20.3.2014

1

Metabolizem (presnova)

Metabolizem oz. presnova

� Vsota vseh kemijskih reakcij v organizmu, njihova koordinacija, regulacija in energetske potrebe

� Substrati se pretvarjajo v produkte preko mnogih specifičnih intermediatov

� Za potek metabolnih reakcij je potreben vnos energije (organske snovi)

� Različni procesi potekajo v različnih kompartmentih

Metabolne poti

� Zaporedje reakcij, ki ima specifično vlogo� Katalizirane z encimi� Tipi metabolnih poti:

� KATABOLIZEM� Razgradnja reduciranih, kompleksnih,

energetsko bogatih organskih molekul na bol enostavne

� Prevladuje oksidacija� Sproščanje proste energije (npr. v obliki

ATP)

� ANABOLIZEM� Biosinteza kompleksnih molekul iz

enostavnih, energetsko revnih prekurzorjev

� V glavnem reakcije redukcije� Poraba energije (ATP)

20.3.2014

2

Metabolizem in energija Shema metabolnih poti v tipi čni celici

20.3.2014

3

Ciklus ATP

� ATP je univerzalni posrednik energije (fotorofi, heterotrofi)

� ATP ciklus je osrednji ciklus metabolizma

FAZA 1:Razgradnja makromolekul na enostavne podenote (hidroliza)

FAZA 2: Razgradnja enostavnih podenot do acetil CoA, ob istočasni produkciji ATP in NADH

FAZA 3:Popolna oksidacija Ac-CoA do H2O in CO2, tvorba NADH in ATP (elektronski transport)

Kat

abol

izem

-fa

ze

Anabolizem - faze

� Tudi 3 faze, vendar potekajo neodvisno; divergentne metabolne poti -sinteza številnih molekul se začne iz majhnega števila prekurzorjev (npr. CO2, oksaloacetat, piruvat, acetil-CoA

� Katabolne in anabolne poti so torej podobne, vendar ne identične (obratne reakcije, vendar vedno nekaj razlik)!

� Regulacija katabolnih in anabolnih poti ponavadi nastopi pri reakcijah, ki so termodinamsko ireverzibilne.

� Anabolne in katabolne poti so prostorsko ločene.

� Poti skupne tako katabolizmu kot anabolizmu – amfibolne poti.

20.3.2014

4

Regulacija katabolnih in anabolnih poti

� Metabolna kontrola (hormoni)� Koncentracija encima (transkripcija, razgradnja

encima)� Kinetična kontrola (koncentracija substrata,

inhibitorji, aktivatorji, pH, regulatorni encimi, alosterija)

� Kemijska modifikacija encimov (npr. fosforilacija, omejena proteoliza)

� Energijski naboj celice (npr. količina ATP, ADP, AMP)

METABOLIZEM OGLJIKOVIH HIDRATOV

Glukoza

� stabilna molekula z veliko vsebnostjo energije �osrednji vir energije za celice

� viri glukoze:

� hrana,

� glikogen,

� sinteza (glukoneogeneza )

� razgradnja glukoze:

� Glikoliza � produkt piruvat� Pentozafosfatna (fosfoglukonatna) pot � produkta

NADP (NADPH+H+) in riboza-5-fosfat

20.3.2014

5

Glavne metabolne poti ogljikovih hidratov pri rastlinah in živalih Prebava ogljikovih hidratov

amilaza

pankreasna amilaza

maltaza, laktaza, saharaza

pomanjkanje ���� intoleranca

Glikoliza

� Pretvorba glukoze do piruvata� Anaerobna� Poteka v živalih, rastlinah in mikroorganizmih� Poteka v citoplazmi

20.3.2014

6

glukoza↓

glukoza-6-fosfat↓

fuktoza-6-fosfat↓

fuktoza-1,6-bifosfat↓↓↓↓↓

2 x gliceraldehid-3-fosfat↓↓↓↓

↓

↓2 x piruvat

dono

sna

faza

prip

ravl

jaln

a fa

za Neto reakcija glikolizeVstop ostalih monosaharidov v glikolizo

� Večinoma potrebni 1-2 dodatni reakciji� Škrob, glikogen iz hrane : encim amilaza v

glukozo� Celični glikogen � glukoza-1-fosfat� Fruktoza: v jetrih v fruktozo-1-fosfat �

gliceraldehid-3-fosfat� Galaktoza: galaktoza-1-fosfat � UDP-glukoza�

glukoza-6-fosfatGALAKTOZEMIJA

20.3.2014

7

Metabolizem piruvata

� Razgradnja do piruvata je enaka pri vseh organizmih

� Priuvat: metabolno križišče metabolizma!

� Usoda piruvata odvisna od prisotnosti kisika:� Aerobni pogoji – oksidativna razgradnja v ciklusu

citronske kisline in z oksidativno fosforilacijo, akceptorji elektronov so NAD+ in FAD, končna produkta sta H2O in CO2

� Anaerobni pogoji – fermentacija (vrenje)

Fermentacija

� Pridobivanje energije iz organskih substratov brez kisika kot končnega akceptorja elektronov.

� Mlečna fermentacija – pretvorba glukoze v mlečno kislino (laktat)

� Alkoholna fermentacija – pretvorba glukoze v alkohol.

20.3.2014

8

Mlečnokislinskafermentacija

glukoza + 2ADP + 2P i ����2 laktat + 2 ATP + 2 H 2O

Alkoholnafermentacija

glukoza + 2ADP + 2P i ����2 alkohola + 2 ATP + 2 H 2O + 2 CO2

Kisikov dolg Celično dihanje

� Evkarionti (aerobni organizmi)� Razen prve faze (glikolize) poteka v mitohondrijih.� Ob prisotnosti kisika se glukoza popolnoma

oksidira do CO2 in H2O.� 5 faz:1. Glikoliza2. Oksidacija piruvata v acetil-CoA3. Krebsov ciklus (citratni ciklus)4. Prenos elektronov v dihalni verigi5. Kemiosmotska sinteza ATP

20.3.2014

9

MitohondrijOksidacija piruvata v acetil-CoA

� Piruvat iz citoplazme v mitohondrij:� Zunanja membrana � difuzija

� Notranja memebrana � piruvat-translokaza

� Matriks � oksidacija piruvata do acetil-CoA

� Multiencimski kompleks piruvat-dehidrogenaza

Krebsov ciklus (citratni ciklus, ciklus trikarbonskih kislin)

� Centralna pot aerobnega metabolizma� Pomen:1. Oksidacija C2-enot acetilCoA do CO2, pri čemer se sproščena energija shranjuje v obliki ATP ali GTP, in reduciranih spojin (NADH in FADH2).

2. Zagotavljanje izhodnih spojin za biosintezo aminokislin in porfirinov, ter purinskih in pirimidinskih baz za nukleotide.

20.3.2014

10

Krebsov cikel – neto reakcija Glikoliza + Krebsov cikel ���� energetska bilanca glede na 1 molekulo glukoze

20.3.2014

11

Anaboli čna vloga Krebsovega ciklusa Namen katabolnih reakcija Nastanek ATP v celici

20.3.2014

12

Recikliranje NADH in FADH2 Verige za prenos elektronov

Na notranji mitohondrijski membrani

Nameščene v obliki respiratornih kompleksov

Respiratorni kompleksi na verigi za prenos elektronov

20.3.2014

13

Prenos elektronov v dihalni verigi

Kompleks I (NADH-CoQ reduktaza) – preko 40 podenot

20.3.2014

14

Sklopitev transporta elektronov s sintezo ATP Oksidativna fosforilacija

Kemiosmotska sklopitev –nastanek protonskega gradienta

20.3.2014

15

ATP sintaza (F 0-F1 ATPaza)Regulacija oksidativne fosforilacije

20.3.2014

16

Razklopitev toka elektronov in fosforilacije ADP

Izkoristek energije pri popolni oksidaciji glukoze

Enačba za popolno oksidacijo glukoze

20.3.2014

17

Pentoza-fosfatna pot(fosfoglukonatna pot)

Pentoza-fosfatna potPentoza-fosfatna pot – neto reakcija

20.3.2014

18

Biosinteza ogljikovih hidratov

� Glukoneogeneza� Glikogenogeneza � Biosinteza disaharidov

Glukoneogeneza

� Nekatera tkiva rabijo stalen dotok glukoze (možgani, eritrociti)

� Ob pomanjkanju sinteza iz spojin, ki niso OH � piruvat, laktat, glicerol, aminokisline, vsi intermediati CCK

� Ljudje ne moremo sintetizirati glukoze iz maš čobnih kislin! (Acetil CoA ni substrat)

� Poteka večinoma v jetrih in ledvi čni skorji ; začne v mitohondrijskem matriksu, nadaljuje se v citosolu

� Zadnja stropnja – pretvorba glukoze-6-fosfata v glukozo le v ER jetrnih celic

� Podobna glikolizi v obratni smeri, vendar 3 reakcije druga čne (“3 obvozi) � omogočena regulacija

20.3.2014

19

Aktivacija glukoze in galaktoze za biosintezo

Aktivirana glukoza Sinteza glikogena

20.3.2014

20

Sinteza glikogena

� glukoza-6-fosfat + UTP + (glukoza)n + H2O �(glukoza)n+1 + UDP + 2 Pi

� Sinteza: glikogen-sintaza� Razgradnja: glikogen-fosforilaza

� Regulacija: v jetrih inzulin, glukagon; v mišicah adrenalin

Regulacija nivoja glukoze v krvi Biosinteza laktoze

� Disaharid: v mlečni žlezi sesalcev po porodu

� UDP-galaktoza + glukoza ↔ UDP + laktoza

� Encim laktoza sintaza

� Vez: β(1�4) glikozidna

20.3.2014

21

METABOLIZEM LIPIDOV

Lipidi Maščobne kisline – zaloga energije

20.3.2014

22

20.3.2014

23

Aktivacija maš čobnih kislinββββ-OKSIDACIJA MAŠ ČOBNIH KISLIN

� Poteka vmitohondrijih

Odcepljena 2-C enota je Acetil-SCoA

REAKCIJA ββββ-OKSIDACIJE

20.3.2014

24

REZULTAT ββββ-OKSIDACIJE

� Palmitinska kislina (C-16) 8 Acetil-SCoA

ENERGIJSKA BILANCA OKSIDACIJE PALMITATA

20.3.2014

25

KETONSKA TELESAPOVEZAVA MED METABOLIZMOM OGLJIKOVIH HIDRATOV IN MAŠ ČOBNIH KISLIN

20.3.2014

26

Nastanek maš čobne kisline

RAZLIKA MED ββββ-OKSIDACIJO IN BIOSINTEZO MAŠČOBNIH KISLIN

NADALJNJE PRETVORBE MAŠČOBNIH KISLIN (SINTEZE)

20.3.2014

27

HOLESTEROL

4 STOPNJE SINTEZE:

Acetil-CoA (C-2)

Mevalonat (C-6)

Aktivirani izopren (C-5)

Skvalen (C-30)

Holesterol (C-27)

Žolčne kisline, vitamin D3, hormoni (progesteron,…)

PRENOS LIPIDOV PO KRVI

•Hilomikroni

•VLDL

•LDL

•HDL

GLAVNI LIPOPROTEINI: FIZIKALNE LASTNOSTI IN SESTAVA

20.3.2014

28

LIPOPROTEINI Endocitoza LDL

METABOLIZEM AMINOKISLIN in drugih dušikovih spojin

20.3.2014

29

Dušikov ciklus v naraviVstop amonijevega iona v organske spojine

� Karbamoil-fosfat sintetaza I

� Glutamat dehidrogenaza

� Glutamin sintaza (naslednji slide)

20.3.2014

30

ANABOLI ČNE POTI AK

NH4+

TRANSAMINACIJA

20.3.2014

31

Sinteza atomatskih AK –prekurzor korizmat PREBAVA PROTEINOV KATABOLI ČNE POTI AK

20.3.2014

32

RAZGRADNJA OGLJIKOVEGA SKELETA AK Izločanje amonijaka

Problem NH 4+ pri kopenskih živalih

20.3.2014

33

Poteka v jetrih!

VLOGA AK V SINTEZI DRUGIH MOLEKUL

Sinteza protoporfirina IX in hema

20.3.2014

34

Metabolizem nukleotidov Purini!!!

Te pretvorbepri človeku ni

Razgradnja purinov: nastajanje se čne kisline

� Protin:� Povzroča jo prevelika količina sečne kisline , snovi, ki

normalno nastaja iz odpadnih purinskih produktov v telesu.

� Sečna kislina se normalno raztaplja v krvi in se skozi ledvice izloča v seč. Pri ljudeh s protinom pa se presežek lahko nakopiči, tvori ostre kristale, le-ti pa se odlagajo v nekaterih sklepih in okoliškem tkivu ter povzročijo bolečine, vnetje in otekanje.

20.3.2014

35

POVEZOVANJE, USKLAJEVANJE TER POSEBNOSTI METABOLIZMA ORGANOV

Povezovanje, usklajevanje ter posebnosti metabolizma organov

� Boyer, R. 2005. Temelji biokemije. Ljubljana: Študentska založba:

�poglavje 20 v celoti