NUKLEOTIDI

KOENCIMI, PROSTETIČNE SKUPINE

VITAMINI

NUKLEOTID = NUKLEOZID + FOSFAT

NUKLEOZID = ORGANSKA BAZA + SLADKOR

Baza

AnhidridAnhidrid

hidroliza

ionizacijastabilizacijaz el. resonanco

Molekula ATP je pri fiziološkem pH nestabilna: odboj negativno nabitih kisikov. V izgradnjo take molekule je bilo potrebno vložiti veliko energije, zato je “energijsko bogata” (obe anhidridni vezi).

Produkti hidrolize imajo skupaj več možnih el. oblik od samega ATP.

ATP + H2O → ADP + Pa G<<0 Pa = anorg. fosfat

Pa + A ↔ A-P + H20 G>0 A = biomolekula

ATP + H2O → ADP + Pa G<<0

ADP + A ↔ A-ADP + H20 G>0

Dva načina aktivacije biološke molekule preko sklopitve s hidrolizo ATP.

ATP + H2O → ADP + Pa G<<0

Pa + Glu ↔ Glu-P + H20 G>0

ATP + Glu → Glu-P + Pa <0

Konkreten primer sklopitve fosforilacije glukoze s hidrolizo ATP.

Aktivirana (fosforilirana) glukoza lahko vstopa v številne reakcije metabolizma.

Sledi nekaj primerov aktivacije bioloških procesov s sklopitvijo s hidrolizo ATP oz. NTP.

D-glukoze-1-fosfat

D-glu-1-P + UTP → UDP-glu + PPa

UDP-glu → UDP-glukuron.kisl.

Eden od mehanizmov detoksifikacije ksenobiotikov

V prvi stopnji se aktivirana glukoza (glukoze-1-fosfat) dodatno aktivira preko sklopitve s hidrolizo UTP.

V drugi stopnji se tako aktivirana glukoza oksidira na šestem C-atomu in pridobi na polarnosti.

Tretja stopnja je sama detoksifikacija ksenobiotika, kar je prikazano na naslednji sliki.

DETOKSIFIKACIJA

3-hidroksi-benzopiren

glukuronatEncim transferaza

DETOKSIFIKACIJA

3-hidroksi-benzopiren je hidrofoben aromatski ogljikovodik. Ker ni topen v vodi, se ne bi izločal z urinom, temvečbi se kopičil v telesu (maščevje, tkiva...) in kot močan kancerogeni dejavnik sprožal patološke procese.

Vezava na aktivirani glukoronat ga inaktivira, omogoča njegovo topnost in odstranjevanje iz telesa.

Vse omenjene reakcije so seveda katalizirane z encimi.

Sklopitev hidrolize ATP s fosforilacijo gibalnih proteinov

Lehninger & Nelson & Cox, 1993

Lehninger & Nelson & Cox, 1993

Na+K+ ATPaza

Transmembranski transport Na+ in K+ ionov.

Vsak molekulski dogodek (povezava / odpust molekul) povzroči določene alosterične spremembe, ki se odražajo v spremenjenih porstorskih prerazporeditvah (oblikah) in posledično v spremenjenih medsebojnih afinitetah molekul.

Adenozin- 3’,5’- ciklični monofosfat (ciklični AMP; cAMP

“Sekundarni (znotrajcelični) obveščevalec”pri delovanju vodotopnih hormonov

cAMP

Aktivacija citosolnih encimov (npr. protein kinaze A), jedrnih proteinov ...

5’-AMPrazgradnja(cAMP fosfodiesteraza)

H

Vodotopni hormon

Adenilatna ciklaza

Receptor

G-proteini

Ob njegovi vezavi na receptor pride do kaskade alosteričnih (oblikovnih in afinitetnih) sprememb povezanih/udeleženih molekul.

Prikaz encimsko katalizirane reakcije: substrat S (s specifično obliko) se veže v aktivno mesto encima E (ki ima substratu prilagojeno obliko), nastane kompleks encim-substrat (ES), v katerem se vezi prerazporedijo in nato kompleks razpade v encim E in produkt P.

E + P

s K

s

P

K

*K

+

K

S = substrat

K = koencim

Številni encimi pa za svoje delovanje potrebujejo še kofaktor (koencim ali prostetično skupino). KOENCIM je organska molekula, ki v aktivno mesto pride skupaj s substratom (ali pred njim, ali malo za njim) in med vsemi tremi partnerji nastane kompleks ESK. Vezi se med njimi prerazporedijo in iz reakcije izidejo encim, produkt in nekoliko spremenjen koencim. Ta se lahko regenerira v povratni reakciji na istem encimu ali pa v neki podobni reakciji na nekem drugem encimu.

Številni koencimi so po zgradbi nukleotidi.

-Psk

Psk

Psk

*Psk

S

S

P

PROSTETIČNA SKUPINA je organska molekula, ki je stalno navzoča (kovalentno povezana) v aktivnem mestu encima. Po prihodu substrata nastane kompleks ES-Psk, vezi se prerazporedijo in iz reakcije izidejo produkt in encim z nekoliko spremenjeno prostetično skupino. Ta se lahko regenerira v povratni reakciji na istem encimu.

Tudi nekatere prostetične skupine so po zgradbi nukleotidi.

VODOTOPNI VITAMINI

NAD+ , nikotinamid adenin dinukleotid

Dva nukleotida sta povezana s svojima fosfatnima skupinama. Vitaminski (reakcijsko aktivni) del je nikotinamid, adenil pa služi prepoznavanju in sidranju koencima v aktivno mesto encimov.

Glavna vloga NAD+ v metabolizmu je prenos elektronov iz ene molekule na drugo. Reakcijo katalizirajo encimi, imenovani oksidoreduktaze.

Vitamin B3 (niacin, nikotinska kislina)

Pomanjkanje: bolezen pelagra – zaradi kemijske obdelave (rafiniranja) žitnih, predvsem koruznih zrn.

Simptomi: dermatitis, duševne motnje (demencija), diareja ... smrt.

Zdravilo: nikotinamid

NAD+ = nikotinamid-adenin-nukleotid NADP+ = nikotinamid-adenin-nukleotid-fosfat

NAD+ + 2H ↔ NADH + H+

..

..V oksidacijsko-redukcijski reakciji NAD+ prenaša dva redukcijska ekvivalenta (en elektron in en vodikov atom).

Primer konkretne reakcije: oksidacija etanola z NAD+ (akceptor elektronov) NAD+ se pri tem reducira: en elektron dobi v obliki vodikovega atoma, drugega pa iz drugega vodikovega atoma etanola, v razopini pa ostane proton.

H

H+

FAD, flavin adenin dinukleotid, je prostetična skupina nekaterih oksidoreduktaz.

Vitamin B2 (riboflavin)

Pomanjkanje: nezadostna prehrana (mlečni proizvodi, jajca, zelena zelenjava, drobovina, paradižnik ...).

Simptomi: zaostajanje v rasti, vnetja ustne votline, oči, genitalnega trakta.

Zdravilo: riboflavin, zadostna prehrana.

FAD, flavin adenin dinukleotid: tudi tukaj sta dva nukleotida povezana preko svojih fosfatnih skupin. Reakcijsko aktivni del (vitamin) je riboflavin.

FMN, flavin mononukleotid (riboflavin-5′-fosfat) je tudi prostetična skupina različnih oksidoreduktaz.

FAD + 2H ↔ FADH2

oksidirana oblika

polreducirana oblika

reducirana oblika

FAD lahko prenaša dva redukcijska ekvivalenta, v obliki atomov vodika.

Vitamin B1 (tiamin)

Pomanjkanje: nezadostnaprehrana (polnozrnate hrane, zelenjave), poliranje riža.

Simptomi: bolezen beriberi –utrujenost, apatija; prizadetost živčevja, srca in ožilja, mišičja, prebavil.

Zdravilo: tiamin hidroklorid (injekcije, per os), izboljšanje prehrane.

Tiamin pirofosfat je koencim več vrst encimov, med njimi tudi dekarboksilaz –odcep ogljikovega dioksida (npr. pri dekarboksilaciji aminokislin, ki s tem postanejo biogeni amini.

Koencim A ima pomembno vlogo v sintezi in oksidaciji maščobnih kislin ter v oksidaciji piruvata v krebsovem ciklu. Je prenašalec acilnih ostankov organskih (ogljikovih) kislin.

Vitamin pantotenska kislina

Pomanjkanje: je redko

Simptomi: podobni kot pri pomanjkanju vitaminov B (nevrološke motnje, vnetja, utrujenost, apatija, dermatits ...).

Zdravilo: izboljšanjeprehrane (zelena zelenjava).

Acetil-koencim A: med ostankom ocetne kisline (acetilom) in koencimom A je “energijsko bogata vez”: Ob porabi ATP je encimsko nastal acetil-koencim A.

Vloga: aktivacija in prenos acilnih skupin

Lehninger & Nelson & Cox, 1993

Acetil-CoA je osrednji intermediat metabolizma.

Nukleotidni kofaktorji (koencimi, prostet. skupine) v metabolizmu.

VODOTOPNI VITAMINI

Biotin (koencim R) je koencim v biosintezi maščobnih kislin in nekaterih aminokislin ter v glukoneogenezi. Kot koencim sodeluje pri encimih, imenovanih karboksilaze – prenos ogljikovega dioksida.

Biotin (vitamin H) je že sam po sebi vitamin.

Pomanjkanje: je redko, lahko zaradi pretiranega uživanja jajčnih beljakov (ki vsebujejo biotin vezujoči protein avidin).

Simptomi: dermatitis, konjuktivitis, izgubljanje las, živčno-mišične motnje ...

Zdravilo: izboljšanje prehrane (zelenjava, jetra, jajčni rumenjak...).

Piridoksal fosfat je koencim pri reakcijah, ki jih katalizirajo encimi transaminaze: prenos amino-skupine iz aminokisline na keto kislino in obratno, prenos keto-skupine iz keto-kisline na aminokislino.

Vitamin B6 ima 3 možne oblike: piridoksal, piridoksamin in piridoksin.

Pomanjkanje: je redko, povezano je s pomanjkanjemdrugih vitaminov B-kompleksa.

Simptomi: dermatitis, nevrološkiproblemi ...

Zdravilo: izboljšanje prehrane(meso, zelenjava, polnozrnatahrana...).

Vitamin B9 (folna kislina)

Pomanjkanje: je redko v Zahodni populaciji. Pomanjkljiva prehrana.

Simptomi: megaloblastna anemija,mišična slabost, živčni, spominski in vedenjski problemi ...

Zdravilo: izboljšanje prehrane(zelena zelenjava, polnozrnate žitarice, jajčni rumenjak, drobovina...).

Tetrahidrofolna kislina je koencim številnih encimov, predvsem v metabolizmu aminokislin in nukleinskih kislin.

Strukturna podobnost med sulfonamidom (levo) in para-amino benzojske kisline (PABA) je osnova inhibitorne vloge sulfonamidov v biosintezi dihidrofolata (desno), ki je pomemben rastni dejavnik v razvoju bakterijske celice.

V bakterijah protibakterijski sulfonamidi delujejo kot kompetitivni inhibitorji encima dihidropteroat sintaza (DHPS), ki je sicer vpleten v sintezo folne kisline. Mikroorganizem tako “izstradamo” folne kisline in zato pogine.

VODOTOPNI VITAMINI

Vitamin B12 (kobalamin)

Pomanjkanje: perniciozna anemija; depresije; izguba spomina. Jeposledica odsotnosti intrinzičnega faktorja, katerega biosinteza poteka v želodčni sluznici, potreben pa je za prenos vitamina B12 iz prebave skozi črevesno sluznico.

Simptomi: megaloblastna anemija, živčni oz. mentalni problemi ...

Zdravilo: injekcija, nazalna in transdermalna aplikacija B12...).

Vitamin B12 je vpleten v metabolizem vseh celic organizma, predvsem pri uravnavanju sinteze DNA in maščobnih kislin ter energijskem metabolizmu. Potreben je za normalno delovanje možganov in živčevja ter za pravilno zorenje eritrocitov.

Vitamin C (akorbinska kislina) kot antioksidant ščiti organizem pred oksidativnim stresom – rekativne kisikove spojine (peroksidi, prosti radikali) iz metabolizma ali iz okolja lahko poškodujejo celične komponente (membrane, DNA, proteine). Je tudi kofaktor pri nekaterih encimskih reakcijah, kot npr. pri posttranslacijski hidrokislaciji prolina v biosintezi kolagena. Udeležen je tudi pri reakcijah, potrebnih v porcesu celjenja ran in preprečevanja krvavitev kapilar. Njegovo pomanjkanje se odraža v bolezni skorbut. Prehranski viri so: sadje in zelenjava, predvsem agrumi.

LIPIDOTOPNI VITAMINI

Podrobnejša razlaga lipidotopnih vitaminov je v predhodnem predavanju.

Povezavi na dve celoviti predavanji:

Nukleotidi, koencimi, vitamini – celovito predavanje:

http://www.youtube.com/watch?v=c-f7tc_VO-0&feature=endscreen&NR=1

Vodotopni in lipidotopni vitamini:

http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&NR=1&v=LIi-G9RGTPo