Obecný Obecný metabolismusmetabolismus

Obecný Obecný metabolismusmetabolismus

Metabolismus: Základní pojetí a obsah Metabolismus: Základní pojetí a obsah pojmu.pojmu.

Cesty přenosu signálu: Úvod do metabolismu Cesty přenosu signálu: Úvod do metabolismu informace. informace.

Regulace metabolických drah: Regulace metabolických drah: Glykolýza a glukoneogeneze. Glykogen.Glykolýza a glukoneogeneze. Glykogen.

Cyklus trikarboxylových kyselin.Cyklus trikarboxylových kyselin.Oxidatívní fosforylace. Oxidatívní fosforylace.

Calvinův cyklus a metabolismus fosfátů Calvinův cyklus a metabolismus fosfátů pentos. pentos.

Metabolismus mastných kyselinMetabolismus mastných kyselinObrat aminokyselin a jejich biosyntéza a Obrat aminokyselin a jejich biosyntéza a

katabolismus. katabolismus.

METABOLISMUS • Řešení dvou základních otázek• 1. Jak buňky získávají energii a redukční sílu ze svého okolí ? • 2. Jak buňky syntetizují základní stavební kameny makromolekul a poté samotné

makromolekuly ?• Oba procesy probíhají jako vysoce

organizované chemické reakce - metabolismus.

Buňky využívají různé typy energií

• - pro mechanický pohyb

• - k aktivnímu transportu molekul a iontů

• - k syntéze makromolekul z jednoduchých prekurzorů

• • Volná energie využívané při těchto procesech

se získává z vnějšího prostředí• První zákon termodynamiky

Fotosyntetyzující organismy – energetický základ života na Zemi

• Fototrofní organismy – přeměna světelné energie na energii chemických sloučenin.

• Chemotrofní organismy – získávají chemickou energii oxidací chemických sloučenin vytvořených fototrofy.

• Metabolismus nebo intermediární metabolismus – v buňkách probíhá v každém okamžiku tisíce transformací energie. Energie je uvolňována z energeticky bohatých sloučenin a využita k biosyntetickým procesům.

Metabolismus glukosy - glykolýza

Metabolické dráhy

• Spřažené reakce • Termodynamicky nevýhodná reakce je poháněna exergonní

reakcí. Obvykle přenos fosfátu z ATP.

• Kapitola 14 – pohyblivé schéma.

Hydrolýza ATP posunuje rovnováhu spřažených reakcí

• Termodynamicky nevýhodná reakční sekvence může být převedena na výhodnou spojením s potřebným množstvím molekul ATP v nové reakci(fosforylace substrátů).

Strukturní základy vysokého potenciálu přenosu fosfátu ATP

• Glycerol-3-fosfát + voda = glycerol + fosfát

• - 9, 2 kJ.mol

• ATP + voda = ADP + fosfát + H - 30, 5 kJ.mol

Rozdíly: rezonanční stabilita; elektrostatické odpuzování; stabilizace hydratací.

Celková volná energie chemické reakce je součtem volných energií dílčích reakcí

G = G o’ + RT ln [ C] [D] / [A] [B] A B + C G o’ = + 21 kJ.mol-1

B D G o’ = - 34 kJ.mol-1

A C + D G o’ = - 13 kJ.mol-1

Možné typy hydrolýzy ATP

ATP + H2O ADP + Pi

G o’ = - 30. 5 kJ.mol-1 ATP + H2O AMP + PPi G o’ = - 45, 6 kJ.mol-1

Termodynamicky nevýhodná reakce (25oC)

A B G o’ = + 13 kJ.mol-1

Keq’ = [B]eq / [A]eq = 10 - G o’ / 1, 36 = 1, 15.10-3 REAKCE NEPROBÍHÁ PŘI MOLÁRNÍM POMĚRU [B] / [A] > nebo = 1, 15.10-3

Termodynamicky nevýhodná reakce ve spojení s hydrolýzou ATP:

A + ATP + H2O = B + ADP + Pi + H+ Go´= - 13, 8 kJ.mol-1

Rovnovážná konstanta spřažené reakce:

Při pH 7 : Keq’ = [B]eq / [A]eq x [ADP]eq [Pi]eq / [ATP]eq = = 10 3, 3 / 1, 36 = 2,67.102 V rovnováze : [B]eq / [A]eq = Keq’ [ATP]eq / [ADP]eq [Pi]eq V buňkách je poměr [ATP] / [ADP] . [Pi] obvykle 500 mol-1. Potom : [B]eq / [A]eq = 2, 67.102 x 500 = 1, 34.105 Rovnovážný poměr je násoben faktorem 108

• Obecně nATP mění rovnováhu reakce násobkem 108n.

• Potenciál ATP se může uplatnit např. při přenosu fosfátu na protein (enzym), který je takto aktivován nebo při aktivním transportu látek přes membránu jako je např. symport Na+ a K+ při kterém je fosforylcí aktivována Na+ - K+ pumpa.

Glycerol-3-fosfát + H2O = Glycerol + Pi Go´= - 9, 2 kJ.mol-1

Jaký je strukturní základ vysokého potenciálu přenosu fosfátu ATP ?

• Změna standardní volné energie závisí na rozdílu volných energií produktů a reaktantů, tedy na jejich struktuře.

• Zkoumáme ADP a Pi jako produkty hydrolýzy ATP a ATP jako reaktant.

• Tři podstatné faktory : • - rezonanční stabilita • - ektrostatické odpuzování• - stabilizace hydratací

• ADP a Pi mají větší rezonannční stabilitu než ATP. Orthofosfát má řadu resonančních struktur, kdežto -fosfátová skupina ATP menší počet.

• Při pH 7 má trifosfát čtyři záporné náboje, které se odpuzují. Po hydrolýze ATP repulze mizí!

• Voda se váže mnohem efektivněji na Pi a ADP než na fosfoanhydridové vazby ATP. Stabilizace ADP a Pi hydratací !!

Resonanční struktury orthofosfátu

Nepravděpodobná resonanční struktura – dva atomy P s pozitivním nábojem vedle sebe.

Sloučeniny s vysokým potenciálem přenosu fosfátu – mohou fosforylovat ADP za tvorby ATP.

ATP je meziprodukt mezi těmito vysokoenergetickými sloučeninami a sloučeninami s nižším potenciálem.

Změna standardní volné energie hydrolýzy vybraných fosfátových sloučenin.

Kreatinfosfát – zásoba energie svalů obratlovců.

• Kreatinfosfát slouží u obratlovců jako zásoba svalové energie sloužící k regeneraci ATP z ADP za katalýzy kreatinkinasou:

• Kreatinfosfát + ADP + H+ = ATP + kreatin • Při pH = 7 je Go´ = - 43, 1 kJ/mol (hydrolýza kreatinfosfátu).

• Ve srovnání s hydrolýzou ATP (-30,5 kJ/mol) je celková změna rovna – 12,6kJ/mol což odpovídá rovnovážné konstantě = 162.

• Keq = [ATP] [kreatin] / [ADP] [kreatinfosfát] = 10 G(stand) / (2,303 RT) = 103/1,36 = 162.

• Koncentrace v odpočívajícím svalu: • [ATP] = 4 mM, [ADP] = 0, 013 mM, [kreatinfosfát] = 25 mM a

[kreatin] = 13 mM.

Zdroje ATP během tělesného cvičení.

• V typické buňce se ATP spotřebuje do půl minuty po tvorbě. Celkové množství ATP v těle je limitováno 100 g, jeho obrat je vysoký.

• Odpočívající člověk spotřebuje asi 40 kg ATP/den. Při intenzivní práce to může být až 0, 5 kg/min. Při 2 hod běhu se spotřebuje 60 kg ATP.

• Tvorba ATP je primární rolí katabolismu.

• U aerobních organismů je elektronovým akceptorem při oxidaci kyslík a produktem CO2.

Oxidace uhlíkatých sloučenin je důležitým zdrojem buněčné energie.

ATP – ADP cyklus

Volná energie oxidace jednoduchých uhlíkatých sloučenin.

Mastné kyseliny a sacharidy jsou největšími zdroji energie. Proč ?

Fosfáty s vysokým potenciálem spojují oxidaci uhlíku s tvorbou ATP. Jako příklad –

glyceraldehyd-3-fosfát.

Tvorba ATP na úrovni substrátu !!!!

Protonové gradienty.

• Tři stádia katabolismu.• 1. Velké molekuly se štěpí na menší jednotky. • 2. Množství malých molekul se odbourává na

několik jednoduchých, které hrají centrální roli v metabolismu. Např. acetyl CoA.

• 3. Kompletní oxidací acetyl CoA se vytváří ATP, CO2 a voda.

Tři stupně katabolismu.

V metabolických drahách je mnoho se

opakujících motivů.

• 1. Aktivovaní přenašeči elektronů pro oxidaci energeticky bohatých sloučenin (substrátů)

• 2. Aktivovaní přenašeči elektronů k reduktivním biosyntézám.

• 3. Aktivovaní přenašeči dvojuhlíkatých štěpů

• 4. Další různí přenašeči (tabulka)• Kinetická stabilita těchto molekul umožňuje bez

přítomnosti katalyzátorů jejich biologické funkce a enzymovou kontrolu toku volné energie a redukční síly

Vybraní aktivovaní přenašeči v metabolismu a jejich prekurzory

Struktury reaktivních částí FAD a FADH2

Donorem elektronů při mnoha biosyntézách je NADPH. Např. biosyntéza mastných kyselin

Aktivovaný nosič dvojuhlíkatých štěpů a acylů CoASH.

Acetyl CoA + H2O = acetát + CoA + H+.

Go´ = - 31, 4 kJ/mol.

Proč je thioester termodynamicky výhodnější než kyslíkatý ester ?

Typy chemických reakcí v metabolismu

• Typ reakce Popis

• Oxidačně-redukční Přenos elektronů• Tvorba vazeb za účasti ATP Tvorba kovalentních

vazeb • Izomerizace Přemístění atomů,

tvorba izomerů• Přenos skupin Přenos funkčních skupin

z jedné molekuly na druhou • Hydrolýza Štěpení vazby adicí vody• Adice a odstranění funkčních sk. Adice na dvojnou vazbu

a odštěpení funkční skupiny za tvorby dvojné vazby

Oxidačně-redukční reakce. Obě reakce jsou součástí citrátového cyklu

Karboxylace – tvorba vazby C – C za účasti ATP. Pyruvátkarboxylasa.

Izomerace

Přenos skupin – přenos fosfátu.

Hydrolýza – peptidasy, proteasy.

Adice funkční skupiny na dvojnou vazbu nebo odštěpení funkční skupiny za tvorby dvojné

vazby (lyasy)

Dehydratace

Řada metabolických drah má podobné sekvence reakcí.

(ACP = acyl carrier protein)

• Regulace metabolických procesů.• 1. Hladinou (množstvím) enzymů.• 2. Katalytickou aktivitou enzymů. • 3. Dostupností substrátů. • 1. Rychlost syntézy a odbourávání, změna rychlosti

transkripce.• 2. Aktivita enzymů: reversibilní allosterická kontrola,

inhibice produktem, kovalentní modifikace, hormony.• 3. Kontrola vstupu substrátů do kompartmentu

buňky. • Obecným principem regulace je kompartmentizace –

oddělení dvou protichůdných dějů membránou. • Řada reakcí je regulována energetickým nábojem v

buňce.• ATP generované katabolismem je inhibováno

energetickým nábojem, ATP spotřebovávané anabolismem je stimulováno energetickým nábojem.

Energetický náboj buňky • Energetický náboj = [ATP] + ½ [ADP] / [ATP] +

[ADP] + [AMP].

• ATP obsahuje dvě anhydridové vazby, ADP jednu. • Energetický náboj buňky je v rozmezí 0 až 1. (U většiny

buněk od 0, 80 do 0, 95).

• Vnitrobuněčná koncentrace ATP se udržuje v rozmezí 2 – 10 mM. Koncentrace ADP a Pi jsou variabilní.

• Při typické koncentraci [ATP] = 3, 0 mM, konc. [ADP] = 0, 8 mMkonc.[ Pi] = 4 mM je volná energie hydrolýzy ATP při 37oC:

• Volná energie hydrolýzy ATP při 37o C (pokračování):

G = G o´ + RT ln [ADP] .[ Pi ]/ [ATP] = - 30, 5 kJ.mol-1 + (8, 3145 J. K-1.mol-1)(310 K) ln[( 0, 8 x 10-3 M).

(4, 0 x 10-3 M) / 3, 0 x 10-3M)] = (-30, 5 kJ.mol - 17, 6 kJ.mol) = - 48, 1 kJ.mol-1

Regulace metabolismu energetickým nábojem. Vysoká koncentrace ATP inhibuje rychlost

katabolických dějů při kterých se ATP vytváří a stimuluje děje anabolické.

Evoluce metabolických drah. • Aktivovaní přenašeči jako ATP, NADH, FADH2 a

koenzym A obsahují adenosin difosfátovou jednotku. • Pravděpodobně se odvozují od prvtního RNA

katalyzátoru – robozymu.

Pro reakci: ATP + pyruvát fosfoenolpyruvát + ADP vypočti: aG o’ a Keq’ při 25o C při použití dat tabulky 14.1 b. Jaký je rovnovážný poměr pyruvátu k fosfoenolpyruvátu, když poměr ATP ku ADP je 10 ? Vypočtěte G o’ izomerizace glukosa-6-fosfátu na glukosa-1-fosfát. Jaký je rovnovážný poměr glukosa-6-fosfátu ku glukosa-1-fosfátu při 25oC ?

Tvorba acetylCoA z acetátu je poháněna reakcí ATP. Acetát + ATP + CoA acetylCoA + AMP + PPi a. Vypočti G o’ pro tuto reakci při využití údajů z přednášky. b. Vytvořený PPi se in vivo rychle hydrolyzuje přítomnou pyrofosfatasou. G o’ hydrolýzy PPi je – 4, 6 kcal.mol-1. Vypočti G o’ celkové reakce. Jaký vliv má hydrolýza PPi na tvorbu acetyl-CoA ?

H3N

O

NH

H2N

O

N P

O

O

OH

+

+

-

-

-

Svaly některých bezobratlých jsou bohaté na argininfosfát (fosfoarginin). Vyslov hypotézu funkce tohoto derivátu aminokyseliny. Jak lze hypotézu ověřit ?

Koncentrace ATP, ADP a Pi se liší u různých typů buněk. S tím souvisí různá hodnota uvolňované volné energie. Při použití uvedených dat vypočtěte G hydrolýzy ATP ve svalových, jaterních a mozkových buňkách. ATP(mM) ADP(mM) Pi (mM) Játra 3, 5 1, 8 5, 0 Sval 8, 0 0, 9 8, 0 Mozek 2, 6 0, 7 2, 7

Enzym aldolasa katalyzuje reakci glykolýzy: Fruktosa-1,6-bisfosfát glyceronfosfát + glyceraldehyd – 3 –fosfát

Hodnota G o’ je + 5, 7 kcal.mol-1, zatímco G v buňkách je – 0, 3 kcal mol-1. Vypočti poměr reaktantů a produktů za rovnováhy a v buňce. Na základě svých výpočtů vysvětli proč je reakce za standardních podmínek endergonní a exergonní v buňkách.

Úloha kreatinfosfátu ve svalech

• Kreatinfosfát(KP) + ADP kreatinkinasa ATP + kreatin (K)

• Při pH 7 je stand. volná energie hydrolýzy KP – 43, 1 kJ/mol.

• Pro tvorbu ATP z ADP a KP je sve • -12, 6 kJ/mol. Což odpovídá rovnovážné

konstantě = 162. • Typické koncentrace v odpočívajícím svalu:

[ATP] = 4 mM; [ADP]= 0, 013 mM; [KP] = 25 mM a [K] = 13 mM.

• KP je jediný zdroj regenerace ATP při prvních 4 sek. Běhu na 100 m.

NH

N COOH

CH3

NH

PO

OH

OH

Fosfokreatin (fosfagen)

NH2 N COOH

CH3

NH

Kreatin