Wstęp do Biochemii

 

Po wstępnym omówieniu szkieletu metabolicznego człowieka nie będziemy chwilowo mówić o reakcjach chemicznych, ale o mechanizmach, które regulują szybkość poszczególnych reakcji w organizmie, jak również szybkość całych szlaków metabolicznych. Omówienie tych zagadnień na obecnym etapie wydaje się być konieczne dla właściwego zrozumienia biochemii.

 

Enzymy

 Zdecydowana większość reakcji chemicznych zachodzi w organizmie dzięki obecności w komórkach odpowiednich enzymów. Jedynie bardzo nieliczne reakcje zachodzą samoczynnie. Enzymy są to cząsteczki białkowe, które znacznie przyspieszają zachodzenie poszczególnych reakcji. Są więc organicznymi katalizatorami - mówimy, że enzymy katalizują określone reakcje chemiczne.

Katalizator to związek, chemiczny, który zmniejsza próg energetyczny zajścia reakcji chemicznej. Aby określona reakcja między dwoma związkami mogła zajść, muszą one zbliżyć się do siebie na wystarczająco bliską odległość. Temperatura pokojowa jest często zbyt niska, by odpychające się cząsteczki zbliżyły się na wystarczająco bliską odległość. W praktyce oznacza to konieczność utrzymywania odpowiednio wysokiej temperatury, by dana reakcja zachodziła. Katalizator – przyłączając do siebie substraty reakcji zbliża je do siebie i umożliwia zajście reakcji z znacznie niższej temperaturze, niż bez jego obecności.

Enzym to z reguły cząsteczka białkowa zbudowana z kilkuset do kilku tysięcy aminokwasów, które układają się w ściśle określoną strukturę przestrzenną. Na powierzchni takiej cząsteczki wyróżnić można z reguły mały fragment, który przyłącza substraty reakcji i umożliwia zajście reakcji. Nazywamy go centrum aktywnym enzymu. Fragment ten to najczęściej kilka aminokwasów z całej cząsteczki, które leżą względem siebie w ściśle określonej konfiguracji przestrzennej. Nawet minimalne zaburzenie budowy centrum aktywnego może zaowocować brakiem aktywności enzymatycznej. Enzymy katalizujące określoną reakcję wyizolowane od różnych gatunków zwierząt cechują się z reguły różnicami aminokwasów w pozostałej części cząsteczki enzymu, jednak centrum aktywne u wszystkich tych gatunków pozostaje identyczne. Świadczy to o wspólnym genetycznym pochodzeniu tych enzymów.

W centrum aktywnym często istotną rolę odgrywa pojedynczy atom metalu (np. żelaza, miedzi, cynku) lub któraś z witamin.

Taka nietypowa cząstka chemiczna w centrum aktywnym wytwarza bardzo specyficzny rozkład mikropól elektrycznych i magnetycznych, który lokalnie obniża próg energetyczny danej reakcji. Ogólnie – niebiałkową część enzymu uczestniczącą w katalizowaniu reakcji nazywamy koenzymem, a część białkową – apoenzymem.

 

Energia wewnętrzna

 Energia wewnętrzna to pojęcie z zakresu termodynamiki. Mówi ona, jaka ilość energii zawarta jest w określonej cząsteczce chemicznej. Energia generalnie to jest coś takiego, co w przyrodzie nie ma prawa zniknąć. Co najwyżej jedna postać energii może się zamienić w inną. W przypadku reakcji chemicznych, energia wewnętrzna zawarta w substratach reakcji jest z reguły większa niż energia wewnętrzna produktów. Różnica tych energii uwalniana jest do otoczenia i najczęściej rozpraszana w postaci ciepła. Reakcja może jednak zachodzić również w przeciwną stronę, produkty mają wtedy większą ilość energii wewnętrznej niż substraty, a brakująca ilość energii musi zostać pobrana z otoczenia. Każda reakcja chemiczna może więc zachodzić teoretycznie w obie strony. W praktyce jednak stwierdzenie to dotyczy jedynie sytuacji, gdy różnica energii między substratami i produktami reakcji jest niewielka. Jeśli różnica ta jest duża – reakcja praktycznie zachodzi tylko w jedną stronę – w stronę zmniejszania się energii wewnętrznej w cząsteczkach i wydzielania się zawartej w substratach energii do otoczenia w postaci ciepła.

 

Entalpia

Entalpia to pojęcie ideowo prawie identyczne z energią wewnętrzną. Różnica polega jedynie na tym, w jakich warunkach zachodzi reakcja. O różnicy energii wewnętrznych mówimy wtedy, gdy reakcja zachodzi w warunkach izochorycznych, czyli stałej objętości układu. O różnicy entalpii – gdy reakcja zachodzi w warunkach izobarycznych, czyli stałego ciśnienia. W przypadku cieczy i ciał stałych różnica między energią wewnętrzną i entalpią jest minimalna i praktycznie pomijalna. Istotna różnica pojawia się jedynie w przypadku gazów. Organizm ludzki gazem jednak nie jest. Formalnie jednak poprawniej jest używać pojęcia entalpii a nie energii wewnętrznej.

Entalpia swobodna

Entalpia swobodna to ta część entalpii, która może zostać wykorzystana do wykonania efektywnej pracy, bądź przekazana innej cząsteczce. Formalnie jest to entalpia całkowita substratu pomniejszona o entropię, czyli część nieuporządkowaną entalpii, która nie może być wykorzystana do wykonania czegoś pożytecznego:

G  =  H - T·S   

G - entalpia swobodna, H - entalpia, T- temperatura, S - entropia,  T·S - niewykorzystywalna część entalpii

Entalpia swobodna mówi więc, jaką ilość energii w danym związku chemicznym można efektywnie wykorzystać. Każdej reakcji, w której entalpia swobodna zwiększa się, MUSI towarzyszyć inna reakcja, w której entalpia swobodna zmniejsza się. Reakcją, w której zmniejsza się entalpia swobodna jest bardzo często rozpad ATP do ADP i P. Jeśli ilość energii z tego rozpadu jest niewystarczająca do zajścia jakiejś reakcji, wtedy zachodzi reakcja rozpadu ATP do AMP i PP (pirofosforanu), ilość energii, która się wtedy uwalnia jest nieco mniej niż podwójna.

 

Stała reakcji K_eq

Reakcja chemiczna katalizowana przez enzym nigdy nie zachodzi do końca, czyli do zniknięcia wszystkich cząsteczek substratu. Teoretycznie, z termodynamicznego punktu widzenia nie jest to możliwe. W mieszaninie substratów i produktów reakcja zawsze zachodzi w obie strony. Bardziej preferowany jest zawsze kierunek związany z wydzielaniem się ciepła, jednak w drugą stronę reakcja zachodzi również, tyle że znacznie wolniej. Można więc dla każdej reakcji określić stężenia substratów i produktów, przy których prędkość zachodzenia reakcji w obie strony jest jednakowa. Opisuje je tzw. stała reakcji K_eq. Jeśli A i B to substraty reakcji a C i D to jej produkty, to formalnie stałą reakcji możemy zdefiniować jako:

(substraty)   A   + B   ↔ C  + D    (produkty)

gdzie [A], [B], [C] i [D] oznaczają odpowiednio stężenia poszczególnych substratów i produktów w stanie równowagi.

Łatwo sobie wyobrazić, że jeśli reakcja zachodzi z wydzieleniem się ciepła do otoczenia, czyli zmniejszaniem się entalpii, równowaga ustali się na poziomie ilościowej przewagi produktów (C,D) nad substratami (A,B). Stała reakcji wynosi w takim układzie więcej niż 1. Jeśli natomiast reakcja wymaga dostarczenia energii z otoczenia, równowaga ustala się na poziomie ilościowej przewagi substratów nad produktami. K_eq wynosi wtedy mniej niż 1. Jeśli w czasie reakcji entalpia swobodna się nie zmienia, równowaga ustali się przy równych ilościach substratów i produktów, a stała reakcji wynosi wtedy 1.

Dla bardziej zaawansowanych przedstawiam formalną zależność między stałą reakcji a różnicą entalpii swobodnej produktów i substratów:

ΔG = -RT ln K_eq

gdzie: ΔG to różnica entalpii sobodnych, R to stała gazowa równa 8.31 J/mol⋅K, a T to temperatura.

 

Trzeba wyraźnie powiedzieć, że enzymy nie zmieniają warunków równowagi danej reakcji chemicznej. K_eq pozostaje stałe niezależnie od obecności enzymów. Enzymy jedynie znacznie przyspieszają osiągnięcie stężeń równowagi chemicznej. Jeśli jednak produkty jakiejś reakcji są systematycznie usuwane z komórki (np. wchodzą w następną reakcję szlaku), równowaga może nie być osiągana nigdy. Enzymy sprawiają wtedy, że reakcja zachodzi ze znacznie większą prędkością niż bez nich.

 

Reakcje jedno- i dwukierunkowe

Większość reakcji chemicznych zachodzących w ludzkim organizmie cechuje się bardzo niewielką zmianą entalpii, co sprawia, że może ona zachodzić w obie strony w zależności od tego, czy chwilowo więcej jest substratów, czy produktów reakcji. (Ściślej: czy iloczyn stężeń produktów do iloczynu stężeń substratów jest większy czy też mniejszy od stałej K_eq, która jest bliska 1). W takim przypadku pojęcia substrat i produkt są właściwie umowne, gdyż, jeśli reakcja zaczyna zachodzić w stronę przeciwną formalnie substrat staje produktem a produkt substratem. W większości przypadków jednak reakcje takie zachodzą w organizmie zawsze w określoną stronę i ten kierunek umownie przyjmuje się w zapisie i przy określaniu, co jest substratem a co produktem. Są jednak reakcje, które zachodzą w organizmie w obie strony w zależności od tego, jaki jest stan metaboliczny organizmu. Przykładem będzie tu większość reakcji glikolizy, które mogą zachodzić w kierunku spalania glukozy, jeśli organizm potrzebuje energii i nie może pozyskać jej z innych źródeł. Mogą też zachodzić w kierunku syntezy glukozy (tzw. glikoneogeneza, czyli zamiana białek na cukier oraz zamknięcie cyklu pentozowego), jeśli organizm pozyskuje wystarczająco dużo energii z tłuszczu. Również dużą wymiennością kierunku cechują się reakcje przenoszenia grupy aminowej między aminokwasami i ketokwasami.

Niektóre jednak reakcje cechują się dość dużą utratą entalpii i dlatego w praktyce zachodzą tylko w jedną stronę. Reakcje w drugą stronę nie zachodzą, gdyż musiałaby istnieć bardzo duża różnica stężeń, praktycznie niemożliwa do wytworzenia wewnątrz komórki. Reakcje te, skoro wydziela się tam więcej ciepła, zachodzą dużo łatwiej niż pozostałe. Organizm często musi się wręcz bronić, by nie zachodziły one zbyt szybko. Są to najczęściej kluczowe węzły regulacyjne dla szlaków metabolicznych. Jeśli wymagane jest, by określona reakcja mogła zachodzić w organizmie w obie strony, z reguły istnieją wtedy dwa różne enzymy katalizujące reakcje w przeciwnych kierunkach. W jedną stronę reakcja przebiega wtedy samorzutnie. Dla kierunku przeciwnego brakująca energia jest pobierana ze związku wysokoenergetycznego, najczęściej z ATP. Różne złożone mechanizmy regulują wtedy ilość oraz aktywność enzymów katalizujących te reakcje, by dostosować szybkość zachodzenia danej reakcji do potrzeb organizmu. Nawet niewielkie różnice w funkcjonowaniu tych mechanizmów regulacyjnych u różnych ludzi mogą owocować dużymi różnicami w intensywności zachodzenia poszczególnych szlaków. Właściwa proporcja mieszanki paliwowej (Białka:Tłuszcze:Węglowodany, BTW) może być więc dla poszczególnych ludzi całkiem odmienna.

 

Ilość i aktywność enzymu a szybkość reakcji

Każdy cząsteczka enzymu ma jakąś maksymalną szybkość pracy, czyli ilość reakcji chemicznych, jakie może przekatalizować w czasie jednej sekundy. Ograniczeniem są tu czasy potrzebne na subtelną zmianę ustawienia przestrzennego cząsteczek enzymu w trakcie przyłączania substratów, a następnie odłączania produktów. W przypadku enzymów nie podlegających mechanizmom regulacji owa maksymalna szybkość pracy jest w zasadzie stała. W przypadku enzymów podlegających regulacji – szybkość pracy enzymu (czyli jego aktywność) może się zmieniać. Aktywność enzymu może być hamowana lub pobudzana przez różne czynniki. Najczęściej są to różne związki chemiczne występujące w komórce.

Aktywność węzłowego enzymu często decyduje o szybkości określonego szlaku metabolicznego, dlatego pojęcia: aktywność enzymu i aktywność szlaku są do pewnego stopnia wymienne. Podstawowym mechanizmem regulacji szybkości szlaku, bardzo często spotykanym, jest hamowanie początkowej reakcji szlaku przez produkt końcowy:

W powyższym przykładzie produkt końcowy szlaku E hamuje początkowy etap jego syntezy A → B. Taki mechanizm zapobiega nadmiernej produkcji jakiegoś związku, z którym następnie nie byłoby co zrobić. Zapewnia również, że przy braku związku końcowego jego synteza zostanie odblokowana.

Wpływ związków regulujących na enzym może być dwojaki. Mogą one (1) zmieniać ilość cząsteczek enzymu w komórce bądź (2) zmieniać aktywność cząsteczek enzymu już istniejącego.

W pierwszym przypadku - zmiana ilości cząsteczek enzymu zachodzi najczęściej poprzez zahamowanie bądź pobudzenie jego syntezy. Procesy syntezy i rozkładu enzymu są nieco rozłożone w czasie, stąd efekty tego typu regulacji nie są natychmiastowe.

W drugim przypadku - zmiana aktywności enzymu zachodzi najczęściej w ten sposób, że związek końcowy szlaku przyłącza się do cząsteczki enzymu zmieniając nieco jej kształt, w tym również kształt centrum aktywnego. Powoduje to zmianę aktywności danego enzymu. Tego typu efekt jest w zasadzie natychmiastowy.

Sieć mechanizmów regulacyjnych pobudzania bądź hamowania różnych reakcji w organizmie jest bardzo złożona. Poszczególne szlaki metaboliczne są regulowane przez szereg różnych związków chemicznych, hormonów oraz przez układ nerwowy. W przyszłych wykładach powrócimy do najbardziej nas interesujących szlaków: glikolizy, glikoneogenezy, syntezy i spalania tłuszczów, by w bardziej szczegółowy sposób omówić, od czego zależy intensywność tych szlaków w komórce.