J. Vondráček
Buněčný metabolismus
Téma přednášky
BUNĚČNÝ METABOLISMUS
základní dráhy energetického metabolismu buňky a
dynamická podstata jejich regulací – glykolýza,
citrátový cyklus a oxidativní fosforylace, pentózový
cyklus, glukoneogeneze
mitochondriální metabolismus a jeho regulace na
úrovni buňky a mitochondrií; struktura a dynamika
mitochondrií;
Makroergické sloučeniny
živočišná buňka potřebuje energii skladovat, přenášet a zapojovat do
chemických reakcí syntetizujících potřebné sloučeniny;
sloučeniny (meziprodukty) s vysokým obsahem energie – ta je z nich
většinou uvolněna jednoduchým štěpením chemické vazby – makroergické
sloučeniny ;
nejběžnějším typem ve všech organismech – adenosintrifosfát (ATP);
ATP → ADP + Pi (ΔG = −30,5 kJ/mol); ΔG = standardní volná energie
Makroergické sloučeniny
štěpení ATP (exergonická reakce) je spřažena s dalšími energeticky
nepříznivými reakcemi (endergonickými) reakcemi – fosfátový zbytek je
přenášen na substrát – vzniká reakční intermediát s vyšší energií;
př. syntéza glutaminu z kys. glutamové a amoniaku:
ATP je základní zdroj energie
pro syntézu makromolekul –
cukrů, nukleových kyselin i
proteinů;
Makroergické sloučeniny
další typy nukleosid trifosfátů jsou méně
univerzální a používají se pro specializované
reakce – UTP – aktivace sacharidů před
vstupem do metabolických drah; GTP - zdroj
energie při translaci;
enolfosfáty obsahují skupinu −OH, jež se
estericky váže na fosfát. fosfoenolpyruvát makroergická
sloučeninou s ΔG (až −61,9
kJ/mol) – hydrolýza fosfoenolpyruvátu je
využita pro regeneraci ATP;
acylfosfáty – 1,3-bisfosfoglycerát
(meziprodukt glykolýzy);
fosfoguanidiny - fosfokreatin (kreatinfosfát)
- zdroj energie v kosterní svalovině;
nízkoenergetické fosfáty (při štěpení
uvolňují méně než 20 kJ/mol) - např.
glukóza-6-fosfát, fruktóza-6-fosfát;
Biochemistry. 5th edition.
Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L.
New York: W H Freeman; 2002.
Přenašeče elektronů – NADH, NADPH
sloučeniny podílející se na redoxních reakcích, součást spřažených reakcí
v buňce;
při jejich redukci přijímají 2 elektrony a 1 proton – hydridový ion (naváže se
na nikotinamidový kruh) – snadno je odevzdá pro redukční reakci – přenos
redukčního ekvivalentu;
nikotinamidadenindinukleotidfosfát (NADP+) a
nikotinamidadenindinukleotid (NAD+);
Přenašeče elektronů – NADH, NADPH
nikotinamidadenindinukleotidfosfát (NADP+) a nikotinamidadenindinukleotid
(NAD+) – odlišný tvar – to umožňuje rozdílnou vazbu těchto molekul na specifické
enzymy;
NADPH – kofaktor enzymů katalyzujících anabolické reakce – dodává energii
pro syntézu;
NADH – specifická úloha v katabolických reakcích vedoucích k oxidaci
substrátu a tvorbě ATP;
uvnitř buňky – vysoký poměr NAD+/NADH a nízký poměr NADP+/NADPH
Další typy přenašečů
další typy molekul účastnící se chemických reakcí – obsahují skupinu vázanou
vazbou jejíž štěpení uvolní energii nezbytnou pro další reakci;
acetylkoenzym A (acetyl-CoA) – účastní se štěpení mastných kyselin (oxidace),
biosyntéza lipidů – přenos 2 uhlíků (acetyl);
Další typy přenašečů
flavinadenindinukleotid (FAD+) –
koenzym, který je jako prostetická
skupina součástí flavoproteinů;
redukovaná forma FADH2 vzniká v
Krebsově cyklu a zapojuje se do
dýchacího řetězce;
Základní dráhy energetického metabolismu
živočišné buňky využívají jako
zdroj energie hlavně cukry a
tuky, pouze v nepříznivých
podmínkách další typy molekul;
glykolýza – základní dráha pro
syntézu ATP (2x), NADH (2x) a
pyruvátu (2x);
nevyžaduje kyslík – elektrony
jsou odebírány za tvorby NADH;
pyruvát je transportován do
mitochondrií – tvorba CO2 a
acetyl-CoA – posléze vzniká
CO2 a H2O;
jen výjimečně – např. ve
svalech (málo kyslíku) NADH a
pyruvát zůstávají v cytosolu –
tvorba laktátu a NAD+ (udržuje
glykolýzu v anaerobních
podmínkách);
Základní dráhy energetického metabolismu
klíčové kroky vedoucí k syntéze
ATP a tvorbě NADH;
důležité je aby štěpení vazby
poskytlo více energie než je
třeba k jejich syntéze;
Uchovávání energie
pro buňky je klíčové udržovat vysoký poměr ATP/ADP – vzhledem k tomu, že
potravu přijímají živočichové potravu jen občas – nutnost uchování energie;
forma triglyceridů – tukové kapénky v cytoplazmě – vznikají z ER a jsou
ohraničeny jednoduchou membránou; množství a velikost závisí na
metabolickém stavu buňky a typu; dlouhodobé uchovávání energie;
Uchovávání energie
krátkodobé uchovávání energie – ve formě glykogenu; ten je přítomen ve
formě granulí, zejména v buňkách zapojených do metabolismu (hepatocyty)
nebo spotřebovávajících velké množství energie (svaly);
při nedostatku energie je z glykogenu syntetizován glukóza-6-fosfát;
nevýhodný pro dlouhodobé uchovávání energie – menší obsah energie, váže
velké množství vody; průměrná lidská buňka – zásoby na 1 den (triglyceridy
na 1 měsíc);
Uvonění energie z triglyceridů
při nedostatku potravy (energie) dochází k hydrolýze triglyceridů v tuk. kapénkách nebo
ve specializovaných buňkách - adipocytech – mastné kyseliny jsou transportovány do
mitochondrií;
zpracování mastných kyselin -oxidací pro tvorbu ATP probíhá v mitochondriích,
přestože se na metabolismu mastných kyselin podílejí i peroxizómy (ty ale převážně
metabolizují velmi dlouhé mastné kyseliny, větvené mastné kyseliny, produkty
metabolismu mastných kyselin – zapojení do anabolických procesů);
Konečný cíl mastných kyselin i cukrů - mitochondrie
transport pyruvátu do mitochondrií – pyruvát dehydrogenáza – tvorba acetylCoA
(1x), NADH (1x) a CO2;
mastné kyseliny – 1 cyklus -oxidace produkuje acetyl-CoA (1x), NADH (1x)
a FADH2 (1x); + GTP
základní zdroj tvorby ATP – Krebsův cyklus (cyklus kyseliny citrónové) v
matrix mitochondrií – zpracování acetyl-CoA;
reprezentuje cca 2/3 oxidací uhlíkových sloučenin v buňce; hlavním
produktem je CO2 a elektrony s vysokou energií (hlavně v NADH);
Tuky jsou energeticky mnohem bohatší substrát
Krebsův cyklus a dýchací řetězec
produkuje 3 typy
energeticky
významných
molekul:
NADH (3x), FADH2
(1x) a GTP (1x);
GTP reaguje s ADP
za tvorby ATP (1x);
elektrony v NADH
a FADH2 –
následně využity
pro tvorbu ATP
oxidativní
fosforylací; do
dýchacího řetězce
ve vnitřní
membráně
mitochondrií;
Meziprodukty energetického metabolismu – syntéza malých molekul i
buněčných makromolekul
reakce glykolýzy a
Krebsova cyklu
zároveň slouží k
syntéze mastných
kyselin, cukrů,
nukleotidů a
aminokyselin;
součástí syntézy a
degradace těchto
sloučenin jsou i reakce
zahrnující přeměny
molekul obsahujících
N a S;
Meziprodukty energetického metabolismu – syntéza malých molekul i
buněčných makromolekul
reakce se často odehrávají na úrovni různých buněk a tkání – příklad:
Coriho cyklus, alanin-pyruvátový cyklus – spolupráce hepatocytů a
svalových buněk;
glykolýza – centrální dráha propojená se všemi úrovněmi buněčného
metabolismu;
BMC Systems Biology 2011, 5:180
Ústřední organela energetického metabolismu - mitochondrie
NADH předává elektrony s vysokou energií komplexům dýchacího řetězce – finální
krok je vznik H2O; tato energie je využita k transportu H+ protonovými pumpami vzniklý
protonový gradient pohání ATP syntázu;
mitochondrie – velikost, tvar i množství se liší ~ typ buňky, intenzita metabolismu,
apod.; typicky cca 20 % objemu cytoplasmy;
jsou to vysoce dynamické organely – neustále mění tvar, dělí se fúzují, apod.; liší se
pohyblivostí;
Struktura mitochondrií
vnitřní mitochondriální membrána obklopuje matrix, vytváří invaginace – kristy
(cristae) – obsahují proteiny vytvářející komplexy dýchacího řetězce;
mezimembránový prostor je obklopen vnější mitochondriální membránou –
permeabilní pro ionty a malé molekuly (< 5000 Da) – prostřednictvím porinů je
mezimembránový prostor spojen s cytoplasmou;
výsledkem je, že v mezimembránovém prostoru je stejné pH a iontové složení
jako v cytoplasmě – elektrochemický gradient vzniká na vnitřní mitochondriální
membráně;
Funkční kompartmentalizace mitochondrií
vnitřní mitochondriální
membrána se dělí na funkčně
odlišné oblasti:
- hraniční (boundary) membrána
– import proteinů, inzerce
membrány, sestavování
komplexů dýchacího řetězce;
- memrána krist – obsahuje ATP
syntázu a komplexy dýchacího
řetězce – až 75% tvoří proteiny;
kristy zvětšují povrch
dostupný pro oxidativní
fosforylaci – v kardiocytech je
tak např. povrch
mitochondriálních krist 20x větší
než plazmatická membrána (v
lidském těle cca 1 fotbalové
hřiště);
- tyto dvě oblasti jsou odděleny –
spoje krist (cristae junctions) –
speciální proteiny vytvářejí
bariéru a zároveň udržují
strukturu krist;
Funkční kompartmentalizace mitochondrií
matrix – Krebsův cyklus (citrátový cyklus);
obsahuje také mtDNA a mitochondriální ribozómy; většina genů kódujících
mitochondriální proteiny je na jaderné DNA;
specifika transkripce a translace v mitochondriích - mtDNA neobsahuje téměř žádné
nekódující oblasti, specifické využití kodonů, menší množství tRNA;
mutace mtDNA – velmi závažné dědičné metabolické poruchy – přenášeny z matky na
dcery; poškození (zejména oxidativní) a kumulace změn v mtDNA – souvisí se stárnutím
organismu;
proč mají mitochondrie stále ještě oddělený genom? – syntéza vysoce hydrofobních
proteinů (obtížný transport), stále probíhající evoluce?
Tvorba komplexů dýchacího řetězce
mtDNA - 13 proteinů (+ 22
tRNA a 2 rRNA);
jaderná DNA - většina
proteinů dýchacího řetězce,
proteiny regulující expresi a
údržbu mtDNA a všechny
proteiny mitochondriálních
ribozómů;
Mitochondrie – vysoce dynamické organely
procesy dělení a fúze kontrolují tvar a pohyblivost
mitochondrií v různých buňkách;
změny souvisejí nejen s metabolismem, ale i se
stárnutím mitochondrií a jejich signalizační úlohou v
buňce;
Variabilita mitochondrií
se dynamicky mění vlivem vnějšího prostředí (např. parciální tlak
O2, množství živin), onemocnění, ve speciálních typech buněk
apod. – např. kompaktní vs. retikulární (vláknité) mitochondrie:
Milo et al., Cell Biology by the Numbers,
New York, Garland Science, 2016
J. Comp. Neurology, 2005, 492:50 – 65
část dendritu nervové buňky potkana
Interakce mitochondrií s ER
mitochondrie úzce interagují s ER – výměna lipidů mezi membránami;
kontakty ER a mitochondrií startují procesy fúzování a dělení mitochondrií;
Esenciální role mitochondrií v buněčném metabolismu
vedle dýchacího řetězce a Krebsova cyklu hrají mitochondrie i další
významnou úlohu v buněčném metabolismu:
- udržování redoxní rovnováhy v cytoplasmě – regenerace NAD+
využitého pro tvorbu 1,3-bisfosfoglycerátu v glykolýze; vnitřní
mitochondriální membrána nepropustná pro vznikající NADH –
prostřednictvím malých molekul jsou elektrony přeneseny na NAD+ v
matrix;
- mitochondrie mohou poskytovat citrát – např. syntéza acetyl CoA –
syntéza mastných kyselin a sterolů pro stavbu buněčných membrán;
- močovinový cyklus – přeměna NH4
+ (vznikající při odbourávání
aminokyselin) na močovinu probíhá částečně v mitochondriích;
- při hladovění jsou aminokyseliny ze štěpených proteinů transportovány do
mitochondrií a tam oxidovány za vzniku ATP;
- biosyntéza hemu;
- tvorba fosfolipidů;
- přebírání Ca2+ z ER;
- syntéza steroidů;
Chemiosmotická teorie
energie vznikající metabolismem je uložena ve formě energeticky
bohatých molekul, které přenášejí elektrony do dýchacího řetězce;
sérií reakcí, jejichž konečným produktem je H2O, vzniká
elektrochemický gradient pohánějící tvorbu ATP – oxidativní
fosforylaci;
Přenos elektronů z NADH (a FADH2) na kyslík se odehrává
prostřednictvím velkých enzymatických komplexů
3 komplexy – protonové pumpy poháněné transportem elektronů:
- komplex I - NADH-ubichinonreduktáza
- komplex III - ubichinol-cytochrom c-reduktáza
- komplex IV - cytochrom c-oxidáza
+
- komplex II - sukcinát-ubichinonreduktáza (vstup FADH2) – nefunguje
jako protonová pumpa, pouze předává elektrony z FADH2
Jednotlivé komplexy nejsou oddělené – vytvářejí tzv.
superkomplex dýchcího řetězce
jednotlivé komplexy vytvářejí superkomplex (velikost 1-2 MDa) – jeho
tvorba a stabilita záleží na přítomnosti kardiolipinů (specifické fosfolipidy
mitochondriálních membrán);
Energie uvolněná oxidací je uložena v podobě elektrochemického
gradientu
elektrochemický gradient – kombinuje dva typy gradientů - pH gradient a
membránový potenciál:
elektrochemický gradient respirující mitochondrie ~ 180 mV – V cca
150 mV, pH gradient 0,5 - 0,6 jednotek pH (pH 1 pH – cca 60 mV);
generuje protonmotivní sílu;
gradient pohání jak syntézu ATP, tak transport přes vnitřní mit. membránu
(např. proteinů matrix, dalších malých molekul);
ATP syntáza
proteinový komplex jehož aktivita je klíčová pro vznik energeticky
bohatého substrátu – ATP;
glykolýza – na 1 molekulu glukózy – 2 molekuly ATP;
kompletní oxidace 1 molekuly glukózy – glykolýza po oxidativní
fosforylaci – cca 30 molekul ATP;
• nanostroj – rotační
katalýza:
• 23 podjednotek, 600
kDa;
• tok protonů do matrix
pohání rychlostí cca
8000 ot./min;
• 1 otáčka = 3 ATP;
• 400 ATP/s
ADP/ATP translokáza (carrier protein)
tvorba ATP vyžaduje
rychlý transport ADP do
matrix a zároveň
transport vzniklého ATP
do cytoplazmy;
ADP/ATP translokáza;
součást rodiny cca 20
proteinů rodiny
mitochondriálních
přenašečů/transportérů
– transportují významné
metabolity, vč. fosfátu pro
syntézu ATP;
součástí této rodiny je i
uncoupling protein
(thermogenin, UCP-1) – v
hnědé tukové tkáni
umožňuje přenos protonů
za současného
uvolňování tepla (bez
syntézy ATP);
Další dráhy energetického metabolismu
glukoneogeneze – syntéza glukózy a glykogenu;
pentózový cyklus;
Glukoneogeneze
v případě energetického
nadbytku, nebo dalších potřeb
organismu mohou živočišné
buňky syntetizovat glukózu;
základním substrátem je
pyruvát (jeho zdrojem může
být laktát), ale stejně mohou
sloužit i meziprodukty Krebsova
cyklu (prostřednictvím přeměny
na oxaloacetát), aminokyseliny
(s výjimkou Lys a Leu) a
glycerol;
většina reakcí je opakem
glykolýzy, ale glukoneogeneze
není obrácená glykolýza!!!
reakce, katalyzované glukóza-
6-fosfatázou, fruktóza-1,6bisfosfatázou,
pyruvát
karboxylázou a PEP
karboxykinázou jsou unikátní;
Glukoneogeneze
pyruvát karboxyláza –
mitochondriální protein,
ostatní reakce probíhají v
cytoplazmě;
ve většině tkání není
výsledným produktem
glukóza, ale glukózo-6-fosfát
(zůstává v buňce);
pokud je třeba produkovat
glukózu – např. udržování
hladiny v krvi – probíhá její
tvorba v ER;
Biochemistry. 5th edition.
Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L.
New York: W H Freeman; 2002.
Glukoneogeneze
glukoneogeneze a glykolýza jsou
koordinovány – v rámci buňky je
aktivní jen jedna dráha;
kontrola aktivity specifických
enzymů;
koncentrace laktátu (a dalších
prekurzorů) a glukózy;
Biochemistry. 5th
edition.
Berg JM,
Tymoczko JL,
Stryer L.
New York: W H
Freeman; 2002.
Pentózový cyklus
buňky udržují nízký poměr NADP+/NADPH – redukce substrátů –
anabolické reakce;
zdrojem NADPH je glukózo-6-fosfát - pentózový cyklus
(hexózomonofosfátová odbočka);
1. fáze – oxidační reakce (vznik NADPH) a 2. neoxidační fáze – přeměny
cukrů (zdroj pro syntézu nukleotidů) a tvorba meziproduktů glykolýzy;
1. fáze – oxidační reakce - na 1 molekulu G6P vznikají dvě NADPH
Biochemistry. 5th edition.
Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L.
New York: W H Freeman; 2002.
Pentózový cyklus
vzniklý ribulózo-5-fosfát – zdroj pro syntézu nukleových kyselin;
ale buňka produkuje velké množství tohoto meziproduktu (potřebuje velké
množství NADPH);
působením transketoláz a transaldoláz vznikají meziprodukty glykolýzy, které
jsou dále využity v glykolýze – fruktózo-6-fosfát a glyceraldehyd-3-fosfát;
Biochemistry. 5th edition.
Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L.
New York: W H Freeman; 2002.
Aerobní glykolýza
rychle proliferující buňky vyžadují nejen energii, ale i velké množství
substrátů pro anabolické reakce; přestože je aerobní glykolýza nevýhodná
energeticky, v podmínkách dostatečného přísunu glukózy produkuje ATP
dokonce rychleji než oxidativní fosforylace;
hlavní funkcí je ale pravděpodobně podpora syntézy buněčných
makromolekul, kofaktorů apod. – koplexní přestavba buněčného
metabolismu;
Science, 2009, 324:1029 - 1033
Aerobní glykolýza
meziprodukty
glykolýzy jsou
významným
zdrojem pro
biosyntézu
lipidů,
nukleotidů i
proteinů;
Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2011,
27:441-464
K zamyšlení
buňky využívají sloučeniny s vysokoenergetickými vazbami jako
systém pro přenos energie – makroergní sloučeniny;
stejně tak jsou pro buňky důležité sloučeniny umožňující přenos
redukčních ekvivalentů – oxidační a redukční reakce;
tyto reakce probíhají jako spřažené reakce;
základní energetický metabolismus – glykolýza (cytoplazma) a
Krebsův cyklus + oxidativní fosforylace (mitochondrie);
tuky a cukry jsou základní energetické substráty – glykogen a
tuky umožňují krátkodobé a dlouhodobé skladování energie
(glykog. granule a tukové kapénky) – všechny energetické
substráty jsou nakonec zpracovávány v mitochondriích;
mitochondrie – základní organely energetického metabolismu s
vysokou dynamikou; funkční kompartmentalizace mitochondrií;
spolupráce buněk různých orgánů na energetickém metabolismu;
glukoneogeneze a pentózový cyklus; meziprodukty reakcí
energetického metabolismu jsou zároveň substráty pro syntézu
dalších biomolekul – buňky dynamicky mění metabolismus – př.
aerobní glykolýza;