BIOΛ154 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ Ι

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ (Lubert Stryer)

Βασικές Αρχές Βιοχημείας (Lehninger)

Κεφ. 15

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 πολλάεπαναλαμβανόμενα μοτίβα και ρυθμίζονται με ακρίβεια

ερωτηματα

Δύο βασικά ερωτήματα της Βιοχημείας

1. Με ποιο τρόπο το κύτταρο αντλεί ενέργεια από τοπεριβάλλον του;

2. Με ποιον τρόπο συνθέτει τις δομικές μονάδες τωνμακρομορίων του και στη συνέχεια αυτά τα ίδια ταμακρομόρια;

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ

ενεργεια

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

συζευγμενες

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.

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

Ανα κατα

Μεταβολισμός είναι το σύνολο των αντιδράσεων που παράγουνενέργεια αποδομόντας σύνθετα μόρια και των αντιδράσεων που

συνθέτουν πολύπλοκα μόριοα ξοδεύουν ενέργεια.....

Καύσιμα (υδατάνθρακες, λίπη) CO2 + H2O + χημική ενέργειαΚαταβολισμός

Αναβολισμός

ΑΤΡ

Οι αντιδράσεις εκείνες που οξειδώνουν καύσιμα/τροφές παράγοντας χημική ενέργεια ονομάζονται καταβολικές αντιδράσεις ή πιο γενικά, καταβολισμός

(Βιοσύνθεση λιπών, πρωτεινών, νουκλεινικών οξέων κλπ)

Χημική ενέργεια + μικρά μόρια πολύπλοκα μόρια

(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.

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)

Η ATP είναι το «παγκόσμιο νόμισμα» ελεύθερης ενέργειας

στα βιολογικά συστήματα

Δεσμοί φωσφορικού

ανυδρίτη

Η ακριβής τιμή της ΔGo΄ εξαρτάται από τη ιοντική ισχύ του μέσου και από τις συγκεντρώσεις των ιόντων Mg2+

και άλλων ιόντων μετάλλων

ΑδενίνηΡιβόζηΤρι-,δι-, μονοφωσφορική μονάδα συξευξη

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 ΔGo΄= +5 kcal mol-1 (+21 kj mol-1)

B Δ ΔGo΄= -8 kcal mol-1 (-34 kj mol-1)

Α Γ + Δ ΔGo΄= -3 kcal mol-1 (-13 kj mol-1)

“Μια αντίδραση θερμοδυναμικά ευνοούμενη είναι δυνατόν να ωθήσει μια

αντίδραση θερμοδυναμικά μη ευνοούμενη, με την οποία είναι

συζευγμένη”

Η ολική μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας για μια σειρά χημικά

συζευγμένων αντιδράσεων ισούται με το άθροισμα των επιμέρους

μεταβολών ελεύθερης ενέργειας

μαγνησιο

Η ενεργός μορφή της ATP είναι συνήθως ένα σύμπλοκο με

Mg2+ ή Mn2+

Καλος δοτης

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

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

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

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

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)

ενδιαμεσα

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, δίνειμια φωσφορική ομάδα σε άλλα βιομόρια για να διευκολύνει τον μεταβολισμό τους.

Η ενδιάμεση θέση της ATP δίνει τη δυνατότητα να λειτουργεί

αποτελεσματικά ως φορέας φωσφορικών ομάδων

οξειδωση

Δεκτης Ο2

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 ανάπαυσηκαταναλώνει 40 Kg ATP σε 24 ώρες,

Και 0.5 Kg σε 1 λεπτό σε καταπόνηση (Τρέξιμο 2 ωρών—60Kg ATP)

Η οξείδωση των καύσιμων οργανικών μορίων είναι η πηγή

κυτταρικής ενέργειας

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

Καύσιμα πρώτης γραμμής για παραγωγή ένέργειαςin vivo

Παραγωγη ΑΤΡ

άνθρακας πιο ανηγμένος

Το τελικό αποτέλεσμα της οξείδωσης είναι ο σχηματισμός ΑΤΡ

<<<άνθρακας λιγότερο ανηγμένος

Πως η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την οξείδωση ενώσεωνάνθρακα μετατρέπεται σε ATP ??

1. Ενώσεις με υψηλού δυναμικού μεταφοράς φωσφορικής ομάδαςσυνδέουν άμεσα την οξείδωση του άνθρακα με τη σύνθεση ATP

Οξ. φωσφορυλιωση

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% ATPαποδίδεται στις βαθμιδώσεις συγκέντρωσης πρωτονίων που παράγονται από την οξείδωση των καύσιμων οργανικών μορίων

28 ΒΙΟΛ154 ΣπηλιανάκηςΣταδια εξαγ. ενεργειας

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

Οι μεταβολικές πορείες περιέχουν πολλά επαναλαμβανόμενα μοτίβα

Η έννοια του ενεργοποιημένου φορέα

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)

Η χρήση ενεργοποιημένων φορέων είναι ένα επαναλαμβα-νόμενο μοτίβο στο μεταβολισμό.Πολλοί ενεργοποιημένοι φορείς είναι συνένζυμα.

NADH

NADPH

Ενεργοποιημένοι φορείς ηλεκτρονίων: Κατα την οξείδωση καύσιμων μορίων, ηλεκτρόνια μεταφέρονται εν τέλει στο Ο2 μέσω ενεργοποιημένων φορέων ηλεκτρονίων, πχ NADH

Νικοτιναμιδο-αδενινο-δινου-κλεοτίδιο (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 ηλεκτρό-νια του υποστρώματος μετα-φέρονται στο νικοτιναμίδιο.

NADPH, ενεργοποιημένος φορέας ηλεκτρονίων για την αναγωγικήβιοσύνθεση μακρομορίων

Κατά τη βιοσύνθεση των λιπαρών οξέων, η κετονική ομάδα μιας προστιθέμενηςμονάδας δύο ατόμων άνθρακα ανάγεται σε μεθυλενική ομάδα σε αρκετάβήματα

Φλαβινο-

Στις περισσότερες αναγωγικές βιοσυνθέσεις ο δότης ηλεκτρονίων είναι το NADPH

Ενεργοποιημένοι φορείς ηλεκτρονίων για τη οξείδωση των καυσίμων:

φλαβίνες

CoA

CoA: Ενεργοποιημένος φορέας ακυλο-ομάδων

Πχ αμιδιδκος

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)

Δομή CoA

Δημιουργία αμιδικού δεσμού μεταξύ αμινομάδας (-NH2) και ακετυλομάδας (CH3-C- ) με ενεργοιημένο δότη το Ακετυλο-CoA

//

O

//O

R-NH2 + CH3-C - S-CoA R – NH – C- CH3 + HS-CoA//O

//O

CH3 -C - ΟΗ R-NH2 + R – NH – C- CH3

//O

+ Η2Ο

CH3-C - S-CoA//O

+ Η2Ο

//O

CH3 -C - ΟΗ + HS-CoA

με ΔG<0 (αθροισμα δυο αντιδράσεων)

ΔG<<0

ΔG>0

βιταμινες

Επαναλαμβ. αντιδρασεις

Βασικές αντιδράσεις που επαναλαμβάνονται σε όλο τον μεταβολισμό

οξειδωαναγωγη

συνδεση

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.

ισομερειωση

Βασικές αντιδράσεις: 2. Aντιδράσεις σύνδεσης

Σχηματισμός δεσμού άνθρακα-άνθρακα (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.

Μεταφορα ομαδας

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.

υδρολυση

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).

Διασπαση ανθρακα

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

Ρυθμιση

Βασικές αντιδράσεις: 6. Aντιδράσεις διάσπασης δεσμών άνθρακα-άνθρακα

Τα ένζυμα που καταλύουν αυτές τις αντιδράσεις ταξινομούνται ωςλυάσες. 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.

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 αλλοστερικόςέλεγχος, αντιστρεπτή ομοιοπολική τροποποίηση)

3. της ευκολίας προσέγγισης των υποστρωμάτων (υποκυτταρικάδιαμερίσματα)

4. πολλές αντιδράσεις ελέγχονται από την ενεργειακή κατάσταση του κυττάρου (ενεργειακό φορτίο)

4