Metabolizm

Ogół zachodzących w komórce przemian enzymatycznych, które umożliwiają wymianę materii i energii pomiędzy komórką , a środowiskiem.

Szlaki metaboliczne:

Anabolizm

Procesy metabolizmu komórkowego, w wyniku których prostsze substancje łączą się w związki o skomplikowanych strukturach, co prowadzi do gromadzenia energii, produkcji nowych materiałów komórkowych, wzrostu i różnicowania komórek

wymaga dostarczenia energii

reakcje endoergiczne (wykres reakcji z pochłonięciem energii)

Katabolizm

procesy metabolizmu komórkowego polegające na rozszczepianiu dużych cząsteczek organicznych (dostarczanych z pożywieniem lub wewnątrzkomórkowych substancji zapasowych) do związków drobnocząsteczkowych

prowadzą do uwalniania energii – reakcje egzoergiczne (wydzielenie energii swobodnej)

materiał → katabolizm → CO_2 + H_2O +NH_3 → energia cieplna 60%

\downarrow

energia chemiczna

Podstawowe reguły:

1. Energia zawarta w pożywieniu to energia w formie dostępnej dla organizmu człowieka.

2. Energia w formie dostępnej dla organizmu to energia wiązań chemicznych (czyli elektronów) zredukowanych związków węgla.

3. Energia ta jest uwalniana w procesach utleniania związków węgla czyli „odbierania elektronów i przejmowania ich energii”

4. „przejęta energia” jest czasowo magazynowana w postaci wiązań ATP (ok 40kg na dobę)

5. Utlenianie zredukowanych związków węgla czyli oddychanie komórkowe jest procesem zachodzącym stopniowo

6. Końcowym etapem tego procesu oddychania jest redukcja tlenu w mitochondrium przez ostatni kompleks łańcucha oddechowego. Ostatecznym procesem utleniania jest produkowanie wody i CO_2

najbardziej elementarna reakcja utleniania, która jednak nie zachodzi w organizmie człowieka

C^0 + O_2^0 → ^+^4CO_2^-^2

C^0 → -4e^- → C^+^4

O_2^0 → +4e^- → 2O^-^2

Nośniki energii

ATP – adenozynotrójfosforan

GTP – guazonynotrójforsforan

Równoważniki redukcyjne

FAD → dinukleotyd flawinoadeninowy (pochodna ryboflawiny – wit. B2)

NAD^+ → dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (pochodna niacyny – wit. PP)

reakcja: XH_2 + FAD → dehydrogenaza → FADH_2 + X (produkt uległ utlenieniu bo oddał elektrony)

XH_2 + NAD^+ → X + NADH + H^+

Równoważniki Redukcyjne (koenzymy dehydrogenaz)

- przenoszą atomy wodoru (protony i elektrony) uczestniczą w reakcjach redoks

– są niezbędne dla reakcji biosyntezy

Adenozynotrójfosforan (ATP) (umieć na blachę)

– jet nukleotydem czyli związkiem składającym się z 3 części:

– zasady azotowej, adeniny

– monosacharydu

- 3 grup ortofosforowych

– ATP powstaje przez przyłączenie fosforanu nieorganicznego (Pi) do ADP przy udziale energii. Jest to reakcja odwracalna, bowiem ATP może ulec hydrolizie na ADP i Pi:

– ADP + Pi + E ↔ ATP E=7,3 kcal/mol

– Hydroliza ATP wiąże się z uwolnieniem dużych ilości zmagazynowanej energii!!

budowa ATP – znać

ATP uniwersalny nośnik energii w komórce powstaje w wyniku:

– fosforylacji substratowej (warunki beztlenowe – często w mięśniu i zawsze w erytrocycie)

– fosforylacji oksydacyjnej (warunki tlenowe)

reakcja hydrolizy ATP

ATP+ H_2O ↔ ADP + Pi + H^+ + Energia

ATP + H^2O ↔ AMP + Ppi + H^+ + Energia

\DeltaG^0 = -30,6 kJ/mol

Ta energia jest wykorzystywana do: biosynteza, procesy naprawcze komórki, praca mechaniczna -skurcz mięśnia, transport aktywny substancji do i z komórki, tworzenie potencjału elektrycznego błony komórkowej

Fosfokreatyna (PCr)

– W mięśniach dodatkowym nośnikiem energii oprócz ATP jest fosfokreatyna której stężenie kilkakrotnie przewyższa stężenie ATP

– Główną funkcją fosfokreatyny jest odbudowa ATP

– PCr + ADP ↔ Cr + ATP

w cytoplazmie (enzym kinaza kreatynowa) - resynteza odbywa się w mitochondrium

– poziom kinazy kreatynowej we krwi jest wskaźnikiem uszkodzenia komórek mięśniowych

– fosfokreatyny wystarcza na około pierwsze 10s.

Kluczowe etapy utleniania (oddychania) komórkowego

1. Tworzenie acetylo-koenzymu A (glikoliza, \beta-oksydacja)

2. Obróbka acetylo-koenzymu A (cykl Krebsa)

3. Utlenianie produktów obróbki acetylo-koenzymu A (mitochondrialny łańcuch oddechowy)

4. Synteza ATP

Acetylo- koenzym A to produkt częściowego utleniania różnych monomerów

Utlenianie Biologiczne

Utlenianie związków organicznych (cukry, tłuszcze, białka) do CO_2, H_2O i wydzielanie energii (magazynowanej w postaci ATP) przez komórki żywe

etap I (nie dostarcza energii)

Rozbicie dużych makrocząsteczek na proste jednostki monomeryczne (trawienie pokarmów)

Etap II (dostarcza ok 10% energii w postaci ATP)

Rozbicie prostych wielowęglowych jednostek monomerycznych na (2węglowy) acetylo-CoA z jednoczesnym wytworzeniem niewielkich ilości NADH i ATP (fosforylacja substratowa)

ETAP III (dostarcza ok. 90% energii w postaci ATP)

Całkowite utlenianie w mitochondriach acetylo-CoA do CO_2 i H_2O z jednoczesnym wytworzeniem dużych ilości NADH i FADH_2 i ATP (fosforylacja oksydacyjna)

Fosforylacja oksydacyjna

– synteza ATP z ADP i Pi w oddychaniu tlenowym

– Składa się z dwóch etapów:

a) łańcucha oddechowego – polegającego na transporcie elektronów z NADH i FADH_2 na tlenowym

b) Syntezie ATP

Fosforylacja oksydacyjna

Proces syntezy ATP,

zachodzący dzięki energii uzyskanej w wyniku przeniesienia elektronu z NADH lub FADH_2 na O_2 (utlenianie NADH lub FADH_2) przez szereg przenośników elektronów (łańcuch oddechowy)

Utlenianie NADH lub FADH_2 sprzężone jest z fosforylacją dzięki gradientowi protonowemu wytworzonemu w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej.

FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA

PROCES SYNTEZY ATP zachodzący dzięki energii uzyskanej w wyniku przeniesienia elektronów z NADH lub FADH_2 na O_2 (utlenianie NADH lub FADH_2) przez szereg przenośników elektronów (łańcuch oddechowy)

Utlenianie NADH lub FADH_2 sprzężone jest z fosforylacją dzięki gradientowi protonowemu wytworzonemu w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej

H_2 + ½O_2 → H_2O + E

Łańcuch oddechowy

1. Utlenianie węgla i wodoru w związkach organicznych prowadzi do powstania CO_2 i H_2O (CO_2 powstaje w cyklu Krebsa)

2. W cyklu Krebsa tworzą się NADH i FADH_2 – nośniki elektronów o wysokim potencjale przenoszenia, które stają się substratami łańcucha oddechowego

3. W łańcuchu oddechowym elektrony z NADH i FADH_2 zostają przeniesione na tlenowym

4. Tlen ulega redukcji i łączy się z jonami wodoru tworząc wodę metaboliczną

• Zlokalizowany jest w wewnętrznej błonie mitochondrialnej

• Składa się on z czterech dużych kompleksów białkowych (oznaczonych rzymskimi cyframi I-IV) oraz dwóch małych cząsteczek będących łącznikami pomiędzy tymi kompleksami – ubichinionu (UQ) – cykliczny związek oraz cytochromu C (posiada jako hem – czyli protoporfirynę IX z Fe^2^+

rys1

Transport elektronów przez łańcuch oddechowy można przedstawić jako przekazywanie elektronów z jednego składnika na drugi aż w końcowej fazie na Tlen= powstanie H_2O

Synteza ATP

• synteza 1 cząsteczki ATP wymaga transportu 4 protonów z cytoplazmy do wnętrza mitochondrium

• Odpowiedzialna za transport protonów (H^+) jest syntetaza ATP

• W efekcie ADP +Pi → ATP

Są tylko dwie dehydrogenazy które dają elektrony na II kompleks : bursztynianowa i Acetylo-Co-

W brunatnej tkance tłuszczowej istnieją białka termogeniny, które powodują

Tylko długotrwały trening tlenowy prowadzi do produkcji Irisiny (miokiny) → zmienia białą(żółta) tkankę tłuszczową na szarą(brunatna)

syntaza =syntetaza

Adaptacyjną odpowiedzią organizmu na trening jest biogeneza mitochondriów jak i zwiększenie aktywności samych enzymów.

Fosforylacja oksydacyjna

Utlenianie substratów energetycznych (np. oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu, cykl Krebsa, \beta-oksydacja)

Przeniesienie elektronów na NAD^+ lub FAD

Powstawanie NADH lub FADH_2

Utlenianie NADH lub FADH_2 na łańcuchu oddechowym

Przeniesienie elektronów na przenośniki elektronowe w łańcuchu oddechowym, ostatecznie na O_2

Wydzielenie energii służącej do wypompowania jonów H^+ z matrix mitochondrialnego do przestrzeni międzybłonowej

Wytworzenie siły protonomotoryccznej

-gradientu pH i transbłonowego potencjału elektrycznego

Powrót jonów H^+ do matriks mitochondrialnej przez syntazę-ATP → uwolnienie energii

Syntaza ATP

Utlenianie NADH na łańcuch oddechowym → energia → synteza 2,5 ATP

Utlenianie FADH_2 łańcuchu oddechowym → energia → synteza 1,5 ATP

Cykl KREBSA

cykl kwasu cytrynowego

• Centralny szlak metaboliczny w którym zbiegają się drogi procesów utleniania podstawowych substratów pokarmowych: cukrów (glukozy), kwasów tłuszczowych i aminokwasów po deaminacji

• Produktem glikolizy tlenowej i \beta-oksydacji jest acetylo-CoA i staje się substratem cyklu Krebsa

• Cały proces ma miejsce w matriks mitochondrium

C^-^3H_3-C^+^2(=O)~SCoA → C^+^4O_2 + H_2O + NADH, FADH_2

• jest końcowych etapem utleniania węglowodanów, kwasów tłuszczowych i aminokwasów prowadzącym do całkowitego utleniania tych związków do CO_2

• dostarcza elektronów z utlenianych substancji do łańcucha oddechowego, gdzie powstaje drugi produkt kompletnego rozkładu związków organicznych do H_2O

Podsumowanie cyklu KREBSA

• przebieg: acetylo CoA → 2CO_2 (oraz 3NADH i 1 FADH_2) +GTP

• Miejsce: mitochondrium (matriks)

• Zysk energetyczny 1GTP (2GTP na 1 glukozę, bo dwa CoA

• równoważniki redukcyjne: 3 NADH oraz 1 FADH_2 (6NADH oraz 2FADH_2 na 1 glukozę)

utlenienie związków organicznych polega na dehydrogenacji