METABOLIZM

* całokształt przemian energii i materii zachodzących w organizmie

* cecha istot żywych

* jego ustanie jest sygnałem śmierci zarówno pojedynczej komórki jak i całego organizmu wielokomórkowego

* składają się na niego tysiące reakcji chemicznych

REAKCJE ANABOLICZNE

* przemiany endoergiczne

* wymagają dostarczenia energii
* powstają produkty o poziomie energetycznym wyższym

niż substraty
* syntezy związków bardziej złożonych z prostych, np.

zachodzące w fotosyntezie, biosyntezie białka czy podczas wiązania
azotu atmosferycznego przez niektóre bakterie

REAKCJE KATABOLICZNE

* przemiany egzoergiczne

* uwalniają energię, więc mogą zachodzić samorzutnie
* powstają produkty o poziomie energetycznym niższym niż

substraty
* są to przede wszystkim reakcje rozpadu, np. zachodzące

podczas oddychania komórkowego czy trawienia

SZLAKI METABOLICZNE

* ciągi (szeregi) reakcji zachodzących kolejno p sobie i prowadzących do powstania ściśle określonego produktu (lub produktów)

CYKLE BIOCHEMICZNE

* specyficzna odmiana szlaków metabolicznych

* tworzą zamknięte pętle, w których część produktów jest jednocześnie substratami dla pierwszej reakcji

* niektóre złożone procesy biochemiczne (fotosynteza, oddychanie komórkowe, synteza aminokwasów, białek, tłuszczów czy usuwanie

zbędnych i szkodliwych produktów końcowych przemiany materii) składają się z kilku powiązanych funkcjonalnie szlaków metabolicznych

* szlaki syntezy nigdy nie pokrywają się całkowicie ze szlakami rozpadu

ENZYMY

* specjalne białka, biorące udział w pokonaniu ograniczenia, jakim jest bariera progu energetycznego reakcji

- organizmy mogą funkcjonować w wąskim przedziale od kilku do 35-40°C (poza bakteriami termofilnymi)

- wówczas energia wewnętrzna reagującego układu jest bardzo niska

- w takich warunkach energia nie wystarcza do pokonania bariery progu energetycznego

- znaczące zwiększenie szybkości reakcji przez podniesienie temperatury spowodowałoby uszkodzenie większości białek i śmierć organizmu

* enzymy są biokatalizatorami, gdyż mają zdolność do znacznego zwiększania szybkości reakcji chemicznych w warunkach ustrojowych

- znacznie obniżają energię aktywacji w stosunkowo niskich temperaturach

* same enzymy nie ulegają przy tym przemianom (nie zużywają się w reakcjach, które same przeprowadzają)

CZĄSTECZKA ENZYMU

* większość enzymów to białka złożone

* w kompletnej cząsteczce wyróżniamy:
- część białkową

- część niebiałkową
* grupa prostetyczna enzymu – część

niebiałkowa trwale związana z białkową
* koenzym – połączenie części niebiałkowej

z białkową jest nietrwałe (odwracalne)
- część białkowa koenzymu – apoenzym

- cały enzym – holoenzym
- są to m.in. witaminy

* duże cząsteczki posiadające na swej
powierzchni centrum aktywne (małe

zagłębienie), zawierające odpowiednie
aminokwasy

- w tym miejscu przyłącza się niebiałkowy
składnik enzymu (jeśli występuje)

- grupy kataliczne enzymu – łańcuchy
boczne aminokwasów tworzące centrum

aktywne
(są odpowiedzialne za rozpoznawanie,

wpasowywanie i przemiany konkretnego
substratu)

- rodzaj i rozmieszczenie przestrzenne
aminokwasów w centrum decydują o

właściwościach danego enzymu

KORZYŚCI WYNIKAJĄCE Z OBECNOŚCI

ENZYMU

* budowa centrum aktywnego umożliwia

nietrwałe połączenie enzymu (E) z odpowiednim
substratem (S) –

kompleks enzym-substrat (E-S)
- w chwili jego powstania dochodzi do

przemieszczenia określonych elektronów
substrat (substratów)

- skutkiem jest powstawanie nowych wiązań
lub rozrywanie istniejących

* obniżenie energii aktywacji wynika z tego, że
wiązania chemiczne substratu w momencie

wpasowywania się w centrum aktywnym ulegają
naprężeniu

* dzięki obecności enzymu w reakcji możliwe
jest prawidłowe zorientowanie substratu w

przestrzeni
- w roztworze z enzymem cząsteczki nie

zderzają się bezładnie, przez co rośnie
prawdopodobieństwo zderzeń efektywnych

(skutecznych)
* ostateczne korzyści wynikające z obecności

enzymu:
- zmniejszenie energii aktywacji reakcji

- szybsze osiągnięcie stanu równowagi
reakcji (enzym nie przesuwa jednak stanu

równowagi)

OGRANICZENIA ENZYMÓW

* w warunkach ustrojowych enzymy mogą

przyspieszać jedynie reakcje egzoergiczne
* rozwiązaniem tego jest takie podniesienie

poziomu energetycznego substratu lub
substratów, by reakcja stała się egzoergiczna

* w porównaniu z katalizatorami
nieorganicznymi enzymy wpływają na szybkość

reakcji tak, że może ona być kilka rzędów
wielkości większa, co wynika m.in. ze zdolności

enzymów do bardzo dokładnego rozpoznawania
substratów – specyficzności substratowej

enzymu
- zwykle dany rodzaj enzymu przeprowadza

tylko jeden rodzaj reakcji (nie jest to jednak
reguła, gdyż znane są enzymy posiadające kilka

aktywności enzymatycznych, np. polimeraza
DNA I z komórek E.coli, która przeprowadza

m.in. replikację)
- nie oznacza to, że enzym po przeprowadzeniu

jednej reakcji ulega zniszczeniu
- jedna cząsteczka enzymu może

przeprowadzać ogromne ilości takich reakcji
- żywotność każdej struktury jest ograniczona,

dlatego po pewnym czasie cząsteczki każdego
enzymu ulegają zestarzeniu (zużyciu), a ich ilość

musi zostać uzupełniona

SPECYFICZNOŚĆ

MODEL ZAMKA I KLUCZA

* zaproponowany pod koniec XIX wieku

* dobrze oddaje specyficzność enzymów
* zakłada, że substrat pasuje do centrum

aktywnego jak klucz do zamka
* model nie wyjaśnia jednak wszystkich

aspektów katalizy enzymatycznej
* modelowanie matematyczne wykazało, że

samo precyzyjne dopasowanie substratu do
centrum aktywnego, nie pozwoliłoby na tak

znaczne obniżenie energii aktywacji

MODEL INDUKCYJNEGO DOPASOWANIA

* zakłada, że w rzeczywistości konformacja

(struktura przestrzenna) substratu i centrum
aktywnego nie są identyczne

* w momencie powstawania kompleksu enzym-
substrat następuje swoiste „wciągnięcie” substratu

do centrum aktywnego, czemu towarzyszy niewielkie
naprężenie wiązań w obu składnikach kompleksu

E-S
* w tej sytuacji już mała porcja energii wystarcza do

pokonania progu energetycznego reakcji
* do zmiany jonów dochodzi jedynie w substracie,

gdyż większa masa cząsteczek enzymu wpływa na
dużą stabilność i mniejszą podatność na

odkształcenia
* czasem mówi się więc, że substrat pasuje do

enzymu jak ręka do rękawiczki

RÓŻNICE MIĘDZY ENZYMAMI

* enzymy różnią się specyficznością

* amylazy (enzymy trawienne przewodu
pokarmowego człowieka) rozkładają

wiązania Alfa-glikozydowe w cukrach
- nie ma większego znaczenia, czy

substratem jest skrobia, czy glikogen
* anhydraza węglanowa występuje m.in.

we krwi
- katalizuje tylko reakcję między

dwutlenkiem węgla a wodą
* enzymy dzielimy na sześć klas

głównych, przy czym za podstawowe
kryterium uznaje się rodzaj

przeprowadzanej reakcji

Klasa enzymu

Przykłady i uwagi

Oksydoreduktazy

(reakcje typu redox)

* dehydrogenaza mleczanowa występuje w komórkach wątroby i bierze udział w

utlenianiu szkodliwego nadmiaru kwasu mlekowego

Transferazy (przenoszenie grup

funkcyjnych z jednej cząsteczki
na inną)

* transaminaza glutaminianowi – przenosi grupę aminową na cząsteczkę o nazwie

ketoglutaran, w wyniku czego powstaje kwas glutaminowy/glutaminian (jeden z
aminokwasów)

Hydrolazy (reakcje rozpadu z
udziałem wody)

* enzymy trawienne przewodu pokarmowego – białka proste

Liazy (reakcje rozpadu bez
udziału wody)

* dekarboksylazy aminokwasów albo ketokwasów

Izomerazy (reakcje
przegrupowania

wewnątrzcząsteczkowego)

* izomeraza fosfofruktozy – przekształca 6-węglowy cukier fosfofruktozę w
fosfoglukozę (jedna z reakcji fotosyntezy)

* nieliczne to białka proste

Ligazy (reakcje syntezy)

* polimeraza DNA - włącza kolejne nukleotydy podczas replikacji

KINETYKA PRACY ENZYMÓW

* kinetykę reakcji energetycznej doskonale obrazuje równanie, które prawie 100 lat temu przedstawili biochemicy: Leonor michaeli i Maude

Leonora Menten:

V = V

max

* V – prędkość katalizowanej reakcji
* V

max

– teoretyczna prędkość zachodzenia reakcji w warunkach optymalnych

[S] – stężenie substratu
K

m

– stała Michaelita (charakterystyczna dla danego enzymu, jest równa takiej wartości stężenia substratu, przy którym prędkość redukcji jest

równa połowie prędkości maksymalnej)

* jeśli założymy, że stężenie substratu jest bardzo duże, to możliwe będzie pominięcie K

m

(stała ta ma niewielką wartość rzędu 10

-1

do 10

-7

mola/dm

3

), wówczas równanie można uprościć:

V = V

max

* przy dużym stężeniu substratu wszystkie cząsteczki katalizujące będą pracować z pełną wydajnością i prędkość reakcji będzie maksymalna

(ściślej: prawie maksymalna) dla danego enzymu

* gdy stężenie substratu [S] będzie takie jak wartość stałej K

m

, równanie ogólne przyjmie postać:

V = V

max

,

czyli

V = V

max

* przy takim stężeniu, które jest równe K

m

, prędkość reakcji osiągnie więc połowę prędkości maksymalnej

* stała Miachaelisa dobrze odzwierciedla aktywność enzymu i (lub) jego powinowactwo z substratem (jest to wygodny sposób

rozróżniania enzymów o odmiennej aktywności)

* analiza krzywej Michaelisa-Menten (str 64)

- przy małych stężeniach substratu, gdy [S] jest wyraźnie mniejsze od K

m

, szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do stężenia substratu

(w tych warunkach enzym dysponuje dużą nadwyżką „mocy przerobowej”)

- przy dużych stężeniach substratu, gdy [S] jest wyraźnie większe od K

m

, prędkość jest zbliżona do V

max

i nie ulega zmianie

-

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA PRACĘ ENZYMÓW

HAMOWANIE

KOMPETYCYJNE/INHIBICJA

KOMPETYCYJNA

* związek chemiczny jest na tyle
podobny chemicznie i fizycznie do

substratu, że centrum aktywne enzymu
ich nie odróżnia

* dla takiego oddziaływania
charakterystyczne jest

współzawodnictwo dwóch rodzajów
cząsteczek (substratu i inhibitora) o

jedno centrum aktywne
* jeśli stężenie inhibitora się zwiększy,

to ilość cząsteczek enzymu, która wpływa
na substrat, ulegnie zmniejszeniu –

spadnie szybkość katalizy
* hamowanie to można znosić przez

zwiększenie stężenia substratu
(nastąpi wypieranie inhibitora)

* proces jest odwracalny
* przykład kliniczny:

- leczenie ludzi zatrutych metanolem
- metanol jest w ustroju utleniany do

niebezpiecznego aldehydu mrówkowego
przez dehydrogenazę alkoholową

- enzym ten nie odróżnia metanolu od
etanolu i dlatego etanol może pełnić

funkcje inhibitora kompetencyjnego
- proces zatrucia postępuje jednak szybko,

dlatego nie powinno się pić alkoholi, jeśli
nie zna się ich pochodzenia

HAMOWANIE

NIEKOMPETENCYJNE/

INHIBICJA

NIEKOMPETENCYJNA

* jakaś substancja, niepodobna
do substratu, blokuje

częściowo centrum aktywne
* substrat jest wiązany, ale

reakcja ulega zahamowaniu
* skutkiem jest spadek

prędkości maksymalnej
reakcji

* proces jest odwracalny,
jednak nie jest możliwe

osiągnięcie efektu jego
znoszenia przez zwiększenie

stężenia substratu
* przykładem inhibitorów

niekompetencyjnych są niektóre
związki rtęci

REGULACJA ALLOSTERYCZNA

* pewna cząsteczka oddziałuje odwracalnie na aktywność

enzymu, lecz w innym miejscu niż centrum aktywne
* nie odnosi się wyłącznie do biokatalizatorów

* oznacza zmianę struktury przestrzennej i aktywności
danej makrocząsteczki pod wpływem jakiejś substancji

(regulacji tego typu podlega np. hemoglobina)
* enzymy podlegające takiej modyfikacji oprócz centrum

aktywnego mają tzw. centrum allosteryczne, które może
przyłączać regulator allosteryczny

* regulacja może polegać na inhibicji lub indukcji (działa
inhibitor lub induktor allosteryczny)

* hamowanie allosteryczne występuje najczęściej w długich
szlakach metabolicznych

* jednocześnie wykorzystywane są mechanizmy sprzężeń
zwrotnych ujemnych

* przykład
- synteza aminokwasu izoleucyny z treoniny, przebiegająca

w 6 reakcjach
- pierwsza reakcja jest katalizowana przez enzym

dehydratazę treoninową
- jednocześnie produkt końcowy szlaku (izoleucyna) jest dla

tego biokatalizatora inhibitorem allosterycznym
- w ten sposób komórka chroni się przed nadprodukcją

izoleucyny (ona sama hamuje allosterycznie swoją syntezę)
- blokowanie następuje już na etapie I reakcji, przez co

oszczędzane są koszty związane z niepotrzebnym wytwarzaniem
produktów pośrednich

- jeżeli stężenie izoleucyny spadnie (gdyż zostanie zużyta do
biosyntezy białka), to szlak zostanie odblokowany

* kompleks enzym-inhibior allosteryczny jest nietrwały i
się rozpada

TEMPERATURA

* jakaś substancja, niepodobna do

pH ŚRODOWISKA

* jakaś substancja, niepodobna do

INHIBITORY I AKTYWATORY

* jakaś substancja, niepodobna do

AKOMULATORY I PRZENOŚNIKI ENERGII W KOMÓRCE

* w celu uwolnienia energii organizmy wykorzystują różnorodne przemiany

* organizmy mają dość proste i ujednolicone sposoby magazynowania energii i przenoszenia jej

* w komórkach akumulatorami i przenośnikami energii użytecznej biologicznie są cząsteczki substancji organicznych, w których występują

wiązania wysokoenergetyczne (zawierające dużą ilość tzw. energii swobodnej)

* do powstania takich wiązań potrzebna jest znaczna ilość energii (ponad 20 kJ/mol wiązań)

ATP/ADENOZYNOTRIFOSFORAN

* nukleotyd – trifosforan adenozyny
* ma stosunkowo małą masę cząsteczkową

* jest dobrze rozpuszczalny w wodzie
* zbudowany ze składników powszechnie występujących w komórkach

* cząsteczka ATP ma trzy reszty fosforanowe, a dwie z nich łączą
bezwodnikowe wiązania wysokoenergetyczne

* hydroliza ATP do ADP (adenozynodifosforanu) oraz reszty
fosforanowej (P) uwalnia z jednego mola 30,5 kJ energii, którą organizm

może wykorzystać

ATP + H

2

O - ADP + Pi + 30,5 kJ/mol

* w pewnych warunkach możliwa jest dalsza hydroliza ADP do AMP
(adenozynomonofosforanu) i kolejnej reszty fosforanowej

ADP + H

2

O - AMP + Pi + 30,5 kJ/mol

GTP/GUANOZYNOTRIFOSFORAN

* zmodyfikowany nukleotyd

FOSFOKREATYNA

* zmodyfikowany aminokwas

ŁADOWANIE ATP

* proces ładowania tego akumulatora biologicznego polega na ufosforylowaniu (dołączeniu reszty fosforanowej do ADP)

i powstaniu ATP

* swoisty cykl ATP - ADP + Pi jest podstawowym sposobem wymiany energii w układach żywych

* fosforylacja – kowalencyjne połączenie reszty fosforanowej, najczęstszy sposób tworzenia wiązań wysokoenergetycznych

* istnieją trzy zasadnicze możliwości fosforyzowania ADP do ATP

FOSFORYLACJA SUBSTRATOWA

* zachodzi, gdy reszta fosforanowa

zostanie przeniesiona bezpośrednio na
ADP z wykorzystaniem energii

organicznego substratu (często to on jest
dawcą reszty fosforanowej)

* sposób ewolucyjnie najstarszy i niezbyt
korzystny energetycznie

* nie wymaga udziału tlenu
* zachodzi przede wszystkim w

początkowych reakcjach oddychania
komórkowego

Substrat wysokoenergetyczny + ADP +

Pi --- Substrat niskoenergetyczny +
ATP

FOSFORYLACJA FOTOSYNTETYCZNA

FOTOFOSFORYLACJA

* zachodzi wyłącznie u fotoautotrofów
* w procesie następuje konwersja

(zamiana) energii świetlnej na chemiczną
wiązań ATP

* występują dwa rodzaje fosforylacji
fotosyntetycznej: cykliczna i niecykliczna

ADP + Pi + energia świetlna (w

obecności barwnika fotosyntetycznego)
--- ATP

FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA

* zachodzi u wszystkich organizmów

tlenowych
* wydajny sposób magazynowania energii

użytecznej biologicznie
* do syntezy ATP wykorzystywana jest energia

elektronów przekazywanych z wodoru na
atomy tlenu

* skomplikowany proces

ADP + Pi + zredukowane przenośniki
wodoru + tlen -- ATP + utlenione

przenośniki wodoru + woda

KOENZYM A (CoA)

* uniwersalny węzeł metaboliczny (swoisty centralny węzeł komunikacyjny występujący w każdej komórce, skupiają się z nim liczne

przemiany)

- pozwala to na płynne, dynamiczne połączenie istotnych szlaków metabolicznych

BUDOWA CZĄSTECZKI

* ma ona grupę –SH, która może reagować z grupą

karboksylową związków organicznych
- powstaje wówczas połączenie: reszta acylowa-koenzym,

czyli acylo-CoA
* szczególnie często koenzym A przyłącza 2-węglową grupę

acetylową (resztę octanową)
- reszta octanowa może pochodzić z przekształcenia

cząsteczki pirogronianu (produkt rozpadu glukozy –
glikoliza), kwasów tłuszczowych (podczas ich utleniania –

Beta-oksydacj) lub niektórych aminokwasów (po uprzedniej
deaminacji)

- grupę acetylowi dołączoną do koenzymu A organizm może
zużyć w celach energetycznych (utlenić wewnątrz

mitochondriom) lub przemieścić do cytoplazmy, gzie
następnie może ją wykorzystać do syntezy kwasów

tłuszczowych bądź też przekształcić w ciała ketonowe,
cholesterol lub szkielety węglowe niektórych aminokwasów

SYNTEZA GLUKOZY

* zwierzęta nie potrafią wykorzystywać grup acetylowych z acetylo-CoA

do syntezy glukozy, ponieważ niemożliwe jest odtworzenie z acetylo-CoA
3-węglowego związku o nazwie pirogronian

- pirogronian jest podstawowym substratem w procesie
glukoneogenezy (syntezy glukozy z innych związków organicznych)

- oznacza to, że np. zapasu kwasów tłuszczowych nie możemy wykorzystać
do zaopatrzenia tkanek w glukozę

* glukoneogeneza zachodzi w komórkach wątroby
- polega na wytworzeniu glukozy z mleczanu, pirogronianu, glicerolu

lub niektórych aminokwasów
* bakterie i rośliny omijają to ograniczenie i wykorzystują kwasy tłuszczowe

do produkcji glukozy
- organizmy te także nie potrafią odwrócić reakcji przekształcania

pirogronianu w acetylo-CoA
- mają jednak enzymy, które wykorzystują produkty przejściowe cyklu

Krebsa do syntezy 4-węglowego związku o nazwie szczawiooctan
(związek ten może zostać wykorzystany do syntezy glukozy)