Bioenergetyka. W organizmach ciągle zachodza ciągle procesy degradacji substancji i biosyntezy biomolekół- Metabolizm. Metabolizmowi towarzyszą efekty energetyczne określone mianem energi swobodnej<G>. zależnie od kierunku zmiany kierunku energi swobodnej <^G>wyróżnia się reakcje egzoergiczne <-^G>i endoergiczne<+^G>. wartość ^G określa różnice poziomów energi swobodnej miedzy substratem<S>a produktem <P>. jednostka energii jest dzul MJ,kJ>.
W reakcji egzoergicznej <termodynamicznie korzystnej >^g ma wartość ujemną, gdyz przebiega ze spadkiem energi swobodnej układu i może zajść spontanicznie. Natomiast reakcja endoergiczna <termodynamicznie nie korzystna > ma dodatnią wartość ^G gdyż do jej przebiegu niezbędny jest dopływ energi z otoczenia.
W reakcjach biochemicznych nakład energi dla reakcji o dodatniej ^G uzyskuje się zwykle przez sprzeżenie jej z reakcją egzoergiczną - sprzężenie energetyczne. W tym mechanizmie przekazywania energi pośredniczy cząsteczka bogata w energie adeznozynotrifosforan<ATP>.
Formy energi w przyrodzie- jedną formą energi przydatna do napędzania biochemicznych reakcji endoergicznych jest energia chemiczna zawarta w wiązaniach związków chemicznych określanych jako bogate w energie (makroergiczne). Żywe organizmy potrzebuja ciągłego dopływu energi swobodnej do pracy mechanicznej (skurcz mieśni, ruchy w komórce), aktywnego transportu oraz syntezy innych mikro- i makro-
Molekuł. Używana w tych procesach energia pochodzi z otoczenia . uzyskiwana energia swobodna jest częściowo magazynowana w szczególnego rodzaju cząsteczkach nazywanych często związkami bogatymi w energie. Jednakże przenośnikiem energi w większości procesów biologicznych jest ATP.
Składniki ATP (kompleksy ATP z Mg2+lub Mn2+).. wysoki potencjał fosforylacyjny (przenoszenie reszty fosforanowej na akceptory) wynika z budowy jego składowej fosforanowej
-odpychanie elektrostatyczne(ujemne ładunki na tlenie )i występowanie grup fosforanowych fosforanowych różnych formach rezonansowych. Rezonansowych pH 7,0 ATP ma 4 ładunki ujemne wzajemnie odpychające się, które zmniejsza się kiedy ulega hydrolizie do ADP i Pi. Dwie reakcje hydrolizy ATP w których uwalniane są duże ilości energi; ATP+H2OADP+Pi+H+\ ATP+H2OAMP+PPi+H+
wytworzenie fosforanowych pochodnych i AMP pochodnych. W komórce ^Gº ` wynosi ok. - 50 kJ(zależy od siły jonowej środowiska, stężenia Ca2+; Mg2+). Cykl ATP-ADP jest podstawowym sposobem wymiany energi w układach biologicznych
W glikolizie wytwarzany jest ATP w reakcji trans fosforyzacji z udziałem 1,3-bifosfoglicerynianu i fosfoenolopirogranianu (fosforyzacja substratratowa). W mieśniach magazynowany jest fosforan kreatyny o wysokim potencjale przenoszenia grup fosforanowych umożliwiający utrzymanie wysokiego stężenia ATP podczas pracy mieśni . reakcja transfosforylacji katalizuje kineza kreatynowa; FOSFORAN KREATYNY+ADP+H+KREATYNA+ATP
C2.enzymy
Enzymy jako katalizatory-w układach biolog. Reakcje biochemiczne katalizowane są przez szczególnego rodz. Katalizatory-enzymy.determinują one strategię przekształceń chem. Odznaczają się ogromną siłą katalityczną oraz specyficznością.niemal wszystkie enzymy są białkami niektóre cząst.RNA mają też zdolność katalityczną-rybosomy.Przemianom chem.w układach biolog. Towarzyszą efekty energetyczne,tj. zmiana energii swobodnej(▲G)-określa różnicę potencjałów chemicznych między produktami(P) a substratami(S).wartość ▲Greakcji zależy od różnicy energii swobodnej P i S a nie zależy od drogi przemiany,np. ▲G utleniania glukozy w organ. Żywym z udziałem enzymów jest taka sama jak podczas spalania in vitro.znaczenie kaskadowości w organ. Zywych Istnieje ścisły związek między ▲G a stała równowagi reakcji K eg.
Im większe jest stężenie produktów C i D w stanie równowagi w stosunku do substratów A i B tym większa jest wartość K eg-większy potencjał chemiczny substratów.Dla reakcji przebiegających w układach biologicznych fizjologiczne stężenia substancji reagujących i pH 7.0 zmianę standardowej energii swobodnej (▲Gº)można obliczyć równania:
_____________________________________________
R-stała gazowa_________________________________
(ºK)wartość ▲G zwykle wyraża się w kilożylach(1kJ=0.239kcal)
reakcje zachodzą spontanicznie jeżeli
▲G ma wartość ujemną-egzoergiczną.Znacvzenie takich reakcji do przebiegu reakcji o dodatniej wartości ▲G-endoergicznej-konieczny jest dopływ energii swobodnej z zewnątrz(energ. Chem,ATP)o spontaniczności reakcji nie decyduje jednak ▲Gº',lecz▲G, która może być większa,mniejsza lub równa ▲Gº'gdyz ▲G zależy od początkowego stężenia składników reakcji
____________________________________________________
natomiast ▲Gº'zależy od stężenia substancji i produktu w stanie równowagi reakcji.Enzymy nie zmieniają stanu równowagi reakcji lecz przyspieszają jej osiągnięcie np.uwodnieniu dwutlenku węgla podczas jego transportu z tkanek do krwi(
____________________________________________w obecności anhydrazy węglanowej zachodzi 10 (do7) razy szybciej niż bez zenymu.przyspieszenie reakcji przez enzymy polega na stabilizacji przejściowego (s) który najbardziej występuje w przebiegu reakcjci z powodu najwyższej wolnej energii
__________________________________________________
Do osiągnięcia stanu przejściowego przez substrat konieczne jest dostarczenie swobodnej energii aktywacji(▲G)która jest równa róznicy energii swobodnej między stanem przejściowym a substratem.szybkość reakcji jest proporcjonalna do stężenia S.enzymy przyspieszają reakcje chemiczne przez obniżenie bariery aktywacji,▲G.dzieje się to wskutek tworzenia przez enzym kompleksu z substratem(ES):
____________________________________________________
BUDOWA ENZYMÓW-są białkami prostymi lub złożonymi.wiele enzymów współdziała z koenzymami lub zawiera grupę prostetyczną.M.cz. od kilkunastu do kilkudziesięciu kDa.Enzymy oligometryczne miejsce aktywne(centrum aktywne)enzymów.Aminokwasy kontaktowe z dodatkowymi grupami funkcyjnymi np.Lys,His(zasadowe),Asp,Glu(kwaśne)Ser,Thr(grupy OH,Cys(-SH).Region wiążący substrat.region katalityczny.Teoria ogstona tworzenia połączenia enzymu(E) z substratem(S)- w miejscu aktywnym muszą występować co najmniej 3 aminokwasy kontaktowe,np.w chymotrypsynie i trypsynie(enzymy prateolityczne)występują takie same katalityczne triady:His,Ser,Asp.Różnice w specyficzności substancji spowodowane są sposobem tworzenia niepolarnej „kieszeni”.Chymotrypsyna wymaga obecności aromatycznego lub niepolarnego łańcucha bocznego,czyli hydrolizuje wiązania peptydowe których gr. Karboksylowe ?natomiast trypsyna hydrolizuje wiązania których gr.karbox. pochodzą od Phe,Trp,Tyr, bądź Len, i Met.natomiast trypsyna hydrolizuje wiązania których grupy karboksylowe pochodzą od ?,Arg.W chymotryprynie nie polarna kieszeń tworzy miejsce dla aromatycznego lub niepolarnego łańcucha bocznego.W trypsynie reszta Asp może tworzyć silne wiązania elektrostatyczne z dodatnio naładowanymi gr. R. Arg lub Syssubstratu.Aminokwasy kontaktowe mogą być blisko siebie lub oddalone a zbliżają się w skutek zmiany konformacji łańcucha peptydowego.miejsce aktywne znajduje się w zagłębieniu lub szczelinie niedostępnych dla wody,jeżelo nie nierze udziału.polarne reszty exportowane są do środowiska wodnego substrat musi mieć odpowiedni kształt aby pasował do miejsca aktywnego-układ klucza i zamka.Miejsce aktywne wielu eznymów nie są strukturami sztywnymi i kształt ich dopasowuje się do substratu po jego wiazaniu.wpływ pH środowiska na tworzeniu komplexu E-S i na korpromację cząsteczki enzymu
KINETYKA REAKCJI ENZYMAYTYCZNYCH-mogą przebiegać in vivo i in vitro..znaczenie dla badania enzymów.wpływ znaczenia substratu[s] ma szybkość (v) reakcji enzymatycznej.zjawisko wysycenia eznymu enzymu substratem zaobserwował po raz pierwszy hichaelis-teoria tworzenia komplexu Es.obniżeniu energii aktywacji.Przy wysokim [s] reakcja osiąga szybkość max. (vmax).
____________________________________________________
stała Michaelisa-menten,Km-stężenie substratu w molach/dm3 przy której reakcja osiąga połowę szybkości maxym..Znaczenie Km w badaniu enzymów.Kinetyka zerowego rzędu.
BADANIE AKTYWNOŚCI ENZYMÓW-pomiar szybkości na podstawie ilości utworzonego produktu,przekształconego substratu,czasu dla osiągnięcia określonego efektu ,warunki badania aktywności-stężenie substratu,pH,temperatura.
JEDNOSTKI AKTYWNOŚCI ENZYMÓW-jednostka standardowa:ilość enzymu przekształcająca 1 mol substratu w ciągu jednej min. W 30ºC i optymalnych warunkach.Katal-ilośc enzymu przekształcająca 1 mol substratu w ciągu 1 sek w 30C(mikro i nanokatal).Aktywnośc molekularna(liczba obrotów)-mikromole substratu przekształcone przez 1 mikromol enzymu w ciągu 1 min-uwarunkowania.Aktywność właściwa-jednostki aktywności na mg białka.znaczenie w oczyszczaniu enzymów.CZYNNIKI REGULUJĄCE SZYBKOŚĆ REAKCJI ENZYMATYCZNYCH-metabolizm w kom. Możę być regulowany przez oddziaływanie na szybkość procesów enzymatycznych.Można wyróżniuć 2 typy:1-oddziaływanie na istniejące enzymy-poziom komórkowy,2-na poziomie genetycznym-uruchamianie syntezy białek enzymat. Na zasadzie indukcji bądź hamowania ich syntezy na zasadzie represji.Reakcja na poziomie komórkowym przez czynniki takie jak:stężenie substratu,stęż.enzymu,temperat,pH,potencjał oksydacyjno-redukcyjny,obecność aktywatorów bądź inhibitorów.Czynniki strukturalne-rozgraniczenie w czasie i przestrzeni przez błony i lokalizacja w różnych organellach.Transport aktywny metabolitów.WPŁYW TEMPERATURY NA SZYBKOŚĆ REAKCJI ENZYMATYCZNYCH-na wykresie,1-temp.max,2-temp.optymalna.Reguła von t Holffa.Działanie ochronne substratu i pH na termostabilność.Hamowanie aktywności przez niską temp-mała energia kinetyczna substratu utrudnia tworzeniu komplexu ES.Wysoka temp -denaturacja enzymów.większość enzymów opt.temp.30-50C WPŁYW Ph NA SZYBKOŚĆ REAKCJI ENZYMATYCZNYCH WIĘKSZOŚĆ ENZYMÓW WYKAZUJE OPTIMUM Ph DZIAŁANIA W REAKCJI 5-7.Przykłady odstępstw.wpływ niewielkich zmian pH na aktywność enzymów-zmiany stopnia jonizacji grup funkcyjnych aminokwasów łańcucha peptydowego(zmiana konformacji)i w miejscu aktywnym.Skrajne wartości pH-denaturacja.
HAMOWANIE AKTYWNOŚCI ENZYMÓW PRZEZ INHIBITORY-inhibicja odwracalna kompetencyjna(współzawodnicząca)i niekompetencyjna(niewspółzawodnicząca)
Inhibiter niekompetenc. Zmienia korpromację enzymu (miejsce aktywnego)i uniemożliwia przeksztalcenie S->P.Reakcja dechodrogenazy bursztynowej hamowanej przez inhibitor współzawodniczący-malomian,niższy homolog bursztynianu.Znoszenie inhibicji współzawodniczącej przez podwyższenie stężenia substratu(prawo działania mas).Hamowanie działania enzymów przez modyfikację koenzymu :na przykładzie koenzymu F.Koenzym f jest pochodną kwasu foliowego(witamina B,c)i współdział z transwerazami w przenoszeniu jednostek jednowęglowych.zawiera on w swoim składzie m.inn.kwas p-amino-benzzoesowy(PAB),który może być zastępowany przez sulfanoamidy-pochodne sulfamilanidu-wytworzany związek jest nieaktywny koenzymatycznie.przykład chamowania przez antymetabolit.sulfanilamid-antywitamina.
INHIBICJA NIKOMPETYCYJNA-wytwarzanie połączeń enzymu(E) z inhibitorem(I) E+I->EI lub ES+I->ESI.Stopień chamowania zależy od stężenie I,który wiąże się z grupami-SH enzymu(np. ureazy).inhibitorami takimi mogą być jony metali ciężkich(Hg Cu,Fe,Ni)lub związki organ. Zawierające metal np.Hg.
___________________________________________________
znoszenie inhibicji przy zastosowaniu czynników redukujących np.;H2s,cysteina
INHIBICJA NIEODWRACALNA-modyfikacja lub destrukcja grup funkcyjnych,np.w skutek alhilacji grup-SH jodoacetoamidem:E-SH +ICH2CONH2 ->E-S-CH2CONH2+HI lub związkami fosfoorganicznymi,np.:DFP-inhibitor specyficzny na grupy OH centrum aktywnego enzymów.Naturalne inhibitory białkowe:proteinaz,amylaz-f-cja ochronna.
ENZYMY ALLOSTERYCZNE(REGULATOROWE)oprócz miejsca aktywnego mają miejsca połączenia efektora allosterycznego,np. metabolitu pośredniego,szlaku wieloenzymowego lub innego związku nie będącego metabolitem np.:regulacja szybkości syntezy inoleucyny,ztreoniny,w bakterii na zasadzie negatywnego sprzężeniea zwrotnego.pierwsza reakcja szlaku katalizowana przez hydroliazę treoninową chamowana jest przez izoleucynę -produkt końcowy.
_____________________________________________________
białka(enzymy allosteryczne,monomeryczne,oligomeryczne)Funkcję elektora pełni m.inn. nie będący metabolitem cyklicznym 3'-5”-adenozynamoofosforan(CAMP)uczestniczy w przekształcaniu kinazy białkowej w formę aktywną.
AKTYWACJA ENZYMÓW-niektóre enzymy np.hydrolazy(3 klasa)niew wymagają do działania dodatkowych składników związanych z białkiem, poza ewentualnie nieorganicznymi jonami stabilizującymi ich strukturę wtórną,wiekszość do wykazania aktywności wymaga współdziałania ze składnikami niebiałkowymi-koenzymami lub grupami prostetycznymi.budowę ich można zapisać:apoenzym(część białkowa+koenzym->enzym aktywny)koenzymyt np.:NAD+,NADP+(dehydrogenazy,np.alkoholowa,jabłczanowa)są luźno związane z apoenzymem.grupy prostetyczne np.FAD(dehydrogenaza bursztynianowa,oksydaza glukozowa)są trwale związane z apoenzymem.większość witamin rozpuszczalnych w wodzie(grupy B)wchodzi w skład różnych koenzymów np.NAD+,NADP+-zawierają amiol kwasu nikotynowego(PP)FMN,FAD zawierają ryboflawinę(B2)
Koenzym A ,CoA-zawiera kwas pantotenowy.koenzym F -kwas foliowy,olifosforan tiaminy-tiaminę(B1). Koenzymy F współdziałają z dehydrogenazami-przenoszą protonyH= i elektrony E- z substratów na amid kwasu nikotynowego -część czynna koenzymu i dalej na inne akceptory,np.-FAD,mechanizm działania koenzymu:SH2 +NAD->S+NADH+H+.
BUDOWA FMN I FAD.nukleotydy te są grupami prostetycznymi dehydrogenazy przenoszą 2[H ]z NADH na FAD(reduktazy bądź z substratu na tlen(oksydazy)mechanizm działania grupy czynnej nukleotydów fflawinowych:
FADH +H+ +E-FAD->NAD+ +EFADH2
SH2+E-FAD+O2->S+E-FAD+H2O2,np. oksydaza glukozowa.Koenzym NAD+ i flawoproteiny pełnią rolę ogniw pośrednich w transporcie elektronów i protonow w łańcuch u oddechowycm-mechanizm występuj. W mnitochondriach umożliwiający wykożystywanie energii utleniania do syntezy ATP.Koenzym A,CoA uczestniczy w przenoszeniu reszt kwasowych.najwarzniejszym połączeniem jest acetylo -CoA-uniwersalna jednostka dwuwęglowa w końcowym szlaku katabolizmu związków organicznych oraz wielu szlakach anabolicznych.reszta acetylowa powiązana jest wiązaniem tioestrowym z atomem siarki reszty cysteinowej.koenzymatyczne f-cje ATP- donor reszty ortofosforanowej,pirofosforanowej,adenozylowej.
SPECYFICZNOŚĆ SUBSTRATOWA ENZYMÓW-enz.charakt. się dużą specyficznością pod względem typu katalizowanej reakcji i wyboru substratu-decyduje białko enzymu,kształt i wymiar miejsca aktywnego,rodzaj kwasów kontaktowych.specyficzność absolutna np.oksydaza glukozowa,specyficzność grupowa np. esterazy ,przestrzennna-w stosunku do typu wiązania np. alfa i beta glikozydazy.KLASYFIKACJA ENZYMÓW-poznano ponad 3 tys enzymów.podział na klasy oparty jest na typie katalizowanej reakcji.1.oksyddoreduktazy-reakcje oksydacyjno-redukcyjne,przenoszenie elektronów,protonów włączanie tlenów do związków,np.dehydrogenaza L- mleczanowa katalizuje odwracalną reakcję
2.transferazy przenoszą grupy z jednego związku na inny z udziałem koenzymów:amonotransferazy,glikozylotransferazy,kinazy.Heksokinaza przenosi ortofosforan z ATP na glukozę.
3.hydrolazy-reakcje hydrolizy z udziałem wody esterazy,peptydy,glikozydazy.Ureaza rozszczepia mocznik.CO(NH2)2+H2O->CO2+2NH3. 4.triazy rozszczepiają wiązania C-C,C-O,C-N bez udziału wody.dekarboksylaza szczawiooctanowa katalizuje reakcję szczawiooctanu do pirogromianu.5.izomerazy-reakcje izomeracji,epimeryzacji-przenoszenie grup w obrębie cząsteczki.izomeraza rybozofosforanbowa katalizuje izomeryzację typu aldoza ketoza.
6.ligazy-wytwarzanie wiązań między cząsteczkami z rozbiciem wiązania makroergicznego w ATP lub innym nukleorydatrifosforanowych.karboksylaza acetylo-CoA katalizuje reakcję ,karboksylacją tego związku z utworzeniem malanylo-CoA-reakcja zapoczątkowująca syntezę kwasów tłuszczowych.
ATP zużywany jest do wytwarzania karboksybiotyny-E.jotyna(witamina H)jest koenzymem karboksylaz.CO2+ATP+biotyna-E->CO2-biotyna-E+ADP+Pn
Biotyna(witamina H)jest koenzymem karboksylaz