Katabolické procesy v organismu

mirka.rovenska@lfmotol.cuni.cz

Principy bioenergetiky

Pro přežití potřebují buňky z potravy získávat energii a živiny, které vynakládají na plnění základních funkcí: pohyb (svalová kontrakce), termoregulace, biosyntéza, aktivní transport molekul a iontů

Většina živin nemůže být využita přímo a musí být nejprve rozložena na jednodušší sloučeniny…katabolismus

Vzniklé metabolity jsou pak buď dále katabolizovány za účelem získání energie, nebo využity k syntéze složitějších molekul…anabolismus

Koncové produkty katabolismu:

CO2

H2O

NH3 – vylučován jako močovina

Trávení je součástí katabolismu:

Potrava

Jednodušší sloučeniny

Absorpce

Transport krví ke tkáním

Utilizace ve tkáních: biosyntéza, produkce energie

trávení

Úschova energie, ATP

Energie získaná z potravy může být uložena ve formě určitých sloučenin, jejichž štěpením se posléze zase uvolní, např. ATP:

ATP + H2O ADP + P

Proto je štěpení ATP často spřaženo s reakcí, která vyžaduje dodání energie a sama o sobě by neprobíhala – energie pro tuto reakci je pak dodána současným štěpením ATP

adenosintrifosfát =ATP

Sacharidy

Sacharidy:a) monosacharidy – jedna jednotkab) oligosacharidy – 2-10 monosacharidových jednotekc) polysacharidy – polymery složené z monosacharidových jednotek

Z rostlinné potravy získáváme např. škrob (polysacharid), fruktosu, glukosu (monosacharidy), sacharosu (disacharid), z živočišné např. laktosu (disacharid z mléka)

Monosacharidy

Monosacharidy = aldehydy (aldosy) nebo ketony (ketosy) obsahující 2 a více –OH skupin

Tvoří cyklické formy:

α-D-glukopyranosa

-D-glukopyranosa

α

Aldosy:aldehydová skupina

D-glukosa D-manosa D-galaktosa

D-konfigurace

Analogickou řadu L-aldos lze odvodit od L-glyceraldehydu:

L-konfigurace

Ketosy:CH2OH

D-fruktosa

keto skupina

D-konfiguraceAnalogickou řadu L-ketoslze odvodit od L-erythrulosy

Oligosacharidy = 2-10 pospojovaných monosacharidových jednotek

Např. sacharosa (řepný i třtinový cukr):

glukosa + fruktosa

=sacharosa

Oligosacharidy

Polysacharidy

Polysacharidy – vysoký počet monosacharidových jednotek, např.:

škrobglykogencelulosa

tvořeny jednotkami glukosy

Katabolismus sacharidů

Polysacharidy (škrob, glykogen) jsou nejprve v tenkém střevě rozštěpeny pankreatickou α-amylasou na oligosacharidy a ty jsou dále štěpeny glykosidasami tenkého střeva na monosacharidy (nejčastěji glukosu):

Monosacharidy pak vstupují do buněk tenkého střeva a odtud se dostávají do krevního oběhu

polysacharidy

pankreatická α-

amylasa(ve střevě)oligosacharidy

glykosidasystřeva

monosacharidy

Katabolismus glukosy

Glc vstoupí do cytoplasmy cílových buněk a zde je přeměněna glykolýzou na pyruvátBěhem glykolýzy vzniká ATP a dochází k redukci koenzymu NAD+ na NADH+H+:

NAD+

NADH+H+

(nikotinamid-adenindinukleotid)

Glykolýza

pyruvát

2 2

2 x

ADP, H3PO4

ATP

– H2O

Glukosa je přeměněna na 2 molekuly pyruvátu za zisku 2 molekul ATP a dvou redukovaných koenzymů NADH.

2 x2 x2 x

Další přeměny pyruvátu

Za aerobních podmínek je pyruvát v mitochondriích oxidačně dekarbo-xylován, tj. uvolní se z něj CO2 ; vzniká acetyl (CH3C=O-), který je přenesen na koenzym A (CoA) za vzniku acetyl-CoA:

pyr + NAD+ + CoA acetyl-CoA + CO2 + NADH + H+

Za anaerobních podmínek (např. intenzivně pracující sval) je pyruvát redukován na laktát:

+ NADH + H+ + NAD+

laktátpyruvát

Jednoduché lipidy

Hlavně acylglyceroly, tj. estery glycerolu a vyšších mastných kyselin:

Složené lipidy

Obsahují kromě alkoholu a mastné kyseliny ještě jinou komponentu

Např. fosfolipidy:

Fosfolipidy jsou důležitou složkou buněčných membrán

Např.: pokud R = -O–CH2–CH2–N+(CH3)3,

jde o fosfatidylcholin

mastná kyselinaR

Katabolismus acylglycerolů

Pankreatická lipasa (sekretovaná do tenkého střeva) štěpí acylglyceroly za vzniku směsi mastných kyselin (FA) a 2-monoacylglycerolů:

FA vstupují do buněk střevní stěny a jsou zabudovány do lipoproteinů chylomikronů. Ty vstupují do lymfatických cév a jimi do krve, jíž se dostávají k cílovým buňkám.

-oxidace FA

V buňce se FA váže na koenzym A (CoASH) vzniká acyl-CoA, který je přenesen do mitochondrií

V mitochondriích probíhá -oxidace: každý cyklus zkrátí FA o 2 uhlíky ve formě acetyl-CoA; zkrácená FA vstupuje do dalších cyklů

FA se tak kompletně odbourá na acetyl-CoA; FAD a NAD+ se přitom redukují na FADH2 a NADH+H+

acylkoenzym A

(acyl-CoA)

Katabolismus proteinů

Proteiny = polymery složené z aminokyselin

Proteiny jsou v žaludku štěpeny enzymem pepsinem na polypeptidy a ty dále v tenkém střevě pankreatickými enzymy trypsinem, chymotrypsinem, elastasou na kratší poly/oligopeptidy; ty jsou nakonec peptidasami střevních buněk rozštěpeny na aminokyseliny:

Uvolněné aminokyseliny se dostávají ze střeva do krve

proteinypepsin

polypeptidytrypsin

poly/oligopeptidyad.

peptidasyAA

Katabolismus aminokyselin

1) Z aminokyseliny je odstraněna aminoskupina uvolňuje se amoniak:

2) Zbylá uhlíkatá kostra je přeměněna na metabolit zpracovatelný v jiných metabolických drahách: např. na acetyl-CoA nebo sukcinyl-CoA, které pak mohou vstoupit do citrátového cyklu (viz dále)

3) Toxický amoniak je v močovinovém cyklu přeměněn na močovinu

NH2 NH3

R – CH – COOH

Vylučování odpadních dusíkatých látek močí

V moči jsou obsaženy:

močovina – vzniká z amoniaku uvolněného katabolismem AA:

kyselina močová – vzniká katabolismem purinových bází nukleových kys.:

kreatinin – vzniká přeměnou kreatinfosfátu v pracujícím svalu:

HH

guanin kys.močová

Tedy: makromolekulární složky potravy jsou rozloženy na základní jednotky a ty přeměněny na acetyl-CoA:

polysacharidy

glukosa

pyruvát

glykolýza

acetyl-CoA

lipidy

mastné kyseliny

-oxidace

acetyl-CoA

proteiny

aminokyseliny

acetyl-CoA (příp. sukcinyl-CoA ad.)

Acetylkoenzym A

v acetyl-CoA je místo tohoto vodíku acetyl (CH3C=O)

Acetyl-CoA pocházející z katabolismu sacharidů, lipidů a proteinů vstupuje do citrátového cyklu

(CoA, příp. CoASH)

Citrátový cyklus

V mitochondriální matrix

Acetyl-CoA se v 1. kroku slučuje s oxalacetátem za vzniku citrátu, který je přeměňován dalšími reakcemi; v poslední reakci cyklu se regeneruje oxalacetát

Acetyl-CoA je tak v citrátovém cyklu přeměněn za vzniku 2 molekul CO2

Přitom se redukuje NAD+ na NADH+H+ a FAD na FADH2

Citrátovýcyklus:

acetyl-CoA

Tedy:

Katabolismus produkuje redukované formy koenzymů NADH a FADH2: v průběhu glykolýzy (přeměny Glc na pyr) při přeměně pyruvátu na acetyl-CoA v -oxidaci mastných kyselin v katabolismu aminokyselin v citrátovém cyklu

Tyto redukované koenzymy vstupují do dýchacího řetězce a v něm se regenerují (oxidují zpět na NAD+ a FAD); na to navazuje syntéza ATP

Dýchací řetězec (DŘ)

DŘ tvoří 5 proteinových komplexů ve vnitřní mitochondriální membráně a 2 mobilní přenašeče:

ubichinon (koenzym Q)cytochrom c

Komplexy I, II a III obsahují Fe-S proteiny (proteiny obsahující síru a nehemové železo)

Součástí DŘ jsou cytochromy, které obsahují hem mitochondrie

V DŘ dochází k reoxidaci redukovaných koenzymů NADH a FADH2, které pocházejí z katabolismu sacharidů, FA a proteinů:

NADH+H+ NAD+

FADH2 FAD

– 2 H

– 2 H (flavinadenindinukleotid)

H+ z NADH, FADH2 a z mitochondriální matrix jsou komplexy DŘ přenášeny z matrix do mezimembránového prostoru

Elektrony jsou přes sérii přenašečů přeneseny až na kyslík za vzniku vody

Uprav. podle: KODÍČEK, M. Řetězec dýchací. From Biochemické pojmy : výkladový slovník [online]. VŠCHT Praha, 2007

vnitřní mitoch.membrána

vnější mitoch.membrána

elektrony

Oxidační fosforylace

V DŘ jsou elektrony a H+ přenášeny zvlášť!

Činností DŘ jsou H+ přenášeny z matrix mitochondrií do mezimembrá-nového prostoru mitochondrií vzniká gradient koncentrace H+: v matrix koncentrace H+ klesá, v mezimembránovém prostoru roste!

Tento gradient využívá ATP-synthasa (komplex V) k produkci ATP: H+ jí procházejí z mezimembránového prostoru zpět do matrix a přitom vzniká ATP

ATP-synthasa(komplex V)

matrix

mezimembránový prostor

vnitřní mitoch. membrána

H+ procházejí protonovým kanálem Fo ATP-synthasy z mezimembr. prostoru zpět do matrix, což je spojeno s tvorbou ATP podjednotkou F1 (průchod H+ vyvolá potřebné konformační změny)

Anaerobní podmínky:

Pyruvát není oxidačně dekarboxylován za vzniku acetyl-CoA, nýbrž přeměněn na laktát (viz dříve):

pyruvát + NADH + H+ laktát + NAD+

Tato reakce umožňuje regeneraci NAD+ za anaerobních podmínek, kdy se zastavuje dýchací řetězec kvůli nedostatku kyslíku

Tato reakce tak umožňuje chod glykolýzy (dodává pro ni NAD+) a zisk ATP (v glykolýze) i za anaerobních podmínek

Celkové schéma:

V katabolismu polysacharidů, lipidů i bílkovin vzniká acetyl-CoA a redukované koenzymy

Acetyl-CoA vstupuje do citrátového cyklu, který produkuje redukované koenzymy

Redukované koenzymy jsou reoxi-dovány v DŘ, na který navazuje ATP-synthasa a produkce ATP

TUKY POLYSACHARIDY PROTEINY

FA, glycerol monosacharidy aminokyseliny

pyruvát

acetylkoenzym A

citrátový cyklus

DŘ aerobní fosforylace ATP

NADH, FADH2

TUKY POLYSACHARIDY PROTEINY

FA, glycerol monosacharidy aminokyseliny

pyruvát

acetylkoenzym A

citrátový cyklus

DŘ aerobní fosforylace ATP

NADH, FADH2