UVOD CIKLUS CITRONSKE KISLINE (CCK) = KREBSOV CIKLUS = CIKLUS TRIKARBOKSILNIH KISLIN. Glavne metabolične poti oglj. hidratov pri rastlinah in živalih

Transcript

1 CIKLUS CITRNSKE KISLINE (CCK) = KREBSV CIKLUS = CIKLUS TRIKARBKSILNIH KISLIN Glavne metabolične poti oglj. hidratov pri rastlinah in živalih GLIKGEN, ŠKRB Riboza 5-fosfat + NADPH+H + katabolizem fosfoglukonatna pot glikoliza GLUKZA NADH+H + +ATP anabolizem glukoneogeneza DISAHARIDI anaerobni metabolizem (živalska mišica) LAKTAT PIRUVAT ACETIL CoA C 2 +NADH +FADH 2 anaerobni metabolizem (npr. kvasovke) ADP + Pi oksidativna fosforilacija ETANL ATP 2 H 2 UVD Glikoliza: glukoza+ 2P i +2ADP+2 NAD + 2 piruvata + 2ATP+2NADH + 2H + +2H 2 samo 7% celotne energije glukoze Če je prisoten kisik, piruvat vstopa v nadaljnje stopnje metabolizma in se popolnoma oksidira do C 2 in H 2! Pri aerobnih organizmih glikoliza predstavlja 1. stopnjo metabolizma.

2 KATABLIZEM - FAZE Faza 1: Razgradnja makromolekul na enostavne podenote (hidroliza) Faza 2: Razgradnja enostavnih podenot do acetil CoA, ob iztočasni produkciji ATP in NADH Faza 3: Popolna oksidacija Ac- CoA do H 2 in C 2, tvorba NADH in ATP (elektronski transport) STPNJE AERBNEGA METABLIZMA 1. Stopnja: glikoliza (pretvorba glikoze do piruvata) 2. Stopnja: - pretvorba piruvata v acetil-coa (piruvat dehidrogenazni kompleks) - citratni ciklus: oksidacija CoA acetil-coa do C 2, pri čemer nastajajo energijsko bogate spojine (ATP, NADH, FADH 2 ) - veriga za prenos elektronov in oksidativna fosforilacija VSTP PIRUVATA V METABLNE PTI Piruvat Mlečna fermentacija Alkoholna fermentacija Vstop v aerobno razgradnjo V citosolu V mitohondriju

3 ZGRADBA MITHNDRIJA Notranja membrana Zunanja membrana Ribosomi Kriste... Matriks Premer: μm Dolžina: 10 μm V celici: okoli 1000 mitohondrijev Medmembranski prostor ZGRADBA MITHNDRIJA Zunanja membrana: -prepustna za večino malih molekul in ionov Notranja membrana: -neprepustna za male molekule in ione -vsebuje: - verigo za prenos elektronov - ATP sintazo - ostale transportne proteine Matriks: - kompleks piruvat dehidrogenaze -encimi CCK -encimi za β-oksidacijo maščobnih kislin - encimi za oksidacijo aminoksilin - DNA, ribosomi, ATP, ADP, Pi, Mg 2+, Ca 2+, K + - ostali encimi in topni intermediati KARDILIPIN

4 MITHNDRIJI IN KLRPLASTI ENDSIMBINTSKA TERIJA ANAERBNI, HETERTRFNI PRKARINT AERBNI PRKARINT Plazmalema DNA PREVKARiNSTSKA CELICA Predstopnja jedrne membrane Predstopnja ER AERBNI, HETERTRFNI PRKARINT Mitohondrij ŽIVALSKA ALI GLIVNA CELICA FTSINTETSKA RASTLINSKA CIANBAKTERIJA CELICA Invaginacija plazmaleme Kloroplast Vakuola Jedro ER Stena KSIDACIJA PIRUVATA Vstop iz citoplazme v mitohondrij: - difuzija (zunanja membrana) - piruvat-translokaza (notranja membrana) V matriksu mitohondrija: oksidacija piruvata na multiencimskem kompleksu piruvat- -dehidrogenaze: 1. Dekarboksilacija piruvata 2. ksidacija keto-skupine na C2 v karboksilno skupino 3. Aktivacija z vezavo na koencim A s tioestrsko vezjo Vstop v ciklus citronske kisline PIRUVAT-DEHIDRGENAZNI KMPLEKS NET REAKCIJA piruvat + CoASH + NAD + acetilcoa + NADH + + H + + C 2

5 PIRUVAT-DEHIDRGENAZNI KMPLEKS Dihidrolipoil Piruvat Dihidrolipoil transacetilaza TIAMIN PIRFSFAT (TPP) - VITAMIN B 1 - sodeluje pri metabolizmu ogljikovih hidratov - katalizira dekarboksilacije α-ketokislin in tvorbo ali razcep α- hidroksiketonov Tiazolni obroč LIPIČNA KILSINA (LIPAT) kovalentno vezana na lizin v encimu posreduje pri prenosu elektrona in acilne skupine med oksidacijo in dekarboksilacijo α-ketokislin del piruvat dehidrogenaznega kompleksa in α-ketoglutarat dehidrogenaze 2H + S S H N NH CH C HS SH H N NH CH C Lipoat Lizin Lipoamid

6 CoA (CoASH) KENCIM A Funkcije: aktivacija acilnih skupin za transfer z nukleofilnim napadom prenaša acilne ostanke (napr. Ac-SCoA, palmitoil-scoa, itd.) CoA Panteinska skupina (vitamin B 3 ) H HS CH 2 CH 2 N C CH 2 CH 2 N C C C CH 2 P H H CH 3 H CH 3 P CH 2 ADENZIN PIRUVAT-DEHIDRGENAZNI KMPLEKS Dekarboksilacija piruvata in tvorba HETPP + Prenos hidroksietilne skupine na lipoat in oksidacija v acetil dihidrolipoamid Prenos acetilne skupine Na CoA Ponovna oksidacija dihidrolipoamida Piruvat Tiamin pirofosfat (TPP) Hidroksietil TPP (HETPP) Piruvat Lipoat Dihidrolipoil acetiltransferaza Dihidrolipoil CIKLUS CITRNSKE KISLINE (CCK) Centralna pot aerobnega metabolizma (H. Krebs, 1937) Pomen CCK: 1. ksidacija C 2 -enot acetil-coa do C 2, pri čemer se sproščena energija shranjuje v obliki ATP ali GTP, in reduciranih spojin (NADH in FADH 2 ). 2. Zagotavljanje izhodnih spojin za biosintezo aminokislin in porfirinov, ter purinskih in pirimidinskih baz za nukleotide. Glikoliza poteka po linearni poti, CCK pa po ciklični poti!

7 CIKLUS CITRNSKE KISLINE (CCK) Iz glikolize Piruvat C3 C4 Malat dehidrog. C4 C2 ksaloacetat NADH + H + Acetil-SCoA Citrat sintaza Iz β-oksidacije C6 Fumaraza Malat Citrat Akonitaza C4 Fumarat Sukcinat FADH 2 dehidrog. C4 Sukcinat GTP sintetaza GDP C4 NADH + H + NADH + H + Izocitrat Izocitrat dehidrogen. C5 α-ketoglutarat α-kg dehidrogen. C6

8 Vezava acetil-coa na oksalacetat (adicija C 2 -enote na ketoskupino C 4 -kisline nastanek C 6 spojine) Encim = citrat-sintaza (alosterična inhibicija z NADH in sukcinil-coa) Acetil-CoA CCK - 1. REAKCIJA Citril-SCoA Citrat ksaloacetat ΔG 0 = kj/mol CCK - 2. REAKCIJA CCK - 2. REAKCIJA Pretvorba citrata v izocitrat (eliminacija vode in nastanek dvojne vezi, nato adicija vode na dvojno vez) Encim = akonitaza (liaza), Fe-S kompleks kot prostetična skupina Citrat cis-akonitat Izocitrat Citrat cis-akonitat Izocitrat substrat Pretvorba citrata v izocitrat Encim = akonitaza (liaza), Fe-S kompleks kot prostetična skupina FLURACETAT BLKATR CCK

9 CCK - 3. REAKCIJA ksidacija izocitrata v α-ketoglutarat (oksidativna dekarboksilacija!) Encim = izocitrat-, (alosterična inhibicija z NADH in ATP, Izocitrat Izocitrat aktivacija z ADP). Povezava z metabolizmom dušikovih spojin in z elektronsko transportno verigo. ksalosukcinat α-ketoglutarat ΔG 0 = -8.4 kj/mol CCK - 4. REAKCIJA ksidacija α-ketoglutarata v sukcinil-coa (oksidativna dekarboksilacija) α-ketoglutarat ΔG 0 = -30 kj/mol α-ketoglutarat Encim = α-ketoglutarat- (encimski kompleks zgrajen iz 3 encimov in koencimov) NAD kot akceptor elektronov. CCK - 5. REAKCIJA GTP sintetaza Sukcinat Pretvorba sukcinil-coa v sukcinat (fosforilacija na ravni substrata, nastanek ATP (in/ali GTP)) Encim: sukcinil CoA sintetaza

10 CIKLUS CITRNSKE KISLINE - PRDUKTI PRVIH 5 REAKCIJ Fumaraza Fumarat Sukcinat FADH 2 dehidrog. Sukcinat GTP Malat Iz glikolize Malat dehidrog. sintetaza Piruvat ksaloacetat NADH + H + Acetil-SCoA Citrat sintaza NADH + H + NADH + H + Iz β-oksidacije Citrat Akonitaza Izocitrat Izocitrat dehidrogen. GDP α-ketoglutarat α-kg dehidrogen. CCK - 6. REAKCIJA ksidacija sukcinata do fumarata (biosinteza dvojne vezi med oksidacijo) Encim: sukcinat-, Fe-S kompleks kot prostetična skupina Koencim: FAD Sukcinat Sukcinat (jantarjeva kislina) Fumarat CCK - 7. REAKCIJA Pretvorba fumarata v L-malat. (adicija vode na dvojno vez) Encim: fumarat-hidrataza (fumaraza) Fumaraza Fumarat Malat (jabolčna kisl.)

11 Pretvorba L-malata v oksaloacetat. (oksidacija hidroksilne skupine) Encim: malat- Koencim: NAD + CCK - 8. REAKCIJA Malat L-Malat ksaloacetat CCK NET REAKCIJA acetil-coa + 3 NAD + + FAD + ADP ali GDP + P i + 2 H 2 2 C 2 + 3NADH + 3 H + + FADH 2 + ATP ali GTP + CoA-SH 1.Acetat, C 2,vstopikotacetil-CoA in dva ogljikova atoma zapustita ciklus v dveh ločenih reakcijah kot C 2 2.Tri molekule NAD + se reducirajo do NADH s pomočjo dehidrogenaz 3.Ena molekula FAD se reducira do FADH 2 4.Fosfoanhidridna vez v ATP in GTP nastane iz energije, ki je bila shranjena v tioestru CoA-SH. ΔG 0 = -40 kj/mol CCK ENERGETSKA BILANCA Reakcija: Bilanca ATP Bilanca NADH Bilanca FADH 2 (GTP) (na en piruvat) ksidacija piruvata Kompleks piruvat Skupaj oksidacija piruvata Citratni ciklus Izocitrat α-ketoglutarat α-ketoglutarat sukcinil-coa Sukcinil-CoA sukcinat Sukcinat fumarat L-malat oksalacetat Skupaj citratni ciklus Skupaj vse

12 GLIKLIZA + CCK ENERGETSKA BILANCA NA 1 MLEKUL GLUKZE GLUKZA + 10 NAD FAD + 4 ADP + 4 P i + 2 H 2 6C NADH + 10 H + + 2FADH ATP V KSIDATIVN FSFRILACIJ CIKLUS CITRNSKE KISLINE - PRDUKTI Fumaraza Fumarat Sukcinat FADH 2 dehidrog. Sukcinat GTP Malat Iz glikolize Malat dehidrog. sintetaza NADH + H + Piruvat ksaloacetat NADH + H + Acetil-SCoA Citrat sintaza NADH + H + NADH + H + Iz β-oksidacije Citrat Akonitaza Izocitrat Izocitrat dehidrogen. GDP α-ketoglutarat α-kg dehidrogen. USDA GLJIKVIH ATMV IZ AcCoA - KARBNILNI GLJIK

13 CCK - 5. REAKCIJA GTP sintetaza Sukcinat USDA GLJIKVIH ATMV IZ AcCoA -METILNI -GLJIK URAVNAVANJE CCK Koncentracije AMP, ADP, ATP, NAD +, NADH in acetil-coa uravnavajo delovanje encimov, udeleženih v CCK. Aktivnost alosteričnih encimov (piruvat-dehidrogenaze, citrat-sintaze, izocitrat-dehidrogenaze in α-ketoglutarat-dehidrogenaze) je uravnavana z različnimi modulatorji. Katabolične reakcije se upočasnijo, ko ima celica dovolj metaboličnih produktov in visokoenergetskih spojin.

14 URAVNAVANJE ALSTERIČNIH ENCIMV Piruvat-dehidrogenazni kompleks: Inhibitorji: Aktivatorji: NADH, ATP, acetil-coa AMP, NAD +, CoA-SH Tudi kovalentna regulacija (fosforilacija) Citrat-sintaza: Inhibitorji: NADH, ATP, sukcinil-coa, citrat Izocitrat-: Inhibitor: Aktivator: ATP, NADH ADP, NAD + α-ketoglutarat-dehidrogenazni kompleks: Inhibitorja: Aktivator: NADH, sukcinil-coa AMP REGULACIJA CCK Piruvat karboks. Piruvat dehidr. Acetil-SCoA NADH NAD +, CoA ATP Citrat sint. NADH ATP Izocitrat dehidr. ATP ADP NAD + α-kg dehidr. AMP NADH ANABLIČNA VLGA CCK CCK ima amfiboličen značaj deluje pri razgradnji in biosintezi CCK je pomemben vir izhodnih spojin za biosinteze, npr.: α -Ketoglutarat se transaminira v Glu (sinteza purinskih nukleotidov, Arg in Pro) Sukcinil-CoA: sinteza porfirinov (na pr.: hem) Fumarat in oksalacetat: sinteza aminokislin in pirimidinskih nukleotidov ksaloacetat: transaminacija v Asp (sinteza nukleotidov), dekarboksilacija v PEP

15 ANABLIČNA VLGA CCK ANAPLERTIČNE (SKRBVALNE) REAKCIJE Reakcije, s katerimi se nadomeščajo ključni intermediati CCK, ki se porabijo za biosintezo encim reakcija opombe AcCoA alosterični aktivator piruvatkarboksilaza PEPkarboksikina za piruvat + C 2 + ATP + H 2 oksaloacetat + ADP + P i fosfoenolpiruvat + C 2 + GDP oksaloacetat + GTP Je tudi izhodišče za glukoneogenezo. bratna reakcija je pomembna pri glukoneogenezi. NADmalatni encim piruvat + C 2 +NADH + H + malat + NAD + Poteka v rastlinah in mikroorganizmih. ANAPLERTIČNE (SKRBVALNE) REAKCIJE Fosfoenolpiruvat (PEP) PEP karboksikinaza ksaloacetat Piruvat karboksilaza Piruvat Malatni encim Reakcije, ki oskrbujejo CCK z malatom in oksalacetatom! L-Malat

16 REDUKTIVNI CCK Vir E za potek CCK: X= FeS 2? (pirit) FeS + H 2 S FeS 2 + H 2 ΔG 0 = -38 kj/mol GLIKSILATNI CIKLUS Rastline in nekateri mikroorganizmi lahko sintetizirajo glukozo iz acetata, oz. uporabljajo acetat kot metabolično gorivo v glioksilatnem ciklusu. Glioksilatni ciklus: podoben CCK, 2 reakciji spremenjeni Pomen: ko je acetat edini ali glavni vir ogljika za organizem. Acetat + CoA + ATP AcetilCoA + AMP + PPi Acetil-CoA sintetaza GLIKSILATNI CIKLUS PPi + H 2 2Pi Pirofosfataza NAD + NADH + H + Acetil-SCoA (C2) ksaloacetat (C4) Malat (C4) Malat sintaza Acetil-SCoA (C2) Citrat (C6) Glioksilat (C2) Izocitrat liaza Izocitrat (C6) Sukcinat (C4) V mitohondrij

17 GLIKSILATNI CIKLUS (NET REAKCIJA) 2 acetil-coa + NAD + + 2H 2 sukcinat + 2 CoA-SH + NADH + H + Glioksilatni ciklus: 2C 2 C 4 Nastanek 1 NADH na en obrat Ni pretvorbe energije v obliko fosfoanhidridnih vezi CCK: C 2 2C Nastanek 3 NADH in 1 FADH 2 na en obrat Nastanek 1 ATP (ali 1 GTP) na en obrat MAŠČBNE KISLINE GLIKSILATNI CIKLUS (II) Ac-CoA CITPLAZMA citrat oksaloacetat izocitrat malat glioksilat Ac-CoA sukcinat GLIKSISM malat fumarat sukcinat MITHNDRIJ malat oksaloacetat fosfoenolpiruvat GLUKZA GLIKSISMI Specializirani celični organeli v semenih višjih rastlin, v katerih poteka tudi glioksilatni ciklus. Na ta način se acetil-coa pretvori v ogljikove hidrate. Sukcinat se transportira v mitohondrij, pretvori v oksaloacetat in uporabi za glukoneogenezo. lamele celična stena Glioksilatni cikel pomaga rastlinam pri rasti v temi! glioksisom

18 Glavne metabolične poti oglj. hidratov pri rastlinah in živalih GLIKGEN, ŠKRB Riboza 5-fosfat + NADPH+H + katabolizem fosfoglukonatna pot glikoliza GLUKZA NADH+H + +ATP anabolizem glukoneogeneza DISAHARIDI anaerobni metabolizem (živalska mišica) LAKTAT PIRUVAT ACETIL CoA C 2 +NADH +FADH 2 anaerobni metabolizem (npr. kvasovke) ADP + Pi oksidativna fosforilacija ETANL ATP 2 H 2 PENTZA-FSFATNA PT (PFP) (FSFGLUKNATNA PT) Alternativna pot za metaboliziranje glukoze v nekaterih živalskih celicah (maščobno tkivo, mlečne žleze, jetra, skorja nadledvične žleze, eritrociti). ksidacija glukoze (C6) do riboza 5-fosfata (C5) ob nastanku NADPH. Prekurzor za sintezo koencimov, nukleinskih kislin in nukleotidov Potreben za redukcijske reakcije v biosintezi Glukoza se pred vstopom v PFP aktivira z ATP: heksokinaza Glukoza + ATP glukoza 6-fosfat + ADP VLGA GLUKZA 6-FSFATA V RGANIZMU Glukoza Pentoza fosfatna pot C 2 NADPH+H + Pentoze (Riboza) Tetroze Trioze Glukoza- -6-fosfat Fruktoza -6-fosfat Glikogen Glukoza-1-fosfat Glukuronat Glukozamin-1-fosfat Zaloga energije Sinteza oligosah. Glikoliza

19 PENTZA-FSFATNA PT Glukoza 6-fosfat Glukoza 6-fosfat 6-fosfo glukonolakton glukonolaktonaza 6-fosfo glukonat Fosfoglukoza izomeraza 6-fosfoglukonat fosfopentoza epimeraza Fruktoza 6-fosfat Ksiluloza 5-fosfat Ribuloza 5-fosfat H Sedoheptuloza7-fosfat fosfopentozna izomeraza Eritroza 4-fosfat transaldolaza H transketolaza Gliceraldehid 3-fosfat Riboza 5-fosfat

20 PENTZA-FSFATNA PT - REAKCIJE ksidativne faze: Glukoza-6-P Glukonolaktonaza 6-fosfo-glukonat (oksidativna dekarboksilacija) Neoksidativni koraki: Fosfopentoza izomeraza (pretvarja ketozo v aldozo) Fosfopentoza epimeraza (epimerizira na C3) Transketolaza (TPP-odvisna, prenaša 2C enoto) Transaldolaza (prenaša 3C enoto) PENTZA-FSFATNA PT - NET REAKCIJA glukoza +ATP +2NADP + + H 2 riboza-5-fosfat + C 2 + 2NADPH + 2H + + ADP PFP se v nekaterih tkivih konča pri riboza 5-fosfatu, v drugih se pa nadaljuje na neoksidativen način do glukoza 6-fosfata, ki povezuje PFP z glikolizo. NAČIN DELVANJA PENTZA FSFATNE PTI 1) Potrebna sta riboza-5-p in NADPH 2) Potrebno več riboze-5-p kot NADPH 3) Potrebno več NADPH kot riboze-5-p 4) Potrebna sta NADPH in ATP, ne pa riboza-5-p

21 1) TVRBA RIBZA 5- FSFATA IN NADPH = 2 Reakcije 1, 2 Glukoza-6-P + 2NADP + + H 2 Riboza-5-P + C 2 + 2NADPH + 2H + Metaboliti se ne vračajo v glikolizo! 1) TVRBA RIBZA 5- FSFATA IN NADPH Glukoza 6-fosfat Glukoza 6-fosfat 6-fosfo glukonolakton glukonolaktonaza 6-fosfo glukonat Fosfoglukonat izomeraza 6-fosfoglukonat fosfopentozna epimeraza Fruktoza 6-fosfat Ksiluloza 5-fosfat Ribuloza 5-fosfat H Sedoheptuloza7-fosfat fosfopentozna izomeraza Eritroza 4-fosfat transaldolaza H transketolaza Gliceraldehid 3-fosfat Riboza 5-fosfat

22 2) TVRBA RIBZA 5- FSFATA 5 glukoza-6-p + ATP 6 riboza-5-p + ATP + 2H + Metaboliti se ne vračajo v glikolizo! Ekstrakcija iz glikolize 3) TVRBA NADPH BREZ RIBZA 5- FSFATA Recikliranje v intermediate glikolize, potem recikliranje glc-6-p z glukoneogenezo glukoza-6-p + 12 NADP H 2 6 C NADPH + 12 H + + Pi na začetek

23 4) SINTEZA ATP IN NADPH Recikliranje v intermediate glikolize, razgradnja z glikolizo 3 glukoza-6-p + 5 NAD NADP ADP + 5 Pi 5 piruvat + 3 C NADH + 6 NADPH + 8 H ATP + 2 H 2