33.Krebsův cyklus. AZ Smart Marie Poštová

33.Krebsův cyklus AZ Smart Marie Poštová m.postova@gmail.com

Metabolismus Metabolismus je souhrn chemických reakcí v organismu. Základní metabolické děje jsou: a) katabolické odbourávací (složité látky jednoduché ) b) anabolické syntézy (z jednoduchých látek složité) Jen málo dějů plní obě funkce současně, pak se jedná o děj amfibolický- například Krebsův cyklus, ve kterém se oxiduje konečný produkt odbourávání živin acetyl-přinášený koenzymem A na oxid uhličitý, ale současně meziprodukty Krebsova cyklu slouží jako výchozí látky pro další syntézy- například syntéza porfyrinů. Reakce metabolismu jsou enzymaticky katalyzovány. Obvykle na sebe navazují tvoří metabolickou dráhu. Metabolické dráhy jsou cyklické (např.: Krebsův cyklus) a necyklické (např.: - oxidace mastných kyselin)

Krebsův cyklus (cyklus kyseliny citronové) Živiny: sacharidy monosacharidy bílkoviny se odbourávají na AMK tuky glycerol a mastné kyseliny Z těchto produktů vzniká CH 3 CO~SCoA acetylkoenzym A aktivovaná kyselina octová (2C), která vstupuje do Krebsova cyklu, kde kondenzuje s oxalacetátem (4C) a vzniká (6C) citrát. Vzorec oxalacetátu si lze odvodit: oxalová HOOC COOH + H-CH 2 COOH octová HOOC CO CH 2 COOH oxalacetát (2-oxobutandiová)+ H 2 O

Krebsův cyklus Citrát (6C) se v cyklické dráze postupně přemění opět na oxalacetát. 2C jsou v cyklické dráze postupně odštěpeny jako 2 CO 2. (Jeden C pochází z acetylkoenzymu A, druhý z oxalacetátu). Dále je odštěpeno 8H (4 x 2) to znamená dehydrogenace neboli oxidace. Tyto reakce katalyzují enzymy oxidoreduktasy-jejichž koenzymy jsou NAD + (nikotinamidadenindinukleotid) a FAD (flavinadenindinukleotid). Na tyto koenzymy se váží odebírané atomy H a vznikají redukované koenzymy: 3 NADH + H + a FADH 2.

Krebsův cyklus 3 NADH + H + a FADH 2 vstupují do dýchacího řetězce, kde se při jejich oxidaci uvolní energie (860 kj/mol). Část energie se mění na teplo, část je vázána ve formě vznikajících ATP. V samotném Krebsově cyklu se přímo uvolňuje energie jen při štěpení makroergické vazby v sukcinylkoenzymu A a při dekarboxylacích 104 kj/mol. Celkem Krebsův cyklus + dýchací řetězec ~ 964 kj/mol. Reakce citrátového cyklu probíhají v matrix mitochondrií. Enzymy, které je katalyzují nejsou (mimo sukcinyldehydrogenasu) fixovány na biolog. struktury. praktický důsledek, že jednotlivé reakce Krebsova cyklu mohou být výchozími reakcemi dalších katabolických nebo anabolických dějů je to amfibolický děj. Např. ze sukcinylkoenzymu A se syntetizují porfyriny..

acetylkoenzym A H 3 C CO ~ SCoA H 2 C COO - oxalacetát 1 H 2 C C O HO C COO - COO - COO - H 2 C COO - NADH+H+ NAD + CH 4 HO CH COOmalát H 2 C COO- 7 H 2 O HC COOfumarát -OOC CH citrát 2 isocitrát HO CH COO - H C COO - NAD + H 2 C COO - 3 NADH+H + O C COO - 2-oxoglutarát CH 2 + CO 2 H 2 C COO - NAD + HSCoA 4 NADH+H + 6 FADH 2 FAD sukcinát H 2 C COO- H 2 C COO- GTP GDP +P 5 O HSCoA C ~SCo A CH sukcinylkoenzym A 2 H 2 C COO - + CO 2

Krebsův cyklus (1) Kondenzace acetylkoenzymu A (2C) s oxalacetátem (4C) za vzniku citrátu. Citrát má terciární alkoholovou skupinu, která nejde běžně oxidovat přeměna (2) na izomer isocitrát (se sekundární alkoholovou sk.). (3) je oxidace této sekundární alkoholové skupiny na keto skupinu (oxo skupinu) a současně probíhá dekarboxylace prostřední karboxylové skupiny na CO 2. (4) opět dekarboxylace a pak oxidace uvolněné -C=O keto skupiny na novou karboxylovou skupinu takže by vznikl sukcinát (jantarát). Ten se ale ještě aktivuje pomocí HSCoA (koenzymu A) přenašeč acylů- na sukcinylkoenzym A. Odtud totiž může běžet vedlejší metabolická dráha vzniku porfyrinů, a proto je tato výchozí látka aktivovaná.

Krebsův cyklus Zbylý sukcinylkoenzym A se v (5) zbaví HSCoA. Protože zaniká makroergická vazba- thioesterová vazba ~, vloží se uvolněná energie do GTP. (6) Sukcinát (jantarát) se dehydrogenuje pomocí FAD na fumarát. (7) Adicí vody na fumarát vzniká malát-sůl kyseliny jablečné. (8) Malát je oxidován pomocí NAD + na oxalacetát. V Krebsově cyklu vznikají 3 NADH+ H + a 1 FADH 2 a dva CO 2. Tyto redukované koenzymy se oxidují v dýchacím řetězci. (to je řada redoxních systémů koenzymů a cytochromů). Každou dvojici ox.forma /red.forma charakterizuje redoxní potenciál E 0. Je-li potenciál záporný E 0 < 0 má systém redukční vlastnosti, je-li potenciál kladný E 0 > 0 má systém oxidační vlastnosti. ( ~ jako v řadě kovů, která je seřazena podle potenciálů jednotlivých kovů- např. E 0 (Zn 2+ /Zn ) vždy se píše podíl ox.f./red.f. )

Dýchací řetězec Koenzymy se oxidují své atomy H předají dalším koenzymům, pak chinonu a po oddělení H +, jsou dál pomocí přenašečů a cytochromů předávány elektrony, které nakonec redukují kyslík O na O 2- oxidový anion. Z uvolněných 2H + a O 2- vzniká voda. Tyto redoxní reakce doprovází uvolnění značné energie. Vznik vody je energeticky nejbohatší reakcí v organismu. Kdyby se tato energie uvolnila najednou nemohla by být řádně využita. Postupné uvolnění v jednotlivých reakcích dýchacího řetězce umožňuje vznik molekul ATP ( uložení energie ).

Oxidace NADH+H + v dýchacím řetězcienergetické schema E 0 (redox.potenciál) V (volty) -0,315 NADH + H + NAD + FMN FMNH 2 0 Fe 4 S 4 red.f. Fe 4 S 4 ox.f. chinon Co Q chinon red. 2H + systém cytochromů H 2 O přenos e - b, c 1, c, a, a 3 0,815 a 3 + O O 2-

Výpočet uvolněné energie Potenciály pro reakce parciální oxidace a parciální redukce: NADH + H + NAD + + 2H + + 2e - ½ O 2 + 2H + + 2e - H 2 O NADH + H + O 2 E 0 = -0,315 V E 0 = 0,815 V má záporný potenciál - je to redukční činidlo má kladný potenciál - je to oxidační činidlo Pro celkovou reakci: ½ O 2 + NADH + H + H 2 O + NAD + je Δ E 0 = 0,815- (- 0,315) = 1,130 V Standardní změna volné (Gibsovy) energie: Δ G 0 = n.f. Δ E 0 = -2.96494. 1,13= -218kJ/mol Oxidace 1 molu NADH + H + je spojena s uvolněním 218 kj volné energie. (n= počet vyměněných elektronů, F = Faradayův náboj)

Kolik molů ATP vznikne oxidací 1 molu NADH + H + Na syntézu 1 molu ATP z ADP + P i je potřeba 30,5 kj/mol. Z energie uvolněné oxidací 1 molu NADH + H + z 218kJ/mol by tedy mohlo vzniknout 218:30,5 = 6,9 molů ATP. Reálně vznikají 3 moly ATP, zbytek uvolněné energie se mění na teplo. Účinnost oxidační fosforylace je asi 42%. (Vznik ATP v aerobním ději za přítomnosti kyslíku). Energie je při oxidaci NADH + H + v dýchacím řetězci uvolňována postupně, jinak by nemohla být využita na syntézu ATP. Podobně jako hydroelektrárna může pracovat jen s určitým převýšením vodních hladin. Dýchací řetězec se podobá kaskádě vodních elektráren. Energie se uvolňuje postupně, v jednotlivých krocích, aby mohla být využita pro syntézu ATP.

Dýchací řetězec a energetická bilance Krebsova cyklu Cytochrom a 3 - látka jejíž potenciál má po kyslíku druhou nejvyšší kladnou hodnotu váže molekulární O 2 a redukuje ho až na O 2- oxidový anion. Ten se slučuje s protony na vodu. Cytochrom a 3 může vázat i CO ten se nemůže redukovat, proto blokuje funkci dýchacího řetězce. Podobně může vázat CN - - velmi pevně také blokování jedovatost kyanidů. Aerobní (oxidativní) fosforylace: Při oxidaci 1 NADH + H + se uvolní energie a vznikají 3 ATP. V Krebsově cyklu vznikají 3 NADH + H + 9 ATP. Při oxidaci FADH 2 (má méně záporný redox. potenciál) vznikají 2 ATP. 1 ATP vzniká přeměnou z GTP vzniklého v Krebsově cyklu. GTP + ADP GDP + ATP Při zpracování 1 CH 3 CO~SCoA v Krebs.cyklu ve spojení s dýchacím řetězcem se uvolní 12 ATP a teplo. Do ATP se ukládá jen asi 40% skutečně uvolněné energie.

Mitochondrie buněčná elektrárna V mitochondrii probíhá oxidační metabolismus eukaryot. Mitochondrie obsahují enzymy citrátového cyklu, enzymy beta oxidace mastných kyselin, enzymy a redoxní proteiny podílející se na transportu elektronů v dýchacím řetězci a oxidační fosforylaci. Ty jsou vázány na vnitřní membránu. Vnitřní membrána má vchlípení-kristy. Uvnitř mitochondrie je matrix, vně mitochondrie cytosol. Mezi vnější a vnitří membránou je mezimebránový prostor. Obr.wikipedie -

Mitochondrie Vnější membránou volnou difúzí prochází malé molekuly do 10 kda. ( 1Da = 1u -hmotnostní jednotka). Vnitřní membrána je propustná pouze pro kyslík, oxid uhličitý a vodu. Regulovaná nepropustnost vnitřní membrány pro většinu iontů, metabolitů a nízkomolekulárních sloučenin umožňuje vytvoření iontových gradientů a oddělení metabolických funkcí mezi cytosolem a mitochondriemi. Ve vnitřní membráně musí existovat specifické transportní systémy- například pro přenos ATP do cytosolu na biosyntézy, pro aktivní transport, ke svalovým kontrakcím, pro přenos kationtu vápenatého, fosfátu, NADH + H +

Umístění dýchacího řetězce Dýchací řetězec je umístěn ve vnitřní membráně mitochondrie společně s komplexem ATP-syntetasy. V membráně jsou tři kotvené komplexy I,III,IV na membránu je bočně připojen komplex II. Jsou tvořené systémy oxidoreduktas. Mobilní jsou koenzym Q 10 a cytochrom c. Mezi třemi komplexy v membráně se přemísťují elektrony, H + jsou těmito komplexy přeneseny přes vnější stranu vnitřní membrány do mezimembránového prostoru. Vzniká tak gradient spád ph. Mezimembránový prostor se okyselí asi o 1,4 jednotek ph. Vzniká tak protonmotivní síla. (Podobně jako voda ve vysokém rezervoáru.) Při zpětném návratu protonů H + přes ATP syntetásu se tato síla použije jako zdroj energie na syntézu ATP. Teorii navrhl 1961 Mitchel : chemiosmotická hypotéza-spřažení transportu elektronů a syntézy ATP.

Dýchací řetězec- vydavatelství vscht.cz

http://cs.wikipedia.org/wiki/mitochondrie

Konec 33. tématu

34. β-oxidace mastných kyselin a glykolysa AZ Smart Marie Poštová m.postova@gmail.com

-oxidace mastných karboxylových kyselin- Lynenova spirála Lipidy přijímané v potravě se v trávicím ústrojí pomocí enzymů lipas hydrolyticky štěpí na glycerol a mastné kyseliny. Například tripalmitoylglycerol: H 2 C OCOC 15 H 31 HC H 2 C OCOC 15 H 31 + 2 H2O OCOC 15 H 31 lipasy C H 2 HC H 2 C OH OCOC 15 H 31 OH O H 2 + 2 C 15 H 31 COOH lipasa glycerol+ C15 H31 COOH

-oxidace 1. část Mastné kyseliny se oxidují v metabolické dráze -oxidace. Třetí uhlík je uhlík; mastná kyselina je málo reaktivní. Proto je nejprve aktivována pomocí ATP. RCOOH + ATP RCO~ AMP + P O P (difosfát) RCO~ AMP = RCO~P Rib- Ad acyladenylát Aktivovanou mastnou kyselinu pak převezme koenzym A: HSCoA RCO~ P Rib Ad + HSCoA RCO~ SCoA + (acylkoenzym A ) AMP Převedením mastné kyseliny na acylkoenzym A se také zvyšuje polarita karbonylové skupiny, což umožňuje oxidaci sousední polární vazby mezi 2. a 3. uhlíkem.

Rovnice -oxidace 2. část H 3 C (CH 2 ) n CH 2 CH 2 CO-SCoA acylkoenyzym A H 3 C (CH 2 ) n CH CH CO-SCoA 2,3 - dehydroacylkoenzym A H 3 C (CH 2 ) n CH CH 2 CO-SCoA HO 3 - hydroxyacylkoenzym A FAD FADH 2 +H 2 O [podle polarity =vazby] NAD + NADH +H +

-oxidace 3. část H 3 C (CH 2 ) n C CH 2 CO-SCoA O 3 - oxoacylkoenzym A HSCoA H 3 C (CH 2 ) n C SCoA + H 3 C CO-SCoA O do Krebsova c. acylkoenzym kratsi o 2C prevzal HSCoA Acylkoenzym a prenasi ho kratší na zacatek o 2 uhlíky beta převzal oxidace HSCoA a přenáší ho na začátek -oxidace.

Lynenova spirála Mastná kyselina je vždy na opakovaném začátku β oxidace kratší o 2 uhlíky, proto se této metabolické dráze říká Lynenova spirála podle jejího objevitele v roce 1951. Mastné kyseliny vázané v tucích mají vždy sudý počet uhlíků, proto je poslední produkt acetylkoenzym A. Například z 18 uhlíkové stearové kyseliny tak vzniká 9x acetylkoenzym A.

Energetická bilance β oxidace Oxidace palmitoylkoenzymu A (16 C) zapsaná sumárně, popisuje 7 otoček spirály: CH (CH 2 ) 14 CO ~ SCoA + 7FAD + 7NAD + + 8HSCoA + 7H 2 O 7FADH 2 + 7NADH +7H + + 8CH 3 CO~ SCoA Vzniká 8 acetylkoenzymů A: 8 CH 3 CO~ ScoA 8 x 12 = 96 ATP jejich ox. v Krebsově cyklu a 7 x 2 = 14 ATP oxidací FADH 2 v dýchacím řetězci a 7 x 3 = 21 ATP oxidací NADH+H + v dýchacím řetězci. Dohromady: 35 ATP v dýchacím řetězci 1 ATP je třeba na počáteční aktivaci, proto 34 ATP 96 + 34 = 130 ATP (= 3,97 MJ) na 1 mol kyseliny palmitové, což je asi 40% z teoreticky vypočtené energie při úplné oxidaci, zbytek teplo. V lipidu jsou 3 mastné kyseliny! (390 MJ)

Hladovění Hlavním energetickým zdrojem pro organismus jsou sacharidy. Lipidy jsou energeticky bohaté látky. Jako energetický zdroj se však využívají jen v tukových tkáních, v srdečním svalu, a chybí-li primární zdroj energie sacharidy. Zvýšení oxidace když organismus začne odbourávat ve zvýšené míře lipidy - vyvolá zvýšení koncentrace CH 3 CO~ SCoA a ten se nestačí zpracovat v Krebsově cyklu. Jeho kondenzací vzniká kyselina 3-oxobutanová (acetooctová), která okyseluje buňky a dekarboxyluje se na aceton. Tento jev doprovází stavy hladovění.

Konec β oxidace

Glykolysa (EMP) Embdenova + Meyerhofova + Parnasova cesta odbourávání glukosy Glukosa je univerzální zdroj energie je rozpustná ve vodě, je snadno transportovatelná. Převedením na polymery (škrob, glykogen) lze dosáhnout vysoké hmotnostní koncentrace. Volnou glukosu odbourávají jen mikroorganismy. U vyšších organismů musí být nejprve převedena na iontovou formu (glukosa-6-fosfát). I všechny další produkty odbourávání mají iontový charakter, protože biologické membrány neumožňují volnou difúzi iontů hlavně aniontů -, a tak se buňka brání nekontrolovatelným ztrátám substrátů.

ATP HO CH 2 O OH OH OH OH D-glukosa Glykolysa 1. část ADP P-O fosforylace CH 2 O izomerizace (1) OH HO OH OH (2) glukosa-6-fosfát P-O CH 2 CH 2 OH O HO OH OH fruktosa-6-fosfát ATP ADP P-O CH 2 CH fosforylace 2 O-P O (3) HO OH OH fruktosa-1,6-bisfosfát

Glykolysa 2. část H 2 C OH P-O CH 2 CH 2 O-P O HO (4) OH OH fruktosa-1,6-bisfosfát C H 2 C O O-P dihydroxyacetonfosfát 95% (zásoba) CHO HC OH glyceraldehyd-3-fosfát 4,5% C H 2 O-P ze dvou trios dále všechno 2x (5)

Glykolysa 3. část CHO COO~P 2NAD + 2NADH + H + 2 HC OH 2 HC OH H 2 C O-P 2 H 3 PO 4 H 2 C O-P glyceraldehyd-3-fosfát (6) 1,3-bisfosfoglycerát 2ADP 2ATP COO - izomerizace (7) 2 HC OH H 2 C O-P (8) 3-fosfoglycerát COO - 2 HC O-P H 2 C OH 2-fosfoglycerát (9)

2 COO - HC O-P H 2 C OH 2-fosfoglycerát Glykolysa 4. část -2 H 2 O (9) 2 Fosfoenolpyruvát je nestabilní, proto po uvolnění P hned přechází na ketoformu. Je to energeticky nejbohatší sloučenina v organismu. COO - COO - C OH CH 2 enolforma nestálá COO - 2ADP 2ATP C O-P 2 (10) CH 2 fosfoenolpyruvát Reakce 1 a 4 jsou nevratné (zpětnou cestou nlze syntetizovat glukosu) Nevratná je i reakce 10. C O CH 3 ketoforma COO - C O CH 3 pyruvát

Energetická bilance po pyruvát Celková rovnice dosavadní dráhy je: glukosa + 2 ATP + 2 NAD + + 2 P + 4 ADP 2 pyruvát + 2 NADH + 2 H + + 4 ATP + 2 H 2 O neboli: glukosa + 2 NAD + + 2 P + 2 ADP 2 pyruvát + 2 NADH + 2 H + + 2 ATP + 2 H 2 O energetický zisk po pyruvát je : 2 ATP + 2 NADH + 2 H + Dále 3 možnosti zpracování pyruvátu:

1) alkoholové kvašení 1) alkoholové kvašení kvasinky a jiné mikroorganismy schopné žít dlouhodobě za anaerobních podmínek vyrábí z pyruvátu ethanol, (nemají nervový systém, proto mohou tento nervový jed produkovat). ph buňky se nemění. Při w = 15% ethanol kvasinky usmrtí. ZISK: 2 ATP (asi 2 % z možné energie) 2 COO - C O 2 H 3 C - 2 CO 2 2 NADH + 2H + 2NAD + CHO 2 H 3 C CH 2 OH CH 3 acetaldehyd ethanol

2) mléčné kvašení U živočichů v kosterních svalech při nedostatku O 2 až sem tedy probíhá anaerobní glykolýza. ZISK : 2 ATP na molekulu glukosy Vedlejším produktem jsou ale i H + ph, acidóza buňky únava kosterního svalu. (H + ne z koenzymu, ale z kys.mléčné!) V klidovém období musí být laktát a H + vyplaveny do jater a tam aerobně zpracovány povrch svalové buňky musí propouštět laktát a H +. 2 COO - C CH 3 O 2NADH + H + NAD + pyruvát COO - 2 HC OH laktát CH 3

3) oxidační dekarboxylace pyruvátu COO - 2NAD + 2NADH + H + - 2CO 2 2 C O 2 H 3 C CHO 2 H 3 C COO - dekarboxylace CH 3 pyruvát acetaldehyd acetát 2 HSCoA (acetylkoenzym A) Až sem zisk: 2 ATP 4 NADH + 4 H + 4 x 3 = 12 ATP ze 2 CH 3 CO~SCoA v Krebs.cyklu 2 x12 = 24 ATP celkový zisk 38 ATP 38 ATP 1159 kj / mol Opět asi 40 % z celkové teoretické energie uvolněné oxidací glukosy. 2 H 3 C CO ~SCoA acetylkoenzym A

Konec 34. tématu