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

• • v procesu anaerobní glykolýzy metabolizována na pyruvát/laktát/ethanol, v aerobním prostředí na pyruvát a dále podstupuje oxidativní dekarboxylaci, mění se na acetyl-CoA a vstupuje do Krebsova cyklu

  • 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

  • může vznikat de novo procesem glukoneogeneze

MASTNÉ KYSELINY

• • získávány 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

• • 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)

Enzymy a reakce glykolýzy

Hexokináza

• glukóza + ATP = glukóza-6-fosfát + ADP

• kofaktorem kationty Mg²⁺

• 1. regulační enzym - inhibice produktem fosforylovaná glukóza nemůže unikat z buňky

Glukóza-6-fosfátizomeráza

• glukóza-6-fosfát = fruktóza-6-fosfát

• izomerizace na „souměrnou“ hexózu

Fosfofruktokináza

• fruktóza-6-fosfát + ATP = fruktóza-1,6-bisfosfát

• kofaktorem kationty Mg²⁺

• 2. regulační enzym - klíčový, vede k němu více inhibitorů i aktivátorů

Aldoláza

• fruktóza-1,6-bisfosfát = glyceralgehyd-3-fosfát + dihydroxyacetonfosfát

• triózafosfáty jsou vzájemně převoditelné, viz dále

Triózafosfátizomeráza

• dihydroxyacetonfosfát = glyceraldehyd-3-fosfát

• enzym má soudkovitý tvar, dokonce i s víčkem

Glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza

• glyceraldehyd-3-fosfát + NAD⁺ + P_i = 1,3-bisfosfoglycerát + NADH + H⁺

• oxidace substrátu a fosforylace, redukce koenzymu

• energie oxidace aldehydu se spotřebuje na zabudování makroergního fosfátu

Fosfoglycerátkináza

• 1,3-bisfosfoglycerát + ADP = 3-fosfoglycerát + ATP

• kofaktorem kationty Mg²⁺

• vznik ATP substrátovou fosforylací (vrací se investice z reakce 1. a 3.)

Fosfoglycerátmutáza

• 3-fosfoglycerát = 2-fosfoglycerát

• meziproduktem 2,3-bisfosfoglycerát

Enoláza

• 2-fosfoglycerát = fosfoenolpyruvát + voda

• fosfát v pozici 2 se stává makroergním

• kofaktorem Mg²⁺

Pyruvátkináza

• fosfoenolpyruvát + ADP = pyruvát + ATP

• spontánní přeměna enolypyruvátu na ketoformu

• kofaktorem kationty Mg²⁺ a K⁺

• vznik ATP

• 3. regulační enzym - allosterická inhibice ATP

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)- etanol

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

Enzymy a reakce Krebsova cyklu

Citrátsyntáza

• • acetyl-CoA (C2) + oxalacetát (C4) + voda = citrát (C6) + CoA

  • kondenzační reakce a následná hydrolýza thioesterové vazby CoA

Akonitáza

• • citrát (C6) = [cis-akonitát] = izocitrát (C6)

  • dehydratace a následná hydratace

Izocitrátdehydrogenáza

• • izocitrát (C6) + NAD⁺ = alfa-ketoglutarát (C5) + CO₂ + NADH + H⁺

  • oxidace a dekarboxylace

Alfa-ketoglutarátdehydrogenázový komplex

• • alfa-ketoglutarát (C5) + NAD⁺ + CoA = sukcinyl-CoA (C4) + CO₂ + NADH + H⁺

  • analogické pyruvátdehydrogenázovému komplexu (oxidativní dekarboxylace)

Sukcinyl-CoA-syntetáza

• • sukcinyl-CoA (C4) + P_i + ADP = sukcinát (C4) + ATP + CoA

  • jediná substrátová fosforylace

Sukcinátdehydrogenáza

• • sukcinát (C4) + FAD = fumarát (C4) + FADH₂

  • oxidace enzymem vnitřní mitochondriální membrány

Fumaráza

• • fumarát (C4) + H₂O = L-malát (C4)

  • hydratace

Malátdehydrogenáza

• • L-malát (C4) + NAD⁺ = oxalacetát (C4) + NADH + H⁺

  • oxalacetát se vrací do cyklu, viz 1. reakci

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

      • F_O („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)

  • ne vždy se ovšem elektrochemický gradient využije na tvorbu ATP (například v hnědém tuku) = netřesová termogeneze: protony putují před rozpřahovací (angl. uncoupling) 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

Močovinový cyklus

Karbamoylfosfátsyntetáza

• • • amoniak + hydrogenuhličitan + 2ATP = karbamoylfosfát + 2ADP + 2P_i

    • probíhá v mitochondrii

Ornitin-karbamoyltransferáza

• • • karbamoylfosfát + ornitin = citrulin + P_i

    • přenos karbamoylu na ornitin, probíhá v mitochondrii

Argininosukcinátsyntetáza

• • • citrulin + aspartát + ATP = argininosukcinát + AMP + PP_i

    • probíhá v cytoplazmě

Argininosukcinátlyáza

• • • argininosukcinát = arginin + fumarát

    • arginin je prekurzor močoviny, probíhá v cytoplazmě

Argináza

• • • arginin = močovina + ornitin

    • ornitin se vrací zpět do cyklu, probíhá v cytoplazmě