* całokształt przemian energii i materii zachodzących w organizmie
* cecha istot żywych
* jego ustanie jest sygnałem śmierci zarówno pojedynczej komórki jak i całego organizmu wielokomórkowego
* składają się na niego tysiące reakcji chemicznych
REAKCJE ANABOLICZNE
REAKCJE KATABOLICZNE
* przemiany endoergiczne
* przemiany egzoergiczne
* wymagają dostarczenia energii
* uwalniają energię, więc mogą zachodzić samorzutnie
* powstają produkty o poziomie energetycznym wyższym
* powstają produkty o poziomie energetycznym niższym niż
niż substraty
substraty
* syntezy związków bardziej złożonych z prostych, np.
* są to przede wszystkim reakcje rozpadu, np. zachodzące
zachodzące w fotosyntezie, biosyntezie białka czy podczas wiązania
podczas oddychania komórkowego czy trawienia
azotu atmosferycznego przez niektóre bakterie
SZLAKI METABOLICZNE
* ciągi (szeregi) reakcji zachodzących kolejno p sobie i prowadzących do powstania ściśle określonego produktu (lub produktów) CYKLE BIOCHEMICZNE
* specyficzna odmiana szlaków metabolicznych
* tworzą zamknięte pętle, w których część produktów jest jednocześnie substratami dla pierwszej reakcji
* niektóre złożone procesy biochemiczne (fotosynteza, oddychanie komórkowe, synteza aminokwasów, białek, tłuszczów czy usuwanie zbędnych i szkodliwych produktów końcowych przemiany materii) składają się z kilku powiązanych funkcjonalnie szlaków metabolicznych
* szlaki syntezy nigdy nie pokrywają się całkowicie ze szlakami rozpadu
ENZYMY
* specjalne białka, biorące udział w pokonaniu ograniczenia, jakim jest bariera progu energetycznego reakcji
- organizmy mogą funkcjonować w wąskim przedziale od kilku do 35-40°C (poza bakteriami termofilnymi)
- wówczas energia wewnętrzna reagującego układu jest bardzo niska
- w takich warunkach energia nie wystarcza do pokonania bariery progu energetycznego
- znaczące zwiększenie szybkości reakcji przez podniesienie temperatury spowodowałoby uszkodzenie większości białek i śmierć organizmu
* enzymy są biokatalizatorami, gdyż mają zdolność do znacznego zwiększania szybkości reakcji chemicznych w warunkach ustrojowych
- znacznie obniżają energię aktywacji w stosunkowo niskich temperaturach
* same enzymy nie ulegają przy tym przemianom (nie zużywają się w reakcjach, które same przeprowadzają) CZĄSTECZKA ENZYMU
KORZYŚCI WYNIKAJĄCE Z OBECNOŚCI
OGRANICZENIA ENZYMÓW
ENZYMU
* większość enzymów to białka złożone
* budowa centrum aktywnego umożliwia
* w warunkach ustrojowych enzymy mogą
* w kompletnej cząsteczce wyróżniamy:
nietrwałe połączenie enzymu (E) z odpowiednim przyspieszać jedynie reakcje egzoergiczne
- część białkową
substratem (S) –
* rozwiązaniem tego jest takie podniesienie
- część niebiałkową
kompleks enzym-substrat (E-S)
poziomu energetycznego substratu lub
* grupa prostetyczna enzymu – część - w chwili jego powstania dochodzi do substratów, by reakcja stała się egzoergiczna
niebiałkowa trwale związana z białkową
przemieszczenia określonych elektronów
* w porównaniu z katalizatorami
* koenzym – połączenie części niebiałkowejsubstrat (substratów)
nieorganicznymi enzymy wpływają na szybkość
z białkową jest nietrwałe (odwracalne)
- skutkiem jest powstawanie nowych wiązań reakcji tak, że może ona być kilka rzędów
- część białkowa koenzymu – apoenzym
lub rozrywanie istniejących
wielkości większa, co wynika m.in. ze zdolności
- cały enzym – holoenzym
* obniżenie energii aktywacji wynika z tego, że enzymów do bardzo dokładnego rozpoznawania
- są to m.in. witaminy
wiązania chemiczne substratu w momencie substratów – specyficzności substratowej
* duże cząsteczki posiadające na swej
wpasowywania się w centrum aktywnym ulegająenzymu
powierzchni centrum aktywne (małe
naprężeniu
- zwykle dany rodzaj enzymu przeprowadza
zagłębienie), zawierające odpowiednie
* dzięki obecności enzymu w reakcji możliwe tylko jeden rodzaj reakcji (nie jest to jednak aminokwasy
jest prawidłowe zorientowanie substratu w reguła, gdyż znane są enzymy posiadające kilka
- w tym miejscu przyłącza się niebiałkowy przestrzeni
aktywności enzymatycznych, np. polimeraza
składnik enzymu (jeśli występuje)
- w roztworze z enzymem cząsteczki nie
DNA I z komórek E.coli, która przeprowadza
- grupy kataliczne enzymu – łańcuchy zderzają się bezładnie, przez co rośnie m.in. replikację)
boczne aminokwasów tworzące centrum prawdopodobieństwo zderzeń efektywnych - nie oznacza to, że enzym po przeprowadzeniu aktywne
(skutecznych)
jednej reakcji ulega zniszczeniu
(są odpowiedzialne za rozpoznawanie,
* ostateczne korzyści wynikające z obecności - jedna cząsteczka enzymu może wpasowywanie i przemiany konkretnego
enzymu:
przeprowadzać ogromne ilości takich reakcji
substratu)
- zmniejszenie energii aktywacji reakcji
- żywotność każdej struktury jest ograniczona,
- rodzaj i rozmieszczenie przestrzenne
- szybsze osiągnięcie stanu równowagi
dlatego po pewnym czasie cząsteczki każdego
aminokwasów w centrum decydują o
reakcji (enzym nie przesuwa jednak stanu
enzymu ulegają zestarzeniu (zużyciu), a ich ilość
właściwościach danego enzymu
równowagi)
musi zostać uzupełniona
MODEL ZAMKA I KLUCZA
MODEL INDUKCYJNEGO DOPASOWANIA
RÓŻNICE MIĘDZY ENZYMAMI
* zaproponowany pod koniec XIX wieku
* zakłada, że w rzeczywistości konformacja
* enzymy różnią się specyficznością
* dobrze oddaje specyficzność enzymów(struktura przestrzenna) substratu i centrum
* amylazy (enzymy trawienne przewodu
* zakłada, że substrat pasuje do centrum aktywnego nie są identyczne pokarmowego człowieka) rozkładają
aktywnego jak klucz do zamka
* w momencie powstawania kompleksu enzym-
wiązania Alfa-glikozydowe w cukrach
* model nie wyjaśnia jednak wszystkich
substrat następuje swoiste „wciągnięcie” substratu - nie ma większego znaczenia, czy aspektów katalizy enzymatycznej
do centrum aktywnego, czemu towarzyszy niewielkie substratem jest skrobia, czy glikogen
* modelowanie matematyczne wykazało, że naprężenie wiązań w obu składnikach kompleksu
* anhydraza węglanowa występuje m.in.
samo precyzyjne dopasowanie substratu do E-S
we krwi
centrum aktywnego, nie pozwoliłoby na tak * w tej sytuacji już mała porcja energii wystarcza do - katalizuje tylko reakcję między znaczne obniżenie energii aktywacji
pokonania progu energetycznego reakcji
dwutlenkiem węgla a wodą
* do zmiany jonów dochodzi jedynie w substracie, * enzymy dzielimy na sześć klas gdyż większa masa cząsteczek enzymu wpływa na
głównych, przy czym za podstawowe
dużą stabilność i mniejszą podatność na
kryterium uznaje się rodzaj
odkształcenia
przeprowadzanej reakcji
* czasem mówi się więc, że substrat pasuje do
enzymu jak ręka do rękawiczki
Klasa enzymu
Przykłady i uwagi
Oksydoreduktazy
* dehydrogenaza mleczanowa występuje w komórkach wątroby i bierze udział w (reakcje typu redox)
utlenianiu szkodliwego nadmiaru kwasu mlekowego
Transferazy (przenoszenie grup
* transaminaza glutaminianowi – przenosi grupę aminową na cząsteczkę o nazwie funkcyjnych z jednej cząsteczki
ketoglutaran, w wyniku czego powstaje kwas glutaminowy/glutaminian (jeden z na inną)
aminokwasów)
Hydrolazy (reakcje rozpadu z
* enzymy trawienne przewodu pokarmowego – białka proste
udziałem wody)
Liazy (reakcje rozpadu bez
* dekarboksylazy aminokwasów albo ketokwasów
udziału wody)
Izomerazy (reakcje
* izomeraza fosfofruktozy – przekształca 6-węglowy cukier fosfofruktozę w przegrupowania
fosfoglukozę (jedna z reakcji fotosyntezy)
wewnątrzcząsteczkowego)
* nieliczne to białka proste
Ligazy (reakcje syntezy)
* polimeraza DNA - włącza kolejne nukleotydy podczas replikacji
KINETYKA PRACY ENZYMÓW
* kinetykę reakcji energetycznej doskonale obrazuje równanie, które prawie 100 lat temu przedstawili biochemicy: Leonor michaeli i Maude Leonora Menten:
V = Vmax
* V – prędkość katalizowanej reakcji
* V max – teoretyczna prędkość zachodzenia reakcji w warunkach optymalnych
[S] – stężenie substratu
Km – stała Michaelita (charakterystyczna dla danego enzymu, jest równa takiej wartości stężenia substratu, przy którym prędkość redukcji jest równa połowie prędkości maksymalnej)
* jeśli założymy, że stężenie substratu jest bardzo duże, to możliwe będzie pominięcie K m (stała ta ma niewielką wartość rzędu 10-1 do 10-7
mola/dm3), wówczas równanie można uprościć:
V = Vmax
* przy dużym stężeniu substratu wszystkie cząsteczki katalizujące będą pracować z pełną wydajnością i prędkość reakcji będzie maksymalna (ściślej: prawie maksymalna) dla danego enzymu
* gdy stężenie substratu [S] będzie takie jak wartość stałej K m , równanie ogólne przyjmie postać: V = Vmax , czyli V = Vmax
* przy takim stężeniu, które jest równe K m , prędkość reakcji osiągnie więc połowę prędkości maksymalnej
* stała Miachaelisa dobrze odzwierciedla aktywność enzymu i (lub) jego powinowactwo z substratem (jest to wygodny sposób rozróżniania enzymów o odmiennej aktywności)
* analiza krzywej Michaelisa-Menten (str 64)
- przy małych stężeniach substratu, gdy [S] jest wyraźnie mniejsze od K m , szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do stężenia substratu (w tych warunkach enzym dysponuje dużą nadwyżką „mocy przerobowej”)
- przy dużych stężeniach substratu, gdy [S] jest wyraźnie większe od K m , prędkość jest zbliżona do Vmax i nie ulega zmianie
-
CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA PRACĘ ENZYMÓW
TEMPERATURA
INHIBITORY I AKTYWATORY
pH ŚRODOWISKA
* jakaś substancja, niepodobna do
* jakaś substancja, niepodobna do
* jakaś substancja, niepodobna do
HAMOWANIE
HAMOWANIE
REGULACJA ALLOSTERYCZNA
KOMPETYCYJNE/INHIBICJA
NIEKOMPETENCYJNE/
KOMPETYCYJNA
INHIBICJA
* pewna cząsteczka oddziałuje odwracalnie na aktywność
NIEKOMPETENCYJNA
enzymu, lecz w innym miejscu niż centrum aktywne
* związek chemiczny jest na tyle
* nie odnosi się wyłącznie do biokatalizatorów
podobny chemicznie i fizycznie do
* jakaś substancja, niepodobna* oznacza zmianę struktury przestrzennej i aktywności substratu, że centrum aktywne enzymu do substratu, blokuje
danej makrocząsteczki pod wpływem jakiejś substancji
ich nie odróżnia
częściowo centrum aktywne (regulacji tego typu podlega np. hemoglobina)
* dla takiego oddziaływania
* substrat jest wiązany, ale
* enzymy podlegające takiej modyfikacji oprócz centrum
charakterystyczne jest
reakcja ulega zahamowaniu aktywnego mają tzw. centrum allosteryczne, które może współzawodnictwo dwóch rodzajów
* skutkiem jest spadek
przyłączać regulator allosteryczny
cząsteczek (substratu i inhibitora) o
prędkości maksymalnej
* regulacja może polegać na inhibicji lub indukcji (działa
jedno centrum aktywne
reakcji
inhibitor lub induktor allosteryczny)
* jeśli stężenie inhibitora się zwiększy,* proces jest odwracalny,
* hamowanie allosteryczne występuje najczęściej w długich
to ilość cząsteczek enzymu, która wpływa jednak nie jest możliwe
szlakach metabolicznych
na substrat, ulegnie zmniejszeniu –
osiągnięcie efektu jego
* jednocześnie wykorzystywane są mechanizmy sprzężeń
spadnie szybkość katalizy
znoszenia przez zwiększenie
zwrotnych ujemnych
* hamowanie to można znosić przez
stężenia substratu
* przykład
zwiększenie stężenia substratu
* przykładem inhibitorów
- synteza aminokwasu izoleucyny z treoniny, przebiegająca (nastąpi wypieranie inhibitora)
niekompetencyjnych są niektóre w 6 reakcjach
* proces jest odwracalny
związki rtęci
- pierwsza reakcja jest katalizowana przez enzym
* przykład kliniczny:
dehydratazę treoninową
- leczenie ludzi zatrutych metanolem
- jednocześnie produkt końcowy szlaku (izoleucyna) jest dla
- metanol jest w ustroju utleniany do
tego biokatalizatora inhibitorem allosterycznym
niebezpiecznego aldehydu mrówkowego
- w ten sposób komórka chroni się przed nadprodukcją
przez dehydrogenazę alkoholową
izoleucyny (ona sama hamuje allosterycznie swoją syntezę)
- enzym ten nie odróżnia metanolu od
- blokowanie następuje już na etapie I reakcji, przez co
etanolu i dlatego etanol może pełnić
oszczędzane są koszty związane z niepotrzebnym wytwarzaniem
funkcje inhibitora kompetencyjnego
produktów pośrednich
- proces zatrucia postępuje jednak szybko,
- jeżeli stężenie izoleucyny spadnie (gdyż zostanie zużyta do
dlatego nie powinno się pić alkoholi, jeśli
biosyntezy białka), to szlak zostanie odblokowany
nie zna się ich pochodzenia
* kompleks enzym-inhibior allosteryczny jest nietrwały i
się rozpada
AKOMULATORY I PRZENOŚNIKI ENERGII W KOMÓRCE
* w celu uwolnienia energii organizmy wykorzystują różnorodne przemiany
* organizmy mają dość proste i ujednolicone sposoby magazynowania energii i przenoszenia jej
* w komórkach akumulatorami i przenośnikami energii użytecznej biologicznie są cząsteczki substancji organicznych, w których występują wiązania wysokoenergetyczne (zawierające dużą ilość tzw. energii swobodnej)
* do powstania takich wiązań potrzebna jest znaczna ilość energii (ponad 20 kJ/mol wiązań) ATP/ADENOZYNOTRIFOSFORAN
GTP/GUANOZYNOTRIFOSFORAN
* nukleotyd – trifosforan adenozyny
* zmodyfikowany nukleotyd
* ma stosunkowo małą masę cząsteczkową
* jest dobrze rozpuszczalny w wodzie
* zbudowany ze składników powszechnie występujących w komórkach
* cząsteczka ATP ma trzy reszty fosforanowe, a dwie z nich łączą bezwodnikowe wiązania wysokoenergetyczne
* hydroliza ATP do ADP (adenozynodifosforanu) oraz reszty fosforanowej (P) uwalnia z jednego mola 30,5 kJ energii, którą organizm może wykorzystać
FOSFOKREATYNA
ATP + H2O - ADP + Pi + 30,5 kJ/mol
* zmodyfikowany aminokwas
* w pewnych warunkach możliwa jest dalsza hydroliza ADP do AMP
(adenozynomonofosforanu) i kolejnej reszty fosforanowej
ADP + H2O - AMP + Pi + 30,5 kJ/mol
* proces ładowania tego akumulatora biologicznego polega na ufosforylowaniu (dołączeniu reszty fosforanowej do ADP) i powstaniu ATP
* swoisty cykl ATP - ADP + Pi jest podstawowym sposobem wymiany energii w układach żywych
* fosforylacja – kowalencyjne połączenie reszty fosforanowej, najczęstszy sposób tworzenia wiązań wysokoenergetycznych
* istnieją trzy zasadnicze możliwości fosforyzowania ADP do ATP
FOSFORYLACJA SUBSTRATOWA
FOSFORYLACJA FOTOSYNTETYCZNA
FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA
FOTOFOSFORYLACJA
* zachodzi, gdy reszta fosforanowa
* zachodzi u wszystkich organizmów
zostanie przeniesiona bezpośrednio na * zachodzi wyłącznie u fotoautotrofów tlenowych
ADP z wykorzystaniem energii
* w procesie następuje konwersja
* wydajny sposób magazynowania energii
organicznego substratu (często to on jest (zamiana) energii świetlnej na chemiczną użytecznej biologicznie dawcą reszty fosforanowej)
wiązań ATP
* do syntezy ATP wykorzystywana jest energia
* sposób ewolucyjnie najstarszy i niezbyt * występują dwa rodzaje fosforylacji elektronów przekazywanych z wodoru na
korzystny energetycznie
fotosyntetycznej: cykliczna i niecykliczna
atomy tlenu
* nie wymaga udziału tlenu
* skomplikowany proces
* zachodzi przede wszystkim w
ADP + Pi + energia świetlna (w
początkowych reakcjach oddychania
obecności barwnika fotosyntetycznego) ADP + Pi + zredukowane przenośniki komórkowego
--- ATP
wodoru + tlen -- ATP + utlenione
przenośniki wodoru + woda
Substrat wysokoenergetyczny + ADP +
Pi --- Substrat niskoenergetyczny +
ATP
KOENZYM A (CoA)
* uniwersalny węzeł metaboliczny (swoisty centralny węzeł komunikacyjny występujący w każdej komórce, skupiają się z nim liczne przemiany)
- pozwala to na płynne, dynamiczne połączenie istotnych szlaków metabolicznych BUDOWA CZĄSTECZKI
SYNTEZA GLUKOZY
* ma ona grupę –SH, która może reagować z grupą
* zwierzęta nie potrafią wykorzystywać grup acetylowych z acetylo-CoA karboksylową związków organicznych
do syntezy glukozy, ponieważ niemożliwe jest odtworzenie z acetylo-CoA
- powstaje wówczas połączenie: reszta acylowa-koenzym, 3-węglowego związku o nazwie pirogronian czyli acylo-CoA
- pirogronian jest podstawowym substratem w procesie
* szczególnie często koenzym A przyłącza 2-węglową grupę glukoneogenezy (syntezy glukozy z innych związków organicznych) acetylową (resztę octanową)
- oznacza to, że np. zapasu kwasów tłuszczowych nie możemy wykorzystać
- reszta octanowa może pochodzić z przekształcenia
do zaopatrzenia tkanek w glukozę
cząsteczki pirogronianu (produkt rozpadu glukozy –
* glukoneogeneza zachodzi w komórkach wątroby
glikoliza), kwasów tłuszczowych (podczas ich utleniania – - polega na wytworzeniu glukozy z mleczanu, pirogronianu, glicerolu Beta-oksydacj) lub niektórych aminokwasów (po uprzedniej lub niektórych aminokwasów deaminacji)
* bakterie i rośliny omijają to ograniczenie i wykorzystują kwasy tłuszczowe
- grupę acetylowi dołączoną do koenzymu A organizm może
do produkcji glukozy
zużyć w celach energetycznych (utlenić wewnątrz
- organizmy te także nie potrafią odwrócić reakcji przekształcania
mitochondriom) lub przemieścić do cytoplazmy, gzie
pirogronianu w acetylo-CoA
następnie może ją wykorzystać do syntezy kwasów
- mają jednak enzymy, które wykorzystują produkty przejściowe cyklu tłuszczowych bądź też przekształcić w ciała ketonowe,
Krebsa do syntezy 4-węglowego związku o nazwie szczawiooctan cholesterol lub szkielety węglowe niektórych aminokwasów (związek ten może zostać wykorzystany do syntezy glukozy)