Trzmiel # Biochemia cz.II.doc

ROZDZIAŁ 5. METABOLIZM KOMÓRKOWY

Pojęcia wprowadzające

Metabolizm to całokształt przemian materii i energii zachodzących w żywej komórce. Wszystkie procesy metaboliczne łączą się w komórce w całość i wzajemnie się uzupełniają. Na metabolizm składają się głównie procesy kataboliczne (szlaki kataboliczne) i anaboliczne (szlaki anaboliczne). W toku tych przemian energia uzyskana z rozkładu jednych związków organicznych, użyta zostaje do syntezy innych związków. W komórkach mogą jednak równocześnie przebiegać inne reakcje czy nawet długie szlaki o charakterze biochemicznym np.: biodegradacyjne, peryferyjne, anaplerotyczne czy amfiboliczne.

Katabolizm to ogół reakcji rozkładu złożonych związków organicznych na produkty proste, zawierające mniejszą ilość energii swobodnej aniżeli wyjściowe substraty. Uwalniana energia chemiczna, przetwarzana jest w wysokoenergetyczne związki typu ATP. Szlaki kataboliczne to ciągi reakcji enzymatycznych, w których następuje rozkład dużych i skomplikowanych związków organicznych na mniejsze.

Można przyjąć, że głównym celem przemian katabolicznych jest pozyskanie energii ze „spalenia enzymatycznego” związków organicznych, które dają się „spalić” w komórce. Przykładowo, u człowieka będzie to rozkład sacharozy lub tłuszczów, a u bakterii metylotroficznych wykorzystanie metanu lub innych n‑alkanów.

Pełny katabolizm można rozpatrywać w kategorii mineralizacji: w tym układzie końcowe produkty reakcji katabolicznych są związkami nieorganicznymi (m.in. CO2, H2O, NH4+, SO42-, itp.).

Według autora:  w definicji katabolizmu lepiej unikać pojęcia „biodegradacja”. Termin biodegradacja został zarezerwowany dla innych procesów (patrz poniżej - Biodegradacja).

Anabolizm (szlaki anaboliczne). To zespół reakcji, w których są syntetyzowane składniki budulcowe komórki o skomplikowanych strukturach, ze związków o prostej budowie, doprowadzanych do komórki z zewnątrz lub powstających podczas katabolizmu komórkowego. Reakcje syntezy wymagają energii i stąd nazywane są endoergicznymi. Przykładem reakcji anabolicznych jest: synteza enzymów, składników ściany komórkowej drobnoustrojów, itp.

Biodegradacja (szlaki biodegradacyjne). To enzymatyczny rozkład złożonych, najczęściej sztucznie wyprodukowanych przez człowieka związków organicznych, zaliczanych do kategorii ksenobiotyków (czyli substancji obcych dla środowiska naturalnego), na prostsze składniki chemiczne przez bakterie, grzyby, pierwotniaki i glony. O ile to możliwe komórki Prokaryota mineralizują ksenobiotyki z wykorzystaniem energii swobodnej w nich zawartej. Celem biodegradacji jest usunięcie tych związków ze środowiska, gdyż są potencjalnym zagrożeniem dla żywej komórki.

Niektóre z tych szlaków mogą być nawet kilkunastoetapowe (np. biodegradacja antracenu lub fenantrenu). Może się zdarzyć, że niektóre z enzymów występujących w tych szlakach są kodowane w plazmidach.

Procesem pokrewnym do biodegradacji jest detoksykacja. Mianem tym określa się procesy, w wyniku których toksyczne dla środowiska (a w zasadzie, dla żywej komórki) substancje chemiczne są przekształcane w związki nietoksyczne, które z kolei dalej są biodegradowane, mineralizowane, asymilowane lub w ostateczności odkładane poza komórką.

Szlaki amfiboliczne – wielofunkcyjne. Przebiegają one niejako w poprzek innych szlaków. Ich metabolity pośrednie występują i są wykorzystywane w innych szlakach. Można uznać, że stanowią one „skrzyżowanie wielu dróg” metabolicznych, łącząc między sobą inne szlaki (anabolityczne, katabolityczne i biodegradacyjne). Najlepszym przykładem tego typu szlaków jest cykl Krebsa (a wśród wspomnianych metabolitów pośrednich: jabłczan, α-ketoglutaran czy bursztynylo~SCoA).

Reakcje (szlaki) anaplerotyczne. W tym przypadku, poprawne jest użycie pojęcia „reakcje anaplerotyczne” (aczkolwiek w literaturze mówi się często „szlaki anaplerotyczne”). Z reguły są to jednoetapowe (rzadko dwuetapowe) reakcje enzymatyczne, których zadaniem jest uzupełnienie w komórce pewnych ważnych, dla całości metabolizmu, związków chemicznych. Reakcje te dostarczają deficytowych substratów, m.in. do cyklu Krebsa, do intradiolowego szlaku katecholowego, itp.

Szlaki peryferyjne. W zasadzie, szlaki peryferyjne można zaliczyć do kategorii szlaków anabolicznych – w efekcie ich przebiegu powstają związki chemiczne zwane w „Ekologii Biochemicznej” metabolitami wtórnymi. Jednakże szlaki te, wyróżniają się tym, że przebiegają na poboczu (peryferiach) głównych szlaków metabolicznych - niejako w ich „cieniu”. Część enzymów występujących w tych szlakach, bywa kodowana w plazmidach.

Metabolity wtórne to substancje o różnorodnej budowie chemicznej wytwarzane podczas metabolizmu komórkowego i wydzielane przez żywe organizmy do środowiska w niewielkich ilościach, nie będące dla nich źródłem energii ani składnikiem strukturalnym, a odgrywające głównie rolę nośników informacji lub regulatorów procesów ekologicznych, w tym w oddziaływaniach pomiędzy żywymi organizmami.

5.1. Bioenergetyka procesów metabolicznych

Bioenergetyka (inaczej termodynamika biochemiczna) zajmuje się badaniem zmian energetycznych podczas reakcji biochemicznych. M.in. podaje reguły pozwalające określić, które reakcje enzymatyczne mogą zajść, które reakcje enzymatyczne są odwracalne, itp.

Każdy organizm do syntezy własnych związków (enzymów, kwasów nukleinowych, elementów strukturalnych komórki, itp.) oprócz podstawowych składników budulcowych potrzebuje znacznych ilości energii. W procesach metabolicznych kluczową rolę, jako nośnik energii chemicznej, odgrywa ATP, choć w wielu przypadkach zastąpiony może być przez któryś z innych nukleotydotrifosforanów (GTP, UTP, ITP lub CTP).

W komórkach podczas metabolizmu pojawiają się także związki wysokoenergetyczne nienukleotydowe.

5.1.1. Związki makroergiczne

Energia swobodna ΔG  uwalniana podczas hydrolizy większości wiązań (oczywiście tych, które hydrolizie mogą ulec) nie przekracza -16 kJ/mol. Między innymi do takich wiązań należą: wiązanie amidowe (w tym peptydowe) ─CO-¦-NH─, glikozydowe –CH2-¦-OR, estrowe ─CO-¦-OR, itp. Energia swobodna ich hydrolizy mieści się w zakresie od -16 do -9 kJ/mol. Wyjątkowo hydroliza niektórych wiązań fosforanoestrowych R─O-¦-PO32- prowadzić może do uwolnienia nieco większych ilości energii swobodnej, np. hydroliza glukozo-1-fosforanu wyzwala –21 kJ/mol. Związki chemiczne, które nie zawierają wiązań makroergicznych zaliczane są do związków niskoenergetycznych lub krótko mówiąc zwykłych.

Nie należy mylić energii swobodnej uwolnionej podczas hydrolizy wiązań z energią wiązań chemicznych. Ta druga jest ilością energii niezbędnej do rozerwania wiązania kowalencyjnego między dwoma atomami. Oscyluje ona wokół 350kJ/mol, np. energia wiązania C-O wynosi 352kJ/mol.

Związki makroergiczne (wysokoenergetyczne, zwane też w niektórych publikacjach niepoprawnie „bogatymi w energię”) to takie, które zawierają przynajmniej jedno wiązanie makroergiczne. Dla przypomnienia: dolną wartością energii swobodnej hydrolizy, która decyduje o zaliczeniu wiązania do makroergicznego jest ΔG = −25 kJ/mol (porównaj: str.84). Wiązania makroergiczne występują w pirofosforanach (m.in. w nukleotydodi- i trifosforanach – patrz str.84), w acylofosforanach, w enolofosforanach, w połączeniach guanidyny i jej pochodnych z resztą fosforanową, w tioestrach i ponadto w acylowanych pochodnych tiazolu.

Związki wysokoenergetyczne odgrywają podstawową rolę w przemianie energii żywych organizmów. Ich funkcja w procesach metabolicznych związana jest bezpośrednio z obecnością wiązania makroergicznego. Wiązanie takie decyduje o dużej aktywności związku. Ulega ono łatwo rozerwaniu a oderwane fragmenty (np. reszta fosforanowa, pirofosforanowa, glikozydowa, acetylowa, CoAS~ lub inna) może być przenoszona na różne substraty, tym łatwiej, iż rozkład tych związków jednocześnie dostarcza energii swobodnej niezbędnej dla takich reakcji. Związki tego rodzaju uczestniczą również w różnych reakcjach syntez (reakcjach endoergicznych) jako kofaktory - pośredniki wyzwalające energię swobodną zawartą w makroergicznym wiązaniu potrzebną do powstania nowego wiązania. Ponadto, są nośnikiem energii z jednego miejsca komórki do drugiego (np. z mitochondriów do rybosomów).

Reasumując; uwalniana energia w reakcjach rozkładu wiązania makroergicznego wykorzystywana może być do:

1.    W reakcjach anabolicznych (endoergicznych), do syntezy związków złożonych (w tym własnych składników strukturalnych komórki) z niskocząsteczkowych komponentów,

2.    Aktywnego transportu różnych związków do lub poza komórkę,

3.    Pracy narządów ruchu,

4.    Utrzymania odpowiedniej temperatury ciała (zamiany na ciepło).

Nie należy utożsamiać związków wysokoenergetycznych ze związkami zasobnymi w energię. Za miarę ilości energii w przemianach biochemicznych uważa się liczbę powstających lub zużywanych cząsteczek ATP. Wszystkie związki chemiczne uczestniczące w metabolizmie charakteryzują się określonym potencjałem energetyczno-chemicznym. Potencjał ten mówi ile energii w postaci ATP zostanie uwolnione w warunkach tlenowych w wyniku pełnego katabolizmu lub całkowitej biodegradacji (czyli mineralizacji, tzn. całkowitego biologicznego utlenienia do CO2 i H2O) danego związku. Prosta reguła mówi, że im więcej związek zawiera atomów H, tym jest bardziej zasobny energetycznie. W tabeli 4.1. podano potencjał chemiczny niektórych związków. Warto zwrócić uwagę, że acetylo~SCoA, pomimo iż jest związkiem wysokoenergetycznym, zalicza się do związków ubogich w energię.

Tabela 5.1. Potencjał energetyczno-chemiczny niektórych związków

W przypadku skrobi, tłuszczów i innych wysoce zasobnych energetycznie związków narzuca się określenie, że są to związki bogate w energię (bogate energetycznie). Niestety, Lipmann nieopatrznie w latach 50-tych ubiegłego wieku dla związków wysokoenergetycznych (m.in. dla ATP) wprowadził pojęcie „fosforany bogatoenergetyczne”, które później w literaturze fachowej zostało przemianowane na „związki bogate w energię”. Podobnie wiązanie makroergiczne bywa w literaturze biochemicznej niepoprawnie zwane „wiązaniem bogatoenergetycznym”, pomimo że w chemii fizycznej od lat o wiązaniach chemicznych mówi się, że mają wysoki lub niski potencjał energetyczny. W związku z powyższym w podręczniku unika się pojęcia „związki bogate w energię”, natomiast wprowadzono pojęcie „związki zasobne w energię”, dla określenia takich związków, jak kwas palmitynowy i podobnych.

5.1.2. Powstawanie związków wysokoenergetycznych w procesach biochemicznych

Wszystkie związki wysokoenergetyczne pojawiające się podczas metabolizmu są endogennego pochodzenia, co oznacza, że nie są dostarczane do komórki z zewnątrz. Wytwarzane są jednym z trzech zasadniczych sposobów:

1.       Tworzenie wysokoenergetycznych związków typu nukleotydotrifosforanów odbywa się poprzez przyłączenie reszty kwasu fosforowego do odpowiedniego nukleotydodifosforanu (np. w przypadku ATP, do ADP). Następuje to na drodze procesu, zwanego fosforylacją. Szczegóły dotyczące fosforylacji opisano w rozdziale 5.2.

2.       Powstawanie wysokoenergetycznych związków następuje kosztem energii wiązań makroergicznych innych związków wysokoenergetycznych obecnych w komórce.

3.       Związki wysokoenergetyczne powstają ze związków niskoenergetycznych w specyficznych ciągach reakcji enzymatycznych występujących w szlakach katabolicznych lub biodegradacyjnych (np. podczas glikolizy, w cyklu Krebsa, w intradiolowym szlaku katecholowym, itp.).

5.1.2.1. Powstawanie wysokoenergetycznych związków kosztem energii wiązań makroergicznych innych związków wysokoenergetycznych

W trakcie metabolizmu komórkowego ten sposób powstawania wysokoenergetycznych związków spotyka się bardzo często. Można wyróżnić 4 podtypy tego sposobu:

1) Następuje przeniesienie ~P, czyli energii i fosforanu z ATP lub innego nukleotydotrifosforanu na zwykły związek chemiczny, który może stać się dzięki temu związkiem wysokoenergetycznym. Proces ten nazywa się ufosforylowaniem. Z uwagi na jego zasadnicze znaczenie w metabolizmie komórkowym zostanie omówiony oddzielnie w rozdziale 5.1.3.

2) Od ATP lub innego nukleotydotrifosforanu zostaje enzymatycznie odszczepiony PPi (pirofosforan), a powstały nukleotydo-5’-fosforan zostaje przeniesiony na ufosforylowany wcześniej substrat: w efekcie powstaje związek wysokoenergetyczny. Proces ten nazywany bywa adenylacją. Przykładem tego typu procesu jest powstawanie „aktywnej glukozy”, czyli UDPG (porównaj: str.86). Innym przykładem może być powstawanie „aktywnej choliny”, czyli CDP-choliny (cytydylilodifosfocholiny). Reakcja katalizowana jest przez cytydylilotransferazę fosfocholinową (EC 2.7.7.15).

3) Tworzenie wysokoenergetycznych związków w reakcjach syntez, z wykorzystaniem ATP jako donora energii. Przykładem może być synteza acetylo~SCoA opisana na str. 81 i 86. Innym przykładem może być uaktywnienie kwasu benzoesowego przez przyłączenie CoASH. W wyniku syntezy powstaje benzoilo~SCoA. Reakcję katalizuje ligaza benzoesan-CoA (EC 6.2.1.25).

4) Przeniesienie wiązania makroergicznego ze związku wysokoenergetycznego na związek zwykły (niskoenergetyczny) z jednoczesną zamianą ich potencjału energetycznego. Przykładem może być przeniesienie CoAS~ z bursztynylo~S...