‹#› 1 III. fáze katabolismu Citrátový cyklus Dýchací řetězec a aerobní fosforylace ‹#› 2 ATP ATP ATP ‹#› 3 Tři fáze katabolismu živin I. Hydrolýza složitých molekul (biopolymerů) na zákl. stavební jednotky probíhá v trávicím traktu - žádný zisk energie II. Postupná oxidace glukosy, AK na amfibolické meziprodukty - pyruvát, acetyl-CoA (mohou být pro syntézu) získá se jen malé množství ATP (glykolýza) beta oxidace MK – acetyl-CoA + redukované kofaktory III. Oxidace acetyl-CoA (CC) + reduk. kofaktorů (DŘ) - největší zisk energie ‹#› 4 Lokalizace citrátového cyklu – matrix mitochondrie Lokalizace dýchacího řetězce – vnitřní mitochondriální membrána Struktura mitochondrie ‹#› 5 Image250 Mitochondrie ‹#› 6 Citrátový cyklus Citrátový cyklus = Krebsův cyklus 1937 Sir Hans Adolf Krebs Image365 Citrátovým cyklem a následným dýchacím řetězcem se produkuje asi 98 % v organismu využitelné energie ‹#› 7 Citrátový cyklus Hlavní rysy CC série enzymově katalyzovaných reakcí (matrix mitochondrie) • oxidace acetylkoenzymu A v cyklu Þ CO2 • odebrané atomy vodíku Þ vznik redukovaných koenzymů NADH a FADH2 po reoxidaci NADH a FADH2 v dýchacím řetězci Þ energie (ATP) • vznik molekuly GTP ‹#› 8 Sumární rovnice citrátového cyklu CH3CO-SCoA + 3H2O + GDP + Pi→ 2 CO2 + 8H + CoA-SH + GTP - odstranění vydýcháním - vazba na kofaktory, - poté v dýchacím řetězci přeměna na vodu za zisku energie (ATP) 8 H ….. 3 NADH + H+ 1 FADH2 - uvolnění - vstup do dalších reakcí - přímý zisk energie ‹#› 9 Citrátový cyklus CC acetylCoA citrát isocitrát 2-oxoglutarát sukcinyl-CoA fumarát malát oxalacetát NADH + H+ CO2 NADH + H+ CO2 sukcinát GTP FADH2 NADH + H+ ‹#› 10 Citrátový cyklus •terminální metabolická dráha •tři typy produktů: CO2 ® vydýchá se redukované kofaktory ® DŘ GTP ® ATP •tři nevratné reakce, ostatní jsou reverzibilní mitochondrie ‹#› 11 Acetyl-CoA vzniká různým způsobem •oxidační dekarboxylací pyruvátu •β-oxidací MK •katabolismem některých AK ‹#› 12 CC acetylCoA Glukosa Mastné kyseliny Aminokyseliny Uzlový bod energetického metabolismu organismu Poslední společná metabolická dráha pro živiny Energetická bilance citrátového cyklu…?… ‹#› 13 Význam citrátového cyklu Katabolický charakter Anabolický charakter CC • celková oxidace uhlíkatých sloučenin C Þ CO2 H Þ redukované koenzymy energie • zdroj sloučenin (prekursorů) pro biosyntetické reakce meziprodukty CC Þ syntetické reakce ‹#› 14 Energetická bilance CC Vznik v CC 1 × GTP 3 × NADH + H+ 1 × FADH2 • Ekvivalent ATP (DŘ) 1 9 2 Celkem 12 ATP ‹#› 15 Obecné vlivy na regulaci citrátového cyklu •energetický stav buňky rozhoduje o průběhu CC •poměr ATP/ADP a NADH+H+/NAD+ •allosterická inhibice •inhibice produktem •CC může probíhat jen za aerobních podmínek (= dostatek kyslíku v buňce), hypoxie způsobuje zástavu ‹#› 16 Dýchací řetězec Hlavní rysy • vnitřní mitochondriální membrána • systém (kaskáda, řetěz) oxidoredukčních enzymů s kofaktory enzymové komplexy I-IV dva pohyblivé přenašeče (koenzym Q, cyt c) kofaktory: cytochromy ubichinon (koenzym Q) FMN, FAD bílkoviny s nehemovým železem a sírou • konečná fáze přeměny vodíku z živin Spřažení dýchacího řetězce s aerobní fosforylací ‹#› 17 kofaktory: cytochromy ubichinon (koenzym Q) FMN, FAD bílkoviny s nehemovým železem a sírou Cytochromy – obsahují hemy Koenzym Q (Q10) Nehemové železo ‹#› 18 Vnitřní mitochondriální membrána • kristy • semipermeabilní • není propustná pro ionty • není propustná pro protony ! • obsahuje enzymové komplexy dýchacího řetězce, kofaktory • obsahuje transportní proteiny ‹#› 19 Dýchací řetězec a aerobní fosforylace I II III IV vnitřní mitochondriální membrána matrix mezimembránový prostor dýchací řetězec aerobní fosforylace (DŘ) ‹#› 20 Aerobní fosforylace je důsledek reoxidace redukovaných kofaktorů v DŘ Živiny (redukované formy C) CO2 + redukované kofaktory (NADH+H+, FADH2) reoxidace v DŘ dehydrogenace O2 Protonový gradient + H2O ADP + Pi ® ATP dekarboxylace ‹#› 21 Živiny jsou redukované formy uhlíku protože v nich převažují nízká oxidační čísla uhlíku Průměrné ox.č. C = 0,0 Průměrné ox.č. C = 0,0 Průměrné ox.č. C = -1,8 Þ uhlík je nejvíce redukovaný ‹#› 22 DŘ je soustava redoxních dějů ve vnitřní mitochondriální membráně, která začíná oxidací NADH a končí redukcí O2 na vodu + H+ Transfer elektronů ve vnitřní mitochondriální membráně je spojen s transferem protonů přes membránu do mezimembránového prostoru. ‹#› 23 Čtyři typy kofaktorů v DŘ •flavinové kofaktory (FMN, FAD) •nehemové železo a síra (Fe-S) •ubichinon (Q) •hem (cytochromy) Rozlišujte: hem (cyklický tetrapyrrol) × cytochrom (hemový protein) ‹#› 24 Schematicky průběh • reduk.kofaktory (NADH, FADH2) [oxidace enzymy dýchacího řetězce DŘ (komplexy I-IV) - vstup do DŘ - postupný transport ………….. - reakce s kyslíkem za vzniku vody • uvolněná energie se uchovává se ve formě ATP I II III IV H2O ATP „ENERGIE“ Redukované kofaktory O2 vnitřní mitochondriální membrána matrix mezimembránový prostor ADP+Pi ‹#› 25 vnitřní mitochondriální membrána NADH+H+ NAD+ FADH2 FAD Þ 2e- ½O2+2H+ H2O n H+ n H+ n H+ Živiny CO2 Redukované kofaktory ATP matrix ……e-………. Katabolické děje P r o t o n o v ý g r a d i e n t ADP+Pi ‹#› 26 Syntéza ATP aerobní fosforylací Protonový gradient H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ ATP ADP + Pi ATP-synthasa F0 F1 F1 Protonmotivní síla ‹#› 27 Vodík přenesený do dýchacího řetězce Přenos na vnější stranu Přenos přes enzymy DŘ membrány v membráně přenos ve třech komplexech DŘ terminální akceptor protonový gradient O2 vybití gradientu vede ke vzniku energie ENERGIE využita k syntéze ATP („konzerva“ energie) H+ e- ‹#› 28 Rozpojovače •DŘ a fosforylace jsou za normálních podmínek těsně spojeny jako důsledek nepropustnosti VMM pro H+ •jediná cesta zpět do matrix je přes Fo část ATP-syntasy •některé látky mohou vybít protonový gradient bez zisku chemické energie (ATP) - rozpojí DŘ od aerobní fosforylace •uvolní se pouze teplo •DŘ probíhá bez přerušení •aerobní fosforylace neprobíhá ‹#› 29 Rozpojovače n H+ DŘ ‹#› 30 2,4-Dinitrofenol •pravý rozpojovač •otrava: zvýšená tělesná teplota, horečka, pocení, zrychlený dech •smrtelná dávka kolem 1 g •v letech 1920-30 se užíval v dávce 2,5 mg/kg jako „zázračný“ prostředek na hubnutí •podobně působí pikrová kyselina ‹#› 31 Thermogenin je fyziologický rozpojovač •speciální bílkovina s kanálem pro H+ •vyskytuje se v hnědé tukové tkáni (buňky mají více mitochondrií) •probíhá DŘ, tvoří se H+ gradient, thermogenin vybíjí gradient na teplo, netvoří se ATP •novorozenci, hibernující zvířata (zimní spáči) • ‹#› 32 Inhibitory DŘ Dýchacího řetězce •rotenon, barbital (I) •malonát (II) •antimycin A (III) •dimerkaprol (III) •CO, CN-, SH-, N3- (IV) • • ATP-syntasy •oligomycin • ATP/ADP-translokasy •kys. bongkreková •atraktylosid • ‹#› 33 Zisk energie v dýchacím řetězci Stechiometrie tvorby ATP při aerobní fosforylaci Oxidace Zisk ATP NADH 3 FADH2 2 ‹#› 34 Energetická bilance citrátového cyklu Přímý zisk v CC Zisk energie v DŘ GTP ……………………………………………1 ATP 3 NADH …reoxidace v dýchacím řetězci…3 x 3 ATP FADH2 …..reoxidace v dýchacím řetězci …….2 ATP Celkem 12 ATP na 1 acetylCoA ‹#› 35 Substrátová fosforylace •ATP vzniká při konverzi makroergních meziproduktů při metabolismu živin •sukcinyl-CoA (CC) •1,3-bisfosfoglycerát (glykolýza) •fosfoenolpyruvát (glykolýza) Aerobní fosforylace •navazuje na DŘ •na syntézu ATP se využije protonmotivní síla • • Dva způsoby vzniku ATP ‹#› 36 „ANORGANICKÉ „BIOCHEMICKÉ SPALOVÁNÍ“ SPALOVÁNÍ“ • Energie je uložena v makroergních sloučeninách • Energie je dostupná pro pozdější využití • Energie uvolněna jako teplo • Žádná energie není uložena Oxidace sacharidu Þ CO2 + H2O Oxidace sacharidu Þ CO2 + H2O Biochemické oxidace „Buněčné dýchání“ Oxidace v postupných krocích In vitro In vivo