Dzīvības ķīmija

1. Dzīvības ķīmija 5. lekcija Metabolisma pamatprincipi Enzīmi

2. Organismi ir ķīmiskās fabrikas

3. Metabolisms = Šūnas ķīmisko reakciju kopums No grieķu valodas μεταβολή (metabole), «mainīt» Vielu aprite - makromolekulu, to sastāvdaļu un citu šūnas vielu biosintēze un noārdīšanās Enerģijas aprite – ķīmiskās enerģijas ieguve un izmantošana šūnas dzīvības norisēm Informācijas aprite – iedzimtības informācijas izmantošana, saglabāšana un pārraide

4. Informācijas aprite DNS RNS Proteīni Informācijas plūsma Informācijas nesēja replikācija

5. Metabolisms Anabolisms -Organisko savienojumu sintēze, izmantojot enerģiju Katabolisms -Organisko vielu noārdīšana, lai iegūtu enerģiju un materiālu citu vielu sintēzei

6. Šūnas vielmaiņa Barības vielas (būvmateriāli) Atkritumi ŠŪNA Enerģija Papild- komponenti Starpprodukti Šūnas komponenti SEKUNDĀRAIS METABOLISMS Barības vielas (kurināmais) Atkritumi PAMAT (PRIMĀRAIS) METABOLISMS

7. Primārais un sekundārais metabolisms • Primārais metabolisms – reakciju kopums, kurš ir absolūti nepieciešams organisma dzīvotspējai • Sekundārais metabolisms – reakciju kopums, kurš organismam ir noderīgs noteiktos apstākļos – piem. antibiotiķu un alkaloīdu sintēze

8. Enerģijas avoti VAIRUMAM ŠŪNU ENERĢIJU PIEGĀDĀ ĶĪMISKĀS REAKCIJAS - OKSIDĒŠANĀS PROCESI [O] C12H22O11→ 6H2O + 6CO2 AUGU UN DAŽU MIKROORGANISMU ŠŪNĀS ENERĢIJAS AVOTS IR ARĪ GAISMA

9. Organismu klasifikācija pēc to enerģijas un oglekļa avotiem -Lielākā daļa augu ir fotoautotrofi -Visi dzīvnieki ir organoheterotrofi -Visi litotrofi ir baktērijas vai arheobaktērijas

10. Oglekļa un skābekļa aprite biosfērā • Katru gadu Zemes biosfērā aprit aptuveni 4x1011 tonnas oglekļa O2 Heterotrofi Fotosintezējoši autotrofi Organiskie savienojumi CO2 , H2O

11. Slāpekļa aprite biosfērā • Slāpekļa saturs atmosfērā ir 78%, bet lielākā daļa organismu brīvu slāpekli nespēj uzņemt • Slāpekli spēj piesaistīt slāpekli fiksējošās baktērijas un arheobaktērijas • Neliela daļa slāpekļa tiek fiksēta arī zibens spērienu laikā Atmosfēras N2 Denitrificējošie prokarioti un sēnes Slāpekli fiksējošie prokarioti Nitrificējošie prokarioti NO2- Nitrīti NO3- Nitrāti NH4+ Amonijs Augi Augi Dzīvnieki Aminoskābes

12. Enerģijas aprite KOMPLEKSAS, REDUCĒTAS VIELAS (glikoze) ADP ATP ENERĢIJA KATABOLISMS ANABOLISMS VIENKĀRŠAS, OKSIDĒTAS VIELAS (CO2; H2O)

13. Enerģijas aprite Enerģijas uzkrājums Šūnā izmantojamais enerģijas nesējs Ārējais enerģijas avots Augiem: ciete, eļļas ATF Organiskās vielas (organotrofiem) Dzīvniekiem: glikogēns, tauki Neorganiskās vielas (litotrofiem) Gaisma (fototrofiem)

14. ATF • ATF (ATP) mēdz saukt par «šūnas enerģijas valūtu» • Visi organismi izmanto ATF enerģiju metaboliskajiem procesiem • Enerģija atbrīvojas, no ATF atšķeļoties fosfāta grupai • Cilvēka organisms satur ap 250 g ATF • 1 ATF molekula cilvēka organismā dienas laikā tiek ap 800 reižu reģenerēta no ADP • Tādejādi, cilvēka organisms 1 dienas laikā sintezē ATF daudzumu, kas aptuveni atbilst visa organisma masai • Kāpēc tieši ATF (nevis GTF, CTF vai UTF) ? • Es nezinu... ATF ADF

15. Katabolisms Proteīni Polisaharīdi Lipīdi Hidrolīze Taukskābes Aminoskābes Monosaharīdi Aminoskābju katabolisms Beta-oksidācija Glikolīze Acetil-koenzīms A Krebsa cikls, oksidatīvā fosforilēšana Enerģija (ATP) CO2, H2O

16. Acetil- koenzīms A (AcetylCoA) • Piegādā degradēto organisko vielu oglekļa atomus (acetilgrupas veidā) Krebsa ciklam tālākai oksidācijai Acetilgrupa

17. Pakāpeniska enerģijas atbrīvošanās C6H12O6+ 6O2 C6H12O6+ 6O2 ADP ATP ADP ATP ADP ATP ADP ATP 6CO2+ 6H2O + 38 ATP 6CO2+ 6H2O • Glikozes bioloģiskajā oksidēšanas procesā enerģija atbrīvojas pakāpeniski, daudzu secīgu reakciju gaitā • Atbrīvotā enerģija tiek uzkrāta ATF veidā • Teorētiski no 1 glikozes molekulas var iegūt 38 ATF, enerģijas zudumu dēļ realitātē ap 30 ATF molekulām • Ķīmiski sadedzinot glikozi, visa enerģja atbrīvojas ļoti ātri siltuma veidā

18. Enzīmi • No grieķu valodas ενζυμον- «ieraugs» • Latviski mēdz saukt arī par fermentiem • Bioloģiskas makromolekulas, kuras katalizē dzīvības procesu ķīmiskās reakcijas • Gandrīz visi enzīmi ir proteīni • Dažām RNS arī piemīt katalītiskas funkcijas – piem. ribosomai • Vielas, kuras tiek pārveidotas enzīmu katalizētajās reakcijās - substrāti

19. Enzīmi – efektīvi katalizatori • Enzīmi katalizē reakcijas, kuras normālos apstākļos notiek ļoti lēni • Piemēram, cukurs maisos var glabāties gadiem, bez vērā ņemamas oksidēšanās par CO2 un H2O vai spirtu • Enzīmi to pašu reakciju paveic daudz ātrāk • Enzīms orotidīna fosfāta dekarboksilāze reakciju paātrina 1017 reizes – tātad, reakcija, kura bez enzīma notiktu 78 miljonos gadu, notiek 18 milisekundēs • Atšķirībā no daudziem mazmolekulāriem katalizatoriem, enzīmi savu funkciju veic fizioloģiskos apstākļos

20. Enzīmu nomenklatūra • Daudzu enzīmu nosaukumā to subtrātam vai katalizētajam procesam tiek pievienota izskaņa –āze, piem. proteāze, polimerāze • Enzīmu sistemātiskajā nomenklatūrā tiek identificēta katalizējamā reakcija, piemēram enzīms, kurš katalizē reakciju: ATF + D-glikoze → ADF + D-glikozes-6-fosfāts tiek saukts: ATF:glikozesfosfotransferāze • Daudziem enzīmiem lieto arī triviālos nosaukumus, piem. invertāze – enzīms, kurš hidrolizē saharozi par glikozi un fruktozi

21. Enzīmu vispārējā uzbūve • Globulāri proteīni • Tikai neliela enzīma daļa – aktīvais centrs – piesaista substrātus un veic katalīzi • Pārējās enzīma daļas nodrošina aktīvā centra pareizu konformāciju

22. Enzīmi pazemina reakcijas aktivācijas enerģiju • Aktivācijas enerģija nepieciešama, lai molekulas sasniegtu pārejas stāvokli • Saistoties aktīvajā centrā, tiek samazināta aktivācijas enerģija, t.i. pārejas stāvoklis tiek sasniegts vieglāk • Rezultātā reakcija notiek ātrāk

23. Ko enzīmi var, un ko - nevar • Enzīmi paātrina ķīmiskā līdzsvara iestāšanos • Enzīmi nenobīda reakcijas ķīmisko līdzsvaru! • Enzīmi nepadara enerģētiski neizdevīgas reakcijas par izdevīgām • Enzīmi var sajūgt divas reakcijas – vienu enerģētiki izdevīgu un otru – neizdevīgu. Tādejādi abas reakcijas kopā var būt enerģētiski izdevīgas Piemērs – glikozes fosforilēšana • reakcija – ATP → ADP+Pi • reakcija – Pi + glikoze → glikoze-P

24. Enzīmi palielina sadursmju biežumu starp reaģējošajām molekulām

25. Enzīmi novieto substrātus optimālā telpiskā izkārtojumā – reaģējošo molekulu sadursmes ir ‘produktīvas’

26. Enzīmi novieto reaģējošo saiti optimālā polāru vai lādētu grupu tuvumā, lai varētu notikt katalīze

27. Enzīmu specifiskums • Enzīmi ir substrāta specifiski, substrāta specifiskumu nosaka aktīvā centra uzbūve

28. Enzīmu specifiskums • Absolūtsspecifiskums • Invertāzešķeļtikaisaharozi • Izteiktsspecifiskums • Alkoholdehidrogenāzeoksidēmetanolu un propanoludaudzlēnāknekāetanolu • Saitesvaigrupasspecifiskums • Fosfatāzeatšķeļfosfātu no DNS, RNS, proteīniem

29. Enzīmu specifiskums • Stereospecifiskums • Proteāzes (piem., tripsīns) šķeļtikai no L-aminoskābēmsastāvošusproteīnus • Vājiizteiktsspecifiskums • Himotripsīnshidrolizē ne tikaipeptīdsaites, bet arīesterus

30. Atslēgas un slēdzenesmodelis • Izskaidro enzīmu specifiskumu • Neizskaidro daudzu enzīmu plašo specifiskumu

31. Inducētās pielāgošanās modelis • Substrāta piesaistīšana spēj modificēt aktīvā centra stuktūru: inducētā pielāgošanās, piem., glikozes saistīšanās ar heksokināzi • Modelis ir reālistiskāks par atslēdzenes – slēdzenes modeli

32. Enzimātisko reakciju vienādojumi P ES E E S + • Parasti enzimātisko reakciju vienādojumu raksta formā: + • Vai arī, var atsevišķi izdalīt enzīma-substrāta (ES) un enzīma-produkta (EP) kompleksus: • Dažkārt ar substrātu enzīma aktīvajā centrā notiek vairākas secīgas pārvērtības:

33. Kofaktori • Daži enzīmi katalizē reakciju bez papildus savienojumu klātbūtnes • Citiem enzīmiem ir nepieciešami kofaktori – metālu joni vai organiski mazmolekulāri savienojumi, kuri tieši piedalās katalītiskās reakcijas veikšanā • Prostētiskās grupas ir mazmolekulāri savienojumi, kuri ir cieši saistīti ar enzīmu un no tā neatdalās reakcijas laikā • Koenzīmi ir mazmolekulāri savienojumi, kuri reakcijas laikā piesaistās un atdalās no enzīma • Neaktīvu enzīmu bez kofaktora sauc par apo-enzīmu, bet enzīmu ar kofaktoru – par holo-enzīmu • Dažiem enzīmiem ir vairāki kofaktori • Daudzi vitamīni ir kofaktori Aktīvais centrs Kofaktors

34. Kofaktora piemērs: NAD+ • Nikotīnamīda adenīna dinukleotīds • Sastopams visās dzīvajās šūnās • Piedalās daudzās organisma oksidēšanās-reducēšanās reakcijās kā elektronu pārnesējs • Eksistē oksidētā (NAD+) un reducētā (NADH) formā

35. Enzīmu klasifikācija • Visus enzīmus iedala 6 klasēs • Klases iedala apkšklasēs, u.t.t.

36. E.C.1 –Oksido-reduktāzes • Katalizē oksidēšanās-reducēšanās reakcijas • Piemērs: Nitrāta reduktāze - augu ferments, katalizē nitrāta pārveidošanos par nitrītu - pirmo posmu nitrāta parveidošanas ceļā par anabolismā nepieciešamo amoniju • Kofaktori – molibdēns, NADH NO3- + NADH + H+ -> NO2- + H2O + NAD+

37. E.C.2 - Transferāzes • Katalizē funkcionālo grupu pārnesi starp molekulām • Piemērs: Heksokināze – pārnes fosfāta grupu no ATP uz glikozes molekulu Glikozes-6’-fosfāts Glikoze

38. E.C.3 - Hidrolāzes • Katalizē sašķelšanu vai atšķelšanu, pievienojot ūdens molekulu • Piemērs: Adenozīndeamināze +H2O +NH3 inozīns adenozīns

39. E.C.4 - Liāzes • Katalizē ķīmiskās saites saraušanu no hidrolīzes vai oksidācijas atšķirīgā veidā • Bieži rezultātā veidojas dubultsaite vai cikls • Piemērs: Enolāze -H2O 2’- fosfoenolpiruvāts 2’- fosfoglicerīnskābe

40. E.C.5 - Izomerāzes • Katalizē funkcionālo grupu pārkārtošanu molekulā, t.i. molekulas izomerizāciju • Piemērs: Fosfoglicerātmutāze 3- fosfoglicerīnskābe 2- fosfoglicerīnskābe

41. E.C.6 - Ligāzes • Katalizē molekulu apvienošanu • Parasti apvienošanas procesā tiek hidrolizēta vienas vai abu apvienojamo molekulu neliela daļa • Piemēri: DNS/RNS polimerāzes • Nukleīnskābei tiek pievienots nukleotīds, atšķeļas neorganiskais fosfāts

42. Enzīmu aktivitātes regulācija • Enzīmu aktivitāte ir kritiski atkarīga no pareizas trīsimensionālās struktūras un aktīvā centra pieejamības • Daudzu enzīmu darbība ir nepieciešama tikai noteiktos apstākļos, tāpēc to darbību ir nepieciešams regulēt • Enzīmu darbību var regulēt dažādi inhibitori vai aktivatori, kuri var piesaistīties enzīma aktīvajā centrā vai izmainīt aktīvā centra struktūru vai pieejamību • Ievērojama daļa ārstniecisko preparātu ir enzīmu inhibitori

43. Enzīmuaktivitātezūd, izmainotproteīnastruktūru

44. Enzīmuaktivitātezūd, izmainotproteīnastruktūru

45. Enzīmuaktivitātesregulācija: inhibitori Konkurējošais inhibitors Substrāts NEAKTĪVS AKTĪVS NEAKTĪVS Nekonkurējošais inhibitors

46. Konkurējošā inhibitora piemērs: sulfanilamīds • Sulfanilamīds pēc struktūras ir līdzīgs aminobenzoskābei, kura baktērijās ir nepieciešama folskābes sintēzei • Sulfanilamīds piesaistās folskābi sintezējošiem enzīmiem un bloķē to darbību • Folskābe ir vitāli nepieciešama visiem organismiem kā kofaktors nukleotīdu sintēzē • Cilvēka organisms folskābi nesintezē, bet uzņem ar diētu • Tādejādi sulfanilamīds cilvēka organismu neietekmē Sulfanilamīds p-aminobenzoskābe Konkurējošais inhibitors Substrāts

47. Enzīmu alostēriskā regulācija • Dažiem regulatorajiem enzīmiem bez aktīvā centra ir arī alostēriskais centrs, kurš piesaista ligandus un regulē aktīvā centra darbību • Alostēriskajā centrā parasti piesaistās enzīma reakcijas tieši vai netieši galaprodukti, substrāti vai to prekursori (t.i., noteikta metaboliskā ceļa pārstāvji) • Alostēriskie regulatori var enzīma darbību gan inhibēt (attēlā), gan aktivēt OK Substrāts Alostēriskais inhibitors

48. Metabolisma ceļi • Saistītas metabolisma reakcijas veido metabolisma ceļus • Metabolisma ceļi var būt: • Lineāri • Sazaroti • Konverģenti (parasti - katabolismā) • Diverģenti (parasti – anabolismā) • Cikliski

49. Lineāra metabolisma ceļa piemērs – serīna biosintēze 3-fosfoglicerīnskābe 3-fosfohidroksipiruvāts 3-fosfoserīns Serīns

50. Lineāra konverģenta metabolā ceļa piemērs – glikozes veidošanās, noārdot dažādus ogļhidrātus Saharoze Glikogēns Ciete Glikoze