Wykład 4

1. Wykład 4 2. Białka - struktura i funkcje 2.1. Enzymy http://www.chem.uw.edu.pl/people/AMyslinski/cw13/enzymy.html

2. Reakcje są odwracalne. Niektóre z nich mogą być przeprowadzone na sposób nieodwracalny. Przykład typowej reakcji odwracalnej to dysocjacja słabego kwasu octowego. W reakcji tej zachodzi rozpad cząsteczek na jony (strzałka ze strony lewej na prawą) i odtworzenie niezdysocjowanych cząsteczek kwasu (strzałka ze strony prawej na lewą)

3. Przykładem reakcji prowadzonej na sposób nieodwracalny jest rozpuszczanie skały wapiennej w kwaśnym środowisku. Produktem reakcji jest ditlenek węgla, który opuszcza środowisko reakcji co uniemożliwia przebieg reakcji powrotnej.

4. Reakcja chemiczna (przemiana biochemiczna) z lewej strony na prawą, czyli przemiana A w B może przebiegać spontanicznie, jeśli energia swobodna stanu końcowego jest niższa od energii swobodnej stanu początkowego:

5. Pomiędzy stanem początkowym a końcowym jest jednak bariera energetyczna. Aby przemiana zaszła, konieczne jest jej pokonanie.Oznacza to, że substrat A musi uzyskać taką energię, żeby ją przekroczyć. Stan energii, która jest do tego potrzebna nazywa się energią aktywacji. Wówczas substrat A jest w stanie przejściowym (transition state). Energia aktywacji oznaczona jest na rysunku symbolem Ea.

6. Reakcje zachodzą wolniej w niskiej temperaturze, bo mała ilość cząsteczek osiąga energię stanu przejściowego. W temperaturach podwyższonych reakcje zachodzą więc szybciej. Niektóre reakcje wymagałyby bardzo wysokich temperatur do osiągnięcia energii stanu przejściowego. W warunkach naturalnych byłoby to niemożliwe. Reakcje te jednak zachodzą, bo wykorzystują inną drogę od A do B. W reakcjach tych bierze udział jeszcze inna cząsteczka, która „na chwilę” łączy się z substratem i obniża jego energię aktywacji tak, że większa ilość cząsteczek A ulega przemianie w B. Ten czynnik ułatwiający przebieg przemiany A w B nazywamy katalizatorem. Energia aktywacji reakcji katalizowanej jest NIŻSZA niż energia reakcji niekatalizowanej. Obrazuje to poniższy rysunek:

8. Katalizatorami reakcji zachodzących w komórkach organizmów żywych są ENZYMY. To katalizatory biochemiczne. Są to katalizatory bardzo efektywne. Przykładem najbardziej wydajnego katalizatora, który przyspiesza reakcję 10 milionów razy (107) jest anhydraza węglanowa. Reakcja jest prosta: Reakcja niekatalizowana jest powolna. Powstający w wyniku przemiany glukozy ditlenek węgla jest gazem. Anhydraza węglanowa przetwarza go w postać anionu wodorowęglanowgo i ten jest transportowany z krwią do płuc, gdzie zachodzi z powrotem jego przemiana w gazowy ditlenek węgla, który jest wydychany.

9. Enzymy mają charakter białek. Są to zwykle duże polipeptydy, zawierające w sekwencji ponad 100 aminokwasów. W stanie aktywnym takie białko – katalizator, czyli enzym ma tylko jedną, określoną strukturę przestrzenną (opisuje ją konformacja łańcucha głównego polipeptydu). Miejsce wiązania substratu nazywa się miejscem aktywnym. Do tego miejsca aktywnego dopasowany jest zwykle tylko jeden, określony substrat. Ta cecha nazywa się specyficznością substratową enzymu. Po związaniu substratu do enzymu powstaje tzw. kompleks substrat-enzym.

11. Substrat związany w taki kompleks ulega przemianie w produkt. Na następnym rysunku pokazana jest sytuacja szeregu przemian substratu A w produkt B (katalizowana przez pierwszy enzym), następnie produkt tej reakcji jest przetwarzany przez inny enzym w C, a ten w szeregu dalszych reakcji w D, potem w E, F i G. Jeśli wyobrazimy sobie, że chodzi tutaj o przemianę glukozy (głównego źródła energii dostępnego w pożywieniu), to końcowym produktem jest wysokoenergetyczny adenozynotrifosforan (ATP). Organizm nie potrzebuje więcej energii, więc będzie się starał nie przekształcać więcej glukozy. Ostateczny produkt BLOKUJE więc jeden z enzymów w szeregu, aby uniemożliwić przetwarzanie glukozy. Nazywa się to sprzężeniem ujemnym (negative feedback) i jest powszechną strategią w katabolizmie. Produkt G wiąże się allosterycznie do enzymu na etapie przemiany C w D.

13. Enzymy są białkami. Strukturę enzymu opisuje się podając sekwencję aminokwasów (struktura I-rzędowa), opisując konformację łańcucha głównego (struktura II-rzędowa), podając wiązania disiarczkowe (Cys-Cys, struktura III-rzędowa) i wreszcie podając z ilu podjednostek składa się aktywna postać enzymu (struktura IV-rzędowa). Przykład: GlyGlyHisAlaAspTyrPheProGlyGlyAlaProCysAlaArgAlaCys…

17. Enzymy są zgrupowane wg funkcji w pięciu kategoriach wg Enzyme Commision number (EC) (http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/): oksydoreduktazy transferazy hydrolazy liazy izomerazy ligazy

18. EC1.x.x.x. Oksydoreduktazy Do oksydoreduktaz należą dehydrogenazy, oksydazy i reduktazy. W działaniu na substraty przenoszą elektrony współdziałając z kofaktorami i koenzymami.

19. Formalny stopień utlenienia: Dwa pierwiastki są połączone wiązaniami (w metanie – CH4 są nimi węgiel i wodór). Pierwiastki te różnią się tendencją do przyciągania elektronów wiązań. Cecha ta nazywa się elektroujemnością. Elektroujemność jest wyrażana w liczbach w skali od 0 do +4. Elektroujemność węgla wynosi 2.6, tlenu; 3.4, wodoru; 2.2. Wiązanie w związku (tu – metan) traktuje się jako całkowicie jonowe. Wtedy każde wiązanie C-H jest tak spolaryzowane, że na węglu jest ładunek -1 a na wodorze - +1. Ponieważ są cztery takie wiązania, więc sumarycznie formalny stopień utlenienia węgla w metanie wynosi -4.

20. W metanolu – CH3OH są trzy pierwiastki połączone ze sobą. Wiązanie O-H jest spolaryzowane tak, że ładunek od wodoru jest +1, a ładunek na tlenie jest -1. Z kolei wiązanie C-O jest spolaryzowane tak, że ładunek na tlenie jest -1, a ładunek na węglu jest +1. Pozostałe wiązania, tj wiązania C-H są spolaryzowane tak, jak w metanie, czyli na każdy atom wodoru przypada ładunek +1 a na atom węgla -1. Sumarycznie na atomie węgla jest ładunek -2. To oznacza, że atom węgla w metanolu ma wyższy stopień utlenienia (formalnie ma mniej elektronów).

21. Rozpatrzmy 3 związki, które można otrzymać jeden z drugiego w reakcjach utleniania (w ciągu reakcji z lewej strony na prawą) lub redukcji (ze strony prawej na lewą): Formalny stopień utleniania atomu węgla zmienia się w trakcie reakcji utleniania alkoholu do aldehydu i aldehydu do kwasu: od (-1) dla alkoholu, przez (+1) dla aldehydu do (+3) dla kwasu

22. Najwyższym stopniem utlenienia węgla jest +4. Węgiel występuje na stopniu utlenienia +4 w ditlenku węgla: CO2. CO2 jest ostatecznym produktem rozkładu związków organicznych przez organizm żywy, który ma zdolność rozkładu wielowęglowych związków (np. glukozy) aż do CO2. Energia wiązań C-C jest wówczas uwolniona i wykorzystywana w procesach życiowych do syntez nowych związków, do wzrostu organizmu i do jego funkcjonowania. Procesy rozkładu są wieloetapowymi kaskadami reakcji. Każda z reakcji jest katalizowana przez jakiś enzym lub zespół enzymów. Przykładem jednego etapu jest utlenienie etanolu do aldehydu octowego:

23. Przykład: Dehydrogenaza alkoholowa http://www.biotechnolog.pl/molekula-9.htm Dehydrogenaza alkoholowa katalizuje powyższą przemianę w obu kierunkach. W miejscu aktywnym enzymu znajduje się jon cynku Zn2+. W procesie utlenienia alkoholu do aldehydu uczestniczy jeszcze koenzym (kofaktor), którym jest dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy NAD. Schemat jego przemiany jest przedstawiony na następnym przezroczu.

26. Przykład drugi: Dysmutaza ponadtlenkowa http://www.chem.uw.edu.pl/people/AMyslinski/Litwin/Autooksyd5.pdf

27. Tlen cząsteczkowy jest dostępny w atmosferze w postaci O2. Jest to podstawowy reagent, który jest używany przez komórkę do utleniania substratów (przez utlenianie rozumie się odbieranie elektronów). To odbieranie elektronów można najprościej przedstawić schematem reakcji: Proces ten jest jednak wieloetapowy, a po drodze powstaje wiele form (postaci) tlenu, które są toksyczne. Te toksyczne postaci tlenu są rozkładane przez enzymy – oksydoreduktazy. Oto one:

36. Inne oksydoreduktazy: peroksydazy katalazy i inne

46. H2O