jasminka nikolic biohemija

100
Jasminka Nikolić BIOHEMIJA ZA STUDENTE POLJOPRIVREDNOG FAKULTETA Banja Luka, 2007.

Upload: aida-kozlic

Post on 14-Dec-2014

317 views

Category:

Documents


45 download

TRANSCRIPT

Page 1: Jasminka Nikolic Biohemija

Jasminka Nikolić

BIOHEMIJA

ZA STUDENTE

POLJOPRIVREDNOG FAKULTETA

Banja Luka, 2007.

Page 2: Jasminka Nikolic Biohemija

SADRŽAJ

Enzimi.............................................................................................................2

Vitamini i koenzimi.......................................................................................21

Transport elektrona i oksidativna fosforilacija..............................................35

Ugljeni hidrati ..............................................................................................47

Masne kiseline...............................................................................................87

Fosfolipidi.....................................................................................................98

Aminokiseline i peptidi..............................................................................102

Nukleinske kiseline.....................................................................................117

Sinteza proteina.......................................................................................... 125

Page 3: Jasminka Nikolic Biohemija

ENZIMI

STRUKTURA ENZIMA

Enzimi su po svojoj strukturi proteini. Neki enzimi su jednostavni proteini (protein-

enzimi) izgrađeni samo od aminokiselinskih ostataka. Primjer su digestivni enzimi: tripsin,

himotripsin i elastaza. Drugi enzimi predstavljaju složene proteine (proteid-enzime) koji

pored aminokiselinskih ostataka sadrže i neaminokiselinske kofaktore. Tada se kompletan

aktivan enzim naziva holoenzim, a sastavljen je od proteinskog dijela (apoenzim) i kofaktora:

HOLOENZIM = APOENZIM + KOFAKTOR

Sam apoenzim je neaktivna, termolabilna komponenta proteid-enzima. Holoenzim

ispoljava svoju aktivnost samo u prisustvu obje komponente, pri čemu je apoenzim nosilac

specifičnosti enzima prema supstratu, a kofaktor, označen kao koenzim, određuje tip hemijske

reakcije koju enzim katalizuje.

Metalni jon može da služi kao kofaktor za neke enzime. Cink je npr. kofaktor za

karboanhidrazu. Kofaktore, koji su tijesno vezani za enzim, neki autori nazivaju prostetičnim

grupama. Mnogi koenzimski oblici hidrosolubilnih vitamina služe kao kofaktori u enzimski

katalizovanim reakcijama. Razlika između koenzima i prostetičnih grupa nije apsolutna, jer

komponenta koja je koenzim za jedan enzim može da bude prostetična grupa za drugi enzim.

Koenzim se vezuje za apoenzim kovalentnim vezama, ali tu mogu da budu prisutne Van der

Waalsove sile.

Enzimi koji sadrže jedan, ili više atoma nekog metala, kao strukturnu komponentu,

nazivaju se metaloenzimi. Odstranjivanje metala iz molekule metaloenzima uslovljava gubitak

katalitičke aktivnosti tog enzima. Nasuprot tome, neki metali samo aktiviraju enzime, ali nisu

neophodni. Ovakvi metaloenzimski kompleksi imaju labavo vezan atom metala, koji lako

može da se izdvoji dijalizom. Metali mogu da učestvuju u izgradnji aktivnog centra, da

povezuju enzim sa supstratom u toku enzimske reakcije, ili da povezuju enzim sa koenzimom,

što povećava stabilnost proteid enzima.

Molekule svih enzima posjeduju tri nivoa strukturne organizacije proteina, a samo oni

molekuli enzima koji se sastoje od dva ili više peptidnih lanaca (subjedinica) posjeduju i

kvaternernu strukturu.

Primarna struktura je specifična za svaki molekul enzima i predstavlja linearnu

sekvencu aminokiselina povezanih peptidnim vezama između karboksilnih i α-amino grupa.

Svi sintetisani polipeptidni lanci se uvijaju gradeći trodimenzionalnu strukturu sekundarne i

tercijarne organizacije proteina. Sekundarna struktura se odnosi na konformacione promjene

ograničenih dijelova polipeptidnog lanca u vidu α-heliksa, β-nabrane strukture, nepravilnih

namotaja, ili β-usmjerene strukture. Ova struktura nastaje obrazovanjem dopunskih,

uglavnom vodoničnih veza između susjednih aminokiselina.

Kompleksna trodimenzionalna struktura, koju poprima cijeli polipeptidni lanac se

naziva tercijarna struktura. Ova se struktura obrazuje uspostavljanjem hemijskih veza između

udaljenih aminokiselina, a molekul dobija izgled loptaste, globularne formacije. U tome

pomažu određene veze privlačenja: elektrostatičke, Van der Waalsove sile, vodonične veze i

hidrofobne interakcije. Sekvenca aminokiselina u primarnoj strukturi određuje konformaciju

viših nivoa molekulske strukture, koju polipeptidni lanac spontano poprima u toku sinteze.

Zbog toga su sekundarna i tercijarna struktura isto toliko specifične, kao i primarna struktura.

Page 4: Jasminka Nikolic Biohemija

Kvaternerni nivo strukture nastaje udruživanjem manjeg broja subjedinica, nazvanih

protomeri (monomeri) koji se sastoje od jednog polipeptidnog lanca sa karakterističnom

konformacionom strukturom. Na ovakav način nastaje oligomerni (polimerni) molekul

proteina, npr. tetramerna molekula laktat dehidrogenaze. Ukoliko su protomeri identični,

enzim se naziva homopolimer, a ukoliko sadrži različite protomere zove se heteropolimer (ili

hibridni oblik). Enzimi jedino u oligomernom obliku ispoljavaju katalitičku aktivnost,

odnosno, aktivnost enzima se gubi u slučaju razdvajanja subjedinica.

Svako narušavanje strukture enzima dovodi do gubitka aktivnosti, a proces se naziva

denaturacija proteina. Ukoliko proces denaturacije nije otišao suviše daleko, moguće je da

bude reverzibilan, jer molekuli enzima imaju tendenciju da povrate svoju uobičajenu

konformaciju. Za renaturaciju je neophodno da se postignu optimalni uslovi, koji su vezani za

temperaturu, pH, pufer, jonsku jačinu, rastvarač i koncentraciju proteina. Dugotrajna, ali

snažna denaturacija dovodi do trajnog gubitka enzimske aktivnosti, jer enzim prelazi iz

nativnog stanja u koloidni gel, koji ima drukčije fizičke osobine. Pri tom procesu raskidaju se

intramolekulske hemijske veze, pri čemu dolazi do promjene sekundarne i tercijarne strukture.

Denaturacija može da se dogodi usljed povišene temperature, a nastaje trenutno ako je

temeratura viša od 60°C. Mehanička i hemijska energija, oksidaciona i redukciona sredstva,

organski rastvarači i ekstremne vrijednosti pH sredine takođe mogu da dovedu do

denaturacije. Posebnu grupu sredstava za denaturaciju sačinjavaju niskomolekularna

jedinjenja visoke rastvorljivosti, urea i gvanidin, koji kidaju vodonične veze i hidrofobne

interakcije.

AKTIVNI CENTAR ENZIMA

Prilikom ispitivanja strukture enzima konstatovano je da za katalitičku aktivnost

enzima nije neophodan cjelokupni peptidni lanac. Regija u molekulu enzima koja neposredno

učestvuje u vezivanju supstrata naziva se aktivni centar. Sastavljen je iz malog broja

funkcionalnih grupa, a ukoliko se radi o proteid-enzimu, u sastav aktivnog centra ulazi i

kofaktor (koenzim, metalni jon…). Osnovna je karakteristika aktivnog centra da hemijske

grupe koje ga izgrađuju pripadaju veoma udaljenim aminokiselinskim ostacima, ali su one

približene zahvaljujući sekundarnoj i tercijarnoj strukturi enzima.

U sastav aktivnog centra najčešće ulaze: imidazolov prsten histidina, epsilon amino

grupa lizina, karboksilne grupe glutaminske i asparaginske kiseline, gvanidino grupa i

hidroksilna grupa serina i treonina. Iako aktivni centri više enzima mogu da imaju istu građu,

to ne znači da katalizuju iste reakcije. Ovu pojavu objašnjava činjenica da u procesu vezivanja

supstrata za enzim ne učestvuje samo aktivni centar, već i susjedne, prostorno bliske,

hemijske grupe. Neke od hemijskih grupa aktivnog centra direktno učestvuju u spajanju

supstrata sa enzimom i u transformaciji supstrata u produkt. Ovakve hemijske grupe se

nazivaju katalitičke grupe. Njima znatno pomaže tzv. kontaktne grupe, koje utiču na

približavanje molekule supstrata.

Svaka molekula enzima ima najmanje jedan, ali je moguće i više aktivnih centara.

Neki enzimi imaju blokiran aktivni centar određenim fragmentom peptidnog lanca, a u

takvom obliku nazivaju se proenzimi. Obično se otcjepljenjem jednog dijela peptidnog lanca

"deblokira" molekula enzima i prelazi u aktivan oblik.

Page 5: Jasminka Nikolic Biohemija

Fisherov model

Koshlandov model

Odgovor na pitanje, kako se vezuju enzim i supstrat, prvi je pokušao da dâ Emil Fisher

1890. On je postavio model po kome enzim i supstrat pokazuju strogu podudarnost, kao ključ

prema bravi. Ovakav model bilo je moguće primijeniti samo na mali broj enzima, a jedna u

početku samo atraktivna hipoteza, o induktivnoj adaptaciji aktivnog centra, postala je danas

opšte prihvaćena. Na slici je prikazan model Daniela E. Koshlanda, koji je postuliran 1958.

Fleksibilnost enzima je njegova bitna karakteristika i zahvaljujući njoj dolazi do prostornog

prilagođavanja (adaptacije) enzima prema supstratu. Ove promjene indukuje prisustvo

supstrata, koji se vezuje prvo za kontaktne grupe enzima, što vodi ka njegovoj

konformacionoj promjeni, tj. nastanku specifičnog prostornog rasporeda reaktivnih hemijskih

grupa.

SPECIFIČNOST ENZIMA

Svaki enzim katalizuje samo jednu reakciju, ili ograničen broj različitih hemijskih

reakcija. Ovo, svakako, nije slučaj i sa neproteinskim katalizatorima. Stepen specifičnosti se

razlikuje od jednog do drugog enzima. Veliki broj enzima ispoljava apsulutnu specifičnost.

Ovakvi enzimi katalizuju samo jednu reakciju, tj. selektivno djeluju na samo jedan određeni

supstrat. Tako, arginaza katalizuje samo razlaganje arginina na ureu i ornitin, a ne može da

Page 6: Jasminka Nikolic Biohemija

razlaže druge aminokiseline. Piruvat kinaza omogućava prenos fosfatne grupe između

fosfoenolpiruvata i ADP-a i katališe samo ovu reakciju.

Nešto niži stepen supstratne specifičnosti je nađen kod heksokinaze. Ovaj enzim

prenosi fosfatnu grupu sa ATP-a na D-glukozu, ali može da fosforiliše i D-fruktozu, D-

manozu i 2-deoksi-D-glukozu. Fosfataze su primjer enzima sa grupnom specifičnošću. Ovi

enzimi otcjepljuju fosfatne grupe od različitih organskih fosfatnih estara i pri tome imaju

različit stepen specifičnosti. Dakle, grupna specifičnost se ogleda u tome što enzim katalizuje

isti tip hemijskih reakcija u jedinjenjima bliske hemijske strukture.

Karakteristika mnogih enzima je stereoizomerna specifičnost. Enzimi uključeni u

proces glikolize djeluju samo na D-stereoizomere glukoze i njene derivate, ali nikada na L-

oblike. Aminotransferaze prevode ketokiseline samo u L-izomerne aminokiseline. Laktat

dehidrogenaza djeluje samo na L-mliječnu kiselinu.

Prostetična grupa, odnosno koenzim, određuje specifičnost enzima prema tipu

hemijske reakcije, dok je specifičnost prema supstratu uslovljena strukturom proteinske

komponente.

ENZIMI KAO KATALIZATORI

Mali broj molekula enzima je u stanju

da veoma brzo transformiše znatno veći

broj molekula supstrata. Pri tome enzimi

povećavaju brzinu hemijske reakcije do

uspostavljanja ravnoteže između

reaktanata i proizvoda reakcije, ne

mijenjajući konstantu ravnoteže.

Enzimi katalizuju biohemijske

reakcije tako što značajno smanjuju

energiju potrebnu za aktivaciju, a sami

se pri tome ne mijenjaju. Da bi tekla

reakcija transformacije supstrata (S) do

proizvoda (P) potrebno je da određeni

broj molekula supstrata posjeduje višu

energiju od drugih, tako da se dostigne

nivo "aktivnog stanja". Energija

aktivacije predstavlja iznos energije koji

je potreban da se ove molekule supstrata

dovedu u aktivno stanje.

U prisustvu enzima smanjuje se

potrebna slobodna energija za

prevođenje supstrata u proizvod

reakcije, zbog čega reakcija teče znatno

brže.

Formiranje kompleksa enzim-

supstrat (ES) je prvi korak u enzimski-

katalizovanim reakcijama. Vezujući se

za enzim molekul supstrata prelazi u

aktivni oblik, a energija potrebna za ovu

aktivaciju se dobija od oslobođene

energije u toku spajanja S sa E. Energija aktivacije

A-rekcija teče bez enzima; B-reakcija katalizovana

enzimom

Page 7: Jasminka Nikolic Biohemija

Zbog toga se energetska barijera reakcije snižava, povećavajući brzinu stvaranja

proizvoda reakcije. Kompleks ES se razlaže dajući proizvod reakcije (P) i slobodni enzim (E):

Konstanta brzine za reakciju koja se odvija u smijeru ES označena je sa k1, dok k2

označava konstantu brzine iste reakcije suprotnog smjera. Konstanta brzine reakcije nastajanja

P iz kompleksa ES označena je sa k3.

Kada je stvaranje i razlaganje ES kompleksa uravnoteženo (k1-k2= k3) uspostavlja se

stacionarna koncentracija intermedijarnog ES kompleksa, tj. nastaje stabilno, stacionarno

stanje. Ovakvo uravnoteženo stanje predstavlja dinamičku ravnotežu, pri kojoj je

koncentracija ES kompleksa konstantna, a slobodni enzim je u ravnoteži sa ES kompleksom.

U stacionarnom stanju koncentracije supstrata i proizvoda su promjenljive.

Dakle, pri stacionarnoj ravnoteži koncentracija ES kompleksa je konstantna, a brzina

kojom kompleks nastaje jednaka je brzini njegove razgradnje:

Km je Michaelis-Menten-ova konstanta i jednaka je cS pri polovini maksimalne brzine.

Km ima veliki značaj pri određivanju afiniteta nekog enzima prema supstratu. Ukoliko je Km

veća, znak je da je afinitet enzima prema supstratu manji. Da bi se aktivnost nekog enzima

odvijala u takvim uslovima neophodno je prisustvo supstrata u većoj koncentraciji. Nasuprot

tome, pri niskim Km enzim ima veliki afinitet prema supstratu.

Inicijalna brzina (v) enzimski katalizovane reakcije proporcionalna je koncentraciji ES

kompleksa:

V= k cE............................................................(5)

Pri jako velikim koncentracijama supstrata sav enzim se nalazi u kompleksu ES, pa je

ukupna koncentracija enzima cEt jednaka cES, a brzina reakcije je maksimalna (V=Vmax):

V= k cEt..............................................................(6)

Koncentracija slobodnog enzima, koji nije uključen u kompleks sa supstratom može da

se izračuna iz slijedećeg izraza:

cE= cEt – cES.................................(7)

E + S ES + P.............................................(1)E kk

k

1

2

3

k1 cE x cS = k2 cES + k3 cES....................................(2)

k1 cE x cS = (k2 + k3) cES........................................(3)

cE x cS k2 + k3

cES =

k1

= Km........................................(4)

Page 8: Jasminka Nikolic Biohemija

Kada se podaci iz jednačine 5 i 6 uključe u jednačinu 7 dobija se:

Izraz za cE može da se supstituiše u jednačinu 4, dakle:

a zamjenom v = k cES, iz č ega slijedi cES = v/k , dobije se :

Posljednja jednač ina mož e da se napiše i na slijedeć i nač in:

Ovakav izraz je poznat pod nazivom Michaelis- Menten-ova jednačina, a dobila je

naziv po autorima L. Michaelis-u, enzimologu i M.L. Menten-ovoj, pedijatru. Ovaj izraz

omogućava razumijevanje enzimskih reakcija.

Iz jednačine proizilazi da kada je inicijalna brzina jednaka polovini maksimalne brzine

( v = Vmax/2), tada je koncentracija supstrata jednaka Km. Kada je cS = Km, tada je oko ½

molekula enzima u kompleksu sa supstratom. Vmax je indikator katalitičke efikasnosti i

afiniteta enzima prema supstratu.

Pri visokim koncentracijama supstrata, pod uslovom da je postignuta maksimalna

brzina, svi molekuli enzima su zasićeni supstratom, tj. nalaze se u ES kompleksu. U takvim

okolnostima brzina je konstantna i ne zavisi od koncentracije supstrata, ali je direktno

proporcionalna koncentraciji enzima.

Pri eksperimentima in vitro potrebno je da su koncentracije supstrata oko 10 puta

veće od Km, da bi se postigle maksimalne brzine. Zato Km ima praktični značaj u

standardizaciji enzimskih metoda. Teži se ka optimalnim metodama, pri kojima je

koncentracija supstrata i do 20 puta veća od Km.

Km i Vmax su konstantne i specifične karakteristike za određeni enzim i njegov

supstrat. Koncentracija supstrata u ćelijama in vivo treba da bude bliska vrijednostima Km,

kako bi biohemijski procesi bili racionalni.

Vrijednosti Km i Vmax determinišu tip inhibicije enzimske aktivnosti i doprinose

razjašnjavanju regulacije metaboličkih procesa u kojima na isti supstrat djeluje dva, ili više

enzima.

Fosforilisanje glukoze katalizuju glukokinaza i heksokinaza. Ova dva enzima, iako

katalizuju isti biohemijski proces pretvaranja glukoze u glukozo-6- fosfat, razlikuju se ne

samo po lokalizaciji, već i po kinetičkim karakteristikama.

.................(8)V- v =

v -V

cE = k k k

............................(9)

k x cES

(V-v) x cSKm =

Km=(V-v) x cS

v

...........................(10)

v = V x cS

Km + cS...............................(11)

Page 9: Jasminka Nikolic Biohemija

Glukokinaza je prisutna u jetri, a heksokinaza u svim tkivima. Dok je vrijednost Km

glukokinaze za glukozu oko 10 mmol/L, Km heksokinaze za glukozu je manji od 0,1 mmol/L.

Dakle, afinitet heksokinaze prema glukozi, kao supstratu, je značajno veći. Fosforilisanje

glukoze u hepatocitima jetre intenzivira se nakon unošenja obroka bogatog ugljenim

hidratima, kada glukoza u krvi v. portae dosegne nivo iznad 10 mmol/L. Glukokinaza je

inducibilan enzim, na koji djeluje visok nivo glukoze u hepatocitima, uzrokujući sintezu

novih molekula glukokinaze. Nastali proizvod reakcije glukozo-6-fosfat ne inhibiše

glukokinazu, za razliku od heksokinaze.

Međutim, u fiziološkim uslovima, kada je koncentracija glukoze u hepatocitima bliska

koncentraciji glukoze u krvi, glukokinaza je u stanju da fosforiliše glukozu u jetri u glukozo-

6-fosfat, koji se zatim uključuje u metaboličke procese.

Heksokinaza se zasiti glukozom već pri glikemiji od 1 mmol/L, tako da hiperglikemija

ne utiče na heksokinazu.

FAKTORI KOJI UTIČU NA BRZINU ENZIMSKI-KATALIZOVANIH REAKCIJA

TEMPERATURA

U okviru ograničenog temperaturnog intervala, brzina enzimski-katalizovanih reakcija

raste sa porastom temperature. Toplotna energija se prevodi u kinetičku energiju čestica koje

reaguju, što utiče na porast brzine reakcije ispod optimalne temperature. Međutim, ako

temperatura i dalje raste, kinetička energija molekula enzima i sama postaje tako velika da

prevazilazi energetsku barijeru za raskidanje sekundarnih veza koje drže enzim (kao

proteinsku molekulu) u nativnom, ili katalitički aktivnom stanju. Zbog toga dolazi do

narušavanja sekundarne i tercijarne strukture i paralelnog gubitka katalitičke aktivnosti,

enzima. Inaktivacija enzima visokom temperaturom je ireverzibilan proces.

Postoji optimalna temperatura, za svaki enzim, na kojoj je enzimski-katalizovana

reakcija najbrža i ona se za većinu enzima nalazi između 30oC i 40

oC. Porast temperature

iznad optimalne dovodi do naglog pada brzine reakcije. Većina enzima se denaturiše na

temperaturi iznad 50oC, ali taj proces zavisi od dužine vremenskog intervala u kome je enzim

izložen povišenoj temperaturi.

Postoje i izuzeci , kao što su enzimi iz nekih mikroorganizama adaptiranih na rast u

prirodnim toplim izvorima, koji mogu da imaju optimalne temperature blizu tačke ključanja

vode. Ribonukleaza je postojana na 100oC tokom nekoliko minuta.

Tačna razmjera promjene brzine reakcje za svakih 10oC porasta temperature se

označava kao temperaturni koeficijent (Q10). Brzina mnogih bioloških reakcija se približno

udvostruči pri porastu temperature za 10oC (Q10=2), a prepolovi pri opadanju temperature za

10oC. Pri mnogim fiziološkim procesima, na pr. pri brzini kontrakcije ekscitovanog srca, Q10

takođe iznosi 2.

Na 0oC aktivnost enzima se ne manifestuje, ali ovaj proces je reverzibilan, jer sa

porastom temperature, do optimalne, aktivnost se u potpunost obnovi. Iz ovog razloga niske

temperature (ispod –20oC) se koriste za čuvanje enzima.

pH

pH vrijednost na više načina značajno utiče na brzinu enzimski-katalizovanih reakcija.

Najbitniji je uticaj pH na molekulu enzima, pri čemu se mijenja jonsko stanje enzima, ali se

istovremeno mijenja i jonizacija supstrata. Uticaj pH na molekule enzima rezultat je njihove

Page 10: Jasminka Nikolic Biohemija

proteinske prirode. Pri optimalnom pH molekule enzima imaju jonski oblik koji je

najadekvatniji za kontakt njegovog aktivnog centra sa supstratom. Samo pri odgovarajućoj

tercijarnoj strukturi enzima, na koju utiče pH vrijednost, moguća je enzimska kataliza.

Oblik krive zavisnosti brzine enzimske reakcije od pH određuju slijedeći faktori:

Denaturacija enzima na suviše visokim i niskim pH vrijednostima.

Uticaj na naelektrisano stanje supstrata, ili enzima.

Kod enzima, promjene naelektrisanja mogu da utiču na aktivnost bilo mijenjajući

strukturu, bilo mijenjajući naelektrisanje nekog ostatka molekule bitnog za vezivanje

supstrata, ili katalizu.

Drugi važan faktor je promjena konformacije enzima pri variranju pH. Naelektrisana

grupa distalno od oblasti gdje je supstrat vezan može da bude neophodna za održavanje

tercijarne, ili kvaternarne strukture. Ako se naelektrisanje ove grupe promijeni molekul

proteina može da se raspadne, postane kompaktniji, ili da disosuje dajući protomere, što sve

dovodi do gubitka aktivnosti.

Optimalne pH vrijednosti za većinu enzima se nalaze u pH-intervalu od 5 do 9.

Međutim, mali broj enzima je aktivan pri pH vrijednostima koje su sasvim izvan ovog

intervala. Pepsin ima optimalno dejstvo pri pH 1,5, a arginaza pri pH 7.

KONCENTRACIJA ENZIMA

U mnogim situacijama korisno je da se zna ne samo da li je dati enzim prisutan, nego

koliko ga ima. Pod optimalnim uslovima (optimalnoj temperaturi i pH, višku supstrata i

eventualnom prisustvu aktivatora i koenzima) brzina jedne enzimski- katalizovane reakcije

direktno je proporcionalna količini prisutnog enzima.

Enzim je reaktant koji se vezuje sa supstratom dajući enzim-supstrat kompleks, ES,

koji se razlaže dajući produkt P i slobodni enzim.

U najjednostavnijem obliku ovo može da se prikaže:

Izostavljanjem međuproizvoda ES dobijamo:

brzina1 = k1(cE x cS)

brzina2 = k-2(cE x cP)

U stanju ravnoteže:

k1 (cE x cS) = k-2 (cE x cP)

Zapaža se da iako izrazi za brzine reakcija u oba smjera, kao i za cjelokupnu reakciju

sadrže enzim, on izostaje za konstantu ravnoteže ( Keq ) cjelokupne reakcije.

k

k

k

kE + P ES E + S 1 2

1 2- -

2-

1E + S E + P

k

k

k1

k-2

= cE x cP

=cP

cS cE x cS

Keq = k1

k-2

; Keq = cP

cS

Page 11: Jasminka Nikolic Biohemija

Prema tome, enzim ne utiče na konstantu ravnoteže. Drugačije rečeno, pošto enzimi

utiču na brzine, a ne na konstante brzina, oni ne mogu da utiču na Keq, koja je odnos konstanti

brzina.

Keq neke reakcije je ista, bez obzira da li se ravnoteža postiže sa, ili bez enzimske

katalize. Enzimi ne utiču na početne i završne koncentracije reaktanata i produkata u

ravnoteži–faktore koji određuju Keq i ΔG° (promjenu standardne slobodne energije).

KONCENTRACIJA SUPSTRATA

Jedna od karakteristika enzimski-katalizovanih reakcija jeste zasićenje enzima

supstratom.

U slijedećoj diskusiji enzimske reakcije se tretiraju kao da imaju samo jedan supstrat i

jedan proizvod. Iako postoje i takve enzimski-katalizovane reakcije, većina ih ima dva ili više

supstrata i proizvoda. Ipak, ono što važi za jedan, važi i za dva supstrata.

Ako se koncentracija supstrata poveća, a svi ostali uslovi održavaju konstantnim,

mjerena početna brzina vi (brzina mjerena kada je sasvim malo supstrata izreagovalo) raste do

maksimalne vrijednosti, ali ne dalje.

Brzina raste sa porastom koncentracije supstrata do tačke gdje je enzim "zasićen"

supstratom. Mjerena početna brzina dostiže maksimalnu vrijednost i ostaje nepromijenjena pri

daljem povećanju koncentracije supstrata, zato što je broj molova supstrata mnogo veći od

broja molova enzima.

Na dijagramu je predstavljen uticaj koncentracije supstrata cS na brzinu (v) enzimski-

katalizovane reakcije. Grafički prikaz ima izgled hiperbole, kada enzim nije alosterijski. Za

alosterijske enzime karakteristična je sigmoidna kriva.

Grafički prikaz zavisnosti brzine enzimski-katalizovane reakcije od promjene

koncentracije supstrata

Dio krive predstavlja linearnu zavisnost (označen brojevima 1 i 2) brzine enzimske

reakcije od koncentracije supstrata i koncentracije enzima (jednačina prvoga reda). Konstanta

ravnoteže reakcije, (nastajanje kompleksa ES) nije beskonačno velika.

a

v

V

V

2

K cS

1

2

3

m

ESE + S

Page 12: Jasminka Nikolic Biohemija

Tako u dijelovima krive (1 i 2), povećanje, ili smanjenje koncentracije supstrata

dovodi do povećanja, odnosno smanjenja količine enzima vezanog za supstrat u kompleksu

(ES), pa će i v da zavisi od koncentracije supstrata.

U dijelu krive (3) praktično je sav enzim vezan sa supstratom, tako da dalje povećanje

koncentracije supstrata, iako povećava broj sudara između molekula enzima i supstrata, ne

dovodi do povećanja brzine reakcije, pošto nema slobodnog enzima sposobnog da reaguje.

Brzina reakcije u dijelu krive (3) zavisi samo od koncentracije enzima i zato je to reakcija

nultoga reda, sa maksimalnom ili graničnom brzinom (Vmax).

U takvim se okolnostima povećanje brzine reakcije ne može da postigne povećanjem

koncentracije supstrata, ali može dodatkom nove količine enzima.

Slučaj u tački a predstavlja teoretski veoma značajnu situaciju u kojoj je tačno

polovina molekula enzima "zasićena supstratom". Brzina reakcije je tada ravna polovini

maksimalne brzine (Vmax/2).

Koncentracija supstrata pri kojoj brzina dostiže polovinu svoje maksimalne

vrijednosti, kao što smo ranije naglasili, označava se kao Km, ili Michaelis-Menten-ova

konstanta. Ovaj parametar je konstantna vrijednost, za određeni enzim i određeni supstrat.

Kada jedan enzim djeluje na više supstrata, onda ima i više različitih Km vrijednosti.

Km se izražava u mol/L, a kod najvećeg broja enzima vrijednosti Km su od 10-5

do 10-2

mol/L.

Pri fiziološkim uslovima, u ćelijama, koncentracija supstrata je najčešće bliska Km

vrijednosti za određeni enzim, tako da enzim nije zasićen supstratom. Zato je u ovakvim

okolnostima brzina enzimski-katalizovanih reakcija pod uticajem koncentracije supstrata.

GRAFIČKO ODREĐIVANJE MICHAELIS-MENTEN-ove KONSTANTE

Vrijednost Km može da se odredi eksperimentalno pomoću grafičkog prikazivanja

brzine reakcije (v) u funkciji koncentracije supstrata (cS).

Kada je cS približno jednaka Km , v jako zavsi od promjena cS, a enzim radi sa

polovinom maksimalne brzine. U stvari, mnogi enzimi imaju Km čija je vrijednost približna

fiziološkoj koncentraciji njihovih supstrata.

Michaelis-Menten-ov izraz:

opisuje ponašanje mnogih enzima prilikom mijenjanja koncentracije supstrata. Zavisnost

brzine jedne enzimski-katalizovane reakcije od cS i Km može da se pokaže rješavanjem gore

navedene reakcije.

1. cS je mnogo manja od Km, cS<< Km: ( tačka 1 na dijagramu 1. )

Ako se cS doda na Km u nazivniku, vrijednost Km se vrlo malo mijenja, pa se cS može da

zanemari. Pošto su Vmax i Km konstante, njihov se odnos može da zamijeni novom konstantom

K.

Drugim riječima, kada je koncentracija supstrata ispod one koja je potrebna da se dostigne

polovina maksimalne brzine (tj. ispod Km vrijednosti) početna brzina v zavisi od

koncentracije supstrata cS.

2. cS mnogo veća od Km, cS >>Km ( tačka 3 na dijagramu 1.)

v = V x cS

Km + cS

Page 13: Jasminka Nikolic Biohemija

Ako sada u nazivniku vrijednosti cS dodamo Km, njegova vrijednost se veoma malo mijenja,

tako da Km može da se zanemari.

Iz gore navedenog slijedi, da kada koncentracija supstrata cS daleko premašuje vrijednost Km,

tada je brzina v maksimalna, dostiže Vmax.

3. Kada je cS = Km ( tačka a na dijagramu 1.)

Ovim se tvrdi da kada je koncentracija supstrata jednaka Km vrijednosti, brzina v je

ravna polovini maksimalne brzine.

Pošto se, prilikom grafičkog prikazivanja v u zavisnosti od Km, za mnoge enzime

dobija kriva zasićenja iz koje se ne može lako da odredi V (a samim tim ni Km ) pogodnije je

da se Michaelis-Menten-ov izraz transformiše tako da se određivanje Km i V uprosti.

Michaelis-Menten-ova jednačina može da se preuredi i razloži na slijedeći način:

Gornji izraz je jednačina prave: y = ax + b ; y = 1/v ; x = 1/cS.

Ako se y, ili 1/v, grafički prikaže kao funkcija od x, ili 1/cS, odsječak b na y-osi je 1/V, a

nagib α , je Km/V.

v = V x cS

Km + cS v V x cS

cSV~ ~~~

v = V x cS

Km + cS v V x cS

cS + cS==

V x cS

2cS=

V

2

v = V x cS

Km + cS inverzija 1

v =Km + cS

V x cS

1=

v

Km

V x

1

cS+

cS

V x cS

1=

v

Km

V x

1

cS+

1

V

Page 14: Jasminka Nikolic Biohemija

Dvostruko recipročni Lineweaver-Burk-ov dijagram

Negativni odsječak na x-osi može da se odredi ako je y = 0, a tada je

Ovakav dijagram se zove dvostruko recipročni Lineweaver-Burk-ov dijagram.

Km vrijednost se može da odredi iz navedenog dijagrama, upotrebom bilo nagiba i y-

odsječka, ili negativnog x-odsječka. Brzina v može da bude izražena u bilo kojim jedinicama,

pošto je Km nezavisna od cE.

Km vrijednost je značajna u praksi, kod ispitivanja enzima. Pri koncentraciji supstrata

koja je 100 puta veća od Km, enzim će da djeluje praktično maksimalnom brzinom. Km pokazuje koliko supstrata treba da se upotrijebi da bi se izmjerila Vmax .

Iako je istorijski gledano Lineweaver-Burkov dijagram prvi dijagram ovakve vrste, a

ujedno i danas najkorišteniji, on posjeduje ozbiljna ograničenja. Pri niskim vrijednostima

koncentracije supstrata, tj. visokim vrijednostima 1/cS podaci teže da se razlikuju od

očekivanih, budući da se cS, a kao posljedica toga i v, drastično mijenjaju tokom reakcije.

Dešava se da pri malim vrijednosti cS devijacija rezultata utiče na nagib, a stoga i preciznost

prave.

NOMENKLATURA I KLASIFIKACIJA ENZIMA

Enzim obično dobija ime na taj način što se na ime supstrata, koji treba da se

transformiše, doda sufiks –aza: ureaza za enzim koji hidrolizuje ureu, ili fosfataza u slučaju

enzima koji hidrolizuje fosfatne grupe fosforilisanih organskih jedinjenja. Drugi enzimi

dobijaju imena koja se odnose na njihovu aktivnost, kao npr. katalaza enzim koji razgrađuje

peroksid, ili proteaza proteolitički enzim digestivnog trakta (tripsin i pepsin). Da bi se

izbjegla konfuzija stvorena ovakvom aproksimativnom nomenklaturom, 1961. god. je

osnovana Inernacionalna enzimska komisija (International Enzyme Commission; E.C.). Ona

je definisala sistematsku osnovu za nomenklaturu enzima. Iako trivijalna imena mnogih

enzima i dalje ostaju u upotrebi, svi se enzimi sada klasifikuju i dobijaju imena u saglasnosti

sa reakcijom koju katalizuju.

1

V

1

b

cS

1

v

K

1-

VK=Nagib

m

x - - =ba =

1Km

Page 15: Jasminka Nikolic Biohemija

Enzimska komisija je uzela u obzir šest klasa reakcija (Tabela 3). U svakoj klasi

postoje podklase, a svaka od ovih je podijeljena u podpodklase u okviru kojih su nabrojani

pojedinačni enzimi. Klase, podklase, podpodklase i pojedinačni (individualni) brojevi su

označeni ciframa. Na taj način čine seriju od četiri cifre koje označavaju jedan enzim.

Svakom enzimu, takođe, se daje i sistemsko ime, koje opisuje reakciju katalizovanu enzimom.

Kao primjer možemo da uzmemo enzim koji katalizuje slijedeću reakciju:

Fosfatna grupa sa ATP-a se esterifikuje sa -OH grupom na C6 glukoze, te je zato

enzim transferaza (klasa 2, vidi Tabelu 3.). Podklasa 7 transferaza sadrži enzime koji

transportuju grupe koje sadrže fosfor, a podpodklasa 1 sadrži fosfotransferaze koje kao

akceptor koriste alkoholnu grupu. Individualni broj 2 u ovoj podpodklasi je ATP:D-glukoza

6-fosfotransferaza i njen klasifikacioni broj je 2.7.1.2 .

Uobičajeno je da se ispred ovih cifri napišu i slova E.C, inicijali "Enzyme

Commission". Iza individualnog broja enzima se ne stavlja tačka.

Šest klasa enzima:

1. Oksidoreduktaze: katalizuju oksidoredukcione procese u ćelijama

2. Transferaze: omogućavaju prenošenje hemijskih grupa sa donatora na akceptor.

3. Hidrolaze: katalizuju razlaganje organskih materija uz učešće molekula vode.

4. Liaze: katalizuju odvajanje (nehidrolitičkim putem) neke hemijske grupe od supstrata

uz stvaranje dvostruke veze, ili obrnuto, omogućavaju pripajanje neke hemijske grupe

na dvostruku vezu supstrata.

5. Izomeraze: omogućavaju stvaranje izomera.

6. Ligaze (sintetaze): omogućavaju stvaranje hemijskih veza između kiseonika i

ugljenika, između ugljenika i azota, između ugljenika i sumpora, između ugljenikovih

atoma, uz utrošak hemijske energije (ATP, GTP, UTP ili CTP).

JEDINICE ZA IZRAŽAVANJE AKTIVNOSTI ENZIMA

Nekada je u izražavanju aktivnosti enzima vladalo veliko šarenilo, pošto je svaki

autor uz svoju metodu davao i svoju jedinicu. U takvim uslovima nije bilo moguće da se

porede nalazi dobijeni raznim metodama, a nije mogao da se ima ni uvid u međusobni odnos

aktivnosti različitih enzima. Zato je uvedena internacionalna jedinica (IU ili U).

Jedna internacionalna jedinica (U) je aktivnost određenog enzima koja u jednoj

minuti katalizuje promjenu jednog mikromola supstrata, pod optimalnim standardnim

uslovima.

U = μmolΔ[S] / min = μmol · min-1

Uvođenjem novog sistema mjera i jedinica, SI, uvedena je nova jedinica za aktivnost

enzima. Ova se jedinica naziva katal.

Jedan katal (kat) odgovara aktivnosti enzima koja u jednoj sekundi katalizuje

promjenu jednog mola supstrata, pod optimalnim standardnim uslovima.

ATP

D-glukoza

ADP

D-glukozo-6-fosfat

Page 16: Jasminka Nikolic Biohemija

kat = molΔ[S] / sek = mol · sek-1

Za preračunavanje U/L u nkat/L vrijedi slijedeći izraz:

1U = 1μmol / min = 1μmol / 60sek = 1/60 μmol / sek = 1 / 60μkat = 16,67 nkat

Aktivnosti enzima izražene u katalima predstavljaju vrlo male brojeve (koji numerički ne

odgovaraju zahtjevima SI), pa ih zato treba izražavati u nanokatalima.

Katalitička koncentracija enzima (koncentracija enzimske aktivnosti) predstavlja

aktivnost enzima u jedinici zapremine seruma, plazme, ili rastvora, a izražava se brojem

internacionalnih jedinica, ili katala na jedan litar.

Katalitička koncentracija enzima može da se izražava i na jedinicu težine tkiva, na

cijeli organ, ukupni azot, ili sadržaj proteina. Ukoliko se aktivnost enzima određuje u

biološkim tkivima najčešće se koristi izražavanje katalitičke koncentracije enzima na proteine

(u tkivima najmanje promjenljive veličine).

Page 17: Jasminka Nikolic Biohemija

VITAMINI I KOENZIMI

Vitamini su organska jedinjenja razliĉitog hemijskog sastava, neproteinske prirode, koja

su neophodna u ishrani ţivotinja i ĉovjeka. Biljna ćelija i mikroorganizmiimaju sposobnost da

sintetišu vitamine u vrlo malim koliĉinama. Unošenjem preko hrane animalni svijet i ĉovjek

obezbjeĊuju prisustvo ovih znaĉajnih jedinjenja za normalno funkcionisanje tkiva i organa.

Nedovoljno prisustvo u ishrani dovodi do avitaminoze, koju karakterišu razliĉiti poremećaji.

Potrebe za odreĊenim vitaminima zavise od vrste organizma, jer svi organizmi nemaju

potrebu za istim vitaminima. Ove vaţne supstance se tradicionalno dijele na: hidrosolubilne i

liposolubilne vitamine. Osim vitamina C (askorbinska kiselina), svi hidrosolubilni vitamini,

ĉine dijelove, ili prekursore koenzima.

Koenzimi su molekule sa malom molekulskom masom, koje obezbjeĊuju specifiĉnu

hemijsku funkciju odreĊenim enzimski-katalizovanim reakcijama. Koenzimi mogu da

obavljaju ulogu prenosioca specifiĉnih funkcionalnih grupa, kao što su metil grupa i acil

grupe. Djelujući zajedno sa enzimima koenzimi daju mnogo širi spektar katalitiĉkih osobina

metaboliĉkim reakcijama. U ovim reakcijama koenzimi se prvo modifikuju, a zatim vraćaju

na poĉetni oblik djelovanjem drugih enzima. Na taj naĉin male koliĉine ovih supstanci mogu

da budu obnovljene i ponovo iskorištene.

Liposolubilni vitamini nisu u direktnoj vezi sa koenzimima, ali obavljaju esencijalne

uloge u mnogim vaţnim biološkim procesima, kao što su vid, odrţavanje strukture kostiju i

koagulacija krvi. Mehanizmi djelovanja liposolubilnih vitamina nisu još uvijek dovoljno

objašnjeni, u poreĊenju sa mehanizmima djelovanja hidrosolubilnih vitamina, ali moderna

istraţivanja postepeno popunjavaju praznine.

VITAMINI I KOENZIMI

Vitamini

Koenzimi u čiji sastav ulaze

Hidrosolubilni

Tiamin (vitamin B1 ) Tiamin pirofosfat

Niacin (nikotinska kiselina) Nikotinamid adenin dinukleotid (NAD+)

Nikotinamid adenin dinukleotid fosfat (NADP+)

Riboflavin (vitamin B2) Flavin adenin dinukleotid (FAD)

Flavin mononukleotid (FMN)

Pantotenska kiselina Koenzim A (Co A)

Piridoksal, piridoksin, piridoksamin (vitamin B6) Piridoksal fosfat

Kobalamini (vitamin B12) 5'-deoksiadenozil-kobalamin

Metilkobalamin

Biotin Kompleks biotin-lizin (biocitin)

Liponska kiselina Kompleks lipoil-lizin (lipoamid)

Folna kiselina Tetrahidrofolat

Askorbinska kiselina ( vitamin C)

Liposolubilni

Retinol (vitamin A)

Ergokalciferol (vitamin D2)

Holekalciferol (vitamin D3)

α-tokoferol (vitamin E)

Vitamin K

Vitamin F

Page 18: Jasminka Nikolic Biohemija

VITAMIN B1 (TIAMIN, ANEURIN)

Tiamintrifosfat (TTP)

OPOPOP

Tiamindifosfat (TDP)

Tiaminmonofosfat (TMP)Tiamin

N

N NH OH

ADP ATP

ADP

ATP

ADPATP

S

N+

2 2

+

S

N

OPNH

N

N

2

+

S

N

OPOPNH

N

N2

+

S

N

NH

N

N

SASTOJAK JE KOENZIMA TIAMINPIROFOSFATA

SINTETIŠE SE U BILJKAMA I NEKIM MIKROORGANIZMIMA, ŢIVOTINJE

GA UNOSE HRANOM

DNEVNE POTREBE SU ZA KRUPNU STOKU 3-5 mg

BOGATI IZVORI SU NEPRERAĐENE ŢITARICE, JETRA, SRCE, BUBREZI I

KVASAC

PRI NEDOSTATKU NARUŠAVA SE METABOLIZAM UGLJENIH HIDRATA I

AMINOKISELINA, REMETE SE FUNKCIJE NERVNOG SISTEMA

MIKROORGANIZMI U PROBAVNOM TRAKTU KRUPNE STOKE SINTETIŠU

TIAMIN I STVARAJU POTREBNE REZERVE

Page 19: Jasminka Nikolic Biohemija

VITAMIN B2 (RIBOFLAVIN, LAKTOFLAVIN)

IMA ULOGU KOENZIMA U VIŠE OD 60 ENZIMA

NALAZI SE SLOBODAN SAMO U MLIJEKU

U ĆELIJAMA ŢIVOTINJA KAO PROSTETIĈNA GRUPA KOENZIMA FMN I

FAD

NAJOSJETLJIVIJI NA NEDOSTATAK B2 SU SVINJE, PSI I PTICE

KONJI, KRAVE I OVCE POMOĆU MIKROORGANIZAMA PROBAVNOG

TRAKTA SINTETIŠU VITAMIN B2

U VETERINI RIBOFLAVIN SE KORISTI ZA LIJEĈENJE HEPATITISA,

DERMATITISA I POREMEĆAJA METABOLIZMA

Page 20: Jasminka Nikolic Biohemija

PANTOTENSKA KISELINA

SASTOJAK JE CoA

UĈESTVUJE U SINTEZI LIMUNSKE KISELINE, MASNIH KISELINA,

STEROLA

ŢIVOTINJE GA UNOSE HRANOM, A MIKROFLORA PREŢIVARA SINTETIŠE

U PROBAVNOM TRAKTU

NEDOSTATAK IZAZIVA PELAGRU PILIĆA I DRUGIH DOMAĆIH ŢIVOTINJA

VITAMIN PP (NIACIN)

amid

U ORGANIZMU ŢIVOTINJA SE NALAZI KAO NIKOTINSKA KISELINA

SINTETIŠE SE IZ TRIPTOFANA

UKOLIKO SE ŢIVOTINJE HRANE PRETEŢNO KUKURUZOM POTREBNO JE

HRANI DODAVATI NIACIN

VITAMIN PP JE SASTAVNI DIO KOENZIMA NAD+ I NADP

+ KOJI SU

SASTOJCI OKO 150 ENZIMA

NEDOSTATAK SE MANIFESTUJE DERMATITISOM SA MRKO OBOJENOM

KOŢOM

OH

O

C2 2CH CH

OH

H

3

3

CH

CH

NH

O

CCC2

HOCH

2

N

C

O

OH NH

Nikotinska kiselina

O

C

N

Amid nikotinske kiseline-niacin

Page 21: Jasminka Nikolic Biohemija

VITAMIN B6

KOENZIM U METABOLIZMU AMINOKISELINA

POTREBE ŢIVOTINJA SU RAZLIĈITE (NAJMANJE SVINJE, NAJVIŠE PILIĆI)

NEDOSTATAK IZAZIVA USPOREN RAST, GUBITAK PIGMENTA DLAKE,

ANEMIJU I NERVNE POREMEĆAJE

(Piridoksin)

PiridoksaminPiridoksal

Piridoksol

N

HOH C

CH NH

OH

CH

H

O

N

HOH C

C

OH

CH CH

OH

CH OH

HOH C

N

2

3

2

2 22

2

33

,-5-fosfat

PP

Piridoksal

N

-OH C

CH NH

OH

CH

H

O

N

-OH C

C

OH

CH

2

3 3

2

2 2

Piridoksamin-5 -fosfat,

Page 22: Jasminka Nikolic Biohemija

VITAMIN B12 (CIJANKOBALAMIN)

STRUKTURA SLIĈNA HLOROFILU

U SREDIŠTU KORINSKOG PRSTENA NALAZI SE KOBALT, A NA PRSTEN JE

VEZAN PSEUDONUKLEOTID

ZNAĈAJAN JE U OBLIKU KOENZIMA

UĈESTVUJE U METABOLIZMU LIPIDA

POVEĆAVA KOLIĈINU GLIKOGENA U MIŠIĆIMA ŢIVOTINJA

RESORBUJE SE POMOĆU CASTLEOVOG UNUTRAŠNJEG FAKTORA JEDINO

KROZ CRIJEVNU MUKOZU

DALJE SE TRANSPORTUJE TRANSKOBALAMINOM

ZA NORMALAN METABOLIZAM ŢIVOTINJA POTREBNO JE DNEVNO OD

10-20 mg/kg HRANIVA

NEDOSTATAK IZAZIVA ANEMIJU

PRODUKUJE GA BAKTERIJSKA FLORA

Page 23: Jasminka Nikolic Biohemija

VITAMIN C (L-askorbinska kiselina)

UĈESTVUJE U OKSIDOREDUKCIONIM PROCESIMA

SASTOJAK JE OKSIDOREDUKTAZA I AKTIVATOR NEKIH ENZIMA

NEOPHODAN JE ZA BIOSINTEZU HRSKAVICE I KOSTIJU,VEZIVNOG

TKIVA, ZUBA (kofaktor enzima protokolagen hidroksilaze)

DNEVNE POTREBE ZA ŢIVOTINJE SU OD 50-250 mg/kg HRANIVA

NEDOSTATAK IZAZIVA OŠTEĆENJE KAPILARA, KRVARENJE, UPALU

DESNI, LABAVLJENJE ZUBA

REGENERACIJA POVREDA I PROPUSTLJIVOST KAPILARA ZAVISI OD

VITAMINA C

VITAMIN A

NEOPHODAN JE ZA RAST, RAZVOJ, REPRODUKCIJU

HO-C-HHO-C-H

22

O

O

OH

OH

CH OH

-2H

+2H

CH OH

O

O

O

O

NADP+

NADPH + H+

Retinol-vitamin A1

Retinalreduktaza

O2-karotindioksigenaza

-karotin

2

H

o

2

,,,,,,7

8,,

,,

,

,

,,,,

15

1514

1413

1312

1211

1110

10

9

9

8

7

CH OH

Retinal

C

2

Page 24: Jasminka Nikolic Biohemija

RETINOL JE NEOPHODNA KOMPONENTA VIDNOG PIGMENTA

RODOPSINA, DJELUJE NA GENSKU EKSPRESIJU

RETINSKA KISELINA POVEĆAVA BROJ RECEPTORA ZA EPIDERMALNI

FAKTOR RASTA, UĈESTVUJE U BIOSINTEZI GLIKOPROTEINA

VITAMIN A IMA ANTIOKSIDANTNU I ANTIKANCERSKU AKTIVNOST

NEDOSTATAK: MLADE ŢIVOTINJE ZAOSTAJU U RASTU, USPOREN JE

RAST KOSTIJU I NERVNOG SISTEMA, JAVLJAJU SE KOŢNE PROMJENE

I STERILITET

VITAMIN D (Kalciferol)

APSORPCIJA U PROKSIMALNOM DIJELU TANKOG CRIJEVA

U KRVI VEZANI ZA SPECIFIĈNE PROTEINE

U JETRI HIDROKSILACIJA U POLOŢAJU 25

25-HIDROKSI VITAMIN D (KALCIDIOL) GLAVNI OBLIK DEPONOVANJA U

JETRI, MIŠIĆIMA I MASNOM TKIVU

D3 INDUKUJE KOD DOMAĆIH ŢIVOTINJA POJAVU SPECIFIĈNIH Ca-

VEZUJUĆIH PROTEINA

REGULIŠE METABOLIZAM KALCIJUMA I FOSFORA

NEDOSTATAK KOD DOMAĆIH ŢIVOTINJA IZAZIVA RAHITIS, KAO

POSLJEDICU NARUŠENE RAZMJENE MINERALNIH MATERIJA

3

2

2

2

HO

h

HO

CH

Vitamin DErgosterol

kod biljaka

h

HO HO

kod animalaca

CH

7-dehidroholesterol Vitamin D

Page 25: Jasminka Nikolic Biohemija

VITAMIN E (tokoferol)

NAJVEĆI SADRŢAJ U ULJIMA BILJNIH KLICA

U ZELENIM BILJKAMA SINTETIŠU SE U HLOROPLASIMA

NEOPHODAN ZA REPRODUKCIJU I PREVENCIJU MUSKULARNE

DISTROFIJE KOD JAGNJADI

KAO ANTIOKSIDANS ŠTITI VITAMIN A OD DEGRADACIJE

ODSTRANJUJE SLOBODNE RADIKALE

ŠTITI MITOHONDRIJE OD LIPIDNE PEROKSIDACIJE

TOKOFEROLI KAO ANTIOKSIDATIVNE SUPSTANCE KORISTE SE KAO

STABILIZATORI PREHRAMBENIH PROIZVODA

VITAMIN K

K1-K6 IMAJU 3-4 IZOPRENSKE JEDINICE U BOĈNOM LANCU

K1 (FILOHINON) IMA 3 IZOPRENSKE JEDINICE I PRISUTAN JE SAMO U

BILJKAMA (lucerka,kopriva, spanać)

22

OHO

HO

+H O -H O

OH OH

-tokoferol

tokoferol-hidrohinon

O

O

H

n

Page 26: Jasminka Nikolic Biohemija

VITAMIN K JE NEOPHODAN ZA SINTEZU NEKIH FAKTORA KOAGULACIJE

U PREHRAMBENOJ INDUSTRIJI SE KORISTI KAO FUNGICID

DIKUMAROL JE PRIRODNI ANTAGONIST K VITAMINA, IZOLOVAN JE IZ

TRULOG SIJENA SLATKE DJETELINE, KOD ŢIVOTINJA IZAZIVA BOLEST

„slatke djeteline“ (unutrašnja krvarenja)

MLADIM ŢIVOTINJAMA JE POTREBNO 1-5mg/kg HRANIVA

VITAMIN F

VITAMIN F SE SASTOJI IZ 3 NEZASIĆENE KISELINE

PRVE DVIJE SU RASPROSTRANJENE U BILJKAMA, A TREĆA U

ŢIVOTINJSKIM ORGANIZMIMA

KOD ŢIVOTINJA UĈESTVUJE U METABOLIZMU MASTI

NAJVIŠE GA IMA U MOZGU, JETRI I RIBLJEM ULJU

OTKRIVEN JE KADA JE KOD ŢIVITINJA IZAZVANA AVITAMINOZA,

USLJED NEHRANJENJA ULJARICAMA (suvoća koţe; ekcemi; ispadanje dlake)

Arahidonska kiselina

20

14 11 8 6 512 91

COOH15

Linolenska kiselina

1816 15

COOH

19101213

Linolna kiselina

13 12 10 9

18

1

COOH

Page 27: Jasminka Nikolic Biohemija

TRANSPORT ELEKTRONA I OKSIDATIVNA FOSFORILACIJA

U respiratornom lancu prisutne su razliĉite molekule, meĊu kojima su:

a) Flavoproteini, koji sadrže FMN, ili FAD kao prostetiĉne grupe, a uĉestvuju u transferu

jednog, ili dva elektrona;

b) Koenzim Q, ili ubihinon (CoQ ili UQ) koji transportuje jedan, ili dva elektrona;

c) Razliĉiti citohromi, koji kao prostetiĉnu grupu sadrže hem i koji transportuju jedan

elektron;

d) Fe-S proteini, koji prenose jedan elektron, pri promjeni redoks broja željeza Fe2+

i Fe3+

;

e) Joni bakra povezani sa proteinima, koji takoĊe prenose jedan elektron, oscilirajući

izmeĊu Cu+ i Cu

2+.

Sve su navedene molekule, izuzev citohroma-c, povezane sa unutrašnjom membranom

mitohondrija eukariota, ili plazmatskom membranom prokariota.

Respiratorni niz funcioniše kroz ĉetiri asimetriĉno orijentisana, meĊusobno nezavisna,

transmembranska kompleksa, koji ĉine slijedeće funkcionalno-strukturne cjeline:

Kompleks I: NADH-koenzim Q-reduktaza

Kompleks II:Sukcinat-koenzim Q-reduktaza

Kompleks III: Koenzim Q-citohrom -c-reduktaza

Kompleks IV: Citohrom-c-oksidaza

Kompleks I, prihvatajući elektrone od NADH, povezuje glikolizu, Krebsov ciklus,

oksidaciju masti i lanac transporta elektrona. Kompleks II sadrži enzim sukcinat dehidrogenazu, te

stoga direktno povezuje ciklus limunske kiseline i transport elektrona. Kompleksi I i II vode ka

redukciji koenzima Q, koji je supstrat kompleksa III. Postoje i dva druga puta za prenos elektrona

na CoQ: preko flavoproteina od acil-CoA dehidrogenaza masti i glicerofosfatnih dehidrogenaza.

Kompleks III oksidiše CoQH2, a istovremeno redukuje citohrom-c, koji je supstrat kompleksa IV,

citohrom-c-oksidaze. Na kraju, kompleks IV transportuje elektrone na molekulski kiseonik,

redukuje ga i stvara vodu.

Page 28: Jasminka Nikolic Biohemija

Kompleks I: NADH-CoQ reduktaza

Ovaj kompleks, kao što samo ime kaže, transportuje jedan elektronski par sa NADH na

CoQ. Drugo ime za ovaj kompleks je NADH dehidrogenaza. Kompleks ukljuĉuje više od 30

polipeptidnih lanaca, jedan molekul FMN i više molekula Fe-S. Na osnovu ove zavisnosti od FMN,

NADH-CoQ reduktaza je flavoprotein. Iako precizni mehanizam djelovanja kompleksa I nije

poznat, ipak je sigurno da je prvi korak vezivanje NADH za enzim sa unutrašnje strane unutrašnje

mitohondrijalne membrane, pri ĉemu redukuje FMN, koji ĉini dio samog enzima, dajući FMNH2.

Slijedeći korak je transfer elektrona sa FMNH2 na niz Fe-S proteina, a zatim u krajnjoj fazi

elektroni bivaju upućeni ka CoQ, koji je mobilni transporter elektrona.

Struktura kompleksa I

CoQ može da se slobodno kreće kroz hidrofobni centar mitohondrijalne unutrašnje

membrane zahvaljujući svojim jakim hidrofobnim osobinama. Zatim, CoQ putuje ka kompleksu III.

Istovremeno sa transportom elektrona odvija se i transport protona iz matriksa prema

meĊumembranskom prostoru. Ovaj proces crpi potrebnu energiju iz uporednog procesa transporta

elektrona preko kompleksa I.

Page 29: Jasminka Nikolic Biohemija

Kompleks II: sukcinat-koenzim Q reduktaza

Kompleks II je bolje poznat pod imenom kompleks sukcinat dehidrogenaze, koji je jedini

enzim ciklusa limunske kiseline povezan sa unutrašnjom mitohondrijalnom membranom. Pri

transformaciji sukcinata u fumarat dešava se i redukcija FAD-a, koji ĉini sastavni dio kompleksa II,

u FADH2. Odmah nakon ove redukcije, FADH2 prebacuje elektrone na CoQ, a uvijek preko Fe-S

proteina. Mala varijacija slobodne energije reakcija, pri ovom kompleksu, nije dovoljna za transport

protona preko membrane. Ovo je fundamentalna taĉka, budući da je transport protona blisko

povezan sa sistemom ATP-a. Oksidacija FADH2 u nizu transporta elektrona prevodi se zato u

sintezu manjeg broja ATP-a, u odnosu na broj ATP molekula koje potiĉu iz oksidacije NADH.

Struktura kompleksa II

Kompleks III: KoenzimQ-citohrom-c-reduktaza

U kompleksu III lanca transporta elektrona CoQH2 predaje elektrone citohromu-c putem

posebnog sistema, koji se zove ciklus Q. Ciklus poĉinje kada jedna molekula CoQH2 preĊe na

mjesto kompleksa III, koje se zove Qp, a nalazi se u dijelu kompleksa III okrenutom ka

intramembranskom prostoru.

Oksidacija CoQH2 dešava se u dvije faze. Prvo se jedan elektron sa CoQH2 prebacuje na

jedan Fe-S protein, a zatim na citohrom-c1. Ovaj proces oslobaĊa dva H+ jona u intermembranski

prostor i proizvodi CoQ, anjonski oblik semihinona CoQ. Drugi elektron se prebacuje na hem grupu

citohroma-bL, koji se inaĉe nalazi u citosolnoj strani membrane, a zatim odlazi na hem grupu

citohroma-bH, koji se nalazi unutar kompleksa bliže matriksu. Elektron zatim prelazi na CoQ

lokalizovan u drugoj poziciji, koja se zove Qn, prevodeći tako CoQ u CoQ-. Ova posljednja

hemijska struktura ostaje ĉvrsto vezana za poziciju Qn, ĉime se završava prva polovina cilkusa Q.

Druga polovina ciklusa Q je sliĉna prvoj, sa jednom drugom molekulom CoQH2, koja se

oksidiše na mjestu Qp, a ĉiji se elektroni transportuju na slijedeći naĉin: jedan na citohrom-c1, a

drugi prvo na citohrom-bL, a zatim na citohrom-bH. Ipak, u ovom posljednjem dijelu ciklusa Q,

elektron sa citohroma-bH prelazi na semihinonski anjon CoQ-, koji potiĉe iz prvog dijela ciklusa.

Preuzimajući dva H+ iz mitohondrijalnog matriksa, formira se molekula CoQH2, koja zatim može

da se vrati u pul CoQ, a na taj naĉin se završava ciklus Q.

Page 30: Jasminka Nikolic Biohemija

Na slici može da uoĉi se da za svaka dva elektrona, transportovana na citohrom-c, iz matriksa se

uzimaju dva H+, a u intermembranski prostor se izbace ĉetiri H

+. Ono što povezuje kompleks III i

slijedeći, kompleks IV, je citohrom-c, jedini hidrosolubilni citohrom. On prenosi elektrone

"klizajući se" preko membrane do kompleksa IV.

Q ciklus

Page 31: Jasminka Nikolic Biohemija

Kompleks IV: citohrom-c-oksidaza

Kompleks IV je tako nazvan zato što prima elektrone od citohroma-c i predaje ih kiseoniku,

sintetišući vodu. Ovaj kompleks takoĊe vrši i transport protona preko unutrašnje mitohondrijalne

membrane. Citohrom-c se oksidiše na citosolnoj strani membrane, a zatim elektroni, jednim

složenim sistemom od deset podjedinica, redukuju kiseonik, koji se nalazi sa druge strane

membrane.

Prenos elektrona u kompleksu IV

Transport elektrona u kompleksu IV ukljuĉuje dvije hem grupe (citohroma-a i citohrom a-

a3) i dva jona bakra. Ovaj proces služi za redukciju O2, kroz jedan složeni proces, koji prevazilazi

didaktiĉki cilj ovog udžbenika.

Redukcija kiseonika, u kompleksu IV, praćena je i transferom H+ preko unutrašnje

mitohondrijalne membrane. Mehanizam ovog transporta nije poznat. Za svaka dva protona,

prebaĉena na citosolsku stranu membrane, proces uzima ĉetiri H+ iz matriksa.

Ĉetiri kompleksa respiratornog lanca u potpunosti su nezavisna jedan od drugog i razliĉitim

brzinama se kreću kroz membranu.

Page 32: Jasminka Nikolic Biohemija

Model respiratornog niza (lanca)

Protonski gradijent, stvoren pri transportu elektrona, predstavlja veliki izvor potencijalne

energije. 1961. godine Peter Mitchell, engleski biohemiĉar, dao je ideju da je upravo ovaj gradijent

izvor energije za sintezu ATP-a. Ovaj prijedlog je poznat kao hemiosmotska hipoteza.

Odnos broja H+

jona, transportovanih uz svaki elektronski par, poznat je pod imenom odnos

H+/2e

-. Kroz dugi niz godina ovaj odnos je bio predmet velikog interesovanja, ali ipak ga je veoma

teško odrediti. Danas, veliki broj nauĉnika prihvata hipotezu da je ovaj odnos pri transportu

elektrona sa sukcinata na O2 6 H+

/ 2e-. Odnos koji se odnosi na kompleks I ostaje i dalje

nepoznanica, iako se misli da bi on trebao da bude 6 H+ / 2e

-. Na osnovu ovih vrijednosti,

stehiometrija transporta sa NADH na O2 je 10 H+/ 2e. Iako su ovi podaci predstavljeni i na slici

treba ih ipak uzeti sa zadrškom, jer bi stvarne vrijednosti mogli da budu i brojevi koji nisu cijeli.

ATP-SINTETAZA

ATP-sintetaza je kompleks koji omogućava sintezu ATP-a koristeći gradijent protona

stvoren pri transportu elektrona. Enzim se sastoji iz dva osnovna dijela: jedinice Fo i jedinice F1.

Jedinica Fo je sastavljena iz tri podjedinice oznaĉene kao a, b i c (stehiometrija a1 b2 c10-12). F1 se

sastoji iz pet polipeptidnih lanaca: α, β, γ, δ i ε. Podjedinice α i β predstavljaju katalitiĉko mjesto za

sintezu ATP-a, podjedinice δ i ε regulišu interakciju F1 sa Fo, dok podjedinica γ ima ulogu da

reguliše protok protona prema F1. Fo saĉinjava transmembranski kanal, preko koga protoni struje ka

F1 i na taj naĉin obezbjeĊuju sintezu ATP-a.

Page 33: Jasminka Nikolic Biohemija

ATP sintetaza

Gore navedeno, potvrĊeno je u eksperimentima in vitro. Jedinica F1 i odvojena od

membrane i jedinice Fo može da vrši sintezu ATP-a, a sama jedinica Fo služi kao protonska pumpa.

Michell-ova hemiosmotska hipoteza, o tome da je gradijent protona pokretaĉ sinteze ATP-a,

je potvrĊena i rezultatima eksperimenta u kome je vještaĉki stvoren gradijent pH u mitohondrijama,

koje nisu bile sposobne za transport elektrona i u tom sluĉaju ATP-sintetaza je funkcionisala, dakle

samo zahvaljujući prisustvu protonskog gradijenta.

Nakon mnogih istraživanja, Paul Boyer je razjasnio i predložio mehanizam djelovanja

ATP-sintetaze. Ustanovio je da sama sinteza ATP-a ne zahtijeva potrošnju energije, već da se

potencijalna energija protonskog gradijenta koristi za otpuštanje novosintetisanog ATP-a od

enzima. Mehanizam podrazumijeva katalitiĉku kooperativnost triju mijesta na molekuli enzima.

Pomenuta mjesta imaju razliĉite afinitete za vezivanje ATP-a. Ĉitav proces je jedan ciklus. Na

poĉetku, jedno od katalitiĉkih mjesta na enzimu je zauzeto ATP-om i samo to mjesto ima visoki

afinitet za ATP. Istovremeno, jedno drugo katalitiĉko mjesto enzima prihvata ADP i Pi.

Potencijalna energija protonskog gradijenta je iskorištena za konformacione promjene enzima, koje

dovode do promjene afiniteta mjesta za ATP, koje je u poĉetku vezalo ATP. Tako se ATP otpušta,

dok će enzimsko mjesto koje je prihvatilo ADP i Pi izvršiti sintezu ATP-a. Kao rezultat imaćemo

ponovno enzim povezan sa jednom molekulom ATP-a (kao i na poĉetku ciklusa) i jednu

novosintetisanu molekulu ATP-a.

IZLAZAK SINTETISANOG ATP IZ MITOHONDRIJA

Da bi energija sadržana u molekulu ATP-a bila iskorištena tamo gdje je to u ćelijama

potrebno, molekula ATP mora da izaĊe iz mitohondrija. ADP mora da bude ubaĉen u mitohondrije,

da bi bio iskorišten za sintezu ATP-a. Niti jedan od ovih procesa nije spontan, a razlog je veliko

naelektrisanje molekula ATP-a i ADP-a, koje spreĉava da ove molekule lako proĊu kroz biološku

membranu. Proces se odvija sistemom transporta ADP-ATP translokaze. Radi se o proteinu, koji

efikasno izbacuje jedan molekul ATP, pri istovremenom ulasku jednog molekula ADP-a. Na taj

Page 34: Jasminka Nikolic Biohemija

naĉin nivo nukleotida u mitohondrijama se stalno održava manje-više konstantnim. U mehanizam je

ukljuĉeno samo jedno mjesto za vezanje nukleotida, a nalazi se alternativno izloženo prema citozolu

i prema matriksu.

Sistem transporta ADP-ATP translokaze

ATP se veže na strani matriksa, a zatim se mjesto vezanja pomjera prema citozolnoj strani

membrane, gdje otpušta ATP, veže ADP i zatim ga transportuje u matriks. Naelektrisanje, prisutno

na molekuli ATP-a, pri pH = 7,2 je oko –4, dok je naelektrisanje ADP-a, pri istoj vrijednosti pH,

oko –3. Na taj naĉin, razmjena jedne molekule ATP-a (koja izlazi) i jedne molekule ADP-a (koja

ulazi) izaziva transfer jednog negativnog naelektrisanja iz matriksa prema citozolu. Proces je

ekvivalentan prelasku jednog protona iz citozola u matriks.

Unutrašnja mitohondrijalna membrana je pozitivno naelektrisana sa spoljne strane. Zato je

evidentno, da je izlazak ATP-a favorizovan u odnosu na transport ADP-a u istom smjeru. Iz istog

razloga ulazak ADP-a je lakši u odnosu na ulazak ATP-a. Dakle, specifiĉnost ADP-ATP

translokaze je kontrolisana elektrohemijskim potencijalom, koji je ipak smanjen djelovanjem ove

pumpe, pa iz tog razloga mora da se troši i metaboliĉka energija. Ćelija mora da odgovori na ovaj

energetski izdatak povećanjem protoka elektrona preko lanca za transport elektrona.

Koliki je energetski izdatak razmjene ATP-ADP, u odnosu na ukupnu energiju potrebnu za

sintezu ATP-a? Već smo vidjeli da izbacivanje jednog molekula ATP-a, u odnosu na ulazak jednog

molekula ATP-a, znaĉi prelazak jednog protona iz citozola u matriks. Za sintezu ATP-a je potrebno

utrošiti tri protona, koji preko Fo jedinice prelaze iz citozola u matriks. To znaĉi da za svaki molekul

ATP-a, koji se sintetiše, moraju da preĊu ukupno ĉetiri protona iz citozola u matriks. Stoga, oko ¼

energije, koju nam daje respiratorni lanac (transprt elektrona i oksidativna fosforilacija) moramo da

upotrijebimo kao elektrohemijsku energiju za transport ATP-ADP.

IZLAZAK SINTETISANOG ATP IZ MITOHONDRIJA

Da bi energija sadržana u molekulu ATP-a bila iskorištena tamo gdje je to u ćelijama

potrebno, molekula ATP mora da izaĊe iz mitohondrija. ADP mora da bude ubaĉen u mitohondrije,

da bi bio iskorišten za sintezu ATP-a. Niti jedan od ovih procesa nije spontan, a razlog je veliko

naelektrisanje molekula ATP-a i ADP-a, koje spreĉava da ove molekule lako proĊu kroz biološku

membranu. Proces se odvija sistemom transporta ADP-ATP translokaze. Radi se o proteinu, koji

Page 35: Jasminka Nikolic Biohemija

efikasno izbacuje jedan molekul ATP, pri istovremenom ulasku jednog molekula ADP-a. Na taj

naĉin nivo nukleotida u mitohondrijama se stalno održava manje-više konstantnim. U mehanizam je

ukljuĉeno samo jedno mjesto za vezanje nukleotida, a nalazi se alternativno izloženo prema citozolu

i prema matriksu.

Sistem transporta ADP-ATP translokaze

ATP se veže na strani matriksa, a zatim se mjesto vezanja pomjera prema citozolnoj strani

membrane, gdje otpušta ATP, veže ADP i zatim ga transportuje u matriks. Naelektrisanje, prisutno

na molekuli ATP-a, pri pH = 7,2 je oko –4, dok je naelektrisanje ADP-a, pri istoj vrijednosti pH,

oko –3. Na taj naĉin, razmjena jedne molekule ATP-a (koja izlazi) i jedne molekule ADP-a (koja

ulazi) izaziva transfer jednog negativnog naelektrisanja iz matriksa prema citozolu. Proces je

ekvivalentan prelasku jednog protona iz citozola u matriks.

Unutrašnja mitohondrijalna membrana je pozitivno naelektrisana sa spoljne strane. Zato je

evidentno, da je izlazak ATP-a favorizovan u odnosu na transport ADP-a u istom smjeru. Iz istog

razloga ulazak ADP-a je lakši u odnosu na ulazak ATP-a. Dakle, specifiĉnost ADP-ATP

translokaze je kontrolisana elektrohemijskim potencijalom, koji je ipak smanjen djelovanjem ove

pumpe, pa iz tog razloga mora da se troši i metaboliĉka energija. Ćelija mora da odgovori na ovaj

energetski izdatak povećanjem protoka elektrona preko lanca za transport elektrona.

Koliki je energetski izdatak razmjene ATP-ADP, u odnosu na ukupnu energiju potrebnu za

sintezu ATP-a? Već smo vidjeli da izbacivanje jednog molekula ATP-a, u odnosu na ulazak jednog

molekula ATP-a, znaĉi prelazak jednog protona iz citozola u matriks. Za sintezu ATP-a je potrebno

utrošiti tri protona, koji preko Fo jedinice prelaze iz citozola u matriks. To znaĉi da za svaki molekul

ATP-a, koji se sintetiše, moraju da preĊu ukupno ĉetiri protona iz citozola u matriks. Stoga, oko ¼

energije, koju nam daje respiratorni lanac (transprt elektrona i oksidativna fosforilacija) moramo da

upotrijebimo kao elektrohemijsku energiju za transport ATP-ADP.

ODNOS P/O U RESPIRATORNOM LANCU

Odnos P/O je broj mola ATP-a pri oksidativnoj fosforilaciji po svakom elektro-nskom paru

koji proĊe kroz transportni lanac elektrona. Iako su brojni nauĉnici proveli intenzivna istraživanja,

njegova vrijednost se i dalje razmatra. Ako se prihvati vrijednost od 10 H+, koji izaĊu iz matriksa,

za svaka dva elektrona koja preĊu put lanca za transport elektrona sa NADH na O2 i da je za sintezu

Page 36: Jasminka Nikolic Biohemija

jednog molekula ATP-a neophodno da iz citozola u matriks preĊu 4 protona, onda je odnos P/O u

mitohondrijama 10/4 = 2,5 (radi se o sluĉaju kada elektroni ulaze u lanac transporta u obliku

NADH). Ova vrijednost je nešto niža u odnosu na ranije pretpostavke, koje su ovom odnosu

pripisivale vrijednost 3.

Što se tiĉe dijela lanca koji polazi od sukcinata, vrijednost H+/ 2e

- je 6, te je zato odnos 6/4 =

1,5 , dok je po ranijim pretpostavkama bio 2.

Iako i eksperimentalni podaci potvrĊuju ovakve vrijednosti, mnogi biohemiĉari, koji su

naviknuti na cijele brojeve vrijednosti P/O, pokazuju veliki skepticizam i negodovanje u odnosu na

gore navedene decimalne vrijednosti.

Page 37: Jasminka Nikolic Biohemija

UGLJENI HIDRATI

Ugljeni hidrati, ili saharidi (grčki: sacharon, šećer) su heterogena grupa organskih

jedinjenja. Veoma su rasprostranjeni u prirodi, tako da čine najveći dio organske materije na

Zemlji. Za organizme su od višestrukog značaja, prvenstveno se koriste u energetske svrhe,

ali imaju i značajne specifične funkcije ( strukturna uloga celuloze kod biljaka, mukoproteini,

kojih ima u kostima životinja, ulaze u sastav nukleinskih kiselina, glikolipida, krvnih grupa i

dr. ). Ugljeni hidrati su najvećim dijelom biljnog porijekla, ali su glavni sastojci ishrane

animalnih organizama. Ime ugljenih hidrata u potpunosti ne odgovara, ali se kao takvo

odomaćilo, te je i dalje u uptrebi. Naziv potiče otuda što je odnos ugljenika i vode u nekim

ugljenim hidratima 1:1; tako, kada posmatramo glukozu čija je formula:

C6H12O6 = C6(H2O)6 odnos ugljenika i vode je upravo 1:1

Međutim, kasnije je nađeno da kod mnogih ugljenih hidrata nije takav odnos ugljenika

i vode, kao na primjer kod 2-deoksiriboze, ali je naziv, zbog opšte prihvaćenosti, zadržan.

Po hemijskom sastavu ugljeni hidrati su polihidroksialdehidi, ili polihidroksiketoni, ili su

jedinjenja koja hidrolizom daju polihidroksialdehide i polihidroksiketone.

Kvalitativno i kvantitativno najvažnijim biohemijskim procesom na Zemlji,

fotosintezom, autotrofni organizmi (biljke) vrše sintezu ugljenih hidrata iz ugljendioksida i

vode uz pomoć sunčeve energije i hlorofila.

Svi ugljeni hidrati koji se nalaze u živim sistemima pripadaju D-seriji. Naknadno je

razvijen jedinstven sistem nomenklature ugljenih hidrata, jer IUPAC-ov sistem, kao veoma

nepodesan, dovodi do dugih i nezgrapnih naziva.

PODJELA UGLJENIH HIDRATA

Ugljeni hidrati se prema proizvodima hidrolize dijele na :

1. Monosaharide

2. Oligosaharide i

3. Polisaharide

Monosaharidi (prosti šećeri ) ne podliježu hidrolizi, a dobijaju se hidrolizom oligo- i

polisaharida. U zavisnosti od funkcionalne grupe dijele se na:

1. Aldoze (ugljeni hidrati koji sadrže aldehidnu funkcionalnu grupu) i

2. Ketoze (ugljeni hidrati koji sadrže keto funkcionalnu grupu)

nCO 2+ nH O22

h

hlorofil C nH Onn

Page 38: Jasminka Nikolic Biohemija

Monosaharidi se prema broju ugljenikovih atoma dijele na:

1. Trioze (3- C-atoma)

2. Tetroze ( 4-C-atoma)

3. Pentoze (5-C-atoma)

4. Heksoze (6-C-atoma)

5. Heptoze (7-C-atoma) i tako dalje.

Iz navedenih imena nekoliko monosaharida vidi se da je za imena monosaharida

karakterističan nastavak (sufiks) –oza.

Imena monosaharida mogu da se kombinuju, pa imamo:

aldotrioze ketotrioze

aldotetroze ketotetroze

aldopentoze ketopentoze

aldoheksoze ketoheksoze

Glicerinaldehid je aldotrioza iz koje se izvode sve ostale aldoze, dok je dioksiaceton ketotrioza iz koje se izvode sve ketoze.

Svi se monosaharidi dobro rastvaraju u vodi, kristalna su jedinjenja i imaju sladak ukus.

Oligosaharidi (složeni šećeri) hidrolizom daju nekoliko monosaharidnih jedinica. Mogu

da budu izgrađeni od istih, ili različitih monosaharidnih jedinica. Sjedinjavanjem dvije

monosaharidne jedinice nastaje disaharid, iz tri monosaharidne jedinice nastaje trisaharid itd.

Ako je molekul disaharida izgrađen samo od jedne vrste monosaharidnih jedinica, onda je to

homoglikan, a ako je disaharidna jedinica izgrađena od različitih monosaharidnih jedinica,

onda je to heteroglikan. U prirodi su rašireni disaharidi: saharoza (u šećernoj trsci i šećernoj

repi), laktoza (u mlijeku) i maltoza (nastaje hidrolizom skroba).

Zavisno od načina povezivanja monosaharidnih jedinica oligosaharidi mogu da budu

redukujući i neredukujući. Sve oligosaharidne jedinice su dobro rastvorljive u vodi i slatkog

su ukusa.

Polisaharidi (makromolekulski šećeri) su izgrđeni od velikog broja monosaharidnih

jedinica (nekoliko desetina hiljada), a potpunom hidrolizom polisaharida nastaje veliki broj

monosaharidnih jedinica. Nemaju određenu molekulsku masu. Kada je molekul polisaharida

izgrađen samo od jedne vrste monosaharidnih jedinica onda spada u homopolisaharide

(homoglikane), a ako je molekul polisaharida izgrađen od različitih monosaharidnih jedinica

onda je to heteropolisaharid (heteroglikan). U zavisnosti od toga da li su u izgradnji

polisaharida zastupljene heksoze, ili pentoze, polisaharidi mogu da budu heksozani, ili

pentozani, a najveći broj polisaharida su heksozani. Nerastvorni su u vodi, nemaju sladak

ukus i nemaju izrazitu kristalnu strukturu. Za polisaharide se uglavnom koriste trivijalna

imena, kao što su celuloza, skrob, glikogen…

Polisaharidi predstavljaju osnovnu masu organske materije na Zemlji. Tako je celuloza

osnovni gradivni materijal biljaka, a hitin gradivni matrijal insekata. Polisaharidi su glavni

izvor energije za žive sisteme.

Page 39: Jasminka Nikolic Biohemija

Monosaharidi

Najjednostavniji monosaharidi su trioze, od aldotrioza najvažniji je glicerinaldehid, dok

je od ketotrioza najznačajni dioksiaceton. Navedene trioze su od posebnog značaja kao

međuproizvodi pri intermedijarnom metabolizmu ugljenih hidrata.

Od tetroza treba spomenuti:

Pentoze su od posebnog značaja za žive organizme jer neke od njih ulaze u sastav nukleinskih

kiselina. Najvažniji predstavnici aldopentoza su:

H OH

O

CH OH

C

C

O

H

H OH

CH OH

C

C

Glicerinaldehid Dioksiaceton

22

2

CH OH2

CH OH2

2

D-Treoza D-Eritroza D-Eritruloza

H

O

OHC

C

CH OH

O

H

H

H OH

OHC

C

C

CH OH

H OHC

O

H

C

C

HO H

2

HC

O

HO

H OH

CH OH

HO

H

H

OH

OH

CH OH

OHH

CH OH

H OH

C

C

C

O

H

H

H

OHC

C

C

C

C

HC

O

H

H OHC

C

D-Ksiloza D-Arabinoza D-Riboza

2 22

Page 40: Jasminka Nikolic Biohemija

Ketopentoze su dvije:

Keto grupa je gotovo uvijek na drugom C-atomu.

Heksoze spadaju u najrasprostranjenije monosaharide i veoma su važne za živi svijet, a

metabolizam svih ugljenog hidrata, in vivo, odvija se preko aldoheksoze D-(+)-glukoze.

Od ketoheksoza najznačajnija je fruktoza

Monosaharidne jedinice se najčešće u rastvorima nalaze u obliku prstena, pri čemu se

grade najstabilniji sistemi, a to su peto- i šestočlani prstenovi, tj. alkoholna grupa sa petog, ili

četvrtog C-atoma kod aldoheksoza, reaguje sa aldehidnom grupom na prvom C atomu, pri

čemu nastaju poluacetali, dok kod ketoheksoza reaguje alkoholna grupa sa petog, ili šestog C-

atoma, sa keto grupom na drugom C-atomu, pri čemu nastaju poluketali.

Hawort-ova formula za β-D-(+)-glukozu

D-Ksiluloza D-Ribuloza

C

C

C H

C

CH OH

C

C

C

OHH

CH OH

OHH

CH OH

OHH

HO

O

H OH

O

2

2

2

2

2

2C

C

C H

C

C

OHH

HO

H OH

O

H OH

CH OH

D-Fruktoza

Page 41: Jasminka Nikolic Biohemija

Kada se hidroksilna grupa na 1. C-atomu (anomerni C-atom) nalazi desno onda je to

α-D-(+)-glukoza, a kada se nalazi lijevo onda je to β-D-(+)-glukoza.

Hawort-ove formule samo djelimično zadovoljavaju u predstavljanju molekula ugljenih

hidrata, jer je šestočlani prsten prikazan kao planarni šestougaonik, a danas je poznato da

atomi koji izgrađuju molekul heksoza ne leže u istoj ravni, već su raspoređeni u prostoru, pa

iz tih razloga mogu da imaju konformaciju stolice, ili čamca.

Kod konformacionih formula nisu naznačene hidroksilne grupe i vodonikovi atomi.

SKROB

Skrob je najrašireniji polimer biljnog svijeta i predstavlja jedan od proizvoda procesa

fotosinteze. Nagomilava se u biljnim organima u obliku skrobnih zrnaca. Kao rezervni

polisaharid služi za ishranu biljaka, a indirektno ima neprocjenjivu vrijednost za ishranu

životinja i ljudi.

Kompleksni polimer skroba izgrađen je iz linearnog polisaharida amiloze i

razgranatog polisaharida amilopektina.

AMILOZA

aldoheksozaaldoheksoza

OO

Konformacija stolice Konformacija ~amca

CH2OH

CH2OH

Page 42: Jasminka Nikolic Biohemija

AMILOPEKTIN

CELULOZA

Učestvuje u izgradnji ćelijskih struktura

Homopolisaharid, sastavljen je od 300-1500 molukula glukoze povezanih β(1-4) glikozidnom

vezom, linearan i sličan amilozi, samo se razlikuju u orijentaciji glikozidnih veza

Dobija se iz raznih sirovina biljnog porekla.

Page 43: Jasminka Nikolic Biohemija

GLIKOLIZA

Glikoliza je osnovni katabolički put svih monosaharida. Pored glukoze, ovim putem se

razlažu i fruktoza, galaktoza i manoza, kao i pentoze, tetroze i trioze. Većina detalja

glikolitičkog puta bila je razjašnjena u prvoj polovini dvadesetog vijeka, radovima njemačkih

biohemičara O. Warburg-a, G. Embden-a i O. Meyerhof-a. Zato se, često, tok reakcija

glikolize označava kao Embden-Meyerhof-ov put.

Glikoliza se odvija u svakoj ćeliji organizma, a energija dobijena ovim procesom

koristi se za sintezu najraznovrsnijih proizvoda, kao i brojne fiziološke potrebe organizma.

Razlaganje glukoze, putem glikolize, nesmetano se odvija u anaerobnim uslovima, tj.

bez prisustva kiseonika. Zahvaljujući tome skeletni, mišići mogu da funkcionišu i u

anoksemičnoj epizodi, tj. u prvoj fazi aktivnosi, kada dopremanje kiseonika nije još prikladno

potrebama.

U anaerobnim uslovima krajnji proizvod razlaganja jedne molekule glukoze su dvije

molekule laktata. Laktat se nakuplja u tkivima, a zatim prenosi u jetru, u kojoj se veći dio

koristi za resintezu glukoze (glikogena) procesom glukoneogeneze.

Glikoliza je i aeroban proces, pri kome iz jedne molekule glukoze nastaju dvije

molekule piruvata, koje se uključuju u Krebsov ciklus trikarbonskih kiselina, tako da se

početna glukoza potpuno razlaže do CO2 i H2O. U prisustvu kiseonika efikasnost glikolize, u

energatskom smislu, značajno raste, što je posebno važno za obezbjeđenje normalne

fiziološke funkcije ćelije.

Svi enzimi neophodni za odvijanje procesa glikolize se nalaze u citosolu, solubilnoj

ekstramitohondrijalnoj frakciji ćelije.

Tok reakcija glikolize može da se podijeli u dvije faze:

1. Prva faza glikolize: fosforilacija glukoze i prevođenje u dvije molekule 3-

fosfoglicerinaldehida (uz utrošak 2 ATP-a);

2. Druga faza glikolize: konverzija 3-fosfoglicerinaldehida u piruvat (uz nastajanje 4 ATP).

Tok reakcija Embden-Meyerhof-ovog puta glikolize pokazan je na Slici 17.

Page 44: Jasminka Nikolic Biohemija

Glikoliza

Početna reakcija toka glikolize je fosforilacija neutralnog molekula α-D-glukoze, pri

čemu se dobija negativno naelektrisan molekul glukozo-6-fosfata. Reakciju katalizuje

heksokinaza, enzim prisutan u svim ćelijama (sa izuzetkom jetre), kao i glukokinaza, prisutna

samo u hepatocitima. Navedeni enzimi razlikuju se ne samo prema lokaciji, već i prema

različitom afinitetu za supstrat, molekulu glukoze. Heksokinaza, koja katalizuje fosforilaciju,

ne samo glukoze, već i drugih heksoza, ima veliki afinitet prema glukozi (Km= 100 μmol). To

osigurava snabdijevanje tkiva glukozom, čak i u uslovima kada je koncentracija glukoze u

krvi niska (ispod 4 mmol/L). Heksokinaza je alosterijski enzim, inhibira se produktom svoje

reakcije, glukozo-6-fosfatom. Nasuprot tome, glukokinaza se ne ihibira proizvodom svoje

katalize, a ima Km za glukozu 10 mmol. Sa tako visokim Km za glukozu, glukokinaza postaje

značajna u metabolizmu samo kada je nivo glukoze u jetri visok (npr. kada osoba konzumira

Page 45: Jasminka Nikolic Biohemija

velike količine šećera). Katjoni Mg2+

su neophodni za reakcije fosforilacije, pošto sa ATP

grade MgATP2-

kompleks.

Reakcija fosforilacije glukoze postiže se uz utrošak jednog molekula ATP:

α-D-glukoza + ATP4-

→ α-D-glukozo-6-fosfat2-

+ ADP3-

+H+

Glukozo-6-fosfat je višestruko značajan proizvod,

pošto može da se uključi u više metaboličkih tokova:

glikolizu, pentozofosfatni put, glikogenezu, a takođe se

dobija i tokom glukoneogeneze i glikogenolize. Zbog

toga, da bi glukozo-6-fosfat bio uključen u daljnji

glikolitički put potebno je katalitičko djelovanje

fosfoheksoizomeraze, pri čemu se fosforilisana glukoza

izomerizuje u fruktozo-6-fosfat (aldozno-ketozna

reakcija). Reakcija je reverzibilna.

Slijedeći korak je fosforilacija fruktozo-6-fosfata.

Reakciju katalizuje fosfofruktokinaza, uz učešće Mg2+

i

utrošak još jednog mola ATP. Proizvod je fruktozo-1,6-

difosfat. ΔGo'= -14,2 kJ/mol, dakle reakcija je

egzergonična, i ireverzibilna. Navedena reakcija je

ključna za cijeli tok glikolize, njenom regulacijom se

prekida, ili nastavlja reakcija. Visoka koncentracija ATP

u ćeliji, kao i visoke koncentracije citrata i viših masnih

kiselina, inhibiraju aktivnost enzima fosfofruktokinaze.

Nasuprot, porast koncentracije AMP, ADP i fruktozo-6-

fosfata djeluju aktivirajuće na isti enzim glikolize.

Dejstvom aldolaze (fruktozo-1,6-difosfat

aldolaza) difosfatni estar glukoze se cijepa, između C3 i

C4, na dvije trioze: dihidroksiacetonfosfat i 3-

fosfoglicerinaldehid. I pored toga što je u ovoj reakciji

ΔGo'= +23,9 kJ/mol ona je reverzibilna, što ne izgleda

logično. Međutim, u ovoj reakciji od jedne molekule

nastaju dvije i ravnoteža značajno zavisi od koncentracije.

Dodatno objašnjenje je da se u toku reakcija fosforilacije,

glukoze i fruktozo-6-fosfata, oslobađa dovoljno energije,

što omogućava reverzibilni tok reakcije nastajanja

fruktozo-1,6-difosfata.

Dvije trioze, 3-fosfoglicerinaldehid i

dihidroksiacetonfosfat, nastale u prethodno opisanoj

reakciji, dejstvom specifične fosfotriozo izomeraze, mogu

nesmetano da prelaze jedna u drugu. Međutim, pošto

samo 3-fosfoglicerinaldehid direktno prelazi u drugu fazu

glikolize, drugi triozo fosfat dihidroksiacetonfosfat mora

da se nepresano prevodi u 3-fosfoglicerinaldehid. Ovom

reakcijom, koju katalizuje fosfotriozo izomeraza,

kompletirana je prva faza glikolize. Iako je, sudeći po

ΔGo'= +2,2 kJ/mol, reakcija endergonična, potrebna

energija se lako nadoknađuje iz prethodnih egzergoničnih

reakcija.

glukoza

O

Prva faza glikolize

H

OH

CH OH2

H

HO

H

OH H

OH

H

1

5

ATP

ADP

Mg2+heksokinaza

glukokinaza

H

OH

HOH

H

HO

H

2CH O-PO

OH

HO

3

2-

fosfoheksoizomeraza

O

H

OH

3

2-

2CH OH

H

H HOOH

OCH2O P -

D-glukozo-6-fosfat

D-fruktozo-6-fosfat

fosfofruktokinazaATP

ADP

Mg2+

-O P 2OCH

OHHOH

CH O-PO2

2-

3

H

O 3

2-

OHH

D-fruktozo-1,6-difosfat

aldozno cijepanje

aldolaza

CH OH

2

C O

PO3

2-

2

CH O-

Dihidroksiacetonfosfat

C

CH O-3

PO2

H

O

HC OH

2-

D-3-fosfoglicerinaldehid

Page 46: Jasminka Nikolic Biohemija

Druga faza toka reakcija glikolize

Ova faza glikolitičkog puta uključuje reakcije koje

prevode metaboličku energiju sadržanu u molekuli glukoze

u ATP. Nastaju četiri nove molekule ATP, ali kada se

uračuna i utrošak od dvije molekule ATP, u prvoj fazi

glikolize, preostaju dva ATP.

U reakciji oksidacije 3-fosfoglicerinaldehida nastaje

organofosfat bogat energijom 1,3-difosfoglocerat (1,3-

DPG). Reakciju katalizuje NAD zavisni enzim, 3-

fosfoglicerinaldehid dehidrogenaza, čiji se apoenzimski dio

sastoji iz 4 subjedinice (4 peptidna lanca), od kojih svaka

ima po jednu tio grupu. Jedna SH grupa je i u katalitičkom

centru.

Oksidacija 3-fosfoglicerinaldehida se odvija

postepeno. Prvo se vezuje NAD+ koenzim za apoenzim, u

blizini SH grupe. Tako kompletirani enzim reaguje sa

supstratom, gradeći prolazni kompleks enzima i supstrata,

tipa poluacetalnog tio estra. Dovođenje 3-

fosfoglicerinaldehida na kritično rastojanje od NAD+

omogućava oksido-redukciju u sastavu kompleksa enzim-

supstrat. Tada se aldehidna grupa oksidiše u karboksilnu, a

kovalentno vezani vodonik sa 3-fosfoglicerinaldehida se

prenosi na NAD+. U kompleksu enzim-supstrat nastaje

energijom bogati tioestar acil~enzim. Oksido-redukcija

unutar kompleksa enzim-supstrat je izrazito egzergonična

reakcija (ΔGo'= - 43,0 kJ/mol). NAD

+ zavisne

dehidrogenaze su holoezimi koji lako disosuju na koenzim

NAD i apoenzim, pa će nakon završene oksido-redukcije

redukovani koenzim NADH++H

+ preći na apoenzim drugog

enzima glikolize laktat dehidrogenazu, koja piruvat u

završnoj reakciji glikolize (pod anaerobnim uslovima)

prevodi u laktat. U ovoj reoksidaciji nastaje NAD+, koji se

vraća na apoenzim 3-fosfoglicerinaldehid dehidrogenaze

omogućavajući oksidaciju novog molekula supstrata.

U gore navedenom kompleksu acil~enzim slijedi

razlaganje, fosforiliza.

1,3-difosfoglicerat ima visokoenergetsku fosfatnu

vezu na C1 položaju, tako da u ovoj reakciji glikolize, uz

jedan molekul ADP i Mg2+

, nastaje uz 3-fosfoglicerat i

jedan molekul ATP. Ovu reakciju, izrazito egzergoničnu

(ΔGo'= - 18,9 kJ/mol) katalizuje enzim fosfoglicerat kinaza.

Jedan dio energije koristi se za poravnanje energetskog

deficita oksidacije 3-fosfoglicerinaldehida u 1,3-

difosfoglicerat. Reakcija nastajanja ATP može da bude

onemogućena u prisustvu arsenata.

U toku druge faze glikolitičkog puta, slijedi reakcija

konverzije 3-fosfoglicerata u 2-fosfoglicerat, što katalizuje

enzim fosfoglicerat mutaza. COOCH C

fosfoenolpiruvat

Druga faza glikolize

1,3-difosfoglicerat

2-

3O P O

32CH OPO

C

HC OH

2-

O

D-3-fosfoglicerinaldehiddehidrogenaza

+NADH+H

+NAD

D--3-fosfoglicerinaldehid

2

O

H

2-

3CH OPO

HC OH

C

ADP

ATP

Mg2+fosfoglicerat kinaza

O

2-

HC OH

C

CH OPO

O-

3-fosfoglicerat

Mg2+fosfoglicerat mutaza

-O

CH OH

C

HC-OPO2-

O

3

2

2

3

2-fosfoglicerat

K+

Mg2+

H O2

COO-

C-OPO3

2-

CH2

enolaza

ADP

ATP

Mg2+

3

O

-

Piruvat

P

Page 47: Jasminka Nikolic Biohemija

Zatim, 2-fosfoglicerat, uz katalitičko djelovanje enolaze (uz Mg2+

ili Mn2+

) prelazi u

fosfoenolpiruvat, uz izdvajanje molekula vode. U toku ove reverzibilne reakcije drugi C atom

2-fosfoglicerata gubi H (oksidiše se), dok treći C atom gubi OH (redukuje se).

Fosfoenolpiruvat je visokoenergetski proizvod glikolize. Pod uticajem enzima piruvat

kinaze, fosfatna grupa sa dijelom energije prenosi se sa fosfoenolpiruvata na molekul ADP i

nastaje piruvat, uz izdvajanje molekula ATP. Reakcija je značajno egzergonična (ΔGo'= -

31,7 kJ/mol), što objašnjava njen ireverzibilni karakter. K+ je fiziološki aktivator piruvat

kinaze.

Za piruvat kinazu karakteristična su dva oblika: L, tipičan za jetru i M, mišićni oblik.

L oblik piruvat kinaze se aktivira sa fruktozo-1,6-difosfatom, a inhibiše cAMP-om i

alaninom. Aminokiselina alanin transaminacijom daje piruvat, a pošto je piruvat i krajnji

proizvod aerobne glikolize, da ne bi došlo do nepotrebnog nagomilavanja ovog proizvoda,

nastaje privremena alosterička inhibicija alaninom enzima piruvat kinaze.

Nastali piruvat prvo se oslobađa u nestabilnom enolnom obliku, a zatim spontano

prelazi u mnogo stabilniji keto oblik piruvata. U anaerobnim uslovima, iz piruvata,

djelovanjem laktat dehidrogenaze nastaje laktat. Iako je za ovu reakciju ΔGo'= +25,0 kJ/mol,

ona je reverzibilna, najvjerovatnije što se tokom glikolize oslobodilo toliko energije, da je

povratni tok reakcije sasvim izvodljiv.

Detalji energetskog bilansa gikolize izloženi su nakon Krebsovog ciklusa

trikarbonskih kiselina.

Regulacija glikolize

Regulacija toka reakcija glikolize počinje već u prvoj reakciji, koju katalizuju

heksokinaza ili glukokinaza. Glukozo-6-fostat u povišenoj koncentraciji inhibiše heksokinazu,

što prekida fosforilaciju novih molekula glukoze. Navedeno se dešava u ekstrahepatičnim

tkivima.

U jetri ne postoji heksokinaza, već isključivo glukokinaza, koja nije osjetljiva na

nakupljanje produkta svoje katalize, tako da izostaje prva regulatorna tačka, navedena za

ekstrahepatična tkiva.

Druga regulatorna tačka u ekstrahepatičnim tkivima, a prva u jetri je aktivnost enzima

fosfofruktokinaze, ključnog enzima glikolize. Od aktivnosti ovog enzima zavisi da li će

glikoliza da se nastavi, ili će da bude prekinuta. Alosterički inhibitori fosfofruktokinaze su

citrati i ATP, a aktivatori su AMP, fruktozo-6-fosfat i fruktozo-2,6-difosfat.

Citrati djeluju indirektno na glikolizu. Njihovo nakupljanje omogućava brzu i efikasnu

sintezu ATP-a, kroz ciklus trikarbonskih kiselina, dok je glikoliza manje efikasan metabolički

put. Tako da citrati "štede" glukozu.

Što se tiče dejstva ATP-a, logično je da kada su rezerve ATP-a popunjene nema

potrebe za razlaganjem glukoze glikolizom. Nasuprot tome, svako smanjenje broja molekula

ATP-a predstavlja alarm koji pokreće glikolizu u cjelini.

Porast lokalnog nivoa fruktozo-6-fosfata djeluje kao moćan alosterijski aktivator

fosfofruktokinaze. Pokretanjem ovog enzima nastaju nove molekule fruktozo-1,6-difosfata i

uspostavlja se ekvimolaran odnos sa fruktozo-6-fosfatom.

Porast ćelijskog nivoa fosfoenolpiruvata takođe djeluje regulatorno na glikolizu.

Hormoni su značajno uključeni u proces regulacije glikolize. Glukagon i adrenalin inhibišu

glikolizu, kako bi što više molekula glukoze bilo iskorišteno za održavanje glikemije. Insulin

povećava efikasnost enzima glukokinaze, a sa njom i efikasnost glikolize u cjelini.

Page 48: Jasminka Nikolic Biohemija

CIKLUS TRIKARBONSKIH KISELINA

Ciklus limunske kiseline, ili ciklus trikarbonskih kiselina, predstavlja put razlaganja

acetilnih ostataka do krajnjeg kataboličkog proizvoda CO2. Odvija se u ćelijama svih aerobnih

organizama. U razjašnjenju reakcija ovog metaboličkog puta veliki doprinos je, svojim

radovima u periodu od 1932. do 1937. godine, dao Hans Krebs, u čiju čast se ciklus limunske

kiseline označava i kao Krebsov ciklus trikarbonskih kiselina.

Ciklus trikarbonskih kiselina predstavlja univrzalni put metabolisanja zajedničkog

međuproizvoda razlaganja (acetilnih ostataka) ugljenih hidrata, proteina i masti. Pored toga,

Krebsov ciklus je izvor brojnih molekula neophodnih za anaboličke procese, kojima nastaju

masne kiseline, ugljeni hidrati i aminokiseline. Energetski učinak ovog ciklusa je veoma

značajan, pošto se odvija u aerobnim uslovima i tako priključuje na respiratorni lanac.

Svi enzimi ciklusa limunske kiseline se nalaze u mitohondrijalnoj frakciji ćelije,

prvenstveno u matriksu. Ovakva lokalizacija ciklusa je veoma značajna, jer je u susjedstvu

respiratornog lanca, što omogućuje lako uključivanje brojnih molekula redukovanih

koenzima, koji nastaju u ciklusu limunske kiseline, u respiratorni lanac.

Da bi se krajnji proizvod glikolize, piruvat, uključio u Krebsov ciklus potrebno je da

se prevede u acetil-CoA, što se odvija nakon prelaska piruvata u matriks mitohondrija.

Oksidativna dekarboksilacija piruvata

Piruvat se zajedno sa jednim protonom (H+), posebnim mehanizmom transportuje

kroz unutrašnju mitohondrijalnu membranu, a zatim počinje njegova oksidativna

dekarboksilacija u acetil-CoA:

CH3-CO-COOH + NAD+ + CoA → CH3-CO~S-CoA + CO2 + NADH

+ + H

+

Proces je katalizovan piruvat dehidrogenaznim kompleksom, kojeg sačinjavaju tri

enzima: piruvat dehidrogenaza, dihidrolipoil transacetilaza i dihidrolipoil dehidrogenaza.

Piruvat prvo reaguje sa piruvat dehidrogenazom, koja kao koenzim sadrži

tiaminpirofosfat (TPP), pri čemu piruvat gubi CO2. Poslije ove dekarboksilacije dobija se

ostatak-hidroksietil, koji privremeno ostaje vezan za TPP. Dejstvom dihidrolipoil

transacetilaze, pomoću oksidisane liponske kiseline, nastaje S-acetil lipoat. Pri ovoj reakciji

hidroksietil ostatak se oksidiše, lipoat redukuje, a istovremeno oslobađa TPP. U prisustvu

enzima dihidrolipoil transacetilaze S-acetil lipoat reaguje sa CoA, te nastaje acetil-CoA i

redukovana liponska kiselina. Redukovani lipoat se oksidiše pomoću enzima dihidrolipoil

dehidrogenaze, koja kao koenzim sadrži FAD, uz stvaranje FADH2, a oksidisani lipoat se

ponovo uključuje u novi ciklus. Redukovani koenzim FADH se oksidiše pomoću NAD.

Nastali NADH++H

+ predaje elektrone i protone respiratornom lancu. Energetski efekat

oksidativne dekarbiksilacije piruvata je značajan.

Page 49: Jasminka Nikolic Biohemija

Oksidativna dekarboksilacija piruvata

Osim reakcije oksidativne dekarboksilacije α-ketoglutarata (iz ciklusa limunske

kiseline), navedena reakcija oksidativne dekarboksilacije piruvata je jedina reakcija u

organizmu gdje se vrši predavanje vodonika sa flavin enzima na nikotiamid enzime, a u svim

ostalim reakcijama reoksidacija koenzima se vrši u obrnutom smjeru.

Sinteza oksalacetata

Pored molekula acetil-CoA, nastalih u oksidativnoj dekarboksilaciji piruvata,

aktivisani acetilni ostaci, u velikom broju, vode porijeklo od katabolizma masnih kiselina, ali i

od bezazotnih ostataka aminokiselina. Da bi Krebsov ciklus mogao da otpočne potrebno je da

se u mitohondrijama nađe odgovarajući broj molekula oksalacetata.

Oksalacetat se sintetiše u mitohondrijama iz piruvata, karboksilacijom, uz enzim

piruvat karboksilazu:

Za reakciju sinteze uz jedan molekul ATP potreban je katjon Mg2+

. Enzim piruvat

karboksilaza na svaku od svoje četiri podjedinice kovalentno vezuje po jednu molekulu

biotina, kao i jedan Mg2+

. Biotin ima ulogu aktivnog mjesta enzima piruvat karboksilaze, jer

služi za aktivaciju CO2 i prenos karboksilne grupe na piruvat.

Iako je po karakteru navedena reakcija izrazito reverzibilna, pravac reakcije je

pomjeren ka sintezi oksalacetata. To objašnjava činjenica da je rastući broj molekula piruvata,

koje nastaju u procesu glikolize u citosolu, veliki.

biotin

COOH

C O

CH3

CO 2H OATP

ADP + P2

piruvatkarboksilaza

COOH

CH2

C O

COOHPiruvat oksalacetat

Mg2+

Page 50: Jasminka Nikolic Biohemija

Acetil-CoA, kao univerzalni međuproizvod katabolizma masti, ugljenih hidrata i

proteina, snažan je alosterijski regulator piruvat karboksilaze, djelujući na proteinski nosač

tog enzima. Kao alosterijski aktivator piruvat karboksilaze, acetil-CoA utiče na prevođenje

piruvata u oksalacetat, što obezbjeđuje ravnomjerno katabolisanje acetil ostataka. U

protivnom, došlo bi do narušavanja acidobazne ravnoteže.

Interesantno je da je acetil-CoA istovremeno i alosterijski inhibitor kompleksa piruvat

dehidrogenaze, tj. usporava dobijanje novih molekula acetil-CoA. Navedeni alosterijski efekti

su uravnoteženi.

Reakcije ciklusa trikarbonskih kiselina

Krebsov ciklus počinje reagovanjem oksalacetata i aktivnog acetil ostatka (acetil-

CoA), pri čemu nastaje citrat, prvi međuproizvod ciklusa. Reakciju katalizuje enzim citrat

sintaza, pri čemu se dešava aldolna kondenzacija između metil grupe acetil-CoA i karbonilne

grupe oksalacetata. Dobijeni citroil-CoA, kao labilni tioestar, lako se hidrolizuje na citrat i

slobodni CoA. U fiziološkim uslovima prva reakcija Krebsovog ciklusa je ireverzibilna

(ΔGo= -31,4)

Citrat, prvi od četiri međuproizvoda sa tri karboksilne grupe, spontano ulazi u reakciju

koju katalizuje akonitaza. Ovaj enzim u svom aktivnom mjestu sadrži Fe2+

i u dvostepenoj

reakciji ciklusa trikarbonskih kiselina prevodi prvo citrat u cis-akonitat, a zatim ovo prolazno

jedinjenje u izocitrat. Na Slici 19. pokazano je aktivno mjesto akonitaze.

Aktivni centar akonitaze

Zbirna reakcija konverzije citrata u izocitrat je reverzibilna po svom karakteru (ΔGo=

+6,7), ali pravac reakcije diktira brza oksidacija izocitrata, tj. naredna reakcija ciklusa

trikarbonskih kiselina.

Inhibitor akonitaze je fluoroacetat, jer se fluoroacetat-CoA kondenzuje sa

oksalacetatom u fluorocitrat, koji inhibira dejstvo akonitaze.

Oksidaciju izocitrata katalizuje mitohondrijalni enzim NAD+izocitrat dehidro-genaza.

Pored ove izocitrat dehidrogenaze dokazane su još dvije, i to NADP+ zavisne, lokalizovane u

citoplazmi i mitohondrijama.

NAD+ izocitrat dehidrogenaza vrši oksidaciju izocitrata u oksalsukcinat, a potom

dekarboksilaciju u α-ketoglutarat (ΔGo= - 8,4). α-ketoglutarat je prvi dikarbonski

Page 51: Jasminka Nikolic Biohemija

međuproizvod ciklusa trikarbonskih kiselina i sa njim otpočinje serija oksidoredukcionih

reakcija. NADH+H

+ nastao u reakciji prevođenja izocitrata odlazi u respiratorni lanac.

Ciklus trikarbonskih kiselina

α-keto glutarat se oksidiše dejstvom multienzimskog kompleksa α-keto glutarat

dehidrogenaze, koji sadrži tiaminpirofosfat, lipoat, CoA, FAD i NAD+. ΔG

o' ove reakcije

iznosi – 30,0 kJ/mol, pa je reakcija ireverzibilna. Nastali sukcinil–CoA je tioestar bogat

energijom, pa se sukcinil lako odvaja od CoA. Reakcija nije prosta hidroliza, već reakcija

konverzije energije. Ostvaruje se uz pomoć GDF i neorganskog fosfata, pri čemu se izdvaja

Page 52: Jasminka Nikolic Biohemija

GTP. Nastajanje ATP iz GTP vrši se posredovanjem enzima fosfokinaze, pri čemu se jedan

labilno vezani ortofosfat, zajedno sa energijom, prenosi sa GTP na ADP.

Sukcinat se oksidiše uz pomoć enzima sukcinat dehidrogenaze i u reverzibilnoj

reakciji nastaje fumarat. Sukcinat dehidrogenaza se sastoji iz dvije subjedinice, jednog

kovalentno vezanog FAD, 4 atoma željeza i 4 acidolabilna sumpora. Mijenjanjem valence

joni željeza prenose elektrone. Pri ovoj reakciji nastaje FADH.

Na fumarat, nezasićeni međuproizvod, adira se molekul vode, katalitičkim djelovanje

fumaraze, pri čemu nastaje malat. Oksidacijom malata, uz malat dehidrogenazu i njen

koenzim NAD+, nastaje oksalacetat. Reakcija je endergonična (ΔG

o'=+29,7 kJ/mol), a

potrebna energija za izvođenje reakcije se obezbjeđuje na račun prethodnih egzergoničnih

reakcija. Oksalacetat ulazi u naredni krug ciklusa trikarbonskih kiselina.

Međuproizvodi Krebsovog ciklusa imaju značaj u anaboličkim procesima. Tako, α-

keto kiseline predstavljaju početne molekule u biosintezi bjelančevina.

Regulacija ciklusa trikarbonskih kiselina

Kontrola odvijanja ciklusa trikarbonskih kiselina otpočinje regulacijom piruvat

dehidrogenaznog kompleksa, kroz kovalentnu modifikaciju piruvat dehidrogenaze. Piruvat

dehidrogenazni kompleks se inaktivira fosforilisanjem, a aktivira defosforilisanjem. Brza

kontrola se postiže pomoću produkata navedene enzimske reakcije, acetil-CoA i NADH++ H

+.

U samom ciklusu, prva reakcija, koju katalizuje citrat sintaza, može da se uspori

alosterijskom inhibicijom enzima pomoću ATP-a i aktiviranih masnih kiselina (acil-CoA) sa

dugim lancima, kada se navedene molekule nađu u suvišku, na intraćelijskom nivou.

ATP i NADH su alosterički inhibitori izocitrat dehidrogenaze, dok je ADP moćan

alosterijski aktivator.

α-ketoglutarat dehidrogenazni kompleks reguliše se analogno piruvat

dehidrogenaznom kompleksu; u višku ATP-a, NADH i sukcinil-CoA enzimski kompleks se

inaktiviše.

Sukcinat dehidrogenaza se inhibira viškom oksalacetata, čija se količina kontroliše

aktivnošću malat dehidrogenaze, koja zavisi od odnosa NADH/NAD+. Pošto su sve enzimske

reakcije ciklusa međuzavisne, a njihovi proizvodi se nalaze u ekvimolarnom odnosu, to će

svaki porast intraćelijskog nivoa oksalacetata djelovati inhibitorno na sukcinat dehidrogenazu,

sve do uspostavljanja normalnih odnosa.

Oksalacetat nije samo polazni supstrat ciklusa trikarbonskih kiselina, već je takođe

polazni supstrat u sintezi glukoze glukoneogenezom. U uslovima kada nedostaje glukoza, tada

se donekle suprimira ciklus trikarbonskih kiselina, a prednost dobijaju anabolički procesi.

ENERGETSKI EFEKTI OKSIDACIJE GLUKOZE

Kompletna razgradnja molekule glukoze do CO2 i H2O praćenjena je kroz tok reakcija

glikolize i ciklusa limunske kiseline. Pretpostavljajući aproksimativni P/O odnos, broj ATP

molekula proizvedenih potpunom oksidacijom molekule glukoze moguće je izračunati. Kao

što je objašnjeno u okviru respiratornog lanca i oksidativne fosforilacije, smatramo da su

vrijednosti za P/O 2,5 za oksidaciju NADH preko malat-aspartatnog Shuttle-a, odnosno 1,5 za

oksidaciju preko glicerol- fosfatnog Shuttle-a.

Tako ukupno dobijamo po molekuli glukoze 30, ili 32 ATP-a, a većina ATP-a, 26 od

30 i 28 od 32 je proizvedena oksidativnom fosforilacijom, a samo su 4 ATP-a rezultat

Page 53: Jasminka Nikolic Biohemija

direktne sinteze tokom glikolize i ciklusa limunske kiseline (obično se za ovakve ATP kaže

da su proizvedeni na nivou supstrata).

Uzimajući u obzir da oksidacija glukoze u ćeliji ima ΔG= -2937 kJ/mol, možemo da

izračunamo da efikasnost svih procesa (glikoliza, ciklus limunske kiseline, transport elektrona

i oksidativna fosforilacija) iznosi 54%, što je ranije i pokazano

NASTANAK ATP-a U OKSIDACIJI GLUKOZE

REAKCIJE

ATP osobođene iz glukoze

Shuttle glicerol-

fosfat

Shuttle malat-

aspartat

Glikoliza: glukoza do piruvata ( citosol)

fosforilacija glukoze -1 -1

fosforilacija fruktozo-6-fosfata -1 -1

defosforilacija 2 molekule 1,3-DPG +2 +2

defosforilacija 2 molekule fosfoenolpiruvata +2 +2

oksidacija 2 molekule 3-fosfogliceraldehida daje 2 NADH

Prevođenje piruvata u acetil-CoA (mitohondrije) 2 NADH

Ciklus trikarbonskih kiselina (mitohondrije)

2 molekule GTP iz 2 molekule sukcinil-CoA +2 +2

oksidacija 2 molekule svakog od izocitrata, α-ketoglutarata i malata daje

ukupno 6 NADH

oksidacija 2 molekule sukcinata daje 2 FADH2

Oksidativna fosforilacija (mitohondrije)

2 NADH iz glikolize daje 1,5 ATP za svaki, ako je NADH oksidisan

shuttle sistemom glicerol-fosfata, ili 2,5 ATP-a preko malat-aspartatnog

shuttle-a

+3 +5

oksidativna dekarboksilacija 2 piruvata do 2 acetil-CoA:

2 NADH daju svaki po 2,5 ATP-a

+5 +5

2 FADH2 iz svakog ciklusa trikarbonskih kiselina daje po 1,5 ATP +3 +3

6 NADH iz ciklusa trikarbonskih kiselina daje po 2,5 ATP +15 +15

UKUPNO +30 +32

* Dobijanje ATP može da bude izmijenjeno zavisno od metaboličkih uslova.

GLIKOGENOLIZA

Proces razlaganja glikogena, glikogenoliza, tj. pokretanje, ili mobilizacija

deponovanih molekula glukoze iz glikogena je složen, enzimski katalizovan proces.

Glikogen je u organizmu čovjeka prisutan u svim ćelijama, ali ga najviše ima u jetri i

mišićima (do 5% težine jetre i oko 0,5-1% mišićne mase). Glikogen jetre učestvuje u

održavanju glikemije, dok glikogen mišića služi kao izvor energije.

Glikogenoliza je katalizovana brojnim enzimima, a prvi u nizu je fosforilaza (glikogen

fosforilaza), koja raskida α-1,4-glikozidnu vezu. Fosforilaze jetre i mišića, iako imaju istu

funkciju, donekle se razlikuju.

Page 54: Jasminka Nikolic Biohemija

Glikogenoliza

Glikogen fosforilaza jetre se javlja u dva oblika: glikogen fosforilaza a je aktivni

oblik, a glikogen fosforilaza b je neaktivni oblik. Glikogen fosforilaza sadrži ostatak serina, a

za OH grupu ove aminokiseline estarski je vezana ortofosforna kiselina. Djelovanjem

regulatornog enzima protein fosfataze-1 hidrolitički se uklanja ortofosfat, pri čemu fosforilaza

a postaje neaktivna, tj. fosforilaza b. Drugi regulatorni enzim, kinaza glikogen fosforilaze,

odgovorna je za reaktivaciju glikogen fosforilaze b, pri čemu se utroši jedna molekula ATP.

Glikogen fosforilaza mišića je funkcionalno slična sa istoimenim enzimom jetre, ali se

imunološki i genetski značajno razlikuju. Glikogen fosforilaza je dimer, a svaka podjedinica

sadrži piridoksal-fosfat. Aktivni su samo dimerni oblici enzima.

Hepatociti posjeduju α1 i β2 receptore za kateholamine, kao i receptore za glukagon.

Vezivanje glukagona za receptore aktivira membranski enzim adenil ciklazu, a posljedično

nastajanje cAMP-a vodi aktivaciji glikogen sintetaze. Za α1 receptore vezuje se noradrenalin,

što pokreće mobilizaciju Ca2+

iz mitohondrija, a porast koncentracije ovog katjona aktivira

kalmodulinsku komponentu kinaze. Kinaza fosforiliše glikogen fosforilazu b, u aktivni oblik,

što vodi razlaganju glikogena. Suprotno kateholaminima i glukagonu djeluje insulin.

Posredstvom svojih intraćelijskih medijatora, insulin djeluje inhibitorno na glikogenolizu,

prekida njen lanac aktivacije enzima, pomoću fosfodiesteraze, odnosno, posredstvom protein

fosfataze. Porast koncentracije insulina u krvi, uz pad koncentracije kateholamina i

glukagona, dovodi do usporavanja glikogenolize, a favorizovanja glikogeneze.

Hormonska aktivacija mišićne glikogen fosforilaze moguća je pomoću hormonskih

signala, ili odgovarajućih nervnih impulsa koji povećavaju membransku propustljivost i tako

uslovljavaju oslobađanje Ca2+

iz intraćelijskih mišićnih depoa. Adrenalin uslovljava

aktivisanje adenil ciklaze, a nastali cAMP je pokretač aktivnosti cAMP zavisne protein kinaze

Page 55: Jasminka Nikolic Biohemija

koja, uz utrošak ATP, fosforiliše kinazu b u aktivnu formu. Nastala kinaza a djeluje na

supstrat glikogen i razlaže ga na određeni broj molekula glukozo-1-fosfata.

Enzim cAMP protein kinaza (ranije nazivana protein kinaza) građen je od dva para

subjedinica, a u svakom paru se nalazi po jedna regulatorna (R) i katalitička (C) subjedinica.

Prilikom pokretanja aktivnosti cAMP zavisne protein kinaze (R2C2) cAMP se vezuje za R

subjedinicu, izdvaja je od katalitičke (C) subjedinice koja, kao aktivisani enzim, djeluje na

naredni enzim (kinazu b).

Pošto je glikogenoliza u mišićima energetski veoma značajna, ona se i nekoliko

stotina puta ubrza u trenutku započinjanja mišićne kontrakcije. U svemu veliki značaj ima

uključivanje kalmodulinske komponente kinaze u glikogenolizu. Tako se u mišićima, ovim

mehanizmom, glikogenoliza pokreće po skraćenom postupku. Nervni impulsi, preko nervno-

mišićne sinapse, uzrokuju porast permeabilnosti membrane i oslobađanje Ca2+

iz

intraćelijskog depoa.

Razgradnja glikogena otpočinje dejstvom aktivirane glikogen fosforilaze ( u

mišićima, ili jetri). Pri tome se dešava fosforilitička razgradnja, tj. uvođenje molekule

neorganskog fosfata. Dakle, to je proces koji se razlikuje od hidrolitičke razgradnje, koja

uključuje molekul vode. Kidanjem α-1,4-glikozidnih veza iz glikogena se, sa neredukcionog

kraja, odvaja odgovarajući broj molekula glukozo-1-fosfata:

(glukoza)n + HPO42-

glikogen fosforilaza

(glukoza)n-1 + glukozo-1-fosfat

Skraćenje lanca makromolekule glikogena teče sve do onog trenutka dok se ne približi

mjestu grananja glavnog lanca α-1,6-glikozidnim vezama, na rastojanje od četiri glikozil

ostatka. Tada djeluje enzim trisaharid transferaza, koja trisaharidni segment prenosi na glavni

lanac, koji se tako produžava. Poslije premještanja tri glukozil ostatka mjesto grananja je

dostupno dejstvu enzima degrananja (amilo-1,6-glukozidaza), koji raskida α-1,6-glikozidnu

vezu. To se odvija hidrolitičkim putem, pa se logično dobija molekula D-glukoze, a ne

glukozo-1-fosfat.

Molekul glukozo-1-fosfata niti može da napusti ćelijsku sredinu i pređe u krv, niti

direktno može da se koristi kao energetski materijal, jer se ne razlaže glikolizom. Zato je

neophodno, da se dejstvom fosfoglukomutaze, prevede u glukozo-6-fosfat, koji može da se

uključi u glikolizu.

U jetri, i u manjoj mjeri u bubrezima, nalazi se specifičan enzim glukozo-6-fosfataza,

koja razlaže glukozo–6-fosfat, dajući slobodnu glukozu, koja odlazi u cirkulaciju.

Page 56: Jasminka Nikolic Biohemija

PENTOZOFOSFATNI PUT

Stalna potreba ćelija za molekulama NADPH, potrebnim za brojne anaboličke reakcije,

obezbjeđuje se velikim dijelom razgradnjom glukoze pentozofosfatnim putem, koji se takođe

naziva i heksozo-monofosfatni šant, ili fosfoglukonski put.

Redukovani koenzim NADPH neophodan je u sintezi viših masnih kiselina i steroida,

pa je razumljivo da se pentozofosfatni put odvija u jetri, mliječnoj žlijezdi za vrijeme

laktacije, masnom tkivu, testisima i kori nadbubrega. U skeletnim mišićima ovaj metabolički

put se odvija veoma slabim intenzitetom. Energatski efekti heksozo-monofosfatnog šanta su

zanemarljivi, ali njegovi međuproizvodi mu daju poseban značaj, pa ne može da se smatra

sporednim procesom razgradnje glukoze.

Generalno gledano, biohemijski značaj pentozofosfatnog puta je slijedeći:

nastajanje NADPH;

konverzija heksoza u pentoze (ribozo-5-fosfat je neophodan za sintezu nukleotida i

nukleinskih kiselina);

konverzija pentoza u heksoze, koje zatim mogu da se razlažu uobičajenim tokom

glikolize;

mogućnost oksidativnog razlaganja glukoze do CO2;

očuvanje funkcionalne sposobnosti eritrocita (značaj enzima G6PDH).

Razlaganje glukoze do CO2 može sumarno da se predstavi slijedećom jednačinom:

3glukozo-6-fosfat + 6NADP+ → 3CO2 + 2glukozo-6-fosfat +

3-fosfoglicerinaldehid + 6NADPH + 6H+

Lanac enzimskih reakcija pentozofosfatnog puta odvija se u citosolu ćelije. Sve

reakcije ovog puta mogu da se podijele u dvije faze: oksidativnu i neoksidativnu.

Tokom oksidativne faze fosforilisani oblik glukoze, glukozo-6-fosfat, prvo dva se puta

oksidiše, a potom dekarboksiliše. Nastaje prvi pentozni međuproizvod, ribulozo-5-fosfat

U drugoj, neoksidativnoj fazi, ribulozo-5-fosfat se izomerizuje u ribozo-5-fosfat,

odnosno ksilulozo-5-fosfat, da bi zatim transketolaznom i transaldolaznom reakcijom nastali

fruktozo-6-fosfat i eritrozo-4-fosfat, odnosno 3-fosfatglicerinaldehid.

Page 57: Jasminka Nikolic Biohemija

Pentozofosfatni put

3-fosfoglicerinaldehid je međuproizvod glikolize, a kako se glikoliza i pentozofosfatni

put odvijaju u citosolu, 3-fosfoglicerinaldehid se lako uključuje u glikolitički put razgradnje

glukoze. To je jedna od više metaboličkih veza pentozofosfatnog puta i glikolize (fruktozo-6-

fosfat je takođe međuproizvod glikolize).

Iz Šeme 5. pentozofosfatnog puta se vidi raznovrsnost ovog puta, jer se dobijaju

trioze, tetroze, pentoze, heksoze i jedna heptoza. To je značajno, jer u nekim tkivima, npr.

mišićima, uprkos slabom intenzitetu odvijanja pentozofosfatnog puta, obezbjeđuje se

dovoljna količina ribozo-5-fosfata za sintezu purinskih nukleotida.

Što se tiče regulacije pentozofosfatnog puta, ne postoji neki posebni regulatorni

mehanizam. Smatra se da sinteza glavnih enzima, ovog metaboličkog puta, zavisi od

NADP/NADPH količnika i da njegova promjena nastala sniženjem lokalnog nivoa NADPH

pokreće sintezu ključnih enzima heksozo-monofosfatnog šanta.

O

HC OH

fruktozo-6-fosfat

HC OH

-

32

2CH OPO

HC OH

HO CH

OC

2CH OH

eritrozo-4-fosfat

-2

2 3CH OPO

HC OH

HC OH

H

O

C

transaldolaza

7

gliceraldehid-3-fosfat

-22 3

CH OPO

HC OH

H

OC

sedoheptulozo-7-fosfat

-2

2 3CH OPO

HC OH

HC OH

HO CH

HC OH

2

OC

H C OH

transketolaza

6

ksilulozo-5-fosfat

2

-2

3CH OPO

HC OH

HO CH

2

OC

CH OH

ribulozo-5-fosfatepimeraza

ribozo-5-fosfat

fosfopentozoizomeraza

-

32

2CH OPO

HC OH

HC OH

HC OH

sinteza nukleinskihkiselina

OHC

5

4

3

+2Mg

ribulozo-5-fosfat2

-2

3CH OPO

HC OH

HC OH

2

C

CH OH

+

+NADPH H+

NADP 2CO

6-fosfoglukonolaktondehidrogenaza6-fosfoglukonat

2

-2

3CH OPO

HC OH

HO CH

HC OH

-

21

COO

laktonaza

2+Mg

2H O

6-fosfoglukono-

-lakton

O

glukozo-6-fosfatdehidrogenaza

+2Mg

++

HNADPH+

NADP

H

O

Glukozo-6-fosfat

2

2

OH

OH

H

HH

-3CH OPO

HO

H

O

H

HO

CH OPO3

-

HH

H

OH

OH

OH

2

2

Page 58: Jasminka Nikolic Biohemija

GLUKONEOGENEZA

Glukoneogeneza je proces sinteze glukoze iz neugljikohidratnih komponenti. To su

prije svega laktat i piruvat, nastali razgradnjom glukoze glikolizom, zatim glicerol i

glukogene aminokiseline.

Glukoneogeneza nije obrnuti tok glikolize. Glikoliza nije reverzibilan proces, zbog

odgovarajućih barijera, koje onemogućavaju prostu reverziju, od piruvata, ili laktata, do

glukoze. Na Slici 22. to je predstavljeno:

Tri reakcije glikolize su ireverzibilne: završna reakcija, u kojoj se od fosfoenolpiruvata

dobija piruvat, zatim reakcija u kojoj od fruktozo-6-fosfata nastaje fruktozo-1,6-difosfat i

konačno ona reakcija, u kojoj se glukoza fosforiliše u glikozo-6-fosfat. U termodinamskom

smislu to su tri izrazito egzergonične reakcije, što smo konstatovali kod proučavanja glikolize.

Sve tri barijere su premostive, uz prisustvo odgovarajućih enzima.

Konverzija piruvata u fosfoenolpiruvat

Pošto je fosfoenolpiruvat visokoenergetski organofosfat, ne postoji mogućnost

direktne konverzije u fosfoenolpiruvat. Za to je potreban složen metabolički tok. Prvo, piruvat

prelazi u mitohondrije hepatocita, ili tubulocita, a zatim slijedi karboksilacija (uvođenje

COOH grupe u molekul piruvata). Reakciju katalizuje enzim piruvat karboksilaza, koja sadrži

biotin kao koenzim. Uz prisustvo Mg2+

i acetil-CoA, uz utrošak ATP i samog CO2, iz piruvata

nastaje oksalacetat. Pošto oksalacetat ne prolazi kroz unutrašnju membranu mitohondrija,

mora da se redukuje u malat, djelovanjem malat dehidrogenaze.

Malat se izbacuje iz mitohondrija na principu njegove jonske zamjene sa citratom. U

citosolu, dejstvom malat dehidrogenaze, malat se oksidiše u oksalacetat. Da bi iz oksalacetata

nastao fosfoenolpiruvat potreban je molekul guanozintrifosfata (GTP). Reakciju katalizuje

fosfoenolpiruvat karboksilaza.

Iz je uočljivo da je "cijena" konverzije piruvata u fosfoenolpiruvat jedna molekula

ATP i jedna molekula GTP.

Page 59: Jasminka Nikolic Biohemija

Putevi glukoneogeneze i glikolize

Page 60: Jasminka Nikolic Biohemija

Nastanak i defosforilacija fruktozo-1,6-difosfata

Nastankom fosfoenolpiruvata iz piruvata, stvoreni su uslovi za pokretanje reverzibilnog toka lanca enzimskih reakcija glikolize. Za sintezu fruktozo-1,6-difosfata potrebna su polazna dva molekula fosfoenolpiruvata, što znač i da se sve reakcije do ovog koraka moraju da dupliraju, uključ ujuć i i piruvat.

Enzim 1,6-difosfataza hidrolitički uklanja ortofosfat sa C1 atoma fruktozo-1,6-

difosfata, pa se na taj način dobija fruktozo-6-fosfat. Reakcija je egzergonična (ΔGo'= - 16,7

kJ/mol) i lako se odvija.

Fruktozo-6-fosfat se izomerizuje u glukozo-6-fosfat, pod uticajem fosfohekso

izomeraze, enzima glikolize i nastaje glukozo-6-fosfat.

Defosforilacija glukozo-6-fosfata u glukozu

Ovo je posljednja, od ukupno tri, energetske prepreke u procesu sinteze glikoze

glukoneogenezom. To se postiže dejstvom enzima glukozo-6-fosfataze, koga ima u velikoj

količini u jetri i bubrezima. Hidrolitičkom reakcijom defosforiliše se supstrat glukozo-6-

fosfat, a nastala glukoza napušta ćelijsku sredinu hepatocita, ili tubulocita i odlazi u

cirkulaciju. Pomenuti enzim se ne nalazi u masnom tkivu i skeletnim mišićima, tako da

navedena tkiva ne utiču na regulisanje glikemije.

Većina međuproizvoda ciklusa trikarbonskih kiselina može da posluži kao polazni

materijal glukoneogeneze. Svi ti međuproizvodi razlažu se ciklusom trikarbonskih kiselina do

oksalacetata, a ovaj uključuje u glukoneogenezu.

Pojedine aminokiseline transaminacijom daju bezazotni ostatak tipa piruvata, dok

druge daju međuproizvode ciklusa trikarbonskih kiselina tipa α-ketoglutarata. Sve su to

supstrati za glukoneogenezu.

Energetski efekti glukoneogeneze

Zbirna reakcija konverzije piruvata u glukozu prikazana je jednačinom:

2 piruvata + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2 H+ + 6 H2O

Glukoza + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi + 2 NAD+

U energetskom smislu, čini se da je glukoneogeneza rasipnički proces, pošto se troše

četiri molekule visokoenergetskih fosfata. Međutim, u organizmu postoje određene situacije,

kao što je prijeteća hipoglikemija, ili kada nastaje prekomjerno oslobađanje laktata, kada

glukoza mora da se sintetiše, čak i po cijenu energetskog deficita.

GLIKOGENEZA

Proces sinteze glikogena označava se kao glikogeneza. Glikogen je rasprostranjen u

svim ćelijama, ali se deponuje samo u jetri i mišićima.

Glikogen mišića ima isključivo energatsku ulogu, dok glikogen jetre održava

glikemiju u okviru fizioloških vrijednosti.

Page 61: Jasminka Nikolic Biohemija

Glikogeneza započinje fosforilacijom glukoze u glukozo-6-fosfat, u jetri djelovanjem

glukokinaze, a u mišićima djelovanjem heksokinaze. U oba slučaja neophodan je ATP i Mg2+

.

U narednoj reakciji glukozo-6-fosfat se prevodi u glukozo-1-fosfat, dejstvom enzima

fosfoglukomutaze.

Glukozo-1-fosfat i uridin-trifosfat (UTP) pod uticajem UDPG-pirofosforilaze reaguju i

nastaje aktivni nukleotid uridin-difosfat-glukoza (UDPG).

Sinteza UDP-glukoze

Hidroliza nastalog neorganskog pirofosfata pomjera reakciju na desnu stranu. UDP-

glukoza je direktni izvor glikozil ostataka sa aktivisanom OH grupom na C1 atomu. Enzim

glikogen sintaza (glukozil transferaza) prenosi aktivisani glukozil ostatak na neredukujući kraj

glikogena i katalizuje nastanak α-1,4-glikozidne veze, između C1 aktivnog glukozil ostatka i

C4 terminalne glukoze lanca glikogena.

Tako se molekul glikogena produžio za jedan molekul glukoze. Ponavljajućim

djelovanjem enzima glikogen sintaze uvećava se osnovni lanac glikogena do dužine od

najmanje 11 glukozil ostataka Tada su stvoreni uslovi za dejstvo enzima grananja glikogena,

koji prenosi najmanje 6 glukozil ostataka i formira račvu lanca glikogena sa α-1,6-

glikozidnom vezom. Zahvaljujući dejstvu ovog enzima molekul glikogena je izrazito račvast.

Smatra se da je za početnu biosintezu glikogena potreban početni segment glikogena,

koji je glikoproteinske prirode, a prvi glukozil ostatak vezuje se za polipeptidni lanac, sa čijim

hidroksi aminokiselinama uspostavlja O-glikozidnu vezu. Naredni ostatak glukoze

nadovezuje se na prethodni stvaranjem α-1,4-glikozidne veze. Početni segment glikogena

ostaje sačuvan i u uslovima gladovanja, kada preovladava glikogenoliza.

uridindifosfat-glukoza

H

O

O

N

N

H

H H

H

OH OH

O2CH-

-OI

I

-

-

- -P

O

O

O

OI

IO-P-O

H

-

O

CH O

HOH

HO

2

H

H

H

OH

H

UDP-glukozo pirofosforilaza

+2Mg

iPP

UTP

2+Mg

fosfoglukomutaza

-D-glukozo-1-fosfat

H

OH

H

H

H

2

HO

OHH

CH O

o

32-

H

OPOOH

H

-23

O

CH OPO

HOH

HO

2

H

H

H

OH-D-glukozo-6-fosfat

heksokinaza

+2Mg

ADPATP

-D-glukoza

OH

OH

H

H

H

H

2

HO

OHH

CH OH

O

Page 62: Jasminka Nikolic Biohemija

Regulacija glikogeneze

U mišićima postoje dva oblika glikogen sintaze: fosforilisani, ili neaktivni b oblik i

defosforilisani, tj. aktivni oblik a. Ova dva oblika mogu da prelaze jedan u drugi. U

fiziološkim uslovima sinteza glikogena zavisi od glikogen sintaze a, koja nastaje iz glikogen

sintaze b djelovanjem dva enzima: protein fosfataze i protein fosfataze-1. Obrnutu reakciju

katalizuje drugi enzim, a to je jedan od niza kinaznog dejstva.

Protein fosfataza je pod direktnim dejstvom insulina, dok protein fosfataza-1 zavisi od

lokalnog nivoa cAMP, a ne zavisi od insulina. Adrenalin pojačava aktivnost enzima adenil

ciklaze i time povećava nivo cAMP, što u kaskadi reakcija inhibiše aktivnu protein

fosforilazu-1.

Regulacija glikogeneze u jetri je složenija. I u jetri postoji aktivna (a) i neaktivna (b)

glikogen sintaza. Glikogen sintaza a fosforilisanjem postaje, dejstvom cAMP zavisne protein

kinaze, neaktivni enzim (b). Inaktivacija glikogen sintaze jetre odvija se i dejstvom

kalmodulin zavisne protein kinaze.

Najmoćniji i najvažniji aktivator glikogeneze u jetri je insulin, koji pokreće aktivnost

regulatornih enzima, tipa protein fosfataza i fosfodiesteraza. Protein fosfataza defosforiliše i

time aktiviše glikogen sintazu, a sa njom počinje glikogeneza. Insulin, aktivacijom

fosfodiesteraze, razlaže cAMP u AMP i time onemogućava pokretanje glikogenolize.

Suprotno dejstvo insulinu imaju: kateholamini, vazopresin, oksitocin, angiotenzin II,

glukagon i tiroksin.

FOTOSINTEZA

Fotosinteza je proces u kome se apsorbovana svjetlosna energija transformiše u

korisnu hemijsku energiju. To je jedinstven proces u živom svijetu, a odvija se u zelenim

biljkama.

6 CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6 O2 +6 H2O

Pored klasičnog fotosintetskog procesa koji se odigrava u hloroplasima zelenih

biljaka, postoje i drugi tipovi fotosinteze.

Molekul O2 vodi porijeklo iz vode, a ne iz ugljendioksida.

Fotosinteza se odvija u dva dijela:

Reakcije koje se odvijaju u svjetlosti (tzv. svijetle reakcije)

Reakcije koje se odvijaju u tami (tzv. tamne reakcije)

Fotosintetski proces počinje transformacijom svjetlosne energije u korisnu hemijsku

energiju. U ovoj fazi nastaje ATP i NADPH+H+

. Ova jedinjenja se koriste za proces

redukcije ugljendioksida i njegovo prevodjenje u ugljene hidrate.

U hloroplastima zelenih biljaka nalaze se različiti pigmenti i enzimski sistemi, koji

omogućavaju proces fotosinteze. Svi ovi pigmenti grupisani su u fotosistem I i fotosistem II u

zavisnosti od vrijednosti talasne dužine vidljivog dijela spektra koga apsorbuju. Pored

hlorofila a, hlorofila b i karotenoida, u fotosistem I i II ulaze i citohromi i plastohinoni. Svi

hlorofili i ostali pigmenti posjeduju sposobnost apsorpcije svjetlosne energije, zahvaljujući

velikom broju konjugovanih veza u strukturi molekula. Hlorofili u centru tetrapirolnog

prstena sadrže Mg2+

jon.

Usvajanjem kvanta svjetlosne energije molekul hlorofila prelazi u ekscitirano stanje. Sa

hlorofila elektroni prelaze na odgovarajući elektron-transportni sistem (ETS), a nakon

Page 63: Jasminka Nikolic Biohemija

prelaska kružnog puta elektroni se ponovo vraćaju na hlorofil. Svaki par ekvivalenta

elektrona, kada napusti molekul hlorofila, oslobađa veliku količinu korisne hemijske energije

(ATP i NADPH+H+). Ovaj način obrazovanja ATP-a naziva se fotosintetska fosforilacija.

Polazeći od činjenice da svaki par elektrona ne završi svoj ciklični put, tj. vrati se na

hlorofil, već preko feredoksina učestvuje u redukciji NADP+-a. U ovom slučaju regeneracija

hlorofila vrši se na račun elektrona koji dolaze od nekog spoljašnjeg donora.

Proces se odvija u subćelijskim organelama hloroplastima, koji su okruženi dvoslojnom

membranom. Unutrašnji dio hloroplasta ispunjen je sistemom membrana koje se označavaju

kao tilakoidi. Svi pigmenti koji učestvuju u fotosintetskom procesu nalaze se unutar ovog

membranskog sistema, gdje se i odigrava svjetlosna faza fotosinteze. Unutrašnjost hloroplasta

van tilakoida naziva se stroma.

Tamni dio fotosinteze, tj. redukcija ugljendioksida odvija se u stroma lamelama.

Većina tilakoida su vrlo blisko povezani, tako da ostavljaju utisak nagomilanih spiralnih

membrana, koje se nazivaju grane lamele. Membrane koje su slobodne u prostoru i nisu

blisko povezane nazivaju se stroma lamele.

Reakcije fotosinteze u tami obuhvataju reakcije u kojima se uz upotrebu proizvoda

primarnih (svjetlosnih) reakcija fotosinteze ATP-a i NADPH redukuje CO2 i stvaraju ugljeni

hidrati.

Calvin je 1961. godine za predloženi redoslijed reakcija u tamnoj fazi fotosinteze

dobio Nobelovu nagradu. Calvinov ciklus može da se podijeli u tri faze:

1. karboksilacija akceptora CO2, ribuloza-1,5-difosfata i stvaranje dvije molekule

3-fosfoglicerata, prvog stabilnog međuproizvoda

2. redukcija tokom koje nastaje gliceraldehid-3-fosfat

3. regeneracija akceptora CO2, ribuloza-1,5-difosfata.

tilakoidi

stroma

Ddoslojna

membrana

hloroplast

Page 64: Jasminka Nikolic Biohemija

Zbirna jednačina sekundarnih reakcija fotosinteze:

6 CO2 +12 H2O +12 NADPH + 18 ATP

C6H12O6 + 12 NADP+

+ 6 H+

+ 18 ADP + 18 PI

U prvoj fazi Calvinovog ciklusa karboksilaciji ribulozo-1,5-difosfata nastaje 3-

fosfoglicerat:

Ribuloza-1,5-difosfat

OH

H2C

CH

C

C

OHH

H2C OPO32-

OPO32-

O

3-fosfoglicerat

OH

H2C

CH

COO

OPO32-

-

Page 65: Jasminka Nikolic Biohemija

Zatim slijedi transformacija 3-fosfoglicerata:

Neprekidna fiksacija CO2 nužno zahtijeva da se akceptor CO2 stalno regeneriše. Da bi

se spriječilo iscrpljivanje međujedinjenja ciklusa, pregrupisanjem ugljenika iz 10 molekula

triozo-fosfata stvara se 6 molekula ribuloza-1,5-difosfata.

OH

H2C

CH

COO

OPO32

OH

H2C

CH

COPO3

2O

OPO32

OH

H2C

CH

CHO

OPO32

ATP ADP NADPH NADP+

Pi

1,3-difosfoglicerat 3-

fosfoglicerat gliceraldehid-

3-fosfat

Fosfoglicerat

kinaza

gliceraldehid-3-fosfat

dehidrogenaza

Page 66: Jasminka Nikolic Biohemija

MASNE KISELINE

U prirodnim mastima nalaze se samo masne kiseline sa parnim brojem ugljenikovih

atoma, što je razumljivo pošto se sinteza masnih kiselina in vivo odvija ugradnjom po dvije C-

jedinice, koje potiču od acetil-CoA. Masne kiseline koje se najčešće susreću u prirodnim

mastima date su niže.

Formule masnih kiselina su napisane tako, da krajnja CH3 grupa nije naznačena, da

nisu napisane metilenske grupe (CH2), a iste se nalaze na svim prevojnim tačkama.

Obilježavanje ugljenikovih atoma, arapskim brojevima, vrši se od ugljenikovog atoma

karboksilne grupe. Ako se ugljenikovi atomi obilježavaju grčkim slovima ugljenikov atom

karboksilne grupe se ne obilježava, već obilježavanje počinje od susjednog ugljenikovog

atoma, u odnosu na ugljenikov atom karboksilne grupe. Sasvim desno data su trivijalna imena

sa brojevima, gdje prvi broj označava broj ugljenikovih atoma, dok drugi broj označava broj

dvostrukih veza. Za organizam čovjeka od velike su važnosti masne kiseline sa više

dvostrukih veza, kao i masne kiseline račvastog niza, jer ne može da ih sintetiše, pa moraju da

linolna kiselina 18:2

oleinska kiselina 18:1

cis-9-cis-12-oktadecenska kiselina (linolna kiaselina)

13 12

110 9

cis-9-oktadecenska kiselina (oleinska kiselina)

910 1

oktadekanska kiselina (stearinska kiselina)

18

1

heksadekanska kiselina (palmitinska kiselina)

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1COOH

COOH

COOH

COOH

arahidonska kiselina 20:4

linolenska kiselina 18:3

cis-5-cis-8-cis-11-cis-14-ajkozanska kiselina (arahidonska kiselina)

15 14 12 11 9 8 6 5 1

oktadecenska kiselina (linolenska kiselina)cis-9-cis-12-cis-15-

16 15 110 918

1213

COOH

COOH

Page 67: Jasminka Nikolic Biohemija

se unose hranom. Neunošenje linolenske i arahidonske kiseline (esencijalnih masnih kiselina)

uzrokuje zastoj u rastu, promjene na koži, a u krajnjem slučaju i smrt.

KATABOLIZAM MASNIH KISELINA

Osnovni put za metabolizam masnih kiselina, koje nastaju kao proizvod varenja

masti, je β-oksidacija, koja se odvija u mitohondrijama. Krajnji proizvod katabolizma masnih

kiselina sa parnim brojem C atoma je odgovarajući broj acetil-CoA, koji se dalje razgrađuju u

ciklusu limunske kiseline. Dugolančane masne kiseline se oksidišu do ugljendioksida i vode

skoro u svim tkivima kičmenjaka, osim u mozgu.

β-OKSIDACIJA MASNIH KISELINA

Prije uključenja u proces oksidacije, masne kiseline moraju da se povežu sa

transportnim proteinom, Z-proteinom, što im daje hidrosolubilnost. Međutim, pošto su masne

kiseline, zbog dugačkog ugljovodoničnog niza, nereaktivne, inertne, neophodno je da se

aktivišu. To se postiže prevođenjem u tioestre, visokoenergetska i reaktivna jedinjenja.

Tioalkoholna grupa potiče od cisteamina, koji je sastavna komponenta koenzima-A (CoA).

Masna kiselina se prvo aktiviše ATP-om, a nastali intermedijat prenosi se na CoA i pri tome

formira tioestar. Aktivacija je pokazana na primjeru palmitinske kiseline.

Reakciju aktivacije katalizuje jedna od tri acil-CoA-sintetaze, koje pokazuju

specifičnost prema dužini lanca masne kiseline. Detektovane su acil~SCoA-sintetaze za

aktivaciju masnih kiselina sa kratkim nizom, sa nizom srednje dužine (4-12 C atoma) i one

koje aktivišu više masne kiseline (12-24 C atoma).

Acil-CoA-sintetaze su vezane za endoplazmatski retikulum, ili spoljašnju membranu

mitohondrija, a proces aktivacije se odvija u citoplazmi ćelija. Nastali acil-CoA je

visokoenergetsko jedinjenje, njegova hidroliza do slobodne masne kiseline i CoA ima ΔG'0

≈ -

31kJ/mol.

Aktivacija masnih kiselina unutar mitohondrija fiziološki je prisutna u neznatnoj

mjeri, a zahtijeva prisustvo guanin nukleotida.

Mitohondrijske membrane su nepropustljive za acil-CoA, pa se ovo jedinjenje prevodi

u acilkarnitin i kao takav dospijeva u mitohondrije. U mitohondrijama se acilkarnitin ponovo

prevodi u acil-CoA.

Aktivacija palmitinske kiseline

2

3

2

3

2

3

2

3

C

O

SCoA + HO-CH-CH - N (CH )+

H C-COO-

Palmitoil-CoA Karnitin

SCoAC

O

~

-H C-COO

+(CH )O-CH-CH - N + H

Palmitoilkarnitin

~

Page 68: Jasminka Nikolic Biohemija

Kao što se iz formule vidi, karnitin je β-hidroksi-γ-trimetilamonijum butirat, sa

osobinama bipolarnog jona. Takve hemijske karakteristike omogućavaju karnitinu da lagano

klizi između lipidnih struktura membrane, omogućavajući transport acil ostataka.

U navedenom transportnom sistemu učestvuju dva enzima: karnitin-aciltransferaza I

(CAT I), enzim spoljašnje površine unutrašnje membrane mitohondrija i karnitin-

aciltransferaza II (CAT II), koja acetilni ostatak prenosi na matriksni CoA.

Transport palmitoil ~SCoA kroz unutrašnju membranu mitohondrija

Kratkolančane masne kiseline direktno prolaze kroz unutrašnju membranu mitohondrija, tj. ne

zavise od karnitina.

matriks mitohondrijacitosol

SCoA

O

~H C-(CH ) -C

HSCoA

Karnitin

karnitin-palmitoiltransferaza

karnitin-palmitoiltransferaza

H C-(CH ) C

O

- karnitinkarnitin-

O

H C-(CH ) -C

transporter

karnitinski

Karnitin

HSCoA

H C-(CH ) -C

O

~ SCoA

palmitoilkoenzim A

23 14 14

3 2 14 3 2 14

3 2

-

Page 69: Jasminka Nikolic Biohemija

β-oksidacija masnih kiselina u matriksu mitohondrija

U prvoj reakciji β-oksidacije masnih kiselina vrši se dehidrogenizacija (odstranjenje

vodonikovih atoma sa 2 i 3 C-atoma), pri čemu nastaje α,β-nezasićeni acil-CoA. Nezasićena

masna kiselina je trans izomer (trans-Δ2-enoil-CoA). Reakciju katalizuje enzim acil-CoA

dehidrogenaza, koja za koenzim ima FAD.

Na nezasićeni derivat masne kiseline adira se molekul vode, pri čemu nastaje β-

hidroksi-acil-CoA. Adiciju vode katalizuje enzim enoil-CoA-hidrataza. Sekundarna alkoholna

grupa se veoma lako osidiše, pri čemu nastaje β-keto-acil-CoA. Reakciju katalizuje enzim β-

hidroksi-acil-CoA dehidrogenaza, čiji je koenzim NAD+.

Pod uticajem još jednog molekula HSCoA dolazi do ketonskog raspadanja, pri čemu

nastaju acetil-CoA i acil-CoA, skraćen za dva C-atoma u odnosu na početni. Ketonsko

raspadanje, u ovom slučaju, poznato je kao tiolitičko cijepanje, katalizuje enzim β-keto-acil-

CoA transferaza (ili samo tiolaza).

Proces se dalje ponavlja, što je u šemi naznačeno brojevima 5,6,7,8 i 9, sve dok se

molekul masne kiseline ne razgradi u potpunosti do n molekula acetil-CoA. Redukovani

koenzimi, nastali u toku β-oksidacije, reoksidišu se u respiratornom lancu mitohondrija.

ENERGETSKI BILANS β-OKSIDACIJE MASNIH KISELINA

Pri β-oksidaciji masnih kiselina nastaje n molekula acetil~ScoA, gde je n=polovina od

broja C-atoma u molekulu masne kiseline, ako je molekul masne kiseline izgrađen od parnog

broja ugljenikovih atoma; ako pak molekul masne kiseline ima neparan broj ugljenikovih

R C

H H

CH H

C

O

CoA~1

2

3

R=H(CH -CH )n FAD FADH

1

3

2

1~CoAC

C

H

CR

H

H O

2

CH

C

C CoA~1

2

R3HO

HH

O

3NAD

+

NADH+H+

HH

3

2

1~CoAC

C

C

OO

R4

HSCoACH -C~SCoA

O

12

R C3~ SCoA

SCoA~CR

O

5

6

7

8

9

O

22

2

2

O

3

Page 70: Jasminka Nikolic Biohemija

atoma, onda nastaje i molekul propionil ~SCoA. Tako, pri β-oksidaciji palmitinske kiseline,

koja sadrži 16 C atoma, nastaje 8 molekula acetil~SCoA. Pri daljoj oksidaciji svakog

molekula acetil-CoA, u ciklusu limunske kiseline, nastaju 3 molekula NADH++H

+, 1 molekul

FADH2 i jedan molekul GTP.

Pri potpunoj β-oksidaciji molekula palmitinske kiseline proces se ponovi 7 puta, pri

čemu nastaje 7 molekula NADH++H

+ i 7 molekula FADH2.

Na tabeli 5 pokazan je ukupni broj nastalih NADH+H

+, FADH2 i ATP u potpunoj

oksidaciji palmitoil~SCoA. Ukupni zbir od 108 molekula ATP treba da se umanji za 2 ATP,

koliko se utroši za aktivaciju palmitinske kiseline, pa se ukupno dobija 106 ATP. Pod

standardnim uslovima, 106 X 30,5 kJ/mol = 3 230 kJ/mol, što je oko 33% od teoretskog

maksimuma, koji iznosi 9 800 kJ/mol. Međutim, ima saznanja da se u intracelularnim

uslovima navedeni procenat kreće i preko 60%.

Energetski efekat oksidacije molekule palmitoil-CoA do CO2 i H2O

Enzim koji katalizuje reakciju Broj NADH+H

+, ili

FADH2

Broj formiranih

ATP*

Acil-CoA dehidrogenaza 7 FADH2 10,5

β-hidroksiacetil-CoA dehidrogenaza 7 NADH+H

+ 17,5

Izocitrat dehidrogenaza 8 NADH+H

+ 20

α-ketoglutarat dehidrogenaza 8 NADH+H

+ 20

Sukcinil-Co A sintetaza 8#

Sukcinat dehidrogenaza 8 FADH2 12

Malat dehidrogenaza 8 NADH+H

+ 20

Ukupno 108

* Oksidativna fosforilacija u mitohondrijama daje 1,5 ATP po oksidisanom FADH2 i 2,5 ATP po

oksidisanom NADH+H

+ .

# Direktno iz GTP-a na nivou supstrata.

SPOREDNI PUTEVI OKSIDACIJE MASNIH KISELINA

Pored β-oksidacije masnih kiselina, kao kvantitativno najzastupljenijeg kataboličkog

puta masnih kiselina, u organizmu se u izvjesnoj mjeri odvija i proces α- i ω-oksidacije.

U toku α-oksidacije uklanja se po jedan C atom sa karboksi terminalnog kraja

molekula masne kiseline. To je značajan metabolički put cerebrozida u mozgu. α-oksidacija

se odvija u endoplazmatskom retikulumu i mitohondrijama, ne zahtijeva aktivaciju masne

kiseline, a u energetskom smislu proces je beznačajan. Ovim metaboličkim putem razlaže se

fitanska kiselina, metabolički proizvod fitola, koja se pored toga nalazi u mastima mlijeka i

životinjskoj masti.

Srednje i dugolančane masne kiseline mogu da se oksidišu i putem ω-oksidacije. Proces

se odvija u endoplazmatskom retikulumu, a omogućava oksidaciju metil terminalnog kraja

masne kiseline, odnosno oksidaciju suprotnog kraja u odnosu na karboksilnu grupu. Proizvod

reakcije je α,ω-dikarbonska kiselina, koja može da se podvrgne β-oksidaciji s bilo kojeg kraja

molekule.

Page 71: Jasminka Nikolic Biohemija

BIOSINTEZA MASNIH KISELINA

Sinteza masnih kiselina odvija se u jetri, masnom tkivu, mliječnoj žlijezdi za vrijeme

laktacije, ali i u plućima, bubrezima i mozgu. Svi potrebni enzimi za sintezu masnih kiselina,

iz prekursora acetil-CoA do molekula palmitinske kiseline, nalaze se u citosolu ćelije.

Ukoliko postoji potreba za biosintezom masnih kiselina sa većim brojem C atoma od 16, onda

se produžavanje (elongacija) masnih kiselina odvija u mikrozomima i mitohondrijama.

Kada su energetske potrebe ćelije male, oksidacija acetil-CoA i oksidativna fosforilacija

su minimalne, pa se mitohondrijalni acetil-CoA deponuje u vidu masti.

Prekursor svih C atoma u masnoj kiselini je acetil-CoA. Postoje tri izvora acetil-CoA:

1. Razgradnjom aminokiselina nastaje citosolni acetil-CoA.

2. Oksidacija masnih kiselina produkuje acetil-CoA.

3. Piruvat nastao glikolizom u citosolu prelazi u mitohondrije, gdje se djelovanjem

piruvat dehidrogenaze prevodi u acetil-CoA.

Acetil-CoA nastao degradacijom aminokiselina je nedovoljan za biosintezu masnih

kiselina, a acetil-CoA nastao iz piruvata i oksidacije masnih kiselina ne može da prođe kroz

mitohondrijalnu membranu i da se direktno uključi u biosintezu masnih kiselina. Zato se

acetil-CoA, u mitohondrijama, vezuje sa oksalacetatom, formirajući citrat, koji se transportuje

iz mitohondrijalnog matriksa u citosol. Djelovanjem ATP-citratne liaze, iz citrata u citosolu,

ponovo nastaje acetil-CoA. Izdvojeni oksalacetat, pri ovoj reakciji, prevodi se do malata, ili

do piruvata, a ovi nesmetano odlaze u mitohondrijalni matriks.

Molekule NADPH, koje su neophodne za biosintezu masnih kiselina, potiču iz

pentozofosfatnog puta, ili iz reakcije prevođenja malata u piruvat, djelovanjem jabučnog

enzima (malic enzyme). Redukcioni ekvivalenti (elektroni) nastali u glikolizi u obliku NADH

mogu da se transformišu u NADPH kombinovanim djelovanjem malatne dehidrogenaze i

malic enzym-a:

Oksalacetat + NADH + H+ → malat + NAD

+

Malat + NADP+ → piruvat + CO2 + NADPH + H

+

Postavlja se pitanje: koliko od 14 NADPH potrebnih za biosintezu palmitata može da

nastane na prethodno navedeni način? Odgovor zavisi od statusa malata. Svaki molekul citrata

preveden u citosol produkuje jedan acetil-CoA i jedan molekul malata. Iz svakog oksidisanog

malata nastaje jedan NADPH, pri dekarboksilaciji u piruvat. Dakle, kada se malat oksidiše

nastaje po jedan NADPH za svaki acetil-CoA. Prevođenje 8 molekula acetil-CoA u jedan

palmitat tada je udružen sa produkcijom 8 NADPH. Pošto je potrebno još 6 NADPH oni će da

se koriste iz pentozofosfatnog puta.

Za biosintezu masnih kiselina potrebno je da se, pored acetil-CoA, obezbijedi i malonil-

CoA. Acetil-CoA se karboksiliše u malonil-CoA, djelovanjem enzima acetil-CoA

karboksilaze, uz utrošak molekule ATP-a i bikarbonata (izvor bikarbonata je CO2) i prisustvo

Mg2+

jona. Ovom reakcijom karboksilacije aktiviše se C atom iz metil grupe acetil ostatka, što

kasnije služi za vezivanje još jednog acil ostatka i dobijanje međuproizvoda sa 4 C atoma

(butiril ostatka), a kasnije i ostalih međuproizvoda tokom sinteze palmitinske kiseline.

Koenzim enzima acetil-CoA karboksilaze je biotin, koji se vezuje za proteinski dio

enzima i predstavlja proteinski nosač karboksilne grupe. Nastajanje karboksi-biotin enzima je

Page 72: Jasminka Nikolic Biohemija

prolazno. Pošto se enzim acetil-CoA karboksilaza sastoji od 4 podjedinice, prva podjedinica

pokazuje aktivnost biotin karboksilaze i katalizuje prolaznu karboksilaciju druge podjedinice-

biotin proteinskog nosača u karboksi-biotin. Treća podjedinica ispoljava aktivnost

transkarboksilaze (prenos karboksilne grupe na supstrat), dok četvrta podjedinica služi za

vezivanje citrata, polimerizaciju i pokretanje aktivnosti ovog složenog enzima.

Citrati djeluju aktivirajuće na enzim acetil-CoA karboksilazu, dok acil-CoA masnih

kiselina sa većim brojem C atoma u molekulu djeluju inhibitorno.

Sinteza palmitinske kiseline se ostvaruje djelovanjem sintaznog sistema palmitinske

kiseline. To je multienzimski kompleks koga sačinjava 6 karakterističnih enzima i jedan

proteinski nosač acil ostatka (ACP-acyl carrier protein) u svakom od dva identična

polipeptidna lanca. Na svakom polipeptidnom lancu razlikuje se "glava" i "rep". Dva

peptidna lanca su postavljena antiparalelno, tako da "glava" jednog lanca sa "repom" drugog

lanca čini jednu funkcionalnu jedinicu za sintezu palmitinske kiseline. Proizlazi da jedan

ovakav makromolekul sintaznog sistema palmitinske kiseline raspolaže sa ukupno dva

funkcionalna centra, pa zahvaljujući tome može da istovremeno sintetiše dva molekula

palmitinske kiseline. Razdvajanje dva antiparalelna lanca dovodi do gubitka aktivnosti

multienzimskog sistema.

Multienzimski kompleks za sintezu palmitinske kiseline

Redoslijed enzima u svakom od dva antiparalelno postavljena lanca je: β-ketoacil-

ACP sintaza se nalazi na čelnoj poziciji sa slobodnom –SH (tio) grupom cisteina, potom

slijedi acetil-CoA-ACP transacetilaza i malonil-CoA-ACP transacetilaza, sa čime se završava

"glava" lanca. U "repnom" dijelu lanca se nalaze: enoil-ACP reduktaza, β-hidroksiacil-ACP

dehidrataza, pa β-ketoacil-ACP reduktaza, proteinski nosač acila (ACP) i palmitil tioesteraza.

Page 73: Jasminka Nikolic Biohemija

ACP raspolaže slobodnom –SH grupom 4'-fosfopanteteina. Pošto je pantetein ključni

sastojak CoA, proizilazi da završni, "repni" dio lanca ima ulogu upravo navedenog koenzima

(CoA-SH).

Sinteza palmitinske kiseline počinje reagovanjem acetil-CoA sa cisteinskom -SH

grupom β-ketoacil-ACP sintaze. Reakciju katalizuje acetil-CoA-ACP transacilaza. Malonil-

CoA reaguje sa susjednom –SH grupom panteteina proteinskog nosača ACP. Ovu reakciju

katalizuje malonil-CoA-ACP transacilaza. U ovoj fazi sinteze palmitinske kiseline acetil i

malonil su vezani za –SH grupe cisteina β-ketoacil-ACP sintaze. Dejstvom enzima β-ketoacil-

ACP sintaze (ili enzima kondenzovanja) kondenzuju se acetil i malonil ostaci, uz neminovnu

dekarboksilaciju malonil ostatka i gubitka CO2 u aceto-acetil (3-ketoacil ili β-ketoacil)

ostatak. Dakle,

kondenzovala su se dva acil

ostatka (acetil i malonil) u

aceto-acetil. Dejstvom β-

ketoacil-ACP sintaze

oslobađa se njegova

cisteinska-SH grupa, dok

susjedna –SH grupa

panteteina ACP nosi acil

ostatak od 4 C atoma

(aceto-acetil ostatak).

Cisteinska –SH grupa

enzima ostaje slobodna sve

dok se ne završi lanac

reakcija i dobije butiril

ostatak, kada ista biva

prebačena sa –SH grupe

panteteina na –SH grupu

cisteina.

Nastali aceto-acetil

ostatak se u slijedećoj

reakciji redukuje u β-

hidroksi (3-hidroksi) butiril

ostatak, uz učešće β-

ketoacil-ACP reduktaze,

koja kao koenzim posjeduje

NADPH. Ranije je

objašnjeno odakle se

obezbjeđuju ovi molekuli

redukovanog koenzima.

Sema 17. Biosinteza palmitinske kiseline

~

palmitat1423

-CH -(CH ) -COO

HSACP

palmitoil-tioesteraza 72H O

~palmitoil SACP1423 ~

O

CH -(CH ) - C SACP

reakcije 2-6se ponavljaju jo{ 6 puta

butiril ~ SACP223

O

CH -CH -CH-C ~ SACP

enoil-ACP reduktaza 6

+NADP

+NADPH + H

-trans-butenoil ~ SACP

-hidroksiacil-ACPdehidrataza

3 ~

OH

H

CH -C=C-C SACP

5

2H O

2

D-b-hidroksibutirat ~ SACPH

SACP~

OH O

CH - C-CH -C

-ketoacil-ACP reduktaza

+

+4

NADP

NADPH + H

~-ketoacil ACPsintaza

acetoacetil ~ SACP

3

~malonil SACP

2SACP~

-O

CH -C

COO

malonil-CoA-ACPtransacilaza HSCoA

2b

malonil SCoA

-

HSACP+SCoA~

O

2CH -C

COO

+ ~2 OO

SACP~CH -C -CH -C

HS E

2

CO

3

3

O

C S-E~CH-

2a

~H-S ACP

H-S-E

~aetil SACP3

~acetil SCoA

~ SACP

O

CH -C

acetil-SCoA-ACPtransacilaza

1

HSCoA

HSACP+~

O

3CH -C SCoA

3

v

Page 74: Jasminka Nikolic Biohemija

U daljem toku sinteze palmitinske kiseline nastali β-hidroksi (3-hidroksi) butiril

ostatak gubi molekul vode pod dejstvom enzima β-hidroksiacil-ACP dehidrataze i nastaje 2,3-

trans-butenoil-ACP (ili α,β-butenoil-ACP ili nezasićeni krotonil ostatak). U daljnjim

ponovljenim ciklusima sinteze nastajaće 2,3 nezasićeni acil ostaci (ili α,β-nezasićeni ostaci).

Dalje se krotonil ostatak redukuje dejstvom enoil-ACP reduktaze (koja kao i

prethodna reduktaza sadrži redukovani NADPH koenzim) u butiril-ACP. Konačno,

nastankom butiril ostatka, prvi krug reakcija sintaznog sistema palmitinske kiseline se

završava dejstvom enzima tioesteraze (deacilaze). Tioesteraza u hidrolitičkoj reakciji raskida

tioestarsku vezu butiril ostatka i –SH grupe panteteina ACP. Oslobođeni butiril ostatak prelazi

na funkcionalno blisku grupu cisteina β-ketoacil sintaze. Nastaje novi tio estar butirila i –SH

grupe cisteina β-ketoacil sintaze, reakciju katalizuje enzim transacilaza, dok susjedna –SH

grupa panteteina ACP ostaje privremeno slobodna. Za istu –SH grupu vezuje se novi malonil,

iz malonil-CoA uz učešće transacilaze. Tako je sinteza palmitinske kiseline ušla u drugi krug.

Reakcije se ponavljaju po tačno opisanom redoslijedu, još ukupno 6 puta, tako da se

bilans sinteze palmitinske kiseline može da predstavi na slijedeći način:

Pošto se za sintezu 7 molekula malonil-CoA utroši 7 ATP-a to je, naizgled, veliki

energetski utrošak, ali nastala palmitinska kiselina predstavlja visokoenergetsko jedinjenje

koje će svojim razlaganjem daleko da nadmaši energiju upotrijebljenu tokom sinteze.

ELONGACIJA MASNIH KISELINA

Sistem sintaze palmitinske kiseline nije u mogućnosti da sintetiše masne kiseline veće

dužine od 16 C atoma. Zahvaljujući mehanizmu elongacije omogućava se produženje lanca

do potrebne dužine 22 ili 24 C atoma, pa se dobijaju masne kiseline neophodne za sintezu

lipida nervnog sistema.

Elongacija može da se vrši u endoplazmatskom retikulumu, odnosno mikrozomima i u

mitohondrijama.

Glavni sistem elongacije je mikrozomalni sistem, a koristi se ne samo za elongaciju

palmitil ostataka, već i svih acil ostataka, počev od onih sa 10 C atoma. Mehanizam

elongacije u mikrozomima je sličan mehanizmu sinteze masnih kiselina, pri čemu se kao C2

jedinica koristi malonil-CoA, a kao davalac redukujućih ekvivalenata NADPH.

Elongacija masnih kiselina u mitohondrijama se razlikuje od one u mikrozomima. Za

elongaciju se koristi acetil-CoA, a kao redukujuće ekvivalente mogu da se koriste NADPH i

NADH. U ovoj vrsi elongacije malonil-CoA nema učešće, a polazni materijal za

mitohondrijski mehanizam elongacije je palmitinska kiselina. Ovaj sistem elongacije

funkcioniše suprotno procesu β-oksidacije, s tom razlikom što je enoil-CoA reduktaza, koja

učestvuje u posljednjoj reakciji elongacije NADPH-zavisni enzim, dok je acil-CoA

dehidrogenaza (prva reakcija β-oksidacije) FAD zavisna dehidrogenaza.

Elongacija masnih kiselina u mitohondrijama se odvija po principu kondenzovanja

palmitil i acetil-CoA, obzirom da je završna reakcija β-oksidacije povratna.

Page 75: Jasminka Nikolic Biohemija

Mitohondrijski sistem elongacije može da se primijeni kako na zasićene, tako i na

nezasićene masne kiseline.

FOSFOLIPIDI

Složene masti su heterogena grupa jedinjenja sa raznolikom funkcijom u ljudskom

organizmu. Prvenstveno su strukturne komponente i nemaju energetski značaj. U zavisnosti

od toga koja molekula sa lipidnom komponentom gradi složene molekule dobijaju se :

fosfolipidi, glikolipidi i lipoproteini.

GLICEROFOSFOLIPIDI

Fosfolipidi su komponente ćelijskih membrana, pa su otuda u značajnoj količini

prisutni u humanom organizmu. Fosfolipidi sadrže alkohol, masne kiseline, azotnu bazu i

fosfornu kiselinu. Prema vrsti alkohola koji ulazi u sastav (glicerol ili sfingizin), fosfolipidi se

dijele na glicerofosfolipide (fosfogliceridi) i sfingofosfolipide.

Struktura glicerofosfolipida

Glicerofosfolipidi se nazivaju i monoamino-monofosfatidima, jer je u njima odnos

azota i fosfora 1:1. Molekule fosfolipida su amfifilnog karaktera sa nepolarnim alifatičnim

"repom" i polarnom "glavom" fosforil-estra.

Najjednostavniji glicerofosfolipid je fosfatidna kiselina, gdje je na slobodnoj OH grupi

diacilglicerola vezana fosforna kiselina:

Page 76: Jasminka Nikolic Biohemija

Fosfatidna kiselina

Biosinteza fosfatidne kiseline moguća je na dva načina. Glicerol-3-fosfat može da

reaguje sa dvije molekule acil-CoA dajući fosfatidnu kiselinu. Međutim, u endoplazmatskom

retikulumu hepatocita i drugih ćelija sinteza fosfatidne kiseline počinje esterifikacijom –

CH2OH grupe dihidroksiacetonfosfata sa zasićenom masnom kiselinom. Zatim se keto grupa

redukuje u sekundarni alkohol, a nastala OH grupa se acilira uz pomoć drugog enzima, koji

kao donatore acilnih grupa prvenstveno uzima nezasićene masne kiseline, prethodno

aktivisane sa CoA. Na taj način nastaju fosfatidne kiseline koje na C1 imaju zasićen, a na C2

nezasićeni ostatak masne kiseline.

Najzastupljeniji glicerofosfatidi su: fosfatidil-holin (lecitin), fosfatidil-

etanolamin (kefalin) i fosfatidil-serin. U lecitinu je azotna baza holin, u kefalinu etanolamin, a

u fosfatidil-serinu aminokiselina serin. Masne kiseline koje se esterifikuju sa glicerolom u

položaju C1 najčešće su palmitinska ili stearinska, a u položaju C2 neka nezasićena kiselina. U

lecitinu najčešće je to oleinska, linolna ili linolenska, dok su u kefalinu prisutne

polinezasićene masne kiseline sa dužim lancima.

Značajan je i fosfatidil-inozitol, kiseli glicerofosfolipid koji u C1 pložaju ima

stearinsku kiselinu, a u C2 arahidonsku masnu kiselinu. Nalazi se u moždanom tkivu, jetri i

mišićima, a značajan je i za regulisanje koncentracije jonizovanog kalcijuma u ćelijama.

Fosfatidil-inozitol je davaoc arahidonske kiseline, prekursora za biosintezu prostaglandina,

tromboksana i leukotrijena.

Najveće količine lecitina se nalaze u membranama mitohondrija, a značajan je i kao

prekursor kardiolipina. Kardiolipin je izgrađen od dva molekula fosfatidne kiseline, vezanih

kovalentno preko molekule glicerola.

Plazmalogeni se razlikuju od ostalih glicerofosfolipida po tome što se umjesto masne

kiseline u položaju C1 nalazi aldehid masne kiseline. Od svih fosfolipida u srcu 59% otpada

na plazmalogene.

Pored najznačajnije uloge glicerofosfolipida, učešća u izgradnji ćelijskih membrana,

imaju i druge uloge. Oni su obavezna komponenta lipoproteina krvne plazme, kojima daju

hidrofilna svojstva. Neki od glocerofosfolipida aktiviraju enzime, naročito lokalizovane u

unutrašnjoj membrani mitohondrija. Kao i žučne kiseline, glicerofosfolipidi imaju ulogu u

solubilizaciji holesterola.

Nakon unošenja, putem hrane, fosfolipidi se vare u lumenu tankog crijeva pod

dejstvom fosfolipaza: A1, A2, B, C i D. Na šemi su pokazana mjesta djelovanja pojedinih

fosfolipaza. Fosfolipaza B hidrolizuje sukcesivno obje estarske veze na C1 i na C2.

Mjesta djelovanja fosfolipaza

2

CH O- P

O

CH O-

C

RC-

O

C-H- -

O

2

-R1

R-zasi}ena masnakiselina

R1 -nezasi}ena masnakiselina

fosfolipaza

D

C

fosfolipaza

3-2 2 3CH )CH -CH -N ( P O

2H C O

2fosfolipaza A

O

1fosfolipaza A

RCOH C

R - C O CH

2

O

Page 77: Jasminka Nikolic Biohemija

Djelovanjem fosfolipaza nastaju glicerol, masne kiseline, fosforna kiselina i azotna

baza, koji se zatim transportuju u enterocite.

Fosfolipaza A1 hidrolizuje acil ostatak u α položaju glicerola i nastaje lizolecitin, koga

ima u zmijskim otrovima, a ispoljava jako hemolitičko dejstvo.

Page 78: Jasminka Nikolic Biohemija

AMINOKISELINE

Aminokiseline su supstituisane organske kiseline, gdje je u radikalu organskih kiselina

vodonikov atom zamijenjen (supstituisan) amino grupom. Kada se, u biohemiji, govori o

aminokiselinama onda se misli na α-aminokiseline, a vrlo rijetke su β-aminokiseline, kao što

je β-alanin (koga ima u koenzimu A, dipeptidima karnozinu i anserinu). Sve prirodne

aminokiseline pripadaju L-seriji.

Aminokiseline su veoma značajne, predstavljaju osnovnu građu za više vrsta

biohemijski važnih jedinjenja, kao što su peptidi, proteini, enzimi i neki hormoni. Smatra se

da u struktururaynih tipovaprirodnih proteinaulayi oko 26 aminokiselina. Aminokiseline su,

radi lakšeg izučavanja, podijeljene u četiri grupe:

1. Aminokiseline sa nepolarnim radikalom

2. Aminokiseline sa polarnim grupama u radikalu

3. Kisele aminokiseline i

4. Bazne (heksuronske) aminokiseline

Aminokiseline sa nepolarnim radikalom

U ovu grupu aminokiselina spadaju:

22

Op{ta formula za D-aminokiselinuOp{ta

formula za L-aminokiselinu

COOH

C NH H

RR

HH N C

COOH

33 3

22

2H N C H

H

COOH

Glicin (Glycin-Gly) Alanin (Ala) Valin (Val)

COOH

H N C H

CH

CH

H N C H

COOH

CHCH

2

2

2 33

2

3

2

3

Prolin (Pro)Fenilalanin (Phe)Izoleucin (Ile)Leucin (Leu)

COOH

CHH N

CH

2

CH

H C CH

CH

H N CH

COOH

H C CH CH

CH

CHH N

COOH

N

H

COOH

Page 79: Jasminka Nikolic Biohemija

Aminokiseline sa polarnim grupama u radikalu

Kisele aminokiseline

Bazne (heksuronske) aminokiseline

Naziv heksuronske aminokiseline potiče otuda što sve imaju po šest

ugljenikovih atoma.

33 2

2

2

2

2

2

2

2CH OH

H N C H

COOH

Serin (Ser) Treonin (Thr) Cistein (Cys) Metionin (Met)

COOH

H N C H

CHOH

CH

COOH

H N C H

CH SH

CH

H N C H

COOH

CH S CH

2

2

2 2

22

2

2

2

2

2N

CH

H N CH

COOH

H

Triptofan (Trp) Tirozin (Tyr) Asparagin (Asp) Glutamin (Glu)

COOH

H N CH

CH

OH

CH

H N CH

COOH

CONH CONH

COOH

H N CH

CH

CH

Asparaginska kiselina Glutaminska kiselina (Asp) (Glu)

CH

CH

H N CH

COOH

COOHCOOH

COOH

H N CH

CH

2

2

2

2

2

Page 80: Jasminka Nikolic Biohemija

Kada su u pitanju prirodne aminokiseline onda se najčešće koriste trivijalna

imena.

Hemijska graĎa

Iz navedenih formula aminokiselina jasno se uočava da one sadrže najmanje dvije

funkcionalne grupe: karboksilnu, koja je nosilac kiselih odlika i dodatkom baza odupire se

promjeni pH sredine (disocijacijom) i amino grupu, koja je nosilac baznih odlika i dodatkom

kiselina odupire se promjeni pH sredine (protonizacijom azota). Prema tome, aminokiseline se

u kiseloj sredini ponašaju kao baze, dok se u baznoj sredini ponašaju kao kiseline, a za takva

jedinjenja kažemo da su amfoterna.

Formula (II) označava da je, pri nekoj pH vrijednosti, molekul aminokiseline

dvostruko naelektrisan, da je dipolaran, i poznat je kao zwitterion. Pri fiziološkim uslovima,

aminokiseline se ne nalaze u nedisosovanom obliku, već se nalaze u jednom od oblika I, II ili

III, što zavisi od pH sredine. Ona pH vrijednost pri kojoj se molekul aminokiseline nalazi u

obliku dipolarnog jona označava se kao izoelektrična tačka. Izoelektrične tačke imaju različite

vrijednosti, za različite aminokiseline. Vrijednost izoelektrične tačke može da se izračuna na

osnovu izraza:

gdje pK1 i pK2 predstavljaju negativne logaritme konstanti disocijacije karboksilne i

amino grupe. Iako u fiziološkim uslovima nema nedisosovanih molekula, aminokiseline pri

sintezi proteina, peptida i dr. učestvuju kao nedisosovane.

2

(CH ) 3

3

2

2

2 2

2

2

2 2H

COOH

H N CH

CH

N

N

NH

NH

C

NH(CH )

H N CH

COOH

CH NH

COOH

H N CH

Lizin (Lys) Arginin (Arg) Histidin (His)

IIIIII

233H N H

COO-

C

R

++H

+H N

+

COOH

C H

R

+-H

R

H N HC

-COO

+H+

-H+

IET=pK1+ pK2

2

Page 81: Jasminka Nikolic Biohemija

Fizičke osobine

Aminokiseline su čvrste, bezbojne supstance, visoke tačke topljenja i pri topljenju se

raspadaju, pa ova fizička konstanta ne može da se koristi za njihovu identifikaciju. Dobro se

rastvaraju u vodi, a prolin i oksiprolin pored dobre rastvorljivosti u vodi dobro se rastvaraju i

u etanolu. Sve su, izuzev glicina, optički aktivne i njihovi vodeni rastvori obrću ravan

polarizovane svjetlosti slabo u desno, ili pak slabo u lijevo.

Hemijska reaktivnost

Aminokiseline pokazuju sve reakcije koje su karakteristične za karboksilnu i za amino

grupu.

Karboksilne grupe aminokiselina mogu da se esterifikuju, pri čemu nastaju

odgovarajući estri, gubitkom CO2 iz aminokiselina nastaju odgovarajući amini, u reakciji sa

nekim acetilirajućim agensom nastaju N-acetil-aminokiseline, gubitkom amonijaka iz

aminokiselina nastaju keto kiseline, dok karbamino jedinjenja nastaju u reakciji između CO2 i

amino grupe aminokiseline. Aminokiseline, kao amfoterna jedinjenja, mogu da reaguju sa

kiselinama, ili bazama, pri čemu grade soli. Reakcijom između aminokiselina i amonijaka

nastaju amidi.

Navedene reakcije predmet su izučavanja organske hemije.

PEPTIDI

Po hemijskoj građi peptidi su amidi kiselina. Nastaju sjedinjavanjem

aminokiselina peptidnom vezom. Peptidna veza se ostvaruje kada karboksilna

grupa jedne aminokiseline reaguje sa aminogrupom druge aminokiseline.

Formiranje peptidne veze

N

O

C

Peptidna veza

H

Page 82: Jasminka Nikolic Biohemija

Dvije aminokiseline grade dipeptid, tri tripeptid, ako u peptidu ima manje od

deset aminokiselina radi se o oligopeptidu, a ako je međusobno povezano preko deset

aminokiselina onda je to polipeptid. U onim slučajevima gdje je povezano preko sto

aminokiselina dobijamo proteine. Imena peptida se grade tako, što se ime aminokiseline koja

je u stvaranju peptidne veze reagovala karboksilnom grupom završava nastavkom il, a ime

aminokiseline koja je reagovala amino grupom, a karboksilna grupa je ostala slobodna,

izgovara se nepromijenjeno, kao što se vidi u primjeru dipeptida glicil-valina. Dogovoreno je,

da se slobodna amino grupa piše na lijevom kraju niza, dok se slobodna karboksilna grupa

piše na desnom kraju peptidnog (proteinskog) niza. Veoma je važna sekvenca (redoslijed)

povezivanja aminokiselina, i između ostalog, sekvenca aminokiselina je odgovorna za

konformaciju, a samim tim i za fiziološke aktivnosti peptida, odnosno proteina. Sekvenca

aminokiselina u nekom molekulu, peptidnom, ili proteinskom nije slučajna, već je strogo

genetski kontrolisana. Zato, npr. dipeptidi glicil-alanin i alanil-glicin, iako imaju isti

kvalitativni sastav (izgrađeni su od istih aminokiselina) i isti kvantitativni sastav (imaju iste

količine glicina i alanina) nisu isti, već se mora naglasiti da se radi o dva sasvim različita

dipeptida, što je uslovljeno različitom sekvencom aminokiselina.

PRIRODNI PEPTIDI

Neki peptidi se sintetišu in vivo i ispoljavaju izvjesna fiziološka svojstva, pa su

takvi peptidi poznati kao prirodni peptidi. Spomenućemo neke od njih.

Glutation je tripeptid γ-glutamil-cisteinil-glicin. Lako se može povratno da oksidiše i

redukuje, pa je zbog toga uključen u mnoge redoks procese in vivo, kao što je redukcija Fe3+

u

methemoglobinu, do Fe2+

pri čemu nastaje hemoglobin. Interesantno je da je kod glutationa

reagovala γ-karboksilna grupa glutaminske kiseline, što je veoma rijedak slučaj.

Karnozin i anserin (N-metilkarnozin) po hemijskom sastavu su dipeptidi β-alanil-

histidin, odnosno β-alanil-N-metilhistidin. Značajno su zastupljeni u skeletnim mišićima

H N CH COO-+ H N CH COO

+ -

CH

+H N CH C

O

NH CH

CH

COO

Glicin Valin(Gly) (Val)Glicil-valin

+

3

3

3

3

3 22-

GlicinCisteinil-Glutamil

2

HOOC

NH

OCH

COOH

O

SH

Glutation - GSH

H

H

2

NN

Page 83: Jasminka Nikolic Biohemija

kičmenjaka, a u humanim mišićima se nalazi uglavnom karnozin, dok je anserin manje

zastupljen.

Navedeni dipeptidi pomažu puferovanje skeletnih mišića u toku anaerobne

kontrakcije, a eksperimenti in vitro ukazuju na njihov značaj u aktivaciji ATP-aze miozina.

.

Antibiotici su jedinjenja koja sadrže aminokiseline, kojih nema u proteinima i

peptidima. Neuobičajeno povezane aminokiseline, mikroorganizmi ne mogu da metabolišu,

što ima za posljedicu otežan razvoj mikroorganizama, odnosno izostaje rast i razvoj

mikroorganizama u prisustvu antibiotika. Penicilin, koga luče gljivice Penicillium notatum,

sastavljen je iz aminokiselina Val i Cys. Cistein (Cys) je N-acilovan, acil radikali mogu biti

različiti, pa na osnovu toga do danas je sintetizovano više vrsta penicilinskih preparata.

Penicilin je otkrio Fleming 1928. godine.

KATABOLIZAM AMINOKISELINA

Katabolički put aminokiselina se odvija kroz tri različita procesa, a to su:

1. Transaminacija;

2. Oksidativna dezaminacija;

3. Ciklus sinteze uree.

Transaminacija

Pod transaminacijom se podrazumijeva proces prenosa α-amino grupe (-NH2)

sa aminokiseline donora, na α- ugljenikov atom odgovarajuće α-keto kiseline, koja ima ulogu

(-alanil-N-metilhistidin)

NH

N

N

H

COOH

O

H N+

CH CH

+H N

O

COOH

H

N

N

N

CH

Karnozin

(-alanil-histidin)Anserin

3

2

3

3

2

2

Penicilin

H CAko je R=

onda je to benzilpenicilin

R= je promjenljivo

CisteinValin

HOOC

H

OO

R

H C

H CS

3

3N

N

Page 84: Jasminka Nikolic Biohemija

akceptora iste amino grupe. Dakle, od polazne aminokiseline nastaje keto kiselina, dok keto

kiselina postaje amino kiselina. Ovaj reverzibilni proces je katalizovan enzimima

aminotransferazama (ranije nazivanim transaminaze).

Najčešći akceptor amino grupe je α-ketoglutarat. Tako se sakupljaju amino

grupe mnogih aminokiselina u obliku L-glutamata, koji može da posluži kao donor amino

grupa za biosintezu aminokiselina, ili za puteve eliminacije azotnih jedinjenja.

Ćelije sadrže brojne aminotransferaze, koje su dobile ime prema supstratu na

koji djeluju (npr. aspartat aminotransferaza, alanin aminotransferaza, vidi poglavlje XII).

Transaminacija amino grupe sa asparaginske kiseline

na α-ketoglutarnu kiselinu

Transaminacija amino grupe sa alanina na α-ketoglutarnu kiselinu

Sve aminotransferaze imaju istu prostetičnu grupu, kao i mehanizam djelovanja.

Prostetična grupa je piridoksal-5-fosfat (PLP), koenzimski oblik vitamina B6. PLP se javlja u

tautomernim oblicima, što je prikazano formulama:

Tautomerni oblici piridoksal-5-fosfata

PLP, u aktivnom centru aminotransferaza, funkcioniše kao intermedijarni

nosač amino grupa. U početnoj fazi, amino grupa reagujuće aminokiseline se vezuje sa

aldehidnom grupom PLP, stvarajući intermedijarno jedinjenje aldimin ( naziv aldimin

označava da je kompleks dobijen reagovanjem aldehidne grupe jednog i amino grupe drugog

Glutaminska kiselina (Glu)

+H N

3

2CH

-COO

CH

-COO

CH2

+

Oksalsir}etna kiselina

O

COO-

C

COO-

CH2

O

AST

-ketoglutarna kiselina

2CH

COO-

C

COO-

CH2+

Asparaginska kiselina (Asp)

2CH

-COO

3H N CH

-COO

+

COO-

CHH N

CH

3

3

+

Alanin (Ala)

+

COO-

CH

CH

2

2

C O

COO-

ALT

+

3

3

CH

H N

C

-COO

O +

-COO

CH

2

2

CH

CH

-COO

-ketoglutarna kiselina

Pirogro`|ana kiselina

Glutaminska kiselina (Glu)

N

CH O-P-O

O

O-

HO

H C3

2

C

O

H

-

H

O

C

2

3H C

-O

O

CH O-P-O

N

O

H

-

+

-

Page 85: Jasminka Nikolic Biohemija

jedinjenja). Tautomerizacijom nastaje ketimin (reagovanjem keto grupe jedne i amino grupe

druge supstance).

Aldimin i ketimin imaju strukturne odlike Schiff-ove baze ( ─C═N─). Ketimin

se u hidrolitičkoj reakciji lako razlaže na odgovarajuću keto kiselinu i piridoksamin-5-fosfat-

enzim, koji uz odgovarajuću keto kiselinu (akceptor amino grupe) prelazi ponovo u ketimin, a

zatim nastaje aldimin, iz koga se oslobađa nova aminokiselina, pri čemu se regeneriše PLP.

Oksidativna dezaminacija

Pored α-ketoglutarne kiseline, česti akceptori amino grupa, pri procesu transaminacije,

su pirogrožđana i oksalsirćetna kiselina, pri čemu one prelaze u alanin i asparaginsku kiselinu.

Iz alanina i asparaginske kiseline, novim premještanjem amino grupa, može da nastane

glutaminska kiselina, iz koje će procesom oksidativne dezaminacije biti oslobođen amonijak i

uključen u ciklus sinteze uree. Na ovaj način, u jetri i bubrezima, sprečava se nagomilavanje

molekula glutaminske kiseline. Pored toga, amonijum jon u bubrezima ima značajnu

fiziološku ulogu u održavanju acido-bazne ravnoteže.

Oksidativna dezaminacija se odigrava postepeno, prvo nastaje imino oblik

glutaminske kiseline, a dobijena α-iminoglutarna kiselina reaguje sa molekulom vode i u

hidrolitičkoj reakciji nastaje oslobađanje amonijaka i α-ketoglutarne kiseline.

SINTEZA UREE

Amonijak se eliminiše iz organizma u vidu različitih terminalnih proizvoda,

tako kod amoniotelnih organizama (pijavice, riječni rakovi) izlučuje se u vidu amonijaka, ili

amonijumovih soli, kod urikoteličnih organizama (ptice) u obliku mokraćne kiseline, dok

ureotelični organizmi (sisari) izlučuju ureu.

Urea je netoksično jedinjenje, dobro rastvorljivo, tako da se lako eliminiše

putem urina. Do 90% izlučenog neproteinskog azota u urinu čini urea.

Biosinteza uree odvija se u jetri, tokom 5 povezanih enzimski-katalizovanih

reakcija. Krebs i Henseleit su 1932. godine razjasnili ovaj proces, koji se njima u čast i

označava kao Krebs-Henseleit-ov ornitinski ciklus sinteze uree.

Tokom ovog ciklusa urea se sintetiše iz 2 molekula amonijaka i jednog molekula

ugljendioksida. Dvije molekule amonijaka nastaju tokom katabolizma dvije aminokiseline:

glutaminske i asparaginske. Prvi molekul amonijaka nastaje oksidativnom dezaminacijom

-

H N3

R

CH

COO-E.

...FMN E FMNH2E FAD E FADH2

O2H O2 2

katalaza

H O 2

+CH

R

HN

COO-

H O2

COO

NH

R

CHO +3

aminokiselina iminokiselina ketokiselina

Page 86: Jasminka Nikolic Biohemija

glutaminske kiseline, katalitičkim dejstvom glutamat dehidrogenaze, pri čemu nastaje

amonijak i α-ketoglutarna kiselina. Proces se odvija u mitohondrijama hepatocita. Dobijeni

amonijak se koristi u prvoj reakciji ciklusa uree, sintezi karbamoil-fosfata. Za reakciju je

potrebno prisustvo 2 molekula ATP, uz dejstvo enzima karbamoil-fosfat sintetaze I (CPS-I).

Jedna molekula ATP-a se koristi za sintezu amidne veze između amonijaka i ugljendioksida, a

druga za vezu anhidrida fosforne kiseline i ugljendioksida. Tako istovremeno nastaju dvije

kovalentne veze u molekulu karbamoil-fosfata. Za reakciju je neophodno prisustvo Mg2+

i N-

acetil-glutaminske kiseline, koja djeluje kao alosterički aktivator enzima CPS-I. Reakcija je

ireverzibilna i ujedno limitirajuća za proces sinteze uree.

Nastali karbamoil-fosfat, u drugoj reakciji, reaguje sa ornitinom, uz katalitičko dejstvo

enzima ornitin transkarbamoilaze (OTC), gradeći citrulin. Ova reakcija je lokalizovana u

mitohondrijama, tako da ornitin mora da pređe iz citosola u mitohondrije, što je obezbijeđeno

specifičnim transportnim sistemom. Nastali citrulin prelazi u citosol, gdje se nastavlja

biosinteza uree.

Citrulin reaguje sa asparaginskom kiselinom, koja je izvor drugog atoma azota i

nastaje arginin-ćilibarna kiselina. Ovu povratnu reakciju katalizuje arginin-sukcinat sintetaza,

uz utrošak jedne molekule ATP-a. Uz AMP oslobađa se pirofosforna kiselina, koja se razlaže

pirofosforilazom, što obezbjeđuje odvijanje ove reakcije ka arginin-ćilibarnoj kiselini.

Ciklus Uree

arginino- -sukcinat liaza

sintetaza

arginino- -sukcinat

OTC

CSP-I2ATP + HO-C-O

O

NH3

+-

bikarbonat

H N2

-C- PO32-

O

O-

2ADP + Pi

NH

3(CH )

2

CH

COO -

+

3H N

ornitin

C

NH2

CH

3+

COO-

O

2(CH )

NH

H N3

karbamoil-fosfat

1

2

citrulin

ATP

AMP + 2Pi

COO

-

CH H N

CH2

COOaspartat

NH

(CH ) 2

-COO

CH

C

3

3H N

+

H NN-CH

COO-

CH2

COO-

arginino-sukcinat

3

2

4

COO

-

C

-

COOH

H

C

fumarat

H N

2

C

H N

H C

COO-

NH

C H

C H

2

2

2

C H3

+

NH

arginin

H O2

CO

NH

NH

2

2

urea5

+

3

-

2

Page 87: Jasminka Nikolic Biohemija

U narednoj reakciji ciklusa razlaže se arginin-ćilibarna kiselina, katalitičkim

dejstvom arginin-sukcinat liaze, pri čemu se oslobađa arginin i fumarna kiselina. Dok

fumarna kiselina odlazi u citratni ciklus, arginin se razlaže na molekulu uree i aminokiselinu

ornitin. Ova posljednja reakcija u ciklusu uree je katalizovana enzimom arginazom. Ornitin

ponovo odlazi u ciklus uree.

Arginazu, visokospecifični enzim, aktivišu joni Mn2+

i Mg2+

. Sinteza uree je povezana

sa ciklusom trikarbonskih kiselina preko fumarne kiseline i preko oksalsirćetne kiseline. To je

prikazano na slici 27.

KATABOLIZAM UGLJOVODONIČNOG SKELETAAMINOKISELINA

Nakon završenog procesa transaminacije nastaju bezazotni ostaci, koji su

metabolički iskoristivi, tj. imaju odgovarajuću energetsku vrijednost. Većina bezazotnih

ostataka dalje se, na različit način, uključuje u ciklus trikarbonskih kiselina. To se dešava

preko jednog od slijedećih intermedijera: piruvata, α-ketoglutarata, sukcinil-CoA, fumarata,

oksalacetata, acetil-CoA i acetoacetata.

Aminokiseline koje se razgrađuju u piruvat su: alanin, cistein i serin. Treonin i glicin

preko serina daju piruvat.

TREONIN

ACETALDEHID

GLICIN SERIN

CISTEIN ALANIN

PIRUVAT

Page 88: Jasminka Nikolic Biohemija

Metabolička razgradnja nekih aminokiselina

ARGININ

ORNITIN

GLUTAMIN

PROLIN HISTIDIN

GLUTAMINSKA KISELINA

α - KETOGLUTARAT

U sukcinil-CoA se razlažu metionin, valin i izoleucin.

METIONIN IZOLEUCIN VALIN

PROPINOL - CoA SUKCINIL - CoA PROPIONIL - CoA

Aminokiselina koja istovremeno daje i acetil-CoA i acetosirćetnu kiselinu je leucin.

Page 89: Jasminka Nikolic Biohemija

NUKLEINSKE KISELINE

PURINSKE I PIRIMIDINSKE BAZE

Purinske i pirimidinske baze se u ćelijama nalaze u sastavu nukleozida i nukleotida.

Otuda imaju znaĉajne uloge u biohemijskim procesima svih ćelija. Kao sastavni dijelovi nukleinskih

kiselina (DNA i RNA) neophodni su za ćelijski rast, diobu, sintezu proteina, kao i transfer

informacija u procesu rasta i diobe ćelija. Sastavni su dio koenzima (NAD, FAD, CoA, FMN i dr.)

makroenergetskih jedinjenja (ATP, CTP, UTP, GTP). Medijatori su djelovanja mnogih hormona,

faktora rasta i citokina (cAMP i cGMP). Grade razliĉita intermedijarna jedinjenja u mnogim

biosintetskim reakcijama (UDP-glukoza).

Glavne purinske baze su adenin i guanin, a hipoksantin i ksantin se javljaju kao

metaboliĉki intermedijeri. Citozin, timin i uracil su glavne pirimidinske baze. Nukleozidi su

jedinjenja purinskih i pirimidinskih baza sa ribozom, ili 2-dezoksiribozom, koja se vezuje za azot u

položaju 3 pirimidinskih, a azot u položaju 9 purinskih baza, glikozidnom vezom.

,

,

,

,

,

5

4

32

1

N

N

N

N

NH2

H

1

2

3

4

56 7

8

9

H

Adenin (Ade) Guanin (Gua)

Purinske baze

O

N

N

N

N

H

H

Hipoksntin (Hyp)

2NH

N

N

N

N O

HH

H

H

OH OH

CH OH2

Purinski nukleozidi

O

N

N

N

NNH2

2NH

N

N

N

N

O

O

H

OH

CH OH2

HH

H

OH

HN

N

N

N

O

O

HHH H

CH OH2

Adenozin (A)

OH OH

Guanozin (G) Inozin (I)

H

H

Page 90: Jasminka Nikolic Biohemija

2

DEZOKSIRIBONUKLEINSKA KISELINA

Molekula dezoksiribonukleinske kiseline (DNK, DNA) se sastoji iz dvostrukog lanca,

a u svakom lancu je veliki broj dezoksiribonukleotida, vezanih stabilnim kovalentnim vezama. Svaki

nukleotid sadrži nukleozid i molekulu fosforne kiseline, a svaki nukleozid jednu molekulu

dezoksiriboze i jednu purinsku, ili pirimidinsku bazu. Fosforna kiselina je estarski vezana za

hidroksilnu grupu na C5 molekule dezoksiriboze, a purinska, ili pirimidinska baza su vezane za

dezoksiribozu preko njene hidroksilne grupe na C1.

U sastav dezoksiribonukleotida ulaze purinske baze adenin i guanin, a od pirimidinskih baza

citozin i timin, tako da monomerne jedinice DNA molekule predstavljaju slijedeći

dezoksiribonukleotidi: dezoksiadenozin monofosfat (dAMP), dezoksiguanozin monofosfat (dGMP),

dezoksicitidin monofosfat (dCMF) i dezoksitimidin monofosfat (dTMP).

Iz formula na slici se vidi da ribozil ostatak ima jednu slobodnu hidroksilnu grupu na C3.

Fosforna kiselina je trobazna, tako da su dvije –OH grupe slobodne, pa će jedna od njih da bude

iskorištena za uspostavljanje estarske veze sa susjednom molekulom dezoksiribonukleotida preko

njegove –OH grupe na C3 riboze. Dakle, niz dezoksiribonukleotida su meĊusobno povezani

fosfodiestarskim 5', 3' vezama. Osnovni niz svakog DNA lanca ĉine rezidui dezoksiriboze i fosforne

kiseline, a purinske i pirimidinske baze su postavljene boĉno, tako da u dvostrukom lancu molekule

DNA baze dolaze u neposrednu blizinu i izmeĊu njih se uspostavljaju kovalentne vodoniĉne veze.

Jedan adenin je uvijek spojen sa timinom i to sa dvije vodoniĉne veze, a guanin sa tri vodoniĉne

veze sa citozinom. Uspostavljanje vodoniĉnih veza znaĉajno doprinosi stabilizaciji dvostrukog

heliksa DNK; meĊutim, postoje i hidrofobne veze izmeĊu purinskih i pirimidinskih baza.

N

N

N

N

N

N

6

5

4

32

1

pirimidinski nukleozidi

Timidin (T)Uridin (U)Citidin (C)

OH OH OH OH OHOH

HH H

HHH H

HH

H H

H

OOO

Timin (Thy)(5-metiluracil)

Uracil (Ura)Citozin (Cyt)

O

H

O N

H

O

H

O

O

H

O

O

H

ON

H

O

NH2

H

N

N

2NH

O

Pirimidinske baze

CH OH CH OHCH OH 222

N

N

Page 91: Jasminka Nikolic Biohemija

3

Dezoksiribonukleinska kiselina

Raspored baza u polinukleotidnom lancu DNA nosi genetsku informaciju, koja ima

dvostruku ulogu. Ona je izvor informacija za sintezu svih proteina u ćeliji i istovremeno obezbjeĊuje

informaciju koju nasljeĊuju ćelije-kćerke, ili potomstvo.

Model strukture DNA dali su Watson i Crick. DNA se sastoji iz dva antiparalelna spiralna

polinukleotidna lanca izuvijana oko zajedniĉke ose. Konstatacija da su dva lanca postavljena

antiparalelno oznaĉava da u jednom lancu postoji 5',3' a u drugom 3',5'–fosfodiestarska veza izmeĊu

njihovih dezoksiribonukleotida. Zato se i govori o 5',3' odnosno 3',5'- DNA nizu.

Znaĉajan doprinos objašnjenju strukture molekule DNA dao je 1950. godine Chargaff

sa saradnicima. Oni su uspostavili pravila: nukleotidni sastav DNA razliĉitih jedinki je razliĉit; DNA

izolovana iz razliĉitih organa jednog organizma ima isti sastav nukleotida, koji se ne mijenja sa

starenjem, ishranom, ili promjenom uslova spoljašnje sredine; koliĉina purinskih baza jednaka je

koliĉini pirimidinskih baza (A+G=T+C); broj molekula timina jednak je broju molekula adenina,

Page 92: Jasminka Nikolic Biohemija

4

dok je broj molekula guanina jednak broju molekula citozina; odnos izmeĊu komplementarnih baza

A-T/G-C nikad nije jednak jedinici, već je specifiĉan, kod sisara i ĉovjeka je veći od jedan.

Od ukupne koliĉine DNA manje od 0,3% je u mitohondrijama, a sav preostali dio se

nalazi u jedru, kao hromozomalna DNA. Postoje podaci po kojima, kada bi se razmotala molekula

hromozomalne DNA, imala bi dužinu oko 2 metra, što bi odgovaralo 5,5x109 parova purinskih i

pirimidinskih baza. Na veliĉinu RMM DNA znaĉajno utiĉu i mnogobrojni molekuli alkalnih

proteina histona, koji se nalaze duž DNA u mnogobrojnim prostorima izmeĊu dvostrukog heliksa.

Zahvaljujući velikom broju rezidua fosforne kiseline, molekul DNA ispoljava osobine

jake kiseline. Veliki broj disosovanih –OH grupa fosforne kiseline omogućava vezivanje katjona,

naroĉito Mg2+

i Ca2+

, kao i nekih polikatjonskih amina tipa spermina i spermidina.

Hromozomalna DNA predstavlja skup genetskih informacija, koje su u molekuli

zastupljene u obliku kodova. Genetski kod nastaje kombinacijom 4 dezoksiribonukleotida (dAMP,

dGMP, dCMP i dTMP). Tri dezoksi-ribonukleotida daju jedan kod za jednu aminokiselinu, dok

ĉetiri dezoksiribonukleotida mogu da daju 43=64 razliĉita tripleta dezoksiribonukleotida, pri ĉemu

svaki triplet predstavlja šifru za jednu aminokiselinu. Dakle, molekula DNA sadrži niz šifrovanih

zapisa za svaki protein, koji se u nekoj ćeliji sintetiše.

RIBONUKLEINSKE KISELINE

Ribonukleinske kiseline (RNK, RNA) su polinukleotidni molekuli. U sastav RNA

ulaze ribonukleotidi, koji se sastoje iz jednog molekula ribonukleozida i fosforne kiseline, a svaki

ribonukleozid ĉine riboza i jedna purinska, ili pirimidinska baza. Ribonukleozidi se razlikuju od

dezoksiribonukleozida po tome što umjesto timina sadrže uracil. Ribonukleotidi AMP, GMP, CMP i

UMP povezani 5',3'–fosfodiestarkom vezom predstavljaju jednostruki polinukleotidni lanac RNA.

Broj nukleotida u RNA je znaĉajno manji u odnosu na DNA i iznosi od 75 do nekoliko hiljada.

Lanac RNA može da se savije kao petlja, ukosnica, vezivanjem komplementarnih

baza, tako da u nekim dijelovima molekuli RNA dobijaju dvolanĉanu strukturu. U tim dijelovima

adenin se spaja sa uracilom, a guanin sa citozinom. Sadržaj citozina u RNA ne mora da bude jednak

sadržaju guanina, niti sadržaj adenina sadržaju uracila.

Ćelijska lokalizacija RNA je drugaĉija od DNA. Tako se najveći dio RNA, oko 50%,

nalazi u ribozomima, oko 24% u citosolu, 15% u mitohondrijama, a preostali dio oko 11% u jedru.

Postoje tri vrste RNA: informaciona, transportna i ribozomalna.

Informaciona (messenger) RNA (iRNA, mRNA)

Informaciona RNA nastaje u jedru prilikom transkripcije (prepisa) genske informacije

iz hromozomalne DNA u jednostruki niz poliribonukleotida, koji je komplementaran 3',5' lancu

DNA, tako da mRNA ima 5',3' redoslijed svojih nukleotida.

Ideja o postojanju mRNA potiĉe od Francois Jacob-a i Jacques Monod-a iz 1961.

godine. Oni su utvrdili da je logiĉno, pošto se proteini sintetišu u citoplazmi, a informacija za tu

sintezu potiĉe od DNA iz jedra, da postoji informacioni meĊuproizvod u sintezi proteina. Tako je

roĊena ideja o mRNA, koja predstavlja vezu izmeĊu gena i proteina. U odnosu na druge vrste

molekula RNA, iRNA su veoma heterogene.

Page 93: Jasminka Nikolic Biohemija

5

Danas se smatra da su u nukleusu ćelija sisara neposredni proizvodi transkripcije gena

heterogene nuklearne RNA (hnRNA) koje su veće od 107 daltona. Molekuli hnRNA nastaju kao

prethodnoci mRNA molekula, ĉija je RMM oko 106 daltona.

Nastala mRNA prelazi iz jedra u citoplazmu i dolazi u ribozome, gdje služi kao

matrica u procesu sinteze (translacije) polipeptidnog lanca, u kome aminokiseline zauzimaju svoja

mjesta po taĉno utvrĊenom redoslijedu.

Dužina mRNA odgovara dužini polipeptidnog lanca, za ĉiju biosintezu nosi prepisanu

informaciju, iz odgovarajućeg strukturnog gena. Kako je svaka aminokiselina odreĊena tripletom

baza u lancu DNA, odnosno mRNA, za sintezu polipeptidnog lanca koji sadrži 100 aminokiselinskih

ostataka potrebna je mRNA koja sadrži najmanje 300 ribonukleotida.

mRNA ima i dodatni niz od 20-250 AMP nukleotida u obliku "repa" na 3'-

hidroksilnom kraju, dok je na 5'-terminalnom dijelu "kapica" u vidu 7-metil-guanozintrifosfata.

Izgleda da "rep" olakšava transport zrele mRNA iz nukleusa u citosol, povećava stabilnost molekule

i daje signal u ribosomima za broj translacionih ciklusa mRNA.

Transportne RNA (tRNA)

Transportne RNA se sastoje iz jednog polinukleotidnog lanca, koga ĉini oko 80

ribonukleotida, tako da je RMM oko 25000 daltona. Ukupni broj tRNA je oko 60, iako se mislilo da

ih je 20, tj. da je za transport jedne aminokiseline odgovorna jedna tRNA.

Objašnjenje postojanja više tRNA leži u saznanju da se pojedine aminokiseline

transportuju uz pomoć više tRNA. U molekuli tRNA nalaze se i neobiĉni (rijetki) nukleotidi:

pseudouridinmonofosfat i ribotimidinmonofosfat. Primarna struktura tRNA omogućava uvijanje i

sparivanje komplementarnih baza na pojedinim dijelovima jednolanĉanog tRNA, što rezultira

stvaranjem sekundarne strukture tRNA, koja liĉi na trolisnu djetelinu.

Grubi prikaz sekundarne strukture tRNA

DHU "list"

antikodon

antikodonski "list"

pomo}ni segment

C "list"T

akceptorsko stablo

3

pG,

5

C

C

A

,kraj

kraj

Page 94: Jasminka Nikolic Biohemija

6

Na 3' terminalnom dijelu, predjelu "peteljke djeteline", nalazi se trinukleotid citidin-

citidin-adenozinmonofosfat (C-C-A), koji omogućava vezivanje aktivisane aminokiseline. Ovaj

proces se ostvaruje nastajanjem estarske veze izmeĊu aminokiseline koja se transportuje i –OH

grupe na C3 terminalnom adenozinmonofosfatu. Za nastajanje ovakvog specifiĉnog kompleksa

potrebno je prisustvo enzima sintetaze aminoacil-tRNA. Smatra se da navedeni enzim prvo aktiviše

aminokiselinu, a tek potom katalizuje stvaranje kompleksa.

Na srednjem "listu" se nalazi specifiĉan trinukleotid za aminokiselinu koja se

transportuje, a oznaĉava se kao triplet antikodon. Antikodon prepoznaje triplet kod u mRNA na

ribozomima, tokom sinteze polipeptidnog lanca. Drugi "list" se oznaĉava kao DHU (dihidrouracil) i

omogućava prepoznavanje tRNA od strane sintetaze aminoacil-tRNA, dok je treći "list" TΨC

(timidin-pseudouridin-citidin) zadužen za vezivanje aminoacil-tRNA kompleksa na površini

ribozoma. Na šemi je vidljiv i jedan detalj, ĉetvrti "list", izmeĊu antikodona i TΨC "lista", koji nije

prisutan u svim tRNA.

Ribozomalne RNA (rRNK, rRNA)

Ribozom predstavlja citoplazmatsku nukleoproteinsku strukturu, koja služi za

biosintezu proteina sa matrica iRNA. rRNA postoje u ĉetiri oblika, razliĉite veliĉine i

sedimentacione konstante, a oznaĉavaju se kao ribozomalne RNA. One nastaju obradom

(procesovanjem) primarnih prekursornih molekula (primarnih transkripta). Nastanak rRNA se odvija

uz uĉešće RNA polimeraze I i RNA polimeraze III, pri ĉemu nastaju dva primarna transkripta:

transkript 45S rRNA i 5S rRNA.

Pored ĉetiri razliĉita molekula rRNA, u subjedinicama ribozoma (ima ih dvije)

dokazano je prisustvo preko 100 specifiĉnih proteinskih molekula. U citoplazmi su ribozomi veoma

stabilni i sposobni za mnoge translacije.

REPLIKACIJA DNA

Replikacija je proces udvostruĉavanja DNA materijala u jedru ćelije, a dešava se u

ćelijama koje se pripremaju za diobu mitotiĉkim procesom. Na ovaj naĉin omogućeno je prenošenje

genetskih informacija sa ćelije-majke na ćelije-kćerke, sa visokim stepenom taĉnosti, u cilju

oĉuvanja genetskih sadržaja unutar organizma.

Replikacija DNA je veoma složen proces, koji zahtijeva prisustvo enzima DNA-zavisne

RNA polimeraze, DNA-polimeraze, DNA-ligaze, kao i tzv. proteina za rasplitanje dvostrukog DNA

lanca, dovoljno molekula dezoksiribonukleozid-trifosfata i ribonukleozid-trifosfata. Brzina

replikacije u ćelijama sisara je 50 nukleotida/sec.

Pošto je molekula DNA velikih dimenzija i uz to višestruko ispresavijana, suviše bi dugo

trajalo postepeno rasplitanje i razdvajanje, koje bi teklo postepeno od jednog, ili oba kraja. Duž

dvostrukog DNA lanca postoje brojna tzv. inicirajuća mjesta, gdje se proces pokreće, djelovanjem

proteina za rasplitanje. Na mjestima raskidanja veza izmeĊu purinskih i pirimidinskih baza dolazi do

razmicanja dva antiparalelna DNA lanca. Mjesto ovakvog dešavanja ima izgled zadebljanja, ili ĉvora

(mjehura). U replikacionom ĉvoru oba lanca DNA služe kao kalupi za proces replikacije

komplementarnih lanaca DNA ćelije kćerke.

Page 95: Jasminka Nikolic Biohemija

7

Nakon vezivanja proteina za rasplitanje djeluje specifiĉni enzim DNA-zavisna RNA

polimeraza, koji iz ribonukleozid-trifosfata sintetiše jedan kraći RNA-fragment, sastavljen od 10-tak

nukleozida. Ĉim se sintetišu i privremeno vežu RNA-fragmenti otpoĉinje sinteza DNA-segmenta

(Okazaki-segmenta) dejstvom enzima DNA-polimeraze. Okazaki-segmenti se sastoje iz 150-250

dezoksiribonukleotida i vezuju se antiparalelno na osnovni DNA lanac. Kratki RNA-fragmenti služe

samo za iniciranje sinteze Okazaki-segmenata, nakon ĉega se uklanjaju. Okazaki-segmenti se

meĊusobno povezuju djelovanjem DNA-ligaze, a novosintetisani DNA lanac je komplementaran i

antiparalelan u odnosu na osnovni DNA lanac. Svi navedeni procesi se istovremeno odvijaju na više

mjesta u DNA molekuli i zato veoma brzo nastaju dva dvostruka lanca.

DNA lanac sa 3',5'-fosfodiestarskom vezom postaje model za dobijanje novosintetisanog

DNA niza sa 5',3'-fosfodiestarskom vezom i obrnuto drugi osnovni lanac sa 5',3'-fosfodiestarskom

vezom postaje model za sintezu novog antiparalelnog lanca sa 3',5'-fosfodiestarskom vezom. Pošto

nastaju ukupno 4 DNA lanca (2 stara i 2 nova), dvije ćelije-kćerke će imati isti hromozomski DNA

materijal, kao i ćelija-majka.

TRANSKRIPCIJA

Transkripcija je prepisivanje genetskih informacija sa hromozomalne DNA, što je

neophodno za sintezu više specijalizovanih oblika RNA. Za transkripciju je neophodno prisustvo

enzima DNA-zavisne RNA polimeraze, koji omogućava nastajanje parova izmeĊu purinskih i

pirimidinskih baza ĉetiri nukleotida (AMP, GMP, CMP i UMP) i komplementarnih baza osnovnog

DNA lanca sa 3',5'-fosfodiestarskom vezom. Nastala RNA je komplementarna sa onim segmentom

hromozomalne DNA prema kojoj se vrši sinteza.

U toku transkripcije prepisuje se samo dio informacija sadržanih duž jednog DNA

lanca, potrebnih za sintezu onog proteina koji se u tom trenutku sintetiše. Lanac DNA koji nosi

sekvencu koja se prepisuje u molekul RNA naziva se matiĉni (templatni) lanac DNA. Smjer sinteze

RNA je 5'→3', tj. lanac RNA raste u istom smjeru kao i lanac DNA pri replikaciji.

Transkripcija poĉinje na odreĊenim mjestima templatnog lanca DNA, koja su

oznaĉena kao promotori, koje prepoznaje RNA polimeraza.

U toku biosinteze RNA lanca nastaje tzv. privremeni hibrid DNA-RNA, koji je male

stabilnosti, pa se RNA lako odvaja od svog modela u trenutku okonĉanja sinteze. Nakon toga slijede

post-transkripciona dotjerivanja nastalih specijalizovanih RNA molekula (mRNA, iRNA i rRNA).

SINTEZA PROTEINA

Sinteza proteina je veoma složen proces, koji zahtijeva prisustvo velikog broja enzima

i specifiĉnih makromolekula. Uprkos tome, proces se odvija velikom brzinom, tako da ribozom

sisara može, za samo 2 minuta, da izvrši translaciju 200 kodona mRNA u odgovarajući polipeptidni

lanac. Sinteza proteina oznaĉava se terminom translacija (prevoĊenje). Prevodi se genetska

informacija sadržana u hromozomalnoj DNA u obliku odgovarajućih triplet nukleotidnih šifara,

koje se prepisuju i prenose uz pomoć ribozomalne mRNA u ribozome. Translacija se sastoji iz ĉetiri

faze: aktivacije aminokiselina, inicijacije peptidnog lanca, elongacije (produžavanja) peptidnog

lanca i završetka sinteze.

Page 96: Jasminka Nikolic Biohemija

8

Aktivacija aminokiselina

Svaka aminokiselina koja se ugraĊuje u odreĊeni peptidni lanac mora da bude

prethodno aktivisana. Proces se odvija u citosolu ćelije i zahtijeva prisustvo: aminokiselina,

odgovarajućih tRNA, enzima sintetaza aminoacil-tRNA, odgovarajućeg broja ATP molekula i

katjona Mg2+

.

Aminoacil-tRNA sintetaze su visoko selektivne molekule. Sa jedne strane one

prepoznaju aminokiselinu koju aktivišu, a sa druge strane odabiru akceptor-odgovarajuću tRNA.

Ovakve osobine enzimske molekule moguće su zahvaljujući postojanju tri aktivna mjesta za

vezivanje: aminokiseline, tRNA i ATP. Dok tRNA može da bude više za istu aminokiselinu, enzim

sintetaza specifiĉna je samo za jednu aminokiselinu.

Aktivacija aminokiselina se odvija u dvije etape. Prvo se razgraĊuje ATP na adenilnu

kiselinu i pirofosfat, a zatim adenilna kiselina reaguje sa aminokiselinom i gradi intermedijarno

jedinjenje aminoacil-adenilnu kiselinu. Aminoacil-adenilna kiselina je anhidrid nastao gubitkom

molekula vode, nastale iz –OH grupe karboksilne grupe aminokiseline i –OH grupe fosforne kiseline

adenilne kiseline. Na taj naĉin je aktivisana karboksilna grupa aminokiselina. Aminoacil-AMP

(aktivisana aminokiselina) zatim se prenosi na odgovarajuću tRNA, uz katalitiĉko dejstvo

odgovarajuće sintetaze, pri ĉemu se izdvaja AMP. Kompleks aminoacil-tRNA nastaje obrazovanjem

estarske veze izmeĊu aktivisane karboksilne grupe aminokiseline i slobodne hidroksilne grupe na C3

ili C2 riboze adenilne kiseline (AMP), koja se nalazi u sastavu trinukleotida C-C-A na 3'-

terminalnom dijelu tRNA.

aminoacil-t-RNA sintetaza

ATP + aminokiselina aminoacil-AMP + PPi

aminoacil-t-RNA sintetaza

aminoacil-AMP + tRNA aminoacil-tRNA + AMP

Neorganski pirofosfat se hidrolizuje dejstvom pirofosfataze do ortofosfata, što

pokreće sintezu aminoacil-tRNA. Reakcija je egzergoniĉna. Nastali kompleks aminoacil-tRNA

oslobaĊa se enzima sintetaze aminoacil-tRNA, odlazi u citoplazmu, gdje će se u ribozomima da

ukljuĉi u biosintezu peptidnog lanca.

Inicijacija peptidnog lanca

Inicijacija peptidnog lanca lokalizovana je u ribozomima, a za proces je neophodno

prisustvo: prvog aminoacil-tRNA kompleksa (to je po pravilu Met-tRNA), mRNA sa odgovarajućim

kodom za ovu aminokiselinu (AUG), GTP, Mg2+

, inicirajući faktori IF1, IF2 i IF3, kao i teške i lake

subjedinice ribozoma, 60S i 40S.

Na poĉetku ove faze ribozomi disociraju na dvije pomenute podjedinice, pri ĉemu

laka subjedinica (40S) obrazuje inicirajući kompleks sa mRNA i aminoacil-tRNA kompleksom. Svi

Page 97: Jasminka Nikolic Biohemija

9

proteini sintetisani u ribozomima poĉinju sa ostatkom metionina, koji se na ribozome donosi pomoću

specifiĉne metionil-tRNA. Ostatak aminokiseline metionina može kasnije da se ukloni iz

polipeptidnog lanca, dejstvom specifiĉne aminopeptidaze.

Inicirajući kompleks postepeno ostvaruje vezu sa inicirajućim faktorima. Laka 40S

subjedinica ribozoma, Met-tRNA i mRNA formiraju 40S inicijalni kompleks. Pojedini inicirajući

faktori imaju razliĉite uloge. IF3 omogućava vezivanje mRNA, a IF2 služi za vezivanje Met-tRNA i

fosfatnog jedinjenja GTP. Tako nastaje kompleks GTP-IF2-Met-tRNA, koji sa lakom jedinicom

ribozoma ĉini inicirajući kompleks. Zatim slijedi asocijacija sa teškom jedinicom 60S i oslobaĊanje

sva tri inicirajuća faktora i razlaganje GTP na GDP i ortofosfornu kiselinu. Formiranjem 80S

ribozoma završena je ova faza i može da startuje elongacija peptidnog lanca.

Elongacija peptidnog lanca

U sklopu funkcionalno aktivnog ribozoma (80S) laka sujedinica (40S) ima dva mjesta

za vezivanje aminoacil-tRNA. Jedno je P (peptidil) i drugo A (aminoacil). Inicirajuća Met-tRNA

može da se veže samo za mjesto P, a sve aminoacil-tRNA se vezuju za mjesto A. Faza elongacije

peptidnog lanca obuhvata tri procesa: vezivanje aminokiselinskog ostatka u obliku aminoacil-tRNA

kompleksa, stvaranje peptidne veze i translokaciju (pomjeranje ribozoma duž mRNA).

Elongacija poĉinje vezivanjem prve aminoacil-tRNA na prazno mjesto na ribozomu.

Koja će se aminoacil-tRNA da veže odreĊuje kodon mRNA, koji se nalazi u mjestu A. Aminoacil-

tRNA koja ulazi u ribozom stvara trojni kompleks sa faktorom elongacije 1(EF1) i GTP, pri ĉemu se

faktor elongacije vezuje za aminokiselinu iz aminoacil-tRNA kompleksa i GTP samo kada

odgovarajući antikodon doĊe u vezu sa prvim kodonom. Hidrolizom GTP na GDP i fosfat, uz

istovremeno otpuštanje faktora elongacije, nastaje prva peptidna veza izmeĊu esterifikovane

karboksilne grupe Met-tRNA, koji se nalazi na mjestu P i α-amino grupe aminoacil-tRNA na mjestu

A. Reakciju katalizuje peptidil transferaza, koja je integralni dio 80S subjedinice ribozoma. Nastaje

dipeptidil-tRNA, koji je privremeno vezan za mjesto A, a na mjestu P se nalazi slobodna tRNA iz

ranijeg kompleksa Met-tRNA.

U fazi translokacije, sa kojom se završava elongacija, omogućeno je pomjeranje

funkcionalnog ribozoma duž lanca mRNA, što omogućava prebacivanje dipeptidil-tRNA sa mjesta

A na mjesto P i u isto vrijeme vrši istiskivanje slobodne tRNA. Za ovaj složeni proces energiju

obezbjeĊuje GTP uz uĉešće elongirajućeg faktora 2 (EF2). Upražnjeno mjesto A brzo može da se

popuni sa novim aminoacil-tRNA kompleksom. Tako su stvoreni uslovi za formiranje naredne

peptidne veze i nastajanje tripeptidil-tRNA. Sve navedene faze se ponavljaju do nastanka

odgovarajućeg peptidnog lanca.

Završetak sinteze peptidnog lanca

Kada se polipeptidni lanac elongacijom produžio do odreĊene dužine nastupa

završetak sinteze. To se ostvaruje putem ulaska jednog od tri besmislena kodona (UAA, UGA ili

UAG) u mjesto A. To bi odgovaralo šifri stop, ali pošto ne postoji tRNA koja bi svojim

antikodonom prepoznala stop signale, ovdje se ukljuĉuju proteini, tzv. faktori oslobaĊanja (RF). Oni

prepoznaju besmislene kodone, nakon ĉega slijedi hidrolitiĉko odvajanje polipeptida od zadnje

tRNA. tRNA se istiska iz mjesta P, a ribozom sa svojim podjedinicama je sposoban da ponovo uĊe u

ciklus sinteze novog polipeptidnog lanca.

Page 98: Jasminka Nikolic Biohemija

10

Efikasnost sinteze peptidnih lanaca postiže se zahvaljujući postojanju poliribozoma tj.

više desetina, ili ĉak stotina ribozoma duž jednog lanca mRNA.

U energetskom smislu sinteza proteina ima veliku "cijenu". Za svaku ugraĊenu

aminokiselinu potrebno je da se utroši ĉetiri molekula fosfatnih jedinjenja bogatih energijom (ATP i

GTP).

Page 99: Jasminka Nikolic Biohemija

ISPITNA PITANJA IZ BIOHEMIJE (za studente Poljoprivrednog fakulteta koji polažu biohemiju

počevši od juna 2007. godine)

1. Struktura enzima

2. Aktivni centar enzima

3. Specifičnost enzima

4. Enzimi kao katalizatori (kinetika enzimskih reakcija)

5. Uticaj temperature i pH na brzinu enzimski katalizovanih reakcija

6. Uticaj koncentracije enzima i koncentracije supstrata na brzinu enzimski katalizovanih

reakcija

7. Grafičko određivanje Km

8. Nomenklatura i klasifikacija enzima

9. Jedinice za izražavanje aktivnosti enzima

10. Koenzimi

11. Vitamin B1

12. Vitamin B2

13. Pantotenska kiselina

14. Vitamin B6

15. Vitami B12

16. Vitamin C

17. Vitamin A

18. Vitamin D

19. Vitamin E

20. Vitamin K

21. Vitamin F

22. Transport elektrona i oksidativna fosforilacija

23. Kompleksi respiratornog lanca (I-IV)

24. ATP-sintetaza

25. Izlazak sintetisanog ATP iz mitohondrija

26. Odnos P/O u respiratornom lancu

27. Ugljeni hidrati (struktura i podjela)

28. Skrob

29. Celuloza

30. Prva faza glikolize

31. Druga faza glikolize

32. Regulacija glikolize

33. Oksidativna dekarboksilacija piruvata

34. Sinteza oksalacetata

35. Reakcije ciklusa trikarbonskih kiselina

36. Regulacija ciklusa trikarbonskih kiselina

37. Energetski efekti oksidacije glukoze

38. Glikogenoliza

39. Pentozofosfatni put

40. Glukoneogeneza

41. Glikogeneza i regulacija glikogeneze

42. Fotosinteza

43. Masne kiseline

44. β-oksidacija masnih kiselina

45. Energetski bilans β-oksidacije masnih kiselina

46. Sporedni putevi oksidacije masnih kiselina

47. Biosinteza masnih kiselina

Page 100: Jasminka Nikolic Biohemija

48. Elongacija masnih kiselina

49. Glicerofosfolipidi

50. Struktura, podjela i osobine aminokiselina

51. Nastajanje peptida i prirodni peptidi

52. Transaminacija aminokiselina

53. Oksidativna dezaminacija aminokiselina

54. Sinteza uree

55. Katabolizam ugljovodoničnog skeleta aminokiselina

56. Purinske i pirimidinske baze

57. Dezoksiribonukleinska kiselina

58. Ribonukleinske kiseline

59. Replikacija DNA, transkripcija

60. Sinteza proteina

Banja Luka, 22. maj 2007. godine Prof. dr Jasminka Nikolić

Literatura:

Jasminka Nikolić BIOHEMIJA ZA STUDENTE POLJOPRIVREDNOG

FAKULTETA, Banja Luka 2007.