CHEMICKÉ ZNAKY ŽIVÝCH SOUSTAV a) Chemické složení a. biogenní prvky – makrobiogenní nad 0,OO5% (C, O, N, H, S, P, Ca….) - mikrobiogenní pod 0,005%(Fe ,Zn, Cu, Si…) b. voda – 60 – 90% každého organismu - 90% příjem z prostředí zbytek vzniká při reakcích - rozpouštědlo, stavební struktura, tepelná regulace, pohyb látek c. anorganické látky – voda, NH3, CO2 d. organické látky – tuky, cukry, bílkoviny, nukleové kyseliny
b) Přeměna látek (metabolismus) – reakce anabolické (skladné) a katabolické (rozkladné)
c) Výměna látek a energie s okolním prostředím - příjem, přeměna a uvolňování energie - podmínka života – životní procesy - využití E na: růst, pohyb, přesun látek •
tvorba zásob – makroergní vazby v ATP
d) Enzymový charakter dějů – enzymy ovlivňují rychlost dějů v organismech (biokatalyzátory – enzymy, vitamíny, hormony) - specifický účinek – jen pro určitou reakci - reakce bývají navzájem provázány - Produkt jedné reakce = výchozí látkou reakce, která na předchozí reakci navazuje.
Návaznost biochemických dějů a – lineární b – cyklická S – substrát, P – produkt E1 až E5 – enzymy, A až D – meziprodukty
1
BIOKATALYZÁTORY o látky katalyzující reakce v živých organismech o ovlivňují rychlost reakce, ale sami zůstanou nezměněné o účinek i v malém množství o specifický účinek – často působí jen na určitou reakci o netoxické o dělení: ENZYMY VITAMÍNY HORMONY
ENZYMY vysokomolekulární látky bílkovinné povahy urychlují i regulují reakce ve všech organismech pracují za mírných podmínek (nízké teploty, tlak) snižuje aktivační energii → reakce probíhá dříve
Štěpení peroxidu vodíku H2O2 A – bez enzymu B – v přítomnosti enzymu celková uvolněná energie při chemické reakci aktivační energie bez katalyzátoru aktivační energie enzym-substrátového komplexu aktivační energie rozpadu ES komplexu
každý enzym katalyzuje pouze 1 přeměnu → SPECIFITA ÚČINKU látka vstupující do reakce = SUBSTRÁT → PRODUKT
2
PRŮBĚH: substrát se naváže na enzym v místě AKTIVNÍ CENTRUM – AC (zde vazebné skupiny -COOH, -OH, -NH2 ) o substrát musí přesně zapadat na aktivní centrum enzymu …princip ZÁMKU A KLÍČE o vzniká enzym-substrátový komplex o komplex se rychle rozpadá a uvolňuje produkty reakce o E + S → ESK → P + E
složení enzymu: •
APOENZYM + KOFAKTOR = HOLOENZYM = ENZYM … kompletní enzym
•
APOENZYM (bílkovinná složka) – termolabilní rozhoduje, kterou látku rozloží
•
KOFAKTOR (nebílkovinná složka) – termostabilní rozhoduje na co látku rozloží př: vit. B, Cu2+, Fe3+, -OH prostetická skupina – pevně navázána na enzym (Cu2+, Fe3+, -OH) koenzym – volný, váže se při reakci na enzym •
může být stejný pro více enzymů, které katalyzují stejnou reakci
•
důležité koenzymy: NAD = nikotinamidadenindinukleotid o přenáší H atomy → NADH
•
CoA = koenzym A o přenáší zbytek kys. octové – acetyl → acetyl CoA
•
ADP, AMP = adenosindofosfát, adenosinmonofosfát o váže fosfátovou sk. → ATP
3
rychlost enzymových reakcí závisí na: o
množství substrátu – rychlost reakce ↑ s koncentrací S, dokud se neobsadí všechna AC
o
množství enzymu – rychlost reakce ↑ s množstvím E za dostatečného množství S
o
pH – optimální oblast pH, v níž je účinnost nejvyšší (pepsin pH 1 - 2 zajišťuje HCl)
o
teplota – teplotní optimum při vysoké teplotě - denaturace bílkovinného apoenzymu při 0°C nízká aktivita, při nižších t se činnost E zastavuje ⇒ využití při skladování potravin v chladničkách a mrazničkách
o
efektory – ovlivňují aktivitu E inhibitory – snižují aktivitu – váží se na AC ⇒ zablokují jej pro S • kompetitivní inhibice – inhibitor mající podobnou struktura jako S soupeří se S o místo, lze utlumit zvýšením koncentrace S • nekompetitivní inhibice – inhibitor se váže na jiné místo enzymu → změní konformaci E → změní se konformace AC → AC je neaktivní – nelze vytěsnit (př. Pb2+, Hg2+…) – katalytické jedy • alosterická inhibice – inhibitor se naváže na alosterické centrum na E → změní konformaci E → AC neaktivní aktivátory – zvyšují aktivitu • př. Mg2+ • odštěpení části řetězce ⇒ odkrytí AC ⇒ aktivní enzym • pepsinogen → pepsin
4
názvosloví: o dříve triviální – pepsin, ptyalin o názvy podle substrátů nebo reakce + -áza (maltáza, reduktáza) o kódové číslo (E.C.1.1.1.27) – tř., podtř., podsk., číslo v podsk. třídění: podle typu reakce 1. OXIDOREDUKTÁZY – katalyzují ox. – red. reakce (přenos e-, H, nebo reakce s O) +O
CH3CH2OH → CH3CHO + H2O E
2. TRANSFERÁZY – katalyzují přenos skupin z jedné slouč. na druhou (aminotransferáza – NH2, transmethyláza
– CH3)
CH3– CH – COOH + CH3 – C – COOH → CH3– C – COOH + CH3 – CH – COOH E │ ║ ║ │ NH2 O O NH2 3. HYDROLÁZY – katalyzují hydrolytické reakce – štěpení za přítomnosti vody (peptidázy, lipázy, glykosidázy) sacharóza
C12H22O11 + H2O
→
C6H12O6 + C6H12O6
4. LYÁZY – katalyzují štěpení nehydrolytické neoxidační (štěpení C – C) nebo adici na dvojnou vazbu CH3 – C – COOH → ║ O
CO2 + CH3 – C – H ║ O
5. IZOMERÁZY – katalyzují izomerie (změny uvnitř jedné molekuly) D – glukóza → D – fruktóza E
6. LIGÁZY – katalyzují vznik vazeb za štěpení ATP
vyjádření účinnosti enzymů: o jednotka: katal
1 katal = množství katalyzátoru, které přemění 1 mol substrátu za 1s
využití: o potravinářství – výroba nápojů (pivo, víno…), potravin (sýry, kynutá těsta) o farmacie – výroba léků o výroba pracích prášků – lipázy, protézy (štěpí špínu z tuků a bílkovin) o analytická chemie o výzkum
5
OPAKOVÁNÍ: 1. Složení holoenzymu: holoenzym (enzym) = ……………………… + …………………………… 2. Bílkovinná složka je ……………………………….. 3. Místo na enzymu, kde se váže substrát se nazývá ………………………………………………….. 4. Inhibitory jsou látky, které ………………………………………………………………………….. pokud substrát obsadí jiné místo než AC a změní uspořádání E a inaktivuje AC, jde o inhibici …………………………….. Pokud inhibitor obsadí AC enzymu jde o inhibici …………………... 5. Vytvoř správné dvojice: Třída 1. Transferázy 2. Lyázy 3. Ligázy 4. Izomerázy 5. Oxidoreduktázy 6. Hydrolázy
Druh katalyzované reakce a) Nehydrolytické štěpení vazeb C-C v molekulách substrátů b) Přenos elektronů (oxidace a redukce) mezi dvěma substráty c) Hydrolytické štěpení substrátů d) Přeměna uvnitř molekuly substrátu g) Přenos charakteristické skupiny mezi dvěma substráty h) Slučování dvou molekul substrátů za současné spotřeby ATP
6. Na kterou složku enzymu může mít teplota inhibující až ničící vliv a proč? …………………………………………………………………………………………………….. 7. Schematicky zakresli princip působení enzymu a vysvětli princip zámku a klíče.
8. Odpověz na otázky: a. jsou enzymy účinnější než umělé chemické katalyzátory?
…………
b. mění katalýza enzymem rovnovážný stav reakce? ………….. c. může katalýza urychlit dosažení rovnovážného stavu reakce?
………..
d. co podle tebe znamená multienzymový komplex? …………………………………………………………………………………..
6
VITAMÍNY název: VIT (= život) + AMIN (jako 1. byl objeven vit.B – THIAMIN) biokatalyzátory nízkomolekulární látky v organismech v malém množství, ale nezbytné ⇒ ESENCIÁLNÍ LÁTKY – nedostatek → poruchy heterotrofní organismy je musejí přijímat v potravě, autotrofní je vyrábějí v potravě vitamíny /
provitamíny (neúčinné)
některé umí organismus vytvořit z provitamínů (neúčinná látka) provitamín β-karoten → vitamín A často jsou koenzymem (např. některé skupiny vit. B) ⇒ antioxidanty – brání oxidacím ve tkáních onemocnění: snížený příjem vit. ⇒HYPOVITAMINÓZA ….. únava, krvácení dásní, afty nadměrný příjem ⇒ HYPERVITAMINÓZA …. pouze u vitamínů rozpustných v tucích (přebytek vit. rozpustných ve vodě je vyloučen močí), nelze dosáhnout potravou! např.vitamin A – nadměrné dávky v těhotenství ⇒rozštěpy úplný nedostatek ⇒ AVITAMINÓZA … šeroslepost, křivice, kurděje rozdělení 1. rozpustné v tucích – A D E K
(pomůcka ZADEK)
2. rozpustné ve vodě – B C
7
1) VITAMÍNY ROZPUSTNÉ V TUCÍCH a) vitamín A – RETINOL
(tepen)
tvorba v játrech z provitamínu …………………………. vliv na tvorbu zrakového pigmentu, dobré vidění za šera, antioxidant, tvorba tkání a sliznic zdroj: rybí tuk, játra, žloutek; provitamín v barevné zelenině (………………………, …………………….) nedostatek: šeroslepost, vysychání rohovky, drsná kůže, zastavení růstu
b) vitamín D – KALCIFEROL
(steroid)
vzniká z provitamínu ergosterolu vlivem UV záření podporuje vstřebávání a ukládání Ca a P do kostí zdroj: rybí tuk, mořské ryby, játra, mléko, máslo, žloutek, opalování nedostatek: křivice(rachitis) – měknutí a deformace kostí řídnutí kostí (osteoporóza) c) vitamín E – TOKOFEROL (antisterilní vitamín) antioxidant, podporuje činnost pohlavních žláz zdroj: rostlinné oleje, obilné klíčky, vejce, mléko nedostatek: nemoci svalů, špatný vývoj pohl. org., sterilita
d) vitamin K – FYLOCHININ
(protikrvácivý vitamín)
zdroj: zelená zelenina (…………………, ………………………..), bakterie v tlustém střevě ……………………. nedostatek: zhoršení krevní srážlivosti, u rostlin snížení fotosyntézy
2) VITAMÍNY ROZPUSTNÉ VE VODĚ a) vitamín C
KYS. L-ASKORBOVÁ
(sacharid)
podpora protilátek, antioxidant, vstřebávání Fe, tvorba kolagenu … zdroj: zelenina (……………….., …………………….), ovoce (………………….., ……………………), brambory, vnitřnosti VAŘENÍM SE ZNIČÍ!!! nedostatek: záněty dásní, krvácivost, snížená imunita, kurděje (při avitaminóze) – krvácení pod kůži, pod nehty, do svalů…
8
b) vitamíny B B1 – THIAMIN
(heterocyklus)
tvorba koenzymů ⇒ metabolismus sacharidů zdroj: vnitřnosti, obiloviny, kvasnice, vnitřnosti nedostatek: únava, křeče, trávicí poruchy, atrofie svalů, při avitaminóze nemoc beri – beri (záněty nervů, psychické problémy…)
B2 – RIBOFLAVIN
(heterocyklus)
tvorba koenzymů zdroj: maso, vejce, játra, kvasnice nedostatek: poškození kůže a sliznic – praskání, afty
B3 kys. nikotinová a nikotinamid – NIACIN tvorba koenzymů NAD a NADP zdroj: maso, ryby, kvasnice nedostatek: nervové poruchy, záněty kůže, průjmy
B5 – KYS. PANTOTHENOVÁ (heterocyklus) tvorba koenzymů ⇒ metabolismus bílkovin zdroj: maso, sýry, vejce, játra, kvasnice, luštěniny nedostatek: nervové poruchy, křeče
B6 – PYRIDOXIN tvorba koenzymů ⇒ tvorba bílkovin zdroj: maso, mléko, kvasnice nedostatek:poruchy nervové a trávicí soustavy
kyselina listová ovlivňuje tvorbu erytrocytů (metabolismus AMK) zdroj: listová zelenina, játra, vejce nedostatek: chudokrevnost B12– KOBALTAMIN pouze u živočichů – vliv na krvetvorbu zdroj: játra, maso, tvoří jej střevní bakterie nedostatek: anemie, poruchy míšních nervů
9
(heterocyklus)
HORMONY ovlivňují aktivitu enzymů tvorba a odbourávání je řízeno zpětnou vazbou – reakcí organismu specifické – ovlivňují pouze určitou reakci působí jen na určité tkáně (orgány), jejichž buňky mají receptory pro daný hormon dělení: dle organismů o rostlinné hormony (= FYTOHORMONY) aktivátory / inhibitory ovlivňují růst, tvorbu květů, plodů, opad listí…) př. etylen – podporuje dozrávání ovoce (využití u tropického ovoce) gibereliny, auxiny… o živočišné regulace látkové přemeny vznik v endokrinních žlázách, transport tělními tekutinami na místo účinku bezobratlí – neotenin, ekdyzon, feromony – vypouštěny jedinci do vzduchu sexuální lákadla využity k hubení hmyzu dle působení o pozn. plazmatická membrána = PM je tvořena fosfolipidovou dvouvrstvou o hydrofilní – nepronikají PM do buňky – receptory na povrchu buňky navázání hormonu na receptor → změna konformace receptoru → sled reakcí v buňce → tvorba určitého enzymu o lipofilní – pronikají skrz PM – receptory uvnitř buňky hormon se naváže na receptor v buňce → tento komplex projde do jádra → aktivace určitého úseku DNA → transkripce do mRNA → translace → tvorba konkrétní bílkoviny dle chemické struktury A. Steroidní hormony B. Hormony odvozené od AMK C. Hormony odvozené od peptidů a bílkovin
10
A. Steroidní hormony v kůře nadledvin a pohlavních žlázách ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒
ALDOSTERON KORTISOL PROGESTERON ESTRADIOL TESTOSTERON B. Hormony odvozené od AMK v dřeni nadledvin, štítné žláze, epifýze
⇒ TYROXIN ⇒ ADRENALIN ⇒ MELATONIN C. Hormony odvozené od peptidů a bílkovin hypofýza, slinivka břišní, štítná žláza, příštítná tělíska ⇒ SOMATOTROPIN ⇒ INSULIN ⇒ PARATHORMON ⇒ OXYTOCIN
11
