Biochemia

Uniwersytet Warszawski
Skrypt
Biochemia
2007/08
Warszawa
E W (treść)
P S (skład)
Georges Maltsiniotis (przepisywacz)
Ieke Moerdijk (sprawdzacz)
Pierre Schapira
Christoph Sorger
© 2008 PS
All rights reserved
Wszelkie prawa zastrzeżone
Do momentu ustalenia jakie prawa do wykładu rości wykładowca, twórca notatek i osoby przepisujące poszczególne wykłady
trudno ustalać jaką treść powinna nieść ta strona.
Najlepiej byłoby gdyby skrypt był wydany jako skrypt „otwarty”, tj. kopiowanie, nanoszenie poprawek i używanie go
w celach prywatnych było dozwolone pod warunkiem zachowania informacji o naniesionych poprawkach. Skrypt należy
kopiować w całości (z wyłączeniem oczywisych przypadków).
W przypadku używania w celach publicznych uważam, że wskazane byłoby wymaganie poinformowania o tym fakcie kogoś
z twórców skryptu, który miałby prawo odmówić w przypadku uzasadnionym (przypadek uzasadniony: drukowanie skryptu
na papierze toaletowym).
Za niedopuszczalną uznałbym jednak odmowę użycia skryptu przez kogokolwiek w rozsądnych celach dydakycznych..
Powyższe nie jest napisane językiem prawniczym, jednak proszę podchodzić do tego z rozsądkiem.
Wydrukowane najprawdopodobniej przez Ciebie.
Kontakt:
[email protected]
Wyklad
Wyklad
Wyklad
Wyklad
Wyklad
Wyklad
Wyklad
Wyklad
Wyklad
Wyklad
Wyklad
Wyklad
Wyklad
Wyklad
Wyklad
pierwszy:
drugi:
trzeci:
czwarty:
piąty:
szósty:
siódmy:
ósmy:
dziewiąty:
dziesiąty:
jedenasty:
dwunasty:
trzynasty
czternasty
piętnasty
NN
NN
NN
NN
MK
NN
NN
NN
PR
NN
EW
NN
MK
NN
NN
Pierwsza wersja, bez treści:
Druga wersja, wykład pierwszy wersja beta
Trzecia wersja, wstawione wykłady 1-7
14 lutego 2008
23 lutego 2008
7 marca 2008
Wszystkie rysunki użyte w skrypcie są własnością publiczną.
(z zastrzeżeniem fragmentów skryptu będącego w obróbce, mogą tam przez przypadek pojawić się rysunki chronione prawem
autorskim)
Podziekowania
Człek szlachetny prawdziwie po
omacku odnajdzie drogę swą
szczęśliwie
J. W. Goethe „Faust”
Wszystkim serdecznie dziękujemy. A w szczególności autorom podręczników[1, 2, 3] – patrz bibliografia.
A teraz dużo tekstu żeby zobaczyć co stanie się jeśli przejdziemy na drugą stronę. Numerowanie
powinno być poprawne przy użyciu małych cyfr rzymskich. A
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
ii
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
Biochemia
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
Spis treści
Spis treści
iii
1 Wstęp
1.1 Istota biochemii: . . . . . . . . . . .
1.2 Krótka historia biochemii . . . . . .
1.3 Działy biochemii . . . . . . . . . . .
1.4 Ogólna charakterystyka metabolizmu
1.5 Termodynamika reakcji chemicznych
1.6 Związki wysokoenergetyczne . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
2 Cos
1
1
1
2
3
3
5
9
3 Jakis 3
21
4 4
31
5 Białka
45
6 Katabolizm
6.1 Proces kataboliczny . . . . . . . .
6.2 Procesy anaboliczne . . . . . . . .
6.3 Glukoneogeneza . . . . . . . . . . .
6.4 Szlak glukoneogenezy . . . . . . . .
6.5 Cykl Corich . . . . . . . . . . . . .
6.6 Koszt energetyczny . . . . . . . . .
6.7 Nukleozudocukry, nukleotydocukry
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
59
59
59
60
63
65
65
66
7 Biosynteza
73
Bibliografia
87
Wykład 1
Wstęp
Od lat dziesięciu za nos wodzę po
krętej poszukiwań drodze swych
uczniów głupkowatą sforę
J. W. Goethe „Faust”
1.1
Istota biochemii:
Biochemia – nauka o składnikach chemicznych organizmów żywych i procesach, którym podlegają.
Zajmuje się budową organizmów i ich funkcjami w kategoriach molekularnych. Podstawowe pytania,
na jakie stara się odpowiedzieć są związane z następującymi zagadnieniami:
ˆ struktura chemiczna składników materii ożywionej
ˆ ich wzajemne oddziaływanie (np. w obrębie błon biologicznych)
ˆ pozyskiwanie energii niezbędnej do podtrzymania procesów życiowych
ˆ komunikowanie się komórki z otoczeniem – z innymi komórkami, organizmami i otoczeniem zewnętrznym
ˆ procesy chemiczne towarzyszące wzrostowi, reprodukcji, starzeniu się i śmierci komórki
ˆ integracja i regulacja procesów biochemicznych
1.2
Krótka historia biochemii
Początki biochemii sięgają końca XVIII w. Dwoma głównymi jej korzeniami były: 1) powstająca w tym
czasie chemia organiczna; 2) rozwijająca się w związku z rozwojem medycyny od XVII w. tzw. chemia
fizjologiczna.
Chemia organiczna
W tym czasie chemia organiczna utożsamiana była z chemią związków naturalnych. Dopiero w 1828
r. niemiecki chemik F. Wohler zsyntetyzował pierwszą substancję organiczną: mocznik (z amoniaku i
cyjanku ołowiu).
NH4 NCO −−→ H2 N−CO−NH2
Nadal uważano jednak, że w komórkach żywych związki organiczne wytwarzane są przy udziale
specyficznej „siły życiowej”. Dopiero w 1897 r. H. I E. Wichnerowie wykazali, że nie tylko drożdże
są w stanie przeprowadzać fermentacje alkoholową, ale może zachodzić ona także w bezkomórkowych
ekstraktach z drożdży (zawierających enzymy odpowiedzialne za ten proces).
2
Biochemia
Pierwszy enzym wyodrębniony został w 1926 r. przez Sanberga, który otrzymał krystaliczną ureazę
(enzym rozszczepiający mocznik do amoniaku i CO2 ) z nasion fasoli. Wykazał on jednocześnie, że
jest ona białkiem; do tej pory sądzono, że co prawda w skład enzymów wchodzą białka, ale stanowią
tylko nieaktywną matrycę, a rzeczywistą funkcje biokatalityczną pełnią substancje drobnocząsteczkowe
rozmieszczone na tej białkowej matrycy.
Chemia fizjologiczna
Dosyć wcześnie stwierdzono, że skład chemiczny płynów ustrojowych (ślina, osocze krwi, mocz, pot)
zmienia się w związku z różnymi procesami chorobowymi. Znalazło to zastosowanie w diagnostyce wielu
chorób, np. obecność cukru w moczu świadczy o cukrzycy. W ostatnim czasie nastąpił szczególny postęp
w tej dziedzinie (np. oznaczanie enzymów, wykrywanie wirusowego DNA, markery molekularne chorób
nowotworowych).
Termin biochemia
Po raz pierwszy terminu biochemia użył Neuberg w 1903 r., a upowszechnił się on w latach 30 XX w..
W początkowych latach (do lat 40. lub połowy 50. XX w.) biochemia rozwijała się w związku z chemią
– katedry biochemii (chemii biologicznej) funkcjonowały na wydziałach chemicznych. Przez długi czas
biologowie negowali bowiem znaczenie biochemii w naukach biologicznych, zarzucając biochemikom zbyt
analityczne podejście.
Watson i Crick
Przełom nastąpił w 1953 r., kiedy Watson i Crick przedstawił model struktury DNA. Pozwoliło to w
ciągu następnych 10 lat (do połowy lat 60. XX w.) przedstawić i zweryfikować eksperymentalnie kolejne
hipotezy dot. przechowywania i przekazywania informacji genetycznej (kod genetyczny, replikacja DNA,
ekspresja informacji genetycznej).
Największe osiągnięcia biochemii
ˆ Wyjaśnienie molekularnych mechanizmów patogenezy → opracowanie skutecznych leków i nowych
metod leczenia (świadome dobieranie odpowiedniej substancji, a nie stosowana wcześniej w farmakologii metoda prób i błędów) np. statyny – leki stosowane w leczeniu miażdżycy
Miażdżyca jest choroba cywilizacyjną i stanowi drugą po nowotworach najczęstszą przyczynę zgonów. Jednym z głównych czynników ryzyka miażdżycy jest zbyt wysoki poziom cholesterolu we
krwi (hipercholesterolemia). Istnieją dwa źródła cholesterolu we krwi: pochodzi on z pożywienia i
jest syntetyzowany endogennie w wątrobie. U osób zdrowych egzo- i endogenny cholesterol pozostają w homeostazie, u chorych równowaga ta jest zaburzona. Stosuje się wtedy odpowiednia dietę,
ograniczenie spożycia tłuszczów zwierzęcych, jednak to nie wystarcza ze względu na syntezę cholesterolu w organizmie. Kluczowym enzymem przeprowadzającym syntezę cholesterolu jest reduktaza
3-hydroksy-3metylobutyrylu CoA. Pewne substraty grzybowe – statyny – dzięki podobieństwu do
substratu i produktu tego enzymu są bardzo silnymi, selektywnymi inhibitorami tego enzymu.
ˆ Wyjaśnienie związku między strukturą przestrzenną molekuł (np. białek) a ich funkcją biologiczną
ˆ Wyjaśnienie molekularnych mechanizmów regulacji hormonalnej i neurohormonalnej
ˆ Systematyka molekularna
ˆ Biochemia ekologiczna – oddziaływania miedzy osobnikami tego samego gatunku lub różnych
gatunków (alleopatia, feromony)
1.3
Działy biochemii
Biochemia strukturalna (statyczna): struktura składników organizmów żywych oraz metodyka
oznaczania jakościowego i ilościowego tych substancji
WYKŁAD 1. WSTĘP
3
Biochemia metaboliczna (dynamiczna): procesy biochemiczne, ich energetyka, integracja i regulacja
Biochemia genetyczna (genetyka molekularna): molekularne mechanizmy przechowywania, przekazywania i ekspresji informacji genetycznej
Biologia molekularna: Termin „biologia molekularna” powstał w II poł. lat 60. XX w. Pierwotnie
określał te działy biochemii, genetyki i mikrobiologii, które nagle zetknęły się ze sobą. Funkcjonuje
jednak również w szerszym zakresie, obejmując wtedy wszelkiego rodzaju badania biologiczne
prowadzone na poziomie molekularnym i w tym znaczeniu do biologii molekularnej należy cała
biochemia. (W tym też znaczeniu rozumiana jest specjalizacja biologia molekularna na naszym
wydziale.)
1.4
Ogólna charakterystyka metabolizmu
Metabolizm komórkowy obejmuje reakcje biochemiczne zachodzące w komórce (np. w komórce E.coli
znanych jest ok. 1000 reakcji, u eukariotów jeszcze więcej). Reakcje te są połączone w szlaki i cykle
metaboliczne.
Nie wszystkie szlaki metaboliczne są równie ważne z punktu widzenia przepływu materii i energii.
Podstawowe procesy metaboliczne przebiegają we wszystkich komórkach wg bardzo podobnego schematu. (uniwersalność procesów metabolicznych)
Procesy metaboliczne możemy podzielić na dwie grupy; niektórzy wyróżniają jeszcze trzecią:
1. Procesy kataboliczne
a) Degradacja składników pokarmowych, materiałów zapasowych oraz składników organizmu,
które nie są w danym momencie potrzebne – często do prostych związków nieorganicznych
(CO2 , H2 O, amoniak, H2 S)
b) Cel:
i. pozyskiwanie energii niezbędnej do przeprowadzania procesów życiowych (do syntez, pracy
osmotycznej, pracy mechanicznej)
ii. pozyskiwanie substancji drobnocząsteczkowych stanowiących uniwersalne jednostki budulcowe (np. aldehyd 3-fosfoglicerynowy, acetyloCoA, pirogronian)
2. Procesy anaboliczne
a) Procesy syntezy własnych cząsteczek o charakterze strukturalnym, zapasowym, transportowym, enzymatycznym, regulacyjnym, informacyjnym
b) Wymagają nakładu energii (sumarycznie, poszczególne etapy mogą dostarczać energii).
3. Procesy amfiboliczne
a) Są to procesy odwracalne.
b) W pewnych warunkach fizjologicznych mogą przebiegać katabolicznie, w innych anabolicznie.
1.5
Termodynamika reakcji chemicznych
Czy reakcja może zajść spontanicznie (w zaznaczonym kierunku)?
A + B −−→ C + D
Druga zasada termodynamiki:
proces spontaniczny ⇔ (∆Suk + ∆Sotocz ) > 0
gdzie:
S – entropia (stopień uorganizowania materii)
(1.1)
4
Biochemia
∆G = ∆Huk + T ∆Suk
(1.2)
gdzie:
G – energia swobodna (ta część energii, która jest wyzwalana/pobierana w danym procesie i która w
warunkach stałego ciśnienia i temperatury może być wykorzystana do wykonania pracy)
H – entalpia
∆H = ∆E − p∆V,
(1.3)
gdzie:
E – energia wewnętrzna układu
p – ciśnienie
V – objętość
Reakcje biochemiczne przebiegają w rozcieńczonych roztworach wodnych, a zatem pod stałym ciśnieniem i w stałej objętości:
p = const, V = const ⇒ p∆V ∼
= ∆E
= 0 ⇒ ∆H ∼
(1.4)
Podstawiając tę równość (4) do wzoru (2) otrzymujemy ostatecznie: ∆G =
p∆E + T ∆Suk
(1.5)
Dla ∆G < 0 ⇒ Reakcja może przebiec spontanicznie z wydzieleniem energii (reakcja egzoergiczna,
termodynamicznie „korzystna”).
Dla ∆G > 0 ⇒ reakcja nie może przebiec spontanicznie z wydzieleniem energii (reakcja endoergiczna,
termodynamicznie „niekorzystna”).
Reakcja termodynamicznie „niekorzystna” może zajść pod warunkiem sprzężenia z reakcją termodynamicznie „korzystną” tak, aby sumarycznie ∆G < 0. Może to się odbywać na dwa sposoby: na zasadzie
wspólnego metabolitu lub dzięki sprzęganiu przez związki wysokoenergetyczne.
Zasada wspólnego metabolitu
A + B −−→
C −−→
A + B −−→
C+D
E
D+E
∆G = +20kJ/mol
∆G = −36kJ/mol
∆G = −16kJ/mol
ˆ ∆G zależy wyłącznie od energii swobodnej produktów (stan końcowy) i substratów (stan początkowy), a nie zależy od drogi i mechanizmu przemiany, np. spalanie glukozy w probówce i glikoliza
ˆ Wartość ∆G informuje o możliwości spontanicznego zajścia reakcji, lecz nie informuje o szybkości
zachodzenia tej reakcji.
(Energia aktywacji – porcja energii, która musi zostać dostarczona, aby zainicjować reakcję. Enzymy
jako biokatalizatory obniżają energię aktywacji.)
∆G a stężenie reagujących substancji
Niech:
A + B −−→ C + D
Wówczas
∆G = ∆G0 + RTln [C][D] / [A][B]
gdzie ∆G0 – wzorcowa zmiana energii swobodnej (taka że: [A]=[B]=[C]=[D] ⇒ ∆G0 = ∆G)
Wartość ∆G0 łatwo obliczyć, znajdując stała równowagi reakcji. W stanie równowagi reakcji:
∆G = 0, a [C][D] / [A][B] = Keq , więc ∆G0 = -RTlnKeq = -2.303 RTlogKeq
WYKŁAD 1. WSTĘP
5
Reakcje biochemiczne bardzo silnie zależą od pH środowiska, m. in. dlatego, że w ich mechanizmach
0
bardzo często występują H+ lub OH− . Z tego powodu wprowadzono ∆G0 – biologiczną wartość wzorcowej
zmiany energii swobodnej (dla pH=7).
0
∆G0 < 0 (minus kilkanaście/kilkadziesiąt kJ/mol) ⇒ Reakcja bardzo łatwo zachodzi spontanicznie.
0
∆G0 > 0 ⇒ Reakcja w komórce nie zajdzie w ogóle.
0
∆G0 ∼
= 0 ⇒ Wszystko zależy od stężenia substratu.
W podręcznikach anglosaskich bardzo często używane są stare jednostki energii – kalorie [cal]1 i
kilokalorie [kcal]. My będziemy używać jednostek układu SI – dżuli [J] i kilodżuli [kJ].
1.6
Związki wysokoenergetyczne
Związki wysokoenergetyczne – zawierają rozszczepialne/labilne wiązania, których rozszczepienie/rozpad
powoduje wydzielenie energii w ilości do najmniej –30kJ/mol.
Adenozynotrifosforan
ATP = adenozynotrifosforan = trifosforan adenozyny
Budowa cząsteczki:
ˆ adenina + ryboza + 3 reszty kwasu ortofosforowego: α, β i γ (przyłączone liniowo do grupy –OH
przy węglu C5 rybozy)
ˆ 2 wiązania wysokoenergetyczne między terminalnymi grupami fosforanowymi
Rysunek 1.1: Adenozyno-5’-trifosforan (ATP)
Rozkład ATP następuje na dwa sposoby:
ATP−azy
∆G0 = −30, 6kJ/mol
ATP−azy
∆G0 = −30, 6kJ/mol
ATP + H2 O −−−−−−→ ADP + Pi
ATP + H2 O −−−−−−→ ADP + Pii
0
0
kinazy
ATP + OH−R −−−−→ ADP + PO2−
3 −O−R
Pii = nieorganiczny pirofosforan – tez zawiera wiązanie wysokoenergetyczne, np. u roślin może być
wykorzystywany do napedzania pomp protonowych
ATP ma duży potencjał przenoszenia reszt fosforanowych – chętnie oddaje terminalną resztę fosforanową.
Inne nukleozydotrifosforany (NTP):
GDP – translacja i synteza białek
CTP – przemiany lipidów
11
kcal = 4,126 kJ
6
Biochemia
UTP – metabolizm cukrowców
kinazyNTP−azowe
NTP pozostają w równowadze z ATP, zgodnie z reakcją: NDP + ATP −−−−−−−−−−−−→ NTP + ADP,
na przykład GDP + ATP −−→ GTP + ADP .
W każdym momencie życia w ciele człowieka o wadze 70kg znajduje się zaledwie kilka gramów ATP, ale
organizm wytwarza ponad 40kg ATP na dobę. Cząsteczki ATP żyją bardzo krótko, ich okres półtrwania
wynosi ok. 0,5 min.
Mieszane bezwodniki, np. 1,3-bisfosfoglicerynian
Rysunek 1.2: 1,3-bisfosfoglicerynian
Fosforany enoli, np. fosfoenolopirogronian
O
HO
O
OH
P
HO
O
Rysunek 1.3: Fosfoenolopirogronian
Fosforany guanidyn, np. fosfokreatyna
Rysunek 1.4: Fosfokreatyna
WYKŁAD 1. WSTĘP
7
Trioestry, np. acetyloCoA, ogólniej acyloCoA
N
HO
O
O
O
N
N
N
O
P
OH
HO
O
N
P
O
S
O
N
O
N
O
O
O
P
HO
Rysunek 1.5: AcetyloCoA
OH
OH
Wykład 2
Cos
Nauka: opium, które uśmierca
siłę życiową
J. W. Goethe „Faust”
TODO: Rysunki tu użyte mają nieznane źródło (dla mnie nieznane). Trzeba niezwłocznie
ustalić ich status lub zastąpić czym innym.
związki wysokoenergetyczne
6= związki bogate w energię
np. ATP
np. glukoza
Energia w nich zawarta,
żeby mogła być wykorzystana,
musi zostać przekształcona w energię wiązań
związków wysokoenergetycznych.
Najważniejszym związkiem wysokoenergetycznym jest ATP, który pełni centralną funkcję
w metabolizmie związków wysokoenergetycznych. ATP i inne związki wysokoenergetyczne są
powiązane metabolicznie, np.:
1) kreatyna + ATP ⇔ fosfokreatyna + ADP
2) 3-fosfoglicerynian + ATP
glukoneogeneza
1,3-bisfosfoglicerynian + ADP
→
←
glikoliza
UWAGA:
W pH fizjologicznym (pH=7) praktycznie wszystkie kwasy występują w postaci anionów,
dlatego w biochemii mówimy np. o fosfoglicerynianie, a nie kwasie forsfoglicerynowym. Z kwasem
mamy do czynienia tylko w butelce na stole laboratoryjnym.
Ładunek energetyczny komórki:
Z wzoru tego wynika, że wartość ładunku energetycznego komórki może wahać się od 0
(tylko AMP) do 1 (tylko ATP). Jednak w żywej komórce wartość ta nie może wynosić 0. W
rzeczywistości wartość ładunku energetycznego komórki mieści się w granicach 0.80 – 0.95, co
oznacza, że większość nukleotydofosforanów występuje w postaci ATP.
Źródła ATP w komórkach:
10
Biochemia
1. Fosforylacja substratowa: przeniesienie na ADP reszty fosforanowej z wysokoenergetycznego metabolitu komórkowego
Zachodzi praktycznie u wszystkich organizmów, u heterotrofów beztlenowych stanowi jedyne
źródło ATP.
fosfocaolopirogonian + ADP ⇒ pirogronian + ATP
1,3-bisfosfoglicerynian + ADP ⇒ 3-fosfopirogronian + ATP
(reakcje glikolizy)
1. Fosforylacja oksydacyjna: synteza ATP z ADP i reszty fosforanowej związana z utlenianiem różnych zredukowanych metabolitów przy udziale tzw. łańcucha oddechowego i
wykorzystaniem O2 atmosferycznego jako końcowego akceptora elektronów.
U organizmów tlenowych stanowi główne źródło ATP.
1. Fotofosforylacja: synteza ATP z ADP i reszty fosforanowej zachodząca na koszt energii
świetlnej przy udziale tzw. fotosyntetycznego łańcucha transportu elektronów
Charakterystyczna dla fotoautotrofów na świetle. (Rośliny wyższe na świetle uzyskują ATP
na drodze fotofosforylacji, a w ciemności na drodze fosforylacji substratowej lub oksydacyjnej.)
1. Fosforylacja związana z utlenianiem prostych substancji nieorganicznych
Występuje u mikroorganizmów zaliczanych do chemoautotrofów.
Najważniejszym źródłem ATP dla organizmów tlenowych, w tym człowieka, jest fosforylacja
oksydacyjna związana z oddychaniem komórkowym.
ODDYCHANIE KOMÓRKOWE
AH2 + ½ O2 ⇒ A + H2 O + energia swobodna
utlenianie
1.
2. ADP + Pi + energia swobodna ⇒ ATP + H2 O
fosforylacja oksydacyjna
Zredukowany organiczny metabolit komórkowy (AH2 ) jest utleniany O2 atmosferycznym,
w wyniku czego powstaje utleniona forma tego metabolitu (A) oraz H2 O (z redukcji tlenu).
Procesowi temu towarzyszy wyzwolenie znacznych ilości energii swobodnej, która jest następnie
wykorzystywana w procesie fosforylacji oksydacyjnej do syntezy wiązań wysokoenergetycznych
ATP. Z ADP i fosforu nieorganicznego (Pi ) powstaje ATP i jeszcze jedna cząsteczka H2 O. (W
sumie powstają 2 cząsteczki H2 O.)
Utlenianie / TRANSPORT ELEKTRONÓW NA O2
Faza I
Utlenienie zredukowanego związku organicznego z przeniesieniem elektronów na NADH lub
FADH2 katalizowane przez dehydrogenazy.
U eukariotów w matriks mitochondrialnej oraz częściowo w cytoplazmie, u prokariotów w
cytoplazmie. (Są to siedliska dehydrogenaz.)
a) Od zredukowanego związku organicznego (AH2 ) zostają oderwane 2 e− i 2 H+ , w wyniku
czego powstaje utleniona postać tego metabolitu oraz NADH, a jeden H+ zostaje uwolniony do
środowiska. Reakcję tę katalizują dehydrogenazy zależne od NAD+ .
AH2 + NAD+
dehydrogenaza
zależna od NAD+
⇔
A + NADH + H+
WYKŁAD 2. COS
11
Mechaznizm:
Figure 14-9. Jak NADH oddaje elektrony. Na rysunku elektrony o wysokiej energii pokazano jako dwie czerwone
kropki na atomie wodoru zaznaczonym kolorem żółtym. Jon wodorkowy (H:− , atom wodoru i dodatkowy elektron) jest
usuwany z NADH i zostaje przekształcony do protonu i dwóch elektronów o wysokiej energii: H:− → H+ + 2e− . Pokazano
jedynie pierścień przenoszący elektrony w wiązaniu „wysokoenergetycznym”; całkowitą strukturę i przejście NADH można
poznać patrząc na strukturę analogicznego NADPH. Elektrony są również w podobny sposób przenoszone przez FADH2 .
NADH jest potężnym reduktorem wykorzystywanym w biosyntezach. Przeprowadza reakcje
typu:
12
Biochemia
Pochodną NADH obecną między innymi w szlaku pentozo-fosforanowym jest NADPH:
b) W reakcji katalizowanej przez dehydrogenazy zależne od FAD cząsteczka FAD przejmuje
2 e− i 2 H+ ze zredukowanego związku organicznego, w wyniku czego powstaje zredukowana
jego forma – FADH2 oraz utleniona postać tego matabolitu.
AH2 + FAD
dehydrogenaza
zależna od FAD
⇔
A + FADH2
FAD = dinukleotyd flawinoadeninowy
FADH2 w inny sposób niż NADH jest wykorzystywany do redukcji w biosyntezach:
WYKŁAD 2. COS
13
Pochodną FAD występującą w układach z białkami (ze względu na możliwość pobierania od
nich elektronów) jest FMN:
Faza II
Przeniesienie elektronów z NADH lub FADH2 na O2 przy udziale tzw. łańcucha oddechowego
U eukariotów w wewnętrzej błonie mitochondrialnej, u prokariotów w błonie komórkowej.
FUNKCJONOWANIE ŁAŃCUCHA ODDECHOWEGO
polega na szeregu kolejno następujących po sobie reakcji redoks (utleniania-redukcji).
BIOLOGICZNE REAKCJE REDOKS
Autl + Bzred ⇔ Azred + Butl
Kiedy taka reakcja może zajść spontanicznie? Mówi o tym...
E0 = potencjał redoks – charakteryzuje zdolność danej substancji do ulegania utlenianiu/redukcji
E0 < 0 ⇒ substancja chętnie oddaje elektrony, utlenia się, jest reduktorem
E0 > 0 ⇒ substancja chętnie przyjmuje elektrony, redukuje się, jest utleniaczem
Reakcja może zajść spontanicznie, jeżeli reduktor ma niższy E0 niż utleniacz.
Funkcjonowanie łańcucha oddechowego polega na tym, że z cząsteczek NADH lub FADH2
następuje przeniesienie elektronów na O2 atmosferyczny. W tym przypadku utleniaczem jest O2
(wysoki E0 ), a reduktorem NADH lub FADH2 (ujemny E0 ).
W jaki sposób wyznaczyć E0 ? Zbudować ogniwo:
14
Biochemia
półogniwo badane
[Xzred ] = [Xutl ] = 1M
jeśli Xzred
Xzred ⇒ Xutl +
e−
półogniwo wzorcowe
[H+ ] = 1M
(zrównoważone gazowym H2
pod ciśnieniem 1 atm.)
+ H+ ⇒ Xutl + ½ H2 , to:
H+ + e− ⇒ ½ H2
E0 dla pary Xzred /Xutl = napięcie pomiędzy elektrodą badaną a elektrodą wzorcową (E0 =
0V)
0
E0 = biologiczny potencjał redox (pH 7, 25(C)
0
E0 dla elektrody wodorowej = -0.413V
0
E0 dla NADH+H+ /NAD+ = -0.32V
0
E0 dla H2 O/½O2 +2H+ = +0.82V
Związek pomiędzy różnicą potencjałów redoks reagentów a zmianą wzorcowej energii swobodnej:
0
0
∆G0 = - n F ∆E0
F = stała Faradaya = 96.5 kJ x V−1 x mol−1
n = liczba moli elektronów na mol reagującej substancji
Np.: NADH + H+ + ½ O2 ⇒ H2 O + NAD+
0
Jeśli E0 dla NADH+H+ /NAD+ = -0.32V
0
oraz E0 dla H2 O/½O2 +2H+ = +0.82V
∆E0 = +0.82V – (-0.32V) = +1.14V
to
0
więc ∆G0 = -2 mol x mol−1 x 96.5 kJ x V−1 x mol−1 x 1.44 V = -220 kJ/mol
Utlenienie 1 mola NADH tlenem atmosferycznym prowadzi do uwolnienia energii –220
kJ/mol.
0
Gdybyśmy porównali to z ∆G0 dla ATP, wyszłoby, że 1 NADH = 7 ATP, ale w rzeczywistości
wydajność jest dużo mniejsza (wynosi ok. 40%) i NADH = 2.5 ATP.
WYKŁAD 2. COS
15
STRUKTURA MITOCHONDRIALNEGO ŁAŃCUCHA ODDECHOWEGO
W łańcuchu oddechowym, zlokalizowanym u eukariotów w wewnętrznej błonie mitochondrialnej, występują 4 kompleksy enzymatyczno-białkowe, określane kolejnymi numerami (kompleks
1, 2, 3 i 4), które działają w określonej kolejności.
1. Reduktaza NADH/UQ
NADH
H+
↓
→
[FMN-B] →
2
[FeS-B]
2 H+
↓
→
UQH2
↓
2 H+
B = białko, FeS = żelazosiarczki, UQ = ubichinon = CoQ
NADH oddaje e-y na FMN-B, w wyniku czego powstaje FMNH2 -B. Ponieważ NADH
dostarcza 1 H+ , a do powstania FMNH2 potrzebne są 2, 1 musi zostać pobrany ze środowiska.
Z FMF e-y przekazywane są na FeS-B. Białko to przyjmuje tylko elektrony, dlatego 2 H+ są
uwalniane do środowiska. Elektrony z tego białka przekazywane są na ubichinon, inaczej koenzym
Q. Redukcja ubichinonu do ubihydrochinonu, czyli ubichinolu, wymaga oprócz 2 elektronów
także przyłączenia 2 H+ pochodzących ze środowiska.
Ubichinon
1. Reduktaza FADH2 /UQ
FADH2 →
↓
2 H+
[FeS-B]
2
H+
↓
→
UQH2
1. Reduktaza cytochromowa
2 cyt b → 2 cyt c1 → 2 cyt c
UQH2 →
↓
2
H+
Cytochromy – dosłownie: barwniki komórkowe; drobnocząsteczkowe białka, zawierające jako
grupę prostetyczną układ hemowy z Fe, które może zmieniać wartościowość z 2+ na 3+ i
odwrotnie.
Ponieważ układy hemowe mają charakter chromoforowy, białka te są barwne, pomarańczowo-czerwone,
a że różne cytochromy mają nieco inne układy hemowe oraz część białkową, maja różne widma
absorbcyjne i na tym opiera się ich podział.
Struktura hemowa (cyt c)
16
Biochemia
1. Oksydaza cytochromowa
2 cyt c → 2 cyt a → 2 cyt a3 → 2
[Cu-B]
2
H+
↓
→
½ O2
Cu może zmieniać stopień utlenienia z +1 na +2 i odwrotnie.
Aby powstała cząsteczka H2 O oprócz elektronów potrzebne są 2 H+ ze środowiska.
FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA
W jaki sposób reakcje te są sprzężone? W jaki sposób energia swobodna uzyskana z utleniania
zredukowanych związków organicznych może być wykorzystana do syntezy ATP?
Hipoteza sprzężenia chemicznego
Hipoteza sprzężenia konformacyjnego
hipotezy historyczne
WYKŁAD 2. COS
17
Figure 14-14. Ogólny mechanizm fosforylacji oksydacyjnej. (A) Gdy elektron o wysokiej energii przechodzi wzdłuż
łańcucha transportu elektronów, część uwalnianej energii zostaje użyta do pompowania H+ z matriks przez trzy kompleksy
enzymów oddechowych. Powstały w poprzek wewnętrznej błony elektrochemiczny gradient protonowy kieruje H+ z powrotem poprzez syntazę ATP, transbłonowy kompleks białkowy, który energię przepływu H+ użyta w matriks do syntezy ATP
z ADP i Pi (B) Mikrofotografia elektronowa.
1961, Peter Mitchel (brytyjski biochemik):
TEORIA SPRZĘŻENIA CHEMICZNO-OSMOTYCZNEGO
= TEORIA CHEMIOSMOTYCZNA
(1961, Nagroda Nobla w 1978)
1. W wyniku szczególnego przestrzennego uorganizowania przenośników elektronów w błonie mitochondrialnej następuje „pompowanie” protonów z matriks mitochondrialnej do
przestrzeni międzybłonowej ⇒ następuje względna alkalizacja matriks mitochondrialnej i
względne zakwaszenie przestrzeni miedzybłonowej.
1. Wewnętrzna błona mitochondrialna jest zasadniczo nieprzepuszczalna dla protonów. Powstająca różnica stężenia H+ między matriks a przestrzenią międzybłonową powoduje
powstanie tzw. potencjału błonowego, który jest formą energetycznie bogatą.
Figure 14-13. Dwa składniki elektrochemicznego gradientu protonowego wytworzonego w poprzek
wewnętrznej błony mitochondrialnej. Całkowity gradient elektrochemiczny H+ istniejący w poprzek wewnętrznej
błony mitochondrialnej składa się z dużej siły wynikającej z potencjału błonowego i mniejszej siły wynikającej z gradientu
stężeń H+ . Obie siły razem tworzą całkowitą siłę protonomotoryczną, która wywiera presję na powrót H+ do matriks.
18
Biochemia
1. ATP powstaje z ADP i Pi na koszt tego potencjału.
1. Za syntezę ATP odpowiada specyficzny enzym występujący w błonie mitochondrialnej,
tzw. F0 F1 -ATP-aza (syntaza ATP)*.
Część F0 tego białka (zbudowana z 3 rodzajów łańcuchów polipeptydowych, wbudowana w
wewnętrzną błone mitochondrialną) stanowi kanał protonowy, a część F1 (zwrócona do matriks
mitochondrialnej) katalizuje syntezę ATP na koszt wyrównania potencjału międzybłonowego.
*Po wyizolowaniu enzym ten jest zdolny do hydrolizy ATP do ADP i Pi , dlatego dawniej
nazywano go F0 F1 -ATP-azą. Jednak w warunkach biologicznych jest on zdolny do syntezy ATP
z ADP i Pi , dlatego dzisiaj nazywa się do syntazą ATP. Nazwa ATP-aza może być w tym
przypadku myląca.
Figure 14-10. Krótki przegląd metabolizmu generującego energię w mitochondriach. Pirogronian I kwasy
tłuszczowe wchodzą do mitochondriów (dół), są rozkładane do acetylo-CoA, następnie metabolizowane w cyklu kwasu
cytrynowego, którego redukuje NAD+ do NADH (i FAD+ do FADH2 nie pokazano). Z kolei w procesie fosforylacji
WYKŁAD 2. COS
19
oksydacyjnej elektrony o wysokiej energii z NADH (i FADH2 ) są przenoszone w wewnętrznej błonie mitochondrialnej
wzdłuż łańcucha oddechowego do tlenu (O2 ). Ten transport elektronów generuje w poprzek wewnętrznej błony gradient
protonowy, który syntaza ATP wykorzystuje do wytwarzania ATP.
Wykład 3
Jakis 3
Dowody na teorię chemiosmotyczną:
1. Pomiary gradientu pH, który powstaje podczas transportu elektronów na O2 (różnica
potencjałów do 0.3V; energetyzacja błony)
1. Substancje protonoforowe – są truciznami; nie wpływając na funkcjonowanie łańcucha
oddechowego, powodują tzw. rozprężenie fosforylacji oksydacyjnej: utlenianiu substratów
organicznych, a następnie transportowi elektronów w łańcuchu oddechowym nie towarzyszy
synteza ATP.
1. 2,4-dinitrofenol
ˆ Fenole są kwasami, więc może występować w postaci anionu.
ˆ Ze względu na elektrossący charakter tego układu pierścieniowego i grup nitrowych
występuje delokalizacja ładunku elektrycznego: ładunek ujemny, który powinien występować na atomie O, jest rozproszony w całej cząsteczce.
ˆ W pH fizjologicznym forma niezdysocjowana i zdysocjowana są w pewnej równowadze.
ˆ (W obu formach) jest rozpuszczalny w tłuszczach, zatem bardzo łatwo wbudowuje się
w dwuwarstwę lipidową błon biologicznych i może się w niej przemieszczać
ˆ Z tej strony błony, gdzie jest nadmiar H+ istnieje tendencja do powstawania formy
uprotonowanej, która może migrować w błonie i po stronie, gdzie istnieje niedobór H+ ,
oddawać ten H+ ⇒ błona staje się przepuszczalna dla H+ ⇒ nie powstaje gradient
protonowy ⇒ nie może następować synteza ATP.
1. niektóre antybiotyki, np. walinomycyna – powodują niedobór energii w komórce i jej
śmierć
1. Eksperymenty z rekonstytucją F0 F1 -ATP-azy (syntazy ATP)
Białko to można izolować. Jednak in vitro enzym ten hydrolizuje ATP, a nie syntetyzuje je,
jak to się dzieje in vivo!
22
Biochemia
1. Sporządzamy mieszaninę np. fosfatydylocholiny z cholesterolem i wytrząsamy (np. ręcznie
lub ultradźwiękami) ⇒ spontanicznie powstaje dwuwarstwa lipidowa w postaci zamkniętych pęcherzyków, czyli liposomów (struktur lipidowych naśladujących budową błonę
biologicznej).
2. W trakcie ich powstawania dodajemy białka zdolne do wbudowywania się w błony (np.
F0 F1 -ATP-azę) ⇒ tworzą się proteoliposomy (liposomy z wbudowanymi białkami).
1. Zamiast czystej wody używamy roztworu zawierającego ADP i Pi ⇒ część tych substancji
zostaje zamknięta we wnętrzu pęcherzyka; łagodnym wirowaniem wydzielamy liposomy
z roztworu (ponieważ pozostała w nim reszta ADP i Pi ) i umieszczamy je w czystym
roztworze.
1. Wytwarzamy gradient protonowy, np. dodając kilka kropli rozcieńczonego HCl → na
zewnątrz powstaje wysokie stężenie H+ ⇒ jeżeli w błonę wbudowana jest F0 F1 -ATP-aza,
to następuje synteza ATP.
Struktura i działanie F0 F1 -ATP-azy (syntazy ATP)
Struktura F0 F1 -ATP-azy (syntazy ATP)
F0
WYKŁAD 3. JAKIS 3
23
- jest wbudowana w błonę
- tworzy kanał protonowy
- zbudowana jest z 3 rodzajów peptydów: a, 2 x b, c
- kanał protonowy tworzy polipeptyd c, wielokrotnie penetrujący błonę wewnętrznej błony
mitochondrialnej
- białka a i b pełnią funkcję pomocniczą, kotwiczą jednostkę w błonie, a jednocześnie wystają
z błony, mając kontakt z F1
F1
- sterczy do matriks mitochondrialnej
- zbudowana z polipeptydów: α x 3, β x 3, γ, δ i - szczególnie istotną funkcję pełni polipeptyd γ oraz polipeptydy α i β
- polipeptydy α i β tworzą 3 dimery, które stanowią właściwe miejsce katalizy syntezy ATP
Działanie F0 F1 -ATP-azy (syntazy ATP)
1997 r. prof. Paul D. Boyer, dr. John E. Walker – Nagroda Nobla w dziedzinie chemii
za odkrycie mechanizmu enzymatycznego syntezy ATP
Figure 2
Boyer’s ”Binding Change Mechanism”
The picture shows the cylinder with alternating alpha and beta subunits at four different stages of ATP synthesis. The
asymmetrical gamma subunit that causes changes in the structure of the beta subunits can be seen in the centre. The
structures are termed open betaO (light grey sector), loose betaL (grey sector) and tight betaT (black sector). At stage
A we see an already-fully-formed ATP molecule bound to betaT . In the step to stage B betaL binds ADP and inorganic
phosphate (Pi ). At the next stage, C, we see how the gamma subunit has twisted due to the flow of hydrogen ions (see
Figure 1). This brings about changes in the structure of the three beta subunits. The tight beta subunit now becomes open
and the bound ATP molecule is released. The loose beta subunit becomes tight and the open becomes loose. In the last
24
Biochemia
stage the chemical reaction takes place in which phosphate ions react with the ADP molecule to form a new ATP molecule.
We are back at the first stage.
Figure 18.32. Binding-Change Mechanism for ATP Synthase. The rotation of the γ subunit interconverts
the three β subunits. The subunit in the T (tight) form, which contains newly synthesized ATP
that cannot be released, is converted into the O (open) form. In this form, it can release ATP
and then bind ADP and Pi to begin a new cycle.
O, L, i T są to dimery zbudowane z polipeptydów α i β części F0 . Każdy z nich może
występować w różnych stanach konformacyjnych: otwartym (open), rozluźnionym (loose) i
ścisłym/zwięzłym (tight). W danym momencie każda z tych jednostek ma inną konformację.
H+ płynąc przez kanał wywołują cykliczne zmiany konformacyjne jednostki γ, które powodują
kolejne przejścia poszczególnych dimerów poprzez ten cykl zmian konformacji. W konformacji
otwartej miejsce przyłączania ADP i Pi jest otwarte i substraty te mogą łatwo przyłączyć się
do centrum aktywnego. Potem następuje przejście w konformację luźną, w której ADP i Pi
są zbliżane do siebie, a w fazie ścisłej poprzez jeszcze większe ich zbliżenie wymuszona zostaje
synteza ATP, a powstała cząsteczka H2 O i ATP zostaje wypchnięta na zewnątrz. Następuje
natychmiastowe przejście do konformacji otwartej i cykl rozpoczyna się od nowa.
Transport do i z mitochondriów
U eukariotów powstające w mitochondriach ATP musi być transportowane do cytoplazmy. Wewnętrzna błona mitochondrialna jest nieprzepuszczalna dla ATP. Znajduje się w niej specjalny
przenośnik, który transportuje ATP na zewnątrz, a ADP do środka (symport). Transport ten
nie wymaga nakładu energii.
Pi potrzebny do syntezy ATP są transportowane razem z H+ . Jest to wtórny transport
aktywny: cząsteczki Pi wciągane są na koszt gradientu H+ .
Zewnętrzna błona mitochondrialna nie stanowi przeszkody dla związków drobnocząsteczkowych (do ok. 1000Da), ponieważ znajdują się w niej poryny.
Procesy kataboliczne (por. wykład 1.)
Białka – TODO
Wyróżnić tu możemy 3 fazy (na rysunku oddzielone liniami poziomymi). Faza I (lityczna) nie
dostarcza energii użytecznej biologicznie, a jedynie ciepło. Faza II i III dostarczają już znacznych
ilości energii (3 cz. NADH i 1 cz. FADH2 ).
Degradacja złożonych cukrowców
1. Hydroliza wiązań glikozydowych (przeprowadzana przez glikozydazy):
maltoza
2 x glukoza
WYKŁAD 3. JAKIS 3
25
0
α-glikozydaza
∆G0 =-21 kJ/mol
Ilość energii uzyskiwana w tej reakcji jest zbyt mała, aby jej kosztem mogło powstać wiązanie
wysokoenergetyczne. Energia ta jest rozpraszana w postaci ciepła.
Reakcja nieodwracalna, ponieważ:
0
1. ∆G0 jest silnie ujemna;
2. Jednym z substratów jest H2 O, więc aby odwrócić reakcję należałoby – zgodnie z regułą
przekory – wyeliminować wodę, co w warunkach fizjologicznych (in vivo) jest niemożliwe!
W procesach biotechnologicznych stosuje się glikozydazy z mikroorganizmów do syntezy
wiązań glikozydowych in vitro w warunkach bezwodnych (w środowisku rozpuszczalnika
organicznego).
1. Fosforyliza wiązań glikozydowych (fosforylazy):
maltoza
2 x glukozo-1-fosforan
fosforylaza
0
∆G0 =+3,6 kJ/mol
0
∆G0 jest dodatnia i niewielka ⇒ Reakcja łatwo odwracalna.
0
Różnica w ∆G0 obu reakcji (A i B) wynika z tego, że w fosforylizie (B) powstaje wysokoenergetyczne wiązanie fosfodiestrowe.
Hydrolityczna degradacja glikogenu / amylopektyny
Glikozydazy – enzymy katalizujące hydrolizę wiązań glikozydowych; dzieli się je na endo- i
egzoglikozydazy
ˆ α-amylaza (endoglikozydaza) - hydrolizuje losowo wiązania wewnętrzne α(1→ 4)
ˆ β-amylaza (egzoglikozydaza) - odszczepia reszty maltozy (disacharydowe) od końców
nieredukujących
ˆ α(1→ 6)glukozydaza (endoglikozydaza) - znosi rozgałęzienia
ˆ maltaza - rozszczepia maltozę na dwie cząsteczki glukozy
26
Biochemia
Glikoliza
glukoza + 2 NAD+ + 2 Pi + 2 ADP → 2 pirogronian + 2 NADH + 2 H + + 2 ATP + H2 O
(trójwęglowy α-ketokwas)
kinazy = enzymy przenoszące reszty fosforanowe z ATP na inne związki
izomerazy = enzymy zmieniające izomerię cząsteczek
WYKŁAD 3. JAKIS 3
27
AKTYWACJA GLUKOZY
może też powstawać z glukozo-1-fosforanu w reakcji katalizowanej przez fosfoglukomutazę,
co pozwala na oszczędność 1 cz. ATP
28
Biochemia
WYKŁAD 3. JAKIS 3
29
Uwaga: tautomeria keto-enolowa (odnosi się do przemiany fruktozo-1,6-bisfosforanu w
fosfodihydroksyaceton i aldehyd fosfodiestrowy)
Bilans energetyczny glikolizy (na 1 cz. glukozy)
-2 ATP + 2 ∗ 2 ATP = +2 ATP
a jeżeli z fosforano-1-glukozy: +3 ATP
Dalsze losy pirogronianiu
1. Przemiana w etanol
(np. drożdże w warunkach beztlenowych)
1. Przemiana w mleczan
(niektóre mikroorganizmy beztlenowe, mięsnie w warunkach niedoboru tlenu)
Dlaczego? W glikolizie na pewnym etapie powstaje NADG, które musi być utleniane, aby
odzyskać NAD+ .
1. Oksydacyjna dekarboksylacja (organizmy tlenowe)
U eukariotów proces ten ma miejsce w matriks mitochondrialnej. Pirogronian jest transportowany z cytoplazmy kosztem części gradientu protonowego na zasadzie symportu: zarówno
pirogronian jak i H+ są transportowane w tym samym kierunku – do środka.
„The 1997 Nobel Prize in Chemistry”. The Royal Swedish Academy of Sciences. 15 Oct 1997. Nobelprize.org
<http://nobelprize.org/chemistry/laureates/1997/press.htmlhttp://nobelprize.org/chemistry/laureates/1997/press.html>
Berg J. M., Tymoczko J. L. and Stryer L. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowTOC&rid=stryer.TOC&depth=2
New York: http://bcs.whfreeman.com/biochem5/default.asp?s=&n=&i=&v=&o=&ns=0&uid=0&rau=0 W. H. Freeman
and Co. 2002. NCBI http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowTOC&rid=stryer.TOC&depth=2
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowTOC&rid=stryer.TOC&depth=2
Wykład 4
4
Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej (E1 , E2 , E3 )
Przyjrzyjmy się teraz kilku ważnym i interesującym mechanizmom reakcji. Oksydacyjną dekarboksylację pirogronianu do acetylo-CoA katalizuje kompleks dehydrogenazy pirogronianowej,
będący zorganizowanym zespołem trzech enzymów. Sumaryczna reakcja katalizowana przez ten
kompleks jest następująca:
pirogronian + CoA + NAD+ → acetylo-CoA + CO2 + NADH
Mechanizm tej reakcji jest o wiele bardziej złożony niż wynikałoby to z powyższego sumarycznego równania. Oprócz CoA i NAD+ , kofaktorów uwzględnionych w tym sumaryczny, równaniu,
biorą w niej również udział kofaktory działające katalitycznie, pirofosforan tiaminy (TPP), amid
kwasu liponowego (lipoamid) i FAD.
Przekształcenie pirogronianu w acetylo-CoA zachodzi w czterech etapach. W pierwszym z
nich po związaniu się z TPP pirogronian jest dekarboksylowany. Reakcję tę katalizuje dehydrogenaza pirogronianowa, składnik (E1 ) tego wieloenzymatycznego kompleksu.
E1 - Dehydrogenaza pirogronianowa (koenzym TPP)
pirogronian + TPP → hydroksylo-TPP + CO2
Podstawową cechą TPP, będącego grupą prostetyczną dehydrogenazy pirogronianowej jest to,
że atom węgla w pierścieniu tiazolowym znajduje się pomiędzy atomami siarki i azotu; dlatego
jest silniej kwasowy od większości grup = CH.
Ulega on jonizacji tworząc karboanion, który szybko łączy się z grupą karbonylową pirogronianu:
32
Biochemia
Dodatnio naładowany atom azotu z pierścienia TPP odciąga elektrony i stabilizuje ujemny
ładunek, konieczny podczas dekarboksylacji:
Następująca po tym protonacja daje pirofosforan hydroksyetylotiaminy.
Struktura kwasu liponowego i lipoamidu. Kwas liponowy wiąże się kowalencyjnie ze specyficzną resztą lizyny acetylotransferazy dihydroliponianowej (E2 ). Zauważmy, że grupa prostetyczna mieści się na końcu długiego, elastycznego ramienia,
które umożliwia jej przemieszczanie się z jednego to drugiego miejsca aktywnego w kompleksie enzymatycznym.
W drugim etapie grupa hydroksyetylowa przyłączona do TPP jest utleniana do grupy acetylowej i jednocześnie przeniesiona na lipoamid. W tej reakcji utleniana jest grupa dwusiarczkowa
lipoamidu, która zostaje przekształcona w formę hydrosulfidową. Reakcja ta, w której wyniku
powstaje acetylolipoamid, jest również katalizowana przez komponent E1 kompleksu enzymatycznego (dehydrogenazę pirogronianową).
E2 – Acetylotransferaza dihydroliponianowa (koenzym lipoamid)
Trzeci etap polega na przeniesieniu grupy acetylowej z acetylolipoamidu na CoA i utworzeniu
acetylo-CoA. Reakcję tę katalizuje acetylotransferaza dihydroliponianowa, składnik E2 całego
kompleksu. Bogate energetycznie wiązanie tioestrowe zostaje zachowane po przeniesieniu grupy
acetylowej na CoA.
WYKŁAD 4. 4
33
E3 – Dehydrogenaza kwasu liponowego
W czwartym etapie reakcji utleniana forma lipoamidu jest regenerowana przez dehydrogenazę
kwasu liponowego (składnik E3 kompleksu). Dwa elektrony zostają przeniesione na grupę prostetyczną FAD enzymu, a następnie na NAD+ możliwe jest dzięki wyjątkowemu potencjałowi
przeniesienia elektronów FAD związanego z tym białkiem.
Cykl Krebsa
Sumaryczne równanie cyklu kwasu cytrynowego jest następujące:
acetylo-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2 O →
→ 2 CO2 +3 NADH + FADH2 + GTP + 2 H+ + CoA
Ciąg reakcji można również przedstawić inaczej:
34
Biochemia
Ogólny schemat cyklu kwasu cytrynowego przedstawiono powyżej. Związek czterowęglowy
(szczawiooctan) kondensuje z jednostką dwuwęglową, jaką jest grupa acetylowa, tworząc sześciowęglowy kwas trójkarboksylowy (cytrynian). Jest to reakcja korzystna energetycznie i napędza
kolejne reakcje. Izomer cytrynianu jest następnie oksydacyjnie dekarboksylowany. Powstający
związek pięciowęglowy (α-ketoglutaran) zostaje oksydacyjnie dekarboksylowany do związku
czterowęglowego (bursztynian), z którego następnie regenerowany jest szczawiooctan. Dwa
atomu węgla wchodzą do cyklu w postaci grupy acetylowej i opuszczają go w postaci dwóch
cząsteczek CO2 . Grupa acetylowa jest bardziej zredukowana niż CO2 i dlatego w trakcie trwania cyklu kwasu cytrynowego muszą zajść reakcje oksydoredukcyjne. W rzeczywistości zachodzą
cztery takie reakcje. Trzy jony wodorowe (a zatem sześć elektronów) zostają przeniesione na cząsteczki NAD+ , natomiast jedna para atomów wodoru (dwa elektrony) zostaje przeniesiona na
dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD). Podczas utleniania tych przenośników elektronów przez
O2 za pośrednictwem łańcucha transportu elektronów wytwarzanych jest dziewięć cząsteczek
adezynotrifosforanu (ATP). Ponadto podczas każdego obrotu cyklu powstaje jedno wysokoenergetyczne wiązanie fosforanowe.
1. Syntaza cytrynianowa
Cykl zaczyna się od kondensacji związku czterowęglowego, szczawiooctanu, z dwuwęglowym
fragmentem acetylowym, acetylo-CoA. Szczawiooctan reaguje z acetylo-CoA i H2 O tworząc
cytrynian i CoA.
szczawiooctan + acetylo-CoA + H2 O → cytrynian +CoA + H+
WYKŁAD 4. 4
35
Reakcja ta, w której po kondensacji aldolowej zachodzi hydroliza, katalizowana jest przez syntazę cytrynianową. Najpierw szczawiooctan kondensuje z acetylo-CoA tworząc cytrynylo-CoA,
który następnie hydrolizowany jest do cytrynianu i CoA. Hydroliza cytrynylo-CoA przesuwa
reakcję silnie w kierunku cytrynianu.
szczawiooctanacetylo-CoAcytrynylo-CoAcytrynian
1. Akonitaza
Aby umożliwić zajście oksydacyjnej dekarboksylacji sześciowęglowego związku, cytrynian
musi ulec izomeryzacji do izocytrynianu. Izomeryzacja cytrynianu dokonuje się w dwóch etapach:
odwodnienia i uwolnienia. Rezultatem tego jest zmiana położenia grup H i OH. Enzym katalizujący te dwa etapy nazywa się akonitazą (hydrataza akonitowa), ponieważ intermediantem tej
reakcji jest cis-akonitan. Akonitaza zawiera żelazo nie związane z hemem. Cztery atomy żelaza
tego enzymu są połączone z czterema siarkami nieorganicznymi i czterema atomami siarki cysteiny. Ten kompleks żelazowo-siarkowy wiąże cytrynian i bierze udział w odwodnieniu i uwodnieniu
związanego substratu. Białka, w których skład wchodzą takie ugrupowania żelazowo-siarkowe,
nazywają się białkami żelazowo-siarkowymi lub białkami z żelazem niehemowym.
cytryniancis-akonitanizocytrynian
1. Dehydrogenaza izocytrynianowa
Przechodzimy teraz do omówienia pierwszej z czterech reakcji oksydoredukcyjnych cyklu
kwasu cytrynowego. Oksydacyjną dekarboksylację izocytrynianu katalizuje dehydrogenaza izocytrynianowa
izocytrynian + NAD+ ← → α-ketoglutaran + CO2 + NADH
Intermadiatem tej rekcji jest szczawiobursztynian, niestabilny β-ketokwas. W połączeniu
z enzymem traci on CO2 i powstaje α-ketoglutaran. Szybkość tworzenia się α-ketoglutaranu
decyduje o szybkości działania całego cyklu.
izocytrynianszczawiobursztynianα-ketoglutaran
36
Biochemia
1. Dehydrogenaza α-ketoglutaranowa
Po przekształceniu izocytrynianu w α-ketoglutaran następuje druga reakcja oksydacyjnej
dekarboksylacji – tworzenie bursztynylo-CoA z α-ketoglutaranu.
α-ketoglutaran + NAD+ + CoA → bursztynylo-CoA + CO2 + NADH
Reakcja ta katalizowana jest przez kompleks dehydrogenazy α-ketoglutaranowej, składający
się z trzech rodzajów enzymów. Mechanizm tej reakcji jest bardzo podobny po przemiany
pirogronianu w acetylo-CoA.
α-ketoglutaranbursztynylo-CoA
1. Syntetaza bursztynylo-CoA
0
Wiązanie tioestrowe w bursztynylo-CoA jest wysokoenergetyczne. ∆G0 hydrolizy bursztynylo-CoA
0
wynosi około -34 kJ/mol, co jest porównywalne z ∆G0 hydrolizy ATP (-30,6 kJ/mol). Rozerwanie wiązania tioestrowego w bursztynylo-CoA jest sprzężone z fosforylacją guanozyno-5’-difosforanu
(GDP).
bursztynylo-CoA + Pi + GDP ← → bursztynian + GTP + CoA
0
Ta łatwo odwracalna reakcja (∆G0 = -3,3 kJ/mol) jest katalizowana przez syntetazę
bursztynylo-CoA. Jest to jedyny etap cyklu kwasu bursztynowego, w którym bezpośrednio powstaje wysokoenergetyczne wiązanie fosforanowe. Sam GTP bierze udział w syntezie białka
jako donor grupy fosforanowej, a w procesach przekazywania informacji jako cząsteczka sygnałowa. Alternatywnie jego grupa fosforanowa γ może być łatwo przenoszona na adezynodifosforan
(ADP) tworząc ATP w reakcji katalizowanej przez difosfokinazę nukleozydów.
bursztynylo-CoAbursztynian
Końcowy etap cyklu kwasu cytrynowego stanowią reakcje związków czterowęglowych. W trzech reakcjach – utleniania,
uwodnienia i drugiego utleniania – bursztynian jest przekształcany w szczawiooctan potrzebny do następnego obroty cyklu,
a energia zostaje zmagazynowana w formie FADH2 i NADH.
1. Dehydrogenaza bursztynianowa
Utlenianie bursztynianu do fumaranu zachodzi z udziałem dehydrogenazy bursztynianowej.
Akceptorem wodorów jest FAD, a nie NAD+ , który jest używany w trzech pozostałych reakcjach
utleniania cyklu. W tej reakcji FAD jest akceptorem dlatego, że zmiana energii swobodnej jest
niewystarczająca do zredukowania NAD+ . W procesach utleniania, w których z substratu usuwane są dwa atomy wodoru, prawie zawsze akceptorem elektronów jest FAD. W deydrogenazie
bursztynianowej pierścień izoalloksazynowy FAD wiąże się z enzymem wiązaniem kowalencyjnym przez boczny łańcuch histydyny (w skrócie E-FAD).
WYKŁAD 4. 4
37
E-FAD + bursztynian ← → E-FADH2 + fumaran
Dehydrogenaza bursztynianowa, podobnie jak akonitaza, jest białkiem żelazo-siarkowym. Od
innych enzymów cyklu kwasu cytrynowego różni się tym, że jest integralną częścią wewnętrznej
błony mitochondrialnej. W rzeczywistości więc dehydrogenaza bursztynianowa łączy się bezpośrednio z łańcuchem transportu elektronów. W przeciwieństwie do NADH wytwarzanego w
pozostałych reakcjach oksydoredukcyjnych, FADH2 utworzony w rezultacie utleniania bursztynianu nie oddysocjowuje z enzymu, a dwa elektrony FADH2 z są przenoszone bezpośrednio do
ugrupować Fe-S enzymu. Końcowym akceptorem tych elektronów jest tlen cząsteczkowy.
bursztyniantransfumaran
1. Fumaraza
Następną reakcją cyklu jest uwodnienie fumaranu i tworzenie L-jabłczanu. Fumaraza katalizuje stereospecyficzne przyłączenie H i OH w pozycji trans, jak to wykazały badania ze związkami
znakowanymi deuterem. Grupa OH przyłączana jest tylko z jednej strony podwójnego wiązania
fumaranu, dzięki czemu tworzy się wyłącznie izomer L-jabłczanu.
transfumaranjabłczan
1. Dehydrogenaza jabłczanowa
Jabłczan jest ostatecznie utleniany do szczawiooctanu. Reakcje te katalizuje dehydrogenaza
jabłczanowa, a akceptorem wodorów jest w tym przypadku znów NAD+ .
jabłczan + NAD+ ← → szczawiooctan + NADH + H+
jabłczanszczawiooctan
Stechiometria cyklu Krebsa
1. Podczas kondensacji grupy acetylowej (z acetylo-CoA) ze szczawiooctanem do cyklu są
wprowadzane dwa atomy węgla. Dwa atomy węgla opuszczają cykl w formie CO2 , powstającego podczas kolejnych dekarboksylacji katalizowanych przez dehydrogenazę izocytrynianową i dehydrogenazę α-ketoglutaranową. Dwa atomy węgla opuszczające cykl nie są tymi,
które do niego weszły.
2. Podczas czterech reakcji utleniania cykl opuszczają cztery pary atomów wodoru. Oksydacyjne dekarboksylacje izocytrynianu i α-ketoglutaranu powodują redukcję dwóch cząsteczek
NAD+ , jedna cząsteczka FAD zostaje zredukowana podczas utleniania bursztynianu, a
jedna cząsteczka NAD+ jest redukowana podczas utleniania jabłczanu.
38
Biochemia
3. Kosztem wysokoenergetycznego wiązania tioestrowego w bursztynylo-CoA tworzy się jedno
wysokoenergetyczne wiązanie fosforanowe (w formie GTP).
4. Zużywane są dwie cząsteczki wody: jedna w trakcie syntezy cytrynianu w rezultacie
hydrolizy cytrynylo-CoA, druga podczas uwolnienia fumaranu.
NADH i FADH2 utworzone w cyklu kwasu cytrynowego są utleniane w łańcuchu oddechowym. Przeniesienie elektronów z tych przenośników na tlen, końcowy akceptor elektronów,
powoduje pompowanie protonów w poprzek błony mitochondrialnej. Powstała dzięki temu siła
protonomotoryczna wynosi około 2,5 ATP na cząsteczkę NADH i 1,5 ATP na cząsteczkę FADH2 .
Podczas cyklu kwasu cytrynowego na jedną grupę acetylową tworzy się bezpośrednio tylko jedno
wysokoenergetyczne wiązanie fosforanowe. Podczas utleniania prze łańcuch oddechowy trzech
cząsteczek NADH i jednej cząsteczki FADH2 powstaje dziewięć dalszych wysokoenergetycznych
wiązań.
Tlen cząsteczkowy nie bierze bezpośredniego udziału w cyklu kwasu cytrynowego. Niemniej
cykl może funkcjonować jedynie w warunkach tlenowych, ponieważ NAD+ i FAD mogą być zregenerowane w mitochondriach tylko przez transport elektronów do tlenu cząsteczkowego. Glikoliza
może zachodzić w warunkach tlenowych i beztlenowych, natomiast cykl kwasu cytrynowego jest
procesem przebiegającym wyłącznie w warunkach tlenowych. Przypomnijmy, że glikoliza może
zachodzić w warunkach beztlenowych tylko dzięki przekształceniu pirogronianu w mleczan.
3 NADH →
7,5
ATP
1 FADH2 → 1,5 ATP
1 GTP →
1 ATP
=
10 ATP
Całkowity bilans energetyczny biologicznego utlenienia glukozy
Ilość energii, jaką otrzymuje komórka w wyniku utlenienia jednego mola glukozy przedstawia
się następująco:
GLIKOLIZA
(glukoza → 2 pirogronian)
OKSYDACYJNA
DEKARBOKSLAB
CJA
(2 pirogronian → 2 acetylo-CoA)
A
CYKL KREBSA
C (2 acetylo-CoA → 4 CO2 )
2 ATP
2 NADH (cytozol)
2 NADH
2 ATP
3-5 ATP
5 ATP
(matriks
drialna)
2 GTP
2 FADH2
6 NADH
2 ATP
3 ATP
15 ATP
mitochon-
30-32 ATP
Ostatecznie komórka uzyskuje od 30 do 32 moli ATP na jeden mol glukozy. Wartość ta nie
jest jednoznacznie określona, gdyż cytoplazmatyczne NADH może być utlenione na dwa sposoby
(„czółenkiem” glicerolo-6-fosforanowym lub „czółenkiem” jabłczanowo-asparaginowym).
Kiedy przeanalizujemy równanie spalanie glukozy
glukoza + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2 O
każe się, że ∆G0 dal tej reakcji wynosi – 2 872 kJ/mol. Taka ilość energii jest równoważna
aż 94 molom ATP. Zatem sprawność komórek wynosi zaledwie:
WYKŁAD 4. 4
39
Utlenianie cytoplazmatycznego NADH
Wewnętrzna błona mitochondrialna jest całkowicie nieprzepuszczalna dla NADH i NAD+ .
Jednakże NADH jest wytwarzany podczas glikolizy w cytoplazmie w trakcie utleniania aldehydu 3-fosfoglicerynowego, a NAD+ musi zostać zregenerowany, aby glikoliza mogła przebiegać
w sposób ciągły. W jaki więc sposób cytoplazmatyczny NADH utleniany jest przez łańcuch
oddechowy?
A. Czółenko glicerolo-3-foforanowe
Rozwiązanie polega na przenoszeniu przez błonę mitochondrialną tylko elektronów z NADH,
a nie samej cząsteczki NADH. Jednym z przenośników tych elektronów jest glicerolo-3-fosforan,
związek łatwo dyfundujący przez kanały poryny w zewnętrznej błonie mitochondrialnej. Pierwszym etapem tego dwukierunkowego procesu jest przeniesienie elektronów z NADH na fosfodihydroksyaceton i przekształcenie go w glicero-3-fosforan.
Ta reakcja, katalizowana przez dehydrogenazę glicerolo-3-fosforanową, zachodzi w cytoplazmie. Glicerolo-3-fosforan zostaje ponownie utleniony do fosfodihydroksyaceton na zewnętrznej stronie wewnętrznej błony mitochondrialnej, w rezultacie przeniesienia pary elektronów z
glicerolo-3-fosforanu na FAD – grupę prostetyczną dehydrogenazy glicerolowej.
1,5 ATP / 1 NADH
Enzym ten różni się od swojego cytoplazmatycznego odpowiednika tym, że jest białkiem
transbłonowym wykorzystującym jako akceptor elektronów FAD, zamiast NAD+ . Fosfodihydroksyaceton utworzony podczas utleniania glicerolo-3-fosforanu dyfunduje następnie z powrotem do cytoplazmy i w ten sposób cykl się zamyka. Taki system przenoszenia elektronów z
cytoplazmy do mitochondriów określa się nazwą czółenka.
W mitochondriach zredukowana flawina oddaje elektrony na przenośnik elektronów Q, który
następnie wchodzi do łańcucha oddechowego w postaci QH2 . Podczas utleniania w łańcuchu
40
Biochemia
oddechowym przeniesionych przez czółenko glicerolo-3-fosforanowe elektronów z NADH, zamiast
2,5 cząsteczek ATP i tworzy się 1,5 cząsteczki. Na pierwszy rzut oka może wydawać się, że
czółenko marnuje jedną cząsteczkę ATP podczas cyklu. Ta wydajność jest mała dlatego, że
w mitochondrialnej dehydrogenazie glicerolo-3-fosforanowej akceptorem elektronów jest FAD, a
nie NAD+ . Korzystanie z FA umożliwia transport elektronów z cytoplazmatycznego NADH do
mitochondriów, wbrew gradientowi stężeń NADH. Ceną za możliwość użycia takiego transportu
jest jedna cząsteczka ATP na dwa elektrony. Czółenko glicerolo-3-fosforanowe jest szczególnie
aktywne w mięśniach skrzydłowych owadów, które mogą utrzymywać bardzo dużą szybkość
fosforylacji oksydacyjnej.
B. Czółenko jabłczanowo-asparaginianowe
W sercu i w wątrobie elektrony z cytoplazmatycznego NADH są przenoszone do mitochondriów za pomocą czółenka jabłczanowo-asparaginianowego, w którym uczestniczą dwa przenośniki błonowe i cztery enzymy.
W cytoplazmie elektrony z NADH są przenoszone do szczawiooctanu. Powstały w wyniku
tego jabłczan przechodzi przez wewnętrzną błonę mitochondrialną i następnie ulega w matriks
ponownemu utlenianiu przez NAD+ , z utworzeniem NADH. Powstały szczawiooctan nie przechodzi łatwo przez wewnętrzną błonę mitochondrialną, dlatego konieczna jest reakcja transaminacji
w celu utworzenia asparaginianu, który może przejść na stronę cytoplazmatyczną.
2,5 ATP / 1 NADH
Czółenko to, w przeciwieństwie do czółenka glicerolo-3-fosforanowego, obejmuje reakcje łatwo
odwracalne. W konsekwencji tego elektrony z cytoplazmatycznego NADH mogą być przeniesione
do NAD+ w matriks mitochondrialnej przez czółenka jabłczanowo-asparaginowe tylko wtedy,
gdy stosunek NADH/NAD+ jest wyższy w cytoplazmie niż w matriks mitochondrialnej.
Szlak pentozofosforanowy
Jest on ilościowo znacznie mniej istotny od cyklu Krebsa i łańcucha oddechowego. Wytwarza
jednak ważny rodzaj energii metabolicznej – potencjał redukcyjny. Niektóre z elektronów i
atomów wodoru cząsteczek paliwowych muszą zostać zachowane do celów biosyntezy i nie są
przekazywane na O2 w celu uzyskania ATP. Źródłem łatwo dostępnego potencjału redukcyjnego
WYKŁAD 4. 4
41
jest w komórce NADPH. Od NADH różni się tylko grupą fosforanową przy węglu C-2 jednej z
ryboz. Między NADH i NADPH istnieje zasadnicza różnica funkcji pełnionych w większości
reakcji biochemicznych. NADH jest utleniany w łańcuchu oddechowym, a wydzielana przy
tym energia zostaje zużyta do syntezy ATP, natomiast NADPH służy jako donor protonów
i elektronów podczas redukcyjnych procesów biosyntezy.
NADPH jest wywarzany w szlaku pentozofosforanowym z równoczesnym utlenieniem glukozo-6-fosforanu
do rybozo-6-fosforanu. Pięciowęglowy cukier – ryboza i jego pochodne są składnikami wielu
związków bardzo ważnych biologicznie, takich jak ATP, CoA, NAD+ , FAD, RNA i DNA.
glukozo-6-fosforan + 2 NADP+ + H2 O → rybozo-5-fosforan + 2 NADPH + 2 H+ + CO2
W szlaku pentozofosforanowym zachodzą też w serii reakcji nieutleniających wzajemne przekształcenia cukrów trój=, cztero-, pięcio-, sześcio- i siedmiowęglowych. Wszystkie te reakcje
zachodzą w cytozolu. U roślin niektóre intermediaty szlaku pentozofosforanowego uczestniczą
podczas fotosyntezy w tworzeniu heksoz z CO2 . Szlak pentozofosforanowy jest nazywany czasami cyklem pentozowym, szlakiem heksozomonofosforanowym lub szlakiem fosfoglukonianowym
utleniającym.
Utleniające odgałęzienie szlaku pentozofosforanowego zaczyna się odwodorowaniem glukozo-6-fosforanu
przy węglu C-1 w reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę glukozo-6-fosforanową. Enzym ten
jest silnie specyficzny w stosunku do NADP+ . Produktem tej reakcji jest 6-glukono-δ-lakton – ester wewnętrzny między grupą karboksylową C-1 a grupą hydroksylową przy C-5. następnie specyficzna glukonolaktonaza hydrolizuje 6-glukono-δ-lakton do 6-fosfoglukonianu. Ten sześciowęglowy
cukier ulega następnie dekarboksylacji oksydacyjnej przez dehydrogenazę 6-fosfoglukonianową do
rybulozo-5-fosforanu. Także tutaj akceptorem elektronów jest NADP+ .
Końcowym etapem w syntezie rybozo-5-fosforanu jest izomeryzacja rybulozo-5-fosforanu,
katalizowana przez izomerazę pentozofosforanową (rybozofosforanową).
Reakcja ta jest podobna do przejść: glukozo-6-fosforan → fruktozo-6-fosforan i fosfodihydroksyaceton → aldehyd-3-fosfoglicerynowy, zachodzących podczas glikolizy. Wszystkie trzy
izomeryzacje ketoza-aldoza przebiegają przez endiolowy związek pośredni.
Dotychczas omówione reakcje szlaku z utlenieniem każdej cząsteczki glukozo-6-fosforanu dają
2 cząsteczki NADPH i 1 cząsteczkę rybozo-5-fosforanu. Wiele komórek przeprowadza jednak
dużo więcej syntez redukcyjnych zależnych od NADPH niż tylko synteza rybozo-5-fosforanu, koniecznego do syntezy nukleotydów i kwasów nukleinowych. W takich przypadkach rybozo-5-fosforan
przekształca się z udziałem transketolazy i transaldolazy w aldehyd-3-fosfoglicerynowy i fruktozo-6-fosforan.
Enzymy te tworzą odwracalne przejście między glikolizą a szlakiem pentozofosforanowym, katalizując następujące trzy reakcje odwracalne:
42
Biochemia
W rezultacie przebiegu tych reakcji z trzech pentoz powstają dwie heksozy i jedna trioza.
Transketolaza przenosi jednostki dwuwęglowe, a transaldolaza – trójwęglowe. Cukrem dostarczającym fragmentów dwu- i trójwęglowych jest zawsze ketoza, akceptorem – zawsze aldoza.
Pierwszą z tych trzech reakcji łączących szlak pentozofosforowy z glikolizą jest tworzeni się
z dwóch pentoz aldehydu 3-fosfoglicerowego i sedoheptulozo-7-fosforanu.
Donorem fragmentu dwuwęglowego w tej reakcji jest ksylulozo-5-fosforan, epimerem rybulozo-5-fosforanu.
Ketoza jest substratem transketolazy tylko wtedy, gdy jej grupa hydroksylowa przy węglu
C-3 ma konfigurację ksylulozy a nie rybulozy. Przekształcenie rybulozo-5-fosforanu w odpowiedni epimer, będący substratem dla transketolazy, katalizuje epimeraza pentozofosforanowa
(3-epimeraza rybulozofosforanowa).
Następnie aldehyd 3-fosfoglicerynowy i sedoheptulozo-7-fosforan reagują tworząc fruktozo-6-fosforan
i erytrozo-4-fosforan. Syntezę tę, prowadzącą do cukru czterowęglowego i sześciowęglowego, katalizuje transaldolaza.
W trzeciej reakcji transketolaza katalizuje syntezę fruktozo-6-fosforanu i aldehydu 3-fosfoglicerynowego
z erytruozo-4-fosforanu i ksylulozo-5-fosforanu.
WYKŁAD 4. 4
43
Po zsumowaniu tych reakcji otrzymujemy:
2 ksylulozo-5-fosforan + rybozo-5-fosforan ← → 2 fruktozo-6-fosforan + aldehyd 3-fosfoglicerynowy
Ponieważ ksylulozo-5-fosforan może być tworzony z rybulozo-5-fosforanu przez działanie kolejno izomerazy pentozofosforanowej i epimerazy pentozofosforanowej, wychodząc od rybulozo-5-fosforanu
otrzymujemy:
3 rybulozo-5-fosforan ← → 2 fruktozo-6-fosforan + aldehyd 3-fosfoglicerynowy
W ten sposób nadmiar rybozo-5-fosforanu wytworzonego w szlaku pentozofosfo-ranowym,
może być całkowicie przekształcony w intermediaty glikolizy. Wynika z tego, że szkielety węglowe
cukrów mogą ulec znacznemu przekształceniu w zależności od zapotrzebowania fizjologicznego.
Wykład 5
Białka
1. Rzadko występują jako materiał zapasowy (wyjątkiem nasiona niektórych roślin)
a) nasiona zbóż – białka typu glutenom
b) soja – glikoproteina 7s (magazyn aminokwasów i azotu)
2. U zwierząt nie występują jako materiał zapasowy, pobierają za to duże ich ilości wraz
z pokarmem roślinnym i właśnie te białka są katabolizowane.
3. Wewnątrz komórkowe (informacyjne, regulacyjne, enzymatyczne, strukturalne) podlegają
obrotowi metabolicznemu – są syntetyzowane i rozkładane równocześnie.
a)
- okres półtrwania -> określa obrót metaboliczny poszczególnych białek
(połowa cz. białka ulega degradacji)
i.
ii.
iii.
iv.
bardzo zróżnicowany dla różnych białek (od kilku sekund do kilku tygodni)
b. informacyjne oraz regulacyjne żyją bardzo krótko.
b. enzymatyczne – od kilku minut do kilku tygodni
b. strukturalne – najbardziej trwałe (np.: b. cytoszkieletu)
b) Obrót metaboliczny związany jest z rozkładem białek na aminokwasy(AA).
c) Hydroliza wiązań peptydowych (rozcinanie białek do aminokwasów poprzez dołączenie wody)
d) proteazy/proteinazy – działają na natywne(?) białka.
e) peptydazy – działają na pewne fragmenty peptydowe uzyskane w wyniku zapoczątkowanej wcześniej hydrolizy.
f) Enzymy są ogromną rodziną i nie wszyscy trzymają się tego podziału.
Klasyfikacja enzymów
1. Uczestniczących w hydrolizie białek pokarmowych jak i b. wewnątrzkom.
2. Często charakteryzują się dużą specjalizacją np.: enzymy występujące w przewodzie pokarmowym, produkowane przez trzustkę:
a) chymotrypsyna – rozszczepia wiązania peptydowe tylko w tych miejscach, gdzie
grupa karboksylowa aminokwasu aromatycznego (tyrozyna, fenyloalanina itp.) wiąże
się z innym, dowolnym aminokwasem.
b) trypsyna – rozcina wiązania peptydowe tworzone przez gr. karboksylowe aminokwasów zasadowych takich jak: lizyna, arginina.
46
Biochemia
3. Duża specyficzność -> dużo enzymów w przewodzie pokarmowym.
4. Podział enzymów ze względu na miejsce nacięć w łańcuchu:
a) endopeptydazy – tną łańcuch polipeptydowy gdzieś w jego środku, np.: trypsyna,
chymotrypsyna.
b) egzopeptydazy – tną łańcuch na końcu. Wyróżniamy:
i. karboksypeptydaza – odszczepia kolejno od C końca pojedyncze reszty aminokwasowe.(?)(aktywuje cz. nukleofilu np.: wody oraz polaryzuje gr. karbonylową)
ii. aminopeptydazy – rozszczepiają kolejno wiązania od N końca.
c) Enzymów proteolitycznych jest bardzo wiele.
d) Proteoliza w komórkach zachodzi w proteosomach, które są jakimś odpowiednikiem
rybosomów; są to złożone struktury w skład, których wchodzi wiele różnych białek,
w tym enzymów proteolitycznych.
e) Hydroliza białek do aminokwasów katalizowana przez proteinazy lub peptydazy jest
procesem, w którym wydziela się dość dużo energii ale zbyt mało żeby mogła towarzyszyć jej synteza ATP lub innych związków wysokoenergetycznych; więc podobnie
jak w przypadku cukrowców i lipidów, ta faza hydrolityczna jest jałowa energetycznie.
(powstała E wydzielana jest w postaci ciepła)
f) Powstałe aminokwasy mogą być dalej katabolizowane.
g) W białku występuje 20 kodowanych aminokwasów, oprócz tego występują jeszcze AA
niekodowane, które powstają w wyniku potranslacyjnej modyfikacji pewnych reszt
aminokwasowych, np.: część reszt lizyny może być hydroksylowana w wyniku czego powstaje 5-hydroksylizyna, część proliny może być przekształcona w 4-hydroksyprolinę.
Po hydrolizie białek często uzyskujemy więcej niż 20 AA.
h) Pierwszym etapem katabolizmu białek/AA jest deaminacja.(?)
Deaminacja białek i aminokwasów
1. Usunięcie gr. aminowej w postaci amoniaku (w kom. występuje on w postaci jonów
amonowych)
2. Może zachodzić na początku (alanina, kw. glutaminowy) lub po pewnych przekształceniach
(prolina przekształca się w kw. glutaminowy i dopiero ulega deaminacji)
3. Może zachodzić na różnych etapach katabolizmu poszczególnych AA.
4. Niektóre AA w wyniku utraty gr. aminowej mogą przekształcić się w pirogronian, niektóre
w acetylo-CoA, a inne w różne metabolity cyklu Krebsa,
-ketoglutarowy, szczawiooctan, bursztynian.(są włączane w różne etapy katabonp.: kw.
lizmu złożonych cukrowców, niepotrzebna reszta zostaje degradowana do amoniaku)
1. Ważną grupą enzymów biorącą udział w usuwaniu gr. Aminowych są aminotransferazy.
Katabolizm aminokwasów
1. Transaminacja (aminotransferazy):
WYKŁAD 5. BIAŁKA
47
Reakcje katalizowane przez:
1. Aminotransferazę asparaginową
2. Aminotransferazę alaninową
3. Jest bardzo dużo różnych aminotransferaz, które katalizują reakcję transaminacji.
4. Określony aminokwas oddaje gr. aminową na ketokwas, którym najczęściej jest
α-ketoglutaran; w wyniku tego z aminokwasu powstaje odpowiedni α-ketokwas,
a α-ketoglutaran ulega aminacji i powstaje glutaminian.
5. Procesy transamincji nie prowadzą do całkowitej deaminacji – jeden AA zmieniany jest na
inny (asparaginian / alanina na glutaminian)
6. Oznaczenie aktywności tych enzymów w otoczeniu jest ważnym narzędziem diagnostycznym: obie te aminotransferazy wys. wew.-kom. np.: w mięśniu sercowym, wątrobie. Każdy
narząd charakteryzuje się pewnym stosunkiem aktywności jednego enzymu do drugiego
– jeśli w osoczu pojawia się podwyższony poziom transferaz oznacza to, że narząd uległ
uszkodzeniu.
1. Koenzym aminotransferaza jest pochodną pirydyny: fosforan pirydoksalu (PLP), który
w komórkach ssaczych wytwarzany jest z witaminy B6 (pirydoksyny); żeby mogła się ona
przekształcić w PLP to gr. alkoholowa 1 musi się utlenić do gr. aldehydowej i inna gr. musi
ulec fosforylacji.
a) Witamina jest wykorzystywana jako element budulcowy do syntezy koenzymu, substancji która uczestniczy w procesie katalitycznym.
48
Biochemia
2. Fosforan pirydoksalu, w trakcie procesu transaminacji, przejściowo jest w stanie przyjąć
gr. aminową aminokwasu, powstający fosforan pirodoksyny (PMP) oddaje tę gr. aminową
na odpowiedniego biorcę (najczęściej jest nim α-ketoglutaran)
3. Transaminacja: AA reaguje z enzymem zawierającym jako koenzym fosforan pirydoksalu
(PLP); w drugim etapie reakcji α-ketokwas reaguje z fosforanem pirydoksaminy, w wyniku
czego powstaje aminokwas.
aminokwas
+ E – PLP α-ketokwas
+E – PMP
α-ketokwas
+ E – PMP aminokwas
+ E – PLP
aminokwas+
aminokwas
+ α-ketokwas
ˆ Schemat transaminacji:
1. Mechanizm transaminacji:
α-ketokwas
WYKŁAD 5. BIAŁKA
49
1. Odpowiedni enzym (aminotransferaza) zawiera kowalencyjnie związany fosforan pirydoksalu, przyłączony do gr. -aminowej (epsilon) lizyny wchodzącej w skład łańcucha peptydowego enzymu, tworząc w ten sposób zasadę Schifa. Zasada Schifa b. łatwo powstaje kiedy
mamy do czynienia z aminą i zw. Karboksylowym – w wyniku eliminacji cząsteczki wody
powstaje
(zasada Schifa). Grupa aldehydowa PLP tworzy w stanie podstawowym zasadę Schifa z
grupą aminową lizyny. Lizyna jest AA zasadowym, który zamiast gr. α aminowej zawiera
E-aminową grupę w łańcuchu bocznym, która jest związana z PLP.
2. Jeśli pojawi się właściwy AA to następuje wyparcie PLP, powstaje np.: ...(źle skserowane,
nie dało się odczytać)
1. Zewnętrzna aldoimina w wyniku odprotonowania i protonacji w inny sposób prowadzi
do powstania struktury zwanej ketoiminą, a następnie w wyniku przyłączenia cząsteczki
wody do podwójnego wiązania następuje rozpad na α-ketokwas i fosforan pirydoksaminy,
który może reagować z innym α-ketokwasem np.: z α-ketoglutaranem – zachodzi odwrotny
ciąg reakcji (wszystkie te reakcje są odwracalne), w wyniku czego odtwarza się aldoimina i może zajść następująca reakcja (także odwracalna): zewnętrzna aldoimina rozpada
się na AA i powstaje kowalencyjne połączenie fosforanu pirydoksalu z enzymem.
2. Innym ważnym procesem związanym z katabolizmem AA jest oksydacyjna deaminacja.
3. Oksydacyjna deaminacja:
1. Najważniejszym enzymem z gr. katalizujących tego typu reakcje jest dehydrogenaza glutaminianowa, która działa na glutaminian jako substrat.
50
Biochemia
2. Cz. glutaminianu jest utleniana (utleniaczem może być: NAD+ i NADP+ ), przy udziale
cz. Wody następuje rozpad utlenianego intermediatu do ketoglutaranu i jonu amonowego,
a z NAD+ / NADP+ jest tworzona zredukowana postać: MADH i NADPH
3. Prosty mechanizm reakcji: przy udziale odpowiedniego utleniacza odbierane są 2 atomy
wodoru w wyniku czego powstaje podwójne wiązanie i imina; przyłączenie wody do podwójnego wiązania daje α-ketokwas.
1. AA może oddać gr. aminową (przy udziale aminotransferazy) na α-ketoglutaran, w wyniku
czego a aminokwasu wyjściowego powstaje α-ketokwas, a α-ketoglutaran ulega aminacji do
glutaminianu.
2. Dehydrogenaza glutaminianowa prowadzi właściwą deaminację powstającego glutaminianu
w rozlicznych procesach transaminacji rozkładając glutaminian
na α-ketoglutaran i amoniak (jon amonowy); potrzebny jest utleniacz bo reakcja ma charakter red-ox, dlatego też NAD
wiednia zredukowana forma)
i NADP
mogą również uczestniczyć (powstaje odpo-
3. Aminotransferazy współdziałają z dehydrogenazą glutaminianową prowadząc do deaminacji różnych AA.
Usuwanie amoniaku
1. Amoniak jest toksyczny dla komórek więc muszą się go jak najszybciej pozbyć, nie może
dojść do sytuacji gdy stężenie amoniaku będzie zbyt wysokie; u zwierząt wodnych sytuacja
jest prosta, można się go pozbyć także przez skórę, u ryb przez skrzela na drodze dyfuzji (zwierzęta amonioteliczne); u zwierząt lądowych sytuacja jest bardziej skomplikowana,
są problemy z usunięciem amoniaku. Jest to różnie rozwiązane: u ssaków amoniak przekształcany jest w mocznik, który następnie jest wydalany z organizmu z moczem; u ptaków
amoniak przekształcany jest w kwas moczowy i również usuwany wraz z moczem.
2. Przekształcenia amoniaku w mocznik dzieją się w cyklu mocznikowym ze zużyciem
pewnej ilości energii, ale pozwala to na zagospodarowanie i pozbycie się toksyny.
3. Cykl mocznikowy zachodzi w kom. wątroby: częściowo w mitochondriach, a częściowo
w cytoplaźmie. Następnie mocznik wydzielany jest do krwi, która jest filtrowana w nerkach;
powstały mocz zostaje wydalony z organizmu.
a) Organizmy urynoteliczne – amoniak przekształcany jest w mocznik.
b) Organizmy urykoteliczne – amoniak przekształcany jest w kwas moczowy.
(omawiamy tylko syntezę mocznika w cyklu mocznikowym)
1. Cykl mocznikowy (cykl Krebsa - Henseleita): Zlokalizowany w wątrobie!
WYKŁAD 5. BIAŁKA
51
1. Wszystko zaczyna się w mitochondrium: w matrix z CO2 i amoniaku (jonów amonowych)
karbamoilofosforan; żeby mógł powstać potrzebne jest ATP (2 cz. ATP do syntezy 1 cz. karbamoilofosforanu – reakcja b. kosztowna energetycznie); w matrix powstaje bardzo dużo
CO2 w cyklu Krebsa, a na drodze fosforylacji oksydacyjnej masowo syntetyzowany jest
ATP – daje to szczególnie korzystne warunki dla kosztownej energetycznie syntezy karbamoilofosforanu
2. Karbamoilofosforan (pochodna kw. karbamowego) ma wiązanie typu mieszany bezwodnik
z resztą kw. ortofosforowego, więc jest to zw. wysokoenergetyczny; posiada wysoki potencjał transportu reszt kw. karbamowego (CONH2 ) na AA nie występujący w białkach –
ornitynę(podobna do lizyny ale ma o jeden atom C krótszy łańcuch). Ornityna oprócz
α-aminowej gr. zawiera w łańcuchu bocznym dodatkową gr. aminową.
3. Resta karbamoilowa jest przenoszona na gr. aminową ornityny i daje inny aminokwas
– cytrulinę. Cytrulina dzięki obecności specjalnego nośnika migruje z mitochondrium
do cytoplazmy, w której zachodzi reszta reakcji cyklu.
4. Z asparaginianu (dikarboksylowy aminokwas) i cytruliny następuje synteza argininobursztynianu.
5. Argininobursztynian w kolejnej reakcji przekształca się w argininę (AA występujący m.in. w
białkach), a jako poboczny produkt powstaje fumaran (kw. fumarowy).
6. Arginina ulega hydrolitycznemu rozpadowi w wyniku czego, przy udziale enzymu zwanego
arginazą, powstaje cz. mocznika i odtwarza się cz. ornityny, która może wnikać do mitochondrium, gdzie zostanie wykorzystywana jako biorca kolejnej reszty karbamolowej.
7. Mocznik zawiera dwie gr. NH2 - jedna z nich pochodzi z amoniaku wytworzonego w procesie
deaminacji AA, a druga z gr. aminowej asparaginianu, który się przekształca ostatecznie w
fumaran – jest to także sposób na deaminację pewnych AA (np.: asparaginianu); obie
52
Biochemia
gr. pochodzą więc z aminokwasów (1. - deaminacja głównie kw. glutaminowego, 2. –
asparaginian)
1. Etapy cyklu mocznikowego (z uwzględnieniem działających enzymów):
1. Syntetaza karbamoilofosforanowa:
1. Jedna cz. ATP rozpada się do ADP i fosforanu organicznego, druga służy jako dawca gr.
fosforanowej do syntezy karbamoilofosforanu.
2. 2 cz. ATP (dwa wiązania wysokoenergetyczne) są wykorzystywane na syntezę jednej cz.
Karbamoilofosforanu.
3. W mitochondrium szczególnie sprzyjające warunki dla tej reakcji: wysokie stężenie ATP i
CO2 , reakcja więc przebiega z łatwością pomimo tego, że jest kosztowna energetycznie.
1. Karbamoilotransferaza ornitynowa(kolejny działający enzym
1. Reakcja zachodzi w matrix mitochondrialnej
2. Karbamoilofosforan oddaje resztę kwasu karbamowego na atom azotu gr. aminowej w
ornitynie.
3. Ornityna jest niebiałkowym aminokwasem, który oprócz α-aminowej gr. posiada w pozycji
∆ gr. aminową (przy C delta) – w lizynie łańcuch dłuższy o 1 C, więc druga gr. aminowa
występuje w pozycji (epsilon).
4. Cytrulina, która powstała w wyniku przeniesienia reszty karbamoilowej na ornitynę, jest
eksportowana z matrix mitochondrialnej za pomocą specjalnego przenośnika białkowego
na teren cytoplazmy i tam zachodzą kolejne reakcje.
1. Syntetaza argininobursztynianowa:
WYKŁAD 5. BIAŁKA
53
1. Cytrulina, już na ternie cytoplazmy, reaguje z kw. asparaginowym – ta reakcja również
wymaga ATP, który ulega rozpadowi na AMP i pirofosforan, który jest następnie hydrolizowany do dwóch reszt kw. ortofosforowego – powstaje argininobursztynian.
(Oznacza to, że wykorzystywane są dwa wiązania wysokoenergetyczne.)
1. W większości reakcji gdzie ATP służy jako dawca energii mamy do czynienia z rozpadem
na ADP i fosforan nieorganiczny, ale np.: w tej reakcji i szeregu innych ATP rozpada się
do AMP i pirofosforanu, który następnie może się rozpadać do dwóch reszt ortofosforanu.
Żeby z AMP odtworzyć ATP muszą zajść dwie rekcje:
a) AMP + ATP −→ 2 ADP
b) Fosforylacja ADP prowadzi do utworzenia ATP.
2. Regeneracja ATP z AMP wymaga wytworzenia dwóch wiązań wysokoenergetycznych,
dlatego przeliczeniowo mówimy, iż w tego typu procesach wykorzystywane są 2 wysokoenergetyczne wiązania, mimo, że fizycznie uczestniczy tylko 1 cz. ATP.
1. Liaza argininobursztynianowa:
1. Liaza argininobursztynianowa powoduje rozszczepienie argininobursztynianu (pęka wiązanie N-C i transfer H) w wyniku czego powstaje arginina, a z reszty powstaje transfumaran.
2. Arginina jest jednym z AA występujących w białkach; uczestniczy jako metabolit pośredni
w cyklu mocznikowym.
1. Arginaza:
54
Biochemia
1. W wyniku działania arginazy i przez przyłączanie cz. wody, następuje odszczepienie jednego
ugrupowania w postaci mocznika oraz odtwarza się ornityna, która dzięki obecności w błonie wewnętrznej mitochondrialnej specjalnego nośnika, może być przeniesiona z powrotem
do matrix mitochondrialnej gdzie cykl się zamyka.
1. Synteza 1 mola mocznika będzie wymagała 4 moli ATP (lub 4 moli wiązań wysokoenergetycznych) – po dwa wiązania przy syntezie karbamoilofosforan i argininobursztynianu.
2. Włączający się w pewnym momencie asparaginian oddaje grupę aminową, w wyniku czego
powstaje arginina, natomiast ze szkieletu węglowego asparaginianu powstaje fumaran,
który jest metabolitem cyklu Krebsa.
1. Fumaran wędruje do matrix mitochondrialnej i tam może zostać zmetabolizowany – ważne
powiązanie cyklu mocznikowego z cyklem Krebsa, ponieważ istotnie wpływa na energetykę
cyklu . . . . . . . . . . . . .
2. Fumaran w matrix:
a) Wiązanie podwójne ulega hydratacji – powstaje jabłczan, który jest utleniany do szczawiooctanu.
WYKŁAD 5. BIAŁKA
55
b) Powstające NADH może oddać elektrony na łańcuch oddechowy, w wyniku czego
zostaną zsyntetyzowane 2,5 mola ATP (na drodze fosforylacji oksydacyjnej).
c) Szczawiooctan może ulegać reakcji (przy działaniu aminotransferaz), w której z jakiegoś aminokwasu przenoszona jest reszta aminowa na szczawiooctan
(α-ketokwas), w wyniku czego powstaje asparaginian.
3. Całkowity koszt syntezy 1 mola mocznika:
a) Synteza karbamoilofosforan
b) Synteza argininobursztynianu
c) Przemiany fumaranu
d)
- 2 mole ATP
- 2 mole ATP
+ 2,5 mola ATP (1 mol NADH)
Suma
1,5 mola ATP
e) Proces nie jest więc kosztowny energetycznie, ale za to bardzo ważny dla organizmu
– pozwala na przekształcenie toksycznego amoniaku w bezpieczny mocznik, a następnie
jego usunięcie z organizmu.
Losy szkieletów węglowych
1. Schemat:
1. Szkielety węglowe powstają poprzez usunięcie z amoniaku gr. Aminowej
2. Niektóre AA (alanina szczególnie łatwo) mogą się przekształcać w pirogronian, a on w wyniku dekarboksylacji oksydacyjnej może się przekształcać w acetylo-CoA, reszty acetylowe
mogą się włączyć do cyklu kwasu cytrynowego; pirogronian może się przekształcić w szczawiooctan, który może być prekursorem do syntezy glukozy na szlaku glukoneogenezy.
3. Asp, Asn mogą w wyniku transaminacji dawać szczawiooctan.
4. Aminokwasy mogą się także przekształcać w fumaran lub bursztynylo-CoA.
56
Biochemia
5. Glutaminian bezpośrednio w wyniku deaminacji oksydacyjnej daje α-ketoglutaran; Arg,
Gln, His, Pro mogą się przekształcić w α-ketoglutaran najpierw przekształcając się w glutaminian.
6. Aminokwasy glukogenne - wszystkie AA, które charakteryzują się tym, że w wyniku
przemian ich szkieletów węglowych powstają metabolity cyklu Krebsa (wzbogacają pulę
cyklu Krebsa; dzięki nim jest więcej szczawiooctanu, który jest prekursorem glukozy).
7. Aminokwasy ketogenne – AA, które w wyniku degradacji szkieletów węglowych przekształciły się w acetylo-CoA (reszty acetylowe w cyklu Krebsa są całkowicie spalane – nie
wzbogacają puli metabolitów), który następnie może przekształcić się w
acetoacetylo-CoA (może powstać łatwo w wyniku degradacji szkieletów węglowych: Leu,
Trp, Lys, Phe); dalszy metabolizm prowadzi do powstania ciał ketonowych.
a) Ciała ketonowe:
1. Acetoacetylo-CoA w wyniku rozszczepienia wiązania C ˜ S może dawać kwas acetooctowy
(a właściwie anion - acetooctan), który po dekarboksylacji daje aceton.
2. Może też zajść inna reakcja: przy udziale NADH (działa przy tym odpowiednia dehydrogenaza) może powstać związek czterowęglowy – kwas β-hydroksymasłowy.
3. Ciałami ketonowymi są powstające ostatecznie:
a) Acetooctan
b) Aceton
c) Kwas β-hydroksymasłowy (β-hydroksymaślan)
4. W wyniku degradacji szkieletów węglowych AA ketogennych, w pewnych warunkach zaburzeń metabolicznych, dochodzi do nadmiernej produkcji metabolitów (szczególnie acetonu,
który może się pojawić w moczu), albo w wyniku spożywania nadmiernej ilości aminokwasów ketogennych, wtedy cykl Krebsa nie jest w stanie przetworzyć wszystkich reszt
acetylowych – tworzy się cetoacetylo-CoA.
Dekarboksylacja
aminokwas
amina biogenna
WYKŁAD 5. BIAŁKA
57
glutaminian
kwas γ-aminomasłowy (GABA) (neurotransmiter)
histydyna histamina (hormon tkankowy)
seryna
1.
etanotamina (ważny składnik strukturalny fosfolipidów błonowych)
są to reakcje usunięcia grupy karboksylowej z aminokwasu
2.
stosunkowo niewielka pula aminokwasów podlega tego rodzaju metabolizmowi, ale
jest to bardzo ważna reakcja, bo w jej wyniku powstają aminy (zwane często aminami
biogennymi), z których wiele ma istotną wartość dla metabolizmu komórkowego
3.
z asparaginianu dekarboksylacja prowadzi do powstania β-alaniny, która jest wykorzystywana do syntezy CoA
4.
proces deaminacji aminokwasów może zachodzić w różny sposób (czasami deaminacja
jest na poziomie jednego aminokwasu, a czasem jeden aminokwas musi przekształcić się w
inny zanim ulegnie deaminacji i musi zajść przemiana metaboliczna); taki skomplikowany
proces jest w przypadku: Arg, Gln, His, Pro
5. wszystkie w efekcie utraty grupy aminowej dają α-ketoglutaran
6. w przypadku kwasu glutaminowego jest to bardzo proste, ponieważ wystarczy, iż zadziała
dehydrogenaza glutaminianowa – powstaje α-ketoglutaran
7. pozostałe żeby ulec metabolizmowi muszą przekształcić się w glutaminian
8. prolina (tak naprawdę jest aminokwasem): najpierw działa dehydrogenaza, która wprowadza podwójne wiązanie (są usuwane dwa atomy H) – powstaje nienasycony analog
proliny; następuje przyłączenie cząsteczki wody i powstaje semialdehyd kwasu glutaminowego (różni się od kwasu glutaminowego tym, że zamiast drugiej grupy COO– zawiera
grupę aldehydową), który w wyniku działania kolejnej dehydrogenazy może zostać utleniony do kwasu glutaminowego (utl. NAD+ )
9. również inne rodziny aminokwasów aby ulec deaminacji
Wykład 6
Katabolizm
6.1
Proces kataboliczny
ˆ degradacja złożonych, polimerycznych substancji organicznych do prostych cząsteczek,
nawet do CO2 , H2 O, NH3
ˆ procesy kataboliczne jako całość są termodynamicznie korzystne – entropia rośnie, więc
procesy mogą zachodzić spontanicznie
ˆ sumaryczna zmiana energii swobodnej jest wartością ujemną – wydzielana jest energia
ˆ degradacji towarzyszy stopniowe utlenianie rozkładanych substancji z udziałem FAD i
NAD+ jako utleniacza – prowadzi to do powstania zredukowanych form tych di nukleotydów, FADH2 i NADH
ˆ degradacji towarzyszy synteza ATP – wiąże się to z fosforyzacjami substratowymi, które
zachodzą w pewnych procesach metabolicznych, np. w glikolizie, cyklu Krebsa, a u tlenowców głównym źródłem ATP jest fosforylacja oksydacyjna związana z reutlenianiem
powstających FADH2 i NADH poprzez łańcuch oddechowy
6.2
Procesy anaboliczne
ˆ synteza złożonych cząsteczek, często takich polimerycznych jak białka, polisacharydy,
kwasy nukleinowe, z cząsteczek prostych prekursorów
ˆ u autotrofów to może być synteza nawet z prostych, nieorganicznych substancji jak CO2 ,
H2 O, NH3
ˆ procesy anaboliczne sumarycznie są niekorzystne energetycznie – entropia maleje, procesy
nie mogą zachodzić spontanicznie, porządkowanie materii oznacza spadek entropii
ˆ synteza musi być sprzężona z procesem termodynamicznie korzystnym – najczęściej rozpad
wysokoenergetycznych wiązań ATP
ˆ towarzyszą mu procesy redukcji, w większości przypadków reduktorem jest NADPH –
analog NADH, tylko zawierający dodatkową resztę kwasu ortofosforowego w tej połówce,
którą jest nukleotyd adeninowy – u zwierząt ważnym procesem dostarczającym NADPH
jest szlak pentozo fosforanowy – alternatywna do glikolizy droga degradacji cukrów – może
też powstawać w innych procesach, u fotoautotrofów ATP i NADPH powstają w fazie
jasnej fotosyntezy, na koszt światła
60
Biochemia
ˆ substancja przekształca się przez pośrednie metabolity w inną substancję – katabolizm
ˆ zwykle na takim szlaku katabolicznym jest część reakcji odwracalnych, może być ich różna
ilość
0
ˆ reakcje odwracalne: δG0 jest lekko dodatnia lub lekko ujemna, ewentualnie zerowa – nawet
niewielkie zmiany stężeń reagujących substancji mogą albo kierować reakcję w prawo, albo
w lewo, takie reakcję mogą być wykorzystane zarówno do degradacji substancji, jak i do
syntezy
ˆ zwykle na szlaku katabolicznym jest co najmniej jedna reakcja, która jest nieodwracalna,
0
gdzie δG0 jest silnie ujemna – jest mała szansa, aby można było odwrócić bieg reakcji,
manipulując stężeniami reagujących substancji
ˆ nieodwracalna reakcja spełnia bardzo ważną funkcję – rozpędza cały proces kataboliczny
w kierunku degradacji
ˆ reakcje odwracalne, przynajmniej teoretycznie, mogą być wykorzystywane w procesach
anabolicznych
ˆ w anabolizmie komórki muszą sobie jakoś radzić z obchodzeniem nieodwracalnych reakcji,
np. metabolit D jest przekształcany w reakcji odwracalnej w metabolit D1 a ten związek,
w reakcji sprzężonej z hydrolizą ATP, może się przekształcać w związek C – obejście jest
możliwe na koszt ATP
ˆ to, że szlaki kataboliczne i anabolicznie nie pokrywają się z sobą zupełnie, ma bardzo
istotne znaczenie z punktu widzenia regulacyjnego C komórka musi reagować na pewne
sytuacje biologiczne i albo uruchamiać procesy kataboliczne, np. gdy brakuje energii, albo
prowadzić syntezy ważnych substancji; szczególnie podatne na regulację są procesy, które
różnią szlak anaboliczny od katabolicznego
ˆ generalnie anabolizm możemy traktować jako swego rodzaju odwrócenie katabolizmu
6.3
Glukoneogeneza
Synteza cukrów de novo, z prostych metabolitów niecukrowych
glikoliza
glukoza −
)−
−−
−−
−−
−−
−−
−−
−−
−*
− pirogronian
glukoneogeneza
jest w pewnym sensie odwróceniem glikolizy. Glukoneogeneza ma trochę szersze znaczenie, bo
dotyczy syntezy glukozy nie tylko z pirogronianu, ale z różnych innych związków niecukrowych.
WYKŁAD 6. KATABOLIZM
61
Glukoneogeneza jest niby odwróceniem glikolizy, ale jak rozpatrzymy po kolei glikolizę, to
widzimy, że wszystkie reakcje poza trzema są odwracalne
Nieodwracalne reakcje glikolizy:
heksokinaza
1. glukoza + ATP −−−−−−−→ glukozo-6-fosforan + ADP : aktywacja cząsteczki heksozy przy
udziale heksokinazy
fosfofruktokinaza
2. fruktozo−6 −fosforan + ATP −−−−−−−−−−→ fruktozo-1,6-bifosforan + ADP : dodatkowe
ufosforylowanie
kinazapirogronianowa
3. fosfoenolopirogronian + ADP −−−−−−−−−−−−−→ pirogronian + ATP : przekazanie reszty
fosforanowej (ostatnia reakcja glikolizy)
Aby było możliwe zajście glukoneogenezy – przekształcenie pirogronianu w glukozę – musi
zajść obejście tych reakcji
Obejście w glukoneogenezie:
ˆ pirogronian przy udziale enzymu, karboksylazy pirogronianowej, i cząsteczki CO2 ulega
karboksylacji, powstaje czterowęglowy, dikarboksylowy α-ketokwas – szczawiooctan, ta
reakcja jest energetycznie kosztowna i musi być sprzężona z hydrolizą ATP do ADP i
Pi
ˆ szczawiooctan przy udziale enzymu, karboksykinazy fosfoenolopirogronianowej, i GTP
jako źródła energii – reszta fosforanowa z rozpadającego się GTP jest przekazywana na
powstający fosfoenolopirogronian – powstaje cząsteczka fosfoenolopirogronianu Reakcja
jest w sumie bardzo kosztowna – 2 mole ATP na 1 mol pirogronianu, zachodzi dwuetapowo
ˆ z pirogronianu powstaje szczawiooctan w matrix mitochondrialnej, ta reakcja, jak i synteza
karbamoilofosforanu, wymaga CO2 i ATP – oba te związki są łatwo dostępne w matrix
mitochondrialnej – CO2 powstaje np. w cyklu Krebsa, a ATP w fosforylacji oksydacyjnej
ˆ wszystkie dalsze reakcje glukoneogenezy toczą się już na terenie cytoplazmy, glukoneogeneza jest przykładem procesu metabolicznego, który częściowo zachodzi w jednym
przedziale, częściowo w innym, jak cykl mocznikowy
ˆ szczawiooctan nie może swobodnie przenikać przez wewnętrzną błonę mitochondrialną,
więc jest na terenie matrix redukowany do jabłczanu przez dehydrogenazę jabłczanową
– enzym działa odwracalnie, również w cyklu Krebsa – jabłczan ma specjalny nośnik,
nośnik kwasów dikarboksylowych, i na terenie cytoplazmy działa inna formy dehydrogenazy
jabłczanowej, która utlenia jabłczan do szczawiooctanu – reakcja odwracalna
ˆ na terenie cytoplazmy szczawiooctan podlega drugiej reakcji katalitycznej przez karboksykinazy fosfoenolopirogronianową, powstaje fosfoenolopirogronian
62
Biochemia
ˆ obejście pozostałych dwóch reakcji – 2. i 1. – jest bardzo proste, są one zastąpione innymi
reakcjami
fosfataza
fruktozo-1,6-bifosforan + H2 O −−−−−→ Pi + fruktozo-6-fosforan
ˆ fruktozo-1,6-bifosforan ulega hydrolizie przy udziale enzymu z grupy fosfataz – fosfataza
1,6-bisfosforanowa – w wyniku czego hydrolitycznie odszczepiana jest reszta fosforanowa z
pozycji 1.
ˆ reakcja jest termodynamicznie wysoce korzystna i praktycznie nieodwracalna – substratem
jest H2 O, której w komórce jest bardzo dużo – żeby reakcja zaszła w drugą stronę należałoby
komórkę pozbawić wody
fosfataza
glukozo-6-fosforan + H2 O −−−−−→ Pi + glukoza
ˆ odwrócenie reakcji aktywacji cukru
ˆ fosfataza odszczepia resztę fosforanową z pozycji 6. cząsteczki glukozy
WYKŁAD 6. KATABOLIZM
6.4
63
Szlak glukoneogenezy
ˆ zwykło się rozpatrywać glukoneogenezę jako przekształcenie pirogronianu w glukozę, jednakże powinno się ją traktować nieco szerzej – chodzi nie tylko o syntezę glukozy z
pirogronianu ale również z wielu innych, drobnocząsteczkowych związków, np. mleczan;
niektóre aminokwasy – ich szkielety węglowe dają pirogronian np. alanina; inne aminokwasy, np. asparaginian, w wyniku transaminacji mogą się przekształcać w szczawiooctan;
powstający w wyniku lipolizy tłuszczów glicerol może się włączyć bardzo łatwo w szlak
glukoneogenezy, przekształcając się w fosfodihydroksyaceton
ˆ glukoneogeneza pozwala niezależnie od tego, jaką stosujemy dietę, na syntezę glukozy
na odpowiednio wysokim poziomie, żeby zapewnić odpowiedni poziom glukozy we krwi;
Eskimosi żywią się praktycznie wyłącznie pokarmem zwierzęcym, bogatym w tłuszcze i
białka, ale bardzo ubogim w węglowodany – glukoneogeneza pozwala na przekształcenie
pewnych związków niecukrowych, np. szkielety węglowe aminokwasów, glicerol, do syntezy
64
Biochemia
glukozy; u Eskimosów poziom glukozy we krwi jest przeciętnie taki sam, jak u wegetarian
– dużo węglowodanów, np. skrobi, łatwo możne powstawać glukoza, mało białek i lipidów
ˆ pirogronian przy udziale karboksylazy pirogronianowej i cząsteczki ATP przekształca się
w szczawiooctan, w matrix
ˆ na terenie cytoplazmy działa karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa, wykorzystująca
GTP jako źródło energii, w wyniku czego ze szczawiooctanu powstaje fosfoenolopirogronian
ˆ reakcje odwracalne: fosfoenolopirogronian może przekształcić się w 2-fosfoglicerynian w
wyniku przyłączenia cząsteczki wody, ten może izomeryzować do 3-fosfoglicerynianu, a
on przy udziale ATP może się przekształcać się w 1,3-bisfosfoglicerynian, a on przy
udziale cząsteczki NADH może się przekształcać w aldehyd 3-fosfoglicerynowy, a ten z
kolei przy udziale izomerazy triozofosforanowej może przekształcać się w drugą fosfotriozę,
jaką jest fosfodihydroksyaceton, i w wyniku działania aldolazy – działa również odwracalnie – powstawać może fruktozo-1,6-bisfosforan, który ulega hydrolitycznemu odszczepieniu
grupy fosforanowej z pozycji 1. – powstaje fruktozo-6-fosforan – drugie obejście reakcji
glikolizy, kolejna reakcja jest odwracalna – przekształcenie na zasadzie izomeryzacji w
glukozo-6-fosforan, teraz następuje hydrolityczne odszczepienie reszty fosforanowej z pozycji 6. przy udziale glukozo-6-fosfatazy, ostatecznie powstaje glukoza
NAD+ −→NADH+H+
ATP−→ADP
glicerol −−−−−−−−→ glicerolo-3-fosforan −−−−−−−−−−−−−−→ fosfodihydroksyaceton
lipoliza
utlenianie
ˆ GLICEROL powstający w wyniku lipolizy tłuszczów musi być ufosforylowany, zaktywowany – powstaje glicerolo-3-fosforan a następnie ulega utlenieniu, w wyniku czego powstaje
cząsteczka fosfodihydroksyacetonu – bardzo łatwo tą metodą glicerol może wejść w szlak
glukoneogenezy
ˆ te związki, które się przekształcają w acetylo-CoA np. kwasy tłuszczowe, przynajmniej u
zwierząt nie mogą służyć jako prekursorzy do resyntezy glukozy, kwasy tłuszczowe nie są
substratami glukogennymi
ˆ u roślin jest specjalny proces metaboliczny zwany cyklem glioksalowym, który pozwala na
wykorzystanie acetylo-CoA w syntezie glukozy – jest to bardzo istotne w czasie kiełkowania
nasion niektórych roślin, które magazynują głównie tłuszcze – nasiona oleiste – i w czasie
kiełkowania, gdy jeszcze fotosynteza nie funkcjonuje, a jest duże zapotrzebowanie na
cukry, chociażby w związku z budową ścian komórkowych nowo powstających komórek,
to jest istotne dla roślin, że potrafią przekształcić kwasy tłuszczowe – w wyniku hydrolizy
zapasowych tłuszczów – w glukozę
ˆ u zwierząt powstający acetylo-CoA, jeśli wejdzie w cykl Krebsa, to ulega spaleniu do 2 x
CO2 i nie ma żadnej możliwości, by mógł się on przekształcić w glukozę
Mleczan
W procesie glikolizy, która zachodzi w mięśniach, np. u ssaków, zapotrzebowanie na energię jest
tak gwałtowne w mięśniu pracującym, że zwykle nie wystarcza tlenu po to, aby całkowicie spalić
wykorzystywaną jako paliwo glukozę, w związku z tym powstający w glikolizie pirogronian jest
przekształcany w mleczan, a mleczan jest z komórek mięśniowych usuwany do krwi, wychwytywany przez wątrobę i w wątrobie może być wykorzystywany, ponieważ szkoda tego związku,
gdyż jest w nim jeszcze dużo energii, może być stosowany jako substrat do syntezy glukozy w
WYKŁAD 6. KATABOLIZM
65
procesie glukoneogenezy – głównym organem, gdzie zachodzi glukoneogeneza jest wątroba – 90%
syntezy glukozy na tej drodze, około 10% w nerkach; w warunkach głodowych, kiedy głównie
różne związki organiczne są wykorzystywane do glukoneogenezy, powstające w wyniku katabolizmu różnych substancji, aminokwasów, to nerki wychwytują z pierwotnego moczu te związki
i wtedy udział ten w glukoneogenezie może dochodzić nawet do 50% całości, jaka zachodzi w
organizmie
6.5
Cykl Corich
W mięśniu w wyniku glikolizy z glukozy powstaje pirogronian, który jest redukowany do
mleczanu – bardzo ważna reakcja, ponieważ w jej wyniku regenerowany jest NAD+ , który jest
potrzebny do jednego z etapów glikolizy – ta reakcja musi zajść, aby glikoliza mogła zachodzić
nieustannie.
Mleczan poprzez krew dostaje się do wątroby, gdzie może posłużyć jako substrat glukoneogenny, w wyniku działania dehydrogenazy mleczanowej, która katalizuje odwracalną reakcję,
mleczan może być powrotnie przekształcony w pirogronian, a pirogronian już łatwo przekształca
się w glukozę na klasycznym etapie szlaku glukoneogenezy.
Szkielety węglowe wielu aminokwasów mogą włączać się w szlak glukoneogenezy i mogą
powstawać z tych szkieletów cukry – dotyczy to aminokwasów, które przekształcają się w pirogronian i tych aminokwasów, których szkielety węglowe wchodzą do cyklu Krebsa, w wyniku
czego możliwe jest pozyskanie dodatkowych cząsteczek szczawiooctanu – aminokwasy, które
w wyniku deaminacji przekształcają się, np. α-ketoglutaran, bursztynylo-CoA, fumaran, bezpośrednio w szczawiooctan – aminokwasy glukogenne, czyli mogą posłużyć jako substraty do
glukoneogenezy.
6.6
Koszt energetyczny
Do syntezy 1 mola glukozy potrzebne są 2 mole pirogronianu. 2 mole pirogronianu muszą
być przekształcone w 2 mole szczawiooctanu – pierwsza reakcja katalizowana przez enzym
zlokalizowany w matrix mitochondrialnej – na każdy mol pirogronianu potrzebny jest mol ATP
Kolejną reakcją, gdzie musi być dostarczana z zewnątrz energia, jest przekształcenie szczawiooctanu w fosfoenolopirogronian, zachodzi to na terenie cytoplazmy – druga część pierwszego
66
Biochemia
obejścia glikolizy; na 2 mole szczawiooctanu, czy powstającego fosfoenolopirogronianu, są zużywane 2 mole GTP, równoważne 2 molom ATP
Przekształcenie 3-fosfoglicerynianu w 1,3-bisfosfoglicerynian – reakcja odwracalna – w zależności od stężenia może zachodzić w glikolizie lub glukoneogenezie; na 2 mole 3-fosfoglicerynianu
– 2 ATP
Synteza 1 mola glukozy z pirogronianu kosztuje aż 6 moli ATP; w glikolizie powstają tylko 2
mole ATP
Procesy anaboliczne są z reguły znacznie bardziej kosztowne niż zysk energetyczny odpowiadający temu procesowi anabolicznemu w procesie katabolicznym – część energii ulega
rozproszeniu, tylko część może być zagospodarowana
Resynteza glukozy kosztuje, ale to się może opłacić – dzięki temu u kręgowców jest możliwe
utrzymanie bardzo ważnego parametru – stężenia glukozy we krwi; większość komórek jest
zaopatrywana przez glukozę krążącą we krwi
Część glukozy, która powstaje w wątrobie człowieka jest magazynowana w formie glikogenu,
w mięśniach też, u roślin – skrobia
6.7
Nukleozudocukry, nukleotydocukry
Budowa
ˆ zasada azotowa – taka, jaka występuje w kwasach nukleinowych np. adenina, guanina,
cytozyna, tymina, uracyl
ˆ ryboza, rzadko deoksyryboza, dwie reszty kwasu ortofosforowego i jakiś cukier np. glukoza
ˆ między resztą fosforanową przy węglu pierwszym cukru a resztą fosforanową nukleotydu
wytworzone jest wiązanie wysokoenergetyczne – pirofosforanowe
ˆ związków takich znamy przynajmniej kilkadziesiąt, różnią się one zasadą azotową, resztą
cukrową
WYKŁAD 6. KATABOLIZM
67
ˆ wiązanie między resztą kwasu ortofosforowego a hemiacetalową grupą -OH cząsteczki cukru
jest też wysokoenergetyczne, jego wzorcowa energia swobodna hydrolizy to ok. -30kJ/mol
– związki tego typu mogą służyć jako bardzo dogodne donory reszt cukrowych do syntezy
złożonych cukrowcowych substancji, np. do biosyntezy glikogenu, ponieważ ze względu na
wysoką energetyczność tego wiązania, charakteryzują się one wysoką zdolnością transferu
reszt cukrowych – reakcje zachodzą z wydzielaniem energii – są termodynamicznie wysoce
korzystne
Powstawanie
pirofosforylaza
cukier-1-P + P-P-P-ryboza-zasada ←−−−−−−−−→ cukier-1-P-P-ryboza-zasada + PPi
np. glukozo-1-P + UTP ←→ UDP-glukoza+PPi
ˆ w reakcji katalizowanej przez enzymy zwyczajowo nazywane pirofosforylazami zachodzi reakcja polegająca na tym, że reaguje 1-fosforan odpowiedniego cukru, np. glukozo-1-fosforan
z jakimś nukleozydotrifosforanem, np. urydynotrifosforanem
ˆ następuje rozszczepienie wiązania pirofosforanowego, wskazanego strzałką, i przeniesienie
reszty nukleotydowej na resztę fosforanową w 1-fosforanie cukru, w wyniku czego powstaje
nukleotydocukier, drugim produktem jest odszczepiona reszta pirofosforanowe
ˆ ta reakcja jest łatwo odwracalna, bo kosztem rozszczepienia wiązania pirofosforanowego w
nukleozydotrifosforanie, następuje synteza nowego wiązania pirofosforanowego – również
powstaje bezwodnikowe wiązanie pirofosforanowe
ˆ ponieważ wartość energetyczna obu wiązań jest zbliżona – reakcja jest łatwo odwracalna
ˆ wzorcowa zmiana energii swobodnej niewiele różni się od siebie – reakcja może przebiegać
w obu kierunkach w zależności od tego, jakie konkretnie są stężenia reagujących substratów
i produktów
ˆ wykorzystywany jest tutaj proces dość często występujący w procesach związanych z syntezą różnych substancji – powstający pirofosforan jest natychmiast hydrolizowany przy
udziale enzymu zwanego pirofosfatazą do dwóch reszt kwasu ortofosforowego – ta reakcja,
jak wiele reakcji hydrolizy, w warunkach komórkowych jest nieodwracalna; dodatkowo ta
reakcja napędza syntezę nukleotydocukrów mimo odwracalności głównej reakcji – wystarczą niewielkie stężenia fosforanów cukrowych i nukleozydotrifosforanów, aby efektywnie
powstawały nukleotydocukry
ˆ w efekcie mamy do czynienia z hydrolizą dodatkowego wiązania pirofosforanowego – zwiększony koszt – reakcja polega na rozszczepieniu wysokoenergetycznego wiązania bezwodnikowego w reszcie pirofosforanu
Funkcje
BIOSYNTEZA OLIGO- I POLISACHARYDÓW:
syntaza
UDP-galaktoza + glukoza −−−−−−→ laktoza + UDP
laktozowa
syntaza
UDP-glukoza + glikogen(n reszt) −−−−−−−→ glikogen(n+1 reszt)+UDP
glikogenowa
- mogą być wykorzystywane jako bardzo efektywne donory reszt monosacharydowych do
biosyntezy różnych polimerycznych związków cukrowych, np.:
68
Biochemia
ˆ w wyniku przeniesienia reszty galaktozy z UDP-galaktozy na glukozę powstaje disacharyd
laktoza, galaktoza jest dołączona do glukozy wiązaniem 1->4
syntaza laktozowa – enzym, który występuje w gruczole mlecznym, w okresie laktacji katalizuje syntezę laktozy z cukru zawartego w mleku ssaków; składa się z 2 podjednostek:
podjednostka katalityczna, która, jeżeli oddzielić ją od tej drugiej podjednostki, katalizuje reakcję podobną, ale nie identyczną – UDP-galaktoza jest przenoszona na N-acetyloglukozoaminę,
w wyniku czego powstaje analog laktozy zawierający zamiast glukozy N-acetyloglukozoaminę;
druga podjednostka nie ma w sobie żadnych właściwości katalitycznych, zmienia specyficzność
enzymu
uważa się, że syntaza laktozowa powstała w wyniku modyfikacji białka, które pierwotnie
służyło do katalizowania innej reakcji, związanej z syntezą glikoprotein
ˆ UDP-glukoza może być wykorzystywana jako donor reszt glukozowych do syntezy glikogenu, do tego żeby komórki wątroby czy mięśni mogły pewien nadmiar glukozy magazynować w postaci ziaren glikogenowych
UDP-glukoza dostarcza reszt glukozy na już istniejące łańcuchy α 1->4 glukanowe, dołączając do końca nieredukującego kolejną resztę glukozy – wydłużanie łańcucha; glikogen ma
rozgałęzione łańcuchy, gdzie glukoza jest połączona wiązaniami α 1->6, ale w tworzeniu tych
rozgałęzień uczestniczy zupełnie inny enzym, enzym Q;
B. PRZEKSZTAŁCANIE RESZT MONOSACHARYDOWYCH:
- bardzo wiele przekształceń reszt monosacharydowych odbywa się na poziomie powiązań
reszty monosacharydowej z jakimś nukleozydodifosforanem, np. UDP-glukoza może w wyniku
utlenienia na C6 przekształcać się w UDP-glukuronian – potrzebny jest utleniacz, bo następuje
przekształcanie I0 grupy alkoholowej w grupę karboksylową, potrzebna jest również cząsteczka
wody; UDP-glukuronian może w wyniku dekarboksylacji grupy karboksylowej przekształcać się
w pentozę – UDP-D-ksylozę, pochodną ksylozy z UDP
- kwasy uronowe to pochodne cukrowe, które na 4. atomie węgla zamiast grupy pierwszorzędowej alkoholowej zawierają grupę karboksylową
- w wyniku dekarboksylacji powstaje pentoza, tu reszta ksylozy
WYKŁAD 6. KATABOLIZM
69
- jest możliwy inny typ reakcji – epimeryzacja, czyli odwrócenie konfiguracji na jednym z
atomów węgla
- UDP-glukoza w wyniku odwrócenia konfiguracji na 4. atomie węgla może się przekształcić
w UDP-galaktozę – różnią się od siebie tylko konfiguracją grupy -OH na 4. atomie węgla
- działa 4-epimeraza, w wyniku czego powstaje UDP-galaktoza, pochodna galaktozy
- epimerazy zawierają silnie zawiązany NAD+ , który katalizuje reakcję, w wyniku której
następuje odwodorowanie cząsteczki w pozycji 4 – przejściowo powstaje związek ketonowy
- NAD+ , odbierając atomy wodoru, przekształca się w NADH i do środowiska oddawany jest
proton
- zachodzi odwrotna reakcja – NADH i proton pochodzący ze środowiska służą do redukcji
grupy ketonowej z odwrotną stereochemią – następuje odwrócenie konfiguracji i grupa –OH
zmienia konfigurację na odwrotną
- istnieją epimerazy, które są w stanie działać na poziomie UDP-glukuronianu – powstaje
UDP-galakturonian; albo na poziomie pentozy – UDP-D-ksylozy, w wyniku odpowiedniej przemiany powstaje UDP-2-arabinoza
- UDP-galaktoza, UDP-galakturonian, UDP-2-arabinoza są szczególnie ważne u roślin, ponieważ wiele polisacharydów strukturalnych ściany komórkowej z grupy hemiceluloz jest zbudowanych z tych właśnie pentoz
- nukleotydocukry są związkami ważnymi, bo są to bardzo efektywne donory reszt monosacharydowych do biosyntezy oligo- i polisacharydów, i są ważne, ponieważ na poziomie połączenia
z resztą nukleozydodifosforanową mogą zachodzić różne przekształcenia reszt monosacharydowych, w wyniku czego z glukozy może powstawać wiele różnych reszt monosacharydowych
związanych z nukleozydodifosforanem
LIPIDY:
- triacyloglicerole – połączenia glicerolu z 3 resztami kwasu tłuszczowego – stanowią w
większości organizmów zapasowe źródło lipidów, gromadzone w komórkach w postaci kropelek
lipidowych, otoczonych pojedynczą błonką fosfolipidową – ważne z punktu widzenia katabolitycznego
- ważne jest powstawanie innych lipidów ważnych strukturalnie np. fosfolipidów, sfingolipidów, które uczestniczą w budowie błon komórkowych
- pojęcie lipidu jest trudne do jednoznacznego zdefiniowania, obejmuje wielką różnorodność
struktur chemicznych, więc stosuje się definicję operacyjną – nie mówimy, z czego związki są
zbudowane, tylko mówimy o pewnych ich właściwościach ważnych np. z punktu widzenia ich
otrzymywania, izolowania z komórki
-> związki, które charakteryzują się słabą rozpuszczalnością w wodzie, natomiast dobrą
rozpuszczalnością w rozpuszczalnikach organicznych np. alkohol metylowy, eter dietylowy, chloroform, węglowodory np. heksan
70
Biochemia
- klasyczną metodą izolowania lipidów z komórek jest traktowanie komórek mieszaniną
chloroform-metanol 2:1, to, co się ekstrahuje z komórek taką mieszaniną, uznawane jest za frakcję
lipidową
- wszystkie cząsteczki lipidowe muszą charakteryzować się znaczącym stopniem hydrofobowości – w różnych kategoriach, klasach lipidów można wyodrębnić 2 sytuacje, gdzie za hydrofobowość odpowiadają albo powtarzające się układy grup -CH2 - czyli najczęściej kwasy tłuszczowe,
które składają się z długich łańcuchów, albo pięciowęglowy układ.
STRUKTURA LIPIDÓW:
ˆ lipidy acylowe – acylolipidy -(CH2 )n -
- hydrofobowość jest warunkowana obecnością łańcuchów -CH2 - acyloglicerole
- woski – pochodne kwasów tłuszczowych i długołańcuchowych alkoholi alifatycznych, które
też mają -CH2 -, alkohole te powstają w wyniku przekształceń kwasów tłuszczowych
- acylolipidy złożone – fosfo-, sfingolipidy – też budują błony biologiczne
- długołańcuchowe kwasy tłuszczowe – reszta acylowa to reszta kwasu
- acylolipidy złożone obok kwasów tłuszczowych, często glicerolu, zawierają jeszcze dodatkowe
reszty, np. cukrowe, kwasu ortofosforowego – fosfolipidy, zamiast glicerolu może występować
amino alkohol – sfingozyna -> sfingolipidy
ˆ lipidy prenylowe – terpeny, izoprenoidy
Rysunek 6.1: Nasycona reszta prenoidowa
- hemiterpeny, proste, C5, n=1 – izopren
- monoterpeny, C10 , n=2
- seskwiterpeny, C15 , n=3
- diterpeny, C20 , n=4
- sestraterpeny, C25 , n=5
- triterpeny, C30 , n=6 – cholesterol
- tetraterpeny, C40 , n=8 – karetonoidy
- politerpeny, C5n – mogą być nawet setki podjednostek
- pięciowęglowy układ może powtarzać się wiele razy, często występują w nim wiązania
podwójne
- klasyfikacja terpenów polega na tym, że klasyfikuje się je w oparciu o liczbę jednostek
izoprenoidowych, wchodzących w skład konkretnego związku
- np. kauczuk – polimeryczny charakter, zbudowany z wielu reszt izoprenoidowych
- bardzo często powstające pierwotnie struktury łańcuchowe mogą następnie ulegać różnego
rodzaju transformacjom, w acylolipidach też, polegającym np. na różnych cyklizacjach
ˆ cholesterol
- bardzo ważny lipid błonowy, występujący w tkankach zwierzęcych
- ma szczególną strukturę pierścieniową
- jest to związek, który należy do tri terpenów, mimo, że jest związkiem C27
WYKŁAD 6. KATABOLIZM
71
- powstaje z prekursora C30 , który zawiera dodatkowe grupy metylowe w trzech miejscach,
są one potem usuwane i ze związku C30 powstaje związek C27
- często lipidy prenylowe są modyfikowane w wyniku najróżniejszych reakcji, cyklizacji, są to
struktury bardzo podatne na tego typu procesy
12
17
11
1
2
HO
9
10
3
H
13
8
16
14
15
H
7
5
4
H
6
Rysunek 6.2: Cholesterol
Wykład 7
Biosynteza
BIOSYNTEZA LIPIDÓW:
1. Lipidy pełnią funkcje zapasowe, strukturalne (wchodzą w skład komórkowej), sygnalizacyjne (między komórkami, między organizmami).
2. To, że lipidy nie rozpuszczają się w wodzie wynika z hydrofobowości lipidów, a ta wynika z powtarzających się układów grup metylowych (polimetylenowe, łańcuchoweukłady
alifatyczne, głównie występujące w kwasach tłuszczowych i ich pochodnych) lub -lipidy
prenylowe - powtarzanie się rozgałęzionych, 5-ciowęglowych jednostek.
3. Mówiąc o biosyntezie lipidów należy rozważyć kwestię jak powstają kwasy tłuszczowe to one są pierwotnymi substancjami zawierajacymi powtarzające się układy grup metylenowych ułożone liniowo i jak powstaje element strukturalny zwany czynną jednostką
pięciowęglową, z której składane są różne związki terpenoidowe.
KWASY TŁUSZCZOWE:
1. W najbardziej ogólnym ujęciu: synteza kwasów tłuszczowych jest odwróceniem katabolizmu
kwasów tłuszczowych.
acylo-CoA
Kwastuszczowy ←−−−−−−−−−−−−→ n acetylo-CoA
Co-ASH,(n-1)CoA-SH
1. W katabolizmie KT ulegają rozkładowi do n cząsteczek acetylo-CoA (kwas tłuszczowy
musi być zaktywowany stąd acylo-CoA, który w wyniku β-oksydacji ulga rozpadowi na
dwuwęglowe fragmenty - reszty kwasu octowego połączone z CoA).
2. W biosyntezie KT z n cząsteczek acetylo-CoA powstają łańcuchy KT i reszty acetylowe
(sytuacja jak z glikolizą i glukoneogenezą: niedokładnie odwrócenie reakcji).
3. Najpierw trzeba rozpatrzyć pochodzenie reszt acetylowych związanych z CoA, które są
niezbędne do syntezy KT.
4. Reszty te moga się brać z metabolizmu cukrowców - kwas pirogronowy ulega osydacyjnej
dekarboksylacji w wyniku czego powstaje acetylo-CoA.
5. Szkielety węglowe szeregu aminokwasów mogą ulegać przekształceniu do acetylo-CoA.
6. Innym możliwym źródłem jest β-oksydacja kwasów tłuszczowych, ale bez sensu byłoby
równoczesnie degragować kwasy tłuszczowe i je syntetyzować, tym bardziej, że na przykładzie glikolizy i glukoneogenezy przekonaliśmy się, że zwykle odpowiedni proces anaboliczny
(proces biosyntezy) jest energetycznie znacznie kosztowniejszy od procesu degradacji (od
tego, co można uzyskać w procesie degradacji).
74
Biochemia
7. Są pewne mechanizmy zabezpieczające, regulacyjne, które nie pozwalają na to, aby równocześnie w komórce zachodziły procesy rozpadu KT i proces biosyntezy.
8. Główne źródła reszt acetylo-CoA: szkielety węglowe aminokwasów i metabolizm cukrowców.
Trzoda chlewna (szczególnie w Polsce) karmiona jest w dużej mierze ziemniakami (ziemniaki to przede wszystkim skrobia, a białek i tłuszczów jest bardzo
niewiele). Świnie przybierając na wadze mają przyrost tkanki tłuszczowej. Skrobia jest przekształcana w zapasowe tłuszcze. Skrobia ulega hydrolizie do glukozy,
glukoza wchodzi w glikolizę, z glikolizy powstaje pirogronian, który przkształca
się w acetylo-CoA, który może posłużyć jako prekursor do biosyntezy kwasów
tłuszczowych.
9. Procesy, zktórych pochodzi większość acetylo-CoA zachodzą głównie na terenie mitochondrium (β-oksydacja→ reakcja pomostowa, wiążąca glikolizę i cykl kwasu cytrynowego) przynajmniej jeśli chodzi o wyższe organizmy, o zwierzęta.
10. Acetylo-CoA nie ma w błonie mitochondrialnej nośnika, który pozwalałby na jego eksport
do cytoplazmy, a tam właśnie zachodzą wszystkie dalsze reakcje biosyntezy KT. Dlatego
musi istnieć mechanizm, który pozwala na to aby reszty acetylowe mogły być przenoszone
z matrix mitochondrialnej do cytoplazmy.
11. Ponieważ acetylo-CoA nie ma możliwości penetrowania swobodnego przez błonę wewnętrzną mitochondrialną (nie ma nośnika) wykorzystywana jest reakcja, która jest reakcją
zapoczątkowującą cykl Krebsa: szczawiooctan reaguje z resztą acetylową przeniesioną przez
CoA , w wyniku czego powstaje cytrynian (reakcja katalizowana przez syntazę cytrynianiową). Cytrynian jest eksportowany na teren cytoplazmy, ponieważ w wewnętrznej błonie
mitochondrialnej istnieje specjalny nośnik dla cytrynianu i innych trikarboksylowych kwasów.
12. Cytrynian, który zostanie przetransportowany na teren cytoplazmy ulega rozpadowi do
szczawiooctanu i acetylo-CoA, ale przy udziale zupełnie innego enzymu. Reakcja powstawania cytrynianu jest energetycznie korzystna,a reakcja jego rozpadu jest niekorzystna,
więc konieczny jest udział ATP jako dawcy energii. Działa enzym zwany ATP-zależną liazą
cytrynianową. Liazy to enzymy, które rozszczepiają wiżanie C-C, w wyniku czego sześciowęglowa cząsteczka cytrynianu jest rozszczepiana na szczawiooctan i resztę acetylową, która
jest wiązana z CoA.
13. Gdyby cytrynian był transportowany do cytozolu, to pula szczawiooctanu uczestniczącego
w cyklu Krebsa. Jest więc specjalny mechanizm, który pozwala na odtworzenie szczawiooctanu.
14. Szczwiooctan, który powstaje w reakcji katalizowanej przez ATP-zależną liazę cytrynianu
jest przekształcany do jabłczanu - jest redukowany przez zależną od NADH dehydrogenazę
jabłczanową do jabłczanu (jedna z reakcji cyklu Krebsa, może zachodzić też na terenie cytoplazmy - jest specjalna cytoplazmatyczna forma dehydrogenazy jabłczanowej). jabłczan
(4węglowy, dikarboksylowy, hydroksykwas) w wyniku działania enzymu jabłczanowego zależnego od NADP+ ulega dekarboksylacji z równoczesnym utlenianiem do α-ketokwasu
trójwęglowego - pirogronianu. Ta reakcja jest ważnym źródłem NADPH (jest reduktorem
wykorzystywanym np. do biosyntezy KT). Drugim ważnym źródłem jest szlak pentozofosforanowy.
WYKŁAD 7. BIOSYNTEZA
75
15. Pirogronian ma swój nośnik w błonie mitochondrialnej, może przenikać na teren matrix i tu
działa enzym karoksylaza pirogronianowa (rozpoczyna ona glukoneogenezę) - karboksyluje
przy udziale ATP pirogronian do szczawiooctanu - cykl się zamyka. Pula szczawiooctanu
wewnątrzmitochondrialnie ulega zubożeniu.
16. Wszystkie następne reakcje prowadzące od cząsteczek acetylo-CoA do KT odbywają się na
terenie cytoplazmy.
ŹRÓDŁO ACETYLO-CoA:
1. Pierwszym co musi zajść to jest swoista aktywacja acetylo-CoA (dodatkowa aktywacja
cząsteczek acetylo-CoA).
2. Karboksylaza acetylo-CoA przyłącza CO2 (w środowisku komórkowym wsytępują raczej
jony węglanowe niż wolny CO2 ) na koszt ATP - karboksylacja acetylo-CoA. Powstaje
trójwęglowa reszta związana z CoA zwana malonylo-CoA (pochodna kwasu malonowego,
dikarboksylowy, trójwęglowy kwas). Ta reakcja w pewnym sensie aktywuje atom węgla, w
wyniku czego ułatwia kondensację dwuwęglowych reszt w dalszych etapach biosyntezy KT.
3. W przypadku karboksylazy acetylo-CoA (podobnie jak w przypadku wielu innych karboksylazy np.pirogronianowej) koenzymem jest niskocząsteczkowy związek zwany biotyną.
1. Cząsteczka biotyny wiąże się z grupą dodatkową (-aminową) cząsteczki Lys, która wchodzi
w skład łańcucha polipeptydowego odpowiedniego enzymu, czyli karboksylazy acetylo-CoA.
Tworzy się wiązanie amidowe pomiędzy grupą karboksylową biotyny a grupą aminową
znajdującą się w łańcuchu lizyny wchodzącej w skład białka enzymatycznego.
76
Biochemia
2. W pierwszym etapie następuje przy udziale ATP jako źródła energii przeniesienie grupy
karboksylowej na atom azotu w układzie heterocyklicznym biotyny, w wyniku czego powstaje karboksybiotyna która przerzuca grupę -COOH na acetylo-CoA, w wyniku czego
powstaje malonylo-CoA.
STRUKTURA KOMPLEKSU SYNTEAZY KWASÓW TŁUSZCZOWYCH (E.coli):
1. Biosynteza KT u E. Coli (i innych prokariontów): w biosyntezie długiego łańcucha z prostych prekursorów cząsteczek acetylo - i malonylo-CoA uczestniczy kompleks enzymatyczny.
Składa się z 6 odrębnych enzymów, tworzących pewną fizyczną całość i z pewnego nieenzymatycznego białka - białko ACP (białko transportujące acyl).
2. Białko ACP jest małe (niektórzy kwalifikują je do polipeptydów). Jest ono nośnikiem
struktury, która jest przyłączona do grupy OH jednej z reszt seryny, która wchodzi w
skład ACP. Ta striktura to ramię kwasu fosfopantotenowego jaki występuje w koenzymie
A. Czyli jest to struktura analogiczna do struktury występującej w koenzymie A.
Koenzym A: adenina, ryboza, 2 reszty kwasu ortofosforowego w pozycji 5 i jedna reszta
dodatkowa w pozycji 3, ugrupowanie pantotenianowe.
1. W przypadku grupy prostetycznej białka ACP - nie ma elementu nukleotydowego tylko
poprzez resztę fosforanową reszta fosfopantotenianowa przyłączona jest do grupy OH seryny
z białka ACP.
Można powiedzieć, że ta grupa prostetyczna jest analogiczna do podobnej grupy
występującej w CoA (również jest reaktywna grupa SH, która jest w stanie tworzyć z
kwasami
wiązanie tioestrowe).
1. Jedno z 6 białek enzymatycznych - enzym kondensujący zawiera szczególną resztę cysteiny,
gdzie w łańcuchu bocznym występuje grupa SH.
2. Obie grupy SH odgrywają ogromną rolę w procesie biosyntezy KT, składania cząsteczek
prostych w długie łańcuchy KT.
3. Grupa SH związana ACP przez ramię fosfopantotenianowe nazywana jest grupą centralną,
a grupa związana z resztą cysteiny grupą peryferyjną, peryferyczną.
WYKŁAD 7. BIOSYNTEZA
77
1. Najpierw dziła jeden z 6 enzymów zwany acetylotransferazą, który z acetylo-CoA bierze
resztę acetylową i przenosi ją na grupę centralną SH (kosztem wiązania tioestrowego, które
ulega ropadowi, powstaje nowe wiązanie tioestrowe pomiędzy centralną grupą SH z resztą
acetylową).
2. Następnie ten sam enzym katalizuje reakcję wymiany - reszta jest wewnętrznie przesuwana
na peryferyczną grupę SH, grupa centralna zostaje uwolniona.
3. Następnie działa enzym zwany malonylotransferaza, która również przenosi resztę, ale nie
acetylową, tylko resztę kwasu malonowego (resztę malonylową) na centralną grupę SH;
CoA jest uwalniany
4. następny etap reakcji odbywa się przy udziale enzymu kondensującego, który powoduje
dekarboksylację reszty kwasu . . . . . . . . .
a) grupa acetylowa z enzymu kondensującego jest przez ten enzym przerzucona na grupę
centralną, w wyniku czego powstaje układ czterowęglowy - reszta kwasu acetooctowego
(grupa acetoacylowego).
5. Następnie jest ciąg reakcji, które są w istocie rzeczy odwróceniem tego, co się dzieje w
β-oksydacji.
78
Biochemia
Ten ciąg reakcji jest prawie dokładnym odwróceniem tego, co się dzieje w procesie β-oksydacji
kwasów tłuszczowych. Tylko tam mamy do czynienia nie z redukcją a utlenieniem, nie z odwodnieniem a z hydratacją i z drugą reakcją utlenienia. Utleniaczami w β-oksydacji są FAD i NAD+ ,
a tu reduktorem jest NADPH.
1. Zachodzi redukcja: działa reduktaza β-ketoacylo-ACP wykorzystująca jako reduktor: NADPH
(wykorzystywany w procesach redukcyjnych w biosyntezie wielu substancji). Redukowana
jest grupa ketonowa do grupy alkoholowej (w pozycji 3).
2. następnie zachodzi reakcja odwodnienia - usunięcia cząsteczki wody (bardzo często spotykany typ reakcji w biochemii). Między dwoma atomami węgla powstaje podówjne wiązanie. Powstaje krotonylo-ACP (pochodna kwasu krotonowego, nienasyconego, 4węglowego
kwasu). Enzym katalizujący tę reakcję to dehydrogenaza 3-hydroksyacylo-ACP.
3. Następuje kolejna redukcja, w wyniku czego podwójne wiązanie jest redukowane przy
udziale również cząsteczki NADPH i powstaje 4węglowa reszta nasyconego kwasu masłowego - reszta butynylowa (butynylo-ACP).
4. Grupa peryferyczna jest związana z enzymem kondensującym jest wolna, natomist grupa
centralna, związana z białkiem ACP jest połączona z resztą kwasu masłowego (z resztą
butynylową).
5. Znów mamy przeniesienie reszty wewnątrz kompleksu z grupy centralnej na grupę peryferyczną; grupa centralna jest uwolniana;
6. działa malonylotransferaza, która do grupy centralnej przyłącza resztę kwasu malonowego
z malonylo-CoA, w wyniku czego powstaje taka sytuacja, że do grupy peryferycznej
mamy przyłączoną resztę butynylową do reszty centralnej - grupa malonylowa (resztę
malonylową).
WYKŁAD 7. BIOSYNTEZA
79
7. Działa enzym kondensujący (podobnie jak poprzednio), który powoduje, że cała reszta
butynylowa przenoszona jest na atom węgla reszty kwasu malonowego, zrównoczesną
dekarboksylacją grupy COO− .
8. Powstaje struktura 6-węglowa, zachodzi ten sam ciąg reakcji, co przed chwilą.
9. Znów zachodzi: redukcja, odwodnienie, redukcja, w wyniku czego powstaje reszta sześciowęglowego, nasyconego kwasu tłuszczowego.
10. Proces będzie powtarzał się cyklicznie tak długo, aż powstanie kwas tłuszczowy o długości
najczęściej 16 atomów węgla (reszta kwasu palmitynowego).
11. Większość syntaz kwasów tłuszczowych kończy swoje działanie w momencie kiedy uformowana zostanie reszta kwasu palmitynowego. Kwas palmitynowy jest jednym z wielu KT
występujących w różnych lipidach, w związku z tym, z tego kwasu palmitynowego muszą
wtórnie powstać inne KT. Dzieje się to tak, że działają odrębne enzymy - elonyazy kwasów
tłuszczowych, które wydłużają łańcuchy kwasu palmitynowego kolejno o 2 atomy węgla - w
ten sposób z kwasu palmitynowego może powstać kwas stearynowy, z niego kwas behenowy.
Oprócz tego, działają tzw. desaturazy - enzymy, które wprowadzają podwójne wiązania, w
wyniku czego np. z kwasu stearynowego może powstawać kwas oleinowy, a potem linolowy.
12. Wystęująca w naturze KT są z reguły parzystowęglowe bo ulegają składaniu z dwuwęglowych elementów; uczestniczy tam kwas malonowy ale on powstaje tylko przejściowo,
potem następuje jego dekarboksylacja, przyłączanie grupy karboksylowej do acetylo-CoA
jest swego rodzaju aktywacją tego atomu węgla, który później wchodzi w reakcję w związku
z wydłużaniem łańcucha KT
PODSUMOWANIE:
1. cząsteczka acetylo-CoA, która służy jako starter do wydłużenia reszty KT reaguje z
7 cząsteczkami malonylo-CoA, w wyniku czego powstaje reszta kwasu palmitynowego;
ponieważ musi zajść 7 cykli wydłużania i obróbki powstającego łańcucha, więc potrzebne
jest 14 cząsteczek NADPH na jedną powstającą cząsteczkę palmitynianu (C16 ) - 7 kolejnych
procesów dołączania jednostek dwuwęglowych.
2. Malonylo-CoA powstaje z acetylo-CoA, więc gdyby uwzględnić tą reakcję wstępną, reakcję
powstawania malonylo-CoA, to tak naprawdę z 8 reszt acetylo-CoA, przy udziale 7 cząsteczek ATP, 14 NADPH powstaje jedna cząsteczka palmitynianu, 14 cząsteczek utlenionej
formy NADP, 8 cząsteczek CoA, 7 cząsteczek ATP, które wchodząc w reakcję rozpada się
na 7 ADP i 7 Pi.
U GRZYBÓW:
80
Biochemia
Mamy do czynienia nie z kompleksem złożonym z 7 defacto białek (ACP+6 białek enzymatycznych) tylko z 2 łańcuchami polipeptydowymi. Z tym, że jeden z tych łańcuchów
polipeptydowych zawiera 3 aktywności enzymatyczne oraz odpowiednik białka ACP w obrębie 1 łańcucha. Drugi łańcuch zawiera 3 inne enzymy konieczne do tego, żeby zaszła reakcja. Nie
ma takiego rozbudowanego kompleksu enzymatycznego jak u E. coli tylko dimer, gdzie pewne
aktywości enzymatyczne występują w obrębie jednego łańcucha polipeptydowego - heterodimer,
w którym są enzymy (aktywności enzymatyczne). Związane z kolejnymi etapami powstawania
KT pogrupowanych.
U KRĘGOWCÓW:
też dimer, ale homodimer - 2 identyczne łańcuchy, które zawierają (każdy z nich) wszystkie
niezbędne enzymy, potrzebne do powstawania KT (aktywności enzymatyczne)+ coś co jest
odpowiednikiem białka ACP. Działa to jako dimer. Konieczne jest, aby dwa takie łańcuchy
współdziałały z sobą. Ewolucyjne upraszczanie się sytuacji.
POWSTAWANIE TRIACYLOGLICEROLI-zapasowych cząsteczej tłuszczowych
WYKŁAD 7. BIOSYNTEZA
81
1. Żeby powstały traicyloglicerole potrzebny jest glicerol - w tym procesie wykorzystywana
jest ufosforylowana postać glicerolu - 3-fosfoglicerol. Może on bardzo łatwo powstać z
fosfodihydroksyacetonu, który powstaje np. w glikolizie w wyniku redukcji. 3-fosfoglicerol
jest biorcą reszt kwasów tłuszczowych z acylo-CoA.
2. Działają enzymy zwane acetylotransferazami - najpierw następuje przeniesienie reszty
kwasu tłuszczowego z acylo-CoA na 1o grupę alkoholową, w wyniku czego powstaje kwas
lizofosfatydowy.
82
Biochemia
3. Następnie działa inna acetylotransferaza, o nieco innej (na ogół) specyficzności, w wyniku
czego do drugiej grupy OH w kwasie lizofosfatydowym przyłączana jest kolejna reszta
kwasu tłuszczowego z wykorzystaniem acylo-CoA jako donora reszty acylowej. Powstaje
kwas fosfatydowy. Jest on ważny nie tylko na drodze biosyntezy zapasowych triacylogliceroli
ale również strukturalnych fosfolipidów.
4. Działa fosfataza, w wyniku czego następuje odszczepienie reszty kwasu ortofosforowego,
który występuje w pozycji 3 kwasu fosfatydowego. Powstaje cząsteczka diacyloglicerolu
(glicerol w dwóch pozycjach połączony z kwasami tłuszczowymi).
5. Działa trzecia acylotransferaza wykorzystująca acylo-CoA jako źródło reszt acylowcyh
przyłączając do wolnej grupy OH kolejną resztę jwasu tłuszczowego.
6. Te trzy różne acylotransferazy charakteryzują się odmienną specyficznością w stosunku
do kwasu tłuszczowego - jego długości i stopnia nienasycenia. U różnych organizmów jest
charakterystyczny wzór, że np. w pozycjach centralnych przeważają kwasy nienasycone, a
w pozycjach zewnętrznych - kwasy nasycone. Tłumaczy się to specyficznością odpowiednich
acylotransferaz w stosunku do odpowiednich acetylo-CoA.
7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . jest ważny jako metabolit pośredni na drodze biosyntezy glicerofosfolipidów, które (?) stanowią najważniejsze (ilościowo) ekementy strukturalne błon komórkowych.
BIOSYNTEZA GLICEROFOSFOLIPIDÓW:
ogólny wzór glicerofosfolipidu błonowego
→ reszta glicerolu połączona z dwiema resztami kwasów tłuszczowych; przy węglu 3 jest
kwas ortofosforowy a do niego przyłączony jest jakiś alkohol (coś co zawiera grupę OH). Tym
związkiem o charakterze alkoholu (związkiem hydroksylowym) może być:
ˆ seryna (hydroksyaminokwas) - mówimy o fosfatydyloserynie
ˆ reszta etanoloaminy - mówimy o fosfatydyloetanoloaminie
ˆ podstawiona grupami metylowymi reszta fosfatydyloetanoloaminy to będziemy mieli resztę
choliny - fosfatydylocholina (najważniejsza ilościowo wśród glicerofosfolipidów błonowych)
ˆ elementem hydroksylowym może być jeszcze np. inozytol, dodatkowa cząsteczka glicerolu.
1. Wszystko zaczyna się od kwasu fosfatydowego, który powstaje analogicznie jak w syntezie triacylogliceroli. Reaguje on z cytydynotrifosforan (CTP), w wyniku czego powstaje
CDP-diacyloglicerol i pirofosforan. (Reakcja ta bardzo przypomina reakcję syntezy nukleotydocykrów).
WYKŁAD 7. BIOSYNTEZA
83
2. W cząsteczce CTP następuje rozerwanie wiązania, w wyniku czego reszta uwalniana jest w
postaci pirofosforanu a powstała całość - cytrynomonofosforan (CMP) przenoszona jest na
resztę kwasu ortofosforowego w kwasie fosfatydowym, w wyniku czego powstaje wiązanie
bezwodnikowe między resztą fosforanową kwasu fosfatydowego a resztą fosforanową pochodzącą z CTP. Powstaje CDP-diacyloglicerol, który można traktować jako aktywną postać
kwasu fosfatydowego. Można powstały związek traktować jako CMP-pochodną kwasu fosfatydowego.
3. Ta reakcja jest łatwo odwracalna. Powstający pirofosforan jest rozszczepiany hydrolitycznie
przez nieorganiczną pirofosfatazę, w wyniku czego usuwany produkt ze środowiska reakcji
powoduje bardzo efektywne napędzanie reakcji ze strony lewej na prawą. Nawet przy
niewielkich stężeniach kwasu fosfatydowego i CTP reakcja będzie efektywnie zachodziła
w prawą stronę.
1. CDP-diacyloglicerol jest wykorzystywany jako dawca reszty kwasu fosfatydowego, co w
reakcji z seryną daje fosfatydyloserynę, natomiast reszta zawierająca cytozynę jest odszczepiana w postaci CMP (w jego miejsce jest przyczepiana reszta seryny przez grupę
OH).
2. Fosfatydyloseryna jeżeli ulegnie dekarboksylacji, to powstanie reszta etanoloaminy. Następnie jeśli zajdzie metylacja atomu azotu, przy udziale specjalnych metylotransferaz to
powstanie cząsteczka fosfatydylocholina.
3. Jedna z dróg znanych syntezy ważnych glicerofosfolipidów. Znane są również inne drogi.
BIOSYNTEZA LIPIDÓW PRENYLOWYCH:
kluczową sprawą jest powstawanie 5-cio węglowych, rozgałęzionych jednostek
84
Biochemia
1. związki prenylowe składane są z 5-cio węglowych jednostek („czynnych” jednostek).
2. Pierwotnym prekursorem jest acetylo-CoA, który ulega kondensacji z drugą resztą actylową
w wyniku czego, w łatwo odwaracalnej reakcji powstaje acetoacetylo-CoA (40węglowy
ketokwas, pochodna kwasu acetooctowego).
3. Następuje kolejne przyłączenie reszty acetylowej, również przenoszonej przez koenzym A,
ale ta reakcja będzie przebiegać trochę inaczej niż poprzednia, ponieważ nie zachodzi liniowe
wydłużenie cząsteczki z 4-węglowej do 6-węglowej, a powstanie układu rozgałęzionego.
Enzym, który katalizuje tą reakcję (przyłączenie trzeciej reszty acetylowej) działa podobnie
jak syntaza cytrynianowa - jeden z atomów wodoru grupy CH3 reszty acetylowej jest
przenoszony na grupę C=O, w wyniku czego powstaje grupa OH,a przy tym samym atomie
węgla przyłączana jest reszta pozostała. Powstaje 3-hydroksy-3-metyloglutarylo-CoA—>
glutarylo-, bo 5-węglowy, dikarboksylowy kwas nazywany jest kwasem glutarowym, a w
pozycji 3 tego kwasu jest grupa metylowa i hydroksylowa. Związek, który powstaje z 3
reszt acetylowych jest związkiem 6-węglowym (a my potrzebujemy).
4. W następnym etapie działa enzym zwany reduktazą HMG. Enzym ten odszczepia koenzym
A i grupa karboksylowa, która się przez to ujawnia jest redukowana poprzez aldehyd do
alkoholu. Z grupy karboksylowej, po odszczepieniu CoA powstaje 1o grupa alkoholowa.
Reakcja zachodzi dwuetapowo, więc potrzebne są 2 cząsteczki NADPH. Powstaje kwas
mewalonowy, a właściwie jego anion - mewalonian.
WYKŁAD 7. BIOSYNTEZA
85
5. Następnie zachodzi kilka reakcji, w których sumarycznie: zachodzi dekarboksylacja (katalizowana przez dekarboksylazę), następnie zachodzi ufosforylowanie 1o grupy alkoholowej
przez dwie odrębne, osobno działają kinazy wykorzystujące ATP jako źródło reszt fosforanowych, w wyniku czego grupa CH2 OH zostaje podwójnie ufosforylowana. Zachodzi
jeszcze eliminacja cząsteczki wody, w wyniku czego powstaje podwójne wiązanie między
dwoma atomami węgla. Powstaje w efekcie „czynna” jednostka 5-węglowa; dokładna nazwa
to pirofosforan izopentenylu (IPP). Ten związek i jego izomer pirofosforan dimetyloallilu,
związek, który różni się tylko umiejscowieniem wiązania podwójnego (DMAPP), służą do
składania różnych związków terpenoidowych.
1. IPP kondensuje z DMAPP, w wyniku czego powstaje pirofosforan geranylu (związek
dziesięciowęglowy).
2. GPP, jeśli przyłączy się kolejna reszta IPP przekształca się w piętnastowęglowy pierofosforan farnezylu (FPP) a jeżeli dojdzie jeszcze jedna reszta IPP to powstaje dwudziestowęglowy związek zwany gerano-geronylo pirofosforanem (GGPP).
3. Te związki są prekursorami całej licznej rodziny związków terpenoidowych.
4. Związek C20 , (GGPP), może ulegać dalszemu wydłużaniu przez przyłączanie kolejnych
cząsteczek IPP, reszt izopentenylowych, w wyniku czego powstają długie polimery, np.
kauczuk. Związki powstające po drodze mogą w wyniku różnych procesów przekształcać
się w odpowiednie terpenoidy.
5. GPP w wyniku cyklizacji cząsteczek, hydroksylacji, różnych obróbek przekształca się w
wcałą rodzinę związków zwanych monoterpenami. Wiele z tych związków ma intensywny
zapach - zapachy różnych kwiatów.
6. Seskwiterpeny (również zapachy) - również związki lotne.
7.
FPP jest również bardzo ważny, bo 2 cząsteczki FPP jeśli się z sobąpołączą,
to powstaje układ C15 -C15
->łącznie C30 ; w ten sposób powstaje związek zwany skwalenem, który jest prekursorem
wszystkich triterpenów, w tym cholesterolu.
1. Analogicznie: dwudziestowęglowy pirofosforan geranylogeranylu jeśli ulegnie podobnej kondensacji to powstanie układ C20 -C20 . Pierwotnie powstający związek zwany jest fitoenem
i jest to prekursor wszystkich związków karotenoidowych.
86
Biochemia
1. Żeby powstały karotenoidy to muszą zachodzić liczne reakcje, jak np. wprowadzanie nowych podwójnych wiązań, redukcja starych wiązań podwójnych, dodatkowe wprowadzenie
funkcji tlenowych.
2. Ocenia się, że w tej chwili znamy kilkadziesiąt tysięcy różnych związków terpenoidowych,
głównie są to metabolity roślinne, zaliczane do grupy wtórnych metabolitów roślinnych.
Ogromna część związków terpenoidowych odgrywa bardzo ważną funkcję w różnych procesach, np.
a) cholesterol - składnik błon, substancja wyjściowa do syntezy substancji hormonalnych
(hormonów sreroidowych)
b) karotenoidy są ważnymi pomocniczymi barwnikami fotosyntetycznymi mono i seskwiterpeny to głównie związki o charakterze zapachowym, aromatycznym, nadające
zapach kwiatom.
Reszty izoprenoidowe występują w niektórych ważnych związkach jak np.
1. ubichinon - susbtancja, która uczestniczy w łańcuchu oddechowym
2. plastochinon - również zawiera długi łańcuch izoprenoidowy, uczestniczy w fazie jasnej
fotosyntezy.
Bibliografia
[1] N. M. Hooper B. D. Hames. Biochemia. Krótkie wykłady. PWN, 2002.
[2] R. L. Miesfeld H. R. Mathews, R. A. Freedland. Biochemia i biologia molekularna w zarysie. Prószyński i
S-ka, 2000.
[3] L. Stryer. Biochemia. PWN, 1997.