4. Wprowadzenie do enzymologii
4. Wprowadzenie do enzymologii
4.1. Koncepcja biokatalizy
W Żywym organizmie zachodzą tysiące róŻnych reakcji chemicznych. Wi�kszoĘ� z nich wy-
maga dostarczenia z zewnątrz energii, w przeciwnym razie nawet si� nie rozpoczną (mówimy,
Że nie zostaną zainicjowane). W temperaturach, w których moŻe funkcjonowa� Żywy orga-
nizm, tempo tych reakcji jest tak ma"e, Że aŻ niezauwaŻalne. Wynika to z tego, Że energia we-
wn�trzna uk"adu, który ma reagowa�, jest zbyt niska. Dlatego atomy i (lub) cząsteczki
zderzają si� ze sobą zbyt rzadko i niezbyt mocno. Nie wystarcza to do pokonania bariery pro-
gu energetycznego reakcji. MoŻna powiedzie� (w ogromnym uproszczeniu), Że substraty są
zbyt leniwe i powolne, aby reagowa�.
Tak wi�c, aby znacząco przyspieszy� pr�dkoĘ� reakcji, moŻna:
1. Dostarczy� energii do uk"adu przez podniesienie
temperatury  niewątpliwie osiągniemy sukces, bo-
wiem szybko� reakcji zwi�kszy si� w miar� wzrostu
temperatury. B�dzie to jednak pyrrusowe zwyci�-
stwo  coĘ w rodzaju:  operacja si� uda"a, tylko pa-
cjent zmar" . Wynika to z tego, Że bia"ka ustrojowe
denaturują juŻ w temperaturze ok. 45�C (por.
ROZDZ. 2.2). Tymczasem organizm zginie, zanim
osiągnie poŻądane tempo metabolizmu (por. teŻ ryc. 16). NaleŻy tutaj doda�, Że energia
cieplna zaliczana jest do form nisko uŻytecznych biologicznie  trudno ją magazynowa�,
przerabia� i przesy"a�. Ciep"o jest wi�c z"em koniecznym, a jego dostarczanie musi by� roz-
sądnie ograniczane (por. PODR. KL. II).
2. Dostarczy� innej formy energii, na przyk"ad Ęwietl-
nej, o wysokiej uŻytecznoĘci biologicznej. Niestety,
iloĘ� Ęwiat"a, jaka by"aby tu niezb�dna, to luksus
rzadko spotykany na naszej planecie (pomijam juŻ
problem, co np. robi� nocą?).
3. Zrezygnowa� z  pomys"u dostarczania duŻych por-
cji energii i zadowoli� si� ma"ymi. W ten sposób po-
zostaniemy w zakresie temperatur dozwolonych
 tolerowalnych przez organizm. Rozwiązania wymaga jedynie drobiazg  mniej wi�cej mi-
lion razy za wolne tempo reakcji biochemicznych w stosunku do potrzeb. Za"amywa� rąk
nie trzeba, naleŻy obejĘ� to ograniczenie przez zastosowanie enzymów (dawniej fermen-
tów). Nazwa tych związków pochodzi z greckiego enzyme, co oznacza czynnik obecny
w droŻdŻach, i zosta"a wprowadzona przez Niemca Kuhnego, który bada" fermentacj� al-
koholową.
Enzymy są katalizatorami, gdyŻ mają w"aĘciwoĘ� zwi�kszania szybkoĘci reakcji chemicz-
nych, same jednak nie ulegają przemianom. Mówimy wi�c, Że enzymy nie zuŻywają si�
w przeprowadzanych przez siebie reakcjach (por. jednak niŻej).
31
MOLEKULARNE POD�O�E BIOLOGII
Ryc. 16.
Ogólne zasady energetyczne reakcji niekatali-
zowanych i katal i zowanych ustroj u
(Ea1  energia aktywacji dla reakcji niekatali-
zowanej, Ea2  energia aktywacji dla reakcji
przyspieszanej przez enzym, "G  zmiana
energii swobodnej reakcji). Zwró� uwag� na
poziom energetyczny substratu i produktu.
Uwaga: Oprócz enzymów do biokatalizatorów zalicza si� (skądinąd nies"usznie) hormony
i witaminy! W tej ksiąŻce poj�cie biokatalizatora b�dzie si� jednak odnosi"o tylko do
enzymów (w przeciwnym razie zostanie to wyraęnie zaznaczone).
4.2. Budowa i dzia"anie enzymów
WSZYSTKIE POZNANE DOTYCHCZAS ENZYMY SŃ BIA�KAMI
Od czasu odkrycia i wyodr�bnienia w postaci krystalicznej pierwszego enzymu  ureazy
(dokona" tego Sumner w 1926 r.) wyizolowano, oczyszczono i zanalizowano setki róŻnych bio-
katalizatorów. Zdecydowana wi�kszoĘ� z nich naleŻy do bia"ek z"oŻonych. Jedynie cz�Ę� hy-
drolaz i nieliczne izomerazy są bia"kami prostymi (por. niŻej). W zasadzie wi�c ca"a
cząsteczka biokatalizatora, tak zwany holoenzym (gr. holo oznacza ca"y), sk"ada si� z:
a) cz�Ęci bia"kowej  apoenzymu;
b) cz�Ęci niebia"kowej  grupy prostetycznej, przy"ączonej do apoenzymu. JeĘli cz�Ę�
niebia"kowa po"ączona jest nietrwale z apoenzymem, wówczas mówi si� o koenzy-
mie. W celu unikni�cia zamieszania proponuj� uŻywa� nazwy kofaktor dla cz�Ęci nie-
bia"kowej (jest to jednak zabieg nieformalny!).
NaleŻy zada� sobie trud znalezienia odpowiedzi na pytanie: dlaczego do przeprowadze-
nia reakcji enzym potrzebuje tylko niewielkiej porcji energii?
Ca"e rozwiązanie polega na tworzeniu przez enzym (E) przejĘciowego po"ączenia z sub-
stratem (S) albo z substratami (zaleŻy to od enzymu i rodzaju reakcji  znajdę kilka przyk"a-
dów!). To po"ączenie nazywa si� kompleksem enzym-substrat (E-S). Ogólne równanie
reakcji katalizowanej przez enzym moŻna zapisa� nast�pująco:
W momencie wytworzenia kompleksu E-S w samym substracie dochodzi do przesuwania
okreĘlonych elektronów. Skutkiem jest powstawanie nowych wiązał
lub rozrywanie juŻ ist-
niejących. �ciĘle mówiąc, obecnoĘ� enzymu daje nast�pujące korzyĘci:
1. Zwi�ksza si� prawdopodobieł
stwo zderzeł
pomi�dzy reagującymi cząsteczkami. To tak,
jak gdyby ktoĘ zbliŻy" do siebie zagubione osoby  bez tej interwencji szansa na spotkanie
by"aby niewielka.
32
4. Wprowadzenie do enzymologii
2. Substraty zostają prawid"owo zorientowane w przestrzeni trójwymiarowej  cząsteczki
w roztworze bez enzymu zderzają si� bez"adnie, najcz�Ęciej nie tymi  cz�Ęciami co trzeba.
Biokatalizator spe"nia wi�c funkcj� kogoĘ, kto ustawia je wzgl�dem siebie tak, Że reagują-
ce wiązania znajdą si� w bezpoĘrednim sąsiedztwie.
3. Dochodzi do napr�Żania wiązał
w substracie  w momencie wpasowywania substratu do
enzymu (tworzenia kompleksu E-S) nast�puje nadwer�Żanie wiązał
w samym substracie.
Takie naruszone wiązanie doĘ� "atwo moŻna teraz zmieni� (por. takŻe niŻej).
Nie oznacza to jednak, Że enzym moŻe zrobi� z reakcją, co chce. Przede wszystkim jego
obecnoĘ� nie przesuwa stanu równowagi katalizowanej przemiany. Wyobraę sobie odwracal-
ną reakcj�, w której równowaga ustala si� na nast�pującym poziomie: substratu jest 200 razy
wi�cej niŻ produktu. I nie jest waŻne, czy enzym b�dzie obecny czy nie  wartoĘ� ta nie ule-
gnie zmianie. KorzyĘci zastosowania biokatalizatora są nast�pujące:
a) znacznie szybsze osiągni�cie stanu równowagi (w przybliŻeniu przyspieszenie reakcji 
por. niŻej);
b) zmniejszenie energii aktywacji  tej minimalnej porcji energii, która podniesie poziom
energetyczny substratu do progu umoŻliwiającego zainicjowanie i przeprowadzenie da-
nej reakcji (por. ryc. 16).
Istnieje takŻe inne powaŻne ograniczenie pracy biokatalizatorów. Jest nim problem
energetyczny  w warunkach ustrojowych enzymy mogą przyspiesza� jedynie reakcje egzo-
ergiczne (por. ryc. 16). CzyŻbyĘmy mieli wi�c  biochemiczny pat w wypadku reakcji endo-
ergicznych? Rozwiązanie jest proste: trzeba w sensownym zakresie podnieĘ� poziom
energetyczny substratu, Żeby reakcja sta"a si� egzoergiczna. Jak  do"adowa� taki uk"ad, wy-
jaĘni� dok"adniej w ROZDZ. 4.4. Tutaj musisz zadowoli� si� stwierdzeniem, Że istnieją wy-
specjalizowane cząsteczki powstające w reakcjach silnie egzoergicznych, gromadzące
w sobie energi�, którą potem mogą oddawa� na wspomniane do"adowanie.
KA�DY ENZYM MA CENTRUM AKTYWNE
DuŻa skądinąd cząsteczka enzymu ma zawsze na swojej powierzchni ma"e zag"�bienie,
które nazwano centrum aktywnym (miejscem aktywnym; por. ryc. 17 i 18). Miejsce aktywne
jest przestrzennym wg"�bieniem w kszta"cie rowka lub do"ka, zawierającym odpowiednie
aminokwasy. Ten  do"ek jest najwaŻniejszą cz�-
Ęcią ca"ej makrocząsteczki biokatalizatora.
Wchodzi tu bowiem substrat, tutaj takŻe przy"ą-
cza si� grupa prostetyczna (o ile wyst�puje).
�ał
cuchy boczne (R) aminokwasów umoŻliwia-
ją rozpoznawanie, wpasowywanie i reagowanie
konkretnego substratu.
Ryc. 17. Prosty model budowy enzymu
Dlatego cz�sto nazywa si� je grupami katalitycznymi enzymu. Liczba tych grup jest róŻ-
na (zaleŻy od rodzaju enzymu), ale zawsze jest ich kilka do kilkunastu. Rodzaj i rozmieszcze-
nie przestrzenne aminokwasów w centrum aktywnym decyduje o w"aĘciwoĘciach
konkretnego enzymu (por. niŻej klasyfikacja enzymów). Zwykle miejsca te zawierają zarów-
no kilka niepolarnych, jak i polarnych reszt aminokwasowych, co zapewnia odpowiednie mi-
kroĘrodowisko.
33
MOLEKULARNE POD�O�E BIOLOGII
ENZYMY SŃ SPECYFICZNE WZGLóDEM SUBSTRATÓW
Budowanie bia"kowego biokatalizatora kosztuje duŻo energii i materii, a jego trwa"oĘ�
jest ograniczona (por. niŻej). Dlatego naleŻy wykorzysta� do maksimum jego moŻliwoĘci.
Przede wszystkim za"óŻmy, Że komórka musi oszcz�dza� energi� i surowce. Oznacza to
mi�dzy innymi, Że nie sta� jej na przeprowadzanie niepotrzebnych reakcji. Rozwiązaniem jest
 specjalizacja enzymów, która prowadzi do tego, Że katalizowane są tylko reakcje poŻądane.
Inną korzyĘcią jest wysoka sprawnoĘ� takich wąskich specjalistów. W porównaniu z kataliza-
torami nieorganicznymi osiągane pr�dkoĘci są o kilka rz�dów wielkoĘci wi�ksze. Wymaga to
od enzymów zdolnoĘci do bardzo dok"adnego rozpoznawania substratów, czyli specyficzno-
Ęci substratowej.
Zasadniczo dany rodzaj enzymu przeprowadza tylko jeden rodzaj reakcji. Jest to pewne
rozwini�cie znanej Ci zasady: jeden enzym  jedna reakcja. Nie oznacza to wcale, Że enzym
przeprowadza jedną reakcj� i ulega zniszczeniu. Cząsteczka biokatalizatora nie zuŻywa si�
bowiem w pojedynczej przemianie  moŻe przeprowadzi� miliony takich operacji (moŻna to
z grubsza porówna� do popularnego magnetowidu, który odtwarza bezawaryjnie wiele kaset).
Dlatego cząsteczka E widoczna po prawej stronie równania ogólnego (por. ryc.18) moŻe po-
nownie przeprowadzi� t� reakcj� z kolejną cząsteczką substratu. OczywiĘcie ŻywotnoĘ� kaŻ-
dej struktury ma swoje granice  dlatego po jakimĘ czasie cząsteczki enzymu ulegają
zestarzeniu (zuŻyciu) i ich liczba b�dzie musia"a by� uzupe"niona (z magnetowidem b�dzie
podobnie).
Enzymy róŻnią si� od siebie specyficznoĘcią, co jest zjawiskiem poŻądanym, ale takŻe nie-
bezpiecznym (por. niŻej inhibicja). Dla przyk"adu ą-amylazy naszego przewodu pokarmowe-
go rozk"adają wiązania typu ą-glikozydowego i nie ma tu wi�kszego znaczenia, czy
substratem jest skrobia, glikogen czy dekstryna.
Uwaga: Nie oznacza to jeszcze, Że amylazy dzia"ają  na Ęlepo  por. CZó��: ANATOMIA I & ,
ROZDZ. 5.
Ryc. 18. Model ilustrujący przestrzenne dopasowanie substratu i enzymu wed"ug modelu zamka
i klucza
Podobnie lipaza trzustkowa rozk"ada wiązania estrowe w róŻnych t"uszczach. Inne enzy-
my wykazują znacznie wi�kszą dok"adnoĘ� w rozpoznawaniu substratu, na przyk"ad anhydra-
za w�glanowa katalizuje tylko reakcje pomi�dzy dwutlenkiem w�gla i wodą. Inny
34
4. Wprowadzenie do enzymologii
biokatalizator  polimeraza DNA I (przeprowadzająca reakcje kopiowania DNA) w"ącza do
syntetyzowanej nici nowe nukleotydy z dok"adnoĘcią jednego b"�du na 10 000 000 przepro-
wadzonych operacji.
SpecyficznoĘ� enzymów dobrze oddaje model zamka
i klucza, sformu"owana przez pana Fishera juŻ w 1890 r.
Mówi ona, Że substrat pasuje do centrum aktywnego
enzymu tak jak klucz do zamka (por. ryc. 18).
Po prostu  odpowiednie ukszta"towanie przestrzenne substratu znajduje odbicie w kon-
formacji miejsca aktywnego enzymu. Pozwala to na wejĘcie grup katalitycznych enzymu
w nietrwa"e po"ączenia z substratem i przeprowadzenie reakcji. Model Fishera jest prosty
i przekonywający, nie wyjaĘnia jednak wszystkich aspektów katalizy enzymatycznej w Żywych
uk"adach. Modelowanie matematyczne udowodni"o bowiem, Że samo dopasowanie S do
E daje tylko dwie pierwsze z wymienionych wczeĘniej korzyĘci (przypomnij je sobie!). Nie po-
zwoli"yby one na tak znaczne obniŻenie energii aktywacji. WyjaĘnienie tego problemu przed-
stawi" pan Koshland w swojej teorii indukcyjnego dopasowania (wymuszonego
dopasowania). W tym uj�ciu substrat niezbyt dok"adnie pasuje przestrzennie do centrum ak-
tywnego. Inaczej mówiąc, konformacja obu sk"adowych kompleksu E-S nie jest identyczna.
OtóŻ wchodząc w s"abe oddzia"ywania z enzymem, S jest przez niego  wciągany do zag"�bie-
nia centrum. W czasie dopasowywania nast�puje pewne odkszta"cenie centrum i substratu.
MoŻna wi�c oczekiwa� niewielkiego napr�Żenia (mniej wi�cej naderwania) wiązał
w obu
komponentach. W tej sytuacji juŻ niewielka porcja energii aktywacji wystarcza do pokonania
progu energetycznego reakcji. To, Że dochodzi do zmiany wiązał
tylko w substracie, t"umaczy
si� czasem wielkoĘcią cząsteczki enzymu  przewaga masy daje mu wi�kszą stabilnoĘ� i mniej-
szą podatnoĘ� na odkszta"cenia. Mamy wi�c tutaj wszystkie trzy przedstawione korzyĘci.
Czasem dla obrazowego wyjaĘnienia teorii Koshlanda mówi si�, Że substrat pasuje do
miejsca aktywnego jak r�ka do r�kawiczki (przemyĘl to dok"adnie).
KINETYKó REAKCJI ENZYMATYCZNEJ OBRAZUJE MODEL MICHAELIS-MENTEN
JuŻ w 1913 roku panie Michaelis i Menten przedstawili bardzo prosty model charaktery-
zujący dynamik� przebiegu katalizowanych reakcji. Za"oŻeniem by"o oczywiĘcie, Że zawsze
tworzy si� kompleks E-S jako poĘredni etap ca"ego procesu. W swojej podstawowej wersji
tzw. równanie Michaelis-Menten przyjmuje nast�pującą posta� (po uproszczeniu!):
gdzie V  pr�dkoĘ� katalizowanej reakcji, V  pr�dkoĘ� maksymalna jaką moŻna by"o-
max
by teoretycznie osiągną� w warunkach optymalnych, [S]  st�Żenie substratu, KM  sta"a Mi-
chaelis. Ta ostatnia jest równa takiej wartoĘci st�Żenia substratu, przy którym pr�dkoĘ� reakcji
jest równa po"owie pr�dkoĘci maksymalnej (por. niŻej).
Nie wdając si� w zawi"e wyjaĘnienia, spójrzmy na to równanie krał
cowo:
1. JeĘli st�Żenie substratu jest bardzo duŻe, to wówczas moŻemy w u"amku pominą� KM (sta-
 1  7
"a ta ma niewielką wartoĘ� rz�du od 10 do 10 mola/litr). Równanie uproĘci si� i przyjmie
praktyczną posta�:
35
MOLEKULARNE POD�O�E BIOLOGII
Logiczne wi�c jest, Że przy duŻym st�Żeniu substratu wszystkie cząsteczki biokatalizatora
b�dą  pracowa� , a wi�c pr�dkoĘ� reakcji b�dzie maksymalna dla danego enzymu. �ciĘle
mówiąc, b�dzie prawie maksymalna (por. ryc. 19; porozmawiaj teŻ ze swoim chemikiem,
szczególnie, jeĘli tego nie rozumiesz);
2. JeĘli niewielkie st�Żenie substratu (wynoszące S) b�dzie takie jak wartoĘ� sta"ej KM, to
wówczas równanie przyjmie posta�:
Przy takim st�Żeniu substratu, które jest równe KM pr�dkoĘ� reakcji osiągnie wi�c po"ow�
pr�dkoĘci maksymalnej. Zastanawiając si� dalej, dojdziesz do wniosku, Że sta"a Michaelis
dobrze odzwierciedla aktywno� enzymu i (lub) jego powinowactwo z substratem. Jest to
bowiem wygodny sposób rozróŻniania enzymów o odmiennej aktywnoĘci (zaleŻnoĘ�
Vmax od st�Żenia substratu jest ma"o precyzyjna). Przyjrzyjmy si� teraz hiperbolicznej krzy-
wej Michaelis przedstawionej na ryc. 19. Przy ma"ych st�Żeniach substratu, gdy [S] jest
mniejsze od KM szybkoĘ� reakcji jest wprost proporcjonalna do st�Żenia substratu. Na tym
odcinku krzywa jest stromotorowa  dodanie nawet niewielkiej iloĘci substratu wyraęnie
przyspieszy reakcj�. MoŻna powiedzie�, Że w tych warunkach enzym dysponuje duŻą nad-
wyŻką  mocy przerobowej . Przy duŻych st�Żeniach substratu, gdy [S] jest wyraęnie wi�k-
sze od KM, pr�dkoĘ� jest zbliŻona do Vmax i nie ulega zmianie. Na tym odcinku krzywa jest
p"askotorowa  i nawet doĘ� znaczne odchylenia [S] nie zmieniają szybkoĘci (dlatego ta za-
leŻnoĘ� jest ma"o precyzyjna).
Ryc. 19. Krzywa Michaelis ilustrująca zaleŻnoĘ� szybkoĘci reakcji enzymatycznej od st�Żenia sub-
stratu (A  w wypadku enzymu o duŻej aktywnoĘci zwraca uwag� ma"a wartoĘ� KMA,
B  dla enzymu ma"o aktywnego warto� KMB jest znacznie wi�ksza).
O AKTYWNO�CI ENZYMU �WIADCZY TAK�E LICZBA OBROTÓW
Poj�cie to oznacza praktycznie liczb� cząsteczek substratu, która ulega przekszta"ceniu
w produkt w jednostce czasu (w warunkach pe"nego wysycenia enzymu). Liczba obrotów dla
 1
jednego z najszybszych enzymów ustrojowych  anhydrazy w�glanowej wynosi ok. 600 000 s
(600 000 cząsteczek  przerobionych w ciągu jednej sekundy). W wypadku innych biokatali-
zatorów wartoĘ� ta jest najcz�Ęciej znacznie mniejsza i wynosi na przyk"ad dla dehydrogena-
 1  1
zy mleczanowej 26 000 s , a dla syntetazy tryptofanowej juŻ tylko 2 s . Jak wida�, są one
bardzo róŻne, ale w zupe"noĘci wystarczają na nasze potrzeby (zaleŻy to od czynników, któ-
rych tutaj porusza� nie b�dziemy).
36
4. Wprowadzenie do enzymologii
NA AKTYWNO�� ENZYMÓW MA WP�YW SZEREG CZYNNIKÓW USTROJOWYCH
JeĘli wszystkie znane enzymy ustrojowe są bia"kami, to naleŻy oczekiwa�, Że b�dą wykazy-
wa"y wszystkie cechy tych makrocząsteczek (por. ROZDZ. 2). Oznacza to wi�c  delikatnoĘ�
i podatnoĘ� ich aktywnoĘci na wp"yw czynników zewn�trznych. WĘród najistotniejszych para-
metrów Ęrodowiskowych naleŻy zna�:
1. Wp"yw temperatury  dla wi�kszoĘci enzymów do ok. 37 40�C nast�puje wzrost szybkoĘci
reakcji. Jest to zgodne z regu"ą van Hoffa (Twój chemik!). PowyŻej tej temperatury pr�d-
koĘ� gwa"townie spada  spowodowane to jest denaturacją bia"ka (sporządę sobie odpo-
wiedni wykres!). Wi�kszoĘ� naszych enzymów ustrojowych ma optimum termiczne w"aĘnie
w okolicach 38�C, co jest zgodne z hipotezą maksitermii (por. CZó��: ANATOMIA I & ,
ROZDZ. 9). Dla organizmów zmiennocieplnych optimum termiczne przypada w niŻszym
zakresie. Wyjątkowo tylko u gorącolubnych bakterii Żyjących w przegrzanych ęród"ach
stwierdzono obecnoĘ� enzymów pracujących w temperaturze ok. 80�C.
2. Wp"yw pH  w tym wypadku enzymy wykazują powaŻne róŻnice. Zdecydowana wi�kszoĘ�
komórkowych ma optimum w okolicach oboj�tnego  lekko kwaĘnego (pH = 6,4 6,6).
Enzymy trawienne dzia"ające w przewodzie pokarmowym mają optimum pH zaleŻne od
ich budowy i miejsca dzia"ania. I tak na przyk"ad pepsyna najlepiej dzia"a przy pH = 1,5 2,
amylaza Ęlinowa przy pH = 7, a trypsyna przy pH = 8,7 (sporządę odpowiedni wykres).
Uwaga: Omawiane zaleŻnoĘci są cz�sto wykorzystywane przy tworzeniu pytał
egzaminacyjnych!
Posiadanie enzymów pozwala komórce na regulowanie w"asnego metabolizmu (por.
ROZDZ. 3.1). MoŻe si� to odbywa� na kilku poziomach organizacji, a przejawem tego są:
1. Sterowanie transkrypcją (przepisywaniem informacji genetycznej z DNA na mRNA). Wy-
starczy teraz wyobrazi� sobie, Że moŻna biochemicznie zablokowa� lub odblokowa� odci-
nek DNA zawierający informacje o budowie enzymu  w ten sposób albo zostanie on
zsyntetyzowany, albo nie. Wiesz zaĘ, co to oznacza dla konkretnej reakcji (por. teŻ
CZó��: GENETYKA).
2. Obróbka posttranskrypcyjna i kontrolowanie translacji  powsta"y transkrypt moŻe by�
uŻyty lub  od"oŻony na potem (por. tigroidy w neuronach).
3. Regulowanie aktywnoĘci juŻ zsyntetyzowanego enzymu. Jest to najszybszy i zwykle najlep-
szy sposób sterowania procesami metabolicznymi. W zaleŻnoĘci od rodzaju enzymu i miej-
sca uŻycia istnieje tu kilka moŻliwoĘci:
A) Posiadanie enzymów rozk"adających bia"ka jest dla komórki korzystne, ale i niebez-
pieczne. Dlatego syntetyzowane są w formie nieczynnych proenzymów (czasem zymo-
genów). Formy te są uaktywniane dopiero w miejscu gwarantującym zabezpieczenie
przed samostrawieniem (tzn. w przewodzie pokarmowym  albo w skali komórki euka-
riotycznej  w wakuoli trawiennej). Uczynnienie takiego biokatalizatora cz�sto polega
na odci�ciu fragmentu "ał
cucha polipeptydowego, który zas"ania miejsce aktywne. Opi-
sany tutaj sposób aktywacji jest nieodwracalny.
B) W wypadku w pe"ni sprawnego (gotowego) enzymu sytuacja moŻe si� przedstawia� na-
st�pująco:
a) JeŻeli pewien związek chemiczny jest na tyle podobny chemicznie i fizycznie do sub-
stratu, Że centrum aktywne enzymu ich nie odróŻnia to dochodzi do hamowania
kompetycyjnego (inhibicji kompetycyjnej, hamowania wspó"zawodniczącego; por.
ryc. 20A). Ten typ oddzia"ywania polega, krótko mówiąc, na ubieganiu si� o to samo
37
MOLEKULARNE POD�O�E BIOLOGII
 dwa rodzaje cząsteczek (substrat i inhibitor) wspó"zawodniczą o jedno centrum ak-
tywne. JeĘli st�Żenie takiego inhibitora zwi�kszy si�, to iloĘ� cząsteczek enzymu, któ-
ra  obs"uguje substrat ulegnie zmniejszeniu  spadnie wi�c szybko� katalizy. Takie
hamowanie moŻna znosi� przez zwi�kszanie st�Żenia substratu (nastąpi z kolei wy-
pieranie inhibitora). Jak wida�, opisywany proces jest w pe"ni odwracalny, wp"ywa
takŻe na wzrost KM (nie ma natomiast wp"ywu na V ). Przyk"adem klinicznym jest
max
leczenie ludzi zatrutych metanolem  alkohol ten jest w ustroju utleniany do niebez-
piecznego aldehydu mrówkowego przez dehydrogenaz� alkoholową. Enzym ten nie
odróŻnia metanolu od etanolu i dlatego ten ostatni moŻe pe"ni� funkcj� inhibitora
kompetycyjnego. Nie liczy"bym jednak zbytnio na to, gdyŻ proces zatrucia post�puje
szybko. Lepiej wi�c nie pi� napojów wysokoprocentowych niepewnego pochodzenia
(a najlepiej nie pi� ich wcale).
b) JeĘli jakaĘ substancja niepodobna do substratu blokuje cz�Ęciowo centrum aktywne,
to mamy do czynienia z hamowaniem niekompetycyjnym (por. ryc. 20B). Substrat
jest wi�c wiązany, ale reakcja ulega zahamowaniu  skutkiem jest spadek liczby ob-
rotów i pr�dkoĘci maksymalnej reakcji (KM nie ulega zmianie). Sam proces hamowa-
nia jest odwracalny, ale nie moŻna tutaj osiąga� efektu jego znoszenia przez
zwi�kszanie st�Żenia substratu. Ten typ inhibicji nie ma wi�kszego znaczenia dla re-
gulacji metabolizmu w uk"adach Żywych. Przyk"adem są związki miedzi i rt�ci bloku-
jące grupy tiolowe aminokwasów katalitycznych.
Ryc. 20. Regulacja aktywnoĘci enzymów: hamowanie kompetencyjne (A), niekompetencyjne (B)
i inhibicja allosteryczna (C).
c) JeĘli pewna cząsteczka oddzia"uje odwracalnie na aktywnoĘ� enzymu, ale w innym miej-
scu niŻ centrum aktywne, to mamy do czynienia z regulacją allosteryczną (por. ryc. 20C).
Poj�cie to nie odnosi si� wy"ącznie od biokatalizatorów  oznacza bowiem zmian� struk-
tury przestrzennej i aktywnoĘci danej makrocząsteczki pod wp"ywem jakiejĘ substancji
(regulacji tego typu podlega np. hemoglobina  por. CZó��: ANATOMIA I & ,
ROZDZ. 4.4). Enzymy, które podlegają takiej modyfikacji wykazują kilka cech:
 są zbudowane z kilku podjednostek peptydowych;
 ich kinetyka odbiega od modelu Michaelis-Menten; przede wszystkim krzywa ich
aktywnoĘci ma kszta"t sigmoidalny, a nie hiperboliczny; upraszczając  istniejące
oddzia"ywania pomi�dzy modu"ami prowadzą do u"atwiania wiązania nast�pnych
cząsteczek substratu;
 mają oprócz centrum aktywnego jeszcze tak zwane centrum allosteryczne, które
moŻe przy"ącza� regulator allosteryczny.
Regulacja moŻe polega� na inhibicji albo indukcji  odpowiednio mówimy wów-
czas o dzia"aniu inhibitora albo induktora allosterycznego. Tego typu oddzia"ywa-
nia są cz�sto wykorzystywane przez komórk�. Hamowanie allosteryczne wyst�puje
38
4. Wprowadzenie do enzymologii
najcz�Ęciej w d"ugich szlakach metabolicznych. Jest to jednoczeĘnie wykorzystanie
mechanizmów sprz�Żeł
zwrotnych ujemnych. Przyk"adem niech b�dzie synteza izo-
leucyny (Ile) z treoniny, przebiegająca w szeĘciu reakcjach (nie musisz ich zna�!).
Pierwsza reakcja jest katalizowana przez enzym dehydrataz� treoninową. Jednocze-
Ęnie produkt koł
cowy szlaku  izoleucyna jest dla tego biokatalizatora inhibitorem
allosterycznym. W ten sposób komórka chroni si� przed nadprodukcją izoleucyny
 ona sama hamuje swoją syntez�. Ponadto blokowanie nast�puje juŻ na etapie
pierwszej reakcji przez co oszcz�dza si� koszty związane z niepotrzebnym wytwa-
rzaniem produktów poĘrednich (chytre?). JeĘli st�Żenie Ile spadnie (bo zuŻyto ją do
biosyntezy bia"ka), szlak zostanie odblokowany (por. ryc. 21). Wynika to z tego, Że
kompleks enzym-inhibitor jest nietrwa"y i rozpada si� (jeĘli nie rozumiesz tego, do-
kszta"� si� w zakresie równowag chemicznych).
Ryc. 21. Schemat sprz�Żenia zwrotnego ujemnego w kontroli szlaku syntezy izoleucyny (PP1 5  ko-
lejne produkty przejĘciowe, E1 6  kolejne enzymy szlaku). Widoczne jest hamujące oddzia-
"ywanie Ile na pierwszy enzym szlaku  dehydrataz� treoninową (E1)
ENZYMÓW JEST TAK DU�O, �E MUSIANO JE PODZIELI� NA GRUPY
NiegdyĘ stosowano jedynie nazwy zwyczajowe enzymów. Od 1961 roku obowiązuje nas
podzia" zaproponowany przez Komisj� Enzymową Mi�dzynarodowej Unii Biochemicznej.
Dzieli on biokatalizatory na szeĘ� klas g"ównych (i tylko ten poziom podzia"u musisz zna�).
Kryterium jest tutaj rodzaj przeprowadzanej reakcji.
Uwaga: 1. Dla wi�kszoĘci uczniów opanowywanie tego podzia"u to niezas"uŻona katorga.
Tymczasem zaczą� trzeba od zastanowienia si�, co moŻna zrobi� z dowolnym obiek-
tem chemicznym? OtóŻ moŻna go: utleni�, przenieĘ� jakiĘ jego fragment, roz"oŻy� na
mniejsze cz�Ęci, uŻywając wody (lub bez jej udzia"u), zmieni� wzajemne po"oŻenie
elementów budulcowych (przebudowa� bez zmiany sk"adników), wreszcie dwa
obiekty po"ączy� ze sobą w jedną ca"oĘ�. Wszystko to znalaz"o odbicie w przyj�tym
podziale.
2. Nazwy enzymów zawierają najcz�Ęciej charakterystyczne koł
cówki. Przyj�"o si�,
Że aktywny enzym ma koł
cówk� -aza, natomiast proenzym -gen.
PoniŻej przedstawiono wszystkie klasy z przyk"adami (jest ich teŻ mnóstwo w ca"ej ksiąŻce!):
1. Oksydoreduktazy  przeprowadzają reakcje typu redox. Mówiąc proĘciej, są to enzymy ka-
talizujące reakcje, w których dochodzi do zmiany stopnia utlenienia. Przyk"adami są: de-
hydrogenaza mleczanowa (uczestnicząca w wątrobie w pozbywaniu si� szkodliwego kwasu
mlekowego) i oksydaza L-aminokwasowa (bezpoĘrednio utleniająca aminokwasy w mi-
krocia"kach).
2. Transferazy  katalizują reakcje przenoszenia grup funkcyjnych z jednej cząsteczki na dru-
gą. Trywializując  jednemu zabiera si� jakąĘ istotną cz�Ę�, aby da� ją drugiemu. Przyk"ada-
39
MOLEKULARNE POD�O�E BIOLOGII
mi są: transaminaza glutaminianowa (przenosząca grup� aminową na ketoglutaran, przez
co powstaje mi�dzy innymi kwas glutaminowy; por. transaminacja) i syntaza laktozowa
(w gruczo"ach mlecznych ssaków przenosi galaktoz� na glukoz�, przez co powstaje laktoza).
3. Hydrolazy  zwykle są to bia"ka proste przeprowadzające reakcje rozpadu z udzia"em wody. In-
nymi s"owy: enzymy te rozk"adają wiązania w cząsteczkach, uŻywając do tego celu wody (mó-
wimy o hydrolizie). Przyk"adami są wszystkie enzymy trawienne przewodu pokarmowego.
Tutaj stwierdęmy tylko, Że zhydrolizowa� moŻna wiązania peptydowe, glikozydowe i estrowe.
4. Liazy  katalizują reakcje rozpadu, tyle Że bez udzia"u wody. Zwykle wówczas tworzą si�
wiązania podwójne. Przyk"adem jest dekarboksylaza pirogronianowa odpowiedzialna za
pozbawienie pirogronianu dwutlenku w�gla, w wyniku czego powstaje aldehyd octowy
(por. fermentacja alkoholowa).
5. Izomerazy  przeprowadzają reakcje przegrupował
wewnątrzcząsteczkowych. Inaczej mó-
wiąc, przebudowują one struktur� cząsteczki bez zmiany jej sk"adu atomowego. Przyk"a-
dem jest izomeraza cytrynianowa, katalizująca reakcj� przekszta"cania cytrynianu
w izocytrynian (por. cykl Krebsa).
6. Ligazy (syntetazy)  katalizują tworzenie nowych wiązał
. �ciĘle mówiąc, odpowiedzialne
są za wytwarzanie wiązał
pomi�dzy dwoma substratami, a wi�c za reakcje syntezy. Pro-
blem dostarczenia niezb�dnej energii rozwiązują one przez sprz�Żenie syntezy z reakcją
silnie egzoergiczną (tu: hydrolizy wiązania wysokoenergetycznego, najcz�Ęciej ATP).
Uwaga: W zapami�taniu powyŻszych nazw moŻe pomóc Ci skrót utworzony z ich pierwszych
liter  OTHLIL.
4.3. Kofaktory enzymatyczne
Jak zapewne pami�tasz, wi�kszoĘ� enzymów zbudowanych jest z bia"kowego apoenzymu
i niebia"kowego koenzymu, zawsze po"ączonych stechiometrycznie. Ten ostatni jest niezb�d-
ną cz�Ęcią takiego biokatalizatora, zapewniającą moŻliwoĘ� przeprowadzenia danej reakcji.
Tak si� sk"ada, Że to koenzymy (inaczej: kofaktory) przyjmują i (lub) oddają elektrony, wodo-
ry albo grupy atomowe. UmoŻliwia to przekazywanie tych cząstek na inne substancje, takŻe
na inne enzymy. W ten sposób moŻliwe jest wymienianie na szeroką skal� róŻnych substancji
w warunkach ustrojowych. Na nasze nieszcz�Ęcie kofaktory ulegają zuŻyciu (najcz�Ęciej przez
utlenianie). Dlatego ich zapas musi by� wciąŻ uzupe"niany. Problem w tym, Że nasz organizm
nie potrafi sam zsyntetyzowa� wszystkich tych związków (por. niŻej).
WIELE KOENZYMÓW WYKAZUJE POKREWIEĄSTWO Z WITAMINAMI
KaŻdy wie, co to jest witamina  waŻny sk"adnik poŻywienia, niemoŻliwy do zastąpienia,
gdyŻ organizm nie jest zdolny do jego samodzielnej syntezy. W niektórych wypadkach Żywy
ustrój zsyntetyzuje sobie witamin�, jeĘli otrzyma bezpoĘredni prekursor  prowitamin�. Jest
w stanie przeprowadzi� wi�c tylko ostatnią reakcj� otrzymywania witaminy  tak jest w wy-
padku karotenu, który jest dla nas prowitaminą A.
Witaminy są związkami oligodynamicznymi, to znaczy, Że ich iloĘ� wyklucza zastosowanie
budulcowe lub  energodajne . Jest ich na to zbyt ma"o  dzienne zapotrzebowanie cz"owieka
mierzone jest w miligramach (pomijam wit. C).
W tym miejscu dodajmy, Że nie wszystkie witaminy są sk"adnikami koenzymów. �eby si�
nie pogubi� w tym wszystkim, proponuj� przeprowadzenie biochemicznej charakterystyki wi-
40
4. Wprowadzenie do enzymologii
tamin (waŻnych dla cz"owieka) z zaznaczeniem, czy wchodzi w sk"ad kofaktora i jaki on jest.
Zastosujmy tutaj klasyczny podzia" witamin:
1. Rozpuszczalne w t"uszczach  grupa: A, D, E, K jak WALDEK, tyle Że nie ma witamin
W i L. Jest to niewyszukany sposób, Żeby zapami�ta� ca"ą klasyfikacj� (reszta witamin b�-
dzie wi�c rozpuszczalna w wodzie).
A) Witamina A (retinol, akseroftol) powstaje z lipidowego prekur-
sora  karotenu (tego z marchewki). Jedną z funkcji biochemicz-
nych tego związku jest wspó"tworzenie rodopsyny (purpury
wzrokowej). Niedobór witaminy A wywo"uje tak zwaną Ęlepot�
zmierzchową. Wed"ug niektórych ęróde" retinol i karotenoidy
dzia"ają przeciwnowotworowo, poniewaŻ są przeciwutleniacza-
mi, co w nab"onkach jest bardzo istotne (pomyĘl dlaczego). Zbyt
duŻy deficyt witaminy A moŻe doprowadzi� do keratynizacji na-
b"onków: oka, dróg oddechowych, pokarmowych, potem nawet do tak zwanej suchoĘci ro-
gówki (stąd juŻ tylko krok do nieodwracalnej Ęlepoty). Pami�taj teŻ, Że nadmiar retinolu
moŻe doprowadzi� do zatrucia organizmu. Dzienne zapotrzebowanie na t� witamin� wyno-
si ok. 2 mg. Łród"a to m. in. wątroba, tran, jaja, niektóre jarzyny. Nie jest ona koenzymem.
B) Witamina D (kalcyferol) wp"ywa na gospodarką wapniową
organizmu. W"aĘciwie jest ona steroidowym prohormonem,
który powstaje w skórze pod wp"ywem Ęwiat"a (g"ównie ul-
trafioletu). Substratem wyjĘciowym są tu pochodne choleste-
rolu (ergosterol z roĘlin i dehydrosterol z tkanek
zwierz�cych). Z witaminy D w wątrobie i potem w nerkach
powstaje hormon  kalcytriol. Dzia"a on pobudzająco na
transport wapnia ze Ęwiat"a przewodu pokarmowego. Niedo-
bór kalcytriolu powoduje, Że procesy koĘciotwórcze ulegają zwolnieniu, a przebudowa
elementów szkieletowych zak"óceniu. U dzieci skutkiem są deformacje koĘci, czyli krzy-
wica (u doros"ych jej odpowiednikiem jest osteomalacja), objawiająca si� mi�dzy inny-
mi nadmiernym rozmi�kczeniem koĘci. Witamina D nie jest koenzymem. Dzienne
zapotrzebowanie wynosi ok. 0,02 mg. Łród"em tej witaminy mi�dzy innymi są: wątroba,
mleko, mas"o, jaja, droŻdŻe.
C) Witamina E (ą-tokoferol) zwana jest takŻe witaminą p"odnoĘci.
Jednak jej podstawowa funkcja to zapobieganie nadmiernemu
utlenianiu substancji organicznych w ustroju  g"ównie lipidów
b"on komórkowych. Brak wit. E wywo"uje mi�dzy innymi os"a-
bienie mi�Ęni i obniŻoną p"odnoĘ�. Dzienne zapotrzebowanie
ok. 20 mg. Nie jest najprawdopodobniej koenzymem. G"ówne
ęród"a to olej s"onecznikowy, sojowy, orzechy lub kie"ki pszenicy.
D) Witamina K (fitochinon) spe"nia waŻną funkcj� w krzepni�ciu
krwi. Jej deficyt powoduje krwawienia i opóęnienie krzepni�cia krwi (por. ANATO-
MIA I & , ROZDZ. 4.5). Najprawdopodobniej witamina K jest kofaktorem enzymu
odpowiedzialnego za modyfikacj� bia"kowych czynników krzepni�cia (m.in. czynniki
Rosenthala oraz Christmasa). Dzienne zapotrzebowanie wynosi ok. 1 mg i normalnie
jest ca"kowicie pokrywane przez produkcj� flory jelitowej.
E) Witamina Q (ubichinon) jest sk"adnikiem mitochondrialnego "ał
cucha przenoĘników
elektronów. Zalicza si� ją do witamin, ale poniewaŻ nie stwierdzono jej niedoborów
w organizmie moŻesz ją pominą�.
41
MOLEKULARNE POD�O�E BIOLOGII
2. Rozpuszczalne w wodzie:
A) Witamina B1 (tiamina, aneuryna) jest sk"adnikiem koenzymu
 pirofosforanu tiaminy. UmoŻliwia on przeprowadzanie mi�-
dzy innymi reakcji oksydacyjnych dekarboksylacji: ketoglutara-
nu (por. cykl Krebsa) i pirogronianu (por. reakcja pomostowa).
Dzienne zapotrzebowanie na t� substancj� wynosi Ęrednio
1,5 mg. Deficyt wywo"uje chorob� beri-beri na skutek zaburzeł

w pracy neuronów i w"ókien mi�Ęniowych (bóle rąk i nóg, drŻe-
nie, os"abienie mi�Ęni, niewydolnoĘ� uk"adu krąŻenia). Łród"a:
wątroba, droŻdŻe, nieoczyszczone ziarna zbóŻ, mi�so.
B) Kompleks witaminy B2, na który sk"adają si�:
a) Kwas nikotynowy (witamina PP) i nikotynoamid (lepiej kojarzące si� nazwy to nia-
cyna i niacynamid). Związki te wchodzą w sk"ad nukleotydów nikotynoamidowych.
+
Zalicza si� do nich: NAD (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy) i jego ufosforylo-
+
waną pochodną NADP (fosforan dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego; por.
ryc. 22). Oba te związki są koenzymami enzymów z grupy dehydrogenaz, przeprowa-
dzających waŻne reakcje odwodorowania (dok"adniej przenoszenia elektronów
+
i H ). RóŻnią si� jednak wyst�powaniem i zastosowaniem. Ten pierwszy oddaje za-
brane substratowi elektrony i protony na "ał
cuch oddechowy. Drugi s"uŻy jako re-
duktor w reakcjach syntezy, na przyk"ad w fotosyntezie lub w budowie kwasów
+
t"uszczowych. Poza tym NAD jest koenzymem takich enzymów, jak dehydrogenazy:
alkoholowa, mleczanowa i glutaminianowa.
+ +
Ryc. 22. Budowa NAD i NADP z uwzgl�dnieniem elementów sk"adowych (zwró� uwag� na ich
prostot�). Fragmenty pochodzące z witaminy PP zaznaczono Żó"tym kolorem.
42
4. Wprowadzenie do enzymologii
Nasz organizm potrafi syntetyzowa� nikotynoamid z tryptofanu (jeĘli ma go w dosta-
tecznej iloĘci). Rzadko wi�c stwierdza si� objawy awitaminozy. JeĘli juŻ do niej doj-
dzie, to jednostk� chorobową nazywa si� pelagrą (rumieniem lombardzkim).
Charakteryzuje si� ona przebarwieniami i zapaleniem skóry, biegunką, gorączką
i utratą przytomnoĘci.
+ +
Uwaga: Zapis postaci NAD i NADP po zredukowaniu powinien przedstawia� si� nast�pu-
+ +
jąco: NADH + H i NADPH + H . Jednak w ksiąŻce czasem pojawi si� odmiana
uproszczona: NADH i NADPH  nie jest to powaŻny b"ąd.
b) Ryboflawina (witamina B2 sensu stricto) jest sk"adnikiem grup
prostetycznych, tzw. flawoprotein. Enzymy te mają jako ko-
faktor FMN (mononukleotyd flawinowy) albo FAD (dinukle-
otyd flawinoadeninowy; por. ryc. 23). Charakterystyczne jest
dla nich silne, sta"e związanie z cz�Ęcią niebia"kową (stąd
okreĘlenie  grupy prostetyczne). Flawoproteiny przeprowa-
dzają reakcje dehydrogenacji, uczestniczą wi�c w przenosze-
+
niu elektronów i jonów H , ale o mniejszym potencjale niŻ te,
+
którymi  interesuje si� NAD . Enzymy flawinowe są liczną grupą (ponad 90 rodza-
jów), tutaj wymieł
my wi�c tylko najwaŻniejsze. Sztandarowym przyk"adem jest dehy-
drogenaza bursztynianowa, uczestnicząca w cyklu Krebsa oraz reduktazy "ał
cucha
oddechowego. W mikrocia"kach wyst�pują oksydazy flawinowe, przeprowadzające
bezpoĘrednie reakcje dehydrogenacji z wytworzeniem nadtlenku wodoru (por.
CZó��: CYTOLOGIA I & , ROZDZ. 2.7). Zapotrzebowanie dzienne na witamin�
B2 wynosi oko"o 1,7 mg. Łród"a: wątroba, sery, mleko, jaja, niektóre jarzyny. Niedobór
powoduje zapalenia skóry oraz p�kanie kącików ust.
c) Kwas foliowy (folian; wit. B11). Pochodna kwasu foliowego
 kwas tetrahydrofoliowy (koenzym F) jest kofaktorem
umoŻliwiającym przenoszenie reszt jednow�glowych nie-
zb�dnych do syntezy nukleotydu tymidynowego, który jest
sk"adnikiem DNA (ĘciĘle mówiąc, umoŻliwia wykszta"cenie
dTMP  por. ROZDZ. 8.1). Deficyt folianu powoduje mi�-
dzy innymi zak"ócenia replikacji DNA, co upoĘledza proces
krwinkotwórczy (bardzo intensywne podzia"y mitotyczne
w czerwonym szpiku kostnym wymagają szybkiej syntezy kwasów nukleinowych w ery-
troblastach!). Skutkiem fizjologicznym jest anemia z"oĘliwa, taka jak w wypadku nie-
doborów wit. B12. G"ównymi ęród"ami kwasu foliowego są: jarzyny liĘciaste, wątroba
i droŻdŻe. Dzienne zapotrzebowanie wynosi ok. 0,3 mg. Kwas foliowy stosuje si� w pro-
filaktyce wad cewy nerwowej, chorób uk"adu krwionoĘnego oraz nowotworów drąŻni-
cy. Biochemicy sugerują wi�c, Że korzystnie by"oby dodawa� wit. B11 do ŻywnoĘci
(szczególnie w spo"eczeł
stwach, gdzie problem niedoŻywienia i braku witamin jest
bardzo ostry). Na koniec dodajmy jeszcze, Że folian sk"ada si� z trzech elementów. Jed-
nym z nich jest kwas p-aminobenzoesowy (PABA)  substancja egzogenna zarówno dla
zwierząt, jak i bakterii. RóŻnica polega na tym, Że organizmy zwierz�ce przyjmują od
razu ca"e cząsteczki folianu, natomiast drobnoustroje potrafią sk"ada� je z cz�Ęci prost-
szych (uŻywając m. in. PABA). Wykorzystano to w leczeniu niektórych chorób bakte-
ryjnych. OtóŻ moŻna zablokowa� przyswajanie kwasu p-aminobenzoesowego przez
podawanie związków do niego podobnych (tzw. analogów). W tym wypadku są nimi
sulfonamidy (np. preparaty o nazwie biseptol albo sulfaguanidyna). Leki te są wi�c in-
43
MOLEKULARNE POD�O�E BIOLOGII
hibitorami wzrostu bakterii. Dla nas są zasadniczo nieszkodliwe, chociaŻ nieoboj�tne!
Ponadto wszystkie leki bakteriobójcze przyjmowane doustnie niszczą, niejako po dro-
dze, naszą flor� jelitową. To zaĘ skutkuje duŻym spadkiem poziomu witamin z grupy
B i K.
d) Kwas pantotenowy jest zmodyfikowanym dipeptydem szeroko rozpowszechnionym
w Ęwiecie organizmów Żywych. Komórki uŻywają go do syntezy koenzymu A i ACP
(por. ROZDZ. 3.3). U ludzi nie stwierdza si� objawów awitaminozy.
C) Witamina B6 (pirydoksal, adermina) jest bliską krewną piry-
doksyny. Z kwasem fosforowym tworzy fosforan pirydoksalu
 kofaktor umoŻliwiający przemiany enzymatyczne amino-
kwasów. Konkretnie fosforan pirydoksalu jest koenzymem
aminotransferaz przenoszących grupy aminowe w reakcjach
transaminacji i dezaminacji (por. ROZDZ. 7.4.2). Braki samej
wit. B6 stwierdza si� bardzo rzadko, np. u dzieci karmionych
przez matki, które d"ugo przyjmowa"y doustne Ęrodki anty-
koncepcyjne, oraz wĘród potomstwa alkoholików. JeĘli jednak wystąpią, powodują zaha-
mowanie syntezy bia"ek (stąd pirydoksyn� okreĘla si� mianem czynnika wzrostu). Inne
skutki to m.in.: stany zapalne skóry, drgawki, nadmierna pobudliwoĘ�. G"�boki deficyt
wp"ywa teŻ na zmniejszenie odpornoĘci typu komórkowego. Dzienne zapotrzebowanie
wynosi ok. 2 mg. G"ównymi ęród"ami wit. B6 są: wątroba, jaja, jarzyny, mi�so i banany.
Ryc. 23.
Budowa FMN i FAD. �ó"tą
barwą zaznaczono  witami-
nowe fragmenty tych kofak-
torów.
D) Witamina B12 (kobalamina, poniewaŻ zawiera kobalt) jest bardzo skomplikowanym związ-
kiem chemicznym tworzącym koenzym, który uczestniczy w przemianach aminokwasów,
kwasów t"uszczowych i poĘrednio zasad azotowych. Brak wit. B12 uniemoŻliwia normalną
44
4. Wprowadzenie do enzymologii
erytropoez�, skutkiem czego powstaje anemia z"oĘliwa. Poda-
nie nawet niewielkich dawek wit. B12 dzia"a wi�c przeciwane-
micznie. Zapotrzebowanie wynosi ok. 10 15 �g. Kobalamina
wytwarzana jest wy"ącznie przez drobnoustroje, a wi�c nie wy-
st�puje w roĘlinach (powinni na to zwróci� uwag� jarosze!).
U zwierząt magazynowana jest mi�dzy innymi w wątrobie
 warto wi�c ją jeĘ�, podobnie jak droŻdŻe.
E) Witamina H (biotyna) wyst�puje jako grupa prostetyczna en-
zymu transferazy karboksylowej, który umoŻliwia w"ączanie dwutlenku w�gla w związ-
ki organiczne (por. reakcje anaplerotyczne karboksylacji pirogronianu). Dzienne
zapotrzebowanie wynosi do 200 �g, jednak objawy niedoboru wyst�pują bardzo rzadko.
MoŻna je mimo to wywo"a� przez spoŻywanie duŻych iloĘci surowych jaj (zawierają one
termolabilne bia"ko  awidyn�, która doĘ� "atwo wiąŻe biotyn�). Pojawiają si� wówczas
halucynacje, depresje, choroby skóry i bóle mi�Ęni.
F) Witamina C (kwas askorbinowy) jest pochodną w�glowodanów.
Dla wi�kszoĘci kr�gowców związek ten nie jest witaminą (syn-
tetyzują ją z glukozy!). Jedynie cz"owiek, ma"py, Ęwinka mor-
ska, nietoperze i ptaki muszą ją otrzymywa� w poŻywieniu, i to
w sporych iloĘciach (75 100 mg w naszym wypadku). Kwas
askorbinowy uczestniczy w reakcjach redox i dzia"a w nich ja-
ko donor równowaŻników redukujących (oczywiĘcie, sama wi-
tamina C ulega przy tym utlenieniu). Fizjologiczne dzia"anie
kwasu askorbinowego jest szerokie i nie do koł
ca poznane. Wiadomo jednak, Że mi�-
dzy innymi umoŻliwia hydroksylowanie proliny do hydroksyproliny (jest to wst�pny wa-
runek sprawnej syntezy kolagenu  por. niŻej). Ponadto uczestniczy w syntezie kwasów
Żó"ciowych, wch"anianiu Żelaza, syntezie hormonów kory nadnerczy i mechanizmach
odpornoĘciowych. Niedobór witaminy C by" kiedyĘ zmorą dalekich wypraw morskich
i polarnych. Brak ĘwieŻych jarzyn i owoców prowadzi" do szkorbutu (gnilca), objawia-
jącego si� krwawieniem dziąse", wypadaniem z�bów, nieprawid"owym zrastaniem koĘci
(zastanów si�, jaki ma to związek z kolagenem). Obecnie nie ma wi�kszych problemów
z utrzymaniem odpowiedniego poziomu witaminy C w organizmie, chociaŻ naleŻy pa-
mi�ta�, Że jest ona termolabilna i cieplna obróbka pokarmów niszczy ją skutecznie. Dla-
tego nieodpowiednie nawyki Żywieniowe mogą zachwia� bilansem kwasu
askorbinowego w organizmie.
Uwaga: Jak wida�, koenzymami są w zasadzie tylko witaminy rozpuszczalne w wodzie (i to
nie wszystkie).
4.4. Akumulatory i przenoĘniki energii
Wiesz juŻ, Że reakcje rozpadu są egzoergiczne, a syntezy endoergiczne. O ile przeprowadza-
nie tych pierwszych wydaje si� do� proste i logiczne z fizycznego punktu widzenia, o tyle te dru-
gie nastr�czają sporo k"opotów. Problemy zasadnicze są dwa:
1. Przede wszystkim, skąd wzią� energi� do przeprowadzenia syntez? Najprostszym rozwią-
zaniem jest skorzystanie z energii wyzwalanej w czasie reakcji rozpadu.
2. Nawet jeĘli moŻemy przekaza� energi� z jednej reakcji do drugiej, to k"opotliwe stanie si�
zgrywanie (fachowo: sprz�ganie) tych przemian w czasie i przestrzeni. MoŻemy akurat
45
MOLEKULARNE POD�O�E BIOLOGII
gwa"townie potrzebowa� energii w pewnym miejscu. Tymczasem brak tam jest surowca
energetycznego albo jego obróbka zajmie sporo czasu. Pos"uŻmy si� prostym przyk"adem 
Żeby uruchomi� samochód (proces endoergiczny), naleŻy w"ączy� rozrusznik. Urządzenie
to do pracy wymaga energii elektrycznej. W tej sytuacji moŻna by"oby uda� si� do elektrow-
ni i poprosi�, Żeby ktoĘ uruchomi" turbin� prądotwórczą. O wadach tego rozwiązania nie
b�d� pisa". MoŻna teŻ problem rozwiąza� inaczej  skorzysta� z energii zgromadzonej
wczeĘniej w akumulatorze. Co zyskujemy? MoŻemy skorzysta� z niej natychmiast, a ponad-
to ten sposób nie wymaga w danym momencie przeprowadzania procesu egzoergicznego.
Wszystkie organizmy Żywe wykorzystują róŻnorodne przemiany w celu wyzwolenia ener-
gii. JednoczeĘnie magazynują ją w taki sposób, który umoŻliwia jej ca"kowite wykorzystanie.
Ryc. 24. Ogólna zasada sprz�gania reakcji egzo- i endoergicznych (widoczna jest rola ATP)*
ENERGIó ZMAGAZYNOWANŃ W ODPOWIEDNI SPOSÓB NAZYWA SIó
U�YTECZNŃ BIOLOGICZNIE
Gromadzenie energii uŻytecznej biologicznie odbywa si� na zasadzie chemicznej. OtóŻ
w czasie reakcji egzoergicznych syntetyzowane są równolegle specjalne substancje posiadają-
ce wiązania makroergiczne. Do ich wytworzenia potrzeba duŻych porcji energii, jednak gdy
zachodzi koniecznoĘ�, ich roz"oŻenie daje duŻe korzyĘci. MoŻna wi�c mówi� o sprz�Żeniu
energetycznym przemian endoergicznych z egzoergicznymi. Rol� poĘredników i  usprawnia-
czy odgrywają jednoczeĘnie związki nazywane akumulatorami i przenoĘnikami energii (por.
ryc. 24). Muszą one posiada� kilka cech:
1. PowszechnoĘ�, czyli duŻą dost�pnoĘ� sk"adników, z których są zbudowane.
2. �atwoĘ� w syntetyzowaniu i rozpadzie  oznacza to ograniczoną stabilnoĘ�, ale nie za bar-
dzo. Wadą tej cechy jest to, Że takich cząsteczek nie moŻna transportowa�. Dlatego zuŻy-
wane są tylko w miejscu syntezy, na lokalnym rynku metabolicznym. Przyk"adowo
przenoszenie ATP jest nierealne, moŻliwy jest natomiast ruch mitochondrium (por.
CZó��: CYTOLOGIA I & , ROZDZ. 2.9).
3. RozpuszczalnoĘ� w wodzie, co gwarantuje moŻliwoĘ� przeprowadzania przemian w kolo-
idach wodnych.
4. Stosunkowo ma"ą mas� cząsteczkową.
W 1941 roku panowie Lipmann i Kalckar udowodnili, Że takim związkiem jest adenozy-
notrifosforan ( s"ynny ATP; por. ryc. 25). Okaza"o si� póęniej, Że jest to powszechny prze-
noĘnik energii we wszystkich uk"adach Żywych. Najciekawsza jest w tym budowa chemiczna
tej substancji. ATP jest zwyk"ym nukleotydem, tyle Że nieco zmodyfikowanym. W jego sk"ad
*Przedstawiona na rycinie mrówka to oczywiĘcie Żart.
46
4. Wprowadzenie do enzymologii
wchodzi bowiem: adenozyna (po"ączenie cukru  rybozy z zasadą azotową  adeniną), do któ-
rej przy"ączone są reszty fosforanowe. W wypadku ATP są trzy takie reszty, stąd inna nazwa
tej substancji brzmi trifosforan adenozyny.
Ryc. 25. Budowa ATP, ADP i AMP; (~)  wiązanie wysokoenergetyczne
Zanalizujmy teraz reakcj� rozpadu ATP w drodze hydrolizy. Przemiana ta przedstawia si�
nast�pująco:
Jak wida�, ATP rozpad" sią do ADP (adenozynodifosforanu) i reszty fosforanowej. Jedno-
czeĘnie wydzieli"a si� spora porcja energii 7,3 kcal z mola wiązał
(30,5 kJ/mol), którą moŻna
wykorzysta� (por. reakcja 3). ATP ma dwa wysokoenergetyczne wiązania bezwodnikowe, dla-
tego dalsza hydroliza ADP takŻe jest ęród"em energii. Reakcja przebiega nast�pująco (pa-
mi�taj jednak, Że nie jest nigdy wykorzystywana w ustroju!):
Tym razem rozpad ADP doprowadzi" do powstania AMP (adenozynomonofosforanu)
i kolejnej reszty fosforanowej oraz energii w iloĘci 7,3 kcal/mol (jest to wartoĘ� Ęrednia obu
hydroliz!). AMP nie posiada wiązał
wysokoenergetycznych (chociaŻ moŻna go roz"oŻy�).
Uwaga: Wiązanie wysokoenergetyczne to takie, które wyzwala w wyniku hydrolizy wi�cej niŻ
20 kJ/mol.
Reakcja 3. Hydroliza wiązania bezwodnikowego w ATP
47
MOLEKULARNE POD�O�E BIOLOGII
KaŻdy akumulator trzeba na"adowa�  w wypadku opisywanego przenoĘnika proces pole-
ga na tworzeniu ATP z ADP i reszty fosforanowej. Energia czerpana jest g"ównie z procesów
utleniania wewnątrzkomórkowego (por. odpowiednie rozdzia"y). Mamy tu wi�c swoisty cykl
ATP "! ADP + Pi, który jest podstawowym sposobem wymiany energii w uk"adach Żywych.
Zapas adenozynotrifosforanu nie jest przeznaczony do pracy ciąg"ej. W mi�Ęniach szkieleto-
wych starcza tylko na u"amek sekundy (zuŻycie energii w uk"adzie ruchu jest bardzo duŻe,
gdyŻ chodzi o zamian� energii chemicznej w mechaniczną na znaczną skal�). Wystarcza to
jednak w zupe"noĘci, poniewaŻ w"ókna zdąŻą w tym czasie uruchomi� inne ęród"a energii.
Ryc. 26. Energia w organizmie nie moŻe by� uwalniana na raz (A), przenoĘniki i akumulatory two-
rzą moŻliwoĘ� magazynowania i uwalniania energii ma"ymi porcjami (B). PrzemyĘl dobrze
powyŻszą rycin�.
AKUMULATORAMI MOGŃ BY� TAK�E INNE ZWIŃZKI ORGANICZNE
Istnieje kilka rodzajów nukleotydów, które mogą odgrywa� rol� analogiczną do ATP. Są
to: guanozynotrifosforan (GTP) wykorzystywany w cyklu Krebsa, urydynotrifosforan (UTP)
i cytydynotrifosforan (CTP). Są to, jak wida�, takŻe trifosforany nukleozydów i reakcje ich
hydrolizy są takie jak ATP (odpowiednio do GDP, UDP i CDP). Wykorzystanie tych związ-
ków ma jednak ograniczony charakter i dlatego nie musisz ich zna� dok"adnie.
+
Uwaga: Za inny specyficzny rodzaj przenoĘników energii moŻna uzna� NAD i FAD. Związki
te poĘredniczą bowiem w przekazywaniu zasobnych w energi� elektronów na tlen  po-
zwala to na wytwarzanie wysokoenergetycznych wiązał
w ATP (por. ROZDZ. 5.5.2).
TWORZENIE WIŃZAĄ WYSOKOENERGETYCZNYCH ODBYWA SIó NAJCZó�CIEJ PRZEZ
PRZY�ŃCZANIE RESZTY FOSFORANOWEJ
Proces, w którym powstaje wiązanie zawierające duŻą iloĘ� tak zwanej energii swobodnej
(ogólnie: zgromadzonej do uŻytku), zwykle polega na kowalencyjnym związaniu reszty fosfo-
ranowej. Dlatego nazywa go si� fosforylacją, pami�taj jednak, Że nie kaŻde przy"ączenie Pi
jest fosforylacją. Poj�cia tego moŻesz uŻywa� tylko wówczas, gdy chodzi o tworzenie związku
makroergicznego (np. sama reakcja F w glikolizie nie jest fosforylacją).
Istnieją trzy moŻliwoĘci fosforylowania ADP do ATP:
1. Fosforylacja substratowa  zachodzi, gdy reszta fosforanowa zostanie przeniesiona bezpo-
Ęrednio na ADP z wykorzystaniem energii organicznego substratu (cz�sto to on sam jest
dawcą reszty fosforanowej). Ten sposób "adowania ATP jest ewolucyjnie najstarszy, jednak
48
4. Wprowadzenie do enzymologii
niezbyt korzystny energetycznie. Nie wymaga udzia"u tlenu i zachodzi w glikolizie oraz cy-
klu Krebsa.
2. Fosforylacja fotosyntetyczna (fotofosforylacja)  zachodzi wy"ącznie u fotoautotrofów. W pro-
cesie tym nast�puje konwersja energii Ęwietlnej na chemiczną ATP. Wyst�pują dwa typy foto-
fosforylacji  ich przebieg jest doĘ� skomplikowany i zosta" omówiony w ROZDZ. 5.2.1.
3. Fosforylacja oksydacyjna  zachodzi u wszystkich organizmów tlenowych. Ogólnie rzecz
biorąc, jest to wydajny sposób magazynowania energii uŻytecznej biologicznie. Do syntezy
ATP wykorzystywana jest energia elektronów i protonów przekazywanych na tlen. Proces
jest skomplikowany i zosta" dok"adniej omówiony w ROZDZ. 5.5.2.
49