Základy biochemie

Regulace biochemických dějů

 

BIOCHEMIE = „chemie živých soustav“

• vědní obor stojící na rozhraní biologie a chemie
• zabývá se chemickým složením živých soustav a přeměnami látek nacházejících se v živé hmotě
• zkoumá, jak tyto přeměny souvisejí s fyziologickými procesy organismu a jak je možné tyto procesy prostřednictvím látkových přeměn ovlivňovat
• součástí je i molekulární biologie – studuje vztahy mezi funkcí a prostorovým uspořádání (strukturou) látek v organismu
• dělení:

 

• popisná biochemie .

• zkoumá složení organismů
• zabývá se strukturou a vlastnostmi látek tvořících organismus

 

• dynamická biochemie .

• studuje látkové a energetické přeměny uvnitř živých soustav a vztah těchto přeměn k okolí
  • odvětví biochemie:
• např.: biochemie mikroorganismů, rostlin, živočichů

lékařská, potravinářská biochemie

genové inženýrství, …

 

Srovnání živé a neživé soustavy

 

î PODOBNÉ ZNAKY

• stejná materiální podstata Õ živá i neživá hmota se skládá ze stejných látek, ale v jiném procentuálním zastoupení
• procesy v obou soustavách probíhají podle stejných chemických a fyzikálních zákonů î procesy probíhající v živých organismech lze napodobit v chemických laboratořích (např. syntetický inzulín, umělá syntéza genů, …)

 

î ODLIŠNÉ ZNAKY

• organizovanost hmoty v prostoru a čase – tzn. provázání procesů, které v dané soustavě probíhají

• živé soustavy Õ vyznačují se současným průběhem obrovského množství procesů vzájemně přesně zkoordinovaných (sladěných), které jsou jeden na druhém závislé î dávají život
• neživé soustavy Õ jednotlivé procesy vystupují jako samostatné děje – tzn. neprobíhají všechny současně, přesně na sebe nenavazují, nejsou vždy podmínkou pro uskutečnění jiných dějů

 

Chemické složení živých soustav

 

• neexistuje specifický prvek živého organismu Õ každý prvek živé hmoty se vyskytuje v zemské kůře
• rozdíl pouze v jejich procentuálním zastoupení v organismu a v zemské kůře

• asi ¾ z celkového počtu prvků nacházejících se v přírodě (92) živý organismus vůbec nevyužívá, některé jsou pro něj dokonce jedovaté (např. Hg, Pb, Cd)
• asi 99% živé hmoty tvoří: O, C, H, N
• nejhojnější prvky zemské kůry: O, Si, Al, Fe, Ca

 

BIOGENNÍ PRVKY î prvky nezbytné & nepostradatelné pro správné fungování organismu

 

• dělení podle procentuálního zastoupení v organismu

1. makrobiogenní prvky
   • tvoří více než 1 hmotnostní % organismu (každý zvlášť)
   • patří sem: O, C, H, N, P, Ca, někdy sem bývá řazena i S

 

1. oligobiogenní prvky

celkem 27

• tvoří méně než 1 a současně více než 0,05 hmotnostního % organismu (každý zvlášť)
• patří sem: S, K, Na, Mg, Cl, někdy sem bývá řazeno i Fe a Ca

 

1. stopové prvky
   • tvoří méně než 0,05 hmotnostního % organismu (každý zvlášť)
   • obsaženy v malém množství, ale nepostradatelné î biologický význam není vždy úměrný obsahu
   • patří sem: Fe, Cu, Zn, Mn, Co, I, … , někdy sem bývá řazen Mg

 

• v organismech se vyskytují téměř výhradně ve sloučeninách:

1. anorganické sloučeniny

 

VODA … H₂O .

 

• součást všech živých organismů Õ zaujímá 60 – 90 % hmotnosti organismu
• zdroj: potrava, tekutiny î z vnějších látek

část vzniká při metabolických procesech = metabolická voda

 

• význam:

• reakční prostředí Õ probíhají v ní veškeré fyzikální a chemické děje – tzn. přeměny látek a energií
• rozpouštědlo polárních a iontových sloučenin
• účastník reakcí
  • do reakce vstupuje Õ hydrolýza, hydratace
  • z reakce vystupuje jako vedlejší produkt Õ např. neutralizace
• vzniku vody – zdroj E Õ uvolňuje se při něm velké množství E

 

2 H   +   ½ O₂   ®   H₂O   … DH = –218 kJ.mol^–1

 

• přenašeč Õ např. acidobazické děje

• podílí se na udržování stálé tělní teploty (viz níže)
• u rostlin navíc jedna z výchozích látek pro fotosyntézu
• složka buněčných membrán

 

• biochemicky důležité fyzikální vlastnosti vody:

• tvoří vodíkové můstky Õ ty způsobují:
  • poměrně vysoká teplota tání a varu
  • velká měrná tepelná kapacita (c= 4,18 kJ.kg^–1.K^–1) Õ význam při termoregulaci = udržování stálé tělesné teploty (zahřívání & ochlazování)
  • značné povrchové napětí

 

OXID UHLIČITÝ … CO₂ .

 

• jedna z výchozích látek pro fotosyntézu
• konečný produkt biologické oxidace organických sloučenin

 

AMONIAK … NH₃ .

 

• výchozí látka biosyntézy a konečný produkt přeměny dusíkatých látek

 

minerální soli .

 

• rozpuštěné na ionty:

• kationty: Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺
• anionty: Cl^–, HCO₃^–, NO₃^–, H₂PO₄^–, SO₄^2–, I^–

 

1. jednoduché organické sloučeniny

plní v organismu více funkcí, např.: základní stavební jednotky složitějších organických sloučenin meziprodukty při metabolických procesech a přeměn E

• 20 a–aminokyselin
• monosacharidy
• karboxylové kyseliny
• vyšší mastné kyseliny
• alkoholy (hlavně glycerol, cholesterol)
• 5 dusíkatých bazí
• nikotinamid, …

 

1. složité organické sloučeniny = biopolymery
   • bílkoviny Õ základní stavební jednotky: a–aminokyseliny
   • nukleové kyseliny Õ základní stavební jednotky: nukleotidy (sacharid, fosfát, dusíkatá baze)
   • sacharidy Õ základní stavební jednotky: vícesytné alkoholy s oxoskupinou
   • lipidy Õ produkty reakce mastných kyselin s alkoholy î estery

 

Chemické znaky živých soustav

 

1. jednotný chemický základ

• všechny organismy obsahují stejné druhy látek (bílkoviny, lipidy, sacharidy, nukleové kyseliny, voda, …) Õ každá z těchto látek má v daném organismu specifickou nenahraditelnou funkci

 

1. chemická přeměna látek = látkový metabolismus

• zisk energie pro životní pochody, biosyntéza látek potřebných pro danou soustavu

 

1. výměna látek a energie z okolím

 

1. enzymatický charakter chemických dějů

• enzymy = biokatalyzátory Õ bez jejich přítomnosti by většina dějů v organismu nemohla probíhat

 

REGULACE BIOCHEMICKÝCH DĚJŮ

• význam: propojuje a zajišťuje rovnováhu mezi jednotlivými procesy v organismu î autoregulace

udržuje stálou koncentraci substrátů, metabolitů a konečných produktů

 

î zajišťuje stálost vnitřního prostředí organismu = homeostáza

 

• typy regulací: enzymová

• u vývojově nižších i vyšších organismů
• katalyzuje průběh chemických reakcí prostřednictvím enzymů (viz níže)
• probíhá relativně rychle

 

hormonální (humorální)

• u vývojově vyšších organismů
• ovlivňují činnost orgánů a regulují průběh chemických reakcí prostřednictvím hormonů (viz níže)
• probíhá relativně pomalu

 

nervová

• u vývojově vyšších organismů
• ovlivňuje biochemické reakce prostřednictvím elektrochemických podnětů vedených v neuronech î prostřednictvím nervového systému
• probíhá velmi rychle po určitých drahách î má okamžitý efekt
• úzce spjata s hormonální regulací î neurohormonální (neurohumorální) regulace

• nejvyšší postavení má vždy CNS
• propojení hormonální a nervové soustavy je prostřednictvím hypofýzy (podvěsek mozkový)

 

ENZYMY .

 

= biokatalyzátory – tzn. katalyzátory biochemických reakcí

• katalyzátor = látka ovlivňující rychlost chemické reakce (zvyšuje/zpomaluje), přičemž se sama chemickou reakcí nespotřebovává î vychází z reakce nezměněna

• není výchozí látkou ani produktem Õ přechodný účastník reakce
• v chemické rovnici se zapisuje nad šipku

 

= látky bílkovinné povahy specializované na katalýzu biochemických reakcí

• známo více než 2500 různých enzymů

 

VLASTNOSTI enzymů

 

 snižují aktivační energii (platí obecně pro katalyzátory) = minimální energie potřebná pro uskutečnění reakce

 

Reakční koordináta = křivka zachycující energetický průběh reakce

 

EA … aktivační energie potřebná k reakci bez přítomnosti biokatalyzátoru   EA1 … energie potřebná k vytvoření enzym–substrátového komplexu   EA2 … energie potřebná k přeměně substrátu na produkt

                     E

 

E_A         ^E×××S       _E×××P

 

E_A1

E_A2

₀

^{E + S}

EA >>> EA1 + EA2

^{E + P}     –DH

 

průběh reakce

 

 

• substrát (tj. výchozí látka) se naváže na enzym î vznik enzym–substrátového komplexu

 

E   +   S   ®   E×××S  î zapotřebí dodat určitou aktivační energii … E_A1

enzym         substrát       enzym–substrátový

komplex

 

–    místo v molekule enzymu, kde se substrát naváže = AKTIVNÍ CENTRUM

• část peptidického (bílkovinného) řetězce enzymu s takovou terciální strukturou, která je jaksi komplementární ke struktuře substrátu
• způsob navázání substrátu na aktivní centrum objasňují dvě teorie:

 

• teorie „zámku a klíče“

–    struktura aktivního centra enzymu je naprosto komplementární ke struktuře substrátu Õ substrát do něj zapadá jako „klíč do zámku“

 

• teorie indukovaného přizpůsobení

–    struktura aktivního centra zcela neodpovídá struktuře substrátu, ale přítomnost substrátu vyvolá potřebnou změnu aktivního centra, která komplementarity dosáhne

 

• substrát je na aktivní místo navázán prostřednictvím: van der Waalsových sil

                                                                                                                     elektrostatických sil

                                                                                                                     vodíkových můstků

 

• v aktivním centru dochází zde k přeměně substrátu na produkt a odpojení produktu od enzymu

 

E×××S   ®   E×××P   ®   E   + P   î zapotřebí dodat určitou energii … E_A2

enzym–substrátový                                         enzym        produkt

komplex

 

 

• během celého procesu zachována terciální struktura enzymu î enzym se nemění ani nespotřebovává
• energie potřebná k přeměně substrátu na produkt za účasti enzymu je mnohonásobně menší, než energie, kterou by bylo zapotřebí dodat na tu samou reakci, ale probíhající bez účasti enzymu î enzymy snižují aktivační energii

 

‚ zvyšují rychlost reakce (platí obecně pro katalyzátory)

• enzymaticky katalyzované reakce probíhají ještě rychleji než reakce katalyzované chemicky

 

ƒ  enzymaticky katalyzované reakce probíhají:

Ÿ  při teplotách do 100 °C î relativně nízké teploty

Ÿ  při běžném atmosferickém tlaku (101 kPa)

Ÿ  bez objemových změn î při spojení jednotlivých reakcí do řetězců, kde produkt jedné reakce je výchozí látkou druhé, nedochází ke ztrátám

Ÿ  zpravidla při neutrálním pH (pH = 7)

• výjimku tvoří enzymy trávící soustavy (např. pepsin, trypsin)

 

„  vykazují specifitu – tzn. že každý enzym katalyzuje určitou reakci î enzym je pro tuto reakci specifický

• dva druhy specifit:

 

1. SUBSTRÁTOVÁ SPECIFITA

• enzym katalyzuje přeměnu jen určitého substrátu
• u složených enzymů ji určuje apoenzym (viz dále)

 

1. ÚČINKOVÁ SPECIFITA

• enzym katalyzuje reakci (přeměnu substrátu) jen určitým způsobem
• pouze u složených enzymů, protože ji určuje koenzym (viz dále)

 

–    např. enzymy se stejnou substrátovou, ale odlišnou účinkovou specifitou, můžou tentýž substrát přeměňovat různými způsoby î z jednoho substrátu vznikají různé produkty

 

• druhová specifita – každý biologický druh má své vlastní enzymy

 

… výhody oproti umělým katalyzátorům:

• jsou účinnější; netoxické
• lze je snadno regulovat
• fungují za běžných podmínek
• vykazují specifitu (viz výše)

 

NÁZVOSLOVÍ enzymů

• triviální názvy (např. pepsin, trypsin, ptyalin, …)
• název substrátu, jehož přeměnu katalyzují + koncovka ­–áza (např. sacharáza, maltáza, …)
• název druhu reakce, kterou katalyzují + koncovka –áza (např. reduktázy, oxidázy, …)
• kód (např. E.C.1.1.1.27)

 

DĚLENÍ enzymů

• podle struktury

1. JEDNODUCHÉ Õ tvořeny pouze bílkovinnou složkou î jednosložkové
2. SLOŽENÉ Õ vedle bílkovinné složky obsahují ještě složku nebílkovinnou î dvousložkové
   • bílkovinná složka = apoenzym

• podléhá denaturaci
• nese aktivní centrum
  • nebílkovinná složka = kofaktor

 

• tepelně stabilní (kdežto apoenzym teplem denaturuje)
• může jím být:

• prostetická skupina

–    pevně vázána na apoenzym

–    většinou ionty kovů (např. Zn²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Cu²⁺, K⁺, Na⁺)

• enzymy obsahující jako kofaktor iont kovu = metaloenzymy

• koenzym

–    slabě vázán na apoenzym î schopen se od něj oddisociovat (oddělit)

–    slouží jako přenašeči funkčních skupin/atomů/elektronů/H⁺ v reakci, kterou daný enzym katalyzuje

–    např. deriváty vitamínů řady B, nikotinamidu …

 

• apoenzym a kofaktor dohromady tvoří HOLOENZYM = fungující složený enzym

 

• podle typu reakce, který katalyzují Õ 6 tříd:

 

1. OXIDOREDUKTÁZY

• katalyzují oxidačně redukční procesy î katalyzují přenos H⁺ nebo e^–, reakce s kyslíkem

1. TRANSFERÁZY

• katalyzují přenos skupin/celých molekul mezi dvěma substráty Õ dárcem a příjemcem (donorem & akceptorem)
• např.

• fosofotransferázy Õ katalyzují přesun fosfátového zbytku, jehož donor je ATP
• aminotransferázy

• transmethylázy

• transacylázy

• transglykosidázy, …

 

1. HYDROLÁZY

• katalyzují hydrolytické štěpení (tzn. štěpení za účasti vody) různých vazeb

• při těchto štěpeních vzniká voda

  nejvýznamnější hydrolázy:

• glykosidázy Õ katalyzují štěpení glykosidických vazeb sacharidů, glykosidů
• lipázy Õ katalyzují štěpení esterických vazeb triacyglycerolů

• proteázy Õ katalyzují štěpení peptidických vazeb bílkovin

 

•  
1. LYÁZY (SYNTHÁZY)

• katalyzují:  nehydrolytické štěpení vazeb (tzn. takové štěpení vazeb, které neprobíhá za účasti vody)
•                             neoxidační štěpení vazeb
• při těchto procesech dochází ke vzniku dvojné vazby nebo k adici na dvojnou vazbu
• např. dekarboxylázy aminokyselin

1. IZOMERÁZY

• katalyzují přenos atomů/skupin v rámci téhož substrátu

1. LIGÁZY

• katalyzují syntézu organických sloučenin za spotřeby ATP î vznik vazeb za současného rozštěpení molekuly ATP

 

RYCHLOST ENZYMATICKÝCH REAKCÍ = katalytická aktivita enzymů

• lze změřit

• jednotka: 1 katal (kat) = množství enzymu, které způsobí přeměnu jednoho molu substrátu za sekundu (za standardních podmínek)

• faktory ovlivňující rychlost enzymatických reakcí:

 

• množství enzymu a substrátu

 

• rychlost je úměrná množství enzymu a substrátu Õ čím je jich více, tím reakce probíhá rychleji î vyplívá z 1. zákona chemické kinetiky (rychlost chemické reakce je přímo úměrná součinu molárních koncentrací reagujících látek)
•  

• vliv pH

 

• enzymy jsou velmi citlivé na změny pH Õ každý enzym aktivní jen v daném úzkém rozmezí pH = pH–optimum daného enzymu
• příčina: izoelektrický bod enzymu Õ aminokyseliny tvořící enzym mají své specifické izoelektrické body, který jsou si blízké î vytváří izoelektrický bod enzymu; při odklonu od jeho hodnoty dochází k disociaci skupin v aminokyselinách, v krajním případě může dojít až k elektroforéze (štěpení bílkoviny) î porušení struktury enzymu
• pH prostředí ovlivňuje:   pevnost vazby substrátu na enzym

disociaci skupin v aktivním centru enzymu Õ mění jeho tvar î enzym ztrácí svou funkci

katalytickou aktivitu enzymů (rychlost enzymatických reakcí)

• většina enzymů je nejaktivnějších při pH Î (6,0; 7,0) î neutrální nebo slabě kyselé prostředí
• výjimky: pepsin Õ 1,5–2,5                                                     trypsin Õ 7,5–10 
•                                                      pankreatická šťáva Õ 8,0
•                                                      sacharáza Õ 3,5–5,5

1. vliv teploty

• pro většinu enzymů teplotní optimum: 10 – 40 °C
• pro toto rozmezí platí 2. zákon chemické kinetiky (zvýšením teploty o 10° C se reakční rychlost u většiny reakcí zvýší 2´ až 4´ = van’t Hoffovo pravidlo) î s rostoucí teplotou rychlost enzymatické reakce roste
• při vyšších teplotách î nevratná denaturace – tzn. zničení terciální struktury enzymu a tím i aktivního centra Õ zrušena funkce enzymu
• při nižších teplotách î aktivita pouze snížena, ale nezrušena funkce enzymu
• význam: dlouhodobé uchovávání potravin v mrazničce, přechovávání transplantátů
•  

1. vliv aktivátorů a inhibitorů

• látky nacházející se v reakčním prostředí
• souhrnné označení: modifikátory, efektory = látky ovlivňující rychlost enzymatické reakce tím, že vstupují do interakce s enzymem

 

= oživení, povzbuzení, zesílení, zvýšení

 

• řada enzymů je produkována v neaktivní formě = proenzymy (zymogeny)
• aktivátor:
• zvyšuje rychlost reakce, a to tím, že aktivuje proenzym na fungující enzym Õ odštěpí část jeho molekuly, čímž odblokuje aktivní místo enzymu
• k aktivaci proenzymu dochází až v místě působení daného enzymu
• např. ionty kovů (Mn²⁺, Zn²⁺, Co²⁺, …), kyseliny (HCl), jiné enzymy

• HCl   aktivátor

  např. aktivace trávících enzymů               pepsinogen                     pepsin 

 

•                                                                                                          proenzym                                            aktivní forma enzymu
• pepsin katalyzuje štěpení nerozpustných bílkovin v žaludku
• je aktivován až v přítomnosti těchto bílkovin, aby nenatrávil vlastní žaludeční sliznici
  

  î enteropeptidáza odštěpí od trypsinogenu hexapeptid

  eneteropeptidáza   aktivátor

                 trypsinogen                     trypsin

•                                                                                                          proenzym                                           aktivní forma enzymu

 

= utlumení, zpomalení, snížení

 

• inhibitor:
• snižuje rychlost reakce, a to tím, že se naváže na aktivní centrum enzymu
• strukturně připomínají substráty daných enzymů
• na produkty se nepřeměňují (tzn. že se pouze na enzym navážou), nebo jen velmi pomalu
• některé inhibitory se používají jako chemoterapeutika, protože zablokují účinek specifického enzymu (který např. urychluje dělení buněk î význam při léčení rakoviny)
• dělení – podle typu inhibitoru:
•  

• kompetitivní (konkurenční) inhibice .
•  

• inhibitor „soutěží“ se substrátem o vazbu v aktivním centru enzymu (inhibitor a substrát mají natolik podobnou strukturu, že je enzym nedokáže rozeznat)
• enzym vytvoří komplex vždy s tou látkou, která je ve vyšší koncentraci
• zvýší-li se koncentrace nenavázané látky, tato látka tu druhou z aktivního centra enzymu vytěsní a nahradí ji î inhibice je vratná

• nekompetitivní inhibice .
•  

• inhibitor se váže na enzym–substrátový komplex
• navázání vyvolá strukturní změny v enzymu î enzym se stane katalyticky neúčinným
• takové inhibitory – např. těžké kovy (Hg, Pb, …) = enzymové jedy
• nevratná inhibice

• inhibice substrátem .
•  

• je-li substrát ve velkém nadbytku může se stát, že se na aktivní místo naváže více než jedna molekula substrátu – tzv. vícebodový záchyt Õ každá molekula substrátu se na aktivní centrum naváže jen několika body
• přeměna substrátu na produkt je zpomalena nebo znemožněna

• inhibice produktem .
•  

• hromadí-li se produkt, protože nestíhá být využíván, reakce se zastaví (dosáhne rovnovážného stavu); pokračuje až při poklesu koncentrace produktu
• produkt enzymaticky katalyzované reakce může bát inhibitorem jiné reakce

• alosterická inhibice .
•  

• inhibitor (tzv. alosterický modulátor) se naváže na jinou část enzymu, než je aktivní místo = alosterické místo (enzymy s alosterickým místem = alosterické emzymy)
• navázáním dojde ke změně struktury enzymu î i ke změně aktivního centra
• znemožněno navázání substrátu, protože substrát ztratil v aktivním centru svůj „otisk“
• zvláštní případ: zpětná vazba (feedback control)
• umožňuje řízení celých metabolických drah
• např. látka je postupně přeměňována na meziprodukty B, C a produkt D; jednotlivé reakce jsou katalyzovány enzymy E₁, E₂ a E₃; produkt D působí jako alosterický inhibitor enzymu E₁
• zajišťuje dynamickou rovnováhu mezi produkty
• je vratná

HORMONY .

 

• specificky účinné látky regulující chemické procesy v buňkách
• tvoří se ve specializovaných žlázách (žlázy s vnitřní sekrecí) nebo tkáňových buňkách Õ odtud vylučovány do krevního oběhu
• většina hormonů – tzv. cílové hormony Õ působí jen na určité orgány/tkáně
• příčina: buňky těchto orgánů/tkání obsahují receptory pro daný hormon