BIOCHEMIA WYKŁAD V z dn. 28.11.2014 rok

Glukoneogeneza

Jest to proces syntezy glukozy ze związków niebędących cukrowcami. Tymi związkami najczęściej są: pirogronian , mleczan, szczawiooctan. Proces ten zachodzi głównie w wątrobie, nerkach, mięśniu sercowym i mięśniach szkieletowych. Glukoneogeneza odgrywa szczególnie ważną role w warunkach głodowania. Wówczas to kończą się (po 24 godzinach) zapasy cukrów, a poziom glukozy we krwi otrzymywany jest dzięki glukoneogenezie.

Glukoneogeneza nie jest odwróceniem glikolizy gdyż:

1. Część (trzy enzymy glikolizy) katalizują reakcje nieodwracalną

2. W glukoneogenezie biorą udział 4 enzymy nieuczestniczące w glikolizie

3. Niektóre enzymy glukonegenezy są zlokalizowane w innych strukturach subkomórkowych niż enzymy szlaku glikolitycznego

4. Nakład energetyczny na syntezę 1 cząsteczki glukozy jest znacznie większy (6 cząsteczek ATP) niż zysk energetyczny z rozkładu glukozy (2-3 cząsteczki ATP)

Wśród tych czterech enzymów charakterystycznych dla tego procesu, niebiorących udziału w glikolizie są:

1. Karboksylaza pirogronianowa (zlokalizowana w matrix mitochondrialnym)

2. Karboksykinaza fosfoendopirogronianowa

3. Fruktozo-1,6-bisfosfataza

4. Glukoza-6-fosfataza (enzym związany z rediculum endoplazmatycznym)

Z wyjątkiem tych dwóch enzymów ( to jest 1 i 4 ) wszystkie pozostałe biorące udział w glukoneogenezie zlokalizowane są w cytoplazmie.

Przemiany związków azotowych

Rośliny są autotrofami, czyli ze związków mineralnych i energii słonecznej potrafią wytworzyć wszystkie związki organiczne im potrzebne. W przeciwieństwie do roślin, organizmy zwierzęce są heterotrofami, tzn. nie posiadają tych zdolności i muszą być zaopatrywane w różne składniki organiczne w tym białka, podawane im w pokarmie. Rośliny z wyjątkiem motylkowatych odczuwają niedobór azotu i stąd wytworzyły różne mechanizmy syntezy i gromadzenia organicznych związków azotowych. Zwierzęta spożywają pokarm mając ciągły nadmiar azotu i dlatego wytworzyły mechanizmy syntezy i usuwania związków zawierających azot.

Niezależnie od pochodzenia białka organicznego zwierzęta muszą te pobrane białka wraz z pokarmem rozłożyć do aminokwasów i dopiero z nich syntetyzować własne białko. Wyjątek stanowią oseski ssaków, które mogą przyswajać niskocząsteczkowe biąka pochodzące z mleka matki. W śród tych białek jest wiele gammaglobulin, czyli ciał odpornościowych. Te młode ssaki charakteryzują się zwiększaną porowatością (przepuszczalnością) ścian jelitowych. Niestety może to być przyczyną alergii pokarmowych.

Niezależnie od białek rozkładanych w przewodzie pokarmowym w każdym organizmie ma miejsce wymiana białek. Każde białko charakteryzuje się okresem połowicznej wymiany. Białka aktywne metabolitycznie np. enzymy wykazują krótki okres połowicznej wymiany ( kilka minut ), białka strukturalne nawet kilku miesięczny okres połowicznej wymiany. Białka rozkładane są przez enzymy proteolityczne, nazywane też peptydazami lub proteinazami. Enzymy proteolityczne dzielimy według różnych kryteriów :

1. Na podstawie miejsca i działania na enzymy proteolityczne trawienne działające w przewodzie pokarmowym i proteolityczne wewnątrzkomórkowe – poza przewodem pokarmowym, odpowiedzialne za wymianę białek w organizmie

2. Według miejsca działania( położenia działanie peptydowego w łańcuchu) na który działają:

-endopeptydazy hydrolizujące wiązania peptydowe położone wewnątrz łańcucha polipeptydowego

-na egzopeptydazy –hydrolizujące skrajnie położone w łańcuchu polipeptydowym wiązania i wyróżnia się tu aminopeptydazy- odłączające reszty aminokwasowe od N końca łańcucha. I drugie karboksypeptydazy odłączające aminokwasy od C końca łańcucha polipeptydowego.

3. W zależności od budowy ich centrum aktywnego na cysteinowe, aspartylowe, serynowe, treoninowe i metalo proteinazy.

Wśród najważniejszych enzymów proteolityczny trawiennych wyróżnia się: pepsynę, podpuszczkę, trypsynę, chymotrypsynę, elastazę, karboksypeptydaza A, karboksypeptydaza B, aminopeptydaza leucynowa.

Pepsyna wytwarzana jest przez komórki śluzówki dna żołądka w formie pepsynogenu. W soku żołądkowym pepsynogen przekształca się w pepsynę. Optimum pH to 2,2. Jest to endopeptydaza aspartylowa (COO- kwasu asparaginowego w centrum aktywnym). Enzym ten hydrolizuje wiązania peptydowe tworzone przez grupy karboksylowe aminokwasów kwaśnych i aromatycznych i aminowe innych kwasów.

Podpuszczka wytwarzana jest w żołądkach młodych przeżuwaczy w formie proreniny. Proenzym ten przekształca się w podpuszczkę i działa na kazeino gen, przekształcając go w formę nierozpuszczalną, która dłużej zalega w żołądkach i tym samym jest efektywniej wykorzystywana przez organizm oseska. Enzym ten działa w pH 3,5-4, Jest endopeptydazą aspartylową. Znalazł szerokie zastosowanie w przemyśle serowarskim do produkcji serów podpuszczkowych.

Trypsyna wytwarzana jest przez komórki trzustki w formie trypsynogenu, który transportowany jest do dwunastnicy i jelita cienkiego i tam przekształcany jest w trypsynę. To endopeptydaza serynowa , optimum pH 7,5-8,5, rokłada wiązania peptydowe tworzone przez grupy karboksylowe lizyny lub argininy i aminowe pozostałych aminokwasów.

Chymotrypsyna wytwarzana przez komórki trzustki w formie chymotrypsynogenu, jest aktywowana oraz działa w dwunastnicy i jelicie cienkim. Optimum pH7,5-8,5. To endopeptydaza serynowa rozkładająca wiązanie peptydowe tworzone przez grupy karboksylowe aminokwasów aromatycznych i aminowe pozostałych.

Elastaza wszystkie jak wyżej z tą różnicą, że nie wykazuje specyficzności w stosunku do określonego typu wiązań peptydowych. Lecz najwyższą aktywność daje wówczas, gdy jej substratem jest białko elastyna.

Karboksypeptydaza A- odłącza C końcowe aminokwasy z wyjątkiem proliny i aminokwasów zasadowych. Działa w jelicie cienkim, czyli pH 7,5-8,5, wytwarzana prze komórki trzustki, jest egzopeptydazą, jest metaloenzymem posiadającym jon cynku w centrum aktywnym.

Karboksypeptydaza B – odłącza C końcowe aminokwasy zwłaszcza zasadowe. Wszystkie pozostałe cechy jak wyżej.

Aminopeptydaza leucynowa – wytwarzana przez komórki trzustki, działa w jelicie cienkim, jest egzopeptydazą, najczęściej cysteinową, preferuje substraty z leucyną na N końcu.

Enzymy proteolityczne wewnątrz komórkowe występują zarówno u zwierzą, roślin i bakterii. Najczęściej są wytwarzane już w formie aktywnej, ich główną funkcją jest wymiana białek oraz utrzymywanie równowagi między pulą białek, a pulą aminokwasów w organizmie. W wyniku działania peptydaz z egzopeptydazami w ostateczności uzyskujemy mieszaninę aminokwasów. Aminokwasy te są absorbowane przez komórki nabłonka i jelita cienkiego i następnie dostają się do krwioobiegu. Za jego pośrednictwem transportowane są do wszystkich tkanek organizmu, gdzie są częściowo zużywane do syntezy własnych białek, a częściowo ulegają rozkładowi dostarczając energii i szkieletów węglowych.

Wśród najważniejszych przemian aminokwasów są:

1. Reakcje transaminacji

2. Reakcje deaminacji

3. Reakcji dekarboksylacji

Ad1. Reakcje te polegają na przemieszczaniu grupy alfa-aminowej z aminokwasami na odpowiedni 2-oksokwas. Dlatego we wszystkich reakcjach transaminacji zawsze są dwa substraty i dwa produkty. U roślin funkcje reakcją transaminacji jest przeniesienie azotu aminowego z aminokwasów pierwotnych na różne dwa oksokwasy, które po przyjęciu grupy aminowej stają się aminokwasami niezbędnymi w procesie białek. Aminokwasy pierwotne to takie, które powstają w reakcjach bezpośredniego włączenia azotu nieorganicznego (NH4+) do związków organicznych. Są nimi: kwas glutaminowy, glutamina, alanina, kwas asparaginowy.

U zwierząt rola reakcji tranaminacji polega na przeniesieniu grup aminowych z różnych aminokwasów uwolnionych w czasie hydrolizy białek, na takie dwa oksokwasy, które po przyjęciu tych grup staną się aminokwasami biorącymi bezpośredni udział w reakcjach deaminacji. W reakcjach deaminacji spośród 20 aminokwasów białkowych mogą wziąć udział tylko niektóre z nich: kwas glutaminowy, alanina, kwas asparaginowy, seryna, czasami glutamina.

Ad2. Reakcje deaminacji polegają na uwolnieniu jon amonowego z wytworzeniem 2 oksokwasu bądź też kwasu nienasyconego. Deaminacje mogą być Osydo i nieoksydacyjne. Oksydacyjne wymagają zawsze udziału koenzymu oksoreduktaz. Natomiast reakcje deaminacyjne nieoksydacyjne przebiegaja bez ich udziału. Oksydacyjne mogą być odwracalne i nieodwracalne .

Ad3. Dekarboksylacja aminokwasowa jest to odłączenie grup karboksylowych w postaci CO2. W reakcjach tych obok CO2 powstają zawsze aminy I rzędowe nazywane też aminami biogennymi. Aminy biogenne pełnią szereg ważnych funkcji metabolitycznych: są składnikami różnych koenzymów hormonami, przenośnikami impulsów nerwowych itd. Wiele z nich powstaje w wyniku działania…

Cykl mocznikowy

W wyniku deaminacji aminokwasów powstaje znaczna ilość NH4+. Jon ten może być wykorzystywany do asymilacji, czyli syntezy nowych aminokwasów jednak większość wchodzi w przemiany cyklu mocznikowego. Cykl mocznikowy jest 4enzymatycznym szlakiem, którego funkcją u roślin jest synteza białkowego aminokwasu L argininy i gromadzenie azotu w postaci związków o wysokim stosunku azotu do węgla (argininy oraz mocznika). Związki te nie są toksyczne dla roślin i mogą być gromadzone w dużych ilościach. U zwierząt podstawową funkcją tego cyklu jest przekształcanie nadmiaru NH4+ w formę związku, który może być wydalony poza organizm. Dlatego te organizmy zwierzęce są podzielone na 3 grupy:

1. Oreoteniczne -kręgowce (człowiek) wytwarzające mocznik, który jest później usuwany

2. Urykoteniczne (ptaki, gady) gdzie nadmiar NH4+ wydalany jest w postaci kwasu moczowego

3. Amonoteliczne (ryby) wydalające bezpośrednio NH4+

W cyklu mocznikowym produktem końcowym jest mocznik, w który atomy azotu pochodzą z:

1. Jonu amonowego włączonego do karbamoilofosforanu

2. Atom azotu pochodzi od kwasu asparaginowego.

Enzymami biorącymi udział w tym cyklu są:

1. Karbmoilotransferaza ornitynowa

2. Syntetaza argininoburszynianowa

3. Liaza argininoburszynianowa

4. Arginaza

Związkami rozpoczynającymi ten cykl są: karbamoilofosforan oraz L-ornityna. Karbamoilofosforan powstaje w reakcji katalizowanej przez syntetazę karbamoilofosfranową.

Asymilacja azotu nieorganicznego.

Jedyną formą azotu nieorganicznego, która może być bezpośrednio włączana do związków organicznych jest forma amonowa NH4+. U roślin najczęściej azot nieorganiczny pobierany jest z podłoża w formie NO3- (azotanowej formie). Forma ta musi ulec w organizmie roślinnym przekształceniu, czyli redukcji do jonu amonowego. Proces redukcji przebiega przy udziale 2 enzymów to jest: reduktazy azotanowej, która przekształca azotan w azotyn i reduktazy azotynowej , która przekształca azoty w jon amonowy. U mikroorganizmów mających zdolność do wiązania azotu atmosferycznego obecna jest nitrogeneza- kompleks enzymatyczny zdąlny do redukcji azotu cząsteczkowego N2 do jonu amonowego. Reakcja przebiega w 3 etapach.

U wszystkich żywych organizmów powstały jon amonowy lub bezpośrednio pobrany z otoczenia jest ądo grup:

1. Aminowej

2. Amidowej

3. Karbamoilowej

Funkcjonuje kilka dróg asymilacji NH4+. Wśród nich najważniejsze to aminacja 2 oksokwasów zwłaszcza 2-disoglutaranu, katalizowana przez dehydrogenaze glutaminianową (odwrócenie reakcji deaminacji oksydacyjnej).

Cykl GS/GOGAT. Ta droga jest dwuetapowa , w której biorą udział dwa enzymy: syntetaza glutaminy, która odpowiedzialna jest za włączenie NH4+ do kwasu glutaminowego dając nam jako produkt glutaminę.

Produkt tej pierwszej reakcji , czyli glutamina jest jednym z 2 substratów dla drugiej reakcji katalizowanej przez syntezę glutaminianową. Ten 2 enzym (GOGAT) z glutaminy i alfa-ketoglutaranu wytwarza 2 cząsteczki glutaminianu. Z tych 2 cząsteczek jedna rozpoczyna kolejny cykl, a druga jest czystym zyskiem.

Jon amonowy może włącza się do związków organicznych dając nam odpowiednie aminokwasy pierwotne, ale może tez być substratem w syntezie innych związków np. karbamoilofosforanu. Ten ostatni nie tylko rozpoczyna cykl mocznikowy, ale również jest substratem w syntezie zasad azotowych potrzebnych do DNA i RNA.