10. Metabolismus. František Škanta

Biochemie II 2009/10 Metabolismus František Škanta

Metabolické dráhy Primární metabolismus Metabolismus sacharidů Glykolýza Krebsův cyklus Oxidativní fosforylace Metabolismus lipidů Oxidace mastných kyselin Syntéza mastných kyselin Fotosyntéza Světelná fáze Temnostní fáze

Glykolýza 1. fosforylace 2. štěpení hexosy na dvě vzájemně převoditelné triosy 3. vytvoření ATP na úrovni substrátu.

Čistý zisk na 6 uhlíků: 2 ATP 2 NADH

Oxidace glukosy

2 NADH

Glucose

2 NADH

2 Pyruvate

2 ATP

Cytoplasma

2 Acetyl CoA

2 CO2

Mitochondrie

6 NADH 2 FADH2 Krebs cycle

2 ATP

4 CO2

Pyruvát dehydrogenása Pyruvát

Stimulována NAD+, CoA, AMP

Citrát

Acetyl CoA

Oxaloacetát

Inhibována ATP, acetyl CoA, a NADH


Krebsův cyklus (1937)

2C

1. Kondenzace

6C

1. Kondensace

2. Oxidativní dekarboxylace na 5C

4C

5C 5. Regenerace oxaloacetátu ze sukcinátu 3. Oxidativní dekarboxylace na 4C

4C 4. Substrátová fosforylace

Krebsův cyklus je také zdrojem prekursorů pro biosyntetické dráhy



BUŇEČNÁ RESPIRACE

2 NADH

Glukóza

2 NADH

2 Acetyl CoA

2 Pyruvát

2 ATP

2 CO2

Electron Oxidativní fosforylace transportní řetězec H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ + + H+ H H 6 NADH

2 FADH2 Krebs cycle

2 ATP

O2

H2 O

4 CO2 34 ATP

Max. zisk z jedné molekuly glc: Cytoplasma

Mitochondrie

34 ADP

38

Chemiosmóza = proton motivní síla ELEKTRON TRANSPORTNÍ ŘETĚZEC H+ H+

MEZI

H+ H+

H+ H+

Q

MATRIX

H+

H+ H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+ H+

H+

Q Complex ll FAD

NADH H+

H+

H+

Complex l

VNITŘNÍ

H+

H+

Complex lll

Cyt c Complex lV

FADH2

NAD+ H+

2e- + 2H+ + 1/2 O

2

H2O

Jak mitochondrie generuje chemickou energii z živin?

53

NADH FADH2

Volná energie vztažená na O2 (kcal/mol)

50

40

Fe•S

FMN Fe•S

Q

Jak je tato energie využita?

Cyt b

30

Fe•S Cyt c Cyt c Cyt a

20

Cyt a3

10

0

Oxidačně-redukční reakce

1/2 O 2

Struktura ATP syntázy H+ Mezimembránový prostor

H+

H+ H+

H+

FO unit

Mitochondriální matrix

Rod H+

F1 unit

ADP + Pi

ATP

Výtěžek: Hlavně redukované koenzymy úplná oxidace Glukóza → CO2 + H2O ∆Go’ = -2840 kJ/mol hydrolýza ATP → ADP + Pi ∆Go’ = -30.5 kJ/mol 38 ATP x –30.5 kJ/mol = -1,160 kJ/mol -1,160 kJ/mol X 100 = 40 % -2840 kJ/mol


Metabolismus lipidů

Triacylglyceroly • Skladují velké množství metabolické energie. • Kompletní oxidací 1g mastné kyseliny 38 kJ energie z 1g sacharidů nebo proteinů pouze 17 kJ. • 1g tuku skladuje 6 x více energie než 1 g hydratovaného glykogenu. • Zásoby glykogenu a glukosy vystačí zásobovat organismus energií jeden den. Triacylglyceroly týdny. • U savců je hlavním místem akumulace triacylglycerolů cytoplasma adiposních buněk (tukových buněk).



Katabolismus lipidů

Aktivace mastných kyselin O

O -

+

ATP

O

R

CoA

+

Acyladenylát

O

O

+ R

PPi

AMP

R

Mastná kyselina

+

AMP

Acyladenylát

HS

CoA R

AMP

S Acyl-CoA

Na vnější membráně mitochondrie jsou mastné kyseliny aktivovány za katalýzy acyl CoAsynthetasy .

Transport aktivované mastné kyseliny do matrix mitochonodrie Acyl-CoA

karnitinacyltransferasa I.

CoA

Karnitin

Acylkarnitin

Cytosol

Translokasa

Matrix

Karnitin Acyl-CoA

Acylkarnitin CoA

karnitinacyltransferasa II

Reakční sekvence beta -oxidace dehydrogenace I Acyl CoA H Dehydrogenase R-CH2 -C-C-COSCoA R-CH2 -C=C-COSCoA

Matrix mitochondrií

HH

HH

FAD

FADH2

L-β-Hydroxyacyl CoA Dehydrogenase

β-Ketoacyl CoA H

NADH + H+

CoASH

NAD+

Thiolase

R-CH2-C-SCoA

thiolázová reakce

O

+

trans-∆2-enoyl CoA H2O Enoyl CoA Hydratase

hydratace

HH R-CH2 -C-C-COSCoA

R-CH2 -C-C-COSCoA OH

H

HO H

L-β-Hydroxyacyl CoA

dehydrogenace II CH3-C-SCoA O

Opakuje se

Výtěžek kompletní oxidace palmitátu Palmitoyl CoA + 7 FAD + 7 NAD+ + 7 CoA + 7 H2O 8 acetyl CoA + 7 FADH2 + 7 NADH + 7 H+ V dýchacím řetězci se získá z jednoho NADH asi 3 ATP a z jednoho FADH2 asi 2 ATP. Sečteno: 7 x FADH2 = 14 ATP 7 x NADH = 21 ATP Oxidace 8 acetyl CoA v citrátovém cyklu = 88 ATP Součet : 118 ATP Spotřeba na aktivaci mastné kyseliny: 2 ATP Konečný součet : 116 ATP

Odbourávání nenasycených mastných kyselin H

H H3C

C

H

H C

C

(CH2)4

O C

C

S

C H2

C H2

CoA

Cis-∆ ∆3-Enoyl-CoA-isomerasa

H3C

(CH2)4 C H

H2 C C H

O

H

C

C C H2

C

CoA S

H

Cis izomer je převeden na trans isomerasou.

Odbourávání mastných kyselin s lichým počtem uhlíků

O H3C

-

CoA

C C H2

O

O

S ATP +

Propionyl-CoA

HCO3-

ADP + Pi

S

C

O H3C

CoA

C

C

O

O

H

D-Methylmalonyl-CoA

-

S

C H3C

CoA

C

C

O

O

H

L-Methylmalonyl-CoA

H2 C

O -

C O

CoA

C C H2

S

Sukcinyl-CoA

Převedení L-methylmalonyl CoA na sukcinyl CoA probíhá za účasti enzymu methylmalonyl CoA mutasy jehož koenzymem je derivát vitaminu B12 – kobalamin.

Glycerol se přeměňuje na meziprodukty glykolýzy

CH2OH HO

C

Glycerol

Glycerolkinasa

H

CH2OH

H

CH2OH

Glycerol-3-fosfátdehydrogenasa HO

ATP

ADP

CH2OH

C

H

O 2-

CH2O PO3

L-Glycerol-3-fosfát

NAD+

NADH + H+

O C

Triosafosfátisomerasa

C 2-

CH2O PO3

Dihydroxyacetonfosfát

H

C

OH 2-

CH2O PO3

D-Glyceraldehyd-3-fosfát

První stupeň Glukosa ATP

Glukoneogeneze

ATP F-1,6-BP

DHAP

GAP NADH ATP

Glykolýza

2x PEP ATP Pyruvát



Anabolismus lipidů

Klíčovým krokem syntézy mastných kyselin je tvorba malonyl CoA Acetyl CoA + ATP + HCO3-

malonyl CoA + ADP + Pi + H+

Katalyzuje acetyl CoA karboxylasa (obsahuje biotin) a je allostericky aktivována nadbytkem citrátu, naopak je inhibována nadbytkem Acetyl CoA, které nejsou dostatečně rychle esterifikovány. Dva kroky katalýzy.

Multienzymový komplex – acetyl CoA karboxyláza Acyl přenášející protein ACP-SH

Transfer acetylCoA do cytosolu: MITOCHONDRIE

Biosyntéza MK

CYTOSOL

Acetyl-CoA

Acetyl-CoA Citrát

Citrát

+ Oxaloacetát

acetyl CoA karboxyláza

Oxaloacetát

NADH

Malát

Pyruvát

Pyruvát NADPH

Rozdíly mezi odbouráváním a syntézou mastných kyselin 1. Syntéza mastných mitochondrií.

kyselin

probíhá v

cytoplasmě,

odbourávání v

matrix

2. Meziprodukty syntézy mastných kyselin jsou kovalentně vázány na sulfhydrylové skupiny ACP (acyl carrier protein), kdežto meziprodukty degradace jsou vázány na SH skupinu CoA. 3. Enzymy syntézy polypeptidový řetězec (synthasa mastných kyselin). Enzymy degradace volně v matrix. 4. Řetězec mastných kyselin se prodlužuje o dva uhlíky z acetyl CoA. Aktivovaným donorem dvou uhlíků je malonyl CoA a prodlužování řetězce je poháněno odštěpováním CO2. 5. Redukčním činidlem při syntéze je NADPH, oxidačními činidly při degradaci jsou FAD+ a NAD+. 6. Prodlužování řetězce na synthase mastných kyselin končí tvorbou palmitátu (C16). Další prodlužování řetězce a tvorba nenasycených kyselin probíhá na jiných enzymech.

Živočichové nedokáží převést mastné kyseliny na glukosu !!!

• Proč ? •

Acetyl-CoA nemůže být převeden na pyruvát nebo oxaloacetát, neboť vstupuje do citrátového cyklu a oba uhlíky se v jeho průběhu odštěpí jako CO2.

•

Rostliny mají další dva enzymy v tzv. glyoxylátovém cyklu a jsou schopné převést acetyl CoA na oxaloacetát.



Fotosyntéza

Chloroplasty Světlo absorbující pigmenty Světelná reakce C3 rostliny (Calvinův - Bensonův cyklus) Fotorespirace C4 rostliny (Hatch-Slackův cyklus) CAM rostliny

Chloroplast

Vnější membrána Lamela Vnitřní membrána Mezimembránový prostor Grana Stroma

Prostor thylakoidu

Chloroplast - fotosyntetická organela eukaryot

Pigmenty a antény

Struktury chlorofylů CH2 R1

R2

CH

3

H3C

N +

+

N

N

III

CH3

CH

CH2

CH2 O

C

O

C

R4

O

CH

CH2

O

Bakteriochlorofyl a Bakteriochlorofyl b a

C O

CH2

O

CH2

CH2

CH3

COO

C

H

CH3

CH3

a

CH3

-

COO

-

(Fe-protoporfyrin IX)

R4

CH2

CH3

P

CH2

CH3

P

a CH3

CH3

P=

C

N

CH2

O

Chlorofyl b

2+

Fe

H3C

O

R3

CH3

N

V

Chlorofyl

Chlorofyl a

CH2

+

N

2+

IV

R2

CH

Mg

CH2

R1

H3C

N

N H3C

R3

II 4 +

I

CH3

H2C

Fytylový postranní řetězec

a CH2

CH

CH3

P nebo G

a

CH3

značí, že mezi C3 a C4 se nevyskytuje dvojná vazba.

G= P

H2C

Geranylový postranní řetězec

Model antény a reakčního centra

Přeměny světelného záření po dopadu na povrch listu

Rostlina je zelená díky chlorofylu. Ale proč je chlorofyl zelený?

Absorpční spektra různých fotosyntetických pigmentů.

Sluneční spektrum

Chlorofyl b Chlorofyl a Absorbance

Karotenoidy Fykoerythrin

Fykocyanin

400

500 Vlnová délka (nm)

600

700

Primární procesy fotosyntézy Procesy spojené s absorbcí a přeměnou světelné energie v energii chemickou Procesy: Fotolýza vody Cyklický a necylický transport e-

Sekundární procesy fotosyntézy Fixace CO2 a jeho následná redukce na cukr

Vstupy a výstupy látek a energie v primárních procesech oxygenní fotosyntézy

Přehled fotosyntézy – souhrnná reakce Donor elektronů

foto.obecně:

hυ υ

CO2 + 2H2A → (CH2O) + 2A + H2O

(1)

hυ υ

foto. oxygenní:

CO2 + 2H2O → (CH2O) + O2 + H2O

(2)

hυ υ

foto. anoxygenní:

CO2 + 2H2S → (CH2O) + 2S + H2O (3)

Primární procesy fotosyntézy Realizovány dvěma fotosystémy, které se vzájemně liší složením pigmentů Fotosystém I: absorbce dlouhovlnějšího záření v červené oblasti 700 nm, obsahuje karotenoidy, fykobiliny, chlorofyl a, chlorofyl b Fotosystém II: absorbuje krátkovlnější oblast záření 680 nm, obsahuje xantofyly, karotenoidy, fykobiliny, chlorofyl a, chlorofyl b

Schéma přenosu elektronů v thylakoidní membráně Z schéma

Fotolýza vody – tvorba kyslíku • PS II (P680, fotosystém II) obsahuje centrum uvolňující kyslík (oxygen evolving center-OEC). • Působením světelných kvant (fotonů) zde dochází k rozkladu molekul vody 2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e• Elektrony uvolněné z vody vstupují do PSII, kde jsou světelnými kvanty uvedeny excitací do vyšších energetických hladin označených jako P680* a posléze putují řetězcem přes QH2.

Diagram Z-schéma PSI P700*

-1.4

A

0

A1 F

-1.2

X

F -1.0

F

PSII P680*

Chl a

hν ν -0.4

Q

+

A

-0.2

Q

0 ∆ξ°´(V) ∆ξ

B

8 H (stroma)

cyt b

6

QPOOL

hν ν

Q

+0.2 +

8 H (thylakoid)

+0.4

+1.0 +1.2

B

O2 + 4 H+ (thylakoid)

6

S

0

S

PC

Cytochrom b f

Manganový 2 H2O komplex

e-

[4Fe-4S] cyt f

Z

4

P680

2 NADP+ + 2 H+

e-

Cyklická cesta

Pheo a

-0.6

+0.8

Necyklická cesta

Fd

-0.8

+0.6

A

P700

FNR (stroma) 2 NADPH

Lokalizace systémů PSII, PSI, cytochromu b6f a ATP-synthasy na thylakoidech

Volná membrána (stromatální lamela)

Převrstvená membrána (granum)

Fotosystém PSI

ATP-synthasa

Fotosystém PSII

Cytochrom b f 6

Plastochinon (Q) – plastochinol (QH2) O H3C

H CH3

H3C

CH2 O

CH

C

CH2

H n

CH2

H n

Plastochinon 2[H ]

OH H3C

H CH3

H3C

CH2 OH

CH

Plastochinol

C

Energetický výtěžek světelné fáze fotosyntézy •

Absorpce 4 fotonů PSII generuje 1 molekulu O2 a uvolní se 4 protony do dutiny thylakoidu.

•

2 molekuly plastochinolu jsou oxidovány komplexem bf za uvolnění 8 protonů do dutiny thylakoidu.

•

Elektrony ze 4 molekul redukovaného plastocyaninu jsou za účasti dalších 4 absorbovaných fotonů předány na ferredoxin.

• • •

Čtyři molekuly redukovaného ferredoxinu generují 2 molekuly NADPH. Celková reakce tvorby NADPH: 2 H2O + 12 NADP+ + 10 H + stroma = O2 + 2 NADPH + 12 H + thylakoid

•

Dvanáct protonů v thylakoidu vstupuje do ATPsynthasy. Tvoří se celkem 3 molekuly ATP.

Z-schéma světelné fáze fotosyntézy •

Elektrony mohou dosáhnout na ferredoxin-NADP+ reduktasu (FNR), která katalyzuje redukci NADP+.

•

Oxidace vody a tok elektronů přes Q cyklus generuje transmembránový protonový gradient s vyšší koncentrací protonů na straně thylakoidní dutiny (lumen - uvnitř). Energie gradientu se uplatňuje při tvorbě ATP.

•

Různé prosthetické skupiny fotosyntetického aparátu rostlin mohou být seřazeny podle redukčního potenciálu v diagramu zvaném Z-schéma.

•

Elektrony uvolněné z P680 po absorpci fotonů jsou nahrazovány elektrony z fotolýzy vody. Každý elektron prochází řetězcem přenašečů do hotovosti plastochinonových molekul. Vytvořený redukovaný plastochinol redukuje cytochrom b6f komplex, za současného transportu protonů do thylakoidů. Cytochrom b6f přenáší elektrony na plastocyanin (PC) a ten regeneruje fotooxidovaný P700 v PSI. Elektrony emitované z PSI redukují přes řetězec přenašečů NADP+ na NADPH. Necyklický proces. V cyklickém procesu se elektrony vrací zpět na cytochrom b6f a přitom se přenášejí další protony do thylakoidu.

Calvin-Bensonův cyklus (cyklus PRC)

Fotosyntetické procesy v chloroplastech - souhrn

Biosyntéza sacharidů: •

Celková stechiometrie Calvin-Bensonova cyklu:

•

3 CO2 + 9 ATP + 6 NADPH → GAP + 9 ADP + 8 Pi + 6 NADP+

•

Vytvořený GAP může být využit k řadě biosyntéz, buď vně nebo uvnitř chloroplastu. Může být převeden na fruktosa-6-fosfát dalším postupem cyklu a poté na glukosa-1-fosfát (G1P) (fosfoglukosaisomerasa a fosfoglukosamutasa).

•

G1P je prekurzor všech dalších sacharidů rostlin.

•

Hlavní složka škrobu, a-amylosa, je syntetizována v stromatu chloroplastu jako dočasná skladovatelná forma glukosy.

•

a-Amylosa je také syntetizována jako dlouhodobá skladovatelná forma v jiných částech rostlin jako jsou listy, semena a kořeny.

•

Celulosa tvořena dlouhými řetězci b(1→ 4)-vázanými glukosovými jednotkami je hlavním polysacharidem rostlin. Je syntetizována z UDP-glukos v rostlinné plasmové membráně a vylučována do extracelulárního prostoru.

Syntéza škrobu. Celkově je reakce poháněna hydrolýzou PPi. O -

O

P O

O

γ

O

P

-

O

β

O

-

O

HOH2C

ATP

P O

α

ADENOSIN

-

O

HO HO

Syntéza škrobu je podobná syntéze glykogenu.

O OH

O

Glukosa-1-fosfát

-

P

O -

O

Anorganická fosfatasa PPi

ADP-glukosafosforylasa

2 Pi

HOH2C HO HO

O O OH

O

O

P O

O -

P

ADENOSIN -

O

HOH2C

ADP-Glukosa Synthasa škrobu ADP

HOH2C HO HO

O

+

HOH2C OH

O

OH

HO HO

O

α-Amylosa (n jednotek)

O HO

O

OH

α-Amylosa (n + 1 jednotek)

O

Fotorespirace Na Rubisco soutěží o vazbu CO2 a kyslík (Karboxylace nebo Oxygenace)

Oxygenasová reakce RUBISCA. Chloroplast – peroxisom (glyoxysom). -

O

O

2-

C H

CH2 OPO3

C

OH

+

2CH2 OPO3

3-Fosfoglycerát

-

Pi

C O

O

Fosfoglykolátfosfatasa

CH2 OH -

C O

2-Fosfoglykolát

O2 2CH2 OPO3

C

H

C

H

C

-

O

O2

Glykolát

O

O

O

C OH OH

2CH2 OPO3

Ribulosa-1,5-bisfosfát

H2O2

Katalasa

1/2 O2 + H2O2

C O

O

Glyoxylát

Ribulosa-1,5-bisfosfát karboxylasa/oxygenasa -

O

C HO

Glykolátoxidasa

H

C

Glycerátkinasa

OH

NAD+

NADH

H

C

O

-

O C

OH

C

O

Hydroxypyruvátreduktasa

CH2 OPO3

3-Fosfoglycerát

CHLOROPLAST

O C

2-

CO2

-

CH2 OH

ADP

ATP

CH2 OH

Glycerát

Hydroxypyruvát

PEROXISOM

Oxygenasová reakce RUBISCA. Peroxisom – mitochondrie.

-

H2C NH3

C O

CO2

+

C HO -

O

Glyoxylát

C O

O

Glycin O

-

O C

NH3

O

TRANSAMINACE

H

C

+

NH3

CH2 OH

-

O

Serin

C C

O

CH2 OH

Hydroxypyruvát

PEROXISOM

MITOCHONDRIE

Co je důsledkem oxygenační aktivity Rubisco ?

Fotorespirace je devastující proces jehož výsledkem je neužitečná spotřeba světlem vytvořeného NADPH a ATP !!!

CO2 koncentrační mechanismy rostlin C4

10. Metabolismus. František Škanta

Recommend Documents