•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