Anabolické procesy v organismu

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

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

3. 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)

4. 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

5. 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)

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

7. 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!!!

8. 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)

9. 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

10. ADP, H3PO4 2 x ATP 2 2 – H2O pyruvát Op.: glykolýza 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

11. Dodává se energiev podobě ATP a GTP. Účastní se biotintj. vitamín ze skupiny vitamínů B Oklika přes oxalacetát

12. 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

13. 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)

14. 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

15. vazba-1,6 (větvení) vazba-1,4 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

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

17. 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

18. + enzym–biotin–COO- – E-biotin Anabolismus lipidůSyntéza 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

19. + –CO2 • 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.: * 2 NADPH+H+ 2 NADP+ ZASE od * +malonyl 2 NADPH hexyryl-ACP 6C – H2O – H2O – CO2

20. 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

21. 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 prekurzorybiologicky významných látek eikosanoidů (prostaglandiny, tromboxany, leukotrieny, lipoxiny).

22. Syntéza triacylglycerolůa 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

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

24. Anabolismus proteinůSyntéza 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

25. 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

26. 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)

27. 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…

28. Elongace mRNA tRNA 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 3´ 5´ znovu přenos peptidylu(Met-Ser) na novou AA-tRNA(Glu) atd. translokace a vazba nové (Glu)AA-tRNAdo A-místa

29. 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.

30. 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)

31. 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

32. 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

33. 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