Serwisy internetowe Uniwersytetu Warszawskiego Nie jesteś zalogowany | zaloguj się


Biochemia D/Wykład 2

Witamy na wiki Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego

< Biochemia D(Przekierowano z Biochemia/Wykład 2)

Spis treści

Związki wysokoenergetyczne

związki wysokoenergetyczne
związki bogate w energię
np. ATP
np. glukoza
Energia w nich zawarta,

żeby mogła być wykorzystana, musi zostać przekształcona w energię wiązań związków wysokoenergetycznych.

Najważniejszym związkiem wysokoenergetycznym jest ATP, który pełni centralną funkcję w metabolizmie związków wysokoenergetycznych. ATP i inne związki wysokoenergetyczne są powiązane metabolicznie, np.:

1. kreatyna + ATP → fosfokreatyna + ADP

2)
3-fosfoglicerynian + ATP
glukoneogeneza
glikoliza
1,3-bisfosfoglicerynian + ADP

UWAGA:

W pH fizjologicznym (pH=7) praktycznie wszystkie kwasy występują w postaci anionów, dlatego w biochemii mówimy np. o fosfoglicerynianie, a nie kwasie forsfoglicerynowym. Z kwasem mamy do czynienia tylko w butelce na stole laboratoryjnym.

Ładunek energetyczny komórki:

Z wzoru tego wynika, że wartość ładunku energetycznego komórki może wahać się od 0 (tylko AMP) do 1 (tylko ATP) (czyli: 0 ≤ Ładunek energetyczny ≤ 1). Jednak w żywej komórce wartość ta nie może wynosić 0. W rzeczywistości wartość ładunku energetycznego komórki mieści się w granicach 0.80 ~ 0.95, co oznacza, że większość nukleotydofosforanów występuje w postaci ATP.

Źródła ATP w komórkach

1. Fosforylacja substratowa: przeniesienie na ADP reszty fosforanowej z wysokoenergetycznego metabolitu komórkowego. Zachodzi praktycznie u wszystkich organizmów, u heterotrofów beztlenowych stanowi jedyne źródło ATP.

fosfocaolopirogonian + ADP pirogronian + ATP

1,3-bisfosfoglicerynian + ADP 3-fosfopirogronian + ATP

(reakcje glikolizy)

2. Fosforylacja oksydacyjna: synteza ATP z ADP i reszty fosforanowej związana z utlenianiem różnych zredukowanych metabolitów przy udziale tzw. łańcucha oddechowego i wykorzystaniem O2 atmosferycznego jako końcowego akceptora elektronów. U organizmów tlenowych stanowi główne źródło ATP.

3. Fotofosforylacja: synteza ATP z ADP i reszty fosforanowej zachodząca na koszt energii świetlnej przy udziale tzw. fotosyntetycznego łańcucha transportu elektronów. Charakterystyczna dla fotoautotrofów na świetle. (Rośliny wyższe na świetle uzyskują ATP na drodze fotofosforylacji, a w ciemności na drodze fosforylacji substratowej lub oksydacyjnej.)

4. Fosforylacja związana z utlenianiem prostych substancji nieorganicznych. Występuje u mikroorganizmów zaliczanych do chemoautotrofów.

Najważniejszym źródłem ATP dla organizmów tlenowych, w tym człowieka, jest fosforylacja oksydacyjna związana z oddychaniem komórkowym.

Oddychanie komórkowe

1. AH2 + 1/2 O2 A + H2O + energia swobodna
utlenianie
2. ADP + Pi + energia swobodna ATP + H2O
fosforylacja oksydacyjna

Zredukowany organiczny metabolit komórkowy (AH2) jest utleniany O2 atmosferycznym, w wyniku czego powstaje utleniona forma tego metabolitu (A) oraz H2O (z redukcji tlenu). Procesowi temu towarzyszy wyzwolenie znacznych ilości energii swobodnej, która jest następnie wykorzystywana w procesie fosforylacji oksydacyjnej do syntezy wiązań wysokoenergetycznych ATP. Z ADP i fosforu nieorganicznego (Pi) powstaje ATP i jeszcze jedna cząsteczka H2O. (W sumie powstają 2 cząsteczki H2O.)

Utlenianie / TRANSPORT ELEKTRONÓW NA O2

Faza I

Utlenienie zredukowanego związku organicznego z przeniesieniem elektronów na NADH lub FADH2 katalizowane przez dehydrogenazy.

U eukariotów w matriks mitochondrialnej oraz częściowo w cytoplazmie, u prokariotów w cytoplazmie. (Są to siedliska dehydrogenaz.)

a) Od zredukowanego związku organicznego (AH2) zostają oderwane 2 e- i 2 H+, w wyniku czego powstaje utleniona postać tego metabolitu oraz NADH, a jeden H+ zostaje uwolniony do środowiska. Reakcję tę katalizują dehydrogenazy zależne od NAD+.

dehydrogenaza
zależna od NAD+
AH2 + NAD+
→→→→→→→→→→→ A + NADH + H+

Mechaznizm:

Patrz Stryer, obrazek 14-9

NADH jest potężnym reduktorem wykorzystywanym w biosyntezach. Przeprowadza reakcje typu:

Image:DehydrogenazaNADH.jpg

Pochodną NADH obecną między innymi w szlaku pentozo-fosforanowym jest NADPH.

NADPH
NADPH

b) W reakcji katalizowanej przez dehydrogenazy zależne od FAD cząsteczka FAD przejmuje 2 e- i 2 H+ ze zredukowanego związku organicznego, w wyniku czego powstaje zredukowana jego forma  FADH2 oraz utleniona postać tego matabolitu.

dehydrogenaza
zależna od FAD
AH2 + FAD
A + FADH2

FAD = dinukleotyd flawinoadeninowy

FAD
FAD

FADH2 w inny sposób niż NADH jest wykorzystywany do redukcji w biosyntezach.

Pochodną FAD występującą w układach z białkami (ze względu na możliwość pobierania od nich elektronów) jest FMN:

FNM
FNM

Faza II

Przeniesienie elektronów z NADH lub FADH2 na O2 przy udziale tzw. łańcucha oddechowego

U eukariotów w wewnętrzej błonie mitochondrialnej, u prokariotów w błonie komórkowej.

FUNKCJONOWANIE ŁAŃCUCHA ODDECHOWEGO

polega na szeregu kolejno następujących po sobie reakcji redoks (utleniania-redukcji).

BIOLOGICZNE REAKCJE REDOKS

Autl + Bzred →Azred + Butl

Kiedy taka reakcja może zajść spontanicznie → Mówi o tym...

E0 = potencjał redoks → charakteryzuje zdolność danej substancji do ulegania utlenianiu/redukcji

E0< 0  → substancja chętnie oddaje elektrony, utlenia się, jest reduktorem

E0 > 0 → substancja chętnie przyjmuje elektrony, redukuje się, jest utleniaczem

Reakcja może zajść spontanicznie, jeżeli reduktor ma niższy E0 niż utleniacz.

Funkcjonowanie łańcucha oddechowego polega na tym, że z cząsteczek NADH lub FADH2 następuje przeniesienie elektronów na O2 atmosferyczny. W tym przypadku utleniaczem jest O2 (wysoki E0), a reduktorem NADH lub FADH2 (ujemny E0).

W jaki sposób wyznaczyć E0? Należy zbudować właściwe ogniwo.

E0' = biologiczny potencjał redox (pH 7, 25?C)

E0' dla elektrody wodorowej = -0.413V

E0' dla NADH+H+/NAD+ = -0.32V

E0' dla H2O/ 1/2O2+2H+ = +0.82V

Związek pomiędzy różnicą potencjałów redoks reagentów a zmianą wzorcowej energii swobodnej:

ΔG0' = - n F ΔE0'
F = stała Faradaya = 96.5 kJ x V-1 x mol-1
n = liczba moli elektronów na mol reagującej substancji
Np.: NADH + H+ + 1/2 O2 -> H2O + NAD+
Jeśli

oraz

to

więc

E0' dla NADH+H+/NAD+ = -0.32V

E0' dla H2O/ 1/2O2+2H+ = +0.82V

ΔE0

= +0.82V ? (-0.32V) = +1.14V

ΔG0' = -2 mol x mol-1 x 96.5 kJ x V-1 x mol-1 x 1.44 V = -220 kJ/mol

Utlenienie 1 mola NADH tlenem atmosferycznym prowadzi do uwolnienia energii 220 kJ/mol.

Gdybyśmy porównali to z ΔG0' dla ATP, wyszłoby, że 1 NADH = 7 ATP, ale w rzeczywistości wydajność jest dużo mniejsza (wynosi ok. 40%) i NADH = 2.5 ATP.

Struktura mitochondrialnego łańcucha oddechowego

W łańcuchu oddechowym, zlokalizowanym u eukariotów w wewnętrznej błonie mitochondrialnej, występują 4 kompleksy enzymatyczno-białkowe, określane kolejnymi numerami (kompleks 1, 2, 3 i 4), które działają w określonej kolejności.

1. Reduktaza NADH/UQ

H+
2 H+
NADH
[FMN-B] 
2 [FeS-B] 
UQH2
2 H+
B = białko, FeS = żelazosiarczki, UQ = ubichinon = CoQ

NADH oddaje e-y na FMN-B, w wyniku czego powstaje FMNH2-B. Ponieważ NADH dostarcza 1 H+, a do powstania FMNH2 potrzebne są 2, 1 musi zostać pobrany ze środowiska. Z FMF e-y przekazywane są na FeS-B. Białko to przyjmuje tylko elektrony, dlatego 2 H+ są uwalniane do środowiska. Elektrony z tego białka przekazywane są na ubichinon, inaczej koenzym Q. Redukcja ubichinonu do ubihydrochinonu, czyli ubichinolu, wymaga oprócz 2 elektronów także przyłączenia 2 H+ pochodzących ze środowiska.

Ubichinon

2. Reduktaza FADH2/UQ

2 H+
FADH2
[FeS-B] → UQH2
2 H+

3. Reduktaza cytochromowa

UQH2
2 H+
2 cyt b 2 cyt c1 2 cyt c

Cytochromy ? dosłownie: barwniki komórkowe; drobnocząsteczkowe białka, zawierające jako grupę prostetyczną układ hemowy z Fe, które może zmieniać wartościowość z 2+ na 3+ i odwrotnie.

Ponieważ układy hemowe mają charakter chromoforowy, białka te są barwne, pomarańczowo-czerwone, a że różne cytochromy mają nieco inne układy hemowe oraz część białkową, maja różne widma absorbcyjne i na tym opiera się ich podział.

Struktura hemowa (cyt c)

4. Oksydaza cytochromowa

2 cyt c 2 cyt a 2 cyt a3 → 2 [Cu-B] ->(+2 H+ ) O2

Cu może zmieniać stopień utlenienia z +1 na +2 i odwrotnie.

Aby powstała cząsteczka H2O oprócz elektronów potrzebne są 2 H+ ze środowiska.

FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA

W jaki sposób reakcje te są sprzężone? W jaki sposób energia swobodna uzyskana z utleniania zredukowanych związków organicznych może być wykorzystana do syntezy ATP?

Hipotezy historyczne:

  • Hipoteza sprzężenia chemicznego
  • Hipoteza sprzężenia konformacyjnego

Ogólny mechanizm fosforylacji oksydacyjnej: Gdy elektron o wysokiej energii przechodzi wzdłuż łańcucha transportu elektronów, część uwalnianej energii zostaje użyta do pompowania H+ z matriks przez trzy kompleksy enzymów oddechowych. Powstały w poprzek wewnętrznej błony elektrochemiczny gradient protonowy kieruje H+ z powrotem poprzez syntazę ATP, transbłonowy kompleks białkowy, który energię przepływu H+ użyta w matriks do syntezy ATP z ADP i Pi


TEORIA SPRZĘŻENIA CHEMICZNO-OSMOTYCZNEGO

TEORIA CHEMIOSMOTYCZNA (1961, Nagroda Nobla w 1978)

  1. W wyniku szczególnego przestrzennego uorganizowania przenośników elektronów w błonie mitochondrialnej następuje ?pompowanie? protonów z matriks mitochondrialnej do przestrzeni międzybłonowej ? następuje względna alkalizacja matriks mitochondrialnej i względne zakwaszenie przestrzeni miedzybłonowej.
  2. Wewnętrzna błona mitochondrialna jest zasadniczo nieprzepuszczalna dla protonów. Powstająca różnica stężenia H+ między matriks a przestrzenią międzybłonową powoduje powstanie tzw. potencjału błonowego, który jest formą energetycznie bogatą. Dwa składniki elektrochemicznego gradientu protonowego wytworzonego w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej. Całkowity gradient elektrochemiczny H+ istniejący w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej składa się z dużej siły wynikającej z potencjału błonowego i mniejszej siły wynikającej z gradientu stężeń H+. Obie siły razem tworzą całkowitą siłę protonomotoryczną, która wywiera presję na powrót H+ do matriks.
  3. ATP powstaje z ADP i Pi na koszt tego potencjału.
  4. Za syntezę ATP odpowiada specyficzny enzym występujący w błonie mitochondrialnej, tzw. F0F1-ATP-aza (syntaza ATP)
  5. Część F0 tego białka (zbudowana z 3 rodzajów łańcuchów polipeptydowych, wbudowana w wewnętrzną błone mitochondrialną) stanowi kanał protonowy, a część F1 (zwrócona do matriks mitochondrialnej) katalizuje syntezę ATP na koszt wyrównania potencjału międzybłonowego.
  6. Po wyizolowaniu enzym ten jest zdolny do hydrolizy ATP do ADP i P i, dlatego dawniej nazywano go F0F1-ATP-azą. Jednak w warunkach biologicznych jest on zdolny do syntezy ATP z ADP i Pi, dlatego dzisiaj nazywa się do syntazą ATP. Nazwa ATP-aza może być w tym przypadku myląca.
osobiste