Anabolické procesy v organismu mirka.rovenska@lfmotol.cuni.cz

Anabolismus = syntetické reakce sloužící k tvorbě složitějších látek (naproti tomu katabolismus látky rozkládá)

Schéma metabolismu Biopolymery (z potravy, ze zásob) jsou katabolizovány  získávají se monomerní stavební jednotky a energie; uvolňují se odpadní produkty Stavební jednotky a energie slouží k syntéze makromo-lekul, energie i ke konání práce (transport látek, svalová kontrakce)

Spřažené reakce Energie získaná v katabolických reakcích a uložená např. ve formě ATP je využita pro endergonické pochody: většina anabolických reakcí, transport látek, svalová kontrakce. Tedy: endergonická reakce je spřažena s exergonickou, která jí dodává potřebnou energii – typicky se štěpením ATP na ADP a fosfát: ATP + H2O  ADP + P ATP = hlavní forma uložení chemické energie v buňkách

Příklad spřažených reakcí: 1) glukosa + P  glukosa-6-fosfát + H2O …endergonická reakce – vyžaduje energii 2) ATP  ADP + P …exergonická reakce – uvolňuje energii Spřažení  glukosa + ATP  glukosa-6-fosfát + ADP …celkově se energie uvolňuje a Glc může být fosforylována (1. reakce glykolýzy)

I anabolismus je stupňovitý: pyruvát, glycerol, oxalacetát, AA glukosa polysacharidy acetyl-CoA mastné kyseliny lipidy NH3, jednoduché intermediáty (např.2-oxoglutarát z CC) aminokyseliny proteiny

ALE: anabolismus není prostým zvratem katabolismu: Některé reakce katabolismu jsou zvratné, ale jiné jsou silně exergonické, tj. nevratné (často na počátku dráhy) Anabolismus tak NEMŮŽE probíhat jako prostý zvrat katabolismu a na místě těchto nevratných kroků musí použít jinou cestu (reakce opačným směrem běžet nemůže) Toto oddělení anabolických a katabolických drah umožňuje jejich vzájemně nezávislou regulaci!!!

Anabolismus sacharidů Glukoneogeneze Glukosa je zdrojem energie pro CNS  nedostatek může vést až k dysfunkci mozku a smrti! Je také zdrojem energie pro kosterní sval za anaerobních podmínek Glukosa může vznikat z: pyruvátu laktátu (přemění se na pyruvát) oxalacetátu, a tedy i z intermediátů CC, které se na oxalacetát mohou v CC přeměnit aminokyselin (hlavní zdroj), které se mohou přeměnit na oxalacetát nebo pyruvát, tzn. z aspartátu resp. z alaninu glycerolu (může být přeměněn na glyceraldehyd-3-fosfát)

Glukoneogeneze využívá některé reakce glykolýzy v opačném směru, ale v místě nevratných reakcí nelze jednoduše obrátit směr V těchto místech musí jít glukoneogeneze oklikou Jde hlavně o vznik fosfoenolpyruvátu (PEP) z pyruvátu: reakce PEP → pyr je exergonická (hydrolýzou PEP se uvolní více energie, než je třeba pro syntézu ATP)  opačně neprobíhá  přeměna pyr  PEP probíhá při glukoneogenezi přes oxalacetát

Op.: glykolýza pyruvát 2 x tato reakce – exergonická, tzn. má-li běžet ADP, H3PO4 ATP – H2O tato reakce – exergonická, tzn. má-li běžet opačně, nevznikne ATP, ale jen anorg. fosfát 2 x 2 x 2 x tato reakce – též nevratná  nutná oklika přes oxalacetát

Oklika přes oxalacetát Dodává se energie v podobě ATP a GTP. Účastní se biotin tj. vitamín ze skupiny vitamínů B

2x pyruvát → 2x oxalacetát → 2 2 2 Od fosfoenolpyruvátu probíhá glukoneogeneze jako zvrat glykolýzy – až na to, že hydrolýza fruktosa-1,6-bisfosfátu neposkytuje ATP, ale jen anorganický fosfát: NADH+H+ NAD+ 2x pyruvát → 2x oxalacetát → 2 2 2 – 2 P

Coriho cyklus Glukoneogeneze probíhá zejména v játrech Laktát vznikající anaerobní glykolýzou ve svalu je přenášen krví do jater a ledvin, kde je z něho syntetizována glukosa (ve svalu chybí enzymy glukoneogeneze); ta pak může být krví zase přenesena do tkání (svalu)

Aminokyseliny jako zdroj pro glukoneogenezi: Zdrojem pro syntézu Glc mohou být ty AA, které lze přeměnit na pyruvát nebo oxalacetát, tzn. alanin a aspartát Přeměna = transaminace, tj. výměna aminoskupiny z aminokyseliny za -C=O oxokyseliny pyruvát oxalacetát

Syntéza glykogenu Glykogen – hlavní zásobní forma sacharidů u živočichů, uložená v játrech a svalech; skládá se z molekul glukosy: Syntéza probíhá hlavně v játrech a svalech vazba -1,6 (větvení) vazba -1,4

Z glukosa-1-fosfátu pomocí UTP: Využívá se energie uložené v UTP! uridindifosfoglukosa

Glukosa z UDP-Glc je připojena ke koncové Glc vznikajícího glykogenu: UDP-Glc + (Glc)n  (Glc)n+1 + UDP Větvení: přenesením několika koncových molekul Glc na –OH na C6 jiné molekuly Glc: vznikající glykogen větvicí enzym

Anabolismus lipidů Syntéza mastných kyselin Z acetyl-CoA, v cytoplasmě Acetyl-CoA je přeměněn na malonyl-CoA; CO2 pro tuto přeměnu přenáší biotin; pro navázání CO2 na biotin je třeba ATP + enzym–biotin–COO- – E-biotin

Na multiproteinovém komplexu ACP dojde ke kondenzaci malonylu a dalšího acetylu z acetyl-CoA za vzniku acetoacetátu: Ten je redukován pomocí NADPH+H+ na butyryl-CoA, který kondenzuje s dalším malonylem, produkt (6 uhlíků) je znovu redukován NADPH atd.: * + –CO2 2 NADPH+H+ 2 NADP+ ZASE od * +malonyl 2 NADPH 6C hexyryl-ACP – H2O – CO2 – H2O

V každém cyklu kondenzuje vznikající kyselina (vázaná na ACP) s dalším malonylem (a prodlužuje se o dva uhlíky – jeden odstupuje jako CO2) a redukuje se pomocí NADPH, až v 7. cyklu vzniká kys. palmitová (C16) Oproti -oxidaci není při syntéze FA využíván NAD(H), nýbrž NADP(H) Zdrojem NADPH je pentosofosfátová dráha, která vedle NADPH produkuje i ribosa-5-fosfát pro syntézu DNA, RNA; výchozí látkou je glukosa-6-fosfát

Další úpravy FA Prodloužení: v cytoplasmě probíhá prodlužování o 2C až k palmitové kyselině CH3(CH2)14COO-. Další prodloužení katalyzují elongasy v endoplas-matickém retikulu (ER), příp. v mitochondriích. Tvorba nenasycených FA: katalyzována desaturasami v ER Tzv. esenciální mastné kyseliny není lidské tělo schopno syntetizovat, a musí tedy být přijímány v potravě: hlavně kys. linolová, z níž v organismu vzniká kys. arachidonová; obě jsou prekurzory biologicky významných látek eikosanoidů (prostaglandiny, tromboxany, leukotrieny, lipoxiny).

Syntéza triacylglycerolů a fosfolipidů acyl-CoA V endoplazmatickém retikulu Z mastných kyselin aktivovaných vazbou na CoA (tj. z acyl-CoA; aktivace vyžaduje ATP) a glycerol–3–fosfátu H2O acyl-CoA P

Diacylglycerol je dále: A) acylován na 3. uhlíku  vzniká triacylglycerol B) vnesením derivatizované fosfoskupiny modifikován na fosfolipid; jejím donorem je CDP-derivát: CDP–O–(CH2)2–NH3+ CMP (CDP-ethanolamin) fosfatidylethanolamin – P –O–(CH2)2–NH3+ O O-

Anabolismus proteinů Syntéza aminokyselin Některé AA nedokáže lidské tělo syntetizovat, a musí je tedy přijímat v potravě…esenciální aminokyseliny (Ile, Leu, Lys, Met, Phe, Trp…) Neesenciální AA jsou syntetizovány z: intermediátů glykolýzy intermediátů citrátového cyklu (oxalacetát) glutamátu (Gln, Pro) Glu je využíván též jako donor aminoskupiny při transaminacích: pyruvát + Glu → Ala + 2-oxoglutarát oxalacetát + Glu → Asp + 2-oxoglutarát Vznik Glu: NH3 + 2-oxoglutarát +NADPH+H+ → Glu + NADP+ + H2O

Proteosyntéza V jádře buňky probíhá transkripce: přepis genetické informace z DNA do (komplementární) mRNA Podle mRNA jsou pak na ribozomech syntetizovány proteiny…translace Ribosom se skládá z malé a velké podjednotky; ty jsou tvořeny proteiny a ribosomálními RNA (rRNA) Pro translaci jsou vedle aminokyselin, mRNA a ribosomu třeba také: molekuly tRNA (transferová RNA): svým 3´-koncem váže určitou aminokyselinu a antikodonem se páruje s mRNA energie ve formě ATP, GTP

Tvorba aminoacyl-tRNA Pro každou AA existuje nejméně 1 tRNA, která ji váže a přenáší na ribosom Pro každou AA existuje zvláštní enzym, který katalyzuje aktivaci AA, při níž se AA naváže na tRNA; aktivace opět vyžaduje ATP: AA + ATP + tRNA PP + AMP + aminoacyl-tRNA enzym (AA-tRNA)

Průběh translace 1) Iniciace: první tRNA (nesoucí vždy Met) a mRNA se s pomocí iniciačních faktorů (proteiny) naváží na ribosom v P-místě…vyžaduje hydrolýzu GTP a ATP 2) Elongace: aminoacyl-tRNA se s pomocí elongačního faktoru a za hydrolýzy GTP naváže do A-místa na ribosomu peptidyl (v 1. kroku jen Met) vázaný na tRNA v P-místě se naváže peptidovou vazbou na AA-tRNA v A-místě hydrolýza GTP umožní translokaci: ribosom se posune po mRNA o 3 báze (1 kodon) směrem k jejímu 3´-konci. Peptidyl-tRNA se tak dostává zase do P-místa; A-místo se tak uvolní pro další AA atd…

Elongace mRNA tRNA 5´ 3´ směr pohybu ribosomu vazba aminoacyl-tRNA do A-místa přenos Met (peptidylu) z P-místa na novou AA-tRNA v A-místě a tvorba peptidové vazby směr pohybu ribosomu 5´ 3´ znovu přenos peptidylu (Met-Ser) na novou AA-tRNA (Glu) atd. translokace a vazba nové (Glu) AA-tRNA do A-místa

3) Terminace: v A-místě se objeví stop kodon mRNA (neexistuje tRNA, jejíž antikodon by ho rozeznával)  za pomoci terminačního faktoru a hydrolýzy GTP se polypeptid uvolňuje z tRNA v P-místě. Tvorbu peptidové vazby katalyzuje nikoli proteinový enzym, nýbrž RNA (rRNA nebo tRNA), která se proto označuje jako ribozym.

Pořadí bází (kodonů) v mRNA tedy určuje pořadí AA v proteinu, tj Pořadí bází (kodonů) v mRNA tedy určuje pořadí AA v proteinu, tj. jeho primární strukturu Ribosom se posunuje po mRNA směrem k jejímu 3´-konci, polypeptid přitom roste od N-konce (methioninu) k C-konci Proteiny, které se mají dostat do membrán, lysosomů nebo ven z buňky, nejsou syntetizovány na volných ribosomech v cytoplasmě, nýbrž na ribosomech vázaných na drsné endoplasmatické retikulum Mnohé proteiny se ještě před ukončením translace začínají modifikovat (tzv. posttranslační modifikace, viz dále)

Antibiotika a proteosyntéza Některá antibiotika fungují tak, že inhibují bakteriální syntézu proteinů Využívá se toho, že bakteriální ribosom má jiné složení než eukaryotické ribosomy  antibiotika interagují s proteiny resp. RNA bakteriálních, nikoli však eukaryotických ribosomů Např.: tetracyklin zabraňuje vazbě aminoacyl-tRNA do A-místa

Posttranslační modifikace Proteolýza: odštěpuje se N-koncový Met, u polypeptidů syntetizovaných ve formě neaktivních prekurzorů (inzulin) i další peptidový fragment Tvorba –S–S– můstků v endoplasmatickém retikulu (ER): ovlivňuje konformaci a aktivitu proteinu Glykosylace: připojení sacharidu na –OH Ser, Thr (O-glykosidicky) nebo amidový dusík Asn (N-glykosidicky); probíhá v ER a v Golgiho komplexu Fosforylace –OH skupiny Ser, Thr nebo Tyr: v cytoplasmě Hydroxylace Pro (v poloze 3 či 4) a Lys (v poloze 5) v kolagenech: v ER

Glykace Neenzymatická posttranslační modifikace Aldosa (monosacharid) reaguje svou aldehydovou skupinou s aminosku-pinami proteinů Konečné produkty pokročilé glykace (AGEs) jsou považovány za klíčové faktory v patogenezi diabetické nefropatie a jiných diabetických komplikací pentosidin