Metabolizem oz. presnova

Transcript

1 Metabolizem oz. presnova Metabolne poti Metabolizem (presnova) Vsota vseh kemijskih reakcij v organizmu, njihova koordinacija, regulacija in energetske potrebe Substrati se pretvarjajo v produkte preko mnogih specifičnih intermediatov Za potek metabolnih reakcij je potreben vnos energije (organske snovi) Različni procesi potekajo v različnih kompartmentih Zaporedje reakcij, ki ima specifično vlogo Katalizirane z encimi Tipi metabolnih poti: KATABOLIZEM Razgradnja reduciranih, kompleksnih, energetsko bogatih organskih molekul na bol enostavne Prevladuje oksidacija Sproščanje proste energije (npr. v obliki ATP) ANABOLIZEM Biosinteza kompleksnih molekul iz enostavnih, energetsko revnih prekurzorjev V glavnem reakcije redukcije Poraba energije (ATP) 1

2 Metabolizem in energija Shema metabolnih poti v tipični celici 2

3 Ciklus ATP ATP je univerzalni posrednik energije (fotorofi, heterotrofi) ATP ciklus je osrednji ciklus metabolizma Katabolizem - faze FAZA 1: Razgradnja makromolekul na enostavne podenote (hidroliza) FAZA 2: Razgradnja enostavnih podenot do acetil CoA, ob istočasni produkciji ATP in NADH FAZA 3: Popolna oksidacija Ac-CoA do H 2 O in CO 2, tvorba NADH in ATP (elektronski transport) Anabolizem - faze Tudi 3 faze, vendar potekajo neodvisno; divergentne metabolne poti - sinteza številnih molekul se začne iz majhnega števila prekurzorjev (npr. CO2, oksaloacetat, piruvat, acetil-coa Katabolne in anabolne poti so torej podobne, vendar ne identične (obratne reakcije, vendar vedno nekaj razlik)! Regulacija katabolnih in anabolnih poti ponavadi nastopi pri reakcijah, ki so termodinamsko ireverzibilne. Anabolne in katabolne poti so prostorsko ločene. Poti skupne tako katabolizmu kot anabolizmu amfibolne poti. 3

4 Regulacija katabolnih in anabolnih poti Metabolna kontrola (hormoni) Koncentracija encima (transkripcija, razgradnja encima) Kinetična kontrola (koncentracija substrata, inhibitorji, aktivatorji, ph, regulatorni encimi, alosterija) Kemijska modifikacija encimov (npr. fosforilacija, omejena proteoliza) Energijski naboj celice (npr. količina ATP, ADP, AMP) METABOLIZEM OGLJIKOVIH HIDRATOV Glukoza stabilna molekula z veliko vsebnostjo energije osrednji vir energije za celice viri glukoze: hrana, glikogen, sinteza (glukoneogeneza) razgradnja glukoze: Glikoliza produkt piruvat Pentozafosfatna (fosfoglukonatna) pot produkta NADP (NADPH+H+) in riboza-5-fosfat 4

5 Glavne metabolne poti ogljikovih hidratov pri rastlinah in živalih Prebava ogljikovih hidratov Glikoliza amilaza pankreasna amilaza Pretvorba glukoze do piruvata Anaerobna Poteka v živalih, rastlinah in mikroorganizmih Poteka v citoplazmi maltaza, laktaza, saharaza pomanjkanje intoleranca 5

6 donosna faza pripravljalna faza glukoza glukoza-6-fosfat fuktoza-6-fosfat fuktoza-1,6-bifosfat 2 x gliceraldehid-3-fosfat 2 x piruvat Neto reakcija glikolize Vstop ostalih monosaharidov v glikolizo Večinoma potrebni 1-2 dodatni reakciji Škrob, glikogen iz hrane: encim amilaza v glukozo Celični glikogen glukoza-1-fosfat Fruktoza: v jetrih v fruktozo-1-fosfat gliceraldehid-3-fosfat Galaktoza: galaktoza-1-fosfat UDP-glukoza glukoza-6-fosfat GALAKTOZEMIJA 6

7 Metabolizem piruvata Razgradnja do piruvata je enaka pri vseh organizmih Priuvat: metabolno križišče metabolizma! Usoda piruvata odvisna od prisotnosti kisika: Aerobni pogoji oksidativna razgradnja v ciklusu citronske kisline in z oksidativno fosforilacijo, akceptorji elektronov so NAD+ in FAD, končna produkta sta H2O in CO2 Anaerobni pogoji fermentacija (vrenje) Fermentacija Pridobivanje energije iz organskih substratov brez kisika kot končnega akceptorja elektronov. Mlečna fermentacija pretvorba glukoze v mlečno kislino (laktat) Alkoholna fermentacija pretvorba glukoze v alkohol. 7

8 Mlečnokislinska fermentacija glukoza + 2ADP + 2P i 2 laktat + 2 ATP + 2 H 2 O Alkoholna fermentacija glukoza + 2ADP + 2P i 2 alkohola + 2 ATP + 2 H 2 O + 2 CO 2 Kisikov dolg Celično dihanje Evkarionti (aerobni organizmi) Razen prve faze (glikolize) poteka v mitohondrijih. Ob prisotnosti kisika se glukoza popolnoma oksidira do CO 2 in H 2 O. 5 faz: 1. Glikoliza 2. Oksidacija piruvata v acetil-coa 3. Krebsov ciklus (citratni ciklus) 4. Prenos elektronov v dihalni verigi 5. Kemiosmotska sinteza ATP 8

9 Mitohondrij Oksidacija piruvata v acetil-coa Piruvat iz citoplazme v mitohondrij: Zunanja membrana difuzija Notranja memebrana piruvat-translokaza Matriks oksidacija piruvata do acetil-coa Multiencimski kompleks piruvat-dehidrogenaza Krebsov ciklus (citratni ciklus, ciklus trikarbonskih kislin) Centralna pot aerobnega metabolizma Pomen: 1. Oksidacija C2-enot acetilcoa do CO 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. 9

10 Krebsov cikel neto reakcija Glikoliza + Krebsov cikel energetska bilanca glede na 1 molekulo glukoze 10

11 Anabolična vloga Krebsovega ciklusa Namen katabolnih reakcija Nastanek ATP v celici 11

12 Recikliranje NADH in FADH2 Verige za prenos elektronov Respiratorni kompleksi na verigi za prenos elektronov Na notranji mitohondrijski membrani Nameščene v obliki respiratornih kompleksov 12

13 Prenos elektronov v dihalni verigi Kompleks I (NADH-CoQ reduktaza) preko 40 podenot 13

14 Sklopitev transporta elektronov s sintezo ATP Oksidativna fosforilacija Kemiosmotska sklopitev nastanek protonskega gradienta 14

15 ATP sintaza (F 0 -F 1 ATPaza) Regulacija oksidativne fosforilacije 15

16 Razklopitev toka elektronov in fosforilacije ADP Izkoristek energije pri popolni oksidaciji glukoze Enačba za popolno oksidacijo glukoze 16

17 Pentoza-fosfatna pot (fosfoglukonatna pot) Pentoza-fosfatna pot Pentoza-fosfatna pot neto reakcija 17

18 Biosinteza ogljikovih hidratov Glukoneogeneza Glukoneogeneza Glikogenogeneza Biosinteza disaharidov Nekatera tkiva rabijo stalen dotok glukoze (možgani, eritrociti) Ob pomanjkanju sinteza iz spojin, ki niso OH piruvat, laktat, glicerol, aminokisline, vsi intermediati CCK Ljudje ne moremo sintetizirati glukoze iz maščobnih kislin! (Acetil CoA ni substrat) Poteka večinoma v jetrih in ledvični skorji; začne v mitohondrijskem matriksu, nadaljuje se v citosolu Zadnja stropnja pretvorba glukoze-6-fosfata v glukozo le v ER jetrnih celic Podobna glikolizi v obratni smeri, vendar 3 reakcije drugačne ( 3 obvozi) omogočena regulacija 18

19 Aktivacija glukoze in galaktoze za biosintezo Aktivirana glukoza Sinteza glikogena 19

20 Sinteza glikogena Regulacija nivoja glukoze v krvi Biosinteza laktoze glukoza-6-fosfat + UTP + (glukoza) n + H 2 O (glukoza) n+1 + UDP + 2 P i Sinteza: glikogen-sintaza Razgradnja: glikogen-fosforilaza Regulacija: v jetrih inzulin, glukagon; v mišicah adrenalin Disaharid: v mlečni žlezi sesalcev po porodu UDP-galaktoza + glukoza UDP + laktoza Encim laktoza sintaza Vez: β(1 4) glikozidna 20

21 Lipidi Maščobne kisline zaloga energije METABOLIZEM LIPIDOV 21

22 22

23 Aktivacija maščobnih kislin β-oksidacija MAŠČOBNIH KISLIN Poteka v mitohondrijih REAKCIJA β-oksidacije Odcepljena 2-C enota je Acetil-SCoA 23

24 REZULTAT β-oksidacije ENERGIJSKA BILANCA OKSIDACIJE PALMITATA Palmitinska kislina (C-16) 8 Acetil-SCoA 24

25 KETONSKA TELESA POVEZAVA MED METABOLIZMOM OGLJIKOVIH HIDRATOV IN MAŠČOBNIH KISLIN 25

26 Nastanek maščobne kisline RAZLIKA MED β-oksidacijo IN BIOSINTEZO MAŠČOBNIH KISLIN NADALJNJE PRETVORBE MAŠČOBNIH KISLIN (SINTEZE) 26

27 HOLESTEROL PRENOS LIPIDOV PO KRVI GLAVNI LIPOPROTEINI: FIZIKALNE LASTNOSTI IN SESTAVA 4 STOPNJE SINTEZE: Žolčne kisline, vitamin D3, hormoni (progesteron, ) Acetil-CoA (C-2) Mevalonat (C-6) Aktivirani izopren (C-5) Skvalen (C-30) Holesterol (C-27) Hilomikroni VLDL LDL HDL 27

28 LIPOPROTEINI Endocitoza LDL METABOLIZEM AMINOKISLIN in drugih dušikovih spojin 28

29 Dušikov ciklus v naravi Vstop amonijevega iona v organske spojine Karbamoil-fosfat sintetaza I Glutamat dehidrogenaza Glutamin sintaza (naslednji slide) 29

30 ANABOLIČNE POTI AK TRANSAMINACIJA NH

31 Sinteza atomatskih AK prekurzor korizmat PREBAVA PROTEINOV KATABOLIČNE POTI AK 31

32 RAZGRADNJA OGLJIKOVEGA SKELETA AK Izločanje amonijaka Problem NH 4+ pri kopenskih živalih 32

33 VLOGA AK V SINTEZI DRUGIH MOLEKUL Sinteza protoporfirina IX in hema Poteka v jetrih! 33

34 Metabolizem nukleotidov Purini!!! Razgradnja purinov: nastajanje sečne kisline Te pretvorbe pri človeku ni Protin: Povzroča jo prevelika količina sečne kisline, snovi, ki normalno nastaja iz odpadnih purinskih produktov v telesu. Sečna kislina se normalno raztaplja v krvi in se skozi ledvice izloča v seč. Pri ljudeh s protinom pa se presežek lahko nakopiči, tvori ostre kristale, le-ti pa se odlagajo v nekaterih sklepih in okoliškem tkivu ter povzročijo bolečine, vnetje in otekanje. 34

35 Povezovanje, usklajevanje ter posebnosti metabolizma organov Boyer, R Temelji biokemije. Ljubljana: Študentska založba: poglavje 20 v celoti POVEZOVANJE, USKLAJEVANJE TER POSEBNOSTI METABOLIZMA ORGANOV 35