CIKLUS CITRONSKE KISLINE (CCK) = KREBSOV CIKLUS = CIKLUS TRIKARBOKSILNIH KISLIN Glavne metabolične poti oglj. hidratov pri rastlinah in živalih GLIKOGEN, ŠKROB Riboza 5-fosfat + NADPH+H + katabolizem fosfoglukonatna pot glikoliza GLUKOZA NADH+H + +ATP anabolizem glukoneogeneza DISAHARIDI anaerobni metabolizem (živalska mišica) LAKTAT PIRUVAT ACETIL CoA CO 2 +NADH +FADH 2 anaerobni metabolizem (npr. kvasovke) ADP + Pi oksidativna fosforilacija ETANOL ATP O 2 H 2 O UVOD Glikoliza: glukoza+ 2P i + 2 ADP + 2 NAD + 2 piruvata + 2ATP+2NADH + 2H + +2H 2 O samo 7% celotne energije glukoze Če je prisoten kisik, piruvat vstopa v nadaljnje stopnje metabolizma in se popolnoma oksidira do CO 2 in H 2 O! Pri aerobnih organizmih glikoliza predstavlja 1. stopnjo metabolizma.
KATABOLIZEM - 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 O in CO 2, tvorba NADH in ATP (elektronski transport) STOPNJE AEROBNEGA METABOLIZMA 1. Stopnja: glikoliza (pretvorba glikoze do piruvata) 2. Stopnja: - pretvorba piruvata v acetil-coa (piruvat dehidrogenazni kompleks) - citratni ciklus: oksidacija CoA acetil-coa do CO 2, pri čemer nastajajo energijsko bogate spojine (ATP, NADH, FADH 2 ) - veriga za prenos elektronov in oksidativna fosforilacija VSTOP PIRUVATA V METABOLNE POTI Piruvat -O 2 +O2 Mlečna fermentacija Alkoholna fermentacija Vstop v aerobno razgradnjo V citosolu V mitohondriju
ZGRADBA MITOHONDRIJA Notranja membrana...... Zunanja membrana Ribosomi Kriste... Matriks Premer: 0.5 1 μm Dolžina: 10 μm V celici: okoli 1000 mitohondrijev Medmembranski prostor ZGRADBA MITOHONDRIJA 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 OKSIDACIJA PIRUVATA Vstop iz citoplazme v mitohondrij: - difuzija (zunanja membrana) - piruvat-translokaza (notranja membrana) V matriksu mitohondrija: oksidacija piruvata na multiencimskem kompleksu piruvat- -dehidrogenaze do acetil-coa: Vstop v ciklus citronske kisline
PIRUVAT-DEHIDROGENAZNI KOMPLEKS NETO REAKCIJA piruvat + CoASH + NAD + acetilcoa + NADH + + H + + CO 2 CIKLUS CITRONSKE KISLINE (CCK) Centralna pot aerobnega metabolizma (H. Krebs, 1937) Pomen CCK: 1. Oksidacija C 2 -enot acetil-coa 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. Glikoliza poteka po linearni poti, CCK pa po ciklični poti!
Iz glikolize Piruvat C3 C4 Malat dehidrog. C4 C2 Oksaloacetat NADH + H + Acetil-SCoA Citrat sintaza Iz β-oksidacije C6 Fumaraza Malat Citrat Akonitaza C4 Fumarat Sukcinat dehidrog. C4 Sukcinat GTP FADH 2 Sukcinil-SCoA sintetaza GDP C4 NADH + H + NADH + H + Izocitrat Izocitrat dehidrogen. C5 α-ketoglutarat α-kg dehidrogen. Sukcinil-SCoA C6
Vezava acetil-coa na oksaloacetat (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 Oksaloacetat CCK - 2. REAKCIJA ΔG 0 = -31.4 kj/mol 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 CCK - 3. REAKCIJA Oksidacija izocitrata v α-ketoglutarat (oksidativna dekarboksilacija!) Encim = izocitrat-dehidrogenaza, (alosterična inhibicija z NADH in ATP, Izocitrat Izocitrat dehidrogenaza aktivacija z ADP). Povezava z metabolizmom dušikovih spojin in z elektronsko transportno verigo. Oksalosukcinat α-ketoglutarat ΔG 0 = -8.4 kj/mol
CCK - 4. REAKCIJA Oksidacija α-ketoglutarata v sukcinil-coa (oksidativna dekarboksilacija) α-ketoglutarat α-ketoglutarat dehidrogenaza Sukcinil-SCoA Encim = α-ketoglutarat-dehidrogenaza (encimski kompleks zgrajen iz 3 encimov in koencimov) NAD kot akceptor elektronov. ΔG 0 = -30 kj/mol CCK - 5. REAKCIJA GTP Sukcinil-SCoA Sukcinil-SCoA sintetaza Sukcinat Pretvorba sukcinil-coa v sukcinat (fosforilacija na ravni substrata, nastanek ATP (in/ali GTP)) Encim: sukcinil CoA sintetaza CCK - 6. REAKCIJA Oksidacija sukcinata do fumarata (biosinteza dvojne vezi med oksidacijo) Encim: sukcinat-dehidrogenaza, Fe-S kompleks kot prostetična skupina Koencim: FAD Sukcinat dehidrogenaza 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.) Pretvorba L-malata v oksaloacetat. (oksidacija hidroksilne skupine) Encim: malat-dehidrogenaza Koencim: NAD + CCK - 8. REAKCIJA Malat dehidrogenaza L-Malat Oksaloacetat CCK NETO REAKCIJA acetil-coa + 3 NAD + + FAD + ADP ali GDP + P i + 2 H 2 O 2 CO 2 + 3NADH + 3 H + + FADH 2 + ATP ali GTP + CoA-SH 1.Acetat, C 2, vstopi kot acetil-coa in dva ogljikova atoma zapustita ciklus v dveh ločenih reakcijah kot CO 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) Oksidacija piruvata Kompleks piruvat dehidrogenaza 0 +1 0 Skupaj oksidacija piruvata 0 +1 0 Citratni ciklus Izocitrat α-ketoglutarat 0 +1 0 α-ketoglutarat sukcinil-coa 0 +1 0 Sukcinil-CoA sukcinat +1 0 0 Sukcinat fumarat 0 0 +1 L-malat oksalacetat 0 +1 0 Skupaj citratni ciklus +1 +3 +1 Skupaj vse +1 +4 +1 GLIKOLIZA + CCK ENERGETSKA BILANCA NA 1 MOLEKULO GLUKOZE GLUKOZA + 10 NAD + + 2 FAD + 4 ADP + 4 P i + 2 H 2 O 6CO 2 + 10 NADH + 10 H + + 2 FADH 2 + 4 ATP URAVNAVANJE CCK V OKSIDATIVNO FOSFORILACIJO 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.
ANABOLIČNA VLOGA 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 Oksaloacetat: transaminacija v Asp (sinteza nukleotidov), dekarboksilacija v PEP ANABOLIČNA VLOGA CCK
ANAPLEROTIČNE (OSKRBOVALNE) REAKCIJE Reakcije, s katerimi se nadomeščajo ključni intermediati CCK, ki se porabijo za biosintezo encim reakcija opombe AcCoA alosterični aktivator piruvatkarboksilaza PEPkarboksikina za piruvat + CO 2 + ATP + H 2 O oksaloacetat + ADP + P i fosfoenolpiruvat + CO 2 + GDP oksaloacetat + GTP Je tudi izhodišče za glukoneogenezo. Obratna reakcija je pomembna pri glukoneogenezi. NADmalatni encim piruvat + CO 2 +NADH + H + malat + NAD + Poteka v rastlinah in mikroorganizmih. GLIOKSILATNI 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 GLIOKSILATNI CIKLUS PPi + H 2 O 2Pi Pirofosfataza NAD + NADH + H + Acetil-SCoA (C2) Oksaloacetat (C4) Malat (C4) Malat sintaza Acetil-SCoA (C2) Citrat (C6) Glioksilat (C2) Izocitrat liaza Izocitrat (C6) Sukcinat (C4) V mitohondrij
GLIOKSILATNI CIKLUS (NETO REAKCIJA) 2 acetil-coa + NAD + + 2H 2 O 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 MAŠČOBNE KISLINE GLIOKSILATNI CIKLUS (II) Ac-CoA CITOPLAZMA citrat oksaloacetat izocitrat malat glioksilat Ac-CoA sukcinat GLIOKSISOM malat fumarat sukcinat MITOHONDRIJ malat oksaloacetat fosfoenolpiruvat GLUKOZA GLIOKSISOMI 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
Glavne metabolične poti oglj. hidratov pri rastlinah in živalih GLIKOGEN, ŠKROB Riboza 5-fosfat + NADPH+H + katabolizem fosfoglukonatna pot glikoliza GLUKOZA NADH+H + +ATP anabolizem glukoneogeneza DISAHARIDI anaerobni metabolizem (živalska mišica) LAKTAT PIRUVAT ACETIL CoA CO 2 +NADH +FADH 2 anaerobni metabolizem (npr. kvasovke) ADP + Pi oksidativna fosforilacija ETANOL ATP O 2 H 2 O PENTOZA-FOSFATNA POT (PFP) (FOSFOGLUKONATNA POT) Alternativna pot za metaboliziranje glukoze v nekaterih živalskih celicah (maščobno tkivo, mlečne žleze, jetra, skorja nadledvične žleze, eritrociti). Oksidacija 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
PENTOZA-FOSFATNA POT Glukoza 6-fosfat Glukoza 6-fosfat dehidrogenaza 6-fosfo glukonolakton glukonolaktonaza 6-fosfo glukonat Fosfoglukoza izomeraza 6-fosfoglukonat dehidrogenaza 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 PENTOZA-FOSFATNA POT - NETO REAKCIJA glukoza +ATP +2NADP + + H 2 O riboza-5-fosfat + CO 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.