Wykład I

Biochemia - dyscyplina naukowa opisująca składniki chemiczne organizmów (biochemia statyczna) oraz przemiany tych składników (biochemia dynamiczna). Całość procesów życiowych, czyli ogół reakcji chemicznych w organizmie żywym nazywamy metabolizmem, a substancje uczestniczące w tych reakcjach nazywamy metabolitami.

Rys. Istota wiązań chemicznych.

Cechy reakcji biochemicznych:

- regulowanie ich przebiegu przez biokatalizatory zwane enzymami

- powiązanie z określonymi strukturami komórkowymi

- istnienie precyzyjnych mechanizmów integrujących poszczególne reakcje i procesy biochemiczne

- wymaganie tzw. fizjologicznych warunków przebiegu reakcji

- skojarzenie z przemianami energetycznym

Ta ostatnia cecha jest wspólna zarówno reakcjom biochemicznym, jak również chemicznym.

Wybrane zagadnienia chemii organicznej

- Istota wiązań chemicznych (grupy funkcyjne):

Grupy funkcyjne - atom lub kombinacja połączeń atomów, które w istotny sposób określają rodzaj reakcji chemicznych, jakim ulęgają dane związki organiczne.

- grupa hydroksylowa -OH

- grupa karboksylowa -COOH

- grupa aldehydowa -CHO

- grupa ketonowa =CO

- grupa aminowa -NH₂

- grupa nitrowa -NO₂

- grupa sulfonowa -SO₃H

- Izomeria związków organicznych:

Izomeria - zjawisko istnienia związków chemicznych o identycznym wzorze sumarycznym, różniących się strukturą lub budową przestrzenną cząsteczki, a w konsekwencji właściwościami fizykochemicznymi.

Izomery CIS- i TRANS - izomery przestrzenne (stereoizomery), różniące się położeniem atomów lub grup atomów względem płaszczyzny przechodzącej przez atomy węgla połączone wiązaniem podwójnym (wynika to z ograniczenia rotacji wokół tego wiązania).

Rys. Izomeria CIS-TRANS.

- Izomeria ketoenolowa:

W cząsteczkach zawierających atomy wodoru i spolaryzowaną grupę funkcyjną, możne wystąpić wędrówka protonu w ramach tej samej cząsteczki. Wędrówka taka możliwa jest w ketonach dzięki obecnej w nich grupie karbonylowej. Odwracalna wędrówka protonu od węgla do tlenu grupy karbonylowej prowadzi do zaistnienia równowagi dynamicznej dwóch form tego samego związku, które posiadają dwie różne grupy funkcyjne. Forma I jest ketonem a II alkoholem (-ol) nasyconym zawierającym wiązanie podwójne (-en), czyli fenolem. Odmiany I i II nazywamy odpowiednio ketonową i enolową.

Izomeria ketoenolowa jest przykładem tautomerii tzn. współistnienia obok siebie dwóch odmian cząsteczek łatwo przekształcających się w siebie.

- Izomeria optyczna:

Jest to rodzaj stereoizometrii występującej w cząsteczkach, które zawierają atom węgla, do którego przyłączone są cztery grupy (węgiel asymetryczny). Dla każdej cząsteczki posiadającej taki atom można znaleźć drugą cząsteczkę będącą jej lustrzanym odbiciem.

Izomeria optyczna wiąże się ze zdolnością skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego. Substancje takie nazywa się optycznie czynnymi; skręcające płaszczyznę światła spolaryzowanego w prawo nazywa się prawoskrętnymi (+), a w lewo lewoskrętnymi (-).

Izomery będące wzajemnymi odbiciami lustrzanymi noszą nazwę enacjomerów. Równocząsteczkowa mieszanina enacjomerów nie wykazuje optycznej czynności i nosi nazwę mieszaniny recemicznej.

Dla względnego charakteryzowania cząsteczek optycznie czynnych, wprowadzono pojęcie konfiguracji D- i L-, co uwidocznione jest w nazwach związków. Punktem odniesienia dla konfiguracji D- i L- jest budowa cząsteczki aldehydu glicerynowego, a konkretnie położenie podstawników H- oraz OH- przy środkowym węglu.

Wykład I

Biochemia jest nauką o chemicznych składnikach żywej materii, ich funkcjach i przemianach, jakim podlegają w procesach życiowych.

Nauka biochemii stara się odpowiedzieć na dwa podstawowe pytania:

1. W jaki sposób komórki organizmów zdobywają energię z otoczenia?

2. W jaki sposób komórki syntetyzują podstawowe elementy swoich makro cząsteczek?

Związki organiczne

Atom węgla jest czterowartościowy!! Podstawą większości związków organicznych jest łańcuch węglowy.

Podstawniki:

- atomy wodoru (H) - węglowodory

- zamiana któregoś z atomów wodoru na coś innego będzie nam tworzyć nową grupę związków np.: zamiana wodoru -H na grupę -O-H (alkohole)

- zamiast dwóch atomów wodoru na dwuwartościowy atom tlenu =O, podstawienie znajduje się wewnątrz cząsteczki - ketony, podstawienie takie ma miejsce na jej końcu - powstaje aldehyd

- jeśli przy skrajnym atomie węgla przyłączy się grupa -OH a na dwu pozostałych tlen =O, powstaje bardzo ważna w biochemii grupa karboksylowa -COOH (kwasy karboksylowe)

- do łańcucha węglowego mogą się przyłączać najróżniejsze atomy i grupy chemiczne, tworząc różnorodne związki. Wiele z nich odgrywa ważną rolę w organizmie człowieka np.: grupa fosforanowa -H₂PO₄ i aminowa -NH₂

Sposoby powstawania wiązań w cząsteczce

Wiązania wodorowe przedstawiają m.in. amoniak (azan), woda (oksydan), kwasy karboksylowe, alkohole (np.: metanol).

Oddziaływanie międzycząsteczkowe - to inne niż wiązania chemiczne siły wiążące atomy i cząsteczki.

Izomeria związków organicznych

Rodzaje izomerii:

- strukturalna

- stereoizometria (przestrzenna)

Izomeria strukturalna - polega na występowaniu związków izomerycznych, w których atomy tych samych pierwiastków są ze sobą połączone w różnej kolejności.

Izomeria optyczna - w cząsteczkach chiralnych zawierających atom węgla, do którego przyłączone są cztery różne grupy. Taki atom nosi nazwę centrum chiralności (płaszczyzna lustrzana).

Izomeria geometryczna - cis i trans.

Konfiguracja D- i L-

Punktem doniesienia dla tych konfiguracji jest budowa cząsteczki aldehydu glicerynowego a konkretnie położenie podstawników H- oraz HO- np.: D-aldehyd glicerynowy i L-aldehyd glicerynowy.

Aminokwasy

Aminokwasy to związki organiczne, które w swych cząsteczkach zawierają:

- grupę karboksylową -COOH o właściwościach kwasowych

- grupę aminową -NH₂ o właściwościach zasadowych

Ich ogólny wzór ma postać: H₂N - R - COOH

Podział aminokwasów na podstawie charakterystycznych właściwości podstawnika aminokwasu:

- aminokwasy alifatyczne - podstawą jest łańcuch węglowodorowy

- aminokwasy zawierające grupę hydroksylową

- aminokwasy zawierające siarkę w podstawniku

- aminokwasy aromatyczne

- aminokwasy amidowe

- aminokwasy kwaśne

- aminokwasy zasadowe

Aminokwasy egzogenne i endogenne

Aminokwasy egzogenne - są to aminokwasy, które nie są syntezowanie w organizmie ludzkim, a ich obecność w białkach spożywczych decyduje o wartościach odżywczych.

Aminokwasy endogenne - są to aminokwasy, które są syntezowanie w organizmie ludzkim.

Aminokwasy egzogenne	Aminokwasy endogenne
Lizyna	Glicyna
Leucyna	Glutamina
Histydyna	Cysteina
Teroina	Tyrozyna
Walina	Alanina

Aminokwasy glikogenne i ketogenne

Aminokwasy glikogenne - ich metabolizm prowadzi do powstania glukozy (sacharydów).

Aminokwasy ketogenne - ich metabolizm prowadzi do powstania związków ketonowych (kwas β-hydroksymasłowy, aceton).

Aminokwasy glikogenne	Aminokwasy ketogenne	Oba rodzaje aminokwasów
Alanina	Leucyna	Izoleucyna
Aspargina	Lizyna	Tyrozyna
Walina		Tryptofan

Właściwości chemiczne aminokwasów

Tworzenie wiązań peptydowych

Tworzenie grupy amidowej -NHCO- określanej jako wiązanie peptydowe (amidowe).

Punkt izoelektryczny (pI) jest to takie pH środowiska, przy którym cząsteczka aminokwasu w danych warunkach jest obojętna.

pH1 (całkowity ładunek: ⁺1) → pH6 (całkowity ładunek: 0) → pH11 (całkowity ładunek: ^-1)

ładunki w punkcie izoelektrycznym

Punkt izojonowy jest to taka wartość pH, przy której liczba protonów związanych z grupami -NH₂ jest równy ilości protonów odczepionych od grupy -COOH. W punkcie izojonowym przeciętny ładunek jest równy zero.

W aminokwasach podobnie jak i w cukrach występuje zjawisko izomerii optycznej i strukturalnej. Przez analogię do cukrów należy spodziewać się wśród aminokwasów odmian L i D oraz (+) i (-). Jest to spowodowane obecnością w cząsteczkach aminokwasów centrów chiralnych (z wyjątkiem glicyny).

Białka

Charakterystycznym wiązaniem, które powstaje przy połączeniu się dwóch i więcej ze sobą aminokwasów jest tzw. wiązanie peptydowe (-NH-CO-). Dłuższy łańcuch powstaje z połączenia kilku aminokwasów, czyli tzw. wielopeptyd.

Podział białek uwzględniający różnice w rozpuszczalności i kształcie cząsteczek:

- globularne - rozpuszczalne w wodzie i rozcieńczonych roztworach soli, przybierają kształt kulisty.

- fibrylarne - nie rozpuszczają się w wodzie i roztworach soli, struktury włókniste występujące na poziomie makroskopowym. Odporne na działanie kwasów i zasad.

Podział białek pod względem składu chemicznego:

- białka proste - w wyniku całkowitej hydrolizy tych białek powstają tylko same aminokwasy np.: albuminy, globuliny.

- białka złożone - w wyniku całkowitej hydrolizy tych białek powstają aminokwasy i składniki niebiałkowe.

Wykład II

Biochemia statyczna

Tłuszczowce

Tłuszcze - są estrami wyższych kwasów organicznych (kwasów tłuszczowych) oraz alkoholu trójwodorotlenowego (gliceryny) lub wyższych alkoholi jednowodorotlenowych. Ich cechą wspólną jest:

- względna nierozpuszczalnosć w wodzie

- rozpuszczalność w rozpuszczalnikach organicznych tj. eter, chloroform, benzen.

Tłuszcze dzielimy na:

- tłuszcze właściwe (lipidy proste) - do których zaliczamy glicerydy i woski

- tłuszcze złożone (lipidy złożone) - które oprócz gliceryny i kwasu tłuszczowego zawierają dodatkowe grupy. Do tej grupy zaliczamy fosfolipidy (fosfatydy) zawierające jako grupę dodatkową resztę kwasu fosforowego oraz glikolipidy, które zawierają jako grupę dodatkową cukry

W skład tłuszczów wchodzą kwasy tłuszczowe zawierające w swojej cząsteczce zwykle parzystą liczbą atomów węgla. Łańcuch węglowy tych kwasów może byćnasycony lub posiadający jedno lub więcej wiązań podwójnych.

Kwasami tłuszczowymi o charakterze nasyconym wchodzącymi w skład glicerydów są:

- kwas palmitynowy CH₃(CH₂)₁₄COOH

- kwas stearynowy CH₃(CH₂)₁₆COOH

Kwasami tłuszczowymi o charakterze nienasyconym są:

- kwas oleinowy CH₃(CH₂)₇CH=CH(CH₂)₇COOH

- kwas linolowy CH₃(CH₂)₄CH=CHCH₂CH=(CH₂)₇COOH

- kwas linolenowy CH₃CH₂CH=CHCH₂CH=CHCH₂CH=CH(CH₂)₇COOH

Tłuszcze właściwe - są estrami gliceryny i kwasów tłuszczowych. W zależności od tego ile reszt kwasowych wiąże się z grupami -OH gliceryny, tłuszcze właściwe dzielimy na: mono-, dwu- lub trójglicerydy.

W reakcji z gliceryną może brać udział większa liczba różnych kwasów tłuszczowych (maksymalnie trzy, czyli tyle ile grup hydroksylowych posiada gliceryna). Powstają wtedy tłuszcze posiadające w cząsteczce różne kwasy tłuszczowe (np. 1- palmityno-2- stearyno-3- oleino- trójgliceryd).

Do lipidów złożonych należy bardzo różnorodna pod względem chem grupa związków, których wspólną cechą jest zawartość kwasów tłuszczowych w cząsteczce.

Do tłuszczów złożonych zaliczamy:

- fosfolipidy

- glikolipidy

- lipidy izoprenowe (steroidy)

Fosfolipidy - w odróżnieniu od tłuszczów prostych w fosfolipidach jedna z grup -OH glicerolu zestryfikowana jest nie kwasem tłuszczowym, a nieorganicznym kwasem fosforowym.

Glikolipidy - są tłuszczami złożonymi, zawierającymi w budowie cukier (glikozydowo związany, w pozycji 1 z grupą -OH glicerolu).

Lipidy izoprenowe (steroidy) - głównym przedstawicielem jest czterocykliczny alkohol - cholesterol, który nie jest lipidem właściwym, ale zalicza się do grupy tłuszczowców.

Reakcje charakterystyczne:

- zasadowa hydroliza tłuszczów- reakcja zmydlania

tłuszcz + zasada sodowa = gliceryna + mydło

- reakcja utwardzania tłuszczów

Tłuszcze ciekłe przekształcają się w stałe w reakcji uwodornienia wiązań podwójnych.

Wykład III

Biochemia statyczna

Kwasy nukleinowe

Prawidłową strukturę DNA określili po raz pierwszy w 1953r. dwaj naukowcy, pracujący wówczas na Uniwersytecie w Cambridge - biochemik J. Watson i biofizyk F. Crick. Dokonali oni tego wykorzystując zdjęcia rentgenowskie DNA.

Kwasy nukleinowe - są wielocząsteczkowymi substancjami złożonymi, dającymi po całkowitej hydrolizie heterocykliczne zasady azotowe, węglowodan (pentozę) i kwas fosforowy.

Kwasy nukleinowe kontrolują dziedziczność na poziomie cząsteczkowym.

Dla zrozumienia istoty dziedziczenia należy odpowiedzieć na następujące pytania:

1. Jaka podstawowa informacja musi znajdować się w genach?

2. W jaki sposób informacja ta jest zapisana?

3. W jaki sposób jest ona przekazywana?

4. Jak jest ona odczytywana/realizowana?

5. Jaki mechanizm zapewnia logikę odczytu tej informacji?

Podstawowa informacja genetyczna obejmuje zapis budowy białek (enzymatycznych). Każda żywa istota posiada swój indywidualny zapis genetyczny zawarty w podwójnych niciach DNA jądra komórkowego. Ten zapis nazywamy genomem. Składa się on z około 80 tysięcy genów, które utworzone są z nukleotydów z charakterystyczną dla każdego z nich kolejnością par komplementarnych zasad purynowych i pirymidynowych.

Kwasy nukleinowe są podobnie jak białka heteropolimerami. Podstawowym monomerem łańcucha kwasów nukleinowych jest połączenie: zasada azotowa - pentoza- reszta kwasu fosforowego (nukleotyd).

Szkielet kwasów nukleinowych zbudowany jest z połączonych liniowo, za pośrednictwem reszt kwasu fosforowego, cząsteczek pentozy. Do każdej cząsteczki pentozy dołączona jest zasada azotowa, tworząc boczne odgałęzienie.

Zasady azotowe - to cykliczne, jedno - i dwupierścieniowe związki zawierające atomy azotu wbudowane w pierścień (atomy azotu nadają całej cząsteczce charakter zasady). Związki te można wprowadzić albo od jednopierścieniowej pirymidyny jak cytozyna, uracyl i tymina lub zbudowanej z dwóch pierścieni puryny jak adenina i guania.

Zasady pirymidynowe - zawierają sześcioczłonowy pierścień o dwóch atomach azotu. W zasadach wchodzących w skład kwasów nukleinowych pierścień ten jest podstawiony w pozycji 4 grupą aminową lub hydroksylową, natomiast w pozycji 2 zawsze grupą zawierającą tlen. Taka konfiguracja umożliwia tautomerię polegającą na tym, że atom wodoru może łączyć się z atomem tlenu, bądź z atomem azotu w pierścieniu. Z form tautomerycznych zasad pirymidynowych istotne są te, w których atom azotu w pozycji 1 związany jest z atomem wodoru. W nukleotydach ten właśnie atom wodoru zastąpiony jest resztą cukrową, która związana jest N-glikozydowo. W odróżnieniu od zasad pirymidynowych w zasadach purynowych do połączeń z resztą cukrową wykorzystywana jest ta odmiana tautomeryczna, która w pozycji 9 posiada wodór. W tym miejscu następuje połączenie węgiel-azot wiązaniem -C-N (wiązanie N-glikozydowe).

Cukier występujący w kwasach nukleinowych jest pentozą należącą do aldoz. Wśród aldo-pentoz istnieje szereg izomerów przestrzennych. Pentoza występująca w kwasach nukleinowych jest rybozą. W RNA ryboza występuje w formie niezmienionej, natomiast w DNA składnikiem cukrowym jest ryboza pozbawiona atomu tlenu przy węglu drugim cząsteczki, czyli 2-deoksyryboza.

Budowa łańcucha kwasu dezoksyrybonukleinowego - jest to wielocząsteczkowy polinukleotyd; liczne nukleozydy połączone są ze sobą za pomocą kwasu fosforowego wiązaniami dwuestrowymi.

Podobnie jak w białkach również i w kwasach nukleinowych wyróżniamy strukturę pierwszorzędną i drugorzędną.

Struktura pierwszorzędna - podaje strukturę nukleotydów w łańcuchu. Podaje się ją używając pierwszych liter występujących w nukleotydach zasad. Przykładowo fragment, w którym występują kolejno nukleotydy zawierające: ademinę, guaninę, cytozynę i wyminę można zapisać jako ATGCT.

Struktura drugorzędowa - określa przestrzenne ukształtowanie cząsteczki.

Na podstawie danych rentgenograficznych otrzymanych przez Wilkinsona i współpracowników, Watson i Crick zaproponowali model strukturalny, który następnie potwierdzono licznymi badaniami. Podstawą tego modelu jest założenie, że poszczególne zasady łączą się ze sobą parami za pomocą wiązań wodorowych. Jest to możliwe dla par adenina-tymina i guanina-cytozyna.

Wskutek takiego wiązania się parami następuje łączenie dwóch łańcuchów polinukleotydowych. Jednocześnie każda z zasad determinuje swój odpowiednik w drugim łańcuchu. Każda z figur odpowiada tylko określonemu partnerowi i w ten sposób determinuje go. Dwułańcuchowa wstęga ulega skręceniu i dwie cząsteczki okręcają się śrubowo dookoła siebie na kształt podwójnej linii.

DNA odpowiada za dziedziczenie informacji genetycznej w taki sposób, że określona sekwencja zasad w łańcuchu polinukleotydowym prowadzi do określonej sekwencji reszt aminokwasowych w łańcuchu polipeptydowym. Sekwencja zasad w cząsteczce DNA stanowi „informację” jaką niesie ze sobą gen, i która uzewnętrznia się w wywołaniu określonej cechy. Sekwencja zasad determinuje strukturę białek. Zachodzi to w ten sposób, że odpowiednia grupa trzech zasad tzw. kodon określa odpowiednie aminokwasy.

Wykład IV

Biochemia statyczna

Kwasy nukleinowe

Podwójny heliks DNA jest zbiorem zakodowanych informacji genetycznych organizmu. Informacja ta jest „przechowywana” w sekwencji zasad w łańcuchu polinukleotydowym, przy czym wiadomości są zapisywane w języku, który ma tylko 4 litery A, G , T, C (odpowiednio adymina, guanina, tymina i cytozyna) . DNA musi zatem zarówno przechowywać informację jak i ją wykorzystywać.

Funkcje te może spełniać dzięki swoim dwóm właściwościom:

1. Cząsteczki DNA mogą się powielać (repilikacja) tzn mogą powodować syntezę innych cząsteczek DNA identycznych z cząsteczkami wyjściowymi.

2. Cząsteczki DNA mogą dokładnie i w sposób specyficzny kierować syntezę białek charakterystycznych dla danego organizmu.

Proses powielania przebiega w ten sposób , że dwa łańcuchy tworzące cząsteczkę rozkręcają się, po czym każdy z nich dobudowuje sobie łańcuch komplementarny tzn taki sam z jakim poprzednio był połączony.

Komórki zawierają trzy podstawowe informacje RNA:

- informacyjny RNA (tzw mRNA z angielskiego messenger RNA)

- przenośnikowy RNA (tzw tRNA z anglielskeigo transfer RNA)

- rybosomalny RNA (tzw rRNA z angielskiego ribosomal RNA)

Nazwy te wskazują na różne funkcje odpowiednich kwasów nukleinowych.

Z chemicznego punktu widzenia trzy rodzaje RNA różnią się przede wszystkim ciężarem cząsteczkowym i składem zasad. Rybosomalny RNA ma ciężar cząsteczkowy około 500000 lub około 1000000. Informacyjne kwasy rybonukleinowe charakteryzują się ciężarem cząsteczkowym kilkuset tysięcy, a pod względem składu zasad upodabniają się do nici DNA . Natomiast przenośnikowe kwasy rybonukleinowe mają ciężary cząsteczkowe w granicach 25000-30000. Są one rozpuszczalne w cytoplazmie i dlatego nazywane są również rozpuszczalnym RNA.

Struktura drugorzędowa RNA jest mniej poznana niż struktura DNA. RNA zbudowany jest z pojedynczej nici polinukleotydowej. Niektóre jej odcinki mogą być jednak komplementarne. Powstają wtedy charakterystyczne pętle. DNA służy jako matryca , na której powstaje cząsteczka RNA, która jest nośnikiem informacji z jądra do cytoplazmy. W związku z tym nosi on nazwę informacyjnego RNA (mRNA). Informacyjny RNA (mRNA) powstaje, gdy podwójny heliks DNA jest częściowo rozwinięty. Wtedy dokoła pojedynczych nici DNA tworzą się łańcuchy RNA. W tym sensie proces ten przypomina samopowielanie DNA (replikacja ) z tą różnica, że nowy łańcuch zawiera rybozę zamiast deoksyrybozy (ten proces nazywa się transkrypcją).

Sekwencja zasad w łańcuchu RNA różni się od ich sekwencji w matrycy DNA lecz jest przez nią ściśle określona:

Zawsze naprzeciw adeniny w cząsteczce DNA pojawia się uracyl w cząsteczce RNA, naprzeciw guaninu - cytozyna, tyminy - adenina i naprzeciw cytozyny - guanina.

W ten sposób sekwencja AATCAGTT w DNA determinuje sekwencję UUAGUCAA w RNA.

Zsyntetyzowany na matrycy DNA mRNA w cytoplazmie łączy się w swoiste kompleksy z rybosomami. Kompleksy te noszą nazwę polisomów. W rybosomie każda grupa zasad mRNA łączy się z odpowiednim przenośnikiem RNA (tRNA) związanym z aminokwasem.

Na rybosomie mRNA przyłacza się odpowiednią liczbę cząsteczek tRNA, z których każda jest połączona z odpowiednim aminokwasem. Kolejność, w jakiej przyłączane są cząsteczki tRNA - tzn sekwencja, w jakiej aminokwasy są wbudowywane w łańcuch białkowy zależy od sekwencji zasad w łańcuchu mRNA. Ten proces biosyntezy białeka zachodzący na rybosomach z wykorzystaniem informacji genetycznej zawartej w mRNA nosi nazwę translakcji.

Tworzenie łańcuha peptydowego wymaga udziału dwóch białek: transferazy peptydowej biorącej udział w tworzeniu wiązania peptydowego peptydowego i czynnika przemieszczającego (translokazy), który następnie cząsteczkę mRNA przesuwa o jeden kodon.

Struktura cząsteczek kwasy nukleinowego okreśła jednoznacznie strukturę cząsteczek białka (enzymów), a ta określa w jaki sposób będą one kontrolowały procesy życiowe. Wymaga to jednak precyzyjnej logicznej regulacji i integracji poszczególnych procesów biochemicznych.

Wykład V

Biochemia dynamiczna

Kataliza enzymatyczna

1. Swoistość enzymu względem katalizowanej reakcji i względem substratu (specyficzność reakcji i specyficzność substratowa)

2. Budowa enzymu

holoenzym = koenzym + apoenzym

3. Mechanizm działania enzymów

E+S ↔ ES → E+S

Reakcja katalizowana przez enzym rozpoczyna się od związania substratów przez centrum aktywne enzymu i powstania przejściowego kompleksu enzym-substrat (E-S). Następnie zachodzi właściwa reakcja: połączenie cząsteczek substratów w produkt reakcji albo rozłożenie substratu na mniejsze cząsteczki. Reakcja kończy się uwolnieniem produktów przez enzym. Cząsteczka enzymu nie zużywa się podczas reakcji i po uwolnieniu produktów jest gotowa do przyłączenia nowych substratów.

Energia aktywacji - to energia, która muszą mieć cząsteczki (jony, atomy), aby były zdolne do określonej reakcji chemicznej; energię aktywacji wyraża się zwykle w kJ/mol reagujących cząsteczek; im mniejsza jest energia aktywacji tym reakcja zachodzi szybciej.

Jeżeli w czasie zderzeń substraty maja za małą energie reakcja nie zachodzi. Łączna liczba zderzeń między cząsteczkami wzrasta z temperaturą (cząsteczki poruszają się szybciej). Udział cząsteczek obdarzonych energią większą od energii aktywacji wzrasta wraz z temperaturą.

W reakcji katalizowanej wymagana jest znacznie niższa energia aktywacji E_akt. W identycznych warunkach temperatury, znacznie więcej cząsteczek ma energie przekraczające tę zmniejszoną wartość progową. Na wykresie odpowiada temu pole oznaczone szarym + czarnym kolorem łącznie.

Wpływ odczynu na aktywność enzymów:

Nazewnictwo i klasyfikacja enzymów

Enzymy dawniej poznane mają tradycyjnie używane nazwy zwyczajowe np. pepsyna, trypsyna. Często używanym sposobem tworzenia nazwy enzymu jest dodanie do nazwy rozkładanego związku końcówki „aza” np.:

- sacharoza - sacharaza

- dehydrogenacja (odłączenie H₂) - dehydrogenaza

- dekarboksylacja (odłączenie CO₂) - dekarboksylaza

Klasy enzymów wg klasyfikacji międzynarodowej:

- KLASA 1 - oksydoreduktazy - przenoszą ładunki (elektrony i protony) z cząsteczki substratu na cząsteczkę akceptora AH₂+ B → A+ BH₂

- KLASA 2 - transferazy - przenoszą daną grupę funkcyjną z cząsteczki jednej substancji na cząsteczkę innej substancji

AB+ C → A+ C

- KLASA 3 - hydrolizy- powodują rozpad substratu pod wpływem wody (hydroliza) AB+ H₂O → A+ B

- KLASA 4 - liazy- powodują rozpad bez udziału wody AB → A+ B

- KLASA 5 - izomerazy- zmieniają wzajemne położenie grup chem. wewn. cząsteczki związku AB→BA

- KLASA 6 - ligazy- powodują syntezę różnych cząsteczek; powstają wiązania chemiczne A+ B → AB

Wykład VI

Kinetyka reakcji enzymatycznych

Ilościowo szybkość reakcji określa się jako zmianę molowego stężenia substratu lub produktu w jednostce czasu. Jeżeli mamy równanie reakcji chemicznej A B + C +..., to szybkość reakcji opisuje równanie:

lub

Gdzie:

- stężenie molowe substancji A, B, C…

t - czas reakcji

- ubytek stężenia substratu w jednostce czasu

- przyrost stężenia produktów w jednostce czasu

k - współczynnik proporcjonalności (stała szybkości reakcji)

Szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do iloczynu stężeń substratów.

Jeżeli mamy równanie reakcji chemicznej aA + bB + cC dD to szybkość reakcji opisuje równanie:

Gdzie:

k - stała szybkość reakcji

(a, b, c) - wykładnik potęgi, do której należy podnieść stężenie, odpowiednio [A], [B], [C]

W przypadku reakcji gazowych często w równaniach kinetycznych zamiast stężeń molowych stosuje się ciśnienia cząstkowe.

Rząd reakcji

Współczynniki potęgowe (a, b, c) przy stężeniach poszczególnych substratów określają rząd reakcji, który może być cząstkowy lub sumaryczny.

- cząstkowy rząd reakcji - jeżeli a=1 to reakcja jest pierwszego rzędu względem A; jeżeli a=2 to jest to reakcja drugiego rzędu względem A itp. Cząstkowe rzędy reakcji, są równe tylko współczynnikom stechiometrycznym tych reagentów.

- sumaryczny rząd reakcji - jest to suma wykładników potęgowych w równaniu na szybkość reakcji (rząd reakcji = a + b + c +....).

Cząsteczkowość reakcji - jest to liczba cząsteczek biorących udział w najwolniejszym stadium reakcji. Cząsteczkowość i rząd reakcji wyznacza się tylko eksperymentalnie, nie można obliczyć ich teoretycznie.

Sumaryczny rząd reakcji jest przeważnie liczbą niecałkowitą, co oznacza, że reakcja przebiega przez etapy pośrednie, z których najwolniejszy decyduje o sumarycznym rzędzie reakcji. Na ogół rząd reakcji i cząsteczkowość są z reguły małymi liczbami nieprzekraczającymi wartości 3. Zagadnienie sprowadza się do tego, że równoczesne zderzenia większej liczby cząsteczek są mało prawdopodobne, a na sumaryczną szybkość reakcji wpływa przede wszystkim najwolniejszy etap pośredni będący przemianą elementarną i dlatego rząd reakcji jest mała liczbą.

Praktycznie pomiary szybkości reakcji wykazały, że szybkość jej nie jest stała, lecz maleje w miarę zużywania się substratów.

Rówanie Michaelisa - Menten:

Wzór na szybkość reakcji:

Gdzie:

V - szybkość początkowa (mol/litr)

S - stężenie substratu

V_max - szybkość maksymalna

Km - stała Michaelisa

Wykład VIII

Metabolizm węglowodanów - glikoza

Glikoza jest łańcuchem reakcji przekształcających glukozę (cukier prosty) w pirogronian z jednoczesną produkcją ATP.

Kolejne związki pośrednie na drodze od glukozy do pirogronianu w szlaku glikolizy:

1. Glukozo-6-fosforan - połączenie łańcucha węglowego z grupą fosforanową tworzy wiązanie wysokoenergetyczne. Przyłączenie grupy fosforanowej do 6-go węgla glukozy wymaga zużycia 1 cząsteczki ATP. Obecność grupy fosforanowej sprawia, że cząsteczka łatwiej wchodzi w następne reakcje.

2. Fruktozo-6-fozfosran - następuje przegrupowanie atomów wewnątrz cząsteczki.

3. Fruktozo-1,6-dwufosforan - następuje przyłączenie kolejnej grupy fosforanowej kosztem następnej cząsteczki ATP.

4. Gliceraldehydo-3-fosforan (2x) - nnastępuje rozpad łańcucha 6-węglowego na dwa łańcuchy 3-węglowe. Wszystkie dalsze przemiany występują podwójnie w stosunku do wyjściowej cząsteczki glukozy.

5. 1,3-dwufosfoglicerynian (2x) - następuje odłączenie dwóch atomów wodoru połączone z przyłączeniem kolejnej grupy fosforanowej. Atomy wodoru zostają przeniesione na NAD. Przyłączenie grupy fosforanowej tym razem nie wymaga ATP.

6. 3-fosfoglicerynian (2x) - odłączenie grupy fosforanowej sprzężone jest z odzyskaniem ATP.

7. 2-fosfoglicerynian (2x) - następuje przeniesienie grupy fosforanowej z węgla trzeciego na drugi.

8. Fosfoenolopirogronian (2x) - następuje odłączenie cząsteczki wody.

9. Pirogronian (2x) - następuje odłączenie grupy fosforanowej sprzężone z syntezą ATP.

Sumarycznie szlak glikolizy można przedstawić równaniem:

Glukoza + 2NAD + 2ADP + 2P 2C₃H₄O₃ (PIROGRONIAN) + 2NADH₂ + 2ATP

W szlaku glikolizy na początku zostają zużyte 2 cząsteczki ATP do przyłączania grup fosforanowych, następnie jednak odzyskane są 4 cząsteczki. Łącznie powstają więc 2 cząsteczki ATP oraz 2 cząsteczki NADH₂. Wodór z NADH₂ może zostać przetransportowany do łańcucha oddechowego. Powstanie wtedy 6 cząsteczek ATP z 2 cząsteczek NADH_2.

2 NADH₂ + O₂ + 6ADP + 6P 2 NAD + 2 H₂O + 6ATP

Łącznie więc na tym etapie spalania glukozy z 1 cząsteczki glukozy powstaje 8 cząsteczek ATP.

Cykl pentozowy (szlak pentozofosforanowy, rybulozowy) - to utlenianie glukozy na innej drodze niż wcześniej opisany szlak (glikolityczny). Ma znaczenie w metabolizmie jako źródło czynników redukujących do wytwarzania NADPH oraz jako mechanizm syntezy i dostarczania pentoz (cukrów pięciowęglowych). Sumarycznie z 6 cząsteczek glukozy wchodzących do cyklu 1 podlega całkowitemu utlenieniu, a 5 regeneruje się i ponownie wchodzi w cykl. Cykl ten poprzez związki trójwęglowe może łączyć się z cyklem Krebesa.

Przemiany w tym szlaku rozpoczynają się od glukozo-6-fosforanu, który na drodze różnych reakcji przekształca się w pięciowęglowy cukier: rybulozo-5-fosforan, odgrywający ważną rolę w reakcjach związanych z fotosyntezą, a także jest źródłem pentoz wchodzących w skład nukleotydów i kwasów nukleinowych. Podobnie jak glikoliza, zachodzi on w całości w cytoplazmie komórki.

Zachodzące przemiany najlepiej ukazują losy 3 cząsteczek glukozy:

1. Glukozo-6-fosforan (3x). (glukozo-6P) - reakcja jak w glikolizie.

2. 6-fosfoglukonian (3x) - następuje odłączenie 2 atomów wodoru od każdej cząsteczki i przeniesienie ich na NADP. Istotne jest, że wodór jest przenoszony NADP, a nie na NAD.

3. Rybulozo-5P (3x) - po dwa kolejne wodory zostają przeniesione na NADP, odłączona zostaje też cząsteczka dwutlenku węgla. Rybuloza jest cukrem 5-węglowym, a więc należy do grupy pentoz. (Ponieważ w cyklu tym fosforan jest przyłączony zawsze do ostatniego węgla, cyferka w nazwach kolejnych cukrów pośrednich oznacza również ilość atomów węgla w cząsteczce).

4. Ksylulozo-5P (2x), rybulozo-5P (1x) - przegrupowania atomów wewnątrz cząsteczek

5. Ksylulozo-5P (1x), sedoheptulozo-7P (1x), gliceraldehydo-3P (1x) - przegrupowania atomów pomiędzy tymi cząsteczkami.

6. Ksylulozo-5P (1x),fruktozo-6P (1x), erytrozo-4P (1x) - dalsze przegrupowania atomów pomiędzy cząsteczkami.

7. Fruktozo-6P (2x), gliceraldehydo-3P (1x) - dalsze przegrupowania atomów między cząsteczkami. Oba powstałe związki są produktami pośrednimi glikolizy. Mogą więc ulec spaleniu włączając się do tego cyklu. Mogą też zajść reakcje odwrotne do glikolizy, czyli może nastąpić odbudowanie glukozo-6P, co powoduje zamknięcie cyklu pentozowego. Glukozo-6P może wtedy ponownie wejść w reakcje tego cyklu.

Metabolizm węglowodanów - Cykl Entnera - Doudorffa:

W cyklu tym glukoza, po fosforylacji, podlega odwodornieniu i powstaje kwas

2-keto-3-dezoksy-6-fosfoglukonowy. Ten ostatni rozpada się na kwas pirogronowy i aldehyd 3-fosfoglicerynowy. Te półprodukty mogą następnie włączać się do cyklu Krebsa lub cyklu pentozowego.

Cykl Krebsa (kwasu cytrynowego):

Jeden z głównych cykli metabolicznych, ściśle związany z łańcuchem oddechowym, dzięki czemu stanowi podstawowe źródło ATP w organizmie. Jest końcowym miejscem utleniana cukrów, białek, tłuszczów. W wyniku niego następuje utlenianie substratów energetycznych - aminokwasów, kwasów tłuszczowych i węglowodanów. W postaci najczęściej acetylokoenzymuA (acetylo-CoA) otrzymanym w wyniku glikolizy i innych przemian biochemicznych np. beta - oksydacji. Często prekursorem acetylokoenzymuA jest inny kluczowy metabolit pirogronian.

W Procaryota enzymy cyklu kwasu cytrynowego zlokalizowane są w cytoplazmie, natomiast u Eucaryota w matriks mitochondrialnej.

Podczas jednego obrotu cyklu zachodzi 5 reakcji dehydrogenacji, w których wodór przenoszony jest na NAD+ lub FAD+. Zredukowane koenzymy są dalej utleniane w łańcuchu oddechowy. Początkową reakcją jest kondensacja acetylo-CoA ze szczawiooctanem, katalizowana przez syntetazę cytrynianową, gdzie wykorzystywana jest jedna cząsteczka wody i powstaje kwas cytrynowy i CoA. Kwas cytrynowy jest przekształcany w szczawiooctan w szeregu reakcji katalizowanych przez kolejne enzymy. Dwa razy zachodzi dekarboksylacja, przy czym atomy węgla opuszczające cykl, (jako CO₂) nie pochodzą z grupy acetylowej dołączanej przez CoA.

W wyniku reakcji powstają 3NADH+ + H+ i 1 FADH₂ oraz 1 cząsteczka GTP.

8

---