Zbroj svih biokemijskih reakcija u organizmu, koje uključuju promjenu energije.

Metabolizam govori kako se energija dobiva, pretvara, koristi ili pohranjuje u stanici.Svaki metabolički put je kaskada reakcija koje vode ka sintezi ili razgradnji nekog spoja.

METABOLIZAM

Katabolizam

Metabolički putovi koji vode razgradnji velikih složenih molekula u manje.

Ove rakcije najčešće su praćene oslobađanjem energije.

Anabolizam

Ovim metaboličkim putovima se iz jednostavnijih sintetiziraju velike i složene molekule.

Nazivaju se i biosintetskim reakcijama i često zahtijevaju unos energije.

Katabolizam i anabolizam su uvijek povezani, preko energije (ATP) a i zajedničkih metabolita.

Oksidacija : otpuštanje elektronaRedukcija : primitak elektronaMolekula koja otpušta e- je e--donor

(reducens).Molekula koja prima e- je e--akceptor (oksidans).Te reakcije se odvijaju uvijek u paru, donor/akceptor.

U većini slučajeva oksidacija i redukcija mogu se pratiti kretanjem vodikovih atoma:

Molekula koja prima vodik se reducira.

Molekula koja otpušta vodik se oksidira.

e- se može prenijeti na nekoliko načina:

1. Direktni prijenos: npr. metal-ioni,Fe+2 + Cu+2 �� Fe+3 + Cu+

2. Prijenos s vodikovim atomom, AH2 +B�� A + BH2

Opća slika metabolizma

Središnja uloga Acetil-CoA u staničnom metabolizmu

Struktura Acetil CoA

Piruvat � Acetil CoA(oksidativna dekarboksilacija piruvata)

Kompleks piruvat dehidrogenaze (PDH)

Katalitički kofaktori TPP, liponamid i FAD

Piruvat dehidrogenaza (PDH)

Četiri stupnja reakcije

DekarboksilacijaOksidacijaStvaranje acetil-CoARegeneracija liponamida

Tri podjedinice enzima

E1- Dekarboksilaza-dehidrogenazaE2- TransacetilazaE3- Dihidroliponamid- dehidrogenaza

Oksidativna dekarboksilacija piruvataKompleks piruvat dehidrogenaze (PDH)

Koenzimi i prostetske skupine piruvat-dehidrogenaze

Kofaktor Lokacija Funkcija

Tiamin-difosfat(TPP)Liponska kiselina

Koenzim A (CoA)Flavin-adenin dinukleotid (FAD)Nikotinamid-adenindinukleotid (NAD+)

vezan na E1

vezana na lys naE2 (liponamid)

supstrat za E2vezan na E3

supstrat for E3

dekarboksilira piruvat dajući hidroksietil-TPP karbanionprihvaća hidroksietilkarbanion sa TPP-akao acetilnu skupinuprihvaća acetilnu skupinusa liponamidaoksidira liponamid

oksidira FADH2

Regulacija PDH

Acetil.CoA inhibira E2NADH inhibira E3

inhibicija produktom

PDH-kinaza se aktivira kad stanica ima:mnogo energije (ATP), acetil-CoA, NADH

Time se E1-PDH fosforilira i inaktivira

U suvišku piruvata PDH-kinaza se isključuje čime se E1-PDH defosforilira (PDH-fosfataza) i ponovo aktivira

}

Regulacija piruvat-dehidrogenaze (PDH)

PDH-E1

Regulacija kovalentnom modifikacijom

(interkonverzija)

AcCoANADH

Piruvat

Citratni ciklus

Acetil-CoA ulazi u ciklus;

nastaju 2 CO2, 3 NADH, 1 GTP i 1 FADH2.

Svi međuprodukti se regeneriraju, troši se jedino acetil CoA

Citratni ciklus

Detalji citratnog ciklusa

kompleks 2-oksoglutarat dehidrogenaze sličan je kompleksu piruvat dehidrogenazeenergija hidrolize sukcinil-CoA dovoljna je za nastanak GTP-a, (iz kojeg nastaje ATP)akonitaza i sukcinat-dehidrogenaza su željezo-sumpor proteiniNeto reakcija citratnog ciklusa:

H3C-C~SCoA + 3H2O � 2CO2 + 8 [H] + HSCoAIIO

Citratni ciklus u biosinteziSukcinil-CoA se koristi za sintezu porfirinskog prstena hema2-oksoglutarat i oksalacetat se koriste u sintezi aminokiselinaOksalacetat se nadomješta karboksilacijom piruvata

“Nusprodukti” glikolize i citratnog ciklusa

Citratni ciklusCiklus trikarbonskih kiselina

(TCA)Krebsov ciklus

Zbirna jednadžba:

Acetyl-CoA + 2H2O + 3NAD++FAD+GDP+Pi �3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP + CoA +2 CO2

I. faza kondenzacijeII. faza oksidativne dekarboksilacijeIII. faza regeneracije

reakcija 1

reakcije 2, 3, 4

reakcije 5, 6, 7, 8

8 reakcija citratnog ciklusa: Acetil-CoA se oksidira do CO2 Sve se reakcije odvijaju u

mitohondrijuCiklički karakter procesa:Počinje sa oksalacetatom � završava sa

oksalacetatomOksalacetat se regenerira u svakom ciklusu

Energija oslobođena u citratnom ciklusu pohranjujese u obliku reduciranih koenzima NADH, FADH2.

Reakcija 1

COO-C=OCH2COO-

CH3-C-S-CoA

=O

COO-CH2

HO-C-COO-

CH2COO-

OAA Citrat

citrat sintaza

AcCoA

CoA-SH

AcCoA + OAA + H2O � Citrate + CoA + H+ �Go’ = -31.5 kJ/mol

IreverzibilnaKontrolna točkaAkumulacija citrata inhibira citrat-sintazu

Reakcija 2

akonitat-hidrataza

reverzibilna izomerizacija

�Go’ = 6.3 kJ/mol

Reakcija 3

nastanak prvog CO2 i NADH u ciklusu kontrolna

točka

�Go’ = -21 kJ/mol

izocitrat dehidrogenaza

Reakcija 4

�-oksoglutarat dehidrogenaza�Go’ = -33

kJ/molkontrolna točka

�-oksoglutarat dehidrogenazaKao i PDH – ima 3 enzimaE1: 2-oksoglutarat dekarboksilaza-

dehidrogenazaE2: transsukcinilazaE3: dihidroliponamid dehidrogenaza

isti kofaktori kao i kod PDH: TPP, liponamide, FAD, NAD, CoA

E2; inhibira ga sukcinil CoAE3; inhibira ga NADH

isti enzim kaoi kod PDH

GDP + Pi

GTP

CoA-SH

Sukcinil-CoA sintetaza

Energija hidrolize tioesterske veze koristi se za sintezu GTP.

�Go’ = -2.1kJ/mol

GTP + ADP �� ATP + GDPNukleozid difosfat kinaza

Reakcija 5

Sukcinat dehidrogenaza

Reakcija 6

Kovalentno vezan FAD, prostetska skupina

�Go’ = 6 kJ/mol

SDH je vezana na unutrašnju membranu mitohondrija, ostali su enzimi CLK slobodni u matriksu mitohondrija.

Sukcinat

Fumarat

FAD FADH2

CoQ

QH2

FADH2 se reoksidira predajom e- koenzimu Q,QH2 se reoksidira u respiratornom lancu.

Reakcija 7

fumarat-hidrataza

�Go’ = -3.4kJ/mol

Reakcija 8

Malat dehidrogenaza

�Go’ = 29.7

jako endergona reakcija ali se oksalacetat brzo uklanja ujako egzergonoj sintezi citrata �Go’ = -31.5kJ/mo.l

Standardne promjene slobodne energije (�Go’) te promjenekod fizioloških uvjeta (�G) u reakcijama CLK.Reaction

Enzyme

�Go

’�G

1234

5678

Citrat sintazaAkonitat-hidratazaIzocitrat dehidrogenaza�- oksoglutaratdehidrogenazaSukcinil-CoA sintetazaSukcinat dehidrogenazaFumarat hidratazaMalat dehidrogenaza

-31.55-21-33

-2.1+6-3.4+29.7

Negativna~ 0NegativnaNegativna

~ 0~ 0~ 0~ 0

-53.9-17.5-43.9

Regulacija citratnog ciklusa

Piruvat dehidrogenaza se inhibira fosforilacijomATP povećava Km citrat-sintaze za acetil-CoAATP i ADP reguliraju izocitrat-dehidrogenazu2-oksoglutarat dehidrogenazu inhibiraju sukcinil-CoA, NADH i ATP

Oksidativna fosforilacijaElektrični potencijal elektrona prenesenih iz citratnog ciklusa koristi se u respiratornom lancu za stvaranje gradijenta protona na unutrašnjoj membrani mitohondrija, a on se koristi za fosforilaciju ADP-a u ATP.

MitohondrijMitohondrij sadrži enzime zadužene za citratni ciklus, oksidativnu fosforilaciju i oksidaciju masnih kiselina.Matriks je unutarnjom membranom odijeljen od međumembranskog prostora. Vanjska membrana je porozna.

Struktura mitohondrija

Oksidativna fosforilacija

Energija za sintezu ATP-a dobiva se prijenosom elektrona na spojeve s većim afinitetom za elektrone (redukcijski potencijal).

Respiratorni lanac

NADH-Q reduktaza (kompleks I)Kompleks I sadrži 34 polipeptida, FMN i Fe-S proteine.Elektroni se prenose na ubikinon a oslobođena energija koristi se izbacivanje protona kroz unutarnju membranu u međumembranski prostor.

Koenzim Q (ubikinon)

Ubikinon prima elektrone sa Fe-S proteina.Na kraju reakcije četiri protona izbacuju se na citosolnu stranu unutrašnje membrane.

Struktura NADH-Q reduktazeNije poznato na koji način konformacijske promjene kompleksa I rezultiraju izbacivanjem (pumpanjem) protona.

Sukcinat-Q reduktaza (kompleks II)

Sukcinat-dehidrogenaza u citratnom ciklusu stvara FADH2. Sa njega kompleks II prenosi elektrone na Fe-S centre, a zatim dalje na koenzim Q.Kompleks II nije protonska pumpa, jer je redukcijski potencijal premali za tu translokaciju.

Citokrom reduktaza (kompleks III)Citokromi su proteini prenosioci elektrona koji sadrže hem kao prostetsku skupinu.

Citokrom-reduktaza je protonska pumpa, a elektroni se prenose na citokrom C.

Citokrom-oksidaza (kompleks IV)

Citokrom oksidaza je treća protonska pumpa u respira-tornom lancu. Sadrži dva hem-željeza i dva Cu-iona.Četiri protona se izbace u međumembranski prostor kada par elektrona prođe kroz kompleks.

Korištenje gradijenta protona u sintezi ATP-a

ATP-sintaza koristi protok protona kao energiju za sintezu ATP-a.Sintaza se nalazi na unutrašnjoj membrani mitohondrija.

ATP sintaza ima dvije glavne podjedinice

Sferična F1 podjedinica nalazi se na strani matriksa unutrašnje membrane i sadrži katalitička sjedišta.Cilindrična F0 podjedinica nalazi se u samoj unutrašnjoj membrani i sadrži protonski kanal kompleksa.

Mehanizam F0/F1 ATP-azeProtok protona kroz F0 podjedinicu rezultira otpuštanjem ATP-a.Vezivanje ADP-a i anorganskog fosfata na jedno sjedište izazvat će otpuštanje ATP-a sa susjednog.Tri katalitička sjedišta nalaze se u tri različita konformacijska stanja, a protok protona izaziva rotaciju tih triju konformacijskih stanja.

Membranski potencijal ATP-sintazu pokreće pH gradijent te membranski potencijal.Membranski potencijal izaziva višestruko povećanje (1000 puta) lokalne koncentracije protona na F0/F1 spojnicama.

Glicerol-fosfatna skretnicaUnutrašnja membrana je neprolazna za NADH i NAD+.Elektroni (vodik) sa NADH prenose se na dihidroksi-aceton fosfat (DHAP) u citosolu – nastaje glicerol 3-P (G-3-P) koji ulazi u mitohondrij.Mitohondrijska glicerol dehidrogenaza oksidira G-3-P u DHAP a elektrone (vodik) prenosi na FAD.

Mitohondrijska ATP-ADP translokazaATP i ADP ne mogu slobodno proći kroz unutarnju mitohondrijsku membranu.ATP-ADP translokaza omogućava da ADP uđe samo ako istovremeno ATP izlazi.

Sažetak oksidativne fosforilacije

2.5 ATP nastaju po svakom oksidiranom NADH, te 1.5 ATP po svakom oksidiranom FADH2.Oko 30 ATP nastaje kad se molekula glukoze oksidira do CO2 i H20.Oksidativnu fosforilaciju inhibira:ugljični monoksid i cijanid (vezuju se na hem u citokrom-oksidazi)

SažetakPiruvat dehidrogenazaCitratni ciklus (ciklus limunske kiseline, ciklus trikarbonskih kiselina, Krebsov ciklus)Oksidativna fosforilacija

prenosnici elektrona – koenzim Q i citokrom CProtonske pumpe

kompleksi I, III and IVATP sintazaGlicerol fosfatna skretnicaATP-ADP translokaza

Polureakcija E��(V)

½ O2 + 2H+ + 2e- � H2O +0.816

O2 + 2H+ + 2e- � H2O2 +0.295

Citokrom a (Fe3+) + e- � Citokrom a (Fe2+) +0.290Ubikinon + 2H+ + 2e- � Ubihidrokinon +0.045Citokrom b (Fe3+) + e- � Citokrom b (Fe2+) +0.077Fumarat + 2H+ + 2e- � Sukcinat +0.031Krotonil-CoA + 2H+ + 2e- � Butiril-CoA –0.015Oksalacetat + 2H+ + 2e- � Malat –0.166Piruvat + 2H+ + 2e- � Laktat –0.190FAD + 2H+ + 2e- � FADH2 –0.219

Glutation + 2H+ + 2e- � Reducirani glutation –0.230Liponska kiselina + 2H+ + 2e- � Dihidroliponska kiselina –0.290NAD+ + 2H+ + 2e- � NADH + H+ –0.320�-ketoglutarat + 2H+ + 2e- � Izocitrat –0.3802H+ + 2e- � H2 –0.414

E�� = Standardni redukcijski potencijal

porast afiniteta za elektrone

(smjer kretanja elektrona)