ENZYMY

1. Kinetyka reakcji enzymatycznej - wpływ stężenia substratu na szybkość reakcji

Zasadniczym założeniem teorii Michaelisa-Menten jest konieczność wytworzenia odwracalnego kompleksu między enzymem a substratem.

E+S ES E+P

Przy stałym stężeniu enzymu szybkość reakcji enzymatycznej w pewnych granicach zależy od stężenia substratu. Przy niskim stężeniu substratu w stosunku do stężenia enzymu przyrost szybkości reakcji wraz ze wzrostem stężenia substratu jest do niego wprost proporcjonalny i odpowiada tzw. kinetyce pierwszego rządu.

v = k'[A]

Przy bardzo dużym stężeniu substratu szybkość reakcji ma wartość maksymalną i nie zależy od dalszego zwiększania jego stężenia. W tym przypadku reakcja podlega kinetyce zerowego rzędu i jest zgodna z równaniem:

v = V = k'

Tego typu kinetykę obserwuje się przy osiągnięciu pełnego wysycenia cząsteczek enzymu przez substrat. W tym stanie dalszy wzrost stężenia substratu nie może już powodować zwiększenia szybkości reakcji, gdy stężenie enzymu pozostaje stałe. Zależność szybkości reakcji od stężenia substratu zgodna jest z następującym równaniem:

K_m jest to stężenie substratu przy którym szybkość reakcji enzymatycznej jest równa połowie jej szybkości maksymalnej. Odwrotność stałej 1/K_m jest nazywana powinowactwem enzymu do substratu. Duża wartość K_m oznacza małe powinowactwo enzymu do substratu, a mała wartość K_m świadczy o dużym powinowactwie. Stałą K_m wyznacza się doświadczalnie z wykresu Lineweavera-Burka.

2. Mechanizm działania enzymów

Wyjaśnienie mechanizmu działania enzymów jest żmudne i wymaga przede wszystkim ustalenia budowy centrum aktywnego i udziału w katalizie grup funkcyjnych aminokwasów kontaktowych. Badania prowadzi się przy użyciu specyficznych inhibitorów niewspółzawodniczących i współzawodniczących lub zmodyfikowanych w niewielkim stopniu substratów i wreszcie, przez określenie właściwości fizykochemicznych kompleksu enzymu z substratem, którego wyodrębnienie udało się w licznych przypadkach. Cechą wspólną wszystkich reakcji enzymatycznych jest tworzenie pomiędzy centrum katalitycznym enzymu i substratem tzw. stanu przejściowego. W tym stanie przegrupowywanie elektronów (i protonów) jest szczególnie łatwe dzięki wzmocnieniu przez grupy funkcyjne centrum katalitycznego ładunków cząstkowych między atomami substratu.

Konformacje enzymu i substratu nie są sztywne, lecz podlegają fluktuacjom, czyli zmianom spowodowanym indukcyjnym wpływem drugiego partnera. Konformacje zmieniają się na wzajemnie do siebie pasujące dopiero bezpośrednio przed połączeniem enzymu z substratem. Jest to teoria indukcyjnego dopasowania Koshlanda.

Struktura enzymu pod wpływem zbliżającego się substratu ulega takiej zmianie, aby grupy funkcyjne aminokwasów kontaktowych znalazły się w najbardziej korzystnym położeniu w stosunku do określonych miejsc reaktywnych substratu. Teoria dopuszcza również zmianę układu przestrzennego grup reaktywnych substratu prowadzącą do ich kontaktu z określonymi strefami enzymu.

Kataliza polifunkcyjna - mówi o tym, że ułożenie elementów centrum aktywnego enzymu jest takie, aby jego grupy nukleofilowa i elektrofilowa powodowały określone przesunięcia elektronów podczas hydrolizy wiązania. Efektem jest jego rozerwanie z równoczesnym przyłączeniem protonu i grupy OH z wody.

Teoria pułapki - powierzchnia enzymu ma w obrębie centrum aktywnego wgłębienia, których odległość jest większa od odległości między obiema częściami substratu, połączonymi wiązaniem. Aby substrat mógł się połączyć z powierzchnią enzymu, w miejscach wgłębień następuje znaczne naprężenie wiązania oraz jego osłabienie, co z kolei umożliwia rozerwanie.

Enzymatyczne przenoszenie grup - w reakcję z enzymem wchodzi za równo dawca, jak i akceptor przenoszonej grupy, a także koenzym, uczestniczący z reguły w tej przemianie. W przegrupowaniach elektronów uczestniczą wtedy oba substraty, rodniki aminokwasów kontaktowych oraz koenzym. Prowadzi to do rozluźnienia i rozerwania wiązania między grupą przenoszoną i dawcą, oraz wytworzenia nowego wiązania tej grupy z akceptorem.

3. Regulacja reakcji enzymatycznej.

Działalność metaboliczna komórki zależy od licznych czynników wewnętrznych i środowiska, dlatego musi być regulowana. Szybkość reakcji katalizowanych przez poszczególne enzymy powinna być pod stałą kontrolą, komórka jest więc istotnie wyposażona w różne możliwości regulowania ich działania. Regulacja metabolizmu jest konieczna ze względu na potrzebę przystosowania się do zmiennych warunków otoczenia, oraz zmieniających się funkcji komórki w zależności od wieku i kierunku jej różnicowania. Istnieją zasadniczo dwa mechanizmy regulowania procesów metabolicznych:

- regulacja genetyczna polegająca na kontroli syntezy enzymów, związana z funkcjami kwasów nukleinowych

- regulacja szybkości działania już istniejących enzymów

Czynniki strukturalne - uzależniają one działanie enzymu od organizacji komórki. Należy do nich powiązanie enzymów z określonymi strukturami komórki i ich rozgraniczenie błonami wewnątrzkomórkowymi. Czynniki te z jednej strony regulują dopływ substratów do poszczególnych enzymów, z drugiej zaś dzięki grupowaniu enzymów katalizujących zazębiające się wzajemnie procesy w tych samych strukturach podkomórkowych, umożliwiają ekonomiczną gospodarkę produktami pośrednimi metabolizmu oraz energią, a także ich łatwy transport.

Regulacja stężenia inhibitora (sprzężenie zwrotne) - przykładem takiego mechanizmu jest działanie w charakterze inhibitora jednego z produktów pośrednich lub końcowego produktu łańcucha metabolicznego na enzym katalizujący jedną z początkowych reakcji w tym łańcuchu.

A B C … X

W przedstawionym zespole reakcji produkt końcowy X jest inhibitorem dla enzymu a, katalizującego pierwszą reakcję ciągu. Gdy stężenie X wzrasta, przemiana A B, a tym samym wszystkie następne reakcje ulegają zwolnieniu.

Mechanizm sprzężenia zwrotnego kontroluje szybkość syntezy produktów pośrednich metabolizmu zgodnie z zapotrzebowaniem. Działa on zwykle hamując pierwszą reakcję danego ciągu i w ten sposób komórka unika wytwarzania aktualnie niepotrzebnych produktów pośrednich łańcucha metabolicznego.

Mechanizm negatywnego sprzężenia zwrotnego - wykorzystuje efekt allosteryczny. Regulowany enzym jest białkiem allosterycznym, a więc zawiera dodatkowe centrum allosteryczne . końcowy produkt przemiany jest natomiast efektorem allosterycznym, który łączy się z białkiem enzymu i powoduje jego modyfikację, a tym samym zahamowanie aktywności. Efektory allosteryczne mogą działać również aktywująco na enzym przez zmianę konformacji jego centrum aktywnego z mniej na bardziej korzystną dla tworzenia kompleksu ES. Jeżeli efektorem allosterycznym jest substrat, to przez analogię można proces ten określić jako pozytywne sprzężenie zwrotne, gdyż stężenie substratu w sposób sprzężony reguluje aktywność enzymu, a więc szybkość przetwarzania tego substratu.

Cykliczny AMP i kinazy białkowe - działanie enzymów jest regulowane przez udział hormonów, które za pomocą receptorów umieszczonych na powierzchni zewnętrznej błony komórkowej, mogą oddziaływać na ich aktywację. Cykliczny AMP jest efektorem allosterycznym kinazy białkowej, której zadaniem jest z kolei modyfikacja licznych białek, głównie enzymatycznych przez przyłączenie do ich reszt serynowych co najmniej jednej reszty fosforanowej. Aktywność wielu innych enzymów związanych z przemianą energii zależy również od efektu allosterycznego cAMP, ale z jego udziałem może odbywać się także modyfikacja struktury białek nieenzymatycznych czy specjalnych białek błonowych.

Układy wieloenzymowe - wiele enzymów złożonych występuje w postaci układów katalizujących kolejne przemiany ciągów metabolicznych. Są one wtedy rozmieszczone w przestrzeni zgodnie z kolejnością katalizowanych przez siebie reakcji, tak aby produkt reakcji poprzedniej trafiał jako substrat reakcji następczej do centrum aktywnego kolejnego enzymu. Wtedy prawdopodobieństwo powstawania kolejnych kompleksów ES jest bardzo duże i produkty pośrednie nie są wydzielane do środowiska, co powoduje znaczne przyspieszenie katalizowanej przemiany.

4. Specyficzność działania enzymów.

Swoistość kierunku działania - polega na zdolności enzymu do katalizowania tylko jednej z termodynamicznie możliwych reakcji, jakim może podlegać substrat wchodzący z nim w kompleks. Jeżeli dany substrat może przekształcać się w kilku różnych kierunkach, każda z reakcji jest katalizowana przez odrębny enzym zdolny do przekształcania wiązania określonego typu.

Specyficzność substratowa - specyficzność w stosunku do substratu oznacza się możliwością wyboru przez dany enzym jednego lub grupy strukturalnie podobnych związków, z którymi wchodzi on w kompleks zdolny do dalszej reakcji. W kompleks z enzymem może więc wejść cząsteczka o dokładnie sprecyzowanej wielkości i konfiguracji przestrzennej. Enzym eliminuje wszystkie cząsteczki o innej strukturze i bardziej efektywnie może przekształcać właściwe sobie substraty. Enzymy mogą wykazywać zależnie od sposoby i mechanizmu „dobierania” substratów, specyficzność absolutną lub grupową. Większość enzymów wykazuje specyficzność grupową tzn. mogą one wykorzystywać w charakterze substratu określoną grupę podobnych do siebie substancji. Są również znane enzymy, które są zdolne do przyspieszania reakcji wyłącznie jednego substratu np. ureaza hydrolizuje tylko mocznik. Te enzymy wykazują absolutną specyficzność substratową.

Enzymy wykazujące specyficzność względem określonego typu reakcji najmniejsze wymagania co do charakteru substratu. Na przykład esterazy, czyli enzymy katalizujące rozkład wiązania estrowego, wymagają do działania wyłącznie obecności tego wiązania w cząsteczce, natomiast rodzaj kwasu i alkoholu nie odgrywa większej roli.

Enzymy wykazują również specyficzność przestrzenną, która polega na odpowiednim dopasowaniu konfiguracji substratu do układu przestrzennego punktów zaczepienia w centrum aktywnym enzymu.

Enzymy mogą także wykazywać specyficzność względem jednej z form geometrycznych. Wśród glikozydaz tzn. enzymów katalizujących rozkład wiązań glikozydowych występuje specyficzność w stosunku do wiązań α - lub β - glikozydowych.

5. Mechanizm allosteryczny regulacji aktywności enzymów.

Białka o rozbudowanej strukturze IV-rzędowej - obok podjednostki zawierającej centrum aktywne, które przyłącza substrat - mają podjednostkę regulacyjną, zawierającą centrum allosteryczne, które jest zdolne do przyłączania specyficznego efektora. Białka tego rodzaju noszą nazwę białek allosterycznych. Pod wpływem przyłączonego efektora następuje zmiana struktury wtórnej białka allosterycznego, która może polegać na rozerwaniu lub wytworzeniu wiązań między poszczególnymi podjednostkami białka, co jest związane bądź ze zmianą stopnia agregacji cząsteczki, bądź ze zmianą trzeciorzędowej struktury podjednostki regulacyjnej, a pośrednio, również centrum aktywnego. W obu rodzajach zmian następuje zahamowanie aktywności enzymu. W jego cząsteczce podjednostka zawierająca centrum aktywne pełni w kompleksie funkcję katalityczną, a druga, zawierająca centrum allosteryczne, pełni funkcję regulacyjną. Zjawisko allosterii występuje zarówno przy hamowaniu, jak i przy aktywacji reakcji enzymatycznych. W drugim przypadku cząsteczka enzymu przy nieobecności efektora allosterycznego wykazuje konformację centrum aktywnego niekorzystną dla przebiegu reakcji. Dopiero po przyłączeniu efektora do centrum allosterycznego następuje zmiana konformacji cząsteczki ułatwiająca lub umożliwiająca przyłączenie substratu do centrum aktywnego i dalszą reakcję.

6. Budowa enzymów.

Enzymy jako białka łatwo ulegają zmianom struktury pod wpływem warunków środowiska, jak pH, temperatura, stężenie soli, co może wiązać się z utratą ich zdolności do pełnienia funkcji katalitycznych. Jednakże wykazano, że nie cała cząsteczka białka enzymu pełni równie istotną rolę w katalizie i że szczególnie ważne pod tym względem jest tzw. centrum aktywne, czyli strefa łańcucha peptydowego, bezpośrednio wiążąca substrat w czasie reakcji. Większość enzymów to białka złożone, najczęściej luźno połączone stechiometrycznie z substancją niebiałkową - koenzymem, biorącym bezpośredni udział w katalizowanej reakcji, natomiast zdolność rozpoznawania właściwego substratu, określana jako specyficzność substratowa, a także swoistość kierunku działania enzymu, występują w jego części białkowej, czyli w apoenzymie. Enzymy współdziałają również często z dodatkowymi grupami prostetycznymi i jonami metali (lub anionami nieorganicznymi), które ułatwiają m. in. utrzymywanie optymalnej dla katalizy struktury białka enzymu.

Aby nastąpiła kataliza, enzym winien połączyć się z substratem w kompleks ES. W połączeniu tym biorą udział reaktywne grupy substratu, oraz zdolne do reagowania z nimi grupy funkcyjne występujące w rodnikach niektórych aminokwasów białka enzymu. Grupy funkcyjne znajdują się w określonym układnie przestrzennym i współdziałają ze sobą w przyłączaniu substratu; taki układ jest nazywany centrum aktywnym. Grupy funkcyjne biorące udział w działaniu centrum aktywnego zwykle nie pochodzą od aminokwasów sąsiadujących ze sobą w łańcuchu polipeptydowym, ale od znacznie oddalonych od siebie w kolejności, a sąsiadujących w przestrzeniu w skutek określonego powyginania tego łańcucha, bądź wreszcie od aminokwasów znajdujących się w odrębnych łańcuchach; aminokwasy te nazywa się kontaktowymi.

7. Inhibicja kompetycyjna i niekompetycyjna enzymu.

Inhibicja polega na tym, że określona substancja (inhibitor) blokuje współdziałanie składników uczestniczących w reakcji enzymatycznej, łącząc się z jednym z nich, lub w inny sposób. Do składników tych należą: enzym, substrat, koenzym i często dodatkowy kofaktor, a ich współdziałanie polega na wzajemnym powiązaniu w ściśle określony układ przestrzenny. Zakłócenia w tworzeniu tego układu są przyczyną zahamowania reakcji. Rozróżnia się dwa główne typy inhibicji enzymów: nieodwracalną i odwracalną, przy czym inhibicja odwracalna dzieli się na inhibicję kompetycyjną i niekompetycyjną.

Inhibitor kompetycyjny - jest zazwyczaj strukturalnie podobny do normalnego substratu danego enzymu. Dzięki temu współzawodniczy z cząsteczkami substratu o wiązanie się z miejscem aktywnym. Enzym może wiązać albo cząsteczkę substratu, albo cząsteczkę inhibitora, ale nie obie równocześnie. Inhibitor kompetycyjny wiąże się z miejscem aktywnym odwracalnie. Przy dużych stężeniach substratu działanie inhibitora kompetycyjnego zostaje przezwyciężone, ponieważ duże stężenie substratu będzie z powodzeniem współzawodniczyć z cząsteczką inhibitora o wiązanie się w miejscu aktywnym.

Inhibitor niekompetycyjny - wiąże się odwracalnie w innym miejscu enzymu niż jego miejsce aktywne i powoduje zmianę przestrzennego kształtu enzymu, co prowadzi do zmniejszenia aktywności katalitycznej. Ponieważ inhibitor wiąże się w innym miejscu niż substrat, enzym może wiązać albo inhibitor, albo substrat, lub też inhibitor i substrat równocześnie. Efektu działania inhibitora niekompetycyjnego nie można przezwyciężyć przez zwiększanie stężenia substratu.

8. Klasy enzymów.

Obecnie liczba poznanych enzymów przekracza 3 tys. dlatego było konieczne nie tylko ich usystematyzowanie, lecz także stworzenie prawidłowego nazewnictwa, tzn. nadanie enzymom nazw jednoznacznych i zawierających w miarę pełną ich charakterystykę. Podział enzymów:

Oksydoreduktazy - do tej klasy należą enzymy katalizujące reakcje oksydoredukcyjne, a więc przemiany związane z przeniesieniem protonów, elektronów i tlenu. W przenoszeniu tych składników uczestniczą zwykle charakterystyczne koenzymy. Klasa ta obejmuje enzymy o potocznych nazwach: dehydrogenazy, reduktazy, oksydazy, oksygenazy, hydroksylazy oraz peroksydazy. Dehydrogenazy przenoszą protony i elektrony z substratu na koenzym lub odwrotnie, a czasem na tlen. Reduktazy katalizują przeniesienie protonów i elektronów lub samych elektronów z przenośników na dalsze układy oksydoredukcyjne. Oksydazy aktywują tlen cząsteczkowy przez przeniesienie elektronów, wskutek czego może się on łączyć z protonami, wydzielonymi uprzednio do roztworu i tworzyć cząsteczkę wody lub rzadziej nadtlenku wodoru. Transferazy tlenowe i hydroksylazy katalizują przyłączenie tlenu do związku organicznego z przeniesieniem protonów i elektronów i z udziałem koenzymu, a peroksydazy działają utleniająco na związki organiczne z udziałem H₂O.

Transferazy - enzymy te katalizują reakcje przeniesienia grup pomiędzy poszczególnymi związkami i to zwykle z udziałem specyficznych koenzymów. Typowymi przedstawicielami tej klasy są: aminotransferazy, fosfotransferazy, acylotransferazy i glikozylotransferazy, katalizujące odpowiednio przeniesienie grupy aminowej, fosforanowej z udziałem ATP, acylowej lub glikozylowej .

Hydrolazy - enzymy tej klasy katalizują reakcję hydrolizy, czyli rozkład wiązań z udziałem cząsteczki wody. Z ważniejszych enzymów należy wymienić esterazy rozkładające wiązania estrowe, glikozydazy, działające na wiązania glikozydowe, enzymy rozkładające wiązania peptydowe, amidowe i kilka innych. Hydrolazy nie wymagają zwykle współdziałania koenzymów, co jest wyjątkiem w stosunku do innych klas.

Liazy - klasa ta obejmuje enzymy, które odwracalnie lub nieodwracalnie katalizują odłączenie grup od substratu, bez udziału wody. Należą tu enzymy katalizujące rozerwalnie wiązania -C-C-, rozkładające wiązania C-O, czyli przyłączające lub odrywające cząsteczkę wody, enzymy katalizujące rozkład wiązań C-N, oraz rozkładające niektóre inne wiązania.

Izomerazy - do tej klasy należą enzymy katalizujące reakcje izomeryzacji, jak: racemizacja, epimeryzacja, izomeryzacja cis-trans oraz wewnątrzcząsteczkowe przemiany oksydoredukcyjne i przeniesienie grup. Pełna nazwa obejmuje określenie substratu i rodzaju izomeryzacji.

Ligazy - enzymy tej klasy katalizują wytwarzanie wiązań (między dwiema cząsteczkami), co jest powiązane z rozpadem bogatego w energię związku makroergicznego, a więc z udziałem np. ATP. Do tej klasy należą więc enzymy aktywujące powstawanie wiązania C-O, C-S, C-N, C-C.

9. Koenzymy.

Wiele enzymów wymaga do swego specyficznego działania obecności małych jednostek niebiałkowych o nazwie kofaktory. Kofaktorami może być jeden lub więcej jonów nieorganicznych , np. Zn²⁺ , Fe²⁺, albo złożona cząsteczka organiczna o nazwie koenzym. Taki metal lub koenzym, który jest kowalencyjnie związany z enzymem, nazywa się grupą prostetyczną. Całość katalitycznie aktywnego enzymu wraz z jego koenzymem lub jonem metalu określa się jako holoenzym. Sama białkowa część enzymu bez jego kofaktora jest nazwana apoenzymem. Pewne koenzymy takie jak NAD⁺, są wiązane i uwalniane przez enzym w czasie jego cyklu katalitycznego i dlatego działają one właściwie jako kosubstraty. Wiele koenzymów jest pochodnymi prekursorów - witamin, które są często istotnym składnikiem pożywienia, a których niedostateczny dopływ wywołuje choroby z niedoboru. Dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (NAD⁺) oraz fosforan dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NADP⁺) są koenzymami mającymi wspólną strukturę opartą na adeninie, dwóch cząsteczkach rybozy powiązanych grupami fosforanowymi i pierścieniu nikotyno amidowym. NADP⁺ różni się od NAD⁺ dodatkową grupą fosforanową przyłączoną do jednej z cząsteczek rybozy. Oba te koenzymy pełnią jedną z podstawowych funkcji, jaką jest przenoszenie elektronów i udział w reakcjach oksydoredukcyjnych. NAD⁺ jest częściej używany w reakcjach katabolicznych (rozkładu), natomiast NADP⁺ jest używany w reakcjach anabolicznych (biosyntezy). Reaktywną częścią obu cząsteczek jest pierścień nikotyno amidowy, który może występować w formie albo zredukowanej, albo utlenionej, a w ten sposób działać w reakcji enzymatycznej jako akceptor lub donor elektronów. Dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD) oraz mononukleotyd flawinowy (FMN) również są przenośnikami elektronów i mają podobną strukturę chemiczną. Oba te koenzymy zawierają jednostkę mononukleotydu flawinowego, która ma miejsce reaktywne. FAD ma dodatkową grupę cukrową i zasadę adeninową, powiększające jego strukturę FAD oraz FMN reagują z dwoma protonami oraz z dwoma elektronami, oscylując między stanem utlenionym i zredukowanym.

10. Kofaktory.

Wiele enzymów wymaga do swego specyficznego działania obecności małych jednostek niebiałkowych o nazwie kofaktory. Kofaktorami może być jeden lub więcej jonów nieorganicznych , np. Zn²⁺ , Fe²⁺, albo złożona cząsteczka organiczna o nazwie koenzym.

DNA i RNA

1. Mechanizm replikacji DNA.

Najbardziej istotnym problemem w syntezie kwasów nukleinowych jest powielanie lub inaczej replikacja DNA, która musi poprzedzać podział komórki, w celu wyposażenia komórek potomnych w kompletny, a więc zawierający wszystkie potrzebne informacje, materiał genetyczny. Biosynteza DNA odbywa się wg modelu semikonserwatywnego, tzn. jego powielanie, czyli replikacja, dokonuje się w drodze rozplecenia podwójnego heliksu na dwie nici i dobudowy do każdej z nich nowej. Pojedyncze nici pierwotne DNA po rozkręceniu stanowią matryce, wg wzoru których zgodnie z regułą dopełnialności zasad, następuje dobudowa nici pochodnych. Enzym polimeraza DNA katalizuje syntezę DNA z trifosforanów deoksyrybonukleozydów, przy udziale startera (odcinka RNA z wolną grupą OH w pozycji 3') i matrycy DNA. Substratem replikacji jest zespół trifosforanów deoksyrybonukleozydów czterech zasad, a produktem ubocznym jest di fosforan, który w reakcji następczej, katalizowanej przez difosfatazę nieorganiczną ulega rozkładowi do fosforanu, dostarczając do reakcji dodatkową energię. Wiązanie diestrowe tworzy się przez równoczesne „zaczepienie” fosforanu nukleozydu na wolnej grupie OH przy C-3' istniejącego już łańcucha. Kierunek replikacji jest odwrotny do polarności łańcucha matrycy, a wszystkie izolowane dotychczas polimerazy prowadzą dobudowę łańcucha w kierunku 5'3'. Dlatego tylko na jednej nici „widełek replikacyjnych” następuje wydłużanie łańcucha w kierunku zgodnym z ich przesuwaniem (5'3') i jest to proces ciągły. Synteza drugiej nici odbywa się w ruchu przeciwnym do przesuwania „widełek replikacyjnych” i ten proces jest nieciągły, a łańcuch potomny jest syntetyzowany równocześnie w wielu miejscach w postaci fragmentów (Okazaki), które są następnie łączone. Pierwsza z tych nici jest nazywana wiodącą, a druga - opóźnioną.

2. Kwas RNA

RNA to skrócona nazwa kwasu rybonukleinowego. Występuje w komórce w cytoplazmie, rybosomach i jąderku. Wszystkie cząsteczki RNA są polinukleotydami, każdy nukleotyd RNA składa się z pięciowęglowej rybozy, reszty fosforanowej i cząsteczki zasady azotowej; trzy nukleotydy są takie same jak w DNA( adenina, guanina, cytozyna), a czwarta zasada to uracyl. Tak jak w DNA nukleotydy łącza się wiązaniami fosforodiestrowymi. Cząsteczki RNA w porównaniu do cząsteczek DNA są mniejsze(krótsze), mają od kilkudziesięciu do kilku tysięcy nukleotydów, są one jednoniciowe, a te które mają fragmenty dwuniciowe nie tworzą podwójnej helisy jak w DNA. Wyróżnia się trzy rodzaje RNA (wszystkie wiążą się z procesem ekspresji inf genetycznej):

• Matrycowy (mRNA)- powstaje w jadrze komórkowym, zawiera informacje o syntezie danego białka, która przenosi z jadra do rybosomów.

• Transportowy(tRNA) - występuje w cytoplazmie, przenosi aminokwasy do rybosomów(miejsce syntezy białek)

• Rybosomalny (rRNA)- występuje w rybosomach, tworzy szkielet na którym umieszcza się mRNA.

3. Mechanizm indukcji genów.

4. Mechanizm translacji.

Translacja to proces syntezy łańcucha polipeptydowego białek na matrycy mRNA. W jego wyniku dochodzi do ostatecznego przetłumaczenia informacji genetycznej zawartej pierwotnie w kodzie genetycznym DNA na konkretną strukturę białka, zależną od uszeregowania aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym.

Translacja jest drugim (po transkrypcji) procesem w biosyntezie białka. Powstawanie łańcucha polipeptydowego sterowane jest przez sekwencję mRNA. Translacja odbywa się w cytoplazmie lub na błonach szorstkiej siateczki wewnątrzplazmatycznej. Proces ten jest katalizowany przez rybosom obejmujący podjednostkami przesuwającą się nić mRNA. Rybosomy składają się z dwóch podjednostek, większej i mniejszej, które są zbudowane z białek i rRNA, a funkcję katalityczną pełnią enzymy (rybozymy) zawarte w dużej podjednostce rybosomu. Translacja na jednej cząsteczce mRNA może być prowadzona przez wiele rybosomów równocześnie. Taki kompleks mRNA związanego z wieloma rybosomami nazywa się polisomem lub polirybosomem.

Translacja składa się z czterech faz:

• aktywacji

• inicjacji

• elongacji

• terminacji

W aktywacji właściwy aminokwas jest dołączany do właściwego tRNA za pomocą wiązania estrowego, powstałego przez reakcję grupy karboksylowej aminokwasu i grupy OH przy końcu 3' tRNA. Taki zespół określa się mianem aminoacylo-tRNA. Inicjacja translacji ma miejsce, kiedy mała podjednostka rybosomu przyłącza się do końca 5' mRNA. Do małej podjednostki przyłącza się duża podjednostka rybosomu. Na podjednostce 50s uaktywniają się dwa miejsca: P - miejsce peptydowe i A - miejsce akceptorowe. Pierwszy aminoacylo-tRNA ustawia się w miejscu P. Elongacja ma miejsce, kiedy następny aminoacylo-tRNA przyłącza się do rybosomu w miejscu A. Następnie proces translacji zachodzi na zasadzie komplementarności kodonu mRNA z antykodonem na tRNA. Rybosom i tRNA są tak ukształtowane, aby dwa aminokwasy, przyłączone do tRNA zajmujące w rybosomie miejsca A i P znajdowały się blisko siebie. Dzięki temu zachodzi reakcja między resztą aminową i karboksylową - dwa aminokwasy łączą się. Ten proces - tworzenie wiązań peptydowych jest katalizowany przez peptydylotransferazę - rybozym (rRNA) wchodzący w skład rybosomu. Po syntezie, tRNA szybko zwalnia miejsce P i wraca do cytoplazmy, z kolei aminoacylo-tRNA ulega przesunięciu z miejsca A na miejsce P. Proces ten nazywamy translokacją. Jednocześnie przesuwa się także mRNA. Wielkość tego przesunięcia wynosi zawsze trzy nukleotydy. Na miejsce A nasuwa się nowy tRNA zawierający antykodon odpowiadający kolejnemu kodonowi na mRNA. Proces elongacji powtarza się aż do napotkania przez podjednostkę mniejszą rybosomu w miejscu A kodonu stop (UAA, UAG lub UGA). Tych trójek kodonowych, w normalnych warunkach, nie koduje żaden tRNA. W tym momencie następuje terminacja translacji. Łańcuch polipeptydowy zostaje uwolniony do cytoplazmy, tRNA zostaje oddzielone od mRNA, a rybosom rozpada się na podjednostki, które mogą zostać ponownie wykorzystane do inicjacji translacji kolejnego mRNA.

5. Kod genetyczny.

Kodem genetycznym nazywamy system przyporządkowujący sekwencję (czyli kolejność) ułożenia zasad w DNA i RNA sekwencji ułożenia aminokwasów w białku. Kod genetyczny cechuje to że jest on:

• trójkowy(trój literowy)- do zakodowania 20 różnych aminokwasów przez cztery rodzaje zasad niezbędne jest, aby podstawowe jednostki kodu genetycznego składały się zawsze z trzech zasad. Taka trójka zasad(nukleotydów) w DNA to kodon.

• Bezprzecinkowy- miedzy trójkami kodującymi nie ma żadnych dodatkowych elementów i odczytywane są one jedna po drugiej

• Niezachodzący- kodony w żaden sposób nie zachodzą na siebie (np. ostatni nukleotyd pierwszego kodonu nie jest pierwszym ani drugim nukleotydem drugiej trójki kodującej)

• Zdegenerowany- to okreslenie oznacza, że jeden aminokwas może być kodowany przez kilka różnych trójek

• Jednoznaczny- dana trójka koduje zawsze jeden i ten sam rodzaj aminokwasu. W ten sposób ekspresja określonej informacji genetycznej da określone białko.

• Uniwersalny- we wszystkich organizmach kod genetyczny jest taki sam.

Trzem kodonom (UAA, UAG i UGA) nie odpowiadają żadne aminokwasy. Kodony te, zwane nonsensownymi albo kodonami STOP, kodują polecenie przerwania biosyntezy peptydu (białka). Jeśli więc powyższa sekwencja miałaby oznaczać końcowy odcinek jakiegoś białka to mogłaby mieć postać AAAAAAUAA, gdzie UAA jest kodonem STOP (w mRNA; jego odpowiednikiem w DNA jest TAA).

Kod genetyczny jest więc sposobem zapisu i odczytywania informacji genetycznej.

6. Struktura DNA

DNA jest to kwas nukleinowy- deoksyrybonukleinowy, który jest jednorodny i jest nośnikiem informacji genetycznej. Występuje w jądrze komórkowym (w chromosomach), mitichondrium i w chloroplastach, oraz w genoforze i plazmidach w komórce prokariotycznej. Strukturę DNA tworzy podwójna helisa(wyjątkowo u niektórych wirusów pojedyncza nić).W skład cząsteczki DNA zwykle wchodzą dwa łańcuchy (DNA dwuniciowe), które biegną antyrównolegle (tzn. koniec jednego jest dokładnie naprzeciw początku drugiego). Łańcuchy owijają się wokół wspólnej osi i tworzą tzw. prawoskrętną podwójną helisę. Reszty cukrowe i fosforowe, połączone ze sobą wiązaniem fosfodiestrowym, znajdują się na zewnątrz helisy, natomiast zasady skierowane są do wnętrza i tworzą pary zasad połączone według wzoru: A-T(A-U), G-C, T-A(U-A), C-G. Nukleotydy są połączone wiązaniami 3' i 5'- fosfodiestrowym, tworząc łańcuch cukrowo-fosforanowy do którego są dołączone zasady azotowe. Każda z nici DNA ma na jednym końcu (oznaczanym jako koniec 5'), przy ostatnim nukleotydzie wolną grupę fosforanową przy węglu 5' deoksyrybozy, a na drugim końcu (oznaczanym jako koniec 3') ostatni nukleotyd posiada wolną grupę hydroksylową przy węglu 3' deoksyrybozy. Ze względu na to, że helisa dwóch nici DNA jest spleciona w ten sposób, że jedna z nici zaczyna się od końca 5' a druga od końca 3', mówi się, że obie nici są względem siebie antyrównoległe. Łańcuch nici DNA zawiera informację genetyczną o kolejności aminokwasów w białkach kodowaną w postaci trójek nukleotydowych odpowiadających odpowiednim aminokwasom podczas syntezy białka.

7. Mechanizm transkrypcji.

Transkrypcją nazywamy syntezę nici mRNA komplementarnej(przystającej) do określonego odcinka nici kodującej(matrycowej) DNA. Zachodzi ona w jądrze komówkowym. Transkrypcje przeprowadzają duże przy dużych enzymy- polimerazy RNA.

Na początku transkrypcji polimeraza RNA wiąże się ze specyficznym odcinkiem DNA - promotorem. Tam następuje związanie polimerazy DNA i wstawienie tzw. ramki odczytu. Rozsunięcie helisy DNA umożliwia wstawienie pierwszego nukleotydu RNA, a po nim kolejnych( wykorzystywana jest do tego pula wolnych trifosforybonuklozydów). Przesuwająca się polimeraza RNA rozsuwa lokalnie helisę DNA i rozwija nić nowo syntezowanej cząsteczki mRNA. Po przejściu polimerazy RNA nici helisy DNA odtwarzają strukturę dwuniciową. Kiedy polimeraza dotrze so specjalnej sekwencji, stanowiącej sygnał germinacji, odłącza się a także odłącza się mRNA.

8. Kontrola ekspresji genów.

9. Mechanizm represji genów.

Białka

1. Struktura białka.

Białka to liniowa sekwencja aminokwasów połączonych ze sobą wiązaniami peptydowymi. Wiązanie peptydowe to wiązanie pomiędzy grupą aminową jednego aminokwasu a grupa karboksylową drugiego aminokwasu. Połączenie dwóch aminokwasów daje nam dwupeptyd, natomiast łączenie się więcej aminokwasów daje oligo- i polipeptydy (białka). Białka maja określone struktury, których jest cztery. Różnią się ona ułożeniem aminokwasów i wiązaniami między nimi.

• STRUKTURA PIERWSZORZĘDOWA

To liniowe ułożenie aminokwasów połączonych wiązaniami peptydowymi. Sekwencję tę wyznacza się na podstawie kolejności ułożenia zasad azotowych w genie kodującym dane biało. W strukturze pierwszorzędowej zawarte są również połążenia innych wiązań kowalencyjnych. Są to glównie wiązania dwusiarczkowe między resztami cysteiny sąsiadującymi ze sobą w przestrzeni, ale nie w sekwencji liniowej aminokwasów. Owe wiązania poprzeczne między odrębnymi łańcuchami polipeptydowymi lub między częściami tego samego łańcucha powstają na skutek utlenienia grup SH w resztach cysteiny, sąsiadujących ze sobą w przestrzeni. 

• STRUKTURA DRUGORZĘDOWA
  To regularne pofałdowanie regionów łańcucha polipeptydowego. Mamy tu dwie konformacje: 
  α helisa i struktura β. W helisie alfa aminokwasy ustawiają się tak, że tworzą spiralę. Wszystkie łańcuchy boczne aminokwasów znajdują się na zewnątrz helisy. Wiązanie które stabilizuje tę strukturę to wiązanie wodorowe występujące między tlenem grupy karboksylowej jednego aminokwasu a wodorem grupy aminowej aminokwasu drugiego w tym samym łańcuchu polipeptydowym. 
  W strukturze beta również wiązanie wodorowe umożliwia istnienie takiej konformacji białka, jednak tu wiązanie to występuje między wiązaniami peptydowymi różnych łańcuchów polipeptydowych. Płaskie wiązanie peptydowe sprawia, że struktura beta ma postać pofałdowanej kartki, gdzie łańcuchy boczne aminokwasów znajdują się powyżej lub poniżej jej płaszczyzny. Łańcuchy sąsiadujące ze sobą mogą być równoległe lub antyrównoległe. 

• STRUKTURA TRZECIRZĘDOWA

Dotyczy przestrzennego ułożenie aminokwasów, zarówno odległych od siebie w sekwencji liniowej, jak i tych, które ze sobą sąsiadują. Ta konformacja białka jest utrzymywana przez siły elektrostatyczne, wiązania wodorowe i jeśli obecne kowalencyjne wiązania dwusiarczkowe.

• STRUKTURA CZWATORZĘDOWA

Dotyczy białek, które mają więcej niż jeden łańcuch pokipeptydowy, np. hemoglobina. To najwyżej uorganizowana struktura białka. Dotyczy przestrzennego ułożenia polipeptydowych podjednostek i oddziaływań między nimi. Mogą to być oddziaływania niekowalencyjne lub kowalencyjne.

2. Tworzenie funkcjonalnego białka.

Tworzenie białek w żywym organizmie polega na odtworzeniu sekwencji aminokwasów na bazie DNA. Odwzorowanie jest uwarunkowane sekwencją zasad azotowych występujących w łańcuchu cząsteczki kwasu nukleinowego. Proteiny tworzą się w polikondensacji, a więc polimeryzacji zachodzącej na rybosomach (wyspecjalizowane kompleksy enzymatyczne) z wytworzeniem związków małocząsteczkowych α-L-aminokwasów. Proces ten nosi biochemiczna nazwę  translacji.

3. Właściwości i funkcje białek

Właściwości fizyko-chemiczne białek są pochodną ich sekwencji i są ściśle powiązane z funkcją jaką pełnią w organizmie. Rozpuszczalność białek w roztworach jest uzależniona od wzajemnego stosunku aminokwasów hydrofobowych i hydrofilowych. Do nierozpuszczalnych w wodzie należą skleroproteiny tkanki łącznej (rogi, paznokcie, włosy) oraz białka wchodzące w skład błon lipidowych (receptory błonowe). Przykładem rozpuszczalnych w wodzie, są białka osocza krwi (globuliny). Wskutek dużych rozmiarów cząsteczek (kilka - kilkaset nanometrów), ich wodne roztwory wykazują typowe właściwości koloidów hydrofilowych. O rozpuszczalności decyduje przede wszystkim zdolność do hydratacji. Białko w stanie stałym zmieszane z małą ilością wody tworzy galaretowaty żel. W miarę dodawania rozpuszczalnika białka rozpuszczają się bardziej i powstaje zol.Charakteryzuje się on wysoką lepkością, obniżonym napięciem powierzchniowym, rozpraszaniem światła (efekt Tyndalla), aktywnością koloido-osmotyczną oraz podatnością na koagulację - zmianę żel-zol pod wpływem różnych czynników.Czynnikiem poprawiającym rozpuszczalność większości białek są niskie stężenia soli, natomiast pod wpływem wysokich stężeń soli, niektórych kwasów (kw. trichlorooctowy), soli metali ciężkich, rozpuszczalników organicznych (chloroform), a także wysokiej temperatury (>50^oC) następuje ich wytrącenie z roztworu. Białka wykazują także właściwości kwasowo-zasadowe, gdyż ich składniki - aminokwasy posiadają grupy funkcyjne zdolne do jonizacji. Przy pewnej charakterystycznej dla każdego białka wartości pH, nazywanej punktem izoelektrycznym, cząsteczki mają zerowy ładunek. Przy tej wartości rozpuszczalność większości białek osiąga minimum. Przy wartościach pH, różnych od punktu izoelektrycznego, proteiny występują w roztworze w postaci makrojonów, przez co mogą poruszać się w polu elektrycznym (elektroforeza). Roztwory białek działają buforująco w szerokich zakresach pH. Ponadto białka ulegają specyficznym rekcjom uwarunkowanym obecnością różnych grup funkcyjnych aminokwasów.

Funkcje białek:

• Budulcowe- wchodzą w skład wszystkich plazmatycznych struktur komórkowych,

• Katalityczna- wszystkie enzymy w komórkach są białkami katalizującymi przebieg reakcji biochemicznych

• Transportowa- np. białka błonowe umożliwiają transport substancji do komórki i z komórek, hemoglobina umożliwia przenoszenie tlenu na duże odległości.

• Regulatorowa- koordynacja funkcji życiowych( białkami są niektóre hormony oraz przekaźniki komórkowe)

• Odpornościowa- rozpoznawanie i zwalczanie „antygenów”

• Lokomotoryczna- kurczliwość białek(aktyny, miozyny) w mięśniach.

ODDYCHANIE

1. Cykl Krebsa

Cykl Krebsa czyli cykl kwasu cytrynowego jest wspólnym szlakiem końcowego utleniania cząsteczek stanowiących paliwo komórkowe. Służy on również jako źródło elementów budulcowych dla biosyntez. Większość substratów energetycznych dostaje się do cyklu przy udziale acetylo-CoA, jest pomostem łączącym glikolizę z cyklem Krebsa. W komórkach eukariotycznych reakcja zachodzi w mitochondriom. Cykl rozpoczyna się od kondensacji szczawiooctanu(C₄) z acetylo-CoA,, prowadzącej do cytynianu(C₆). Oksydacja dekarboksylacyjna tego intermedia toru daje α-ketoglutaran (C₅). Podczas następnej reakcje dekarboksylacji oksydacyjnej α-ketoglutaranu do bursztyno-CoA zostaje odłączona następna cząsteczka CO₂. Wiązanie tri estrowe w bursztynylo-CoA zostaje rozerwane przez ortofosforan, przy czym powstaje bursztynian oraz ATP- związek op wysokim potencjale przenoszenia grupy fosforanowej. Bursztynian ulega utlenieniu do fuma rany, ten z kolei uwodnieniu do jabłczanu. W końcu utlenienie jabłczanu reaguje szczawiooctanu. Tak więc dwa atomy węgla dostają się do cyklu w postaci acetylo-CoA i tyleż pouszcza go w postaci CO₂ w wyniku kolejnych dekarboksylacji katalizowanych przez dehydrogenazę izocytrynianową i dehydrogenazę α-ketoglutaranową. Podczas czterech reakcji oksydoredukcyjnych zachodzących w cyklu, przekazywane są trzy pary elektronów na NAD⁺ i jedna na FAD⁺. Utlenianie tych zredukowanych przenośników elektronów przez łańcuch oddechowy dostarcza 9 cząsteczek ATP. Dodatkowo, bezpośrednio w cyklu kwasu cytrynowego tworzy sie1 cząsteczka związku mającego wysoki potencjał przenoszenia grupy fosforanowej. Stąd w wyniku całkowitego utlenienia każdego fragmentu dwuwęglowego do CO₂ i H₂O powstaje w sumie cząsteczek o wysokim potencjale przenoszenia fosforanu.

2. Czynniki wpływające na oddychanie

Czynnikami wpływającymi na oddychanie są:

Temperatura, tlen, dwutlenek węgla, woda, światło i wiele innych czynników.

TEMPERATURA:

-zbyt wysoka temperatura doprowadza to destrukcji układów enzymatycznych i śmierć komórki,

-przy temp. 0˚C oddychanie przebiega powoli ze względu na zahamowanie reakcji biochemicznych

-przy temp. 34-40˚C oddychanie najintensywniejsze

-przy temp. 40˚C gwałtowny wzrost zużycia tlenu bo zawodzą mechanizmy regulujące oddychanie

TLEN:

- w niskim stężeniu tlenu, oddychanie zachodzi proporcjonalnie do stężenia tlenu

- niedostatek tlenu- zaburzenia oddychanie, np. u korzeni, zahamowanie ich wzrostu, pobieranie wody i soli mineralnych, dochodzi do fermentacji a produktem końcowym jest alkohol, a nie woda.

DWUTLENEKWĘGLA:

-zwiększenie ilości, obniża intensywność oddychanie, ponieważ hamuje aktywność enzymów oddechowych

WODA:

-jest źródłem elektronow i protonów wodoru, niezbędnych do redukcji zaabsorbowanego dwutlenków węgla,

-niedobór wody wpływa u roślin n pośredni proces asymilacji CO powodując zamknięcie szparek liściowych i odcięcie tym samym dostępu CO do liści.

ŚWIATŁO:

-promienie niebieskie zwiększają oddychanie

-fotosynteza może hamować etapy I i II

Może dochodzić do fotorespiracji(czyli oddychanie świetlnego)

3. Glikoliza, dekarboksylacyjna oksydacja pirogronianu

Glikoliza jest procesem chemicznym zachodzącym często w organizmach żywych. Jest jednym z etapów oddychania zachodzącego w komórkach. Glikoliza polega na przemianie cukru ( najczęściej glukozy ) w kwas pirogronowy w warunkach beztlenowych, wyniku czego wydzielana jest energia w postaci ATP. Wzór reakcji glikolizy:

C₆H₁₂O₆ + 2Pi + 2ADP = 2CH3CHOHCOOH + 2ATP + H₂O

Proces glikolizy zachodzi z udziałem jedenastu enzymów. Enzymy oraz wszystkie substraty dostarczane są do cytoplazmy komórki, gdzie proces ten się odbywa. Glikoliza jest przemiana beztlenową lecz może zachodzić również w warunkach tlenowych.

Proces ten podzielony jest na dwa etapy.

W pierwszym dochodzi do ufosforylowania glukozy lub innego cukru będącego substratem glikolizy, np. fruktozy, sacharozy, glikogenu, skrobi. Do procesu tego zużywany jest ATP a produktem reakcji jest aldehyd 3-fosfoglicerynowy.

W drugim etapie , wyniku reakcji redukcji i utleniania powstaje kwas pirogronowy. W reakcji tej bierze udział dinukleotyd nikotynamidoadeninowy ( NAD+ ) a powstała energia kumulowana jest w cząsteczkach ATP.

Powstający w czasie glikolizy kwas pirogronowy bierze udział w procesach oddychania . Niezbędny jest w tak zwanym cyklu kwasów trikarboksylowych ( cykl Krebsa ).Przemiany te zachodzą w warunkach tlenowych.

Natomiast w warunkach beztlenowych przemiany kwasu pirogronowego wyglądają inaczej.

Niektóre drobnoustroje, np. drożdże mają zdolność rozkładania kwasu pirogronowego do alkoholu etylowego i dwutlenku węgla. Proces ten nazywany jest fermentacją alkoholową i wykorzystywany jest w przemyśle spożywczym.

Pirogronian może także ulec fermentacji mlekowej. Taka reakcja zachodzi czasem w mięśniach w czasie intensywnego wysiłku fizycznego i niedostatecznej ilości tlenu. Kwas pirogronowy jest zredukowany przez NADH do kwasu mlekowego. W czasie tej reakcji NADH utlenia się do NAD+, który może być ponownie wykorzystany w drugim etapie glikolizy.

Glikoliza nie dostarcza dużo energii. W czasie przemiany jednej cząsteczki glukozy powstaje około 200 kJ energii.

4. Łańcuch oddechowy

Łańcuch oddechowy a ściślej utlenianie końcowe w łańcuchu oddechowym. W tym etapie” spalania” glukozy utleniane są cząsteczki NADH do FADH₂, które zostały zsyntezowane we wcześniejszych etapach oddychania komórkowego. Określenie łańcuch oddechowy odnosi sie przede wszystkim do przenośników elektronów(czterech transbłonowych kompleksów białkowych wbudowanych w błonę grzebieni mitochondrialnych). Wędrówka elektronów umozliwia transport jonów wodorowych(3 z 4 kompleksów łańcucha SA pompami protonowyni) z matrix do przestrzeni pery mitochondrialnej. Powstający gradient elektrochemiczny protonów(teoria chemiosmotyczna Mitchella) napędza syntezę ATP. Ponieważ podczas tego typu fosforylacji elektrony z sybstrateu wędrują na tlen, nazwano ją fosforylacją oksydacyjną. BILANS: Elektrony z cząsteczek NADH+ H⁺ pozwalają na syntezę ok. 3 cząsteczek ATP, a z FADH₂- 2 cząsteczek ATP. Bilans daje więc 14 cząsteczek ATP z 1 cząsteczeki Pirogronian.

5. Budowa i synteza glukozy

Glukoza jest to cukier o 6 atomach węgla, wiec należy do grup heksoz.

6. Synteza i metabolizm sacharozy

7. Synteza i metabolizm skrobii

8. Cykl pentozo fosforanowy

9. Szlak jabłczanowy

10. Oddychanie alternatywne.

---