Podstawy reakcji enzymatycznych

Podstawy reakcji enzymatycznych

W tym przypadku wynik ankiety był najbardziej jednostronny. Jest to oczywiście temat rzeka, zatem jest to wyzwanie, aby ująć to wszystko tak, żeby przede wszystkim wszystko było adekwatne poziomem do I etapu OlChemu oraz żeby Was nie zanudzić.

wyniki ankiety 5.jpg

To działamy!

Spis treści : 

1.  Metabolizm –  w jaki sposób nasz organizm pozyskuje energię, czyli jakim cudem jesteśmy w stanie wytrzymać 5 godzin intensywnego rozwiązywania zadań olimpijskich?

2.  ,,Biochemiczna notacja” , czyli jak sobie radzić z innymi sposobami zapisu reakcji.

3.  Kilka ważnych związków z punktu widzenia biochemii.

4.  Parę słów o enzymach 

 

1. Metabolizm :

Na metabolizm składa się katabolizm oraz anabolizm.

  • katabolizm – polega na ,,rozwalaniu” większych cząsteczek na mniejsze części. Są to procesy, które dostarczają nam energii.
  • anabolizm – tutaj odwrotnie, a więc z mniejszych cząsteczek syntezujemy potrzebne nam większe związki. Są to procesy, które oczywiście wymagają (pochłaniają) energii.

Katabolizm składa się z czterech etapów :

  1. Pierwszy etap polega na hydrolizie tłuszczy, białek oraz cukrów zawartych w dostarczanym przez nas pysznym pożywieniu (i ich uprzednim mechanicznym rozdrobnieniu, aby wystawić te związki na działanie odpowiednich enzymów).
  2. Powstałe w pierwszym etapie związki zostają przekształcone w cząsteczkę, którą nazywamy acetylo-koenzymem A (więcej o niej w punkcie trzecim).
  3. W kolejnym etapie acetylo-koenzym A zostaje ,,wrzucony” do cyklu kwasu cytrynowego (cykl Krebsa), gdzie zostaje utleniony, a wygenerowana w tym etapie energia napędza kluczowy proces syntezy ATP.
  4. Następuje proces oksydacyjnej fosforylacji ADP i powstaje ,,nośnik energii” czyli ATP – adenozynotrifosforan.

Etap 1 :

a1)  Hydroliza tłuszczy daje oczywiście kwasy tłuszczowe + glicerol, co mam nadzieję dla nikogo nie jest zaskoczeniem, jako że tłuszcze to najzwyczajniej estry glicerolu. Swoją drogą, warto przypomnieć sobie najważniejsze kwasy tłuszczowe, czyli kwas palmitynowy, stearynowy oraz oleinowy.

Kwasy tłuszczowe (palmitynowy, oleinowy i stearynowy).jpg

Dosłownie kilka słów o samych kwasach tłuszczowych :

  • jak widać, kwas palmitynowy i stearynowy to kwasy nasycone (ponieważ nie zawierają wiązań podwójnych  C=C ) . Pokazane wyżej kwasy palmitynowy oraz stearynowy są najczęściej występującymi kwasami nasyconymi.
  • najczęściej występującymi kwasami nienasyconymi są kwas oleinowy oraz linoleinowy. Zwykle wiązania podwójne w kwasach tłuszczowych mają konfigurację cis!
    • w przypadku kwasów nienasyconych spotkamy się często z ostatnią grecką literą, czyli omeąę (\omega ). Chociażby z reklam kojarzycie pewnie kwasy omega-3 czy omega-6 , co oznacza po prostu położenie wiązania podwójnego w cząsteczce kwasu tłuszczowego, licząc od końca niekarboksylowego (czyli tam gdzie NIE MA grupy karboksylowej  -COOH . Zatem narysowany wyżej kwas oleinowy byłby kwasem omega-9.
    • jeśli kwas posiada kilka wiązań podwójnych, to nazywamy je wielonienasyconymi kwasami tłuszczowymi.
    • nienasycone kwasy tłuszczowe mają zwykle niższe temperatury topnienia niż nasycone odpowiedniki!

b1)  Hydroliza cukrów (a konkretnie wielocukrów) to prosta sprawa. Pękają wiązania glikozydowe w wyniku czego powstają cukry proste, jak glukoza czy fruktoza.

c1) Białka natomiast są hydrolizowane do aminokwasów, pękają natomiast wiązania peptydowe (czyli amidowe).

Podsumowując pierwszy etap katabolizmu :

Tłuszcze   \xrightarrow{hydroliza}    kwasy tłuszczowe + glicerol  (hydroliza wiązań estrowych).

Wielocukry   \xrightarrow{hydroliza}    cukry proste / monosacharydy  (hydroliza wiązań glikozydowych / acetalowych).

Białka   \xrightarrow{hydroliza}    aminokwasy  (hydroliza wiązań peptydowych / amidowych).

Etap 2 :

Celem drugiego etapu jest wytworzenie tej samej, bardzo ważnej cząsteczki, nazywanej acetylo-koenzymem A (wikipedia :  struktura koenzymu A ) . Jak widzicie, jest to spora cząsteczka, nas jednak interesuje głównie jej fragment i często spotkacie się, ze skrótowym zapisem, który przedstawiłem poniżej :

Acetylo-CoA.jpg

Należy zwrócić uwagę na wiązanie  S-C=O   , które jest wiązaniem analogicznym do estrowego :  O-C=O   i tak też się to wiązanie nazywa – tioestrowe.  [Przedrostek –tio mam nadzieje, że kojarzycie już z siarką, jak chociażby w tiolach)].

Przypomnę, że w etapie pierwszym powstały nam kwasy tłuszczowe, cukry proste oraz aminokwasy. Teraz wszystkie te związki będą przekształcane w acetylo-CoA , a te procesy będą się inaczej nazywać :

  • przekształcanie kwasów tłuszczowych w acetylo-CoA nazywa się beta oksydacją ( \beta – utlenienie).
  • przekształcenie cukrów prostych w acetylo-CoA nazywa się glikolizą.
  • w przypadku aminokwasów sprawa jest zdecydowanie najbardziej skomplikowana. Każdy aminokwas ulega przekształceniu w inny sposób! Niektóre z nich faktycznie ulegają przekształceniu do acetylo-CoA, inne natomiast wchodzą od razu w cykl Krebsa. Na szczęście nie jest to jakoś bardzo istotne z punktu widzenia OlChemu oczywiście. Warto jednak poznać takie ogólne zasady :
    • zazwyczaj grupy alfa-aminowe z aminokwasów są usuwane w postaci amoniaku
    • amoniak ten następnie jest przekształcany w mocznik :   NH_{3} \rightarrow H_{2}NCONH_{2}
    • ,,pozostała część aminokwasu” przekształcana jest w związek, który może wejść w danym momencie do cyklu Krebsa.

Etap 3 :

Sławny cykl Krebsa, który masakruje wszystkich biednych studentów na II roku medycyny. My na szczęście nie musimy wiele o tym wiedzieć.

Metabolity cyklu są też początkowymi substratami w glukoneogenezie, syntezie kwasów tłuszczowych oraz w wyniku reakcji transaminacji przekształcane są w aminokwasy białkowe. Ze względu na podwójną rolę, czyli udział w procesach syntezy związków organicznych w rekcjach ich oksydacji, cykl kwasu cytrynowego zaliczany jest do szlaków amfibolicznych. Po przeczytaniu tego postu warto zerknąć na wszystkie reakcje tego cyklu w ramach treningu ,,czytania reakcji biochemicznych”.

Etap 4 :

Ostatni etap to synteza ATP, który powstaje w wyniku fosforylacji ADP.

Znalezione obrazy dla zapytania ADP structure

Znalezione obrazy dla zapytania atp

Tutaj fragment odpowiedzi z próbnego I etapu, gdzie trzeba było zaznaczyć właśnie takie wiązanie glikozydowe :

ATP i ADP.jpg

Jak widać, cząsteczki te różnią się resztą fosforanową. Jeśli chodzi o powyższe związki, to należy zwrócić uwagę na kluczowe elementy budowy, czyli obecną zasadę azotową (adeninę), która jest połączona wiązaniem  \beta - N glikozydowym z cząsteczką D-cukru (D-rybozy) na węglu pierwszym, natomiast z drugiej strony (lewej), a dokładnie na piątym atomie węgla rybozy, mamy przyłączone trzy reszty fosforanowe.

Wiązania tam obecne są analogicznie do wiązań obecnych w bezwodnikach kwasowych, np. w bezwodniku octowym :

bezwodnik kwasu fosforowego.jpg

 

2.  ,,Biochemiczna notacja” , czyli jak sobie radzić z innymi sposobami zapisu reakcji.

Notacja spotykana w chemii szlaków biochemicznych jest nieco inna niż ta, którą zwykle używamy. Poniżej przykład reakcji, która jest jednym z etapów tak zwanego cyklu Krebsa. W trakcie tej reakcji izocytrynian (substrat) zostaje utleniony do szczawiobursztynianu (produkt) za pomocą  NAD^{+}   z użyciem enzymu (nie pokazanego na schemacie), który z kolei ulega redukcji do  NADH   . W trakcie tej reakcji wydziela się cząsteczka dwutlenku węgla.  Reakcja ta została przedstawiona na dwa sposoby, które pokazano poniżej

biochemiczna notacja.jpg

Aby oswoić się nieco z tymi reakcjami, spójrzmy na niektóre tego typu przekształcenia :

  • w poniższej reakcji następuje wyrwanie cząsteczki wodoru (co widać po tym, że związek  FAD   przechodzi w związek bogatszy o dwa atomy wodoru, czyli ulega redukcji  FADH_{2}   . Substrat oddaje po jednym atomie wodoru z atomów węgla w efekcie czego powstaje wiązanie podwójne.
    • cząsteczka  FAD   jest duża i niewygodnym byłoby przedstawianie całej jej struktury, stąd w tego typu reakcjach/zadaniach raczej na pewno spotkacie się z tymi skrótami, które co prawda wyglądają groźnie, ale w rzeczywistości bardzo ułatwiają życie. Nie bójcie się zatem ,,nowych skrótów” , bo po pierwsze będą one zawsze wyjaśnione, a po drugie wystarczy jedynie patrzeć ,,co się zmienia”.

FADH2 i FAD.jpg

A oto struktura  FAD oraz jej wersji zredukowanej  FADH_{2}

FADH2 i FAD aschemat.jpg

W ,,najgorszym” scenariuszu zostanie pokazana powyższa reakcja. Należy wówczas nie panikować i zauważyć na spokojnie ,, co się zmieniło” . Tutaj zauważycie, że przybyły dwa wodory, zatem z naszego substratu musiało w takim razie ubyć dwa wodory.

  • kolejna reakcja, bardzo podobna. Tutaj jedyną różnicą jest inny utleniacz oraz to, że alkohol drugorzędowy naturalnie utlenia się do ketonu.

Nad, nadh schemat.jpg

  • również bardzo ciekawa reakcja enzymatyczna pojawiła się na próbnym I etapie. Należało tam chwilę poanalizować schemat, żeby zobaczyć, że fragment ornityny był zawarty w cząsteczce argininy! Ale z tego co piszecie w ankiecie, poradziliście sobie całkiem ładnie z tym zadaniem (chociaż spełniło ono swoją rolę i mocno Was przestraszyło na początku, ale wystarczyło się wczytać i podejść do zadania bez strachu, żeby ładnie je rozwiązać).

 

3.  Kilka ważnych związków z punktu widzenia biochemii. 

  • acetylo-koenzym A (skrót :  Ac-CoA) , był już opisany wyżej.
  •  glicerol – podstawowy składnik tłuszczów. Czy ktoś przy okazji pamięta jak odróżnić taki właśnie alkohol polihydroksylowy od monohydroksylowego, np. propanolu? 
  • glukoza – jedyny cukier, którego strukturę należy znać. Najwygodniej chyba nauczyć się jej w projekcji Fischera (niedawno była mnemotechnika na to pokazana na fb), ale oczywiście musicie umieć przekształcać to do projekcji Hawortha (formy piranozowe oraz furanozowe), umieć rysować anomery alfa i beta.
  • glicyna – najprostszy alfa-aminokwas, moim zdaniem jedyny, który powinniście znać. Jeśli będą inne aminokwasy w zadaniu, to dostaniecie na zawodach specjalnie tablice aminokwasów. Dla chętnych do nauczenia lizyna – statystycznie najczęściej pojawiający się aminokwas w zadaniach. [Ja mam jakieś przeczucie, że w sobotę będzie do narysowania lizyna w projekcji Fischera jako enancjomer L. Zobaczymy jak moja intuicja, ale ogólnie projekcję Fischera to przewiduję na 99%].
  • NADH NAD^{+}  oraz  FAD   i  FADH_{2}    – traktujcie te związki jak reduktory i utleniacze. Jeśli wiadomo, że ,,przyjmowanie wodorów” to redukcja, to znaczy że drugi związek (nasz substrat) może się utlenić.
  • ATP, ADP, AMP – struktura została opisana wyżej. Przy okazji warto wiedzieć czym jest nukleotyd i nukleozyd.
  • kwas cytrynowy oraz kwas mlekowy, kwas szczawiowy (znajdziecie je tutaj : Kwasy karboksylowe – wszystko co musisz wiedzieć przed I etapem )
  • pirogronian – to produkt utlenienia kwasu mlekowego (tak najłatwiej zapamiętać jego strukturę). Jest alfa-oksokwasem.
    • Niepodpisana grafika związku chemicznego; prawdopodobnie struktura chemiczna bądź trójwymiarowy model cząsteczki

Oczywiście nie chodzi o to, żeby nauczyć się na pamięć jak największej liczby związków i liczyć na łut szczęścia, że nasz związek X to związek, który akurat znamy. Dlatego na czerwono zaznaczyłem te cząsteczki, które trzeba znać.  

 

4.  Kilka słów o enzymach :

I na koniec (ktoś jeszcze czyta?) dosłownie w kilku punktach to, co warto wiedzieć o enzymach.

  • enzymy to w większości białka, które pełnią funkcję katalizatorów – w takim razie przyspieszają specyficzne reakcje chemiczne (obniżają energię aktywacji – patrz tutaj :  Równanie Arrheniusa )
  •  Enzymy są wysoce specyficzne (,,wybredne”) wobec substratów i wobec tego dany enzym katalizuje zaledwie kilka reakcji spośród wielu możliwych! W ten sposób enzymy determinują procesy metaboliczne i biochemiczne związane z funkcjonowaniem organizmów żywych.
    • Jak wszystkie katalizatory, również enzymy nie zużywają się w trakcie przebiegu reakcji, a także nie wpływają na ich równowagę. Pytanie o to pojawiło się np. tutaj :  62 edycja, I etap, Zadanie 1 – podpunkt g)
  • Enzymy są podstawą istnienia życia, jako że są niezbędne do zajścia niemalże każdej reakcji chemicznej z szybkością i wydajnością znacząco wysoką dla procesów biologicznych. Bez enzymów większość reakcji zachodziłaby zbyt wolno lub zbyt mało wydajnie, by miało to zauważalne w czasie znaczenie.
  • Najważniejsza, taka praktyczna rada. Jeśli nad strzałką reakcji jest dopisany jakiś enzym, to naprawdę może dziać się dowolna, pozornie kosmiczna dla nas reakcja, której nie jesteśmy nawet w stanie pojąć, bo nie posiadamy w głowie tak szerokiego arsenału znanych nam reakcji, aby przeprowadzić dane przekształcenie. W takim przypadku należy przede wszystkim sugerować się treścią zadania [oczywiście wszystkie reakcje z udziałem enzymów da się wyjaśnić, jednak to już naprawdę wysoki chemiczny poziom]. Reakcje z udziałem enzymów pozwalają również na uzyskanie spektakularnej chemoselektywności, co można zaobserwować np. tutaj : enzymatyczna reakcja.jpg

 

Generalnie nie ma co ,,przeginać” i uczyć się szlaków glikolizy czy cyklu Krebsa, nikt od Was tego nie będzie wymagał. Myślę, że to co ewentualnie mogłoby się pojawić na I etapie zostało dobrze przedstawione w zadaniu piątym w próbnym I etapie. Czyli wygląda bardzo strasznie, ale jak się wczytamy to widać, że wszystko jest wytłumaczone i do wykombinowania. Zatem z samego postu najważniejsze jest to, aby oswoić się nieco z odmiennym zapisem reakcji biochemicznych. A ze wszystkim sobie poradzicie, o ile oczywiście macie dobrze opanowaną ,,ogólną chemię organiczną”.

Na sam koniec rzućcie jeszcze okiem na fragment mojego zadania, które kilka lat temu zrobiłem w ramach próbnego II etapu (było bardzo trudne, sam miałem problemy je zrobić po tym jak rok przeleżało w szafie 😀 . Walka trwała chyba dwie godziny). Chodzi jedynie o przejście związku C w związek D.

IMG_20191119_162310.jpg

Nad strzałką zostaje użyty kompletnie nieznany nam reagent DDQ (i takie jest założenie zadania!). Widzimy jednak, że uległ on reakcji redukcji (zostały dołączone dwa atomy wodoru), a zatem sam DDQ pełni w tej reakcji rolę utleniacza, a związek D ma dwa atomy wodoru mniej niż związek C (utlenił się).

Na koniec warto moim zdaniem przerobić zadanie właśnie takiego ogólnego typu, które wstawiłem w ramach próbnego I etapu rok temu :  Próbny I etap przed 65 Olimpiadą Chemiczną  , a tutaj znajdziecie rozwiązania :  Próbny I etap – rozwiązania cz. 2

4 myśli w temacie “Podstawy reakcji enzymatycznych”

  1. Czy reakcje z enzymami nie są bardziej na finał? Nie pamiętam, żeby na którymkolwiek z I etapów pojawiły się struktury ADP, ATP i tym podobne (mogę się mylić). Czy sądzisz, że mogą w sobotę pojawić się cyklizacje glukozy i fruktozy, albo jakieś polisacharydy?
    Pozdrawiam

Leave a Reply