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

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

Schéma metabolismu Biopolymery (z potravy, ze zásob – např. glykogen) jsou katabolizovány  uvolňuje se energie a monomerní stavební jednotky resp. odpadní produkty Stavební jednotky a energie jsou využity k syntéze makromolekul a pro konání práce (syntézy,transport látek, svalová kontrakce)

Spřažené reakce Energie získaná v exergonických katabolických reakcích a uložená 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 štěpení ATP na ADP a fosfát 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 – uvolňuje více energie, než spotřebuje reakce 1) ______________________________________ Spřažení  glukosa + ATP  glukosa-6-fosfát + ADP …celkově se energie uvolňuje, Glc může být fosforylována (1. reakce glykolýzy)

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

ALE: anabolismus není prostým zvratem katabolismu: Některé reakce metabolické dráhy jsou zvratné, ale jiné jsou silně exergonické, a tedy nevratné (často na počátku dráhy, např. v glykolýze přeměna Glc na Glc-6-fosfát); anabolismus tak NEMŮŽE probíhat jako prostý zvrat katabolismu a na místě těchto exergonických kroků musí použít jinou cestu Toto oddělení anabolických a katabolických drah umožňuje jejich vzájemně nezávislou regulaci!!!

Anabolismus sacharidů Glukoneogeneze Z pyruvátu Z laktátu vzniklého při anaerobní glykolýze (přemění se na pyruvát) Z oxalacetátu, a tedy potažmo z intermediátů CC, které se na něj mohou v CC přeměnit Z aminokyselin (hlavní zdroj), které se mohou přeměnit na oxalacetát (Asp) nebo pyruvát (Ala); uvolňují se odbouráváním svalových proteinů při hladovění Z glycerolu (může být přeměněn na dihydroxyaceton-fosfát)

- vznik pyruvátu z fosfoenolpyruvátu v glykolýze je nevratný (exergonický)  v tomto kroku nelze „obrátit směr“, takže pro přeměnu pyruvát fosfoenolpyruvát je při glukoneogenezi nutná oklika přes oxalacetát, při níž se dodává energie v podobě ATP a GTP. Účastní se i biotin, tj. vitamín ze skupiny vitamínů B

Od fosfoenolpyruvátu probíhá glukoneogeneze jako zvrat glykolýzy – až na to, že fruktosa-1,6-bisfosfát a glukosa-6-fosfát nehydrolyzují za vzniku ATP, ale jen anorganického fosfátu Laktát vznikající anaerobní glykolýzou ve svalu je přenášen krví do jater a ledvin, kde je z něho syntetizována glukosa (ve svalu chybí enzymy glukoneogeneze), která pak může být krví zase přenesena do tkání (svalu)…Coriho cyklus Glukosa je zdrojem energie pro CNS  její nedostatek (selhání glukoneogeneze) může vést až k dysfunkci mozku a smrti! Glukosa je také jediným zdrojem energie pro kosterní sval za anaerobních podmínek

Přeměna aminokyselin na pyruvát a oxalacetát: Tzv. transaminace, tj. výměna aminoskupiny z aminokyseliny za -C=O oxokyseliny:

Syntéza glykogenu Glykogen – hlavní zásobní forma sacharidů, 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

4) Glukosa z UDP-Glc je připojena ke koncové Glc vznikajícího glykogenu; pro začátek je nutný protein zvaný glykogenin, který nese oligosacharidový řetězec sloužící jako primer UDP-Glc + (Glc)n  (Glc)n+1 + UDP Větvení: přenesením několika koncových molekul Glc na –OH na C6 jiné molekuly Glc: vznikající glykogen větvící enzym

Anabolismus lipidů Syntéza mastných kyselin Z acetyl-CoA, v cytoplasmě Acetyl-CoA je přeměněn na malonyl-CoA; CO2 pro tuto přeměnu přenáší biotin, přičemž jeho karboxylace vyžaduje ATP: enzym–biotin + ATP + CO2  enzym–biotin–COO- + ADP+P + enzym–biotin–COO- – enz–biotin

Malonyl z malonyl-CoA je přenesen na ACP (Acyl Carrier Protein) Na ACP je přenesen ještě acetyl z dalšího acetyl-CoA Na ACP dojde ke kondenzaci acetylu a malonylu (oba navázány přes –SH skupiny ACP) za vzniku acetoacetátu: + –CO2

Následné reakce: Oproti -oxidaci FA není využíván NAD(H), nýbrž NADP(H) Zdrojem NADPH je tzv. pentosový cyklus, který vedle NADPH produkuje i ribosa-5-fosfát (pro syntézu DNA, RNA); výchozí látkou je glukosa-6-fosfát znovu kondenzuje s malonylem

Další kolo: + Vzniklý butyryl kondenzuje s dalším malonylem (opět vzniká z acetyl-CoA)  vzniká šestiuhlíkatý řetězec, který je redukován atd. V každém cyklu prodloužení o dva uhlíky opět kondenzace s malonylem atd.

Další úpravy FA: Prodloužení: v cytoplasmě – syntéza palmitátu (CH3(CH2)14COO-); další prodloužení katalyzují elongasy v mitochondriích a endoplasmatickém retikulu (ER) Tvorba nenasycených FA: katalyzována desaturasami v ER Některé mastné kyseliny není lidské tělo schopno syntetizovat, a musí tedy být přijímány v potravě …esenciální mastné kyseliny; patří mezi ně kys. linolová, z níž může v organismu vznikat i kys. arachidonová, a obě jsou prekurzory eikosanoidů (prostaglandiny, tromboxany, leukotrieny, lipoxiny)

Syntéza triacylglycerolů a fosfolipidů V endoplazmatickém retikulu Z mastných kyselin aktivovaných vazbou na CoA (tj. z acyl-CoA; aktivace vyžaduje ATP) a glycerol–3–fosfátu, který vzniká buď redukcí dihydroxyacetonfosfátu nebo fosforylací glycerolu (opět vyžaduje ATP) Zdroj dihydroxyacetonfosfátu: glykolýza – štěpením fruktosa-1,6-bisfosfátu vzniká rovnovážná směs glyceraldehyd-3-fosfátu a dihydroxyacetonfosfátu:

H2O H2O P P

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

Anabolismus proteinů Syntéza aminokyselin Některé AA není lidské tělo schopno syntetizovat, a musí je tedy přijímat v potravě…esenciální aminokyseliny (Ile, Leu, Lys, Met, Phe, Trp…) Neesenciální AA jsou syntetizovány z intermeditátů glykolýzy nebo citrátového cyklu; syntéza několika AA vychází z Glu (Gln, Pro) či využívá Glu jako donor aminoskupiny (k transaminaci pyruvátu resp. oxalacetátu za vzniku Ala resp. Asp). Glu vzniká z 2-oxoglutarátu: NH4+ + 2-oxoglutarát + NADPH +H+ Glu + NADP++ H2O

Proteosyntéza V jádře probíhá transkripce (přepis) genetické informace z DNA do (komplementární) mRNA Podle mRNA jsou na ribozomech syntetizovány proteiny…translace Ribosom se skládá z malé a velké podjednotky, které jsou složeny z proteinů a ribosomálních RNA (rRNA) Pro translaci jsou vedle aminokyselin a mRNA třeba molekuly tRNA (transferová RNA), která svým 3´-koncem váže URČITOU aminokyselinu (na 3´-OH koncového adenosinu v tripletu CCA) a antikodonem se páruje s kodonem v mRNA

Tvorba aminoacyl-tRNA Pro každou AA existuje nejméně 1 tRNA Pro každou AA existuje zvláštní enzym, který katalyzuje aktivaci AA, při níž se AA přenese na tRNA; aktivace opět vyžaduje ATP: HOOC–CH–R NH2

Průběh translace 1) Iniciace: první tRNA (nesoucí vždy Met), mRNA a GTP se za pomoci tzv. iniciačních faktorů (proteiny) naváží na ribosom; tvorba tohoto tzv. iniciačního komplexu vyžaduje hydrolýzu nejen GTP, ale i ATP 2) Elongace: aminoacyl-tRNA se za pomoci elongačního faktoru a hydrolýzy GTP naváže do tzv. A-místa na ribosomu  peptidyl vázaný na tRNA v P-místě (kde je při iniciaci tRNA-Met) se naváže peptidovou vazbou AA-tRNA v A-místě  další elongační faktor a hydrolýza GTP realizují translokaci: ribosom se posouvá po mRNA o 3 báze (1 kodon) dál ve směru k jejímu 3´-konci a peptidyl-tRNA, který je nyní v A-místě, se dostává do P-místa; A-místo se tak uvolní pro vazbu další AA

Elongace směr pohybu ribosomu 5´ 3´ mRNA další cyklus

Tvorba peptidové vazby při elongaci Tvorbu peptidové vazby katalyzuje rRNA, která se proto označuje jako ribozym (tzn. katalyzátorem není enzym-protein, ale RNA!!!)

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

Pořadí bází v mRNA určuje pořadí AA v proteinu, tj Pořadí bází v mRNA určuje pořadí AA v proteinu, tj. jeho primární strukturu Ribosom se posunuje po mRNA směrem k jejímu 3´-konci, polypeptid roste od N-konce k C-konci Rychlost translace u eukaryot: 6 AA/s 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

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

Glykace Neenzymatická posttranslační modifikace Glukosa reaguje svou aldehydovou skupinou s aminoskupinami proteinů Konečné produkty pokročilé glykace (AGEs) jsou považovány za klíčové faktory v patogenezi diabetické nefropatie a jiných diabetických komplikací