METABOLIZM
* całokształt przemian energii i materii zachodzących w organizmie
* cecha istot żywych
* jego ustanie jest sygnałem śmierci zarówno pojedynczej komórki jak i całego organizmu wielokomórkowego
* składają się na niego tysiące reakcji chemicznych
REAKCJE ANABOLICZNE
* przemiany endoergiczne
* wymagają dostarczenia energii
* powstają produkty o poziomie energetycznym wyższym
niż substraty
* syntezy związków bardziej złożonych z prostych, np. zachodzące w fotosyntezie, biosyntezie białka czy podczas wiązania azotu atmosferycznego przez niektóre bakterie
REAKCJE KATABOLICZNE
* przemiany egzoergiczne
* uwalniają energię, więc mogą zachodzić samorzutnie
* powstają produkty o poziomie energetycznym niższym niż substraty
* są to przede wszystkim reakcje rozpadu, np. zachodzące podczas oddychania komórkowego czy trawienia
SZLAKI METABOLICZNE
* ciągi (szeregi) reakcji zachodzących kolejno p sobie i prowadzących do powstania ściśle określonego produktu (lub produktów)
CYKLE BIOCHEMICZNE
* specyficzna odmiana szlaków metabolicznych
* tworzą zamknięte pętle, w których część produktów jest jednocześnie substratami dla pierwszej reakcji
* niektóre złożone procesy biochemiczne (fotosynteza, oddychanie komórkowe, synteza aminokwasów, białek, tłuszczów czy usuwanie zbędnych i szkodliwych produktów końcowych przemiany materii) składają się z kilku powiązanych funkcjonalnie szlaków metabolicznych
* szlaki syntezy nigdy nie pokrywają się całkowicie ze szlakami rozpadu
ENZYMY
* specjalne białka, biorące udział w pokonaniu ograniczenia, jakim jest bariera progu energetycznego reakcji
- organizmy mogą funkcjonować w wąskim przedziale od kilku do 35-40°C (poza bakteriami termofilnymi)
- wówczas energia wewnętrzna reagującego układu jest bardzo niska
- w takich warunkach energia nie wystarcza do pokonania bariery progu energetycznego
- znaczące zwiększenie szybkości reakcji przez podniesienie temperatury spowodowałoby uszkodzenie większości białek i śmierć organizmu
* enzymy są biokatalizatorami, gdyż mają zdolność do znacznego zwiększania szybkości reakcji chemicznych w warunkach ustrojowych
- znacznie obniżają energię aktywacji w stosunkowo niskich temperaturach
* same enzymy nie ulegają przy tym przemianom (nie zużywają się w reakcjach, które same przeprowadzają)
CZĄSTECZKA ENZYMU
* większość enzymów to białka złożone
* w kompletnej cząsteczce wyróżniamy:
- część białkową
- część niebiałkową
* grupa prostetyczna enzymu - część niebiałkowa trwale związana z białkową
* koenzym - połączenie części niebiałkowej z białkową jest nietrwałe (odwracalne)
- część białkowa koenzymu - apoenzym
- cały enzym - holoenzym
- są to m.in. witaminy
* duże cząsteczki posiadające na swej powierzchni centrum aktywne (małe zagłębienie), zawierające odpowiednie aminokwasy
- w tym miejscu przyłącza się niebiałkowy składnik enzymu (jeśli występuje)
- grupy kataliczne enzymu - łańcuchy boczne aminokwasów tworzące centrum aktywne
(są odpowiedzialne za rozpoznawanie, wpasowywanie i przemiany konkretnego substratu)
- rodzaj i rozmieszczenie przestrzenne aminokwasów w centrum decydują o właściwościach danego enzymu
KORZYŚCI WYNIKAJĄCE Z OBECNOŚCI ENZYMU
* budowa centrum aktywnego umożliwia nietrwałe połączenie enzymu (E) z odpowiednim substratem (S) -
kompleks enzym-substrat (E-S)
- w chwili jego powstania dochodzi do przemieszczenia określonych elektronów substrat (substratów)
- skutkiem jest powstawanie nowych wiązań lub rozrywanie istniejących
* obniżenie energii aktywacji wynika z tego, że wiązania chemiczne substratu w momencie wpasowywania się w centrum aktywnym ulegają naprężeniu
* dzięki obecności enzymu w reakcji możliwe jest prawidłowe zorientowanie substratu w przestrzeni
- w roztworze z enzymem cząsteczki nie zderzają się bezładnie, przez co rośnie prawdopodobieństwo zderzeń efektywnych (skutecznych)
* ostateczne korzyści wynikające z obecności enzymu:
- zmniejszenie energii aktywacji reakcji
- szybsze osiągnięcie stanu równowagi reakcji (enzym nie przesuwa jednak stanu równowagi)
OGRANICZENIA ENZYMÓW
* w warunkach ustrojowych enzymy mogą przyspieszać jedynie reakcje egzoergiczne
* rozwiązaniem tego jest takie podniesienie poziomu energetycznego substratu lub substratów, by reakcja stała się egzoergiczna
* w porównaniu z katalizatorami nieorganicznymi enzymy wpływają na szybkość reakcji tak, że może ona być kilka rzędów wielkości większa, co wynika m.in. ze zdolności enzymów do bardzo dokładnego rozpoznawania substratów - specyficzności substratowej enzymu
- zwykle dany rodzaj enzymu przeprowadza tylko jeden rodzaj reakcji (nie jest to jednak reguła, gdyż znane są enzymy posiadające kilka aktywności enzymatycznych, np. polimeraza DNA I z komórek E.coli, która przeprowadza m.in. replikację)
- nie oznacza to, że enzym po przeprowadzeniu jednej reakcji ulega zniszczeniu
- jedna cząsteczka enzymu może przeprowadzać ogromne ilości takich reakcji
- żywotność każdej struktury jest ograniczona, dlatego po pewnym czasie cząsteczki każdego enzymu ulegają zestarzeniu (zużyciu), a ich ilość musi zostać uzupełniona
SPECYFICZNOŚĆ
MODEL ZAMKA I KLUCZA
* zaproponowany pod koniec XIX wieku
* dobrze oddaje specyficzność enzymów
* zakłada, że substrat pasuje do centrum aktywnego jak klucz do zamka
* model nie wyjaśnia jednak wszystkich aspektów katalizy enzymatycznej
* modelowanie matematyczne wykazało, że samo precyzyjne dopasowanie substratu do centrum aktywnego, nie pozwoliłoby na tak znaczne obniżenie energii aktywacji
MODEL INDUKCYJNEGO DOPASOWANIA
* zakłada, że w rzeczywistości konformacja (struktura przestrzenna) substratu i centrum aktywnego nie są identyczne
* w momencie powstawania kompleksu enzym-substrat następuje swoiste „wciągnięcie” substratu do centrum aktywnego, czemu towarzyszy niewielkie naprężenie wiązań w obu składnikach kompleksu E-S
* w tej sytuacji już mała porcja energii wystarcza do pokonania progu energetycznego reakcji
* do zmiany jonów dochodzi jedynie w substracie, gdyż większa masa cząsteczek enzymu wpływa na dużą stabilność i mniejszą podatność na odkształcenia
* czasem mówi się więc, że substrat pasuje do enzymu jak ręka do rękawiczki
RÓŻNICE MIĘDZY ENZYMAMI
* enzymy różnią się specyficznością
* amylazy (enzymy trawienne przewodu pokarmowego człowieka) rozkładają wiązania Alfa-glikozydowe w cukrach
- nie ma większego znaczenia, czy substratem jest skrobia, czy glikogen
* anhydraza węglanowa występuje m.in. we krwi
- katalizuje tylko reakcję między dwutlenkiem węgla a wodą
* enzymy dzielimy na sześć klas głównych, przy czym za podstawowe kryterium uznaje się rodzaj przeprowadzanej reakcji
Klasa enzymu |
Przykłady i uwagi |
Oksydoreduktazy (reakcje typu redox) |
* dehydrogenaza mleczanowa występuje w komórkach wątroby i bierze udział w utlenianiu szkodliwego nadmiaru kwasu mlekowego |
Transferazy (przenoszenie grup funkcyjnych z jednej cząsteczki na inną) |
* transaminaza glutaminianowi - przenosi grupę aminową na cząsteczkę o nazwie ketoglutaran, w wyniku czego powstaje kwas glutaminowy/glutaminian (jeden z aminokwasów) |
Hydrolazy (reakcje rozpadu z udziałem wody) |
* enzymy trawienne przewodu pokarmowego - białka proste |
Liazy (reakcje rozpadu bez udziału wody) |
* dekarboksylazy aminokwasów albo ketokwasów |
Izomerazy (reakcje przegrupowania wewnątrzcząsteczkowego) |
* izomeraza fosfofruktozy - przekształca 6-węglowy cukier fosfofruktozę w fosfoglukozę (jedna z reakcji fotosyntezy) * nieliczne to białka proste |
Ligazy (reakcje syntezy) |
* polimeraza DNA - włącza kolejne nukleotydy podczas replikacji |
KINETYKA PRACY ENZYMÓW
* kinetykę reakcji energetycznej doskonale obrazuje równanie, które prawie 100 lat temu przedstawili biochemicy: Leonor michaeli i Maude Leonora Menten:
V = Vmax
* V - prędkość katalizowanej reakcji
* V max - teoretyczna prędkość zachodzenia reakcji w warunkach optymalnych
[S] - stężenie substratu
Km - stała Michaelita (charakterystyczna dla danego enzymu, jest równa takiej wartości stężenia substratu, przy którym prędkość redukcji jest równa połowie prędkości maksymalnej)
* jeśli założymy, że stężenie substratu jest bardzo duże, to możliwe będzie pominięcie K m (stała ta ma niewielką wartość rzędu 10-1 do 10-7 mola/dm3), wówczas równanie można uprościć:
V = Vmax
* przy dużym stężeniu substratu wszystkie cząsteczki katalizujące będą pracować z pełną wydajnością i prędkość reakcji będzie maksymalna (ściślej: prawie maksymalna) dla danego enzymu
* gdy stężenie substratu [S] będzie takie jak wartość stałej K m , równanie ogólne przyjmie postać:
V = Vmax , czyli V = Vmax
* przy takim stężeniu, które jest równe K m , prędkość reakcji osiągnie więc połowę prędkości maksymalnej
* stała Miachaelisa dobrze odzwierciedla aktywność enzymu i (lub) jego powinowactwo z substratem (jest to wygodny sposób rozróżniania enzymów o odmiennej aktywności)
* analiza krzywej Michaelisa-Menten (str 64)
- przy małych stężeniach substratu, gdy [S] jest wyraźnie mniejsze od K m , szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do stężenia substratu (w tych warunkach enzym dysponuje dużą nadwyżką „mocy przerobowej”)
- przy dużych stężeniach substratu, gdy [S] jest wyraźnie większe od K m , prędkość jest zbliżona do Vmax i nie ulega zmianie
-
CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA PRACĘ ENZYMÓW
HAMOWANIE KOMPETYCYJNE/INHIBICJA KOMPETYCYJNA
* związek chemiczny jest na tyle podobny chemicznie i fizycznie do substratu, że centrum aktywne enzymu ich nie odróżnia
* dla takiego oddziaływania charakterystyczne jest współzawodnictwo dwóch rodzajów cząsteczek (substratu i inhibitora) o jedno centrum aktywne
* jeśli stężenie inhibitora się zwiększy, to ilość cząsteczek enzymu, która wpływa na substrat, ulegnie zmniejszeniu - spadnie szybkość katalizy
* hamowanie to można znosić przez zwiększenie stężenia substratu (nastąpi wypieranie inhibitora)
* proces jest odwracalny
* przykład kliniczny:
- leczenie ludzi zatrutych metanolem
- metanol jest w ustroju utleniany do niebezpiecznego aldehydu mrówkowego przez dehydrogenazę alkoholową
- enzym ten nie odróżnia metanolu od etanolu i dlatego etanol może pełnić funkcje inhibitora kompetencyjnego
- proces zatrucia postępuje jednak szybko, dlatego nie powinno się pić alkoholi, jeśli nie zna się ich pochodzenia
HAMOWANIE NIEKOMPETENCYJNE/
INHIBICJA NIEKOMPETENCYJNA
* jakaś substancja, niepodobna do substratu, blokuje częściowo centrum aktywne
* substrat jest wiązany, ale reakcja ulega zahamowaniu
* skutkiem jest spadek prędkości maksymalnej reakcji
* proces jest odwracalny, jednak nie jest możliwe osiągnięcie efektu jego znoszenia przez zwiększenie stężenia substratu
* przykładem inhibitorów niekompetencyjnych są niektóre związki rtęci
REGULACJA ALLOSTERYCZNA
* pewna cząsteczka oddziałuje odwracalnie na aktywność enzymu, lecz w innym miejscu niż centrum aktywne
* nie odnosi się wyłącznie do biokatalizatorów
* oznacza zmianę struktury przestrzennej i aktywności danej makrocząsteczki pod wpływem jakiejś substancji (regulacji tego typu podlega np. hemoglobina)
* enzymy podlegające takiej modyfikacji oprócz centrum aktywnego mają tzw. centrum allosteryczne, które może przyłączać regulator allosteryczny
* regulacja może polegać na inhibicji lub indukcji (działa inhibitor lub induktor allosteryczny)
* hamowanie allosteryczne występuje najczęściej w długich szlakach metabolicznych
* jednocześnie wykorzystywane są mechanizmy sprzężeń zwrotnych ujemnych
* przykład
- synteza aminokwasu izoleucyny z treoniny, przebiegająca w 6 reakcjach
- pierwsza reakcja jest katalizowana przez enzym dehydratazę treoninową
- jednocześnie produkt końcowy szlaku (izoleucyna) jest dla tego biokatalizatora inhibitorem allosterycznym
- w ten sposób komórka chroni się przed nadprodukcją izoleucyny (ona sama hamuje allosterycznie swoją syntezę)
- blokowanie następuje już na etapie I reakcji, przez co oszczędzane są koszty związane z niepotrzebnym wytwarzaniem produktów pośrednich
- jeżeli stężenie izoleucyny spadnie (gdyż zostanie zużyta do biosyntezy białka), to szlak zostanie odblokowany
* kompleks enzym-inhibior allosteryczny jest nietrwały i się rozpada
TEMPERATURA
* jakaś substancja, niepodobna do substratu, blokuje częściowo centrum aktywne
* substrat jest wiązany, ale reakcja ulega zahamowaniu
* skutkiem jest spadek prędkości maksymalnej reakcji
* proces jest odwracalny, jednak nie jest możliwe osiągnięcie efektu jego znoszenia przez zwiększenie stężenia substratu
* przykładem inhibitorów niekompetencyjnych są niektóre związki rtęci
pH ŚRODOWISKA
* jakaś substancja, niepodobna do substratu, blokuje częściowo centrum aktywne
* substrat jest wiązany, ale reakcja ulega zahamowaniu
* skutkiem jest spadek prędkości maksymalnej reakcji
* proces jest odwracalny, jednak nie jest możliwe osiągnięcie efektu jego znoszenia przez zwiększenie stężenia substratu
* przykładem inhibitorów niekompetencyjnych są niektóre związki rtęci
INHIBITORY I AKTYWATORY
* jakaś substancja, niepodobna do substratu, blokuje częściowo centrum aktywne
* substrat jest wiązany, ale reakcja ulega zahamowaniu
* skutkiem jest spadek prędkości maksymalnej reakcji
* proces jest odwracalny, jednak nie jest możliwe osiągnięcie efektu jego znoszenia przez zwiększenie stężenia substratu
* przykładem inhibitorów niekompetencyjnych są niektóre związki rtęci
AKOMULATORY I PRZENOŚNIKI ENERGII W KOMÓRCE
* w celu uwolnienia energii organizmy wykorzystują różnorodne przemiany
* organizmy mają dość proste i ujednolicone sposoby magazynowania energii i przenoszenia jej
* w komórkach akumulatorami i przenośnikami energii użytecznej biologicznie są cząsteczki substancji organicznych, w których występują wiązania wysokoenergetyczne (zawierające dużą ilość tzw. energii swobodnej)
* do powstania takich wiązań potrzebna jest znaczna ilość energii (ponad 20 kJ/mol wiązań)
ATP/ADENOZYNOTRIFOSFORAN
* nukleotyd - trifosforan adenozyny
* ma stosunkowo małą masę cząsteczkową
* jest dobrze rozpuszczalny w wodzie
* zbudowany ze składników powszechnie występujących w komórkach
* cząsteczka ATP ma trzy reszty fosforanowe, a dwie z nich łączą bezwodnikowe wiązania wysokoenergetyczne
* hydroliza ATP do ADP (adenozynodifosforanu) oraz reszty fosforanowej (P) uwalnia z jednego mola 30,5 kJ energii, którą organizm może wykorzystać
ATP + H2O - ADP + Pi + 30,5 kJ/mol
* w pewnych warunkach możliwa jest dalsza hydroliza ADP do AMP (adenozynomonofosforanu) i kolejnej reszty fosforanowej
ADP + H2O - AMP + Pi + 30,5 kJ/mol
GTP/GUANOZYNOTRIFOSFORAN
* zmodyfikowany nukleotyd
FOSFOKREATYNA
* zmodyfikowany aminokwas
ŁADOWANIE ATP
* proces ładowania tego akumulatora biologicznego polega na ufosforylowaniu (dołączeniu reszty fosforanowej do ADP)
i powstaniu ATP
* swoisty cykl ATP - ADP + Pi jest podstawowym sposobem wymiany energii w układach żywych
* fosforylacja - kowalencyjne połączenie reszty fosforanowej, najczęstszy sposób tworzenia wiązań wysokoenergetycznych
* istnieją trzy zasadnicze możliwości fosforyzowania ADP do ATP
FOSFORYLACJA SUBSTRATOWA
* zachodzi, gdy reszta fosforanowa zostanie przeniesiona bezpośrednio na ADP z wykorzystaniem energii organicznego substratu (często to on jest dawcą reszty fosforanowej)
* sposób ewolucyjnie najstarszy i niezbyt korzystny energetycznie
* nie wymaga udziału tlenu
* zachodzi przede wszystkim w początkowych reakcjach oddychania komórkowego
Substrat wysokoenergetyczny + ADP + Pi --- Substrat niskoenergetyczny + ATP
FOSFORYLACJA FOTOSYNTETYCZNA
FOTOFOSFORYLACJA
* zachodzi wyłącznie u fotoautotrofów
* w procesie następuje konwersja (zamiana) energii świetlnej na chemiczną wiązań ATP
* występują dwa rodzaje fosforylacji fotosyntetycznej: cykliczna i niecykliczna
ADP + Pi + energia świetlna (w obecności barwnika fotosyntetycznego) --- ATP
FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA
* zachodzi u wszystkich organizmów tlenowych
* wydajny sposób magazynowania energii użytecznej biologicznie
* do syntezy ATP wykorzystywana jest energia elektronów przekazywanych z wodoru na atomy tlenu
* skomplikowany proces
ADP + Pi + zredukowane przenośniki wodoru + tlen -- ATP + utlenione przenośniki wodoru + woda
KOENZYM A (CoA)
* uniwersalny węzeł metaboliczny (swoisty centralny węzeł komunikacyjny występujący w każdej komórce, skupiają się z nim liczne przemiany)
- pozwala to na płynne, dynamiczne połączenie istotnych szlaków metabolicznych
BUDOWA CZĄSTECZKI
* ma ona grupę -SH, która może reagować z grupą karboksylową związków organicznych
- powstaje wówczas połączenie: reszta acylowa-koenzym, czyli acylo-CoA
* szczególnie często koenzym A przyłącza 2-węglową grupę acetylową (resztę octanową)
- reszta octanowa może pochodzić z przekształcenia cząsteczki pirogronianu (produkt rozpadu glukozy - glikoliza), kwasów tłuszczowych (podczas ich utleniania - Beta-oksydacj) lub niektórych aminokwasów (po uprzedniej deaminacji)
- grupę acetylowi dołączoną do koenzymu A organizm może zużyć w celach energetycznych (utlenić wewnątrz mitochondriom) lub przemieścić do cytoplazmy, gzie następnie może ją wykorzystać do syntezy kwasów tłuszczowych bądź też przekształcić w ciała ketonowe, cholesterol lub szkielety węglowe niektórych aminokwasów
SYNTEZA GLUKOZY
* zwierzęta nie potrafią wykorzystywać grup acetylowych z acetylo-CoA do syntezy glukozy, ponieważ niemożliwe jest odtworzenie z acetylo-CoA 3-węglowego związku o nazwie pirogronian
- pirogronian jest podstawowym substratem w procesie glukoneogenezy (syntezy glukozy z innych związków organicznych)
- oznacza to, że np. zapasu kwasów tłuszczowych nie możemy wykorzystać do zaopatrzenia tkanek w glukozę
* glukoneogeneza zachodzi w komórkach wątroby
- polega na wytworzeniu glukozy z mleczanu, pirogronianu, glicerolu lub niektórych aminokwasów
* bakterie i rośliny omijają to ograniczenie i wykorzystują kwasy tłuszczowe do produkcji glukozy
- organizmy te także nie potrafią odwrócić reakcji przekształcania pirogronianu w acetylo-CoA
- mają jednak enzymy, które wykorzystują produkty przejściowe cyklu Krebsa do syntezy 4-węglowego związku o nazwie szczawiooctan (związek ten może zostać wykorzystany do syntezy glukozy)