Katabolick procesy v organismu mirka rovenskalfmotol cuni cz

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

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

Koncové produkty katabolismu: CO 2 H 2 O NH 3 – vylučován jako močovina

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

Úschova energie, ATP Energie získaná z potravy může být uložena do zásoby, a to ve formě určitých sloučenin, jejichž štěpením se posléze zase uvolní, např. ATP: adenosintrifosfát=ATP + H 2 O ADP + energie 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

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)

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

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

Ketosy: keto skupina CH 2 OH D-fruktosa

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

Polysacharidy – vysoký počet pospojovaných monosacharidových jednotek, např. : škrob glykogen (oba tvořeny jednotkami glukosy)

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

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+ (nikotinamidadenindinukleotid)

Glykolýza ADP, H 3 PO 4 2 x 2 ATP 2 2 x 2 x – H 2 O 2 x pyruvát Glukosa je přeměněna na 2 molekuly pyruvátu za zisku 2 molekul ATP a dvou redukovaných koenzymů NADH.

Další přeměna pyruvátu Za aerobních podmínek je pyruvát v mitochondriích oxidačně dekarboxylován, tj. uvolní se z něj CO 2 ; zbylý acetyl (CH 3 C=O-) je přenesen na koenzym A (Co. A) za vzniku acetyl-Co. A: pyr + NAD+ + Co. A acetyl-Co. A + CO 2 + NADH + H+ Za anaerobních podmínek (např. intenzivně pracující sval) je pyruvát redukován na laktát: + NADH + H+ pyruvát + NAD+ laktát

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

Složené lipidy Obsahují kromě alkoholu a mastné kyseliny ještě jinou komponentu Např. fosfolipidy: R mastná kyselina Např. : pokud R = -O–CH 2–N+(CH 3)3, jde o fosfatidylcholin Fosfolipidy jsou důležitou složkou buněčných membrán

Katabolismus acylglycerolů Pankreatická lipasa (sekretovaná do tenkého střeva) odštěpuje z acylglycerolů mastné kyseliny (FA) za vzniku směsi FA a 2 -monoacylglycerolů: Uvolněné FA vstupují do buněk střevní stěny, kde jsou zabudovány do lipoproteinů chylomikronů. Ty vstupují do lymfatických cév a jimi do krevního řečiště, jímž se dostávají k cílovým buňkám.

acylkoenzym A -oxidace mastných kyselin V buňce se FA váže na koenzym A (Co. ASH) vzniká acyl-Co. A (acylkoenzym A), který je přenesen do mitochondrií V mitochondriích probíhá -oxidace: každý cyklus zkrátí FA o 2 uhlíky, které se naváží na koenzym A → acetyl-Co. A; zkrácená FA vstupuje do dalších cyklů FA se tak kompletně odbourá na acetyl-Co. A; FAD a NAD+ se přitom redukují na FADH 2 a NADH+H+

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

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

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

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

Acetylkoenzym A Acetyl-Co. A pocházející z katabolismu sacharidů, lipidů a proteinů vstupuje do citrátového cyklu (Co. A, příp. Co. ASH) v acetyl-Co. A je místo tohoto vodíku acetyl (CH 3 C=O)

Citrátový cyklus V mitochondriální matrix Acetyl-Co. A se v 1. kroku slučuje s oxalacetátem za vzniku citrátu, který je přeměňován dalšími reakcemi; v poslední reakci cyklu se regeneruje oxalacetát Acetyl-Co. A je takto v citrátovém cyklu přeměněn za vzniku 2 molekul CO 2 Přitom se redukuje NAD+ na NADH+H+ a FAD na FADH 2

acetyl-Co. A Citrátový cyklus:

Tedy: Katabolismus produkuje redukované formy koenzymů NADH a FADH 2: ü v průběhu glykolýzy (přeměny Glc na pyr) ü při přeměně pyruvátu na acetyl-Co. A ü v -oxidaci mastných kyselin ü v katabolismu aminokyselin ü v citrátovém cyklu Tyto redukované koenzymy vstupují do dýchacího řetězce a v něm se regenerují (oxidují zpět na NAD+ a FAD); na to navazuje syntéza ATP

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

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

elektrony H+ z NADH, FADH 2 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 vnitřní mitoch. membrána vnější mitoch. membrána Uprav. podle: KODÍČEK, M. Řetězec dýchací. From Biochemické pojmy : výkladový slovník [online]. VŠCHT Praha, 2007

Oxidační fosforylace V DŘ jsou elektrony a H+ přenášeny zvlášť! Činností DŘ jsou H+ přenášeny z matrix mitochondrií do mezimembránového 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 mezimembr. prostoru zpět do matrix a přitom vzniká ATP

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 F 1 (průchod H+ vyvolá potřebné konformační změny)

Anaerobní podmínky: Pyruvát není oxidačně dekarboxylován za vzniku acetyl-Co. A, 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 (a v něm tedy reoxidace NADH nemůže probíhat) Tato reakce tak umožňuje chod glykolýzy (dodává pro ni NAD+) a zisk ATP (v glykolýze) i za anaerobních podmínek

Celkové schéma: V katabolismu polysacharidů, lipidů i bílkovin vzniká acetyl-Co. A a redukované koenzymy Acetyl-Co. A vstupuje do citrátového cyklu, který produkuje další redukované koenzymy Redukované koenzymy jsou reoxidovány v DŘ, na který navazuje ATP-synthasa a produkce ATP