METABOLISMUS

1. METABOLISMUS Studijní materiál pro bakaláře FTK UP Olomouc Doc. MUDr. Pavel Stejskal, CSc

2. Energie • Získávání energie z okolí, • Uvolňování energie v buňce • Přenos energie v buňce • Transformace energie na potřebné formy energie uvnitř buňky • Nevzniká • Neztrácí se • Různé formy energie se navzájem přeměňují • Při každé transformaci energie se část uvolní jako teplo • (nevyužitelná energie - není schopna konat práci) • Energie schopná konat práci - volná energie ENERGETICKÝ METABOLISMUS

3. Energie • Neustálý přívod vhodné formy energie z okolí • Tepelná energie musí být odváděna z buňky do okolí • Buňka - otevřený systém • Při chemických reakcích se tato energie buď uvolňuje • exergonické reakce(např. biologická oxidace vodíku) • nebo spotřebovává • endergonické reakce (např. syntéza polysacharidů, bílkovin nebo • nukleových kyselin) • Spontánně probíhají pouze reakce exergonické

4. METABOLISMUS • látková a energetická přeměna • v buňkách a v živých organizmech s cílem zachovat život • Umožňuje živým organismům • růst a rozmnožování • udržování jejich struktury • reagovat na zevní prostředí • Celkový metabolismus • všechny biochemické procesy v lidském organismu • Buněčný metabolismus • všechny chemické procesy v buňce • Metabolity • vznikají a vzájemně se přeměňují při látkové výměně

5. Primární metabolismus • závisí život a růst organismu • pro většinu živých organismů podobné (např. metabolismus sacharidů, • tuků, aminokyselin a nukleových kyselin) • Sekundární metabolismus • v jednotlivých skupinách organizmů • produkce a odbourávání specifických chemických látek (např. obranné • látky, signální molekuly - hormony, pigmenty, stavební molekuly, atd.) • Chemické reakce uspořádány do metabolických drah • jedna chemická látka transformována do jiné pomocí tzv. enzymů • Enzymy • umožňují efektivně a rychle řídit systém navzájem napojených • termodynamických reakcí • regulují metabolické dráhy při reakci na změny v buněčném prostředí • nebo na signály z jiných buněk

6. Anabolismus (výstavbový proces) • soubor syntetických reakcí (biosyntéza) • z látek jednodušších vznikají látky složitější • (stavební látky – bílkoviny a zásobní látky – glykogen a triglyceridy) • Vyžadují dodávání energie, která se při nich spotřebovává • Převažují v buňce, která roste a rozmnožuje se • Obnovování živé hmoty • Vytváření energetických zásob (pro mechanickou práci, transport • membránou, atd.) • Vytváření látek potřebných k řízení (hormonů, enzymů nebo • mediátorů)

7. Katabolismus (rozkladový proces) • rozklad látek složitějších • (zásobních látek nebo přijatých živin) • na látky jednodušší a energii • Např. oxidativní procesy - uvolňují ze sloučenin volnou energii • Energie uvolněná katabolickými pochody • Udržení tělesných funkcí • Štěpení a využití potravy • Termoregulace • Pohybová aktivita

8. Energetický metabolismus - z chemické energie živin • biologická energie využitelná v organismu • Živiny procházejí třemi fázemi chemického zpracování: • Ve střevě při trávení - složité živiny na jednoduché vstřebatelné složky • Jednoduché cukry • Aminokyseliny • Glycerol a mastné kyseliny

9. Energetický metabolismus - z chemické energie živin biologická energie využitelná v organismu Živiny procházejí třemi fázemi chemického zpracování: 2. V cytoplazmě buněk tkání nastává další degradace. Glukóza pyruvát Mastné kyseliny Aminokyseliny Baze nukleových kyselin kyselina acetoctová

10. UTP Glykogen Pi G-fosforyláza laktát UDP G 1-P NAD ADP ATP IZOMERACE LDH NADH G 6-P pyruvát IZOMERACE GL hexokináza F 6-P Pyruvát kináza Pi ATP ATP fruktóza-difosfatáza PFK fosfoglycerát kináza ADP ADP F 1,6-P ATP ADP enoláza P-enol pyruvát Glyceraldehyd 3-P Glyceraldehyd 3-P NADH NAD dtto Glyceraldehyd dehydrogenáza

11. Energetický metabolismus - z chemické energie živin biologická energie využitelná v organismu Živiny procházejí třemi fázemi chemického zpracování: 2. V cytoplazmě buněk tkání nastává další degradace. Glukóza pyruvát Mastné kyseliny Aminokyseliny Baze nukleových kyselin Nejsnáze a nejrychleji - přeměna glukózy už v cytoplazmě + vznik volné energie kyselina acetoctová

12. Energetický metabolismus - z chemické energie živin biologická energie využitelná v organismu Živiny procházejí třemi fázemi chemického zpracování: 3. V mitochondriích pyruvát a kyselina acetoctová odbourávány na společný meziprodukt acetyl koenzym A (acetyl-CoA) vstupuje do cyklu kyseliny citrónové respiračního řetězce Úplná oxidace za vzniku energie ve formě adenositrifosfátu (ATP) a konečných produktů (vody a kysličníku uhličitého).

13. Pyruvát (3C) NAD+ CO2 NADH + H+ Acetyl-CoA (2C) Oxalacetát (4C) Citrát (6C) NAD+ NADH + H+ Malát (4C) Izocitrát (6C) NAD+ CO2 Fumarát (4C) NADH + H+ FADH2 Alfa-ketoglutarát (5C) Sukcinát (4C) P FAD Sukcinyl-CoA (4C) CO2 GTP NAD+ NADH + H+ GDP

14. Usměrnění reakcí a řízení rychlosti metabolických dějů Katalyzátory - Enzymy umožňují řídit systém navzájem napojených termodynamických reakcí Aktivitu enzymů ovlivňuje přítomnost některých iontů či metabolitů Enzymy jsou velmi specifické katalyzují reakci jediné látky (substrátu) na zcela určitou sloučeninu (produkt) A enzym B

15. Reakce přeměn látek na sebe navazují produkt jedné reakce tvoří substrát reakce druhé METABOLICKÉ DRÁHY Přeměna látek není jen jednou reakcí ale celou řadou reakcí enzym enzym enzym A B C D

16. enzym enzym enzym A B C D Metabolické děje jsou jako celek jednosměrné protože se při nich část energie přemění na energii tepelnou kterou nelze zcela převést na jiné formy energie A ENERGIE SE MUSÍ DODAT Z JINÝCH ZDROJŮ! Energie enzym CHYBÍ ENERGIE! B

17. KOFAKTOR • + ENZYMY • = SLOŽENÉ ENZYMY • Kofaktory nezbytné pro funkci daného enzymu • KOFAKTOR • přenos atomů, skupin atomů nebo elektronů • při chemické reakci katalyzováné enzymem • deriváty vitamínů rozpustných ve vodě • váží molekuly kovů • tvořeny některými stopovými prvky (např.železo nebo zinek) energie enzym acyl CoA syntetáza MK + ATP + CoA Acyl-CoA + AMP + PPi Mg2+ kofaktor

18. KOENZYM přenos atomů, jejich skupin, nebo samotných elektronů mezi odlišnými enzymy Spřažení různých biochemických reakcí Během těchto spřažených reakcí koenzymy regenerují Koenzym, který se např. při první reakci sloučil s vodíkem přechází na jiný enzym v jiné chemické reakci se opět vrací do původního stavu Hladina aktivních koenzymů v buňce je udržována na přibližně stejné úrovni C D A B Enzym B Enzym A K K H+ H+

19. Do katabolických procesů mnoho různých organických látek vystupuje z nich málo produktů Hlavní katabolické procesy u člověka: a) rozkládání živin na své složky; b) glykolýza rozkládající glukózu na pyruvát a následně na acetyl-CoA; c) β-oxidace mastných kyselin - vzniká acetyl-CoA; d) rozklad aminokyselin a bazí nukleových kyselin; e) citrátový cyklus, vstupuje acetyl-CoA – vzniká oxid uhličitý, f) respirační (dýchací) řetězec, vstupují vodíkové atomy získané z rozkladu sacharidů, mastných kyselin, aminokyselin a bazí nukleových kyselin a je získána energie v podobě vysokoenergetických sloučenin. Vodíkové ionty jsou oxidovány na vodu.

20. Energie uvolněná katabolismem není využitá buňkami přímo tvorba vazeb mezi zbytky kyseliny fosforečné a některými organickými sloučeninami (fosfáty) V těchto jednoduchých sloučeninách velké množství energie Při jejich rozložení (reakce s vodou = hydrolýza) se uvolňuje energie Vysokoenergetické (makroergické) fosfátové sloučeniny nejdůležitějším reprezentantem adenozintrifosfát (ATP)

21. ATP rozvádí energii v buňce a předává ji tam, kde je jí potřeba. Hromadění molekul ATP v buňce = = zásoba okamžitě použitelné energie Vazba mezi druhým a třetím fosfátem (makroergní fosfátová vazba) relativně velké množství energie (asi 50 kJ) ATP - hlavní „energetická konzerva“

22. V místě potřeby energie (např. při svalovém stahu nebo svalovém uvolnění nebo při syntéze řady chemických sloučenin) molekula ATP se rozštěpí (je hydrolyzována) na adenosindifosfát (ADP) + fosfát (kyselina fosforečná H3PO4, značeno jen jako P) + uvolněná energie ATP + H2O = ADP + P + 50 kJ

23. ADP se vrací do mitochondrií znovu fosforylace na ATP Koloběh ATP a ADP - základní buněčná funkce ATP se může rozložit na ADP + 1 P nebo úplnou oxidací na adenozinmonofosfát (AMP) + 2P.

24. ATP se může rozložit na ADP + 1 P nebo úplnou oxidací na adenozinmonofosfát (AMP) + 2P.

25. Zásobní vysokoenergetický substrát kreatinfosfát (CP) Při rozštěpení na kreatin a fosfátový iont (CP = C + P) uvolní se větší množství energie než při rozštěpení vazby ATP Kreatinfosfát předá svoji fosfátovou skupinu ADP CP + ADP = C + ATP Rekonstrukce makroergní vazby ATP

26. Ve svalu je asi pětkrát víc CP než ATP celá reakce trvá zlomek vteřiny Takto vzniklý kreatin (C) (organická látka přirozeně přítomná v organismu) se v mitochondriích bez nároků na další energii opět slučuje s fosforem a vytváří nový kreatinfosfát (C + P = CP) Tato tvorba kreatinfosfátu je za dostatečného přívodu kyslíku do buněk vysoká Naopak při nedostatku kyslíku je nízká

27. ATP a CP tvoří dohromady systém poskytuje v prvních dvou sekundách svalové kontrakce okamžitou energii Množství ATP ve svalech je velmi malé (3 – 8 mmol/kg svalů) Při intenzivní svalové činnosti by teoreticky mohl být všechen ATP spotřebován během dvou sekund

28. ATP a CP systém Při intenzivní svalové činnosti by teoreticky mohl být všechen ATP spotřebován během dvou sekund Prakticky ATP vyčerpat nelze, CP vyčerpat lze Celý systém ATP- CP disponuje velmi malou energií (asi 5,7 – 6,9 kcal) Proto rychlost degradace CP prudce klesá už po 1,3 sekundách Tím se buňka brání úplnému vyčerpání CP

30. 10 – 12 kcal využitelné energie Velmi malé množství energie např. při běhu na 1500 m potřebuje organismus asi 120 kcal Stačí na 150 m Stačí na 150 m

31. Většina energie z rozložených složitějších látek získávána pomocí oxidačních reakcí Přenašeči energie - koenzymy uvolňují elektrony v elektronovém transportním systému RESPIRAČNÍ ŘETĚZEC Nejdůležitější koenzym nikotinamidadenindinukleotid (NAD) přijímá protony a elektrony z reakcí při kterých se uvolňuje vodík (tzv. dehydrogenační reakce) Přenašeč energie: NAD+ se redukuje na NADH přitom vzniká energie 3 ATP

32. RESPIRAČNÍ ŘETĚZEC ATP ATP ATP 1/2 O2 NADH2 NAD+ 1 2 3 H20 ADP+Pi ADP+Pi ADP+Pi

33. RESPIRAČNÍ ŘETĚZEC ATP ATP ATP NAD NADH 3 2 1 H+ ADP+Pi ADP+Pi ADP+Pi

34. Flavinadenindinukleotid (FAD) redukcí vznikají jen dvě molekuly ATP FADH2 FAD+ ATP ATP 1/2 O2 2 3 H20 ADP+Pi ADP+Pi RESPIRAČNÍ ŘETĚZEC

35. Flavinadenindinukleotid (FAD) redukcí vznikají jen dvě molekuly ATP FADH2 FAD+ ATP ATP 2 1 H+ ADP+Pi ADP+Pi RESPIRAČNÍ ŘETĚZEC

36. RESPIRAČNÍ ŘETĚZEC lokalizovaný na vnitřní membráně mitochondrií volná energie jeho elektrochemického potenciálu se využívá k syntéze ATP Respirační řetězec systém specifických enzymů (oxidoreduktáz) ELEKTRONY ATOMOVÝCH VODÍKŮ (odebraných organickým nebo anorganickým substrátům) SE VÁŽÍ NA MOLEKULY KYSLÍKU Oxidoreduktázy respiračních řetězců 4 kotvené proteinové enzymové komplexy (komplexy I, II, III a IV) součásti vnitřní mitochondriální membrány

37. FLAVOPROTEIN-CYTOCHORMOVÝ SYSTÉM NAD+ NAD+ NAD+ NADH2 NAD+ NADH2 NAD+ NADH2 2H+ 2H+ 2H+ NAD+ 1/2O2+ 2H+ cytochromoxidáza H20 řetězec koenzymů přenáší vodík na kyslík MITOCHONDRIE

38. RESPIRAČNÍ ŘETĚZEC Transport elektronů z koenzymu na koenzym (NAD nebo FAD) pomocí série reakcí Konečným akceptorem těchto elektronů na konci řetězce je O2 Nejdůležitější děj aerobního katabolismu a tvoří jeho konečnou fázi.

39. Jednotkou energie • kalorie (cal, malá kalorie, gram kalorie) • množství energie zvyšující teplotu 1 g vody z 15 na 16o C • nebo joul (J) • 1 cal = 4,18 J; 1 J = 0,239 cal. • Násobky těchto jednotek • kilokalorie (kcal, velká kalorie, kilogram kalorie) • = 1000 cal = 4,18 kJ • kilojoul (kJ) = 1000 J = 0,239 kcal

40. Charakteristika energie poskytnuté různými živinami: • Množstvím energie, které se uvolní dokonalým spálením z jednotkového množství (jednoho gramu) živin • = • SPALNÉ TEPLO • Hodnoty spalného tepla pro jednotlivé živiny: • sacharidy = 4,1 kcal/g (17,1 kJ/g) • tuky = 9,3 kcal/g (38,9 kJ/g) • bílkoviny = 5,3 kcal/g (22,2 kJ/g)

41. Charakteristika energie poskytnuté různými živinami: • 2. Množstvím tepla, které se uvolní, když se k oxidaci jednotlivých živin spotřebuje 1 litr kyslíku • = • ENERGETICKÝ EKVIVALENT • (EE, dříve kalorický ekvivalent) • Hodnoty energetického ekvivalentu pro jednotlivé živiny: • sacharidy = 5,05 kcal (21,1 kJ) • tuky = 4,55 kcal (19,0 kJ) • bílkoviny = 4,31 kcal (18,0 kJ) • smíšená strava = 4,81 (20,1 kJ)

42. Charakteristika energie poskytnuté různými živinami: 3. Jaké substráty jsou aktuálně metabolizovány = RESPIRAČNÍ KVOCIENT (RQ nebo R) Při oxidaci energetických substrátů spotřebovává se kyslík a vylučuje oxid uhličitý RQ = poměr mezi vydaným CO2 a spotřebovaným O2 za podmínek setrvalého stavu

43. Charakteristika energie poskytnuté různými živinami: • 3. RESPIRAČNÍ KVOCIENT • Normální hodnoty RQ pro jednotlivé substráty jsou: • sacharidy = 1,00 • tuky = 0,70 • bílkoviny = 0,82 • průměrná hodnota běžné potravy = 0,80 • Určení RQ při spalování proteinů v těle: • Nevzniká pouze oxid uhličitý a voda, • ale i jednoduché sloučeniny dusíku • (tzv. nebílkovinný dusík, např. močovina, volné aminokyseliny, kyselina močová, kreatin, kreatinin, amoniak, aj.) • lidský organismus neumí dále rozložit a získat z nich energii

44. Charakteristika energie poskytnuté různými živinami: 3. RESPIRAČNÍ KVOCIENT Liší se v různých podmínkách: 1. Při hyperventilaci (prohloubené dýchání) RQ stoupá je vydechován ve zvýšené míře oxid uhličitý 2. Při intenzivní námaze RQ stoupá kyselina mléčná (vzniká při intenzivní námaze) se mění na CO2 (viz nárazníkový systém) CO2 ve zvýšené míře vydechován 3. Při acidóze (snížení pH pod 7,36, zvýšení kyselosti krve) RQ stoupá 4. Při alkalóze (zvýšení pH nad 7,44, snížení kyselosti krve) RQ klesá

45. Energetická spotřeba můžeme vypočítat 1. PŘÍMÁ KALORIMETRIE (zjištění množství tepla, jež se uvolní při spálení 1g živin) kalorimetr 2. pomocí tzv. TĚŽKÉ VODY (místo vodíku deuterium) Obě metody nákladné a složité přístrojové vybavení význam jen ve výzkumu

46. Energetická spotřeba V praxi měření metodou NEPŘÍMÉ KALORIMETRIE spotřeba živin vypočítána ze spotřeby kyslíku (VO2) a výdeje oxidu uhličitého (VCO2) (viz RQ = VCO2/VO2)

47. Energetická spotřeba Využívání získané energie na • BAZÁLNÍ METABOLIZMUS • TRÁVENÍ A VSTŘEBÁVÁNÍ • SVALOVOU PRÁCI • REGULACI TĚLESNÉ TEPLOTY (termoregulace)

48. BAZÁLNÍ METABOLISMUS (základní látková výměna, BMR) energetická spotřeba nezbytná k udržení základních, životně nezbytných funkcí (srdeční činnost, dýchání, činnost mozku, atd.) Odpovídá minimálnímu množství energie potřebnému k udržení homeostázy (stabilita vnitřního prostředí)

49. BAZÁLNÍ METABOLISMUS Měříme • ráno před probuzením nebo bezprostředně po probuzení • před požitím jídla, 12–14 hodin po posledním jídle, • v klidu • při příjemné pokojové teplotě = Faktory ovlivňující rychlost metabolismu • svalová práce • specificko-dynamický účinek potravy (nezbytný výdej energie, potřebný pro zpracování živin v těle, nejvyšší bílkoviny) • vnější teplota

50. BAZÁLNÍ METABOLISMUS závisí na • povrchu těla (tělesná výška a hmotnosti) • věku (věkem se snižuje) • pohlaví (žena menší – tuk menší metabolismus než svaly) Zdravý dospělý muž mladšího věku BMR = 40 kcal/m2/hod = 2000 kcal/den . .