AZ ENERGIA RAKTÁROZÁSA

Energia tárolásra alkalmas vegyület (ATP) minden élőlényben megtalálható Az élő szervezet a tápanyagok oxidációjával jut energiához, melyet kémiai energiává alakít át, majd ezt használják fel. Energia tárolás elve: a tápanyag lebontás során keletkező hőt kémiai kötés kialakítására használják; ha a szervezetnek energiára van szüksége, felbontja a kötést, mely fedezi a szükséges energiát.

ATP

ATP ADP + Pi G°= - 30,5 kJ / mol ADP AMP + Pi G°= - 30,5 kJ / mol Az egyes foszfátcsoportok hidrolízise jelentős energia felszabadulással jár, miközben di- ill. monofoszfát alakul ki. ATP ADP + Pi G°= - 30,5 kJ / mol ADP AMP + Pi G°= - 30,5 kJ / mol AMP ADENOZIN + Pi G°= - 14,2 kJ / mol ( ATP működéséhez Mg++ -ok is szükségesek) H2O H2O H2O

A foszfátcsoportok további lehasadása történhet: ATP + H2O  AMP + PPi G°= - 30,5 kJ / mol pirofoszfát PPi + H2O 2 Pi ATP + AMP 2 ADP a foszfátcsoport átvihető hidroxil-, vagy karboxil-csoportot tartalmazó vegyületre is ATP + X ADP + X~P (X lehet pl.: glicerinsav 1,3-difoszfát ill. foszfoenol-piruvát) anorganikus-pirofoszfatáz adenilát-kináz

Foszfátcsoportot tartalmazó fontosabb biokémiai molekulák vegyület kötéstípus ΔG °’ (kJ/ mol) foszfo-enolpiruvát enolészter -61,9 glicerinsav-1,3-difoszfát savanhidrid -49,3 kreatin-foszfát foszforil-guanidin -43,1 acetil-foszfát -42,3 arginin-foszfát -33,5 adenozin-trifoszfát -30,5 glükóz-1-foszfát acetál-szemiészter -20,9 fruktóz-6-foszfát primer alkohol-észter -15,9 glükóz-6-foszfát -13,8 glicerol-1-foszfát -9,2 NAGY ENERGIÁJÚAK KIS ENERGIÁJÚAK

felszabaduló energia nagyobb, mint – 30 kJ / mol NAGYENERGIÁJÚ vagy MAKROERG KÖTÉS: azok a kötések, melyek hidrolízisekor felszabaduló energia nagyobb, mint – 30 kJ / mol KIS ENERGIÁJÚ vagy MIKROERG KÖTÉSEK: azok a kötések, melyek hidrolízisekor felszabaduló energia kisebb, mint

lipid szintézishez: ATP + CTP poliszacharidok szintéziséhez: ATP + UTP ATP-t más szerves bázis is helyettesítheti (uracil, guanin, citozin), melyek szintézisek energiáját szolgáltatják: lipid szintézishez: ATP + CTP poliszacharidok szintéziséhez: ATP + UTP fehérjék szintéziséhez : ATP + GTP RNS szintézishez : ATP + GTP + CTP + UTP DNS szinzéziséhez: dATP + dGTP + dCTP + dTTP (d- dezoxi-ribózt jelöli)

A foszfáton kívüli makroerg kötések, melyek egyéb atomcsoportok lehasadásával szolgáltatnak energiát: Koenzim-A tioészterei  Acetil-CoA SAM (S-adenozil-metionin)  metilálási folyamatok ACP ( acil-carier-protein)  zsírsavszintézisek

ENZIMEK

Élő szervezetekben lejátszódó folyamatokat enzimek katalizálják. ENZIMEK olyan katalitikus aktivitású fehérjék, melyek az aktiválási energia csökkentésével lehetővé teszik bizonyos kémiai reakciók végbemenetelét, ill. a reakciók sebességét gyorsítják.

„en zym” : élesztőben (1873. W. KÜHNE) 1836. CAGNIARD de LATOUR : az alkoholos erjedés élesztősejtek munkája 1897. BOUCHNER az erjedés a sejtből kivont 1871. MANASZEJNA anyag jelenlétében, sejtmentes környezetben is lejátszódik 1926. SUMNER : ureáz előállítása

enzimek jellemzői: bonyolult szerkezeti felépítés nagy molekulatömeg kolloidális sajátság környezettől függő (pH, hőm.) konformáció : alakváltozás megfelelő polaritás fehérjetermészetű (aminosavszekvencia)

Enzimek működéséhez kofaktorra van szükség, ezek a Enzimek működéséhez kofaktorra van szükség, ezek a KOENZIMEK, melyek lehetnek kisebb szerves molekulák vagy fémionok APOENZIM : a koenzim eltávolítása után maradó fehérjerész HOLOENZIM APOENZIM + KOENZIM

Enzimek elnevezése Felfedezőjéről „áz” végződés , mely kapcsolódik a szubsztrát nevéhez ill. a rekciótípushoz, majd ezt összekombinálták Nemzetközi Enzimbizottság (E.C. = Enzyme Comission) 6 csoportot ír le kémiai jelleg szerint

Enzimek osztályba sorolása OXIDO-REDUKTÁZOK 1.1. C OH oxidációs-redukciós 1.2. C O folyamatokat katalizálnak 1.3. CH CH hidrogénezés vagy 1.4. CH NH2 dehidrogénezés 1.5. CH NH 1.6. NAD, NADP

atomcsoportokat átvivő enzimek 2.1. C1- töredék 2. TRANSZFERÁZOK atomcsoportokat átvivő enzimek 2.1. C1- töredék 2.2. CHO v. C O transzoldoláz, transzketoláz 2.3. acil aciltranszferáz 2.4. glikol transzglikoláz 2.5. alkil v. aril 2.6. N-tartalmú csop. amino-transzferáz 2.7. P-tartalmú csop. foszfo-transzferáz: kináz 2.8. S-tartlamú csop. szulfo-transzferáz

különböző kötéseket hidrolizálnak 3. HIDROLÁZOK különböző kötéseket hidrolizálnak 3.3. észter 3.2. glikozid glikozid-hidroláz 3.3. éter 3.4. peptid peptidáz 3.5. C-N kötés 3.6. savanhidrid

atomcsoport lehasítása kettőskötés kialakításával v. 4. LIÁZOK V. szintetázok atomcsoport lehasítása kettőskötés kialakításával v. addíció kettős kötésre - dezamináz 4.1. C C 4.2. C O 4.3. C N

5. IZOMERÁZOK 5.2. cisz  transz izomeráz 5.3. oxidoreduktázok molekulán belüli átrendeződést katalizálnak 5.1. racemázok 5.2. cisz  transz izomeráz 5.3. oxidoreduktázok 5.4. transzferáz

6. LIGÁZOK v. szintetázok kötés kialakítása ATP felhasználásával 6.1. C O 6.2. C S 6.3. C N 6.4. C C piruvát-karboxiláz

4 szám jellemzi 1. főosztály 2. alosztály 3. akceptor típusa milyen 4. magát az enzimet határozza meg Pl: E.C. 2.7.1.1 transzferáz, hexokináz/D-hexóz-6-foszfotranszferáz

Az enzimreakciók kinetikai alapjai Enzim működése a szervezetben vizes közegben, állandó hőmérsékleten, nyomáson, csaknem állandó pH-n Hatásukat : a) az aktiválási energia csökkentésével b) új reakció megnyitásával fejtik ki E + S ES E + T k1 k3 k2

Enzimek katalizáló hatása az aktiválási energiákra E+S  [ES]  [ES]*  E + T

A koncentrációk változása a reakció során [ S0] – kezdeti szubsztrát konc. [S] – szubsztrát konc. [E0] – kezdeti enzim konc. [E] – enzim konc. [ES] – enzim-szubszt. konc. [T] – termék konc. [S0] [ T ] koncentráció [E] [ E0] [S] [ES] idő

ES komplex keletkezésének sebessége: v1: v1 = k1 · [E] · [S] Bomlás: két részből állhat termékképződés (k3) visszaalakulás (k2) v3 = k3 · [ES] v2 = (k2 + k3) · [ES] Stacionáris állapotban: v1 = v2 k1 · [E] · [S] = (k2 + k3) · [ES]

Michaelis-Menten állandó (KM) k1 · [E] · [S] = (k2 + k3) · [ES] [E] · [S] k2 + k3 [ES] k1 az a szubsztrát koncentráció, melynél a termékképzőséi sebesség a max. sebesség fele = KM = Michaelis-Menten állandó (KM)

KM mértékegysége : mol / dm3 nagysága : 10-3 – 10-7 Ha értéke nagy: gyenge a kapcsolat a E és S között Minél kisebb az értéke annál erősebb a kötés a ES komplexben, annál stabilabb a komplex

Szabad állapotú enzim koncentrációja: [E] = [E0]- [ES] [E0] [S] [ES] = A termék képződési sebessége: v3 = k3 · [E0] KM [S] KM + [S]

v3 akkor lesz maximális, amikor minden enzimmolekula telített szubsztráttal: [S] nagy [S] >> KM ≈ 1 Tehát: vmax = k3 [E0] v3 = k3 · [E0] v3 = vmax [S] KM + [S] [S] KM + [S] [S] KM + [S]

Nagy szubsztrátkoncentrációnál: [S]>>KM ≈ 1 v3 = vmax Kis szubsztrátkoncentrációnál: [S]<<KM ≈ v3 = vmax Ha: [S]=KM = 1/2 v3 = vmax/2 [S] KM + [S] [S] KM + [S] [S] KM [S] KM [S] KM + [S]

Telítési görbe: v V max V max 2 [S] KM

Az enzimműködés mértékegységei: Kat = mol szubsztrát / sec Katal (kat) Standard enzimegység (U) 1 U = 1 μmol átalakított szubsztrát / 1 perc Molekuláris aktivitás (MA) 1 MA = 1mol átalakított szubsztrát / perc×mol enzim Specifikus aktivitás (SA) 1 SA = 1 μmol átalakított szubsztrát / perc×mg fehérje

Az enzim működésének mechanizmusa AKTÍV CENTRUM: enzimfehérjének azon része, mely kapcsolatba lép a szubsztráttal két részből áll: kötőhely : a szubsztrát minőségét szabja meg  itt kötődik a szubsztrát katalitikus hely : a reakció típust választja ki  itt megy végbe a reakció

Kulcs-zár teória EMIL FISCHER az enzim aktív helye olyan konformáció alakzatot vesz fel, mely, megfelel a szubsztrát alakjának, mint kulcsnak

2) Indukált illeszkedés KOSHLAND az aktív centrumot a szubsztrát a megfelelő térszerkezetre kényszeríti CH3 CH2 NH3+ CH3 CH-CH3 OH CH2 CH3 CH-CH3 OH CH3 OH OH CH3 OH OH CH3-CH2-CH2-CH2-NH3+ OH CH2 CH3 COO- CH2 COO- CH2 OH CH2 CH2 CH2 CH3 SZUBSZTRÁT SZUBSZTRÁT

3) Fluktuációs modell STRAUB és SZABOLCSI az aktív centrum több konformációs állapot között változik, de eggyel képes rögzíteni a szubsztrátot CH3 CH2 NH3+ Ala Tyr CH3 Cys CH3 CH2 NH3+ CH3 Lys SH CH3 CH3 SH OH SH CH2 OH CH2 COO- CH2 OH Ser Asp Cys SZUBSZTRÁT Phe

Az enzimműködést befolyásoló tényezők A működés az aktív centrumban koncentrálódik Mindazok az anyagok, melyek az aktív centrum paraméreteit megváltoztatják, azok hatnak az aktivitásukra is.

AZ AKTÍV CENTRUMBA ÉPULT SPECIÁLIS IONOK ENZIMMŰKÖDÉS KOFAKTOROK EFFEKTOROK KOENZIMEK KÖRNYEZETI TÉNYEZŐK AZ AKTÍV CENTRUMBA ÉPULT SPECIÁLIS IONOK pH HŐMÉRSÉKLET HATÁSFAKTOROK AKTIVÁTOROK ALLOSZTERIKUS EFFEKTOROK INHIBÍTOROK DENATURÁLÓ ANYAGOK

A fémionok szerepe az enzim működésében AKTIVÁLÁS Az enzim szerkezetének, megfelelő konformációjának kialakításában vesznek részt, aktiválják az enzimet Biztosítják a stabilitást Nem biztos, hogy az aktív centrumban hatnak Az enzimtől elvonva, az nem veszíti el aktivitását az egyes ionok egymást helyettesíthetik FEHÉRJE SPECIFIKUSAK Pl: hexokináz (Zn++) a glikolízisben ATP-áz (Ca++) izommunka során

2) A FÉMIONOK ÁLLANDÓ RÉSZEI A MOLEKULÁNAK A fémion nem választható el a molekulától Tényleges résztvevői a katalitikus folyamatoknak METALLOENZIMEK Más fémionnal az enzim nem működik FÉMION SPECIFIKUSAK Pl: karboxi-peptidáz (Zn++) fehérjék hidrolízisekor piruvát-karboxiláz (Mn++) cukorlebontásnál

A fémionok hatásmechanizmusa a megkötött fémionok hatása enzimek elektrofil csoportok aktiválása piruvát-karboxiláz; Mn++ nukleofil csoportok aktiválása szénsav-anhidráz; Zn++ kobalamin; Co++ p-elektronok elvonása alkohol-dehidrogenáz; Zn++ karboxi-peptidáz; Zn++ a fémion megköti és orientálja a ligandumot piruvát-kináz; Mg++, Ca++ feszülést gerjesztenek a molekulában foszfor-transzferáz; Mg++, Mn++ hem-fehérjék; Fe++ elfedi a nukleofil csoportot hisztidin-dezamináz

Specifikus enzimaktiváló fémionok ANTAGONISTÁK azok az elemek, ionok, anyagok, melyek egymás hatását akadályozzák SZINERGISTÁK melyek egymás hatását segítik

KOENZIMEK

ideiglenes az enzim és a koenzim kapcsolata enzimatikus folyamatok során ideiglenes az enzim és a koenzim kapcsolata A koenzimek atomot, atomcsoportot, protont vagy elektront szállítanak

A) OXIDO-REDUKTÁZ KOENZIMEK Nikotinsavamid – adenin- dinukleotid (-foszfát) NAD+ ; NADP+

Az oxidációs-redukciós folyamat

2) flavin-mononukleotid, flavin-adenin-dinukleotid FMN ; FAD

~ NAD+ ; NADP+ ; FMN ; FAD koenzimek feladata a hidrogének átvétele a tápanyagmolekulákból és szállításuk a terminális oxidáció felé

3) Liponsav (ditio-oktánsav) dihidro-liponsav A liponsav a gyűrűben található diszulfid-híd redukciójával képes felvenni a hidrogént A piruvát oxidatív dekarboxilezésében játszik szerepet + 2H (CH2)4-COOH (CH2)4-COOH S S HS SH - 2H l

(Co-Q; ubikinon) 4) koenzim- Q Hidrogén felvételkor kinon hidrokinon átalakulás Hidrogén leadáskor proton és elektron is keletkezhet, ami a terminális oxidáció egyik fontos lépése

5) Citokróm - alapváza a porfin - továbbítók - terminális oxidáció része (elektron szállító) - prosztetikus csoport, egybe van épülve az enzimmel

B) TRANSZFERÁZ KOENZIMEK 1) Koenzim-A (Co-A; Co-A-SH)

2) Tiamin - pirofoszfát (TPP,tiamin,B1-vitamin)

3) Biotin (biocitin; H-vitamin)

biotin+ATP+HCO3- karboxi-biotin+ADP+Pi Karboxi-biotin + piruvát biotin + oxálacetát enzim Mg++ enzim Mg++

4) Fólsav , tetrahidrofólsav (THF, B4-vitamin)

5) S-adenozil-metionin (SAM) +

6) piridoxál-foszfát (PALP, B6-vitamin)

7) ciklikus-adenozin-monofoszfát (cAMP)

8) Adenozin-trifoszfát (ATP)

9) Ciáno-kobalamin (B12-vitamin)

10) Aszkorbinsav (C-vitamin) GULONSAV Redukáló hatású  könnyen oxidálódik; diketo-gulonsavvá alakulva elveszti aktív hatását Transzferázként az –OH csoportok szállítója

1) TPP 2) PALP 1) glükóz-1,6-difoszfát 1) ATP 2) NAD+ C) HIDROLÁZ KOENZIMEK D) LIÁZ KOENZIMEK E) IZOMERÁZ KOENZIMEK F) LIGÁZOK KOENZIMJEI