KofaktoriKofaktori

KOFAKTORI su supstance neophodne za odigravanje određenih enzimskih reakcija. Kofaktori nisu neophodni za delovanje svih enzima.

Kofaktor može biti: jon metala ili kompleksan organski molekul.

Koenzim i prostetska grupa

Prema čvrstini vezivanja za enzim, kofaktor može biti prostetska gupa ili koenzim.

PROSTETSKA GRUPA je kofaktor koji se teško odvaja od apoenzima i u toku izolovanja enzima ostaje vezan za proteinski deo molekula enzima.

KOENZIM je po hemijskoj strukturi složeni organski molekul, koji nije vezan kovalentnim vezama sa proteinskim delom enzima, pa se mogu se ukloniti dijalizom.

Koenzim i prostetska grupa

Sem po po čvrstini vezivanja razlikuju se i po specifičnosti delovanja.

• Koenzim može da učestvuje u većem broju reakcija enzima prisutnih u određenom ćelijskom prostoru, što zavisi od njegove koncentracije i redoks potencijala reakcije.

• Prostetska grupa učestvuje samo u jednoj reakciji, koja je karakteristična za odgovarajuči enzim.

Odnos apoenzim-koenzimOdnos apoenzim-koenzim

Apoenzim je nosilac specifičnosti dejstva enzima, dok koenzim određuje tip hemijske reakcije koja će se odvijati.

Izuzetak: jedan isti koenzim HEM je vezan za različite apoenzime: hemoglobin, katalazu i peroksidazu i ishod reakcije koju katalizuju je različit.

Izvesni koenzimi mogu i sami da u manjem stepenu deluju katalitički. Međutim, njihovo katalitičko delovanje se znatno povećava ako se vežu sa apoenzimom.

Koenzimi su najčešće vitamini.

Mehanizam delovanja koenzima je različit. Najčešće igraju ulogu prenosioca neke hemijske grupe, vodonika ili elektrona sa jednog supstrata na drugi.

Često se ponašaju kao kosupstrat (nazivaju se i transportni metaboliti) zato što povezuju dve enzimske reakcije.

Mehanizam delovanja koenzima

Enzim II

NADH + H+

NAD+

Enzim I

COH

CH OH

CH2 O- PGlicerinaldehid

3-fosfat

COOH

CH OH

CH2 O- PFosfo-glicerinska

kiselina

COOH

C H

CH3

OH

Mlečna kiselina

COOH

C O

CH3Pirogrožđana

kiselinaNAD deluje kao drugi supstarat (kosupstrat) i preuzima H-atom sa prvog supstrata. NADH se dehidrogenuje pomoću drugog enzima.

Koenzim NAD kao kosupstrat

Delovanje prostetske grupeDelovanje prostetske grupeEnzim

FAD

Enzim FADH2

O2

H2O2

Aminokiselina

COOH

CN H

R

H

H

COOHCHN

R

COOHCO

R

H2O-NH3

FAD prostetska grupa enzima preuzima H sa aminokiseline, koji se tek u drugoj reakciji prenosi na kiseonik, pri čemu nastaje H2O2

Podela koenzimaPodela koenzima

Koenzimi se mogu klasifikovati na više načina:

prema hemijskoj strukturi,

prema vrsti reakcije koju katalizuju,

Podela koenzima prema hemijskoj Podela koenzima prema hemijskoj strukturistrukturi

KOENZIMI ALIFATIČNE PRIRODE (glutation, liponska kiselina);

KOENZIMI AROMATIČNE PRIRODE (ubihinon ili koenzim Q);

KOENZIMI HETEROCIKLIČNE PRIRODE (derivati vitamina: tiamina, piridoksina, biotina, folne kiseline);

KOENZIMI NUKLEOTIDNE PRIRODE (ATP, NAD i NADP, FMN i FAD, UDP i UTP, CoA, vitamin B12);

FEROPORFIRINSKI KOENZIMI ( citohromi).

Podela koenzima prema vrsti reakcija koje katalizuju Podela koenzima prema vrsti reakcija koje katalizuju

Koenzimi oksidoreduktaza prenose vodonik (protone i elektrone).

Koenzimi transferaza prenose pojedine funkcionalne grupe.

I.Koenzimi iz klase oksidoreduktaza

I.Koenzimi iz klase oksidoreduktaza

Najpoznatiji koenzimi oksidoreduktaza su:1. Nikotinamid-adenin-dinukleotid (NAD)2. Nikotinamid-adenin-dinukleotid fosfat

(NADP)3. Flavin-mononukleotid (FMN)4. Flavin-adenin-dinukleotid (FAD)5. Ubihinon6. Citohromi (Cyt)7. Liponska kiselina

Biološke oksidacije

•Biološke oksidacije su konstantna aktivnost ćelije, tokom koje se u ćeliji oslobadja i efikasno koristi potencijalna hemijska energija hranljivih materija.Katalizuju ih enzimi oksidoreduktaze.

Hemijske i biološke oksidacije Reakcije oksidacije hranljivih materija in vivo i in

vitro su identične samo po krajnjim proizvodima (CO2, H2O i toplota), dok je mehanizam različit.

Sagorevanjem in vitro, sva oslobođena potencijalna energija se prevodi u toplotu, pa je moguće da ugljenik i vodonik iz supstrata direktno jedine sa kiseonikom iz vazduha i da se nagradi CO2 i H2O.

U reakcijama in vivo to nije moguće jer bi usled oslobađanja velike količine energije došlo do destrukcije biološkog sistema, pa se energija oslobađa u svežnjevima i odmah troši ili akumulira u obliku makroergičnih jedinjenja.

Biološke oksidacije-dehidrogenovanje supstrata

Suština biološke oksidacije je u dehidrogenovanju supstrata i prenošenju elektrona sa vodonika na kiseonik po opštoj reakciji:

Supstrat H2

Supstrat (oks.)

K

K*2H

akceptor 2H

akceptor

U organizmu čoveka oksidacija se odvija na konstantnoj temperaturi od 37oC i energija se oslobađa u svežnjevima.

Jedan deo energije se oslobađa u vidu toplote, a drugi se skladišti u obliku jedinjenja bogatih energijom (ATP)

Sa kiseonikom iz vazduha se jedini samo vodonik iz supstrata gradeći vodu, dok se ugljenik iz supstrata nikad ne jedini sa kiseonikom iz vazduha.

Ugljen-dioksid nastaje sekundarnim reakcijama dekarboksilovanja.

Potpuna oksidacija složenih organskih jedinjenja

1. Složena jedinjenja se najpre razgrade do C2 jedinjenja (acetil koenzim A) koji ulazi u Krebsov ciklus.

2. Kroz Krebsov ciklus se intermedijari oksidišu i dekarboksiluju, i početni Ac CoA se razgradi do CO2 i H2O.

3. Oksidacija se nastavlja kroz Lanac disanja (tok prenošenja protona i elektrona sa supstrata na kiseonik) i nastaje voda i energija koja se troši za sintezu ATP.

Biološki sistemi prenosioci elektrona ( koenzimi dehidrogenaza i oksidoreduktaza

Prenose protone i elektrone sa jedinjenja negativnijeg redoks potencijala na jedinjenje pozitivnijeg redoks potencijala.

Neki mogu da dehidrogenuju supstrat, a većina samo redukovane koenzime.

Prenosioci elektrona Prenosioci elektrona nukleotidne nukleotidne prirodeprirode

Nukleotidi su jedinjenja neke azotne baze (purinske ili pirimidinske), šećera i ostatka fosforne kiseline). Azotna baza je povezana sa šećerom (obično ribozom i dezoksiribozom u furanoznom obliku) N-glikozidnom vezom.

Ako se od nukleotida odvoji ostatak fosforne kiseline, dobija se nukleozid:

BAZA+ŠEĆER+FOSFORNA KISELINA

NUKLEOTID

-H3PO4

BAZA+ŠEĆER

NUKLEOZID

Purinske baze: adenin A (6-aminopurin) i guanin G (2-amino-6-oksipurin)

Pirimidinske baze: citozin C (2-oksi-4-aminopirimidin), uracil U (2,4-dioksipirimidin) i timin T (5-metil-uracil)

NAD (NIKOTINAMID-ADENIN-DINUKLEOTID) I NADP (NIKOTINAMID-ADENIN-DINUKLEOTID-FOSFAT) KAO

KOENZIMI

NAD i NADP su najvažniji koenzimi koji učestvuju u oksido-redukcionim reakcijama dehidrogenovanja.

NAD i NADP su po hemijskoj strukturi veoma slični i spadaju u piridin nukleotidne ili piridinske koenzime.

Piridin-nukleotidni koenzimi su bliski po strukturi vitaminu iz B grupe niacinu.

Oba koenzima imaju istu osnovnu strukturu koja se sastoji od amida nikotinske kiseline koji je N-glikozidnom vezom vezan za ribozu.

Nikotinamid ribozo fosfat je preko fosforne kiseline vezan sa adenozinom (NAD) ili adenozinmono fosfatom (NADP).

STRUKTURA NAD+ i NADP

PP

OPŠTE OSOBINE NAD I NADP

NAD ima najnegativniji redoks potencijal među kofaktorima i jonima metala u biološkim sistemima. 1molekul NAD za jedan minut oksidiše više od 1000 molekula supstrata.

Enzimi koji koriste kao koenzim NAD obično ne koriste NADP, ali ima izuzetaka.

NAD i NADP reverzibilno prenose vodonik.Nikotinamidni prsten je katalitički aktivan.

Promene se dešavaju na prstenu piridina.

Oksidovani oblik NAD+ i NADP+ može da primi proton i dva elektrona i da nagradi dihidropiridinski prsten.

NADH je stabilan zbog moguće stabilizacije preko tri rezonanaciona hibrida.

Način delovanja NAD+

Prenošenje atoma vodonika sa supstrata na produkt reakcije. NAD prenosi zapravo hidronijum jon sastavljen od protona i dva elektrona, dok se drugi proton sa molekula vodonika odvodi u reakcionu sredinu.

NAD+ i NADP+ sa supstrata na akceptor prenose dva protona i dva elektrona što se predstavlja kao 2H.

Oksidovani oblik se skraćeno predstavlja kao NAD+ i redukovani NADH + H+.

Redukovani oblik se lako oksiduje pri čemu je jako redukciono sredstvo.

Redukcijom koenzima menja se njihov spektar apsorpcije u UV oblasti.

Sudbina redukovanih oblika NADH i NADPH

Redukovani oblici NADH i NADPH imaju različite funkcije.

NADH najčešće predaje svoj vodonik flavin proteinima u lancu disanja, ali može da redukujue i druga jedinjenja (piruvat u laktat)

NADPH je važan donor vodonika za procese biosinteze, na primer masnih kiselina, holesterola.

Postoji i mogućnost međusobnog reagovanja redukovanih i oksidisanih oblika NADPH i NAD+, čime se međusobno regenerišu.

S -

H2C

N

H

C - NH2

O

O

OHHO

H - CH - CH3

H - O

: H -

H +

O

O = P - O -

O

O = P - O -O

Zn 2+ S -

N

N

N

N

H2N

O

OHHOH2C

Mehanizam dejstva alkohol-dehidrogenaze

A P

O E

N Z

I M

CH2

NH

N

Način vezivanja NAD+ za apoenzimNAD+ je vezan za apoenzim vezama koje se uspostavljaju između N pirimidinskog prstena i S iz SH grupe bočnog polipeptidnog niza, kao i između N purinovog prstena i S iz SH grupe preko jona Zn.

Primer delovanja NAD+ kao koenzima alkohol dehidrogenaze

S -

H2C

N

H

C - NH2

O

O

OHHO

H - CH - CH3

H - O

: H -

H +

O

O = P - O -

O

O = P - O -O

Zn 2+ S -

N

N

N

N

H2N

O

OHHOH2C

Mehanizam dejstva alkohol-dehidrogenaze

A P

O E

N Z

I M

CH2

NH

N

Molekul alkohola se vezuje na aktivni centar enzima koordinativnom vezom između atoma O i Zn.

Katalitičku funkciju u prenošenju H sa alkohola na NAD ispoljava imidazolov prsten histidina iz apoenzima.

Hidridni jon se sa alkohola prenosi na rezonanatni oblik NAD u kome C4 piridinovog prstena ima pozitivan naboj (koji se inače nalazi na N atomu).

H+ odlazi u reakcionu sredinu, a dehidrogenovani molekul alkohola se stabilizuje stvaranjem C=O veze.

Enzimi sa NAD i NADP

Oksidoreduktaze sa NAD ili NADP kao koenzimima su proteid enzimi. NAD i NADP u ćeliji egzistiraju kao slobodni molekuli koji difunduju od jednog ka drugom enzimu. U ćeliji je NAD prisutan u većim količinama od NADP.

Enzimi koji sadrže NAD učestvuju u prenošenju vodonika od

supstrata nastalih u katabolizmu na kiseonik, dok NADP enzimi prenose vodonik na supstrate koji se redukuju u procesima anabolizma.

54 enzima su aktivni samo uz NAD, 98 uz NADP,a 40 mogu da deluju sa bilo kojim od ova dva koenzima.

Važnije oksidoreduktaze sa NAD kao koenzimom

Alkohol dehidrogenaza (alkohol:NAD oksidoreduktaza) (E.C.1.1.1.1) katalizuje važnu reakciju u procesu anaerobnog metabolizma ugljenih hidrata (alkoholno vrenje).

Laktat dehidrogenaza (L-laktat:NAD+-oksidoreduktaza) (E.C.1.1.1.27) katalizuje oksidaciju mlečne kiseline iz mišića.

Glukoza-6-fosfat dehidrogenaza (D-glukoza-6-fosfat: NADP+ 1-oksidoreduktaza) (E.C. 1.1.1.49) katalizuje oksidaciju glukozo-6-fosfata u 6-fosfat glukonske kiseline.

Značaj: Pored ostalog, omogućavaju međusobne transformacije šećera u toku kojih se iz heksoza dobijaju pentoze, naročito D-riboza koja je potrebna za sintezu DNK.

Flavin nukleotidi

Koenzimi flavin enzima kojih je poznato oko 60. Flavin enzimi se međusobno razlikuju po:

1. koenzimu (FMN ili FAD),

2. specifičnosti prema supstratu,

3. po akceptoru kome redukovani oblici predaju protone i elektrone (akceptori su ili drugi članovi oksido-redukcionog niza ili kiseonik),

4. proteinskoj komponenti

Podela flavin enzima

Flavin enzimi se dele na dve osnovne grupe:

1. Prave flavin dehidrogenaze ( koje neposredno oksidišu supstrat i označavaju se Fp spec.)

2. Flavin enzime prenosioce elektrona, koji ne oksidišu direktno supstrat već koenzime drugih enzima (označavaju se kao Fp et.)

Struktura flavin nukleotida

Po strukturi su derivati vitamina B2-riboflavina.

Razlikuju se flavin mono nukleotid FMN i flavin adenin dinukleotid FAD.

FMN sadrži prsten izoaloksazina, alkohol ribitol i fosfornu kiselinu.

FAD sadrži prsten izoaloksazina, alkohol ribitol dva ostatka fosforne kiseline i adenozin.

Mehanizam delovanja flavin nukleotidaR

R

•Reverzibilno primenje i otpuštanje atoma vodonika dešava se izoaloksazinskom prstenu,

• Vodonik se vezuje u položaju 1- i 10- u izoaloksazinskom prstenu.

•Usled toga se menja apsorpcioni spektar.Redukovani oblik gubi žutu boju i svojstvo fluorescencije (nestaje apsorpciona traka na 450 nm).

FMN i FAD su mnogo čvršće vezani za apoenzim nago što su NAD i NADP, pa se često tretiraju i kao prostetske grupe.

Veze između flavin nukleotida i apoenzima su uglavnom nekovalentnog tipa, ali su mnogo jače.

Za razliku od NAD i NADP, flavin nukleotidi su u toku oksidacije i redukcije vezani su sa jednim istim enzimom. Apoenzim određuje i mehanizam i specifičnost katalizovane reakcije

OPŠTE OSOBINE FLAVIN NUKLEOTIDA KAO KOENZIMA

Glukozo oksidaza (-D-glukoza-kiseonik 1-oksidoreduktaza) (E.C. 1.1.3.4.) katalizuje reakciju:

-D-glukoza + O2 D-glukonolakton +H2O2

Specifična i značajna reakcija koja se primenjuje u kliničkoj dijagnostici, za čuvanje namirnica, uklanjanje kiseonika iz konzervi i flaša sa raznim pićem.

Sukcinat dehidrogenaza, (sukcinat:akceptor oksidoreduktaza (1.3.99.1) katalizuje pretvaranje sukcinata u fumarat. Ova reakcija je važna jer povezuje Krebsov ciklus sa Lancem disanja.

PREDSTAVNICI FLAVOENZIMA

Prave flavin oksidoreduktaze

Prave flavin oksidoreduktaze

L-amino-oksidaza (L-aminokiselina:kiseonik-oksidoreduktaza, E.C.1.4.3.2), katalizuje oksidativnu dezaminaciju aminokiselina pri čemu nastaju -keto kiseline. Grupno je specifičan enzim. Sadrži FAD kao koenzim. Ova reakcija je veoma važna u katabolizmu aminokiselina.

Acil-koenzim A dehidrogenaza oksidiše AcCoA u ,-dehidroacil koenzim A. Reakcija je važna u procesu -oksidacije, kojim se razgrađuju masne kiseline.

Flavin enzimi prenosioci elektrona

NADPH-dehidrogenaza (NADPH:akceptor oksidoreduktaza, EC1.6.99.1) je flavoproteid sa FMN kao aktivnom grupom. Igra ulogu posrednika između redukovanog NADPH i ubihinona u lancu disanja.

Dihidrolipoil-dehidrogenaza sadrži FAD. Učestvuje u oksidativnom dekarboksilovanju piruvata u keto glutarat.

Ubihinon ili koenzim Q

Pripada koenzimima aromatične strukture. Naziv ubihinon označava da se u ovim

kofaktorima nalazi aromatični, hinonski prsten. Ubihinon je po strukturi je poliprenil hinon. Kod čoveka je broj izoprenskih ostataka 10, pa

se zato naziva i koenzim Q10. Slične je strukture kao plastohinoni, tokohinoni,

tokoferoli (E) vitamin K2.

Ubihinon Ubihinoni su vrlo rasprostranjeni , ima ih u svim živim ćelijama, a

naročito se nalaze u velikim koncentracijama u mitohondrijama. Učestvuje u lancu disanja kao redoks sustanca. Prenosi elektrone sa flavin enzima na sistem citohroma.

Citohromi i citohrom oksidaze

Citohrom oksidaze su po strukturi su hromoproteini (složeni proteini koji kao prostetičnu grupu sadrže porfirinski sistem sa ugrađenim atomom gvožđa).

Nalaze se u svim ćelijama kao respiratorni pigmenti. Izolovano ih je oko 30.

Razlikuju se po strukturi prostetične grupe i po strukturi proteinske komponente.

Dele se na tri osnovne grupe A,B, C , a svaka od njih na niz podgrupa na primer B (b1, b2, b3, ...)

Hem

COOHCOOH

2+Fe

N

CH CH2

CH3

CH

N

CH3

CH2

CH2

H3

N

C CH

CH

CH

CH2

N

CHH3C

CH2

CH2

Sadrži porfirinsku strukturu.

Četiri pirolova prstena povezana metenskim mostovima bez bočnih supstiuenata se naziva porfin. Od sustituenata sadržidva vinil, četiri metil dva propionil ostatka.U sredini je vezano Fe2+.

citohromi

Grupa A sadrži kao prostetičnu grupu citohemin Grupa B sadrži hem (feroprotoporfirin) Grupa C sadrži citohemin C . Pripadnici iste grupe se međusobno razlikuju po

hemijskim osobinama, karakterističnim spektrima i redoks potencijalu.

Tačan mehanizam delovanja citohroma nije rasvetljen, ali je sigurno da se se otpuštanjem ili primanjem jednog elektrona menja valenca gvožđa u prostetičnoj grupi.

Citohromi

U redosledu prenošenja elektrona sa jednog prenosioca na drugi, svaki citohrom ima svoje tačno definisano mesto koje zavisi od redoks potencijala.

Tako se elektroni u lancu disanja prenose preko niza citohroma:

b c a a3

Hemin a

COOHCOOH

2+Fe

N

CH CH2

CH3

CH

N

CH3

CH2

CH2

H3

N

C CH

CH

CH - OH

CH2

N

CHCH

O

CH2

CH2

CH3 CH3

CH3

CH3

Citohrom C

S - CH3

Met

COOHCOOH

2+Fe

N

CH - S

CH3

CH

CH3

N

CH3

CH2

CH2

H3

N

C CH

CH

H3C - C

S

N

CHH3C

CH2

CH2

H

NHN

His

Thr

Cys

Cys

Ala

Gln

Lys

Ostali sistemi prenosioci elektrona

U ćelijama postoje i drugi sistemi koji omogućavaju biološke oksidacije:

1. Redoks sistemi : oksidisani i edukovani oblici liponske kiseline, folne kiseline, vitamina K, glutationa

2. Enzimi koji aktiviraju kiseonik:oksidaze, oksigenaze, hidroksilaze

Glutation

Glutation je tripeptid široko rasprostranjen u prirodi.

Sastoji se iz ostataka tri amino kiseline: L-glutaminske kiseline, L-cisteina i glicina (-L-glutamil-L-cisteil-glicin).

Funkcionalna grupa je tiolna.

U redukovanom obliku se obeležava kao GSH. Lako se oksidiše i pri tome prelazi u oblik GS-SG.

Igra važnu ulogu u oksido-redukcionim procesima.

Po hemijskoj strukturi pripada koenzimima alifatičnog reda.

Glutation

Redukovani oblik se lako oksidiše pomoću blagih oksidacionih sredstava.

G-SH - 2 H+ GSSG

Da bi se oksidisani oblik glutationa ponovo redukovao, potrebno je primeniti jača redukciona sredstva. Na primer može se redukovati koenzimom NADH ili NADPH u prisustvu glutationreduktaze:

G-S-S-G + NADPH + H+ 2 GSH + NADP+

Igra ključnu ulogu u detoksikaciji reagujući sa H2O2 i

drugim peroksidima:

2 GSH + R-O-OH GS-SG + R-OH + H2O

. U redukovanom obliku je koenzim izomeraza, pa učestvuje na primer u pretvaranju keto oblika fenilpirogrožđane kiseline u enolni oblik, kao i kod transformacije cis-izomera u trans oblik (npr. derivati maleinske kiseline prelaze u derivate fumarne kiseline)

Glutation

6,8-ditio-n-oktanska kiselina

Ciklični disulfid u oksidovanom, a ditiokiselina u redukovanom obliku. Faktor rasta mikroorganizama.

Liponska kiselina je prostetska grupa jer se vezuje za enzim preko COOH grupe. Pri tome -NH2 grupa lizina apofermenta reaguje sa COOH grupom uz stvaranje amidne veze.

Liponska

kiselina

Sadrži jedan asimetričan C-atom tako da postoji u dva optički aktivna oblika.

Igra ulogu kofaktora kod oksido-redukcionih enzima, koji učestvuju u oksidativnoj dekarboksilaciji piruvata i drugih -keto kiselina u prisustvu tiaminpirofosfata.

Redukovana liponska kiselina se reoksidiše pomoću NAD+ zavisne dihidrolipoamid-dehidrogenaze.

Liponska kiselina

II Koenzimi iz klase transferazaII Koenzimi iz klase transferaza

Adenozintrifosfat (ATP) Uridindifosfat (UDP) Citidintrifosfat (CTP) Tiaminpirofosfat (TPP) Piridoksalfosfat (PLP) Koenzim A (Co-SH) Tetrahidrofolna kiselina (THF)

Univerzalni je sastojak svake žive ćelije. Po strukturi je nukleotid.

Jedinjenje izgrađeno iz nukleozida adenozina i fosforne kiselina naziva se adenozin-monofosfat ili skraćeno AMP.

Ukoliko sadrži dva ostatka fosforne kiseline naziva se Adenozin-difosfat ili ADP.

Ukoliko sadrži tri ostatka fosforne kiseline naziva se Adenozin-trifosfat ili ATP.

ATP-adenozintrifosfat

Molekul ATP

Sadrži dve energijom bogate veze, anhidridne veze. On predstavlja prototip energijom bogatih jedinjenja. Učestvuje u mnogim biohemijskim reakcijama kao prenosilac energije.

ATP kao koenzim

Ima dvostruku ulogu:

prenosilac je fosfatne grupe i izvor energije.

Ovaj koenzim je najuniverzalniji prenosilac fosfatne grupe. Od oko 132 enzima koji učestvuju u prenosu fosfatne grupe, najmanje 114 kao koenzim koriste ADP i poznati su kao KINAZE.

X-P + ADP X + ATP

Y + ATP Y-P + ADP

Zbog čega je molekul ATP-a najpogodniji za akumulaciju i prenos energije u biohemijskim reakcijama i zašto su naznačene veze tako energetski bogate?

• ATP pri neutralnom pH ima četri negativna naelektrisanja zbijena na malom prostoru, pa je usled odbojnih sila olakšana hidroliza.

• Fosfatne grupe su stabilizovane rezonancijom, a broj rezonantnih struktura ADP i slobodnog fosfata je veći od energije rezonancije ATP-a.

O O O Go`

1 = - 30,5 KJ/mol

Go`2 = - 48,1 KJ/mol

Ade - Rib -O - P - O -P -O -P - O -

O O O - - -

hidroliza ATP u ADP:

hidroliza ATP u AMP:

ATP

Sa jonima Mg gradi stabilan kompleks.

Dejstvom adenil ciklaze stvara se ciklični 3;5;-adenozin monofosfat (cAMP) jedinjenje značajno u metabolizmu.

O

OH HO

N

N

NH

H

N

N

Mg2+

O = P - O-

O

P

P

O

O

O

O

-O-O

CH2

ATP

ATP se sintetiše iz ADP i neorganskog fosfora u procesima fotosinteze i bioloških okisidacija u mitohondrijama ćelija.

Može da se sintetizuje i u reakcijama kuplovanja sa drugim makroergičnim jedinjenjima

Ukupna koncentracija ATP, ADP i AMP u vodenoj fazi ćelija kreće se od 2 do 15 mM.

Ciklus ATP-ADP

energija energija

Procesifotosinteze

h ADP+

H3PO4

ATP

organskajedinjenja

An

ab

oliza

m

Ka

tab

oliz

am

CO2 + H2O

ADP+

H3PO4

ATP

Uloga ATP-a u transformaciji energije u prirodi

Procesi razgradnje (fosforilovanje)

Procesi sinteze sastojaka ćelija

Aktivni transport

Resorpcija

Osmoza

Kontrakcija mišića

Toplota

Razgradnjom ATP oslobađa se energija koju ćelija koristi za sinteze, rad, toplotu i sl., Sintezom ATP konzerviše se energija dobijena razgradnjom hranljivih materija u toku katabolizma.

Mogući putevi razgradnje ATP

Ade - Rib - P P P

ADP + Pn

ADP + R - O - P

R - OH

R - S - Rib - Ade + Pn + P Pn

R - S - CH3

CH3

R - C - O - P - Rib - Ade + P Pn

O

AMP + R - O - P P

R - OH

R - C - OH

O

(a)

(c)

(d)

(e)

(b)

Mogući putevi razgradnje ATP i prenošenja grupa

Zbog tri fosfatna ostatka, moguće je odvijanje velikog broja reakcija koje su najčešće jako egzergone.

a) Prenos ortofosfornog ostataka, preostaje ADP

Ovo je najčešća reakcija. Ako se prenosi fosftani ostatak na vodu, onda je to reakcija hidrolize (G=-30.5 kJ mol-1). Akceptori fosfatnih grupa mogu biti alkoholne grupe, karboksilne grupe i guanidino grupe.

Enzimi koji katalizuju ove reakcije nazivaju se kinazama.

Glukoza + ATP glukoza-6-fosfat + ADP

b) Izdvaja se ADP i neorganski fosfor.

c) Prenos pirofosfatanog ostatka, preostaje AMP

Dejstvom kinaza prenosi se pirofosfat zajedno sa energijom na šećere:

riboza-5`-fosfat + ATP 5`-fosforibozil-1-difosfat + AMP

d) Prenos adenozin-monofosfatnog ostatka, preostaje pirofosfat

Stvara se jedinjenje sa visokim potencijalom za prenos grupa, tj. aktivno jedinjenje. Ovako se aktiviraju masne kiseline ili aminokiseline da bi započeo biohemijski ciklus sinteze ili razgradnje.

aminokiselina + ATP amino-acil-adenilat + PP

e) Prenos adenozilnog ostatka, preostaje ortofosfat i pirofosfat

Važna reakcija kod aktiviranja i prenošenja metil grupa.

Piridoksin-vitamin B6

Piridoksin,vitamin B6, (2-metil-3-hidroksi-4,5-di(hidroksimetil)piridin) u svojoj osnovnoj strukturi sadrži piridin i daje brojne derivate.

Upravo ovi derivati, a ne sam vitamin B6, ulaze u sastav različitih enzima.

Zbog svoje strukture pripadaju koenzimima heterocikličnog reda.

Najpoznatiji derivati pirodoksina su PIRODOKSAL-FOSFAT (PLP) i PIRODOKSAMIN-FOSFAT (PMP)

Derivati pirodoksina ulaze u sastav različitih enzima koji katalizuju više od 30 reakcija uglavnom vezanih za metabolizam belančevina.

Piridoksal fosfat PLP

Četiri najvažnije grupe enzima čiji je kofaktor pirodoksal-fosfat su:

• Aminotransferaze

• Dekarboksilaze aminokiselina

• Racemaze aminokiselina

• Triptofan sintetaza

Enzimi sa fosfatnim derivatima vitamina BEnzimi sa fosfatnim derivatima vitamina B66 su primer enzima su primer enzima

kod kojih ista prostetska grupa mokod kojih ista prostetska grupa možeže da katalizuje ve da katalizuje većći broj i broj razlirazliččitih reakcija. itih reakcija.

Mehanizam reakcija je isti: aminokiselina gradi sa pirodoksal-Mehanizam reakcija je isti: aminokiselina gradi sa pirodoksal-fosfatom jedinjenje tipa Schiffove baze. Nastalo jedinjenje se fosfatom jedinjenje tipa Schiffove baze. Nastalo jedinjenje se dalje razgradalje razgrađđuje na razliuje na različčite naite naččine u zavisnosti od ine u zavisnosti od apoenzima. Tako se pod dejstvom aminotransferaza NHapoenzima. Tako se pod dejstvom aminotransferaza NH

22

grupa prenosi sa jedne aminokiseline na drugu, delovanjem grupa prenosi sa jedne aminokiseline na drugu, delovanjem dekarboksilaza pak aminokiseline gube COdekarboksilaza pak aminokiseline gube CO

22 i daju amine. i daju amine.

Uloga vitamina B6 u transaminaciji

TIAMIN- vitamin B1

Sastoji se iz dva prstena pirimidinskog i tiazolovog koji su međusobno povezani preko kvaterarnog azotovog atoma koji je uvek pozitivno naelektrisan.

Aktivni oblik ovog vitamina je tiamin-pirofosfat (TPP)

Predstavnici:

Piruvat dekarboksilaza (4.1.1.1) je prvo otkriveni i izolovani enzim iz ove grupe. Enzim je rasprostranjen kod kvasca, mikroorganizama i u nekim biljkama. U životinjskim tkivima ga nema.

Piruvat dekarboksilaza je proteid enzim čiji je kofaktor TPP.On deluje na -keto kiseline iz kojih se izdvaja CO2. Nije strogo specifičan, ali najčešće deluje

na piruvat:

Piruvat acetaldehid + CO2

Kod nekih mikroorganizama pod dejstvom ovog enzima stvara se i aceton.

TPP je neophodan za reakaciju oksidativne dekarboksilacije -keto-kiselina.

BIOTIN

Vitamin iz B grupe .

Po hemijskoj strukturi je ciklični derivat uree koji sadrži tiofenski prsten.

Učestvuje u aktiviranju i prenošenju COOH grupe.

Biotin je amidnom vezom povezan sa apoenzimom, preko -NH2 grupe nekog

lizinskog ostatka. Pošto se radi o hemijskoj vezi, biotin je prostetska grupa, a ne koenzim.

Primeri: Ligaze. Ova podgrupa enzima sadrži pet enzima koji sadrže biotin u svom molekulu i koji uz učešće ATP katalizuju karboksilaciju kiselina. U toku te reakcije, CO2 se vezuje s

biotinom gradeći karboksi biotin (aktivni CO2) pri čemu je biotin vezan sa apoenzimom.

Osim u sintezi oksalsirćetne i masnih kiselina, biotin učestvuje i u sintezi uree, purina, metabolizmu triptofana i drugih jedinjenja

Biotin-prostetska grupa karboksilaza

Biotin je neophodan za procese karboksilacije !

1. Piruvat karboksilaza (6.4.1.1) ili piruvat: ugljendioksid ligaza (ADP) katalizuje sintezu oksalsirćetne kiseline iz piruvata. Sadrži jedan mol biotina na 400 kg belančevine.

Piruvat + ATP + HCO3 Oksalacetat + H3PO4 + ADP

2. Acetil-CoA-karboksilaza (6.4.1.2) ili acetil-CoA:ugljendioksid ligaza (ADP) katalizuje reakciju karboksilacije acetil-CoA pri čemu nastaje malonil-CoA. Ovo je početna reakcija u sintezi masnih kiselina.

ATP + HCO3- + CH3-COS-CoA ADP + H3PO4 +

COO-CH2-COS-CoA

Primeri enzima sa biotinom

Spada u koenzime vitaminske prirode jer derivat pantotenske kiseline, vitamina iz grupe B. Acilne grupe grade tiolne estre sa slobodnim SH grupama koenzima A.

Pošto pripada grupi makroergičnih jedinjenja, ima važnu ulogu u prenosu energije u biološkim sistemima.

KOENZIM A ( HS~CoA)

Neophodan je za prenošenje acil grupe! Makroergičan je.

HEMIJSKA STRUKTURA KOENZIMA A (HS~CoA)

D-panteinska kiselinaD-panteinska kiselina(2,4-dihidroksi, 3,3-dimetil-(2,4-dihidroksi, 3,3-dimetil-buternabuterna kiselina)kiselina)

-alanin-alanin

-merkaptoetanol (cisteamin)-merkaptoetanol (cisteamin)

Koenzim A (3Koenzim A (3’’-fosfo-ADP-pantoil--fosfo-ADP-pantoil--alanil cisteamin)-alanil cisteamin)

HEMIJSKA STRUKTURA KOENZIMA A (CoA)

Koenzim A (adenozin-Koenzim A (adenozin-3’,5’-difosfat i pantetein-fosfat)3’,5’-difosfat i pantetein-fosfat)

Najpoznatije jedinjenje koenzima A je Acetil-CoA ili aktivna sirćetna kiselina. Ima energijom bogatu, tioestarsku vezu. Skraćeno se piše Ac~CoA. Acetil-CoA nastaje razgradnjom šećera i kao takav ulazi u Krebsov ciklus. Drugi acil ostaci (sukcinil, palmitil, malonil itd.) mogu takođe da budu vezani za koenzim A tioestarskom vezim (sukcinil-CoA, malonil-CoA ...)

Neophodan je za metabolizam ugljenih hidrata, masti i aminokiselina. Oko 2/3 C-atoma ugljenih hidrata i glicerola se stvara uz učešće acetil-koenzima A, skoro svi C atomi masnih kiselina i oko 50% C-atoma amniokiselina se transformišu u reakcijama sa CoA.

NEKE OSOBINE KOENZIMA A (CoA)

Enzimi koji sadže koenzim A-Enzimi koji sadže koenzim A-

Ligaze koje grade C-S veze (EC 6.2.)Ligaze koje grade C-S veze (EC 6.2.)

U ovoj podgrupi ima oko 11 enzima. Katalizuju vezivanje masnih kiselina i koenzima A. Zovu se acil-koenzim A-sintetaze.

1. Acetil-CoA-sintetaza (EC 6.2.1.1) najpoznatiji enzim ove podgrupe. Katalizuje sintezu acetil-CoA od sirćetne kiseline i koenzima A, koja se odvija u dve etape:

ATP + acetat acetil-AMP + PPAcetil-AMP + HS-CoA Acetil-CoA +AMP

Veoma važna reakcija za metabolizam ugljenih hidrata

Pored toga, acetil-CoA je davalac C2 jedinice(aktivni acetil) koji se koristi za biosintezu različitih jedinjenja kao što su steroidi i izoprenoidi. Za dejstvo ovog enzima neophodni su joni Mg2+

Enzimi koji sadže koenzim A-Enzimi koji sadže koenzim A-

Ligaze koje grade C-S veze (EC 6.2Ligaze koje grade C-S veze (EC 6.2.).)

Butiril-CoA sintetaza (EC 6.2.1.2). Katalizuje sintezu acil-CoA onih organskih kiselina koje sadrže od C4-C20 ugljenikovih atoma. Mehanizam reakcije je isti kao u prethodnom slučaju.

Acil-CoA sintetaze (EC 6.2.1.3) su enzimi isti kao prethodni, samo što katalizuju sintezu acil-CoA onih organskih kiselina koje imaju od 6-20 C-atoma. Acil-CoA sintetaze su značajne za katabolizam masnih kiselina, jer je za njihovu razgradnju neophodno da se masne kiseline najpre aktiviraju povezivanjem sa CoA.

Sukcinil-CoA-sintetaza (EC6.2.1.4) katalizuje sintezu sukcinil-CoA, koji je član Krebsovog ciklusa, preko koga se potpuno razgrađuju šećeri, masti i amino kiseline.

Vitamin B12 -kobalamin

Svi enzimi koji sadrže derivate vitamina B12 kao koenzime nazivaju se kobalaminski enzimi.

Vitamin B12 sadrži ostatak cijana –CN. Zato se naziva i cijanokobalamin.

Kobalamini učestvuju u nizu bioloških reakcija kao što su:

1) intramolekulska premeštanja,

2) metilovanje i

3) redukcija ribonukleotida.

Vitamin B12 - Kobalamin

Struktura koenzima B12: u osnovi je korinovorinov prsten koji se sastoji od četiri međusobno povezana pirolova ostatka. U centru korinovog prstena nalazi se atom kobalta .Interesantno da koenzimi kobalaminskih enzima ne sadrže CN- ostatak. Umesto CN grupe imaju 5-deoksiadenozin pri čemu je C-5 direktno vezan sa kobaltom, ne preko kiseonika.

Vitamin B12 kao koenzim

Dokazano je da učestvuje u dva tipa biohemijskih reakcija u izomerizaciji dikarbonskih kiselina i u transformaciji dehidroksi- u monohidroksi- jedinjenja.

Uz učešće vitamina B12 (zajedno sa L-askorbinskom kiselinom) se ostvaruje redukcija folne kiseline u njen aktivni oblik, u kome ona ispunjava svoju fiziološku funkciju u metabolizmu C1-jedinica.

Vitamin B12 učestvuje u intermolekulskoj izomerizaciji i tako omogućava kao koenzim L- metilmalonil-KoA-mutaze prevođenje metil-malonil-koenzima A u sukcinil-koenzim A .

Vitamin B12 katalizuje redukciju ribonukleozida u dezoksiribonukleozid, čime omogućava sintezu dezoksiribonukleinske kiseline

Uloga vitamina B12 u sintezi nukleinskih kiselina

Joni metala kao delovi enzima

Po pravilu, joni metala se u ćelijama nalaze u obliku kompleksa sa proteinima. Približno trećini od ukupnog broja enzima potrebni su joni metala da bi postigli maksimalnu aktivnost.

Sistemi metal-enzim se uslovno mogu podeliti u nekoliko grupa:

1.1. Enzimi koji se aktiviraju jonima metalaEnzimi koji se aktiviraju jonima metala, ali , ali koji poseduju aktivnost i kada nema jona metala.koji poseduju aktivnost i kada nema jona metala.

Ovi joni metala su labavo vezani za enzim i mogu se ukloniti dijalizom.

2.2. MetaloenzimiMetaloenzimi ne mogu da deluju bez metala. U pogledu vrste metala oni su mnogo specifičniji od prethodne grupe. Dele se na:

2.1.Metaloenzime koji disosuju2.1.Metaloenzime koji disosuju Kod njih lako dolazi do odvajanja jona metala od enzima, ali

tada gube aktivnost (peroksidaza, katalaza , nitratreduktaza, -amilaza).

2.2.Metaloenzimi koji ne disosuju2.2.Metaloenzimi koji ne disosuju Kod ovih metaloenzima metal i proteinski deo molekula su

vezani tako čvrsto, da se ne mogu odvojiti na uobičajen način već samo jakim hemijskim sredstvima.

Uloga metala u delovanju enzima

Uloga metala u katalitičkom delovanju enzima je različita.

Metal može da: katalizuje nastanak intermedijarnog jedinjenja

između enzima i supstrata; učestvuje u katalitičkoj reakciji; stabilizuje proteinski deo enzima; katalizuje spajanje apoenzima i koenzima