Obecný metabolismus

1. Obecný metabolismus Metabolismus: Základní pojetí a obsah pojmu. Cesty přenosu signálu: Úvod do metabolismu informace. Regulace metabolických drah: Glykolýza a glukoneogeneze. Glykogen. Cyklus trikarboxylových kyselin. Oxidatívní fosforylace. Calvinův cyklus a metabolismus fosfátů pentos. Metabolismus mastných kyselin Obrat aminokyselin a jejich biosyntéza a katabolismus.

2. METABOLISMUS • Řešení dvou základních otázek • 1. Jak buňky získávají energii a redukční sílu ze svého okolí ? • 2. Jak buňky syntetizují základní stavební kameny makromolekul a poté samotné makromolekuly ? • Oba procesy probíhají jako vysoce organizované chemické reakce - metabolismus.

3. Buňky využívají různé typy energií • - pro mechanický pohyb • - k aktivnímu transportu molekul a iontů • - k syntéze makromolekul z jednoduchých prekurzorů • Volná energie využívané při těchto procesech se získává z vnějšího prostředí • První zákon termodynamiky

4. Fotosyntetyzující organismy – energetický základ života na Zemi • Fototrofní organismy – přeměna světelné energie na energii chemických sloučenin. • Chemotrofní organismy – získávají chemickou energii oxidací chemických sloučenin vytvořených fototrofy. • Metabolismus nebo intermediární metabolismus – v buňkách probíhá v každém okamžiku tisíce transformací energie. Energie je uvolňována z energeticky bohatých sloučenin a využita k biosyntetickým procesům.

5. Metabolismus glukosy - glykolýza

6. Metabolické dráhy

7. Spřažené reakce • Termodynamicky nevýhodná reakce je poháněna exergonní reakcí. Obvykle přenos fosfátu z ATP. • Kapitola 14 – pohyblivé schéma.

8. Hydrolýza ATP posunuje rovnováhu spřažených reakcí • Termodynamicky nevýhodná reakční sekvence může být převedena na výhodnou spojením s potřebným množstvím molekul ATP v nové reakci (fosforylace substrátů).

9. Strukturní základy vysokého potenciálu přenosu fosfátu ATP • Glycerol-3-fosfát + voda = glycerol + fosfát • - 9, 2 kJ.mol • ATP + voda = ADP + fosfát + H - 30, 5 kJ.mol Rozdíly: rezonanční stabilita; elektrostatické odpuzování; stabilizace hydratací.

10. Celková volná energie chemické reakce je součtem volných energií dílčích reakcí

11. Možné typy hydrolýzy ATP

12. Termodynamicky nevýhodná reakce (25oC)

13. Termodynamicky nevýhodná reakce ve spojení s hydrolýzou ATP: A + ATP + H2O = B + ADP + Pi + H+D Go´= - 13, 8 kJ.mol-1Rovnovážná konstanta spřažené reakce:

14. Obecně nATP mění rovnováhu reakce násobkem 108n. • Potenciál ATP se může uplatnit např. při přenosu fosfátu na protein (enzym), který je takto aktivován nebo při aktivním transportu látek přes membránu jako je např. symport Na+ a K+ při kterém je fosforylcí aktivována Na+ - K+ pumpa.

18. Glycerol-3-fosfát + H2O = Glycerol + PiD Go´= - 9, 2 kJ.mol-1

19. Jaký je strukturní základ vysokého potenciálu přenosu fosfátu ATP ? • Změna standardní volné energie závisí na rozdílu volných energií produktů a reaktantů, tedy na jejich struktuře. • Zkoumáme ADP a Pi jako produkty hydrolýzy ATP a ATP jako reaktant. • Tři podstatné faktory : • - rezonanční stabilita • - ektrostatické odpuzování • - stabilizace hydratací • ADP a Pi mají větší rezonannční stabilitu než ATP. Orthofosfát má řadu resonančních struktur, kdežto g-fosfátová skupina ATP menší počet. • Při pH 7 má trifosfát čtyři záporné náboje, které se odpuzují. Po hydrolýze ATP repulze mizí! • Voda se váže mnohem efektivněji na Pi a ADP než na fosfoanhydridové vazby ATP. Stabilizace ADP a Pi hydratací !!

20. Resonanční struktury orthofosfátu

21. Nepravděpodobná resonanční struktura – dva atomy P s pozitivním nábojem vedle sebe.

22. Sloučeniny s vysokým potenciálem přenosu fosfátu – mohou fosforylovat ADP za tvorby ATP. ATP je meziprodukt mezi těmito vysokoenergetickými sloučeninami a sloučeninami s nižším potenciálem.

23. Změna standardní volné energie hydrolýzy vybraných fosfátových sloučenin.

24. Kreatinfosfát – zásoba energie svalů obratlovců. • Kreatinfosfát slouží u obratlovců jako zásoba svalové energie sloužící k regeneraci ATP z ADP za katalýzy kreatinkinasou: • Kreatinfosfát + ADP + H+ = ATP + kreatin • Při pH = 7 je D Go´ = - 43, 1 kJ/mol (hydrolýza kreatinfosfátu). • Ve srovnání s hydrolýzou ATP (-30,5 kJ/mol) je celková změna rovna – 12,6kJ/mol což odpovídá rovnovážné konstantě = 162. • Keq= [ATP] [kreatin] / [ADP] [kreatinfosfát] = 10DG(stand) / (2,303 RT) =103/1,36 = 162. • Koncentrace v odpočívajícím svalu: • [ATP] = 4 mM, [ADP] = 0, 013 mM, [kreatinfosfát] = 25 mM a [kreatin] = 13 mM.

25. Zdroje ATP během tělesného cvičení.

26. Oxidace uhlíkatých sloučenin je důležitým zdrojem buněčné energie. • V typické buňce se ATP spotřebuje do půl minuty po tvorbě. Celkové množství ATP v těle je limitováno 100 g, jeho obrat je vysoký. • Odpočívající člověk spotřebuje asi 40 kg ATP/den. Při intenzivní práce to může být až 0, 5 kg/min. Při 2 hod běhu se spotřebuje 60 kg ATP. • Tvorba ATP je primární rolí katabolismu. • U aerobních organismů je elektronovým akceptorem při oxidaci kyslík a produktem CO2.

27. ATP – ADP cyklus

28. Volná energie oxidace jednoduchých uhlíkatých sloučenin.

29. Mastné kyseliny a sacharidy jsou největšími zdroji energie. Proč ?

30. Fosfáty s vysokým potenciálem spojují oxidaci uhlíku s tvorbou ATP. Jako příklad – glyceraldehyd-3-fosfát.

31. Tvorba ATP na úrovni substrátu !!!!

32. Protonové gradienty.

33. Tři stádia katabolismu. • 1. Velké molekuly se štěpí na menší jednotky. • 2. Množství malých molekul se odbourává na několik jednoduchých, které hrají centrální roli v metabolismu. Např. acetyl CoA. • 3. Kompletní oxidací acetyl CoA se vytváří ATP, CO2 a voda.

34. Tři stupně katabolismu.

35. V metabolických drahách je mnoho se opakujících motivů. • 1. Aktivovaní přenašeči elektronů pro oxidaci energeticky bohatých sloučenin (substrátů) • 2. Aktivovaní přenašeči elektronů k reduktivním biosyntézám. • 3. Aktivovaní přenašeči dvojuhlíkatých štěpů • 4. Další různí přenašeči (tabulka) • Kinetická stabilita těchto molekul umožňuje bez přítomnosti katalyzátorů jejich biologické funkce a enzymovou kontrolu toku volné energie a redukční síly

36. Vybraní aktivovaní přenašeči v metabolismu a jejich prekurzory

39. Struktury reaktivních částí FAD a FADH2

40. Donorem elektronů při mnoha biosyntézách je NADPH. Např. biosyntéza mastných kyselin

41. Aktivovaný nosič dvojuhlíkatých štěpů a acylů CoASH.Acetyl CoA + H2O = acetát + CoA + H+. D Go´ = - 31, 4 kJ/mol.

42. Proč je thioester termodynamicky výhodnější než kyslíkatý ester ?

43. Typy chemických reakcí v metabolismu • Typ reakce Popis • Oxidačně-redukční Přenos elektronů • Tvorba vazeb za účasti ATP Tvorba kovalentních vazeb • Izomerizace Přemístění atomů, tvorba izomerů • Přenos skupin Přenos funkčních skupin z jedné molekuly na druhou • Hydrolýza Štěpení vazby adicí vody • Adice a odstranění funkčních sk. Adice na dvojnou vazbu a odštěpení funkční skupiny za tvorby dvojné vazby

44. Oxidačně-redukční reakce. Obě reakce jsou součástí citrátového cyklu

45. Karboxylace – tvorba vazby C – C za účasti ATP. Pyruvátkarboxylasa.

46. Izomerace

47. Přenos skupin – přenos fosfátu.

48. Hydrolýza – peptidasy, proteasy.

49. Adice funkční skupiny na dvojnou vazbu nebo odštěpení funkční skupiny za tvorby dvojné vazby (lyasy)

50. Dehydratace