Metabolismus A. Navigace B. Terminologie E. Sacharidy I. Enzymy Obecná charakteristika Specifická část Doplňky H. Patofyziologie B. Terminologie E. Sacharidy I. Enzymy C. Extracelulární principy F. Lipidy J. Opakování D. Intracelulární principy G. Proteiny K. Riskuj! D-1

Obecná charakteristika D. Intracelulární principy

Propojení metabolismu živin OSNOVA PREZENTACE: Schéma metabolismu Propojení metabolismu živin Buněčné dýchání a. Krebsův cyklus b. Dýchací řetězec c. Oxidativní fosforylace D-3

Využitelné části potravy SCHÉMA METABOLISMU A INTRACELULÁRNÍ ČÁST Využití - BUŇKY TKÁNÍ: svalové cévy tukové ostatní Metabolity Pankreatická šťáva žluč Odstranění z těla: Močové ústrojí Dýchací soustava Využitelné části potravy Štěpení potravy Nestravitelné zbytky Stolice Řitní otvor Tlusté střevo D-4 EXTRACELULÁRNÍ ČÁST

b) INTRACELULÁRNÍ část metabolismu Biochemické dráhy společné všem molekulám živin (sacharidy, proteiny, lipidy) D-5

PROPOJENÍ METABOLISMU ATP CO2 + H2O D-6

Propojení metabolismu - SCHÉMA proteiny sacharidy tuky aminokyseliny monosacharidy glycerol mastné kyseliny glukóza GLYKOLÝZA cytosol Glyceraldehyd-3-P pyruvát NH3 AcetylCoA Krebsův cyklus Dýchací řetězec a oxidativní fosforylace D-7 mitochondrie

Jak buňky získávají energii uloženou v organických molekulách? kvašení (fermentace) – částečný rozklad organických látek bez přístupu kyslíku (anaerobně) buněčné dýchání – rozklad organických látek za účasti kyslíku (aerobně), u eukaryotických buněk probíhá ve specializovaných organelách mitochondriích glukóza GLYKOLÝZA mitochondrie pyruvát Bez O2 S O2 acetylCoA laktát cytosol Krebsův cyklus D-8

BUNĚČNÉ DÝCHÁNÍ (SCHÉMA) oxidativní fosforylace mitochondrie cytosol Elektrony přenášené NADH a FADH2 Elektrony přenášené NADH Dýchací řetězec a oxidativní fosforylace Krebsův cyklus GLYKOLÝZA Glukóza Pyruvát ATP ATP ATP ATP 2 x ATP 34 x ATP Fosforylace na substrátové úrovni 2 x Oxidativní fosforylace Fosforylace na substrátové úrovni D-9

Buněčné dýchání (respirace) je biochemický proces, při kterém se uvolňuje chemická energie vazeb organických sloučenin (typicky sacharidů) za vzniku pohotového energetického zdroje pro buňku (ATP) jako odpadní produkty štěpení vzniká CO2 a H2O je opačným procesem fotosyntézy autotrofních organismů energie slunečního záření → během fotosyntézy uskladňována do vazeb organických látek → je při jejich štěpení během dýchání uvolňována a spotřebovávána k dalším chemickým reakcím důležitým pro život. Účinnost respirace je 68%, zbytek se uvolní jako teplo. D-10

Buněčné dýchání (respirace) Lokalizace: MITOCHONDRIE Krebsův cyklus PYRUVÁT → přenesen do mitochondrie → oxidace na acetyl-CoA → ten vstupuje do Krebsova cyklu redukce koenzymů, které přenášejí H+ a elektrony na vnitřní membránu mitochondrií Dýchací řetězec Vodíkové atomy, které přinesly redukované koenzymy z Krebsova cyklu → enzymy dýchacího řetězce si předávají elektrony a energii Oxidativní fosforylace Energie uvolněná v každém z kroků dýchacího řetězce je uchovávána v podobě, kterou je mitochondrie schopná využít k vytváření ATP. D-11

Krebsův cyklus = Citrátový cyklus, cyklus kyseliny citronové, cyklus trikarboxylových kyselin Objev Hans Adolf KREBS V roce 1953 byl oceněn Nobelovou cenou za fyziologii a medicínu za „Objevení citrátového cyklu“. D-12

A Krebsův cyklus Acetylkoenzym A je řada reakcí, které tvoří společnou metabolickou dráhu při aerobní oxidaci sacharidů, lipidů a proteinů Produktem katabolismu živin je acetyl-CoA (acetylový zbytek navázaný na koenzym A) Propojení metabolismu sacharidy lipidy proteiny glukóza mastné kyseliny amino- kyseliny glykolýza beta-oxidace deaminace Acetylkoenzym A D-13

A Krebsův cyklus postupnou dekarboxylací a oxidací šestiuhlíkaté kyseliny citrónové se uvolňují redukční ekvivalenty, které jsou použity při oxidativní fosforylaci k syntéze ATP Redukované koenzymy D-14

Krebsův cyklus - PŘEHLED A Krebsův cyklus - PŘEHLED 1. Acetyl-CoA vstupuje do cyklu a kondenzuje s oxalacetátem (4 uhlíky) na citrát - kyselinu citrónovou (6 uhlíků). D-15

Krebsův cyklus - PŘEHLED A Krebsův cyklus - PŘEHLED 2. Postupné dekarboxylace a oxidace uvolňují oxid uhličitý jako odpadní produkt, hlavně ale dochází k redukci koenzymů. Konečným produktem je opět oxalacetát. D-15

Krebsův cyklus - PŘEHLED A Krebsův cyklus - PŘEHLED 3. Oxalacetát kondenzuje s dalším acetyl-CoA a cyklus se opakuje D-15

Krebsův cyklus - PŘEHLED A Krebsův cyklus - PŘEHLED Protony nesené redukovanými koenzymy jsou použity v dýchacím řetězci, kdy oxidativní fosforylací dochází k syntéze ATP. D-15

Krebsův cyklus - PŘEHLED A Krebsův cyklus - PŘEHLED Výtěžek Krebsova cyklu na 1 molekulu glukózy: Glukóza → 2x Pyruvát → 2x Acetyl-CoA 6 NADH+H+ + 2 FADH2 + 2 ATP Na 1 molekulu Acetyl-CoA je výtěžek reakce vydělen 2 6 NADH+H+ + 2 FADH2 + 2 ATP /2 3 NADH+H+ + FADH2 + ATP P D-15

Fosforylace na substrátové úrovni cca 10% buněčné ATP je vytvářeno v několika reakcích glykolýzy a Krebsova cyklu → FOSFORYLACE NA SUBSTRÁTOVÉ ÚROVNI ATP je vytvářena přímým enzymatickým přenosem fosfátové skupiny ze substrátu na ADP enzym O- │ C=O C─O ║ CH2 O- │ C=O CH3 P adenosin P adenosin P ADP ATP substrát (fosfoenolpyruvát) produkt (pyruvát) D-16

Přenašeče H+ a e- 1) Koenzym NAD+ (nikotinamid-adenin-dinukleotid) = oxidační činidlo BUNĚČNÉ DÝCHÁNÍ – postupná oxidace molekul živin → klíčový krok dehydrogenace např. glukózy (odštěpení H2) Enzym dehydrogenáza odštěpí H2 z glukózy (H2 = 2 e- + 2 p+ (2 H+)) │ │ H-C-OH + NAD+ → C=O + NADH + H+ Enzym předá 2 e- + 1 p+ (H+) koenzymu NAD+ → vzniká redukovaná forma koenzymu NADH 1 p+ (H+) je uvolněn do okolního roztoku přenesené e- ztrácejí velmi málo ze své potencionální E Molekula NADH představuje uloženou energii → lze ji využít k tvorbě ATP Přenos e- z NADH na O2 = DÝCHACÍ ŘETĚZEC D-17

Oxidovaná forma koenzymu Redukovaná forma koenzymu Přenašeče H+ a e- 2 e- + 1 p+ (H+) z molekuly živiny 1 e- + 1 p+ z molekuly živiny 1 e- z molekuly živiny Oxidovaná forma koenzymu Redukovaná forma koenzymu D-18

Oxidovaná forma koenzymu Redukovaná forma koenzymu Přenašeče H+ a e- 2) Koenzym FAD (flavin-adenin-dinukleotid) = oxidační činidlo Přenašeč iontů vodíku a vysokoenergetických elektronů, podobně jako NADH Přijímá z molekuly živiny H2 = 2 e- + 2 p+ (2 H+) 1 e- + 1 p+ z molekuly živiny FAD FADH2 2 e- + 2 H+ z molekuly živiny 1 e- + 1 p+ z molekuly živiny FAD + 2 e- + 2 H+ FADH2 Oxidovaná forma koenzymu Redukovaná forma koenzymu D-19

Dýchací řetězec = elektronový transportní řetězec soubor multiproteinových komplexů zabudovaných do vnitřní mitochondriální membrány elektrony odebrané během glykolýzy a Krebsova cyklu živinám jsou: NADH předány první molekule dýchacího řetězce FADH2 odevzdává elektrony do dýchacího řetězce na nižší E hladině než NADH poslední člen dýchacího řetězce předává elektrony na kyslík + H+ z okolní matrix → vzniká molekula vody: 4 H+ + 4 e- + O2 → 2 H2O Lokalizace DÝCHACÍHO ŘETĚZCE D-20

Dýchací řetězec pohyb elektronů v dýchacím řetězci → díky rozdílným hodnotám ELEKTRONEGATIVITY jednotlivých členů dýchacího řetězce Elektronegativita = schopnost přitahovat elektrony Každý z přenašečů přitahuje elektrony o trochu více, než jeho nejbližší „soused shora“ O2 na konci řetězce má nejvyšší elektronegativitu → O2 nutí elektrony „sjet“ po dýchacím řetězci Lokalizace DÝCHACÍHO ŘETĚZCE D-20

Intermembránový prostor H+ Vnitřní mitochondriální membrána H+ H+ 4 + O2 e- H+ FADH2 FAD H+ e- 2 NADH 2 NAD+ H+ H+ D-21 Matrix

Oxidativní fosforylace vnitřní mitochondriální membrána obsahuje proteinový komplex → ATP-syntázu → enzym, který z ADP a anorganického fosfátu Pi vytváří ATP ATP-syntáza využívá energii existujícího iontového gradientu k pohonu tvorby ATP Iontovým gradientem, který pohání oxidativní fosforylaci je gradient protonů (vodíkových kationtů H+) tzn. že hnací silou ATP-syntázy je rozdíl koncentrací H+ mezi oběma stranami vnitřní mitochondriální membrány D-22

Oxidativní fosforylace Jakým způsobem mitochondriální membrána vytváří a udržuje protonový gradient? zabezpečuje to dýchací řetězec → využívá energii exergonického přenosu elektronů k pumpování protonů H+ přes vnitřní mitochondriální membránu → z matrix do intermembránového prostoru → vzniklý gradient žene protony přes membránu zpět do matrix → přes ATP-syntázy Výsledný protonový gradient = proton-motivní síla → schopnost gradientu konat práci pod vlivem protonového gradientu protony prochází ATP-syntázou po směru koncentračního spádu D-23

OXIDATIVNÍ FOSFORYLACE INTERMEMBRÁNOVÝ PROSTOR H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ VNITŘNÍ MITOCHONDRIÁLNÍ MEMBRÁNA ROTOR STOPKA ATP - SYNTÁZA H+ H+ KNOFLÍK ATP ADP + Pi OXIDATIVNÍ FOSFORYLACE MITOCHONDRIÁLNÍ MATRIX D-24

DÝCHACÍ ŘETĚZEC Intermembránový prostor H+ Vnitřní mitochondriální membrána H+ H+ H+ H+ ATP-syntáza DÝCHACÍ ŘETĚZEC e- e- ATP ADP e- 2 H2O H+ 4 + O2 e- H+ H+ FADH2 FAD H+ e- 2 NADH 2 NAD+ H+ H+ D-25 Matrix

DÝCHACÍ ŘETĚZEC Intermembránový prostor Vnitřní mitochondriální membrána H+ H+ H+ H+ ATP-syntáza DÝCHACÍ ŘETĚZEC e- e- e- Tvorba ATP poháněná zpětným průchodem protonů přes membránu = CHEMIOSMÓZA e- Přenos elektronů a pumpování protonů (H+) → vytváří protonový gradient napříč membránou D-26 Matrix

OPAKOVÁNÍ D-27