Biochemia - Wykłady

Str. 1

Biochemia

– Wykłady

Wykład 1.

(12.10.09r.)

Program przedmiotu:

1. Skład i funkcja białek.
2. Aminokwasy białkowe i niebiałkowe.
3. Struktura pierwszorzędowa.
4. Struktury przestrzenne i poziomy organizacji łańcuchów polipeptydowych.
5. Struktura a funkcja białek.

Enzymy – podstawowe pojęcia i kinetyka:



Związki makroergiczne.



Strategie katalityczne i regulacyjne.



Klasyfikacja enzymów.



Energetyka reakcji enzymatycznych.



Koenzymy, witaminy, hormony.

Bioenergetyka:



Ogólne zasady.



Prawa termodynamiki.



Teoria Mitchella.



Fosforylacja fotosyntetyczna.



Fosforylacja oksydacyjna.

Uzyskiwanie energii w procesach energetycznych:



Cykl Calvina.



Reakcje adaptacyjne fotosyntezy:

o Fotooddychania.
o Fotosynteza typu C4
o Fotosynteza typu CAM.

Utlenianie biologiczne i fermentacje:



Glikoliza.



Cykl kwasu cytrynowego.



Szlak fosforanów pentoz.



Glukoneogeneza.



Fermentacje.

Asymilacja azotu:



Wiązanie azotu przez rośliny.



Przemiany związków azotowych.

Biochemia - Wykłady

Str. 2

Metabolizm białek:



Synteza białka.



Degradacja białka.

Metabolizm kwasów tłuszczowych:



Kwasy tłuszczowe.



Synteza kwasów tłuszczowych.



β-oksydacja kwasów tłuszczowych.



Biosynteza lipidów błonowych i steroidów.

Wstęp do biochemii:

Biochemia zajmuje się badaniem molekularnych podstaw życia. Poznano mechanizmy
chemiczne wielu kluczowych procesów biochemicznych. Wykazano, że różne przejawy życia
opierają się na wspólnych zasadach podstaw molekularnych.

Wpływ biochemii na medycynę:



Wyjaśniono podstawy molekularne wad powodujących:

o

Niedokrwistość sierpowatą.

o

Zwłóknienie torbielowe.

o

Hemofilię.

o Inne choroby genetyczne.

Udział biochemii w diagnostyce klinicznej:



Markery enzymatyczne.



Zastosowanie sond DNA do precyzyjnego diagnozowania chorób dziedzicznych,

infekcyjnych i nowotworowych.



Metody inżynierii genetycznej:

o Produkcja insuliny.
o Produkcja hormonu wzrostu.
o

Stymulatory rozwoju komórek krwi.

Analiza genomów otwiera perspektywy opracowywania nowych leków.

Modyfikacje roślin dla rolnictwa.

Najnowsze odkrycia:



Akwaporyny.



Interferencja RNA (RNAi).



Tratwy lipidowe.



Struktura translokazy ATP-ADP.



Białka SNARE i ich udział w kierowaniu białek.



Budowa receptorów smakowych wykrywających smak słodki.



Mechanizmy działania kilku typów kanałów błonowych i pomp.

Biochemia - Wykłady

Str. 3

Wykład 2.

(19.10.09r.)

Peptydy:

Dipeptyd – połączenie dwóch aminokwasów.

Koniec z wolną grupą karboksylową to C-koniec.
Koniec z wolną grupą aminową to N-koniec.

Tworząc nazwy peptydów aminokwasy należy wymieniać od N-końca, np. glicyno-alanina.

I-rzędowa struktura białka – kolejność aminokwasów – determinuje strukturę wyższego
rzędu.
Do 100 aminokwasów – polipeptyd.
Powyżej 100 aminokwasów – białko.

II-rzędowa struktura:



α-helisa.



β-harmonijka.



Utrzymywana przez wiązanie wodorowe, mostki solne, mostki disiarkowe, siły Van
der Walsa.

III-rzędowa struktura.

IV-rzędowa struktura:



Herodimery białkowe.



Hemoglobina – białko transportowe.



Insulina.



Kolagen – funkcja strukturalna, wzmacniająca.



Cytochrom C – w łańcuchu oddechowym.

Naturalnie występujące peptydy

Dipeptydy:



Karmozyna i anseryna – mięśnie dorosłych ptaków i ssaków zawierają 1-10mg/g w

świeżej masie.

Tripeptydy:



Glutation (4-glutamylocysteiloglicyna) – zredukowany i utleniony stanowi około

99% drobnowęglowych związków sulfhydrylowych.

Wyższe oligopeptydy:



Angiotensyna II – oktapeptyd: Asp-Arg-Vol-Tyr-Ile-His-Pro-Phe. Jest hormonem

tkankowym powodującym podwyższenie ciśnienia krwi, działa na mięśnie gładkie
macicy.



Bradykinina (nanopeptyd) – powoduje spadek ciśnienia krwi.



Oksytocyna – skurcz mięśni gładkich, zwłaszcza macicy ciężarnej, skurcz włókienek

mięśniowych pęcherzyków mlekowych.

Biochemia - Wykłady

Str. 4



Wazopresyna – podwyższa ciśnienie krwi, hamuje wydzielanie moczu, pobudza

mięśnie gładkie jelita cienkiego.

Białka:

Masa cząsteczkowa w Daltonach (Da) – jednostka masy zdefiniowana jako

12

1

masy atomu

węgla, która prawie równa się masie atomu wodoru





g

24

10

7

,

1





.

Białka:



Fibrylarne:

o

α-keratyna.

o

β-keratyna.



Globularne:

o Proste – albuminy, globuliny, histony, prolaminy, protaminy, gluteiny.
o

Złożone (skumulowane) – fosfoproteiny, chloroproteiny, lipoproteidy,
glikoproteiny, nukleoproteidy, metaloproteidy.

Współczynnik sedymentacji s:

r

V

s

2





- szybkość migracji sedymentacji / przyspieszenie odśrodkowe.

Ze względu na skład chemiczny wyróżniamy:



Białka proste – po hydrolizie dają wyłącznie aminokwasy lub ich pochodne.



Białka złożone – składają się wyłącznie z białka prostego połączonego z inną
niebiałkową cząsteczką zwana grupą prostetyczną.

Białka proste:



Protaminy – występują w plemnikach ryb np. soleina (łosoś), klupeina (śledź),

eozyna.



Histony – 20-30kDa, białka zasadowe.



Albuminy – 15-70kDa, białka globularne.



Globuliny – 25-150kDa, osocze krwi, mleko, składnik cytoplazmy.



Prolaminy – duże ilości proliny i glutaminy, zapasowe białka roślinne np. gliadyny

pszenicy, hordeiny jęczmienia i zeina kukurydzy.



Skleroproteiny – białka fibrylarne, składnik tkanki łącznej (kolageny) i warstw

powierzchniowych (keratyny).

Białka złożone:



Fosfoproteidy – kazeiny mleka.



Glikoproteiny – przeciwciała, substancje grupowe krwi, glukoamylaza.



Chromoproteiny – hemoglobina, rodopsyna.



Metaloproteidy – ferrodoksyna, oksydaza cytochromowi, reduktaza azotanowa.



Nukleoproteidy – białka zasadowe tworzące kompleksy z kwasami nukleinowymi.



Lipoproteidy – białka błon komórkowych i cytoplazmatycznych transportujące lipidy

i hormony.

Biochemia - Wykłady

Str. 5

Struktura i funkcje białek:



Kataliza enzymatyczna.



Transport i magazynowanie:

o Przenoszenie tlenu przez hemoglobinę.
o

Transport tlenu przez mioglobinę.

o

Transport żelaza we krwi przez transferynę.



Ruch uporządkowany:

o

Białkowe układy kurczliwe odpowiedzialne za ruch mięśni, chromosomów,
plemników.



Funkcje mechaniczno-strukturalne:

o Kolagen – białko fibrylarne zapewniające elastyczność mięśni i tkanki kostnej.



Ochrona immunologiczna:

o

Przeciwciała rozpoznające substancje obce dla organizmu.



Wytwarzanie i przekazywanie impulsów nerwowych:

o Acetylocholina – przenoszenie impulsów na synapsach.
o Rodopsyna – w komórkach pręcikowych siatkówki.



Kontrola wzrostu i różnicowania:

o

Białka represorowe – wyciszające określone fragmenty DNA komórki.

o

Białkowe czynniki wzrostu kontrolujące wzrost i różnicowanie.

o

Hormony np. insulina, tyreotropina kontrolująca aktywność tarczycy.

Biochemia - Wykłady

Str. 6

Wykład 3.

(26.10.09r.)

Hemoglobina i mioglobina:

Hemoglobina jest białkiem allosterycznym. Jest przenośnikiem tlenu we krwi.
Odgrywa decydującą rolę w transporcie dwutlenku węgla i jonów wodorowych.

Mioglobina występuje w mięśniach. Jest magazynem tlenu, ułatwia jego przekazywanie
w obrębie tkanki mięśniowej.

Białka allosteryczne

Struktura hemo- i mioglobiny jest szczegółowo poznana (poziom atomowy, fałdowanie
białek, wiązanie innych cząsteczek i integrowanie informacji).

K

+

, CO

2

i organiczne fosforany regulują wiązanie O

2

przez hemoglobinę. Regulatory te wiążą

się z cząsteczką hemoglobiny w rejonach oddalonych od miejsca wiązania tlenu silnie
zmieniając jej zdolność do wiązania tlenu.

Oddziaływania między przestrzennie oddalonymi miejscami w cząsteczce białka określamy
jako oddziaływana allosteryczne. Oddziaływana takie występują w wielu białkach.

Efekty allosteryczne odgrywają dużą rolę w integracji zdarzeń molekularnych zachodzących
w układach biologicznych.

Tlen wiąże się z hemową grupą prostetyczną.
Warunkiem wiązania tlenu jest obecność niebiałkowej grupy hemowej.
Hem składa się z części organicznej i atomu żelaza. Częścią organiczną jest protoporfiryna
(4 pierścienie pirolowe) połączona mostkami metinowymi w pierścień tetrapirolowy.
Do pierścienie przyłączone są łańcuchy boczne, z których cztery są grupami metylowymi,
dwa winylowymi i dwa resztami kwasu propionowego.
Atom żelaza umieszczony jest w centrum protoporfiryny, wiąże się z czterema atomami
azotu. Atom żelaza może dodatkowo tworzyć dwa dodatkowe wiązania, każde po jednej
stronie płaszczyzny hemu. Te miejsca określa się jako 5. i 6. pozycję koordynacyjną.
Atom żelaza może być jonem 2+ lub 3+.

Mioglobina

Mioglobina jest ściśle upakowaną cząsteczką.
Ok. 75% łańcucha głównego jest w koordynacji α-helisy.
Cztery odcinki helikalne zakończone są resztą proliny. Wnętrze mioglobiny składa się z reszt
aminokwasów niepolarnych (leucyna, walina, metionina, fenyloalanina). Jedyne grupy
polarne to reszty histydyny (decydują one o miejscu wiązania tlenu).
Grupa hemowa jest w miejscu zagłębienia powierzchni cząsteczki mioglobiny. Miejsce
wiązania tlenu jest po drugiej stronie płaszczyzny hemu (stanowi małą część cząsteczki).
Mioglobina może w tkankach występować w trzech formach: utlenowanej, nieutlenowanej,
żelazowej (ferrimioglobina).

Biochemia - Wykłady

Str. 7

Obecność histydyny dystalnej osłabia wiązanie CO. CO ma bardzo duże powinowactwo do
hemoglobiny.

Hemoglobina

Składa się z czterech łańcuchów polipeptydowych (2 rodzaje: α i β). Łańcuchy połączone są
wiązaniami niekowalencyjnymi. Każdy z nich zawiera grupę hemową, oraz jedno miejsce
wiązania tlenu.
Hemoglobina A (podstawowa u dorosłych ludzi) składa się z dwóch łańcuchów α i dwóch
łańcuchów β.
Zarodek i płód mają odmienną hemoglobinę. Po zapłodnieniu zarodek syntetyzuje łańcuch
ζ <zeta> (odpowiadający łańcuchowi α) i łańcuch ε <epsilon> (odpowiadający łańcuchowi β).
W trakcie rozwoju: ζ → α ; ε → γ → β .


Podjednostki hemoglobiny i mioglobiny mają podobną strukturę przestrzenną.
Struktura łańcuchów mioglobiny jest podobna do podjednostek α i β hemoglobiny.

Skoordynowany transport O

2

, CO

2

i H

+

jest możliwy dzięki oddziaływaniom allosterycznym

Tetrametr z podjednostek zyskuje nowe właściwości o ogromnym znaczeniu biologicznym.
Hemoglobina jest bardziej skomplikowana, jest bardziej wrażliwa na czynniki biologiczne.
Związanie hemoglobiny z tlenem umożliwia przyłączenie kolejnego O

2

. Związanie

hemoglobiny z tlenem jest kooperatywne, a z mioglobiną niekooperatywne.
Powinowactwo hemoglobiny do tlenu jest zależne od pH (w przypadku mioglobiny nie).
Obecność H

+

i CO

2

sprzyja uwalnianiu tlenu związanego z hemoglobiną. Powinowactwo

hemoglobiny do tlenu jest sterowane fosforanami organicznymi BPG
(2,3-bisfosfoglicerynian). W rezultacie przyłączenia się BPG do hemoglobiny wykazuje ona
mniejsze powinowactwo do tlenu niż mioglobina.

Kooperatywność wiązania tlenu z hemoglobina oznacza, że pociąga za sobą zmiany struktury
czwartorzędowej białka.


Sekwencyjny model oddziaływań allosterycznych:
Każda podjednostka może występować tylko w dwóch formach konformacyjnych: R i T.
Te przejścia konformacyjne umożliwiają wiązanie tlenu.

Model współdziałania cząsteczek między sobą (przejścia kooperatywnego):



Podjednostki nie oddziałują na siebie tylko współdziałają.



Brak przejść w formy konformacji.



Podjednostki są równocenne.

Biochemia - Wykłady

Str. 8

Enzymy:

Białka enzymatyczne to biokatalizatory.
Posiadają centrum aktywne (binding site), czyli miejsce wiązania jakiegokolwiek substratu
z enzymem.
Po związaniu substratu enzym się zamyka.


Cechy wspólne enzymów:



Posiadają miejsce aktywne, zajmujące niewielką część całego enzymu.



Miejsce aktywne to złożony przestrzenny układ grup chemicznych leżących
w różnych pozycjach liniowej sekwencji aminokwasów.

Biochemia - Wykłady

Str. 9

Wykład 4.

(02.11.09r.)

Enzymy mają aktywatory i inhibitory.

Inhibicja kompetycyjna (współzawodnicząca): jest jedno miejsce, do którego może
przyłączyć się inhibitor. Inhibitor i substrat konkurują o centrum aktywne na zasadzie
„kto pierwszy ten lepszy”.

Inhibicja niekompetycyjna: enzym i substrat nie konkurują o centrum aktywne. Inhibitor
przyłącza się poza centrum aktywnym.

Krzywa Michaelisa-Menten:

]

[

]

[

V

max

s

K

s

V

m







Wykres Lineweaver-Berg:

max

max

1

]

[

1

1

V

s

V

K

V

m







/wychodzi prosta/

Wartość K

m

mówi o powinowactwie enzymu do substratu i jest stężeniem substratu przy

którym prędkość reakcji jest równa połowie jej maksymalnej szybkości. Mówi o
powinowactwie enzymu do substratu. Im większe K

m

tym powinowactwo jest mniejsze.

Liczba obrotów enzymu oznacza liczbę cząstek substratu przekształconego w produkt reakcji
na jednostkę czasu w warunkach pełnego wysycenia enzymu substratem.
Max liczba obrotów anhydrazy węglanowej umożliwiającej usuwanie CO

2

z płuc to

600 000obr/s a lizozymu 0,5obr/s.

Jednostki aktywności enzymów:



Jednostka uniwersalna (standardowa): 1μmol

substratu

/min w 30ºC



Katal: 1mol

substr

/sek



Aktywność molekularna: 1mmol

substratu

/min przez 1μmol enzymu na jedno centrum

aktywne.



Aktywność właściwa – liczba jednostek enzymu na 1mg białka.

nkat

mol

U

U

mol

mol

sek

mol

Kat

67

,

16

min

/

1

1

10

6

min

/

10

60

min

/

60

/

1

1

7

6





















Najbardziej przydatna jest aktywność właściwa.

Specyficzność enzymów

Może być wąska lub szeroka (działa na wiele substratów).

Peptydazy są specyficzne w stosunku do wiązania peptydowego.



Endopeptydazy – hydrolizują wiązania wewnątrz cząsteczki.

o Trypsyna – hydrolizuje wiązanie po karboksylowej stronie reszt Arg-Lys.
o Trombina – hydrolizuje wiązania pomiędzy Arg-Gly.



Egzopeptydazy- hydrolizują wiązania na końcach peptydu lub białka.

o Aminopeptydazy – N-koniec białka.
o Karboksypeptydazy – C-koniec białka.

Biochemia - Wykłady

Str. 10

Klasyfikacja enzymów

Enzymy oznaczane są przez cztery liczby:

I. Klasa enzymu.

II. Na jaką działa grupę.

III. Wymagany koenzym.

IV. Konkretny enzym.

Przykładowy zapis: EC 3.1.2.1

1. Oksydoreduktazy – katalizują reakcje redox.

1.1. Działające na grupę CH-OH.

1.1.1. Z NAD lub NADP jako akceptorem np.

Oksydoreduktaza L-jabłczan: NADP:
jabłczan + NADP  pirogronian + NADPH

1.2. Działające na grupę aldehydową lub ketonową.
1.3. Działające na grupę CH-CH.
1.4. Działające na grupach-NH

3

.

2. Transferazy – przeniesienie fragmentu cząsteczki:

2.1. Przenoszące grupy jednowęglowe.
2.2. Przenoszące grupy aldehydowe lub ketonowe.
2.3. Acylotransferazy.
2.4. Glikozylotransferazy.
2.5. Przenoszące grupy alkilowe lub pośrednie.
2.6. Przenoszące grupy zawierające azot.
2.7. Przenoszące grupy zawierające fosfor:

Kinaza NAD (2’’fosfotransferaza ATP: NAD)
ATP + NAD  ADP + NADP

3. Hydrolazy – hydroliza (rozkład z udziałem wody):

3.1. Działające na wiązania estrowe:

3.1.1.3 Lipaza (hydrolaza estrów glicerolowych).

3.2. Działające na związki glikozylowe:

3.2.1.1. α-amylaza.
3.2.1.2. β-amylaza.

3.3. Działające na wiązania eterowe.
3.4. Hydrolazy peptydo-aminokwasów.

3.4.1.2. Aminopeptydaza.

3.4.4.1. Pepsyna.
3.4.4.4. Trypsyna.

3.5. Działające na wiązania C-N.
3.6. Działające na wiązania bezwodników kwasowych:

3.6.1.3. ATP-aza (fosfohydrolaza ATP):

ATP + H

2

O  ADP + Pi

3.7. Działające na wiązania C-C.
3.8. Działające na wiązania halogenków.

Biochemia - Wykłady

Str. 11

4. Liazy – rozkład związków bez udziału wody.

4.1. Liazy C-C.

4.1.1.39. Karboksylaza Rubr..

4.2. Liazy C-O.

4.2.1.1. Anhydraza węglanowa:

H

2

CO

3

 H

2

O + CO

2

4.3. Liazy C-N:

4.3.1.4. Amoniakoliaza L-fenyloalaniny

L-fenyloalanina  transcynamonian + NH

3

4.4. Liazy C-S.

5. Izomerazy

5.1. Racematy i epimerazy

5.1.1.1. Racemaza alaniny

L-alanina  D-alanina

5.2. Izomerazy cis-trans.
5.3.Izomerazy wewnątrzcząsteczkowe
5.3.1. Przekształcające aldozy w ketozy i odwrotnie.

6. Ligazy – reakcje przyłączania.

6.1.Wytwarzające wiązanie C-O.
6.2.Wytwarzające wiązanie C-S.
6.3.Wytwarzające wiązanie C-N.

6.3.1.1. Syntetaza asparaginowa (Lipaza L-asparaginian: amoniak (AMP))

ATP + L-asparaginian + NH

3

 AMP + pirofosforan + L-asparagina

6.4.Wytwarzające wiązanie C-C

Ligaza pirogronian: CO

2

Atp + pirogronian + CO

2

+ H

2

O  ADP + ortofosforan + szczawiooctan.

Koenzymy:

Wiele enzymów współpracuje z koenzymami – metabolitami wspomagającymi enzymy.
Są to np. ATP, NAD.

ATP

– adenozynotrifosforan

ATP fosforyzuje inne związki przy pomocy transferaz.
Jest nukleotydem (adenina, ryboza, 3x Pi).

Adenylanowy ładunek energii (AEC) – w czasie reakcji rozpadu ATP wzrasta, a przy
reakcjach tworzenia ATP – maleje.

Tworzenie energii u cudzożywnych jest oparte na fosforylacji oksydacyjnej – przenoszeniu
elektronów na tlen i produkcji ATP. Jest to najważniejsze źródło energii chemicznej dla
organizmu.

Fosforylacja fotosyntetyczna zachodzi w fazie świetlnej w wewnętrznej błonie chloroplastu.

Fosforylacja substratowa polega na przeniesieniu P

i

z innego substratu na ATP.

Biochemia - Wykłady

Str. 12

NAD i NADP

– dinukleotyd nikotynoaminoadeniny

NAD

+

może przyjąć 1 H

+

i 2 e

-

do cząsteczki nikotynamidu. Forma zredukowana (NADH)

będzie oddawać elektrony i proton w łańcuchu oddechowym. NAD

+

i NADH biorą udział

tylko w reakcjach katabolicznych.
NADP posiada dodatkowo grupę fosforanowa przy rybozie. Forma zredukowana: NADPH.
Bierze udział wyłącznie w reakcjach anabolicznych.

Kataboliczny (CCR) i anaboliczny (ACR) ładunek energii:







NAD

NADH

NADH

CCR







NADP

NADPH

NADPH

ACR

Inne koenzymy:



FAD – dinukleotyd flawinoadeninowy. Forma zredukowana: FADH

2

. przyjmuje 2

elektrony i 2 protony.



FMN – mononukleotyd flawinoadeninowy. Forma zredukowana FMNH

2

.



Koenzym A (CoA).



β-karoten (prowitamina A).



UDPG – urydynodifosforan glukozy.



Witaminy.

Aktywne przenośniki w metabolizmie:

Przenośnik

Przenoszona grupa

ATP

fosforytowa

NADH i NADPH

elektrony

FAD i FMN

elektrony

Koenzym A

acylowa

UDPG

glukoza

Biochemia - Wykłady

Str. 13

Wykład 5.

(09.11.09r.)

Sacharydy:

Cukry proste dzielą się na aldozy (posiadające grupę aldehydową) i ketozy
(posiadające grupę ketonową).

Cukry proste wykazują izomerię L i D, oraz α i β (anomery).
Izomery α w układzie cyklicznym posiadają grupę –OH skierowaną ku dołowi, a β ku górze.
Litery L i D określają konfigurację bezwzględną węgla asymetrycznego najbardziej
oddalonego od grupy aldehydowej lub ketonowej. Są to diastereoizomery.

Pentozy i heksozy mogą tworzyć zamknięte pierścienie piranozowe i furanozowe.
Piranozy przyjmują konformację łódkową (bardziej upakowaną) lub krzesłową.

Cukry proste mogą ulegać syntezie dehydratacyjnej (z wydzieleniem wody) i tworzyć
dwucukry połączone wiązaniem O-glikozydowym. W wiązaniu bierze udział grupa –OH
pierwszego węgla i wodór z drugiej cząsteczki. Przykład dwucukru: glukozoα-1,2-fruktoza.

Aldozy mogą przechodzić w ketozy i odwrotnie. Formą przejściową jest enodiol.

Aldozy

Ketozy

Aldehyd glicerynowy

Dihydroksyaceton

Ryboza

Rybuloza

Glukoza/Galaktoza

fruktoza

Metabolizm glikogenu

Obecność glikogenu zwiększa ilość glukozy łatwo dostępnej w okresie przerw między
posiłkami lub podczas pracy mięśni.
Glukoza jest jedynym paliwem energetycznym zużywanym przez mózg.
Ilość glukozy znajdującej się w płynach ustrojowych człowieka o masie 70kg zawiera
ok. 170kJ energii.
Całkowita ilość glikogenu w organizmie odpowiada więcej niż 2500kJ energii.
Glikogen jest magazynowany głównie w wątrobie i mięśniach szkieletowych.
Metabolizm glikogenu znajduje się pod kontrolą hormonów: adrenaliny, glukagonu i insuliny.

Glikogen jest polimerem α-glukozy, w którym łańcuchy glukoz tworzone wiązaniami
α-1,4-glikozydowymi są połączone przez wiązania α-1,6-glikozydowymi. W ten sposób
tworzy się rozgałęziona struktura.

Fosforylaza katalizuje fosforolityczny rozpad (fosforolizę) glikogenu do
glukozo-1-fosforanu. Nie zachodzi hydroliza glikogenu.
Glikogen (n-reszt) ↔ glukozo-1-fosforan + glikogen (n-1 reszt)

Fosforolityczne rozszczepienie glikogenu jest korzystne energetycznie, ponieważ uwolniony
cukier jest ufosforylowany. Rozszczepienie hydrolityczne prowadziłoby do uwolnienia
glukozy, której wejście w szlak glikolityczny musiałaby poprzedzać fosforylacja kosztem
ATP. Nieufosforylowana glukoza jest nieaktywna chemicznie.

Biochemia - Wykłady

Str. 14

Glukozo-1-fosforan zostaje przekształcony przez enzym fosfoglukomutazę do
glukozo-6-fosforanu. Dopiero ten związek wchodzi w szlak glikolizy.

Fosforylaza działa na glikogen aż do momentu, gdzie po rozgałęzieniu zostają po cztery
reszty w łańcuchach. Wtedy tranfseraza z tych dwóch nici buduje jedną dłuższą
(z łańcuchów o długościach 4 i 4 tworzy łańcuchy 1 i 7). Dłuższa podlega działaniu
fosforylazy, a krótsza jest HYDROLIZOWANA przez α-1,6-glukozydazę.

Synteza i degradacja glikogenu przebiegają różnymi szlakami.
Synteza:

glikogen

n

+ UDP-glukoza → glikogen

n+1

+ UDP

Degradacja: glikogen

n+1

+ P

i

→ glikogen

n

+ glukozo-1-fosforan

UDP-glukoza = UDPG = urydynodifosforan

UDP:

glukozy. Jest aktywną formą glukozy.
W syntezie organicznej donorem reszt glukozy jest

UDPG, które jest syntetyzowane z glukozo-1-fosforanu
i urydynotrifosforanu w reakcji katalizowanej przez
pirofosforylazę UDPG.


Rozbudowa glikogenu polega na dołączaniu nowych reszt glikozylowych do
nieredukujących reszt końcowych do łańcuchów o co najmniej czterech resztach przez
syntazę glikogenową. Syntaza wymaga inicjatora (primera - glikogenu). Katalizuje
wyłącznie wiązania α-1,4-glikozylowe.

Tworzeniem wiązań α-1,6-glikozylowych zajmuje się enzym rozgałęziający. Rozgałęzienia
powodują powstanie dużej ilości nieredukujących reszt końcowych będących miejscem
działania fosforylazy i syntazy glikogenowej. Dzięki rozgałęzieniom zwiększa się szybkość
syntezy i degradacji glikogenu. Powstanie rozgałęzień zwiększa również rozpuszczalność
glikogenu.

Glikogen jest bardzo wydajną formą magazynowanie glukozy.
glukozo-6-fosforan →glukozo-1-fosforan
glukozo-1-fosforan + UTP → UDPG + PP

i

glikogen

n

+ UDP-glukoza → glikogen

n+1

+ UDP

PP

i

+ H

2

O→ 2P

i

UDP + ATP → UTP + ADP
Suma: glukozo-6-fosforan + ATP + glikogen

n

+ H

2

O → glikogen

n+1

+ ADP + 2P

i

Wydajność przechowywania energii:



Na wprowadzenie jednej reszty glukozo-6-fosforanu do glikogenu zużywa się jedno

wiązanie wysokoenergetyczne w ATP.



Ok. 90% reszt zostaje oderwanych z uwolnieniem glukozo-1-fosforanu które bez

nakładu energii przekształcają się w glukozo-6-fosforan.



Całkowite utlenienie glukozo-6-fosforanu dostarcza 31 cząsteczek ATP.



Proces magazynowania zużywa nieco więcej energii niż 1 cząsteczka ATP na każdą
cząsteczkę glukozo-6-fosforanu.



Ogólna wydajność przechowywania energii wynosi 97%.

Biochemia - Wykłady

Str. 15

Insulina stymuluje syntezę glikogenu, adrenalina ją obniża. Metabolizm glikogenu
w wątrobie reguluje stężenie glukozy we krwi. Wiele genetycznie uwarunkowanych schorzeń
jest związana z magazynowaniem glikogenu.

Wykład 6.

(16.11.09r.)

Skrobia i celuloza

Skrobia i celuloza są polimerami glukozy o nierozgałęzionych cząsteczkach.
Reszty glukozowe w skrobi połączone są wiązaniami α-1,4-O-glikozylowymi, a w celulozie
β-1,4-O-glikozylowymi.

Są dwa rodzaje skrobi:



Fotosyntetyczna – ziarna na terenie chloroplastu. Po zakończeniu fazy świetlnej

ulega hydrolizie i jest wyprowadzana z organellum.



Zapasowa – gromadzona w amyloplastach.

Budowa skrobi (rodzaje łańcuchów):



Amyloza – pojedyncze łańcuchy monomerów (wyłącznie wiązania

α-1,4-O-glikozylowe).



Amylopektyny – dodatkowo posiadają wiązania α-1,6-O-glikozylowe, które

skutkują rozgałęzieniem cząsteczki. Rozgałęzienie następuje co 25-30 reszt glukozy.
Są mniej upakowane od glikogenu.

Fruktany to polimery fruktozy. Powstają z sacharozy, są cukrami zapasowymi.
Po odłączeniu od dwóch sacharoz jednej glukozy powstaje kestoza (fruktan).

Biosynteza skrobi

Biosynteza skrobi chloroplastowej przypomina biosyntezę glikogenu.
Do cytoplazmy wyprowadzane są triozy, z których powstaje tam sacharoza.

Aktywną formą glukozy jest ADP-glukoza (po cyklu Calvina).
Glukozo-1-fosforan + ATP → ADP-glukoza + pirofosforan (PP

i

)

Kompartmentacja metabolizmu:
W cytozolu:
Sacharoza + UDP ↔(syntaza sacharozy) ↔ fruktoza + UDP-glukoza ↔
(UDP-glukozopirofosforylaza) ↔ glukozo-1-fosforan

W amyloplaście:
Glukozo-1-fosforan ↔ (ADP-glukozopirofosforylaza) ↔ ADP-glukoza :

a) ↔ (GBSS) ↔ amyloza
b) ↔ (SBE, SSS) ↔ amylopektyna

Biochemia - Wykłady

Str. 16

Degradacja skrobi

Skrobia może być degradowana za pomocą β-amylazy do maltozy, przekształcanej następnie
do glukozy przez glukozydazę, lub od razu rozcinana do cząsteczek glukozy przez
α–amylazę. Uwolniona tymi sposobami cząsteczka glukozy jest poddawana działaniu
heksokinazy i staje się glukozo-6-fosforanem.
Drugim sposobem degradacji skrobi jest działanie fosforylazy skrobiowej, w wyniku której
uwolniona glukoza jest od razu ufosforylowana do glukozo-1-fosforanu. Ten z kolei jest
przetwarzany na glukozo-6-fosforan przez fosfoglukomutazę.

Glukozo-6-fosforan pod wpływem izomerazy glukozo-6-fosforanu zostaje przekształcony
we fruktozo-6-fosforan wchodzący do szlaku glikolizy lub do syntezy sacharozy.

Podczas degradacji skrobi najpierw zachodzi cięcie cząsteczki na mniejsze polimery przez te
same enzymy, co później na mniejsze jednostki.

Glukozo-1-fosforan ↔ glukozo-6-fosforan ↔ fruktozo-6-fosforan

↓

↓

Polimery ściany komórkowej,

glikoliza, aminocukry

sacharoza, fruktan, skrobia.

Glikoliza

Glikoliza jest łańcuchem reakcji przekształcających glukozę w pirogronian z jednoczesnym
utworzeniem niewielkich ilości ATP.

W warunkach tlenowych jest etapem wstępnym cyklu kwasu cytrynowego i łańcucha
transportu elektronów. Pirogronian przedostaje się do mitochondrium, gdzie ulega
całkowitemu utlenieniu do CO

2

i H

2

O.

W warunkach beztlenowych pirogronian przekształcany jest w mleczan (lub etanol).

Jednostki trójwęglowe są pochodnymi dihydroksyacetonu, aldehydu glicerynowego,
glicerynianu lub pirogronianu.

Rodzaje reakcji glikolizy:

1. Przeniesienie grupy fosforanowej – grupa jest przenoszona z ATP na intermediat

glikolizy lub z intermediat na ADP z udziałem kinazy.
W organizmach ta reakcja jest praktycznie nieodwracalna.
R–OH + ATP ↔ R–O–PO

4

+ ADP + H

+

2. Przesunięcie fosforanu – grupa fosforanowa jest przemieszczana wewnątrz

cząsteczki z jednego atomu tlenu na drugi. Reakcja jest w pełni odwracalna.

3. Izomeryzacja – ketoza jest przekształcana w aldozę lub odwrotnie z udziałem

izomerazy.

4. Dehydratacja – cząsteczka wody jest odłączana przez dehydratazę. Powstaje

podwójne wiązanie między węglami.

5. Rozszczepienie aldolowe – wiązanie C–C ulega rozerwaniu z udziałem aldolazy

w reakcji odwrotnej do kondensacji aldolowej. Powstaje keton i aldehyd.

Biochemia - Wykłady

Str. 17

Reakcje glikolizy:
Glukoza jest przekształcana we fruktozo-1,6-bisfosforan na drodze trzech reakcji:
Glukoza + ATP → (heksokinaza) → glukozo-6-fosforan + ADP + H

+

Glukozo-6-fosforan ↔ (izomeraza glukozofosforanowa) ↔ fruktozo-6-fosforan
(aldoza → ketoza)
Fruktozo-6-fosforan + ATP → (fosfofruktokinaza) → fruktozo-1,6-bisfosfran + ADP + H

+

Fruktozo-1,6-bisfosforan ↔ (aldolaza) ↔ fosfodihydroksyaceton +
aldehyd 3-fosfoglicerynowy
Fosfodihydroksyaceton ↔ (izomeraza triozofosforanowa) ↔ aldehyd 3-fosfoglicerynowy

Aldehyd 3-fosfoglicerynowy + NAD

+

+ P

i

↔ (dehydrogenaza aldehydu

3-fosfoglicerynowego) ↔ 1,3-bisfosfoglicerynian + NADH + H

+

1,3-bisfofsoglicerynian + ADP ↔ (kinaza fosfoglicerynianowa) ↔ 3-fosfoglicerynian + ATP

3-fosfoglicerynian ↔ (fosfogliceromutaza) ↔ 2-fosfoglicerynian

2-fosfoglicerynian ↔ (enolaza) ↔ fosfoenolopirogronian + H

2

O

Fosfoenolopirogronian + ADP + H

+

→ pirogronian + ATP

Wydajność energetyczna przekształcenia glukozy w pirogronian

Reakcja sumaryczna:
Glukoza + 2P

i

+ 2ADP + 2NAD

+

→ 2 cz. Pirogronian + 2ATP + 2NADH + 2H

+

+ 2H

2

O

Bilans ATP:



Glukoza → Glukozo-6-fosforan

-1 ATP



Fruktozo-6-fosforan → fruktozo-1,6-bisfosforan

-1 ATP



2x 1,3-bisfosfoglicerynian → 2x 3-fosfoglicerynian

+2 ATP



2x fosfoelonopirogronian → 2x pirogronian

+2 ATP

+ 2 ATP netto

Przekształcenia pirogronianu

Pirogronian może być przekształcony w etanol, mleczan lub acetylo-CoA

Pirogronian + H

+

→ (dekarboksylaza pirogronianowa) → aldehyd octowy + CO

2

Aldehyd octowy + NADH + H

+

↔ (dehydrogenaza alkoholowa) ↔ etanol + NAD

+

Pirogronian + NADH + H

+

↔ (dehydrogenaza mleczanowa) ↔ mleczan+ NAD

+

Sumarycznie przemiana glukozy w mleczan:
Glukoza + 2P

i

+ 2ADP → 2 mleczan + 2ATP + 2H

2

O

Regeneracja NAD

+

przez redukcję pirogronian do mleczanu lub etanolu podtrzymuje stale

przebiegającą glikolizę gdy zachodzi ona w warunkach beztlenowych.

Pirogronian + NAD

+

+ CoA → acetylo-CoA + CO

2

+ NADH

Acetylo-CoA może wejść w cykl Krebsa.

Biochemia - Wykłady

Str. 18

Wejście fruktozy w glikolizę

Fruktoza + ATP → (fruktokinaza) → fruktozo-1-fosforan + ADP
Fruktozo-1-fosforan ↔ (aldolaza fruktozo-1-fosforanu) ↔ aldehyd glicerynowy +
fosfodihydroksyaceton
Aldehyd glicerynowy + ATP → (kinaza specyficzna dla trioz) → aldehyd 3-fosfoglicerynowy
+ ADP

Wejście galaktozy w glikolizę

Galaktozo 1-fosforan + UDP-glukoza ↔ UDP-galaktoza + glukozo-1-fosforan

Biochemia - Wykłady

Str. 19

Wykład 7.

(22.11.09r.)

Regulacja procesu glikolizy

W szlakach metabolicznych zasadniczo nieodwracalne reakcje są potencjalnymi miejscami
kontroli tych szlaków.

W procesie glikolizy reakcje katalizowane przez heksokinazę, fosfofruktokinazę i kinazę
pirogronianową są właściwie nieodwracalne (reakcje w których zachodzi fosforylacja).

Fosfofruktokinaza jest enzymem kluczowym w kontroli glikolizy:



Szlak glikolityczny służy wytarzaniu ATP kosztem degradacji glukozy i dostarczeniu
szkieletów węglowych do rozmaitych syntez.



Najważniejszym miejscem kontroli glikolizy jest fosfofruktokinaza – enzym
hamowany przez wysoki poziom ATP, który zmniejsza powinowactwo do
fruktozo-6-fosforanu.



Duże stężenie ATP zmienia kształt krzywej wiązania fruktozo-6-fosforanu z
parabolicznego na esoidalny. Ten allosteryczne efekt jest wywoływany przez wiązanie
się ATP do specyficznego miejsca regulatorowego oddalonego od specyficznego
miejsca katalitycznego.



Hamujące działanie ATP jest znoszone przez AMP.

Kontrola syntezy i rozkładu fruktozo-2,6-bisfosforanu:
Za reakcje te odpowiedzialny jest enzym dwufunkcyjny – posiadający dwie domeny –
domenę fosfatazy i kinazy. Regulacja zachodzi przez ufosforylowanie enzymu.
Zdefosforylowany enzym dwufunkcyjny ulega fosforylacji przy niskim stężeniu glukozy we
krwi. Przy wysokim jest defosforylowany.
Forma zdefosforylowana (duże stężenie glukozy) katalizuje fosforylację (fosfataza)
fruktozo-6-fosforanu do fruktozo-2,6-bisfosforanu.
Forma ufosforylowana (niskie stężenie glukozy) katalizuje defosforylację (fosfofruktokinaza)
fruktozo-2,6-bisfosforanu do fruktozo-6-fosforanu.
Wysokie stężenie fruktozo-6-fosforanu stymuluje syntezę fru-2,6-bisfosforanu a niskie – jego
rozpad.

Kontrola aktywności kinazy pirogronianowej:
Ufosforylowana kinaza pirogronianowa jest mniej aktywna, co oznacza, że ATP hamuje
reakcję (zwykle jest odwrotnie). Małe stężenie glukozy we krwi sprzyja fosforylacji kinazy.
Zdefosforylowana kinaza pirogronianowa katalizuje intensywnie przemianę
fosfoenolopirogronianu do pirogronian z wytworzeniem ATP. Reakcja jest pobudzana przez
fruktozo-1,6-bisfosforan a hamowana przez ATP i alaninę.
Fosfoenolopirogronian + H

+

+ ADP → pirogronian + ATP

Biochemia - Wykłady

Str. 20

Cykl kwasu cytrynowego:

Cykl kwasów trikarboksylowych, cykl Krebsa.

Cykl kwasu cytrynowego jest końcowym, wspólnym szlakiem utleniania substratów
energetycznych – aminokwasów, kwasów tłuszczowych i węglowodanów.

Cykl Krebsa przebiega w matrix mitochondrialnej. Wymagane jest środowisko tlenowe.
Cykl kwasu cytrynowego utlenia jednostki dwuwęglowe. Zarówno wejście do cyklu jak i jego
przebieg podlegają kontroli.

Cykl kwasów trikarboksylowych jest źródłem prekursorów potrzebnych do biosyntez.
Z tego powodu może być rozpatrywany jako szlak anaboliczny. Pełni więc podwójną
funkcję w organizmie – anaboliczną i kataboliczną.

Pomostem łączącym glikolizę z cyklem Krebsa jest zachodząca w matrix mitochondrialnej
dekarboksylacja oksydacyjna pirogronianu. Tę nieodwracalną reakcję pomostową katalizuje
kompleks dehydrogenazy pirogronianowej.
Pirogronian + CoA + NAD → acetylo-CoA + CO

2

+ NADH

Ogólny schemat cyklu Krebsa:

Synteza acetylo-CoA z pirogronianu wymaga trzech enzymów i pięciu koenzymów.
Kofaktory katalityczne to TTP (pirofosforan tiaminy), FAD, kwas limonowy. Kofaktorami
stechiometrycznymi są CoA i NAD – nie łączą się bezpośrednio z żadnym z enzymów, ale
biorą udział w przemianach.
Przekształcanie pirogronianu w acetylo-CoA zachodzi w trzech etapach – dekarboksylacji,
utleniania, przeniesienia powstałej grupy acetylowej do CoA.

Szczawiooctan kondensuje z acetylo-CoA tworząc cytrynian. Reakcję katalizuje syntaza
cytrynianowa. Szczawiooctan najpierw kondensuje z acetylo-CoA tworząc cytrynylo-CoA,
który następnie jest hydrolizowany do cytrynianu i CoA.
Szczawiooctan + acetylo-CoA + H

2

O → cytrynian + HS-CoA + H

+

Cytrynian jest izomeryzowany do izocytrynianu. Izomeryzacja dokonuje się w dwóch
etapach: odwodnienia i uwodnienia. Oba etapy katalizuje akonitaza.
Cytrynian → cis-akonitan + H

2

O

Cis-akonitan + H

2

O → izocytrynian

Biochemia - Wykłady

Str. 21

Izocytrynian jest utleniany i dekarboksylowany do α-ketoglutaranu. Produktem pośrednim
jest szczawiobursztynian. Oksydacyjną dekarboksylację katalizuje dehydrogenaza
cytrynianowa.
Izocytrynian + NAD

+

→ szczawiobursztynian + NADH + H

+

Szczawiobursztynian + H

+

→ α-ketoglutaran + CO

2

Oksydacyjna dekarboksylacja α-ketoglutaranu prowadzi do powstania
bursztynylokoenzymu A – druga reakcja oksydacyjnej dekarboksylacji, katalizowana przez
kompleks dehydrogenazy α-ketoklutaranowej.
α-ketoglutaran + NAD + CoA → bursztylylo CoA + CO

2

+ NADH

Kosztem bursztylylokoenzymu A powstaje wysokoenergetyczne wiązanie fosforanowe na
drodze fosforylacji substratowej. Reakcję katalizuje syntetaza bursztylyloCoA.
Bursztynylo-Coa + P

i

+ GDP → bursztynian + GTP + CoA

Kolejnym etapem jest regeneracja szczawiooctanu przez utlenianie bursztynianu.
Metabolitami pośrednimi są fumaran (tu powstaje też FADH

2

) oraz L-jabłczan

(po przyłączeniu cząsteczki wody). Podczas utleniania jabłczanu do szawiooctanu powstaje
NADH + H

+

. Reakcje katalizują kolejno: dehydrogenaza byrsztynianowa, fumaraza,

dehydrogenaza jabłczanowa.

Stechiometria cyklu Krebsa

Sumaryczne równanie cyklu:
Acetylo-CoA + 3NAD

+

+ FAD + GDP + P

i

+ 2H

2

O →

2CO

2

+ 3NADH + FADH

2

+ GTP + 2H

+

+ CoA

Biochemia - Wykłady

Str. 22

Wykład 8.

(30.11.09r.)

Łańcuch oddechowy – fosforylacja oksydacyjna:

Mechanizm molekularny

Cząsteczki utworzone podczas glikolizy i cyklu Krebsa (NADH i FADH

2

) są bogate

energetycznie, ponieważ zawierają pary elektronów o wysokim potencjale przenoszenia.
Energia swobodna uwalniana podczas przenoszenia tych elektronów na tlen cząsteczkowy
zostaje wykorzystana do syntezy ATP.

Proces syntezy ATP zachodzący w wyniku przenoszenia elektronów z NADH lub FADH

2

na tlen przez szereg przenośników nazywamy fosforylacją oksydacyjną. Jest ona głównym
źródłem ATP u organizmów oddychających tlenowo.

Spośród 30 cząsteczek ATP syntetyzowanych w czasie całkowitego utleniania glukozy
do H

2

O i CO

2

26 powstaje w wyniku fosforylacji oksydacyjnej.

Przepływ elektronów z NADH lub FADH

2

na tlen przez kompleksy białkowe umiejscowione

na wewnętrznej błonie mitochondrialnej powoduje wypompowywanie H

+

z matrix

mitochondrialnej do przestrzeni międzybłonowej. Wytworzona siła protonomotoryczna
składa się z gradientu pH i transbłonowego potencjału elektrochemicznego.

Synteza ATP zachodzi na skutek powrotnego przepływu protonów przez kompleks
enzymatyczny do matrix. Utlenianie jest więc sprzężone z fosforylacją dzięki gradientowi
protonomotorycznemu wytworzonego w poprzek błony mitochondrialnej.

Istotę fosforylacji oksydacyjnej stanowi przekształcenie siły elektromotorycznej w siłę
protonomotoryczna a następnie w potencjał fosforylacyjny.

Zewnętrzna błona jest porowata i wysoce przepuszczalna. Wewnętrzna posiada grzebienie
i jest praktycznie nieprzepuszczalna – jest błoną przekształcającą energię. Na niej jest gęsto
umieszczony łańcuch oddechowy (białka umieszczone w poprzek błony) – pompy
protonowe. Jednocześnie łańcuch jest tak zorganizowany, żeby elektrony zostały przeniesione
na tlen (po tej samej stronie błony).

Teoria chemiosmotyczna

Błony przekształcające energię mają liczne cechy wyróżniające (błony tylakoidów także).
W skład każdej z tych błon wchodzą dwa odrębne rodzaje pomp protonowych. Charakter
pierwotnej pompy protonowej zależy od źródła energii zasilającej błonę.

W przypadku mitochondrium lub oddychającej bakterii pierwotną pompa protonową jest
łańcuch oddechowy katalizujący przeniesienie elektronów od substratu do końcowego
akceptora, którym jest O

2

.

Biochemia - Wykłady

Str. 23

Metabolizm pierwszej (przepływ elektronów) i drugiej (fosforylacja oksydacyjna) pompy
protonowej jest ściśle sprzężony z translokacją protonów. Jeden proces nie może występować
bez drugiego.

Istota gradientu H

+

:

Termodynamiczna miarą jest elektrochemiczny potencjał protonowy



μH

+

składający się

z dwóch komponentów:





H

+

- powstaje na skutek różnicy stężeń H

+

po obu stronach błony.





Ψ – błonowy potencjał elektryczny (tworzony przez różnicę potencjału między

dwoma fazami wodnymi oddzielonymi błoną).

Według konwencji bioenergetycznej przyjęto wyrażać



μH

+

w jednostkach potencjału

elektrycznego (mV) wobec czego zaczęto określać go jako siłę protonomotoryczna (



p).

Postulaty Mitchela:

1. Oba łańcuchy transportu elektronów – oddechowy i fotosyntetyczny – powinny

przemieszczać protony.
Zależne od energii przemieszczanie protonów zaobserwowano po raz pierwszy
w preparatach „rozbitych” chloroplastów (1964 – Neumann i Jagendorf).
Mitochondrialne przemieszczanie protonów wykazali w 1965 Mitchel i Moyle.

2. Syntaza ATP powinna działać jako odwracalna ATPaza przemieszczająca protony.

Wprowadzenie małych ilości ATP do beztlenowej zawiesiny mitochondriów
powodowało wyrzucanie protonów a następnie powolne odwracanie tego zjawiska.
Oczyszczona i zrekonstruowana ATPaza katalizuje przemieszczanie protonów.

3. Błony przekształcające energię powinny mieć małe przewodnictwo protonowe.

O małej przepuszczalności błony dla protonów można wnioskować na podstawie
równoległego działania czynników, które pobudzają przepuszczalność dla protonów
w sztucznych dwuwarstwach, a jednocześnie sprzęgają mitochondria.

Błony przekształcające energię powinny zawierać specyficzne nośniki prowadzące wymianę,
które w obecności dużego potencjału błonowego pozwalają na przenikanie metabolitów
i utrzymanie stabilności osmotycznej.

Transport jonów przez błony przekształcające energię:
Teoria chemiosmotyczna zakłada, że transport jonów przez błony stanowi integralną część
bioenergetyki. Przetransportowanie jonu przez błonę wymaga zarówno błony jak i siły
napędowej. Siłą napędową może być energia metaboliczna (np. ATP).

Uniport – transport pojedynczego jonu. Zalicza się to drogę pobierania Ca

2+

przez

wewnętrzną błonę, wyidukowanie transportu H

+

przez pompy.

Symport – sprzężony ruch dwóch lub więcej jonów w jednym kierunku.
Antysport – równoważny, ściśle sprzężony proces, w którym jeden jon jest transportowany
w stronę przeciwną niż drugi, sprzężony.

Transport przez dwuwarstwę:
Hydrofobowy rdzeń dwuwarstwy lipidowej tworzy efektywną barierę uniemożliwiającą
przejście naładowanym cząsteczkom. Dwuwarstwa jest nieprzepuszczalna dla anionów,
kationów i protonów.
Pole elektryczne o potencjale 200mV przekracza 300 000V/cm w poprzek ich hydrofobowego
rdzenia.

Biochemia - Wykłady

Str. 24

Transport przez błonę katalizowany jest przez białka. Białka transportujące mają cechy
wspólne z enzymami: mogą wykazywać wysoką specyficzność, być specyficznie hamowane
o są zdeterminowane genetycznie.
Pewne białka są wyróżnikami błon.


W skład łańcucha oddechowego wchodzą trzy pompy protonowe połączone dwoma
ruchomymi przenośnikami elektronów.
Pompy protonowe: reduktaza NADH-Q, reduktaza cytochromowa, oksydaza cytochromowa.
Przenośniki elektronów: Q (koenzym Q, ubichinon), cytochrom c.

NADH → reduktaza NADH-Q → Q → reduktaza cytochromowa → cytochrom c →
→ oksydaza cytochromowa →O

2

Ubichinon może przenosić do reduktazy cytochromowej także elektrony pochodzące
z FADH

2

.

Każdy z pięciu elementów to kompleks enzymatyczny.
Kompleks II nie jest pompą H

+

. Tylko współdziała w transporcie elektronów.

Z kompleksu I i II elektrony wędrują przez koenzym Q na kompleks III. Stąd trafiają na
cytochrom c, potem na kompleks IV, który przekazuje elektrony na O

2

.

Kompleksy I, III i IV są jednocześnie pompami protonowymi dla kompleksu V.

Utlenianie jest sprzężone z fosforylacją przez siłę protonomotoryczna.

Syntezę ATP przeprowadza zespół podjednostek umiejscowiony w wewnętrznej błonie
mitochondrialnej.
K I: NADH + H

+

→ NAD

+

K II: tylko transport elektronów.
K III: tylko pompa H

+

.

K IV: ½ O

2

+ 2H

+

→ H

2

O

K V: 3ADP + 3P

i

→ 3ATP

Bilans energetyczny

W warunkach beztlenowych:
Z jednego mola glukozy powstają dwa mole ATP, dwa mole pirogronianu i dwa mole
NADH + H

+

. Te dwa mole pirogronianu są utleniane do dwóch moli kwasu mlekowego,

czemu towarzyszy przemiana 2NADH + H

+

do 2NADH

+

.

Podstawową zasadą bioenergetyki jest zasilanie przez gradienty protonowe.
Kondycja organizmu zależy od stosunku ilości ATP do (ADP + AMP).

Procesy wykorzystujące gradient protonowy:
→ wytwarzanie ciepła.

→ ruch obrotowy wici.
↔ transport aktywny.
↔ synteza NADPH i ATP.
↔ potencjał elektronowy



E.

Biochemia - Wykłady

Str. 25

ADP i ATP są wiążącymi koenzymami między związkami o dużej energii i o małej energii
(glukoza, glicerol).
ATP musi zostać przetransportowane na zewnątrz mitochondrium, natomiast ADP + P

i

do

wewnątrz. Muszą mieć przenośnik białkowy przez błonę mitochondrialną.

Oddychanie (O

2

→ H

2

O) i fosforylacja (ADP → ATP) są połączone systemem sprzęgającym.

Można te procesy rozprzęgnąć do badań stosując cyjanek potasu blokujący nieodwracalnie
oksydazę cytochromową.

Alternatywna droga oddechowa

Niektóre organizmy (rośliny) wytwarzają cyjanki. Glikozydy cyjanogenne uwalniają
cyjanowodór po uszkodzeniu tkanki (substancje obronne).
Wytwarzają one duże ilości ciepła, ponieważ część energii ATP przy alternatywnej drodze
oddechowej jest zamieniana na ciepło.
Między II a III kompleksem jest dodatkowo alternatywna oksydaza. Dalej elektrony mogą,
ale nie muszą być przekazywane na cytochrom. Jest to mniej wydajne ze względu na straty
cieplne, ale proces wspomaga wydzielanie lotnych substancji przywołujących owady
zapylające.
Istnieją dehydrogenazy wewnętrzne i zewnętrzne również dające ciepło.
Oksydazę alternatywną tworzą dwie podjednostki połączone mostkiem siarczkowym. Forma
utleniona (połączona) jest nieaktywna. Aktywacja zachodzi przez redukcję wiązania S-S do
dwóch wiązań S-H.

Łańcuch oddechowy roślin jest inny – w obecności cyjanku przełącza się na oksydazę
alternatywną.
Regulacja oksydazy alternatywnej zachodzi przez stan zredukowania tkanki, dostęp tlenu
i syntezę enzymu (ekspresja genu).

Przy aktywnej alternatywnej oksydazie roślina wymaga mniej światła, co jest cechą
gatunkową.

Biochemia - Wykłady

Str. 26

Wykład 9.

(07.12.09r.)

Glukoneogeneza:

Glukoneogeneza to synteza glukozy z prekursorów nie będących cukrowcami.

Znaczenie fizjologiczne:



Ważna rola w mózgu dla którego glukoza stanowi podstawowy materiał
energetyczny. Dzienne zapotrzebowanie mózgu dorosłego człowieka wynosi ok. 120g
glukozy, a całego organizmy 160g.



Glukoza jest ważnym materiałem energetycznym dla erytrocytów.

U roślin podstawowym materiałem energetycznym jest sacharoza, więc glukoneogeneza jest
gorzej poznana.

Podczas glukoneogenezy niecukrowcowe prekursory wchodzą w szlak głównie jako
pirogronian, szczawiooctan, fosforan dihydroksyacetonu.
Najważniejszymi prekursorami glukozy są aminokwasy, mleczan i glicerol.
Mleczan wytwarzany jest w mięśniach szkieletowych gdy szybkość glikolizy przekracza
szybkość metabolizowania jej produktów w cyklu kwasów trikarbosksylowych oraz
w łańcuchu oddechowym.
Aminokwasy powstają z białek dostarczanych w pożywieniu, a w okresie głodowania
z hydrolizy białek zawartych w mięśniach szkieletowych.
Hydroliza triacylogliceroli zachodząca w komórkach tłuszczowych dostarcza glicerolu
i kwasów tłuszczowych.

Cykl Corich:
Glukoza z wątroby przez krew trafia do mięśni. Tam z wytworzeniem 2ATP jest utleniana do
2 cząsteczek pirogronianu, które w warunkach beztlenowych są redukowane do 2 cząsteczek
mleczanu przez NADH + H

+

. Mleczan trafia przez krew do wątroby, gdzie jest przekształcany

w pirogronian. Następnie dwie cząsteczki pirogronianu z wykorzystaniem 6ATP tworzą
glukozę. Jest to proces kosztowny, ponieważ strata netto wynosi 4ATP.

Powstawanie glukozy z alaniny:
Przetransportowana z wątroby do mięśni szkieletowych glukoza jest przekształcana do
2 cząsteczek pirogronianu z wytworzeniem 2ATP. Z każdego pirogronianu może pod
wpływem ALT powstać alanina z przekształceniem glutaminianu w α-ketoglukaran. Alanina
trafia do wątroby, gdzie pod wpływem ALT powstaje z niej pirogronian. Dwie cząsteczki
pirogronianu przetwarzane są na cząsteczkę glukozy.


Tłuszcze są metabolizowane w mitochondriach. Glicerol trafia do cytozolu, gdzie może być
przekształcany do pirogronianu.
Glicerol jest prekursorem glukozy, ale w organizmach zwierzęcych nie zachodzi
przekształcenie kwasów tłuszczowych na glukozę. U roślin przekształcenie takie zachodzi.

Głównym miejscem glukoneogenezy jest wątroba. Proces może także zachodzić w warstwie
korowej nerki (10% produkcji) i w nieznacznych ilościach w mózgu, mięśniach
szkieletowych i sercowym.

Biochemia - Wykłady

Str. 27

Glukoneogeneza zachodząca w wątrobie i nerkach jest jednym z mechanizmów utrzymania
stałego stężenia glukozy we krwi.

W procesie glikolizy glukoza jest przekształcana w pirogronian, w procesie glukoneogenezy
to pirogronian przekształca się w glukozę. Glukoneogeneza nie jest jednak prostym
odwróceniem glikolizy. Zachodzi kilka reakcji różnych od reakcji glikolitycznych.
Odrębność dróg jest konieczna ponieważ glikoliza jest procesem egzoergicznym (zachodzą
reakcje nieodwracalne).

Nieodwracalne reakcje zachodzące w glikolizie są zastąpione przez następujące przemiany:

1. Fosfoenolopirogronian powstaje z pirogronianu przez produkt pośredni – szczawiooctan.

Pirogronian + CO

2

+ ATP + H

2

O → karboksylaza pirogronianowa → szczawiooctan

+ ADP + P

i

+ 2H

+

Szczawiooctan + GTP → karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa →

fosfoenolopirogronian + GDP + CO

2

Po zsumowaniu:
Pirogronian + ATP + GTP + H

2

O → fosfoenolopirogronian + ADP + GDP + P

i

+ 2H

+

Energia w tej reakcji jest tracona.

2. Frukoto-6-fosforan powstaje z fruktozo-1,6-bisfosforanu w wyniku hydrolitycznego

odłączenia fosforanu estryfikującego pierwszy węgiel.
Fruktozo-1,6-bisfosforan + H

2

O → fruktozo-1,6-bisfosfataza → fruktozo-6-fosforan + P

i

3. Glukoza powstaje z glukozo-6-fosforanu w wyniku hydrolizy wiązania estrowego.

Reakcja zachodzi we wnętrzu retikulum endoplazmatycznego.
Glukozo-6-fosforan + H

2

O → glukoza + P

i

kompleks enzymatyczny błony retikulum składa się z pięciu białek. Trzy z nich to
przenośniki: T1 – glukozo-6-fosforan (do światła retikulum); T2 – P

i

(do cytozolu);

T3 – glukoza (do cytozolu). Pozostałe dwa to glukozo-6-fosfataza i białko SP wiążące
jony Ca

2+

.

Różnice enzymatyczne glikolizy i glukoneogenezy:

Glikoliza

Glukoneogeneza

Heksokinaza

Glukozo-6-fosfataza

Fosfofruktokinaza

Fruktozo-1,6-bisfosfataza

Kinaza pirogronianowa

Karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa,

Karboksylaza pirogronianowa

Szczawiooctan wykorzystywany w glukoneogenezie zachodzącej w cytozolu tworzy się
w matrix mitochondrialnej w wyniku karboksylacji pirogronianu. Aby zostać wyprowadzony
z mitochondrium musi zostać zredukowany do jabłczanu (NADH + H

+

→ NAD

+

). Następnie

w cytozolu jest utleniany do szczawiooctan (NAD

+

→ NADH + H

+

).

Stechiometria glukoneogenezy:
2 cz. pirogronianu + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 6H

2

O → glukoza + 4ADP + 2GDP + 6P

i

+

2NAD

+

+ 2H

+



G

0

=-37,3kJ/mol (-9kcal/mol)

Proces jest bardzo kosztowny, ponieważ zysk energetyczny przy glikolizie wynosił 2ATP,
a w glukoneogenezie następuje strata 4ATP i 2GTP. ATP i GTP mają taką samą energię.

Biochemia - Wykłady

Str. 28

Glukoneogeneza podlega ścisłej kontroli i jest przeciwstawnie regulowana do glikolizy.
Kluczową rolę w regulacji odgrywają fosfofruktokinaza i fruktozo-1,6-bisfosfataza.
Aktywność tych enzymów jest kontrolowana przez fruktozo-2,6-bisfosforan, którego
stężenie jest duże przy obfitości glukozy we krwi, co hamuje glukoneogenezę.

Szlak pentozofosforanowy:

Służy wytworzeniu potencjału redukcyjnego przez syntezę NADPH.
Szlak ma duże znaczenie dla zwierząt, dla roślin niewielkie. W organizmach zwierzęcych jest
jedynym szlakiem syntezy NADPH. U roślin jest szlakiem wspomagającym, ponieważ
NADPH powstaje także podczas fotosyntezy.

Szlak fosforanów pentoz posiada również inne nazwy: szlak pentozofosforanowy, cykl
pentozowy, szlak heksomonofosforanowy, szlak fosfoglukonianowt utleniający.

Szlak fosforanów pentoz składa się z dwóch faz – oksydacyjnej i nieoksydacyjnej.

Ogólny schemat szlaku:
Trzy cząsteczki glukozo-6-fosforanu ulegają dekarboksylacji – powstają 3 rybulozo-5-
fosforany z wytworzeniem 6NADPH. Cząsteczki rybulozo-5-fosforanu ulegają izomeryzacji
do rybozo-5-fosforanów, które mogą służyć do syntezy nukleotydów, lub być przekształcane
dalej do dwóch heksoz i jednej triozy.

Potencjał redukcyjny:
Źródłem łatwo dostępnego potencjału redukcyjnego jest w komórce NADPH.
NADPH różni się od NADH posiadaniem grupy fosforanowej przy drugim węglu jednej
z ryboz. Między NADPH a NADH istnieje zasadnicza różnica funkcji pełnionych
w większości reakcji biochemicznych. NADH jest utleniany w łańcuchu oddechowym,
a wydzielona na tym etapie energia zostaje zużyta do syntezy ATP.
NADPH służy jako donor protonów i elektronów.

Anaboliczny redukcyjny ładunek energii (anabolic reduction charge):



















NADP

NADPH

NADPH

ARC

Kataboliczny redukcyjny ładunek energii:



















NAD

NADH

NADH

CRC

NADPH jest wytwarzane w szlaku pentozofosforanowym z jednoczesnym utlenieniem
glukozo-6-fosforanu do rybulozo-5-fosforanu.
Ryboza i jej pochodne są składnikami wielu związków ważnych biologicznie: ATP, CoA,
NAD, FAD, DNA i RNA.

Glukozo-6-fosforan + 2NADP + H

2

O → rybulozo-5-fosforan + 2NADPH + 2H

+

+ CO

2

Metabolity pośrednie: 6-fosfoglukono-δ-lakton, 6-fosfoglukonian.

Biochemia - Wykłady

Str. 29

Rybulozo-5-fosforan (ketoza) ulega izomeryzacji do rybozo-5-fosforanu (aldoza) przez
enodiolowy związek pośredni w wyniku działania izomerazy pentozofosforanowej.

Transketolaza i transaldolaza wiążą szlak pentozofosforanowy z glikolizą.
Wiele komórek przeprowadza dużo więcej syntez redukcyjnych z udziałem NADPH niż tylko
synteza rybulozo-5-fosforanu. W takich przypadkach rybulozo-5-fosforan przekształca się
z udziałem powyższych enzymów w aldehyd 3-fosfoglicerynowy i fruktozo-6-fosforan.

Enzymy te tworzą odwracalne przejście między glikolizą, a tym szlakiem przez 3 reakcje
odwracalne:
C

5

+C

5

↔ transketolaza ↔ C

3

+ C

7

C

7

+ C

3

↔ transaldolaza ↔ C

4

+ C

6

C

5

+ C

4

↔ transketolaza ↔ C

3

+ C

6

Transketolaza przenosi grupę CH

2

OH-CO- a transaldolaza przenosi CH

2

OH-CO-HCOH-.

Cukrem dostarczającym tych grup jest zawsze ketoza, akceptorem zawsze aldoza.


Pierwsza reakcja łącząca szlak pentozofosforanowy z glikolizą jest tworzenie
aldehydu 3-fosfoglicerynowego i sedoheptulozo-7-fosforanu z dwóch pentoz:
ksylulozo-5-fosforanu i rybozo-5-fosforanu w wyniku działania transketolazy.

Epimeraza pentozofosforanowa przekształca rybulozo-5-fosforan w ksylulozo-5-fosforan
(zmiana H i OH przy trzecim węglu).


Druga reakcja polega na przemianie powstałych w poprzednim etapie
aldehydu 3-fosfoglicerynowego i sedoheptulozo-7-fosforanu w erytrozo-4-fosforan
i fruktozo-6-fosforan.

Po zsumowaniu wszystkich reakcji otrzymujemy równanie:
2 ksylulozo-5-fosforany + rybozo-5-fosforan ↔ 2 fruktozo-6-fosforany +

aldehyd 3-fosfoglicerynowy

Ponieważ ksylulozo-5-fosforan może być tworzony z rybozo-5-fosforanu w wyniku działania
kolejno izomerazy pentozofosforanowej i epimerazy pentozofosforanowej otrzymujemy
równanie:
3 rybozo-5-fosforan ↔ 2 fruktozo-6-fosforany + aldehyd 3-fosfoglicerynowy

Stężenie NADP reguluje szybkość przemian szlaku pentozofosforanowego.
Odwodorowanie glukozo-6-fosforanu, pierwsza reakcja w odgałęzieniu utleniającym szlaku
jest zasadniczo nieodwracalna. Reakcja ta ogranicza szybkość procesu w warunkach
fizjologicznych i jest miejscem kontroli szlaku. Najważniejszym czynnikiem kontrolującym
tę reakcję jest poziom NADP – akceptora elektronu w utlenianiu glukozo-6-fosforanu.
Tworzenie się NADH jest ściśle związane z jego wykorzystaniem w syntezach redukujących.

Nieutleniające odgałęzienie szlaku jest regulowane przez dostępność substratów.

Biochemia - Wykłady

Str. 30

O odpływie glukozo-6-fosforanu decyduje zapotrzebowanie na NADPH, rybozo-5-fosforan
i na ATP. Losy glukozo-6-fosforanu w różnych sytuacjach metabolicznych:

Potrzeba o wiele więcej rybozo-5-fosforanu niż NADPH:
5 glukozo-6-fosforanów + ATP → 6 rybozo-5-fosforanów + ADP + H

+

Zapotrzebowanie na NADPH i rybozo-5-fosforan jest zrównoważone:
Dominuje synteza NADPH
Glukozo-6-fosforan + 2 NADP

+

+ H

2

O → rybozo-5-fosforan + 2 NADPH + 2 H

+

+ CO

2

Potrzeba więcej NADH niż rybozo-5-fosforanu:
Glukozo-6-fosforan jest całkowicie utleniany do CO

2

. Tkanka tłuszczowa wymaga do syntez

znacznego stężenia NADPH
6 glukozo-6-fosforanów + 12 NADP

+

+ 7 H

2

O →12 NADPH + 12 H

+

+ 6 CO

2

Biochemia - Wykłady

Str. 31

Potrzeba znacznie więcej NADPH niż rybozo-5-fosforanu:
Glukozo-6-fosforan jest przekształcany w pirogronian. Tworzą się jednocześnie ATP
i NADPH a 5 z 6 atomów węgla glukozo-6-fosforanu wchodzi do pirogronianu
3 glukozo-6-fosforany + 6 NADP

+

+ 5 NAD

+

+ 5 P

i

+ 8 ADP → 5 pirogronianów + 3 CO

2

+

6 NADPH + 5 NADH + 8 ATP + 2 H

2

O + 8 H

+

Biochemia - Wykłady

Str. 32

Wykład 10. (14.02.09r.)

Fotosynteza

– reakcje świetlne fotosyntezy:

Klasyfikacja hydrolaz opiera się na centrum katalitycznym (katalityczny aminokwas) i na
miejscu działania enzymu.

Cała energia swobodna, jaką dysponują organizmy żywe pochodzi z fotosyntezy.
CO

2

+ H

2

O + światło → (CH

2

O) + O

2

Energia świetlna absorbowana w chloroplastach przez cząsteczki chlorofilu jest
wykorzystywana do wytwarzania elektronów o wysokiej energii (wzbudzonych). Wzbudzone
elektrony służą zarówno do syntezy NADPH jak i ATP, które redukują CO

2

i przekształcają

go w 3-fosfoglicerynian w szeregu reakcji zwanym cyklem Calvina lub reakcjami ciemnymi
(enzymatycznymi) fotosyntezy.

Produkty fazy świetlnej nie mogą być przechowywane w dużych ilościach.
Faza enzymatyczna także zachodzi na świetle.

Przekształcanie energii świetlnej w chemiczną:
Reakcje świetlne fotosyntezy są podobne do fosforylacji oksydacyjnej. W obu procesach
przepływ wzbudzonych elektronów przez łańcuch transportu elektronów wytwarza siłę
protonomotoryczną, wykorzystywaną przez syntazę ATP do powstawania ATP.
W fotosyntezie elektrony zostają również bezpośrednio użyte do redukcji NADP do NADPH.
Zasadnicza różnica między fosforylacją oksydacyjną i fotosyntetyczną dotyczy źródła
wzbudzonych elektronów. W fosforylacji oksydacyjnej pochodzą one z utleniania cząsteczek
do CO

2,

a w fosforylacji fotosyntetycznej z fotonów.

Fotosystemy I i II:
Foton pada na antenę chlorofilową, która inicjuje wędrówkę wzbudzonych elektronów.
Elektron trafia na pierwotny akceptor PSII, biegnie przez szereg przenośników biorąc udział
w syntezie ATP, trafia na PSI i następnie na NADPH.

Chloroplasty

Są rodzajem plastydów. Występują u roślin i glonów eukariotycznych. Są otoczone podwójną
błoną białkowo-lipidową. Zawierają zielone barwniki o zdolności pochłaniania światła
słonecznego. Są zdolne do syntezy glukozy z CO

2

i H

2

O. Posiadają własny, kolisty genom

niezawierający histonów (stąd częściowa autonomia). Niektóre białka chloroplastu powstają
w stromie. Genom koduje wszystkie rodzaje RNA, ale ma małą pojemność kodującą. Genom
współdziała z genomem jądrowym.

Barwniki fotosyntetyczne

Są umieszczone w błonie tylakoidu.
Chlorofil a – niebiesko-zielony. Maksima absorpcji: 420nm, 660nm.
Chlorofil b – żółto-zielony. Maksima absorpcji: 435nm, 642nm. Stanowi zwykle 1/3
chlorofilu a.

Biochemia - Wykłady

Str. 33

Cząsteczka każdego chlorofilu zbudowana jest z pochodnej porfiryny określanej
feoporfiryną oraz reszty dwudziestowęglowego alkoholu – fitolu, dołączonego wiązaniem
estrowym do reszty kwasu propionowego, która jest jednym z podstawników IV pierścienia
pirolowego feoporfiryny.
Porfiryna tworząca kompleks z Mg posiada zdolność do absorpcji promieniowania
elektromagnetycznego w zakresie widzialnym. Obecność Mg wpływa na zdolność agregacji
cząsteczek chlorofilu, co ułatwia przekazywanie energii między cząsteczkami. Alkohol
izoprenowy nie wpływa znacząco na zdolność absorpcji. Tworzy hydrofobowy fragment
kotwiczący cząsteczkę w błonie lipidowo-białkowej.
Do układu porfiryny są przyłączone dodatkowe grupy. Mają niewielki wpływ na zdolności
absorpcyjne. W zależności od podstawników wyróżnia się chlorofil a i b.

Karotenoidy (karoten, ksantofil) – zbudowane z podjednostek izoprenowych zawierających
szereg sprzężonych wiązań podwójnych. Wchodzą w skład anten fotosyntetycznych,
zapobiegają fotooksydacji chlorofilu.
Karoteny to pomarańczowo-czerwone barwniki będące nienasyconymi węglowodorami
o wzorze sumarycznym C

40

H

56

.

Ksantofile to żółte lub brunatne pochodne karotenów. Posiadają tlen w cząsteczce.
Wzór sumaryczny to C

40

H

56

O lub C

40

H

56

O

2

.

Fikobiliny (fikocyjanina, fikoerytryna) – liniowe tetrapirole, nie posiadają ogona
fitolowego i atomu Mg. Stanowią elementy anten fotosyntetycznych sinic i krasnorostów.
Właściwie nie występują u roślin wyższych. Zbudowane są z czterech pierścieni pirolowych
połączonych w układ liniowy. Nie zawierają Mg ani fitolu. Występują u sinic oraz
w chloroplastach glaukocystofitów, krasnorostów i kryptomonad. Jako jedyne barwniki
fotosyntetyczne powiązane są z białkami rozpuszczalnymi w wodzie (fikobiloproteinami),
które przekazują energię pochłoniętych fotonów na cząsteczki chlorofilu. Szczególnie
wydajnie absorbują światło czerwone, pomarańczowe, żółte i zielone, czyli w zakresie
częściowo nieabsorbowanym przez chlorofile.


Przepływ energii w fotosystemie II:
Chlorofil b P450 → Luteina P470 → Zeaksantyna P480 → β-karoten P500 → Likopen P510
→ Chlorofil b P650 → chlorofil a P680

Chlorofil a oddaje elektrony do ETS a przyjmuje z H

2

O.

Przekształcanie energii zachodzi w obrębie fotoukładów.
Tlen cząsteczkowy powstaje z wody.
ATP i NADPH powstałe w fazie jasnej są zużywane w cyklu Calvina.
Końcowym produktem cyklu Calvina są fosforany trioz (lub glukoza – zależnie od autora).

Fotosystemy

Kompleksy barwnikowo-lipidowo-białkowe absorbują kwanty światła. Centrum reakcji
fotosystemu oraz towarzyszące mu układy antenowe absorbują kwanty światła i przekazują
energię do centrum reakcji. W centrum reakcji z dimeru chlorofilu a wybijany jest elektron
i przekazywany jest na przenośnik elektronów.

Organizacja łańcucha fotosyntetycznego – tworzenie ATP przez syntazę ATP jest skierowane
odwrotnie niż w mitochondriach.

Biochemia - Wykłady

Str. 34

Fotosystem II:
Składa się z centrum reakcji oraz układu antenowego LHC II. W centrum reakcji znajduje się
para (dimer) chlorofilu a. Działa z maksymalną wydajnością przy fali 680nm (P680).
Występuje głównie w tylakoidach gran. Charakterystyczne są układy antenowe LHC II,
w których stosunek chlorofilu a do b wynosi 1:1. Tu zachodzi fotoliza wody.

Fotosystem I:
Składa się z centrum reakcji oraz układu antenowego LHC I. Działa z maksymalną
efektywnością przy fali o długości 700nm (P700). W układach antenowych stosunek
chlorofilu a do b wynosi 4:1. Tu powstaje NADPH.

Reakcje fazy świetlnej

Fotosystem II:
Następuje wzbudzenie specjalnej pary cząsteczek chlorofilu związanej z podjednostkami
D

1

i D

2

, następnie przeniesienie elektronów z P680 na feofitynę o budowie podobnej do

chlorofilu (zamiast Mg jest H

+

). Elektron zostaje przeniesiony na plastochinon znajdujący się

w miejscu Q

A

a następnie drugi plastochinon w miejscu Q

B

.

Od strony fotolizy wody w PSII znajdują się jony Mn

2+

.

P680 pobiera elektron przez centrum manganowe (4 jony Mn, jon Ca i Cl) oraz tyrozyny
(Y161). W formie zredukowanej utlenia 2 cząsteczki H

2

O aby utworzyć jedną cząsteczkę O

2

.

Reakcja katalizowana przez PSII: 2Q + H

2

O → O

2

+ 2QH

2

PSII spina błony tylakoidów. Miejsce redukcji chinonu jest po stronie stromy a centrum
manganowe czyli miejsce utleniania wody skierowane jest do wnętrza tylakoidu.
Dwa protony pobrane do redukcji plastochinonu pochodzą ze stromy, a cztery protony
uwolnione podczas utleniania wody trafiają do wnętrza tylakoidu.
Redukcja plastochinonu wymaga dwóch protonów i dwóch elektronów.

Oba układy są spięte cytochromem bf, który pobiera protony ze stromy i uwalnia je we
wnętrzu tylakoidu zwiększając gradient H

+

.

Z plastochinonu elektrony idą na plastocyjaninę (zawierającą atom Cu).
Kompleks cytochromu bf obejmuje 4 podjednostki: cytochrom z dwoma hemami typu b,
białko Fe-S typu Rieskiego, cytochrom f zawierający hem typu c oraz dodatkowy łańcuch
polipeptydowy.

Jednoelektronowe utlenienie plastochinonu do plastochinolu zachodzi dzięki białku Fe-S.
Jednocześnie białko Fe-S przekształca plastocyjaninę z formy utlenionej w zredukowaną
(Cu

2+

→ Cu

+

).

Następuje uwolnienie dwóch protonów do wnętrza tylakoidu.
Cytochrom bf redukuje II cząsteczkę plastochinonu do plastochinolu, jednocześnie pobierając
dwa protony z jednej strony błony i ponownie utlenia plastochinol.

Fotosystem I:
Część rdzeniową tworzy dimer białek psaA i psaB. Para specjalnych cząsteczek chlorofilu
absorbuje światło o długości fali 700nm. Elektron jest przenoszony przez chlorofil w miejscu
A

0

i chinon w miejscu A

1

aż do centrum 4Fe-4S. Z 4Fe-4S elektron trafia na ferredoksynę

zawierającą białka 2Fe-2S i reszty cysteiny.

Biochemia - Wykłady

Str. 35

PC (Cu

+

) + ferredoksyna

utleniona

→ PC(Cu

2+

) + ferredoksyna

zredukowana

Reduktaza ferredoksyna: NADP

+

przekształca NADP

+

w NADPH.

Enzym ten jest flawoproteiną, związaną z FAD, który to przyjmuje elektrony pojedynczo
z dwóch cząsteczek ferredoksyny i przekształca się z formy utlenionej poprzez semichinon
w formę zredukowaną. Przenosi proton na NADP

+

wytwarzając NADPH. Reakcja zachodzi

po wewnętrznej stronie błony tylakoidów.

FAD ↔ FADH ↔ FADH

2

Elektrony trafiające na NADP

+

pochodzą z fotolizy wody.

ATP i NADPH powstają na zewnątrz tylakoidów. Nie musza już być transportowane –
od razu trafiają do macierzy chloroplastowej.
Przekształcenie energii świetlnej w chemiczną jest zgodne z teorią chemiosmotyczną
Mitchela. Następuje rozdział ładunków, mogą być przenoszone elektrony i protony w poprzek
błony i może być budowany gradient protonomotoryczny. Gradient protonów napędza
syntazę ATP. We wnętrzu tylakoidu jest większe stężenie H

+

.

W czasie syntezy ATP wpływają z wnętrza tylakoidu do stromy, zatem nowosyntetyzowane
ATP jest uwalniane na terenie stromy.

Chloroplastowa syntaza ATP jest bardzo podobna do mitochondrialnych i prokariotycznych
syntaz ATP.
Wytwarzana w reakcjach świetlnych siła protonomotoryczna jest przetwarzana w ATP przez
chloroplastową syntazę ATP nazywaną również kompleksem CF

1

-CF

0

.

Orientacja CF

1

-CF

0

jest odwrócona w porównaniu z mitochondrium. Podobnie też NADPH

wytwarzany w wyniku działania PSI uwalniany jest do stromy.
ATP i NADPH - produkty fazy jasnej fotosyntezy znajdują się we właściwych miejscach dla
reakcji ciemnych fotosyntezy.

Cykliczny przepływ elektronów przez PSI prowadzi do wytworzenia ATP zamiast NADPH.
W sytuacji gdy wartość NADPH/NADP

+

jest bardzo duża może brakować NADP

+

do

odbierania elektronów z zredukowanej ferredoksyny. W takim przypadku elektrony
pochodzące z P700 mogą przemieszczać się szlakiem alternatywnym, który nie prowadzi do
powstania NADPH.

Absorpcja 8 fotonów powoduje powstanie 1 cząsteczki tlenu, 2 cząsteczek NADPH
i 3 cząsteczek ATP.

Sumaryczna reakcja:
2H

2

O + 2NADP

+

+ 10H

+

stroma

→ O

2

+ 2NADPH + 12H

+

wnętrze

Fosforylacja cykliczna jest bardziej wydajna pod względem syntezy ATP.
Dzięki cytochromowi bf absorpcja 4 fotonów przez PSI powoduje wydzielanie H

+

do wnętrza

tylakoidu. H

+

przepływają przez syntazę ATP dając 2 cząsteczki ATP.

Biochemia - Wykłady

Str. 36

Wykład 11.

(21.12.09r.)

Fotosynteza

– faza ciemna:

Sprowadza się do biosyntezy cukrów.
Tworzy się skrobia tranzytowa, która jest rozkładana do sacharozy.
Fosforany trioz trafiają do cytoplazmy i powstają z nich cukry ścian komórkowych lub
sacharoza.

Cykl Calvina

Reakcje świetlne przekształcają energię świetlną w ATP i NADPH – biosyntetyczną siłę
reakcyjną. W reakcjach ciemnych następuje wykorzystanie tych związków do syntezy
heksozy z CO

2

. Dwutlenek węgla zostaje przekształcony więc do formy użytecznej.

Wzajemne współdziałanie reakcji jasnych i ciemnych prowadzi do przekształcenia energii
świetlnej w paliwo energetyczne.

Akceptorem CO

2

jest rybulozo-1,5-bisfosforan. Tę wysokoenergetyczną (



G=-51,9kJ/mol)

reakcję katalizuje enzym karboksylaza/oksygenaza rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBisCo).
Rybulozo-1,5-bisfosforan ulega karboksylacji do nietrwałego intermediatu, który przyłącza
wodę dając dwie cząsteczki 3-fosfoglicerynianu.

Rubisco składa się z 8 dużych (L) i 8 małych (S) podjednostek. Każdy łańcuch L zawiera
miejsca katalityczne i regulatorowe. Łańcuchy S zwiększają aktywność katalityczną
łańcuchów L. Enzym stanowi ok. 30% wszystkich białek u roślin. Jego aktywność zależy od
jonów Mg

2+

i karbaminiany.

Katalityczna niedoskonałość Rubisco: zamiast CO

2

wiąże O

2

– zjawisko fotooddychania.

Biochemia - Wykłady

Str. 37

W kolejnych reakcjach powstaje jedna cząsteczka 3-fosfoglicerynianu i jedna fosfoglikolanu.
Fosfoglikolan w peroksysomie ulega defosforylacji – powstaje glikolan, który reagując
z tlenem tworzy H

2

O

2

i glioksalan. Glioksalan łączy się z amoniakiem dając dwie cząsteczki

glicyny, która w mitochondrium ulega dekarboksylacji i deaminacji dając serynę. Odłączone
NH

4

+

biegnie do chloroplastu, gdzie reaguje z kwasem glutaminowym tworząc glutaminę –

reakcja zachodzi pod wpływem syntazy glutaminowej ze zużyciem ATP.

Regeneracja rybulozo-1,5-bisfosforanu

W regeneracji rybulozo-1,5-bisfosforanu biorą udział transketolaza, aldolaza i inne enzymy.
Transketolaza przenosi grupy dwuwęglowe. Aldolaza prowadzi kondensacje aldolową.

Fruktozo-6-fosforan + aldehyd 3-fosfoglicerynowy → (transketolaza) →
ksylulozo-5-fosforan + erytrozo-4-fosforan

(C

6

+ C

3

→ C

5

+ C

4

)

Erytrozo-4-fosforan + fosfodihydroksyaceton → (aldolaza) →
sedoheptulozo-1,7-bisfosforan

(C

4

+ C

3

→ C

7

)

sedoheptulozo-1,7-bisfosforan + aldehyd 3-fosfoglicerynowy → (transketolaza) →
rybozo-5-fosforan + ksylulozo-5-fosforan

(C

7

+ C

3

→ C

5

+ C

5

)

W kolejnych reakcjach ksylulozo-5-fosforan (epimeraza fosfopentozowa) i rybozo-5-fosforan
(izomeraza fosfopentozowa) są przekształcane w rybulozo-5-fosforan – reakcje odwracalne.
Rybulozo-5-fosforan pod wpływem kinazy fosforybulozowej zostaje ufosforylowany do
rybulozo-1,5-bisfosforanu (ze zużyciem ATP).

Reakcja sumaryczna:
Fruktozo-6-fosforan + 2 aldehyd 3-fosfoglicerynowy + fosfodihydroksyaceton + 3ATP →
3 rybulozo-1,5-bisfosforan + 3ADP

Reakcja sumaryczna cyklu Calvina:
6CO

2

+ 18ATP + 12NADPH + 12H

2

O → C

6

H

12

O

6

+ 18ADP + 18P

i

+ 12NADP + 6H

+

Aktywność cyklu Calvina zależy od warunków środowiska. Zmiany stężenia protonów
i jonów magnezu zależnie od światła aktywują rubisco.

Tioredoksyna odgrywa kluczową rolę w regulacji cyklu Calvina.
Obecność zredukowanej ferredoksyny i NADPH jest sygnałem, że istnieją warunki dla
procesu biosyntezy. Informacja ta jest przekazywana do receptorów za pomocą tioredoksyny.
Tioredoksyna to białko o masie 12kDa. Zawiera reszty cysteinowe, które przechodzą
cyklicznie od zredukowanej formy tiolowej do utlenionej formy dwusiarczkowej.
Zredukowana tioredoksyna aktywuje wiele enzymów szlaków biosyntetycznych jednocześnie
hamując aktywność enzymów degradacyjnych.

NADPH jest cząsteczka sygnałową aktywującą kinazę fosforybulozy i dehydrogenazę
aldehydu 3-fosfoglicerynowego.

Szlak C

4

dzięki któremu transportowany jest CO

2

rozpoczyna się w mezofilu od kondensacji

CO

2

i fosfoenolopirogronianu. Rośliny tropikalne fotosyntetyzujące zgodnie ze szlakiem

Hatcha i Slacka (C

4

) mają inną budowę liścia. W komórkach mezofilu CO

2

wiązane jest z

Biochemia - Wykłady

Str. 38

fosfoenolopirogronianem (PEP) pod działaniem karboksylazy PEP. Powstaje szczawiooctan.
Jest przekształcany do asparaginianu lub jabłczanu i transportowany do komórek pochwy
okołowiązkowej. Tam uwalniane jest CO

2

a pirogronian wraca do mezofilu. CO

2

w pochwie

okołowiązkowej wchodzi do cyklu Calvina.

Sumaryczna reakcja szlaku C

4

:

CO

2

(w komórce mezofilu) + ATP + 2H

2

O →CO

2

(w komórce pochwy okołowiązkowej) +

AMP + 2P

i

+ H

+

6CO

2

+ 30ATP + 12NADPH + 12H

2

O → C

6

H

12

O

6

+ 30ADP + 30P

i

+ 12NADP + 12H

+