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

Principy bioenergetiky Pro přežití potřebují buňky z potravy získávat energii a živiny, které vynakládají na plnění základních funkcí: pohyb (svalová kontrakce), termoregulace, biosyntéza, aktivní transport molekul a iontů Většina živin nemůže být využita přímo a musí být nejprve rozložena na jednodušší sloučeniny…katabolismus Vzniklé metabolity jsou pak buď dále katabolizovány za účelem získání energie, nebo využity k syntéze složitějších molekul…anabolismus

Koncové produkty katabolismu: H2O NH3 – vylučován jako močovina

Trávení je součástí katabolismu: Potrava Jednodušší sloučeniny trávení Absorpce Transport krví ke tkáním Utilizace ve tkáních: biosyntéza, produkce energie

Úschova energie, ATP Energie získaná z potravy může být uložena ve formě určitých sloučenin, jejichž štěpením se posléze zase uvolní, např. ATP: ATP + H2O  ADP + P Proto je štěpení ATP často spřaženo s reakcí, která vyžaduje dodání energie a sama o sobě by neprobíhala – energie pro tuto reakci je pak dodána současným štěpením ATP adenosintrifosfát =ATP

Sacharidy Sacharidy: a) monosacharidy – jedna jednotka b) oligosacharidy – 2-10 monosacharidových jednotek c) polysacharidy – polymery složené z monosacharidových jednotek Z rostlinné potravy získáváme např. škrob (polysacharid), fruktosu, glukosu (monosacharidy), sacharosu (disacharid), z živočišné např. laktosu (disacharid z mléka)

Monosacharidy Monosacharidy = aldehydy (aldosy) nebo ketony (ketosy) obsahující 2 a více –OH skupin Tvoří cyklické formy: α α-D-glukopyranosa  -D-glukopyranosa

Aldosy: aldehydová skupina D-konfigurace D-glukosa D-manosa D-galaktosa

Analogickou řadu L-aldos lze odvodit od L-glyceraldehydu: L-konfigurace

Ketosy: keto skupina Analogickou řadu L-ketos CH2OH Analogickou řadu L-ketos lze odvodit od L-erythrulosy D-konfigurace D-fruktosa

Oligosacharidy = sacharosa glukosa + fruktosa Oligosacharidy = 2-10 pospojovaných monosacharidových jednotek Např. sacharosa (řepný i třtinový cukr): sacharosa = glukosa + fruktosa

Polysacharidy Polysacharidy – vysoký počet monosacharidových jednotek, např.: škrob glykogen celulosa tvořeny jednotkami glukosy

Katabolismus sacharidů Polysacharidy (škrob, glykogen) jsou nejprve v tenkém střevě rozštěpeny pankreatickou α-amylasou na oligosacharidy a ty jsou dále štěpeny glykosidasami tenkého střeva na monosacharidy (nejčastěji glukosu): Monosacharidy pak vstupují do buněk tenkého střeva a odtud se dostávají do krevního oběhu polysacharidy pankreatická α-amylasa (ve střevě) oligosacharidy glykosidasy střeva monosacharidy

Katabolismus glukosy Glc vstoupí do cytoplasmy cílových buněk a zde je přeměněna glykolýzou na pyruvát Během glykolýzy vzniká ATP a dochází k redukci koenzymu NAD+ na NADH+H+: NADH+H+ NAD+ (nikotinamid- adenindinukleotid)

Glykolýza pyruvát 2 2 x ADP, H3PO4 ATP – H2O 2 x 2 x 2 x Glukosa je přeměněna na 2 molekuly pyruvátu za zisku 2 molekul ATP a dvou redukovaných koenzymů NADH.

Další přeměny pyruvátu Za aerobních podmínek je pyruvát v mitochondriích oxidačně dekarbo-xylován, tj. uvolní se z něj CO2 ; vzniká acetyl (CH3C=O-), který je přenesen na koenzym A (CoA) za vzniku acetyl-CoA: pyr + NAD+ + CoA  acetyl-CoA + CO2 + NADH + H+ Za anaerobních podmínek (např. intenzivně pracující sval) je pyruvát redukován na laktát: + NADH + H+ + NAD+ pyruvát laktát

Jednoduché lipidy Hlavně acylglyceroly, tj. estery glycerolu a vyšších mastných kyselin:

Složené lipidy Obsahují kromě alkoholu a mastné kyseliny ještě jinou komponentu Např. fosfolipidy: Fosfolipidy jsou důležitou složkou buněčných membrán mastná kyselina R Např.: pokud R = -O–CH2–CH2–N+(CH3)3, jde o fosfatidylcholin

Katabolismus acylglycerolů Pankreatická lipasa (sekretovaná do tenkého střeva) štěpí acylglyceroly za vzniku směsi mastných kyselin (FA) a 2-monoacylglycerolů: FA vstupují do buněk střevní stěny a jsou zabudovány do lipoproteinů chylomikronů. Ty vstupují do lymfatických cév a jimi do krve, jíž se dostávají k cílovým buňkám.

-oxidace FA acylkoenzym A (acyl-CoA) V buňce se FA váže na koenzym A (CoASH)  vzniká acyl-CoA, který je přenesen do mitochondrií V mitochondriích probíhá -oxidace: každý cyklus zkrátí FA o 2 uhlíky ve formě acetyl-CoA; zkrácená FA vstupuje do dalších cyklů FA se tak kompletně odbourá na acetyl-CoA; FAD a NAD+ se přitom redukují na FADH2 a NADH+H+

Katabolismus proteinů Proteiny = polymery složené z aminokyselin Proteiny jsou v žaludku štěpeny enzymem pepsinem na polypeptidy a ty dále v tenkém střevě pankreatickými enzymy trypsinem, chymotrypsinem, elastasou na kratší poly/oligopeptidy; ty jsou nakonec peptidasami střevních buněk rozštěpeny na aminokyseliny: Uvolněné aminokyseliny se dostávají ze střeva do krve proteiny pepsin polypeptidy trypsin poly/oligopeptidy ad. peptidasy AA

Katabolismus aminokyselin 1) Z aminokyseliny je odstraněna aminoskupina  uvolňuje se amoniak: 2) Zbylá uhlíkatá kostra je přeměněna na metabolit zpracovatelný v jiných metabolických drahách: např. na acetyl-CoA nebo sukcinyl-CoA, které pak mohou vstoupit do citrátového cyklu (viz dále) 3) Toxický amoniak je v močovinovém cyklu přeměněn na močovinu NH2 NH3 R – CH – COOH

Vylučování odpadních dusíkatých látek močí V moči jsou obsaženy: močovina – vzniká z amoniaku uvolněného katabolismem AA: kyselina močová – vzniká katabolismem purinových bází nukleových kys.: kreatinin – vzniká přeměnou kreatinfosfátu v pracujícím svalu: H guanin kys.močová

acetyl-CoA (příp. sukcinyl-CoA ad.) Tedy: makromolekulární složky potravy jsou rozloženy na základní jednotky a ty přeměněny na acetyl-CoA: polysacharidy lipidy proteiny glukosa mastné kyseliny aminokyseliny glykolýza -oxidace pyruvát acetyl-CoA acetyl-CoA (příp. sukcinyl-CoA ad.) acetyl-CoA

Acetylkoenzym A Acetyl-CoA pocházející z katabolismu sacharidů, lipidů a proteinů vstupuje do citrátového cyklu (CoA, příp. CoASH) v acetyl-CoA je místo tohoto vodíku acetyl (CH3C=O)

Citrátový cyklus V mitochondriální matrix Acetyl-CoA se v 1. kroku slučuje s oxalacetátem za vzniku citrátu, který je přeměňován dalšími reakcemi; v poslední reakci cyklu se regeneruje oxalacetát Acetyl-CoA je tak v citrátovém cyklu přeměněn za vzniku 2 molekul CO2 Přitom se redukuje NAD+ na NADH+H+ a FAD na FADH2

acetyl-CoA Citrátový cyklus:

Tedy: Katabolismus produkuje redukované formy koenzymů NADH a FADH2: v průběhu glykolýzy (přeměny Glc na pyr) při přeměně pyruvátu na acetyl-CoA v -oxidaci mastných kyselin v katabolismu aminokyselin v citrátovém cyklu Tyto redukované koenzymy vstupují do dýchacího řetězce a v něm se regenerují (oxidují zpět na NAD+ a FAD); na to navazuje syntéza ATP

Dýchací řetězec (DŘ) mitochondrie DŘ tvoří 5 proteinových komplexů ve vnitřní mitochondriální membráně a 2 mobilní přenašeče: ubichinon (koenzym Q) cytochrom c Komplexy I, II a III obsahují Fe-S proteiny (proteiny obsahující síru a nehemové železo) Součástí DŘ jsou cytochromy, které obsahují hem mitochondrie

NADH+H+ NAD+ FADH2 FAD – 2 H – 2 H V DŘ dochází k reoxidaci redukovaných koenzymů NADH a FADH2, které pocházejí z katabolismu sacharidů, FA a proteinů: NADH+H+ NAD+ FADH2 FAD – 2 H – 2 H (flavinadenindinukleotid)

vnitřní mitoch. membrána vnější mitoch. elektrony H+ z NADH, FADH2 a z mitochondriální matrix jsou komplexy DŘ přenášeny z matrix do mezimembránového prostoru Elektrony jsou přes sérii přenašečů přeneseny až na kyslík za vzniku vody Uprav. podle: KODÍČEK, M. Řetězec dýchací. From Biochemické pojmy : výkladový slovník [online]. VŠCHT Praha, 2007

Oxidační fosforylace V DŘ jsou elektrony a H+ přenášeny zvlášť! Činností DŘ jsou H+ přenášeny z matrix mitochondrií do mezimembrá-nového prostoru mitochondrií  vzniká gradient koncentrace H+: v matrix koncentrace H+ klesá, v mezimembránovém prostoru roste! Tento gradient využívá ATP-synthasa (komplex V) k produkci ATP: H+ jí procházejí z mezimembránového prostoru zpět do matrix a přitom vzniká ATP

ATP-synthasa (komplex V) matrix vnitřní mitoch. membrána mezimembránový prostor H+ procházejí protonovým kanálem Fo ATP-synthasy z mezimembr. prostoru zpět do matrix, což je spojeno s tvorbou ATP podjednotkou F1 (průchod H+ vyvolá potřebné konformační změny)

Anaerobní podmínky: Pyruvát není oxidačně dekarboxylován za vzniku acetyl-CoA, nýbrž přeměněn na laktát (viz dříve): pyruvát + NADH + H+  laktát + NAD+ Tato reakce umožňuje regeneraci NAD+ za anaerobních podmínek, kdy se zastavuje dýchací řetězec kvůli nedostatku kyslíku Tato reakce tak umožňuje chod glykolýzy (dodává pro ni NAD+) a zisk ATP (v glykolýze) i za anaerobních podmínek

Celkové schéma: V katabolismu polysacharidů, lipidů i bílkovin vzniká acetyl-CoA a redukované koenzymy Acetyl-CoA vstupuje do citrátového cyklu, který produkuje redukované koenzymy Redukované koenzymy jsou reoxi-dovány v DŘ, na který navazuje ATP-synthasa a produkce ATP