23
Uvod u metabolizam - procesi izgradnje i razgradnje u živoj stanici Izv. prof. dr. sc. Lidija Šver Metabolizam Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u stanici ili organizmu Pretvorba (transformacija) tvari i energije Važe zakoni termodinamike Organizacija u metaboličke puteve Metabolički put – više koraka započinje specifičnom molekulom(ama) (reaktantima) – završava produktom(ima) Svaki korak katalizira specifični enzim Enzim 1 Enzim 2 Enzim 3 A B C D Reakcija 1 Reakcija 2 Reakcija 3 Početna molekula - reaktant Produkt Metabolički putevi Katabolički putevi razgradnja složenih molekula u jednostavnije oslobađanje energije Anabolički putevi izgradnja složenih molekula od jednostavnijih potrošnja energije

Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

  • Upload
    others

  • View
    8

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Uvod u metabolizam -procesi izgradnje i razgradnje u živoj stanici

Izv. prof. dr. sc. Lidija Šver

Metabolizam

� Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u stanici ili organizmu

� Pretvorba (transformacija) tvari i energije

� Važe zakoni termodinamike

Organizacija u metaboličke puteve

� Metabolički put – više koraka�započinje specifičnom molekulom(ama)

(reaktantima) – završava produktom(ima)�Svaki korak katalizira specifični enzim

Enzim 1 Enzim 2 Enzim 3

A B C D

Reakcija 1 Reakcija 2 Reakcija 3

Početna molekula- reaktant

Produkt

Metabolički putevi

� Katabolički putevi�razgradnja složenih molekula u jednostavnije�oslobađanje energije

� Anabolički putevi� izgradnja složenih molekula od jednostavnijih�potrošnja energije

Page 2: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Metabolička karta Energija� Živa bića ne mogu egzistirati bez stalnog ulaganja

energije� Izvor te energije je Sunce

� Energija - sposobnost da se uzrokuje promjena ili vrši rad� Energija se ne može stvoriti ni uništiti, već samo

transformirati iz jednog oblika u drugi� Energija postoji u dva oblika, kinetička i potencijalna

energija

Termodinamika� Kinetička energija je energija gibanja.� Potencijalna energija je pričuvna energija koja postoji u fotonima

svjetlosti ili u molekulama, primjerice, ugljikohidratima.� Složene molekule kao ugljikohidrati imaju više potencijalne energije od

jednostavnih molekula, primjerice CO2.� Mogu se pretvarati jedna u drugu.

Skakač na dasci ima veću potencijalnu energiju.

Uranjanje pretvara potencijalnu energiju u kinetičku.

Penjanje pretvara energiju mišićnog gibanja u potencijalnu energiju.

U vodi, skakač ima manju potencijalnu energiju.

Prvi zakon termodinamike� Energija se može prenijeti i transformirati,

ali se ne može stvarati ni uništiti� Kemijska (potencijalna, pohranjena) energija u

hrani može se pretvoriti u kinetičku energiju (gibanje).

Kemijska energija

Page 3: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Drugi zakon termodinamike� Svaki prijenos (transfer) ili promjena (transformacija) energije

povećava entropiju (nered) svemira� Primjerice, gepardova okolina je poremećena oslobađanjem topline i malih

molekula koje su nusprodukti metabolizma

� Entropija (S) je termodinamička funkcija koja govori o iskoristivosti toplinske energije. Ako je sustav izoliran, njegova se entropija neće mijenjati kada se odvija reverzibilnog proces, dok će rasti ako se odvija ireverzibilan (nepovratan) proces. Najveću entropiju imaju plinovi, a najmanju kristali. Prema tome, entropija se može smatrati mjerom za nered u nekom sustavu. Pri apsolutnoj nuli u savršenom kristalu entropija je jednaka nuli.

Toplina CO2

H2O+

Red i nered u biološkom sustavu� Živi sustavi mogu smanjiti entropiju,

ali...�povećavaju entropiju svemira�troše energiju da bi održali red

50µm

Otvoreni i zatvoreni sustav� Sustav = dio svemira koji upravo promatramo� Zatvoreni – ne razmjenjuje s okolinom ni tvari ni energiju� Otvoreni – prijenos tvari i energije između sustava i okoline

Otvoreni sustav Zatvoreni sustav

Okolina

Okolina

Slobodna (Gibbsova) energija

� Slobodna energija reakcijske promjene govori da li se reakcija odvija spontano� Spontane reakcije mogu se odvijati bez ulaganja energije

(biološka definicija)� Slobodna energija je energija koja može izvršiti rad

� R- plinska konstanta (1,987 cal/mol stupanj)� T – apsolutna temperatura u °K (K = °C + 273)� ln – prirodni logaritam� K – konstanta ravnoteže pri temperaturi T

� Promjena slobodne energije sustava u toku reakcije tj. energija koja se oslobađa u standardnim uvjetima

∆G = -R×T × lnK

Page 4: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Promjena slobodne energije sustava, ∆G� izravno je povezana s promjenom entalpije (∆H) i

promjenom entropije (∆S)∆G = ∆H - T∆S

�� EntalpijaEntalpija (∆H) je ukupna energija sustava, tj. promjena unutrašnje energije sustava promjena unutrašnje energije sustava (promjena sadržaja topline)

� ∆S =promjena entropije sustava (mjerilo molekulskog nereda; mjera neuređenosti sustava)

� T = temperatura (u stupnjevima Kelvina; K = °C + 273)

� Entalpija� unutrašnja

energija sustava� ako je entalpija

reaktanata veća od entalpije produkata, kemijska reakcija je egzotermna, a doći će do smanjenja entalpije (promjena entalpije je negativna)

Reaktanti

Reaktanti

Produkti

Produkti

b) Endotermalna reakcija• povećanje entalpije•toplina se apsorbira

•njima pogoduje povišenje temperature

Enta

lpija

(H)

ΔH

= H

prod

ukat

a–

Hre

akta

nata

je n

egat

ivna

ΔH

= H

prod

ukat

a–

Hre

akta

nata

je p

ozti

vna

a) Egzotermalna reakcija• smanjenje entalpije

•oslobađa se toplina•njima pogoduje sniženje temperature

Egzergona (egzotermna) reakcija•količina oslobođene energije (∆G<0)pri konstantnom tlaku i temperaturi

•spontana reakcija•sagorijevanje metana

Endergona (endotermna) reakcija•količina oslobođene energije (∆G>0) pri

konstantnom tlaku i temperaturi•nespontana reakcija

•sinteza metana•kemijska reakcija koja apsorbira energiju (uložen rad) iz okoline –

fotosinteza

Reaktanti

ProduktiEnergija

Tijek reakcijeSlo

bodn

a en

ergi

ja

Energija

Produkti

Količina oslobođene

energije (∆G>0)

Reaktanti

Tijek reakcijeSlo

bodn

a en

ergi

ja

Količina oslobođene

energije (∆G<0)

Slobodna energija, stabilnost i ravnoteža

� Organizmi žive na račun slobodne energije

� Tijekom spontane promjene�slobodna energija se smanjuje, a povećava

stabilnost sustava

Page 5: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Ravnoteža� sustav je maksimalno stabilan kada je u ravnoteži

Kemijske reakcije.U stanici, molekule šećera se razgrađuju u jednostavnije molekule.

.

Difuzija.Molekule boje iz kapljice difundiraju dok nisu nasumično raspršene.

Gravitacijsko gibanje. Objekt se kreće spontano s veće visine prema manjoj.

• više slobodne energije (viši G)• manja stabilnost• veća sposobnost vršenja rada

• manja slobodna energija (manji G)• veća stabilnost• manja sposobnost vršenja rada

U spontanoj promjeni:• smanjuje se slobodna

energija sustava (∆G<0) • sustav postaje stabilniji

• oslobođena slobodna energija može biti iskorištena za

vršenje rada

Ravnoteža i metabolizam

� reakcije u zatvorenom sustavu�eventualno postižu ravnotežu

Zatvoreni sustav: hidroturbina. Voda teče nizvodno i okreće turbinu koja pokreće generator pri čemu nastaje električna struja (gori žarulja). Sustav funkcionira do postizanja ravnoteže.

∆G < 0 ∆G = 0

Otvoreni sustav� Nikad se ne postiže ravnoteža� Naše stanice imaju stalan unos energije

Otvoreni sustav: hidroturbina. Tekuća voda neprekidno pokreće generator jer kontinuirano pritjecanje i istjecanje vode onemugućava postizanje ravnoteže u sustavu.

∆G < 0

Metabolički putevi� ... pa i stanično disanje� analogija otvorenog sustava

Otvoreni sustav u više koraka; slijed hidroturbina. Stanično disanje je analogno prikazanom povezanom sustavu; glukoza se razgrađuje u nizu egzergonih reakcija koje daju energiju za vršenje rada u stanici. Produkt svake reakcije postaje reaktant za sljedeću, tako da nijedna reakcija ne dostiže ravnotežu.

∆G < 0∆G < 0

∆G < 0

Page 6: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Adenozin trifosfat (ATP)� Daje energiju za obavljanje staničnog

rada tako što povezuje egzergone i endergone reakcije

O O O O CH2

H

OH OHH

N

H H

ON C

HC

N CC

N

NH2Adenin

RibozaFosfatne skupine

O

O O

O

O

O

-

- - -

CHP P P

Hidroliza ATP-a� Energija se oslobađa kada se prekine veza s krajnjom

(terminalnom) fosfatnom skupinom� Hidrolizu katalizira enzim ATP-aza

P

Adenozin trifosfat (ATP)

H2O

+ Energija

Anorganski fosfat Adenozin difosfat (ADP)

PP

P PP i

ATP hidroliza� Može biti spona između reakcija - povezane

reakcijeEndergona reakcija: ∆G je pozitivan, reakcija nije spontana

∆G = +3,4 kcal/molGlu Glu

∆G = - 7,3 kcal/molATP H2O+

+ NH3

ADP +

NH2

Glutaminskakiselina

Amonijak Glutamin

Egzergona reakcija: ∆ G je negativan, reakcija je spontana

P

Povezane reakcije: Sveukupni ∆G jenegativan; ukupnareakcija je spontana

∆G = –3,9 kcal/mol

Kako ATP vrši rad

� ATP daje energiju za endergone reakcije�Fosforilacijom, prijenosom fosfatne skupine

na drugu molekulu�Fosforilirana molekula je reaktivnija

(nestabilnija) i može promijeniti svoj oblik

Page 7: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Rad� tri oblika

staničnog rada� Mehanički� Transportni� Kemijski

� energija dobivena hidrolizom ATP-a

Kemijski rad: ATP fosforilira reaktante

P

Membranski protein

Motorički protein

P i

Kretanje proteinaMehanički rad: ATP fosforilira motoričke proteine

ATP

Transportni rad: ATP fosforilira transportne proteineOtopljena tvar

P P iPrenesena otopljena tvar

Glu GluNH3

NH2P i

P i

+ +

Reaktanti: glutaminska kiselina i amonijak

Nastanak produkta(glutamin)

ADP+

P

Energija aktivacije

� Energija aktivacije, EA�Početna količina energije potrebna za

početak kemijske reakcije� Prisutna u svakoj kemijskoj reakciji

�kako prilikom pucanja tako i pri stvaranju veze

� Toplina također može osigurati EA u stanici ili u otopini

Energija aktivacije� Prikaz energije u egzergonoj reakciji

Slo

bodn

a en

ergi

ja

Tijek reakcije

∆G < O

EAA B

C D

Reaktanti

A

C D

B

Prijelazno stanje

A B

C D

Produkti

Iako egzergone reakcije oslobađaju energiju, potrebna je inicijalnaenergija da bi se one počele odvijati. Ta energija se nazivaAKTIVACIJSKA energija. Kataliza reakcije omogućuje smanjivanjeaktivacijske energije. U biološkim sustavima kataliza se provodi uz pomoćproteina katalizatora – ENZIMA. Katalizatori (enzimi) osiguravaju mjestogdje će se dva reaktanta povezati i reagirati, ali se sami pri tome nemijenjaju i nakon završetka reakcije mogu se ponovo upotrijebiti.

Povezane reakcije

Tijek reakcijeEnzim nije prisutan

Tijek reakcijeEnzim prisutan

Energija reaktanta

Energija reaktanta

Energija produkta

Energija produkta

Energija aktivacije Energija

aktivacijeS

lobo

dna

ener

gija

Slo

bodn

a en

ergi

ja

Page 8: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Enzimi� Ubrzavaju metaboličke reakcije

snizujući energiju aktiviranja� Ne treba veća količina topline koja bi

bila pogubna za stanicu� Enzim je protein katalizator

�Katalizator je kemijska tvar koja ubrzava reakciju iako ona nije reaktant

� Ribozim, RNA molekula koja djeluje kao katalizator

Energija aktiviranja i enzimi� hidroliza stolnog šećera

�Moguća i bez enzima, ali dugotrajan proces�Saharaza (-aza) je enzim koji omogućava i

ubrzava reakciju

H2O

H

H

H

HHO

OH

OH

OH

O

O OO OHH H H

H

H

H

CH2OH CH2OH

OHCH2OH

Saharaza

HOHO

OH OHCH2OH

H

CH2OHH

CH2OH

H

O

Sazaroza Glukoza Fruktoza

C12H22O11 C6H12O6 C6H12O6

+HOH H

Enzimi – ubrzivači reakcije�Kataliziraju reakciju snizujući EA

Tijek reakcije

Produkti

Tijek reakcijebez enzima

Reaktanti

Tijek reakcije s enzimom

EA bezenzima EA s

enzimomje niža

∆G je nepromjenjen bez obzira na prisutnost enzimaS

lobo

dna

ener

gija

Specifičnost enzima prema supstratu

� supstrat�reaktant na koji djeluje enzim

� enzim�veže se na supstrat stvarajući kompleks

enzim-supstrat

Page 9: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Aktivno mjesto (centar)� područje na enzimu gdje se veže supstrat� nekoliko aminokiselina, ostale “učvršćuju” konstrukciju veznog

mjesta� Kompleks enzim-supstrat

� dovodi kemijske grupe aktivnog mjesta u poziciju koji pojačava njihovu sposobnost da kataliziraju kemijsku reakciju

Supstat

Aktivno mjesto

EnzimKompleks enzim- supstrat

Uloga enzima

� Aktivno mjesto može sniziti EA tako da:� ispravno orijentira supstrate�napregne veze u supstratu�osigura povoljniju mikrookolinu�kovalentno se poveže sa supstratom

Ciklus katalizacije enzima

Supstrati

Produkti

Enzim

Kompleksenzim-supstrat

1 Supstrati se vežu na aktivno mjesto; enzim mijenja oblik tako da aktivno mjesto okruži supstrat (potaknuta prilagodba).

2 Supstrati se drže za aktivno mjesto slabim vezama (vodikove i ionske veze).

3 Aktivno mjesto (postrani lanci ; R njegovih aminokiselina) mogu smanjiti EA i ubrzati reakciju tako da:• djeluju kao kalup za ispravnu orijentaciju supstrata,• napregnu veze u supstratu i stabiliziraju prijelazno stanje,• osiguraju povoljniju mikrookolinu,• izravno učestvuju u katalizacijskoj reakciji.

4 Supstrati se pretvore u produkte.

5 Produkti se otpuštaju.

6 Aktivno mjesto je dostupno za dvije nove molekule supstrata.

Kofaktori i koenzimi� Kofaktori

� neproteinski pomagači enzima (primjerice Fe, Zn, Mg)� Koenzimi

� Organski kofaktori (primjerice vitamini)

EtOH

Niacin (B3)

Enzim alkohol dehidrogenaza

Page 10: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Pro.

dr.

sc.

Li

dija

Šve

rTermodinamika

Život na Zemlji se zasniva na pretvorbi potencijalne energije fotona (svjetlosna energija) u kemijsku potencijalnu energiju pohranjenu u molekulama ugljikohidrata. Taj se proces naziva FOTOSINTEZA. Organizmi prerađuju energiju ugljikohidrata u ATP u procesu STANIČNOG DISANJA. Energija ATP-a može se pretvoriti u kinetičku energiju kojom se odvijaju razne stanične aktivnosti.

Kloroplast Mitohondrij

Ugljikohidrati(velika kemijska energija)

Sunčeva energija

Energija upotrebljiva za stanice

Energetske organele eukariota

Kloroplasti koriste sunčevu energiju da bi proizveli ugljikohidrate i druge velike molekule.Mitohondriji razgrađuju te molekule ugljikohidrata da bi proizveli energiju koja je iskoristiva za stanicu.

I mitohondriji i kloroplasti imaju unutrašnju i vanjsku membranu, vlastitu DNA i podijele se prije diobe same stanice. Mitohondriji, nađeni u svim stanicama eukariota, mjesta su staničnog aerobnog disanja. Kloroplasti su mjesta fotosinteze u biljaka i algi.

Eukariotske stanice imaju puno kompleksniju strukturu od njihovih prokariotskih predaka. Teorija endosimbiozeobjašnjava podrijetlo mitohondrija i kloroplasta.

Page 11: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Prokarioti

Fotosintetske bakterije (cijanobakterije) imaju pigmente kojima apsorbiraju svjetlost na spljoštenim naborima membrane nazvanim tilakoidi.Stanično disanje odvija se u citoplazmi na naborima membrane.

stanična stijenka

citoplazma

tilakoidtilakoid

DNA (nukleoid)stanična

membrana

ribosomikapsula

citoplazmabakterijski bič

DNA (nukleoid)kapsula

stanična stijenka ribosomi

stanična membrana

tilakoidi unutar stanice modrozelene alge (cijanobakterija)

Stanično disanje: Stanično disanje: sakupljanje kemijske sakupljanje kemijske

energijeenergije

Katabolički putevi� Razgradnja složenih molekula da bi se oslobodila

energija� Šećeri (ugljikohidrati)

� Vrenje (fermentacija); djelomična razgradnja; bez prisustva kisika

� Stanično disanje (respiracija); potpuna razgradnja, korišten kisik

Katabolički putevi

� Proizvodnja energije oksidacijom “organskog goriva”

� Razgradnja organskih molekula je egzergona reakcija

� Energija nastaje prijenosom elektrona tijekom kemijskih reakcija�Oslobođena energija se koristi za sintezu

ATP-a�Nastali ATP koristi se za stanični rad

Page 12: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Redoks reakcije� Redoks reakcije

� Prijenos elektrona s jednog reaktanta na drugi reakcijama oksidacije i redukcije

� U oksidaciji� tvar gubi (otpušta) elektrone tj. oksidira se (oksidirana tvar, donor

elektrona, reducirajuća tvar)� U redukciji

� tvar dobija elektrone tj. reducira se (reducirana tvar, akceptor elektrona, oksidirajuća tvar)

Redoks reakcije� Neke redoks reakcije

�u potpunosti ne izmjene elektrone već mijenjaju stupanj dijeljenja elektrona u kovalentnim vezama

CH4

H

H

HH

C O O O O OC

H H

Metan (reducirajuća

tvar)

Kisik(oksidirajuća

tvar)

Ugljični dioksid Voda

+ 2O2 CO2 + Energija + 2 H2O

postaje oksidiran

Postaje reduciran

Reaktanti Produkti

Oksidacija “organskog goriva” (org. molekula) u staničnom disanju

� U staničnom disanju �Glukoza se oksidira, a kisik se reducira

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + Energija

Postaje oksidirana

Postaje reduciran

Sakupljanje energije “korak po korak” putem NAD+ i lanca prenositelja elektrona

� Stanično disanje�oksidacija glukoze u nizu koraka

Page 13: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

TermodinamikaTijekom fotosinteze i staničnog disanja koristi se lanac prenositelja elektrona da bi se proizvela energija koja se pohranjuje u ATP-u. U lancu prenositelja, elektroni se prenose od jedne molekule do druge pri čemu oslobađaju energiju koja se zatim koristi za izgradnju energijski bogatih veza ATP-a.

elektroni iz hrane

velika količina energije

energija za sintezu

mala količina energije

stvaranje vode

lanac prenositelja elektrona

Lanac prenositelja elektrona (respiratorni lanac)� Prenosi elektrone u nizu koraka

(postupno) umjesto u jednoj eksplozivnoj reakciji

� Ako nije postupno, oslobađanje velike količine energije (nekontrolirana reakcija)

� Upotrebljava energiju prijenosa elektrona za sintezu ATP-a

Eksplozivnooslobađanje toplinske i svjetlosneenergije

Transport elektrona

NAD+

H

O

OO O–

OO O–

O

O

O

P

P

CH2

CH2

HO OHH

HHO OH

HO

H

H

N+

C NH2

HN

H

NH2

N

N

Nikotinamid(oksidirani oblik)

NH2+ 2[H](iz hrane)

Dehidrogenaza

Redukcija NAD+

Oksidacija NADH

2 e– + 2 H+

2 e– + H+

NADH

OH H

N

C +

Nikotinamid(reducirani oblik)

N

H+

� Elektroni iz organskih spojeva � Obično se prvo prenose na molekule akceptore

elektrona� NAD+, koenzim

NADH, reducirani oblik NAD+

Prenosi elektrone do lanca prenositelja elektrona (respiratornog lanca)

Molekule akceptori elektrona u procesima staničnog disanja i fotosinteze- koenzimi

Nikotinamid adenin dinukleotid (NAD+)

Nikotinamid adenin dinukleotid fosfat(NADP+)

Flavin adenin dinukleotid (FAD+)

Page 14: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Lanac prenositelja elektrona2 H 1/2 O2

(iz hrane preko NADH)

2 H+ + 2 e–

2 H+

2 e–

H2O

1/2 O2

Kontrolirano otpuštanje energije za sintezu ATP ATP

ATP

ATP

Slo

bodn

a en

ergi

ja, G

Stanično disanje

+

Konačni akceptor elektrona

Stanično disanje

� Kumulativni doprinos tri metabolička stupnja:�glikolize (korak #1)�ciklusa limunske kiseline (korak #2)�oksidativne fosforilacije (korak #3)

Stanično disanje

� Glikoliza�razgrađuje glukozu u dvije molekule

piruvata� Ciklus limunske (citratne) kiseline;

Krebsov ciklus, ciklus trikarboksilnih kiselina (TCA ciklus)�dovršava razgradnju glukoze

� Oksidativna fosforilacija�pokreće je lanac prenositelja elektrona �stvara glavninu ATP

Stanično disanje

NADHprenosi

elektrone

GlikolizaGlukoza Piruvat

ATP

Fosforilacija na razini supstrata

NADH iFADH2

prenose elektrone

Ciklus limunske kiseline

Oksidativna fosforilacija:

lanac prenositelja elektrona i kemiosmoza

ATPATP

Fosforilacija na razinisupstrata

Oksidativna fosforilacija

MitohondrijCitoplazma

Page 15: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Fosforilacija na razini supstrata� U glikolizi i u ciklusu limunske kiseline

�Izravni prijenos fosfatne skupine sa reaktivnog intermedijara (supstrata) na adenozin difosfat (ADP) pri čemu nastaje ATP

Enzim Enzim

ATP

ADP

Produkt

SupstratP

+

Glikoliza (korak #1)� Glikoliza skuplja energiju nastalu

oksidacijom glukoze do piruvata�“cijepanje šećera”�razgradnja glukoze do piruvata

�u citoplazmi stanice�nije potreban kisik, anaeroban proces�odvija se u aerobnih i anaerobnih organizama

Pirogrožđana kiselina (CH3COCOOH)

Piruvat(CH3COCOO-)

HO

C

Glikoliza

� Dvije glavne faze� Faza ulaganja

energije� Faza povrata

energije � pozitivna “bilanca”

ATP-a

Glikoliza Krebsov ciklus

Oksidativnafosforilacija

ATP ATP ATP

2 ATP

4 ATP

upotrebljena

nastala

Glukoza

2 ATP + 2 P

4 ADP + 4 P

2 NAD+ + 4 e- + 4 H + 2 NADH + 2 H+

2 piruvata + 2 H2O

Faza ulaganja energije

Faza povrata energije

Glukoza 2 piruvata + 2 H2O

4 ATP nastala – 2 ATP upotrebljena 2 ATP

2 NAD+ + 4 e– + 4 H + 2 NADH

+ 2 H+

H H

H

HH

OHOH

HOHO

CH2OHH H

H

HO H

OHHO

OH

P

CH2O P

H

OH

HO

HO

HHO

CH2OH

ATP

ADPheksokinaza

Glukoza

Glukoza-6-fosfat

Fruktoza-6-fosfat

Fosfoglukoizomeraza

Glikoliza

1

2

CH2OH

Oksidativnafosforilacija

Krebsovciklus

Kinaze – enzimi koji prenose fosfatni ostatak sa ATP na ostale supstrate

Npr. heksokinaze prijenose do šećera sa 6 ugljikovih atoma tj. heksoza (npr. glukoze)

P

Faza ulaganja energije

Page 16: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Dihidroksiaceton-fosfat

Gliceraldehid-3-fosfat

CH2O P

H

OH

HO

HO

HHO

CH2OH

P O CH2 O CH2 O P

HOH HO

HOH

OP CH2

C O

CH2OH

HCCHOH

CH2

O

O P

Fruktoza-6-fosfat

ATP

ADP

Fosfofruktokinaza

Fruktoza-1,6-bisfosfat

Aldolaza

Izomeraza

3

4

5

Faza ulaganja energije

2 NAD+

NADH2+ 2 H+

Trioza fosfat dehidrogenaza

2 P i

2P C

CHOHO

P

O

CH2 O

2 O–

1, 3-bisfosfoglicerat2 ADP

2 ATP

Fosfoglicerokinaza

CH2 O P

2

CCHOH

3-fosfoglicerat

FosfogliceromutazaO–

CCCH2OH

H O P

2-fosfoglicerat

6

8

7

9

O

Faza povrata energije

� Jedna molekula glukoze (6 C atoma) razgrađuje se na 2 molekule trioze (3 C atoma)

� Odvijaju se dvije faze povrata energije za svaku molekulu glukoze

� Prva fosforilacija na razini supstrata

2 O–

CCCH2OH

H O P

2-fosfoglicerat

2 H2O2 O–

Enolaza

CC

OPO

CH2fosfoenolpiruvat

2 ADP

2 ATPPiruvat kinaza

O–

CC

OO

CH3

2

9

10

Piruvat

O

Faza povrata energije

� Druga fosforilacija na razini supstrata

Page 17: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Ciklus limunske kiseline(Krebsov ciklus)(korak #2)� Dovršava oksidaciju

organskih molekula pri čemu se proizvodi energija

� Odvija se u matriksu mitohondrija

Mitohondrij � sve eukariotske stanice� dvostruka membrana

� vanjska (glatka)� unutarnja (čini nabore =

kriste; povećanje površine)

� specifični proteini u lipidnom dvosloju

� međumembranski prostor

� matriks� vlastita DNA (nukleoid),

kružna� ribosomi 70 S� proteini

TEM slika mitohondrija

CITOPLAZMA MITOHONDRIJ

NADH + H+NAD+

2

31

CO2 Koenzim APiruvatAcetil CoA

S CoA

C

CH3

O

O–

O

O

C

C

CH3

Prijelazna faza� Prije početka ciklusa limunske kiseline

� oksidacijska dekarboksilacija piruvata� piruvat se mora pretvoriti u acetil CoA koji povezuje glikolizu i Krebsov

ciklus� u matriksu mitohondrija

TransportTransportniniproteinprotein

Page 18: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Pregled ciklusa limunske kiseline

ATP

2 CO2

3 NAD+

3 NADH+ 3 H+

ADP + P i

FAD

FADH2

Ciklus limunske kiseline

CoA

CoAAcetil CoA

NADH+ 3 H+

CoA

CO2

Piruvat(iz glikolize, 2 molekule piruvataiz jedne molekule glukoze)

ATP ATP ATP

Glikoliza Krebsov ciklus

Oksidativna fosforilacija

� Za svaku molekulu glukoze razgrađenu tijekom glikolize –dva piruvata i dva ciklusa limunske kiseline

Figure 9.12

Acetil CoA

NADH

Oksalacetat

CitratMalat

Fumarat

SukcinatSukcinil

CoA

α-Ketoglutarat

IzocitratCiklus

limunskekiseline

S CoA

CoASH

NADH

NADH

FADH2

FAD

GTP GDP

NAD+

ADP

P i

NAD+

CO2

CO2

CoA SH

CoA SH

CoAS

H2O

+ H+

+ H+ H2O

CCH3

O

O C COO–

CH2COO–

COO–

CH2HO C COO–

CH2COO–

COO–

COO–

CH2HC COO–

HO CHCOO–

CHCH2COO–

HO

COO–

CHHCCOO–

COO–

CH2

CH2

COO–

COO–

CH2

CH2

C O

COO–

CH2

CH2

C OCOO–

1

2

3

4

5

6

7

8

Glikoliza Oksidativnafosforilacija

NAD+

+ H+

ATP

Krebsovciklus

Detaljnije...

�Fosforilacija na razini supstrata

� nastaje GTP kada sukcinil-CoA sintetaza konvertira sukcinil-CoA u sukcinat�GTP predaje fosfatnu skupinu ADP-u

Lanac prenositelja elektrona

� elektroni iz NADH iFADH2 gube energiju u nekoliko koraka

� NADH predaje elektrone multiproteinskom kompleksu na višem energetskom stupnju nego FADH2� FMN=flavoprotein� FE•S=feredoksin� Q=ubikinon� Cyt=citokromi

� elektroni se konačno predaju kisiku pri čemu nastaje voda

H2O

O2

NADH

FADH2

FMNFe•S Fe•S

Fe•S

O

FAD

Cyt b

Cyt c1Cyt c

Cyt aCyt a3

2 H+ + 1⁄2

III

III

IV

Multiproteinskikompleksi

0

10

20

30

40

50

Slo

bodn

a en

ergi

ja(G

) u o

dnos

u na

O2

(kcl

/mol

)

Lanac prenositelja elektrona2 H 1/2 O2

(iz hrane preko NADH)

2 H+ + 2 e–

2 H+

2 e–

H2O

1/2 O2

Kontrolirano otpuštanje energije za sintezu ATP ATP

ATP

ATP

Slo

bodn

a en

ergi

ja, G

Stanično disanje

+

Konačni akceptor elektrona

Page 19: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Lanac prenositelja elektrona

� Prijenos elektrona uzrokuje da proteinskikompleksi (I, III i IV) pumpaju H+ iz mitohondrijskog matriksa u međumembranski prostor�Nastaje koncentracijski gradijent protona (H+)

� kemiosmotski potencijal ili pokretačka snaga protona (engl. proton motive force; AMF)

�Povratak protona difuzijom daje energiju enzimu koji sintetizira ATP (ATP-sintaza)

Lanac prenositelja elektrona� Akceptori elektrona (NADH+ i FADH2) predaju

elektrone (potječu iz hrane; glukoze ili drugih tvari razgrađenih u prethodnim fazama tj. iz glikolize, Krebsovog ciklusa)

� Elektroni se prenose preko kompleksa proteina -prenositelja elektrona s više energetske razine na nižu

� Oslobođena slobodna energija se koristi se za transport protona (H+) protivno njihovom koncentracijskom gradijentu iz mitohondrijskog matriksa u međumembranski prostor kroz protonske crpke (proteini aktivnog transporta na unutrašnjoj membrani mitohondrija).

Kemiosmoza� Ubacivanjem protona u međumembranski prostor

(između unutarnje i vanjske membrane mitohondrija) nastaje elektrokemijski gradijent protona (H+) (slobodna energija) = kemiosmotski potencijal kroz membranu

� koncentracija H+ je viša (niži pH) u međumembranskom prostoru u odnosu na matriks mitohondrija

� Protoni se olakšanom difuzijom (kroz nosač –ATP-sintaza proteinski kompleks) vraćaju iz međumembranskog prostora u matriks mitohondrija

� kretanje protona daje energiju za sintezu ATP-a (enzim ATP-sintaza fosforilara ADP u ATP)

Kemiosmoza i lanac prenositelja elektronaOksidativna

fosforilacija: lanac prenositelja elektrona

i kemiosmoza

Glikoliza

ATP ATP ATP

Unutrašnja mitohondrijskamembrana

H+

H+H+

H+

H+

ATPP i

Kompleks proteina –prenositelja elektrona

Citokrom c

I

II

III

IV

Akceptori elektrona predaju elektron

NADH+

FADH2

NAD+

FAD+ 2 H+ + 1/2 O2

H2O

ADP +

Lanac prenositelja elektrona Kemiosmoza

ATPsintaza

Q

Oksidativna fosforilacija

Međumembranski prostor

Unutrašnja mitohondrijska membrana

Mat

riks

mit

ohon

drija

Page 20: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Kemiosmoza� mehanizam koji

povezuje gradijent H+

kroz unutrašnju membranu s redoks reakcijama u lancu prenositelja elektrona i stvaranjem ATP-a

� ATP-sintaza je enzimkoji proizvodi ATP

H+

Rotor unutar membrane okreće se u smjeru suprotno od kazaljke na satu dok se H+ kreću niz svoj konc. gradijent.

Stator usidren u membrani pridržava “izbočinu”.

Cijev (koja se produžuje do izbočine) također se vrti te tako aktivira katalizacijsko mjesto na izbočini.

Tri aktivna mjesta na stacionarnoj izbočinispajaju anorganski fosfat i ADP da bi nastao ATP.

MEĐUMEMBRANSKIPROSTOR

H+

H+

H+

H+

H+

H+ H+

P i+

ADP

ATP

MATRIKS MITOHONDRIJA

Sumarno

� three main processes

Prenosioci elektrona kroz membranu

CITOPLAZMA

2 NADH

2 FADH2

2 NADH 6 NADH 2 FADH22 NADH

Glikoliza

Glukoza 2 Piruvat2

AcetilCoA

Cikluslimunskekiseline

Oksidativna fosforilacija:

lanac prenositelja elektrona

i kemiosmoza

MITOHONDRIJ

nastalih fosforilacijom na razini supstrata

nastalih u oksidativnoj fosforilaciji što ovisi o tome koji prenosioci elektrona u membrani prenose elektrone pohranjene u

NADH nastale tijekom glikolize u citoplazmi

Maksimum po glukozi: Oko36 ili 38 ATP

+ 2 ATP + 2 ATP + oko 32 ili 34 ATP

ili

nastalih fosforilacijom na razini supstrata

Učinkovitost

� Oko 40% energije pohranjene u kemijskim vezama molekule glukoze�je prebačeno (transferirano) u ATP tijekom

staničnog disanja, tj. nastalih približno 38 ATP

�Ostatak je toplina�Automobili ~ 25% učinkovitosti

Vrenje (fermentacija)� Stvaranje energije oksidacijom organskih spojeva (npr.

ugljikohidrata) koristeći kao konačne akceptore elektrona(vodika) endogene, najčešće organske molekule� Razlika od staničnog disanja prilikom kojeg se elektroni predaju

egzogenom akceptoru elektrona (npr. kisiku) putem lanca prenositelja elektrona (oksidativna fosforilacija)

� Vrenje se ne mora nužno odvijati u anaerobnim uvjetima� Najčešći supstrat za vrenje su šećeri, posebice glukoza koja se u

procesu glikolize razgrađuje do pirogrožđane kiseline � Tipični produkti vrenja su etanol i mliječna kiselina� Ovisno o mikroorganizmu, ostali mogući produkti vrenja: mravlja,

octena, maslačna kiselina, aceton, butanol,…� Stanično disanje zahtjeva kisik

� U procesu oksidativne fosforilacije nastaje velika količina ATP-a� Fermentacija nije tako učinkovita

Page 21: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

2 NAD+

NADH2+ 2 H+

Trioza fosfat dehidrogenaza

2 P i

2P C

CHOHO

P

O

CH2 O

2 O–

1, 3-bisfosfoglicerat2 ADP

2 ATP

Fosfoglicerokinaza

CH2 O P

2

CCHOH

3-fosfoglicerat

FosfogliceromutazaO–

CCCH2OH

H O P

2-fosfoglicerat

6

8

7

9

O

Faza povrata energije u glikolizi� U proces

vrenja ulazi piruvat nastao u glikolizi� Reakcije koje

regeneriraju NAD+ za daljnju uporabu (u glikolizi)

Vrenje(fermentacija)

� U alkoholnom vrenju� Piruvat se konvertira u

etanol u dva koraka, od kojih u jednom se oslobađa CO2 (gušenje u vinskim podrumima)

� Tijekom mliječnog vrenja� Piruvat se reducira

izravno s NADH i nastaje mliječna kiselina (laktat) kao otpadni produkt

2 ADP + 2 P1 2 ATP

GlikolizaGlukoza

2 NAD+ 2 NADH2 Piruvat

2 Acetaldehid2 Etanol

(a) Alkoholno vrenje

2 ADP + 2 P1 2 ATP

GlikolizaGlukoza

2 NAD+ 2 NADH

2 Laktat

(b) Mliječno vrenje

HH OH

CH3

C

O –

OCC O

CH3

HC O

CH3

O–

C OC OCH3O

C OC OHH

CH3

CO22

2 Piruvat

Piruvat� Ključna uloga

u katabolizmu

Glukoza

CITOPLAZMAPiruvat

O2 nije prisutanvrenje O2 prisutan

Stanično disanje

Etanolili

laktat

Acetil CoAMITOHONDRIJ

Cikluslimunskekiseline

Evolucijski značaj glikolize

� Glikoliza�Postoji u gotovo svim organizmima�Razvila se (evoluirala) u pretečama

prokariota dok još nije bilo kisika u atmosferi

Page 22: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Katabolizam� Ugljikohidrati nisu jedine tvari koje osiguravaju

energiju stanici. Proteini i masti su važni izvori energije.� Kada se koriste te vrste molekula, potrebna je njihova

modifikacija da bi mogle ući u metaboličke putove opisane za glukozu.

� KATABOLIZAM� Proteina

� razgradnja do aminokiselina (uporaba cijelih)� Deaminacija (gubitak dušika u obliku amonijaka) i ulazak u proces

glikolize ili ciklus limunske kiseline. Amonijak se izlučuje.� Masti

� Beta oksidacijom proizvodi se podjedinice sa 2 C atoma koje ulaze u ciklus limunske kiseline kao acetil CoA

� Glicerol se pretvara u gliceraldehidfosfat (intermedijer piruvata u glikolizi)

� Masti – organsko gorivo, velika količina energije (dvostruko veća od ugljikohidrata)

Katabolizam(razgradnja)� Različite

molekule iz hrane ulaze u ciklus

Aminokiseline Šećeri Glicerol Masnekiseline

GlikolizaGlukoza

Gliceraldehid-3-P

Piruvat

Acetil CoA

NH3

Cikluslimunskekiseline

Oksidativnafosforilacija

MastiProteini Ugljikohidrati

Biosinteze (anabolički putevi)

� Uporaba sastavnica nastalih u kataboličkim reakcijama (intermedijeri) da bi stvarali nove tvari (monomere)�Aminokiseline (čovjek može na taj način

proizvesti ½ od 20 aminokiselina u proteinima modificirajući spojeve preusmjerene iz Krebsovog ciklusa)

�Masti iz šećera� masti mogu postati prekursori za proteine!

Regulacija staničnog disanja putem mehanizma povratne sprege� krajnji produkt metaboličkog puta

inhibira prvu reakciju (engl. feedback inhibition)

� stanično disanje kontroliraju alosterički enzimi na ključnim točkama u glikolizi i ciklusu limunske kiseline�reverzibilna alosterička kontrola

� alosterički enzimi = mijenjaju oblik (konformaciju) nakon vezanja modulatora

Page 23: Cjelokupnost svih kemijskih pretvorbi u Uvod u metabolizam

Kontrola staničnog disanja

Glukoza

Glikoliza

Fruktoza-6-fosfat

fosfofruktokinaza

Fruktoza-1,6-bisfosfatInhibira Inhibira

Piruvat

ATPAcetil CoA

Cikluslimunskekiseline

Citrat

Oksidativnafosforilacija

Stimulira

AMP

+

– –

� Stanično disanje kontroliraju alosterički enzimi u ključnim točkama metaboličkih putova

� Najvažniji kontrolni element glikolize je fosfofruktokinazafosfofruktokinaza� enzim inhibiraju

veće koncentracije ATP-a i citrata

Održavanje tjelesne topline� Smeđe masno tkivo

� masne stanice (adipociti) imaju više masnih kapljica, veći broj mitohondrija koji sadrže željezo (smeđa boja), a tkivo je bolje prokrvljeno

� “uncoupling” proteini (npr. UCP1=termogenin)

� preusmjeren povratak protona iz međumembranskog prostora u matriks mitohondrija

� kroz UCP1 umjesto kroz ATP sintazu

� nema proizvodnje ATP-a, već samo oslobađanja topline

Bijelo (lijevo) i smeđe (desno) masno tkivo