Biochemia, wykład

  1. Wykład 1

Podstawową makrocząsteczką żywych organizmów jest białko.

Białka zbudowane są przede wszystkim z aminokwasów.

Aminokwasy są to aminy pochodne kwasów jedno lub dwu karboksylowych wyjątek – prolina (jest iminokwasem). Aminokwasy dzielimy wg kilku podziałów, m.in. wg ich obecności w białku na aminokwasy białkowe i nie białkowe.

Aminokwasy białkowe charakteryzują się kilkoma charakterystycznymi cechami:

  1. Przynależą do szeregu L

  2. Grupa aminowa jest w pozycji α

  3. Posiadają alkile (rodniki) o budowie łańcuchowej lub pierścieniowej. Łańcuchy mogą być proste lub złożone, pierścienie mogą być cykliczne lub heterocykliczne.

  4. Każdy aminokwas posiada nazwę potoczną i systematyczną, np. gliceryna – kwas aminooctowy. Najczęściej używamy nazw potocznych. Nazwy potoczne pochodzą od źródła surowca, z którego powstały, np. tyrozyna od tyros (ser).

W białku stwierdza się obecność 20 aminokwasów. Aminokwasy białkowe dzielą się na egzogenne i endogenne.

Egzogenne to takie których organizm zwierzęcy nie jest w stanie zsyntetyzować. Musi przyjąć z pożywieniem.

Endogenne wytwarzane przez organizm zwierzęcy.

Wśród aminokwasów egzogennych wyróżniamy trzy grupy:

  1. Aminokwasy o łańcuchu rozgałęzionym (walina, leucyna)

  2. Aminokwasy aromatyczne (fenyloalanina, tryptofan, tyrozyna)

  3. Pochodne kwasu 2-amino,3-formylopropionowego (lizyna, metionina, treonina)

Aminokwasy białkowe dzielimy też w zależności od rodnika:

  1. Aminokwasów z niepolarnym rodnikiem (alanina, leucyna, walina)

  2. Aminokwasy z polarnym rodnikiem, niezdysocjowanym lub słabo (cysteina)

  3. Aminokwasy kwaśne i ich amidy (kwas asparaginowy, gluteinowy, gluteina)

  4. Aminokwasy zasadowe (lizyna, arginina, histydyna)

  5. Aminokwasy aromatyczne z rodnikiem w formie pierścienia aromatycznego (tryptofan, tyrozyna, fenyloalanina)

Każdy aminokwas posiada punkt izoelektryczny pI.

pI jest to taka wartość pH przy której dominuje jon obojnaczy, a forma aminowa i kationowa jest w równowadze.

Obok aminokwasów białkowych we wszystkich organizmach żywych występują aminokwasy niebiałkowe, a najważniejsze z nich to:

  1. L-ornityna, L-cytynina, są to produkty pośrednie cyklu mocznikowego

  2. Kwas γ-aminokwasowy, jako hormon

  3. β-alanina, składnik koenzymu A

Peptydy są zbudowane z co najmniej dwu aminokwasów połączonych ze sobą wiązaniem peptydowym, w peptydach (w białkach) zawsze tworzone między grupą karboksylową I aminokwasu a aminową II aminokwasu.

W zależności od ilości aminokwasów tworzących peptydy, wyróżniamy:

  1. oligopeptydy (2-10)

  2. polipeptydy (11-100)

  3. białka (powyżej 100)

Białko od peptydu różni się tym że posiada strukturę przestrzenną i ulega denaturacji.

Wyróżniamy dwa rodzaje peptydów:

  1. powstałe w wyniku hydrolizy białek

  2. peptydy naturalne

Peptydy naturalne powstają na innej drodze niż białka (nie w procesie t…) pełnią szereg ważnych funkcji metabolicznych wśród najważniejszych peptydów wyróżniamy: glutation, , oksytocyna, wazopresyna, insulina, glukagon).

Glutation jest to trypeptyd zbudowany z kwasu glutaminowego, cysteiny, glicyny, o nazwie γ−glutamylo,cysteinyloglicyna. Główną rolą glutationu jest regulowanie potencjału redox komórki, glutation bierze też udział w wiązaniu metali ciężkich chroniąc organizm przed zatruciem. Pulę komórkową glutationu tworzy forma zredukowana (do 90%) i utleniona (10%).

Oksytocyna jest hormonem tylnego płata przysadki mózgowej podobne do wazopresyny. Oksytocyna odpowiada za skurcze mięśniówki gładkiej dróg rodnych przez co wywołuje poród.

Białka są to związki charakteryzujące się strukturą przestrzenną i zbudowane przede wszystkim z aminokwasów, w przypadku białek złożonych wchodzą inne związki. Podstawowy szkielet białek stanowią powtarzające się w łańcuchu polipeptydowym elementy CH, CO, NH.

  1. Wykład 2

Elementy te tworzą węgiel α oraz wiązania peptydowe, po złączeniu tych elementów ze sobą i dopisaniu do węgla α rodników, powstaje łańcuch polipeptydowy przyjmujący postać linii zygzakowatej. Zygzakowatość łańcucha wynika z faktu, że z trzech powtarzających się elementów tylko węgiel α ma możliwie swobodną rotację, wokół dwóch swoich wiązań, tj. węgiel α, azot, węgiel α z węglem karboksylowym. Natomiast wiązanie peptydowe wykazuje znaczną sztywność. Wszystkie 4 cząsteczki (węgiel, tlen, azot i wodór) są rozmieszczone w tej samej płaszczyźnie. Sztywność polega z tego, że wiązanie między węglem i azotem ma w 40% charakter wiązania podwójnego, a wiązanie między węglem a tlenem w 60% ma charakter wiązania podwójnego.

Prawie wszystkie funkcje białek mają ścisły związek z ich strukturą przestrzenną. Wyróżniamy dwie podstawowe struktury białek:

  1. pierwotną (inaczej pierwszorzędową)

  2. wtórną (inaczej drugorzędową)

Struktura pierwszorzędowa jest to kolejność aminokwasów w łańcuchu (sekwencja aminokwasów), strukturę tę podtrzymują wiązania kowalencyjne: peptydowe. Struktura ta jest uwarunkowana genetycznie. Na jej podstawie określane jest pokrewieństwo.

Pod pojęciem struktury wtórnej rozumiemy:

  1. strukturę drugorzędową

  2. strukturę trzeciorzędową

  3. strukturę czwartorzędową

a) Struktura drugorzędowa może być:

- struktura α-helisy

- struktura β-dywanowa

- mieszana (α i β)

Struktura α-helisy jest to śrubowo prawoskrętnie zwinięty łańcuch polipeptydowy wokół wspólnej hipotetycznej osi. Na każdy skręt helisy przypada 3,6 reszt aminokwasowych a każdy skok helisy=0,54 nanometra, strukturę tę utrzymują wiązania wodorowe powstające głównie miedzy tlenem grupy CO i azotem grupy NH znajdujących się w pobliżu reszt aminokwasowych.

Struktura β-dywanowa mówi nam o pofałdowaniu (ułożeniu równolegle do siebie odcinków tego samego łańcucha polipeptydowego), struktura drugorzędowa β utrzymywana jest również przez wiązania wodorowe, ale w tym przypadku poprzeczne.

Struktura mieszana to taka gdzie w ramach pojedynczego łańcucha białkowego występuje α-helisa i struktura dywanowa.

b) Struktura trzeciorzędowa białek jest to sposób ułożenia przestrzeni pojedynczego łańcucha polipeptydowego w kształcie kuli, kłębka (struktura globularna) strukturę trzeciorzędową utrzymują wiązania wodorowe jonowe hydrofobowe dwusiarczkowe i siły wanderwalsa <w najmniejszym stopniu>

c) struktura czwartorzędowa jest to sposób połącznia przestrzeni kilku łańcuchów polipeptydowych, strukturą tą charakteryzują się białka pełniące bardzo złożone funkcje metaboliczne wiele enzymów, np. kolagen i hemoglobina, strukturę tę utrzymują te same wiązania obecne w strukturze trzeciorzędowej, zmieniają się jedynie proporcje między nimi znacznie więcej jest wiązań dwusiarczkowych.

RODZAJE WIĄZAŃ

-wśród najważniejszych wiązań wyróżniamy dwusiarczkowe, które tworzone są miedzy atomami siarki znajdujących się w pobliżu dwóch cząsteczek reszt cysteiny, dzieje się to w wyniku odwodorowania grup SH tego aminokwasu, jest to silne wiązanie kowalencyjne.

- Wiązania wodorowe, wiązania te tworzą się między dwoma elektroujemnymi atomami za pośrednictwem wodoru inaczej mówiąc dwa elektroujemne atomy walczą o wodór najczęściej między tlenem i azotem, tlenem i tlenem, azotem i azotem. W białkach najwięcej jest wiązań między tlenem i azotem.

- Wiązania jonowe tworzą się miedzy grupami o przeciwnych ładunkach elektrycznych w białkach najczęściej miedzy COO- i NH3+

- Wiązania (odziaływania) hydrofobowe tworzą się one miedzy rodnikami takich aminokwasów jak walina, leucyna, izoleucyna grupy te unikając kontaktu z woda mają wpływ na strukturę przestrzenna białka.

W zależności od kształtu cząsteczek białka, dzielimy je na białka:

  1. fibrylarne inaczej włókienkowe

  2. globularne (sferyczne)

- włókienkowe maja kształt wydłużony są nierozpuszczalne lub słabo rozpuszczalne w wodzie, są odporne na wysokie temperatury i na różne działania mechaniczne: naciski, rozciągania, przykładem jest kolagen.

- globularne są to białka najczęściej dobrze rozpuszczalne w wodzie, białka mało odporne na denaturację najczęściej pełniące funkcje katalityczne enzymów.

Inny podział białek oparty jest na składzie chemicznym ;

- Proste

- złożone

Proste zbudowane są wyłącznie z aminokwasów

Białka złożone obok aminokwasów zawierają dodatkowe składniki

Wśród najważniejszych grup białek prostych wyróżniamy:

  1. protaminy

  2. histony

  3. albuminy

  4. globuliny

  5. prolaminy i gluteliny

  6. skleroproteiny

Protaminy są to białka o niskich masach cząsteczkowych, są dobrze rozpuszczalne w wodzie stosunkowo termo stabilne są to białka o charakterze zasadowym, gdyż w swoim składzie mają duże ilości lizyny argininy i histydyny, nie zawierają aminokwasów siarkowych i często występują w połączeniu z kwasami nukleinowymi.

Histony są to również niskocząsteczkowe białka 20 do 30 kilo Daltonów 200-300 reszt, są to o małej zawartości aminokwasów siarkowych, nie zawierają tryptofanu są średnio termo stabilne, występują w dużych ilościach w chromatynie jądrowej, rozpuszczalne dobrze w roztworach soli, biorą udział w ekspresji genów.

Albuminy są obecne w każdej żywej komórce łatwo rozpuszczalne w wodzie, termo labilne, masy miedzy 15 -65 kilo Daltonów, 10 650 reszt aminokwasowych. Są to białka o uniwersalnym składzie aminokwasowym wśród nich są różne hormony, niektóre enzymy, substancje transportujące metabolity, inne regulują ciśnienie osmotyczne różnych cieczy ustrojowych w tym krwi. Najważniejsze z nich to albumina jaja kurzego, albumina surowicy krwi czy tez różne albuminy zbóż, laktoalbumina – mleko.

Globulina są to białka najczęściej występujące, wśród nich jest wiele enzymów, są białkami zapasowymi, znacznie gorzej rozpuszczalne w wodzie niż albuminy, stosunkowo termo labilne (nieodporne), uniwersalny skład aminokwasowy, dużo jest ich w roślinach motylkowatych, zwłaszcza strączkowych, osoczu krwi, mleku.

Prolaminy i gluteliny typowe białka roślinne, występują głównie w ziarniakach zbóż, stanowiąc podstawową masę glutenu, są to białka kwaśne, dobrze rozpuszczają się w 60 do 80 % etanolu, wśród najważniejszych prolamin jest gliadyna pszenicy, hordeina jęczmienia, zeina kukurydzy. Gluteliny występują również w ziarniakach zbóż, rozpuszczają się tylko w roztworach słabych kwasów i zasad, białka kwaśne, masy cząsteczkowe są wysokie około 3 000 000-3 500 000 Daltona. Białka roślinne pełnią przede wszystkim funkcje zapasowe.

Skleroproteiny są to biała fibrylarne (włókienkowe), typowe białka zwierzęce, wchodzą w skład tkanki łącznej, np. kreatyna, kolagen, elastyna, fibryna. Są to białka bardzo odporne na wysokie temperatury zawierają zawsze dużo proliny, hydroksyproliny, glicyny.

BIAŁKA ZŁOŻONE w zależności od rodzaju składnika niebiałkowego, nieaminokwasowego dzielimy je na:

  1. fosfoproteiny

  2. glikoproteiny

  3. lipoproteiny

  4. nukleoproteiny

  5. chromoproteiny

  6. metaloproteiny

- Fosfoproteiny w swoim składzie obok aminokwasów zawierają fosfor, jest to najmniej liczna grupa białek, ale bardzo ważna z punktu widzenia ich roli w żywieniu młodych ssaków, białka te maja kwas fosforowy estrowo związany z grupą OH seryny lub treoniny obecnej w tym białku, np. kazeina mleka, witelina i fosfityna żółtka jaj ptasich.

- Glikoproteiny obok aminokwasów zawierają składnik cukrowy, tymi cukrowcami najczęściej są galaktoza, mannoza, glukozamina. Białka te występują we krwi i różnych śluzach, niektóre są hormonami (erytropoetyna), inne enzymami (glukoamylaza), zawartość składnika cukrowego może dochodzić do 40% masy białka. Chronią organizmy przed zamarzaniem, wśród nich są substancje grupowe krwi.

- Lipoproteiny zawierają obok aminokwasów tłuszcze właściwe, fosfolipidy, kwasy tłuszczowe, cholesterol, występują gównie w błonach komórkowych, duże ilości w tkance nerwowej zwłaszcza w mózgu, ich zawartość może sięgać do 25% masy białka (tłuszcze).

- Chromoproteiny obok aminokwasów zawierają barwny składnik, tym składnikiem może być hem w przypadku hemoprotein, flawiny (żółte) u flawoprotein, karoteny i karotenoproteiny. Przykładami tych białek jest hemoglobina, mioglobina, katalaza. Pełnia różne funkcje, np. transport tlenu, magazynowanie tlenu, np. leghemoglobina uczestniczy w wiązaniu azotu atmosferycznego przez bakterie.

- Metaloproteiny obok aminokwasów w składzie posiadają metal, np. żelazo w przypadku ferrytyny, w przypadku oksydaz miedź, u fosfataz magnez. Pełnia różne funkcje enzymów czy też funkcje magazynujące metale.

- Nukleoproteiny obok aminokwasów w swoim składzie zawierają DNA lub RNA, występują w rybosomach, gdzie biorą udział w biosyntezie białka, są składnikami wirusów roślinnych, biorą też udział w dziedziczeniu, występują w jądrze komórkowym.

FUNKCJE BIAŁEK (najważniejsze):

- Katalityczna – enzymatyczna (ureaza, katalaza, peroksydaza, amylaza)

- Strukturalna (kolagen, keratyna, elastyna)

- Transportujaca (hemoglobina, albuminy transportujące kwasy tłuszczowe, transferryna transportująca żelazo)

- Układ kurczliwy odpowiedzialny za skurcz mięśni (aktyna i miozyna w naszych mięśniach)

- Hormonalna (insulina)

- Ochronna (fibryna, interferon, immunoglobuliny)

- Zapasowa (kazeina w mleku, prolaminy: a dokładniej gliadyna w ziarniakach zbóż, albuminy i globuliny w jajach kurzych)

Przykłady białek: hemoglobina jest to podstawowe białko erytrocytów stanowi aż jedną trzecia ich masy, funkcją tego białka jest transport tlenu do wszystkich tkanek organizmu za pośrednictwem krwiobiegu, zbudowana jest z czterech podjednostek: dwóch α i dwóch β, każdy z tych łańcuchów połączony jest z jedną cząsteczką hemu, cztery podjednostki połączone są ze sobą tworząc białko w kształcie kuli. Hem inaczej żelazo, protoporfiryna składa się z części organicznej i żelaza, część organiczna jest zbudowana z 4 pierścieni pirolowych połączonych ze sobą mostkami pirolowymi, atom żelaza umieszczony jest w centrum pierścienia tetrapirolowego i połączony jest czterema wiązaniami koordynacyjnymi z atomami azotu pierścieni pirolowych, atom żelaza w hemie zawsze występuje jako Fe2+, żelazo to posiada 6 wiązań koordynacyjnych, oprócz 4 wyżej wspomnianych posiada jeszcze 2 z których jedno służy do połączenia się z białkiem za pośrednictwem histydyny, a drugie do przyłączenia tlenu, tlen przyłącza się do jonu żelazowego hemu tworząc jasno czerwoną oksyhemoglobinę, wiązanie tlenu przez hemoglobinę jest reakcją odwracalna, a jej kierunek zależy od stężenia tlenu w komórce.

  1. Wykład 3

Kolagen jest to białko zwierzęce będące głównym składnikiem skóry, kości, ścięgien, zębów i różnych chrząstek, jest to białko zbudowane z 3 łańcuchów polipeptydowych połączonych ze sobą wiązaniami głównie wodorowymi. W skład tego białka wchodzą duże ilości proliny, hydroksyproliny, glicyny. Te trzy łańcuch polipeptydowe skręcone w formie α helisy tworzą wspólnie lewoskrętną super helisę. W skład kolagenu nie wchodzą reszty cysteiny, tak więc nie ma tam wiązań SS (siarkowych), kolagen jest nie rozpuszczalny w wodzie, jest bardzo wytrzymały na działania mechaniczne.

BIOENERGETYKA

Bioenergetyka, czyli przemiany energii w żywych organizmach.

Każdy żywy organizm do syntezy swoich cząsteczek potrzebuje podstawowych jednostek budulcowych oraz odpowiedniej puli energii. Wszystkie związki uczestniczące w przemianach metabolicznych charakteryzują się określonym potencjałem chemicznym. Potencjał chemiczny jest to pula energii, która uwalnia się podczas całkowitego utlenienia tego związku do CO2 i H2O.

Związki chemiczne wchodząc w przemiany mogą zwiększać lub zmniejszać swój potencjał chemiczny. Podnoszenie potencjału chemicznego zawsze wiąże się z pobieraniem energii ze środowiska i ma miejsce w reakcjach endoergicznych (przemianach anabolicznych) – reakcjach syntezy. Obniżenie potencjału chemicznego idzie w parze z uwalnianiem energii i odbywa się w reakcjach egzoergicznych (katabolicznych) czyli w reakcjach rozkładu, stąd w reakcjach egzoergicznych potencjał chemiczny produktu jest zawsze niższy niż potencjał chemiczny substratu, podczas gdy w endoergicznych jest odwrotnie. Energia pobierana lub uwalniana w przemianach nosi nazwę energii swobodnej i oznaczana jest dużą literą G jej zmiany oznaczane są -ΔG lub +ΔG, w reakcjach egzoergicznych ten zapis to –ΔG, a w reakcjach endoergicznych +ΔG

Energia swobodna G energia konieczna, albo niezbędna do syntezy wielu związków, pochodzi przede wszystkim z rozkładu innych związków, mówimy wówczas o tak zwanym sprzężeniu energetycznym. Sprzężenie energetyczne jest to połączenie procesów rozkładu z procesami syntezy, łącznikiem tych przeciwstawnych procesów jest zawsze lub najczęściej ATP (Adenozynotrifosforan).

Uwalniana w czasie rozkładu makrocząsteczek energia może też służyć do:

  1. transportu aktywnego wielu związków

  2. do pracy mięśni

  3. do wytworzenia energii cieplnej

Związki makroergiczne, to takie których wiązania chemiczne podczas ich hydrolizy dostarczają co najmniej 25 KJ energii. W zależności od rodzaju tych wiązań związki te dzielimy na:

  1. Posiadające wiązania bezwodnikowe, fosforanowo-fosforanowe, np. ATP, GTP, CTP, UTP, TTP

  2. Związki o wiązaniach karboksylofosforanowych, np. acetylofosforan ,1,3-difosfoglicerynian

  3. Związki o wiązaniach guanidynofosforanowych, fosfageny, np. fosfokreatyna i fosfoarginina

  4. Związki o wiązaniach tioestrowych, np. acetylo koenzym A (acetylo-CoA).

Najważniejszym z punktu widzenia metabolizmu jest ATP jest on nazywany, albo określany uniwersalnym związkiem makroergicznym, gdyż to on najczęściej bierze bezpośredni udział w przemianach anabolicznych i katabolicznych, pozostałe związki najczęściej pełnia funkcje magazynujące.

Enzymy są to biokatalizatory czyli związki o charakterze białkowym katalizujące niemal wszystkie reakcje przebiegające w żywych organizmach. Enzym zawsze zbudowany jest z części białkowej zwanej apoenzymem, do której najczęściej dołączana jest część niebiałkowa nazywana kofaktorem. apoenzym+kofaktor tworzy choloenzym, częścią niebiałkową może być związek niskocząsteczkowy (związek nieorganiczny, np. jon metalu) lub związek organiczny (np. Koenzym lub grupa prostetyczna). Grupa prostetyczna różni się tym od koenzymu, że jest na stałe połączona z apoenzymem, próba jej odłączenia od apoenzymu kończy się utrata aktywności i denaturacją, natomiast koenzym może być od dysocjowany od apoenzymu, ma to miejsce podczas regeneracji koenzymu, przykładem grupy prostetycznej jest FAD, FMN, a przykładem koenzymu NAD+ NADP+. Warunkiem przebiegu reakcji enzymatycznej jest osiągnięcie przez reagujące cząsteczki substratu stanu aktywnego (stanu przejściowego), w stanie tym substrat jest na podwyższonym poziomie energetycznym, czyli rolą enzymu jest obniżenie energii aktywacji to jest energii niezbędnej do uzyskania przez substrat stanu aktywnego. Pomimo, że enzymy najczęściej mają wysokie masy cząsteczkowe i zbudowane są z kilku podjednostek w tworzeniu kompleksu enzymu z substratem uczestniczą tylko trzy grupy funkcyjne aminokwasów wchodzące w skład białka, aminokwasy te nazywamy aminokwasami kontaktowymi, tworzą one tak zwane centrum aktywne enzymu. Najczęściej są nimi cysteina, seryna, kwas asparaginowy, treonina, lizyna i arginina.

W tworzeniu ES biorą udział wiązania jonowe tworzące się miedzy polarnymi grupami aminokwasów kontaktowych (tworzących centrum aktywne), a z drugiej strony substratu. Pomimo, że aminokwasy tworzące centrum aktywne są od siebie oddalone w strukturze pierwszorzędowej białka, to dzięki trzeciorzędowej strukturze (globularne) cząsteczki enzymu są one obok siebie. Centrum aktywne zawsze znajduje się w głębi globularnej cząsteczki enzymu i zawsze ma charakter polarny, otoczenie centrum aktywnego ma charakter hydrofobowy, w celu uniemożliwienia cząsteczkom H2O kontaktu z grupami funkcyjnymi aminokwasów tworzących centrum. Istnieje wiele teorii wyjaśniających mechanizm tworzenia kompleksu enzym-substrat (ES) najważniejsze z nich to:

  1. model zamka i klucza autorstwa Fischera

  2. model indukcyjny autorstwa Koschlanda

Według Fischera tworzenie ES możliwe jest tylko w sytuacji gdy substrat pod względem struktury pasuje strukturze centrum aktywnego enzymu.

Według Koschalnda zarówno substrat może wpływać na strukturę centrum aktywnego enzymu jak i centrum aktywne jest w stanie zmodyfikować strukturę substratu, czyli enzym i substrat dopasowują się do siebie, nawzajem oddziałują.

  1. Wykład 4

Kinetyka reakcji enzymatycznych

Wśród najważniejszych czynników kinetycznych mających wpływ na szybkość reakcji są:

  1. wpływ stężenia enzymu

  2. stężenie substratu

  3. temperatura

  4. pH

- Stężenie enzymu wpływa wprost proporcjonalnie na szybkość katalizowanej reakcji pod warunkiem, że substrat jest w nadmiarze oznacza to że 2,3,4-krotny wzrost stężenia enzymu powoduje 2,3,4-krotny przyrost szybkości reakcji, szybkość reakcji mierzona jest ubytkiem substratu lub przyrostem ilości produktu w jednostce czasu.

- Wraz ze wzrostem stężenia substratu następuje przyrost szybkości reakcji w pierwszej fazie wzrostu S szybkość przyrasta niemal wprost proporcjonalnie, reakcja biegnie z szybkością pierwszego rzędu dalszy przyrost stężenia substratu powoduje przyrost szybkości reakcji, ale zależność ta nie jest już wprost proporcjonalna, krzywa "kładzie się", reakcja wówczas biegnie z szybkością mieszaną między pierwszego rzędu a zerem, dalszy wzrost stężenia substratu nie powoduje przyrostu szybkości reakcji, w tej fazie reakcja biegnie szybkością zerowego rzędu. W początkowym okresie doświadczenia przy niskich stężeniach substratu tylko niektóre centra aktywne enzymu są wysycone substratem, enzym jest w nadmiarze i oczekuje na substrat. W drugiej fazie wzrostu stężenia większość centrów aktywnych enzymu tworzy kompleks ES stąd przyrost stężenia enzymu wywołuje stosunkowo niewielkie przyrosty V(szybkości reakcji). W trzeciej fazie wzrostu Substratu wszystkie centra aktywne są wysycone substratem w 100%, nowe cząsteczki substratu mogą przyłączyć się jedynie do uwolnionych wcześniej centrów, stąd nie obserwuje się dalszego przyrostu V, zależność tę przedstawia wykres Michaelisa-Menten. Stała jest to takie stężenie substratu przy którym reakcja enzymatyczna biegnie z połową szybkości maksymalnej, wyrażana w mol na l, jej wartość mówi nam o powinowactwie enzymu do do substratu, im wyższe Km tym niższe powinowactwo. W warunkach laboratoryjnych do wyznaczania stałej Km służy wykres Lineweawera-Burka.

- Temperatura wpływa w dwojaki sposób na szybkość reakcji enzymatycznej z jednej strony wzrost temperatury powoduje przyrost energii kinetycznej i zgodnie z regułą Wandhofa przyrost temperatury o 10 stopni wywołuje dwu-trzykrotny wzrost szybkości reakcji, z drugiej strony enzym jest białkiem i wzrost temperatury powoduje denaturację białka enzymatycznego, stąd też każdy enzym charakteryzuje się temperaturą optymalną, czyli taką, przy której zarówno w pierwszej jak i każdej następnej minucie reakcji powstaje taka sama ilość produkt. Wartość temperatury optymalnej enzymów zależy w dużym stopniu od źródła pochodzenia, czy też miejsca funkcjonowania enzymu w organizmie.

- Każdy enzym charakteryzuje się optymalnym pH swojego działania, w optymalnym pH struktura enzymu umożliwia utworzenie centrum aktywnego, a w konsekwencji tego powstanie kompleksu ES, niewielkie odchylenia od optimum pH powodują zmianę stopnia zdysocjowania różnych grup funkcyjnych, zarówno tych w centrum jak i po za nim. Utrudnione jest tworzenie ES, ale reakcja mimo spowolnienia przebiega, można przywrócić maksymalną szybkość doprowadzając do optimum.

Znaczne odchylenia od optimum pH powodują zmiany nieodwracalne, czyli denaturację enzymu, optymalna wartość pH enzymu zależy również od środowiska, w którym enzym funkcjonuje, stąd pepsyna działająca w soku żołądkowym ma pH około 2, a trypsyna funkcjonująca w jelicie cienkim ma pH około 8.

Na aktywność enzymu mają wpływ też inne czynniki po za wyżej wymienionymi, niektóre z nich działają niespecyficznie, np. alkohole, różne inne rozpuszczalniki organiczne. Natomiast większość czynników regulujących metabolizm działa specyficznie, te specyficzne czynniki dzielimy na inhibitory i aktywatory. Inhibitory mogą wywoływać inhibicję nieodwracalną lub odwracalną, wśród inhibitorów działających nieodwracalnie są: DFP, E64. Inhibitory działające nieodwracalnie łączą się z enzymem silnymi wiązaniami kowalencyjnymi stąd też praktycznie niemożliwe jest cofnięcie tej inhibicje. Wiele inhibitorów jest, albo było składnikami broni chemicznej, np. gazy paraliżujące niektóre z nich służą dzisiaj jako inhibitory diagnostyczne wykorzystywane do poznawania centrum aktywnego.

Inhibicja odwracalna - wśród inhibitorów działających odwracalnie wyróżniamy inhibitory:

  1. współzawodnicze kompetycyjne

  2. niewspółzawodnicze niekompetycyjne

Inhibitor współzawodniczący jest podobny pod względem struktury do substratu, konkuruje on z substratem o centrum aktywne, przyłącza się podobnie jak substrat, inhibicję można cofnąć zwiększając stężenie substratu, stopień zahamowania reakcji zależy od stosunku stężenia substratu do stężenia inhibitora oraz od powinowactwa enzymu do inhibitora i substratu.

Inhibicja niewspółzawodnicząca może wiązać się z enzymem jak i z kompleksem ES, inhibicji tej nie można cofnąć zwiększając stężenie substratu, stopień zahamowania reakcji zależy wyłącznie od stężenia inhibitora, inhibicje tę można cofnąć wprowadzając wiążący inhibitor, najczęściej inhibitor ten przyłącza się w inne miejsce niż centrum aktywne.

Wśród czynników zaliczanych do aktywatorów wyróżnia się trzy ich grupy:

  1. związki niskocząsteczkowe działające jako kofaktory w tym najliczniejszą grupa są jony metali

  2. związki regulujące potencjał oksydoredukcyjny

  3. mechanizmy ograniczonej proteolizy (aktywacji proteolitycznej)

a – Jony metali aktywują enzym w następujący sposób :

- mogą wchodzić w skład centrum aktywnego, np. jon molibdenu w reduktazie azotanowej,

- mogą wiązać się z apoenzymem, np. jon cynku,

- mogą utrwalać strukturę przestrzenną enzymu Ca2+ u α amylazy,

- mogą pośredniczyć w tworzeniu kompleksu enzymu z substratem, np. Mg2+ u syntetazy glutaminy

b – wiele enzymów w centrum aktywnym posiada grupy SH cysteiny, aktywność tych enzymów w dużym stopniu zależy od obecności związków regulujących potencjał redox. Takimi związkami mogą być cysteina, zredukowany glutation, kwas askorbinowy, 2-merykaptometanol.

c – niektóre enzymy, a zwłaszcza trawienne wytwarzane są jako proenzymy (zymogeny), forma ta jest nieaktywna, dopiero przekształcenie proenzymu w właściwy enzym powoduje, że enzym katalizuje reakcje, przykładem tej ograniczonej proteolizy jest przekształcenie pepsynogenu w pepsynę lub trypsynogenu w trypsynę.

Pepsynogen H+ pepsyna + 5 oligopeptydów (środowisko kwaśne)

Trypsynogen enterokinaza trypsyna-lle+ Lys-(Asp)4-Val

Ograniczona proteoliza polega na tym, że od proenzymu odłączana jest pewna część zbędna z punktu widzenia katalizy, odłączenie tego fragmentu powoduje zmiany w strukturze przestrzennej umożliwiające powstanie centrum aktywnego.

Enzymy allosteryczne regulatorowe są to takie enzymy, które obok centrum aktywnego posiadają centrum allosteryczne, do tegoż centrum przyłączane są efektory allosteryczne. Działanie tych efektorów polega na tym, że przyłączając się zmieniają strukturę przestrzenną enzymu, wśród tych efektorów są:

  1. efektory pozytywne

  2. negatywne

Pozytywne przyłączając się do centrum allosterycznego zmieniają strukturę, na taką która umożliwia powstanie centrum aktywnego.

Negatywne powodują zanikanie już istniejącego centrum aktywnego.

Wśród enzymów regulatorowych są enzymy o budowie monomerycznej czyli jednopodjednostkowej i enzymy o budowie oligomerycznej, czyli kilkupodjednostkowej, u tych pierwszych obydwa centra są w ramach tej samej podjednostki, u oligomerycznych centrum aktywne jest w podjednostce katalitycznej, a centrum allosteryczne w podjednostce regulatorowej.

Enzym regulatorowy może być regulowany na drodze tak zwanego sprzężenia zwrotnego, sprzężenie to polega na tym, że końcowy produkt lub jeden z produktów pośrednich pełni funkcje efektora pozytywnego lub negatywnego, negatywne sprzężenie ma miejsce wówczas gdy wyżej wspomniany produkt przyłącza się do centrum allosterycznego pierwszego enzymu rozpoczynającego ciąg reakcji i zatrzymuje wszystkie w tym szlaku reakcje, przykładem jest działanie izoleucyny na dehydratazę treoninową w wieloetapowym szlaku syntezy izoleucyny z treoniną.

Przykładem pozytywnego sprzężenia zwrotnego jest działanie acetylokoenzymu A na syntazę cytrynianową w cyklu Krebsa.

  1. Wykład 5

(Kaskada cyklazy adenylanowej (obrazek)?)

Innym sposobem regulacji aktywności enzymów wykorzystującym efekt allosteryczny jest działanie hormonów. Hormony, np. adrenalina przyłączając się do receptorów umieszczonych na zewnętrznej powierzchni błony komórkowej aktywują cyklazę adenylanową, która jest zlokalizowana na wewnętrznej powierzchni błony komórkowej, na przeciw receptora. cAMP jest uważany jako uniwersalny efektor allosteryczny wielu enzymów w tym kinaz białkowych, które dalej aktywują kolejne enzymy, tak więc rola hormonów, w tym przypadku rola adrenaliny, polega na wywołaniu kaskadowo działających mechanizmów aktywacji.

SPECYFICZNOŚĆ KATALIZY ENZYMATYCZNEJ

Wyróżniamy dwa rodzaje specyficzności:

  1. w stosunku do typu katalizowanej reakcji

  2. w stosunku do substratu

a) Specyficzność ta polega na tym, że dany enzym zdolny jest do przekształcania danego substratu w ściśle określonym kierunku, czyli dany enzym katalizuje jedną z termodynamicznie możliwych reakcji jakiej może podlegać substrat wchodzący z nim w kompleks, jeżeli substrat przekształcany jest w różnych kierunkach dając różne produkty wówczas każda z tych reakcji katalizowana jest przez inny enzym.

b) Ten typ specyficzności nazywamy specyficznością substratową, jest to inaczej zdolność enzymu do wyboru odpowiedniego substratu, wyróżnia się:

– specyficzność substratową absolutną, np. ureaza, gdzie substratem danego enzymu może być tylko jeden związek – mocznik.

– grupowa, oznacza to, że grupa związków zbliżonych do siebie strukturalnie może pełnić funkcje substratów, np. fosfataza kwaśna wykorzystuje jako substraty różne monoestry fosforanowe

– specyficzność stereochemiczna - w stosunku do związków szeregu L lub D, np.

1) syntetaza glutaminy wykorzystuje wyłącznie jako substrat L-glutaminian, z D-glutaminianem nie ma produktu

2) w stosunku do związków o konfiguracji α lub β lub wiązań α lub β, np. α-amylaza rozkłada wyłącznie wiązania α-1,4 glikozydowe

3) w stosunku do izomerów cis lub trans hydroliza jabłczanowa przyłącza H2O wyłącznie do fumaranu (formy trans) nie wykazuje aktywności wobec maleinianu, czyli formy cis.

Jednostki aktywności

wśród wielu sposobów wyrażania aktywności enzymatycznej najważniejsze są cztery pojęcia:

  1. jednostka uniwersalna, standardowa – jest to taka ilość enzymu, która przekształca w ciągu jednej minuty jeden mikromol substratu w temperaturze 30oC, optymalnym pH i nadmiarze substratu

  2. jeden KATAL , jeden milikatal, mikro- i nanokatal – jeden katal jest to taka ilość enzymu, która przekształca jeden mol substratu w ciągu jednej sekundy w temp 30oC, optymalnym PH i nadmiarze substratu, jest to bardzo duża jednostka stąd najczęściej wyniki podajemy w mikrokatalach lub nanokatalach.

  3. Aktywność właściwa enzymu jest to liczba jednostek uniwersalnych (standardowych) lub katali przeliczona na jeden miligram białka

  4. Aktywność molekularna inaczej liczba obrotów, ta liczba mówi nam o ilości moli substratu przekształconych przez jeden mol enzymu warunkiem stosowania tej aktywności jest znajomość masy cząsteczkowej enzymu

KLASY ENZYMÓW

wyróżniamy sześć podstawowych klas enzymów, każda z tych klas ma swój numer:

  1. Oksydoreduktazy

  2. transferazy

  3. hydrolazy

  4. liazy

  5. izomerazy

  6. ligazy inaczej syntetazy

Enzymy posiadają swoje nazwy enzymatyczne oraz potoczne, nazwy te składają się najczęściej z dwóch elementów wyrazów: pierwszy element o końcówce aza mówi nam o typie katalizowanej reakcji, drugi mówi nam o substracie, na który działa enzym lub o donorze i akceptorze różnych grup lub atomów, np. dehydrogenaza alkoholowa (przykład enzymu – dehydro to jest odwodorowanie alkoholowa to znaczy że substratem odwodorowanym jest alkohol). Klasyfikacje systematyczną enzymu oznacza się wg kodu czteroliczbowego, w którym każda cyfra oddzielona jest od kolejnej kropką

pierwsza cyfra w kodzie oznacza – klasę do której enzym należy

druga - pod klasę

trzecia - pod pod klasę

a czwarta - kolejność w pod pod klasie.

1) oksydoreduktazy katalizują reakcje redukcji lub utleniania substratów, wyjątkiem są oksygenazy, które odpowiadają za bezpośrednie włącznie tlenu cząsteczkowego. W klasie tej jest wiele potocznych nazw enzymów, najważniejsze z nich to dehydrogenazy które odpowiadają za odwodorowanie substratów. Reduktazy przenoszą elektrony i protony lub same elektrony z przenośników łańcucha oddechowego na substraty, następnie oksydazy aktywują tlen przenosząc tlen ze zredukowanego substratu na tlen peroksydazy, który utleniają substraty kosztem rozkładu nadtlenku wodoru.

2) Transferazy katalizują reakcje przenoszenia grup między substratami w zależności od rodzaju przenoszonych grup wśród nich najważniejsze to:

3) Hydrolazy katalizują reakcje rozkładu wiązań przy udziale cząsteczki wody, w zależności od rodzaju rozkładanych wiązań wyróżniamy peptydazy, wiązania peptydów:

4) liazy rozkładają wiązania bez udziału wody wyróżniamy wśród nich:

dekarboksylazy wiązania C-C

dehydratazy wiązania węgiel - tlen

desulfhydrazy wiązania węgiel - siarka

deaminazy wiązania węgiel - azot

5) Izomerazy katalizują reakcje przekształceń wewnątrzcząsteczkowych, czyli są odpowiedzialne za przegrupowania atomów, ich wspólną cechą jest to, że skład chemiczny substratu jest taki sam jak produktu, w zależności od typu reakcji izomeryzacji wyróżniamy:

6) Ligazy (syntetazy) enzymy tej klasy katalizują reakcje syntezy wiązań:

zawsze przy udziale związku makroergicznego, np. ATP lub GTP.

Izoenzymy są to różne białka wytwarzane na bazie innych genów strukturalnych, ale katalizujące tę samą reakcje, tak więc różnią się one strukturą pierwszorzędową, punktem Izoelektrycznym, optymalnym pH, temperaturą, ruchliwością elektroforetyczną, masą cząsteczkową.

Koenzymy i witaminy

Koenzymy są częścią składową choloenzymu, są one niezbędne, dla pięciu klas enzymów jedynie hydrolazy nie wymagają udziału koenzymów. Koenzym łączy się z enzymem i substratem tworząc kompleks, w ramach tego kompleksu następuje przegrupowanie wiązań elektronów i protonów.

Większość koenzymów powstaje na bazie witamin rozpuszczalnych w wodzie, najczęściej witamina jest elementem koenzymu, który bierze bezpośredni udział w katalizowanej reakcji. Witaminy bez problemu wytwarzane są przez świat roślin i większość mikroorganizmów. Człowiek i organizmy zwierzęce mają zdolność do wytwarzania tylko niektórych witamin, muszą być one dostarczone wraz z pokarmem, brak witamin powoduje zahamowanie syntezy koenzymów, a tym samy spowolnienie metabolizmu. koenzymy dzielimy na:

  1. współdziałające z oksdydoreduktazami, wśród nich są NAD+, NADP+, FAD, FMN, kwas liponowy, koenzym Q.

  2. koenzymy działające z transferazami, fosforan piridoksalu, difosforan tiaminy, następnie koenzym A i ATP. Koenzymy tej grupy najczęściej współdziałają też z enzymami z innych klas, koenzymy współdziałające z pozostałymi klasami enzymów: Dinukleotyd nikotynamidoadeninowy (NAD+) i jego fosforan (NADP+) <obrazek>?

NAD+ zbudowany jest z dwóch nukleotydów nukleotydu kwasu nikotynowego I AMP najważniejszym elementem budowy jest amid kwasu nikotynowego, który jest witaminą B3, PP, niacyną lub witaminą przeciw pelagryczną, to amid kwasu nikotynowego jest odpowiedzialny za przyjmowanie i oddawanie elektronów i protonów.

W reakcji odwodorowania amid kwasu nikotynowego przyjmuje od substratu dwa elektrony i jeden proton zapis zredukowanego koenzymu to NADH+H+ po przyjęciu dwóch elektronów zarówno amid jak i cały koenzym traci ładunek dodatni ufosforylowaną forma tego koenzymu jest nadap+ pod względem budowy różni się do wyżej wymienionego tym ze posiada przy drugim węglu podstawioną resztę fosforanową do grupy OH po jej zestryfikowaniu mimo nieznacznych różnic tych dwóch koenzymów pełnią odmienne funkcje tzn NAD+ uczestniczy w reakcjach rozkładu (przemiany kataboliczne)

a NADP+ w przemianach anabolicznych w różnych reakcjach redukcji.

FAD jest to dinukleotyd flawinoadeninowy, a FMN mononukleotydflawinowy (adenozynomonofosforanu).

  1. Wykład 6

Rysunek "Dinukleotyd flawinoadeninowy-FAD"

FAD dinukleotyd flawinoadeninowy zbudowany jest z nukleotydu adeninowego - AMP oraz z FMN – mononukleotyduflawino. FMN może występować jako samodzielny koenzym, może też być częścią składowa FAD. FMN zbudowany jest z flawiny o barwie żółtej, rybitolu - (pięciowęglowy alkohol) i reszty fosforanowej. Połączenie flawiny z rybitolem daje nam ryboflawinę (witaminę B2), u obydwu koenzymów FAD i FMN najważniejszym składnikiem jest flawina, gdyż to ona bierze bezpośredni udział w przyjmowaniu i oddawaniu elektronów i protonów. Forma utleniona FAD przyjmuje dwa elektrony i dwa protony przekształcając się w FADH2 a FMN przekształca się w FMNH2.

Koenzymy transferaz

Wśród najważniejszych koenzymów działających z transferazami wyróżniamy:

  1. difosforan tiaminy - DPT

  2. fosforan piridoksalu

  3. KOENZYM A

1)DPT jest to koenzym współdziałający z transferazami i liazami rzadziej z izomerazami najczęściej bierze udział w reakcjach dekarboksylacji kwasów organicznych, w skład tego koenzymu wchodzi witamina B1 inaczej tiamina, koenzym ten jest difosforanem tiaminy, czyli difosforanem witaminy B1.

2)fosforan pirydoksalu jest ufosforyzowaną formą witaminy B6, koenzym ten bierze udział w reakcjach transaminacji (przenoszenia grupa aminowych) oraz w reakcjach dekarboksylacji aminokwasów

3)Koenzym A (znać wzór!!!!!!!!!!)- zbudowany jest z trzech elementów to jest z 3,5-difosforanu adenozyny, po drugie z fosforanu kwasu pantotenowego i cysteaminy, witaminą wchodzącą w skład koenzymu A jest kwas pantotenowy, w skład koenzymu A wchodzą dwie aminy biogenne (produkty dekarboksylacji dwóch aminokwasów) są to β-alanina produkt dekarboksylacji kwasu asparaginowego oraz cysteamina produkt dekarboksylacji cysteiny. Grupą reaktywną koenzymu A jest grupa SH, to do niej dołączany jest substrat w czasie katalizy. Główną funkcją koenzymu A jest aktywowanie i przenoszenie reszt acylowych.

Cukrowce (węglowodany - sacharydy) jest to najliczniejsza i najbardziej w naturze rozpowszechniona oraz bardzo zróżnicowana grupa związków naturalnych, należą do nich:

Związki te mogą pełnić szereg ważnych funkcji, są substancjami zapasowymi u roślin: skrobia i sacharoza, u zwierząt: glikogen, u bakterii: dekstrany. Są substancjami strukturalnymi, czyli wchodzą w skład ścian komórkowych, u roślin i bakterii jest celuloza, a np. u zwierząt, np. u stawonogów i niektórych gadów chityna, która wchodzi w skład pancerza. Podstawowy substrat energetyczny (źródło energii), najlepsze cukry proste i disacharydy (najszybciej uruchamiane) jest to źródło szkieletów węglowych do syntezy wielu związków, np. kwasów organicznych, aminokwasów kwasów tłuszczowych i tłuszczów. Są składnikami związków makroergicznych, np. ryboza. Składnikami koenzymów kwasów nukleinowych, glikoprotein.

Cukry proste maja zdolności redukujące mogą być aldozami lub ketozami, następnie mogą przynależeć do szeregu D (najczęściej) lub L, mogą mieć konfigurację α lub β, najprostsze to aldehyd glicerynowy i dihydroksyaceton.

disacharydy najważniejsze występujące w naturze to:

  1. maltoza która zbudowana jest z dwóch cząsteczek α-D-glukozy połączonych ze sobą wiązaniem α-1,4-glikozydowym,

  2. izomaltoza również zbudowana jest z dwóch cząsteczek α-D-glukozy połączonych ze sobą wiązaniem α-1,6-glikozydowym,

  3. sacharoza zbudowana jest z cząsteczki α-D-glukozy oraz z β-D-fruktozy połączonych ze sobą wiązaniem α-1,2-glikozydowym,

  4. laktoza zbudowana jest z β-D-galaktozy i α-D-glukozy połączonych wiązaniem β 1,4 glikozydowym,

  5. celobioza zbudowana jest z dwóch cząsteczek β-D-glukozy połączonych ze sobą wiązaniem β-1,4-glikozydowym.

Polisacharydy:

  1. skrobia jest roślinnym polisacharydem zbudowanym z dwóch rodzajów podjednostek, to jest z amylozy i amylopektyny

  2. amyloza jest polisacharydem o prostym łańcuchu zbudowanym z cząsteczek α-D-glukozy połączonych ze sobą wiązaniami α-1,4-glikozydowymi, w amylozie 99% to łańcuchy proste, poniżej 1% łańcuchy rozgałęzione

drugim rodzajem składników wchodzących w skład skrobi jest amylopektyna

  1. amylopektyna jest łańcuchem rozgałęzionym zbudowana jest z cząsteczek α-D-glukozy połączony wiązaniami α-1,4-glikozydowymi oraz α-1,6-glikozydowymi, w przypadku amylopektyny najczęściej proste fragmenty o długości 25-30 reszt glukozy łączone są ze sobą wiązaniem α-1,6-glikozydowym, w cząsteczce skrobi stosunek ilościowy amylopektyny do amylozy jest 3:1, przeważa amylopektyna, Duże ilości skrobi występują w ziarniakach zbóż, bulwach ziemniaczanych.

  2. Glikogen jest to polisacharyd zwierzęcy gromadzony głownie w mięśniach oraz w wątrobie, różnica między glikogenem a amylopektyną polega na ilości lub procentowym udziale wiązań α-1,6-glikozydowych, więcej tych wiązań jest w glikogenie wiązania te łączą 8-10 glukozowe proste odcinki.

  3. Celuloza jest nierozgałęzionym polisacharydem zbudowanym z podjednostek β-D-glukozy połączonych wiązaniami β-1,4-glikozydowymi, jest to najbardziej rozpowszechniony polisacharyd w biosferze, stanowi blisko 50% węgla organicznego biosfery, w cząsteczce celulozy proste łańcuch są poukładane równolegle i połączone ze sobą licznymi wiązaniami wodorowymi tworzącymi się między grupami OH sąsiednich łańcuchów, tworząc tzw. włókienka elementarne o średnicy około 3,5 nanometra, włókienka te łączą się w większe zespoły tworząc tzw. micele o średnicy około 20 nanometrów w micelach są przestrzenie, które wypełniają ligniny i hemicelulozy dzięki temu cząsteczki celulozy są bardzo trwałe prawie nie rozpuszczalne w wodzie.

  4. dekstrany są wytwarzane przez różne bakterie gdzie główny łańcuch zbudowany jest z cząsteczek α-D-glukozy łączonych ze sobą wiązaniami α-1,6-glikozydowymi, ten główny trzon posiada szereg odgałęzień, odgałęzienia te łączone są z głównym trzonem wiązaniami α-1,4, α- 1,3, i α-1,2-glikozydowymi.

Chityna jest to polimer reszt N acetyloglukozoaminy połączonych ze sobą wiązaniami β-1,4-glikozydowymi.

ROZKŁAD SKROBI I GLIKOGENU W PRZEWODZIE POKARMOWYM

w rozkładzie skrobi i glikogenu w przewodzie pokarmowym biorą udział poszczególne enzymy

  1. α-amylaza ślinowa i trzustkowa

  2. α-1,6-glikozydaza

  3. maltaza, izomaltaza

  4. glukoamylaza

Wszystkie te enzymy należą do klasy hydrolaz i nazywane są enzymami trawiennymi amylolitycznymi

1) α-amylaza jest enzymem rozkładającym skrobię lub glikogen wewnątrz łańcucha, czyli jest endoglikozydazą, rozkłada wiązania wyłącznie 1,4 dając produkty początkowo dekstryny wysokocząsteczkowe, później dekstryny o coraz to niższych masach, końcowymi produktami działania α-amylazy są cząsteczki maltozy i izomaltozy.

2) α-1,6-glikozydaza rozkłada wiązania 1,6-glikozydowe wewnątrz łańcucha, jej produktami są dekstryny o prostych łańcuchach następnie

3) maltaza rozkłada cząsteczki maltozy do dwóch cząsteczek glukozy, izomaltaza rozkłada cząsteczkę izomaltozy do dwóch cząsteczek α-D-glukozy

4) glukoamylaza nie jest enzymem wytwarzanym przez organizm zwierzęcy, jest natomiast wytwarzana przez mikroflorę przewodu pokarmowego i działa na rzecz organizmu. enzym rozkłada wiązania α-1,4 jak i α-1,6 glikozydowe jest egzoglikozydazą, gdyż zawsze odłącza od nieredukującego końca cząsteczkę glukozy.

W ziarniakach zbóż wśród najważniejszych enzymów rozkładających skrobie jest β- i α-amylaza te dwa enzymy degradują skrobię w czasie kiełkowania. Β-amylaza zawsze odłącza od nieredukującego końca cząsteczkę skrobi β-maltozę.

Rozkład glikogenu – po za przewodem pokarmowym glikogen w wątrobie i w mięśniach rozkładany jest przy udziale 3 enzymów to jest:

  1. fosforylazy glikogenowej

  2. transferazy glikogenowej

  3. α-1,6-glikozydaza

Pierwsze dwa enzymy należą do klasy transferaz, natomiast trzeci do hydrolaz. Fosforylaza katalizuje kolejne usuwanie reszt glukozy od strony nieredukującego końca cząsteczki glikogenu z jednoczesnym ufosforylowaniem odłączanej glukozy, tak więc produktem działania tego enzymu jest glukozo-1-fosforan i cząsteczka glikogenu krótsza o odłączoną glukozę, to fosforolityczne odszczepienie glukozy jest korzystne energetycznie, gdyż uwolniony cukier wchodząc później w przemiany glikolityczne nie potrzebuje cząsteczki ATP. Fosforylaza glikogenowa usuwa tylko te reszty glukozy, które są oddalone od miejsca rozgałęzienia ( od wiązania α-1,6 glikozydowego) o więcej niż 4 reszty glukozy. Zanim wkroczy trzeci enzym wcześniej trzy reszty glukozy muszą być przeniesione z ramienia na rdzeń przez transferazę glikogenową, w następnej kolejności wkracza α-1,6 glikozydaza, która rozkłada wiązania rozgałęziające pozostawiając tylko proste łańcuchy, te proste łańcuchy są dalej rozkładane przez enzym pierwszy, czyli przez fosforylazę glikogenową do chwili gdy produktem końcowym staje się 6-8 glukozowy oligosacharyd.

  1. Wykład 7

Synteza glikogenu

w procesie tym uczestniczą trzy enzymy:

  1. pirofosforylaza UDP glukozy (urydynodifosforan glukozy), enzym ten jest odpowiedzialny za syntezę aktywnej glukozy, czyli UDP glukozy.

  2. syntaza glikogenowa enzym ten przenosi reszty glukozowe z UDP glukozy na cząsteczkę powstającego glikogenu, zawsze ta glukoza umieszczana jest od strony nieredukującego końca, enzym ten dla rozpoczęcia reakcji wymaga inicjatora, inicjatorem tym jest 6-8 glukozowy oligosacharyd połączony z białkiem i nosi on nazwę glikogeniny.

  3. enzym rozgałęziający, enzym ten jest odpowiedzialny za łączenie prostych odcinków łańcucha wiązaniami α-1,6-glikozydowymi

Glikoliza jej funkcją jest:

Glikoliza w warunkach tlenowych kończy się na powstaniu pirogronianu, a w warunkach beztlenowych daje nam różne produkty związane z fermentacjami, np. kwas mlekowy, kwas octowy, kwas masłowy, etanol w fermentacji alkoholowej.

Energia gromadzona w formie ATP w glikolizie powstaje na drodze fosforylacji substratowej, fosforylacja substratowa jest to synteza ATP kosztem rozpadu wiązań makroergicznych obecnych w przekształcanych substratach przemiany szlaku glikolitycznego, można podzielić ją na kilka etapów:

Synteza w procesie glikolizy przebiega w dwóch miejscach: tj. w reakcji katalizowanej przez kinazę fosfoglicerynianową oraz drugiej reakcji katalizowanej przez kinazę pirogronianową. Powstający w glikolizie NADH jest regenerowany w warunkach beztlenowych w fermentacjach, a w warunkach tlenowych w łańcuchu oddechowym, większość rekcji glikolizy ma charakter odwracalny, wyjątkiem są:

W reakcji przekształcenia aldehydu 3 fosfoglicerynowego w 1,3-bisfosfoglicerynian ma miejsce przyłączenie reszty fosforanowej i utworzenie wiązania makroergicznego.

Energia do tworzenia tego wiązania pochodzi z utlenienia aldehydowej grupy aldehydu 3 fosfoglicerynowego .

W reakcji katalizowanej przez enolazę dochodzi do przemiany niskoenergetycznego wiązania estrowego, wiązanie wysokoenergetyczne enolofosforanowe obecne w fosfoenolopirogronianie.

FERMENTACJE w warunkach beztlenowych, powstający w glikolizie pirogronian przekształca się w różne związki najważniejsze fermentacje to:

  1. dekarboksylaza pirogronianaowa

  2. dehydrogenaza alkoholowa

Fermentacja ta intensywnie przebiega w drożdżach, u niektórych mikroorganizmów jest wykorzystywana w przemyśle gorzelniczym (piwowarskim).

Fermentacja mleczanowa przebiega w mięśniach zwierzęcych w tym też ludzkich, u wielu bakterii, a zwłaszcza z fermentacji mlekowej. Jest to przemiana katalizowana przez jeden enzym to jest dehydrogenazę mleczanowa, fermentacja ta znalazła szerokie zastosowania w rolnictwie (produkcja kiszonek) oraz spożywczym (kiszenie ogórków, kapusty).

Szlak pentozofosforanowy jest to ciąg reakcji utleniania glukozo-6-fosforanu do rybozo-5-fosforanu, zachodzi w cytoplazmie i najintensywniej przebiega w tkance tłuszczowej, gruczołach mlecznych, w korze nadnerczy, z mała intensywnością przebiega w tkankach, tych gdzie intensywnie przebiega glikoliza, czyli w mięśniach szkieletowych.

W sercu szlak ten pełni dwie ważne funkcje:

  1. tworzenie NADPH, który jest siła redukującą w wielu szlakach biosyntetycznych, u zwierząt szczególnie ważna jest synteza kwasów tłuszczowych.

  2. przekształcenie heksozy w pentozy zwłaszcza wytworzenie rybozo-5-fosforanu związek ten jest konieczny do syntezy DNA i RNA, związków makroergicznych z wielu koenzymów.

Reakcje szlaku pentozo fosforanowego dzielimy na trzy etapy:

  1. utlenienie glukozo-6-fosforanu do rybulozo-5-fosforanu z jednoczesnym powstaniem dwóch cząsteczek NADPH

  2. izomeryzacja, czyli przekształcenie rybulozo-5-fosforanu w rybozo-5-fosforan

  3. przekształcenie rybozo-5-fosforanu we fruktozo-6-fosforan i aldehyd 3-fosfoglicerynowy, etap ten jest pomostem miedzy szlakiem pentozofosforanowym a glikolizą.

Reakcje katalizowane przez trans ketolazę i trans aldolazę są odwracalne i dlatego końcowe produkty tego szlaku mogą zmieniać się w zależności od metabolicznych potrzeb organizmu, w sytuacji gdy organizm potrzebuje NADPH, a ma małe zapotrzebowanie na rybozo-5-fosforan, w ów czas ten ostatni wchodzi w przemiany glikolityczne. Natomiast w sytuacji dużego zapotrzebowania na rybozo-5-fosforan i małego na NADPH, enzymy te działają w kierunku odwrotnym.

GLUKONEOGENEZA jest to synteza glukozy ze związków nie będących cukrowcami głównie z pirogronianu szczawio octanu kwasu mlekowego. Proces ten zachodzi głównie w wątrobie oraz nerkach z mniejszą intensywnością w mięśniach szkieletowych czy mięśniu sercowym, szczególnie ważna role odgrywa ten proces w okresie głodowania, wtedy gdy w pierwszej kolejności zużywane są cukry, a stały pozioma glukozy we krwi utrzymywany jest dzięki glukoneogenzezie. Proces ten nie jest odwróceniem glikolizy chociaż bierze w nim udział wiele takich samych enzymów wspólnych dla obu proscesów. Świadczy o tym różna bisfosfataza oraz glukozo-6-fosfataza lokalizacja tkankowa i komórkowa glikolizy i glukoneogenezy, trzy reakcje glikolizy są nie odwracalne

w glukoneogenzezie biora udział 4 enzymy, które nie uczestnicza w glikolizie są to karboksykinaza PEP(fosfoenylopirogronianowa), karboksylaza pirogronianowa, fruktozo-1,6-bisfosfataza oraz glukozo-6-fosfataza.

Karboksylaza pirogronianowa działa w matrix mitochondrialnym glukozo-6-fosfataza związana jest z retikulum endoplazmatycznym, natomiast wszystkie enzymy glikolizy działają w cytoplazmie.

  1. Wykład 8

Przemiany związków azotowych

metabolizm związków azotowych znacznie różni się u roślin bakterii i zwierząt, u roślin jako organizmów autotroficznych białka oraz prostsze związki azotowe mogą powstawać ze związków mineralnych z wykorzystaniem energii słonecznej. U zwierząt jako organizmów heterotroficznych azot pobierany jest w formie związków organicznych, najczęściej białka aminokwasów i innych związków, mikroorganizmy są najbardziej uniwersalne, gdyż niektóre z nich mogą wiązać azot atmosferyczny, ponadto podobnie jak zwierzęta i rośliny, korzystają z białek oraz azotu nieorganicznego podobnie jak rośliny. U zwierząt białko pobrane wraz z pokarmem, białko rozkładane jest w przewodzie pokarmowym do aminokwasów lub jonu kwasu amonowego związków organicznych z uwolnionych z białek aminokwasów utworzone jest własne białko, wyjątek stanowią młode ssaki które mogą korzystać bezpośrednio z białek matek ma to miejsce w pierwszym miesiącach życia w okresie późniejszym białka te muszą być rozkładane do aminokwasów.

Enzymy rozkładające białka w przewodzie pokarmowym nazywamy enzymami trawiennymi proteolicznymi niezależnie od rozkładu białek w tym przewodzie w każdym żywym organizmie zarówno zwierzęcym jak i roślinnym i bakteryjnym odbywa się wymiana własnych białek, enzymy które są odpowiedzialne za tą wymianę noszą nazwę enzymów proteolitycznych wewnątrzkomórkowych wśród najważniejszych proteolitycznych trawiennych są pepsyna, trypsyna, hemotrypsyna, elastaza kaboksypeptydaza A i B i amino peptydaza leucynowa.

pepsyna- wytwarzana jest przez komórki śluzówki dna żołądka w formie pepsynogenu, aktywuje się oraz działa w soku żołądkowym jest endopeptydazą aspartylową o optimum pH około 2, rozkłada wiązania peptydowe między aminokwasami aromatycznymi i dikarboksylowymi jako dawcami grup karboksylowych oraz pozostałymi aminokwasami białkowymi jako dawcami grup aminowych.

endopeptydazy to takie enzymy, które rozkładają wiązania peptydowe znajdujące się wewnątrz łańcucha polipeptydowego.

egzopeptydazy rozkładają wiązania peptydowe od strony N końca albo C końca (skrajne wiązania).

Produktami działania endopeptydaz zawsze są peptydy o coraz to niższych masach, natomiast produktami działania egzopeptydaz są pojedyncze aminokwasy oraz peptydy o coraz to krótszym łańcuchu, egzopeptydazy działające od N końca nazywamy aminopeptydazami, a działające od C końca karboksypeptydazami!!!!!!!!!! Wszystkie peptydazy zarówno egzo jak i endo dzielimy na:

Trypsyna wytwarzana jest w formie trypsynogenu przez komórki trzustki, aktywacja oraz działanie trypsyny ma miejsce w jelicie cienkim i częściowo dwunastnicy jest to ednopeptydaza serynowa, działa na wiązania peptydowe tworzone przez grupy karboksylowe lizyny lub argininy i grupy aminowe pozostałych aminokwasów, optimum pH =7,5-8,5

Chymotrypsyna również wytwarzana przez komórki trzustki w formie chymotrypsynogenu, aktywacja i działanie w jelicie cienkim, optymalne pH=7,5 jest endopeptydazą serynową, działa na wiązania peptydowe utworzone przez grupy hydroksylowe aminokwasów aromatycznych i grupy aminowe pozostałych aminokwasów

Kaboksypeptydaza A jest egzopeptydazą działajacą od końca C, odszczepiając większość aminokwasów białkowych, z wyjątkiem aminokwasów zasadowych i proliny. Działa w jelicie cienkim pH takie samo jak wyżej, jest metalo czyli zawiera Zn w centrum aktywnym, ale obecne są też karboksypeptydazy A z seryna w centrum aktywnym.

Karboksypeptydaza B odłącza od końca C, głównie aminokwasy zasadowe(lizyna, arginina) i prolinę uzupełnia tą wyżej.

Podpuszczka w formie pro enzymu wytwarzana jest przez żołądki młodych przeżuwaczy: cieląt, jagniąt. Enzym ten podhydrolizowuje kazeinę przekształcając ją w parakazeinian wapnia występujący w formie nie rozpuszczalnej, działa w pH=3,5 do 4 jest endopeptydazą aspartylową.

W wyniku współdziałania endopeptydaz rozszczepiających cząsteczki białka na większe, a później coraz mniejsze fragmenty oraz egzopeptydaz prowadzących dalsza hydrolize białek ostatecznie otrzymujemy mieszaninę aminokwasów, aminokwasy dostają się do krwioobiegu i za jego pośrednictwem rozprowadzane są po całym organizmie, aminokwasy te mogą być wykorzystane do syntezy nowych własnych białek, jednak znaczna ich część ulega rozkładowi do jonu amonowego, a później do mocznika oraz do kwasów organicznych, które utleniając się do CO2 i do H2O usuwane są poza organizm. W procesach tych uzyskiwana jest energia niezbędna do funkcjonowania organizmu, wśród najważniejszych przemian aminokwasów są reakcje deaminacji, reakcje dekarboksylacji i reakcje transaminacji.

reakcje deaminacji - mogą być oksydacyjne i nieoksydacyjne, oksydacyjne zawsze przebiegają przy udziale koenzymów oksydoreduktaz, natomiast nieoksydacyjne nie wymagają obecności udziału tych koenzymów. Wśród reakcji deaminacyjnych oksydacyjnych wyróżnia się reakcje odwracalne katalizowane przez dehydrogenzazy aminokwasowe i reakcje nieodwracalne katalizowane przez oksydazy aminokwasowe. W przypadku reakcji deaminacji oksydacyjnej nieodwracalnej produktem ubocznym jest nadtlenek wodoru, cechą charakterystyczna reakcji deaminacji nieoksydacyjnej

jest powstanie kwasu nie nasyconego (fumaranu).

reakcje dekarboksylacji - polegają one na dołączeniu grupy karboksylowej od aminokwasu w formie CO2, w reakcjach tych powstają zawsze aminy biogenne, charakteryzujące się duża aktywnością biologiczną, reakcje te katalizowane są przez dekarboksylazy aminokwasowe(klasa liazy).

Reakcje transaminacji polegają na przenoszeniu grup aminowych z aminokwasów na dwa oksokwasy dlatego zawsze zarówno substratami jak i produktami reakcji są cząsteczka aminokwasu i cząsteczka 2oksokwasu, reakcje transaminacji pełnią przeciwstawne funkcje u zwierząt i u roślin u roślin główną funkcja tych reakcji jest rozprowadzenie grup aminowych z aminokwasów pierwotnych na różne dwa oksokwasy w celu powstania czy syntezy wszystkich aminokwasów niezbędnych do syntezy białka, u zwierząt reakcje te służą przekazaniu grup aminowych z większości aminokwasów białkowych na takie dwa oksokwasy, które po przyjęciu tej grupy staną się aminokwasami podlegającymi deaminacji

Aminokwas pierwotny to taki aminokwas który powstaje w reakcji bezpośredniego włączenia NH4+ do 2 oksokwasu aminokwasami pierwotnymi są kwas glutaminowy, glutamina, kwas asparaginowy i alanina.

Powstałe w reakcjach transaminacji kwasy organiczne i deaminacji kwasy rganiczne wchodzą w przemiany cyklu Krebsa i są utleniane do CO2 i H2O natomiast jon amonowy może być wykorzystywany do syntezy różnych związków karbamojlofosforanu, jednak wiekszość jonów amonowych uwalnianych u organizmów zwierzęcych jest usuwana po za organizm w różnej formie, w zależności od formy w jakiej NH4 jest usuwany wyróżniamy 3 klasy organizmów:

  1. zwierzęta ureotyliczne, w tym większość kręgowców lądowych, które wydalają nadmiar NH4+ w postaci mocznika, ureo (mocznik),

  2. zwierzęta urykoteliczne, ptaki i gady które wydalają nadmiar NH4 w postaci kwasu moczowego

  3. zwierzęta amonoteliczne przede wszystkim ryby wydalają nadmiar bezpośrednio jako NH4+

U organizmów ureotelicznych, uwalniany jon amonowy, aby mógł być przekształcony w mocznik w cyklu mocznikowym musi wcześniej wejść w reakcje katalizowaną przez syntetazę karbamojlofosforanową, w reakcji tej z jonu amonowego, dwutlenku węgla, wody i ATP powstaje karbamojlofosforan, związek ten wraz z L-ornityną rozpoczyna cykl mocznikowy, w cyklu tym biorą udział 4 enzymy, to jest:

  1. karbamojlotransferaza ornitynowa której produktem jest L-cytrulina

  2. syntetaza argininobursztynianowa

  3. liazaagininobursztynianowa

  4. arginaza

Dwa atomy azotu obecne w moczniku jako produkcie końcowym tego moczniku pochodzą od:

  1. karbamojlofosforanu, a wcześniej od NH4+,

  2. z kwasu asparaginowego, który jest substratem drugiej reakcji.

Energia niezbędna w tym cyklu pochodzi z karbamojlofosforanu, który jest związkiem makroergicznym oraz od ATP, głównymi funkcjami tego cyklu u roślin jest:

  1. synteza argininy jako aminokwasu białkowego

  2. gromadzenie, akumulacja azotu w formie związków o wysokim stosunku azotu do węgla( w formie argininy 4:6) mocznik2:1,

  3. u zwierząt główną funkcją tego cyklu jest wytworzenie mocznika jako związku, który może być usuwany z organizmu, czyli jest to sposób pozbywania się nadmiaru azotu w organizmie.

  1. Wykład 9

Asymilacja azotu nieorganicznego oraz obieg azotu w przyrodzie

Obieg azotu w przyrodzie!!!! obrazek

Azot mineralny nieorganiczny może występować jako azot atmosferyczny, azot amonowy oraz azot azotanowy. Atmosferyczny stanowi 78% składu powietrza, paradoksalnie ani rośliny, ani zwierzęta nie mogą, nie maja zdolności go asymilować, zdolność te posiadają tylko niektóre mikroorganizmy. Głównymi formami azotu nieorganicznego dostępnego dla roślin są azotany i jony amonowe, jedyną formą azotu nieorganicznego, która może być bezpośrednio włączana do związków organicznych jest forma amonowa, pozostałe dwie formy N2 i NO3 muszą być wcześniej przekształcone w NH4+ wiązanie azotu atmosferycznego jest to inaczej redukcja N2 do dwóch cząsteczek NH4+ , oprócz niektórych bakterii zdolność tę posiadają sinice, ilość azotu atmosferycznego wiązanego przez mikroorganizmy wynosi 10 do 11 potęgi kilogramów, co stanowi 60% azotu wiązanego na kuli ziemskiej, dalsze 15 %

przypada na wyładowania atmosferyczne i 25 % pochodzi z procesów przemysłowych, bakterie wiążące N2 dzielimy na symbiotyczne (rhyzobia azospirilu frankia) i wolnożyjące (azotobacter clostrydium tlepsiella chromatium), bakterie te (wszystkie ) wyposażone są w kompleks enzymatyczny „nitrogenazę” rysunek

Kompleks ten zbudowany jest z dwóch białek:

  1. reduktazy

  2. nitrogenazy

Te dwa białka ściśle ze sobą współdziałają, dając w efekcie, katalizując reakcje wymagającą 16 cząsteczek ATP, osiem elektronów i 16 cząsteczek wody.

Reduktaza nie działa perfekcyjnie i obok NH3 uwalnia też H2 stąd konieczny jest udział dwóch dodatkowych elektronów.

Rośliny żyjące w symbiozie z bakteriami mają zdolność do wytwarzania brodawek korzeniowych i w tych brodawkach zlokalizowane są bakterie, a w nich kompleks nitrogenazowy

Redukcja azotanów do amoniku

proces ten jest dwuetapowy gdzie w pierwszym etapie jon azotanowy czyli NO3- jest redukowany do jonu azotynowego czyli do NO2- , reakcję tę katalizuje reduktaza azotanowa, proces ten przebiega w cytoplazmie i redukcja ta polega na transporcie dwóch elektronów z NAD(P)H na NO3-, enzym ten zbudowana jest z dwóch podjednostek, gdzie każda z podjednostek uorganizowana jest w postaci trzech domen, czyli FAD domeny, HEM domeny i molibdenowej Mo domeny, te dwie podjednostki ściśle ze sobą współdziałają, rozłączenie podjednostek prowadzi do utraty aktywności. Enzym ten działa zarówno w korzeniach jak i w częściach nadziemnych.

Drugi etap redukcji azotanów katalizowany jest przez reduktazę azotynową, enzym ten zlokalizowany jest w chloroplastach i plastydach, donorem elektronów jest ferodoksyna, enzym ten działa z duża wydajnością i najczęściej w roślinach nie obserwuje się obecności azotynów, dlatego wąskim gardłem w procesie redukcji azotu azotanowego jest pierwszy enzym, czyli reduktaza azotanowa, rośliny posiadają dwie pule azotanów, to jest pule zapasową i pule metaboliczną, dzięki puli zapasowej rośliny mogą gromadzić duże ilości azotanów i sukcesywnie przemieszczać ten azot do puli metabolicznej o tempie transportu decyduje aktualne zapotrzebowanie rośliny na azot amonowy.

Drogi asymilacji NH4+

u roślin jony amonowe mogą być włączane do związków organicznych w postaci:

  1. grupy α aminowej

  2. grupy amidowej

  3. grupy karbamojlowej

TŁUSZCZE (lipidy)

Lipidy należą do związków organicznych nierozpuszczalnych w wodzie, natomiast dobrze rozpuszczalnych w acetonie, benzenie, w eterach; wśród najważniejszych funkcji lipidów wyróżniamy:

  1. funkcja budulcowa, są one składnikami błon komórkowych, czy też wosk wykorzystywany jest przez pszczoły do budowy gniazd

  2. funkcja ochronna, są one składnikami ochronnymi ścian komórkowych skóry kręgowców, chronią organizm przed wychłodzeniem

  3. magazynowanie energii, czyli jako tkanka tłuszczowa stanowi ona magazyn, rezerwę energetyczną

  4. są źródłem energii dla bieżących potrzeb organizmu

  5. niektóre pochodne tłuszczów lub kwasów tłuszczowych pełnia funkcje hormonów

Podział lipidów dzielimy je na:

  1. tłuszcze właściwe

  2. woski

  3. tłuszcze złożone

1. Są to estry glicerolu i jednokarboksylowych kwasów alifatycznych nazywanych kwasami tłuszczowymi, kwasy tłuszczowe prawie zawsze maja jedną grupę karboksylową, zbudowane są z parzystej liczby atomów węgla, mają nie rozgałęzione łańcuchy i są nasycone lub nienasycone, tłuszcze naturalne najczęściej są mieszaniną triacylogliceroli z niewielką domieszką diimonoacylogliceroli, tłuszcze od dużej zawartości kwasów nasyconych przyjmują konsystencje stałą i najczęściej obecne są u zwierząt, podczas gdy tłuszcze od dużej zawartości kwasów nienasyconych przyjmują konsystencję ciekłą, nazywane są olejami i występują głownie u roślin.

2. Są to mieszaniny estrów wyższych, jednohydroksylowych, jednonienasyconych alkoholi od 16 do 31 atomach węgli i jednokarboksylowych kwasów tłuszczowych nasyconych lub nienasyconych.

3. wśród tłuszczów złożonych wyróżnia się wiele grup różniących się pod względem budowy, a wśród najważniejszych są fosfolipidy i glikolipidy. Fosfolipidy dzieli się na szereg podgrup wśród nich najważniejsze są fosfoglicerydy i fosfosfingozydy. fosfoglicerydy stanowią najliczniejszą grupę i zbudowane są z glicerolu, w którym dwie grupy OH zestryfikowane są resztami kwasów tłuszczowych, a trzecia grupa OH resztą kwasu fosforowego. Najprostszym fosfoglicerydem jest kwas fosfatydowy, w tej grupie fosfoglicerydów znajdują się lecytyny, kefaliny, fosfatydyloseryny powstają w wyniku przyłączenia do reszty kwasu fosforowego w kwasie fosfatydowym odpowiednio: Choliny (powstają lecytyny), Kolaminy (powstają kefaliny), Seryny(powstaja fosfatydyloseryny). Te trzy związki (cholina, kolamina i seryna) noszą nazwę związków azotowych o charakterze alkoholi.

Fosfosfingozydy zamiast glicerolu zawierają sfingozynę czyli osiemnastowęglowy dwuhydroksylowy amino alkohol, występują one głownie w mózgu, zwłaszcza w otoczkach włókien nerwowych i potocznie nazywane są sfingomielinami.

  1. Wykład 10

Glikolipidy oprócz alkoholu oraz kwasów tłuszczowych zawierają składnik cukrowy, którym najczęściej jest galaktoza lub laktoza. Glikolipidy występują w dużych ilościach w błonach komórkowych.

Katabolizm tłuszczów

pierwszym etapem w procesie rozkładu tłuszczów jest hydroliza tłuszczów właściwych lub złożonych do odpowiedniego alkoholu kwasów tłuszczowych i dodatkowego składnika (resztę fosforanową), proces ten prowadzą lipazy lub fosfolipazy w przewodzie pokarmowych lub po za nim, w przewodzie pokarmowym działają lipazy trzustkowe lub fosfolipazy trzustkowe, po za przewodem pokarmowym działają odpowiednie lipazy wewnątrz komórkowe.

Glicerol powstały w wyniku lipolizy ulega fosforylacji i utlenieniu do fosfodihydroksyacetonu, ten ostatni związek wchodzi w przemiany glikolityczne, gdzie w pierwszym etapie przekształca się pod wpływem izomerazy triozofosforanowej w aldehyd 3 fosoglicerynowy. Kwasy tłuszczowe powstałe w wyniku lipolizy są rozkładane w tak zwanym procesie β utleniania przez kolejne usuwanie jednostek dwuwęglowych. Kwasy tłuszczowe, aby mogły wejść w proces β utleniania muszą być wcześniej zaktywowane, to jest przekształcone w acylokoenzym A, za proces ten odpowiedzialna jest syntaza

acylokoenzymu A, która wymaga udziału ATP zaktywowany kwas tłuszczowy acylokoenzym A musi być przetransportowany z cytoplazmy do wnętrza mitochondriów, to jest do Matrix mitochondrialnego, gdzie odbywa się właściwe β utlenianie. Acylokoenzym A bez trudu przedostaje się przez zewnętrzną błonę mitochondrialną do przestrzeni międzybłonowej mitochondriów, w tej przestrzeni reszta acylowa przenoszona jest z acylo koenzymu A na L-karnitynę przy udziale acylotransferazy karnitynowej pierwszej. Powstała acylokarnityna jest transportowana przez wewnętrzną błonę mitochondrialną do MATRIX przez translokazę, będąc już w matrix reszta acylowa przenoszona jest z acylokarnityny na koenzym A przez acylotransferazę karnitynową drugą, w wyniku czego powstaje acylokoenzym A, uwolniona karnityna powraca do przestrzeni międzybłonowej

przy pomocy translokazy po to żeby mogła przenieść kolejną cząsteczkę kwasu tłuszczowego.

W matix mitochondrialnym ma miejsce cykliczne odłączanie od acylokoenzymu A czasteczek acetylokoenzymu A, w procesie tym nazywanym β utlenianiem biorą udział 4 enzymy, to jest:

  1. Dehydrogenaza acylokoenzymu A, która odwodorowuje substrat przenoszac atomy wodoru na FAD

  2. Hydrataza enoilokoenzymu A, która przyłącza cząsteczkę H2O dając jako produkt 3 hydroksyacylokoenzym A.

  3. dehydrogenaza hydroksyacylokoenzymu A, która przenosi atomy wodoru na NAD+

  4. β ketotiolaza, która rozrywa wiązanie miedzy drugim i trzecim atomem węgla wytwarzając jako produkt acetylokoenzym A i acylokoenzym A krótszy od dwa węgle.

Produkt czwartej reakcji – acylokoenzym A ponownie poddawany jest działaniu wyżej wymienionym enzymom, w każdym cyklu powstaje cząsteczka acetylokoenzymu A i acylokoenzymu A krótszego o dwa węgle, proces ten trwa do chwili powstanie dwóch cząsteczek acetylokoenzymu A

(Sumaryczna reakcja zupełnego utlenienia palmitynianu !!!przerysować!!!!)

Synteza kwasów tłuszczowych nie jest odwróceniem procesu ich rozkładu ponieważ:

  1. Synteza ma miejsce w cytozolu, a rozkład w mitochondriach.

  2. Związki biorące udział w biosyntezie są połączone z ACP -białkowym nośnikiem grup acylowych podczas, gdy w rozkładzie kwasów tłuszczowych połączone są z koenzymem A.

  3. Enzymy biorące udział w syntezie występują w formie kompleksu siedmioenzymowego, w rozkładzie kwasów enzymy występują pojedynczo.

  4. W syntezie kwasów donorem jednostek dwuwęglowych zawsze jest związek trójwęglowy – malonylo-ACP.

  5. W syntezie donorem atomu wodoru jest NADPH podczas, gdy w rozkładzie powstaje FADH2 i NADH.

Decydującym etapem w syntezie kwasów tłuszczowych jest powstanie malonylokoenzymu A jako donora jednostek dwuwęglowych, w dalszych etapach malonylokoenzym A powstaje z acetylokoenzymu A, przy udziale karboksylazy acetylo koenzymu A powstały malonylokoenzym A przekształca się w kolejnej reakcji w malonylo-ACP. Do rozpoczęcia reakcji wydłużania łańcucha kwasu tłuszczowego potrzebny jest acetylo-ACP związek ten powstaje z acetylokoenzymu A w wyniku przeniesienia reszty acetylowej z koenzymu A na ACP. Obie reakcje, to jest przeniesienia reszty acetylowej i malonylowej katalizują odpowiednio transacylaza acetylowa i transacylaza malonylowa.

Synteza kwasów tłuszczowych - elongacja ich łańcuchów ma charakter cykliczny, gdzie w każdym obrocie łańcuch wydłużany jest o 2 atomy węgla, w każdym cyklu biorą udział te same 4 enzymy:

  1. enzym kondensujący

  2. reduktaza β-ketoacylo-ATP

  3. dehydrataza 3-hydroksyacylo-ACP

  4. reduktaza enoilo-ACP

W każdym kolejnym obrocie substratami inicjującymi są malonylo-ACP jako donor jednostek dwuwęglowych oraz produkt poprzedniego cyklu, to wydłużanie łańcucha kwasu tłuszczowego

może trwać maksymalnie do chwili utworzenia 16 węglowego kwasu palmitynowego, po zakończeniu procesów reszta ACP jest usuwana(odłączana), a powstały kwas jest uwalniany do komórki.

Synteza tłuszczu właściwego triacyloglicerolu związkiem wyjściowym

Do syntezy tych związków jest fosfodihydroksyaceton -produkt pośredni glikolizy. Związek ten przy udziale dehydrogenazy 3-fosfoglicerolowej redukowany jest do 3-fosfoglicerolu kosztem NADH, ten ufosforylowany glicerol wchodzi kolejno w reakcje z cząsteczkami zaktywowanych kwasów tłuszczowych

– acylokoenzymem A w pierwszej kolejności estryfikowana jest grupa OH fosfoglicerolu, w pozycji pierwszej dając kwas lizofosfatydowy, w drugiej kolejności grupa OH, w pozycji drugiej dając jako produkt kwas fosfatydowy, obie te reakcje katalizuje acylotransferaza-3-fosfoglicerolowa, powstały kwas fosfatydowy podlega działaniu fosfatazy, która usuwa resztę fosforanową, w pozycji trzeciej dając diacyloglicerol do wolnej grupy OH, w pozycji trzeciej diacyloglicerolu przyłączana jest trzecia cząsteczka zaktywowanego kwasu tłuszczowego, w ten sposób powstaje 1,2,3-triacyloglicerol.

Reakcja pirogronian+CoA+NAD+ (kompleks dehydrogenzay mleczanowej) acetylo-CoA+CO2+NADH

Powstający w glikolizie oraz w przemianach katabolicznych aminokwasów pirogronian podlega oksydacyjnej dekarboksylacji w matrix mitochondrialnym, przemianę tę nazywamy oksydacyjną dekarboksylacją pirogronianu, przemiana ta jest pomostem między glikoliza, a cyklem Krebsa za przemianę tę odpowiada trójenzymatyczny kompleks o nazwie dehydrogenaza pirogronianowa.

Cykl Krebsa!!!

Przemiana cyklu Krebsa jest to przemiana uniwersalna dla świata ożywionego u organizmów wyższych, przebiega w mitochondriach, a dokładnie w matriX, u prokaryota w cytozolu.

Wśród najważniejszych funkcji tej przemiany wyróżniamy:

  1. cykl ten dostarcza produktów pośrednich do syntezy wielu związków,

  2. dostarcza energii w postaci GTP oraz zredukowanych koenzymów, które regenerując się w łańcuchu oddechowym dostarczają ATP,

  3. cykl ten prowadzi do utlenienia acetylokoenzymu A do dwóch cząsteczek CO2, cykl ten zachodzi wyłącznie w warunkach tlenowych, gdyż jego koenzymy musza być regenerowane w łańcuchu oddechowym.

  1. Wykład 11

Odnośnie funkcji 3 w cyklu Krebsa ma miejsce uwolnienie dwóch cząsteczek CO2 jako produktu końcowego tego cyklu, za reakcje te odpowiadają dehydrogenaza izocytrynianowa, która przekształca izocytrynian w α ketoglutaran 2, katalizowana przez dehydrogenaze α ketoglutaranową, która dekarboksyluje α ketoglutaran wytwarza jako produkt bursztynylokoenzym A i w cyklu tym energia pozyskiwana jest w dwojaki sposób:

  1. bezpośrednio na drodze fosforylacji substratowej, gdzie energia wiązania makroergicznego (C~S) obecnego w bursztynolokoenzymie A przekazywana jest na GDP, w wyniku tego powstaje GTP.

  2. energia powstaje na drodze pośredniej, gdzie w wyniku redukcji koenzymów, w tym trzech cząsteczek NAD+ i jednej FAD, powstają formy zredukowane tych koenzymów. Regeneracja, czyli utlenienie tych koenzymów przebiega w łańcuchu oddechowym, regeneracji tej towarzyszy powstanie energii dla każdej cząsteczki NADH 2,5 ATP FADH 1,5 ATP

Reakcje w których powstają zredukowane koenzymy katalizowane są przez dehydrogenazy:

  1. dehydrogenazę izocytrynianową

  2. dehydrogenazę α-ketoglutaranową

  3. dehydrogenazę bursztyninową

  4. dehydrogenazę jabłczanową

Odnośnie funkcji 1:

cykl Krebsa nie jest typowym szlakiem przemian katabolicznych, gdyż produkty pośrednie tego cyklu wykorzystywane są w wielu procesach anabolicznych, np. szczawiooctan, α-ketoglutaran i fumaran wykorzystywane są do syntezy aminokwasów, szczawiooctan jako produkt pośredni tego cyklu jest substratem w glukoneogenezie do syntezy glukozy, bursztynylokoenzym A jest związkiem wyjściowym do syntezy porfiryn, np. (żelazoporfiryny), cytrynian jest wykorzystywany do syntezy kwasów tłuszczowych.

Ponieważ produkty pośrednie tego cyklu są wykorzystywane do syntezy wielu związków, często obserwowane są zmiany stężeń tych produktów, ażeby proces ten mógł przebiegać bez zakłóceń musi być uzupełnienie poziomu tych związków na drodze dodatkowych reakcji nazywanych reakcjami anaplerotycznymi (uzupełniającymi), wśród nich trzy reakcje pełnia bardzo ważne funkcje, są to:

  1. reakcja katalizowana przez karboksylaze pirogronianową

  2. reakcje katalizowaną przez dehydrogenazę jabłczanowa, dekarboksylującą

  3. reakcje katalizowaną przez karboksykinazę fosfoenylopirogronianową

CYKL GLIOKSALOWY

Cykl ten jest modyfikacją cyklu Krebsa i odgrywa szczególnie ważną role u roślin oleistych, niektórych bakterii, grzybów i glonów, w nasionach roślin oleistych gromadzona jest duża ilość tłuszczów, podczas kiełkowania tłuszcze ulegają rozkładowi do acetylokoenzymu A, co powoduje podwyższanie poziomu tego związku, rozkładające się tłuszcze wykorzystywane są do syntezy cukrów podczas początkowej fazy kiełkowania kiedy to nie jest jeszcze uformowany aparat fotosyntetyczny, istotą tego cyklu jest przekształcenie dwóch cząsteczek acetylokoenzymu A w jedną cząsteczkę bursztynianu. Powstały bursztynian ulega przekształceniu w szczawiooctan, a ten wchodząc w przemiany glukoneogenetyczne dostarcza glukozy. Cykl ten u roślin oleistych przebiega w glioksysomach, które zawierają dwa charakterystyczne dla tego cyklu enzymy to jest liazę izocytrninową oraz syntazę jabłczanową. Cykl ten nie funkcjonuje u zwierząt i dlatego organizmy zwierzęce nie maja zdolności do przekształcania tłuszczów i kwasów tłuszczowych w cukry.

BUDOWA MITOCHONDRIÓW i łańcuch oddechowy

wszystkie reakcje niespecyficznej fazy utleniania związków przebiegają w mitochondriach, mitochondria są owalnymi organellami o średnich wymiarach 2 na 0,5 mikrometra, zawierają dwa systemy błon, w tym błonę zewnętrzna i bardzo pofałdowaną błonę wewnętrzną. Wewnątrz mitochondrium znajduje się matrix gdzie zlokalizowane są enzymy cyklu Krebsa, kompleks dehydrogenazy pirogronianowej, enzymy β utleniania oraz enzymy katabolizmu aminokwasów, błona zewnętrzna jest łatwo przepuszczalna dla związków o masach poniżej 4000 Daltonów i jest barierą nie przepuszczająca enzymy cytoplazmatyczne i inne związki o masach powyżej 4000 Daltonów. Przestrzeń międzybłonowa jest miejscem lokalizacji niektórych enzymów pośrednio związanych z przemianami mitochondrialnymi. Błona mitochondrialna wewnętrzna jest nieprzepuszczalna nawet dla związków niskocząsteczkowych, w niej zakotwiczonych jest szereg przenośników działających

w obydwu kierunkach, na wewnętrznej powierzchni tej błony zakotwiczonych jest wiele przenośników oksydacyjno-redukcyjnych i połączonych z nimi funkcjonalnie enzymów. Tworzą one w ten sposób łańcuch oddechowy, przenośniki te z jednej strony są unieruchomione, a z drugiej mogą działać w fazie wodnej matrix. Kolejność tych przenośników warunkowana jest wartością potencjału oksydacyjno-redukcyjnego i musza być one ułożone w takiej kolejności, aby możliwe było przekazywanie elektronów na kolejny przenośnik. Stąd pierwszy przenośnik elektronów będący układem (półogniwem) formy utlenionej i zredukowanej musi mieć największą prężność elektronowa, tzn. największą zdolność do oddawania elektronów.

Prężność elektronowa jest określana wartością potencjału redox, im wyższa jest prężność elektronowa tym niższy jest potencjał i odwrotnie. Wartość potencjału redox mówi nam również o powinowactwie przenośników do elektronów, przenośniki w łańcuchu oddechowym są ułożone wg rosnącego potencjału redox, czyli wg malejącej prężności elektronowej potencjał redox wyrażany jest w woltach, jego wartość dla określonego układu (półogniwa)mierzona jest w stosunku do półogniwa wodorowego(standardowego). Przyjęto, że potencjał redox półogniwa wodorowego =0, każdy przenośnik elektronów w łańcuchu oddechowym jest układem formy utlenionej i zredukowanej i stanowi półogniwo. Jeżeli badane półogniwo X połączymy z półogniwem wodorowym wówczas różnica potencjałów miedzy tymi półogniwami powoduje przepływ elektronów, elektrony zawsze płyną od półogniwa o niższym potencjale, czyli o większej prężności elektronowej do półogniwa o wyższym potencjale. Wartość mierzonego w woltach napięcia w układzie zamkniętym jest miarą potencjału redox badanego półogniwa X, znak + lub- przy zmierzonym napięciu zależy od kierunku przepływu elektronów, jeżeli elektrony płyną od półogniwa badanego X w kierunku półogniwa wodorowego wówczas przy wartości zmierzonego napięcia stawiamy znak minus, jeżeli kierunek przepływu jest odwrotny stawiamy znak +. Potencjał redox jest ściśle związany z energią swobodną reakcji utleniania i redukcji, różnica potencjałów między dwoma półogniwami może być przeliczona na ilość energii swobodnej wg wzoru: delta G0prim=-n*F*deltaE0(E0akceptora-E0donora)

Pula energii swobodnej wynikająca z różnicy potencjałów między przenośnikami łańcucha oddechowego może być wykorzystywana w reakcjach syntezy ATP, synteza ATP w sprzężeniu z łańcuchem oddechowym nosi nazwę fosforylacji oksydacyjnej, łańcuch oddechowy składa się z 4 nieruchomych wielkich kompleksów białkowych o charakterze enzymów białkowych zakotwiczonych na stałe w wewnętrznej błonie mitochondrialnej oraz 2 składników ruchomych o znacznie niższych masach cząsteczkowych, którymi są koenzym Q i cytochrom C, te cztery kompleksy nieruchome to

Kompleks I reduktaza NADH-koenzymQ

Kompleks II reduktaza bursztnian-KoenzymQ

Kompleks III reduktaza cytochromowa

Kompleks IV oksydaza cytochromowa


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
b9.11, Prywatne, Biochemia WYKŁADÓWKA I, Biochemia wykładówka 1, WYKŁADY, wykłady I
Biochemia wykład nr 3 kopia
Biochemia wykład 1st 2nd rok 2
globalne cykle biochemiczne wykład 10
Biochemia wykład1, wzory
Biochemia - kolokwium[1], Studia, Semestr III, Biochemia, Wykłady
lipidy 2, Prywatne, Biochemia WYKŁADÓWKA I, Biochemia wykładówka 1, TESTY, testy
Biochemia wykład 13 Metabolizm węglowodanów
Biochemia wykład 04 2013r 3
Biochemia- wyklady 1-8, Semestr II, biochemia
Biochemia wykłady, biochemia
biochemiawykady, Wykład 12, Wykład 12
BIOCHEMIA WYKŁAD I&092014
Biochemia wykład 04 2013r
Biochemia wykład 4
Biochemia Wyklady id 86257
biochemia wykłady, pielęgniarstwo, biochemia
Biochemia wykład 04 2013r 2

więcej podobnych podstron