ΣΥΝΟΨΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Transcript

1 ΣΥΝΟΨΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΡΟΦΗ Λίπη Πολυσακχαρίτες Γλυκόζη κι άλλα σάκχαρα Πρωτεΐνες Αμινοξέα Λιπαρά Οξέα Γλυκόλυση Πυροσταφυλικό Οξύ Ακέτυλο-oA Αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων / Οξειδωτική φωσφορυλίωση NADH Κύκλος Κιτρικού Οξέος (Κύκλος Krebs) oa

2 ΣΥΝΟΨΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η παραγωγή ενέργειας από την οξείδωση των τροφών περιλαμβάνει τρία στάδια: Αποικοδόμηση μεγάλων μορίων της τροφής (πρωτεϊνες, πολυσακχαρίτες, λίπη) σε μικρότερες μονάδες (αμινοξέα, σάκχαρα, λιπαρά οξέα) Αποικοδόμηση αμινοξέων, σακχάρων (γλυκόλυση) και λιπαρών οξέων (οξείδωση λιπαρών οξέων) σε μόρια με σημαντικό ρόλο στον μεταβολισμό (π.χ. πυροσταφυλικό οξύ, ακετυλομονάδα του ακετυλό- oa) Κύκλος κιτρικού οξέος ή Κύκλος του Krebs και οξειδωτική φωσφορυλίωση, όπου παράγεται η μεγαλύτερη ποσότητα Τριφωσφορικής Αδενοσίνης (ΑΤΡ).

3 Ρόλος κύκλου κιτρικού οξέος: Τελική αποικοδόμηση των μεταβολιτών και παραγωγή ενέργειας Δίσκος περιστροφής του μεταβολισμού, καθώς εισέρχονται στον κύκλο μόρια από τον μεταβολισμό των υδατανθράκων, των λιπών και των αμινοξέων Σύνθεση ενδιάμεσων μεταβολιτών, από τους οποίους μπορεί να συντεθούν γλυκόζη (μέσω γλυκονεογένεσης), γλουταμινικό και ασπαρτικό (μέσω τρανσαμίνωσης), λιπαρά οξέα και πορφυρίνη.

4 Σύνδεση κύκλου κιτρικού οξέος με γλυκόλυση-οξείδωση λιπαρών οξέων-αποικοδόμηση αμινοξέων Αναερόβιες Συνθήκες- Ζύμωση Γλυκόζη Αιθανόλη + O2 / Γαλακτικό Λιπαρά οξέα Οξείδωση λιπαρών οξέων Γλυκόλυση Πυροσταφυλικό Αερόβιες Συνθήκες Αμινοξέα Αποκλειστικά κάτω από αερόβιες συνθήκες Κύκλος κιτρικού οξέος Μιτοχόνδριο

5 Σύνδεση Γλυκόλυσης- Κύκλου κιτρικού οξέος Οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση πυροσταφυλικού προς ακετυλο-oa Κυτταροδιάλυμα Μιτοχόνδριο O - O O H3 Πυροσταφυλικό NAD + NADH + H + o Α S o Α O H3 Aκετυλο-oA Διαδικασία τριών βημάτων: Αποκαρβοξυλίωση Οξείδωση Μεταφορά ακετυλομάδας στο oa

6 Σύνδεση Γλυκόλυσης- Κύκλου κιτρικού οξέος Πυροσταφυλικό Ακετυλο-oA Πυροσταφυλική αφυδρογονάση: Πολυενζυμικό σύμπλεγμα με τρεις διαφορετικές ενζυμικές ενεργότητες Πυροσταφυλική αποκαρβοξυλάση (Ε1) Τρανσφεράση του διϋδρολιποναμιδίου(ε2) και Αφυδρογονάση του διϋδρολιποναμιδίου(ε3)

7 Σύμπλεγμα πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης Καταλύει ένα μη αντιστρεπτό βήμα του μεταβολισμού της γλυκόζης, το οποίο είναι σημείο κλειδί στα στάδια του διάμεσου μεταβολισμού. Συγκεκριμένα καταλύει τη μετατροπή του πυροσταφυλικού σε Ακετυλο- oa, το οποίο ανάλογα με τις ανάγκες του κυττάρου, είτε οξειδώνεται σε O2 με ταυτόχρονη παραγωγή ενέργειας, είτε υφίσταται καρβοξυλίωση για τη σύνθεση των λιπιδίων Ο σημαντικός ρόλος αυτού του ενζύμου υπαγορεύει την αυστηρή ρύθμιση της δράσης του

8 Ρύθμιση Πυροσταφυλικής Αφυδρογονάσης 1. Αναστολή από τα προϊόντα (Ακετυλο-oA, NADH). Αντιστροφή της αναστολής από τα oa και NAD + 2. Ρύθμιση από το ενεργειακό φορτίο του κυττάρου, έτσι ώστε να μειώνεται η ενζυμική δραστικότητα όταν το κύτταρο έχει καλύψει τις ενεργειακές του ανάγκες: Ενεργοποίηση από το ΑΜΡ και αναστολή από το GTP 3. Αντιστρεπτή φωσφορυλίωση Απενεργοποίηση με τη φωσφορυλίωση, η οποία λαμβάνει χώρα όταν στο κύτταρο υπάρχουν σε περίσσεια τα ΑΤΡ, ακετυλο-oa και NADH. Αντίθετα το πυροσταφυλικό έχει ανασταλτική δράση. Ενεργοποίηση μέσω αποφωσφορυλίωσης, η οποία πυροδοτείται από υψηλά επίπεδα a 2+ καθώς και την ινσουλίνη

9 NADH Μηλική αφυδρογονάση Κιτρική συνθάση Οξαλοξικό Κιτρικό Ακονιτάση Ισοκιτρικό Ισοκιτρική αφυδρογονάση NADH Μηλικό α-κετογλουταρικό Φουμαράση NADH Φουμαρικό Ηλεκτρυλο-oA Αναπνευστική αλυσίδα FADH2 Ηλεκτρικό ADP + ATP

10 1. Έναρξη κύκλου με σύνδεση της ακετυλομάδας (2 άνθρακες) του ακετυλο- oa με το οξαλοξικό (4 άνθρακες) προς σχηματισμό κιτρικού (6 άνθρακες) 2. Μετατροπή του κιτρικού σε ισοκιτρικό (6 άνθρακες) 3. Μετατροπή του ισοκιτρικού σε α-κετογλουταρικό (5 άνθρακες). Απώλεια ενός μορίου O2 και 2 ατόμων Η τα οποία ανάγουν το NAD + σε NADΗ 4. Μετατροπή του α-κετογλουταρικού (5 άνθρακες). σε ηλεκτρυλο-oa (4 άνθρακες). Απομάκρυνση ενός μορίου O2, προσθήκη oa και αναγωγή του NAD + σε NADΗ από 2 άτομα Η 5. Μετατροπή του ηλεκτρυλο-oa σε ηλεκτρικό (4 άνθρακες). Σχηματισμός ενός μορίου ΑΤΡ και απομάκρυνση του oa 6. Μετατροπή ηλεκτρικού σε φουμαρικό (4 άνθρακες).. Αναγωγή του FAD σε FADH2 από 2 άτομα Η 7. Μετατροπή φουμαρικού σε μηλικό (4 άνθρακες). 8. Μετατροπή μηλικού σε οξαλοξικό (4 άνθρακες). με ταυτόχρονη αναγωγή του NAD + σε NADΗ από 2 άτομα Η

11

12 Ακετυλο-oA+ 3 NAD + + FAD + GDP + Pi + 2 H2O 2 O2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + 2H + + oa Συνολικά: 2 άτομα άνθρακα εισέρχονται στον κύκλο μέσω της πρώτης αντίδρασης 2 άτομα άνθρακα απομακρύνονται από τον κύκλο με τη μορφή του O2 μέσω διαδοχικών αποκαρβοξυλιώσεων 4 ζεύγη ατόμων Η εγκαταλείπουν τον κύκλο στις 4 αντιδράσεις οξείδωσης κατά τις οποίες ανάγονται 3 μόρια NAD + και 1 μόριο FAD. Δημιουργία ενός φωσφορικού δεσμού υψηλής ενέργειας (GTP) Κατανάλωση δύο μορίων Η2Ο

13 NAD + NADH Ακετυλο-oA Οξαλοξικό 1 Κιτρικό 2 8 Ισοκιτρικό Μηλικό 7 O2 3 NAD + NADH α-κετογλουταρικό Φουμαρικό 6 FAD FADH2 Ηλεκτρικό 5 4 Ηλεκτρυλο- oa NAD + NADH O2 Τύποι αντιδράσεων 1. Συμπύκνωση 2. Αφυδάτωση+ Ενυδάτωση 3. Αποκαρβοξυλίωση + Οξείδωση 4. Αποκαρβοξυλίωση + Οξείδωση 5. Φωσφορυλίωση υποστρώματος 6. Οξείδωση 7. Ενυδάτωση 8. Οξείδωση

14 1. Παραγωγή ενέργειας ΚΥΚΛΟΣ ΚΙΤΡΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ Ρόλος κύκλου κιτρικού οξέος Παραγωγή ενός μορίου GTP (ανά ακετυλο-ομάδα), το οποίο έχει υψηλό δυναμικό μεταφοράς φωσφορικής ομάδας. Αυτό σημαίνει ότι το GTP αποδίδει εύκολα τη φωσφορική ομάδα η οποία αντιδρώντας με το ADP οδηγεί στην σύνθεση ΑΤΡ Παράγονται οι ανηγμένοι φορείς ηλεκτρονίων NADH και FADH2, οι οποίοι μεταφέρουν τα ηλεκτρόνια στην αναπνευστική αλυσίδα. Καθώς τα ηλεκτρόνια ρέουν από τους φορείς στο Ο2 παράγεται ενέργεια υπό τη μορφή του ΑΤΡ

15 Οξειδωτική Φωσφορυλίωση Γλυκόλυση 1. Παραγωγή ενέργειας ΚΥΚΛΟΣ ΚΙΤΡΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ Ρόλος κύκλου κιτρικού οξέος Γλυκόζη 3 Ενεργειακή απόδοση/ μόριο γλυκόζης Θεωρητικά 2 Πυροσταφυλικό 2 Ακετυλο-oA NADH 3 ATP 1 FADH2 2 ATP 1 GTP 1 ATP 1 NADH (γλυκόλυσης) 2 ATP To NADH της γλυκόλυσης μεταφέρεται στο μιτοχόνδριο μέσω μεταφορικών μεταβολιτών και εκεί μετατρέπεται σε FADH2) Krebs 2 FADH2 3 2 ΑΤΡ 30 ΑΤΡ In vivo 1 NADH 2.5 ATP 1 FADH2 1.5 ATP 1 GTP 1 ATP 1 NADH (γλυκόλυσης) 1.5 ATP

16 Ρόλος κύκλου κιτρικού οξέος 2. Σύνθεση ενδιάμεσων ενώσεων για τις βιοσυνθετικές αντιδράσεις Αμινοξέα Λιπαρά οξέα, Στερόλες Γλυκόζη Πορφυρίνες, αίμη, χλωροφύλλη Πουρίνες, Πυριμιδίνες

17 Ρόλος κύκλου κιτρικού οξέος 2. Σύνθεση ενδιάμεσων ενώσεων για τις βιοσυνθετικές αντιδράσεις Πουρίνες, πυριμιδίνες Ασπαραγινικό Τρανσαμίνωση O O O H 2 O O O 2 H 2 HO O 2 H 2 O 2 Λιπαρά οξέα Στερόλες Ασπαραγίνη Μεθειονίνη Θρεονίνη Λυσίνη Ισολευκίνη O O H O H H 2 O O O 2 O H 2 H 2 O 2 Πουρίνες O H O H SoA O H 2 Γλουταμινικό O O H 2 O 2 Πορφυρίνες Αίμη Χλωροφύλλη Γλουταμίνη Προλίνη Αργινίνη

18 Είσοδος αμινοξέων στον κύκλο κιτρικού οξέος Αλανίνη,Γλυκίνη,Θρεονίνη Θρυπτοφάνη, Κυστεϊνη, Σερίνη Πυροσταφυλικό Ακετυλο-oA Λευκίνη, Λυσίνη,Τυροσίνη Θρυπτοφάνη, Φαινυλαλανίνη Ακετoακετυλο-oA Ασπαραγινικό Ασπαραγίνη O O H O H H 2 O O O O O H 2 O O O 2 H 2 HO O 2 H 2 O 2 O 2 O H 2 H 2 Ασπαραγινικό Τυροσίνη Φαινυλαλανίνη O H O O O H SoA O H 2 H 2 O 2 Βαλίνη, Θρεονίνη Ισολευκίνη,Μεθειονίνη O 2 Γλουταμινικό, Γλουταμίνη Προλίνη, Ιστιδίνη, Αργινίνη

19 Σημεία ρύθμισης του κύκλου Η ρύθμιση του κύκλου γίνεται με βάση τις ανάγκες του κυττάρου για ΑΤΡ Βασικοί ρυθμιστές: ΑΤΡ/ADP, Ακετυλο- oa, NADH/ NAD + Ένζυμα που υπόκεινται σε ρύθμιση: Κιτρική συνθάση, Ισοκιτρική αφυδρογονάση, α-κετογλουταρική αφυδρογονάση

20 Συγκέντρωση ΑΤΡ ΡΥΘΜΙΣΗ ΚΥΚΛΟΥ ΚΙΤΡΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ Κορεσμός με Ακετυλό-oA Συγκέντρωση κιτρικού Κιτρική Συνθάση 1. Αλλοστερικός έλεγχος από το ΑΤΡ:

21 Συγκέντρωση ΑDΡ ΡΥΘΜΙΣΗ ΚΥΚΛΟΥ ΚΙΤΡΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ Συγγένεια για υπόστρωμα Συγκέντρωση α-κετογλουταρικού Ισοκιτρική Συνθάση 1. Αλλοστερικός έλεγχος από το ΑDΡ: 2. Αντίθετη δράση το NADH και ΑΤΡ

22 ΡΥΘΜΙΣΗ ΚΥΚΛΟΥ ΚΙΤΡΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ α-κετογλουταρική αφυδρογονάση Αναστολή από ηλεκτρυλο-oa και NADH Αναστολή από υψηλό ενεργειακό φορτίο (αυξημένη συγκέντρωση ΑΤΡ και NADH