BIOΛ154 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ Ι. ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ (Lubert Stryer) Βασικές Αρχές Βιοχημείας (Lehninger) Κεφ. 15

Transcript

1 BIOΛ154 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ Ι ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ (Lubert Stryer) Βασικές Αρχές Βιοχημείας (Lehninger) Κεφ. 15

2 ΠΕΡΙΓΡΑΜΜΑ 15.1 O μεταβολισμός αποτελείται από πολλές συζευγμένες και διασυνδεδεμένες αντιδράσεις 15.2 Η ATP είναι το παγκόσμιο νόμισμα ελεύθερης ενέργειας στα βιολογικά συστήματα 15.3 H οξείδωση των καύσιμων οργανικών μορίων είναι η πηγή κυτταρικής ενέργειας 15.4 Oι μεταβολικές πορείες περιέχουν πολλά επαναλαμβανόμενα μοτίβα και ρυθμίζονται με ακρίβεια ερωτηματα

3 Δύο βασικά ερωτήματα της Βιοχημείας 1. Με ποιο τρόπο το κύτταρο αντλεί ενέργεια από το περιβάλλον του; 2. Με ποιον τρόπο συνθέτει τις δομικές μονάδες των μακρομορίων του και στη συνέχεια αυτά τα ίδια τα μακρομόρια; ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ενεργεια

4 Οι ζωντανοί οργανισμοί απαιτούν συνεχή τροφοδότηση ενέργειας για τρεις κυρίως σκοπούς: εκτέλεση μηχανικού έργου (σύσπαση μυών, κυτταρικές κινήσεις) ενεργό μεταφορά μορίων και ιόντων σύνθεση μακρομορίων από απλά πρόδρομα μόρια Η ελεύθερη ενέργεια που χρησιμοποιείται στις διεργασίες αυτές προέρχεται αναγκαστικά από το περιβάλλον. Οι φωτοσυνθετικοί, ή φωτότροφοι, οργανισμοί αποκτούν αυτή την ενέργεια παγιδεύοντας το ηλιακό φως, ενώ οι χημειότροφοι οργανισμοί (πχ τα ζώα), αποκτούν τη χημική ενέργεια μέσω της οξείδωσης των τροφίμων που παράγονται από τους φωτότροφους οργανισμούς. συζευγμενες

5 15.1 Ο μεταβολισμός αποτελείται από πολλές συζευγμένες, αλληλοσυνδεόμενες αντιδράσεις Σειρές συνδεδεμένων χημικών αντιδράσεων οι οποίες αρχίζουν με ένα συγκεκριμένο μόριο και το μετατρέπουν σε άλλα μόρια με έναν αυστηρα καθορισμένο τρόπο, π.χ. Η γλυκόλυση ολο

6 Μεταβολισμός είναι το σύνολο των αντιδράσεων που παράγουν ενέργεια αποδομόντας σύνθετα μόρια και των αντιδράσεων που συνθέτουν πολύπλοκα μόριοα ξοδεύουν ενέργεια... Ανα κατα

7 Οι αντιδράσεις εκείνες που οξειδώνουν καύσιμα/τροφές παράγοντας χημική ενέργεια ονομάζονται καταβολικές αντιδράσεις ή πιο γενικά, καταβολισμός Καύσιμα (υδατάνθρακες, λίπη) Καταβολισμός CO 2 + H 2 O + χημική ενέργεια (Αποκοδόμηση υδατανθράκων, λιπών, πρωτεινών κλπ) Οι αντιδράσεις που χρειάζονται ενέργεια ονομάζονται αναβολικές αντιδράσεις ή αναβολισμός. Οδηγούν στη βιοσύνθεση πολύπλοκων δομών από από απλά δομικά μόρια. Χημική ενέργεια + μικρά μόρια Αναβολισμός πολύπλοκα μόρια (Βιοσύνθεση λιπών, πρωτεινών, νουκλεινικών οξέων κλπ) Η ενέργεια που χρησιμοποιείται στον αναβολισμό παράγεται από τον καταβολισμό!! Οι Αμφιβολικές μεταβολικές πορείες είναι είτε αναβολικές είτε καταβολικές, αναλόγως της ενεργειακής κατάστασης του κυττάρου (γλυκολυση/γλυκονεογένεση) ΑΤΡ

8 Η ATP είναι το «παγκόσμιο νόμισμα» ελεύθερης ενέργειας στα βιολογικά συστήματα Δεσμοί φωσφορικού ανυδρίτη Αδενίνη Ριβόζη Τρι-,δι-, μονοφωσφορική μονάδα Η ακριβής τιμή της ΔG o εξαρτάται από τη ιοντική ισχύ του μέσου και από τις συγκεντρώσεις των ιόντων Mg 2+ και άλλων ιόντων μετάλλων συξευξη

9 Οι μεταβολικές πορείες σχηματίζονται από τη σύζευξη ενζυμικά καταλυόμενων αντιδράσεων, έτσι ώστε η συνολική ελεύθερη ενέργεια της πορείας να είναι <0 και να ευνοείται θερμοδυναμικά Α Β + Γ ΔG o = +5 kcal mol -1 (+21 kj mol -1 ) B Δ ΔG o = -8 kcal mol -1 (-34 kj mol -1 ) Α Γ + Δ ΔG o = -3 kcal mol -1 (-13 kj mol -1 ) Η ολική μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας για μια σειρά χημικά συζευγμένων αντιδράσεων ισούται με το άθροισμα των επιμέρους μεταβολών ελεύθερης ενέργειας Μια αντίδραση θερμοδυναμικά ευνοούμενη είναι δυνατόν να ωθήσει μια αντίδραση θερμοδυναμικά μη ευνοούμενη, με την οποία είναι συζευγμένη μαγνησιο

10 Η ενεργός μορφή της ATP είναι συνήθως ένα σύμπλοκο με Mg2+ ή Mn2+ Καλος δοτης

11 Τι κάνει την ATP καλύτερο δότη φωσφορικής ομάδας; Τρεις παράγοντες είναι σημαντικοί: 1. Η σταθεροποίηση συντονισμού (Το ADP και το Pi έχουν μεγαλύτερη σταθερότητα συντονισμού) Συντονισμος Ρ

12 Τι κάνει την ATP καλύτερο δότη φωσφορικής ομάδας; Τρεις παράγοντες είναι σημαντικοί: Το ορθοφωσφορικό έχει έναν αριθμό δομών συντονισμού παρόμοιας ενέργειας, ενώ η γ- φωσφορική ομάδα της ATP έχει μικρότερο αριθμό απωση

13 2. Ηλεκτροστατική άπωση Η τριφωσφορική μονάδα της ATP (σε ph 7) μεταφέρει 4 αρνητικά φορτία που απωθούν το ένα το άλλο. Η άπωση ελαττώνεται όταν υδρολύεται η ATP ενυδατωση

14 3. Η σταθεροποίηση που οφείλεται στην ενυδάτωση Το νερό μπορεί να προσδέσει ADP και Pi πιο αποτελεσματικά από ότι το μέρος του φωσφορικού ανυδρίτη της ATP σταθεροποιώντας με ενυδάτωση την ADP και το Pi Δυναμικο μεταφορας

15 Το δυναμικό μεταφοράς φωσφορικής ομάδας είναι μια σπουδαία μορφή μετασχηματισμού της κυτταρικής ενέργειας Μερικές ενώσεις στα βιολογικά συστήματα έχουν υψηλότερο δυναμικό μεταφοράς φωσφορικής ομάδας από ότι η ATP φωσφο-ενολοπυροσταφυλικό (PEP) φωσφορική κρεατίνη 1,3-διφωσφογλυκερικό (1,3-BPG) PEP, φωσφορική κρεατίνη και 1,3 BPG προέρχονται από τον μεταβολισμό των καύσιμων μορίων και χρησιμοποιούνται για να προωθήσουν τη σύνθεση της ATP. Η ATP με τη σειρά της, δίνει μια φωσφορική ομάδα σε άλλα βιομόρια για να διευκολύνει τον μεταβολισμό τους. ενδιαμεσα

16 Η ενδιάμεση θέση της ATP δίνει τη δυνατότητα να λειτουργεί αποτελεσματικά ως φορέας φωσφορικών ομάδων οξειδωση

17 Η οξείδωση των καύσιμων οργανικών μορίων είναι η πηγή κυτταρικής ενέργειας Η συνολική ποσότητα ATP στο σώμα είναι ~100g. Ενα μόριο ATP καταναλώνεται σε ένα λεπτό από τον σχηματισμό του (υψηλός ρυθμός ανακύκλωσης) Ένας άνθρωπος σε ανάπαυση καταναλώνει 40 Kg ATP σε 24 ώρες, Και 0.5 Kg σε 1 λεπτό σε καταπόνηση (Τρέξιμο 2 ωρών 60Kg ATP) Δεκτης Ο2

18 Το O2 είναι ο βασικός δέκτης ηλεκτρονίων κατά την οξείδωση του άνθρακα, και το προϊόν της οξείδωσης είναι το CO2 Ελεύθερη ενέργεια οξείδωσης μονοανθρακικών ενώσεων Γλυκοζη-λιπαρο οξυ

19 Καύσιμα πρώτης γραμμής για παραγωγή ένέργειας in vivo άνθρακας λιγότερο ανηγμένος <<< άνθρακας πιο ανηγμένος Το τελικό αποτέλεσμα της οξείδωσης είναι ο σχηματισμός ΑΤΡ Παραγωγη ΑΤΡ

20 Πως η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την οξείδωση ενώσεων άνθρακα μετατρέπεται σε ATP?? 1. Ενώσεις με υψηλού δυναμικού μεταφοράς φωσφορικής ομάδας συνδέουν άμεσα την οξείδωση του άνθρακα με τη σύνθεση ATP Οξ. φωσφορυλιωση

21 2. Bαθμίδωση συγκέντρωσης ιόντων στις δύο πλευρές των μεμβρανών παρέχουν την κύρια μορφή ενέργειας, η οποία μπορεί να συζευχθεί με τη σύνθεση της ATP Οξειδωτική φωσφορυλίωση: Η σύνθεση >90% ATP αποδίδεται στις βαθμιδώσεις συγκέντρωσης πρωτονίων που παράγονται από την οξείδωση των καύσιμων οργανικών μορίων Σταδια εξαγ. ενεργειας 28 ΒΙΟΛ154 Σπηλιανάκης

22 Στάδια εξαγωγής ενέργειας από τα τρόφιμα Αποκοιδόμηση μακρομορίων, Οξείδωση των δομικών μονάδων (λιπ. οξέα, γλυκόζη, αμινοξέα) σε Ακετυλο-CoA. Παράγεται ATP, αλλά μικρή ποσότητα σε σχέση με εκείνη του επόμενου σταδίου. Κύριο στάδιο παράγωγής ATP. Κύκλος του Krebs και οξειδωτική φωσφορυλίωση. Ενεργοπ. φορέας

23 Οι μεταβολικές πορείες περιέχουν πολλά επαναλαμβανόμενα μοτίβα Η έννοια του ενεργοποιημένου φορέα Η χρήση ενεργοποιημένων φορέων είναι ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο στο μεταβολισμό. Πολλοί ενεργοποιημένοι φορείς είναι συνένζυμα. NADH Παράδειγμα: Ο δότης της φωσφορικής ομάδας σε αντιδράσεις φωσφορυλίωσης είναι η ΑΤΡ. Η ΑΤΡ είναι ένας ενεργοποιημένος φορέας φωσφορικών ομάδων διότι η μεταφορά φωσφορικών ομάδων από την ΑΤΡ στο υπόστρωμα είναι μια εξώεργη διεργασία!!!. Α + ΑΤΡ Α-Ρ + ΑDP με ΔG<0 (αθροισμα δυο αντιδράσεων)

24 Ενεργοποιημένοι φορείς ηλεκτρονίων: Κατα την οξείδωση καύσιμων μορίων, ηλεκτρόνια μεταφέρονται εν τέλει στο Ο 2 μέσω ενεργοποιημένων φορέων ηλεκτρονίων, πχ NADH Νικοτιναμιδο-αδενινο-δινουκλεοτίδιο (NAD + ). Κατά την οξείδωση ενός υποστρώματος, ο δακτύλιος νικοτιναμιδίου του NAD + δέχεται ένα Η + και δύο ηλεκτρόνια (ισοδύναμα με ένα υδρίδιο Η: ) και ανάγεται σε NADH. Στην αφυδρογόνωση, το ένα άτομο Η του υποστρώματος μεταφέρεται στο NAD +, ενώ το άλλο εμφανίζεται στο διάλυμα. Και τα δύο ηλεκτρόνια του υποστρώματος μεταφέρονται στο νικοτιναμίδιο. NADPH

25 NADPH, ενεργοποιημένος φορέας ηλεκτρονίων για την αναγωγική βιοσύνθεση μακρομορίων Κατά τη βιοσύνθεση των λιπαρών οξέων, η κετονική ομάδα μιας προστιθέμενης μονάδας δύο ατόμων άνθρακα ανάγεται σε μεθυλενική ομάδα σε αρκετά βήματα Στις περισσότερες αναγωγικές βιοσυνθέσεις ο δότης ηλεκτρονίων είναι το NADPH Φλαβινο-

26 Ενεργοποιημένοι φορείς ηλεκτρονίων για τη οξείδωση των καυσίμων: φλαβίνες CoA

27 CoA: Ενεργοποιημένος φορέας ακυλο-ομάδων Δομή CoA Οι ακυλικές ομάδες ενώνονται στο CoA με θειοεστερικούς δεσμούς μέσω της τελικής σουλφυδρυλικής ομάδα του.το παράγωγο ονομάζεται ακυλο-coa. Μια ακυλική ομάδα που ενώνεται συχνά με το CoA είναι η ακετυλική ομάδα, αυτό το παράγωγο ονομάζεται ακετυλο-coa. Η ΔG ʹ της υδρόλυσης του ακετυλο-coa έχει μεγάλη αρνητική τιμή (υψηλό δυναμικό μεταφοράς ακετυλομάδας) Πχ αμιδιδκος

28 Δημιουργία αμιδικού δεσμού μεταξύ αμινομάδας (-NH2) και ακετυλομάδας (CH3-C- ) με ενεργοιημένο δότη το Ακετυλο-CoA // O O O // // R-NH 2 + CH 3 -C - ΟΗ R NH C- CH 3 + Η 2 Ο ΔG>0 O // CH 3 -C - S-CoA + Η 2 Ο O // CH 3 -C - ΟΗ + HS-CoA ΔG<<0 O // R-NH 2 + CH 3 -C - S-CoA R NH C- CH 3 + HS-CoA O // με ΔG<0 (αθροισμα δυο αντιδράσεων) βιταμινες

29 Επαναλαμβ. αντιδρασεις

30 Βασικές αντιδράσεις που επαναλαμβάνονται σε όλο τον μεταβολισμό οξειδωαναγωγη

31 Βασικές αντιδράσεις: 1. Οξειδοαναγωγή Οι δύο αυτές αντιδράσεις οξειδοαναγωγής είναι συνιστώσες του κύκλου του κιτρικού οξέος (Κrebs), ο οποίος οξειδώνει πλήρως το Aκετυλο-CoA σε δύο μόρια CO2. συνδεση

32 Βασικές αντιδράσεις: 2. Aντιδράσεις σύνδεσης Σχηματισμός δεσμού άνθρακαάνθρακα (εξαρτάται από ΑΤΡ), για την ένωση μικρότερων μορίων. Το οξαλοξικό σχηματίζεται από πυροσταφυλικό και CO2. Το οξαλοξικό χρησιμοποιείται στον κύκλο του κιτρικού οξέος ή μετατρέπεται σε αμινοξέα, όπως το ασπαραγινικό οξύ. ισομερειωση

33 Βασικές αντιδράσεις: 3. Aντιδράσεις ισομερίωσης Αναδιατάσσουν συγκεκριμένα άτομα μέσα σε ένα μόριο. Η αντίδραση είναι συνιστώσα του κύκλου του κιτρικού οξέος. Η ισομερείωση αυτή προετοιμάζει το μόριο για την ακόλουθη οξείδωση και αποκαρβοξυλίωσή του. Μεταφορα ομαδας

34 Βασικές αντιδράσεις: 4. Aντιδράσεις μεταφοράς ομάδας Το πρώτο βήμα της γλυκόλυσης. Μια φωσφορική ομάδα μεταφέρεται από τον ενεργοποιημένο φορέα φωσφορικών ομάδων, την ΑΤΡ, στη γλυκόζη. Η αντίδραση αυτή παγιδεύει τη γλυκόζη μέσα στο κύτταρο και την οδηγεί στο επόμενο βήμα του καταβολισμού της (γλυκόλυση). υδρολυση

35 Βασικές αντιδράσεις: 5. Aντιδράσεις Υδρόλυσης Διασπούν δεσμούς με την προσθήκη νερού. Η υδρόλυση είναι κοινός τρόπος διάσπασης μεγάλων μορίων, είτε για να διευκολύνει περαιτέρω τον μεταβολισμό είτε για να ξαναχρησιμοποιήσει τα συστατικά για βιοσυνθετικούς σκοπούς. Οι πρωτεΐνες πέπτονται με υδρολυτική διάσπαση. Η αντίδραση δείχνει την υδρόλυση ενός πεπτιδίου για την παραγωγή δύο μικρότερων πεπτιδίων Διασπαση ανθρακα

36 Βασικές αντιδράσεις: 6. Aντιδράσεις διάσπασης δεσμών άνθρακα-άνθρακα Τα ένζυμα που καταλύουν αυτές τις αντιδράσεις ταξινομούνται ως λυάσες. Ένα σπουδαίο παράδειγμα, που φαίνεται στην παραπάνω αντίδραση, είναι η μετατροπή της 1,6-διφωσφορικής φρουκτόζης, με έξι άτομα άνθρακα, σε 2 τμήματα των τριών ατόμων άνθρακα: τη φωσφορική διυδροξυακετόνη και την 3-φωσφορική γλυκεραλδεΰδη. Ρυθμιση

37 Το πολύπλοκο δίκτυο των μεταβολικών αντιδράσεων πρέπει να ρυθμίζεται αυστηρά Οι μεταβολικές πορείες ρυθμίζονται με τρεις κύριους τρόπους 1. της ποσότητας των ενζύμων (κυρίως μεταγραφή) 2. της καταλυτικής δραστικότητάς τους (αντιστρεπτός αλλοστερικός έλεγχος, αντιστρεπτή ομοιοπολική τροποποίηση) 3. της ευκολίας προσέγγισης των υποστρωμάτων (υποκυτταρικά διαμερίσματα) 4. πολλές αντιδράσεις ελέγχονται από την ενεργειακή κατάσταση του κυττάρου (ενεργειακό φορτίο) 4

38