ENZYMY:

Biokatalizatory biorące udział w każdej reakcji chemicznej w każdym żywym organizmie. Enzymy stanowią największą i najbardziej wyspecjalizowaną grupę związków o charakterze białkowym. Mogą one być białkami prostymi lub złożonymi. Część białkowa enzymów nazywana jest apoenzymami i w niej zlokalizowane jest zdolność do rozpoznawania właściwego substratu. Częścią niebiałkową (jeśli istnieje) mogą być odpowiednie koenzymy, jony różnych metali, które mają duży wpływ na typ katalizowanych reakcji. Czasem część niebiałkowa jest bardzo silnie (nawet trwale) związana z apoenzymem. Wówczas nazywamy ją grupą prostetyczną, lecz najczęściej część niebiałkowa ulega oddysocjowaniu, i po reakcji nazywamy ją typowym koenzymem. Główną funkcją enzymów jest obniżenie energii aktywacji, tj. energii niezbędnej do osiągnięcia stanu aktywnego (przejściowego) cząsteczki, gdyż jedynie cząsteczki o podwyższonym poziomie energii swobodnej mogą uczestniczyć w reakcji. Enzymy zmniejszając barierę energetyczną umożliwiają przejście bezwładności chemicznej cząsteczki. Aby mogła mieć miejsce kataliza przy udziale enzymu niezbędne jest utworzenie kompleksy enzymu z substratem. Substrat ulega związaniu w specyficznym rejonie enzymu przy udziale reaktywnych grup substratu oraz reagujących z nim gr. funkcyjnych enzymu. Gr. funkcyjne enzymu znajdujące się w określonym układzie przestrzennym wzajemnie ze sobą współdziałające w połączeniu substratu nazywamy centrum aktywnym enzymu. Grupy te najczęściej pochodzą od aminokwasów znacznie od siebie oddalonych w łańcuchu polipeptydowym, lecz dzięki odpowiedniemu przestawnemu ułożeniu łańcucha są do siebie zbliżone te aminokwasy, które delegują swoje gr. funkcyjne do centrum aktywnego. Te aminokwasy nazywamy kontaktowymi. Wśród nich najważniejsze to: cysteina, seryna, kw. glutaminowy, lizyna, histydyna, arginina. Centrum aktywne enzymu zajmuje stosunkowo niewielką objętość, tj. miej niż 1% objętości całego enzymu i znajduje się w zagłębieniu cząsteczki w miejscu niedostępnym dla cząsteczek wody. Pomimo, że centrum aktywne tworzą gr. polarnych to samo zagłębienie ma charakter apolarny tworzone przez takie aminokwasy jak walina, leucyna i izoleucyna.

Podstawą reakcji enzymatycznej jest utworzenie kompleksu enzym – substrat (ES). Kompleks może tworzyć się:

a) Gdy struktura substratu jest dopasowana do struktury centrum aktywnego enzymu, wówczas mówimy o tzw. teorii klucza i zamka.

b) Wiadomo, że struktury enzymu i substratu nie są do końca sztywne i podlegają modyfikacji wynikającej z indukcyjnego dopasowania się enzymu do substratu. Teorię tę nazywamy teorią Koszlanda inaczej teorią indukcyjnego dopasowania się (kompleks ES)

I. Wpływ enzymu na szybkość reakcji enzymatycznej

1. Stężenie enzymu – w warunkach nadmiaru substratu szybkość reakcji enzymatycznej jest wprost proporcjonalna do stężenia enzymu i do czasu reakcji.

2. Stężenie substratu – w warunkach niskich stężeń substratu obserwuje się nadmiar enzymu nad substratem (jedynie częściowe wysycenie enzymu substratem). Reakcja przyśpiesza proporcjonalnie do zwiększonego stężenia substratu. Przy dalszym wzroście stężenia substratu obserwuje się przyrost szybkości reakcji, lecz zależność ta nie jest już wprost proporcjonalna. Wynika to z faktu, że coraz większa część cząsteczek enzymu jest wysycona substratem i tylko niektóre cząsteczki enzymu są wolne i wchodzą po raz pierwszy w reakcję powodując jej przyśpieszenie. Przy dalszym zwiększeniu stężenia substratu osiąga się maxymalną szybkość reakcji (V_max), przy której wszystkie cząsteczki enzymu są wysycone substratem. W reakcję mogą wejść tylko te cząsteczki, które uwalniają się dając produkt i enzym. Każdy enzym charakteryzuje się wartością Km. Km jest to stała Michaelisa-Menten. Jest to takie stężenie substratu, przy którym szybkość reakcji równa się połowie szybkości maxymalnej. Wartość Km mówi o powinowactwie enzymu do substratu i im wyższa wartość Km tym niższe powinowactwo i odwrotnie.

3. Temperatura – ponieważ enzymy są białkami stąd też wraz ze wzrostem temperatury rośnie intensywność denaturacji tych białek, tzn. że wraz ze wzrostem temperatury maleje ilość cząsteczek biorących udział w reakcji. Z drugiej strony reakcje enzymatyczne podlegają tym samym prawom co inne reakcje chemiczne np. prawu Van`t Hoffa. Prawo Van`t Hoffa mówi, że wzrost temperatury o 10^O może przyśpieszyć 2-3 krotnie szybkość reakcji. Każdy enzym posiada temperaturę optymalną tj. taką, przy której stopień denaturacji enzymu jest jeszcze niewielki, a temperatura enzymu zależy od warunków, w których te enzymy funkcjonują. Mają strukturę przestrzenną dostosowaną do temperatury życia organizmu

4. Wpływ pH – każdy enzym posiada odpowiednie optimum pH swojego działania. Niewielkie odchylenia od optimum powodują zwolnienie szybkości reakcji. Wynika to stąd, że jony H⁺ bądź też OH^- zmieniają stopień dysocjacji grup funkcyjnych enzymu. Dotyczy to zwłaszcza grup funkcyjnych obecnych w centrum aktywnym i znajdujących się w bliskim sąsiedztwie centrum aktywnego. Powstaje inny układ ładunków w cząsteczkach, a tym samym inna struktura centrum. Przy wyższych odchyleniach od optimum pH następuje zniszczenie wiązań stabilizujących strukturę przestrzenną enzymu tym samym jego denaturację. Wartość pH dla enzymu może zależeć od miejsca działania tego enzymu (np. pepsyna w soku żołądkowym – pH 2,2, trypsyna w jelicie 7,8). Wartość pH może zależeć od substratu czy też od różnych kofaktorów uczestniczących w reakcji.

II. Czynniki hamujące reakcje enzymatyczne

1. Wśród nich są inaktywatory działające niespecyficznie. Najważniejsze to:

• Wysoka temperatura

• Skrajne odchylenie pH

• Metale ciężkie

• Rozpuszczalniki organiczne (etanol, benzen

2. Inhibitory – grupa czynników działających specyficznie, czyli określone substraty działają na określone enzymy. Wśród inhibitorów wyróżniamy:

   • Inhibitory działające odwracalnie

   • Inhibitory działające nieodwracalnie

Inhibitory działające nieodwracalnie tworzą wiązania kowalencyjne z enzymem i odwrócenie tego zjawiska jest wyjątkowo skomplikowane i wymaga specyficznych zabiegów.

Wśród inhibitorów działających odwracalnie wyróżniamy:

• Inhibitory współzawodniczące (kompetycyjne)

• Inhibitory nie współzawodniczące (niekompetycyjne)

  • Inhibicja kompetycyjna: polega na współzawodnictwie pomiędzy substratem i inhibitorem o centrum aktywne enzymu. Zawsze substrat i inhibitor przyłączane są do centrum aktywnego. Inhibitor musi być strukturalnie podobny do substratu. Stopień zahamowania reakcji zależy od stosunku stężenia inhibitora do stężenia substratu. Inhibicję tę można cofnąć zwiększając stężenie substratu.

• Najprostszym przykładem inhibicji kompetycyjnej jest działanie kwasu malonowego HOOC-CH₂-COOH, który hamuje reakcję katalizowaną przez dehydrogenazę bursztynową.

– Inhibicja niekompetycyjna: inhibitor może zarówno przyłączyć się do centrum aktywnego jak i w innym miejscu niż centrum aktywne. Zazwyczaj przyłącza się gdzieś indziej. Stopień zahamowania przy tym typie inhibicji zależy wyłącznie od stężenia substratu. Można ją cofnąć jedynie wprowadzając związek o wysokim powinowactwie do inhibitora. Związek ten uwolni enzym od inhibitora sam tworząc z nim połączenie.

Przykłady inhibicji niewspółzawodniczącej (niekompetycyjnej):

• Działanie jonów metali ciężkich np. Hg, Cu, które wiążą grupy SH cysteiny w centrum aktywnym enzymu – tworzą się mekaptydy.

• Działanie cyjanków czy azydków i fluorków na enzymy wymagające do swej aktywności jonów żelaza. Związki te tworzą kompleksy z jonami Fe powodując obniżenie aktywności.

III. Sposoby aktywacji enzymów (przyśpieszenie V reakcji)

1. Przekształcenie nieaktywnej formy enzymów w formę aktywną. Ma to miejsce głównie przy aktywacji enzymów protolitycznych np. pepsyny, trypsyny. Aktywacja ta polega na odłączeniu od nieaktywnej formy (proenzymu) peptydu lub kilku peptydów. Po odłączeniu tych peptydów zmienia się struktura przestrzenna pozostałej części enzymu na taką, która umożliwia powstanie centrum aktywnego. Np.:

Pepsynogen → pepsynę

Trypsynogen → trypsynę

2. Regulacja potencjału redox w środowisku gdzie enzym występuje. Enzymy cysteinowe (posiadające w centrum aktywnym grupę SH) są silnie aktywowane przez takie związki jak glutation (zredukowany), cysteina (jako wolny aminokwas), kwas askorbinowy.

3. Wprowadzenie niskocząsteczkowych kofaktorów np. aktywność syntetazy glutaminowej jest przyśpieszana przez jony Mg²⁺, aktywność α-amylazy jest silnie przyśpieszana przez Cl^–, aktywność arginazy jest aktywowana przez jony Mn²⁺.

Allosteria:

Sposób regulacji:

Enzymy allosteryczne (regulatorowe) posiadają oprócz centrum aktywnego drugie centrum tzw. allostryczne. Enzymy mogą być zbudowane z jednej podjednostki i wówczas w niej zlokalizowane są obydwa centa, lub zbudowane jest, z co najmniej 2 podjednostek gdzie centrum aktywne jest umieszczone w podjednostce katalitycznej, a centrum allosteryczne w podjednostce regulatorowej. Pod wpływem przyłączonego efektora allosterycznego (do centrum allosterycznego) następują zmiany struktury wtórnej białka zwłaszcza 3–cio i 4–to rzędowej. Zmiany struktury wtórnej w podjednostce regulatorowej pośrednio oddziaływują na strukturę podjednostki katalitycznej zmieniając centrum aktywne. Ten typ regulacji ma miejsce zarówno przy hamowaniu jak i aktywacji enzymów.

Jednym ze sposobów regulacji aktywności enzymów opartym na efekcie allosterycznym jest sprzężenie zwrotne. Polega ono m.in. na tym,że końcowy produkt ciągu reakcji jest efektorem allosterycznym enzymu katalizującego pierwszą reakcję lub jedną z początkowych. Efektorem tym jest efektor negatywny. Związek będący substratem, który gromadzi się w nadmiernych ilościach może być efektorem allosterycznym pozytywnym dla wielu reakcji, które zaangażowane są w jego rozkład.

Rola hormonów w aktywacji enzymów:

Hormony np. adrenalina za pośrednictwem receptorów umieszczonych na zewnętrznej powierzchni błon komórkowych może aktywować szereg enzymów. Adrenalina w pierwszej kolejności aktywuje cyklazę adenylową zlokalizowaną na wewnętrznej stronie błony komórkowej ( naprzeciw receptora). Aktywcja cyklazy jest na tyle ważna, że powstały cAMP ( cykliczny adenozynomonofosforan) jest efektorem allosterycznym dla kinaz białkowych. Z kolei kinazy białkowe modyfikują szereg białek aktywując je. Tak więc rola adrenaliny czy też innych hormonów polega na tym, że wywołują one kaskadowo działające mechanizmy aktywacji. Tak więc pamiętajcie dzieci, że na kolosie z biobzdur wytwarza nam się cAMP.

Każdy enzym charakteryzuje się określoną specyficznością substratową. Pod jej pojęciem rozumiemy możliwość wyboru przez dany enzym jednego związku lub grupy związków strukturalno podobnych substancji. Do najważniejszych typów specyficzności substratowej zaliczamy:

1. Specyficzność absolutna – polega na tym, że enzym może przekształcić tylko jeden związek jako substrat np. ureaza lub mocznik jako substrat.

2. Specyficzność grupowa – enzym może katalizować przekształcanie kilku związków jako substraty. Związki te muszą charakteryzować się wspólną cechą np. fosfatazy przekształcają monoestry fosforanowe.

3. Specyficzność stechiometryczna

   1. Specyficzność stosunku do szeregu L lub D np. syntetaza glutaminy wykorzystuje tylko L – glutaminian jako substrat.

   2. Specyficzność do izomerii cis lub trans np. hydroliaza jabłczanowa przyłącza cząsteczkę wody tylko do fumaranu (trans)

   3. Specyficzność do wiązania α lub β np. α–glikozydaza rozkłada tylko wiązania typu α. α–amylaza rozkłada wiązanie α–1,4-glikozydowe.

   4. Specyficzność do miejsca ataku ϑ (miejsce wiązania rozkładanego). Np. endopeptynaza cysteinowa rozkłada tylko wiązania peptydowe wewnątrz łańcucha (nigdy na skraju), aminopeptydaza leucynowa atakuje skrajne wiązania peptydowe od N-końca.

Jednostki aktywności:

1. Jednostka międzynarodowa, standardowa, uniwersalna, jest to tak ilość enzymu, która przekształca 1 µmol substratu w ciągi 1 min w optymalnym pH w temp 30^OC i przy nadmiarze substratu.

2. Katal – jest to taka ilość enzymu, która przekształca 1 mol substratu w ciągu 1 sec w temp 30^OC przy optymalnym pH i przy nadmiarze substratu. Ponieważ jest to jednostka bardzo duża, dlatego stosuje się częściej milikatale, mikrokatale, nanokatale.

3. Aktywność właściwa – jest to ilość jednostek uniwersalnych standardowych lub katali przeliczona na 1mg białka przy optymalnym pH. Tę jednostkę stosuje się najczęściej przy oczyszczaniu enzymów.

4. Liczba obrotów (aktywność molekularna) – jest to ilość moli substratu przekształcona przez 1 mol enzymu w ciągu 1 min w temp 30^OC przy optymalnym pH. Stosuje się ją wtedy, gdy znana jest masa molowa enzymy jak również liczba centrów aktywnych.

Klasy enzymów i nazewnictwo:

Nazwy enzymów systematyczne jak i potoczne najczęściej składają się z 2 elementów. Pierwszy mówi o klasie, do której należy enzym. Drugi element nazwy wskazuje na substrat lub substraty w przypadku oksyreduktaz, a w przypadku transferaz o donorze i akceptorze.

W klasyfikacji systematycznej enzymy oznacza się wg kodu liczbowego czterema cyframi przedzielonymi kropkami. Pierwsza cyfra kodu zawsze mówi o klasie enzymu. Wyróżniamy 6 podstawowych klas enzymów:

1. Oksydoreduktazy

2. Transferazy

3. Hydrolazy

4. Liazy

5. Izomerazy

6. Ligazy (Syntetazy)

Ad. 1 Oksydoreduktazy: katalizują reakcję przeniesienia elektronów i protonów lub bezpośrednio wiązania O₂ (przyłączenie do substratów). Do najważniejszych podklas oksydoreduktaz należą:

• Dehydrogenazy – katalizują przeniesienie elektronów i protonów substratu na utlenione koenzymy.

• Reduktazy – przenoszą elektrony i protony z przenośników łańcucha oddechowego na inne układy.

• Oksydazy – aktywują tlen przenosząc elektrony z różnych substratów na cząsteczkę O₂.

• Peroksydazy – utleniają substraty rozkładając H₂O₂.

• Oksygenazy – przyłączają O₂ do związków organicznych z jednoczesnym przeniesieniem protonów i elektronów.

Ad. 2 Transferazy: katalizują reakcje przeniesienia grup między substratami. Podklasy to:

• Aminotransferazy – przenoszą grupy aminowe z aminokwasów na oksokwasy.

• Fosfotransferazy (kinazy) – przenoszą reszty fosforanowe między substratami.

• Metylotransferazy – przenoszą grypy CH₃ między substratami.

• Acylotransferazy – przenoszą reszty acylowe między produktami.

Ad. 3 Hydrolazy: katalizują reakcje rozkładu związków przy udziale cząsteczek H₂O (hydroliza). Podklasy to:

• Esterazy – hydrolizują wiązanie estrowe.

• Glikozydazy – hydrolizują wiązanie glikozydowe.

• Peptydazy – hydrolizują wiązanie peptydowe.

Ad. 4 Liazy: katalizują reakcję rozpadu wiązań, ale bez udziału H₂O. Wśród tej klasy są też syntazy, które katalizują reakcje odwracalne z równowagą przesuniętą w kierunku syntezy. Enzymy te działają na takie wiązania jak C–C (dekarboksylazy), C–S (desulfhydrazy), C=O (hydroliazy), C­–N (deaminazy)

Ad. 5 Izomerazy: katalizują reakcje przekształceń wewnątrz cząsteczkowych. Podklasy to:

• Racemazy – przekształcają izomerię L w D.

• Epimerazy – przekształcają fazy α w β.

• Izomerazy cis i trans np. maleinian, fumaran.

Ad. 6 Ligazy (Syntetazy): katalizują reakcje syntezy nowych wiązań w wykorzystaniem energii związków makroergicznych (ATP, GTP, UTP). Enzymy z tej klasy wytwarzają wiązania C–C, C–N, C=O, C–S.

Izoenzymy: są to zróżnicowane strukturalnie formy określonego enzymu zdolne do katalizy tej samej reakcji, lecz powstające przy udziale różnych genów strukturalnych. Izoenzymy różnią się od siebie nie tylko pod względem struktury 1-szo rzędowej, ale też mogą mieć inne optimum pH, inną optymalną temperaturę, inną masę molową, inne wartości Km (powinowactwo substratowe), inną lokalizację wewnątrzkomórkową. Najlepiej poznanymi izoenzymami są izoenzymy dehydrogenazy mleczanowej. Izoenzymy te zbudowane są z 2 lub z jednego typu podjednostek, z czego wszystkie są tetramerami. Wyróżnia się 5 izoform:

• H4 – same formy H

• H3N1 – 3 formy H i 1 forma N

• H2N2 –2 formy H i 2 forma N

• HN3 – 1 forma H i 3 formy N

• N4 – same formy N

ROZKŁAD ENZYMATYCZNY CUKRÓW

Wśród najważniejszych enzymów trawiennych amylolitycznych (rozkładających węglowodany) są:

• α-amylaza ślinowa i trzustkowa

• α-1,6-glikozydaza

• maltaza

• sacharaza

• laktaza

• glukoamylaza

α-amylaza – rozkłada wiązania α-1,4-glikozydowe wewnątrz łańcucha polisacharydowego. Jej produktami są w pierwszej kolejności wysokocząsteczkowe dekstryny, dalej dekstryny o mniejszej masie, a na końcu cząsteczki maltozy i izomaltozy.

α-1,6-glikozydaza – rozkłada wiązania α-1,6-glikozydowe, głównie wewnątrz łańcucha, ale może też na skraju.

Maltaza – rozkłada maltozę do 2 cząsteczek glukozy

Sacharaza – rozkłada wiązanie β-1,2-glikozydowe, a produktami są α-D-fruktoza i α-D-glukoza

Laktaza – rozkłada wiązanie α-1,4-glikozydowe, a produktami są β-D-galaktoza i β-D-glukoza.

Glukoamylaza – enzym bakteryjny wytwarzany przez bakterie przewodu pokarmowego. Enzym ten rozkłada wiązania α-1,4-glikozydowe i α-1,6-glikozydowe zawsze skrajne, czyli odłączają cząsteczkę α-D-glukozy.

Wszystkie w/w enzymy należą do hydrolaz. Ważnym enzymem rozkładającym cukry z punktu widzenia przemysłu jest β-amylaza. Enzym ten nie jest enzymem trawiennym. Jest to enzym roślinny i występuje w ziarniakach np. w jęczmieniu.

Enzym ten rozkłada skrobię, rozkłada wiązanie α-1,4-glikozydowe odłączając od końca skrobi β-maltozę.

Organizm ludzki celulozę wykorzystuje w minimalnym stopniu tj. ok. 5% i to tylko dzięki enzymom (celulazom) wytwarzanym przez mikroflorę przewodu pokarmowego. Celuloza jest w wysokim stopniu wykorzystywana przez przeżuwacze, które dzięki bogatej mikroflorze swoich żołądków są w stanie niemal całkowicie rozłożyć celulozę do β-D-glukozy.

ROZKŁAD ENZYMATYCZNY BIAŁEK

Niezależnie od miejsca rozkładu enzymy prowadzące metabolizm białek to enzymy proteolityczne (proteazy). Enzymy rozkładające białka w przewodzie pokarmowym - enzymy trawienne, poteolityczne (pozakomórkowe), poza przewodem pokarmowym - enzymy proteolityczne wewnątrzkomórkowe

Wszystkie enzymy dzielimy na endopeptydazy - rozkład wiązań peptydowych wewnątrz łańcucha i egzopeptydazy - rozkład skrajnych wiązań łańcucha (amylopeptydazy - odłączają pojedyńcze aminokwasy od N-końca łańcucha wolną grupę NH₂, karboksypeptydazy - odłączają pojedyncze aminokwasy od C-końca)

Wszystkie enzymy dzielą się w zależności od budowy centrum aktywnego.

- peptydazy cysteinowe (grupy SH - cysteiny)

- peptydazy serynowe (grupa OH - seryny)

- aspartylowa (COO^– - kwasu asparginowego)

- metylo proteiny (jony metali)

NAJWAŻNIEJSZE ENZYMY TRAWIENNE

pepsyna - fosfoproteina wywarzana przez komórki dna żołądka jako pepsynogen. W soku żołądkowym pepsynogen przekształca sie w pepsynę (aktywna forma, rozkłada wiązania peptydowe miedzy grupami karboksylowymi aminokwasów aromatycznych i dikarboksylowymi; a grupami innych aminokwasów. Optimum pH 1, 2 - 2,5. Endopeptydaza aspartylowa.

podpuszczka(chymozyna)– Katalizuje rozkład rozpuszczalnego kazeinianu wapnia do nierozpuszczalnego parakazeinianu (twaróg), który jest następnie trawiony pepsyną; wywarzana w żołądku przeżuwaczy, jako proenzym prolenina. Przekształca rozpuszczalną kazeinę w nierozpuszczalną parakazeinę - w ten sposób wydłuża czas obecności kazeiny w żołądku i zwieksza efoktywność jej wykożystania. Optimum pH 3,5 - 4. Endopeptydaza aspartylowa. Zastosowanie w przemyśle serowarskim (sery podpuszczkowe)

trypsyna - wytwarzana przez komórki trzustki, jako trypsynogen. transportowane jest do jelita cienkiego, jako trypsynogen, gdzie przekształca sie w trypsyne i rozkłada białka, hydrolizuje wiązania peptydowe, tworzone przez grupy karboksylowe aminokwasów zasadowych (lizyna, arginina), a grupami NH₂ innych aminokwasów. Optimum pH 7,5 - 8,5. Endopeptydaza serynowa.

chymotrypsyna- wytwarzana przez komórki trzustki jako chymotrypsynogen. Aktywacja w jelicie cienkim. Rozkłada wiązania peptydowe między grupami karboksylowymi aminokwasów aromatycznych, a grupami NH₂ pozostałych aminokwasów. Optimum pH 7,5- 8,0. Endopeptydaza serynowa.

elastaza i keratynaza- wytwarzane są i działają tak jak trypsyna i chymotrypsyna. Elastaza nie wykazuje wysokiej specyficności do rodzaju wiązania peptydowego, lecz jako jedyna rozkłada elastynę (białko ścięgien). Keratynaza rozkłada keratynę (strukturalnie).

karboksypeptydaza A i B - "A"- odłącza od C-końca aminokwasy z wyjątkiem proliny, aminokwasów zasadowych. "B"- odłącza prolinę i aminokwasy asadowe od C-końca. Wytwarza je trzustka. Działają w jelicie cienkim.

aminopeptydaza leucynowa- odczepia od N- końca aminokwasy białkowe. Najwyższa aktywność do substratu który na N - końcu ma leucynę.

Wewnątrzkomórkowe - odpowiedzialne za odnowę i utrzymanie równowagi miedzy pulą białek, a pólą produktów ich rozkładów.

ROZKŁAD ENZYMATYCZNY TŁUSZCZÓW

Zarówno tłuszcze właściwe, woski, jak i tłuszcze złożone podlegają procesom katabolicznym. W przewodzie pokarmowym są one rozkładane przez enzymy trawienne lipolityczne. Poza przewodem pokarmowym rozkładane są przez enzymy lipolityczne wewnątrzkomórkowe. W p. pokarmowym rozkład cząsteczki 1,2,3-triacyloglicerolu przebiega przy udziale lipazy trzustkowej, a rozkład fosfoglicerydów przy udziale fosfolipaz trzustkowych. Lipaza trzustkowa rozkłada wiązania estrowe przy udziale cząsteczki H₂O działając w 2 etapach:

1. Rozkłada wiązanie przy 1 i 3 węglu

2. Rozkłada wiązanie przy 2 atonie węgla

Produktami działania lipaz są 3 cząsteczki kwasu tłuszczowego i cząsteczka glicerolu. Powstałe w tum procesie glicerol i kwasy tłuszczowe przechodzą do krwioobiegu i przenoszone są do różnych komórek organizmu. Glicerol ulega fosforylacji i utlenieniu (odwodorowaniu) do fosfodihydroksyacetonu. W procesie tym biorą udział 2 enzymy:

– kinaza glicerolowa

– dehydrogenaza 3- fosfoglicerolowa

Fosfodihydroksyaceton może być przekształcony w aldehyd 3-fosfoglicerynowy przy udziale izomerazy trifosfoglicerynowej (enzymu glikolitycznego). Powstały aldehyd 3-fosfoglicerynowy może wejść w przemiany glikolityczne i przekształcić się w pirogronian, ale może też wejść w przemiany glukoneogenetyczne prowadzące do powstania glukozy.

KOENZYMY I WITAMINY:

Koenzymy to część składowa holoenzymu, niezbędne prawie we wszystkich reakcjach enzymatycznych z wyjątkiem reakcji katalizowanych przez hydrolazy. Koenzymy są budowane na bazie witamin tj. witamina jest rdzeniem koenzymu, to wyjaśnia rolę witamin. Brak lub niedobór witamin uniemożliwia utworzenie odpowiednich koenzymów, co zabuża metabolizm. Witaminy są wytwarzane przez drobnoustroje roślinne wyższe, człowiek poza niektórymi wyjątkami nie jest w stanie witamin wytworzyć i dlatego musi je pobierać z pokarmu.

W reakcjach wymagających koenzymów tworzy się komplex enzym-substrat-koenzym. W jego obrębie dokonują się przegrupowania elektronów wokół wiązań chemicznych substratu, w wyniku czego rozrywają się one i w to miejsce tworzą się nowe wiązania. Umożliwia to przekształcenie substratu w produkt. Koenzymy dzielimy na grupy zależnie od typu reakcji, w których uczestniczą.

1) Koenzymy przenoszące elektrony i protony – Współdziałają z oksydoreduktazami, najważniejsze to:

• NAD⁺ –dinukleotyd nikotynamidoadeninowy

• NADP⁺ – fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego

• FAD – dinukleotyd flawinoadeninowy

• FMN – mononukleotyd flawinowy

• Koenzym Q – Ubihinon (przenośnik łańcucha oddechowego)

• Kwas liponowy – lipS-S

• Heminy komórkowe np. cytochromy

2) Koenzymy przenoszące grupy współdziałające z transferazami

• ATP i inne trifosforany nukleozydów przenoszące reszty fosforanowe

• Koenzym A – przenosi grupy acylowe

• DPT – difosforan tiaminy - przenosi aktywne grupy ketonowe i aldehydowe.

• PLP – fosforan pirydoksalu – przenosi grupy aminowe

• Biotyna – Przenosi grupy karboksylowe

Ad 1:

NAD⁺ – jest zbudowany z 2 nukleotydów powiązanych ze sobą wiązaniami bezwodnikowymi (nie są bogate w energię powyżej 25 KJ) za pośrednictwem reszt fosforanowych. Każdy z nukleotydów zbudowany jest z zasady azotowej (pierwszy z amidu kw. nikotynowego, a drugi z zasady adeniny), reszty cukrowej (D-ryboza) oraz reszt fosforanowych. Zasady azotowe połączone są z cukrem wiązaniem N-glikozydowym, zaś reszta fosforanowa z cukrem wiązana jest wiązaniem estrowym. NAD⁺ ładunek dodatni posiada z faktu obecności w pierścieniu pirymidowym IV rzędowego atomu azotu z ładunkiem dodatnim.

NADP⁺ – przy drugim atomie węgla rybozy (ANP) grupa OH jest zestryfikowana – połączona jest reszta fosforanowa.

W przypadku obu koenzymów witaminą jest amid kwasu nikotynowego, jest to najważniejsza część koenzymu, ponieważ właśnie ona ulega redukcji lub utlenianiu. To ta część koenzymu odpowiedzialna jest za współpracę z oksydoreduktazami. Po lewej stronie ( patrz xerówka „utlenianie i redukcja kw. nikotynowego”) mamy formę utlenioną, a po prawej zredukowaną. Forma utleniona amidu nie może przyłączyć 2 protonów, przyłącz się 1 proton i 2 elektrony. Drugi proton idzie do środowiska. Dlatego formę utlenioną zapisujemy NAD⁺ lub NADP⁺, a zredukowaną NADH+H⁺ lub NADPH+H⁺. Grupą czynną obydwu koenzymów jest amid kw. nikotynowego tj. witamina PP. Witamina ta nazywana jest również niacyną lub witaminą przeciw pelagryczną, należy do witamin B (B₃). NAD⁺ współdziała przede wszystkim z dehydrogenazami odwodorowując substraty i forma zredukowana jest regenerowana w łańcuchu oddechowym.

NADP+ najczęściej uczestniczy w procesach anabolicznych natomiast NAD+ w katabolicznych. Niedobory witaminy PP objawiają się zaburzeniami trawienia, wysypką (pelagra), rumieniec lombardzki (zaróżowienie twarzy. Duże niedobory prowadzą do zaburzeń w centralnym układzie nerwowym (majaczenie, deprecha). Dzienne zapotrzebowanie to ok. 10-25 mg/dobę. Duże ilości są w mleku, rybach, w wątrobie cielęcej, w otrębach pszennych i drożdżach.

• FAD – zbudowany jest z 2 nukleotydów, gdzie pierwszy z nich jest fosforanem ryboflawiny, a drugi adenozynomonofosforanem (AMP). Fosforan ryboflawiny (FMN) nie jest klasycznym nukleotydem, ponieważ zawiera zamiast cukru alkohol 5-cio węglowy (rybitol), oraz zbudowany jest z flawiny, która jest odpowiednikiem zasady azotowej. Obydwa koenzymy FAD i FMN uczestniczą w reakcjach redoks, a najważniejszym elementem budowy tych koenzymów jest flawina inaczej nazywana izoalloksazyną, gdyż to ona przyjmuje i oddaje elektrony i protony. Zredukowana forma flawiny jest bezbarwna, a utleniona żółta. W skład obydwu koenzymów wchodzi witamina B₂, będąca połączeniem flawiny z rybitolem i nazywa się wtedy ryboflawiną. Formę zredukowaną zapisujemy jako FADH₂ i FMNH₂. Niedobór witaminy B2 powoduje zaburzenia skórne takie jak pękanie kącików ust, łuszczenie się warg, zaczerwienienie języka, zmiany wokół oczu, światłowstręt, osłabienie wzroku. Dzienne zapotrzebowanie wynosi ok. 1,5-3 mg/dobę. Duże ilości występują w wątrobie, w zielonych warzywach, jajkach, serze, mleku, mące razowej.

• Kwas liponowy – pod względem chemicznym jest disulfidową pochodną kw. oktanowego. W zależności od potencjały rekoks jest utleniony lub zredukowany. Podczas redukcji (przyłączenie elektronów i protonów) rozrywają się mostki S-S. Kwas ten oprócz tego, że współdziała z oksydoreduktazami uczestniczy w transporcie grup acylowych, wówczas to w miejsce jednego z wiązań utworzonych po rozerwaniu S-S przyłączany jest rodnik acylowy. Mimo, że współdziała z oksydoreduktazami, jego zasadniczą funkcją jest współdziałanie z difosforanem tiaminy i koenzymem A podczas dekarboksylacji 2-oksokwasów. Tak więc koenzym ten współdziała z oksydoreduktazami, liazami i transferazami.

• Koenzym Q( Ubihinon) – występuje w mitochondriach i jest przenośnikiem protonów i elektronów w łańcuchu oddechowym.

• Heminy komórkowe – tworzą grupą prostetyczną wielu enzymów z klasy oksydoreduktaz. Do enzymów tych należą:

• Katalaza

• Peroksydaza

• Oksydaza cytochromu C

Heminy to niebiałkowa część cytochromów. Najważniejszym składnikiem hemin jest żelazo, które podobnie jak w przypadku hemoglobiny połączone jest z czterema pierścieniami pirolowymi, jednakże w przeciwieństwie do niej żelazo hemin przyjmuje i oddaje elektrony zmieniając swój stopień utlenienia z Fe²⁺ → Fe³⁺ i odwrotnie. Cytochromy różnią się od hemoglobiny tym, że część białkowa jest silnie połączona z heminą i nie za pośrednictwem żelaza, lecz tworząc silne wiązania kowalencyjne z resztami winylowymi.

Ad 2:

• Difosforan tiaminy (DPT) – koenzym ten jest ufosforylowaną postacią witaminy B1 inaczej tiaminy. DPT zbudowany jest z pierścienia pirymidynowego i tiazolowego. Miejscem aktywnym koenzymu jest drugi atom węgla pierścienia tiazolowego, oraz atom azotu (N⁺) drugiego pierścienia. Do miejsc aktywnych, a zwłaszcza do drugiego atomu węgla przyłączane są substraty reakcji, w których koenzym ten uczestniczy. Wcześniej jednak od C-2 odłączany jest proton i powstaje karboanion i to dzięki wolnej parze elektronowej przy C-2 możliwe jest przyłączenie substratu. Koenzym ten uczestniczy w reakcjach dekarboksylacji i przenoszenia grup (aldehydowych i ketonowych). Tak więc koenzym ten współdziała z transferazami oraz liazami. Dzienne zapotrzebowanie wynosi ok. 1-2 mg i niedobór tej witaminy powoduje chorobę Beri-Beri (porażenie mięśni), zanik mięśni, obrzęki, wyczerpanie psychiczne, neuropatie. Źródłem tej witaminy to otręby pszenne, zielone warzywa, mąka żytnia.

• PAL – fosforan pirydoksalu lub PLP – koenzym ten jest pochodną witaminy B6, która występuje w 3 formach:

• Pirydoksyna

• Pirydoksamina

• Pirydoksal

Formy te różnią się grupami przy 4 atomie węgla, mogą to być: CH₂OH, CH₂NH₂, COH. Te 3 formy mogą przechodzić jedna w drugą. Ufosforylowanie formy pirydoksalowej daje nam PAL. Koenzym ten współdziała z transferazami i liazami. Przy jego udziale katalizowane są reakcje transaminacji oraz dekarboksylacji aminokwasów. Reakcje te są możliwe dzięki szczególnie wysokiej aktywności grupy aldehydowej COH koenzymu. Organizm odczuwa niedobór wit. B6 jako: zapalenie spojówek, łuszczenie się naskórka, pękanie kącików ust, szczególny niedobór jest u pijaków. Związane jest to z tym, że rozkładowi etanolu towarzyszy hydroliza PLP. Duże ilości wit. B6 są w wątrobie, w mięsie ryb, zwierząt, kapuście, otrębach pszennych. Dzienne zapotrzebowanie to ok. 1 mg.

• Koenzym A – zbudowany jest z 3 elementów:

• Cysteamina (amina biogenna powstała podczas dekarboksylacji cysteiny).

• Fosforan kwasu pantotenowego (ufosforylowana forma wit. B5 inaczej kw. pantotenowego).

• 3,5-difosforanadenozyny.

Grupą czynną koenzymu A jest grupa SH Cysteaminy. Podstawową funkcją jest aktywowanie i przenoszenie reszt acylowych. Wykorzystywany jest do pokrywania potrzeb energetycznych i biosyntezy makrocząsteczek, głównie aktywacja kw. tłuszczowych, degradacja poprzez detoksykację.

• Biotyna – inaczej witamina H jest to związek heterocykliczny zbudowany z pierścienia tiofanowego sprzężonego z resztą mocznika. Biotyna jest grupą prostetyczną karboksylaz (podklasa ligaz). Bierze udział w przenoszeniu grup COOH i dołączaniu tych grup do substratów (czyli wydłużaniu łańcuchów) Biotyna występuje w zielonych warzywach, serach, mleku, wątrobie, nerkach. Niedobory są spowodowane niewłaściwym odżywianiem np. spożywaniem produktów wiążących biotynę (jajka). Niedobór objawia się bólami mięśni, deprechą, halunami.

• Witamina B12 – Ma skomplikowaną strukturę pierścieniową podobne do żelazoporfirynowych, tylko, że zamiast Fe jest kobalt Co³⁺. Bierze udział w reakcjach katalizowanych przez izomerazy – izomeryzacja kw. dikarboksylowych, przekształcanie rybonukleotydów w deoksyrybonukleotydy i reakcjach przenoszenia grup metylowych. Dużo jej jest w drożdżach, wątrobie, mleku, mięsie ryb, mikroflora jelitowa, brak u roślin. Wit. B12 magazynowana jest w wątrobie. Niedobór powoduje anemię złośliwą (niedokrwistość), zaburzenia neurologiczne.

• Witamina C – reguluje następujące procesy:

• Hydroksylacja proliny w procesie biosyntezy kolagenu, stąd też niedobór to szkorbut.

• Degradacja tyrozyny i synteza adrenaliny

• Synteza kwasów tłuszczowych

• Wchłanianie i przyswajanie żelaza

• Reguluje procesy redoks – działa jako antyoksydat

• Hamuje powstawania nitrozoamin podczas trawienia (substancja szkodliwa – rakotwórcza)ζ.

Dużo wit. C występuje w owocach południowych, kapuście, świeżych warzywach. Gromadzona jest w naszym organizmie jednak zapasy trzeba uzupełniać, co 2-3 miesiące.

• Witamina A – występuje w surowych witaminach jako prowitamina. Głównym źródłem są β-karoteny, które w wyniku rozkładu 1 cząsteczki dostarczają po 2 cząsteczki wit. A. Z rozkładu 1 cząsteczki α i γ karotenu powstaje po 1 cząsteczce witaminy A. Karoteny występują w warzywach. W rozkładzie β-karotenu i przekształceniu go w wit. A biorą udział 2 enzymy: dioksygenaza β-karotenowa – w wyniku jej działania powstają 2 cząsteczki aldehydu retinowego (retinal), który jest redukowany do retinolu (wit. A) przy udziale reduktazy retinalowej. Witamina A jest magazynowana w lipocytach w formie estrów. Transport jej odbywa się dzięki połączeniu jej ze specyficznymi białkami. Niedobór tej witaminy objawia się wystąpieniem: kurzej ślepoty, keratyzacji nabłonka oka, nabłonka dróg oddechowych i moczowo-płciowych. Niedobór może prowadzić do pełnej ślepoty. Witamina A zapobiega aktywnemu działaniu czynników rakotwórczych.

• Witamina D (grupa) - obejmuje kilka związków o zbliżonej budowie, powstają one z prowitamin zwanych sterolami. W wyniku naświetlania steroli światełkiem UV przekształcają się w formy aktywne, czyli witaminy. Prowitaminą u ludzi jest cholesterol, który w wyniku naświetlania światełkiem UV przekształca się w 7-dehydrocholesterol, czyli we właściwą prowitaminę D3, a ta w witaminę D3. Rola ich polega na regulowaniu gospodarki fosforu i wapnia. Niedobory powodują krzywicę i zakłócenie metabolizmu. Występuje w tranie, maśle, olejach roślinnych.

• Witamina E – związki nazywane tokoferolami. Występują w formach α, β i γ-tokoferoli. Niedobory prowadzą do zaniku mięśni (dystrofia), zmian w systemie nerwowym, naruszenia funkcji rozrodczych. Działa jako antyoksydat (w kremach – odporność naskórka). Oprócz kremów to występuje w mięsie ryb, olejach, jajkach, mleku, liściach jarzyn.

Witamina K – ma działanie przeciwkrwotoczne, reguluje syntezę protrombiny – białko odpowiedzialne za krzepliwość krwi występujące w wątrobie. Przy niedoborze synteza protrombiny jest mocno spowolniona. Synteza witamin z grupy K w dużym stopniu przebiega w przewodzie pokarmowym przy udziale mikroflory. Witaminę tę wytwarzają rośliny. Organizm ludzki z reguły nie odczuwa niedoboru tej witaminy, jednakże, gdy to nastąpi to związane jest to z zaburzeniami pobierania jej z przewodu pokarmowego. Przyczyną może być wyjałowienie przewodu pokarmowego przez antybiotyki. U noworodków, gdy przewód jest jałowy spada poziom protrombiny w wyniku przyjmowania przez matkę karmiącą antybiotyków.

ATP – budowa i właściwości

Jest to uniwersalny przenośnik energii użytecznej biologicznie à adenozynotrifosforan. Cząsteczka substancji organicznych w których występuje wiązanie wysokoenergetyczne.(zawierające znaczną ilość energii swobodnej)

ATP pod względem chemicznym jest zmodyfikowanym nukleotydem zbudowanym z

• zasady azotowej – adeniny,

• cukru – rybozy (tworzą one adenozynę) oraz z

• trzech reszt fosforanowych.

Między resztami fosforanowymi występują dwa wysokoenergetyczne wiązania bezwodnikowe, których zerwanie powoduje uwolnienie określonych porcji energii. ATP w procesie rozpadu – hydrolizy – odłącza jedną resztę fosforanową i przekształca się w ADP – adenozynodwufosforan; odłączenie jednej reszty fosforanowej powoduje wydzielenie porcji energii równej 30,5 kJ/mol (7,3 kcal z 1 mola wiązań).

- ATP jest związkiem nietrwałym i nie może być wykorzystany w pracy ciągłej, nie może być również przenoszony na większe odległości, z jednej komórki do drugiej, ani w obrębie jednej komórki. W przypadku zwiększonego zapotrzebowania na energię w określonym rejonie komórki wytworzony ATP jest przenoszony w mitochondriach (wędrówka mitochondriów).

SPRZĘŻENIE KOENZYMATYCZNE - powst. W wyniku łączenia się 2 koenzymów w trakcie przenoszenia protonów i elektronów z jednego związku na inny.

Hamowanie przez sprężenie zwrotne: Ma miejsce wówczas gdy, enzym katalizujący pierwszy etap szlaku biosyntetycznego jest hamowany przez

produkt tego szlaku lub sprzężonego z nim szlaku.

Sprzężnie energetyczne - wykorzystanie energii powstałej w reakcjach egzoenergetycznych do przeprowadzenia reakcji endoenergetycznych

Równanie Michaelisa-Menten: