Wykład II Biochemia 10.10.2014 r

Bioenergetyka

G-energia swobodna

- delta G- spadek en. Swobodnej

+ delta G- przyrost en. Swobodnej

Wszystkie związki chemiczne biorące udział w przemianach charakteryzują się określonym potencjałem chemicznym.

Potencjał chemiczny - jest to pula energii uwalnianej w czasie całkowitego utlenienia tego związku do CO2 do H2O

. Związki chemiczne biorąc udział w reakcjach podnoszą lub obniżają swój potencjał chemiczny. W reakcjach anabolicznych (reakcje syntezy) ze związku o niższym potencjale powstaje produkt o wyższym potencjale niż substraty. W reakcjach tych energia jest pobierana z zewnątrz. W reakcjach egzoergicznych (reakcjach rozkładu) ze związków o wysokim potencjale chemicznym powstają produktu o niższym potencjale. W reakcjach tych ma miejsce uwalnianie energii do środowiska.

Energia pobierana lub uwalniana nazywana jest energią swobodną i oznaczana literą G. Zmianę G w reakcjach egzoergicznych zapisujemy jako –G. Podczas gdy w reakcjach endoergicznych + delta G. Energia uwalniana w reakcjach egzoergicznych może być wykorzystywana w reakcjach endoergicznych. Ma wówczas miejsce tzw. Sprzężenie energetyczne. Energia ta może być zamieniana w cieplną (wykorzystywana do utrzymania temp.ciała). Wykorzystywana do translokacji (transport aktywny) między komórkami. Do skurczu mięśni.

Energia uwalniana w czasie rozkładu makrocząsteczek (egzoergicznych!!!) jest magazynowana, a później przekazywana dalej w postaci związków makroergicznych

Związek makroergiczny to taki, który posiada wiązania chemiczne, które podczas ich rozkładu uwalniają co najmniej 25 kJ energii.

W zależności od rodzaju tych wiązań, związki te dzielimy na:

1. Związki o wiązaniach bezwodnikowych fosforanowo-fosforanowych (NAJWAŻNIEJSZE: ATP- adenozynotrifosforan, GTP- guanozynotrifosforan, UTP- urydynotrifosforan, CTP- cytydynotrifosforan, TTP- tymidynotrifosforan).

2. Związki o wiązaniach karboksylofosforanowych. Jednym ze związku makroergicznym będącego równocześnie produktem pośrednim glikolizy jest 1,3- difosforoglicerynian.

3. Związki o wiązaniach guanidyno fosforanowych (fosfageny)- fosfokreatyna i fosfoarginina.

4. Związki o wiązaniach trioestrowym (acetylokoenzym A). Związek rozpoczynający cykl Krebsa, produkt niespecyficznej fazy utleniania cukrów, aminokwasów i kwasów tłuszczowych.

Spośród wszystkich związków makroergicznych najważniejszą rolę odgrywa ATP i nazywany jest uniwersalnym związkiem makroergicznym. Najczęściej to ATP jest bezpośrednim dawcą energii w procesach anabolicznych. Pozostałe związki makroergiczne najczęściej jedynie magazynują energię i w dalszych reakcjach przekazują ją na ADP aby powstało ATP .

ENZYMY

Wszystkie reakcje w żywych organizmach przebiegają przy udziale enzymów. To najliczniejsza i najbardziej wyspecjalizowana grupa białek. Każdy enzym zbudowany jest z atoenzymu (tj. z części białek). Większość enzymów oprócz atoenzymu zbudowanych jest z kofaktora czyli atoenzym i kofaktor.

Kofaktorem może być jon metalu, ale najczęściej jest koenzym lub grupa prostetyczna czyli związki o charakterze organicznym. Główną funkcją enzymów jest obniżanie energii aktywacji danej reakcji.

Energia aktywacji to pula energii niezbędna do przezwyciężenia bezwładności chemicznej substratu. Energia aktywacji jest niezbędna do przeprowadzenia substratu ze stanu podstawowego w stan aktywny. Gdyż tylko związek w stanie aktywnym może przekształcić się w produkt, czyli jest to energia niezbędna do rozpoczęcia reakcji.

Najważniejszą częścią enzymu jest centrum aktywne. Jest to przestrzenne ułożenie trzech grup funkcyjnych aminokwasów tworzących białka enzymatyczne, które biorą bezpośredni udział w tworzeniu kompleksu enzym-substrat. Aminokwasy, które oddelegowują się nazywane są aminokwasami kontaktowymi. Najczęściej są nimi: cysteina z grupą -SH, seryna z grupą- OH, kwas asparginowy z dodatkową grupą -COO^-, lizyna z dodatkową grubą -NH³⁺.

Aminokwasy kontaktowe są w strukturze I rzędowej białka znacznie od siebie oddalone, ale dzięki strukturze III rzędowej są one blisko siebie. Centrum aktywne enzymu jest w głębi globularnej cząsteczki białka enzymatycznego. Samo centrum ma charakter hydrofilowy, natomiast jego otoczenie ma charakter hydrofobowy. Ta obecność aminokwasów hydrofobowych w otoczeniu centrum chroni centrum przed cząsteczkami wody, które dzięki diploidalnemu charakterowi przyłączyłyby się do centrum i uniemożliwiłyby kontakt centrum z substratem.

Istnieje kilka teorii tworzenia kompleksu enzym-substrat.

Najważniejsza z nich to teoria Fishera (zamka i klucza) oraz Koshlanda.

Teoria Fishera polega na tym, że struktura centrum aktywnego enzymu i struktura przestrzenna substratu musza pasować do siebie jak klucz do zamka.

Teoria Koshlanda jest to teoria indukcyjnego dopasowania się struktury centrum aktywnego do struktury substratu, czyli enzym i substrat wzajemnie na siebie oddziaływają.

KINETYKA REAKCJI ENZYMATYCZNYCH

Wśród czynników wpływających na szybkość reakcji enzymatycznych wyróżniamy:

1. Stężenie enzymu

2. Stężenie substratu

3. Temperatura

4. pH

Ad. 1 Wraz ze wzrostem stężenia enzymu proporcjonalnie rośnie szybkość reakcji enzymatycznej. Tj. przy dwukrotnym wzroście stężenia enzymu dwukrotnie rośnie szybkość reakcji. Warunkiem jest nadmiar substratu.

Ad 2. Wraz wraz ze wzrostem stężenia substratu rośnie szybkość reakcji enzymatycznej do pewnego stopnia. Wyróżniamy 3 typy:

1. przy niskim stężeniu substratu przyrost szybkości reakcji jest niemal wprost proporcjonalna. Wynika to z faktu, że enzym jest w nadmiarze i każda cząsteczka substratu natychmiast jest przekształcana przez enzym, czyli enzym czeka w kolejce

2. W dalszej fazie szybkość nadal rośnie, ale nie jesr wprost proporcjonalna. Krzywa ,,kładzie się”, ale nadal enzym jest w nadmiarze.

3. Pełne wysycenia enzym-substrat gdzie dalszy wzrost stężenia substancji nie powoduje przyśpieszenia reakcji. Osiąga się szybkość maksymalną reakcji. Tylko te cząsteczki enzymu, które uwolniły się od produktu mogą ponownie połączyć się z kolejną cząsteczką substratu.

Każdy enzym charakteryzuje się stałą Km.

Stała Km jest to takie stężenie substratu, przy którym reakcja biegnie z połową szybkości maksymalnej. Stała Km mówi nam o powinowactwie enzymu do substratu. Im wyższa Km, tym niższe powinowactwo.

Ad 3. Temperatura działa dwojako. Z jednej strony temperatura zgodnie z regułą Van’t Hoffa przyśpiesza reakcje (wzrost o 10 st C powoduje 2,3 krotny wzrost szybkości reakcji). Z drugiej strony temperatura działa denaturująco na białko, czyli nadmierny jej wzrost obniża aktywność enzymu powodując denaturację białka enzymatycznego. Dlatego każdy enzym ma optymalną temperaturę, przy której szybkość reakcji jest dość wysoka przy jednocześnie niskim stopniu denaturacji. Temperatury te są różne dla różnych organizmów. Enzym o tej samej nazwie i reakcji ma różną temperaturę optymalną u bakterii termolubnych w porównaniu z enzymem z liści roślin. Te różnice wynikają z różnej struktury przestrzennej enzymów.

Ad 4. pH- każdy enzym charakteryzuje się optymalnym pH swego działania . Niewielkie odchylenia od optimum pH powodują zmiany w strukturze przestrzennej enzymów, objawiające się obniżeniem aktywności. Zjawisko ma charakter odwracalny. Znaczne odchylenia od optimum pH powoduje zmiany nieodwracalne w strukturze białka enzymatycznego i tym samym inaktywację enzymu. To optimum pH również ma ścisły związek ze strukturą przestrzenną białka.

Wśród wielu czynnik działających na szybkość reakcji enzymatycznych wyróżniamy inhibitory i aktywatory czyli związki hamujące lub przyśpieszające reakcje.

Inhibicja- wyróżniamy odwracalne i nieodwracalne.

Nieodwracalna- polega na tym, że enzym tworzy trwały kompleks z inhibitorem. Nie ma możliwości cofnięcia, rozpadu. Inhibitory takie wykorzystuje się w diagnostyce medycznej oraz w przemyśle zbrojeniowym. Dzięki nim można poznać naturę centrum aktywnego tzn.poznać jakie reszty aminokwasowe tworzą centrum aktywne. Gdyż działają specyficznie, niektóre na grupy OH seryny lub SH cysteiny obecne w centrum aktywnym. W przemyśle zbrojeniowym wykorzystywane są jako broń chemiczna, składniki gazów bojowych (DFP).

Odwracalna- wyróżnia się jej wiele typów, ale dwa są najważniejsze:

1. Inhibicja współzawodnicząca- przy tym typie inhibitor ma podobną strukturę do substratu i wiąże się w tym samym miejscu, co substrat czyli w centrum aktywny. Inhibitor współzawodniczy z substratem o centrum aktywne. Inhibicję można cofnąć zwiększając stężenie substratu. Stopień zahamowania reakcji przez tego typu inhibitory zależy od stosunku stężenia substratu do stężenia inhibitora oraz powinowactwa enzymu do substratu i inhibitora.

2. Inhibicja niewspółzawodnicząca- inhibitor może wiązać się z enzymem lub kompleksem enzym substrat. Nie ma konkurencji między substratami, a inhibitorem. Dlatego nie można cofnąć tej inhibicji poprzez zwiększenie stężenia substratu. Stopień zahamowania reakcji zależy wyłącznie od stężenia inhibitora. Inhibicję można cofnąć wprowadzając związek wiążący inhibitor.

Aktywatory- to związki lub czynniki przyśpieszające reakcję. Wyróżniamy 3 grupy aktywności, które działają specyficznie:

1. Niskocząsteczkowe kofaktory- najczęściej jony różnych metali, które mogą wchodzić w skład centrum aktywnego utrwalać strukturę przestrzenną koenzymu

2. Czynniki regulujące potencjał redox- najczęściej są nimi: cysteina, merkaptoetanol, kwas askorbinowy. One redukują mostki –SS do –SH w centrum aktywnym.

3. Aktywacja proteolityczna. Niektóre enzymy, a zwłaszcza proteolityczne trawienne: pepsyna, trypsyna są wytwarzane w formie proenzymów (form nieaktywnych) w wyniku proteolizy następuje odłączenie kilku peptydów od formy proenzymu, w wyniku czego następuje zmiana struktury przestrzennej proenzymu, utworzenie enzymu aktynego. Przykład:

pepsynogen–_pepsyna^H+> pepsyna + 5 oligopeptydy

Enzymy regulatorowe są to enzymy, które oprócz centrum aktywnego posiadają centrum allosteryczne. Jeśli dany enzym zbudowany jest z 1 podjednostki to obydwa centra muszą być w ramach tej cząsteczki, gdzie do centrum aktywnego przyłącza się substrat lub centrum allosterycznego efektor allosteryczny. Jednak najczęściej enzymy te zbudowane są z kilku podjednostek. Wówczas centrum aktywne ulokowane jest w podjednostce katalitycznej, a centrum allosterczne w podjednostce regulatorowej. Efektor może być negatywny lub pozytywny.

Efektor negatywny hamuje reakcje podczas gdy efektor pozytywny przyśpiesza.

Działanie efektora negatywnego polega na tym, że przyłączając się do centrum allosterycznego zmienia strukturę przestrzenną podjednostki regulatorowej, a później katalitycznej na taką, gdzie wcześniej działające centrum aktywne przestało istnieć lub jest częściowo zniszczone.

Efektor pozytywny działa odwrotnie. Zmienia strukturę w sposób pozytywny, umożliwia utworzenie centrum, które wcześniej nie funkcjonowało.

Jednym ze sposobów regulacji aktywnych enzymów wykorzystujących efekt allosteryczny jest sprzężenie zwrotne. Polega na tym, że końcowy produkt lub pośredni szlaku metabolicznego jest efektorem allosterycznym enzymu rozpoczynającego ten szlak. Jest to bardzo ekonomiczny sposób regulacji aktywatorów, jeśli nie wymaga syntezy innych związków. (…)

Wyróżniamy dwa rodzaje specyficzności katalizy enzymatycznej:

1. W stosunku do typu katalitycznej reakcji

2. W stosunku do substratu

Ad 1 Polega na tym, że dany enzym zdolny jest do przekształcania danego substratu w ściśle określonym kierunku. Oznacza to, że enzym katalityczny 1 z termodynamicznie możliwych reakcji jakim może podlegać substratowi. Jeżeli substrat przekształcony jest w różnych kierunkach dając różne produkty, wówczas każda z tych reakcji katalizowana jest przez inny enzym.

Ad 2 Jest to specyficzność polegająca na zdolności enzymu do wyboru odpowiednich substratów. Wyróżnia się specyficzną substancję absolutną, gdzie dany enzym może przekształcić się tylko 1 związek jako substrat. Przykład: ureaza-mocznik. Grupowa specyficzność substratów, gdzie grupa związków podobnych do siebie strukturalnie Moze być substratami np. heksokinaza wykorzystuje fruktozę, mammozę.

Stereochemiczna- specyficzna w stosunku do szeregu L lub D. Np. syntetaza glutaminy tylko wykorzystuje L glutaminian jako substrat.

W stosunku do konfiguracji alfa lub beta np. maltoza tylko wiązania alfa 1,4 glikozydowe

W stosunku do izomerów cis-trans np. hydrokinaza jabłczanowa wykorzystuje tylko fumaran jako substrat.