7. Koenzimi. 7.A. Osnovne značajke koenzima

Transcript

1 7. Koenzimi. 7.A. Osnovne značajke koenzima Razlika između organskih kofaktora prostetskih skupina i koenzima: Nije jasno određena u literaturi, jer se bazira samo na jačini vezanja kofaktora za protein (enzim ili dr. protein), stoga se rabe različita imena za organske kofaktore (kofaktori, koenzimi, kosupstrati). Uloga kofaktora: A. shematski prikaz; B. primjer koenzima; C. primjer prostet. skupine.

2 Obično se koenzimi odvajaju od proteina nakon kemijske reakcije, a prostetske skupine ostaju vezane u kompleksu s proteinom (radi se o složenom proteinu kao npr. hemoglobin). Mnogi enzimi i dr. proteini jesu funkcionalni s obzirom na svoje supstrate (jedan ili više supstrata u kemijskoj reakciji) kada stvore kompleks s jednim ili više odgovarajućih kofaktora. U takvim proteinima vezno mjesto supstrata (aktivno mjesto) u potpunosti je definirano tek vezanjem odgovarajućih kofaktora. Kofaktori u biološkim sustavima: -organski kofaktor može biti prostetska skupina u jednom proteinu i koenzim drugom proteinu -kofaktori koji se mijenjaju tijekom enzimske ili druge kemijske reakcije, postoje u 2 oblika: u obliku prije i u obliku nakon reakcije; kemijski gledano, ovi oblici predstavljaju različite kemijske spojeve; pretvorbe su događaju u oba smjera -većina koenzima sadrži fosfat (ili fosfatnu kiselinu) kao bitan sastavni dio, pa im se imena završavaju na nukleozid fosfat ili nukleotid ; nukleotidni dio koenzima sastoji se od tri komponente: organske baze (najčešće purina ili pirimidina), monosaharida (gotovo uvijek riboze) i fosfata -mnogi koenzimi nastaju kao derivati vitamina ili su vitamini koji ulaze u sastav složenijeg koenzima Uloga koenzima: prijenos elektrona, vodika (H -, ne iona H + ), malih anorganskih (fosfat, sulfat, amino i dr.) i organskih (s 1 ili 2 atoma ugljika) te većih skupina (npr. glukoznog ostatka) s jedne molekule na drugu.

3 Primjer enzimske redoks reakcije s koenzimom: oksidacija alkohola (etanola) u aldehid (etanal) alkohol dehidrogenazom (ADH) i koenzimom NAD + (ili analoga NAD-a). Ovo je prva reakcija razgradnje alkohola u citoplazmi jetrenih stanica. Slijedeća reakcija je oksidacija aldehida (etanala) u karboksilnu (octenu) kiselinu u citosolu (aldehid dehidrogenazom 1, ALDH1) ili u mitohondriju (aldehid dehidrogenazom 2, ALDH2) uz prisustvo koenzima NAD +. Reakcija oksidacije etanola u etanal. Aktivno mjesto u ADH ADH sa supstratom (ljubičasto) i kofaktorima: analogom NAD-a (žuto) i cinkom (zeleno).

4 Shematski prikaz enzimske oksidacije etanola u etanal i mehanizam kemijske reakcije Kofaktori koji prenose atom vodika ili elektrone - kofaktori enzima oksidoreduktaza (enzima odgovornih za redoks reakcije): 1-koji prenose vodik (formalno ion H - ili H + + 2e - ): -nikotinamid adenin dinukleotid (NAD +, reducira se u NADH) -nikotinamid andenin dinukleotid fosfat (NADP +, reducira se u NADPH) -flavin mononukleotid (FMN, potpuno se reducira u FMNH 2 ) -flavin adenin dinukleotid (FAD, potpuno se reducira u FADH 2 ) -ubikinon (koenzim Q, Q, Q 10, potpuno se reducira u ubiquinol QH 2 ) -lipoinska kiselina (LA, reducira se u dihidrolipoinsku kiselinu) -glutation (GSH, oksidira se i dimerizira u glutation disulfid, GSSG; prenosi 2H) -askorbinska kiselina (vitamin C, oksidira se u deoksiaskorbinsku kiselinu) 2-koji prenose elektrone -različiti tipovi hema (Fe(III) se reducira u Fe(II) u citokromima i dr. proteinima Kofaktor prelazi iz oksidiranog oblika u reducirani u jednoj enzimskoj reakciji dok se u drugoj reducira, ili se oksidira u istoj reakciji tj. djeluje katalitički.

5

6 Kofaktori koji prenose anorganske skupine: 1- koji prenose fosfat tj. skupinu PO 4 2- : -adenozin trifosfat (ATP) -adenozin difosfat (ADP) -adenozin monofosfat (AMP) -kreatin fosfat (CP, fosfokreatin PCr) 2- koji prenose druge anorganske skupine: -fosfoadenozin fosfosulfat (PAPS, prenosi sulfat SO 4- ) -piridoksal fosfat (PLP, aktivni oblik vitamina B 6 ; prenosi amino skupinu NH 2 ) Kofaktori koji prenose organske skupine: 1- koji prenose skupine s jednim atomom ugljika: -adenozil metionin (SAM, prenosi metilnu skupinu CH 3 ) -tetrahidrofolna kiselina (THF, H 4 -folat, derivat vitamina B 9 ; prenosi formilnu skupinu HCO ) -biotin (vitamin B 7 ; prenosi karboksilnu skupinu CO 2- ) 2- koji prenose skupine s dva atoma ugljika: -koenzim A (CoA, prenosi acetilnu skupinu CH 3 CO ) 3- koji prenose veće skupine: -lipoinska kiselina (LA, prenosi acilne skupine RCH 2 CO ) -tiamin difosfat (TPP, prenosi acilne skupine RCH 2 CO ) -citidin difosfat (CDP, prenosi fosforil-kolinsku i srodne skupine) -uridin difosfat (UDP, prenosi šećerne i uronatne skupine)

7

8 Ostali kofaktori: 1- kofaktori izomeraza (enzima odgovornih za molekulske pregradnje): -uridin difosfat (UDP, sudjeluje u izomerizaciji šećera) -B 12 -koenzim (adenozilkobalamin, oblik vitamina B 12 ; sudjeluje u premještanju karboksilne skupine CO 2 H) 2- kofaktori liaza (enzima nehidrolitičke razgradnje): -piridoksal fosfat (PLP, sudjeluje u dekarboksilaciji tj. izlučivanju CO 2 ) -tiamin difosfat (sudjeluje u dekarboksilaciji)

9 7.B. Vitamini Vitamini: organski spojevi različite kemijske strukture, a koji su potrebni ljudskom organizmu u malim količinama (od µg do mg dnevno) za održavanje zdravlja, rasta i reprodukciju, jer sudjeluju u raznim biokemijskim procesima u organizmu. Unos: -ljudski organizam ih ne može sintetizirati (osim vitamina D izlaganjem suncu), pa se moraju unositi hranom, a neki nastaju djelovanjem crijevnih bakterija -poremećaji izazvani neodgovarajućoj dozom vitamina: hipovitaminoza (nedovoljan unos ili uništavanje crijevne flore), avitaminoza (kroničan ili dugotrajan nedostatak vitamina), hipervitaminoza (rijetko, prekomjeran unos predoziranjem vitaminske terapije) -osnovna podjela prema tipu topljivosti: a) vitamini topljivi u mastima: vitamini A, D, E i K; b) vitamini topljivi u vodi: vitamini B-kompleksa (B 1, B 2, B 3, B 5, B 6, B 7, B 9 i B 12 ) i vitamin C Posebne funkcije nekih vitamina: -vitamin A: važan je za vid, sastavni je dio proteina rodopsina (pigmenta mrežnice oka) koji reagira na svjetlo -vitamin D: dobiva se iz hrane ili izlaganjem suncu (iz derivata kolesterola); pospješuje apsorpciju kalcija i fosfora u crijevu, važan je za održanje njihove koncentracije u krvi te reapsorpcije u bubrezima

10 -vitamini C i E: antioksidansi uklanjaju slobodne radikale tj. reaktivne kisikove vrste pri staničnoj oksidaciji lipida, pri čemu sprečavaju oksidativni stres (oštećenje membranskih fosfolipida) -vitamin K: važan za normalno zgrušavanje krvi (sudjeluje u sintezi određenih faktora zgrušavanja krvi)

11 -vitamin C: pojačava apsorpciju željeza, važan je za sintezu kolagena -vitamini B-kompleksa: važni su u metaboličkim procesima dobivanja energije iz proteina, ugljikohidrata i masti -vitamini kofaktori (prostetične skupine i/ili koenzimi) enzima i dr. proteina: A, B-kompleks i K

12 Pod pojmom vitamin ne podrazumijeva se uvijek jedinstvena kemijska građa: -vitamin znači jedan kemijski spoj (vitamini B 1, B 2, B 5, B 7 i C) -vitamin znači skupinu dvaju ili više spojeva slične strukture (vitamini A, B 3, B 6, B 9, B 12, D, E, i K), tj. vitamin postoji u više oblika vitamin A 1 (retinal) provitamin A (β-karoten) vitamin B 1 (tiamin), kationski oblik vitamin B 5 (pantotenska kiselina) vitamin B 2 (riboflavin) vitamin B 3 vitamin B 7 (biotin)

13 vitamin B 6 folna kiselina s jednim glutaminskim ostatkom (oblik vitamina B 9 ) adenozilkobalamin (oblik vitamina B 12 ) vitamin C (askorbinska kiselina) vitamin D 3 (kalciferol)

14 α-tokorefol (oblik vitamina E) riboflavin je sastavni dio dvaju koenzima: FMN i FAD vitamin K 1 (filokinon) pantotenska kiselina je sastavni dio koenzima A nikotinamid je sastavni dio dvaju koenzima: NAD + i NADP + (reducirani su NADH i NADPH)

15 Primjer vitaminskog koenzima: Aktivni oblik vitamina B 6 piridoksal fosfat (fosfatni derivat piridoksala) koenzim je raznih enzima, kao npr. kinureninaze. Ovaj enzim, punog imena L-kinurenin hidrolaza (E.C ) važan je u katabolizmu (razgradnji) triptofana i biosintezi koenzima NAD (nikotinamid adenin nukleotida) iz triptofana. Funkcioniranje enzima je ovisno o piridoksal fosfatu.

16 7.C. Hormoni Hormoni: -uz citokine i neurotransmitore, predstavljaju jednu od najvažnijih skupina signalnih (glasničkih) molekula -podjela prema sastavu: a) steroidni hormoni (spolni hormoni, kortikosteroidi); b) hormoni nastali iz aminokiselina (npr. hormoni štitnjače tiroksin i trijodtironin nastali iz tirozina, adrenalin, dopamin, noradrenalin, melatonin); c) peptidni i polipeptidni hormoni (npr. inzulin, glukagon, oksitocin, gastrin, vazopresin ili antidiuretički hormon, somatotropin, adrenokrotikotropni hormon ACTH); d) proteinski hormoni (jednostavni i složeni proteini; npr. prolaktin PRL, tireotropni hormon TSH, folikulostimulirajući hormon FSH, luteinizirajući hormon LH, humani korionski gonadotropin HCG) -prema načinu djelovanja, hormoni jesu: autokrini, endokrini i parakrini ista je podjela kao i kod citokina -nastaju u žlijezdama s unutarnjim izlučivanjem (endokrinim žlijezdama) i nekim neglandularnim tkivima; putuju krvlju i drugim načinima do svojih receptora, s kojima kada stvore međumolekulski kompleks, izazivaju određeni odgovor -važni su za regulaciju cjelokupnog metabolizma i održavanje homeostaze (stalan kemijski sastav svih tjelesnih tekućina), normalno funkcioniranje organizma, kontrolu rasta i razvoja organizma i njegovih pojedinih dijelova

17 -lučenje hormone regulira se mehanizmima povratne veze (sprege): a) pozitivna regulacija povratnom vezom hormon se luči ovisno o koncentraciji tvari koju regulira (npr. lučenje inzulina kontrolira se koncentracijom glukoze u krvi: što je više glukoze, to se inzulin više luči) b) negativna regulacija povratnom vezom hormon se više luči kada ga malo ima u opticaju, preko složenog mehanizma sprege između središnjeg živčanog sustava, hipotalamusa, hipofize i endokrinih žlijezda (npr. glukagon se više luče što je manje glukoze u krvi) -hormonski receptori mogu biti stanični i izvanstanični Biosinteza hormona: -različita je za kemijski različite grupe hormona -steroidni hormoni nastaju iz kolesterola nizom enzimskih reakcija, a hormoni nastali iz aminokiselina također sintetiziraju se djelovanjem enzima -peptidni i proteinski hormoni nastaju na ribosomima istim procesom prema genetskom zapisu kao i ostali proteini i peptidi Poremećaji hormonskog lučenja od dijagnostičkog značaja: -dvojaki poremećaji: luči se previše ili premalo hormona -uzroci poremećaja: a) poremećaji u radu endokrine žlijezde ili neglandularnog tkiva koje luči hormon; b) poremećaj u kontrolnom mehanizmu lučenja hormona;

18 c) mutacije gena koje uzrokuju sintezu abnormalnog peptidnog ili proteinskog hormona (npr. inzulina ili proinzulina), koji je neaktivan; d) mutacije gena koje uzrokuju sintezu abnormalnog hormonskog receptora (po sastavu je protein), čime se izaziva neosjetljivost tkiva na djelovanje hormona Steroidni hormoni: -svi se sastoje od tzv. steroidnog kostura do najviše 21 atoma ugljika -podjela: a) kortikosteroidi ili hormoni kore nadbubrežne žlijezde (ne računajući androgene hormone nadbubrežne žlijezde): mineralkortikoidi (reguliraju promet vode i minerala, npr. aldosteron) i glukokortikoidi (reguliraju metabolizam ugljikohidrata, masti i proteina, npr. kortizol); b) androgeni ili muški spolni hormoni: luče ih uglavnom testisi, a u manjoj mjeri nadbubrežna žlijezda, jajnici i posteljica; hormoni: testosteron, epitestosteron, androsteron i dr. c) estrogeni i progesteroni ženski spolni hormoni; progesteron luče žuto tijelo i posteljica, a u manjom mjeri nadbubrežna žlijezda i testisi progesteroni reguliraju menstrualni ciklus, proces začeća i trudnoću; estrogene luče jajnici, žuto tijelo i posteljica, a u manjoj mjeri nadbubrežne žlijezde i testisi, te neka periferna tkiva za vrijeme postmenopauze estriol, estradiol, estron i dr. Poremećaji lučenja spolnih hormona jesu trojaki: preslabo ili prejako lučenje, te promjena odnosa koncentracija muških i ženskih spolnih hormona, budući da u svakoj osobi postoje oba tipa spolnih hormona.

19 Steroidni kostur tj. osnovna molekulska struktura steroidnih hormona kolesterol testosteron progesteron estriol kortizol

20 Polipeptidni i proteinski hormoni - primjeri: -somatotropin, hormon rasta STH: protein, 22 kda, 191 aminokiselina, sintetizira se u hipofizi, stimulira rast kostiju i mekih tkiva; problemi u rastu djece jesu stečeni ili nasljedni, a uzrokovani su manjkom STH -faktori rasta slični inzulinu, IGF: peptidi, u krvi su vezani za proteine, sintetizira se u jetri, potiče rast i ima djelovanje sličnu inzulinu; imaju sekvencije (primarnu strukturu) vrlo sličnu onoj od inzulina -kortikotropin, adrenokrotikotropni hormon ACTH: polipeptid, 6 kda, 39 aminokiselina, sintetizira se u adenohipofizi; regulira proizvodnju i lučenje kortikosteroida -tireotropin, tireotropni hormon TSH: 28 kda, glikoprotein s 16% ugljikohidrata, regulirana proizvodnju i lučenje tiroksina -gonadotropini: glikoproteini koje luče hipofiza i posteljica; ovu skupinu čine folikulostimulirajući hormon FSH, luteinizirajući hormon LH i humani korionski gonadotropin HCG; reguliraju normalan rast, spolni razvoj i reprodukciju -prolaktin PRL: protein, 23 kda, 199 aminokiselina, luči ga adenohipofiza, regulira izlučivanje mlijeka -vazopresin, antidiuretički hormon ADH: nonapeptid, 10 kda, sintetizira se u hipotalamusu i završecima živaca; regulira reapsorpciju vode u bubregu i koncentraciju mokraće -oksitocin: po strukturi i mjestu nastanka sličan je vazopresinu; ima važne uloge u porođaju, laktaciji i emocionalnoj vezi između majke i djeteta

21 prolaktin oksitocin HCG hormon Inzulin: 1- primarna struktura (sekvencija); 2- tercijarna struktura inzulina (aktivni oblik inzulina, monomer); 3- dimer inzulina, koji nastaje u vodi uslijed vodikovih veza; 4- neaktivni oblik inzulina (heksamer) u kojem se pohranjuje u gušterači; 6- heksamer prikazan s dva iona cinka u središtu metaloproteina, koji su vezani na 6 histidina

22 -inzulin: peptid, 6 kda, 51 aminokiselina, luči ga gušterača, regulira metabolizam ugljikohidrata i masti; smanjuje koncentraciju glukoze u krvi i povećava propusnost staničnih membrana za glukozu čime glukoza ulazi u stanice i tamo se razgrađuje; inducira enzim glukokinazu u procesima glikolize (raspad glukoze u pirogrožđanu kiselinu tj. piruvat) i glikogeneze (sinteza glikogena iz glukoze); pojačava lipogenezu (sintezu masti iz šećera, preko intermedijarnog spoja acetil koenzima A) i smanjuje lipolizu (razgradnju masti tipa triglicerida) u masnom tkivu; sprečava nastanak ketonskih tijela tj. acetona, acetoctene kiseline i beta-hidroksimaslačne kiseline, koje u višim koncentracijama uzrokuju alkoholnu i dijabetičku ketoacidozu; poremećaji u lučenju inzulina: a) smanjeno lučenje (šećerna bolest sa smanjenim lučenjem inzulina); b) povećano lučenje (debljina, Cushingov sindrom, hipertireoza, akromegalija, gigantizam, inzulinom, hiperinzulinemija) -parathormon, paratireodini hormon PTH: polipeptid, 95 kda, 84 aminokiseline, regulira homeostazu kalcija: oslobađa Ca iz kostiju; povećava reapsorpciju Ca i Mg u bubrezima te smanjuje fosfat u krvi; povećava apsorpciju Ca u crijevima povećanjem proizvodnje aktivnog oblika vitamina D (kalciferola)

23 Uloga inzulina u metabolizmu glukoze: 1- inzulin se veže na receptor inzulina; 2- vezanje inzulin-receptor ima za posljedicu pokretanje kaskadne aktivacije mnogih proteina (važnih u procesima 3-6); 3- translokacija dimernog transportera glukoze 4 (Glut-4) iz citosola u staničnu membranu i transport glukoze u stanicu pomoću ovog transportera; 4- glikogeneza (sinteza glikogena iz glukoze); 5- glikoliza (razgradnja glukoze u piruvat); 6- sinteza masnih kiselina iz piruvata.

24 Higijena spavanja uvjeti za dobro lučenje melatonina prije spavanja: -smanjiti svjetlo 1 sat prije spavanja -biti u mraku, u tišini, na miru -ne jesti veće obroke i ne piti -ne pušiti, ne piti kavu i alkohol -ne izlagati se fizičkim naporima i stimulansima -izbjegavati uzbuđenja i televiziju Melatonin - hormon spavanja: -proizvodi ga epifiza, kao odgovor na nedostatak svjetla -veže se na transmembranske receptore vezane za G-proteine -regulira druge hormone i cirkadijalni ritam organizma (unutarnji 24-satni sat ) -kad je mrak, tijelo proizvodi više melatonina, a kad je svjetlo, proizvodi ga manje potrebno je imati svijetli i tamni dio dana stare osobe trebaju biti i na suncu tj. svijetlu, a ne uvijek u mraku i zatvorene! -kontrolira proizvodnju i vrijeme otpuštanja ženskih spolnih hormona -povezan je i sa starenjem (djeca imaju najveću noćnu koncentraciju melatonina i ona sa starenjem pada stare osobe i osobe s poremećajem spavanja trebaju imati uvjete za lučenje melatonina ili ga dodatno uzimati -ima i jaki antioksidativni učinak

25 Zadnja promjena: