Bliskie spotkania z biologią METABOLIZM. dr hab. Joanna Moraczewska, prof. UKW. Instytut Biologii Eksperymetalnej, Zakład Biochemii i Biologii Komórki

Transkrypt

1 Bliskie spotkania z biologią METABOLIZM dr hab. Joanna Moraczewska, prof. UKW Instytut Biologii Eksperymetalnej, Zakład Biochemii i Biologii Komórki

2 Metabolizm całokształt przemian biochemicznych i towarzyszących im przemian energii, zachodzących w komórkach żywych organizmów

3 Komórkowe szlaki metaboliczne substraty związki pośrednie Katalizowane przez enzymy reakcje biochemiczne produkty źródło: Berg, Tymoczko, Stryer Biochemia PWN, 2010

4 Enzymy - cząsteczki białkowe (wyjątek rybozymy zbudowane z RNA) zbudowane z pojedynczych łańcuchów polipeptydowych lub z wielu podjednostek Karbamoilotransferaza Lizozym asparaginianowa źródło: Berg, Tymoczko, Stryer Biochemia PWN, 2010

5 - często to białka złożone z części białkowej i kofaktora (koenzym, grupa prostetyczna, jon metalu) NADH (koenzym) HOLOENZYM reduktaza cytochromu b5 (apoenzym) struktura: http//pl.wikipedia.org/

6 Enzym białkowy Białko proste Białko złożone (holoenzym) apoenzym + kofaktor koenzym oddysocjowuje po zakończonej reakcji grupa prostetyczna grupa na stałe związana z enzymem

7 Wszystkie enzymy - wiążą substrat w miejscu aktywnym poprzez wzajemne dopasowanie białka i cząsteczki substratu (model indukowanego dopasowania) Substrat Kompleks ES Enzym źródło: Berg, Tymoczko, Stryer Biochemia PWN, 2010

8 Wszystkie enzymy - są katalizatorami obniżającymi energię potrzebną do zapoczątkowania reakcji (energię aktywacji) Źródło: http//pl.wikipedia.org/

9 Wszystkie enzymy EC KLASA ENZYMÓW KATALIZOWANE REAKCJE EC1 Oksydoreduktazy Reakcje oksydacyjno-redukcyjne EC2 Transferazy Przenoszenie grup funkcyjnych EC3 Hydrolazy Reakcje hydrolizy EC4 Liazy EC5 Izomerazy Izomeryzacja EC6 - katalizują ściśle określone typy reakcji Ligazy Enzymy odszczepiające od substratów określoną grupę (niehydrolitycznie) z wytworzeniem podwójnego wiązania lub odwrotnie, przyłączające grupy do podwójnych wiązań Enzymy katalizujące reakcje syntezy, którym towarzyszy odszczepienie reszt kwasu fosforowego od ATP lub analogicznego trójfosforanu

10 Kofaktorami OKSYREDUKTAZ są: nukleotydy nikotynamidowe ( NAD, NADP ) H +, el - nukleotydy flawinowe ( FMN, FAD ) H +, el - kwas liponowy H +, el -, acyle koenzym Q H +, el - cytochromy ( b, c, c1, a, a3 ) H +, el - Kofaktorami TRANSFERAZ są: koenzym A grupy acylowe pirofosforan tiaminy, grupy aldehydowe, ketonowe biotyna COO - (CO 2 ) fosforan pirydoksalu grupy aminowe adenozynotrójfosforan ( ATP ) grupy fosforanowe adenozynometionina grupy metylowe kwas tetrahydrofoliowy grupy jednowęglowe

11 LIAZY, IZOMERAZY I LIGAZY współpracują z nielicznymi kofaktorami. Najważniejszymi są: - pirofosforan tiaminy, - fosforan pirydoksalu, - koenzym A. HYDROLAZY nie wymagają koenzymów do swego działania

12 Matura 2013, poziom rozszerzony Podczas przemian metabolicznych w komórkach ważną rolę odgrywają związki chemiczne pełniące funkcję przenośników. Każdej z wymienionych reakcji (A C) przyporządkuj właściwy związek chemiczny (1 4), który w niej uczestniczy. Reakcje chemiczne Związki chemiczne A. Redukcja 1. ATP B. Fosforylacja 2. ADP C. Dehydrogenacja 3. NAD 4. NADH A.... B.... C....

13 Szybkość reakcji [v] Wszystkie enzymy - ulegają wysyceniu substratem Stężenie substratu [S]

14 Szybkość reakcji [v] V max jest to maksymalna szybkość jaką osiąga enzym w danych warunkach reakcji i zależy od: - warunków środowiska reakcji wpływających na sprawność enzymu - ilości enzymu Stężenie substratu [S]

15 Szybkość reakcji [v] K m jest to stężenie substratu przy którym enzym osiąga połowę szybkości maksymalnej i zależy od właściwości substratu i enzymu Substrat (S) o wysokim powinowactwie Substrat (S ) o niskim powinowactwie Stężenie substratu [S] i [S ] K m określa powinowactwo substratu do enzymu w danych warunkach reakcji i nazywane jest stałą Michaelisa-Menten

16 Matura 2013, poziom rozszerzony Stała Michaelisa (Km) jest miarą powinowactwa enzymu do substratu im większe powinowactwo wykazuje enzym, tym mniejsze jest stężenie substratu, przy którym szybkość reakcji jest równa połowie szybkości maksymalnej. W tabeli przedstawiono wartości stałej Michaelisa dla czterech różnych substratów reakcji katalizowanych przez określony enzym. Uszereguj substraty według wzrastającego powinowactwa enzymu do tych substratów, wpisując w tabelę numery 1 4. Substrat Wartość K m (mol/l) Numer A 6,5 x 10-5 B 7,1 x 10-5 C 1,2 x 10-5 D 4,7 x Na podstawie: J. Witwicki, W. Ardelt, Elementy enzymologii, Warszawa 1989.

17 Wiele enzymów - podlega ścisłej regulacji, dzięki której katalizowana reakcja zachodzi z większą lub mniejszą prędkością, a to umożliwia regulację całego szlaku metabolicznego Substrat Inhibitor kompetycyjny Inhibitor niekompetycyjny Inhibitor akompetycyjny źródło: Berg, Tymoczko, Stryer Biochemia PWN, 2010

18 Aktywność enzymów może być hamowana przez cząsteczki zwane inhibitorami. Na schemacie przedstawiono dwa rodzaje hamowania aktywności enzymów Na podstawie schematu opisz, na czym polega hamowanie: kompetycyjne (A) Hamowanie... kompetycyjne polega na współzawodniczeniu inhibitora i substratu o wiązanie w miejscu aktywnym. Działanie inhibitora można zmniejszyć zwiększając stężenie substratu. niekompetycyjne (B) Hamowanie... niekompetycyjne polega na konformacyjnej zmianie w miejscu aktywnym na skutek wiązania inhibitora do miejsca regulatorowego przestrzennie rozdzielonego od miejsca aktywnego. Zwiększenie stężenia substratu nie przełamuje działania inhibitora....

19 METABOLIZM KATABOLIZM - rozkład związków chemicznych występujących w żywności oraz wcześniej istniejących tkankach ANABOLIZM - wymagająca energii synteza złożonych związków chemicznych, prowadząca do wzrostu masy organizmu i rozrostu jego tkanek.

20 Oceń prawdziwość stwierdzeń dotyczących metabolizmu. Wpisz w odpowiednie miejsca tabeli literę P, jeśli stwierdzenie jest prawdziwe, lub literę F, jeśli stwierdzenie jest fałszywe. P/F 1. W procesach anabolicznych produkty reakcji są związkami bardziej złożonymi niż substraty. P 2. Energia uwalniana w procesach anabolicznych jest wykorzystywana do syntezy związków budulcowych. F 3. Katabolizm to reakcje syntezy związków złożonych z substancji prostych, wymagające dostarczenia energii. F

21 Głównym zadaniem przemian katabolicznych jest wytwarzanie energii metabolicznej. Głównym, bezpośrednim donorem energii swobodnej (G o )w układach biologicznych ( a nie formą długotrwałego jej magazynowania) jest ATP (adenozynotrifosforan)

22 W ATP energia jest przechowywana w dwóch wysokoenergetycznych wiązaniach fosforanowych

23 Biosyntezy Transport Sygnalizacja komórkowa Praca mechaniczna Ciepło ATP ADP+ Pi fosforylacja fotosyntetyczna fosforylacja substratowa fosforylacja oksydacyjna (Utlenianie cząsteczek pokarmowych i zapasowych)

24 Podstawowe szlaki kataboliczne TŁUSZCZE POLISACHARYDY BIAŁKA kw. tłuszczowe glicerol glukoza aminokwasy acetylo-coa CoA O 2 Łańcuch oddechowy ADP Cykl Krebsa ATP CO 2

25 Etapy wewnątrzkomórkowego utleniania glukozy Fosforylacja oksydacyjna Źródło: Biologia. Podręcznik. Tom 3. PWN 2004

26 Metabolizm beztlenowy Glikoliza pierwszy etap utleniania glukozy C-6 C-6-P C-1,6-PP 2 C-3-P Fosforylacja substratowa 2 C-3

27 Losy pirogronianu Fermentacja alkoholowa Fermentacja mlekowa Oddychanie beztlenowe Oddychanie tlenowe Metabolizm beztlenowy źródło: Berg, Tymoczko, Stryer Biochemia PWN, 2010

28 W tabeli porównano oddychanie tlenowe i beztlenowe Wykorzystując informacje zamieszczone w tabeli, podaj dwa argumenty potwierdzające następującą tezę: Oddychanie beztlenowe jest rozrzutnym sposobem uzyskiwania energii koniecznej do życia W oddychaniu beztlenowym częściowe utlenienie sześciowęglowej glukozy prowadzi do otrzymania zaledwie 2 cz. ATP, a w efekcie całkowitego utlenienia podczas oddychania tlenowego otrzymuje się aż 30 cz. ATP. 2. Oddychanie beztlenowe prowadzi do gromadzenia mleczanu, produktu ubocznego, który musi być usunięty z komórki i zneutralizowany, co również wymaga wkładu energii....

29

30 Matura 2013, poziom rozszerzony Niektóre bakterie i grzyby uzyskują energię w procesie fermentacji mleczanowej (mlekowej). Pierwszym etapem fermentacji jest glikoliza, w czasie której glukoza jest przekształcana do pirogronianu i zostaje uwolniona energia. W następnym etapie pirogronian jest przekształcany w mleczan. Mleczan jest związkiem szkodliwym dla komórki, natomiast pirogronian to związek kluczowy w przemianach metabolicznych. Na schemacie przedstawiono przebieg fermentacji mleczanowej. Na podstawie: E. Solomon, L. Berg, D. Martin, C. Villee, Biologia, Warszawa Wyjaśnij, jakie znaczenie dla przebiegu fermentacji mleczanowej ma przekształcanie pirogronianu w mleczan podczas tego procesu

31

32 Metabolizm tlenowy Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu- drugi etap Cykl Krebsa (cykl kwasu cytrynowego) - trzeci etap Krysty Przestrzeń międzybłonowa Macierz Błona zewnętrzna Błona wewnętrzna źródło: Berg, Tymoczko, Stryer Biochemia PWN, 2010

33 Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianudrugi etap (metabolizm tlenowy) zachodzący w mitochondriach Pirogronian (C-3) NAD + CoA NADH + H + CO 2 Acetylo-CoA (C-2)

34 Cykl Krebsa Acetylo-CoA + 3 NAD + + FAD + GDP + Pi 2 CO 2 + CoA + GTP + 3 NADH + FADH 2

35 Acetylo-CoA 3 NADH + H +

36 Łańcuch oddechowy i fosforylacja oksydacyjna - czwarty etap zachodzący na wewnętrznej błonie mitochondrialnej Krysty Przestrzeń międzybłonowa Macierz Błona zewnętrzna Błona wewnętrzna

37 Źródło: Biologia. Podręcznik. Tom 3. PWN, 2004

38 PODSUMOWANIE 1. Na metabolizm składają się reakcje kataboliczne i anaboliczne 2. Reakcje metaboliczne zachodzą z udziałem katalizatorów biologicznych - enzymów 3. Podstawowym przenośnikiem energii swobodnej jest ATP 4. Źródłem energii metabolicznej jest oddychanie komórkowe 5. Oddychanie tlenowe dostarcza wielokrotnie więcej energii niż oddychanie beztlenowe 6. Głównym źródłem energii komórkowej jest glukoza, utleniana na szlaku glikolizy, a nastepnie w cyklu Krebsa