Upload
others
View
8
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
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
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+)
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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