C 4182 Biochemie II 10 BSpeciln metabolick drhy

C 4182 Biochemie II 10 B-Speciální metabolické dráhy FRVŠ 1647/2012 Petr Zbořil 12/7/2020 1

Obsah • Speciální metabolické dráhy. • Mikrosomální elektronový transport, cyt P 450. • Nitrogenasový systém. Petr Zbořil 12/7/2020 2

Mikrosomální elektronový transport • Elektronový transport o – aktivace kyslíku – reakce se substrátem – monooxygenace • Řetězec elektronového transportu CYT P 450 o – nutnost redukce ½ O 2 • Mikrosomální o málo specifický, metabolismus xenobiotik • Mitochondriální o specifický, metabolismus eobiotik (steroidy, MK atd. ) • Základem hydroxylace o výsledkem i dehalogenace, deaminace, N- a O-dealkylace, epoxidace aj. – multifunkční oxidázy • Lokalisace v membráně, zdrojem elektronů NADPH Footer Text 12/7/2020 3

Systém Cyt P 450 • Schema lokalisace v membráně ER o zdrojem elektronů NADPH Footer Text 12/7/2020 4

Systém Cyt P 450 • Elektrony dodává z NADPH CYT P 450 reduktáza o – vícefunkční enzym Footer Text 12/7/2020 5

Systém Cyt P 450 • CYT P 450 reduktáza - obsahuje FAD i FMN Footer Text 12/7/2020 6

Systém Cyt P 450 • Reakční cyklus Cyt P 450 Footer Text 12/7/2020 7

Systém Cyt P 450 • Příklad transformace xenobiotika o alifatická hydroxylace pentobarbitalu Footer Text 12/7/2020 8

Systém Cyt P 450 Typy přeměn • • Hydroxylace – alifatická, aromatická O- nebo N-dealkylace Oxidace dvojné vazby N-oxidace S-oxidace Oxidační deaminace Oxidace alkoholů Oxidační dehalogenace • Nomenklatura • Cyt. P 450 1 A 2 Footer Text rodina – 40% homologie podrodina – 59% isoforma 12/7/2020 9

Systém Cyt P 450 • 57 lidských cyt. P 450 Sterols Xenobiotics Fatty Acids Eicosanoids Vitamins Unknown 1 B 1 1 A 1 2 J 2 4 F 2 2 R 1 2 A 7 7 A 1 1 A 2 4 A 11 4 F 3 24 A 1 2 S 1 7 B 1 2 A 6 4 B 1 4 F 8 26 A 1 2 U 1 8 B 1 2 A 13 4 F 12 5 A 1 26 B 1 2 W 1 11 A 1 2 B 6 8 A 1 26 C 1 3 A 43 11 B 1 2 C 8 27 B 1 4 A 22 11 B 2 2 C 9 4 F 11 17 A 1 2 C 18 4 F 22 19 A 1 2 C 19 4 V 2 21 A 2 2 D 6 4 X 1 27 A 1 2 E 1 4 Z 1 39 A 1 2 F 1 20 A 1 46 A 1 3 A 4 27 C 1 51 A 1 3 A 5 3 A 7 Footer Text 12/7/2020 10

Systém Cyt P 450 Inducibilní enzymy – monitorování životního prostředí XENOBIOCHEMIE • metabolismus cizorodých látek, účast P 450 Metabolická aktivace xenobiotik v 1. fázi – vznik reaktivních sloučenin – toxicita, kancerogenita aj. Footer Text 12/7/2020 11

Nitrogenasový systém • Asimilace N – ze sloučenin anorganických do organických o běžné (rostliny, mikroorganismy obecně) • N 2 – inertní, problém převést na sloučeninu kyslíkaté – výboje redukce na NH 3 – energeticky náročná N 2 + 3 H 2 2 NH 3 DG°' = 32, 6 k. J. mol-1 Technologicky – katalýza (pův. Os a U, dnes Fe 3+, 400 – 650 o. C, 10 – 40 MPa) – Haber-Bosch 1913 – spotřebuje ca 1% veškeré celosvětově produkované energie Biochemicky – enzymová katalýza + ATP – probíhá za mírných podmínek Footer Text 12/7/2020 12

Nitrogenasový systém Redukce dusíku probíhá podle rovnice N 2 + 8 H+ + 8 e- 2 NH 3 + H 2 na každý elektron se spotřebují 2 ATP, tedy 16 ATP → 16 ADP + 16 Pi Celkově N 2 + 4 NADH+ H+ + 16 Mg. ATP → 2 NH 3 + H 2 + 4 NAD+ + 16 Mg. ADP + 16 Pi • • • • Tato redukce je omezena na několik mikroorganismů – symbiotické a volně žijící Rhizobium – symbiont vikvovitých rostlin Azotobacter, Klebsiella, Clostridium a cyanobacterie (vodní) Footer Text 12/7/2020 13

Nitrogenasový systém • Reakce je katalysována nitrogenázovým komplexem složeným o z Fe. S-proteinu dinitrogenasa reduktasy (složena ze 2 podjednotek o ca 65 k. D, obsahuje 4 Fe a 4 S na dimer, citlivá na kyslík) o a Mo. Fe-proteinu dinitrogenasy ( heterotetramer s velkým redoxním centrem obsahujícím Fe 4 S 3 a Fe 3 Mo. S 3 spojené 3 sulfidovými skupinami) Footer Text 12/7/2020 14

Nitrogenasový systém • Nitrogenasová reakce může být rozložena do 3 kroků: o redukce Fe. S-proteinu externím donorem elektronů o redukce Mo. Fe-proteinu redukovaným Fe. S-proteinem – ta je usnadněna fosforylací Fe. Sproteinu o redukce N 2 Mo. Fe proteinem Footer Text 12/7/2020 15

Nitrogenasový systém • První reakce vyžaduje NADH a je katalysována feredoxinem. • Ve druhém stupni dochází ke spřažení s exergonickým pochodem – hydrolýzou ATP. o Podstatou je snížení redoxpotenciálu (z -350 m. V na -450 m. V) po fosforylaci proteinu, to umožní redukovat koncový enzym – Fe. Mo-protein o nízkém E’ 0, jenž je pak schopen redukce N 2. Footer Text 12/7/2020 16

Přenos elektronu mezi Fe. S klastry Footer Text 12/7/2020 17

Nitrogenasový systém • M Footer Text 12/7/2020 18

Vazba N 2 v klastrech dinitrogenasy Footer Text 12/7/2020 19

Nitrogenasový systém • Nitrogenasa (podobně jako RUBISCO) je syntesována ve velkých množstvích, u diazotofytů tvoří až 10% všech bílkovin. • Nitrogenasa redukuje i jiné substráty se strukturou podobnou N 2, dobrým měřítkem její aktivity je redukce acetylenu: • HCCH + 2 e- + 2 H+ → H 2 CCH 2 Footer Text 12/7/2020 20

Nitrogenasový systém • Problém citlivosti ke kyslíku o produkce leghemoglobinu odčerpávajícího O 2 (v rostlinné buňce, kodován v jejím jádře. • Symbiosa – rostlina zásobuje symbionta metabolity (z TCA) Footer Text 12/7/2020 21