METABOLIZM
I. Metabolizm to procesy transformacji materii i energii. Procesy te składają się z sekwencji reakcji które są katalizowane przez enzymy. W sekwencji reakcji enzymatycznych nazywanych inaczej szlakiem metabolicznym produkt jednej reakcji enzymatycznej jest substratem kolejnej reakcji w sekwencji. Produkty kolejnych reakcji są nazywane metabolitami lub metabolitami pośrednimi.
A. KATABOLIZM - obejmuje procesy degradacji, w których związki złożone są rozkładane na prostsze.
Stadium 1. Złożone związki ( np. skrobia, białka, triacyloglicerole ) są rozkładane na prostsze takie jak monosacharydy, aminokwasy, glicerole i kwasy tłuszczowe. W tym stadium energia uwalniana jest w bardzo niewielkiej ilości lub wcale.
Stadium 2. Dalsza degradacja do związków, które mogą być utlenione do dwutlenku węgla ( CO2 ) i wody. W tym stadium część uwolnionej energii jest magazynowana w postaci adenozynotrifosforanu.
Stadium 3. Końcowe szlaki metaboliczne utleniające związki chemiczne do dwutlenku węgla i wody. Uwalniana podczas reakcji energia jest magazynowana w postaci ATP. Szlaki metaboliczne trzeciego stadium to:
cykl kwasu cytrynowego
łańcuch oddechowy
fosforylacja oksydacyjna
B. ANABOLIZM - obejmuje szlaki biosyntezy, w których proste związki chemiczne są zamieniane w złożone makromolekuły. Procesy anaboliczne wymagają energii, która może być dostarczana na dwa sposoby:
Za pośrednictwem ATP powstałego w procesach degradacji
W niektórych przypadkach za pośrednictwem zredukowanego dinukleotydu nikotynamidoadeninowego ( NADPH ).
II. UMIEJSCOWIENIE SZLAKÓW METABOLICZNYCH W KOMÓRCE
Zestawy enzymów katalizujących poszczególne szlaki metaboliczne są umiejscowione w konkretnym przedziale wewnątrzkomórkowym.
Cytozol - wchodzi w skład cytoplazmy. Jest jej ciekłą częścią zawierającą różne makromolekuły. Organella komórkowe nie wchodzą w skład cytozolu.
Mitochondria - są nazywane „ elektrownią ” komórki, ponieważ przemieniają energię w formę, która może być wykorzystywana przez komórkę. Mitochondriom jest to organella komórkowa ograniczona podwójną błoną. Pofałdowania błony wewnętrznej tworzą grzebienie zanurzone w wewnętrznym kompartmencie zwanym macierzą mitochondrialną.
W niektórych przypadkach część enzymów danego szlaku metabolicznego znajduje się w cytozolu, natomiast reszta w macierzy mitochondrialnej.
Szlaki metaboliczne zachodzą w różnych przedziałach ( kompartmentach ) komórki. Powoduje to, że szlaki metaboliczne przebiegające w przeciwnych kierunkach nie kolidują ze sobą, na przykład :
Anaboliczny proces biosyntezy kwasów tłuszczowych z acetylokoenzymu A ( CoA ) ma miejsce w cytozolu.
Kataboliczny proces oksydacji kwasów tłuszczowych do acetylo-CoA zachodzi w macierzy mitochondrialnej.
III. BIOENERGETYKA
Warunki standardowe. Analizując układy biologiczne warunki standardowe możemy zdefiniować następująco:
pH = 7
Temperatura 250C
Wszystkie roztwory są 1 - molowe.
Ciśnienie wszystkich gazów ma wartość 1 atmosfery.
Podstawowe pojęcia termodynamiki
Entalpia ( H ) określa zawartość ciepła w organizmie
H = E + PV
gdzie E to energia wewnętrzna, a PV to iloczyn ciśnienia i objętości.
Entropia ( S ) jest miarą nieuporządkowania bezładu molekularnego układu. Im większy jest stopień nieuporządkowania, tym większa jest wartość entropii.
Energia swobodna ( G ) określa, jaką pracę może wykonać układ.
Wartości bezwzględne entalpii, entropii i energii swobodnej nie są zazwyczaj brana pod uwagę. Rozważane są raczej zmiany tych wartości, co zapisuje się jako ΔH, ΔS, ΔG. Parametry te tworzą następującą zależność:
ΔG = ΔH - TΔS
W warunkach standardowych trzy wyżej wymienione parametry zapisuje się następująco: ΔH0 ` , ΔS0' , ΔG0'
5. Zmianę energii swobodnej reakcji zachodzącej w warunkach
standardowych można wyliczyć:
odejmując wartość ΔG0' substratów do wartości ΔG0' produktów,
wprowadzając ją ze stałej równowagi ( Keq ) dla danej reakcji.
(1). W reakcji
A + B ↔ C + D
Zmianę energii swobodnej ( ΔG ) możemy obliczyć ze wzoru
[C] [D]
ΔG = ΔG0' + RT In----------------
[A] [B]
gdzie R jest stałą gazową ( 1,987 x 10-3 kcal x deg -1 x mol -1 ),
T oznacza temperaturę w stopniach Kelvina ( 0C + 273 ), a In to logarytm naturalny, który można przekształcić w logarytm dziesiętny mnożąc jego wartość przez 2,303.
(2). W stanie równowagi, kiedy szybkość przebiegającej w prawo jest równa szybkości reakcji przebiegającej w lewo nie ma zmiany energii swobodnej ΔG = 0, także [C] [D] / [A][B] równa się Keq reakcji.
(3). Jeśli wartość G0' jest znana, rzeczywistą zmianę energii swobodnej można obliczyć przez podstawienie wartości temperatury oraz stężeń substratów i produktów w równaniu (3).
6. ΔG jest miarą spontaniczności reakcji.
a. Reakcja egzoenergetyczna. Jeśli zmiana energii swobodnej jest mniejsza od zera ( ΔG < 0 ) reakcja może zajść spontanicznie z uwolnieniem energii.
b. Reakcja endoenergetyczna. Jeśli zmiana energii wewnętrznej jest większa od zera ( ΔG > 0 ) reakcja nie może zajść spontanicznie chyba że zostanie dostarczona energia spoza układu, która umożliwi zapoczątkowanie rekcji.
C. Reakcje skojarzone. Reakcje termodynamicznie niekorzystne mogą być przeprowadzane przez sprzężenie z reakcjami termodynamicznie korzystnymi.
Na przykład synteza glukozo-6-fosforanu ( G6P ) z glukozy i nieorganicznej grupy fosforanowej jest niekorzystną,
Endoenergetyczną reakcją z wartością ΔG0' równą + 3,3 kcal/mol. Przy skojarzeniu tej reakcji z hydrolizą ATP do adenozynodifosforanu ADP i nieorganicznej reszty fosforanowej Pi , energia wyzwolona z tej egzoenergicznej reakcji, której wartość ΔG o, wynosi -7,3 kcal/mol, może być wykorzystana w reakcji fosforylacji glukozy.
Reakcjami skojarzonymi są:
Glukoza Pi → G6P + H 2 O; ΔGo = + 3,3 kcai/mol,
ATP + HOH → ADP + Pi; ΔGo 1 = - 7,3 kcal/ mol
sumując powyższem reakcje :
glukoza + ATP → G6P + ADP ; ΔGo = - 4,0 kcal/mol
Związki wysoko energetyczne zawierające reszty fosforanowe.
Potencjał przenoszenia grupy. Wysoko energetyczne związki zawierające reszty fosforanowe mają wysoko ujemne wartości ΔG0 w reakcjach hydrolizy grup fosforanowych / to znaczy, że mają duży potencjał przenoszenia grupy fosforanowej /.
Adenozynotrójfosforan / ATP / jest głównym dawcą energii swobodnej w układach biologicznych .
Wartości energii swobodnej reakcji hydrolizy niektórych związków zawierających reszty fosforanowe, istotnych z punktu widzenia fizjologii.
Związek Δ G0
Fosfoenolopirogronian / PEP / - 14,8
Karbamoilofosforan - 12,3
Fosfokreatyna - 10,3
Adenozynotrójfosforan ATP - 7,3
Glukozo-6-fosforan - 5,o
Glukozo-1-fosforan - 3.3
Δ G --- zmiana energii swobodnej w warunkach standardowych.
Energia uwalniania przy rozbijaniu wiązania fosforanowego podczas przyłączania cząsteczki wody.Ta reakcja jest wysoce egzoenergetyczna, ponieważ jej produkty, ADP oraz Pi , są bardziej stabilne niż ATP, co może być przypisywane dwom czynnikom.
ADP oraz Pi wykazują zwiększoną stabilizację rezonansu elektronowego w porównaniu z ATP
Wewnątrzcząsteczkowe oddziaływania elektromagnetyczne pomiędzy odpychającymi się , ujemnie naładowanymi grupami fosforanowymi β i γ zmniejszają siępo hydrolizie.
Energia swobodna uzyskiwana z hydrolizy ATP , w porównaniu z innymi związkami zawierającymi grupy fosforanowe, ma wartość pośrednią. Pozwala to ATP spełniać funkcję przenośnika energii pomiędzy szlakami metabolicznymi / gdzie jest wytwarzane / a szlakami anabolicznymi / gdzie jest zużywane /. Dlatego ATP może być nazywany obiegową monetą energetyczną komórki.
Formy przechowywania wysokoenergetycznych fosforanów.
Tempo przetwarzania ATP jest bardzo szybkie.
W organizmie ludzkim ilość ATP wyprodukowana
i rozłożona w przeciągu 24 godzin jest w przybliżeniu
równa masie ciała. Szybkość przetwarzania ATP wyklucza możliwość przechowywania energii w tej postaci.
Podczas wzmożonej aktywności mięśni zapotrzebowanie na energię pochodzącą z hydrolizy ATP może być tak duże, że szybkość zużywania ATP jest dużo większa od szybkości jego resyntezy. W takiej sytuacji, przez pewien ograniczony czas, energia może być dostarczana z hydrolizy innych wysokoenergetycznych związków fosforanowych wykazujących zdolność magazynowania energii.
/ 1 / Taką rolę pełni fosfokreatyna.
/ 2 / W okresie spoczynku zużyta fosfokreatyna jest regenerowana regenerowana przy użyciu ATP.
Pula fosforanów. Trifosforany nukleozydów innych niż adenina są także niezbędne w niektórych procesach metabolicznych. Powstają one w reakcjach przy użyciu ATP, katalizowanych przez kinazy nukleozydowe.
Guanozynotrifoforan / GTP / dostarcza energii do procesów syntezy białek /jest również modulatorem struktury przestrzennej białka/.
Cytdynotrifosforan / CTP / jest dawcą energii w procesach syntezy lipidów.
Urydynotrifosforan UTP / jest wykorzystywany w procesach syntezy polisacharydów.
REAKCJE UTLENIANIA-REDUKCJI / RED-OKS /
Każda składa się z dwóch skojarzonych reakcji połówkowych. W tracie ich zachodzenia dochodzi do transferu elektroów
A / utleniony / + B / zredukowany / ↔ B /utleniony/ + A /zredukowany/
Definicje
Utlenianie wiąże się z utratą elektronów.
Redukcja wiąże się z przyjęciem elektronów.
W równaniu powyższym , A jest akceptorem elektronów i otrzymuje się go podczas przechodzenia ze stanu utlenionego w zredukowany . B jest dawcą elektronu, a traci go przy przechodzeniu ze stanu zredukowanego w utleniony.
STANDARDOWY POTENCJAŁ OKSYDO-REDUKCYJNY reakcji połówkowych jest potencjałem elektrycznym podawanych w woltach, mierzonym dla reakcji zachodzącej w warunkach standardowych w odniesieniu do wartości potencjału elektrody wodorowej.
NOŚNIKI ELEKTRONÓW. W organizmach tlenowych końcowym akceptorem elektronów pochodzących z cząsteczek dostarczających energię jest tlen cząsteczkowy. Najpierw elektrony są przenoszone
z cząsteczek metabolitów na wyspecjalizowane nośniki elektronów. Elektrony z nośników są przekazywane na tlen za pośrednictwem mitochondrialnego systemu transportującego elektrony zwanego łańcuchem oddechowym.
NUKLEOTYDY PIRYDYNOWE : Dinukleotyd nikotynamidoadeninowy, / NAD / oraz fosfodinukletyd nikotynamidoadeninowy / NADP+ /
Aktywną częścią NAD i NADP jest pierścień nikotynamidowy, który jest w stanie przyjąć proton i dwa elektrony / ekwiwalent jonu wodorkowego, H / pochodzące z substratu, co powoduje przejście w formy zredukowane NADH oraz NADPH.
Cząsteczki NAD i NADP mają w zasadzie taką samą budowę, różnią się jedynie małym szczegółem.
W cząsteczce NADP jedna z grup hydroksylowych rybozy , połączonej wiązaniem z adeniną , jest ufosforylowana.
Zazwyczaj enzymy mogą dysocjować cząsteczki NAD i NADP bez ograniczeń.
Energia kumulowana pod postacią NADH wykorzystywana jest głównie w procesie syntezy ATP.
NADPH służy jako źródło energii w reakcjach biosyntezy połączonych z redukcją, w których stopień utlenienia prekursorów jest wyższy niż produktów.
DINUKLETYD FLAWINOADENINOWY / FAD / oraz mononukleotyd FLAWINOWY / FMN /.
Częścią aktywną FAD i FMN jest pierścień izoaloksazynowy, który jest w stanie przyjąć dwa protony i dwa elektrony /ekwiwalent 2 H / pochodzące z substratu, co powoduje przejście w formy zredukowane FADH2 oraz FMNH2 .
FMN w swej budowie różni się od FAD tym, że do pierścienia izoalokazynowego ma przyłączony tylko fosforan rybitolu.
NAD+ ,NADP+ ,FMN oraz FAD są kofaktorami wielun dehydrogenaz biorących udział w reakcjach oksydacji cząsteczek związków, z których jest pozyskiwana energia.