BIOCHEMIA koło: 3

ANABOLIZM: wszystkie reakcje syntez związków bardziej złożonych z prostszych. Wymaga dostarczenia energii. Energia ta umożliwia podniesienie poziomu energetycznego związków w czasie procesu chemicznego. Powstający w ten sposób produkt reakcji zawiera większą ilość energii niż substraty. Dostarczona energia zostaje zmagazynowana w postaci wiązań chemicznych.

Do hormonów anabolicznych zaliczamy:

- estrogeny

- hormon wzrostu

- insulina

- testosteron

Przykłady procesów anabolicznych:

- synteza tłuszczów ( powstawanie tłuszczów jest bardzo ściśle związane z oddychaniem, ponieważ niektóre metabolity tego procesu są produktami do syntezy kwasów tłuszczowych i glicerolu).n

- glukoneogeneza (proces syntezy glukozy z prekursorów które nie są węglowodanami).

- glikogeneza (proces powstawania glikogenu z glukozy)

- biosynteza białek

- fotosynteza

- chemosynteza

- biosynteza DNA, RNA

- wiązanie azotu atmosferycznego

KATABOLIZM: jest to proces rozpadu złożonych związków organicznych na związki prostsze o znacznie mniejszych zasobach energetycznych. W tych przemianach produkty znajdują się na niższych poziomach energetycznych niż substraty. Najważniejszym procesem katabolicznym jest oddychanie w czasie, którego utlenianie cukrów prowadzi do powstania dwutlenku węgla i wody z równoczesnym uwalnianiem energii zmagazynowanej w wysokoenergetycznych wiązaniach chemicznych.

Do hormonów katabolicznych zaliczamy:

- kortyzol

- glukagon

- adrenalina

- cytokina

Przykłady procesów katabolicznych:

- hydroliza tłuszczów

- glikoliza

- fermentacja

- cykl Krebsa

- fotoodychanie

Mechanizmy kontrolujące przebieg przemiany materii:

• Temperatura- której wzrost powoduje przyspieszenie reakcji chemicznych, zaś jej obniżenie powoduje zwolnienie przebiegu reakcji.

• Ilość substratów

• Ilość produktów reakcji

• katalizatory

• enzymy

• koenzymy

• jony metali takich jak: magnez, wapń, sód, potas

• hormony

GŁÓWNE SUBSTRATY ENERGETYCZNE:

1. węglowodany- związki organiczne złożone z C, H, O w stosunku 1:2:1. Spełniają funkcję energetyczne (źródło energii), magazynują energię, składnik ścian komórkowych u roślin, wchodzą w skład innych związków (kw. Nukleinowych).

2. lipidy- zbudowane z H,O i C. Funkcje: źródło energii, strukturalny element błon plazmatycznych, niektóre z nich są ważnymi hormonami, strategiczne magazyny energii chemicznej.

3. białka- zbudowane z C,H,O,N,S. Są monomerami czyli podstawowymi jednostkami składnikowymi, Najwieksza grupa związków organicznych.

B - OKSYDACJA KWASÓW TŁUSZCZOWYCH:

1. utlenienie acylo- CoA do enoilo- CoA, zawierającego w łańcuchu kwasu tłuszczowego wiązanie podwójne czemu towarzyszy powstawanie FADH2. (reakcja katalizowana przez dehydrogenazę acylo CoA).

2. uwodnienie enoilo - CoA do 3- hydroksyacylo- CoA (reakcja katalizowana przez hydratazę enoilo -CoA).

3. utlenianie 3 - hydroksyacylo - CoA do 3 - ketoacylo - CoA, czemu towarzyszy powstanie NADH (reakcja katalizowana przez dehydrogenazę hydroksyacylo - CoA).

4. tioliza 3 - ketoacylo - CoA przez drugą cząsteczkę CoA, prowadzące do powstania acetylo - CoA i acylo - CoA, skróconego o dwa atomy węgla (reakcja katalizowana przez B- ketotiolazę).

Rozpad poszczególnych kwasów tłuszczowych obejmuje więc powtarzającą się sekwencję 4 reakcji. Reakcje te tworzą cykl degradacji kwasu tłuszczowego, a ich skutkiem jest kolejne usuwanie jednostek dwuwęglowych w postaci acylo -CoA z końca łańcucha kwasu tłuszcowego. Nazwa B - oksydacja stosowana jest alternatywnie dla rozpadu kwasów tłuszczowych, wywodzi się stąd, że w procesie tym dochodzi do rozszczepienia wiązania znajdującego się w łańcuchu kwasu tłuszczowego.

KATABOLIZM CUKROWCÓW: enzym L(alfa) - amylaza rozkłada wiązania L- 1,4 glikozydowe znajdujące się w środku łańcucha, rozbijając go na fragmenty. B- amylaza hydrolizuje te same wiązania, ale odszczepia fragmenty od końców nie redukujących łańcucha. Powstała maltoza jest rozszczepiana przez maltazę do glukozy. FOSFOROLIZA - rozkład w obecności fosforylazy. Wiązanie L- 1,4 glikozydowe rozszczepiane przez ortofosforan: przeniesienie reszty glukozylowej oderwanej od nie redukcyjnego końca polisacharydy na akceptor. Od łańcucha sukcesywnie odczepiają się części glukozo-1-fosforanu (w ten sposób przebiega depolimeryzacja skrobii w chloroplastrach ).

GLIKOLIZA I JEJ PRZEBIEG W WARUNKACH TLENOWYCH I BEZTLENOWYCH:

GLIKOLIZA: czyli szlak Embdena - Meyerhofa. Składa się z 10 etapów. W każdym z nich katalizatorem jest odrębny enzym. Substratem całej przemiany są monocukry: glukoza, fruktoza, glaktoza,i najważniejsza glukoza. Glikoliza zlokalizowana jest w cytoplazmie i może przebiegać zarówno w waunkch beztlenowych jak i tlenowych.

Glikoliza jest łańcuchem reakcji przekształcających glukozę w pirogronian z jednoczesnym wytworzeniem stosunkowo młych ilości ATP. W organizmach tlenowych glikoliza jest etapem wstępnym cyklu kwasu cytrynowego i łańcucha transportu elektronów uwalniających większość energii zawartej w cząsteczce glukozy. W warunkach tlenowych pirogronian dostaje się do mitochondriów, gdzie ulega całkowitemu utlenieniu do CO2 i H2O. Gdy ilośc tlenu jest niewystarczająca jak np. w aktywnie kurczącym się mięśniu, pirogronian jest przekształcony w mleczan. W warunkach beztlenowych drożdże przekształcają pirogronian w etanol. Tworzenie się etanolu lub mleczanu z glukozy jest przykładem fermentacji

SUMARYCZNY WZÓR GLIKOLIZY:

Monocukier + 2ADP + 2Pi + 2NAD 2 pirogroniany + 2H2O + 2NADH + 2H + 2ATP

Efekt Pasteura to efekt hamowania glikolizy przy wysokich stężeniach tlenu. Jeden z glikolitycznych enzymów fosfofruktokinaza jest hamowany przez wysokie stężenie ATP i cytrynianu. Obydwa te związki gromadzą się w cytoplaźmie wskutek wydajnego utleniania składników pokarmowych przy obfitości tlenu

OKSYDACYJNA DEKARBOKSYLCJA KWASU PIROGRONOWEGO:

1. warunki beztlenowe ( wykorzystanie drożdży)

kwas pirogronowy - dekarboksylaza pirogronianowa aldehyd octowy NADH, NAD - dehydrogenaza alkohol etylowy

2. warunki tlenowe: kwas pirogronowy + CoA + NAD enzym: dekarboksylaza kwasu pirogronowego, koenzym: pirofosfaran tiaminy ACETYLO - CoA + CO2 + NADH

BILANS ENERGETYCZNY GLIKOLIZY:

Bilans energetyczny oddychania tlenowego

Etap oddychania tlenowego Miejsce zachodzenia reakcji Zysk ATP

Glikoliza Cytoplazma 2

Dekarboksylacja pirogronianu Matriks mitochondium  

Cykl Krebsa Matriks mitochondium 2

Fosforylacja oksydacyjna Błona wewnętrzna mitochondrium 32-34

Łącznie    36-38

CENTRALNA ROLA ACETYLO - KOENZYMU A W PRZEMIANACH ENERGETYCZNYCH :

Acylo-CoA czyli acylokoenzym A to połączenie koenzymu A z resztą acylową umożliwiające jej transport w organizmie. Acylo-CoA powstaje w wyniku acylowania grupy tiolowej CoA:

CoASH + RCOOH → CoAS~COR + H₂O

Najważniejszym przykładem takiego połączenia jest acetylo koenzym A (Acetyl-CoA), tzw. aktywny octan - produkt acetylowania koenzymu A uczestniczący w wielu przemianach zachodzących w organizmie, np. w cyklu kwasu cytrynowego.

Acetylo- koenzym A odgrywa kluczową rolę w metabolizmie. Składa się z grupy octanowej (acylowej -COCH₃) związanej kowalencyjnie z koenzymem A. Uczestniczy w przemianie tlenowej sacharydów w Cyklu Krebsa, w syntezie kwasów tłuszczowych oraz w syntezie steroidów.

CYKL KWASÓW TRIKARBOKSYLOWYCH ( TCAC) CYKL KREBSA:

Cykl kwasów trikarboksylowych jest przemianą ogólną, pozwalającą na doprowadzenie procesu utlenienia związków organicznych do końca tzn, do CO2, przy czym wydzielane protony i elektrony są przenoszone na tlen, zgodnie z mechanizmem utlenienia biologicznego. Etapem przygotowawczym do tej przemiany, skupiającej kataboliczne drogi wszystkich rodzajów związków organicznych, musi być wytworzenie uniwersalnej jednostki, która uległaby spaleniu do produktów końcowych, Tą jednostka jest aktywny octan.

Enzymy cyklu kwasów trikarboksylowych są zlokalizowane w mitochondriach w ścisłym powiązaniu z enzymami łańcucha oddechowego.

Związek czterowęglowy kondensuje z jednostką dwuwęglową jaką jest grupa acetylowa tworząc sześciowęglowy kwas trójkarboksylowy. Izomer cytrynianu jest następnie oksydacyjnie dekarboksylowany. Powstający związek pięciowęglowy zostaje oksydacyjnie dekarboksylowany do związku czterowęglowego z którego następnie regenerowany jest szczawiooctan. Dwa atomy węgla wchodzą do cyklu i opuszczają go w postaci dwóch cząsteczek CO2. Grupa acetylowi jest bardziej zredukowana niż CO2 i dlatego w trakcie trwania cyklu kwasu cytrynowego muszą zajść reakcje oksydoredukcyjne. W rzeczywistości zachodzą cztery takie reakcje. Trzy jony wodorowe zostają przeniesione na cząsteczkę NAD, jedna para wodorów zostaje przeniesiona na FAD. Podczas utleniania tych przenośników elektronów przez O2 za pośrednictwem łańcucha transportu elektronów wytwarzanych jest 9 czasteczek ATP. Ponadto podczas każdego obrotu cyklu powstaje jedno wysokoenergetyczne wiązanie fosforanowe.

PRODUKTY TCAC: kwas cytrynowt, izocytrynian, szczawiobursztynian, bursztynian, L- jabłczan, szczawiooctan.

ŁAŃCUCH PRZENOŚNIKÓW ELEKTRONÓW: zlokalizowany w obrębie wewnętrznej błony mitochondriom, zbudowany z szeregu stanowiących kolejne przenośniki elektronów. Element umożliwia przeprowadzenie fosforylacji oksudacyjnej. Układ przenoszący elektrony w mitochondriom składa się z: FMN (ryboflawino-5-fosforan) i FAD (dwunukleotyd lawino-adeninowy), ubochnon, pierwotnych akceptorów uczestniczących w oddychaniu NAD i NADP. Grupą czynna obu nukleotydów jest niacyna której pierścień przyjmuje od cząsteczki podlegającej odwodornieniu 2 jony H oraz 2 elektrony i uwalniając 1 proton staje się forma zredukowana - NADH.

BILANS ENERGETYCZNY TCAC:

4x dehydrogenacja, 2x dekarboksylacja, uwolnienie energii: z 3 NADH- 9ATP z FADH2 - 2ATP, fosforylacja substratowa 1ATP= 12ATP.

PORÓWNANIE WYDAJNOŚCI ENERGETYCZNEJ PRZEMIAN TLENOWYCH I BEZTLENOWYCH:

Oddychanie tlenowe: substraty: związki organiczne, produkty: CO2, woda, energia, lokalizacja: cytoplazma, mitochondrium

Oddychanie beztlenowe: substraty: związki organiczne, produkty: alkohole, kwasy, lokalizacja: cytoplazma.

BUDOWA MITOCHONDRIUM: organellom wytwarzające energię na potrzeby komórki (komórkowe centrum energetyczne), zbudowane z dwóch błon białkowo - lipidowych zewnętrznej i wewnętrznej. Błona wenętrzna tworzy charakterystyczne wypuklenia. Wnętrze mitochondriom jest wypełnione przez matriks mitochondriom. Mitochondrium maja swój własny materiał genetyczny w postaci kolistych cząstek DNA zawieszonych w matriks mitochondrium. Mitochondrium maja własne rybosomy znajdujące się w matriks mitochondrium. W mitochondrium przebiegaja 2 ważne szlaki reakcji biochemicznej, prowadzące do wytworzenia energii zmagazynowanej w wysokoenergetycznych wiazaniach ATP. W matriks mitochondrium odbywa się cykl kwasu cytrynowego (cykl Krebsa), a reakcja łańcucha oddechowego zachodzą w wewnętrznej błonie mitochondrium.

SYNTEZA ATP PRZEZ ATP-azę ZLOKALIZOWANĄ W WEWNĘTRZNEJ BŁONIE MITOCHONDRILNEJ: synteza ATP jest najmniejszym ze znanych w przyrodzie motorem obrotowym. ATP-aza zlokalizowana jest we wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Składa się z 2 części: F1 ATPazy z częścią F0 stanowiąca transbłonowy kanał protonowy zakotwiczony w wewnętrznej błonie. W Mitochondriach cały kompleks wykazuje energie uwalniana przez elektrony do syntezy ATP, natomiast wyodrębniona z całości F1 ATPaza hydrolizuje ATP. Podczas hydrolizy ATP i prawdopodobnie podczas syntezy ATP, podjednostka F1 ATPazy obraca się względem alfa, beta -3.

CENTRALNA ROLA ATP W MAGAZYNOWANIU I PRZENOSZENIU ENERGII W KOMÓRCE: uniwersalny akumulator i przenośnik energii skumulowanej w wiązaniach wysokoenergetycznych. Wszystkie procesy energetyczne służą ostatecznie tworzeniu ATP, jego redukcji. Nukleotyd zawiera 3 reszty kwasu ortofosforanowego (V), resztę adeniny i rybozy. Wchodzi w reakcje tylkow obecności kationów metali 2wartościowych z którymi tworzy kompleksy. Powstaje w wyniku fosforylacji substratowej, oksydacyjnej i fotosyntetycznej. ATP jest aktywnym czynnikiem fosforyzującym - łatwo odczepia reszte kwasu ortofosforanowego przechodząc a ADP i uwalniając z rozerwanego wiązania energię. Budowa ułatwia hydrolizę wiązań: jednoimienne (-) reszty odpychaja się , bezwodnikowe wiązanie fosforowe jest silnie przyciągane przez atom P.

ISTOTA I PRZEBIEG FOTOSYNTEZY: Istota polega na przekształceniu energii świetlnej w energie chemiczną, która wykorzystywana jest do asymilacji CO2 do związków organicznych. Przebieg składa się z 2 etapów:

1. faza jasna: przebiega w granach chloroplastów i polega na wytworzeniu siły asymilacji (ATP i NADPH2). Fotony światła padając na chlorofil powodują wybicie z niego elektronu. Chlorofil przechodzi w stan wzbudzenia, a wybite elektrony, które maja zapas energii z pochłoniętych kwantów światłą przechodzą przez układ przenośników, tracąc energie, która gromadzona jest w ATP. W czasie fazy jasnej zachodzi rozkład wody, wydziela się tlen, powstaje zredukowany NADPH2.

2. Faza ciemna: (cykl Calvina) przebiega w stromie chloroplastów i polega na asymilacji CO2 do związków organicznych. Jest to kołowy cykl przemian. Wyróżniamy 3 etapy: asymilacji, redukcji,regeneracji.

ZNACZENIE FOTOSYNTEZY: najważniejszy ilościowo proces tworzący materie organiczną, znaczenie przy oczyszczaniu wód oceanów, oczyszczanie atmosfery z CO2, wzbogaca wodę i atmosfere w O2, bytowanie heterotrofów w środowiskach wodnych i lądowych dzięki wymianie CO2 i O2.

---