Zasady metabolizmu i enzymy - Biologia na czasie 1 (ZR)

1.Metabolizm

Całość przemian chemicznych oraz energetycznych zachodzących w każdej żywej komórce. Pojęcie to stosuje się też do tkanek i narządów organizmów wielokomórkowych. Na metabolizm składają się przemiany anaboliczne (anabolizm) i kataboliczne (katabolizm).

2.Przemiany anaboliczne (anabolizm)

Przemiany polegające na syntezie złożonych związków chemicznych z substancji prostszych. Są zwykle endoenergetyczne - wymagają stałego dostarczania energii świetlnej lub chemicznej, a ich produkty są zwykle bardziej zasobne w energię niż substraty.

3.Przemiany kataboliczne (katabolizm)

Przemiany polegające na rozkładzie złożonych związków chemicznych do substancji prostszych. Są egzoenergetyczne - uwalniają energię, której część zostaje zmagazynowana w komórce, a część rozprasza się w postaci ciepła. Ich produkty są mniej zasobne w energię niż substraty.

4.Fotosynteza i oddychanie komórkowe jako przykłady anabolizmu i katabolizmu

Fotosynteza (przemiana anaboliczna) zachodzi w chloroplastach: z $\ce{CO2}$ i $\ce{H2O}$ z udziałem energii świetlnej powstają cukry, np. glukoza. Oddychanie komórkowe (przemiana kataboliczna) zachodzi częściowo w cytozolu, a częściowo w mitochondriach: glukoza rozkłada się do $\ce{CO2}$ i $\ce{H2O}$, czemu towarzyszy uwolnienie energii.

5.Przenośniki energii w komórce

Wysokoenergetyczne związki chemiczne, które kumulują energię chemiczną, zwykle w „wiązaniach wysokoenergetycznych”, i przenoszą ją z miejsc, w których została uwolniona, do miejsc, w których jest potrzebna. Dzięki nim przemiany egzoenergetyczne są sprzęgane z endoenergetycznymi.

6.ATP (adenozynotrifosforan)

Podstawowy przenośnik energii w komórce. Jest zbudowany z adeniny, rybozy i trzech reszt fosforanowych(V). Zawiera dwa „wiązania wysokoenergetyczne” (oznaczane tyldą ~), które łączą ze sobą reszty fosforanowe(V).

7.Cykl ATP-ADP

Podstawowy sposób kumulowania i uwalniania energii w komórce. Polega na naprzemiennej syntezie ATP z ADP i nieorganicznego fosforanu (Pi), napędzanej np. energią przemian katabolicznych, oraz hydrolizie ATP do ADP i Pi, której energia służy np. przemianom anabolicznym. Każda z tych reakcji wiąże się z energią 30,5 kJ.

8.Fosforylacja substratowa

Jeden z dwóch sposobów fosforylacji ADP (przyłączania do niego reszty fosforanowej(V)). Zwykle polega na odłączeniu reszty fosforanowej(V) (~P) od organicznego substratu o wysokiej energii i przyłączeniu jej do ADP. Powstają ATP oraz związek organiczny o niższej energii.

9.Chemiosmoza

Synteza ATP z ADP i nieorganicznego fosforanu (Pi) z udziałem gradientu protonowego, czyli różnicy stężeń protonów ($\ce{H+}$) po dwóch stronach błony biologicznej. Gradient wytwarzają błonowe pompy protonowe, a jego energię wykorzystuje enzym błonowy - syntaza ATP. Zachodzi w błonach mitochondriów i chloroplastów.

10.Reakcje utlenienia-redukcji (redoks)

Reakcje polegające na wymianie elektronów między dwiema substancjami. Reduktor oddaje elektrony, czyli ulega utlenieniu, a utleniacz przyjmuje elektrony, czyli ulega redukcji. Do nich należy większość reakcji chemicznych w komórce.

11.Przenośniki elektronów: NAD+, NADP+ i FAD

Dinukleotydy pośredniczące w reakcjach redoks w komórce. Forma utleniona ($\ce{NAD+}$, $\ce{NADP+}$, FAD) przyjmuje elektrony i protony, a zredukowana (NADH + $\ce{H+}$, NADPH + $\ce{H+}$, $\ce{FADH2}$) je oddaje, więc są też przenośnikami protonów. NAD i FAD działają głównie w reakcjach katabolicznych, a NADP - głównie w anabolicznych.

12.Działanie przenośników elektronów na przykładzie przemian pirogronianu

W mięśniach przy niedoborze tlenu pirogronian powstały z glukozy jest redukowany do mleczanu; elektrony pochodzą z utlenienia NADH + $\ce{H+}$ do $\ce{NAD+}$. Mleczan płynie z krwią do wątroby, gdzie utlenia się do pirogronianu, oddając elektrony na $\ce{NAD+}$. Z pirogronianu wątroba wytwarza glukozę, która wraca z krwią do mięśni.

13.Enzymy i kataliza enzymatyczna

Enzymy to biologiczne katalizatory, czyli substancje przyspieszające przebieg reakcji chemicznych. Kataliza enzymatyczna to zjawisko przyspieszania reakcji chemicznych przez enzymy. Dzięki niej tysiące reakcji w komórce zachodzą szybko i w odpowiedniej kolejności.

14.Enzymy - białka proste i białka złożone

Enzymy są białkami. Niektóre są białkami prostymi, zbudowanymi wyłącznie z aminokwasów (np. pepsyna, trypsyna, chymotrypsyna). Większość to białka złożone (holoenzymy): składają się z części białkowej - apoenzymu - i kofaktora. Aktywność katalityczną wykazuje tylko kompletny holoenzym.

15.Kofaktory

Niebiałkowe składniki holoenzymów. Należą do nich metale (np. $\ce{Zn^2+}$, $\ce{Mg^2+}$) oraz koenzymy - drobnocząsteczkowe związki organiczne: witaminy (np. biotyna) lub pochodne witamin (np. FAD). Koenzymy mogą być związane z apoenzymem nietrwale lub trwale; te związane trwale to grupy prostetyczne.

16.Centrum aktywne (miejsce aktywne) enzymu

Trójwymiarowe zagłębienie (kieszeń) w cząsteczce enzymu, w którym substrat jest wiązany i przekształcany w produkt. Leżą w nim łańcuchy boczne aminokwasów z grupami funkcyjnymi, które tworzą z substratem oddziaływania tylko na czas reakcji. U holoenzymów centrum aktywne zawiera też kofaktor.

17.Nazewnictwo enzymów

Nazwy enzymów tworzy się zwykle przez dodanie końcówki „-aza” do nazwy substratu (np. maltaza rozkłada maltozę) lub nazwy katalizowanej reakcji (np. syntaza ATP katalizuje syntezę ATP). Niektóre enzymy, np. pepsyna i trypsyna, mają nazwy historyczne z łaciny lub greki.

18.Klasyfikacja enzymów według typu katalizowanej reakcji

1. Oksydoreduktazy - reakcje utlenienia-redukcji. 2. Transferazy - przenoszenie grup chemicznych z dawcy na biorcę. 3. Hydrolazy - rozkład związków z udziałem wody. 4. Liazy - przyłączanie atomów do wiązania podwójnego lub ich usuwanie z wytworzeniem wiązania podwójnego. 5. Izomerazy - przekształcenia izomerów. 6. Ligazy - synteza sprzężona zwykle z rozkładem ATP. 7. Translokazy - przenoszenie jonów lub cząsteczek przez błony z udziałem energii.

19.Właściwości enzymów

Enzymy: przyspieszają przebieg reakcji chemicznych, katalizują reakcje samorzutne, nie zużywają się w trakcie reakcji (każda cząsteczka może działać wielokrotnie), wykazują swoistość względem typu katalizowanej reakcji oraz swoistość substratową.

20.Energia aktywacji

Energia niezbędna do zapoczątkowania reakcji chemicznej, zużywana przez substraty na wytworzenie przejściowego kompleksu aktywnego, który poprzedza powstanie produktów. Im niższa energia aktywacji, tym większa szybkość reakcji (szybkość, z jaką substrat przekształca się w produkt). Enzymy przyspieszają reakcje, bo obniżają energię aktywacji.

21.Jak enzymy obniżają energię aktywacji?

Enzymy: zwiększają prawdopodobieństwo zderzeń cząsteczek (m.in. przez zagęszczenie substratu na swojej powierzchni), ukierunkowują cząsteczki względem siebie, tak by ich grupy funkcyjne się zbliżyły, zmieniają strukturę przestrzenną substratu, co ułatwia rozrywanie wiązań, oraz tworzą optymalne środowisko reakcji (np. hydrofobowe).

22.Reakcje samorzutne i reakcje wymuszone

Reakcje samorzutne są egzoenergetyczne (uwalniają energię) i tylko takie reakcje enzymy mogą przyspieszać bezpośrednio. Reakcje wymuszone są endoenergetyczne (pochłaniają energię); enzym katalizuje je tylko wtedy, gdy jednocześnie katalizuje reakcję samorzutną, np. rozkład ATP do ADP i Pi, której energia napędza reakcję wymuszoną.

23.Swoistość enzymu względem typu katalizowanej reakcji

Określony enzym katalizuje tylko jeden typ reakcji. Na przykład pirogronian jest substratem kilku różnych reakcji (powstają z niego m.in. acetylo-CoA, aldehyd octowy, mleczan, szczawiooctan i alanina), ale każdą z nich katalizuje inny enzym.

24.Swoistość substratowa enzymów

Zdolność enzymu do łączenia się tylko z jednym substratem lub niewielką grupą substratów o zbliżonej budowie. Wynika ze struktury przestrzennej centrum aktywnego, które u każdego enzymu jest zbudowane inaczej. Dużą swoistość ma np. anhydraza węglanowa, katalizująca wyłącznie syntezę lub rozkład kwasu węglowego.

25.Przebieg katalizy enzymatycznej

Substrat (S) przyłącza się do centrum aktywnego enzymu (E) i powstaje kompleks enzym-substrat (ES). Tworzy się przejściowy kompleks aktywny (ES*), w którym rozrywają się stare wiązania i powstają nowe. Kompleks enzym-produkt (EP) rozpada się na wolny enzym i wolny produkt (P): E + S ⇄ ES ⇄ ES* ⇄ EP → E + P.

26.Model zamka i klucza a model ręki i rękawiczki

Modele powstawania kompleksu enzym-substrat. Starszy model zamka i klucza zakłada, że kształt centrum aktywnego jest niezmienny i dopasowany do substratu. Nowszy, obecnie przyjęty model ręki i rękawiczki (indukcyjnego dopasowania) zakłada, że kształt centrum aktywnego dopasowuje się do substratu.

27.Syntaza ATP

Enzym błonowy, który przekształca energię: wykorzystuje bierny przepływ protonów przez swój kanał protonowy (gradient stężeń $\ce{H+}$) do syntezy ATP. W mitochondriach jest wbudowana w wewnętrzną błonę i przepuszcza protony z przestrzeni międzybłonowej do matriks; w chloroplastach - w błony tylakoidów i przepuszcza protony z wnętrza tylakoidu do stromy.

28.Rybozymy

Cząsteczki RNA o właściwościach katalitycznych - zwykle jednoniciowe, z fragmentami dwuniciowymi powstałymi przez łączenie się komplementarnych nukleotydów jednej nici. Przykładem jest transferaza peptydylowa w dużej podjednostce rybosomu, która katalizuje tworzenie wiązań peptydowych podczas syntezy białek.

29.Szlaki metaboliczne i cykle metaboliczne

Ciągi reakcji katalizowanych przez enzymy, w których substraty przechodzą w produkty pośrednie, a te w produkty ostateczne. Szlaki to liniowe (otwarte) ciągi, proste lub rozgałęzione, np. glikoliza, synteza i rozkład glikogenu. Cykle to ciągi zamknięte - jeden z ostatecznych produktów jest zarazem substratem wyjściowym, np. cykl Krebsa i cykl Calvina-Bensona.

30.Wpływ stężenia substratu na szybkość reakcji enzymatycznej

Przy stałym stężeniu enzymu wzrost stężenia substratu zwiększa szybkość reakcji, aż prawie wszystkie cząsteczki enzymu zostaną wysycone substratem. Reakcja osiąga wtedy szybkość zbliżoną do maksymalnej ($V_{\max}$), a dalszy wzrost stężenia substratu nie wpływa na nią znacząco. Zależność tę opisuje krzywa Michaelisa-Menten.

31.Stała Michaelisa ($K_M$)

Takie stężenie substratu, przy którym szybkość reakcji enzymatycznej jest równa połowie szybkości maksymalnej ($\frac{1}{2} V_{\max}$). Odzwierciedla powinowactwo enzymu do substratu: im mniejsza wartość $K_M$, tym większe powinowactwo i większa efektywność działania enzymu.

32.Wpływ temperatury na szybkość reakcji enzymatycznej

Według reguły van't Hoffa wzrost temperatury o 10°C przyspiesza reakcję ok. 2-3 razy, ale w reakcjach enzymatycznych tylko do optimum temperatury. Powyżej niego szybkość gwałtownie spada wskutek denaturacji enzymu. Optimum większości enzymów to 30-45°C, a temperatura ok. 70°C całkowicie i nieodwracalnie inaktywuje większość enzymów.

33.Wpływ pH na szybkość reakcji enzymatycznej

Każdy enzym działa w określonym zakresie pH, a najszybciej przy optymalnym pH. Od pH zależy ładunek grup funkcyjnych aminokwasów centrum aktywnego (i substratu), a od niego - zdolność tworzenia kompleksu enzym-substrat. Bardzo niskie lub bardzo wysokie pH może powodować denaturację enzymu. Optymalne pH trypsyny wynosi ok. 8, a pepsyna działa tylko w środowisku silnie kwasowym (pH ok. 2).

34.Aktywatory enzymów

Substancje zwiększające aktywność enzymów, m.in. białka regulatorowe (kalmodulina), niektóre nukleotydy (cAMP), jony metali (np. $\ce{Ca^2+}$, $\ce{Mg^2+}$, $\ce{Mn^2+}$) i drobnocząsteczkowe związki nieorganiczne (np. $\ce{CO2}$). Kalmodulina wiąże cztery jony $\ce{Ca^2+}$, zmienia kształt i aktywuje enzym, np. kinazę miozynową. Aktywatorami rubisco są $\ce{CO2}$ i $\ce{Mg^2+}$.

35.Inhibitory nieodwracalne i odwracalne

Inhibitory to substancje hamujące aktywność enzymów; tworzą z enzymem kompleks enzym-inhibitor (EI). Inhibitory nieodwracalne wiążą się z enzymem trwale (zwykle kowalencyjnie) i całkowicie znoszą jego zdolności katalityczne, np. cyjanowodór i cyjanki wiążą się z hemem oksydazy cytochromowej i uniemożliwiają przyłączenie tlenu. Inhibitory odwracalne łączą się nietrwale i hamują enzym tylko, dopóki istnieje kompleks EI.

36.Inhibicja kompetycyjna (współzawodnicza)

Inhibitor kompetycyjny ma strukturę przestrzenną podobną do substratu, więc współzawodniczy z nim o centrum aktywne i po związaniu je blokuje. Inhibicję tę można ograniczyć, zwiększając stężenie substratu - substrat wygrywa wtedy konkurencję o centrum aktywne.

37.Inhibicja niekompetycyjna (niewspółzawodnicza)

Inhibitor niekompetycyjny nie przypomina substratu i wiąże się z enzymem poza centrum aktywnym - z wolnym enzymem lub z kompleksem enzym-substrat (powstaje kompleks ESI). Nie blokuje przyłączenia substratu, ale enzym z inhibitorem jest nieaktywny. Taką inhibicję można ograniczyć jedynie przez usunięcie inhibitora.

38.Regulacja aktywności enzymów przez modyfikacje kowalencyjne i proteolizę

Odwracalne modyfikacje kowalencyjne to głównie fosforylacja enzymu (przyłączenie reszty fosforanowej(V), katalizują ją kinazy) i defosforylacja (odłączenie jej, katalizują fosfatazy); część enzymów jest aktywna w formie ufosforylowanej, a część w nieufosforylowanej. Proteoliza to jednorazowa, nieodwracalna aktywacja proenzymu (zymogenu) przez odcięcie fragmentu-inhibitora, np. pepsynogenu do pepsyny.

39.Regulacja allosteryczna

Efektory allosteryczne (aktywatory lub inhibitory) wiążą się w centrach allosterycznych enzymu, leżących poza centrum aktywnym - zwykle w podjednostkach regulatorowych, a centra aktywne mieszczą się w podjednostkach katalitycznych. Związanie efektora zmienia kształt centrum aktywnego: po aktywatorze substrat do niego pasuje, po inhibitorze - nie pasuje.

40.Ujemne sprzężenie zwrotne

Powszechny mechanizm regulacji allosterycznej szlaków i cykli metabolicznych: ostateczny produkt ciągu reakcji, występujący w nadmiarze, działa jako inhibitor allosteryczny enzymu katalizującego pierwszą reakcję ciągu. Zapobiega to wytwarzaniu zbyt dużej ilości związków w komórce.