METABOLIZM.doc

SZLAKI METABOLICZNE

* ciągi (szeregi) reakcji zachodzących kolejno po sobie i prowadzących do powstania ściśle określonego produktu (lub produktów)

REAKCJE KATABOLICZNE

* przemiany egzoergiczne

* uwalniają energię, więc mogą zachodzić samorzutnie

* powstają produkty o poziomie energetycznym niższym niż substraty

* są to przede wszystkim reakcje rozpadu, np. zachodzące podczas oddychania komórkowego czy trawienia

REAKCJE ANABOLICZNE

* przemiany endoergiczne

* wymagają dostarczenia energii

* powstają produkty o poziomie energetycznym wyższym

niż substraty

* syntezy związków bardziej złożonych z prostych, np. zachodzące w fotosyntezie, biosyntezie białka czy podczas wiązania azotu atmosferycznego przez niektóre bakterie

METABOLIZM

* całokształt przemian energii i materii zachodzących w organizmie

* cecha istot żywych

* jego ustanie jest sygnałem śmierci zarówno pojedynczej komórki jak i całego organizmu wielokomórkowego

* składają się na niego tysiące reakcji chemicznych

CYKLE BIOCHEMICZNE

* specyficzna odmiana szlaków metabolicznych

* tworzą zamknięte pętle, w których część produktów jest jednocześnie substratami dla pierwszej reakcji

* niektóre złożone procesy biochemiczne (fotosynteza, oddychanie komórkowe, synteza aminokwasów, białek, tłuszczów czy usuwanie zbędnych i szkodliwych produktów końcowych przemiany materii) składają się z kilku powiązanych funkcjonalnie szlaków metabolicznych

* szlaki syntezy nigdy nie pokrywają się całkowicie ze szlakami rozpadu

ENZYMY

* specjalne białka, biorące udział w pokonaniu ograniczenia, jakim jest bariera progu energetycznego reakcji

- organizmy mogą funkcjonować w wąskim przedziale od kilku do 35-40°C (poza bakteriami termofilnymi)

- wówczas energia wewnętrzna reagującego układu jest bardzo niska

- w takich warunkach energia nie wystarcza do pokonania bariery progu energetycznego

- znaczące zwiększenie szybkości reakcji przez podniesienie temperatury spowodowałoby uszkodzenie większości białek i śmierć organizmu

* enzymy są biokatalizatorami, gdyż mają zdolność do znacznego zwiększania szybkości reakcji chemicznych w warunkach ustrojowych

- znacznie obniżają energię aktywacji w stosunkowo niskich temperaturach

* same enzymy nie ulegają przy tym przemianom (nie zużywają się w reakcjach, które same przeprowadzają)

OGRANICZENIA ENZYMÓW

* w warunkach ustrojowych enzymy mogą przyspieszać jedynie reakcje egzoergiczne

* rozwiązaniem tego jest takie podniesienie poziomu energetycznego substratu lub substratów, by reakcja stała się egzoergiczna

* w porównaniu z katalizatorami nieorganicznymi enzymy wpływają na szybkość reakcji tak, że może ona być kilka rzędów wielkości większa, co wynika m.in. ze zdolności enzymów do bardzo dokładnego rozpoznawania substratów – specyficzności substratowej enzymu

- zwykle dany rodzaj enzymu przeprowadza tylko jeden rodzaj reakcji (nie jest to jednak reguła, gdyż znane są enzymy posiadające kilka aktywności enzymatycznych, np. polimeraza DNA I z komórek E.coli, która przeprowadza m.in. replikację)

- nie oznacza to, że enzym po przeprowadzeniu jednej reakcji ulega zniszczeniu

- jedna cząsteczka enzymu może przeprowadzać ogromne ilości takich reakcji

- żywotność każdej struktury jest ograniczona, dlatego po pewnym czasie cząsteczki każdego enzymu ulegają zestarzeniu (zużyciu), a ich ilość musi zostać uzupełniona

CZĄSTECZKA ENZYMU

* większość enzymów to białka złożone

* w kompletnej cząsteczce wyróżniamy:

- część białkową

- część niebiałkową

* grupa prostetyczna enzymu – część niebiałkowa trwale związana z białkową

* koenzym – połączenie części niebiałkowej z białkową jest nietrwałe (odwracalne)

- część białkowa koenzymu – apoenzym

- cały enzym – holoenzym

- są to m.in. witaminy

* duże cząsteczki posiadające na swej powierzchni centrum aktywne (małe zagłębienie), zawierające odpowiednie aminokwasy

- w tym miejscu przyłącza się niebiałkowy składnik enzymu (jeśli występuje)

- grupy kataliczne enzymu – łańcuchy boczne aminokwasów tworzące centrum aktywne

(są odpowiedzialne za rozpoznawanie, wpasowywanie i przemiany konkretnego substratu)

- rodzaj i rozmieszczenie przestrzenne aminokwasów w centrum decydują o właściwościach danego enzymu

KORZYŚCI WYNIKAJĄCE Z OBECNOŚCI ENZYMU

* budowa centrum aktywnego umożliwia nietrwałe połączenie enzymu (E) z odpowiednim substratem (S) –

kompleks enzym-substrat (E-S)

- w chwili jego powstania dochodzi do przemieszczenia określonych elektronów substrat (substratów)

- skutkiem jest powstawanie nowych wiązań lub rozrywanie istniejących

* obniżenie energii aktywacji wynika z tego, że wiązania chemiczne substratu w momencie wpasowywania się w centrum aktywnym ulegają naprężeniu

* dzięki obecności enzymu w reakcji możliwe jest prawidłowe zorientowanie substratu w przestrzeni

- w roztworze z enzymem cząsteczki nie zderzają się bezładnie, przez co rośnie prawdopodobieństwo zderzeń efektywnych (skutecznych)

* ostateczne korzyści wynikające z obecności enzymu:

- zmniejszenie energii aktywacji reakcji

- szybsze osiągnięcie stanu równowagi reakcji (enzym nie przesuwa jednak stanu równowagi)

SPECYFICZNOŚĆ

RÓŻNICE MIĘDZY ENZYMAMI

* enzymy różnią się specyficznością

* amylazy (enzymy trawienne przewodu pokarmowego człowieka) rozkładają wiązania Alfa-glikozydowe w cukrach

- nie ma większego znaczenia, czy substratem jest skrobia, czy glikogen

* anhydraza węglanowa występuje m.in. we krwi

- katalizuje tylko reakcję między dwutlenkiem węgla a wodą

* enzymy dzielimy na sześć klas głównych, przy czym za podstawowe kryterium uznaje się rodzaj przeprowadzanej reakcji

MODEL INDUKCYJNEGO DOPASOWANIA

* zakłada, że w rzeczywistości konformacja (struktura przestrzenna) substratu i centrum aktywnego nie są identyczne

* w momencie powstawania kompleksu enzym-substrat następuje swoiste „wciągnięcie” substratu do centrum aktywnego, czemu towarzyszy niewielkie naprężenie wiązań w obu składnikach kompleksu E-S

* w tej sytuacji już mała porcja energii wystarcza do pokonania progu energetycznego reakcji

* do zmiany jonów dochodzi jedynie w substracie, gdyż większa masa cząsteczek enzymu wpływa na dużą stabilność i mniejszą podatność na odkształcenia

* czasem mówi się więc, że substrat pasuje do enzymu jak ręka do rękawiczki

MODEL ZAMKA I KLUCZA

* zaproponowany pod koniec XIX wieku

* dobrze oddaje specyficzność enzymów

* zakłada, że substrat pasuje do centrum aktywnego jak klucz do zamka

* model nie wyjaśnia jednak wszystkich aspektów katalizy enzymatycznej

* modelowanie matematyczne wykazało, że samo precyzyjne dopasowanie substratu do centrum aktywnego, nie pozwoliłoby na tak znaczne obniżenie energii aktywacji