Buněčný metabolismus (základní dráhy)



ÚVOD DO BUNĚČNÉHO METABOLISMU

Metabolické dráhy dělíme na:
  1. anabolické = účastní se syntézy sloučenin, spotřebovávají energii vzniklou při katabolických reakcích;
  2. katabolické = oxidační pochody uvolňující energii ve formě energeticky bohatých sloučenin;
  3. amfibolické = funkční spojení obou předchozích, vyskytují se na „křižovatkách“ metabolismu (spojky mezi 1. a 2.).

Primární úlohou základních metabolických drah je zpracování látek přijímaných v potravě:
  • glukóza je v procesu anaerobní glykolýzy metabolizována na pyruvát/laktát/ethanol, v aerobním prostředí pyruvát dále podstupuje oxidativní dekarboxylaci, mění se na acetyl-CoA a vstupuje do Krebsova cyklu; glukóza může podléhat konverzi na glykogen (svůj zásobní polymer) nebo se (zprostředkovaně z meziproduktů glykolýzy) účastnit pentózafosfátové dráhy, která dává vzniknout mj. ribóze; pyruvát a meziprodukty Krebsova cyklu poskytují uhlíkové skelety pro syntézu aminokyselin, acetyl-CoA je stavebním blokem mastných kyselin s dlouhým řetězcem a cholesterolu; glukóza může vznikat de novo procesem glukoneogeneze
  • mastné kyseliny se získávají z potravy nebo syntézou de novo; ve tkáních podléhají beta oxidaci na acetyl-CoA (vstupuje do Krebsova cyklu, je zdrojem uhlíku pro cholesterol a další steroidy, v játrech tvoří ketolátky) nebo jsou esterifikovány na acylglyceroly (přičemž triacylglyceroly [„tuky“] představují hlavní energetickou rezervu)
  • aminokyseliny jsou nezbytné pro syntézu bílkovin; esenciální aminokyseliny se musí přijímat v potravě, postradatelné si tělo umí vyrobit samo transaminací z metabolických meziproduktů; po deaminaci se tvoří odpadní dusíkatá zplodina (amoniak, močovina, kyselina močová) a uhlíkový skelet vstupuje do Krebsova cyklu nebo tvoří glukózu cestou glukoneogeneze nebo vytváří ketolátky; aminokyseliny jsou také prekurzorem mnoha biologicky aktivních látek (nukleotidů či hormonů) 


GLYKOLÝZA

  • základní metabolická dráha pro zpracování glukózy, ale i fruktózy a galaktózy
  • buněčná lokalizace: cytoplazma
  • reakce nejsou vázané na kyslík, může tedy probíhat i v anaerobním prostředí
    • umožňuje tkáním s významnou glykolytickou aktivitou přežívat krátké anoxické epizody (např. kosterní svaly při zátěži)
    • srdeční sval naopak ischemii bez dostatečného zásobení okysličenou krví snáší špatně (je designován na aerobní metabolismus)
  • patologie spjaté s defekty glykolytické dráhy:
    • hemolytické anémie - nedostatečná aktivita pyruvátkinázy
    • svalová únava - defekt fosfofruktokinázy
    • v rakovinných buňkách je glykolýza rychlejší než je potřeba pro Krebsův cyklus - nadprodukce pyruvátu, resp. laktátu, což vytváří kyselé vnitřní prostředí = laktacidóza (např. nedostatečností pyruvátdehydrogenázy)

reakce glykolýzy

  1. hexokináza
    glukóza + ATP = glukóza-6-fosfát + ADP
    kofaktorem kationty Mg2+
    1. regulační enzym - inhibice produktem
    fosforylovaná glukóza nemůže unikat z buňky

  2. glukózafostátizomeráza
    glukóza-6-fosfát = fruktóza-6-fosfát
    izomerizace na „souměrnou“ hexózu

  3. fosfofruktokináza
    fruktóza-6-fosfát + ATP = fruktóza-1,6-bisfosfát
    kofaktoem kationty Mg2+
    2. regulační enzym - klíčový, vede k němu více inhibitorů i aktivátorů

  4. aldoláza
    fruktóza-1,6-bisfosfát = glyceralgehyd-3-fosfát + dihydroxyacetonfosfát
    triózafosfáty jsou vzájemně převoditelné, viz dále

  5. triózafosfátizomeráza
    dihydroxyacetonfosfát  = glyceraldehyd-3-fosfát
    enzym má soudkovitý tvar, dokonce i s víčkem

  6. glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza
    glyceraldehyd-3-fosfát + NAD+ + Pi = 1,3-bisfosfoglycerát + NADH + H+
    oxidace substrátu a fosforylace, redukce koenzymu
    energie oxidace aldehydu se spotřebuje na zabudování makroergního fosfátu

  7. fosfoglycerátkináza
    1,3-bisfosfoglycerát + ADP = 3-fosfoglycerát + ATP
    kofaktorem kationty Mg2+
    vznik ATP substrátovou fosforylací (vrací se investice z reakce 1. a 3.)

  8. fosfoglycerátmutáza
    3-fosfoglycerát = 2-fosfoglycerát
    meziproduktem 2,3-bisfosfoglycerát

  9. enoláza
    2-fosfoglycerát = fosfoenolpyruvát + voda
    fosfát v pozici 2 se stává makroergním
    kofaktorem Mg2+

  10. pyruvátkináza
    fosfoenolpyruvát + ADP = pyruvát + ATP
    spontánní přeměna enolypyruvátu na ketoformu
    kofaktorem kationty Mg2+ a K+
    vznik ATP
    3. regulační enzym - allosterická inhibice ATP
(ve schématu jsou v názvech enzymů pro přehlednost spojovníky, které tam ale správně nepatří)

osud pyruvátu po glykolýze

  • anaerobní podmínky
    • není možné reoxidovat NADH přenosem redukčních ekvivalentů dýchacím řetězcem až na kyslík
    • dochází ke kvasným (fermentačním) procesům, které vedou reoxidují NADH na NAD+
    • mléčné kvašení: pyruvát -(laktátdehydrogenáza, redukce pyruvátu, reoxidace NADH)- laktát
    • alkoholové kvašení: pyruvát -(pyruvátdekarboxyláza, dekarboxylce pyruvátu)- acetaldehyd -(alkoholdehydrogenáza, redukce aldehydu, reoxidace NADH)- ethanol
  • aerobní podmínky
    • pyruvát přenesen do mitochondrie, kde je oxidativně dekarboxylován na acetyl-CoA
    • tento proces zajišťuje multienzymový pyruvátdehydrogenázový komplex
      • tři enzymy: pyruvátdehydrogenáza (E1), dihydrolipoyltransacetyláza (E2), dihydrolipoyldehydrogenáza (E3)
      • pět kofaktorů: thiamin pyrofosfát (vázán k E1), kyselina lipoová (jako Lys lipoamid E2), koenzym A (substrát E2), FAD (vázán k E3), NAD+ (substrát E3)
    • výsledkem je redukovaný NADH, uvolněný CO2 a acetyl-CoA, který vstupuje do Krebsova cyklu
    • bližší popis reakčního mechanismu komplexu najdete například zde


KREBSŮV CYKLUS

  • syn. cyklus kyseliny citrónové, cyklus trikarboxylových kyselin
  • řada reakcí, které katabolizují acetylové zbytky (ty vystupují ve formě acetyl-koenzymu A) a uvolňují redukční ekvivalenty (přenášeny NADH, FADH2) a oxid uhličitý = společná metabolická dráha sacharidů, lipidů i proteinů
  • buněčná lokalizace: matrix mitochondrie a vnitřní list vnitřní mitochondriální membrány
  • redukční ekvivalenty posléze vstupují do dýchacího řetězce, kde je jejich konečným akceptorem kyslík = nepřítomnost (anoxie) nebo částečný nedostatek (hypoxie) kyslíku způsobuje úplnou nebo částečnou inhibici cyklu

reakce Krebsova cyklu

  1. citrátsyntáza
    acetyl-CoA (C2) + oxalacetát (C4) + voda = citrát (C6) + CoA
    kondenzační reakce a následná hydrolýza thioesterové vazby CoA

  2. akonitáza
    citrát (C6) = [cis-akonitát] = izocitrát (C6)
    dehydratace a následná hydratace

  3. izocitrátdehydrogenáza
    izocitrát (C6) + NAD+ = alfa-ketoglutarát (C5) + CO2 + NADH + H+
    oxidace a dekarboxylace

  4. alfa-ketoglutarátdehydrogenázový komplex
    alfa-ketoglutarát (C5) + NAD+ + CoA = sukcinyl-CoA (C4) + CO2NADH + H+
    analogické pyruvátdehydrogenázovému komplexu (oxidativní dekarboxylace)

  5. sukcinyl-CoA-syntetáza
    sukcinyl-CoA (C4) + Pi + ADP = sukcinát (C4) + ATP + CoA
    jediná substrátová fosforylace

  6. sukcinátdehydrogenáza
    sukcinát (C4) + FAD = fumarát (C4) + FADH2
    oxidace enzymem vnitřní mitochondriální membrány

  7. fumaráza
    fumarát (C4) + H2O = L-malát (C4)
    hydratace

  8. malátdehydrogenáza
    L-malát (C4) + NAD+ = oxalacetát (C4) NADH + H+
    oxalacetát se vrací do cyklu, viz reakci 1.


DÝCHACÍ ŘETĚZEC A OXIDATIVNÍ FOSFORYLACE

respirační řetězec
, elektrontransportní řetězec

  • do elektrontransportního řetězce vstupují redukované koenzymy s „vysokoenergetickými“ elektrony
  • řetězec tvoří: 4 velké složky integrované ve vnitřní mitochondriální membráně (komplex I–IV) + 2 pohyblivé složky (koenzym Q, cytochrom c) + ATPsynzáta
  • integrované komplexy seřazeny vhodně za sebou, elektrony přechází samovolně ve směru zvyšujícího se redox potenciálu (komplex I –320 mV, komplex IV +820 mV)
  • energie přenosu elektronů se využije k čerpání protonů, čímž vzniká elektrochemický potenciál (viz dále)
  • komplexy jsou proteinového charakteru, ale protein neumí procházající elektrony „zpracovat“ – proto jsou tam obsažena redox centra:
    • flavinmononukleotid (FMN, riboflavin-5-fosfát)
    • koenzym Q (ubichinon)
    • železo-sirná centra (Fe-S) - s proteinem asociována disulfidickými můstky
    • hemové skupiny (hem a, b, c) - poslední členy řetězce (nejvyšší redoxpotenciál)
  • přehled komplexů:
    • komplex I = NADH-dehydrogenáza (oxidace NADH)
    • komplex II = sukcinátdehydrogenáza (součást reakcí Krebsova cyklu)
      • komplexy I a II předávají elektrony na koenzym Q
    • komplex III = komplex b-c1 (přijímá elektrony od koenzymu Q)
    • komplex IV = cytochrom c-oxidáza
  • pokud elektrony „přeskočí“ tyto komplexy, energie se uvolňuje najednou ve formě tepla – toho využívají například jarní rostliny, která tak rozpouští sníh

oxidativní fosforylace

  • mitochondriální syntéza ATP: zajišťuje enzym vnitřní mitochondriální membrány ATP-syntáza
    • tvořen dvěma doménami:
      • F1 („ef jedna“): zanořena v membráně, 5 podjednotek, obsahuje vazebná místa pro ADP
      • FO („ef ó“): ční do mitochondriální matrix, různý počet podjednotek, tvoří tunel pro průchod protonů (ty se nashromáždily v mezimembránovém protoru, kam se dostaly při průchodu elektronů dýchacím řetězcem, viz výše)
    • komplex funguje jako molekulární motor - viz animaci
    • více informací o tomto báječném vynálezu: http://www.atpsynthase.info/index.html [en], http://www.life.illinois.edu/crofts/bioph354/lect10.html [en] – kvalitní materiál v češtině jsme na webu zatím nenašli, proto připravujeme vlastní
  • ne vždy se ovšem elektrochemický gradient využije na tvorbu ATP (například v hnědém tuku) = netřesová termogeneze: protony putují před rozpřahovací protein, což vede ke „zkratu“, a vzniká jen teplo


BETA-OXIDACE MASTNÝCH KYSELIN

  • probíhá v matrix mitochondrie, před tím ale aktivace MK v cytoplazmě:
    ATP + MK + CoA = (acyl-CoA-syntetáza) = acyl-CoA
  • následuje transport acyl-CoA do mitochondriální matrix (karnitin acyl-transferázy I a II):
    acyl-CoA přenesen na karnitin, odštěpen CoA – průchod skrz přenašeč – acyl odstraněn z karnitinu, připojení CoA = acyl-CoA
  • beta oxidace v matrix mitochondrie:
    • základní reakce:
      • acyl-CoA [s n uhlíky] = (acyl-CoA dehydrogenáza) = enoyl-CoA + FADH2 (1. oxidace)
      • enyol-CoA + H2O = (enoyl-CoA hydratáza) = beta-hydroxyacyl-CoA (hydratace)
      • beta-hydroxyacyl-CoA = (beta-hydroxyacyl-CoA dehydrogenáza) = beta-ketoacyl-CoA + NADH
      • beta-ketoacyl-CoA = (beta-ketoacyl-CoA thioláza) = acetyl-CoA + acyl-CoA [s n–2 uhlíky]
    • uhlíkový skelet se zkracuje o dvouuhlíkaté acetyl-CoA, ty vstupují do Krebsova cyklu (viz výše)
    • mastné kyseliny s lichým počtem uhlíků – v posledním kroku vzniká v závěru propionyl-CoA, který se sledem dalších reakcí mění na sukcinyl-CoA (vstupuje záhy také do Krebsova cyklu)
  • mastné kyseliny = energeticky bohaté sloučeniny, např. z palmytoyl-CoA se získá 108 ATP


KATABOLISMUS AMINOKYSELIN

  • probíhá ve 3 hlavních krocích:
  • (1) deaminace: odstranění alfa-aminoskupiny (vzniká amoniak), enzymy aminotransferázy
  • (2) vznik močoviny: močovinový (ornitinový) cyklus, viz dále
  • (3) zpracování uhlíkové kostry: postupná degradace skeletu na meziprodukty Krebsova cyklu
    • aa ketogenní: vzniká acetyl-CoA, acetoacetát (lysin, leucin)
    • aa keto- i glukogenní: isoleucin, tryptofan, tyrosin, fenylalanin, threonin
    • aa glukogenní: pyruvát, 2-oxo-glutarát, sukcinyl-CoA, fumarát, oxalacetát (zbylé aa)
    • každá aminokyselina/skupina podobných aminokyselin prochází odlišným sledem reakcí, na jejichž konci je právě některá z výše uvedených sloučenin, která vstupuje do Krebsova cyklu

močovinový cyklus

  1. karbamoylfosfátsyntetáza
    amoniak + hydrogenuhličitan + 2ATP = karbamoylfosfát + 2ADP + 2Pi
    probíhá v mitochondrii

  2. ornitin-karbamoyltransferáza
    karbamoylfosfát + ornitin = citrulin + Pi
    přenos karbamoylu na ornitin, probíhá v mitochondrii

  3. argininosukcinátsyntetáza
    citrulin + aspartát + ATP = argininosukcinát + AMP + PPi
    probíhá v cytoplazmě

  4. argininosukcinátlyáza
    argininosukcinát = arginin + fumarát
    arginin je prekurzor močoviny, probíhá v cytoplazmě

  5. argináza
    arginin = močovina + ornitin
    ornitin se vrací zpět do cyklu, probíhá v cytoplazmě



Podrobnější kapitoly z biochemie přesahují rámec tohoto webu, který se zaměřuje především na středoškolskou biologii. Vážné zájemce odkazujeme na oborovou literaturu (např. Voet et Voet: Biochemistry) či na jiné webové stránky věnované právě biochemii, např. The Medical Biochemistry Page.
Comments