Bp1252 Biochemie
#8 Metabolismus živin
Chemické reakce probíhající v
organismu
• Katabolické reakce – přeměna složitějších
látek na jednoduché, jsou většinou
exergonické.
• Anabolické reakce – syntéza složitějších látek z
jednoduchých, jsou většinou endergonické.
2
Uchovávání energie – makroergické
sloučeniny
• ATP (adenosin trifosfát)
ATP → ADP + Pi 7,0 kcal/mol
• Podobně jako ATP někdy slouží i GTP
(guanosin trifosfát).
• Acetylkoenzym A: hydrolýzou acetylové
skupiny získáme 8,2 kcal/mol
3
Koenzym A:
zde se váže
acetylová skupina
Redoxní děje – kofaktory
oxidoreduktas
• NAD+ (nikotinamid adenin dinukleotid)
NAD+ → NADH
• NADP+ (nikotinamid adenin dinukleotid fosfát)
NADP+ → NADPH
• FAD (flavin adenin dinukleotid)
FAD → FADH2
• FMN (flavin mononukleotid)
FMN → FMNH2
4
Nikotinamid adenin dinukleotid (NAD+)
5
Pokud je zde navázána
kyselina fosforečná, jde o NADP+.
FMN (flavin mononukleotid)
a FAD (flavin adenin dinukleotid)
6
FAD a FADH2
7
Tři katabolické stupně
1. Hydrolýza makromolekulárních kondenzátů
(hydrolázy)
2. Degradace štěpů (monosacharidů, mast.
kyselin, glycerolu a aminokyselin) na
acetylkoenzym A
3. Acetylkoenzym A vstupuje do citrátového
cyklu, kde se produkují donory elektronů; ty
pak končí v dýchacím řetězci.
8
Tři katabolické stupně
9
Metabolismus sacharidů
• Amylasa štěpí škrob na kratší molekuly
(dextriny) a poté až na maltosu, glukosu
• Disacharidy pak štěpí disacharidasy
• Katabolický proces štěpení glukosy = glykolýza
Glykolýza probíhá v cytosolu.
10
Glykolýza
11
Glykolýza
12
Glykolýza - bilance
GLUKOSA + 2 NAD+ + 2Pi + 2 ADP→ 2 PYRUVÁT +
2 ATP + 2NADH + 2H+ + 2 H2O
13
Co s pyruvátem?
14
Anaerobní podmínky
Laktát je dopravován do jater a přeměňován na
pyruvát a pak na glukosu.
„Břemeno“ se tak přenáší na další orgány.
15
Glukoneogeneze
• Možnost syntézy glukosy z pyruvátu, laktátu,
glycerolu a některých aminokyselin
• Průběh podobný jako u glykolýzy, 3 reakce je
nutné obejít a probíhají jiným mechanismem:
-fosfoenolpyruvát vzniká z pyruvátu přes
oxalacetát
-fruktosa-6-fosfát vzniká hydrolýzou z fruktosa-
1,6-bisfosfátu
-glukosa vzniká hydrolýzou glukosa-6-fosfátu
• Na 1 mol glukosy z pyruvátu je třeba 12 mol ATP
16
Glukoneogeneze – od pyruvátu k
fosfoenolpyruvátu
17
Aerobní podmínky: od pyruvátu k
acetylkoenzymu A
• Multienzymový komplex
-thiaminpyrofosfát (viz vitamin B1 thiamin)
-kyselina lipoová
-koenzym A
-FAD
-NAD+
18
Tvorba
acetylkoenzymu A
19
Pentosový cyklus
20
Složitý proces, ve kterém je
glukosa-6-fosfát
přeměňován
na ribulosa-6-fosfát.
Během probíhajících reakcí
se získává NADPH. Vznikající
pentosa může být použita
pro syntézu nukleotidů
nebo je převedena zpět na
hexosu.
Glykogen jako zdroj glukosy
• Přebytečná glukosa se ukládá ve formě
glykogenu
• Při štěpení glykogenu vzniká glukosa-1-fosfát;
reakce se účastní anorganický fosfát, není
spotřebováno ATP!
• Glukosa-1-fosfát pak přechází na glukosa-6-
fosfát.
21
Metabolismus galaktosy
• Přeměňuje se na glukosa-6-fosfát
• Nezbytná přítomnost dvou enzymů
• Pokud nejsou přítomny, hromadí se galaktosa
v krvi (galaktosemie) a moči (galaktosurie).
22
Metabolismus fruktosy
23
Metabolismus tuků
• Hydrolýza katalyzovaná lipasami
• Produkty: glycerol, mastné kyseliny, anorg.
fosfát, cholin...
• Glycerol vstupuje do glykolýzy
• Mastné kyseliny se odbourávají β-oxidací v
mitochondriích
24
L-Karnitin a jeho funkce
• Mastná kyselina reaguje s HS-CoA za účasti
ATP za vzniku Acyl-CoA
• Ten je v rovnováze s esterem mastné kyseliny s
L-karnitinem; ester prochází mitochondriální
membránou
• V mitochondrii se z esteru s L-karnitinem
přenese acyl opět na koenzym A.
25
OH
N
+
COO
-
L-Karnitin a jeho funkce
26
β-oxidace
27
β-oxidace - bilance
CH3(CH2CH2)nCOOH + ATP + (n+1) HS-CoA + n
NAD+ + n FAD + n H2O → (n+1) CH3COS-CoA +
AMP + PPi + n NADH + n FADH2 + n H+
28
β-oxidace
• Mastné kyseliny s lichým počtem uhlíkových
atomů
Produktem je propionyl-CoA, z něj vzniká
karboxylací methylmalonyl-CoA a následně
sukcinyl-CoA, jeho hydrolýzou pak vzniká
sukcinát, který se odbourává v citrátovém
cyklu.
29
β-oxidace
• Transformace propionylkoenzymu A na
sukcinylkoenzym A
30
β-oxidace
• Nenasycené mastné kyseliny
31
Syntéza tuků
• Syntéza mastných kyselin
Výchozí látkou je acetylkoenzym A
K prodloužení o 2 uhlíkové atomy je třeba 2
molekul NADPH a 1 molekuly ATP.
Nenasycené kyseliny se tvoří specifickými enzymy
destaurasami a některé nenasycené mastné kys.
jsou proto esenciální.
• Syntéza triacylglycerolů
Z glycerol-3-fosfátu a acylkoenzymu A
32
Metabolismus bílkovin
• Štěpení na nižší peptidy a aminokyseliny
• Proteinasy (pepsin, trypsin) štěpí na peptidy
• Peptidasy pak štěpí získané peptidy až na
volné aminokyseliny.
33
Metabolismus aminokyselin
• Transaminace
Přenos aminoskupiny aminokyseliny na 2oxokyselinu
(většinou 2-oxoglutarát).
Produktem je 2-oxokyselina a kyselina
glutamová.
Proces je katalyzován transaminasami
obsahujícími pyridoxalfosfát jako prostetickou
skupinu (z vitaminu B6)
34
N
O
OH P
O
O
O
-
O
-
Pyridoxalfosfát
Ještě k reaktivitě karbonylových
sloučenin: Schiffovy báze (iminy)
35
Benzaldehyd Propylamin Schiffova báze
O
NH2
+
NH+
Metabolismus aminokyselin
• Transaminace
36
Pyridoxalfosfát vázaný na lysin
Metabolismus aminokyselin
• Transaminace
37
Metabolismus aminokyselin
• Transaminace
Transaminací je možné i syntetizovat
aminokyseliny z odpovídajích ketokyselin.
Aminokyseliny, pro které neexistuje žádný
vhodný prekurzor jsou esenciální
aminokyseliny.
38
Metabolismus aminokyselin
• Deaminace
Druhá možná cesta vedoucí k 2-oxokyselinám.
Enzym glutamátdehydrogenasa katalyzuje tuto
reakci:
Glutamát + NAD+ + H2O → 2-oxoglutarát + NADH
+ H+ + NH4
+
Enzym je přítomen v mitochondriích a má velký
význam. Transaminací vznikající glutamát se
pomocí tohoto enzymu převádí zpět na 2-
oxoglutarát.
39
R
NH2
COO
-
R
NH
COO
-
R
O
COO
-
+
ox. H2O
NH3
Metabolismus aminokyselin
40
Ornithinový (močovinový) cyklus
• Slouží k odbourání toxického amoniaku
• Endergonický proces, spotřebuje 3 mol ATP na
1 mol močoviny
41
Ornithinový
(močovinový) cyklus
42
ornithin
citrullinkarbamoylfosfát
argininosukcinát
arginin
fumarát
močovina
MITOCHONDRIE
kys. asparagová
Metabolismus aminokyseliny – osud
uhlíkaté kostry
• Aminokyseliny
 glykogenní
Tvoří se z nich sukcinát, fumarát a oxaloacetát
nebo pyruvát. Z nich se můžou tvořit sacharidy.
 ketogenní
Tvoří se z nich kyselina acetoctová, její redukcí
vzniká 3-hydroxybutyrát, dekarboxylací pak
aceton.
43
O
-
OOH
O
OO
O-CO2
Ketonické látky
• Acetoacetát, 3-hydroxybutyrát a aceton
označujeme jako ketonické látky.
• Acetoacetát vzniká zejména při odbourávání
tuků, to je zvýšeno při hladovění a diabetes
mellitus, kdy se odbourává velké množství
tuku a vzniká přebytek acetylkoenzymu A.
• Dvě molekuly acetyl-CoA se spojují za vzniku
acetoacetyl-CoA a z něj pak acetoacetát.
44
Citrátový cyklus
• Probíhá v matrix mitochondrií
• Vstupuje do něj acetylkoenzym A
• Z něj vznikají 2 molekuly CO2
• Produkují se redukované formy koenzymů
NADH a FADH2
45
Citrátový
cyklus
46
Citrátový cyklus - bilance
• Acetylkoenzym A je oxidován na 2 molekuly
CO2;
dále vznikají 3 molekuly NADH, 1 molekula
FADH2 a 1 molekula GTP.
• NADH a FADH2 pak vsupují do dýchacího
řetězce.
• Zde se z nich vytvoří oxidativní fosforylací 12
molekul ATP.
47
Dýchací řetězec
• Řetězec reakcí při nichž jsou elektrony ze
substrátu přeneseny až na kyslík, ze kterého
vzniká voda.
• Těmito substráty jsou NADH a FADH2.
• Kofaktory oxidoredukčních enzymů dýchacího
řetězce jsou ve vnitřní mitochondriální
membráně.
48
Mitochondrie
49
Fotografie pořízená
elektronovým mikroskopem:
50
Dýchací řetězec
• Skládá se ze čtyř havních multiproteinových
komplexů:
Komplex I až IV (viz následující snímek).
• Navazuje komplex V – ATP synthasa.
Ta využívá protonový gradient k syntéze ATP.
51
Dýchací řetězec
52
Oxidativní
fosforylace
III. ubihydrochinon:cytochrom c-oxidoreduktasa
(cytochrom b a c1, nehemové železo)
I. NADH:ubichinon-oxidoreduktasa
(flavoprotein, nehemové železo, ubichinon)
II. Sukcinát:ubichinon-oxidoreduktasa
(flavoprotein sukcinátdehydrogenasa,
nehemové železo, cytochrom b)
G Glycerol-3-fosfát dehydrogenasa
F AcylCoA dehydrogenasa
IV. Cytochrom c: O2-oxidoreduktasa
(=cytochromoxidasa)
(cytochrom a-a3,
protein obsahující měď)
UCP (uncoupling protein) –
význam pro tvorbu tepla
Dýchací řetězec - flavoproteiny
• Obsahují flavinmononukleotid (FMN) nebo
flavinadenin dinukleotid (FAD) jako prostetickou
skupinu nebo koenzym.
Konkrétní flavoproteiny z dýchacího řetězce:
• NADH dehydrogenasa
Přebírá vodík od NADH a předává jej ubichinonu.
• Sukcinátdehydrogenasa
Flavoprotein, působí přímo bez nikotinamidových
koenzymů. Enzym tvoří důležité spojení
citrátového cyklu a dýchacího řetězce.
53
Dýchací řetězec – koenzym Q10
(ubichinon)
54
Mezi flavoproteiny a cytochromy je jako přenašeč
elektronů vřazen ubichinon.
H3CO
H3CO
O
O
R
H3CO
H3CO
OH
OH
R
red.
ox.
ubichinon ubihydrochinon
Dýchací řetězec - cytochromy
• Hemoproteiny přenášející elektrony v redoxních
řetězcích
• Podle struktury a UV spekter rozlišujeme tři
skupiny:
 Cytochrom b
Úzce spojen s flavoproteiny a chinony
 Cytochrom c
 Cytochromy a a a3 (cytochromoxidasa)
Obsahuje atom mědi, koncová oxidasa dýchacího
řetězce, reaguje s kyslíkem.
55
Železo vázané v
hemu cytochromu
c a a
56
V průběhu přenosu elektronů
se železo redukuje z FeIII na FeII
a zpět.
Srovnejte si s železem v
hemoglobinu a myoglobinu!!!!
Inhibitory dýchacího řetězce
• Ionty CN-, N3
- a oxid uhelnatý jsou inhibitory
komplexu IV
• CN- a CO se současně vážou na hemoglobin
• Působěním těchto látek se tak zastavuje
syntéza ATP případně i transport kyslíku
hemoglobinem
57
Oxidativní fosforylace
• Zpětný tok H+ je využit ATP-synthasou ke
tvorbě ATP
ADP + Pi → ATP
58
Rozpojovače oxidativní fosforylace
• Porušují pH gradient nezbytný pro proces
oxidativní fosforylace
• Typicky jde o hydrofobní sloučeniny, které jsou
slabými kyselinami nebo bázemi
• Př. 2,4-dinitrofenol, p-kresol
• Jsou to jedy.
59
NO2
NO2
OH OH
CH3