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 po 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 = 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

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)

---