Biochemia wykład 2

INTEGRACJA METABOLIZMU CZ. I

Utlenianie biologiczne:

Cykl Krebsa

Łańcuch oddechowy

Cykl kwasu cytrynowego:

-wspólny szlak końcowy utleniania węglowodanów, lipidów i białek

- główny proces wytwarzający równoważniki redukujące, które ulegając utlenianiu w procesie fosforylacji oksydacyjnej uwalniają energię do syntezy ATP

- dostarcza prekursorów do biosyntez uczestniczy w glukoneogenezie, transaminacjach, deaminacjach i syntezie kwasów tłuszczowych

- enzymy cyklu są zlokalizowane w macierzy mitochondrialnej

- cykl działa wyłącznie w warunkach tlenowych gdyż wymaga stałego dopływu NAD⁺ i FAD

- szybkość przemian cyklu zależy od zapotrzebowania komórki na ATP

Funkcja cyklu kwasu cytrynowego

- cykl kwasu cytrynowego jest głównym procesem wytwarzającym równoważniki redukujące, które ulegając utlenianiu w procesie fosforylacji oksydacyjnej uwalniają energię do syntezy ATP.

- cykl kwasu cytrynowego dostarcza prekursorów do biosyntez- uczestniczy w glukoneogenezie, transaminacjach, deaminacjach i syntezie kwasów tłuszczowych.

Sumaryczne równanie cyklu Krebsa

acetylo- CoA + 3 NAD⁺ + FAD + GDP + P_i + 2H₂O 2CO₂ + 3NADH + FADH₂ + GTP + 2H⁺ + CoA

Fosforylacja oksydacyjna:

• NADH 3ATP (2,5)

• FADH 2 2ATP (1,5)

Przy każdym obrocie cyklu powstaje 12 cząsteczek ATP. Utlenianie jednej cząsteczki glukozy daje 2x 12 cząsteczek ATP.

Cykl kwasu cytrynowego i witamina

- ryboflawina w formie FAD- kofaktor w kompleksie e: dehydrogenazy bursztynianowej

- niacyna w formie NAD- kofaktor dla trzech dehydrogenaz cyklu: izocytrynianowej, α- ketoglutaranowej i jabłczanowej

- tiamina wit. B₁ jako DPT- koenzym e: dehydrogenazy α- ketoglutaranowej

- kwas pantotenowy- część koenzymu A, kofaktor związany z aktywnymi resztami kwasów karbksylowych: acetylo- CoA i bursztynylo- CoA.

Szlaki biosyntez

Intermediaty cyklu kwasu cytrynowego dostarczają prekursorów do wielu szlaków biosyntez. Przykładem są:

- synteza kwasów tłuszczowych z cytrynianu

- synteza aminokwaśów następująca po transaminacji alfa- ketoglutaranu

- synteza nukleotydów purynowych i piryminowych z alfa- ketoglutaranu i szczawiooctanu

- szczawiooctan może być przekształcany w glukozę w procesie glukoneogenezy.

- bursztynylo- CoA jest najważniejszym intermediatem w syntezie pierścienia porfirynowego grup hemowych.

Inne mitochondrialne i pozamitochonrialne układy enzymatyczne współdziałające z cyklem Krebsa

1. Dehydrogenaza pirogronianowa- jest hamowana przez NADH i acetylo- CoA (hamowanie produktem). Jednak u eukariotów enzym ten również podlega kontroli opartej na fosforylacji/ defosforylacji prowadzonej przez kinazę dehydrogenazy pirogronianowej i fosfatazę.

2. karboksylaza pirogronianiowa- przekształca pirogronian do szczawiooctanu w drodze karboksylacji. Enzym ten zlokalizowany jest w matriks mitochondrialnej i w reakcji używa biotyny jako aktywnego nośnika CO2.

3. karboksylaza fosfoenolopirogronianowa- katalizuje reakcje przemiany szczawiooctanu do fosfoenolopirogronianu (PEP) poprzez równoczesną dekarboksylację i fosforylację.

Łańcuch oddechowy i fosforylacja oksydacyjna

Proces syntezy ATP zachodzący w wyniku przeniesienia elektronów z NADH lub FAD₂ na O₂ przez szereg nośników elektronów= fosforylacja oksydacyjna.

Organizacja łańcucha transportu elektronów

1. Kompleks I (reduktaza NADH- koenzym Q lub dehydrogenaza NADH)

• miejsce wejścia do łańcucha oddechowego elektronów z NADH

• elektrony z NADH są przenoszone na FMN a następnie na centrum żelazo- siarkowe i koenzym Q

• inhibitory: rotenon (środek owadobójczy)

barbiturany (amobarbital, sekobarbital)

pierycydyna A (antybiotyk)

2. Kompleks II (reduktaza bursztynian- koenzym Q, zawiera dehydrogenazę bursztynianową)

• miejsce wprowadzenia do łańcucha oddechowego elektronów z bursztynianiu

• akceptor elektronów- koenzym Q (ubichinon)

• inhibitory: karboksyna

malonian (hamuje kompetycyjnie dehydorgenazę bursztynianową)

3. Kompleks III (reduktaza koenzym Q- cytochrom c)

• elektrony z koenzymu Q są przenoszone na cytochromy b, potem na centra Fe-S, następnie na cytochrom c₁ i stąd na cytochrom c

• akceptor elektronów- cytochrom c

• inhibitor: antymycyna A (antybiotyk)

Cytochrom c

• pośredniczy w transporcie elektronów pomiędzy kompleksami III i IV

• białko rozpuszczalne

• wiąże się z błoną, aby brać udział w przenoszeniu elektronów

4. Kompleks IV (oksydaza cytochromowa)

• elektrony z cytochromu c przenoszone są na kation miedzi (Cu 2+), potem na cytochrom typu a, a następnie na tlen

• akceptor elektronów- tlen cząsteczkowy (O2), produkt- woda (H2O)

• inhibitory: tlenek węgla (CO)- inhibitor kompetycyjny oksydazy cytochromowej

siarkowodór (H2S)

azydek

cyjanek

5. Kompleks V (synteza ATP)- odpowiada za syntezę ATP

• kompleks enzymów, składający się z dwóch jednostek (F₀- 4 podjednostki i F₁- 5 podjednostek

• F₀ tworzy kanał, przez który elektrony przechodzą przez błonę mitochondrialną

• F₁ znajduje się po matriksowej stronie błony mitochondrialnej. Zawiera miejsce katalityczne symnteza ATP

• inhibitor: oligomycyna (antybiotyk)

Transport elektronów z FADH₂

FADH₂ zostaje utleniony do FAD, gdy oddaje dwa elektrony do reduktazy bursztynian- CoQ (kompleks II), kompleksu białkowego zawierającego centra Fe-S. Komplesk ten przenosi elektrony na ubichinon znajdujący się w głównym łańcuchu transportu elektronów, gdzie ich dalszy transport prowadzi do tworzenia gradientu H⁺ i syntezy ATP. Natomiast sama reduktaza bursztynian- CoQ nie pompuje jonów H⁺.

INTEGRACJA METABOLIZMU CZ. I

Czynniki warunkujące utrzymanie homeostazy ustrojowej

Metabolizm to procesy transformacji materii i energii, składające się z sekwencji reakcji enzymatycznych (szlak metaboliczny), gdzie produkt jednej reakcji jest substratem kolejnej reakcji w sekwencji.

Sprawne funkcjonowanie całego organizmu wymaga ścisłej kontroli zawiłej sieci różnych procesów/ szlaków metabolicznych.

Procesy metaboliczne dzielą się na dwie główne grupy:

• katabolizm (procesy degradujące)- ma charakter „zbieżny”, tzn. iż wiele substratów przekształca się w nieliczne, wspólne produkty końcowe (mocznik, CO₂, H₂O)

• anabolizm (procesy sentytezujące)- ma charakter „rozbieżny”, tzn. te same proste prekursory tworzą różne produkty złożone.

Celem procesów katabolicznych jest uwolnienie energii z substratów energetycznych i zmagazynowanie jej w postaci ATP oraz przekształcenie składników pokarmowych lub elementów tkanek w postać użyteczną do syntezy innych związków złożonych.

Procesami katabolicznymi są:

• proteoliza (uwalnianie AA z białek)

• hydroliza kwasów nukleinowych wraz z deaminacją i utenianiem zasad purynowych i pirymidynowych

• lipoliza (rozkład acylogliceroli do glicerolu i WKT)

• glikogenoliza

• β- oksydacja KT

• glikoliza

• oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu do acetylo- CoA

• cykl Krebsa (cykl kwasów trikarboksylowych)

Procesy anaboliczne obejmują szlaki biosyntezy, w których proste związki chemiczne są zamieniane w złożone makromolekuły i na ogół nie są prostym odwróceniem szlaków katabolicznych. Procesy te wymagają energii.

Procesami anabolicznymi są:

• biosynteza aminokwasów, białek i kwasów nukleinowych

• glukoneogeneza

• glikogenogeneza

• lipogeneza i biosynteza tłuszczów prostych i złożonych

• ketogeneza

• biosynteza cholesterolu i jego pochodnych biologicznie czynnych

Związki zawierające reszty fosforanowe (formy przechowywania wysokoenergetycznych fosforanów)

• Fosfoenolopirogronian (PEP)

• Karbamoilofosforan

• Fosfokreatyna

• Adenozynotrifosforan (ATP)

• Glukozo- 6- fosforan

• Glukozo- 1- fosforan

LOKALIZACJA SZLAKÓW METABOLICZNYCH

Cytozol: glikoliza, szlak pentozofosforanowy, synteza kwasów tłuszczowych

Mitochondrium: Cykl Krebsa, fosforylacja oksydacyjna, β- oksydacja kwasów tłuszczowych, synteza ciał ketonowych.

Regulacja hormonalna poziomu cukru we krwi

Insulina- obniża poziom cukru we krwi, produkowana jest przez komórki beta trzustki wysp Langerhansa.

• umożliwia przechodzenie glukozy przez błonę komórkową i nasila jej wewnątrzkomórkowe przemiany

• pobudza pobieranie glukozy przez tkankę tłuszczową i mięśnie, nie wpływa na transport glukozy przez błonę hepatocytu jednak pośrednio wywiera wpływ na pobieranie glukozy przez wątrobę, indukując syntezę glukokinazy (enzym fosforylujący glukozę do glukozo- 6- fosforanu powoduje obniżenie stężenia glukozy w hepatocytach)

• wpływa na kaskadę kinaz białkowych stymulując syntezę glikogenu zarówno w mięśniach szkieletowych jak i w wątrobie

• przyspiesza w wątrobie glikolizę, co z kolei prowadzi do zwiększenia stężenia kwasów tłuszczowych

• insulina działa tylko na komórki mające receptory insulinowe

Poziom glukozy we krwi regulowany jest przez hormony (glukagon, adrenalina, noradrenalina, glikokrtykoidy, ACTH).

Glukagon- produkowany jest przez komórki alfa wysp Langerhansa trzustki:

• stymuluje glikogenolizę w wątrobie, uruchamiając za pośrednictwem cAMP kaskadę reakcji prowadzących do aktywacji fosforylazy glikogenowej

• wzmaga glukoneogenezę z aminokwasów i mleczanu

• hamuje glikolizę przez zmniejszenie poziomu fruktozo- 2,6- bisfosforanu

Adrenalina i noradrenalina (rdzeń nadnerczy)- działają podobnie jak glukagon.

• zmniejsza wychwyt glukozy przez mięsnie i tkankę tłuszczową

• działa silnie lipolitycznie i ketogennie

• powoduje natychmiastową, aczkolwiek krótkotrwałą mobilizację substratów energetycznych: zwiększa zaopatrzenie mózgu w glukozę, mięśni szkieletowych i mięśnia sercowego w kwasy tłuszczowe, wątroby w kwasy tłuszczowe i aminokwasy, a wszystkich tkanek obwodowych w związki ketonowe.

Glukagon. Stymulacja wydzielania: niski poziom glukozy, aminokwasy, adrenalina, noradenalina (stres).

Inhibicja wydzielania: wysoki poziom glukozy, insulina.

Efekty metaboliczne w wątrobie: wzrost glukoneogenezy i glikogenolizy:

• rezultat: wzrost stężenia glukozy we krwi, wzrost oksydacji kwasów tłuszczowych w wątrobie i tworzenia ciał ketonowych, w adipocytach efekt lipolityczny minimalny wzrost pobierania AA przez wątrobę.

Podstawowym warunkiem homeostazy ustrojowej jest utrzymanie stałego stężenia glukozy we krwi (4,5 do 5,5 mmol/l na czczo)

Po spożyciu posiłku dochodzi do zwiększenia glukozy we krwi, może wzrosnąć do 6,5-7,2mmol/l (w zależności od liczby, rodzaju i obfitości posiłków).

W czasie głodzenia stężenie glukozy zmniejsza się do około 3,3-3,9mmol/l.

Głównym źródłem glukozy dla ustroju jest pożywienie, a większość węglowodanów po strawieniu pokarmów do fruktozy, glukozy i galaktozy.

W warunkach prawidłowych ogólnoustrojowej gospodarce zasobami energii rozróżnić można okres trawienny (resorpcyjny) i okres potrawienny (poresorpcyjny).

Okres trawienny występuje bezpośrednio po spożyciu posiłku i charakteryzuje się wchłanianiem produktów trawienia spożytych pokarmów z przewodu pokarmowego, zanika całkowicie po około 8 godzinach. Dominują procesy przetwarzania i magazynowania węglowodanów i lipidów.

Okres potrawienny- objemuje czas od kilku do kilkunastu godzin (8-20h) po zakończeniu wchłaniania jelitowego- tzw. stan na czczo. W tym czasie dochodzi do uwalniania glukozy ze zmobilizowanych zapasów (glikogen). Przedłużający się okres poresorpcyjny powoduje przejście organizmu w stan głodu.

Źródła energii

1/ Główne:

- glukoza (4kcal/g)

- aminokwasy (4kcal/g)

- ciała ketonowe (4kcal/g)

- kwasy tłuszczowe (9kcal/g)

2/ Magazynowane

- węglowodany: glikogen wątroby i mięśni szkieletowych

- tłuszcze: triacyloglicerole (TAG) przede wszystkim tkanki tłuszczowej

- białka: aminokwasy jako substrat syntezy glukozy oraz ciał ketonowych

REGULACJA SZLAKÓW METABOLICZNYCH

Sposoby kontroli metabolizmu

1. niehormonalna regulacja szlaków metabolizmu

- regulacja allosteryczna: aktywność kluczowych enzymów jest modulowana za pomocą aktywatorów i inhibitorów, np. synteza kwasów tłuszczowych, aktywator cytrynian, inhibitor palmitoilo- CoA

- modyfikacja kowalencyjna: kontrola w skutek kaskady reakcji prowadzących do fosforylacji lub de fosforylacji białka enzymatycznego, np. aktywność fosforylazy glikogenowej jest stymulowana przez fosforylację, natomiast aktywność syntezy glikogenowej maleje w skutek fosforylacji

- dostępność substratu i stężenie enzymu: np. cykl mocznikowy i szlak pentozo fosforanowy

- kontrola oddechowa: zapewnia dopasowanie przekształcenia metabolitu przez dany szlak do zapotrzebowania komórki na ATP, np. cykl Krebsa, fosforylacja oksydacyjna, synteza kwasów tłuszczowych.

2. Hormonalna regulacja szlaków metabolizmu

Kluczową rolę w integracji metabolizmu odgrywają hormony, mające duży wpływ na magazynowanie związków energetycznych i ich mobilizację oraz na procesy metaboliczne z tym związane, Hormony wywierają także bezpośredni wpływ na przepływ metabolitów przez niektóre szlaki, np. insulina, glukagon, aminy aktecholowe, glukokortykosteroidy i inne.

LOSY KLUCZOWYCH METABOLITÓW

Glukozo- 6- fosforan może być przekształcony w:

- glukozę

- glukozo- 1-1 fosforan i użyty do syntezy glikogenu

- pirogronian w procesie glikolizy

- rybozo- 5- fosforan, substrat w reakcjach syntezy nukleotydów, po przejściu przez szlak pentozofosforanowy.

Pirogronian może być przekształcony w:

- szczawiooctan i metabolizowany w cyklu kwasy cytrynowego

- acetylo- CoA przez dehydrogenazę pirogronianową (oksydacyjna dekarboksylacja)

- alaninę w procesie transaminacji

- mleczan w tkance mięśniowej oraz krwinkach czerwonych przez dehydrogenazę mleczanową.

Acetylo-CoA może zostać:

- utleniony do dwutlenku węgla (CO₂) w cyklu kwasu cytrynowego

- zużyty w syntezie kwasów tłuszczowych

- przekształcony w 3 -hydroksy- 3- metyloglutarylo CoA (HMG-CoA), który jest prekursorem: cholesterolu, ciał ketonowych.

METABOLICZNY PROFIL WAŻNIEJSZYCH NARZĄDÓW I TKANEK

Nie wszystkie procesy metaboliczne zachodzą we wszystkich komórkach i tkankach. Pewne tkanki specjalizują się w przeprowadzaniu określonych reakcji dlatego importują, eksportują i magazynują różne związki. Metaboliczny profil tkanek zależy w dużym stopniu od kondycji ustroju.

Istotnymi w procesach transformacji materii i energii są:

- wątroba,

- mięśnie szkieletowe,

- tkanka tłuszczowa

- mięsień sercowy

- mózg

Wątroba

- kluczowa rola w metabolizmie i regulacji osoczowych stężeń glukozy oraz innych związków, będących źródłem energii

- dostarcza substraty energetyczne do mózgu, mięśni i innych organów peryferyjnych

- większość związków absorbowanych przez przewód pokarmowy przechodzi przez wątrobę, co umożliwia jej regulowanie stężenia wielu metabolitów we krwi

- odpowiedzialna za utrzymanie poziomu glukozy we krwi w stanie sytości, na czczo i w stanie głowu

- odgrywa centralną rolę w metabolizmie tłuszczowców

- syntetyzuje ciała ketonowe (istotne w stanie głodu)

- syntetyzuje osoczowe lipoproteiny

Mięśnie szkieletowe

- najwyższy odbiorca źródeł energii oraz tlenu z powodu swojej dużej masy w porównaniu z innymi tkankami

- zatrzymują glukozę (nie zawierają glukozo- 6- fosfatazy), gdyż jest ona preferowanym substratem energetycznym, niezbędnym do wyzwolenia znacznej energii (aktywności) w krótkim czasie

- utrzymują duży zapas glikogenu, będącego źródłem energodajnej glukozy podczas wysiłku

- w stanie spoczynku preferowanym przez mięśnie źródłem energii są kwasy tłuszczowe

- białka mięśniowe (aminokwasy) mogą być użyte jako źródło energii

- pirogronian może ulec przemianie w mleczan lub alaninę i w tej postaci wyeksportowany do wątroby stanowiąc substrat dla glukomeogenezy (cykl Cori i cykl glukozo- alaninowy)

Tkanka tłuszczowa

- gromadzi źródło energii w postaci triacylogliceroli, które są niezwykle bogatym metabolicznym substratem energetycznym

- estryfikuje kwasy tłuszczowe i je uwalnia z TAG triacylogliceroli (lipoza hormonozależna)

- w stanie sytości syntezuje TAG z glukozy ii kwasów tłuszczowych zsyntezowanych w wątrobie i eksportuje je w postaci VLDL

- w stanie na czczo TAG są rozkładane do glicerolu i kwasów tluszczowych, eksportowanych do wątroby oraz innych tkanek

Mięsień sercowy

- w odróżnieniu od mięsni szkieletowych jest tkanką pracującą wyłącznie w warunkach tlenowych i obciążenie pracą zmienia się znacznie w mniejszym zakresie niż obciążenie pracą mięśnia szkieletowego

- nie gromadzi zapasów związków energetycznych, dlatego musi być w nie bezustannie zaopatrywany podobnie jak erytrocyty (tzw. tkanki „obowiązkowo glikolityczne”)

- dla mięśnia sercowego substratem energetycznym mogą być glukoza, kwasy tłuszczowe i ciała ketonowe (chętniej wykorzystuje acetooctan niż glukozę).

Mózg

- wyłącznym substratem energetycznym jest glukoza, z wyjątkiem okresu długotrwałego głodowania, kiedy to tkanka mózgowa adaptuje się do metabolizowania ciał ketonowych

- mózg nie ma zapasów związków energetycznych i dlatego potrzebuje stały dopływ glukozy, która swobodnie wnika do tkanki mózgowej w każdym czasie

- kwasy tłuszczowe nie mogą być wykorzystane jako substrat energetyczny, ponieważ wiążą się w osoczu z albuminami i dlatego nie mogą przenikać przez barierę krew- mózg.

- zamiana glukozy jako substratu energetycznego na ciała ketonowe ma ważny wpływ na minimalizację rozkładu białek podczas przedłużonego głodowania.