Biochemie II 2009/10. Metabolismus. František Škanta

Transkript

1 Biochemie II 2009/10 Metabolismus František Škanta

2 Metabolické dráhy Primární metabolismus Metabolismus sacharidů Glykolýza Krebsův cyklus xidativní fosforylace Metabolismus lipidů xidace mastných kyselin Syntéza mastných kyselin Fotosyntéza Světelná fáze Temnostní fáze

3 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

4 xidace glukosy 2 NADH 2 NADH 6 NADH 2 FADH 2 Glucose 2 Pyruvate 2 Acetyl oa Krebs cycle ATP ATP ytoplasma Mitochondrie

5 Pyruvát dehydrogenása StimulovánaNAD+, oa, AMP itrát Pyruvát InhibovánaATP, acetyl oa, a NADH Acetyl oa xaloacetát

6 Metabolické dráhy Primární metabolismus Metabolismus sacharidů Glykolýza Krebsův cyklus xidativní fosforylace Metabolismus lipidů xidace mastných kyselin Syntéza mastných kyselin Fotosyntéza Světelná fáze Temnostní fáze

7 Krebsůvcyklus (1937)

8 1. Kondenzace 1. Kondensace xidativní dekarboxylace na 5 5. Regenerace oxaloacetátu ze sukcinátu Substrátová fosforylace 3. xidativní dekarboxylace na 4

9 Krebsův cyklus je také zdrojem prekursorů pro biosyntetické dráhy

10 Metabolické dráhy Primární metabolismus Metabolismus sacharidů Glykolýza Krebsův cyklus xidativní fosforylace Metabolismus lipidů xidace mastných kyselin Syntéza mastných kyselin Fotosyntéza Světelná fáze Temnostní fáze

11 Metabolické dráhy Primární metabolismus Metabolismus sacharidů Glykolýza Krebsův cyklus xidativní fosforylace Metabolismus lipidů xidace mastných kyselin Syntéza mastných kyselin Fotosyntéza Světelná fáze Temnostní fáze

12 BUŇEČNÁ RESPIRAE Electron transportní řetězec xidativní fosforylace Glukóza 2 NADH 2 Pyruvát 2 NADH 6 NADH 2 FADH 2 2 Acetyl oa Krebs cycle H + H + H + H + H + H + H + H + H + H H 2 34 ADP 2 ATP ATP 34 ATP ytoplasma Mitochondrie Max. zisk z jedné molekuly glc: 38

13 hemiosmóza = proton motivní síla ELEKTRN TRANSPRTNÍ ŘETĚZE MEZI VNITŘNÍ MATRIX NADH NAD + H + H + omplex l omplex ll FAD H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + Q H + FADH 2 H + Q H + H + H + omplex lll ytc H + H + H + omplex lv H + H + 2e - + 2H + + 1/2 2 H + H 2

14 Jak mitochondrie generuje chemickou energii z živin?

15 53 NADH 50 FADH 2 Volná energie vztažená na 2 (kcal/mol) FMN Fe S Q Fe S ytb Fe S ytc Jak je tato energie využita? ytc yta yta xidačně-redukční reakce 1/2 2

16 Struktura ATP syntázy Mezimembránový prostor H + H + H + H + H + F unit Mitochondriální matrix Rod H + F 1 unit ADP + P i ATP

17 Výtěžek: Hlavně redukované koenzymy úplná oxidace Glukóza 2 + H 2 G o = kj/mol hydrolýza ATP ADP + P i G o = kj/mol 38 ATP x 30.5 kj/mol = -1,160 kj/mol -1,160 kj/mol X 100 = 40 % kj/mol

18 Metabolické dráhy Primární metabolismus Metabolismus sacharidů Glykolýza Krebsův cyklus xidativní fosforylace Metabolismus lipidů xidace mastných kyselin Syntéza mastných kyselin Fotosyntéza Světelná fáze Temnostní fáze

19 Metabolismus lipidů

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

21 Metabolické dráhy Primární metabolismus Metabolismus sacharidů Glykolýza Krebsův cyklus xidativní fosforylace Metabolismus lipidů xidace mastných kyselin Syntéza mastných kyselin Fotosyntéza Světelná fáze Temnostní fáze

22 Metabolické dráhy Primární metabolismus Metabolismus sacharidů Glykolýza Krebsův cyklus xidativní fosforylace Metabolismus lipidů xidace mastných kyselin Syntéza mastných kyselin Fotosyntéza Světelná fáze Temnostní fáze

23 Katabolismus lipidů

24 Aktivace mastných kyselin - + ATP R Mastná kyselina R AMP Acyladenylát + PP i R AMP + HS oa R S oa + AMP Acyladenylát Acyl-oA Na vnější membráně mitochondrie jsou mastné kyseliny aktivovány za katalýzy acyl oasynthetasy.

25 Transport aktivované mastné kyseliny do matrix mitochonodrie karnitinacyltransferasa I. Acyl-oA oa Karnitin Acylkarnitin ytosol Translokasa Matrix Karnitin Acylkarnitin Acyl-oA oa karnitinacyltransferasa II

26 Reakční sekvence beta -oxidace Acyl oa H H Dehydrogenase H R-H 2 ---SoA R-H 2 -=-SoA H H β-ketoacyl oa H R-H 2 ---SoA oash H Thiolase dehydrogenace I FAD FADH 2 L-β-Hydroxyacyl oa Dehydrogenase NADH + H + NAD + H H H H H trans- 2 -enoyl oa H 2 Enoyl oa Hydratase R-H 2 ---SoA Matrix mitochondrií L-β-Hydroxyacyl oa dehydrogenace II hydratace thiolázová reakce R-H 2 --SoA + H 3 --SoA pakuje se

27 Výtěž ěžek kompletní oxidace palmitátu tu Palmitoyl oa + 7 FAD + 7 NAD oa + 7 H 2 8 acetyl oa + 7 FADH NADH + 7 H + V dýchacím řetězci se získá z jednoho NADH asi 3 ATP a z jednoho FADH 2 asi 2 ATP. Sečteno: 7 x FADH 2 = 14 ATP 7 x NADH = 21 ATP xidace 8 acetyl oa v citrátovém cyklu = 88 ATP Součet : 118 ATP Spotřeba na aktivaci mastné kyseliny: 2 ATP Konečný součet : 116 ATP

28 dbourávání nenasycených mastných kyselin H H H H 3 (H 2 ) 4 H 2 H H 2 S oa is- 3 -Enoyl-oA-isomerasa H (H 2 ) 4 3 H H H 2 H 2 H H S oa is izomer je převeden na trans isomerasou.

29 dbourávání mastných kyselin s lichým počtem uhlíků H 3 S H 2 Propionyl-oA oa ATP + H 3 - ADP + P i - H 3 H S D-Methylmalonyl-oA oa - H 3 H S L-Methylmalonyl-oA oa - H 2 H 2 Sukcinyl-oA S oa Převedení L-methylmalonyl oa na sukcinyl oa probíhá za účasti enzymu methylmalonyl oa mutasy jehož koenzymem je derivát vitaminu B 12 kobalamin.

30 Glycerol se přemp eměňuje na meziprodukty glykolýzy H H 2 H H Glycerolkinasa H H 2 H H Glycerol-3-fosfátdehydrogenasa H 2 H Triosafosfátisomerasa H H H H 2 H ATP ADP 2- H 2 P 3 NAD + NADH + H + 2- H 2 P 3 2- H 2 P 3 Glycerol L-Glycerol-3-fosfát Dihydroxyacetonfosfát D-Glyceraldehyd-3-fosfát

31 První stupeň ATP Glukosa ATP Glukoneogeneze F-1,6-BP DHAP GAP NADH ATP 2x Glykolýza PEP ATP Pyruvát

32 Metabolické dráhy Primární metabolismus Metabolismus sacharidů Glykolýza Krebsův cyklus xidativní fosforylace Metabolismus lipidů xidace mastných kyselin Syntéza mastných kyselin Fotosyntéza Světelná fáze Temnostní fáze

33 Metabolické dráhy Primární metabolismus Metabolismus sacharidů Glykolýza Krebsův cyklus xidativní fosforylace Metabolismus lipidů xidace mastných kyselin Syntéza mastných kyselin Fotosyntéza Světelná fáze Temnostní fáze

34 Anabolismus lipidů

35 Klíčovým krokem syntézy mastných kyselin je tvorba malonyl oa Acetyl oa + ATP + H 3 - malonyl oa + ADP + P i + H + Katalyzuje acetyl oa karboxylasa (obsahuje biotin) a je allostericky aktivována nadbytkem citrátu, naopak je inhibována nadbytkem Acetyl oa, které nejsou dostatečně rychle esterifikovány. Dva kroky katalýzy. Multienzymový komplex acetyl oa karboxyláza Acyl přenášející protein AP-SH

36 Transfer acetyloa do cytosolu: MITHNDRIE YTSL Biosyntéza MK Acetyl-oA itrát itrát Acetyl-oA + xaloacetát xaloacetát acetyl oa karboxyláza NADH Malát Pyruvát Pyruvát NADPH

37

38 Rozdíly mezi odbouráváním m a syntézou mastných kyselin 1. Syntéza mastných kyselin probíhá v cytoplasmě, odbourávání v matrix mitochondrií. 2. Meziprodukty syntézy mastných kyselin jsou kovalentně vázány na sulfhydrylové skupiny AP (acyl carrier protein), kdežto meziprodukty degradace jsou vázány na SH skupinu oa. 3. Enzymy syntézy polypeptidový řetězec (synthasa mastných kyselin). Enzymy degradace volně v matrix. 4. Řetězec mastných kyselin se prodlužuje o dva uhlíky z acetyl oa. Aktivovaným donorem dvou uhlíků je malonyl oa a prodlužování řetězce je poháněno odštěpováním Redukčním činidlem při syntéze je NADPH, oxidačními činidly při degradaci jsou FAD + a NAD Prodlužování řetězce na synthase mastných kyselin končí tvorbou palmitátu ( 16 ). Další prodlužování řetězce a tvorba nenasycených kyselin probíhá na jiných enzymech.

39 Živočichové nedokáží převést mastné kyseliny na glukosu!!! Proč? Acetyl-oA nemůže být převeden na pyruvát nebo oxaloacetát, neboť vstupuje do citrátového cyklu a oba uhlíky se v jeho průběhu odštěpí jako 2. Rostliny mají další dva enzymy v tzv. glyoxylátovém cyklu a jsou schopné převést acetyl oa na oxaloacetát.

40 Metabolické dráhy Primární metabolismus Metabolismus sacharidů Glykolýza Krebsův cyklus xidativní fosforylace Metabolismus lipidů xidace mastných kyselin Syntéza mastných kyselin Fotosyntéza Světelná fáze Temnostní fáze

41 Metabolické dráhy Primární metabolismus Metabolismus sacharidů Glykolýza Krebsův cyklus xidativní fosforylace Metabolismus lipidů xidace mastných kyselin Syntéza mastných kyselin Fotosyntéza Světelná fáze Temnostní fáze

42 Fotosyntéza

43 hloroplasty Světlo absorbující pigmenty Světelná reakce 3 rostliny (alvinův-bensonůvcyklus) Fotorespirace 4 rostliny (Hatch-Slackůvcyklus) AM rostliny

44 hloroplast

45 Vnější membrána Lamela Vnitřní membrána Mezimembránový prostor Grana Stroma Prostor thylakoidu

46 hloroplast - fotosyntetická organela eukaryot

47 Pigmenty a antény

48 Struktury chlorofylů H 2 R 1 R 2 H H 3 H 3 I N N + 3 II 4 R 3 H 3 N N + H H 2 + Mg 2+ + Fe 2+ H 3 IV N N III H 3 H 3 N N H 3 H 2 V H 2 H 2 H 2 H 2 H 2 R 4 H hlorofyl (Fe-protoporfyrin IX) R 1 R 2 R 3 R 4 hlorofyl a hlorofyl b Bakteriochlorofyl a Bakteriochlorofyl b H H 2 H H 2 H 3 H 3 H 3 H 2 H 3 H 3 a H a H 3 H 2 H 3 H 2 H 3 a a H H 3 a značí, že mezi 3 a 4 se nevyskytuje dvojná vazba. P P P nebo G P P = G = H 2 H 2 Fytylový postranní řetězec Geranylový postranní řetězec

49 Model antény a reakčního centra

50 Přeměny světelného záření po dopadu na povrch listu

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

52 Absorpční spektra různých r fotosyntetických pigmentů. hlorofyl b Sluneční spektrum Absorbance hlorofyl a Karotenoidy Fykoerythrin Fykocyanin Vlnová délka (nm)

53 Primární procesy fotosyntézy Procesy spojené s absorbcí a přeměnou světelné energie v energii chemickou Procesy: Fotolýza vody yklický a necylický transport e - Sekundární procesy fotosyntézy Fixace 2 a jeho následná redukce na cukr

54 Vstupy a výstupy látek l a energie v primárn rních procesech oxygenní fotosyntézy

55 Přehled fotosyntézy souhrnná reakce foto.obecně: Donor elektronů hυ 2 + 2H 2 A (H 2 ) + 2A + H 2 (1) foto. oxygenní: hυ 2 + 2H 2 (H 2 ) H 2 (2) foto. anoxygenní: hυ 2 + 2H 2 S (H 2 ) + 2S + H 2 (3)

56 Primárn rní 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

57 Schéma přenosu p elektronů v thylakoidní membráně Z schéma

58 Fotolýza vody tvorba kyslíku ku PS II (P680, fotosystém II) obsahuje centrum uvolňující kyslík (oxygen evolving center-e). Působením světelných kvant (fotonů) zde dochází k rozkladu molekul vody 2 H 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.

59 Diagram Z-schZ schéma PSI -1.4 P700* A 0 A1 F X F A Necyklická cesta PSII P680* hl a Pheo a yklická cesta F B Fd e - 2 NADP H + FNR (stroma) -0.4 hν 2 NADPH -0.2 Q A Q B 8 H + (stroma) cyt b 6 ξ (V) 0 Q PL H 2 Manganový komplex hν 8 H + (thylakoid) Q [4Fe-4S] cyt f ytochrom b 6 f P P e - S H + (thylakoid) S 4 Z +1.2 P680

60 Lokalizace systémů PSII, PSI, cytochromu b 6 f a ATP-synthasy na thylakoidech Fotosystém PSI ATP-synthasa Volná membrána (stromatální lamela) Fotosystém PSII ytochrom b 6 f Převrstvená membrána (granum)

61 Plastochinon (Q) plastochinol (QH2) H 3 H H 3 H 3 H 2 H H 2 H n Plastochinon 2[H ] H H 3 H H 3 H 3 H H 2 H H 2 H n Plastochinol

62 Energetický výtěž ěžek světeln telné fáze fotosyntézy Absorpce 4 fotonů PSII generuje 1 molekulu 2 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. elková reakce tvorby NADPH: 2 H NADP H + stroma = NADPH + 12 H + thylakoid Dvanáct protonů v thylakoidu vstupuje do ATPsynthasy. Tvoří se celkem 3 molekuly ATP.

63 Z-schéma světeln telné fáze fotosyntézy Elektrony mohou dosáhnout na ferredoxin-nadp+ reduktasu (FNR), která katalyzuje redukci NADP+. xidace 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. ytochrom b 6 f přenáší elektrony na plastocyanin (P) 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.

64 alvin-benson Bensonův cyklus (cyklus PR)

65 Fotosyntetické procesy v chloroplastech - souhrn

66

67

68 Biosyntéza sacharidů: elková stechiometrie alvin-bensonova cyklu: 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. elulosa 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.

69 Syntéza škrobu. elkově je reakce poháněna na hydrolýzou PPi. - γ P β P α P ADENSIN H H HH 2 H - P - - ATP - Syntéza škrobu je podobná syntéze glykogenu. Glukosa-1-fosfát ADP-glukosafosforylasa - PP i Anorganická fosfatasa 2 P i H H HH 2 H P P ADENSIN - - H H HH 2 ADP-Glukosa Synthasa škrobu H H ADP + HH 2 H H HH 2 H α-amylosa (n jednotek) α-amylosa (n + 1 jednotek) H

70 Fotorespirace Na Rubisco soutěží o vazbu 2 a kyslík (Karboxylace nebo xygenace)

71 xygenasová reakce RUBISA. hloroplast peroxisom (glyoxysom). - H 2- H 2 P P 3 i H Fosfoglykolátfosfatasa H 2 P 3 - H 2 H Glykolátoxidasa - H 3-Fosfoglycerát 2-Fosfoglykolát Glykolát 2 H 2 2 1/2 2 + H 2 2 Katalasa Glyoxylát H H 2 2- H 2 P 3 H H 2- H 2 P 3 Ribulosa-1,5-bisfosfát karboxylasa/oxygenasa 2 - H H 2- H 2 P 3 3-Fosfoglycerát Glycerátkinasa ADP ATP - H H H 2 H Glycerát NAD + NADH Hydroxypyruvátreduktasa - H 2 H Hydroxypyruvát Ribulosa-1,5-bisfosfát HLRPLAST PERXISM

72 xygenasová reakce RUBISA. Peroxisom mitochondrie. H + H 2 NH Glyoxylát Glycin - NH 3 TRANSAMINAE H NH H 2 H Serin H 2 H Hydroxypyruvát PERXISM MITHNDRIE

73 o je důsledkem oxygenační aktivity Rubisco?

74 Fotorespirace je devastující proces jehož výsledkem je neužite itečná spotřeba světlem vytvořen eného NADPH a ATP!!!

75 2 koncentrační mechanismy rostlin 4

76

77