Wprowadzenie do metabolizmu

Metabolizm

Wprowadzenie

INDEX

Formy energii

Termodynamika

Szlaki

Enzymy

ATP

E. swobodna

sZLAKI METABOLICZNE

Metabolizm to zbiór reakcji chemicznych zachodzących w organizmie. Szlak metaboliczny zaczyna się od określonej cząsteczki, która jest następnie przekształcana w serii etapów, dając ostatecznie pewien produkt, każdy etap szlaku jest katalizowany przez enzymy. Metabolizm jako całość zarządza materialnymi i energetycznymi zasobami komórki. Niektóre szlaki, zwane szlakami katabolicznymi (rozkładu) uwalniają energię przez rozkład złożonych cząsteczek do ich prostszych składników. Głównym szlakiem katabolicznym jest oddychanie komórkowe , w którym glukoza i inne organiczne substraty energetyczne w obecności tlenu ulegają rozkładowi na ditlenek węgla i wodę. W przeciwieństwie do katabolicznych, szlaki anaboliczne zużywają energię do tworzenia, z prostszych, bardziej skomplikowane cząsteczki.

Formy energii

Energia to zdolność do wywoływania zmian. Może być ona powiązana z ruchem względnym obiektu i jest wtedy nazywana energią kinetyczną, obiekty będące w ruchu mogą wykonywać pracę przez przekazywanie ruchu innej materii. Energia cieplna jest rodzajem energii kinetycznej związanej z losowym ruchem atomów lub cząsteczek (ciepło jest energią cieplną w trakcie transferu pomiędzy jednym obiektem a drugim). Energia potencjalna jest związana z lokalizacją lub strukturą materii. W jej skład wchodzi energia chemiczna posiadana przez komórkę i wynikająca z jej budowy, jest to energia potencjalna możliwa do uwolnienia w wyniku reakcji chemicznych. Złożone cząsteczki jak np. glukoza mają dużą energię chemiczną, podczas reakcji katabolicznych niektóre wiązania między atomami są zrywane, a inne tworzone w wyniku tego uwalniana jest energia i powstają produkty o niższej energii.

Zasady rządzące pRZEMIANAMI ENERGII

Termodynamika to badania przemian energii zachodzących w układach materii. Pierwsza zasada termodynamiki - zasada zachowania energii, mówi, że energia nie może być utworzona lub zniszczona, jedynie może zostać przeniesiona lub ulec przemianie. Druga zasada termodynamiki mówi, że spontaniczne zmiany, niwymagające dopływu energii z zewnątrz, zwiększją entropię (nieuporządkowanie) świata. Koncepcja entropii pozwala nam zrozumieć, dlaczego niektóre procesy są energetycznie faworyzowane i zachodzą samoistnie. Procesy mogą zachodzić bez wkładu energii, jeżeli samoistnie prowadzi on do wzrostu entropii - są to procesy spontaniczne (nie oznacza to, że zachodzą one szybko).

Energia swobodna

Energia swobodna układów ożywionych to energia, która może wykonywać pracę w warunkach panujących w komórce, czyli gdy temperatura i ciśnienie są jednolite. Każda reakcja spontaniczna obiża energię swobodną układu, a procesy, których wartość ΔG jest dodatnia lub równa zero nigdy nie są spontaniczne. ΔG może być ujemna tylko wtedy, gdy w trakcie procesu zachodzi utrata energii swobodnej podczas zmiany ze stanu początkowego do stanu końcowego. Na podstawie zmian energii swobodnej reakcje chemiczne można podzielić na egzoergiczne (energia wypływająca) i endoergiczne (energia dopływająca).

ΔG - energia swobodnaΔG= G st.końcowego - G st.początkowego

Egzo- i endoergiczne reakcje

Reakcja egzoergiczna zachodzi z uwolnieniem energii swobodnej netto, zachodzi ona spontanicznie (nie natychmiastowo), przykładem jest oddychanie komórkowe. Reakcja endoergiczna to taka, w której energia swobodna jest absorbowana z jej otoczenia, ponieważ ten rodzaj reakcji magazynuje energię swobodną w cząsteczkach, ΔG jest dodatnie, więc takie reakcje nie są spontaniczne, a wielkość ΔG odpowiada ilości energii potrzebnej do przeprowadzenia reakcji. Jeśli proces chemiczny jest egzoergiczny i uwalnia energię jednokierunkowo to odwrotność tego procesu musi być endoergiczna i wymaga dopływu energii.

Praca komórkowa

Komórka wykonuje trzy główne rodzaje pracy:

• pracę chemiczną, przeprowadzanie reakcji endoergicznych, które nie zachodzą spontanicznie
• pracę transportową, pompowanie substancji przez błonę przeciwnie do kierunku jej spontanicznego ruchu
• pracę mechaniczną, np. falowanie rzęsek, skurcz komórki mięśniowej i ruch chromosomów

Sprzężenie energii polegające na wykorzystaniu procesu egzoergicznego jako napędu procesu endoergicznego jest sposobem w jaki komórki zarządzają zasobami energetycznymi koniecznymi do wykonania pracy. W większości komórkowych sprzężeń energii pośredniczy ATP jako bezpośrednie źródło energii.

ATP

ATP (adenozynotrifosforan) składa się z cukru rybozy, adeniny i łańcucha trzech grup fosforanowych. Oprócz roli jaką pełni przy stężeniach energii, ATP jest też używany do tworzenia RNA. Wiązania pomiędzy grupami fosforanowymi ATP mogą być zerwane w wyniku hydrolizy. Uwolnienie energii podczas hydrolizy jest efektem chemicznego przejścia do stanu niższej energii swobodnej. W przypadku dreszczy hydroliza ATP podczas skurczu powoduje ogrzanie ciała, energię uwalnianą podczas tego procesu na różne sposoby wykorzystują białka. Organizm wykonując pracę, zużywa ATP w sposób ciągły, na szczęście jest to odnawialne źródło energii i może być regenerowane przez dodanie fosforanu do ADP (nukleotyd złożony z rybozy, adeniny i dwóch grup fosforanowych).

Enzymy

Enzym jest makrocząsteczką, która działa jak katalizator, czynnik chemiczny przyspieszający reakcję, ale nieużywany w jej trakcie. Energia swobodna aktywacji/ energia aktywacji to energia potrzebna do pobudzenia substratów i zerwania ich wiązań. Białka, DNA i inne złożone cząsteczki w komórce są bogate w energię swobodną i mają potencjał do spontanicznego rozkładu (faworyzowane procesy). Cząsteczki te istnieją, ponieważ progi energii aktywacji muszą być sporadycznie przekraczane, aby komórki mogły przeprowadzać istotne procesy. Ciepło przyspiesza reakcje zwiększając częstotliwość z jaką substraty osiągają stan przejściowy. Enzym katalizuje reakcje poprzez obniżenie progu EA, co pozwala cząsteczkom substratów na pochłanianie wystarczającej ilości energii, aby osiągnąć stan przejściowy.

Enzymy

Substrat, który działa na enzym, określa się mianem substratu enzymu, enzym wiąże się do niego formując kompleks enzym-substrat. W czasie, gdy enzym i substrat są połączone, katalityczne działanie enzymu przekształca substrat w produkt reakcji. Do substratu wiąże się jedynie ograniczony rejon cząsteczki enzymu - miejsce aktywne. Cykl katalityczny wygląda tak, że substraty wnikają w miejsce aktywne, gdzie są przytrzymywane za pomocą słabych oddziaływań, następnie przekształcane są w produkty i uwalniane, a miejsce aktywne jest dostępne dla nowych substratów. Większość reakcji metabolicznych jest odwracalna, a enzym może katalizować reakcję w obu kierunkach, w zależności od tego, który z nich ma ujemną wartość ΔG. Aktywność enzymu jest warunkowana przez temperaturę i pH, może również zależeć od związków chemicznych, które na niego wpływają. Do pewnego punktu szybkość reakcji enzymatycznej wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, każdy enzym ma optymalną temp., przy której szybkość reakcji jest największa, tak samo jest z pH, które mieści się między 6, a 8, ale jest wiele odstępstw.

Kofaktory i inhibitory

Kofaktory to niebiałkowe cząsteczki, które są potrzebne wielu enzymom do aktywności katalicznej, wiążą się one z enzymem albo ze substratem. Jeśli kofaktorem jest cząsteczka organiczna, nazywana jest ona koenzymem, większość witamin jest istotna w odżywianiu właśnie z powodu ich roli koenzymów.Inhibitory to związki chemiczne, które selektywnie hamują działanie specyficznych enzymów. Można je podzielić na inhibitory kompetycyjne - podobne do substratu, konkurujące o miejsce aktywne oraz niekompetycyjne, które zmniejszają szybkość reakcji enzymatycznych wiążąc się z inną częścią enzymu. Nieodwracalnymi inhibitorami są np. toksyny i trucizny, czy leki i antybiotyki, np. penicylina blokuje miejsce aktywne enzymu, który u wielu bakterii odpowiada za budowę ścian komórkowych.

Regulacja aktywności enzymatycznej

Regulacja allosteryczna jest terminem używanym do opisania każdego przypadku, w którym na aktywność białka w jednym miejscu wpływa związanie cząsteczki regulatorowej w innym miejscu, co może skutkować inhibicją (zmniejszanie szybkości reakcji chemicznej) jak i pobudzeniem aktywności enzymatycznej. Cząsteczka regulująca, o funkcji aktywatora lub inhibitora, wiąże się do miejsca regulatorowego zlokalizowanego przeważnie w miejscu łączenia podjednostek. Wiązanie aktywatora stabilizuje konformację, w której miejsce aktywne jest funkcjonalne, natomiast inhibitora stabilizuje formę nieaktywną enzymu. ATP wiąże się allosterycznie do kilkunastu enzymów katabolicznych, obniżając ich powinnowactwo do substratów, a przez to hamując ich aktywność. W innym rodzaju aktywacji allosterycznej cząsteczka substratu związana w jednym miejscu aktywnym może stymulować zdolność do katalizy enzymu złożonego z wielu podjednostek, poprzez oddziaływanie na jego pozostałe m.aktywne - kooperatywność - pojedyncza cząsteczka substratu przygotowuje enzym do łatwiejszego przyjęcia następnych. Kooperatywność jest uważana za regulację allosteryczną, ponieważ wiązanie substratu do jednego miejsca aktywnego wpływa na katalizę w innym.

Thanks!