Biokémia Révész: Dr. Tóth Réka Anyagcsere / Bevezetés a metabolizmusba Ajánlott irodalom: Orvosi Biokémia Akadémiai Kiadó 2016 (Ádám Veronika) Aláírás megszerzésének feltétele: nincs feltételhez kötve, szorgalmi időszakban írható dolgozatokból (2 jegymegajánló dolgozat összesített pontszáma alapján, 50-64%: 2, 6574%:3, 75-85%:4, 86%-tól: 5) Elearningben tesztvizsgák: ha az összes meg van írva vizsgán plusz pont Előadás: ajánlott, nem kötelező *-ozott rész: legfontosabb dia ---(szaggatott): kiegészítő anyag Nem kell megtanulni a képleteket! Minden dián le lesz írva, ami számonkérhető. METABOLIZMUS (anyagcsere) Makroszkópikus értelemben: Alapvető életjelenség: minden élőlényre jellemző folyamat. Az élő rendszer (szervezet) és környezete között lezajló folyamat, mely anyag (és energia, információ) felvételt átalakítást leadást azaz cserét biztosít. Mikroszkópikus értelemben (sejt szintre vonatkoztatva): az anyagfelvétel és leadás közötti kémiai reakciók összessége (intermedier anyagcsere) Metabolikus útvonalak típusai 1. Metabolikus (lebontó folyamatok): A táplálék összetett molekulái (szénhidrátok, fehérjék és zsírok) vagy a tárolt tartalékok bomlanak le, kisebb építő elemekre Energiát és építőelemeket szolgáltat a sejt számára hasznosítható formában. 2. Anabolikus (felépítő folyamatok): Egyszerű vegyületekből, például öt és hat szénatomos cukrokból,aminosavakból, zsírsavakból összetett makromolekulák (poliszacharidok, fehérjék, nukleinsavak) bioszintézise (szervezetet funkcionális anyagai, tartalékok) Energiabefektetést igényel A táplálkozás célja: anyag és energia igény fedezése Emésztés: kisebb felszívódó építőelemekre bontás (előkészítő szakasz) További tényleges hasznosulás a sejteken belül (sejtlégzés) A táplálék összetevők kémiai kötéseiben van tárolva az energia. Ezt kell egy másik energiaigényes folyamat számára hasznosítható formává alakítani (ATP). Ez a folyamat fokozatos oxidációval Földi körülmények között (O2 dús légkör) a legtöbb élőlény a C-t CO2vé, a H-t H2Ová oxidálja el Mi minősül oxidációnak? Oxidáció: Oxigén felvétel, Hidrogén leadás, e- (elektron) leadás Redukció: Oxigén leadás, Hidrogén felvétel, e- felvétel Példák oxidációra: Szerves molekulákban C-H kötés kicserélődése C-O kötésre: oxidáció (ábra) Fe2+ → Fe3+ (elektron átadás más molekulának) NADH → NAD+ + 2e- + H+ Elektron (e-) felvétele és leadása vizes közegben mindig együtt jár H+ felvételével, leadásával. A táplálékösszetevőkből kivont energia kis, aktivált, ingázó molekulákban tárolódik Aktivált ingázó molekulák: ATP!, NAD(P)H, FADH2 Ilyen aktivált kis molekulák ingáznak a katabolikus és anabolikus útvonalak között. A legfontosabb ilyen ingázó az ATP (és NADH, FADH2, végső soron az utóbbiakban tárolt energia aztán az elektrontranszportlánc segítségével ATP szintézisre használódhat.) e (általános energia valuta, nukleodit) Munkavégzésre vagy bioszintézisre fordított energia Napfény (növények) vagy táplálék lebontással nyert energia Az ATP szintézise (kondenzáció) energia igényes Kapcsoltság elve: ATP hidrolízise lehetővé tesz energetikailag kedvezőtlen reakciókat (energiát szolgáltat energia igényes reakciók számára) A kapcsolatokat az enzim teszi lehetővé A kapcsoltság azt jelenti, hogy az energetikailag kedvező reakciólépés egy energetikailag kedvezőtlen reakcióhoz van enzimatikusan kapcsolva. Hexokináz: enzim segítségével kapcsolódik a két reakció NAD, FAD szerepe: e-, H+ hordozók (kofaktorok redox reakcióban) elektronokat és protonokat tudnak felvenni és leadni enzimek működéséhez kellenek ATP szintézis (állati sejtekben) Legnagyobb mennyiségben: mitokondriális oxidatív foszforiláció során (légzési lánc + ATP szintáz) Kisebb mennyiségben légzési lánc nélkül is: szubsztrát szintű foszforilláció (direkt foszfát transzfer) Ilyenkor nagy energiájú vegyület közvetlenül ADP-nek ad át PI csoportot Az aTP szintézis és felhasználás útjai sejtekben: Miért lélegzünk? A légzés: makroszkópikus értelemben egy soksejtű szervezet oxigén felvételét és széndioxid leadását jelenti A sejtlégzés: Biokémikusok, sejbiológusok által használt fogalom, a légzés mikroszkópikus Metabolizmus: enzimek katalizálta biokémiai reakciók, rendkívül szervezett Enzimek: az élőnsejtekben zajló biokémiai folyamatokat katalizáló fehérjék. Lehetővé teszik a kémiai reakciók végbemenetét az élő szervezetben uralkodó kö Az enzimek az aktiválási energia (Ea) csökkentésével teszik lehetővé bizonyos kémiai reakciók végbemenetelét Enzimek osztályozása: Elnevezés: - „áz” végződés (pl aldoláz) vagy triviális nevek (pl pepszin) Adott enzim neve utal a szubsztrátra és a reakció típusára: Az enzimműködés általános jellemzői: - Nagyméretúű katalitikus erő Nagyfokú specificitás (aktív centrum szerkezete szabja ,eg) Szabályozottság Működésükhöz gyakra igényelnek kofaktrort (apoenzim + kofaktror = holoenzim) Kofaktor: Ilyen a NAD és a FAD is a) szervetlen atomok/molekulák b) kisméretű szerves molekulák a. koenzimek b. prosztetikus csoportok Az aktív hely: - kis része a molekulának (rés, zseb – néhány amminosavrész alkotja) háromdimenziósan rendeződött szerkezet, ahová a szubsztrát többszörös, gyenge típusú kölcsönhatással kötődik specificitás: Az enzimek aktivitását befolyásoló tényezők: - szubsztrát mennyisége Mindazok hatások, melyek az aktív centrum paramétereit megváltoztatják, azok módosítják az enzim aktivitását: a) b) c) d) Környezeti tényezők (hőmérséklet, pH ) Inhibítorok jelenléte Effektorok jelenléte (pl. allosztéria) Kovalens módosítások (pl. foszforiláció, acetiláció stb) Enzim működését leíró kinetikai paraméterek: VMAX és KM Vmax: maximális reakcióképesség A reakció sebessége (egységnyi idő alatt átalakított szubsztrát mennyiség) a szubsztrátkoncentráció emelésével egy telítési értékig növelhető (maximális reakciósebesség: Vmax). Itt az összes enzim aktív hely foglalt. KM Michaelis-Menten állandó - - Ha értéke nagy gyenge a kapcsolat az enzim és szubsztrát között (kicsi az enzim affinitása a szubsztrát felé), azaz magas szubsztrátkoncentráció ímellett működik effektíven az enzim. (Ellenben kis Km → nagy affinitás.) A KM értéket membrán transzporterek esetében is használják (pl GLUT). Ott a transzportált anyag felé mutatott affinitásra értendő. Allosztéria Egy ligandnak (nem a szubsztrátkötő helyre történő) kötődése által kiváltott szerkezet változás, mely módosítja a szubsztrát kötő zseb szerkezetét, és ezáltal enzim aktivitását. A) Egy pozitív alloszterius faktor bekötődése úgy változtatja meg az enzim konformációját (térbeli szerkezetét), hogy az nagyobb affinitással köti szubsztrátját, nőveli az enzim aktivitását. B) Egy negatív alloszterius faktor (lila) bekötődése úgy változtatja meg az enzim konformációját, hogy az kisebb affinitással köti a szubsztrátot, csökkenti az enzim aktivitását. Szabályozás fehérje foszforiláció-defoszforiláció révén - Reverzibilis kovalens módosítás. Anyagcsere szabályozásának alapelvei: - Az anyagcsere utak bonyolult hálózatot alkotnak, hasonlóan egy közlekedési úthálózathoz. Vannak oda-vissza járható utak (reverzibilis lépések) és vannak egyirányú utak (irreverzibilis lépések). - Enzimek ki be kapcsolása révén - forgalom elterelés lehetséges (kulcs enzimek ki be kapcsolásával a szubsztrát (kiindulási anyag) vagy intermedier (köztitermék) elterelhető egy másik útvonalra - Általában az irreverzibilis (egyirányú) lépések a szabályozottak (kulcs enzimek, un. elkötelező, sebességmeghatározó lépések). - A szubsztrát mennyiségének növekedése serkent, a termék halmozódás gátol (negatív feedback). - Energia igény: a glükagon folyamatokat az ATP halmozódása gátolja, ADP, AMP serkenti. Az anabolikus folyamatokat ATP serkenti, AMP gátolja. A METABOLIKUS FOLYAMATOK SZABÁLYOZÁSÁNAK SZINTJEI 1. Sejten belüli jelekkel (gyors, lokális) - szubsztrát elérhetőség - termék mennyiség - alloszterikus effektorok: ionok, metabolitok (pl citrát, alanin), energia töltöttség jelzői (ATP, AMP) 2. Sejtek közötti jelekkel (lassú, de szervezet szintjén hangol össze) - hormonokkal (pl glukagon, inzulin) enzimek aktivitását befolyásolja: pl kinázok/foszfátok segítségével. pl alloszterikus faktorok révén enzimek mennyiségét változtatv: pl génexpresszió szabályozása révén Szabályozás hormonokkal A hormonok receptorokon keresztül jelátviteli pályákat aktiválnak. Jel: hormon Jelfelfogó: receptor - A jelmolekula bekötődése a receptorhoz elindít egy reakciósorozatot, mely specifikus, sejtválaszt hoz létre. - Pl. MÁSODLAGOS HÍRVIVŐ mennyisége változik. (a jel és végső hatás között közvető kis, diffúzibilis molekula). Metabolikus útak szabályozása esetében a legfontosabbak: cAMP, cGMP, Ca2+ Jelátvitel útvonal elemei - jel - receptor - jelátalakító, erősítő jelátvivő elemek - végrehajtók - biológiai válasz A cAMP közvetített jelpálya
