Repetitorium chemie X. 2011/2012 Metabolické dráhy František Škanta Metabolické dráhy xidativní fosforylace xidace mastných kyselin 1. fosforylace 2. štěpení hexosy na dvě vzájemně převoditelné triosy 3. vytvoření ATP na úrovni substrátu. Čistý zisk na 6 uhlíků: 2 ATP 2 NAD Jaký je osud pyruátu bez přítomnosti kyslíku? Bez přístupu kyslíku nemůže být mitochondrií využita energie obsažená v NAD Buňka se proto musí NAD zbavit, jinak se systém inhibuje živočichové a baktérie rostliny a kvasinky Jaký je osud pyruátu v přítomnosti kyslíku? Pyruát vstupuje aktivním transportem (symport s ) do matrix mitochodrie, kde je na vnitřní membráně (pyruvátdehydrogenasovým komplexem) přeměněn na acetyl oa. Pyruvátdehydrogenasový komplex katalyzuje sekvencí tří reakcí: Pyruvát oa NAD acetyl oa 2 NAD Komplex využívá pěti různých koenzymů: Thiaminpyrofosfát (TPP), koenzym A (oa S), NAD, FAD a lipoamid.
2 2 2 Metabolické dráhy xidativní fosforylace xidace mastných kyselin (1937) Sled 8 reakcí Jak probíhá? Matrix mitochodrie xidace acetyloa za vniku 2 2 a energie uvolněná touto reakcí je uložena do koenzymů (3 NAD, 1 FAD) a 1 GTP (živočichové) nebo 1 ATP (rostliny a baktérie) yklus je: aerobní entrální cyklus Má dvě části: katabolickou, kde se odbourává acetyloa entrální cyklus anabolickou, která je zdrojem substrátů pro jiné dráhy Glykogen Glukosa Pyruvát Aminokyseliny Mastné kyseliny AcetyloA ITRÁTVÝ YKLUS
1. Kondensace 1. Kondenzace 2 Aerobní zisk ATP z glukosy 4 6 2. xidativní dekarboxylace Glukosa 2 NAD 6 ATP 2 ATP 2 Pyruvát 5 2 NAD 6 ATP 5. Regenerace oxaloacetátu 4 3. xidativní dekarboxylace 2 AcetyloA 6 NAD 18 ATP 4. 4 Substrátová fosforylace 2 FAD 2 2 GTP 4 ATP 2 ATP Metabolické dráhy xidativní fosforylace xidace mastných kyselin xidativní fosforylace Jak mitochondrie generuje chemickou energii z živin? o znamená? xidativní fosforylace xidace redukovaných koenzymů a přeměna ADP na ATP.
yt c 1 53 50 NAD FAD 2 Přehled elektronového transportu mitochondrie 0.4 Volná energie vztažená na 2 (kcal/mol) 40 30 20 10 FMN Fe S Fe S Q ytb Jak je tato energie využita? Fe S ytc ytc yta yta 3 ξ (V) 0.2 0 0.2 0.4 0.6 NAD NAD (0.315 V) 2e ADP P i KMPLEX I Rotenon, ξ = 0.360 V ( G = 69.5 kj.mol 1 amytal ) ATP (0.031 V) 2e Sukcinát FAD 2 KMPLEX II oq (0.045 V) Fumarát ADP P KMPLEX III i ξ = 0.190 V Antimycin A ( G = 36.7 kj.mol 1 ) ATP ytochrom c (0.235 V) ADP P KMPLEX IV i ξ = 0.580 V N ( G = 112 kj.mol 1 ) ATP 2e 0 xidačněredukční reakce 1/2 2 0.8 2 1/2 2 2 (0.812 V) Mitochondriální elektronový transport Komplexy sekvence elektronového transportu Komplexy jsou řazeny podle vzrůstajícího redukčního potenciálu. Mezimembránový prostor 4 4 yt c 2 Komplex I: Katalyzuje oxidaci NAD koenzymem Q (oq). NAD oq (oxidovaný) NAD oq (redukovaný) Vnitřní mitochondriální membrána FMN FeS FeS Q FeS yt b L yt b yt a u A yt a 3 u B Komplex III: Katalyzuje oxidaci oq (red.) cytochromem c. oq (redukovaný) 2 cytochrom c (oxidovaný) oq (oxidovaný) 2 cytochrom c (redukovaný) Matrix NAD 1/2 2 2 2 KMPLEX I KMPLEX III KMPLEX IV Komplex IV: Katalyzuje oxidaci redukovaného cytochromu c kyslíkem terminálním akceptorem elektronů. 2 cytochrom c (red.) ½ 2 2 cytochrom c (oxid.) 2 hemiosmotická hypotéza oxidativní fosforylace Mitchell, P., oupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemiosmotic type of mechanism. Nature 191, 144148 (1961). Struktura ATP syntázy Mezimembránový prostor F unit Volná energie elektronového transportu je realizována pumpováním z mitochondriální matrix do mezimembránového prostoru za tvorby elektrochemického gradientu přes membránu. Elektrochemický gradient je posléze uplatněn při syntéze ATP. Tato volná energie se nazývá protonmotivní síla. Mitochondriálnímatrix Rod F 1 unit ADP P i ATP
Metabolické dráhy xidativní fosforylace xidace mastných kyselin Triacylglyceroly Skladují velké množstv ství metabolické energie. Kompletní oxidací 1g g mastné kyseliny 38 kj energie 1g sacharidů nebo proteinů pouze 17 kj. 1g tuku skladuje 6 x více v energie než 1 g hydratovaného ho glykogenu. Triacylglyceroly z potravy Triacylglyceroly ze střevní sliznice jsou z důvodu nerozpustnosti převáděny na micely za účasti žlučových kyselin. Žlučové kyseliny jsou amfipatické (obsahují polární i nepolární části), jsou syntetizovány v játrech a uvolňovány ze žlučníku. Žlučové kyseliny obalí triacylglyceroly a usnadní tak funkci hydrolytickým lipasám. Zásoby glykogenu a glukosy vystačí zásobovat organismus energií jeden den, proti tomu zásoby z triacylglyceroly vystačí na týdny. 3 3 N U savců je hlavním m místem m akumulace triacylglycerolů cytoplasma adiposních buněk (tukových buněk). 3 Glykocholát Tvorba chylomikronů Metabolické dráhy LUMEN SVALVÁ BUŇKA Triacylglyceroly Další lipidy a proteiny 2 Lipasy hylomikrony Mastné kyseliny Triacylglyceroly Monoacylglyceroly Do lymfatického systému xidativní fosforylace xidace mastných kyselin
ormonální regulace hydrolýzy triacylglycerolů Katabolismus lipidů Lipasy adiposních buněk jsou aktivovány adrenalinem, (nor ), glukagonem a AT. Insulin má inhibiční efekt na hydrolýzu triacylglycerolů. ormon Adenylátcyklasa GTP Volné mastné kyseliny 7TM receptor ATP camp Glycerol Proteinkinasa Proteinkinasa Diacylglycerol Další lipasy Triacylglycerollipasa Triacylglycerollipasa P Triacylglycerol R 2 Lipolýzou uvolněné mastné kyseliny se váží na sérový albumin, který slouží jako jejich nosič do tkání. Glycerol se absorbuje v játrech. 2 2 Triacylglycerol R 1 R 3 Lipasa 3 2 3 2 2 Glycerol R 1 R 2 R 3 R R Aktivace mastných kyselin ATP Mastná kyselina AMP Acyladenylát S oa R AMP Acyladenylát R S AcyloA oa PP i AMP Mastné kyseliny Na vnější membráně mitochondrie jsou mastné kyseliny aktivovány za katalýzy acyloa synthetasy. Transport aktivované mastné kyseliny do matrix mitochonodrie karnitinacyltransferasa I. AcyloA oa Karnitin Acylkarnitin ytosol Translokasa Matrix Karnitin Acylkarnitin AcyloA oa karnitinacyltransferasa II thiolázová Reakční sekvence beta oxidace reakce Acyl oa Dehydrogenase R 2SoA R 2=SoA FAD FAD2 trans 2 enoyl oa 2 Enoyl oa ydratase Lβydroxyacyl βketoacyl oa oa Dehydrogenase R 2SoA R 2SoA oas Thiolase dehydrogenace I NAD NAD R 2SoA 3SoA Matrix mitochondrií Lβydroxyacyl oa dehydrogenace II hydratace pakuje se
Výtěž ěžek kompletní oxidace palmitátu tu Palmitoyl oa 7 FAD 7 NAD 7 oa 7 2 8 acetyl oa 7 FAD 2 7 NAD 7 V dýchacím řetězci se získá z jednoho NAD asi 3 ATP a z jednoho FAD 2 asi 2 ATP. Sečteno: 7 x FAD 2 = 14 ATP 7 x NAD = 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 Metabolické dráhy xidativní fosforylace xidace mastných kyselin Klíčovým krokem syntézy mastných kyselin je tvorba malonyl oa Anabolismus lipidů Acetyl oa ATP 3 malonyl oa ADP P i 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 APS AcetyloA xaloacetát Transfer acetyloa do cytosolu MITNDRIE itrát YTSL itrát Biosyntéza MK acetyl oa karboxyláza AcetyloA xaloacetát NAD Klíčovým krokem syntézy mastných kyselin je tvorba malonyl oa. Acetyl oa ATP 3 malonyl oa ADP Pi Katalyzuje acetyl oa karboxylasa (obsahuje biotin). Malát Pyruvát Pyruvát NADP
Biosyntéza mastných kyselin Kondenzace zjednodušeně 3 S AP S AP KNDENZAE 3 S AP 2 2 AcetylAP MalonylAP AP 2 AcetoacetylAP Biosyntéza mastných kyselin Rozdíly mezi odbouráváním m a syntézou mastných kyselin 1. probíhá v cytoplasmě, odbourávání v matrix mitochondrií. Kondenzace Redukce I. Dehydratace Redukce II. 2. Meziprodukty syntézy mastných kyselin jsou kovalentně vázány na sulfhydrylové skupiny AP (acyl carrier protein), kdežto meziprodukty degradace jsou vázány na S skupinu oa. 3. Enzymy syntézy vytvářejí polypeptidový řetězec (synthasa mastných kyselin). Enzymy degradace jsou umístěny 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 2. 5. Redukčním činidlem při syntéze je NADP, oxidačními činidly při degradaci jsou FAD a NAD. 6. Prodlužování řetězce na synthase mastných kyselin končí tvorbou palmitátu ( 16 ). Další prodlužování řetězce a tvorba nenasycených kyselin probíhá na jiných enzymech. Živočichové nedokáží převést mastné kyseliny na glukosu!!! Metabolické dráhy Proč? AcetyloA 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. xidativní fosforylace xidace mastných kyselin
Metabolické dráhy xidativní fosforylace xidace mastných kyselin hloroplasty Světlo absorbující pigmenty Světelná reakce 3 rostliny (alvinův Bensonův cyklus) Fotorespirace hloroplast 4 rostliny (atchslackův cyklus) AM rostliny hloroplast fotosyntetická organela eukaryot Vnější membrána Lamela Vnitřní membrána Mezimembránový prostor Grana Stroma Prostor thylakoidu
Struktury chlorofylů 2 R 1 R 2 3 Pigmenty a antény 3 3 3 I II 4 N N Mg 2 N N IV III 2 V 2 R 3 3 3 3 N N Fe 2 N N 2 2 2 3 2 2 R 4 3 hlorofyl (Feprotoporfyrin IX) R 1 R 2 R 3 R 4 hlorofyl a hlorofyl b Bakteriochlorofyl a Bakteriochlorofyl b 2 2 3 3 3 2 3 3 a a 3 2 3 2 3 3 a a P P P nebo G P P = G = 2 2 Fytylový postranní řetězec Geranylový postranní řetězec a značí, že mezi 3 a 4 se nevyskytuje dvojná vazba. Model antény a reakčního centra Přeměny světelného záření po dopadu na povrch listu Absorpční spektra různých r fotosyntetických pigmentů. Rostlina je zelená díky chlorofylu. hlorofyl a hlorofyl b Karotenoidy Sluneční spektrum Ale proč je chlorofyl zelený? Absorbance Fykoerythrin Fykocyanin 400 500 600 700 Vlnová délka (nm)
Primární procesy fotosyntézy Vstupy a výstupy látek l a energie v primárn rních procesech oxygenní 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 Přehled fotosyntézy souhrnná reakce Primárn rní procesy fotosyntézy foto.obecně: Donor elektronů hυ 2 2 2 A ( 2 ) 2A 2 (1) Realizovány dvěma fotosystémy, které se vzájemně liší složením pigmentů foto. oxygenní: hυ 2 2 2 ( 2 ) 2 2 (2) Fotosystém I: absorbce dlouhovlnějšího záření v červené oblasti 700 nm, obsahuje karotenoidy, fykobiliny, chlorofyl a, chlorofyl b foto. anoxygenní: hυ 2 2 2 S ( 2 ) 2S 2 (3) Fotosystém II: absorbuje krátkovlnější oblast záření 680 nm, obsahuje xantofyly, karotenoidy, fykobiliny, chlorofyl a, chlorofyl b Schéma přenosu p elektronů v thylakoidní membráně Z schéma Fotolýza vody tvorba kyslíku ku PS II (P680, fotosystém II) obsahuje centrum uvolňující kyslík (oxygen evolving centere). Působením světelných kvant (fotonů) zde dochází k rozkladu molekul vody 2 2 2 4 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 Q2.
1.2 1.4 Diagram ZschZ schéma PSI P700* A 0 A1 Lokalizace systémů PSII, PSI, cytochromu b 6 f a ATPsynthasy na thylakoidech 1.0 F X F A Necyklická cesta 0.8 0.6 0.4 PSII P680* hl a Pheo a yklická cesta hν F B Fd e 2 NADP 2 FNR (stroma) 2 NADP Volná membrána (stromatální lamela) Fotosystém PSI Fotosystém PSII ATPsynthasa ytochrom b 6 f 0.2 Q A Q B 8 (stroma) cyt b 6 ξ (V) 0 Q PL 0.2 0.4 0.6 hν Manganový 2 2 komplex Q [4Fe4S] 8 cyt f (thylakoid) P ytochrom b f 6 P700 S 0.8 e 0 1.0 2 4 S (thylakoid) 4 1.2 Z P680 Převrstvená membrána (granum) Plastochinon (Q) plastochinol (Q2) 3 3 3 2[ ] 2 Plastochinon 3 2 n 3 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 NADP. elková reakce tvorby NADP: 2 2 12 NADP 10 stroma = 2 2 NADP 12 thylakoid 3 2 2 n Plastochinol Dvanáct protonů v thylakoidu vstupuje do ATPsynthasy. Tvoří se celkem 3 molekuly ATP. Zschéma světeln telné fáze fotosyntézy Elektrony mohou dosáhnout na ferredoxinnadp 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 Zschéma. 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 b 6 f 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 NADP. Necyklický proces. V cyklickém procesu se elektrony vrací zpět na cytochrom b 6 f a přitom se přenášejí další protony do thylakoidu. alvinbenson Bensonův cyklus (cyklus PR)
Fotosyntetické procesy v chloroplastech souhrn Biosyntéza sacharidů: elková stechiometrie alvinbensonova cyklu: 3 2 9 ATP 6 NADP GAP 9 ADP 8 Pi 6 NADP Vytvořený GAP může být využit k řadě biosyntéz, buď vně nebo uvnitř chloroplastu. Může být převeden na fruktosa6fosfát dalším postupem cyklu a poté na glukosa1fosfát (G1P) (fosfoglukosaisomerasa a fosfoglukosamutasa). G1P je prekurzor všech dalších sacharidů rostlin. lavní složka škrobu, aamylosa, je syntetizována v stromatu chloroplastu jako dočasná skladovatelná forma glukosy. aamylosa 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 UDPglukos v rostlinné plasmové membráně a vylučována do extracelulárního prostoru. Fotorespirace xygenasová reakce RUBISA. hloroplast peroxisom (glyoxysom). Na Rubisco soutěží o vazbu 2 a kyslík (Karboxylace nebo xygenace) 2 2 P P 3 i 2 2 Fosfoglykolátfosfatasa 2 P 3 3Fosfoglycerát 2Fosfoglykolát Glykolát Glykolátoxidasa 2 2 2 1/2 2 2 2 Katalasa Glyoxylát 2 2 2P 3 Ribulosa1,5bisfosfát karboxylasa/oxygenasa 2 2 P 3 2 2 2 P 3 3Fosfoglycerát Glycerátkinasa ADP ATP 2 Glycerát NAD NAD ydroxypyruvátreduktasa 2 ydroxypyruvát Ribulosa1,5bisfosfát LRPLAST PERXISM
xygenasová reakce RUBISA. Peroxisom mitochondrie. 2 N 3 2 o je důsledkem oxygenační aktivity Rubisco? Glyoxylát Glycin N 3 TRANSAMINAE N 3 2 Serin 2 ydroxypyruvát PERXISM MITNDRIE Fotorespirace je devastující proces jehož výsledkem je neužite itečná spotřeba světlem vytvořen eného NADP a ATP!!! 2 koncentrační mechanismy rostlin 4