Biochemia - Wykłady
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:
-ð ZwiÄ…zki makroergiczne.
-ð Strategie katalityczne i regulacyjne.
-ð Klasyfikacja enzymów.
-ð Energetyka reakcji enzymatycznych.
-ð Koenzymy, witaminy, hormony.
Bioenergetyka:
-ð Ogólne zasady.
-ð Prawa termodynamiki.
-ð Teoria Mitchella.
-ð Fosforylacja fotosyntetyczna.
-ð Fosforylacja oksydacyjna.
Uzyskiwanie energii w procesach energetycznych:
-ð Cykl Calvina.
-ð Reakcje adaptacyjne fotosyntezy:
o Fotooddychania.
o Fotosynteza typu C4
o Fotosynteza typu CAM.
Utlenianie biologiczne i fermentacje:
-ð Glikoliza.
-ð Cykl kwasu cytrynowego.
-ð Szlak fosforanów pentoz.
-ð Glukoneogeneza.
-ð Fermentacje.
Asymilacja azotu:
-ð WiÄ…zanie azotu przez roÅ›liny.
-ð Przemiany zwiÄ…zków azotowych.
Str. 1
Biochemia - Wykłady
Metabolizm białek:
-ð Synteza biaÅ‚ka.
-ð Degradacja biaÅ‚ka.
Metabolizm kwasów tłuszczowych:
-ð Kwasy tÅ‚uszczowe.
-ð Synteza kwasów tÅ‚uszczowych.
-ð ²-oksydacja kwasów tÅ‚uszczowych.
-ð Biosynteza lipidów bÅ‚onowych 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:
-ð WyjaÅ›niono podstawy molekularne wad powodujÄ…cych:
o Niedokrwistość sierpowatą.
o Zwłóknienie torbielowe.
o HemofiliÄ™.
o Inne choroby genetyczne.
Udział biochemii w diagnostyce klinicznej:
-ð Markery enzymatyczne.
-ð Zastosowanie sond DNA do precyzyjnego diagnozowania chorób dziedzicznych,
infekcyjnych i nowotworowych.
-ð 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:
-ð Akwaporyny.
-ð Interferencja RNA (RNAi).
-ð Tratwy lipidowe.
-ð Struktura translokazy ATP-ADP.
-ð BiaÅ‚ka SNARE i ich udziaÅ‚ w kierowaniu biaÅ‚ek.
-ð Budowa receptorów smakowych wykrywajÄ…cych smak sÅ‚odki.
-ð Mechanizmy dziaÅ‚ania kilku typów kanałów bÅ‚onowych i pomp.
Str. 2
Biochemia - Wykłady
Wykład 2. (19.10.09r.)
Peptydy:
Dipeptyd  połączenie dwóch aminokwasów.
Koniec z wolnÄ… grupÄ… karboksylowÄ… to C-koniec.
Koniec z wolnÄ… grupÄ… aminowÄ… 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:
-ð Ä…-helisa.
-ð ²-harmonijka.
-ð Utrzymywana przez wiÄ…zanie wodorowe, mostki solne, mostki disiarkowe, siÅ‚y Van
der Walsa.
III-rzędowa struktura.
IV-rzędowa struktura:
-ð Herodimery biaÅ‚kowe.
-ð Hemoglobina  biaÅ‚ko transportowe.
-ð Insulina.
-ð Kolagen  funkcja strukturalna, wzmacniajÄ…ca.
-ð Cytochrom C  w Å‚aÅ„cuchu oddechowym.
Naturalnie występujące peptydy
Dipeptydy:
-ð Karmozyna i anseryna  mięśnie dorosÅ‚ych ptaków i ssaków zawierajÄ… 1-10mg/g w
świeżej masie.
Tripeptydy:
-ð Glutation (4-glutamylocysteiloglicyna)  zredukowany i utleniony stanowi okoÅ‚o
99% drobnowęglowych związków sulfhydrylowych.
Wyższe oligopeptydy:
-ð Angiotensyna II  oktapeptyd: Asp-Arg-Vol-Tyr-Ile-His-Pro-Phe. Jest hormonem
tkankowym powodującym podwyższenie ciśnienia krwi, działa na mięśnie gładkie
macicy.
-ð Bradykinina (nanopeptyd)  powoduje spadek ciÅ›nienia krwi.
-ð Oksytocyna  skurcz mięśni gÅ‚adkich, zwÅ‚aszcza macicy ciężarnej, skurcz włókienek
mięśniowych pęcherzyków mlekowych.
Str. 3
Biochemia - Wykłady
-ð Wazopresyna  podwyższa ciÅ›nienie krwi, hamuje wydzielanie moczu, pobudza
mięśnie gładkie jelita cienkiego.
Białka:
1
Masa czÄ…steczkowa w Daltonach (Da)  jednostka masy zdefiniowana jako masy atomu
12
wÄ™gla, która prawie równa siÄ™ masie atomu wodoru (ð1,7 ×ð10-ð24 g)ð.
Białka:
-ð Fibrylarne:
o Ä…-keratyna.
o ²-keratyna.
-ð Globularne:
o Proste  albuminy, globuliny, histony, prolaminy, protaminy, gluteiny.
o Złożone (skumulowane)  fosfoproteiny, chloroproteiny, lipoproteidy,
glikoproteiny, nukleoproteidy, metaloproteidy.
Współczynnik sedymentacji s:
V
s =ð - szybkość migracji sedymentacji / przyspieszenie odÅ›rodkowe.
2
wð r
Ze względu na skład chemiczny wyróżniamy:
-ð BiaÅ‚ka proste  po hydrolizie dajÄ… wyÅ‚Ä…cznie aminokwasy lub ich pochodne.
-ð BiaÅ‚ka zÅ‚ożone  skÅ‚adajÄ… siÄ™ wyÅ‚Ä…cznie z biaÅ‚ka prostego poÅ‚Ä…czonego z innÄ…
niebiałkową cząsteczką zwana grupą prostetyczną.
Białka proste:
-ð Protaminy  wystÄ™pujÄ… w plemnikach ryb np. soleina (Å‚osoÅ›), klupeina (Å›ledz
),
eozyna.
-ð Histony  20-30kDa, biaÅ‚ka zasadowe.
-ð Albuminy  15-70kDa, biaÅ‚ka globularne.
-ð Globuliny  25-150kDa, osocze krwi, mleko, skÅ‚adnik cytoplazmy.
-ð Prolaminy  duże iloÅ›ci proliny i glutaminy, zapasowe biaÅ‚ka roÅ›linne np. gliadyny
pszenicy, hordeiny jęczmienia i zeina kukurydzy.
-ð Skleroproteiny  biaÅ‚ka fibrylarne, skÅ‚adnik tkanki Å‚Ä…cznej (kolageny) i warstw
powierzchniowych (keratyny).
Białka złożone:
-ð Fosfoproteidy  kazeiny mleka.
-ð Glikoproteiny  przeciwciaÅ‚a, substancje grupowe krwi, glukoamylaza.
-ð Chromoproteiny  hemoglobina, rodopsyna.
-ð Metaloproteidy  ferrodoksyna, oksydaza cytochromowi, reduktaza azotanowa.
-ð Nukleoproteidy  biaÅ‚ka zasadowe tworzÄ…ce kompleksy z kwasami nukleinowymi.
-ð Lipoproteidy  biaÅ‚ka bÅ‚on komórkowych i cytoplazmatycznych transportujÄ…ce lipidy
i hormony.
Str. 4
Biochemia - Wykłady
Struktura i funkcje białek:
-ð Kataliza enzymatyczna.
-ð Transport i magazynowanie:
o Przenoszenie tlenu przez hemoglobinÄ™.
o Transport tlenu przez mioglobinÄ™.
o Transport żelaza we krwi przez transferynę.
-ð Ruch uporzÄ…dkowany:
o Białkowe układy kurczliwe odpowiedzialne za ruch mięśni, chromosomów,
plemników.
-ð Funkcje mechaniczno-strukturalne:
o Kolagen  białko fibrylarne zapewniające elastyczność mięśni i tkanki kostnej.
-ð Ochrona immunologiczna:
o Przeciwciała rozpoznające substancje obce dla organizmu.
-ð Wytwarzanie i przekazywanie impulsów nerwowych:
o Acetylocholina  przenoszenie impulsów na synapsach.
o Rodopsyna  w komórkach pręcikowych siatkówki.
-ð 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.
Str. 5
Biochemia - Wykłady
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+, CO2 i organiczne fosforany regulują wiązanie O2 przez hemoglobinę. Regulatory te wiążą
siÄ™ z czÄ…steczkÄ… hemoglobiny w rejonach oddalonych od miejsca wiÄ…zania 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 ą-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 (decydujÄ… one o miejscu wiÄ…zania 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).
Str. 6
Biochemia - Wykłady
Obecność histydyny dystalnej osłabia wiązanie CO. CO ma bardzo duże powinowactwo do
hemoglobiny.
Hemoglobina
SkÅ‚ada siÄ™ z czterech Å‚aÅ„cuchów polipeptydowych (2 rodzaje: Ä… i ²). A
ańcuchy połączone są
wiązaniami niekowalencyjnymi. Każdy z nich zawiera grupę hemową, oraz jedno miejsce
wiÄ…zania tlenu.
Hemoglobina A (podstawowa u dorosłych ludzi) składa się z dwóch łańcuchów ą i dwóch
Å‚aÅ„cuchów ².
Zarodek i płód mają odmienną hemoglobinę. Po zapłodnieniu zarodek syntetyzuje łańcuch
Å› (odpowiadajÄ…cy Å‚aÅ„cuchowi Ä…) i Å‚aÅ„cuch µ (odpowiadajÄ…cy Å‚aÅ„cuchowi ²).
W trakcie rozwoju: Å› Ä… ; µ Å‚ ² .
Podjednostki hemoglobiny i mioglobiny majÄ… podobnÄ… strukturÄ™ przestrzennÄ….
Struktura Å‚aÅ„cuchów mioglobiny jest podobna do podjednostek Ä… i ² hemoglobiny.
Skoordynowany transport O2, CO2 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 O2. Związanie
hemoglobiny z tlenem jest kooperatywne, a z mioglobinÄ… niekooperatywne.
Powinowactwo hemoglobiny do tlenu jest zależne od pH (w przypadku mioglobiny nie).
Obecność H+ i CO2 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):
-ð Podjednostki nie oddziaÅ‚ujÄ… na siebie tylko współdziaÅ‚ajÄ….
-ð Brak przejść w formy konformacji.
-ð Podjednostki sÄ… równocenne.
Str. 7
Biochemia - Wykłady
Enzymy:
Białka enzymatyczne to biokatalizatory.
PosiadajÄ… centrum aktywne (binding site), czyli miejsce wiÄ…zania jakiegokolwiek substratu
z enzymem.
Po zwiÄ…zaniu substratu enzym siÄ™ zamyka.
Cechy wspólne enzymów:
-ð PosiadajÄ… miejsce aktywne, zajmujÄ…ce niewielkÄ… część caÅ‚ego enzymu.
-ð Miejsce aktywne to zÅ‚ożony przestrzenny ukÅ‚ad grup chemicznych leżących
w różnych pozycjach liniowej sekwencji aminokwasów.
Str. 8
Biochemia - Wykłady
Wykład 4. (02.11.09r.)
Enzymy majÄ… 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 konkurujÄ… o centrum aktywne. Inhibitor
przyłącza się poza centrum aktywnym.
Vmax ×ð[s]
Krzywa Michaelisa-Menten: V =ð
Km +ð [s]
1 Km 1 1
Wykres Lineweaver-Berg: =ð ×ð +ð /wychodzi prosta/
V Vmax [s] Vmax
Wartość Km 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 Km 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 CO2 z płuc to
600 000obr/s a lizozymu 0,5obr/s.
Jednostki aktywności enzymów:
-ð Jednostka uniwersalna (standardowa): 1źmolsubstratu/min w 30ºC
-ð Katal: 1molsubstr/sek
-ð Aktywność molekularna: 1mmolsubstratu/min przez 1źmol enzymu na jedno centrum
aktywne.
-ð Aktywność wÅ‚aÅ›ciwa  liczba jednostek enzymu na 1mg biaÅ‚ka.
1Kat =ð 1mol / sek =ð 60mol / min =ð 60 ×ð106 mðmol / min =ð 6 ×ð107U
1U =ð 1mðmol / min =ð 16,67nkat
Najbardziej przydatna jest aktywność właściwa.
Specyficzność enzymów
Może być wąska lub szeroka (działa na wiele substratów).
Peptydazy sÄ… specyficzne w stosunku do wiÄ…zania peptydowego.
-ð Endopeptydazy  hydrolizujÄ… wiÄ…zania wewnÄ…trz czÄ…steczki.
o Trypsyna  hydrolizuje wiÄ…zanie po karboksylowej stronie reszt Arg-Lys.
o Trombina  hydrolizuje wiązania pomiędzy Arg-Gly.
-ð Egzopeptydazy- hydrolizujÄ… wiÄ…zania na koÅ„cach peptydu lub biaÅ‚ka.
o Aminopeptydazy  N-koniec białka.
o Karboksypeptydazy  C-koniec białka.
Str. 9
Biochemia - Wykłady
Klasyfikacja enzymów
Enzymy oznaczane sÄ… 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  katalizujÄ… reakcje redox.
1.1. Działające na grupę CH-OH.
1.1.1. Z NAD lub NADP jako akceptorem np.
Oksydoreduktaza L-jabłczan: NADP:
jabÅ‚czan + NADP Ä…ð pirogronian + NADPH
1.2. Działające na grupę aldehydową lub ketonową.
1.3. Działające na grupę CH-CH.
1.4. Działające na grupach-NH3.
2. Transferazy  przeniesienie fragmentu czÄ…steczki:
2.1. Przenoszące grupy jednowęglowe.
2.2. PrzenoszÄ…ce grupy aldehydowe lub ketonowe.
2.3. Acylotransferazy.
2.4. Glikozylotransferazy.
2.5. Przenoszące grupy alkilowe lub pośrednie.
2.6. PrzenoszÄ…ce grupy zawierajÄ…ce azot.
2.7. PrzenoszÄ…ce grupy zawierajÄ…ce fosfor:
Kinaza NAD (2  fosfotransferaza ATP: NAD)
ATP + NAD Ä…ð 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. Ä…-amylaza.
3.2.1.2. ²-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 + H2O Ä…ð ADP + Pi
3.7. Działające na wiązania C-C.
3.8. Działające na wiązania halogenków.
Str. 10
Biochemia - Wykłady
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:
H2CO3 Ä…ð H2O + CO2
4.3. Liazy C-N:
4.3.1.4. Amoniakoliaza L-fenyloalaniny
L-fenyloalanina Ä…ð transcynamonian + NH3
4.4. Liazy C-S.
5. Izomerazy
5.1. Racematy i epimerazy
5.1.1.1. Racemaza alaniny
L-alanina Ä…ð D-alanina
5.2. Izomerazy cis-trans.
5.3.Izomerazy wewnÄ…trzczÄ…steczkowe
5.3.1. Przekształcające aldozy w ketozy i odwrotnie.
6. Ligazy  reakcje przyłączania.
6.1.WytwarzajÄ…ce wiÄ…zanie C-O.
6.2.WytwarzajÄ…ce wiÄ…zanie C-S.
6.3.WytwarzajÄ…ce wiÄ…zanie C-N.
6.3.1.1. Syntetaza asparaginowa (Lipaza L-asparaginian: amoniak (AMP))
ATP + L-asparaginian + NH3 Ä…ð AMP + pirofosforan + L-asparagina
6.4.WytwarzajÄ…ce wiÄ…zanie C-C
Ligaza pirogronian: CO2
Atp + pirogronian + CO2 + H2O Ä…ð ADP + ortofosforan + szczawiooctan.
Koenzymy:
Wiele enzymów współpracuje z koenzymami  metabolitami wspomagającymi enzymy.
SÄ… to np. ATP, NAD.
ATP  adenozynotrifosforan
ATP fosforyzuje inne zwiÄ…zki przy pomocy transferaz.
Jest nukleotydem (adenina, ryboza, 3x Pi).
Adenylanowy Å‚adunek 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 z
ródło energii chemicznej dla
organizmu.
Fosforylacja fotosyntetyczna zachodzi w fazie świetlnej w wewnętrznej błonie chloroplastu.
Fosforylacja substratowa polega na przeniesieniu Pi z innego substratu na ATP.
Str. 11
Biochemia - Wykłady
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 grupÄ™ fosforanowa przy rybozie. Forma zredukowana: NADPH.
Bierze udział wyłącznie w reakcjach anabolicznych.
Kataboliczny (CCR) i anaboliczny (ACR) Å‚adunek energii:
NADH NADPH
CCR =ð ACR =ð
NADH +ð NAD+ð NADPH +ð NADP+ð
Inne koenzymy:
-ð FAD  dinukleotyd flawinoadeninowy. Forma zredukowana: FADH2. przyjmuje 2
elektrony i 2 protony.
-ð FMN  mononukleotyd flawinoadeninowy. Forma zredukowana FMNH2.
-ð Koenzym A (CoA).
-ð ²-karoten (prowitamina A).
-ð UDPG  urydynodifosforan glukozy.
-ð Witaminy.
Aktywne przenośniki w metabolizmie:
Przenośnik Przenoszona grupa
ATP fosforytowa
NADH i NADPH elektrony
FAD i FMN elektrony
Koenzym A acylowa
UDPG glukoza
Str. 12
Biochemia - Wykłady
Wykład 5. (09.11.09r.)
Sacharydy:
Cukry proste dzielÄ… siÄ™ na aldozy (posiadajÄ…ce grupÄ™ aldehydowÄ…) i ketozy
(posiadajÄ…ce grupÄ™ ketonowÄ…).
Cukry proste wykazujÄ… izomeriÄ™ L i D, oraz Ä… i ² (anomery).
Izomery Ä… w ukÅ‚adzie cyklicznym posiadajÄ… grupÄ™  OH skierowanÄ… ku doÅ‚owi, a ² ku górze.
Litery L i D określają konfigurację bezwzględną węgla asymetrycznego najbardziej
oddalonego od grupy aldehydowej lub ketonowej. SÄ… 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: glukozoą-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 ą-glukozy, w którym łańcuchy glukoz tworzone wiązaniami
ą-1,4-glikozydowymi są połączone przez wiązania ą-1,6-glikozydowymi. W ten sposób
tworzy się rozgałęziona struktura.
Fosforylaza katalizuje fosforolityczny rozpad (fosforolizÄ™) 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.
Str. 13
Biochemia - Wykłady
Glukozo-1-fosforan zostaje przekształcony przez enzym fosfoglukomutazę do
glukozo-6-fosforanu. Dopiero ten zwiÄ…zek 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 ą-1,6-glukozydazę.
Synteza i degradacja glikogenu przebiegają różnymi szlakami.
Synteza: glikogenn + UDP-glukoza glikogenn+1 + UDP
Degradacja: glikogenn+1 + Pi glikogenn + glukozo-1-fosforan
UDP-glukoza = UDPG = urydynodifosforan UDP:
glukozy. Jest aktywnÄ… formÄ… glukozy.
W syntezie organicznej donorem reszt glukozy jest
UDPG, które jest syntetyzowane z glukozo-1-fosforanu
i urydynotrifosforanu w reakcji katalizowanej przez
pirofosforylazÄ™ UDPG.
Rozbudowa glikogenu polega na dołączaniu nowych reszt glikozylowych do
nieredukujących reszt końcowych do łańcuchów o co najmniej czterech resztach przez
syntazÄ™ glikogenowÄ…. Syntaza wymaga inicjatora (primera - glikogenu). Katalizuje
wyłącznie wiązania ą-1,4-glikozylowe.
Tworzeniem wiązań ą-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 wydajnÄ… formÄ… magazynowanie glukozy.
glukozo-6-fosforan glukozo-1-fosforan
glukozo-1-fosforan + UTP UDPG + PPi
glikogenn + UDP-glukoza glikogenn+1 + UDP
PPi + H2O 2Pi
UDP + ATP UTP + ADP
Suma: glukozo-6-fosforan + ATP + glikogenn + H2O glikogenn+1 + ADP + 2Pi
Wydajność przechowywania energii:
-ð Na wprowadzenie jednej reszty glukozo-6-fosforanu do glikogenu zużywa siÄ™ jedno
wiÄ…zanie wysokoenergetyczne w ATP.
-ð Ok. 90% reszt zostaje oderwanych z uwolnieniem glukozo-1-fosforanu które bez
nakładu energii przekształcają się w glukozo-6-fosforan.
-ð CaÅ‚kowite utlenienie glukozo-6-fosforanu dostarcza 31 czÄ…steczek ATP.
-ð Proces magazynowania zużywa nieco wiÄ™cej energii niż 1 czÄ…steczka ATP na każdÄ…
czÄ…steczkÄ™ glukozo-6-fosforanu.
-ð Ogólna wydajność przechowywania energii wynosi 97%.
Str. 14
Biochemia - Wykłady
Insulina stymuluje syntezę glikogenu, adrenalina ją obniża. Metabolizm glikogenu
w wątrobie reguluje stężenie glukozy we krwi. Wiele genetycznie uwarunkowanych schorzeń
jest zwiÄ…zana 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 ą-1,4-O-glikozylowymi, a w celulozie
²-1,4-O-glikozylowymi.
SÄ… dwa rodzaje skrobi:
-ð Fotosyntetyczna  ziarna na terenie chloroplastu. Po zakoÅ„czeniu fazy Å›wietlnej
ulega hydrolizie i jest wyprowadzana z organellum.
-ð Zapasowa  gromadzona w amyloplastach.
Budowa skrobi (rodzaje łańcuchów):
-ð Amyloza  pojedyncze Å‚aÅ„cuchy monomerów (wyÅ‚Ä…cznie wiÄ…zania
Ä…-1,4-O-glikozylowe).
-ð Amylopektyny  dodatkowo posiadajÄ… wiÄ…zania Ä…-1,6-O-glikozylowe, które
skutkują rozgałęzieniem cząsteczki. Rozgałęzienie następuje co 25-30 reszt glukozy.
SÄ… mniej upakowane od glikogenu.
Fruktany to polimery fruktozy. PowstajÄ… z sacharozy, sÄ… cukrami zapasowymi.
Po odłączeniu od dwóch sacharoz jednej glukozy powstaje kestoza (fruktan).
Biosynteza skrobi
Biosynteza skrobi chloroplastowej przypomina biosyntezÄ™ glikogenu.
Do cytoplazmy wyprowadzane są triozy, z których powstaje tam sacharoza.
AktywnÄ… formÄ… glukozy jest ADP-glukoza (po cyklu Calvina).
Glukozo-1-fosforan + ATP ADP-glukoza + pirofosforan (PPi)
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
Str. 15
Biochemia - Wykłady
Degradacja skrobi
Skrobia może być degradowana za pomocÄ… ²-amylazy do maltozy, przeksztaÅ‚canej nastÄ™pnie
do glukozy przez glukozydazÄ™, lub od razu rozcinana do czÄ…steczek glukozy przez
ą amylazę. Uwolniona tymi sposobami cząsteczka glukozy jest poddawana działaniu
heksokinazy i staje siÄ™ 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 fosfoglukomutazÄ™.
Glukozo-6-fosforan pod wpływem izomerazy glukozo-6-fosforanu zostaje przekształcony
we fruktozo-6-fosforan wchodzÄ…cy do szlaku glikolizy lub do syntezy sacharozy.
Podczas degradacji skrobi najpierw zachodzi cięcie cząsteczki na mniejsze polimery przez te
same enzymy, co póz
niej 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 CO2 i H2O.
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 PO4 + 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.
Str. 16
Biochemia - Wykłady
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+ + Pi "! (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 + H2O
Fosfoenolopirogronian + ADP + H+ pirogronian + ATP
Wydajność energetyczna przekształcenia glukozy w pirogronian
Reakcja sumaryczna:
Glukoza + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ 2 cz. Pirogronian + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O
Bilans ATP:
-ð Glukoza Glukozo-6-fosforan -1 ATP
-ð Fruktozo-6-fosforan fruktozo-1,6-bisfosforan -1 ATP
-ð 2x 1,3-bisfosfoglicerynian 2x 3-fosfoglicerynian +2 ATP
-ð 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 + CO2
Aldehyd octowy + NADH + H+ "! (dehydrogenaza alkoholowa) "! etanol + NAD+
Pirogronian + NADH + H+ "! (dehydrogenaza mleczanowa) "! mleczan+ NAD+
Sumarycznie przemiana glukozy w mleczan:
Glukoza + 2Pi + 2ADP 2 mleczan + 2ATP + 2H2O
Regeneracja NAD+ przez redukcjÄ™ pirogronian do mleczanu lub etanolu podtrzymuje stale
przebiegajÄ…cÄ… glikolizÄ™ gdy zachodzi ona w warunkach beztlenowych.
Pirogronian + NAD+ + CoA acetylo-CoA + CO2 + NADH
Acetylo-CoA może wejść w cykl Krebsa.
Str. 17
Biochemia - Wykłady
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
Str. 18
Biochemia - Wykłady
Wykład 7. (22.11.09r.)
Regulacja procesu glikolizy
W szlakach metabolicznych zasadniczo nieodwracalne reakcje sÄ… potencjalnymi miejscami
kontroli tych szlaków.
W procesie glikolizy reakcje katalizowane przez heksokinazÄ™, fosfofruktokinazÄ™ i kinazÄ™
pirogronianową są właściwie nieodwracalne (reakcje w których zachodzi fosforylacja).
Fosfofruktokinaza jest enzymem kluczowym w kontroli glikolizy:
-ð Szlak glikolityczny sÅ‚uży wytarzaniu ATP kosztem degradacji glukozy i dostarczeniu
szkieletów węglowych do rozmaitych syntez.
-ð Najważniejszym miejscem kontroli glikolizy jest fosfofruktokinaza  enzym
hamowany przez wysoki poziom ATP, który zmniejsza powinowactwo do
fruktozo-6-fosforanu.
-ð Duże stężenie ATP zmienia ksztaÅ‚t krzywej wiÄ…zania fruktozo-6-fosforanu z
parabolicznego na esoidalny. Ten allosteryczne efekt jest wywoływany przez wiązanie
siÄ™ ATP do specyficznego miejsca regulatorowego oddalonego od specyficznego
miejsca katalitycznego.
-ð HamujÄ…ce dziaÅ‚anie ATP jest znoszone przez AMP.
Kontrola syntezy i rozkładu fruktozo-2,6-bisfosforanu:
Za reakcje te odpowiedzialny jest enzym dwufunkcyjny  posiadajÄ…cy dwie domeny 
domenÄ™ 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 przemianÄ™
fosfoenolopirogronianu do pirogronian z wytworzeniem ATP. Reakcja jest pobudzana przez
fruktozo-1,6-bisfosforan a hamowana przez ATP i alaninÄ™.
Fosfoenolopirogronian + H+ + ADP pirogronian + ATP
Str. 19
Biochemia - Wykłady
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 podlegajÄ… kontroli.
Cykl kwasów trikarboksylowych jest z
ródłem prekursorów potrzebnych do biosyntez.
Z tego powodu może być rozpatrywany jako szlak anaboliczny. Pełni więc podwójną
funkcjÄ™ w organizmie  anabolicznÄ… i katabolicznÄ….
Pomostem Å‚Ä…czÄ…cym glikolizÄ™ z cyklem Krebsa jest zachodzÄ…ca w matrix mitochondrialnej
dekarboksylacja oksydacyjna pirogronianu. TÄ™ nieodwracalnÄ… reakcjÄ™ pomostowÄ… katalizuje
kompleks dehydrogenazy pirogronianowej.
Pirogronian + CoA + NAD acetylo-CoA + CO2 + 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 tworzÄ…c cytrynian. ReakcjÄ™ katalizuje syntaza
cytrynianowa. Szczawiooctan najpierw kondensuje z acetylo-CoA tworzÄ…c cytrynylo-CoA,
który następnie jest hydrolizowany do cytrynianu i CoA.
Szczawiooctan + acetylo-CoA + H2O 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 + H2O
Cis-akonitan + H2O izocytrynian
Str. 20
Biochemia - Wykłady
Izocytrynian jest utleniany i dekarboksylowany do ą-ketoglutaranu. Produktem pośrednim
jest szczawiobursztynian. OksydacyjnÄ… dekarboksylacjÄ™ katalizuje dehydrogenaza
cytrynianowa.
Izocytrynian + NAD+ szczawiobursztynian + NADH + H+
Szczawiobursztynian + H+ Ä…-ketoglutaran + CO2
Oksydacyjna dekarboksylacja Ä…-ketoglutaranu prowadzi do powstania
bursztynylokoenzymu A  druga reakcja oksydacyjnej dekarboksylacji, katalizowana przez
kompleks dehydrogenazy Ä…-ketoklutaranowej.
Ä…-ketoglutaran + NAD + CoA bursztylylo CoA + CO2 + NADH
Kosztem bursztylylokoenzymu A powstaje wysokoenergetyczne wiÄ…zanie fosforanowe na
drodze fosforylacji substratowej. ReakcjÄ™ katalizuje syntetaza bursztylyloCoA.
Bursztynylo-Coa + Pi + GDP bursztynian + GTP + CoA
Kolejnym etapem jest regeneracja szczawiooctanu przez utlenianie bursztynianu.
Metabolitami pośrednimi są fumaran (tu powstaje też FADH2) oraz L-jabłczan
(po przyłączeniu cząsteczki wody). Podczas utleniania jabłczanu do szawiooctanu powstaje
NADH + H+. Reakcje katalizujÄ… kolejno: dehydrogenaza byrsztynianowa, fumaraza,
dehydrogenaza jabłczanowa.
Stechiometria cyklu Krebsa
Sumaryczne równanie cyklu:
Acetylo-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O
2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP + 2H+ + CoA
Str. 21
Biochemia - Wykłady
Wykład 8. (30.11.09r.)
A
ańcuch oddechowy  fosforylacja oksydacyjna:
Mechanizm molekularny
CzÄ…steczki utworzone podczas glikolizy i cyklu Krebsa (NADH i FADH2) sÄ… 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 FADH2
na tlen przez szereg przenośników nazywamy fosforylacją oksydacyjną. Jest ona głównym
z
ródłem ATP u organizmów oddychających tlenowo.
Spośród 30 cząsteczek ATP syntetyzowanych w czasie całkowitego utleniania glukozy
do H2O i CO2 26 powstaje w wyniku fosforylacji oksydacyjnej.
Przepływ elektronów z NADH lub FADH2 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 z
ródła energii zasilającej błonę.
W przypadku mitochondrium lub oddychajÄ…cej bakterii pierwotnÄ… pompa protonowÄ… jest
łańcuch oddechowy katalizujący przeniesienie elektronów od substratu do końcowego
akceptora, którym jest O2.
Str. 22
Biochemia - Wykłady
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 miarÄ… jest elektrochemiczny potencjaÅ‚ protonowy DðźH+ skÅ‚adajÄ…cy siÄ™
z dwóch komponentów:
-ð DðH+ - powstaje na skutek różnicy stężeÅ„ H+ po obu stronach bÅ‚ony.
-ð Dð¨  bÅ‚onowy potencjaÅ‚ elektryczny (tworzony przez różnicÄ™ potencjaÅ‚u miÄ™dzy
dwoma fazami wodnymi oddzielonymi błoną).
WedÅ‚ug konwencji bioenergetycznej przyjÄ™to wyrażać DðźH+ w jednostkach potencjaÅ‚u
elektrycznego (mV) wobec czego zaczÄ™to okreÅ›lać go jako siÅ‚Ä™ protonomotoryczna (Dðp).
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 siÄ™ to drogÄ™ pobierania Ca2+ 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 dwuwarstwÄ™:
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.
Str. 23
Biochemia - Wykłady
Transport przez błonę katalizowany jest przez białka. Białka transportujące mają cechy
wspólne z enzymami: mogą wykazywać wysoką specyficzność, być specyficznie hamowane
o sÄ… 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 O2
Ubichinon może przenosić do reduktazy cytochromowej także elektrony pochodzące
z FADH2.
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 O2.
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 O2 + 2H+ H2O
K V: 3ADP + 3Pi 3ATP
Bilans energetyczny
W warunkach beztlenowych:
Z jednego mola glukozy powstajÄ… 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+.
PodstawowÄ… zasadÄ… bioenergetyki jest zasilanie przez gradienty protonowe.
Kondycja organizmu zależy od stosunku ilości ATP do (ADP + AMP).
Procesy wykorzystujÄ…ce gradient protonowy:
wytwarzanie ciepła.
ruch obrotowy wici.
"! transport aktywny.
"! synteza NADPH i ATP.
"! potencjaÅ‚ elektronowy DðE.
Str. 24
Biochemia - Wykłady
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 + Pi do
wewnątrz. Muszą mieć przenośnik białkowy przez błonę mitochondrialną.
Oddychanie (O2 H2O) i fosforylacja (ADP ATP) są połączone systemem sprzęgającym.
Można te procesy rozprzęgnąć do badań stosując cyjanek potasu blokujący nieodwracalnie
oksydazÄ™ cytochromowÄ….
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
zapylajÄ…ce.
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.
A
ańcuch oddechowy roślin jest inny  w obecności cyjanku przełącza się na oksydazę
alternatywnÄ….
Regulacja oksydazy alternatywnej zachodzi przez stan zredukowania tkanki, dostęp tlenu
i syntezÄ™ enzymu (ekspresja genu).
Przy aktywnej alternatywnej oksydazie roślina wymaga mniej światła, co jest cechą
gatunkowÄ….
Str. 25
Biochemia - Wykłady
Wykład 9. (07.12.09r.)
Glukoneogeneza:
Glukoneogeneza to synteza glukozy z prekursorów nie będących cukrowcami.
Znaczenie fizjologiczne:
-ð Ważna rola w mózgu dla którego glukoza stanowi podstawowy materiaÅ‚
energetyczny. Dzienne zapotrzebowanie mózgu dorosłego człowieka wynosi ok. 120g
glukozy, a całego organizmy 160g.
-ð Glukoza jest ważnym materiaÅ‚em 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 ą-ketoglukaran. Alanina
trafia do wątroby, gdzie pod wpływem ALT powstaje z niej pirogronian. Dwie cząsteczki
pirogronianu przetwarzane sÄ… na czÄ…steczkÄ™ 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.
Str. 26
Biochemia - Wykłady
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 + CO2 + ATP + H2O karboksylaza pirogronianowa szczawiooctan
+ ADP + Pi + 2H+
Szczawiooctan + GTP karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa
fosfoenolopirogronian + GDP + CO2
Po zsumowaniu:
Pirogronian + ATP + GTP + H2O fosfoenolopirogronian + ADP + GDP + Pi + 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 + H2O fruktozo-1,6-bisfosfataza fruktozo-6-fosforan + Pi
3. Glukoza powstaje z glukozo-6-fosforanu w wyniku hydrolizy wiÄ…zania estrowego.
Reakcja zachodzi we wnętrzu retikulum endoplazmatycznego.
Glukozo-6-fosforan + H2O glukoza + Pi
kompleks enzymatyczny błony retikulum składa się z pięciu białek. Trzy z nich to
przenośniki: T1  glukozo-6-fosforan (do światła retikulum); T2  Pi (do cytozolu);
T3  glukoza (do cytozolu). Pozostałe dwa to glukozo-6-fosfataza i białko SP wiążące
jony Ca2+.
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 zachodzÄ…cej w cytozolu tworzy siÄ™
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 + 6H2O glukoza + 4ADP + 2GDP + 6Pi +
2NAD+ + 2H+
DðG0=-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.
Str. 27
Biochemia - Wykłady
Glukoneogeneza podlega ścisłej kontroli i jest przeciwstawnie regulowana do glikolizy.
KluczowÄ… rolÄ™ w regulacji odgrywajÄ… 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 utleniajÄ…cy.
Szlak fosforanów pentoz składa się z dwóch faz  oksydacyjnej i nieoksydacyjnej.
Ogólny schemat szlaku:
Trzy czÄ…steczki glukozo-6-fosforanu ulegajÄ… dekarboksylacji  powstajÄ… 3 rybulozo-5-
fosforany z wytworzeniem 6NADPH. CzÄ…steczki rybulozo-5-fosforanu ulegajÄ… izomeryzacji
do rybozo-5-fosforanów, które mogą służyć do syntezy nukleotydów, lub być przekształcane
dalej do dwóch heksoz i jednej triozy.
Potencjał redukcyjny:
y
ródłem 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 Å‚adunek energii (anabolic reduction charge):
[ðNADPH]ð
ARC =ð
[ðNADPH]ð+ð[ðNADP+ð]ð
Kataboliczny redukcyjny Å‚adunek energii:
[ðNADH]ð
CRC =ð
[ðNADH]ð+ð[ðNAD+ð]ð
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 + H2O rybulozo-5-fosforan + 2NADPH + 2H+ + CO2
Metabolity poÅ›rednie: 6-fosfoglukono-´-lakton, 6-fosfoglukonian.
Str. 28
Biochemia - Wykłady
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:
C5 +C5 "! transketolaza "! C3 + C7
C7 + C3 "! transaldolaza "! C4 + C6
C5 + C4 "! transketolaza "! C3 + C6
Transketolaza przenosi grupÄ™ CH2OH-CO- a transaldolaza przenosi CH2OH-CO-HCOH-.
Cukrem dostarczajÄ…cym tych grup jest zawsze ketoza, akceptorem zawsze aldoza.
Pierwsza reakcja Å‚Ä…czÄ…ca szlak pentozofosforanowy z glikolizÄ… 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
tÄ™ reakcjÄ™ 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.
Str. 29
Biochemia - Wykłady
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+ + H2O rybozo-5-fosforan + 2 NADPH + 2 H+ + CO2
Potrzeba więcej NADH niż rybozo-5-fosforanu:
Glukozo-6-fosforan jest całkowicie utleniany do CO2. Tkanka tłuszczowa wymaga do syntez
znacznego stężenia NADPH
6 glukozo-6-fosforanów + 12 NADP+ + 7 H2O 12 NADPH + 12 H+ + 6 CO2
Str. 30
Biochemia - Wykłady
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 Pi + 8 ADP 5 pirogronianów + 3 CO2 +
6 NADPH + 5 NADH + 8 ATP + 2 H2O + 8 H+
Str. 31
Biochemia - Wykłady
Wykład 10. (14.02.09r.)
Fotosynteza  reakcje świetlne fotosyntezy:
Klasyfikacja hydrolaz opiera siÄ™ na centrum katalitycznym (katalityczny aminokwas) i na
miejscu działania enzymu.
Cała energia swobodna, jaką dysponują organizmy żywe pochodzi z fotosyntezy.
CO2 + H2O + światło (CH2O) + O2
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 CO2 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
protonomotorycznÄ…, wykorzystywanÄ… przez syntazÄ™ ATP do powstawania ATP.
W fotosyntezie elektrony zostają również bezpośrednio użyte do redukcji NADP do NADPH.
Zasadnicza różnica między fosforylacją oksydacyjną i fotosyntetyczną dotyczy z
ródła
wzbudzonych elektronów. W fosforylacji oksydacyjnej pochodzą one z utleniania cząsteczek
do CO2, 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 CO2 i H2O. 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.
Str. 32
Biochemia - Wykłady
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 zawierajÄ…cych
szereg sprzężonych wiązań podwójnych. Wchodzą w skład anten fotosyntetycznych,
zapobiegajÄ… fotooksydacji chlorofilu.
Karoteny to pomarańczowo-czerwone barwniki będące nienasyconymi węglowodorami
o wzorze sumarycznym C40H56.
Ksantofile to żółte lub brunatne pochodne karotenów. Posiadają tlen w cząsteczce.
Wzór sumaryczny to C40H56O lub C40H56O2.
Fikobiliny (fikocyjanina, fikoerytryna)  liniowe tetrapirole, nie posiadajÄ… 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 ²-karoten P500 Likopen P510
Chlorofil b P650 chlorofil a P680
Chlorofil a oddaje elektrony do ETS a przyjmuje z H2O.
Przekształcanie energii zachodzi w obrębie fotoukładów.
Tlen czÄ…steczkowy 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
energiÄ™ 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.
Str. 33
Biochemia - Wykłady
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
D1 i D2, następnie przeniesienie elektronów z P680 na feofitynę o budowie podobnej do
chlorofilu (zamiast Mg jest H+). Elektron zostaje przeniesiony na plastochinon znajdujÄ…cy siÄ™
w miejscu QA a następnie drugi plastochinon w miejscu QB.
Od strony fotolizy wody w PSII znajdujÄ… siÄ™ jony Mn2+.
P680 pobiera elektron przez centrum manganowe (4 jony Mn, jon Ca i Cl) oraz tyrozyny
(Y161). W formie zredukowanej utlenia 2 cząsteczki H2O aby utworzyć jedną cząsteczkę O2.
Reakcja katalizowana przez PSII: 2Q + H2O O2 + 2QH2
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 pochodzÄ… 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 idÄ… na plastocyjaninÄ™ (zawierajÄ…cÄ… 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
(Cu2+ 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
A0 i chinon w miejscu A1 aż do centrum 4Fe-4S. Z 4Fe-4S elektron trafia na ferredoksynę
zawierającą białka 2Fe-2S i reszty cysteiny.
Str. 34
Biochemia - Wykłady
PC (Cu+) + ferredoksyna utleniona PC(Cu2+) + 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 formÄ™ zredukowanÄ…. Przenosi proton na NADP+ wytwarzajÄ…c NADPH. Reakcja zachodzi
po wewnętrznej stronie błony tylakoidów.
FAD "! FADH "! FADH2
Elektrony trafiajÄ…ce na NADP+ pochodzÄ… z fotolizy wody.
ATP i NADPH powstają na zewnątrz tylakoidów. Nie musza już być transportowane 
od razu trafiajÄ… 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 CF1-CF0.
Orientacja CF1-CF0 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 czÄ…steczek ATP.
Sumaryczna reakcja:
2H2O + 2NADP+ + 10H+stroma O2 + 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.
Str. 35
Biochemia - Wykłady
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 CO2. Dwutlenek węgla zostaje przekształcony więc do formy użytecznej.
Wzajemne współdziałanie reakcji jasnych i ciemnych prowadzi do przekształcenia energii
świetlnej w paliwo energetyczne.
Akceptorem CO2 jest rybulozo-1,5-bisfosforan. TÄ™ wysokoenergetycznÄ… (DðG=-51,9kJ/mol)
reakcjÄ™ katalizuje enzym karboksylaza/oksygenaza rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBisCo).
Rybulozo-1,5-bisfosforan ulega karboksylacji do nietrwałego intermediatu, który przyłącza
wodÄ™ dajÄ…c dwie czÄ…steczki 3-fosfoglicerynianu.
Rubisco składa się z 8 dużych (L) i 8 małych (S) podjednostek. Każdy łańcuch L zawiera
miejsca katalityczne i regulatorowe. A
ańcuchy S zwiększają aktywność katalityczną
łańcuchów L. Enzym stanowi ok. 30% wszystkich białek u roślin. Jego aktywność zależy od
jonów Mg2+ i karbaminiany.
Katalityczna niedoskonałość Rubisco: zamiast CO2 wiąże O2  zjawisko fotooddychania.
Str. 36
Biochemia - Wykłady
W kolejnych reakcjach powstaje jedna czÄ…steczka 3-fosfoglicerynianu i jedna fosfoglikolanu.
Fosfoglikolan w peroksysomie ulega defosforylacji  powstaje glikolan, który reagując
z tlenem tworzy H2O2 i glioksalan. Glioksalan Å‚Ä…czy siÄ™ z amoniakiem dajÄ…c dwie czÄ…steczki
glicyny, która w mitochondrium ulega dekarboksylacji i deaminacji dając serynę. Odłączone
NH4+ biegnie do chloroplastu, gdzie reaguje z kwasem glutaminowym tworzÄ…c glutaminÄ™ 
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 (C6 + C3 C5 + C4)
Erytrozo-4-fosforan + fosfodihydroksyaceton (aldolaza)
sedoheptulozo-1,7-bisfosforan (C4 + C3 C7)
sedoheptulozo-1,7-bisfosforan + aldehyd 3-fosfoglicerynowy (transketolaza)
rybozo-5-fosforan + ksylulozo-5-fosforan (C7 + C3 C5 + C5)
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:
6CO2 + 18ATP + 12NADPH + 12H2O C6H12O6 + 18ADP + 18Pi + 12NADP + 6H+
Aktywność cyklu Calvina zależy od warunków środowiska. Zmiany stężenia protonów
i jonów magnezu zależnie od światła aktywują rubisco.
Tioredoksyna odgrywa kluczowÄ… rolÄ™ 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 C4 dzięki któremu transportowany jest CO2 rozpoczyna się w mezofilu od kondensacji
CO2 i fosfoenolopirogronianu. Rośliny tropikalne fotosyntetyzujące zgodnie ze szlakiem
Hatcha i Slacka (C4) mają inną budowę liścia. W komórkach mezofilu CO2 wiązane jest z
Str. 37
Biochemia - Wykłady
fosfoenolopirogronianem (PEP) pod działaniem karboksylazy PEP. Powstaje szczawiooctan.
Jest przekształcany do asparaginianu lub jabłczanu i transportowany do komórek pochwy
okołowiązkowej. Tam uwalniane jest CO2 a pirogronian wraca do mezofilu. CO2 w pochwie
okołowiązkowej wchodzi do cyklu Calvina.
Sumaryczna reakcja szlaku C4:
CO2 (w komórce mezofilu) + ATP + 2H2O CO2 (w komórce pochwy okołowiązkowej) +
AMP + 2Pi + H+
6CO2 + 30ATP + 12NADPH + 12H2O C6H12O6 + 30ADP + 30Pi + 12NADP + 12H+
Str. 38