METABOLISMUS Pracovní sešit k přednáškám z biochemie pro studenty biologických kombinací III ZDENĚK GLATZ 1998 METABOLISMUS ŽIVOT ˇ růst ˇ rozmnožování ˇ vývoj a diferenciace ˇ dráždivost ˇ pohyb Látková přeměna - intermediální metabolismus Funkce - zajišťování energie - zajišťování stavebního materiálu Procesy - rozkladné - katabolické - disimilační - biosyntetické - anabolické - asimilační - amfibolické - obojí Rozdělení organismů podle metabolismu A. Podle zdroje přijímané energie fototrofy - sluneční energie chemotrofy - oxidace chemických látek B. Podle zdroje stavebního materiálu autotrofy - anorganické látky heterotrofy - organické látky C. Podle donoru elektronů organotrofy - organické látky litotrofy - anorganické látky D. Podle konečného akceptoru elektronů aeroby - O2 anaeroby - NO3 - , SO4 2- fermentace - elektrony jsou předávány na jiné organické látky Metabolismus H. KREBS - tři fáze metabolismu Katabolismus - degradační fáze metabolismu - konvergentní Funkce - produkce energie - poskytuje prekurzory - poskytuje NADPH 1. Fáze - složité molekuly štěpeny na stavební jednotky 2. Fáze - stavební jednotky převedeny na C1 a C2 látky 3. Fáze - citrátový cyklus + dýchací řetězec Anabolismus - biosyntetická fáze metabolismus - divergentní Funkce - zajišťování stavebního materiálu pro funkci a růst 1. Fáze - citrátový cyklus poskytuje prekurzory 2. Fáze - z prekurzorů jsou syntetizovány stavební jednotky 3. Fáze - ze stavebních jednotek jsou syntetizovány biopolymery Bioenergetika 1. Chemická energie 2. Mechanická - pohybová energie 3. Osmotická - transportní energie 4. Elektrická energie 5. Strukturní energie 6. Regulační energie 7. Tepelná energie 8. Světelná energie Chemická energie - energie vazeb a strukturního uspořádání chemických sloučenin Enthalpie H - reakční teplo při konstantním tlaku H < 0 - reakce exogenní H > 0 - reakce endogenní Gibbsova energie G - změna energie při konstantním tlaku a teplotě G = H - TS Go = -RT ln K Go = -nF Eo Go = Ho - TSo Go = Go produktů - Go vychoz. Látek G < 0 - reakce exergonické G > 0 - reakce endergonické Spřažení reakcí A + B C + D G1 0 D + E F + G G2 < 0 G = G2 + G2 Makroergické sloučeniny - makroergická vazba 1. při procesech uvolňování energie jsou schopny část této energie zachytit a uchovat 2. při procesech vyžadujících energii mohou svým rozkladem tuto uchovanou energii uvolnit a předat ATP - univerzální přenašeč energie LIPMANN a KALCKAR 1941 ATP + H2O ADP + Pi + H+ G = - 33 kJ/mol ATP + 2H2O AMP + 2Pi + 2H+ G = - 66 kJ/mol ATP + H2O AMP + P--P + H+ G = - 33 kJ/mol P--P + H2O 2Pi + H+ G = - 33 kJ/mol Tvorba ATP 1. Substrátová fosforylace M-P + ADP M + ATP M-X + Pi + ADP M + X + ATP 2. Fosforylace spřažena s tokem elektronů ˇ oxidační fosforylace ˇ fotofosforylace 3. Adenylátkinasovou reakcí ATP + AMP ADP Spotřeba ATP ˇ Biosyntetické reakce ˇ Počáteční stádia odbourávání živi ˇ Fyziologické procesy ˇ Vzájemné přeměny nukleotidů ATP + NDP ADP + NTP Další makroergické sloučeniny R CH2 C COO - O - 66 kJ/molR CH C COO - O P H2 O + Pi ENOYLFOSFÁTY ACYLFOSFÁTY GUANIDIUMFOSFÁTY NUKLEOTIDY - 33 kJ/mol H2 O PPNN P P P + Pi - 33 kJ/molH2 O PN + P PN P P P P P H2 O 2Pi - 33 kJ/mol ACYLTHIOESTERY FOSFOMONOESTERY -(40-50) kJ/molH2 O R C O O - + PiR C O O P H2 O PC C OH + Pi -(10 - 20) kJ/mol R1HS - 30 kJ/mol H2 O R C O O - +S R1 R C O H2 O R NH NH2 + C NH2 + Pi -(30-40) kJ/mol R NH NH2 + C NH P DÝCHACÍ ŘETĚZEC A OXIDAČNÍ FOSFORYLACE dýchací řetězec - přenos elektronů Respirace Spřažení oxidační fosforylace - tvorba ATP Aerobní respirace 2 H 2 H+ 2 e- H2O 1/2 O2 O2 - CITRÁTOVÝ CYKLUS H.Krebs (1937) - Krebsův cyklus, cyklus trikarboxylových kyselin Bilance cyklu : Acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 3 H2O 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP + CoA + 2 CO2 3 NADH 3 x 3 ATP 9 ATP 1 FADH2 1 x 2 ATP 2 ATP 1 GTP 1 x 1 ATP 1 ATP CELKEM 12 ATP/AcetylCoA Amfibolická povaha cyklu METABOLISMUS SACHARIDŮ Štěpení oligosacharidů a polysacharidů A. Štěpení sacharidů při trávení potravy - amylasa sliny, pankreas škrob Dextriny, maltosa, glukosa amyloglikosidada střeva glykogen maltosa maltasa " maltosa glukosa laktasa " laktosa glukosa, galaktosa sacharasa " sacharosa glukosa fruktosa celulasy houby, bakterie celulosa glukosa B. Štěpení rezervních polysacharidů fosforylasa játra glykogen glukosa-1-P - amylasa rostliny škrob maltosa Glukosa-6-fosfát - klíčový metabolit ˇ Fosforylací glukosy z potravy ˇ Izomerací glukosa-1-fosfátu z tkáňového glykogenu ˇ Izomeracemi a epimeracemi jiných monosacharidů GLYKOLÝZA C6H12O6 2 CH3COCOOH + 4[H] Historie : - 19. stol. Paster - kvasinky Buchner - kvasniční extrakt - 1905 - 1910 Harden, Young - 1940 Embden, Meyerhof, Parnas Bilance glykolýzy glukosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2Pi 2 pyruvát + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O GLUKOSA PYRUVÁT ANAEROBNÍ AEROBNÍ ANAEROBNÍ mléčné kvašení oxidační dekarboxylace alkoholové kvašení laktát acetylCoA ethanol CITRÁTOVÝ CYKLUS CO2 + H2O Aerobní odbourávání Oxidační dekarboxylace : pyruvát + NAD+ + CoA acetylCoA + NADH + H+ + CO2 Bilance aerobní glykolýzy : C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O Glykolýza 1 ATP + 1 NADH (4-1) ATP Oxidační dekarboxylace 1 NADH 3 ATP Citrátový cyklus 1 ATP 3 NAD + FADH2 12 ATP CELKEM 18 ATP/ triosu tj. 36 ATP/ glukosu tj. 40 % Mléčné kvašení pyruvát + NADH + H+ laktát + NAD+ Bilance mléčného kvašení : C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi 2 laktát + 2 ATP Glykolýza 1 ATP + 1 NADH Mléčné kvašení - 1 NADH CELKEM 1 ATP/ triosu tj. 2 ATP/ glukosu tj. 2 % Alkoholové kvašení Pyruvát acetaldehyd + CO2 Acetaldehyd + NADH + H+ ethanol + NAD+ Bilance alkoholového kvašení : C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi 2 ethanol + 2 ATP + 2 CO2 Glykolýza 1 ATP + 1 NADH Alkoholové kvašení - 1 NADH CELKEM 1 ATP/ triosu tj. 2 ATP/ glukosu tj. 2 % Další druhy kvašení ˇ Mléčné - Lactobacterium glukosa laktát ˇ Propionové - Propionibacterium glukosa k. propionová ˇ Máselné - Clostridium glukosa k. máselnou ˇ Octové - Acetobacter glukosa k. octová ˇ Citronové - Aspergillus glukosa k. citronová Pentosový cyklus 6 Glu-6-P + 12 NADP+ + 6 H2O 5 Glu-6-P + 6 CO2 + 12 NADPH + 12 H+ + Pi glykolýza - 36 ATP pentosový cyklus - 36 ATP Fruktosa Galaktosa BIOSYNTÉZA SACHARIDŮ ˇ Glukoneogenese ˇ Fotosyntéza Glukoneogenese 1. Vznik fosfoenolpyruvátu 2. Hydrolytické reakce A. fruktosabisfosfatasa fruktosa-1,6-bisfosfát + H2O fruktosa-1-fosfát + Pi B. glukosafosfatasa glukosa-6-fosfát + H2O glukosa + Pi Bilance glukoneogenese 2 pyruvát + 2 ATP + 2 GTP + 2 ATP + 2 NADH + 4 H+ + 6 H2O glukosa + 4 ADP + 2 GDP + 2 NAD+ + 6 Pi glykolysa (8 ATP) - glukoneogenese (12 ATP) = - 4 ATP Biosyntéza glukosy z dalších prekurzorů ˇ glukogenní aminokyseliny -pyruvát a meziprodukty citrátového cyklu ˇ lipidy - glycerol a acetylCoA Glyoxylátový cyklus: Biosyntéza oligo- a polysacharidů BIOSYNTÉZA SACHARIDŮ FOTOSYNTÉZA Význam : ˇ zachycení sluneční energie a syntéza glukosy z CO2 a H2O ˇ produkce O2 h 6 CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2 prokaryontní - sinice a bakterie Fotosyntezující organismy eukaryontní - vyšší rostliny a řasy prokaryontní - chromatofory Intracelulární lokalizace eukaryontní - chloroplasty Světelná fáze ˇ proces zachycení záření ˇ cyklický tok elektronů - cyklická fotofosforylace ATP ˇ necyklický tok elektronů - necyklická fotofosforylace ATP, NADP ˇ fotolýza vody - H2O 2 H+ + 2 e- + 1 /2 O2 ˇ spřažení transportu elektronů se syntézou ATP Schéma fotosystémů I a II Spřažení toku elektronů a fotofosforylace Temná fáze M.CALVIN 6 C5 + 6 CO2 12 C3 C6 10 C3 Jiný způsob fixace CO2 C3 rostliny - většina rostlin a řas - akceptor CO2 ribulosa-5-P - produkt 3-P-glycerát C4 rostliny - rychlerostoucí tropické rostliny - akceptor CO2 fosfoenolpyruvát - produkt oxalacetát CAM rostliny - tučnolisté - příjem CO2 probíhá v noci Calvinův cyklus METABOLISMUS LIPIDŮ Lipasy - hydrolasy - karboxylesterasy triacylglycerol + H2O glycerol + mastné kyseliny trávicí - potravní lipidy Lipasy orgánové - orgánové lipidy Fosfolipasy H CH2 CH2 CO CO R1 R2 C O O O O P O - O X D A1 C A2 Odbourávání mastných kyselin oxidace F.KNOOP 1909 F.LYNEN 1951 A. Aktivace mastných kyselin RCOO- + ATP RCOO-AMP + P~P RCOO-AMP + HSCoA RCOSCoA + AMP B. Transport RCOSCoA - karnitinový člunek C. oxidace Bilance oxidace : 1. cyklus - 1 FADH2 (2 ATP) + 1 NADH (3 ATP) - 5 ATP acetylCoA (citrátový cyklus) - 12 ATP na C16 - 7 x oxidace + 8 x citrátový cyklus - aktivace (7 x 5) + (8 x 12) - 2 ATP = 129 ATP Odbourávání nenasycených mastných kyselin Odbourávání mastných kyselin s lichým počtem C atomů Ketonové látky Metabolismus glycerolu Biosyntéza mastných kyselin A. Syntéza malonylCoA B. Syntéza palmitové kyseliny Synthasa mastných kyselin C. Další přeměny palmitové kyseliny ˇ prodlužování řetězce - elongace - elongasy ˇ dehydrogenace - desaturece - desaturasy Bilance biosyntézy mastných kyselin : 1. cyklus syntéza malonylCoA 1 ATP 2 NADPH na redukci 6 ATP na C16 7 x (16 /2 - 1) 49 ATP Biosyntéza triacylglycerolů Přenos AcetCoA vně mitochondrie Regulace metabolismu triacylglytcerolů METABOLISMUS BÍLKOVIN Proteolýza endopeptidasy Proteasy karboxypeptidasy exopeptidasy aminopeptidasy Proteasy - serinové cysteinové metaloproteasy kyselé - aspartátové 1. Žaludeční proteasy ˇ pepsin ˇ chymosin (renin, sýřidlo) 2. Pankreatické proteasy ˇ trypsin ˇ chymotrypsin ˇ elastasa ˇ karboxypeptidasa A,B 3. Proteasy střevní šťávy ˇ aminopeptidasy ˇ dipeptidasy 4. Buněčné proteasy ˇ živočichové - kathepsiny B, D, L, H, M, S a T ˇ rostliny - papain ˇ bakterie - subtilisin, pronasa ˇ Proteasy s jinou funkcí ˇ enterokinasa - aktivace zymogenů ˇ trombin - srážení krve Aktivace zymogenů žaludek pepsinogen pepsin pH slinivka bříšní enterokinasa trypsinogen trypsin chymotrypsinogen chymotrypsin proelastasa elastasa Hotovost - pool aminokyselin POTRAVA TKÁNĚ POOL AMINOKYSELIN BIOSYNTÉZA METABOLISMUS DUSÍKATÝCH LÁTEK AMINOKYSELIN C NH3 METABOLISMUS AMINOKYSELIN H N C OH OH CH3 H2 CP + C NH2 COO - R H N C H OH CH3 H2 CP C N COO - R C NH2 COO - R2 H C COO - R H O CH2 NH2R transaminace dekarboxylace přeměna postr. řetězce Transaminace aminokyselina1+-oxokyselina1 aminokyselina2+ -oxokyselina2 Oxidační deaminace savci glutamát + NAD+ + H2O 2-oxoglutarát + NH3 + NADH + H+ vejcorodí aminokyselina + FAD + H2O -oxokyselina + NH3 + FADH2 FADH2 + O2 FAD + H2O2 Dekarboxylace aminokyselina amin + CO2 Biogenní aminy cystein cystamin CoA k.asparagová alanin ,, tyrosin tyramin tkáňový hormon DOPA dopamin ,, histidin histamin ,, hydroxytryptofan serotonin ,, k.glutamová k.-aminomáselná neuromodulátor serin ethanolamin fosfolipidy methionin spermin, spermidin sperma Degradace uhlíkových koster aminokyselin 1. Glukogenní aminokyseliny - prekurzory sacharidů pyruvát - Ser, Ala, Cys, Gly, Thr, Met, Trp 2-oxoglutarát - Glu, Gln, Arg, Pro, His oxalacetát - Asp, Asn fumarát - Phe, Tyr sukcinyl-CoA - Val, Ile, Met, Thr 2. Ketogenní aminokyseliny - prekurzory mastných kyselin acetoacetát - Leu, Phe, Tyr, Lys, Trp acetyl-CoA - Leu, Ile, Trp Metabolismus amoniaku biosyntéza dusíkatých látek - AMK, puriny, pyrimidiny NH3 detoxikace Živočichové - amonotelní - NH3 - vodní živočichové - urikotelní - k.močová - vejcorodí - ureotelní - močovina - placentálové Rostliny - nevylučují NH3 Tvorba močoviny - ornitinový cyklus H. KREBS, K. HENSELEIT - 1932 O HCO3 - + NH4 + + NH3 H2N C NH2 + 2 H2O Biosyntéza aminokyselin esenciální aminokyseliny neesenciální Rostliny - všechny všechny Mikroorganismy esenciální a neesenciální Živočichové - esenciální a neesenciální Biosyntéza hemu Odbourávání hemu Biosynthesa purinových basí Odbourávání pyrimidinových a purinových basí ORGÁNOVÁ SPECIALIZACE BIOCHEMIE REGULACE WIENER ­ kybernetika příjem signálu vyhodnocení odezva chemické signály receptor přenos efektor elektrické Regulační mechanismy enzymy molekulární nukleové kyseliny A. na úrovni buňky prostorové uspořádání humorální - hormony B. na úrovni orgánů - specializace neurální - nervy imunologická - Ig Regulace na enzymové úrovni ­ rychlá odezva ˇ Michaelisovskou kinetikou ­ hexokinasa Km 10-4 M ­ glukokinasa Km 10 mM ˇ Inhibicí produktem Glu Glu-6-Phexokinasa ˇ Zpětnou vazbou ­ allosterie negativní x pozitivní ˇ Řídícími enzymy v cyklech ­ citrátový cyklus - ICDH ­ glykolysa PFK ˇ Kovalentí modifikací ­ proteasy ­ fosforylasa A B ­ trombin Regulace na úrovni NK ­ indukce a represe ­ pomalá odezva JACOB MONOD (1961) operonový model Prostorové uspořádání ˇ Kompartmentace - mitochondrie ­ oxidace, citrátový cyklus, respirace - cytoplasma ­ glykolysa, synthesa mastných kyselin ˇ Transportní systémy - ATPasa - karnitinový cyklus Humorální regulace Endokrinní systém ­ žlázy s vnitřní sekrecí hormony BAYLISS, STARLING (1904) - hormony Chemické složení ­ NO, AMK, peptidy, bílkoviny, steroidy, k.arachidonová Řízení CNS Receptory pro hormony Steroidy-tyroidní hormony Peptidy Inzulín Druzí poslové cAMP Fosfatidylinositol-4,5-bisfosfát Viagra 1-[-ethoxy-3-(6,7-dihydro-1-methyl-7-oxo-3-propyl-1H-pyrazolo[4,3- d]pyrimidin-5-yl)phenylsulphonyl]-4-methylpiperazin citrate C22H30N6O4S . C6H8O7