Katabolické procesy v organismu

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

2. Principy bioenergetiky • Pro přežití potřebují buňky z potravy získávat energii a živiny, které vynakládají na plnění základních funkcí: pohyb (svalová kontrakce), termoregulace, biosyntéza, aktivní transport molekul a iontů • Většina živin nemůže být využita přímo a musí být nejprve rozložena na jednodušší sloučeniny…katabolismus • Vzniklé metabolity jsou pak buď dále katabolizovány za účelem získání energie, nebo využity k syntéze složitějších molekul…anabolismus

3. Koncové produkty katabolismu: • CO2 • H2O • NH3 – vylučován jako močovina

4. Trávení je součástí katabolismu: Potrava Jednodušší sloučeniny trávení Absorpce Transport krví ke tkáním Utilizace ve tkáních: biosyntéza, produkce energie

5. Úschova energie, ATP • Energie získaná z potravy může být uložena ve formě určitých sloučenin, jejichž štěpením se posléze zase uvolní, např. ATP: ATP + H2O  ADP + P • Proto je štěpení ATP často spřaženo s reakcí, která vyžaduje dodání energie a sama o sobě by neprobíhala – energie pro tuto reakci je pak dodána současným štěpením ATP adenosintrifosfát =ATP

6. Sacharidy • Sacharidy: • a) monosacharidy – jedna jednotka • b) oligosacharidy – 2-10 monosacharidových jednotek • c) polysacharidy – polymery složené z monosacharidových jednotek • Z rostlinné potravy získáváme např. škrob (polysacharid), fruktosu, glukosu (monosacharidy), sacharosu (disacharid), z živočišné např. laktosu (disacharid z mléka)

7. Monosacharidy • Monosacharidy = aldehydy (aldosy) nebo ketony (ketosy) obsahující 2 a více –OH skupin • Tvoří cyklické formy: α α-D-glukopyranosa  -D-glukopyranosa

8. aldehydová skupina Aldosy: D-konfigurace D-galaktosa D-glukosa D-manosa

9. Analogickou řadu L-aldos lze odvodit od L-glyceraldehydu: L-konfigurace

10. Ketosy: keto skupina CH2OH Analogickou řadu L-ketos lze odvodit od L-erythrulosy D-konfigurace D-fruktosa

11. Oligosacharidy • Oligosacharidy = 2-10 pospojovaných monosacharidových jednotek • Např. sacharosa (řepný i třtinový cukr): = sacharosa glukosa + fruktosa

12. Polysacharidy • Polysacharidy – vysoký počet monosacharidových jednotek, např.: • škrob • glykogen • celulosa tvořeny jednotkami glukosy

13. pankreatická α-amylasa(ve střevě) glykosidasy střeva polysacharidy oligosacharidy monosacharidy Katabolismus sacharidů • Polysacharidy (škrob, glykogen) jsou nejprve v tenkém střevě rozštěpeny pankreatickou α-amylasou na oligosacharidy a ty jsou dále štěpeny glykosidasami tenkého střeva na monosacharidy (nejčastěji glukosu): • Monosacharidy pak vstupují do buněk tenkého střeva a odtud se dostávají do krevního oběhu

14. Katabolismus glukosy • Glc vstoupí do cytoplasmy cílových buněk a zde je přeměněna glykolýzou na pyruvát • Během glykolýzy vzniká ATP a dochází k redukci koenzymu NAD+ na NADH+H+: NADH+H+ NAD+ (nikotinamid-adenindinukleotid)

15. ADP, H3PO4 2 x ATP 2 2 – H2O pyruvát Glykolýza 2 x 2 x 2 x Glukosa je přeměněna na 2 molekuly pyruvátu za zisku 2 molekul ATP a dvou redukovaných koenzymů NADH.

16. Další přeměny pyruvátu • Za aerobních podmínek je pyruvát v mitochondriích oxidačně dekarbo-xylován, tj. uvolní se z něj CO2; vzniká acetyl (CH3C=O-), který je přenesen na koenzym A (CoA) za vzniku acetyl-CoA: pyr + NAD+ + CoA  acetyl-CoA + CO2 + NADH + H+ • Za anaerobních podmínek (např. intenzivně pracující sval) je pyruvát redukován na laktát: + NADH + H+ + NAD+ laktát pyruvát

17. Jednoduché lipidy • Hlavně acylglyceroly, tj. estery glycerolu a vyšších mastných kyselin:

18. R mastná kyselina Složené lipidy • Obsahují kromě alkoholu a mastné kyseliny ještě jinou komponentu • Např. fosfolipidy: • Fosfolipidy jsou důležitou složkou buněčných membrán Např.: pokud R = -O–CH2–CH2–N+(CH3)3, jde o fosfatidylcholin

19. Katabolismus acylglycerolů • Pankreatická lipasa (sekretovaná do tenkého střeva) štěpí acylglyceroly za vzniku směsi mastných kyselin (FA) a 2-monoacylglycerolů: • FA vstupují do buněk střevní stěny a jsou zabudovány do lipoproteinů chylomikronů. Ty vstupují do lymfatických cév a jimi do krve, jíž se dostávají k cílovým buňkám.

20. V buňce se FA váže na koenzym A (CoASH)  vzniká acyl-CoA, který je přenesen do mitochondrií V mitochondriích probíhá -oxidace: každý cyklus zkrátí FA o 2 uhlíky ve formě acetyl-CoA; zkrácená FA vstupuje do dalších cyklů FA se tak kompletně odbourá na acetyl-CoA; FAD a NAD+ se přitom redukují na FADH2 a NADH+H+ acylkoenzymA (acyl-CoA) -oxidace FA

21. pepsin trypsin peptidasy proteiny polypeptidy poly/oligopeptidy AA ad. Katabolismus proteinů • Proteiny = polymery složené z aminokyselin • Proteiny jsou v žaludku štěpeny enzymem pepsinem na polypeptidy a ty dále v tenkém střevě pankreatickými enzymy trypsinem, chymotrypsinem, elastasou na kratší poly/oligopeptidy; ty jsou nakonec peptidasami střevních buněk rozštěpeny na aminokyseliny: • Uvolněné aminokyseliny se dostávají ze střeva do krve

22. R – CH – COOH NH2 NH3 Katabolismus aminokyselin • 1) Z aminokyseliny je odstraněna aminoskupina  uvolňuje se amoniak: • 2) Zbylá uhlíkatá kostra je přeměněna na metabolit zpracovatelný v jiných metabolických drahách: např. na acetyl-CoA nebo sukcinyl-CoA, které pak mohou vstoupit do citrátového cyklu (viz dále) • 3) Toxický amoniak je v močovinovém cyklu přeměněn na močovinu

23. H Vylučování odpadních dusíkatých látek močí • V moči jsou obsaženy: • močovina – vzniká z amoniaku uvolněného katabolismem AA: • kyselina močová – vzniká katabolismem purinových bází nukleových kys.: • kreatinin – vzniká přeměnou kreatinfosfátu v pracujícím svalu: guanin kys.močová

24. Tedy: makromolekulární složky potravy jsou rozloženy na základní jednotky a ty přeměněny na acetyl-CoA: polysacharidy lipidy proteiny glukosa mastné kyseliny aminokyseliny glykolýza -oxidace pyruvát acetyl-CoA (příp. sukcinyl-CoA ad.) acetyl-CoA acetyl-CoA

25. Acetylkoenzym A Acetyl-CoA pocházející z katabolismu sacharidů, lipidů a proteinů vstupuje do citrátového cyklu (CoA, příp. CoASH) v acetyl-CoA je místo tohoto vodíku acetyl (CH3C=O)

26. Citrátový cyklus • V mitochondriální matrix • Acetyl-CoA se v 1. kroku slučuje s oxalacetátem za vzniku citrátu, který je přeměňován dalšími reakcemi; v poslední reakci cyklu se regeneruje oxalacetát • Acetyl-CoA je tak v citrátovém cyklu přeměněn za vzniku 2 molekul CO2 • Přitom se redukuje NAD+ na NADH+H+ a FAD na FADH2

27. acetyl-CoA Citrátový cyklus:

28. Tedy: • Katabolismus produkuje redukované formy koenzymů NADH a FADH2: • v průběhu glykolýzy (přeměny Glc na pyr) • při přeměně pyruvátu na acetyl-CoA • v -oxidaci mastných kyselin • v katabolismu aminokyselin • v citrátovém cyklu • Tyto redukované koenzymy vstupují do dýchacího řetězcea v něm se regenerují (oxidují zpět na NAD+ a FAD); na to navazuje syntéza ATP

29. Dýchací řetězec (DŘ) • DŘ tvoří 5 proteinových komplexů ve vnitřní mitochondriální membráně a 2 mobilní přenašeče: • ubichinon (koenzym Q) • cytochrom c • Komplexy I, II a III obsahují Fe-S proteiny (proteiny obsahující síru a nehemové železo) • Součástí DŘ jsou cytochromy, které obsahují hem mitochondrie

30. V DŘ dochází k reoxidaci redukovaných koenzymů NADH a FADH2, které pocházejí z katabolismu sacharidů, FA a proteinů: • NADH+H+ NAD+ • FADH2 FAD – 2 H – 2 H (flavinadenindinukleotid)

31. elektrony vnitřní mitoch. membrána vnější mitoch. membrána • H+ z NADH, FADH2 a z mitochondriální matrix jsou komplexy DŘ přenášeny z matrix do mezimembránového prostoru • Elektrony jsou přes sérii přenašečů přeneseny až na kyslík za vzniku vody Uprav. podle: KODÍČEK, M. Řetězec dýchací. From Biochemické pojmy : výkladový slovník [online]. VŠCHT Praha, 2007

32. Oxidační fosforylace • V DŘ jsou elektrony a H+ přenášeny zvlášť! • Činností DŘ jsou H+ přenášeny z matrix mitochondrií do mezimembrá-nového prostoru mitochondrií  vzniká gradient koncentrace H+: v matrix koncentrace H+ klesá, v mezimembránovém prostoru roste! • Tento gradient využívá ATP-synthasa (komplex V) k produkci ATP: H+ jí procházejí z mezimembránového prostoru zpět do matrix a přitom vzniká ATP

33. ATP-synthasa(komplex V) matrix vnitřní mitoch. membrána mezimembránový prostor H+ procházejí protonovým kanálem Fo ATP-synthasy z mezimembr. prostoru zpět do matrix, což je spojeno s tvorbou ATP podjednotkou F1 (průchod H+vyvolá potřebné konformační změny)

34. Anaerobní podmínky: • Pyruvát není oxidačně dekarboxylován za vzniku acetyl-CoA, nýbrž přeměněn na laktát (viz dříve): pyruvát + NADH + H+ laktát + NAD+ • Tato reakce umožňuje regeneraci NAD+ za anaerobních podmínek, kdy se zastavuje dýchací řetězec kvůli nedostatku kyslíku • Tato reakce tak umožňuje chod glykolýzy (dodává pro ni NAD+) a zisk ATP (v glykolýze) i za anaerobních podmínek

35. Celkové schéma: • V katabolismu polysacharidů, lipidů i bílkovin vzniká acetyl-CoA a redukované koenzymy • Acetyl-CoA vstupuje do citrátového cyklu, který produkuje redukované koenzymy • Redukované koenzymy jsou reoxi-dovány v DŘ, na který navazuje ATP-synthasa a produkce ATP