Calvinův cyklus a pentosafosfátová dráha.

Prezentace na téma: "Calvinův cyklus a pentosafosfátová dráha."— Transkript prezentace:

1 Calvinův cyklus a pentosafosfátová dráha.
V Calvinově cyklu se syntetizují hexosy z CO2 a vody. Pentosafosfátová dráha vede ke tvorbě NADPH a syntéze pentos Meatabolismus glukosa-6-fosfátu je spojovacím článkem s glykolýzou. Glukosa-6-fosfátdehydrogenasa hraje ústřední roli při ochraně před reaktivními kyslíkatými radikály.

2 Stupně Calvinova cyklu.
Fixace CO2 ribulosa-1,5-bisfosfátem za vzniku dvou molekul 3-fosfogylcerátu. Redukce 3-fosfoglycerátu za tvorby hexos. Regenerace ribulosa-1,5-bisfosfátu, aby mohl být fixován další oxid uhličitý.

3 Chloroplasty – místo fotosyntézy
Chloroplasty – místo fotosyntézy. Vstup CO2 do ribulosa-1,5-bisfosfátu na na membráně thylakoidu obrácené ke stromatu a celý Calvinův cyklus ve stromatu.

4

5

6

7 Tvorba 3-fosfoglycerátu zaznamenaná pomocí 14CO2.

8 Ribulosa-1,5-bisfosfátkarboxylasa/oxygenasa (RUBISCO)
Vstup CO do ribulosa-1,5-bisfosfát je silně exergonní reakcí kJ/mol !!! (Standardní). RUBISCO v chloroplastech se skládá z 8 velkých podjednotek (L, 55-kd) a osmi malých podjednotek (S, 13 kd). Každá L podjednotka obsahuje katalytické a regulační místo. Podjednotky S zvyšují katalytickou aktivitu RUBISCa. V aktivním místě enzymu je nutný Mg2+, který stabilizuje kladným nábojem záporný náboj substrátu. Pro vazbu Mg2+ je nutný další vázaný CO2 na vedlejší řetězec Lys v poloze 201 ve formě karbamátu. Enzymu je v chloroplastech 17 % celkových proteinů. Nejvíce zastoupený enzym v biosféře. Katalytická rychlost je nízká, pouze 3 s-1

9 Struktura RUBISCO. Složeno z osmi podjednotek.

10

11 Role hořečnatých iontů v RUBISCu.

12

13

14

15

16

17 OXYGENASOVÁ REAKCE RUBISCA.

18 Rychlost karboxylasové reakce je 4 x vyšší než oxygenasové za normálních atmosférických podmínek při 25oC. Koncentrace CO2 ve stromatu je 10 mM a kyslíku 250 mM. Oxygenasová reakce, stejně jako karboxylasová, potřebuje Lys 201 v karbamátové formě. Ta však vzniká jen za přítomnosti CO2. Nepřítomnost CO2 tak chrání RUBISCO před oxygenasovou reakcí.

19

20 Fosfoglykolát vzniká při oxygenasové reakci v chloroplastu.
Po defosforylaci je glykolát transportován do peroxisomů, kde je převeden na glyoxylát a poté glycin. V mitochondrii jsou dva Gly převedeny na Ser. Dochází k dekarboxylaci a uvolnění amoniaku. Amoniak je využit v chloroplastu.

21 Fotorespirační reakce.

22

23 Tvorba hexosafosfátu.

24

25

26

27

28

29

30

31 Calvinův cyklus.

32 Stechiometrie Calvinova cyklu.
Rovnovážná rovnice Calvinova cyklu: 6 CO ATP + 12 NADPH + 12 H2O = C6H12O ADP + 18 Pi + 12 NADP+ + 6 H+

33 Škrob a sacharosa jsou hlavními skladovatelnými sacharidy rostlin.
Sacharosa je syntetizována v cytosolu. Rostliny nejsou schopny transportovat hexosafosfáty přes membránu chloroplastu. Existuje translokátor triosafosfátů, který je transportuje v synportu s fosfátem. Vytvořená fruktosa-6-fosfát se spojuje s UDP-glukosou. Po hydrolýze fosfátu se vzniklá sacharosa ukládá. Škrob se syntetizuje v chloroplastech, aktivující složkou je UDP-glukosa. Polymer obsahuje větvení a-1,6-glykosidových vazeb.

34 Syntéza sacharosa-6-fosfátu.

35 Regulace aktivit Calvinova cyklu.
RUBISCO je aktivováno světlem vyvolanými změnami v koncentraci protonů a Mg2+. Tvorba karbamátu na Lys 201 rubisca je iniciována zvýšením pH a vysokou koncentrací Mg2+ ve stromatu. Obojí je spojeno se světlem. Protony jsou pumpovány ze stromatu do prostoru thylakoidů a koncentrace Mg2+ ve stromatu roste jako kompenzace odpumpovaných protonů.

36 Thioredoxin je protein podílející se na tvorbě redukovaného ferredoxinu a NADPH. Thioredoxin je redukován redukovaným ferredoxinem. Existuje ve dvou formách mezi redukovanými (sulfhydrylovými) a oxidovanými (disulfidovými) skupinami. Redukovaná forma aktivuje celou řadu enzymů Calvinova cyklu.

37

38

39

40 V OXIDOVANÉM STAVU a REDUKOVANÉM STAVU.
THIOREDOXIN V OXIDOVANÉM STAVU a REDUKOVANÉM STAVU. Redukovaný THIOREDOXIN aktivuje řadu enzymů metabolismu sacharidů a fenylalaninamoniumlyasu (biosyntéza fenylpropanoidů-lignin)

41

42

43

44 Svrchní epidermis Spodní Svazky cévní Podpůrné buňky Průduchy Houbový parenchym Palisádový

45 Svrchní epidermis Listový mezofyl Spodní Svazky cévní Podpůrné buňky Průduchy

46 C4 rostliny. Objasněno M.D.Hatchem a C.R.Slackem
Oxaloacetát a malát jsou sloučeniny, které přenáší oxid uhličitý z mezofylových buněk do buněk cévních svazků. Fosfoenolpyruvátkarboxylasa, NADPH-malátdehydrogenasa. Tvorba fosfoenolpyruvátu enzymem pyruvát-Pidikinasou.

47 Metabolismu C4.

48 Energeticky transport CO2:
CO2 v mezofylu + ATP + voda = CO2 v cévních svazcích + AMP + 2 Pi + H+ C4 + Calvinův cyklus: 6 CO ATP + 12 NADPH + 12 H2O = C6 H12 O ADP + 30 Pi + 12 NADP H+ Spotřebovává se o 12 molekul ATP více než u rostlin C3 Rostliny C3 převládají v mírném pásmu do teplot 28oC a C4 při teplotách vyšších.

49 PENTOSAFOSFÁTOVÝ METABOLISMUS nebo pentosafosfátová dráha (PFM)
V buňkách poměr [NAD+] / [NADH] = znamená metabolické oxidace. Poměr [NADP+] / [NADPH] = 0, 01 –znamená metabolické redukce. Dvě části PFM: Obě v cytosolu. Oxidativní – dehydrogenasová Neoxidativní – přeměny tří-, čtyř-, pěti-, šesti- a sedmiuhlíkatých sacharidů. Výsledkem je tvorba pentos pro biosyntézu nukleotidů, případně přeměna nadbytku pentos na meziprodukty glykolýzy.

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60 Mechanismus transketolasy

61

62

63

64

65

66 Mechanismus transaldolasy

67

68

69

70

71

72 Karbanionty jako meziprodukty !
V obou případech se jedná o stabilizaci karbaniontu jako meziproduktu. V případě transketolasy je karbaniont stabilizován TPP. V případě transldolasy je karbaniont stabilizován protonovanou Schiffovou bazí.

73

74 Metabolismus glukosa-6-fosfátu cestou pentosafosfátů je koordinován s glykolýzou
Rychlost pentosafosfátové dráhy je kontrolována hladinou NADP+. Poměr NADP+/ NADPH v cytosolu jaterních buněk je 0, 014, zatímco poměr NAD+/NADH je za těchže podmínek 700. Hladina NADP+ je ovlivňována spotřebou NADPH pro biosyntézy.

75

76 MODE 1 Potřeba ribosa-5-fosfátu je mnohem vyšší než potřeba NADPH.
Stechiometrie: 5 Glukosa-6-fosfát + ATP = 6 ribosa-5-fosfát + ADP + H+.

77

78 MODE 2 Potřeba NADPH a ribosa-5-fosfátu je vyrovnaná. Stechiometrie:
Glukosa-6-fosfát + 2 NADP+ + H2O = ribosa-5-fosfát + 2 NADPH + 2 H+ + CO2

79

80 MODE 3 Je potřeba mnohem více NADPH než ribosa-5-fosfátu.
Stechiometrie tří dílčích článků: A) 6 Glukosa-6-fosfát + 12 NADP+ + 6 H2O = 6 ribosa-5-fosfát + 12 NADPH + 12 H+ + 6 CO2 B) 6 ribosa-5-fosfát = 4 fruktosa-6-fosfát + 2 glyceraldehyd-3-fosfát. C) 4 Fruktosa-6-fosfát + 2 glyceraldehyd-3-fosfát + H2O = 5 glukosa-6-fosfát + Pi Suma reakcí: Glukosa-6-fosfát + 12 NADP+ + 7H2O = 6 CO2 + + 12 NADPH + 12 H+ + Pi

81

82 MODE 4 Je potřeba jak NADPH, tak ATP. Stechiometrie:
3 Glukosa-6-fosfát + NADP+ + 5 NAD+ + 5 Pi + 8 ADP = 5 pyruvát + 3 CO2 + 6 NADPH + 5 NADH + 8 ATP + 2 H2O + 8 H+ Pět ze šesti C atomů glukosy se objeví v pyruvátu.

83

84 Calvinův cyklus a pentosafosfátová dráha.
Calvinův cyklus začíná fixací CO2 a využívá NADPH k biosyntéze glukosy. Pentosafosfátová dráha začíná oxidací glukosy, odštěpuje se CO2 a tvoří se NADPH. Regenerační fáze Calvinova cyklu převádí C6 a C3 molekuly zpět na výchozí C5 molekuly (Ribulosa-1,5-bisfosfát) Pentosafosfátová dráha převádí C5 na C6 a C3 – meziprodukty glykolýzy. Příklad hospodárného a univerzálního chování živých organismů !

85

86 Glukosa-6-fosfátdehydrogenasa hraje klíčovou roli při ochraně před reaktivními kyslíkatými radikály
Látkou, která přímo udržuje reduktivní prostředí v buňkách je tripeptid GLUTATHION (zkratka GSH). GSH je udržován redukcí jeho oxidované formy NADPH !! Buňky s nízkou aktivitou glukosa-6-dehydrogenasy jsou citlivé na oxidativní stres. Zvláště červené krvinky, protože nemají mitochondrie, a tím i možnost alternativního zdroje redukční síly.

87

88 Nedostatek glukosa-6-fosfátdehydrogenasy vede k hemolytické anemii.
Enzym katalyzující regeneraci GSH je glutathionreduktasa (flavoprotein). Je homologní s ferredoxin-NADP+-reduktasou (fotosyntéza). Redukovaný GSH je nutný pro normální strukturu a udržení hemoglobinu ve stavu Fe2+. Dále odstraňuje peroxidy a reaktivní kyslíkaté sloučeniny. Při nedostatku GSH dochází u hemoglobinu k jeho zesíťování, nejsou volné SH skupiny. Vytváří se agrgáty na buněčné membráně - Heinzova tělíska.

89 Dědičná odolnost Afričanů vůči falciparum malaria.
Parazit potřebuje ke svému množení redukovaný glutathion a produkty pentosafosfátové dráhy. Deficit glukosa-6-fosfátdehydrogenasy tak paradoxně chrání před malárií.

90

91 Úkoly: Calvinův cyklus a pentosafosfátový metabolismus.
1. Aldolasová reakce může probíhat opačným směrem jako enzymová aldolová kondenzace. Kolik různých produktů získáme, pokud uvažujeme, že enzym není stereospecifický ? 2. Bakteriální aldolasa netvoří Sciffovu bázi se substrátem. Obsahuje Zn2+ v aktivním místě. Jaký je mechanismus této aldolasové reakce ? 3. Arseničnan jako strukturní analog fosforečnanu může působit jako substrát řady reakcí namísto fosforečnanu. Estery arseničnanu, stejně jako estery fosforečnanu, jsou kineticky i termodynamicky nestálé a rychle hydrolyzují. Napište celkovou sumární rovnici převedení glukosy na pyruvát za přítomnosti ATP, ADP a NAD+ za účasti a) fosforečnanu, b) arseničnanu. c) Proč působí arseničnan jako jed ? 4) Porovnejte výtěžek ATP tří molekul glukosy vstupující do glykolýzy až po pyruvát s výtěžkem ATP tří molekul glukosy vstupujících do pentosafosfátového metabolismu přes tvorbu dvou fruktosa-6-fosfátů a jednoho glyceraldehyd-3-fosfátu, které jsou dále metabolizovány v glykolýze.

92 5. Glukosa-6-fosfát označena na uhlíku C2 prochází pentosafosfátovým metabolismem. Kde se označený uhlík objeví produktech PFM ? 6. Vysvětlete proč některé tkáně produkují oxid uhličitý za přítomnosti fluoridů, které inhibují glykolýzu. 7. Některé baktérie katabolizují glukosu tzv. Enter-Daudoroffovou drahou, což je varianta glykolýzy při které je glukosa-6-fosfát převedena na 6-fosfoglukonát (jako při pentosafosfátovém metabolismu) a poté na 2-keto-3-deoxyfosfoglukonát (KDPG). Na KDPG působí aldolasa. a) Napište struktury produktů aldolasové reakce. b) Napište jak jsou tyto reakční produkty dále metabolizovány glykolytickými enzymy. c) Jaký je výtěžek ATP v Enter-Daudoroffově dráze po stupeň pyruvátu ? Porovnejte s výtěžkem ATP při glykolýze.

93 Řešení úkolů Calvinův cyklus a pentosafosfátový metabolismus:
1. Uhlíky C1 u glyceraldehyd-3-fosfátu a dihydroxyacetonfosfátu jsou achirální. Po kondenzaci se stanou chirálními v polohách 3 a 4 fruktosa-1,6-bisfosfátu. Vytvoří se tak 4 stereoizomery: fruktosa-1,6-bisfosfát, psikosa-1,6-bisfosfát, tagatosa-1,6-bisfosfát a sorbosa-1,6-bisfosfát. 2. Zinečnatý iont polarizuje karbonylový kyslík substrátu a stabilizuje enolátový meziprodukt reakce.

94 3. a) Glukosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi = 2 pyruváty + 2 NADH + 2 ATP + 2 H2O b) Glukosa + 2 NAD + 2 ADP + 2 AsO43- = 2 pyruvát + 2 NADH + 2 ADP-AsO H2O 2 ADP-AsO H2O = 2 ADP + AsO43- Celkově: Gukosa + 2 NAD = 2 pyruvát + 2 NADH c) Arseničnan je jed, protože odpojuje glykolýzu od tvorby ATP. Při glykolýze se neprodukuje energie. 4. Tři molekuly glukosy procházející glykolýzou poskytují 6 ATP. Tři molekuly glukosy procházející pentosafosfátovým metabolismem a následně glykolýzou poskytují 5 ATP. 5. Označený uhlík se objeví v polohách C1 a C3 fruktosa-6-fosfátu. 6. I když je metabolická cesta glukosy přes glykolýzu a následně citrátový cyklus blokována, glukosa může být oxidována pentosafosfátovou drahou za tvorby oxidu uhličitého. 7. a) Pyruvát + GAP b) Pyruvát jako produkt aldolasové reakce není dále metabolizován. GAP je převeden na pyruvát glykolytickými enzymy. c) Spotřebuje se jeden ATP pro převedení glukosy na glukosa-6-fosfát. Při fosfoglycerátkinasové reakci se vytvoří jeden ATP a druhý při pyruvátkinasové reakci. Čistým výtěžkem je jeden ATP na molekulu glukosy. Standardní glykolýza poskytuje 2 ATP.