KINETYKA PRACY ENZYMÓW

* kinetykę reakcji energetycznej doskonale obrazuje równanie, które prawie 100 lat temu przedstawili biochemicy: Leonor michaeli i Maude Leonora Menten:

V = V_max

* V - prędkość katalizowanej reakcji

* V _max - teoretyczna prędkość zachodzenia reakcji w warunkach optymalnych

[S] - stężenie substratu

K_m - 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 = V_max

* 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 = V_max , czyli V = V_max

* 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 V_max 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

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)

---