metabolizm

Bliskie spotkania z biologią
METABOLIZM
dr hab. Joanna Moraczewska, prof. UKW
Instytut Biologii Eksperymetalnej, Zakład Biochemii i Biologii Komórki
Metabolizm
całokształt przemian biochemicznych i
towarzyszących im przemian energii,
zachodzących w komórkach żywych organizmów
Komórkowe szlaki metaboliczne
substraty
związki
pośrednie
Katalizowane
przez enzymy
reakcje
biochemiczne
produkty
źródło: Berg, Tymoczko, Stryer „Biochemia” PWN, 2010
Enzymy
- cząsteczki białkowe (wyjątek – rybozymy zbudowane z RNA) zbudowane z
pojedynczych łańcuchów polipeptydowych lub z wielu podjednostek
Karbamoilotransferaza
Lizozym asparaginianowa
źródło: Berg, Tymoczko, Stryer „Biochemia” PWN, 2010
- często to białka złożone z części białkowej i kofaktora (koenzym, grupa
prostetyczna, jon metalu)
NADH (koenzym)
HOLOENZYM
reduktaza cytochromu b5
(apoenzym)
struktura: http//pl.wikipedia.org/
Enzym białkowy
Białko proste
Białko złożone (holoenzym)
apoenzym + kofaktor
koenzym
oddysocjowuje po
zakończonej reakcji
grupa prostetyczna
grupa na stałe
związana z enzymem
Wszystkie enzymy
- wiążą substrat w miejscu aktywnym poprzez wzajemne dopasowanie białka
i cząsteczki substratu (model indukowanego dopasowania)
Substrat
Kompleks ES
Enzym
źródło: Berg, Tymoczko, Stryer „Biochemia” PWN, 2010
Wszystkie enzymy
- są katalizatorami obniżającymi energię potrzebną do zapoczątkowania reakcji
(energię aktywacji)
Źródło: http//pl.wikipedia.org/
Wszystkie enzymy
- katalizują ściśle określone typy reakcji
EC
KLASA ENZYMÓW
KATALIZOWANE REAKCJE
EC1
Oksydoreduktazy
Reakcje oksydacyjno-redukcyjne
EC2
Transferazy
Przenoszenie grup funkcyjnych
EC3
Hydrolazy
Reakcje hydrolizy
EC4
Liazy
Enzymy odszczepiające od
substratów określoną grupę
(niehydrolitycznie) z wytworzeniem
podwójnego wiązania lub odwrotnie,
przyłączające grupy do podwójnych
wiązań
EC5
Izomerazy
Izomeryzacja
Ligazy
Enzymy katalizujące reakcje syntezy,
którym towarzyszy odszczepienie
reszt kwasu fosforowego od ATP lub
analogicznego trójfosforanu
EC6
http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/
Kofaktorami OKSYREDUKTAZ są:
nukleotydy nikotynamidowe ( NAD, NADP )
H+, el-
nukleotydy flawinowe ( FMN, FAD )
H+, el-
kwas liponowy
H+, el-, acyle
koenzym Q
H+, el-
cytochromy ( b, c, c1, a, a3 )
H+, el-
Kofaktorami TRANSFERAZ są:
koenzym A
grupy acylowe
pirofosforan tiaminy,
grupy aldehydowe, ketonowe
biotyna
COO- (CO2)
fosforan pirydoksalu
grupy aminowe
adenozynotrójfosforan ( ATP )
grupy fosforanowe
adenozynometionina
grupy metylowe
kwas tetrahydrofoliowy
grupy jednowęglowe
LIAZY, IZOMERAZY I LIGAZY współpracują z nielicznymi kofaktorami.
Najważniejszymi są:
-
pirofosforan tiaminy,
-
fosforan pirydoksalu,
-
koenzym A.
HYDROLAZY nie wymagają koenzymów do swego działania
Matura 2013, poziom rozszerzony
Podczas przemian metabolicznych w komórkach ważną rolę odgrywają związki
chemiczne pełniące funkcję przenośników.
Każdej z wymienionych reakcji (A–C) przyporządkuj właściwy związek
chemiczny (1–4), który w niej uczestniczy.
Związki chemiczne
1. ATP
2. ADP
3. NAD
4. NADH
Reakcje chemiczne
A. Redukcja
B. Fosforylacja
C. Dehydrogenacja
4
1
3
A. ................ B. ................. C. ................
Wszystkie enzymy
Szybkość reakcji [v]
- ulegają wysyceniu substratem
Stężenie substratu [S]
Szybkość reakcji [v]
Vmax jest to maksymalna szybkość jaką osiąga enzym w danych warunkach
reakcji i zależy od:
- warunków środowiska reakcji wpływających na sprawność enzymu
- ilości enzymu
Stężenie substratu [S]
Szybkość reakcji [v]
Km jest to stężenie substratu przy którym enzym osiąga połowę szybkości
maksymalnej i zależy od właściwości substratu i enzymu
Substrat (S) o
wysokim
powinowactwie
Substrat (S’) o niskim
powinowactwie
Stężenie substratu [S] i [S’]
Km określa powinowactwo substratu do enzymu w danych
warunkach reakcji i nazywane jest stałą Michaelisa-Menten
Matura 2013, poziom rozszerzony
Stała Michaelisa (Km) jest miarą powinowactwa enzymu do substratu – im
większe powinowactwo wykazuje enzym, tym mniejsze jest stężenie
substratu, przy którym szybkość reakcji jest równa połowie szybkości
maksymalnej.
W tabeli przedstawiono wartości stałej Michaelisa dla czterech różnych
substratów reakcji katalizowanych przez określony enzym.
Uszereguj substraty według wzrastającego powinowactwa enzymu do
tych substratów, wpisując w tabelę numery 1–4.
Substrat
Wartość Km(mol/l)
Numer
A
6,5 x 10-5
B
7,1 x 10-5
C
1,2 x 10-5
D
4,7 x 10-5
2
1
4
3
Na podstawie: J. Witwicki, W. Ardelt, Elementy enzymologii, Warszawa 1989.
Wiele enzymów
- podlega ścisłej regulacji, dzięki której katalizowana reakcja zachodzi z większą
lub mniejszą prędkością, a to umożliwia regulację całego szlaku metabolicznego
Substrat
Inhibitor
niekompetycyjny
Inhibitor kompetycyjny
Inhibitor akompetycyjny
źródło: Berg, Tymoczko, Stryer „Biochemia” PWN, 2010
Aktywność enzymów może być hamowana przez cząsteczki zwane inhibitorami.
Na schemacie przedstawiono dwa rodzaje hamowania aktywności enzymów
Na podstawie schematu opisz, na czym polega hamowanie:
kompetycyjne (A)
Hamowanie
kompetycyjne polega na współzawodniczeniu inhibitora i substratu o wiązanie w
.......................................................................................................................
miejscu
aktywnym. Działanie inhibitora można zmniejszyć zwiększając stężenie substratu.
... ..............................................................................................................................................
niekompetycyjne (B)
Hamowanie
niekompetycyjne polega na konformacyjnej zmianie w miejscu aktywnym na skutek
..................................................................................................................
wiązania
inhibitora do miejsca regulatorowego przestrzennie rozdzielonego od miejsca
....................................................................................................................................
aktywnego. Zwiększenie stężenia substratu nie przełamuje działania inhibitora.
METABOLIZM
KATABOLIZM - rozkład
związków chemicznych
występujących w żywności
oraz wcześniej istniejących
tkankach
ANABOLIZM - wymagająca
energii synteza złożonych
związków chemicznych,
prowadząca do wzrostu masy
organizmu i rozrostu jego
tkanek.
Oceń prawdziwość stwierdzeń dotyczących metabolizmu. Wpisz w
odpowiednie miejsca tabeli literę P, jeśli stwierdzenie jest
prawdziwe, lub literę F, jeśli stwierdzenie jest fałszywe.
P/F
1. W procesach anabolicznych produkty reakcji są związkami bardziej
złożonymi niż substraty.
P
2. Energia uwalniana w procesach anabolicznych jest wykorzystywana
do syntezy związków budulcowych.
F
3. Katabolizm to reakcje syntezy związków złożonych z substancji prostych,
wymagające dostarczenia energii.
F
Głównym zadaniem przemian katabolicznych jest
wytwarzanie energii metabolicznej.
Głównym, bezpośrednim donorem energii
swobodnej (Go’)w układach biologicznych ( a nie
formą długotrwałego jej magazynowania) jest ATP
(adenozynotrifosforan)
W ATP energia jest przechowywana w dwóch
wysokoenergetycznych wiązaniach fosforanowych
Biosyntezy
Transport
Sygnalizacja komórkowa
Praca mechaniczna
Ciepło
ATP
ADP+ Pi
fosforylacja fotosyntetyczna
fosforylacja substratowa
fosforylacja oksydacyjna
(Utlenianie cząsteczek pokarmowych i zapasowych)
Podstawowe szlaki kataboliczne
TŁUSZCZE
POLISACHARYDY
BIAŁKA
glukoza
aminokwasy
kw. tłuszczowe
glicerol
CoA
acetylo-CoA
Łańcuch
oddechowy
O2
Cykl
Krebsa
ADP
ATP
CO2
Etapy wewnątrzkomórkowego utleniania glukozy
Fosforylacja
oksydacyjna
Źródło: Biologia. Podręcznik. Tom 3. PWN 2004
Metabolizm beztlenowy
Glikoliza – pierwszy etap utleniania glukozy
C-6
C-6-P
C-1,6-PP
2 C-3-P
Fosforylacja substratowa
2 C-3
Losy pirogronianu
Fermentacja
alkoholowa
Fermentacja
mlekowa
Oddychanie
beztlenowe
Oddychanie tlenowe
Metabolizm beztlenowy
źródło: Berg, Tymoczko, Stryer „Biochemia” PWN, 2010
W tabeli porównano oddychanie tlenowe i beztlenowe.
30
2
Wykorzystując informacje zamieszczone w tabeli, podaj dwa argumenty
potwierdzające następującą tezę: „Oddychanie beztlenowe jest rozrzutnym
sposobem uzyskiwania energii koniecznej do życia”.
1. W oddychaniu beztlenowym częściowe utlenienie sześciowęglowej glukozy prowadzi do
................................................................................................................................
otrzymania zaledwie 2 cz. ATP, a w efekcie całkowitego utlenienia podczas oddychania
tlenowego otrzymuje się aż 30 cz. ATP.
................................................................................................................................
2. Oddychanie beztlenowe prowadzi do gromadzenia mleczanu, produktu ubocznego, który
musi być usunięty z komórki i zneutralizowany, co również wymaga wkładu energii.
Matura 2013, poziom rozszerzony
Niektóre bakterie i grzyby uzyskują energię w procesie fermentacji mleczanowej (mlekowej).
Pierwszym etapem fermentacji jest glikoliza, w czasie której glukoza jest przekształcana do
pirogronianu i zostaje uwolniona energia. W następnym etapie pirogronian jest przekształcany
w mleczan. Mleczan jest związkiem szkodliwym dla komórki, natomiast pirogronian to związek
kluczowy w przemianach metabolicznych.
Na schemacie przedstawiono przebieg fermentacji mleczanowej.
Na podstawie: E. Solomon, L. Berg, D. Martin, C. Villee, Biologia, Warszawa 1996.
Wyjaśnij, jakie znaczenie dla przebiegu fermentacji mleczanowej ma przekształcanie
pirogronianu w mleczan podczas tego procesu.
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
Metabolizm tlenowy
Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu- drugi etap
Cykl Krebsa (cykl kwasu cytrynowego) - trzeci etap
Krysty
Przestrzeń międzybłonowa
Macierz
Błona zewnętrzna
Błona wewnętrzna
źródło: Berg, Tymoczko, Stryer „Biochemia” PWN, 2010
Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianudrugi etap (metabolizm tlenowy) zachodzący
w mitochondriach
Pirogronian (C-3)
NAD+
CoA
NADH + H+
CO2
↑
Acetylo-CoA (C-2)
Cykl Krebsa
Acetylo-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi
2 CO2 + CoA + GTP + 3 NADH + FADH2
Acetylo-CoA
3 NADH + H+
Łańcuch oddechowy i fosforylacja oksydacyjna czwarty etap zachodzący na wewnętrznej błonie
mitochondrialnej
Krysty
Przestrzeń międzybłonowa
Macierz
Błona zewnętrzna
Błona wewnętrzna
Źródło: Biologia. Podręcznik. Tom 3. PWN, 2004
PODSUMOWANIE
1. Na metabolizm składają się reakcje kataboliczne i anaboliczne
2. Reakcje metaboliczne zachodzą z udziałem katalizatorów biologicznych - enzymów
3. Podstawowym przenośnikiem energii swobodnej jest ATP
4. Źródłem energii metabolicznej jest oddychanie komórkowe
5. Oddychanie tlenowe dostarcza wielokrotnie więcej energii niż oddychanie beztlenowe
6. Głównym źródłem energii komórkowej jest glukoza, utleniana na szlaku glikolizy,
a nastepnie w cyklu Krebsa