AMINOKWASY

Podział aminokwasów:

1. Białkowe - muszą tworzyć białka

2. Niebiałkowe - nie wchodzą w skład białek

Ad 1: BIAŁKOWE

A. białkowe, 20 sztuk dzieli się je na :

a) endogenne

b) egzogenne - organizm ludzki nie jest w stanie sam ich wyprodukować; u człowieka jest ich 9:

• Aromatyczne (fenyloalanina, tyrozyna, tryptofan)

• Z rozg łańc bocznym (leucyna, izoleucyna, walina)

• Pochodne kw L-2-amino-3-fenylopropionowego (lizyna, metionina, treonina)

A. białkowe dzielimy ze wzg na właść fiz-chem rodnika na:

1. Z niepolarnym rodnikiem ( alifatyczne; właściwości hydrofobowe)

2. Z polarnym rodnikiem, lecz niezjonizowanym, bądź słabo (seryna, treonina, cysteina)

3. Aromatyczne

4. Kwaśne i ich amidy

5. Zasadowe

Ad 2: NIEBIAŁKOWE

Najczęściej z szeregu L, ale nie zawsze; są produktami pośrednimi wielu szlaków metabolicznych; mogą być hormonami; mogą przekazywać sygnały między tkankami. Najważniejsze to L-ornityna,

L-cytrulina, które są prod. pośr. cyklu mocznikowego, β-alanina która jest składnikiem koenzymu A, oraz kwas γ-amino masłowy który jest składnikiem tkanki nerwowej - przekazuje impulsy nerwowe.

PEPTYDY:

Nie ulegają denaturacji (brak skomplikowanych struktur); kolejny aminokwas łączy się swoim NH₂ do COOH poprzednika (H₂O) i otrzymuje końcówkę -ylo, -ilo.

Peptydy występujące w żywych organizmach dzielimy na:

1. produkty rozkładu białek

2. peptydy naturalne - nie wchodzą w skład białek, wytwarzane są inną drogą niż translacja; pełną szereg ważnych funkcji regulacyjnych i po to są wytwarzane. Najważniejsze to:

• glutation

• oxytocyna

• wazopresyna

• insulina

• glukagon

Glutation - tripeptyd (kw. Glutaminowy, cysteina, glicyna); występuje we wszystkich żywych organizmach i jest odpowiedzialny za regulację potencjału redox komórek.

Oxytocyna - zbudowana z 9 aminokwasów pełni funkcję hormonu sterowania tylnym płatem przysadki mózgowej, wywołuje on skurcze mięśniówki gładkiej; ważna funkcja przy wydalaniu płodu; przy wydalaniu mleka matki z pęcherzyków mlekowych do przewodów wyprowadzających.

Wazopresyna - zbudowana z 9 aminokwasów odpowiada za skurcze mięśniówki gładkiej naczyń tętniczych, przez co podnosi ciśnienie krwi. Działa na komórki kanalików nerkowych regulując tym samym wtórne wchłanianie wody. Niedobór prowadzi do wydalania wodnistego moczu

Insulina - 2 łańcuchy po 51 reszt aminokwasowych; powoduje obniżenie poziomu glukozy we krwi

Glukagon - hormon będący antagonistą insuliny tzn. podwyższa poziom glukozy we krwi.

Oprócz w/w są inne z grupy L np. aktynomycyna, penicylina ( oba antybiotyki). Wśród tych antybiotyków oprócz L są jeszcze D aminokwasy; podejrzewa się, że właśnie D aminokwasy odp są za przeciw bakteryjne działanie.

BIAŁKA:

Podział ze wzg na kształt cząsteczek:

1. białka włókienkowe (fibrylarne) zespół rozgałęzionych łańcuchów polipeptydowych połączonych ze sobą różnymi wiązaniami najczęściej niekowalencyjnymi. Białka te mają b. trwałą strukturę, dlatego pełnią f. podporową i strukturalną. Nierozpuszczalne bądź trudno rozpuszczalne w wodzie, trwałe i odporne na wysokie temperatury. Najważniejsze z nich to:

• keratyna

• kolagen

• fibroina

• miozyna

białka sferyczne (globularne) zbudowane z białek połączonych łańcuchami polipeptydowymi; są dobrze rozp w wodzie; wśród nich są wszystkie enzymy; wrażliwe na wysokie temperatury, mają skomplikowane struktury wtórne. Wśród nich są:

• hemoglobina

• enzymy

Podział ze względu na skład chemiczny:

1. białka proste (zbudowane tylko z aminokwasów)

2. białka złożone (obok aminokwasów są inne składniki; rodzaj jest podstawą do nazwy)

BIAŁKA PROSTE:

1. Histony - niskocząsteszkowe białka; mają charakter zasadowy (duży udział akw. zasadowych) wyst w dużej ilości w chromatynie gdzie regulują aktywność genów.

2. Albuminy - obecne w każdej żywej komórce; łatwo rozp w wodzie; dużo w osoczu i limfie, mleku, tk. Mięśniowej. Mają duży wpływ na ciśnienie krwi; duży udział aminokwasów egzogennych.

3. Globuliny - rozp w wodzie, dobrze w solach obojętnych, wyst w dużych ilościach w cieczach ustrojowych; duży udział aminokwasów egzogennych: wśród nich dużo enzymów.

4. Prolaminy - białka kwaśne (kw. asparaginowy, glutaminowy); wyst w skrobiowej części bielma. Przykładem są:

• Gliadyna (przenica, żyto)

• Hordenina (jęczmień)

• Zeina (kukurydza)

5. Gluteminy - wyst w skrobiowej części bielma; składem aminokwasowym przypominają Prolaminy; różnią się tym, że rozp się jedynie w roztworach zasad i kwasów np. CH₃COOH, podczas gdy Prolaminy dobrze rozp się w 60-80% etanolu.

6. Skleroproteiny - b włókienkowe; wyst gł u zwierząt; są składnikiem tk. łącznej; zawierają duże ilości proliny i cystyny, oraz aminokwasów zasadowych, są odporne na denaturację.

BIAŁKA ZŁOŻONE:

1. Fosfoproteiny - oprócz aminokwasów zawiera kwas fosforowy estrowo związany z grupą OH seryny lub treoniny. Np. kazeina w mleku krowim, witelina i fosfityna w żółtku jaj kurzego.

2. Lipoproteiny - w ich skład oprócz aminokwasów wchodzą: kw. tłuszczowe, cholesterol, fosfolipidy; te związki o charakterze tłuszczowym tworzą połączenia z łańcuchami polipep. Białka te są składnikiem błon kom. i dlatego pełnią b. ważną funkcję.

3. Glikoproteiny - zawierają w swoim składzie od 4-40% składników cukrowych (galaktoza, mannoza, glukozoamina); występują w śluzach i decydują o grupach krwi.

4. Nukleoproteiny - zawierają kw. nukleinowe i wyst. w jądrze komórkowym, rybosomach. Z nich zbudowane są wirusy; biorą udział w biosyntezie białka

5. Chromoproteiny - zawierają zawsze barwny składnik (gr. prostetyczne) np. żelazo, karotenoidy, nukleotydy flawinowe. Przykładami są:

• Hemoglobina

• Cytochrom C

Funkcje białek:

• Katakityczna - wszystkie enzymy, α - amyloza, pepsyna, ureaza

• Strukturanla - kolagen (dziąsła), keratyna (paznokcie, włosy), elastyna (ścięgna)

• Transportowa - hemoglobina

• Obronna - wszystkie γ- globuliny, trombina (krzepliwość krwi), interferon

• Zapasowa - prolaminy zbóż, albuminy, globuliny jaj

• Regulacyjna - korkytokropina (regulacja wapna)

• Jako układy kurczliwe - aktyna i miozyna (praca mięśni)

Struktury białek i wiązania

1. Pierwotna - sekwencja aminokwasów (wiązania peptydowe)

2. Wtórna:

1. Drugorzędowa (α, β, mieszana)

2. 3-cio rzędowa

3. 4-to rzędowa

Do najważniejszych wiązań utrzymujących st. wtórną należą:

• wodorowe

• dwusiarczkowe

• jonowe

• hydrofobowe

• Van der Wallsa

Wiązanie peptydowe:

Wiązanie pomiędzy C-N w ok. 40% ma charakter wiązania podwójnego.

Wiązanie pomiędzy C-O w ok. 60% ma charakter wiązania podwójnego.

Te 2 fakty powodują, że w. peptydowe wykazuje znaczną sztywność, a wszystkie jego 4 atomy (C,O,N,H) są w tej samej płaszczyźnie. Łańcuch nie jest do końca sztywny, gdyż wiązanie przy węglu α umożliwia swobodną rotację łańcucha.

Wiązanie wodorowe:

Tworzą się między dwoma elektroujemnymi atomami, które silnie przyciągają proton. Proton ten pełni funkcję czynnika wiążącego. W białkach wiązanie wodorowe tworzy się najczęściej między tlenem grupy CO, a azotem grupy NH. W. w mogą tworzyć się w obrębie jednego łańcucha, lub między gr. CO i NH sąsiednich łańcuchów. Energia w. w jest niewielka (10-cio krotnie mniejsza niż kowalencyjnych), ale b. duża ich ilość jest w białkach.

Wiązania dwusiarczkowe (disulfidowe):

Wiązanie te są typu kowalencyjnego, powstają zawsze w wyniku odwodorowania grup SH dwóch cząstek cysteiny wchodzących w skład białek. Duża ich ilość jest w białkach strukturalnych, dzięki nim wykazują dużą stabilność i są odp. na denaturację termiczną.

Wiązania jonowe (solne) - tworzą się między dodatkowymi gr. funkcyjnymi o przeciwnych ładunkach (+ z -). Najczęściej tworzą się między gr. NH₃ lizyny (dodatkowej), a gr. COO^- (dodatkowa) kw. asparaginowego lub glutaminowego. Mogą one również występować w formie pojedynczego łańcucha jak i między łańcuchami polipeptydowymi.

Oddziaływania (wiązania) hydrofobowe:

Określają one siły wzajemnego oddziaływania między apolarnymi rodnikami aminokwasów łańc. polipep. Reszty hydrofobowe w białku mają tendencję do unikania wody, a reszty polarne otaczają się cząstkami wody. W rezultacie takich oddziaływań cząsteczki białka przyjmują taką konformację, że rodniki apolarne znajdują się wewnątrz cząsteczki, a polarne na zewnątrz w kontakcie z fazą wodną.

Struktura 1-szo rzędowa:

Jest to kolejność aminokwasów w łańć. polipep. Tworzą ją wyłącznie wiązania polipeptydowe. Jest to jedyna st., która jest warunkowana genetycznie, dlatego jej znajomość pozwala na ustalenie pochodzenia genetycznego.

Struktura 2-go rzędowa:

Występuje w postaci 3 form α (α - heliks = śrubowa), β - (dywanowa lub fałdowa), oraz mieszana (jest α i β). St. tę utrwalają wiązania wodorowe.

α - heliks można przedstawić w postaci łańcucha prawoskrętnie zwiniętego wokół jednej wspólnej hipotetycznej osi. Każdy skręt (zwój) ma 3,6 reszt aminokwasów, a każdy skok heliksu ma 0,54 nm. Wśród aminokwasów utrudniających tworzenie się α - heliksu jest prolina lub hydroxyprolina gdyż atom azotu tych aminokwasów jest wbudowany w pierścień heterocykliczny, co uniemożliwia możliwość obrotu wokół węgla α. Obecność tych am. jest przyczyną tworzenia się w tych miejscach tzw. pętli.

Struktura β polega na utworzeniu się wokół siebie najczęściej równolegle zygzakowatych odcinków łańcucha polipeptydowego. St. tę najczęściej stabilizują poprzeczne wiązania wodorowe. W porównaniu z α - heliksem struktura β jest bardziej rozciągnięta. Przykładami białek z tej struktury jest np. keratyna, która ma zdolność do przechodzenia z α w β i na odwrót.

Struktura 3-cio rzędowa:

Mówi nam o stopniu zwinięcia heliksu α lub st. β w przestrzeni. Ten typ st. występuje w białkach globularnych. Struktura 3-cio rzędowa utrzymywana jest dzięki wiązaniom wodorowym, jonowym, odd. hydrofobowym i czasami dzięki SS.

Struktura 4-to rzędowa:

Mówi nam o stopniu i sposobie połączenia kilku podjednostek (dotyczy białek o dużych masach cząsteczkowych). St. tą przyjmują białka w celu wypełnienia b. ważnych funkcji metabolicznych. Przykładami są hemoglobina i enzymy (syntetaza glutaminy, dehydrogenaza mleczanowa). Białka o st. 4-to rzędowej są oligomerami. St. tę stabilizują przede wszystkim SS, wiązania wodorowe i jonowe.

Najważniejsze białka z punktu widzenia metabolizmu i przetwórstwa przemysłowego:

1. Białka krwi

Hemoglobina - jest to białko, które występuje w erytrocytach. Stanowi 1/3 masy erytrocytów, zbudowana jest z 4 podjednostek (4 łańc. polipep.), 2 typu α i 2 typu β. Każdy z 4 łańc. polip. Połączony jest koordynacyjnie z jedną cząsteczką hemu. Połączenie jest za pośrednictwem imidazolowej reszty histydyny z udziałem 1 z 6 wiązań koordynacyjnych żelaza. Pods. funkcją hemoglobiny jest transport O₂ do wszelkich tkanek organizmu za pomocą naczyń krwionośnych. O₂ przyłącza się do jonu żelazawego hemu tworząc oxyhemoglobinę. Żelazo jest utlenowane!!!. Fe zawsze na Fe²⁺. To połączenie jest b. nietrwałe i wraz ze spadkiem stężenia O₂ rozpada się na tlen i hemoglobinę (hem wypada). Hemoglobina może połączyć się, z CO, uniemożliwiając tym samym przyłączenie się O₂. Kompleks hemoglobiny, z CO jest bardzo trwały i dlatego często następuje potworny zgon.

Inna pochodna hemoglobiny to tzw. nitrozohemoglobina powstaje w wyniku peklowania mięsa, czyli traktowania go saletrą. Zabieg ten obok konserwacji nadaje mięsu świeży wygląd i czerwoną smaczną barwę.

2. Białka mleka:

Kazeina (2,5 % w mleku krowim), laktoglobuliny i laktoalbuminy. Kazeina stanowi 75-85% puli białek mleka. Składa się z 3 frakcji (α,β i κ). Frakcje te różnią się zawartością reszt fosforanowych oraz szeregiem właściwości. Wszystkie 3 frakcje w obecności Ca²⁺ łączą się ze sobą tworząc tzw. micele koloidowe. Micela jest to kompleks fosfokazeinowapniowy. Wyst. w postaci zawiesiny. Gdy do mleka wprowadzimy kwas następuje zabranie wapnia i kazeina wytrąca się w postaci twarogu. Tak dzieje się przy samo ukwaszaniu się mleka. Ważna rola kazeiny obok serowarstwa polega na tym, że zarówno fosfor jak i wapń są niezbędne do budowy kości młodych organizmów.

Wartość odżywcza białek:

Czynnikiem decydującym o wart. odż. białek jest ich skład aminokwasowy, a zwłaszcza zawartość a. egzogennych. Białka pełnowartościowe charakteryzują się odpowiednim stosunkiem am. egzogennych do endogennych. Zapotrzebowanie organizmu w am. egzogenne zmienia się wraz z wiekiem i odpowiednio wynoszą: dla dorosłych ludzi 15-17%, dla dzieci 30%, a dla niemowląt 40-50% diety. Wśród białek o właściwym stosunku am. egzogennych do endogennych są białka jaja kurzego, białko mleka krowiego, białka soi, białka bulw ziemniaczanych.

Bioenergetyka białek:

Każdy organizm do syntezy własnych cząsteczek (białka, cukry, kw. nukleinowe) oprócz podstawowych składników budulcowych potrzebuje znacznych ilości energii. Wszystkie związki chemiczne uczestniczące w metabolizmie charakteryzują się określonym potencjałem chemicznym, który mówi nam o ilości energii uwolnionej w wyniku całkowitego utlenienia tego związku do CO₂ i H₂O. Związki chemiczne biorąc udział w przemianach podnoszą lub obniżają swój potencjał chemiczny. Przy czym zawsze podnoszenie potencjału wiąże się z pobraniem energii z zewnątrz i ma miejsce reakcja endotermiczna. Z kolei obniżeniu swojego potencjału zawsze towarzyszy wydzielenie energii do środowiska, czyli zachodzi reakcja egzotermiczna. Energia uwalniana lub pobierana określana jest mianem energii swobodnej i określana jest mianem energii swobodnej i oznaczana jest G [J/mol] lub [kJ/mol]. Zmiany e.s. zapisywane są jako ΔG (jeśli spadek to -ΔG, jeśli wzrost to +ΔG).

Uwalniane energia w reakcjach rozkładu (egzotermiczna) wykorzystywana jest do:

1. W reakcjach anabolicznych (endoergicznych), gdzie z małych niskocząsteczkowych związków organizm nasz buduje własne składniki. Wówczas to zjawisko nazywamy sprzężeniem energetycznym.

2. Aktywnego transportu różnych związków w naszym organizmie

3. Aktywna praca mięśni

4. Zmiana energii na ciepło (utrzymanie odpowiedniej temperatury ciała)

Uwolniona energia przechwytywana i magazynowana jest w związkach chemicznych posiadających wiązania makroergiczne. Wiązania te podczas hydrolizy uwalniają, co najmniej 25 kJ energii. Zw. makroergiczne (posiadające wiązania bogate w energię) dzielimy na grupy w zależności od rodzaju tych wiązań:

1. Zw. posiadające wiązania fosforanowo - fosforanowe; wśród nich najważniejsze to ATP - adenozynotrifosforan, GTP - guanozynotrifosforan, UTP - urydynotrifosforan.

2. Związki posiadające wiązania karboksylo - fosforanowe, których przykładem jest kwas 1,3-difosforoglicerynowy, lub acetylofosforan.

3. Związki posiadające wiązania guanidyno - fosforanowe, np. fosfokreatyna, fosfoarginina.

4. Związki tioestrowe np. acetylokoenzym A

Na kolokwiach do narysowania!!

Najważniejszym zw. makroergicznym jest ATP nazywany uniwersalnym związkiem makroergicznym, gdyż to właśnie on bierze bezpośredni udział w przekazywaniu energii reakcją anaboliczną (syntezy). Wszystkie pozostałe zw. makroergiczne najczęściej jedynie magazynują energię i następnie przekształcają ją na ATP.

ENZYMY:

Biokatalizatory biorące udział w każdej reakcji chemicznej w każdym żywym organizmie. Enzymy stanowią największą i najbardziej wyspecjalizowaną grupę związków o charakterze białkowym. Mogą one być białkami prostymi lub złożonymi. Część białkowa enzymów nazywana jest apoenzymami i w niej zlokalizowane jest zdolność do rozpoznawania właściwego substratu. Częścią niebiałkową (jeśli istnieje) mogą być odpowiednie koenzymy, jony różnych metali, które mają duży wpływ na typ katalizowanych reakcji. Czasem część niebiałkowa jest bardzo silnie (nawet trwale) związana z apoenzymem. Wówczas nazywamy ją grupą prostetyczną, lecz najczęściej część niebiałkowa ulega oddysocjowaniu, i po reakcji nazywamy ją typowym koenzymem. Główną funkcją enzymów jest obniżenie energii aktywacji, tj. energii niezbędnej do osiągnięcia stanu aktywnego (przejściowego) cząsteczki, gdyż jedynie cząsteczki o podwyższonym poziomie energii swobodnej mogą uczestniczyć w reakcji. Enzymy zmniejszając barierę energetyczną umożliwiają przejście bezwładności chemicznej cząsteczki. Aby mogła mieć miejsce kataliza przy udziale enzymu niezbędne jest utworzenie kompleksy enzymu z substratem. Substrat ulega związaniu w specyficznym rejonie enzymu przy udziale reaktywnych grup substratu oraz reagujących z nim gr. funkcyjnych enzymu. Gr. funkcyjne enzymu znajdujące się w określonym układzie przestrzennym wzajemnie ze sobą współdziałające w połączeniu substratu nazywamy centrum aktywnym enzymu. Grupy te najczęściej pochodzą od aminokwasów znacznie od siebie oddalonych w łańcuchu polipeptydowym, lecz dzięki odpowiedniemu przestawnemu ułożeniu łańcucha są do siebie zbliżone te aminokwasy, które delegują swoje gr. funkcyjne do centrum aktywnego. Te aminokwasy nazywamy kontaktowymi. Wśród nich najważniejsze to: cysteina, seryna, kw. glutaminowy, lizyna, histydyna, arginina. Centrum aktywne enzymu zajmuje stosunkowo niewielką objętość, tj. miej niż 1% objętości całego enzymu i znajduje się w zagłębieniu cząsteczki w miejscu niedostępnym dla cząsteczek wody. Pomimo, że centrum aktywne tworzą gr. polarnych to samo zagłębienie ma charakter apolarny tworzone przez takie aminokwasy jak walina, leucyna i izoleucyna.

Podstawą reakcji enzymatycznej jest utworzenie kompleksu enzym - substrat (ES). Kompleks może tworzyć się:

1. Gdy struktura substratu jest dopasowana do struktury centrum aktywnego enzymu, wówczas mówimy o tzw. teorii klucza i zamka.

2. Wiadomo, że struktury enzymu i substratu nie są do końca sztywne i podlegają modyfikacji wynikającej z indukcyjnego dopasowania się enzymu do substratu. Teorię tę nazywamy teorią Koszlanda inaczej teorią indukcyjnego dopasowania się (kompleks ES)

I. Wpływ enzymu na szybkość reakcji enzymatycznej

1. Stężenie enzymu - w warunkach nadmiaru substratu szybkość reakcji enzymatycznej jest wprost proporcjonalna do stężenia enzymu i do czasu reakcji.

2. Stężenie substratu - w warunkach niskich stężeń substratu obserwuje się nadmiar enzymu nad substratem (jedynie częściowe wysycenie enzymu substratem). Reakcja przyśpiesza proporcjonalnie do zwiększonego stężenia substratu. Przy dalszym wzroście stężenia substratu obserwuje się przyrost szybkości reakcji, lecz zależność ta nie jest już wprost proporcjonalna. Wynika to z faktu, że coraz większa część cząsteczek enzymu jest wysycona substratem i tylko niektóre cząsteczki enzymu są wolne i wchodzą po raz pierwszy w reakcję powodując jej przyśpieszenie. Przy dalszym zwiększeniu stężenia substratu osiąga się maxymalną szybkość reakcji (V_max), przy której wszystkie cząsteczki enzymu są wysycone substratem. W reakcję mogą wejść tylko te cząsteczki, które uwalniają się dając produkt i enzym. Każdy enzym charakteryzuje się wartością Km. Km jest to stała Michaelisa-Menten. Jest to takie stężenie substratu, przy którym szybkość reakcji równa się połowie szybkości maxymalnej. Wartość Km mówi o powinowactwie enzymu do substratu i im wyższa wartość Km tym niższe powinowactwo i odwrotnie.

3. Temperatura - ponieważ enzymy są białkami stąd też wraz ze wzrostem temperatury rośnie intensywność denaturacji tych białek, tzn. że wraz ze wzrostem temperatury maleje ilość cząsteczek biorących udział w reakcji. Z drugiej strony reakcje enzymatyczne podlegają tym samym prawom, co inne reakcje chemiczne np. prawu Van`t Hoffa. Prawo Van`t Hoffa mówi, że wzrost temperatury o 10^O może przyśpieszyć 2-3 krotnie szybkość reakcji. Każdy enzym posiada temperaturę optymalną tj. taką, przy której stopień denaturacji enzymu jest jeszcze niewielki, a temperatura enzymu zależy od warunków, w których te enzymy funkcjonują. Mają strukturę przestrzenną dostosowaną do temperatury życia organizmu

4. Wpływ pH - każdy enzym posiada odpowiednie optimum pH swojego działania. Niewielkie odchylenia od optimum powodują zwolnienie szybkości reakcji. Wynika to stąd, że jony H⁺ bądź też OH^- zmieniają stopień dysocjacji grup funkcyjnych enzymu. Dotyczy to zwłaszcza grup funkcyjnych obecnych w centrum aktywnym i znajdujących się w bliskim sąsiedztwie centrum aktywnego. Powstaje inny układ ładunków w cząsteczkach, a tym samym inna struktura centrum. Przy wyższych odchyleniach od optimum pH następuje zniszczenie wiązań stabilizujących strukturę przestrzenną enzymu tym samym jego denaturację. Wartość pH dla enzymu może zależeć od miejsca działania tego enzymu (np. pepsyna w soku żołądkowym - pH 2,2, trypsyna w jelicie 7,8). Wartość pH może zależeć od substratu czy też od różnych kofaktorów uczestniczących w reakcji.

II. Czynniki hamujące reakcje enzymatyczne

1. Inaktywatory działające niespecyficznie. Najważniejsze to:

• Wysoka temperatura

• Skrajne odchylenie pH

• Metale ciężkie

• Rozpuszczalniki organiczne (etanol, benzen

2. Inhibitory - grupa czynników działających specyficznie, czyli określone substraty działają na określone enzymy. Wśród inhibitorów wyróżniamy:

• Inhibitory działające nieodwracalnie - Inhibitory działające nieodwracalnie tworzą wiązania kowalencyjne z enzymem i odwrócenie tego zjawiska jest wyjątkowo skomplikowane i wymaga specyficznych zabiegów.

• Inhibitory działające odwracalnie:

• Inhibitory współzawodniczące (kompetycyjne)

• Inhibitory nie współzawodniczące (niekompetycyjne)

- Inhibicja kompetycyjna: polega na współzawodnictwie pomiędzy substratem i inhibitorem o centrum aktywne enzymu. Zawsze substrat i inhibitor przyłączane są do centrum aktywnego. Inhibitor musi być strukturalnie podobny do substratu. Stopień zahamowania reakcji zależy od stosunku stężenia inhibitora do stężenia substratu. Inhibicję tę można cofnąć zwiększając stężenie substratu. Najprostszym przykładem inhibicji kompetycyjnej jest działanie kwasu malonowego HOOC-CH₂-COOH, który hamuje reakcję katalizowaną przez dehydrogenazę bursztynową.

- Inhibicja niekompetycyjna: inhibitor może zarówno przyłączyć się do centrum aktywnego jak i w innym miejscu niż centrum aktywne. Zazwyczaj przyłącza się gdzieś indziej. Stopień zahamowania przy tym typie inhibicji zależy wyłącznie od stężenia substratu. Można ją cofnąć jedynie wprowadzając związek o wysokim powinowactwie do inhibitora. Związek ten uwolni enzym od inhibitora sam tworząc z nim połączenie.

Przykłady inhibicji niewspółzawodniczącej (niekompetycyjnej):

• Działanie jonów metali ciężkich np. Hg, Cu, które wiążą grupy SH cysteiny w centrum aktywnym enzymu - tworzą się mekaptydy.

• Działanie cyjanków czy azydków i fluorków na enzymy wymagające do swej aktywności jonów żelaza. Związki te tworzą kompleksy z jonami Fe powodując obniżenie aktywności.

III. Sposoby aktywacji enzymów (przyśpieszenie V reakcji)

1. Przekształcenie nieaktywnej formy enzymów w formę aktywną. Ma to miejsce głównie przy aktywacji enzymów protolitycznych np. pepsyny, trypsyny. Aktywacja ta polega na odłączeniu od nieaktywnej formy (proenzymu) peptydu lub kilku peptydów. Po odłączeniu tych peptydów zmienia się struktura przestrzenna pozostałej części enzymu na taką, która umożliwia powstanie centrum aktywnego. Np.:

Pepsynogen → pepsynę

Trypsynogen → trypsynę

2. Regulacja potencjału redox w środowisku gdzie enzym występuje. Enzymy cysteinowe (posiadające w centrum aktywnym grupę SH) są silnie aktywowane przez takie związki jak glutation (zredukowany), cysteina (jako wolny aminokwas), kwas askorbinowy.

3. Wprowadzenie niskocząsteczkowych kofaktorów np. aktywność syntetazy glutaminowej jest przyśpieszana przez jony Mg²⁺, aktywność α-amylazy jest silnie przyśpieszana przez Cl^-, aktywność arginazy jest aktywowana przez jony Mn²⁺.

SPOSÓB REGULACJI:

Enzymy allosteryczne (regulatorowe) posiadają oprócz centrum aktywnego drugie centrum tzw. allostryczne. Enzymy mogą być zbudowane z jednej podjednostki i wówczas w niej zlokalizowane są obydwa centa, lub zbudowane jest, z co najmniej 2 podjednostek gdzie centrum aktywne jest umieszczone w podjednostce katalitycznej, a centrum allosteryczne w podjednostce regulatorowej. Pod wpływem przyłączonego efektora allosterycznego (do centrum allosterycznego) następują zmiany struktury wtórnej białka zwłaszcza 3-cio i 4-to rzędowej. Zmiany struktury wtórnej w podjednostce regulatorowej pośrednio oddziaływują na strukturę podjednostki katalitycznej zmieniając centrum aktywne. Ten typ regulacji ma miejsce zarówno przy hamowaniu jak i aktywacji enzymów.

Jednym ze sposobów regulacji aktywności enzymów opartym na efekcie allosterycznym jest sprzężenie zwrotne. Polega ono m.in. na tym,że końcowy produkt ciągu reakcji jest efektorem allosterycznym enzymu katalizującego pierwszą reakcję lub jedną z początkowych. Efektorem tym jest efektor negatywny. Związek będący substratem, który gromadzi się w nadmiernych ilościach może być efektorem allosterycznym pozytywnym dla wielu reakcji, które zaangażowane są w jego rozkład.

Rola hormonów w aktywacji enzymów:

Hormony np. adrenalina za pośrednictwem receptorów umieszczonych na zewnętrznej powierzchni błon komórkowych może aktywować szereg enzymów. Adrenalina w pierwszej kolejności aktywuje cyklazę adenylową zlokalizowaną na wewnętrznej stronie błony komórkowej ( naprzeciw receptora). Aktywcja cyklazy jest na tyle ważna, że powstały cAMP ( cykliczny adenozynomonofosforan) jest efektorem allosterycznym dla kinaz białkowych. Z kolei kinazy białkowe modyfikują szereg białek aktywując je. Tak więc rola adrenaliny czy też innych hormonów polega na tym, że wywołują one kaskadowo działające mechanizmy aktywacji. Tak więc pamiętajcie dzieci, że na kolosie z biobzdur wytwarza nam się cAMP.

Każdy enzym charakteryzuje się określoną specyficznością substratową. Pod jej pojęciem rozumiemy możliwość wyboru przez dany enzym jednego związku lub grupy związków strukturalno podobnych substancji.

Do najważniejszych typów specyficzności substratowej zaliczamy:

1. Specyficzność absolutna - polega na tym, że enzym może przekształcić tylko jeden związek jako substrat np. ureaza lub mocznik jako substrat.

2. Specyficzność grupowa - enzym może katalizować przekształcanie kilku związków jako substraty. Związki te muszą charakteryzować się wspólną cechą np. fosfatazy przekształcają monoestry fosforanowe.

3. Specyficzność stechiometryczna

1. Specyficzność stosunku do szeregu L lub D np. syntetaza glutaminy wykorzystuje tylko L - glutaminian jako substrat.

2. Specyficzność do izomerii cis lub trans np. hydroliaza jabłczanowa przyłącza cząsteczkę wody tylko do fumaranu (trans)

3. Specyficzność do wiązania α lub β np. α-glikozydaza rozkłada tylko wiązania typu α. α-amylaza rozkłada wiązanie α-1,4-glikozydowe.

4. Specyficzność do miejsca ataku (miejsce wiązania rozkładanego) np. endopeptynaza cysteinowa rozkłada tylko wiązania peptydowe wewnątrz łańcucha (nigdy na skraju), aminopeptydaza leucynowa atakuje skrajne wiązania peptydowe od N-końca.

Jednostki aktywności:

1. Jednostka międzynarodowa, standardowa, uniwersalna, jest to tak ilość enzymu, która przekształca 1 μmol substratu w ciągi 1 min w optymalnym pH w temp 30^OC i przy nadmiarze substratu.

2. Katal - jest to taka ilość enzymu, która przekształca 1 mol substratu w ciągu 1 sec w temp 30^OC przy optymalnym pH i przy nadmiarze substratu. Ponieważ jest to jednostka bardzo duża, dlatego stosuje się częściej milikatale, mikrokatale, nanokatale.

3. Aktywność właściwa - jest to ilość jednostek uniwersalnych standardowych lub katali przeliczona na 1mg białka przy optymalnym pH. Tę jednostkę stosuje się najczęściej przy oczyszczaniu enzymów.

4. Liczba obrotów (aktywność molekularna) - jest to ilość moli substratu przekształcona przez 1 mol enzymu w ciągu 1 min w temp 30^OC przy optymalnym pH. Stosuje się ją wtedy, gdy znana jest masa molowa enzymy jak również liczba centrów aktywnych.

Klasy enzymów i nazewnictwo:

Nazwy enzymów systematyczne jak i potoczne najczęściej składają się z 2 elementów. Pierwszy mówi o klasie, do której należy enzym. Drugi element nazwy wskazuje na substrat lub substraty w przypadku oksyreduktaz, a w przypadku transferaz o donorze i akceptorze.

W klasyfikacji systematycznej enzymy oznacza się wg kodu liczbowego czterema cyframi przedzielonymi kropkami. Pierwsza cyfra kodu zawsze mówi o klasie enzymu. Wyróżniamy 6 podstawowych klas enzymów (Kolejność bardzo ważna!!!):

1. Oksydoreduktazy

2. Transferazy

3. Hydrolazy

4. Liazy

5. Izomerazy

6. Ligazy (Syntetazy)

Ad. 1 Oksydoreduktazy: katalizują reakcję przeniesienia elektronów i protonów lub bezpośrednio wiązania O₂ (przyłączenie do substratów). Do najważniejszych podklas oksydoreduktaz należą:

• Dehydrogenazy - katalizują przeniesienie elektronów i protonów substratu na utlenione koenzymy.

• Reduktazy - przenoszą elektrony i protony z przenośników łańcucha oddechowego na inne układy.

• Oksydazy - aktywują tlen przenosząc elektrony z różnych substratów na cząsteczkę O₂.

• Peroksydazy - utleniają substraty rozkładając H₂O₂.

• Oksygenazy - przyłączają O₂ do związków organicznych z jednoczesnym przeniesieniem protonów i elektronów.

Ad. 2 Transferazy: katalizują reakcje przeniesienia grup między substratami. Podklasy to:

• Aminotransferazy - przenoszą grupy aminowe z aminokwasów na oksokwasy.

• Fosfotransferazy (kinazy) - przenoszą reszty fosforanowe między substratami.

• Metylotransferazy - przenoszą grypy CH₃ między substratami.

• Acylotransferazy - przenoszą reszty acylowe między produktami.

Ad. 3 Hydrolazy: katalizują reakcje rozkładu związków przy udziale cząsteczek H₂O (hydroliza). Podklasy to:

• Esterazy - hydrolizują wiązanie estrowe.

• Glikozydazy - hydrolizują wiązanie glikozydowe.

• Peptydazy - hydrolizują wiązanie peptydowe.

Ad. 4 Liazy: katalizują reakcję rozpadu wiązań, ale bez udziału H₂O. Wśród tej klasy są też syntazy, które katalizują reakcje odwracalne z równowagą przesuniętą w kierunku syntezy. Enzymy te działają na takie wiązania jak

• C-C (dekarboksylazy),

• C-S (desulfhydrazy),

• C=O (hydroliazy),

• C­-N (deaminazy)

Ad. 5 Izomerazy: katalizują reakcje przekształceń wewnątrz cząsteczkowych. Podklasy to:

• Racemazy - przekształcają izomerię L w D.

• Epimerazy - przekształcają fazy α w β.

• Izomerazy cis i trans np. maleinian, fumaran.

Ad. 6 Ligazy (Syntetazy): katalizują reakcje syntezy nowych wiązań w wykorzystaniem energii związków makroergicznych (ATP, GTP, UTP). Enzymy z tej klasy wytwarzają wiązania C-C, C-N, C=O, C-S.

IZOENZYMY:

Są to zróżnicowane strukturalnie formy określonego enzymu zdolne do katalizy tej samej reakcji, lecz powstające przy udziale różnych genów strukturalnych. Izoenzymy różnią się od siebie nie tylko pod względem struktury 1-szo rzędowej, ale też mogą mieć inne optimum pH, inną optymalną temperaturę, inną masę molową, inne wartości Km (powinowactwo substratowe), inną lokalizację wewnątrzkomórkową. Najlepiej poznanymi izoenzymami są izoenzymy dehydrogenazy mleczanowej. Izoenzymy te zbudowane są z 2 lub z jednego typu podjednostek, z czego wszystkie są tetramerami. Wyróżnia się 5 izoform:

• H4 - same formy H

• H3N1 - 3 formy H i 1 forma N

• H2N2 - -------------

• HN3 - -------------

• N4 - -------------

KOENZYMY I WITAMINY:

Koenzymy to część składowa holoenzymu, niezbędne prawie we wszystkich reakcjach enzymatycznych z wyjątkiem reakcji katalizowanych przez hydrolazy. Koenzymy są budowane na bazie witamin tj. witamina jest rdzeniem koenzymu, to wyjaśnia rolę witamin. Brak lub niedobór witamin uniemożliwia utworzenie odpowiednich koenzymów, co zabuża metabolizm. Witaminy są wytwarzane przez drobnoustroje roślinne wyższe, człowiek poza niektórymi wyjątkami nie jest w stanie witamin wytworzyć i dlatego musi je pobierać z pokarmu.

W reakcjach wymagających koenzymów tworzy się komplex enzym-substrat-koenzym. W jego obrębie dokonują się przegrupowania elektronów wokół wiązań chemicznych substratu, w wyniku czego rozrywają się one i w to miejsce tworzą się nowe wiązania. Umożliwia to przekształcenie substratu w produkt.

Koenzymy dzielimy na grupy zależnie od typu reakcji, w których uczestniczą.

1) Koenzymy przenoszące elektrony i protony - współdziałają z oksydoreduktazami:

• NAD⁺ -dinukleotyd nikotynamidoadeninowy - jest zbudowany z 2 nukleotydów powiązanych ze sobą wiązaniami bezwodnikowymi (nie są bogate w energię powyżej 25 KJ) za pośrednictwem reszt fosforanowych. Każdy z nukleotydów zbudowany jest z zasady azotowej (pierwszy z amidu kw. nikotynowego, a drugi z zasady adeniny), reszty cukrowej (D-ryboza) oraz reszt fosforanowych. Zasady azotowe połączone są z cukrem wiązaniem N-glikozydowym, zaś reszta fosforanowa z cukrem wiązana jest wiązaniem estrowym. NAD⁺. NAD⁺ ładunek dodatni posiada z faktu obecności w pierścieniu pirymidowym IV rzędowego atomu azotu z ładunkiem dodatnim.

• NADP⁺ - fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego - przy drugim atomie węgla rybozy (ANP) grupa OH jest zestryfikowana - połączona jest reszta fosforanowa.

• W przypadku obu koenzymów witaminą jest amid kwasu nikotynowego, jest to najważniejsza część koenzymu, ponieważ właśnie ona ulega redukcji lub utlenianiu. To ta część koenzymu odpowiedzialna jest za współpracę z oksydoreduktazami. Po lewej stronie ( patrz xerówka „utlenianie i redukcja kw. nikotynowego”) mamy formę utlenioną, a po prawej zredukowaną. Forma utleniona amidu nie może przyłączyć 2 protonów, przyłącz się 1 proton i 2 elektrony. Drugi proton idzie do środowiska. Dlatego formę utlenioną zapisujemy NAD⁺ lub NADP⁺, a zredukowaną NADH+H⁺ lub NADPH+H⁺. Grupą czynną obydwu koenzymów jest amid kw. nikotynowego tj. witamina PP. Witamina ta nazywana jest również niacyną lub witaminą przeciw pelagryczną, należy do witamin B (B₃). NAD⁺ współdziała przede wszystkim z dehydrogenazami odwodorowując substraty i forma zredukowana jest regenerowana w łańcuchu oddechowym.

• NADP+ najczęściej uczestniczy w procesach anabolicznych natomiast NAD+ w katabolicznych. Niedobory witaminy PP objawiają się zaburzeniami trawienia, wysypką (pelagra), rumieniec lombardzki (zaróżowienie twarzy. Duże niedobory prowadzą do zaburzeń w centralnym układzie nerwowym (majaczenie, deprecha). Dzienne zapotrzebowanie to ok. 10-25 mg/dobę. Duże ilości są w mleku, rybach, w wątrobie cielęcej, w otrębach pszennych i drożdżach.

• FAD - dinukleotyd flawinoadeninowy FAD - zbudowany jest z 2 nukleotydów, gdzie pierwszy z nich jest fosforanem ryboflawiny, a drugi adenozynomonofosforanem (AMP).

• FMN - mononukleotyd flawinowy. Fosforan ryboflawiny (FMN) nie jest klasycznym nukleotydem, ponieważ zawiera zamiast cukru alkohol 5-cio węglowy (rybitol), oraz zbudowany jest z flawiny, która jest odpowiednikiem zasady azotowej.

• Obydwa koenzymy FAD i FMN uczestniczą w reakcjach redoks, a najważniejszym elementem budowy tych koenzymów jest flawina inaczej nazywana izoalloksazyną, gdyż to ona przyjmuje i oddaje elektrony i protony. Zredukowana forma flawiny jest bezbarwna, a utleniona żółta. W skład obydwu koenzymów wchodzi witamina B₂, będąca połączeniem flawiny z rybitolem i nazywa się wtedy ryboflawiną. Formę zredukowaną zapisujemy jako FADH₂ i FMNH₂. Niedobór witaminy B₂ powoduje zaburzenia skórne takie jak pękanie kącików ust, łuszczenie się warg, zaczerwienienie języka, zmiany wokół oczu, światłowstręt, osłabienie wzroku. Dzienne zapotrzebowanie wynosi ok. 1,5-3 mg/dobę. Duże ilości występują w wątrobie, w zielonych warzywach, jajkach, serze, mleku, mące razowej.

• Koenzym Q - Ubihinon (przenośnik łańcucha oddechowego) występuje w mitochondriach i jest przenośnikiem protonów i elektronów w łańcuchu oddechowym.

• Kwas liponowy - (lipS-S) pod względem chemicznym jest disulfidową pochodną kw. oktanowego. W zależności od potencjały rekoks jest utleniony lub zredukowany. Podczas redukcji (przyłączenie elektronów i protonów) rozrywają się mostki S-S. Kwas ten oprócz tego, że współdziała z oksydoreduktazami uczestniczy w transporcie grup acylowych, wówczas to w miejsce jednego z wiązań utworzonych po rozerwaniu S-S przyłączany jest rodnik acylowy. Mimo, że współdziała z oksydoreduktazami, jego zasadniczą funkcją jest współdziałanie z difosforanem tiaminy i koenzymem A podczas dekarboksylacji 2-oksokwasów. Tak więc koenzym ten współdziała z oksydoreduktazami, liazami i transferazami.

• Heminy komórkowe np. cytochromy. Tworzą grupą prostetyczną wielu enzymów z klasy oksydoreduktaz. Do enzymów tych należą:

• Katalaza

• Peroksydaza

• Oksydaza cytochromu C

Heminy to niebiałkowa część cytochromów. Najważniejszym składnikiem hemin jest żelazo, które podobnie jak w przypadku hemoglobiny połączone jest z czterema pierścieniami pirolowymi, jednakże w przeciwieństwie do niej żelazo hemin przyjmuje i oddaje elektrony zmieniając swój stopień utlenienia z Fe²⁺ → Fe³⁺ i odwrotnie. Cytochromy różnią się od hemoglobiny tym, że część białkowa jest silnie połączona z heminą i nie za pośrednictwem żelaza, lecz tworząc silne wiązania kowalencyjne z resztami winylowymi.

2) Koenzymy przenoszące grupy współdziałające z transferazami

• ATP i inne trifosforany nukleozydów przenoszące reszty fosforanowe

• DPT - difosforan tiaminy - przenosi aktywne grupy ketonowe i aldehydowe. Koenzym ten jest ufosforylowaną postacią witaminy B1 inaczej tiaminy. DPT zbudowany jest z pierścienia pirymidynowego i tiazolowego. Miejscem aktywnym koenzymu jest drugi atom węgla pierścienia tiazolowego, oraz atom azotu (N⁺) drugiego pierścienia. Do miejsc aktywnych, a zwłaszcza do drugiego atomu węgla przyłączane są substraty reakcji, w których koenzym ten uczestniczy. Wcześniej jednak od C-2 odłączany jest proton i powstaje karboanion i to dzięki wolnej parze elektronowej przy C-2 możliwe jest przyłączenie substratu. Koenzym ten uczestniczy w reakcjach dekarboksylacji i przenoszenia grup (aldehydowych i ketonowych). Tak, więc koenzym ten współdziała z transferazami oraz liazami. Dzienne zapotrzebowanie wynosi ok. 1-2 mg i niedobór tej witaminy powoduje chorobę Beri-Beri (porażenie mięśni), zanik mięśni, obrzęki, wyczerpanie psychiczne, neuropatie. Źródłem tej witaminy to otręby pszenne, zielone warzywa, mąka żytnia.

• PLP lub PAL - fosforan pirydoksalu - przenosi grupy aminowe. Koenzym ten jest pochodną witaminy B6, która występuje w 3 formach:

• Pirydoksyna

• Pirydoksamina

• Pirydoksal

• Formy te różnią się grupami przy 4 atomie węgla, mogą to być: CH₂OH, CH₂NH₂, COH. Te 3 formy mogą przechodzić jedna w drugą. Ufosforylowanie formy pirydoksalowej daje nam PAL. Koenzym ten współdziała z transferazami i liazami. Przy jego udziale katalizowane są reakcje transaminacji oraz dekarboksylacji aminokwasów. Reakcje te są możliwe dzięki szczególnie wysokiej aktywności grupy aldehydowej COH koenzymu. Organizm odczuwa niedobór wit. B6 jako: zapalenie spojówek, łuszczenie się naskórka, pękanie kącików ust, szczególny niedobór jest u pijaków. Związane jest to z tym, że rozkładowi etanolu towarzyszy hydroliza PLP. Duże ilości wit. B₆ są w wątrobie, w mięsie ryb, zwierząt, kapuście, otrębach pszennych. Dzienne zapotrzebowanie to ok. 1 mg.

• Koenzym A - przenosi grupy arylowe. Zbudowany jest z 3 elementów:

• Cysteamina (amina biogenna powstała podczas dekarboksylacji cysteiny).

• Fosforan kwasu pantotenowego (ufosforylowana forma wit. B5 inaczej kw. pantotenowego).

• 3,5-difosforanadenozyny.

Grupą czynną koenzymu A jest grupa SH Cysteaminy. Podstawową funkcją jest aktywowanie i przenoszenie reszt acylowych. Wykorzystywany jest do pokrywania potrzeb energetycznych i biosyntezy makrocząsteczek, głównie aktywacja kw. tłuszczowych, degradacja poprzez detoksykację.

• Biotyna - inaczej witamina H jest to związek heterocykliczny zbudowany z pierścienia tiofanowego sprzężonego z resztą mocznika. Biotyna jest grupą prostetyczną karboksylaz (podklasa ligaz). Bierze udział w przenoszeniu grup COOH i dołączaniu tych grup do substratów (czyli wydłużaniu łańcuchów) Biotyna występuje w zielonych warzywach, serach, mleku, wątrobie, nerkach. Niedobory są spowodowane niewłaściwym odżywianiem np. spożywaniem produktów wiążących biotynę (jajka). Niedobór objawia się bólami mięśni, deprechą, halunami.

• Witamina B12 - Ma skomplikowaną strukturę pierścieniową podobne do żelazoporfirynowych, tylko, że zamiast Fe jest kobalt Co³⁺. Bierze udział w reakcjach katalizowanych przez izomerazy - izomeryzacja kw. dikarboksylowych, przekształcanie rybonukleotydów w deoksyrybonukleotydy i reakcjach przenoszenia grup metylowych. Dużo jej jest w drożdżach, wątrobie, mleku, mięsie ryb, mikroflora jelitowa, brak u roślin. Wit. B12 magazynowana jest w wątrobie. Niedobór powoduje anemię złośliwą (niedokrwistość), zaburzenia neurologiczne.

• Witamina C - reguluje następujące procesy:

• Hydroksylacja proliny w procesie biosyntezy kolagenu, stąd też niedobór to szkorbut.

• Degradacja tyrozyny i synteza adrenaliny

• Synteza kwasów tłuszczowych

• Wchłanianie i przyswajanie żelaza

• Reguluje procesy redoks - działa jako antyoksydat

• Hamuje powstawania nitrozoamin podczas trawienia (substancja szkodliwa - rakotwórcza).

Dużo wit. C występuje w owocach południowych, kapuście, świeżych warzywach. Gromadzona jest w naszym organizmie jednak zapasy trzeba uzupełniać, co 2-3 miesiące.

• Witamina A - występuje w surowych witaminach jako prowitamina. Głównym źródłem są β-karoteny, które w wyniku rozkładu 1 cząsteczki dostarczają po 2 cząsteczki wit. A. Z rozkładu 1 cząsteczki α i γ karotenu powstaje po 1 cząsteczce witaminy A. Karoteny występują w warzywach. W rozkładzie β-karotenu i przekształceniu go w wit. A biorą udział 2 enzymy: dioksygenaza β-karotenowa - w wyniku jej działania powstają 2 cząsteczki aldehydu retinowego (retinal), który jest redukowany do retinolu (wit. A) przy udziale reduktazy retinalowej. Witamina A jest magazynowana w lipocytach w formie estrów. Transport jej odbywa się dzięki połączeniu jej ze specyficznymi białkami. Niedobór tej witaminy objawia się wystąpieniem: kurzej ślepoty, keratyzacji nabłonka oka, nabłonka dróg oddechowych i moczowo-płciowych. Niedobór może prowadzić do pełnej ślepoty. Witamina A zapobiega aktywnemu działaniu czynników rakotwórczych.

• Witamina D (grupa) - obejmuje kilka związków o zbliżonej budowie, powstają one z prowitamin zwanych sterolami. W wyniku naświetlania steroli światełkiem UV przekształcają się w formy aktywne, czyli witaminy. Prowitaminą u ludzi jest cholesterol, który w wyniku naświetlania światełkiem UV przekształca się w 7-dehydrocholesterol, czyli we właściwą prowitaminę D3, a ta w witaminę D3. Rola ich polega na regulowaniu gospodarki fosforu i wapnia. Niedobory powodują krzywicę i zakłócenie metabolizmu. Występuje w tranie, maśle, olejach roślinnych.

• Witamina E - związki nazywane tokoferolami. Występują w formach α, β i γ-tokoferoli. Niedobory prowadzą do zaniku mięśni (dystrofia), zmian w systemie nerwowym, naruszenia funkcji rozrodczych. Działa jako antyoksydat (w kremach - odporność naskórka). Oprócz kremów to występuje w mięsie ryb, olejach, jajkach, mleku, liściach jarzyn.

• Witamina K - ma działanie przeciwkrwotoczne, reguluje syntezę protrombiny - białko odpowiedzialne za krzepliwość krwi występujące w wątrobie. Przy niedoborze synteza protrombiny jest mocno spowolniona. Synteza witamin z grupy K w dużym stopniu przebiega w przewodzie pokarmowym przy udziale mikroflory. Witaminę tę wytwarzają rośliny. Organizm ludzki z reguły nie odczuwa niedoboru tej witaminy, jednakże, gdy to nastąpi to związane jest to z zaburzeniami pobierania jej z przewodu pokarmowego. Przyczyną może być wyjałowienie przewodu pokarmowego przez antybiotyki. U noworodków, gdy przewód jest jałowy spada poziom protrombiny w wyniku przyjmowania przez matkę karmiącą antybiotyków.

KWASY NUKLEINOWE

1) Budowa i struktura

Nukleinowe, a zwłaszcza ich zasady azotowe wywodzą się z przemian aminokwasów i należą do najistotniejszych składników komórki. Kwasy te posiadają informację genetyczną przekazywaną z pokolenia na pokolenie.

Podstawową cegiełką są nukleotydy. Połączone są one ze sobą wiązaniem 3,5-fosfodiestrowymi, każdy nukleotyd ma zasadę azotową połączoną wiązaniem N-glikozydowym z 1-szym węglem rybozy, a cukier przy 5-tym węglu łączy się estrowo z kwasem fosforowym. Wśród puryn są adenina(A) i guanina(G), a wśród zasad pirymidynowych cytozyna(C), uracyl(U) i tymina(T).

Nukleotydy DNA w składzie mają A,C,G,T i cukier β-2-deoksyrybozę i resztę fosforanową i to właśnie jest struktura I-szo rzędowa kwasów nukleinowych.

dpTpGpC 5`→ 3` taki zapis mówi nam, że w 1 nukleotydzie przy 5-tym atomie węgla jest wolna reszta fosforanowa nie związana, a przy 3-cim atomie węgla ostatniego nukleotydu jest wolna grupa OH cukru.

Jednym z największych odkryć XXw było odkrycie Watsona-Creeka podwójnej nici DNA skręconej prawoskrętnie wokół osi hipotetycznej. Nici te są przeciwbieżne.

Połączenie zasad w pary puruna-pirymidyna wiązaniami wodorowymi powoduje, że sekwencja zasad w łańcuchu określa kolejność w drugim (komplementarność). Podwójna nić DNA ma takie ułożenia, że fosfor i ryboza mające charakter hydrofilowy są na zewnątrz, a zasady o charakterze hydrofobowym są wewnątrz. Dzięki tej budowie DNA jest otoczona płaszczem wodnym, co nadaje jej trwałość.

Badanie II-go rzędowości wykazały, że średnica DNA równa jest 2nm, a jeden obrót ma 3,4nm i przypada na niego 10 par zasad. Charakterystyczną cechą jest jej długość i u człowieka wynosi 1,6-8,4 cm.

U Eucaryota DNA jest w jądrze komórkowym, gdzie rozdzielony jest między chromosomy, w mitochondriach (1-2%) w formie kulistej, w chloroplastach roślin (7-12%) w formie kulistej, u bakterii obok chromosomalnego jest plazmidowy (kulisty) o małej masie cząsteczkowej.

2) Organizacja DNA w chromosomach - u bakterii E. Coli jest kulistą dwuniciową cząsteczką jako chromosom bakteryjny. Cząsteczka DNA ma ok. 4,6 miliona par zasad i jest zorganizowana z ok. 50 pętli (domen) przyłączonych do białkowego rusztowania połączonego z błoną komórki( na rysunku jest tylko 6 z powodów dydaktycznych (hmm… chyba rozporządzenie MEN?)). Białkowe rusztowanie tworzą różne białka podobne do histonów. Te struktury mogą przechodzić w różne inne dwuniciowe struktury np. kulistą lub superhelikalną.

W chromosomach obok DNA są białka głównie histonowe. Długość cząsteczki DNA jest uzależniona od gatunku organizmu i od konkretnego chromosomu. U człowieka długość waha się między 1,6-8,4 cm. Stosunek masy DNA do masy białka jest jak 1:1. W białkach tych ok. 25% stanowi lizyna i arginina. Upakowanie cząsteczki DNA w chromosomie polega na tworzeniu nukleosomów połączonych za sobą odcinkiem łącznikowym DNA. Każdy łącznik składa się średnio z 50 par zasad, a długość ta waha się między 8-114 par zasad. Każdy nukleosom zawiera odcinek dwuniciowego DNA o długości 146 par zasad i jest nawinięty na rdzeń białkowy. Nukleosomy mogą tworzyć struktury wyższego rzędu tzw. włókna o średnicy ok. 30nm.

REPLIKACJA

W każdej żywej komórce przed podziałem ma miejsce powielanie DNA, czyli replikacja. Proces ten jest po to, żeby każda komórka potomna była wyposażona we wszystkie niezbędne informacje.

Biosynteza DNA - replikacja odbywa się wg modelu semi-konserwatywnego polegającego na tym, że podwójna nić DNA musi ulec rozpleceniu i do każdej z 2 nici dobudowana jest nowa nić komplementarna. Rozpleciona pojedyncza nić stanowi matrycę na bazie, której syntetyzowana jest nowa nić, a kolejność zasad w matrycy musi być komplementarna do kolejności zasad w nowej nici. Głównymi enzymami procesu replikacji są:

• Polimeraza DNA III

• Polimeraza DNA I

• Helikaza

• Prymaza

• Ligaza DNA

• Topoizomeraza I

• Topoizomeraza II

Kierunek replikacji jest zawsze odwrotny do polarności łańcucha matrycy i zawsze przebiega w kierunku 5'→3'. Rozplecenie podwójnej nici przebiega przy udziale helikazy i znacznej ilości ATP. Helikaza rozrywa wiązania wodorowe między nićmi DNA i stwarza warunki do przyłączenia się specyficznych białek, które uniemożliwiają ponowne tworzenie się wiązań wodorowych między nićmi DNA. Synteza nowych nici DNA rozpoczyna się od syntezy startera (krótki odcinek DNA) przy udziale prymazy. Do startera dołączane są kolejne deoksyrybonukleotydy przy udziale polimerazy DNA III.

Synteza nici wiodącej odbywa się zgodnie z kierunkiem ruchu widełek replikacyjnych. Synteza drugiej nici (młodszej) odbywa się w ruchu przeciwnym do posuwania się widełek stąd też proces ten nie ma charakteru ciągłego i przebiega jednocześnie w wielu miejscach w postaci fragmentów Okazaki. Po zakończeniu syntezy fragmentu Okazaki rybonukleotydowe startery muszą być wycięte z udziałem 5'→3' egzonukleazowej aktywności polimerazy DNA I. Brakujące miejsca w łańcuchu wypełnia nukleotydylo transferazowa aktywność polimerazy DNA I. Następne odcinki Okazaki łączone są przy udziale ligazy DNA. Oprócz w/w enzymów w procesie replikacji bierze udział topoizomeraza I która rozrywa wiązania fosfodiestrowe w 1 z 2 nici matrycowych w niewielkiej odległości od widełek replikacyjnych umożliwiając swobodną rotację DNA wokół drugiej nie rozciętej nici, a po procesie replikacji ponownie łączy zerwaną nić. Po replikacji kolistego DNA powstają 2 dwuniciowe koliste cząsteczki DNA wzajemnie złączone jak ogniwa łańcucha. Cząsteczki te oddziela od siebie topoizomeraza II, która rozcina obydwie nici jednej z cząsteczek DNA. Poi uwolnieniu drugiej cząsteczki enzym ten łączy końce rozciętej cząsteczki.

RNA mają znacznie niższe masy cząsteczkowe niż DNA. Występują nie tylko w jądrze komórkowym, ale też w cytoplazmie, rybosomach, mitochondriach i chloroplastach roślin. Za wyjątkiem niektórych wirusów RNA tworzą struktury 1-niciowe, w których obserwuje się jedną prawidłowość, że suma A+C=G+U. Zróżnicowanie składu nukleotydowego (sekwencja I-szo rzędowa) w mniejszym stopniu dotyczy rodzaju organizmu, a bardziej typu frakcji (rodzaju RNA). Wyróżniamy 3 podstawowe frakcje RNA:

1. tRNA - RNA transportujący

2. mRNA - RNA informacyjny (matrycowy)

3. rRNA - rybosomowy

Ad 1. tRNA Występuje zwykle w cytoplazmie i ma masę cząsteczkową najniższą ze wszystkich (25 - 30 Daltonów) w każdej komórce występuje ok. 60 różnych rodzajów tRNA specyficznych do aminokwasów. Ich struktura II-go rzędowa przedstawiana jest jako liść koniczyny. We wszystkich cząsteczkach tRNA na końcu C5' znajduje się GMP (guanozynomonofosforan). Natomiast na końcu C3' zawsze jest sekwencja CCA --→ (sekwencję zawsze czytamy od 5'!!!). Sekwencja ta bezpośrednio wiąże aminokwas. Cząsteczka tRNA zawiera 4 charakterystyczne pętle, najważniejsza to pętla antykodonowa, jej trójka zasad zwana jest antykodonem. Trójka ta jest znakiem rozpoznawczym dla wiązanego aminokwasu oraz miejsca w rybosomach gdzie wiązany jest aminokwas. Trójka ta musi być komplementarna do trójki zasad w mRNA. Zasadniczą funkcją tRNA jest udział w aktywowaniu aminokwasów i przenoszeniu zaktywowanych aminokwasów do miejsca syntezy białka. Aktywna forma aminokwasów to aminoacylo-tRNA. Powstaje przy udziale syntetazy aminoacylo-tRNA oraz ATP. Enzym ten wykazuje podwójną specyficzność tj. do stosunku do takowego aminokwasu oraz do antykodonu w przyłączonym tRNA.

Ad 2. mRNA Jego funkcją jest przenoszenie informacji z DNA na kolejność aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym. Stanowi on tylko kilka % całkowitej ilości RNA w komórce. Jego masa cząsteczkowa wynosi 10⁵ - 10⁶ Daltona. Synteza mRNA ma miejsce w jądrze komórki i tylko w niewielkim stopniu w mitochondriach i chloroplastach. Po procesie dojrzewania opuszcza jądro. U bakterii wszystkie rodzaje mRNA są policistronowymi, czyli zawierają informację o syntezie kilku łańcuchów polipeptydowych. U organizmów wyższych (eucariotycznych) mRNA jest monocistronowy, czyli zawiera informację o jednym łańcuchu polipeptydowym.

Ad 3. rRNA Występuje głównie w rybosomach i stanowi aż 80% całkowitej ilości RNA komórki i aż 62% masy rybosomu. Jego masa to ok. 10⁶ Daltona.

U bakterii występują 3 frakcje rRNA:

• Frakcja 23S

• 16S

• 5S

U organizmów wyższych są frakcje:

• 25-28S

• 18S

• 5,8S

• 5S

Frakcje te stanowią przede wszystkim „ruszt” do syntezy białka.

TRANSKRYPCJA:

Jest to proces syntezy RNA na bazie matrycy DNA. Głównym enzymem tej reakcji jest polimeraza RNA zależna od DNA.0

Oprócz tego enzymu w procesie transkrypcji potrzebne są:

• Matryce DNA.

• Substraty (trifosforany rybonukleotydów) - ATP, GTP, UTP, CTP.

• Dwuwartościowe jony metali: Mg²⁺, Mn²⁺.

Synteza RNA pod wieloma względami przypomina syntezę DNA:

• Zawsze przebiega w kierunku 5'→3'

• Dołączenie kolejnych rybonukleotydów odbywa się kosztem rozpadu difosforanów P~P (P w kółeczku)

• Nić RNA jest komplementarna do matrycy DNA

Wśród najważniejszych różnic między tymi procesami są:

• Polimeraza RNA zależna od DNA nie wymaga startera.

• Polimeraza RNA nie wykazuje aktywności nukleazowej

• Matrycę stanowi 1 nić DNA najczęściej nić młodsza.

Synteza RNA przebiega etapami:

1. Wiązanie matrycy DNA z polimerazą RNA zależną od DNA

Skąd polimeraza RNA zależna od DNA wie, w którym miejscu ma rozpocząć transkrypcję? Enzym ten wyposażony jest w specjalną podjednostkę δ, która to odpowiedzialna jest za rozpoznawanie rejonów promotorowych na nici DNA. Enzym ten dzięki podjednostce sigma (δ) wykazuje wysokie powinowactwo do rejonów promotorowych.

2. Inicjacja syntezy łańcucha RNA

Przyłączenie polimerazy RNA do rejonu promotorowego powoduje lokalne rozwinięcie podwójnej nici i następuje tworzenie pierwszego wiązania 3',5' - fosfodiestrowego, następnie podjednostka sigma oddysocjowuje od enzymu. Wynika z tego, że podjednostka sigma jest niezbędna jedynie dla rozpoznawania miejsca promotorowego i rozpoczynania procesu transkrypcji

3. Wydłużenie (elongacja) łańcucha RNA

Przyłączenie kolejnych rybonukleotydów odbywa się kosztem energii pochodzącej z rozpadu wiązań makroergicznych zawartych w substratach (trifosforany). Region DNA, który uległ transkrypcji przybiera ponownie konformację podwójnej helisy i rozwija się następny odcinek DNA na bazie, którego odbywa się transkrypcja.

4. Terminacja - zakończenie

Zakończenie procesu transkrypcji odbywa się dzięki specyficznym miejscom w łańcuchu DNA (matrycy) nazywanymi rejonami palindromowymi, które bogate są w GC i AT. Rejony te rozpoznawane są przez samą polimerazę RNA lub też przez specjalne białko rho wiążące się z polimerazą. Synteza różnych rodzajów RNA kończy się powstaniem prekursorowych form, które później podlegają różnym potranskrypcyjnym modyfikacjom zwanych dojrzewaniem RNA.

Geny są to kolejno po sobie następujące lub rozrzucone w sposób nieciągły odcinki DNA kontrolujące jakąś cechę zewnętrzną, a bezpośrednio syntezę określonego enzymu lub białka nieenzymatycznego.

Geny organizmów wyższych są ułożone w chromosomie w sposób nieciągły. Są poprzedzielane fragmentami nie podlegającymi odczytaniu przy tej syntezie białka w procesie transkrypcji. U eucariota powstaje pierwotny transkrypt składający się z sekwencji kodujących i nie kodujących. Zanim cząsteczka mRNA opuści jądro wszystkie sekwencje nie kodujące (intronowe) muszą byś usunięte, a sekwencje kodujące (egzonowe) muszą być połączone w całość. Proces ten nazywamy splajsingiem (???) czyli dojrzewaniem.

Kod genetyczny - Pod tym pojęciem nazywamy kolejność występowania zasad azotowych w łańcuchu nukleotydowym, taka kolejność decyduje o kolejności aminokwasów w łańcuchu białkowym. Ponieważ mamy 20 aminokwasów białkowych, a w DNA i RNA są tylko 4 zasady, stało się oczywistym, że podstawowym szyfrem nie może być jedna zasada, lecz trójka zasad. W tym przypadku liczba informacyjna wynosi, 43 czyli 64. Stanowi to znaczny nadmiar w stosunku do liczby aminokwasów, stąd też niektóre aminokwasy kodowane będą przez kilka trójek. Kod genetyczny jest to, więc współzależność między kolejnością trójek zasad w DNA lub mRNA, a sekwencją aminokwasów w białku. Poszczególne trójki zasad mRNA odpowiadające aminokwasów nazywamy kodonami. Do najważniejszych cech kodu genetycznego zaliczamy:

• Jest trójkowy (3 kolejne nukleotydy decydują o jednym aminokwasie)

• Jest uniwersalny, czyli jest identyczny dla większości żywych organizmów, wyjątek stanowią genomy mitochondrialne organizmów eucariotycznych.

• Jest ciągły - informacje zapisywane są bez przerw. Wszystkie kolejne trójki kodują określone aminokwasy

• Degenerowany charakter - znane są aminokwasy zapisywane przez 4 trójki (Val, Ala), niektóre przez 6 trójek (Arg, Ser), czy też przez jedną trójkę (Trp - tryptofan). Zawsze pierwsze 2 zasady są identyczne w każdej z 6 czy 4 trójek. Różnica dotyczy trzeciej zasady, oznacza to, że ta trzecia zasada jest jakby mniej istotna.

Stwierdzono, że z 64 trójek tylko 61 jest odpowiedzialnych za kodowanie aminokwasów. 3 pozostałe nie kodują i nazywane są kodonami pomocniczymi. Pełnią one funkcję znaków przestankowych oraz zawierają informację o zakończeniu łańcucha polipeptydowego.

TRANSLACJA - biosynteza białka, odbywa się ona na rybosomach w cytoplazmie i polega na przeniesieniu informacji zapisanej w mRNA na kolejność aminokwasów w łańcuchu polipepydowym. W procesie tym niezbędny jest rybosom, który u organizmów procariotycznych zbudowany jest z podjednostek 30S i 50S, a u eucariota z 40S i 60S. W każdej z podjednostek są też białka. U organizmów eucariotycznych stwierdzono aż 74 rodzaje białek o masie od 10 - 65 kDaltonów.

W procesie translacji wyróżnia się 5 etapów:

1. Aktywacja aminokwasów (taka sama jak przy charakterystyce tRNA) - każdy aktywowany aminokwas posiada kilka rodzajów tRNA.

2. Inicjacja syntezy łańcucha - ma tutaj miejsce powstanie kompleksu inicjującego, składającego się z mRNA obu podjednostek rybosomów pierwszego zaktywowanego aminokwasu z dołączonym tRNA, oraz kilku czynników białkowych nazywanych czynnikami inicjującymi (IF1, IF2,IF3)

3. Wydłużanie - W pierwszym podetapie cząsteczka aminoacylo - tRNA odpowiednia dla kodonu w mRNA przyłącza się do miejsca A na rybosomie. Następnie ma miejsce tworzenie wiązania peptydowego pomiędzy 2 aminokwasami. Następnie ma miejsce cykl przemieszczeń nazywany translacją. Potem rybosom się skurcza pod wpływem energii uwolnionej przez GTP gdy zjada go „żółty Pacman - enzym” (oznaczony jako EF-G) skutkiem jest przesunięcie się mRNA. Kodon następny jest przygotowany do przyjęcia kolejnego zaktywowanego aminokwasu. Translacja jest możliwa dzięki energii uwolnionej podczas rozkładu GTP.

4. Zakończenie - Proces kończy się w momencie pojawienia się jednego z kodonów (UAA,UAG,UGA) wówczas w miejsce A przyłącza się czynnik uwalniający RS.

5. Fałdowanie i modyfikacje potranslacyjne - Białka w procesie translacji ulegają różnym modyfikacjom np. skręcaniu łańcucha, przyłączaniu reszt cukrowych - (glikozylacji), przyłączaniu reszt metylowych (CH₃) - metylacji, przyłączaniu reszt fosforanowych - ufosforylowaniu. Białko syntetyzowane na terenie cytoplazmy jest kierowane do różnych struktur subkomórkowych tj. do miejsc gdzie funkcjonują.

CUKRY

Stanowią bardzo zróżnicowaną zarówno pod wzglądem strukturalnym jak i funkcjonalnym grupę związków.

Najważniejsze to:

• Cukry proste - monosacharydy

• Dwucukry - disacharydy

• Oligosacharydy

• Polisacharydy

Związki te mogą pełnić następujące funkcje:

1. Zapasowe - u roślin - skrobia i sacharoza, u zwierząt - glikogen, u bakterii - dekstran

2. Strukturalne - wchodzą w skład ścian komórkowych, są składnikiem pancerzy skorupiaków i stawonogów (celuloza i chityna).

3. Są podstawowym składnikiem energetycznym - gdzie cukry proste i dwucukry po rozłożeniu to skrobia i glikogen

4. Źródło szkieletów węglowych w procesach syntezy makrocząsteczek np. białka, kw. tłuszczowe, kw. nukleinowe.

5. Są składnikami związków makroergicznych

6. Są składnikami koenzymów czy też kw. nukleinowych

Wśród najważniejszych dwucukrów można wyróżnić:

• Maltoza - zbudowana z 2 cząsteczek α-D- glukozy połączonych ze sobą wiązaniem α-1,4-glikozydowym

• Sacharoza - zbudowana z α-D-glukozy połączonej wiązaniem β-1,2-glikozydowym z β-D-fruktozą

• Laktoza - zbudowana z β-D-galaktozy połączonej wiązaniem β-1,4-glikozydowym z cząsteczką α-D-glukozy

Polisacharydy:

• Skrobia - cukier ten zbudowany jest z 2 podjednostek (form) tj. amylozy i amylopektyny. Amyloza jest nie rozgałęzionym polimerem zbudowanym z reszt α-D-glukozy połączonej wiązaniem α-1,4-glikozydowym. Jej masa waha się między 4-15 kDaltonów. Amylopektyna jest formą rozgałęzioną, gdzie proste łańcuchy zbudowane z 25-30 reszt glukozy połączone są ze sobą wiązaniami α-1,6-glikozydowymi. W skrobi stosunek ilościowy amylopektyny do amylozy wynosi 3:1. Skrobia w dużych ilościach występuje w bulwach ziemniaczanych, w ziarnach zbóż. Stanowi ona połowę węglowodanów spożywanych przez człowieka.

• Glikogen - pod wzglądem budowy przypomina amylopektyną z tą różnicą, że jest w nim więcej wiązań α-1,6-glikozydowych. Łączą te wiązania proste odcinki między 8-20 resztami aminokwasowymi). Występuje w mięśniach i wątrobie (tylko u zwierząt!!!).

• Celuloza - jest nie rozgałęzionym polisacharydem zbudowanym z cząsteczek β-D-glukozy powiązanych ze sobą wiązaniem β-1,4-glikozydowym.Masę cząsteczkową ma między 50-500kDaltonów. Jest najbardziej rozpowszechnionym polisacharydem w biosferze. Blisko 50% węgla organicznego biosfery to węgiel celulozy.

• Dekstran - jest to polisacharyd bakteryjny, w którym łańcuch główny zbudowany jest z cząsteczek α-D-glukozy połączonej ze sobą wiązaniem α-1,6-glikozydowym. Dekstran zawiera również rozgałęzienia (łańcuchy boczne), które połączone są z rdzeniem wiązaniem α-1,2-glikozydowym, α-1,3-glikozydowym, α-1,4-glikozydowym itd. w zależności od rodzaju bakterii.

• Chityna - jest to polimer zbudowany z reszt N-acetyloglukozoaminy powiązanej ze sobą wiązaniami β-1,4-glikozydowymi.

Rozkład skrobi i glikogenu ma miejsce w przewodzie pokarmowym człowieka.

Wśród najważniejszych enzymów trawiennych amylolitycznych są:

• α-amylaza - rozkłada wiązania α-1,4-glikozydowe wewnątrz łańcucha polisacharydowego. Jej produktami są w pierwszej kolejności wysokocząsteczkowe dekstryny, dalej dekstryny o mniejszej masie, a na końcu cząsteczki maltozy i izomaltozy.

• α-1,6-glikozydaza - rozkłada wiązania α-1,6-glikozydowe, głównie wewnątrz łańcucha, ale może też na skraju.

• Maltaza - rozkłada maltozę do 2 cząsteczek glukozy

• Sacharaza - rozkłada wiązanie β-1,2-glikozydowe, a produktami są α-D-fruktoza i α-D-glukoza

• Laktaza - rozkłada wiązanie α-1,4-glikozydowe, a produktami są β-D-galaktoza i β-D-glukoza.

• Glukoamylaza - enzym bakteryjny wytwarzany przez bakterie przewodu pokarmowego. Enzym ten rozkłada wiązania α-1,4-glikozydowe i α-1,6-glikozydowe zawsze skrajne, czyli odłączają cząsteczkę α-D-glukozy.

Wszystkie w/w enzymy należą do hydrolaz.

Ważnym enzymem rozkładającym cukry z punktu widzenia przemysłu jest β-amylaza. Enzym ten nie jest enzymem trawiennym. Jest to enzym roślinny i występuje w ziarniakach np. w jęczmieniu. Enzym ten rozkłada skrobię, rozkłada wiązanie α-1,4-glikozydowe odłączając od końca skrobi β-maltozę.

Organizm ludzki celulozę wykorzystuje w minimalnym stopniu tj. ok. 5% i to tylko dzięki enzymom (celulazom) wytwarzanym przez mikroflorę przewodu pokarmowego. Celuloza jest w wysokim stopniu wykorzystywana przez przeżuwacze, które dzięki bogatej mikroflorze swoich żołądków są w stanie niemal całkowicie rozłożyć celulozę do β-D-glukozy.

Rozkład glikogenu poza przewodem pokarmowym.

Rola glikogenu zmagazynowanego w mięśniach polega na dostarczeniu energii podczas przedłużonego skurczu mięśni. Natomiast glikogen zmagazynowany w wątrobie służy utrzymaniu odpowiedniego poziomu glukozy we krwi. Glikogen występuje w postaci ziaren. W procesie rozkładu glikogenu w mięśniach i wątrobie biorą udział enzymy:

1. fosforylaza glikogenowa

2. transferaza glikogenowa

3. α-1,6-glikozydaza

Przy czym 1 i 2 to transferazy, a 3 należy do hydrolaz.

Fosforylaza glikogenowa katalizuje reakcje odszczepiania kolejnych reszt glukozy od nieredukującego końca łańcucha polisacharydowego z jednoczesnym ufosforyzowaniem odłączonej glukozy, tak więc produktem działania tego enzymu jest cząsteczka glukozy oraz dekstryna o coraz mniejszej masie cząsteczkowej. Enzym ten rozczepia wiązania α-1,4 gliozydowe. Należy do klasy transferaz i wymaga udziału fosforanu pirydoksyny. Fosforylaza glikogenowa może usuwać z łańcucha tylko te reszty glukozy, które oddzielone są od miejsca rozgałęzionego o więcej niż cztery reszty glukozowe.

Następnie wkracza drugi enzym to jest transferaza glikogenowa, która przenosi fragment trójglukozowy z rozgałęzień, czy też z łańcuchów bocznych na rdzeń.

Następnie wkracza drugi enzym tj. transferaza glikogenowa, która przenosi fragment trójglukozowy z rozgałęziony ( z łańcuchów bocznych) na rdzeń. W ten sposób umożliwia działanie trzeciemu enzymowi - α-1,6-glikozydazie która hydrolizuje wiązania poprzeczne (α-1,6-glikozydowe). Proces ten kończony jest przez ponowne włączenie się enzymu pierwszego czyli fosforylazy glikogenowej. Końcowym produktem rozkładu cząsteczki glikogenu poza przewodem pokarmowym jest kilkocukrowy oligosacharyd który niezbędny będzie do rozpoczęcia syntezy glikogenu.

Synteza glikogenu:

W procesie tym uczestniczą 3 enzymy:

• pirofosforylaza UDP - glukozy (urydynodifosforan)

• Syntaza glikogenowa

• Enzym rozgałęziający

Pierwszy enzym odpowiedzialny jest za syntezę aktywnej glukozy tj. UDP - glukozy, która wytwarzana jest z glukozo - 1- fosforanu i urydynotrifosforanu (UTP). Proces syntezy glikogenu podobnie jak wszystkich innych makrocząsteczek wymaga zaktywowanego substratu. Drugi enzym (Syntaza glikogenowa) przenosi reszty glukozowe z UDP - glukozy na cząsteczkę wydłużającego się glikogenu. Wydłużenie łańcucha polega na wytworzeniu wiązania α-1,4-glikozydowego i umieszczeniu tej cząsteczki od końca nieredukującego. Enzym ten do rozpoczęcia swojej działalności wymaga tzw. inicjatora tzn. glikogeniny. Glikogenina zbudowana jest z białek połączonych z oligosacharydem pozostałym po rozkładzie glikogenu. Trzeci enzym przenosi proste oligosacharydy do wnętrza cząsteczki i przyłącza ją tworząc wiązania α-1,6-glikozydowe.

Glikoliza

Jest to ciąg reakcji, w którym glukoza lub fruktoza przekształcają się w pirogronian z jednoczesnym wytworzeniem energii (na razie łatwizna, ale schemat szlaku wygląda jak mapa piekła Dantego, tak więc radzę to wkuć, bo Bielu bardzo lubi tym męczyć na kolosie). Pozostałe cukry, aby mogły wejść w przemiany glukolityczne muszą być wcześniej przekształcone w glukozę lub fruktozę. Glikoliza jest procesem uniwersalnym tj. przebiegającym w cytoplazmie wszystkich żywych organizmów.

Głównymi funkcjami glikolizy są:

1. Wytworzenie ATP zwłaszcza u beztlenowców

2. Wytworzenie szkieletów węglowych niezbędnych do syntezy wielu związków

Wczesne etapy glikolizy wymagają rozkładu enzymatycznego tj. jednej lub 2 cząsteczek ATP. W dalszych etapach glikolitycznych wytwarzane są 2 cząsteczki ATP w przeliczeniu na triozę lub 4 w przeliczeniu na heksozę, co daje zysk energetyczny wysokości 2 lub 3 cząsteczek ATP. W warunkach tlenowych glikoliza jest etapem wstępnym do cyklu Krebsa i łańcucha oddechowego. Stąd też powstały w glikolizie NADH jest regenerowany w łańcuchy oddechowym dostarczając dodatkowe 2,5 cząsteczki ATP. W warunkach beztlenowych lub przy niedoborze O₂ powstały NADH jest regenerowany (utleniany) w procesach fermentacji i nie dostarcza dodatkowego ATP. Wytworzenie ADP w procesie glikolizy przebiega na drodze fosforylacji substratowej. Fosforylacja substratowa jest to proces syntezy ATP z ADP i reszty fosforanowej kosztem energii wiązań makroergicznych w obecnych substratach. W szlaku glikolitycznym mają miejsce 2 fosforylacje substratowe tj. w reakcji katalizowanej przez kinazę fosfoglicerynianową i kinazę pirogronianową. Tak więc energia potrzebna do syntezy ATP powstaje z rozkładu wiązania karboksylofosforanowego obecnego w 1,3-bisfosfoglicerynianie, oraz druga z rozkładu wiązania enolofosforanowego obecnego w fosfoenolopirogronianie.

Wśród wszystkich reakcji glikolizy 3 są nieodwracalne i są katalizowane przez:

1. heksokinazę

2. fosfofruktokinazę

3. kinazę pirogronianową

W reakcji przekształcania aldehydu 3-fosfoglicerynowego w 1,3-bisfosfoglicerynian ma miejsce przyłączenie reszty fosforanowej i utworzenie wiązania makroergicznego. Energia niezbędna do tworzenia tego wiązania pochodzi z utlenienia grupy aldehydowej aldehydu 3-fosfoglicerynowego. W reakcji katalizowanej przez enolazę dochodzi do przekształcenia niskocząsteczkowego wiązania estrowego w wiązanie wysokoenergetyczne - enolofosforanowe. Najważniejszym punktem katalnym szlaku glikolitycznego jest reakcja katalizowana przez fosfofruktokinazę . Jest to enzym allosteryczny, którego aktywność jest hamowana przez ATP i przyśpieszana przez AMP

Fermentacja:

W warunkach beztlenowych pirogronian może przekształcić się w kwas mlekowy (fermentacja mleczanowa) lub etanol (fermentacja alkoholowa )

Fermentacja mleczanowa przebiega u wielu mikroorganizmów oraz w mięśniach zwierząt i ludzi. Znalazła ona zastosowanie w przemyśle spożywczym i rolnictwie do zakwaszania różnych surowców (kiszonki). Powstały kwas mlekowy zakwasza środowisko i zapobiega rozwojowi bakterii gnilnych. Ponadto kwas mlekowy tworzy estry, które nadają kiszonkom „niepowtarzalny smak i aromat kiszonego ogóra”.

Fermentacja alkoholowa przebiega przede wszystkim u drożdży i przemiana ta jest dwu enzymatyczna (2 stopniowa). Znalazła szerokie zastosowanie w gorzelnictwie , winiarstwie , piwowarstwie .

Szlak pentozofostoranowy:

Ciąg reakcji utlenienia glukozo-6-fosforanu do rubozo-5-fosforanu. Zachodzi w cytoplazmie i jest bardzo aktywny w tkance tłuszczowej, gruczołach mlekowych i korze nadnerczy - w tkankach gdzie przebiega intensywna synteza kwasów tłuszczowych, steroidów z acetylokoenzymu A. W przeciwieństwie do glikolizy przebiega z małą intensywnością w mięśniach. Pełni 2 główne funkcje:

• Przekształcenie heksozy w pentozę, a dokładnie rubozo-5-fosforan - cukier wykorzystywany do syntezy kwasów nukleinowych, związków makroergicznych, koenzymów (FAD, CoA, NAD, NADP)

• Tworzenie NADPH + H⁺ wykorzystywany do syntezy kwasów tłuszczowych i wielu innych procesów anabolicznych

Reakcje szlaku pentozofosforanowego dzielimy na 3 etapy:

1. Utlenienie glukozo-6-fosforanu do rybulozo-5-fosforanu i utworzenie 2 cząsteczek NADPH

2. Izomeryzacja rybulozo-5-fosforanu do rybozo-5-fosforanu

3. Przekształcenie rybozo-5-fosforanu we fruktozo-6-fosforan i aldehyd-3-fosfoglicerynowy.

Etap 3 jest pomostem łączącym przemiany szlaku pentozo-fosforanowego z glikolizą.

Glukoneogenaza:

Synteza glukozy z prekursorów nie będących cukrowcami głównie ze szczawianu, mleczanu, pirogronianu. Proces ten przedewszystkim przebiega w wątrobie oraz warstwie korowej nerek. Szczególnie ważną rolę odgrywa w czasie głodowania, gdy zapas glikogenu kończy się po 12 godzinach głodu. Wówczas to glukoneogeneza odpowieda za utrzymanie poziomu glukozy we krwi. Glukoneogeneza stanowi też pomost między przemianami aminokwasów białek, a metabolizmem cukrów. Pod względem chemicznym glukoneogeneza w dużym stopniu jest odwróceniem glikolizy, jednekże nie uważa się za odwrócenie gdyż:

• glikoliza przebiega przede wszystkim w mięśniach a glukoneogeneza w wątrobie.

• cząsteczka enzymu glukoneogenezy nie bierze udziału w przemianach glikolitycznych.

• część przemian glukoneogenezy przebiega w mitochondriach podczas gdy wszystkie przemiany glikolityczne w cytoplaźmie.

W warunkach beztlenowych lub ograniczonego dostępu tlenu powstały w mięśniach mleczan dyfunduje do krwi, za jej pośrednictwem transportowany jest do wątroby, tam wchodzi w przemiany glukoneogenetyczne, gdzie końcowym produktem jest glukoza. Cukier ten z wątroby przechodzi do krwiobiegu gdzie za pośrednictwem krwi przedostaje się do mięśni gdzie wchodzi w przemiany glikolityczne. Cykl tych reakcji nazwany jest cyklem Coricha.

PRZEMIANY ZWĄZKÓW AZOTOWYCH

Katabolizm białka-organizmy zwierzęce w przeciwieństwie do roślinnych zaopatrywane są w białka, które niezależnie od swojego pochodzenia muszą być w przewodzie pokarmowym rozłożone do aminokwasów z których organizm buduje własne białka. Wyjątkiem są młode ssaki - na początku życia dzięki większej porowatości śluzówki (większa przepuszczalność ściany jelitowej) mogą korzystać z białek nierozgałęzionych.

Ma to znaczenie w przyswajaniu ciał odpornościowych (mleko matki) -γ globuliny. Minusem jest fakt iż może stać się to przyczyną alergii pokarmowych.

Niezależnie od rozkładu białek w przewodzie pokarmowym w organizmie jest wymiana - odnowienie - składników ciała, w tym białek. Gdy połowa białek ulega wymianie jest to okres połowicznej wymiany. Czas jest zróżnicowany - im białko jest bardziej aktywne metabolicznie, tym okres ten jest krótszy. Dla tego białka enzymatyczne mają ten okres kilku minut a strukturalne kilkumiesięczne.

Niezależnie od miejsca rozkładu enzymy prowadzące ich metabolizm to enzymy proteolityczne (proteazy). Enzymy rozkładające białka w przewodzie pokarmowym - enzymy trawienne, poteolityczne (pozakomórkowe), poza przewodem pokarmowym - enzymy proteolityczne wewnątrzkomórkowe

Wszystkie enzymy dzielimy na endopeptydazy - rozkład wiązań peptydowych wewnątrz łańcucha i egzopeptydazy - rozkład skrajnych wiązań łańcucha (amylopeptydazy - odłączają pojedyńcze aminokwasy od N-końca łańcucha wolną grupę NH₂, karboksypeptydazy - odłączają pojedyncze aminokwasy od C-końca)

Wszystkie enzymy dzielą się w zależności od budowy centrum aktywnego.

- peptydazy cysteinowe (grupy SH - cysteiny)

- peptydazy serynowe (grupa OH - seryny)

- aspartylowa (COO^- - kwasu asparginowego)

- metylo proteiny (jony metali)

NAJWAŻNIEJSZE ENZYMY TRAWIENNE

• pepsyna - fosfoproteina wywarzana przez komórki dna żołądka jako pepsynogen. W soku żołądkowym pepsynogen przekształca sie w pepsynę (aktywna forma, rozkłada wiązania peptydowe miedzy grupami karboksylowymi aminokwasów aromatycznych i dikarboksylowymi; a grupami innych aminokwasów. Optimum pH 1, 2 - 2,5. Endopeptydaza aspartylowa.

• podpuszczka - wywarzana w żołądku przeżuwaczy, jako proenzym prolenina. Przekształca rozpuszczalną kazeinę w nierozpuszczalną parakazeinę - w ten sposób wydłuża czas obecności kazeiny w żołądku i zwieksza efoktywność jej wykożystania. Optimum pH 3,5 - 4. Endopeptydaza aspartylowa. Zastosowanie w przemyśle serowarskim (sery podpuszczkowe)

• trypsyna - wytwarzana przez komórki trzustki, jako trypsynogen. transportowane jest do jelita cienkiego, jako trypsynogen, gdzie przekształca sie w trypsyne i rozkłada białka, hydrolizuje wiązania peptydowe, tworzone przez grupy karboksylowe aminokwasów zasadowych (lizyna, arginina), a grupami NH₂ innych aminokwasów. Optimum pH 7,5 - 8,5. Endopeptydaza serynowa.

• chymotrypsyna- wytwarzana przez komórki trzustki jako chymotrypsynogen. Aktywacja w jelicie cienkim. Rozkłada wiązania peptydowe między grupami karboksylowymi aminokwasów aromatycznych, a grupami NH₂ pozostałych aminokwasów. Optimum pH 7,5- 8,0. Endopeptydaza serynowa.

• elastaza i keratynaza- wytwarzane są i działają tak jak trypsyna i chymotrypsyna. Elastaza nie wykazuje wysokiej specyficności do rodzaju wiązania peptydowego, lecz jako jedyna rozkłada elastynę (białko ścięgien). Keratynaza rozkłada keratynę (strukturalnie).

• karboksypeptydaza A i B - "A"- odłącza od C-końca aminokwasy z wyjątkiem proliny, aminokwasów zasadowych. "B"- odłącza prolinę i aminokwasy asadowe od C-końca. Wytwarza je trzustka. Działają w jelicie cienkim.

• aminopeptydaza leucynowa- odczepia od N- końca aminokwasy białkowe. Najwyższa aktywność do substratu, który na N - końcu ma leucynę.

Wewnątrzkomórkowe - odpowiedzialne za odnowę i utrzymanie równowagi miedzy pulą białek, a pólą produktów ich rozkładów.

Enzymy zwierzęce to:

- ketapsyny I i II - to endopeptydazy

- ketapsyny III aminopeptydaza

- ketapsyny IV - karboksypeptydaza

Są w dużych ilościach w lizosomach, komórkach nerek, wątroby, śledziony. Optimum pH 4,0 - 5,0. Wytwarzane w formach aktywnych. Aktywacja może mieć miejsce pod wpływem jonów metali związków z grupy SH, kwasu askorbinowego.

Enzymy roślinne to:

- papaina

- bromelaina

- ficyna

W wyniku współdziałania egzo i endogennych powstaje mieszanina aminokwasów absorbowanych przez wyściełające je jelito cienkie komórki nabłonka do krwioobiegu, z krwią do różnych komórek gdzie zużywane są do syntezy białek, zasad azotowych, cukrów. Nadmiar rozkładany i po utlenieniu usuwany z organizmu.

PRZEMIANY AMINOKWASÓW JAKO PRODUKTÓW

Rozkład białek

Najwazniejsze reakcje:

- transaminacji

- deaminacji

- dekarboksylacji

Transaminacji - przemieszczenie grupy aminowej z aminokwasu na 2 - oksokwas. Inne funkcje u roślin niż u zwierząt. U roślin z niedoborem azotu reakcje te słóżą rozprowadzeniu azotu aminowego z aminokwasów pierwotnych na różne 2 - oksokwasy. Powstają wszystkie aminokwasy białkowe (pierwotne powstają bezpośrednio z włączenia NH₄⁺ do 2 - oksokwasów) (Kwas grutaminowy - glutaminian; kwas asparaginowy, alaninę) U zwierząt z nadmiarem azotu - muszą go usówać. Rola reakcjii polega na przeniesieniu azotu aminowego z rozkładu białek na 2- oksokwasy, które po przyjęciu NH₂ mogą wejść w procesy deaminacyjne (są to kwas glutaminowy, alanina, kwas asparaginowy)

Deaminacji - uwolnienie NH₃⁺ lub NH₄⁺ z wytworzeniem 2-oksokwasu lub kwasu nienasyconego. Są dwa główne typy

- oksydacyjna - wymiana koenzymów oksydoreduktaz

- nieoksydacyjna - przebiega bez udziału koenzymów oksydoreduktaz.

W ramach oksydacyjnej wyróżniamy odwracalną i nieodwracalną.

Reakcje dekarboksylacji przy udziale dekarboksylaz (klasa liazy, współpracuje z fosforanem pirydoksalu jako koenzym) produktami reakcji są aminy biogenne oraz CO2. Aminy pełnią funkcje metaboliczne. Niektóre np. cysteamina (z dekarboksylacji cysteiny) oraz b-alanina (z dekarboksylacji kwasu asparaginowego) wchodzą w skład koenzymu A. Inne, np. etanoloamina (z dekarboksylacji seryny), są składnikami kefalin - grupy fosfoglicerydów (tłuszczów). Jeszcze inne mogą być hormonami, przenośnikami impulsów nerwowych itd.. Reakcje dekarboksylacji przebiegają przy udziale enzymów bakteryjnych. Człowiek nie ma zdolności do syntezy dekarboksylaz, stąd w przewodzie pokarmowym są wytwarzane przez jego mikroflorę.

Powstałe w procesie transaminacji i deaminacji kwasy organiczne mogą być wykorzystywane do syntezy wielu związków. Nadmiar tych kwasów wchodzi w przemiany cyklu Krebsa i utlenia się do CO₂ i H₂O. Jony amonowe powstałe w procesie deaminacji również mogą być substratami w wielu procesach anabolicznych, podczas gdy nadmiar ich (u zwierząt) jest usuwany z organizmu. U większości kręgowców lądowych jon amonowy przekształcany jest w mocznik i usuwany z organizmu. U ptaków i gadów lądowych jon amonowy przekształcany jest w kwas moczowy, który jest wydalany. U ryb i płazów wodnych bezpośrednio NH₄ jest usuwany z organizmu. U organizmów ??? jon amonowy żeby mógł być przekształcony w cyklu mocznikowym w mocznik wcześniej musi być włączony w karbamoilofosforan przy udziale syntetazy karbamoilofosforanowej. Powstały karbamoilofosforan rozpoczyna cykl mocznikowy wchodząc w reakcję z L-ornityną. Reakcję tę katalizuje karbamoilo transferaza ornitynowa. Energia potrzebna do tej reakcji czerpana jest z rozpady wiązania makroergicznego obecnego w karbamoilofosforanie. Produktem tej reakcji jest L-cytrulina w drugiej reakcji cyklu katalizowanej przez syntetazę (ligazę) argininobursztynianową bierze udział L-cytrulina i kwas asparaginowy oraz ATP. Powstały w tej reakcji argininobursztynian w kolejnej reakcji katalizowanej przez liazę argininobursztynianową rozpada się w L-argininę i fumaran. Fumaran jest produktem ubocznym. Natomiast L-arginina jest rozkładana w czwartej reakcji cyklu katalizowanej przez arginazę (hydrolaza). L-arginina jest przekształcana w mocznik i L-ornitynę. L-ornityna rozpoczyna kolejny cykl. Azoty obecne w moczniku pochodzą od:

• NH₄⁺ z reakcji deaminacji.

• A drugi z grupy aminowej kwasu asparaginowego.

Atom węgla w moczniku pochodzi od CO₂ z wyniku reakcji dekarboksylacji (ogólnie). Cykl mocznikowy pełni inną funkcję u roślin, niż u zwierząt. U roślin funkcja ta sprowadza się do syntezy L-argininy. Druga funkcja to magazynowanie azotu w formie mocznika i L-argininy. U zwierząt rola tego cyklu polega przede wszystkim na wytworzeniu mocznika, który może być usunięty z organizmu, czyli jest to sposób pozbycia się nadmiaru azotu. Cykl mocznikowy przebiega w cytoplazmie z wyjątkiem pierwszej z czterech reakcji, gdyż ta przebiega w mitochondriach. Tam też odbywa się synteza karbamoilofosforanu.

Obieg azotu w przyrodzie:

Zarówno u organizmów zwierzęcych, roślinnych jak i mikroorganizmów jedyną formą azotu nieorganicznego, która może być bezpośrednio włączona do zw. organicznych jest forma amonowa. Rośliny mają zdolność do pobierania i gromadzenia dużych ilości azotanów. Są one nietoxyczne dla roślin. Ta forma azotu gromadzona jest u roślin w formie dwóch pul:

• zapasowej

• metabolicznej

Jedynie pula metaboliczna podlega przekształceniu w formę amonową, są one zlokalizowane w różnych strukturach subkomórkowych tj:

• pula metaboliczna w cytoplazmie

• pula zapasowa w wakuoli

W procesie redukcji azotanów do jonów amonowych uczestniczą 2 enzymy:

• reduktaza azotanowa

• reduktaza azotynowa

NO₃^- + NAD(P)H + 2H⁺
NO₂^- + NAD(P)⁺ + H₂O

Proces redukcji azotanów do azotynów przebiega w cytoplazmie

Drugi enzym reduktaza azotynowa działa w chloroplastach

NO₂^- + 6Fd_zred + 8H⁺
NH₄⁺ + 6Fd_utl + H₂O

Pomimo, że dla zwierząt azotany nie są toksyczne to jednak surowce pochodzenia roślinnego zawierające wysokie poziomy azotanów nie mogą być wykorzystywane w przemyśle spożywczym. Wynika to z faktu, że w czasie przechowywania surowca zwłaszcza w warunkach niedostępności światła zahamowany jest 2 stopień redukcji azotanów tj. zahamowana jest reakcja katalizowana przez reduktazę azotynową. W warunkach tych spada poziom ferredoksyny i gromadzą się azotyny - związki bardzo toksyczne dla człowieka.

Jony amonowe mogą być włączone do związków organicznych w postaci grupy aminowej, grupy amidowej, grupy karbamoilofosforanowej.

U roślin podstawową drogą asymilacji NH₄ jest cykl GS/GOGAT to jest cykl synetazy glutaminowej i syntetazy glutaminianowej. Cykl ten funkcjonuje zarówno w chloroplastach roślin, plastydach korzeni oraz w cytoplazmie. W chloroplastach w cyklu tym bierze udział chloroplastowa izoforma GS oraz Fd zależna forma GOGAT. W cytoplazmie w cyklu tym biorą udział cytoplazmatyczna izoforma GS i NAD(P)⁺ zależna forma GOGAT. U zwierząt cykl ten nie funkcjonuje. U zwierząt rolę enzymów asymilujących NH₄ pełnią:

• dehydrogenaza glutaminianowa

• syntetaza glutaminy

• amoniakoliaza asparaginowa katalizująca reakcję odwracalną

Synteza karbamoilofosforanu przebiega zarówno u roślin, zwierząt i mikroorganizmów i w znacznym stopniu reakcja ta służy procesowi syntezy zasad azotowych zwłaszcza pirymidynowych. Związek ten jest substratem wyjściowym do ich syntezy.

TŁUSZCZE

Lipidy - należą do związków organicznych nierozpuszczalnych w wodzie, a bardzo dobrze rozpuszczalnych w rozpuszczalnikach organicznych takich jak

• benzen

• aceton

• etery

• niektóre alkohole

Najważniejsze funkcje tłuszczów to:

• Źródło energii i szkieletów węglowych dla wielu procesów anabolicznych, zaspokajają bieżące potrzeby organizmu.

• Magazynują energię i szkielety węglowe

• Ochronna (izolacyjna)

• Budulcowa

Tłuszcze dzielimy na:

1. Tłuszcze właściwe

Tłuszcze właściwe są to estry gliceroli i jednokarboksylowych kwasów organicznych nazywanych potocznie kwasami tłuszczowymi. Kwasy tłuszczowe należą niemal wyłącznie do jednokarboksylowych kwasów alifatycznych nasyconych lub nienasyconych o parzystej liczbie atomów C i o nie rozgałęzionym łańcuchu. Tłuszcze o dużej zawartości kwasów nienasyconych przyjmują postać ciekłą i nazywane są olejami i występują przede wszystkim u roślin. U zwierząt tłuszcze właściwe przyjmują konsystencję stałą gdyż w nich dominują kwasy nasycone

2. Woski

Woski to mieszanina estrów wyższych jednohydroksylowych alkoholi o 16-31 at. C i jednokarboksylowych nasyconych lub nienasyconych kwasów tłuszczowych. Najczęściej występują takie alkohole jak cetylowy (18 at. C), cerylowy (26 at. C)

3. Tłuszcze złożone

Wśród nich są 2 grupy:

1. Fosfolipidy

Wśród fosfolipidów najważniejszą rolę zajmują fosfoglicerydy. Są one zbudowane z glicerolu, którego 2 grupy są zestryfikowane resztami kwasów tłuszczowych, a ostatnia grupa OH jest zestryfikowana resztą kwasu fosforowego. Związek taki (najprostszy fosfoglicerol) nazywamy kwasem fosfatydowym. Jeżeli grupę OH reszty fosforanowej kwasu fosfatydowego zestryfikujemy produktem dekarboksylacji seryny - etanoloaminą (kolaminą) wówczas powstaje związek o nazwie kefalina. Natomiast zastępując etyloaminę choliną powstaje lecytyna inaczej fosfatydylocholina. Jeżeli w podobny sposób z kwasem fosfatydowym połączymy serynę wówczas powstaje fosfatydyloseryna. Wszystkie te 3 związki (kolamina, cholina i seryna) nazywane są związkami azotowymi o charakterze alkoholi. Fosfolipidy pełnią ważne funkcje metaboliczne, gdyż są składnikami błon komórkowych. Drugą podgrupę w ramach fosfolipidów obok fosfoglicerydów stanowią fosfosfingozyny. Tłuszcze te zamiast glicerolu zawierają sfingozynę. Jest to

18-to węglowy dwuhydroksylowy aminoalkohol. Występuje w dużych ilościach w mózgu zwłaszcza w otoczkach włókien nerwowych.

2. Glikolipidy

Glikolipidy oprócz glicerolu lub sfingozyny oraz kwasów tłuszczowych zawierają w swym składzie składnik cukrowy. Jest nim najczęściej galaktoza lub laktoza.

Katabolizm tłuszczowców

Zarówno tłuszcze właściwe, woski, jak i tłuszcze złożone podlegają procesom katabolicznym. W przewodzie pokarmowym są one rozkładane przez enzymy trawienne lipolityczne. Poza przewodem pokarmowym rozkładane są przez enzymy lipolityczne wewnątrzkomórkowe. W p. pokarmowym rozkład cząsteczki 1,2,3-triacyloglicerolu przebiega przy udziale lipazy trzustkowej, a rozkład fosfoglicerydów przy udziale fosfolipaz trzustkowych. Lipaza trzustkowa rozkłada wiązania estrowe przy udziale cząsteczki H₂O działając w 2 etapach:

1. Rozkłada wiązanie przy 1 i 3 węglu

2. Rozkłada wiązanie przy 2 atonie węgla

Produktami działania lipaz są 3 cząsteczki kwasu tłuszczowego i cząsteczka glicerolu. Powstałe w tum procesie glicerol i kwasy tłuszczowe przechodzą do krwioobiegu i przenoszone są do różnych komórek organizmu. Glicerol ulega fosforylacji i utlenieniu (odwodorowaniu) do fosfodihydroksyacetonu. W procesie tym biorą udział 2 enzymy:

- kinaza glicerolowa

- dehydrogenaza 3- fosfoglicerolowa

Fosfodihydroksyaceton może być przekształcony w aldehyd 3-fosfoglicerynowy przy udziale izomerazy trifosfoglicerynowej (enzymu glikolitycznego). Powstały aldehyd 3-fosfoglicerynowy może wejść w przemiany glikolityczne i przekształcić się w pirogronian, ale może też wejść w przemiany glukoneogenetyczne prowadzące do powstania glukozy.

Katabolizm kwasów tłuszczowych:

Kwasy tłuszczowe, aby mogły wejść w przemiany kataboliczne muszą być wcześniej zaktywowane czyli być podniesione na wyższy poziom energetyczny. Aktywacja ta polega na połączeniu reszty acylowej kwasu z koenzymem A (CoA). Tworzy się wiązanie tioestrowe. W procesie tym bierze udział ATP, CoA oraz enzym syntetaza acylo-CoA. Aktywacja kwasów tłuszczowych odbywa się na zewnętrznej błonie mitochondrialnej (od strony cytoplazmy). Natomiast proces rozkładu (β-utlenianie kwasów tłuszczowych) odbywa się w MATRIX mitochondrialnym, stąd też zaktywowane aminokwasy mogą być przetransportowane przez wewnętrzną błonę mitochondrialną, która dla wielu związków jest nieprzepuszczalna. Transport ten odbywa się przy udziale L-karnityny. W tym celu na zewnętrznej błonie mitochondrialnej, bądź przestrzeni międzybłonowej mitochondriów ma miejsce tworzenia kompleksów karnityny z acylo­-CoA. W procesie tym bierze udział acylotransferaza karnitynowa I. Produktem działania tego enzymu jest acylokarnityna. Następnie acylokarnityna z udziałem translokazy jest transportowana przez wewnętrzną błonę mitochondrialną do MATRIX. Po MATRIX`owej stronie tej błony grupa acylowa zostaje z powrotem przeniesiona na CoA przez acylotransferazę karnitynową II. Wolna karnityna powraca do cytozolu przy udziale translokazy. Utlenianie kwasów tłuszczowych w MATRIX mitochondrialnym sprowadza się do tego, że w każdym cztero-enzymatycznym cyklu powstaje 1 cząsteczka acetylo-CoA oraz acylo-CoA o łańcuchu krótszym o dwa węgle. Cykl ten powtarza się do chwili, gdy produktami końcowymi są 2 cząsteczki acetylo-CoA. Proces ten nosi nazwę β-utleniania, ponieważ zmiany zachodzące przy udziale 4 enzymów dotyczą węgla przy pozycji β (trzeci węgiel). Enzymami tymi są:

• ­dehydrogenaza acylo- CoA współdziałająca z FAD

• hydrataza enoilo- CoA

• dehydrogenaza hydroksyacylo- CoA

• β-ketotiolaza

Powstałe w tym procesie cząsteczki acetylo-CoA mogą być wykożystane do syntezy wielu związków w tym kwasów tłuszczowych, ketociał (ciał ketonowych). Mogą też wchodzić w przemiany cyklu Krebsa i być utleniane do CO₂ i H₂O w łańcuchu oddechowym.

Reakcja utlenienia palmitynianu:

Palmitylo- CoA + 7FAD + 7NAD⁺ + 7CoA + 7H₂O 8acetylo- CoA + FADH₂ + 7NADH + 7H⁺

Biosynteza kwasów tłuszczowych:

Synteza kwasów tłuszczowych, pomimo że pod wieloma względami przypomina ich katabolizm, ale przebiega zupełnie innymi torami niż ich rozkład. Świadczą o tym następujące dane:

1. Synteza ma miejsce w cytozolu, podczas gdy rozkład w MATRIX mitochondrialnym.

2. Związki pośrednie syntezy są kowalencyjnie związane z grupą SH białkowego nośnika grup acylowych - ACP, podczas gdy produkty rozpadu zawsze połączone są z CoA.

3. Enzymy biorące udział w biosyntezie kwasów są połączone w 1 cząsteczkę białkową o nazwie syntaza kwasów tłuszczowych, natomiast enzymy rozkładające występują każdy osobno (nie są zasocjowane).

4. Produktami rozkładu kwasów są cząsteczki acetylo-CoA czyli cząsteczki dwuwęglowe, podczas gdy przy biosyntezie donorem jednostek dwuwęglowych jest związek trójwęglowy - malonylo-ACP

5. W procesie syntezy kwasów tłuszczowych zużywane są cząsteczki NADH + H⁺, podczas gdy w czasie rozkładu powstają NADH i FADH₂.

W procesie syntezy kwasów tłuszczowych bierze udział 7 enzymów połączonych w kompleks enzymatyczny „syntaza kwasów tłuszczowych”:

1. karboksylaza acetylo-CoA

2. transacylaza acetylowa

3. transacylaza malonylowa

Te 3 enzymy mają za zadanie przygotowania dwóch substratów wyjściowych czyli: acetylo-ACP i malonylo-ACP rozpoczynających proces wydłużania łańcucha acylowego. Z kolei elongacja przebiega przy udziale 4 enzymów:

4. enzymu kondensującego - acylomalonylo-ACP

5. reduktazy β-ketoacylo-ACP

6. dehydratazy 3-hydroksyacylo-ACP

7. reduktazy enoilo-ACP

Proces elongacji ma charakter cykliczny gdzie w każdym obrocie bierze udział acylo-ACP zawsze o 2 węgle dłuższym łańcuchu oraz malonylo-ACP. Proces ten trwa do chwili, gdy produktem końcowym jest 16-sto węglowy kwas połączony z ACP. Proces ten kończy deacylaza, która usuwa ACP i uwalnia kwas palmitynowy.

Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu:

Powstały w szlaku glikolitycznym lub też w przemianach aminokwasów pirogronian w warunkach tlenowych wchodzi w przemianę tzw. oksydacyjnej dekarboksylacji. Proces ten przebiega w MATRIX mitochondrialnym. Enzymem odpowiedzialnym za tę reakcję jest komplex dehydrogenazy pirogronianowej. W skład tego komplexu wchodzą 3 enzymy:

• dehydrogenaza pirogronianowa

• acetylotransferaza dihydroliponianowa

• dehydrogenaza dihydroliponianowa

Powstały w tej reakcji acetyloCoA wchodzi w przemiany cyklu Krebsa. Może też być wykorzystywany w reakcji syntezy np. kwasów tłuszczowych. Z kolei NADH regenerowany jest w łańcuchu oddechowym.

Cykl Krebsa:

Nazywany jest też cyklem kwasu cytrynowego lub też cyklem kwasów trikarboksylowych (CKT). Cykl ten jest końcowym, jednocześnie wspólnym szlakiem utlenienia substratów energetycznych takich jak: cukry, kwasy tłuszczowe, aminokwasy. Przebiega on w MATRIX mitochondrialnym, a u mikroorganizmów w cytozolu. Cykl ten tworzony jest przez 8 enzymów. Tylko jeden z nich tj. dehydrogenaza bursztynianowa na stałe zakotwiczona jest w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Pozostałe 7 enzymów działa w MATRIX. Cykl Krebsa funkcjonuje wyłącznie w warunkach tlenowych. Głównymi funkcjami cyklu są:

1. Utlenianie acetyloCoA i kw. tłuszczowych do CO₂

2. Jest źródłem energii. W cyklu tym ma miejsce fosforylacja substratowa tj. synteza ATP kosztem wiązań makroergicznych obecnych w substratach. Reakcją tą jest przekształcenie bursztynyloCoA w bursztynian z jednoczesną syntezą GTP. W procesie tym mają miejsce 4 odwodorowania, w których powstają 3 cząsteczki NADH i 1 cząsteczka FADH₂. Te zredukowane koenzymy są utleniane w łańcuchu oddechowym. Utleniając się dostarczają energii w formie ATP.

3. Cykl ten dostarcza szkieletów węglowych (kw. organiczne) do syntezy wielu związków np:

• α - ketoglutaran wykorzystywany jest do syntezy aminokwasów (cykl GS/GOGAT).

• szczawiooctan (akceptor NH₂) do transaminacji.

• Fumaran do syntezy aminokwasów w reakcji katalizowanej przez amoniakoliazę asparaginową

• Izocytrynian wykorzystywany jest do syntezy kwasów tłuszczowych

• BursztynyloCoA do syntezy porfiryn

Regulacja cyklu Krebsa

Intensywność przemian tego cyklu zależy przede wszystkim od poziomu energii w komórce tzn. w warunkach wysokich stężeń ATP obserwuje się spowolnienie cyklu, natomiast w warunkach obniżonych stężeń przyśpieszenie procesu. O tempie przemian decydują p. wszystkim enzymy allosteryczne (regulatorowe) i tak syntaza cytrynianowa (liaza) i dehydrogenaza izocytrynianowa (oksydoreduktaza) są hamowane przez ATP, a przyśpieszane przez ADP. Również poziom NADH ma wpływ na aktywność. NADH jest efektorem allosterycznym dla dehydrogenazy izocyrynianowej i dla dehydrogenazy α - ketoglutaranowej. W warunkach intensywnego wykorzystywania produktów pośrednich tego cyklu do syntezy wielu związków wówczas obserwowane jest uruchomienie reakcji anaplerotycznych (uzupełniających). Wśród najważniejszych reakcji anaplerotycznych CKT wyróżnia się:

• reakcję katalizowaną przez karboksylazę pirogroniznową, która przebiega w MATRIX mitochondrialnym.

• reakcję katalizowaną przez dehydrogenazę jabłczanową dekarboksylującą, która przebiega w przestrzeni międzybłonowej mitochondrium.

• reakcję katalizowaną przez karboksykinazę fosfoenolopirogronianową przebiegającą w cytoplazmie.

Cykl glioksalowy

Przebiega p. wszystkim w nasionach kiełkujących roślin oleistych oraz u niektórych bakterii, glonów i grzybów. Istotą tego cyklu jest przekształcenie 2 cząsteczek acetyloCoA w 1 cząsteczkę bursztynianu, która w dalszych przemianach przekształca się w szczawiooctan, a ten wchodząc w przemiany glukoneogenetyczne dostarcza glukozy. Dzięki temu cyklowi możliwe jest wykorzystanie produktów rozkładu kwasów tłuszczowych - cząsteczek acetyloCoA do syntezy glukozy. Zdolności takiej nie posiadają organizmy zwierzęce. Przemiany cyklu glioksalowego przebiegają glioksysomach. W przemianach tych biorą udział niektóre enzymy cyklu Krebsa i 2 dodatkowe charakterystyczne tylko dla tego cyklu tj. liaza izocytrynianowa i syntaza jabłczanowa. Nazwa cyklu pochodzi od kwasu glioksalowego, który jest produktem pośrednim tego cyklu.

Wśród podstawowych różnic między tym cyklem, a cyklem Krebsa jest:

• Cykl glioksalowy omija 2 etapy dekarboksylacji, które są w CKT

• Na 1 obrót cyklu glioksalowego przypadają 2 cząsteczki acetyloCoA

Mitochondria:

Są owalnymi organellami o długości ok. 2 μm i średnicy ok. 0,5 μm. Organelle te zawierają 2 systemy błon tj. Błonę zewnętrzną i wewnętrzną. W środku znajduje się MATRIX, w którym zlokalizowane są enzymy cyklu Krebsa, enzymy β - utleniania kw. tłuszczowych, komplex dehydrogenazy pirogronianowej, enzymy katabolizmu aminokwasów (deaminazy, transaminazy) oraz enzymy przemian kw. nukleinowych. Błona zewnętrzna jest półprzepuszczalna dla wszystkich związków o masach cząsteczek mniejszych od 4000 Daltonów. Jej podstawową funkcją jest niedopuszczenie enzymów cytoplazmatycznych do wnętrza mitochondriów. Błona wewnętrzna jest silnie pofałdowana w postaci tzw. grzebieni. Jest ona nieprzepuszczalna nawet dla związków niskocząsteczkowych, w tym też jonów. W błonie tej jest szereg systemów transportujących działających w obu kierunkach. Przenośnikami tymi są specyficzne nośniki białkowe. Na wewnętrznej stronie błony wewnętrznej zakotwiczonych jest szereg przenośników oksydacyjno-redukcyjnych, które połączone są funkcjonalnie w komplexy enzymatyczne. Przenośniki te tworzą tzw. łańcuch oddechowy i są one z jednej strony unieruchomione, czyli zakotwiczone w błonie, z drugiej zaś działają w fazie wodnej MATRIX. Między błoną wewnętrzną, a zewnętrzną znajduje się przestrzeń międzybłonowa W niej znajdują się enzymy czy też metabolity pośrednio związane z przemianami zachodzącymi w MATRIX mitochondrialnym. Kolejność przenośników łańcucha oddechowego warunkowana jest wartością potencjału okstdacujno-redukcyjnego.. Przenośniki łańcucha oddechowego ułożone są w takiej kolejności, że pierwszy przenośnik ma największą prężność elektronową, tj. największą zdolność do oddawania elektronów. Każdy kolejny przenośnik charakteryzuje się mniejszą prężnością, natomiast wyższym powinowactwem do elektronów. Prężność elektronowa ściśle związana jest z wartością potencjału oksydacyjno-redukcyjnego tj. im wyższa prężność elektronowa tym niższy jest potencjał oksydacyjno-redukcyjny. Dlatego też elektrony zawsze wędrują od pierwiastków o niższym potencjale do pierwiastków o wyższym potencjale oksydacyjno-redukcyjnym. Potencjał redox jest pojęciem elektrochemicznym i wyrażony jest w voltach [V]. Wartość potencjału redox dla określonego układu formy utlenionej i zredukowanej zawsze określana jest w stosunku do półogniwa wodorowego. Półogniwo wodorowe nazywane jest standardowym półogniwem porównawczym. Przyjęto, że wartość potencjału redox dla półogniwa wodorowego równa się 0.

SPOSÓB WYZNACZANIA POTENCJAŁU RED-OX DLA NIEZNANYCH PÓŁOGNIW (UKŁADÓW FORMY UTLENIONEJ I ZREDUKOWANEJ)

Badane półogniwo połączone jest z półogniwem wodorowym przy pomocy mostka agarowego i przewodu elektrycznego łączącego elektrody. Badane półogniwo X zawiera elektrodę zanurzoną w 1 molowym roztworze formy utlenionej i 1 molowym roztworze formy zredukowanej badanej substancji, a półogniwo wodorowe składa się z elektrody zanurzonej w 1 molowym roztworze silnego 1 protonowego kwasu i elektroda opłukiwana jest (stale) gazowym wodorem pod ciśnieniem 1 atmosfery. Na elektrodzie wodorowej zachodzi reakcja gdzie H₂ 2H⁺. Mostek agarowy nie bierze bezpośredniego udziału w procesie elektrochemicznym, zapewnia jednak przepływ elektronów pomiędzy półogniwami. Woltomierz służy do pomiaru napięcia pomiędzy półogniwami. Między nimi ujawniająca się różnica potencjałów powoduje przepływ elektronów. Jeżeli one płyną od półogniwa wodorowego w kierunku X, to potencjał przyjmuje wartość dodatnią, jeżeli w kierunku odwrotnym, przyjmuje się wartość ujemną. Standardowy potencjał redox dla badanego półogniwa wyznaczany jest zawsze przy pH = 7 i przy 1 molowym stężeniu obu form. Potencjał redox jest ściśle związany z energią swobodną reakcji utleniania i redukcji. Zależność tę przedstawia:

G⁰ = -nF * E₀

F - stała Faradaya = 96,856 kJ/V*mol

n - liczba przenoszonych elektronów

E₀ - potencjał standardowy

Energia swobodna, wynikająca z różnicy potencjałów miedzy przenośnikami, może być wykorzystana do syntezy ATP. Proces ten, który ma miejsce w łańcuchu oddechowym, nazywany jest fosforylacją oksydacyjną. Dlaczego organizmy żywe wytworzyły skomplikowany, wielostopniowy system przekazywania elektronów z NADH lub FADH₂ na tlen??? Dlaczego nie wytworzyły 1 kompleksu enzymatycznego, który by bezpośrednio przeniósł te elektrony??? Zrobiły to dlatego, że różnica potencjałów między NADH i O₂ jest ogromna i wynosi 1,14 (NADH: -42, tlen: +82). Przy takiej różnicy potencjałów, spadek energii swobodnej, obliczony z wzoru wynosiłby aż 220,2 kJ/mol. Reakcja taka przebiegałaby siłą ruchu eksplozji, a cała energia zamieniłaby się w ciepło. Łańcuch transportu elektronów zarówno z NADH, jak i FADH₂ na tlen składa się z 3 trwale umocowanych w błonie wewnętrznej wielkich kompleksów enzymatycznych oraz 2 małych kompleksów. W transporcie elektronów z NADH na tlen biorą udział:

• I kompleks o nazwie reduktaza NADH koenzym Q lub kompleks dehydrogenazy NADH

• III kompleks to kompleks reduktazy cytochromowej lub kompleks cytochromów BC

• IV kompleks czyli oksydazy cytochromowej

Natomiast w transport elektronów z FAD zaangażowane są następujące kompleksy:

• II kompleks nazywany reduktazy bursztynianowej koenzymu Q

• Kompleks III i IV, dla obu dróg transportu elektronów są identyczne.

Między dużymi kompleksami enzymatycznymi umieszczone są małe kompleksy: CoQ i cytochromu C. Każdy z dużych kompleksów zawiera kilka przenośników elektronów, a są nimi flawiny, centra żelazosiarkowe, hemy oraz jony miedzi.

Kompleks I zbudowany jest z ponad 30 polipeptydów. Jest on kodowany przez genom jądrowy i mitochondrialny. Kompleks ten odbiera elektrony z NADH, przenosi na centra żelazosiarkowe, a ostatecznie przekazuje elektrony na CoQ. Protony pochodzące z FMNH₂ są przepompowywane z MATRIX do przestrzeni międzybłonowej. Na każde 2 przenoszone elektrony kompleks ten przepompowuje 4 protony, pełni więc funkcję pompy protonowej.

Kompleks II, czyli kompleks reduktazy bursztynianowej, jest odpowiedzialny za przeniesieni 2 elektronów FADH₂ na CoQ. W skład tego kompleksu wchodzi 1 z enzymów cyklu Krebsa: dehydrogenaza bursztynianowa. Kompleks ten, jako 1 z 4, nie działa jak pompa protonowa, bo różnica potencjałów między nim a CoQ jest niewielka.

Kompleks III przenosi elektrony z CoQ na cytochrom C i pompuje protony z MATRIX do przestrzeni międzybłonowej. Transportowi 2 elektronów towarzyszy przepompowanie tylko 2 protonów. W skład kompleksu III wchodzą cytochromy B i C₁ oraz białka połączone z centrami żelazosiarkowymi.

Kompleks IV to kompleks odpowiedzialny za przeniesienie elektronu z cytochromu C na tlen. Przeniesieniu 2 elektronów towarzyszy przepompowanie 4 protonów. Działa więc jako pompa protonowa.

SYNTEZA ATP W POWIĄZANIU Z ŁAŃCUCHEM - FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA

Proces fosforylacji oksydacyjnej przebiega zgodnie z teorią Mitchela, która zakłada, że energia swobodna uwalniana podczas transportu elektronów zostaje wykorzystana do tworzenia w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej gradientu protonowego. Gradient protonowy jest 1 z 2 sił napędzających syntezę ATP. Największa zmiana energii swobodnej, mająca miejsce w 3 głównych kompleksach enzymatycznych, tj. w I, III i IV jest podstawą tego, że w/w 3 kompleksy pełnią funkcję pompy protonowej. Wypompowywanie jonów H⁺ wytwarza nie tylko wysokie stężenie jonów H⁺ w przestrzeni międzybłonowej, ale tworzy też potencjał elektryczny wewnętrznej błony mitochondrialnej. Potencjał ten ma wartość dodatnią po stronie błony zwróconej ku przestrzeni międzybłonowej, a ujemną po stronie MATRIX`owej. W ten sposób powstaje elektrochemiczny gradient protonowy. Syntezę ATP prowadzi enzym syntaza ATP. Jest on zakotwiczony w wewnętrznej błonie mitochondrialnej, ale z dala od przenośników tego łańcucha. Enzym ten napędzany jest (aktywowany) przez strumień protonów powracających w przestrzeni międzybłonowej do MATRIX. Tak, więc syntaza ATP jest aktywowana siłą protonomotoryczną, która jest sumą gradientu chemicznego i potencjału ładunków elektrycznych tworzonego w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej. Synteza ATP zbudowana jest z części F₀, która jest zakotwiczona w wewnętrznej błonie i ma właściwości hydrofobowe. To stanowi kanał, przez który przechodzą protony w przestrzeni międzybłonowej i dalej do jednostki F tego enzymu. F₁ jest hydrofilowe i jest w niej zlokalizowane centrum, aktywne tego enzymu. F₁ zbudowane jest z wielu jednostek (, , γ W czasie przepływu protonów przez syntazę powodują one wibrację podjednostki X, która wibrując zmienia strukturę przestrzenną podjednostki  Zmiana konformacji podjednostki  powoduje uaktywnienie enzymu, wzrost powinowactwa do substratów: ADP i fosforanu nieorganicznego. Najnowsze badania wykazały, że transport 2 elektronów z NADH na tlen wiąże się z syntezą 2,5 cząsteczki ATP, a transport 2 elektronów z FADH₂ powoduje syntezę 1,5 cząsteczki ATP.

BILANS UTLENIANIA RÓŻNYCH ZWIĄZKÓW

• Bilans utleniania cząsteczki glukozy

27

---