ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ (Lubert Stryer) · 2021. 3. 2. · BIO. Λ154 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ Ι. ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ (Lubert Stryer) Βασικές Αρχές Βιοχημείας (Lehninger)

BIOΛ154 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ ΙΒΙΟΧΗΜΕΙΑ (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 -ενέργεια

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 τροφοδότησηενέργειας 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 μόριa ξοδεύοντας ενέργεια.

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

Αναβολισμός

ΑΤΡ

Οι αντιδράσεις που οξειδώνουν καύσιμα/τροφές παράγοντας χημική ενέργεια ονομάζονται καταβολικές αντιδράσεις και συνιστούν συνολοκά τον καταβολισμό

(Βιοσύνθεση λιπών, πρωτεινών, νουκλεινικών οξέων κλπ)

Χημική ενέργεια + μικρά μόρια πολύπλοκα μόρια

(Αποκοδόμηση υδατανθράκων, λιπών, πρωτεινών κλπ)

Οι αντιδράσεις που ξοδεύουν ενέργεια ονομάζονται αναβολικές αντιδράσεις ή αναβολισμός και οδηγούν στη βιοσύνθεση πολύπλοκων δομών από απλούστερα δομικά μόρια.

Η ενέργεια που χρησιμοποιείται στις αναβολικές αντιδράσεις προσφέρεται από τις καταβολικές αντιδράσεις

Οι Αμφιβολικές μεταβολικές πορείες είναι είτε αναβολικές είτε καταβολικές, αναλόγως της ενεργειακής κατάστασης του κυττάρου (γλυκολυση/γλυκονεογένεση)

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 μετάλλωνΑδενίνηΡιβόζηΤρι-,δι-, μονοφωσφορική μονάδα

συξευξη

Η ATP είναι το «παγκόσμιο νόμισμα» ελεύθερης ενέργειας στα βιολογικά συστήματα. Παράγεται από καταβολικές αντιδράσεις και ξοδεύεται σε αναβολικές

αντιδράσεις.

Οι μεταβολικές πορείες αξιοποιούν τη σύζευξη ενζυμικά καταλυόμενων αντιδράσεων, έτσι ώστε η συνολική ελεύθερη

ενέργεια της πορείας να είναι <0 δηλ. 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

αθροισμα

Η Σύζευξη ενζυμικά καταλυόμενων αντιδράσεων με υδρόλυση ΑΤΡ εξασφαλίζει ότι η συνολική ελεύθερη ενέργεια της πορείας είναι <0

Η ΑΤΡ είναι ένας ενεργοποιημένος φορέας φωσφορικών ομάδων διότι η μεταφορά φωσφορικών ομάδων από την ΑΤΡ στο υπόστρωμα είναι μια εξώεργη διεργασία !!!.

Εστω η ενδόεργη αντίδραση:Α + Β -> Γ με ΔG>0Αν το αντιδρόν Α ενεργοποιηθεί με φωσφορυλίωση απο ΑΤΡ, τότε : Α + ΑΤΡ Α-Ρ + ΑDP με ΔG<<0 Και στη συνέχεια : Α-Ρ + Β -> Γ με ΔG<0 Επομένως η συνολική αντίδραση: Α + Β + ΑΤΡ -> Γ + ΑDP συντελείται με ΔG<0 (αθροισμα δυο αντιδράσεων)

Η ενεργοποίηση αντιδρόντων με υδρόλυση ΑΤΡ είναι ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο στο μεταβολισμό.

Δομες συντονισμου

Τι κάνει την ATP αποτελεσματικό δότη φωσφορικής ομάδας ?

1. Σταθεροποίηση δομών συντονισμού: Το ADP και το Pi έχουν μεγαλύτερη σταθερότητα συντονισμού)

απωση

2. Ηλεκτροστατική άπωσηΗ τριφωσφορική μονάδα της ATP

φέρει 4 αρνητικά φορτία που απωθούν το ένα το άλλο. Η άπωση ελαττώνεται όταν

υδρολύεται η ATP

Δυναμικο μεταφορας

3. Eνυδάτωση

Το νερό προσδένει ADP και Pi πιο αποτελεσματικά από ότι το μέρος του φωσφορικού ανυδρίτη της ATPσταθεροποιώντας με ενυδάτωση την ADP και το Pi

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 και χρησιμοποιούνται για να προωθήσουν τη σύνθεση της ATP

• φωσφο-ενολοπυροσταφυλικό (PEP)• φωσφορική κρεατίνη• 1,3-διφωσφογλυκερικό (1,3-BPG)

ενδιαμεσα

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

οξειδωση

σταδια

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

Στάδια εξαγωγής ενέργειας από τα τρόφιμα

Αποκοιδόμηση μακρομορίων και 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 ATPείναι ο Κύκλος του Krebs και οξειδωτική φωσφορυλίωση.

Ο2 αποδεκτης

Το O2 είναι ο βασικός δέκτης ηλεκτρονίων κατά την οξείδωση του άνθρακα, και το τελικό 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 ιόντωνστις δύο πλευρές της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβάνης παρέχουν την κύρια μορφή ενέργειας, που συζεύγνυται με τη σύνθεση της ATP

28 ΒΙΟΛ154 ΣπηλιανάκηςΣταδια εξαγ. ενεργειας

Οξειδωτική φωσφορυλίωση:Η σύνθεση >90% ATP αποδίδεται στις βαθμιδώσεις συγκέντρωσης πρωτονίων που παράγονται από την οξείδωση των καύσιμων οργανικών μορίων

Στάδια εξαγωγής ενέργειας από τα τρόφιμα

Αποκοιδόμηση μακρομορίων και 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 ATPείναι ο Κύκλος του Krebs και οξειδωτική φωσφορυλίωση.

Επαναλαμβαν. μοτιβα

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 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

Συνένζυμο Α (CoA): φορέας ακυλο-ομάδων

Πχ αμιδιδκος

Οι ακυλικές ομάδες ενώνονται στο CoA με θειοεστερικό δεσμό μέσω της τελικής σουλφυδρυλικής ομάδας του.Το παράγωγο ονομάζεται ακυλο-CoA. Στην περίπτωση της ακετυλικής ομάδας το παράγωγο ονομάζεται ακετυλο-CoA.

Δομή CoA

Η ΔG°ʹ της υδρόλυσης του ακετυλο-CoA έχει μεγάλη αρνητική τιμή (υψηλό δυναμικό μεταφοράς ακετυλομάδας)

Ακετυλίωση αμινομάδας (-NH2) και με ενεργοποιημένο δότη ακετυλομάδας (CH3-C- ) το Ακετυλο-CoA

βιταμινες

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

CH3 -C - ΟΗ R-NH2 + R – NH – C- CH3 + Η2Ο

CH3-C - S-CoA + Η2Ο CH3 -C - ΟΗ + HS-CoA

με ΔG<0 (αθροισμα δυο αντιδράσεων)

ΔG<<0

ΔG>0

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

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

3. Aντιδράσεις ισομερίωσης

Αναδιατάσσουν συγκεκριμένα άτομα μέσα σε ένα μόριο.

Η παραπάνω αντίδραση είναι συνιστώσα του κύκλου του κιτρικού οξέος. Η ισομερείωση αυτή προετοιμάζει το μόριο για την ακόλουθη οξείδωση και αποκαρβοξυλίωσή του.

υδρολυση

4. Aντιδράσεις μεταφοράς ομάδας

Πχ 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

5. Aντιδράσεις Υδρόλυσης

Διασπούν δεσμούς με την προσθήκη νερού. Η υδρόλυση είναι κοινός τρόπος διάσπασης (αποικοδόμησης) μεγάλων μορίων. Τα συστατικά που προκύπτουν είτε καταβολίζονται περαιτέρω, είτε ξαναχρησιμοποιούνται για βιοσυνθετικούς σκοπούς.

Πχ υδρολυτική διάσπαση πεπτιδικών δεσμών.

Ρυθμιση

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. H ποσότητας των ενζύμων (κυρίως μεταγραφή)

2. H καταλυτική δραστικότητά τους (αντιστρεπτός αλλοστερικόςέλεγχος, αντιστρεπτή ομοιοπολική τροποποίηση)

3. H ευκολία προσέγγισης των υποστρωμάτων (υποκυτταρικάδιαμερίσματα)

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