METABOLIZM

I. Metabolizm to procesy transformacji materii i energii. Procesy te składają się z sekwencji reakcji które są katalizowane przez enzymy. W sekwencji reakcji enzymatycznych nazywanych inaczej szlakiem metabolicznym produkt jednej reakcji enzymatycznej jest substratem kolejnej reakcji w sekwencji. Produkty kolejnych reakcji są nazywane metabolitami lub metabolitami pośrednimi.

A. KATABOLIZM - obejmuje procesy degradacji, w których związki złożone są rozkładane na prostsze.

1. Stadium 1. Złożone związki ( np. skrobia, białka, triacyloglicerole ) są rozkładane na prostsze takie jak monosacharydy, aminokwasy, glicerole i kwasy tłuszczowe. W tym stadium energia uwalniana jest w bardzo niewielkiej ilości lub wcale.

2. Stadium 2. Dalsza degradacja do związków, które mogą być utlenione do dwutlenku węgla ( CO₂ ) i wody. W tym stadium część uwolnionej energii jest magazynowana w postaci adenozynotrifosforanu.

3. Stadium 3. Końcowe szlaki metaboliczne utleniające związki chemiczne do dwutlenku węgla i wody. Uwalniana podczas reakcji energia jest magazynowana w postaci ATP. Szlaki metaboliczne trzeciego stadium to:

1. cykl kwasu cytrynowego

2. łańcuch oddechowy

3. fosforylacja oksydacyjna

B. ANABOLIZM - obejmuje szlaki biosyntezy, w których proste związki chemiczne są zamieniane w złożone makromolekuły. Procesy anaboliczne wymagają energii, która może być dostarczana na dwa sposoby:

1. Za pośrednictwem ATP powstałego w procesach degradacji

2. W niektórych przypadkach za pośrednictwem zredukowanego dinukleotydu nikotynamidoadeninowego ( NADPH ).

II. UMIEJSCOWIENIE SZLAKÓW METABOLICZNYCH W KOMÓRCE

Zestawy enzymów katalizujących poszczególne szlaki metaboliczne są umiejscowione w konkretnym przedziale wewnątrzkomórkowym.

1. Cytozol - wchodzi w skład cytoplazmy. Jest jej ciekłą częścią zawierającą różne makromolekuły. Organella komórkowe nie wchodzą w skład cytozolu.

2. Mitochondria - są nazywane „ elektrownią ” komórki, ponieważ przemieniają energię w formę, która może być wykorzystywana przez komórkę. Mitochondriom jest to organella komórkowa ograniczona podwójną błoną. Pofałdowania błony wewnętrznej tworzą grzebienie zanurzone w wewnętrznym kompartmencie zwanym macierzą mitochondrialną.

3. W niektórych przypadkach część enzymów danego szlaku metabolicznego znajduje się w cytozolu, natomiast reszta w macierzy mitochondrialnej.

4. Szlaki metaboliczne zachodzą w różnych przedziałach ( kompartmentach ) komórki. Powoduje to, że szlaki metaboliczne przebiegające w przeciwnych kierunkach nie kolidują ze sobą, na przykład :

1. Anaboliczny proces biosyntezy kwasów tłuszczowych z acetylokoenzymu A ( CoA ) ma miejsce w cytozolu.

2. Kataboliczny proces oksydacji kwasów tłuszczowych do acetylo-CoA zachodzi w macierzy mitochondrialnej.

III. BIOENERGETYKA

1. Warunki standardowe. Analizując układy biologiczne warunki standardowe możemy zdefiniować następująco:

1. pH = 7

2. Temperatura 25⁰C

3. Wszystkie roztwory są 1 - molowe.

4. Ciśnienie wszystkich gazów ma wartość 1 atmosfery.

2. Podstawowe pojęcia termodynamiki

1. Entalpia ( H ) określa zawartość ciepła w organizmie

H = E + PV

gdzie E to energia wewnętrzna, a PV to iloczyn ciśnienia i objętości.

2. Entropia ( S ) jest miarą nieuporządkowania bezładu molekularnego układu. Im większy jest stopień nieuporządkowania, tym większa jest wartość entropii.

3. Energia swobodna ( G ) określa, jaką pracę może wykonać układ.

4. Wartości bezwzględne entalpii, entropii i energii swobodnej nie są zazwyczaj brana pod uwagę. Rozważane są raczej zmiany tych wartości, co zapisuje się jako ΔH, ΔS, ΔG. Parametry te tworzą następującą zależność:

ΔG = ΔH - TΔS

W warunkach standardowych trzy wyżej wymienione parametry zapisuje się następująco: ΔH⁰ ` , ΔS⁰' , ΔG⁰'

5. Zmianę energii swobodnej reakcji zachodzącej w warunkach

standardowych można wyliczyć:

1. odejmując wartość ΔG⁰' substratów do wartości ΔG⁰' produktów,

2. wprowadzając ją ze stałej równowagi ( K_eq ) dla danej reakcji.

(1). W reakcji

A + B ↔ C + D

Zmianę energii swobodnej ( ΔG ) możemy obliczyć ze wzoru

[C] [D]

ΔG = ΔG⁰' + RT In----------------

[A] [B]

gdzie R jest stałą gazową ( 1,987 x 10^-3 kcal x deg ^-1 x mol ^-1 ),

T oznacza temperaturę w stopniach Kelvina ( ⁰C + 273 ), a In to logarytm naturalny, który można przekształcić w logarytm dziesiętny mnożąc jego wartość przez 2,303.

(2). W stanie równowagi, kiedy szybkość przebiegającej w prawo jest równa szybkości reakcji przebiegającej w lewo nie ma zmiany energii swobodnej ΔG = 0, także [C] [D] / [A][B] równa się K_eq reakcji.

(3). Jeśli wartość G^0' jest znana, rzeczywistą zmianę energii swobodnej można obliczyć przez podstawienie wartości temperatury oraz stężeń substratów i produktów w równaniu (3).

6. ΔG jest miarą spontaniczności reakcji.

a. Reakcja egzoenergetyczna. Jeśli zmiana energii swobodnej jest mniejsza od zera ( ΔG < 0 ) reakcja może zajść spontanicznie z uwolnieniem energii.

b. Reakcja endoenergetyczna. Jeśli zmiana energii wewnętrznej jest większa od zera ( ΔG > 0 ) reakcja nie może zajść spontanicznie chyba że zostanie dostarczona energia spoza układu, która umożliwi zapoczątkowanie rekcji.

C. Reakcje skojarzone. Reakcje termodynamicznie niekorzystne mogą być przeprowadzane przez sprzężenie z reakcjami termodynamicznie korzystnymi.

1. Na przykład synteza glukozo-6-fosforanu ( G6P ) z glukozy i nieorganicznej grupy fosforanowej jest niekorzystną,

Endoenergetyczną reakcją z wartością ΔG^0' równą + 3,3 kcal/mol. Przy skojarzeniu tej reakcji z hydrolizą ATP do adenozynodifosforanu ADP i nieorganicznej reszty fosforanowej P_i , energia wyzwolona z tej egzoenergicznej reakcji, której wartość ΔG ^o, wynosi -7,3 kcal/mol, może być wykorzystana w reakcji fosforylacji glukozy.

2. Reakcjami skojarzonymi są:

1. Glukoza Pi → G6P + H 2 O; ΔG^o = + 3,3 kcai/mol,

2. ATP + HOH → ADP + Pi; ΔG^{o 1} = - 7,3 kcal/ mol

3. sumując powyższem reakcje :

glukoza + ATP → G6P + ADP ; ΔG^o = - 4,0 kcal/mol

Związki wysoko energetyczne zawierające reszty fosforanowe.

1. Potencjał przenoszenia grupy. Wysoko energetyczne związki zawierające reszty fosforanowe mają wysoko ujemne wartości ΔG⁰ w reakcjach hydrolizy grup fosforanowych / to znaczy, że mają duży potencjał przenoszenia grupy fosforanowej /.

2. Adenozynotrójfosforan / ATP / jest głównym dawcą energii swobodnej w układach biologicznych .

Wartości energii swobodnej reakcji hydrolizy niektórych związków zawierających reszty fosforanowe, istotnych z punktu widzenia fizjologii.

Związek Δ G⁰

Fosfoenolopirogronian / PEP / - 14,8

Karbamoilofosforan - 12,3

Fosfokreatyna - 10,3

Adenozynotrójfosforan ATP - 7,3

Glukozo-6-fosforan - 5,o

Glukozo-1-fosforan - 3.3

Δ G --- zmiana energii swobodnej w warunkach standardowych.

1. Energia uwalniania przy rozbijaniu wiązania fosforanowego podczas przyłączania cząsteczki wody.Ta reakcja jest wysoce egzoenergetyczna, ponieważ jej produkty, ADP oraz Pi , są bardziej stabilne niż ATP, co może być przypisywane dwom czynnikom.

1. ADP oraz Pi wykazują zwiększoną stabilizację rezonansu elektronowego w porównaniu z ATP

2. Wewnątrzcząsteczkowe oddziaływania elektromagnetyczne pomiędzy odpychającymi się , ujemnie naładowanymi grupami fosforanowymi β i γ zmniejszają siępo hydrolizie.

1. Energia swobodna uzyskiwana z hydrolizy ATP , w porównaniu z innymi związkami zawierającymi grupy fosforanowe, ma wartość pośrednią. Pozwala to ATP spełniać funkcję przenośnika energii pomiędzy szlakami metabolicznymi / gdzie jest wytwarzane / a szlakami anabolicznymi / gdzie jest zużywane /. Dlatego ATP może być nazywany obiegową monetą energetyczną komórki.

2. Formy przechowywania wysokoenergetycznych fosforanów.

1. Tempo przetwarzania ATP jest bardzo szybkie.

W organizmie ludzkim ilość ATP wyprodukowana

i rozłożona w przeciągu 24 godzin jest w przybliżeniu

równa masie ciała. Szybkość przetwarzania ATP wyklucza możliwość przechowywania energii w tej postaci.

2. Podczas wzmożonej aktywności mięśni zapotrzebowanie na energię pochodzącą z hydrolizy ATP może być tak duże, że szybkość zużywania ATP jest dużo większa od szybkości jego resyntezy. W takiej sytuacji, przez pewien ograniczony czas, energia może być dostarczana z hydrolizy innych wysokoenergetycznych związków fosforanowych wykazujących zdolność magazynowania energii.

/ 1 / Taką rolę pełni fosfokreatyna.

/ 2 / W okresie spoczynku zużyta fosfokreatyna jest regenerowana regenerowana przy użyciu ATP.

Pula fosforanów. Trifosforany nukleozydów innych niż adenina są także niezbędne w niektórych procesach metabolicznych. Powstają one w reakcjach przy użyciu ATP, katalizowanych przez kinazy nukleozydowe.

1. Guanozynotrifoforan / GTP / dostarcza energii do procesów syntezy białek /jest również modulatorem struktury przestrzennej białka/.

2. Cytdynotrifosforan / CTP / jest dawcą energii w procesach syntezy lipidów.

3. Urydynotrifosforan UTP / jest wykorzystywany w procesach syntezy polisacharydów.

REAKCJE UTLENIANIA-REDUKCJI / RED-OKS /

Każda składa się z dwóch skojarzonych reakcji połówkowych. W tracie ich zachodzenia dochodzi do transferu elektroów

A / utleniony / + B / zredukowany / ↔ B /utleniony/ + A /zredukowany/

Definicje

1. Utlenianie wiąże się z utratą elektronów.

2. Redukcja wiąże się z przyjęciem elektronów.

3. W równaniu powyższym , A jest akceptorem elektronów i otrzymuje się go podczas przechodzenia ze stanu utlenionego w zredukowany . B jest dawcą elektronu, a traci go przy przechodzeniu ze stanu zredukowanego w utleniony.

STANDARDOWY POTENCJAŁ OKSYDO-REDUKCYJNY reakcji połówkowych jest potencjałem elektrycznym podawanych w woltach, mierzonym dla reakcji zachodzącej w warunkach standardowych w odniesieniu do wartości potencjału elektrody wodorowej.

NOŚNIKI ELEKTRONÓW. W organizmach tlenowych końcowym akceptorem elektronów pochodzących z cząsteczek dostarczających energię jest tlen cząsteczkowy. Najpierw elektrony są przenoszone

z cząsteczek metabolitów na wyspecjalizowane nośniki elektronów. Elektrony z nośników są przekazywane na tlen za pośrednictwem mitochondrialnego systemu transportującego elektrony zwanego łańcuchem oddechowym.

1. NUKLEOTYDY PIRYDYNOWE : Dinukleotyd nikotynamidoadeninowy, / NAD / oraz fosfodinukletyd nikotynamidoadeninowy / NADP⁺ /

1. Aktywną częścią NAD i NADP jest pierścień nikotynamidowy, który jest w stanie przyjąć proton i dwa elektrony / ekwiwalent jonu wodorkowego, H / pochodzące z substratu, co powoduje przejście w formy zredukowane NADH oraz NADPH.

2. Cząsteczki NAD i NADP mają w zasadzie taką samą budowę, różnią się jedynie małym szczegółem.

W cząsteczce NADP jedna z grup hydroksylowych rybozy , połączonej wiązaniem z adeniną , jest ufosforylowana.

3. Zazwyczaj enzymy mogą dysocjować cząsteczki NAD i NADP bez ograniczeń.

4. Energia kumulowana pod postacią NADH wykorzystywana jest głównie w procesie syntezy ATP.

5. NADPH służy jako źródło energii w reakcjach biosyntezy połączonych z redukcją, w których stopień utlenienia prekursorów jest wyższy niż produktów.

1. DINUKLETYD FLAWINOADENINOWY / FAD / oraz mononukleotyd FLAWINOWY / FMN /.

1. Częścią aktywną FAD i FMN jest pierścień izoaloksazynowy, który jest w stanie przyjąć dwa protony i dwa elektrony /ekwiwalent 2 H / pochodzące z substratu, co powoduje przejście w formy zredukowane FADH₂ oraz FMNH₂ .

2. FMN w swej budowie różni się od FAD tym, że do pierścienia izoalokazynowego ma przyłączony tylko fosforan rybitolu.

3. NAD⁺ ,NADP⁺ ,FMN oraz FAD są kofaktorami wielun dehydrogenaz biorących udział w reakcjach oksydacji cząsteczek związków, z których jest pozyskiwana energia.

---