‹#› 1 Obecné principy metabolismu Biologické oxidace, makroergní sloučeniny © Biochemický ústav LF MU 2013 - (H.P.) ‹#› 2 Metabolismus Soubor pochodů přeměny látek a energií v živých organismech Růst Rozmnožování Udržování struktury Reakce na prostředí Udržování funkcí ‹#› 3 Látkový metabolismus Soubor pochodů přeměny látek v živých organismech (látková přeměna) Metabolické pochody - spjaty s energií - pochody k ziskání energie - pochody využívající energii ‹#› 4 ENERGIE Nezbytná pro každý živý organismus Potřeba energie: - Pohyb: (Mechanická práce-svaly, buněčné pohyby) - Transport molekul (iontů) přes membrány - Syntéza biomolekul - Další potřeby (udržování tělesné teploty apod) Zisk energie u lidského organismu: metabolismem živin Energetický metabolismus je metabolismus, ve kterém z chemické energie živin vzniká energie využitelná v organismu. ‹#› 5 Jak obecně organismy získávají energii ? Organismy Fototrofy Chemotrofy Sluneční energie chemická energie – metabolismem živin Fotosyntéza 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2 fotografie,lidé,lidé při práci,muži,obchody,páni,podnikatelé prales MP900406803[1] ‹#› 6 FOTOTROFY Aerobní katabolismus O2 + org.hmota Fotosyntéza CHEMOTROFY CO2 + H2O ‹#› 7 Energie živých organismů má svůj původ ve sluneční energii, která je fotosyntézou transformována na do energii chemických vazeb. ‹#› 8 Energie a chemická reakce • posouzení, zda chemická reakce se uskuteční Þ dle energie • vyjadřujeme ji jako volnou energii (Gibsova energie: G) Gibsova energie: maximální energie, kterou soustava (na základě chemického děje) může využít k vykonání práce • symbol D G kritérium spontánnosti reakcí (p, t je konstantní) ‹#› 9 Rozdělení reakcí z hlediska energie: • reakce exergonické D G < 0 • reakce endergonické D G >0 ‹#› 10 Metabolické děje Exergonické děje Uvolní se volná energie CO2 + H2O Endergonické děje Dodává se volná energie Katabolické pochody Anabolické pochody ‹#› 11 Endergonické pochody probíhají ve „spřažení“ s reakcemi exergonickými Energie uvolněná exergonickými reakcemi se uchovává v buňce ……………….. Exergonická reakce Endergonická reakce ‹#› 12 Katabolismus Soubor degradačních procesů Př: Trávení živin Anabolismus Soubor biosyntetických procesů Př: Biosyntéza biomakromolekul Oba typy procesů probíhají současně, s různou intensitou ‹#› 13 Uchovávání volné energie Energeticky bohaté sloučeniny • ve své struktuře uchovávají energii • při jejich rozkladu se energie uvolní ‹#› 14 Univerzální zásoba energie ATP Vznik ATP: ADP + Pi → ATP (ΔG = 33,5 kJ.mol-1) Štěpení ATP: ATP → ADP + Pi (ΔG = - 33,5 kJ.mol-1) ‹#› 15 Chemická energie ATP se využívá například na: • chemickou práci (syntézy, spřažení dvou reakcí) • mechanickou práci (pohyb molekul, buněk, organismu) • elektroosmotickou práci (transport iontů - viz tabulka) Průměrné koncentrace vybraných iontů (mmol/l): Tekutina Na+ K+ ECT ICT 140 10 4 160 ‹#› 16 Příklad spřažených reakcí v metabolismu Počáteční krok glykolýzy – fosforylace glukosy Glu + H2PO4- → Glu-6-P + H2O ΔG > 0 ATP → ADP + Pi ΔG < 0 Glu Glu-6-P (součet ΔG < 0) ATP ADP ‹#› 17 Další makroergní sloučeniny • pyrimidinové nukleosidtrifosfáty: UTP - pro aktivaci glukosy (syntéza glykogenu) CTP - aktivace cholinu při syntéze fosfolipidů • purinové nukleosidtrifosfáty GTP - při proteosyntéze • metabolity s vysokým stupněm energie kreatinfosfát – při svalové práci fosfoenolpyruvát – meziprodukt glykolýzy • thioestery sukcinyl-CoA – při biosyntéze hemu ‹#› 18 Biologické oxidace Oxidačně redukční reakce Katalyzovány enzymy - oxidoreduktasami Význam: - metabolismus živin - buněčná respirace ‹#› 19 Opakování důležitých pojmů Redukce Příjem elektronů (př. Fe3+ → Fe2+ ) Příjem 2 atomů vodíků (hydrogenace) (př. pyruvát → laktát) Ztráta kyslíku Oxidace Ztráta elektronů (př. Fe2+ → Fe3+) Ztráta 2 atomů vodíků (dehydrogenace) (př. laktát → pyruvát) Příjem kyslíku ‹#› 20 Oxidačně redukční reakce Při oxidaci látka A odevzdává elektrony a při redukci látka B elektrony přijímá, přičemž oba děje probíhají současně. Ared + Box D Aox + Bred Příklad: Zn + Cu2+ D Zn2+ + Cu ‹#› 21 Oxidačně redukční reakce organických sloučenin Ared + Box D Aox + Bred Příklad: dehydrogenace laktátu laktát + NAD+ D pyruvát + NADH + H+ H Obecně: vodíkové atomy jsou při dehydrogenačních reakcích přenášeny na kofaktory - NAD+ a FAD (vznikají redukované kofaktory NADH a FADH2) ‹#› 22 NAD+ NAD+ + 2H → NADH + H+ Redukce NAD+ + ribosa P P ribosa adenin nikotinamidadenindinukleotid …….. ……. + ‹#› 23 FAD FAD + 2H → FADH2 FMN + 2H → FMNH2 REDUKCE FAD flavinadenindinukleotid FMN flavinmononukleotid 2fc076c0 FAD ‹#› 24 Souvislost kofaktorů a vitaminů MC900434411[1] Viz.další přednáška ‹#› 25 Oxidoreduktasy •- dehydrogenasy: katalyzují transfer 2 H atomů • Např. alkoholdehydrogenasa: ethanol + NAD+ D acetaldehyd + NADH + H+ •- oxygenasy: katalyzují zabudování jednoho nebo dvou O atomů do substrátu (monooxygenasy, dioxygenasy) • •- oxidasy: katalyzují transfer elektronů mezi substráty • Např. cytochrom-c-oxidasa v respiračním řetězci • •- peroxidasy: katalyzují rozklad peroxidů • Např. kataláza: H2O2 → 2H2O + O2 katalyzují oxidaci nebo redukci substrátu ‹#› 26 Princip odbourání živin postupná oxidace živin DEHYDROGENACE CO2 + H2O ENERGIE (ATP) ! ! vzniká ‹#› 27 Živiny slouží jako zdroj energie sacharidy lipidy bílkoviny postupná oxidace – formou dehydrogenace • vodíkové atomy převedeny na koenzymy - vznik NADH, FADH2 - redukované kofaktory převedeny do dýchacího řetězce - oxidace redukovaných kofaktorů v dýchacím řetězci - vznik energie ve formě ATP (aerobní fosforylace) • uhlíkový skelet živin je postupnou oxidací převeden na CO2 a H2O ‹#› 28 Dýchací řetězec je soustava redoxních dějů ve vnitřní mitochondriální membráně, která začíná oxidací NADH a končí redukcí O2 na vodu. Dýchací řetězec (DŘ, respirační řetězec) Aerobní fosforylace je děj, při kterém se energie získaná reoxidací redukovaných kofaktorů v DŘ využívá pro syntézu ATP ‹#› 29 Hlavní rysy dýchacího řetězce • 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 ‹#› 30 kofaktory: cytochromy ubichinon (koenzym Q) FMN, FAD bílkoviny s nehemovým železem a sírou Cytochromy – obsahují hemy Koenzym Q (Q10) Nehemové železo ‹#› 31 Lokalizace dýchacího řetězce – vnitřní mitochondriální membrána Struktura mitochondrie ‹#› 32 Image250 Mitochondrie ‹#› 33 Vnitřní mitochondriální membrána • kristy • semipermeabilní • není propustná pro ionty • není propustná pro protony ! • obsahuje enzymové komplexy dýchacího řetězce, kofaktory • obsahuje transportní proteiny ‹#› 34 Dýchací řetězec a aerobní fosforylace I II III IV vnitřní mitochondriální membrána matrix mezimembránový prostor dýchací řetězec aerobní fosforylace (DŘ) ‹#› 35 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 ‹#› 36 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 ‹#› 37 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 ‹#› 38 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- ‹#› 39 Zisk energie v dýchacím řetězci Stechiometrie tvorby ATP při aerobní fosforylaci Oxidace Zisk ATP NADH 3 FADH2 2 ‹#› 40 Spřažení DŘ a aerobní fosforylace Rozpojovače •Látky, které rozpojí DŘ od aerobní fosforylace (mohou vybít protonový gradient bez zisku chemické energie ATP) •uvolní se pouze teplo DŘ spřažen s aerobní fosforylací: • vybití protonového gradientu přes ATP-syntázu [ vznik ATP (vnitřní mitochondriální membrána – nepropustná pro H+) ‹#› 41 Působení rozpojovačů •DŘ probíhá bez přerušení •aerobní fosforylace neprobíhá ‹#› 42 Rozpojovače I II III IV n H+ n H+ n H+ Protonový gradient n H+ n H+ teplo ATP DŘ ATP-syntáza rozpojovač ‹#› 43 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 ‹#› 44 Thermogenin •fyziologický rozpojovač •speciální bílkovina s kanálem pro H+ •vyskytuje se v hnědé tukové tkáni prokrvená, hodně mitochondrií •novorozenci, hibernující zvířata 217171_140343h ‹#› 45 Substrátová fosforylace • ATP vzniká při konverzi makroergních meziproduktů při metabolismu živin sukcinyl-CoA (CC) 1,3-bisfosfoglycerát (glykolýza) fosfoenolpyruvát (glykolýza) Aerobní fosforylace • hlavní způsob vzniku ATP • navazuje na DŘ • na syntézu ATP se využije protonmotivní síla • Dva způsoby vzniku ATP ‹#› 46 „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