Cyklus glykolýza Krebs Fotorespirace dýchání

Biochemie II
2009/10
Metabolismus
František Škanta
Metabolické dráhy
Primární metabolismus
Metabolismus sacharidů
Glykolýza
Krebsův cyklus
Oxidativní fosforylace
Metabolismus lipidů
Oxidace mastných kyselin
Syntéza mastných kyselin
Fotosyntéza
Světelná fáze
Temnostní fáze
Glykolýza
1. fosforylace
2. štěpení hexosy na dvě
vzájemně převoditelné triosy
3. vytvoření ATP na úrovni
substrátu.
Čistý zisk na 6 uhlíků:
2 ATP
2 NADH
Oxidace glukosy
2 NADH
Glucose
2 NADH
2 Pyruvate
2 ATP
Cytoplasma
2 Acetyl CoA
2 CO2
Mitochondrie
6 NADH
2 FADH2
Krebs
cycle
2 ATP
4 CO2
Pyruvát dehydrogenása
Pyruvát
Stimulována NAD+, CoA,
AMP
Citrát
Acetyl CoA
Oxaloacetát
Inhibována ATP, acetyl CoA, a
NADH
Metabolické dráhy
Primární metabolismus
Metabolismus sacharidů
Glykolýza
Krebsův cyklus
Oxidativní fosforylace
Metabolismus lipidů
Oxidace mastných kyselin
Syntéza mastných kyselin
Fotosyntéza
Světelná fáze
Temnostní fáze
Krebsův cyklus
(1937)
2C
1. Kondenzace
6C
1. Kondensace
2. Oxidativní
dekarboxylace
na 5C
4C
5C
5. Regenerace
oxaloacetátu
ze sukcinátu
3. Oxidativní
dekarboxylace
na 4C
4C
4. Substrátová
fosforylace
Krebsův cyklus je také zdrojem prekursorů
pro biosyntetické dráhy
Metabolické dráhy
Primární metabolismus
Metabolismus sacharidů
Glykolýza
Krebsův cyklus
Oxidativní fosforylace
Metabolismus lipidů
Oxidace mastných kyselin
Syntéza mastných kyselin
Fotosyntéza
Světelná fáze
Temnostní fáze
Metabolické dráhy
Primární metabolismus
Metabolismus sacharidů
Glykolýza
Krebsův cyklus
Oxidativní fosforylace
Metabolismus lipidů
Oxidace mastných kyselin
Syntéza mastných kyselin
Fotosyntéza
Světelná fáze
Temnostní fáze
BUŇEČNÁ RESPIRACE
2 NADH
Glukóza
2 NADH
2 Acetyl CoA
2 Pyruvát
2 ATP
2 CO2
Electron
Oxidativní fosforylace
transportní řetězec
H+
H+ H+ H+ H+
H+ H+ + +
H+ H H
6 NADH
2 FADH2
Krebs
cycle
2 ATP
O2
H2 O
4 CO2
34 ATP
Max. zisk z jedné
molekuly glc:
Cytoplasma
Mitochondrie
34 ADP
38
Chemiosmóza = proton motivní síla
ELEKTRON TRANSPORTNÍ ŘETĚZEC
H+
H+
MEZI
H+
H+
H+
H+
Q
MATRIX
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Q
Complex
ll FAD
NADH
H+
H+
H+
Complex
l
VNITŘNÍ
H+
H+
Complex
lll
Cyt c
Complex
lV
FADH2
NAD+
H+
2e- + 2H+ + 1/2 O
2
H2O
Jak mitochondrie generuje chemickou energii z živin?
53
NADH
FADH2
Volná energie vztažená na O2 (kcal/mol)
50
40
Fe•S
FMN
Fe•S
Q
Jak je tato energie využita?
Cyt b
30
Fe•S
Cyt c
Cyt c
Cyt a
20
Cyt a3
10
0
Oxidačně-redukční reakce
1/2 O
2
Struktura ATP syntázy
H+
Mezimembránový prostor
H+
H+
H+
H+
FO unit
Mitochondriální matrix
Rod
H+
F1 unit
ADP + Pi
ATP
Výtěžek: Hlavně redukované koenzymy
úplná oxidace
Glukóza → CO2 + H2O
∆Go’ = -2840 kJ/mol
hydrolýza
ATP → ADP + Pi
∆Go’ = -30.5 kJ/mol
38 ATP x –30.5 kJ/mol =
-1,160 kJ/mol
-1,160 kJ/mol X 100 = 40 %
-2840 kJ/mol
Metabolické dráhy
Primární metabolismus
Metabolismus sacharidů
Glykolýza
Krebsův cyklus
Oxidativní fosforylace
Metabolismus lipidů
Oxidace mastných kyselin
Syntéza mastných kyselin
Fotosyntéza
Světelná fáze
Temnostní fáze
Metabolismus lipidů
Triacylglyceroly
• Skladují velké množství metabolické energie.
• Kompletní oxidací 1g mastné kyseliny 38 kJ energie
z 1g sacharidů nebo proteinů pouze 17 kJ.
• 1g tuku skladuje 6 x více energie než 1 g hydratovaného glykogenu.
• Zásoby glykogenu a glukosy vystačí zásobovat organismus energií
jeden den. Triacylglyceroly týdny.
• U savců je hlavním místem akumulace triacylglycerolů cytoplasma
adiposních buněk (tukových buněk).
Metabolické dráhy
Primární metabolismus
Metabolismus sacharidů
Glykolýza
Krebsův cyklus
Oxidativní fosforylace
Metabolismus lipidů
Oxidace mastných kyselin
Syntéza mastných kyselin
Fotosyntéza
Světelná fáze
Temnostní fáze
Metabolické dráhy
Primární metabolismus
Metabolismus sacharidů
Glykolýza
Krebsův cyklus
Oxidativní fosforylace
Metabolismus lipidů
Oxidace mastných kyselin
Syntéza mastných kyselin
Fotosyntéza
Světelná fáze
Temnostní fáze
Katabolismus lipidů
Aktivace mastných kyselin
O
O
-
+
ATP
O
R
CoA
+
Acyladenylát
O
O
+
R
PPi
AMP
R
Mastná kyselina
+
AMP
Acyladenylát
HS
CoA
R
AMP
S
Acyl-CoA
Na vnější membráně mitochondrie jsou mastné kyseliny aktivovány za
katalýzy acyl CoAsynthetasy .
Transport aktivované mastné kyseliny
do matrix mitochonodrie
Acyl-CoA
karnitinacyltransferasa I.
CoA
Karnitin
Acylkarnitin
Cytosol
Translokasa
Matrix
Karnitin
Acyl-CoA
Acylkarnitin
CoA
karnitinacyltransferasa II
Reakční sekvence beta -oxidace
dehydrogenace I
Acyl CoA
H
Dehydrogenase
R-CH2 -C-C-COSCoA
R-CH2 -C=C-COSCoA
Matrix
mitochondrií
HH
HH
FAD
FADH2
L-β-Hydroxyacyl
CoA
Dehydrogenase
β-Ketoacyl CoA
H
NADH
+ H+
CoASH
NAD+
Thiolase
R-CH2-C-SCoA
thiolázová
reakce
O
+
trans-∆2-enoyl CoA
H2O
Enoyl CoA Hydratase
hydratace
HH
R-CH2 -C-C-COSCoA
R-CH2 -C-C-COSCoA
OH
H
HO H
L-β-Hydroxyacyl CoA
dehydrogenace II
CH3-C-SCoA
O
Opakuje se
Výtěžek kompletní oxidace palmitátu
Palmitoyl CoA + 7 FAD + 7 NAD+ + 7 CoA + 7 H2O
8 acetyl CoA + 7 FADH2 + 7 NADH + 7 H+
V dýchacím řetězci se získá z jednoho NADH asi 3 ATP
a z jednoho FADH2 asi 2 ATP.
Sečteno:
7 x FADH2 = 14 ATP
7 x NADH = 21 ATP
Oxidace 8 acetyl CoA v citrátovém cyklu = 88 ATP
Součet : 118 ATP
Spotřeba na aktivaci mastné kyseliny: 2 ATP
Konečný součet : 116 ATP
Odbourávání nenasycených mastných kyselin
H
H
H3C
C
H
H
C
C
(CH2)4
O
C
C
S
C
H2
C
H2
CoA
Cis-∆
∆3-Enoyl-CoA-isomerasa
H3C
(CH2)4
C
H
H2
C
C
H
O
H
C
C
C
H2
C
CoA
S
H
Cis izomer je převeden na trans isomerasou.
Odbourávání mastných kyselin s lichým
počtem uhlíků
O
H3C
-
CoA
C
C
H2
O
O
S
ATP +
Propionyl-CoA
HCO3-
ADP + Pi
S
C
O
H3C
CoA
C
C
O
O
H
D-Methylmalonyl-CoA
-
S
C
H3C
CoA
C
C
O
O
H
L-Methylmalonyl-CoA
H2
C
O
-
C
O
CoA
C
C
H2
S
Sukcinyl-CoA
Převedení L-methylmalonyl CoA na sukcinyl CoA probíhá za účasti
enzymu methylmalonyl CoA mutasy jehož koenzymem je derivát
vitaminu B12 – kobalamin.
Glycerol se přeměňuje na meziprodukty glykolýzy
CH2OH
HO
C
Glycerol
Glycerolkinasa
H
CH2OH
H
CH2OH
Glycerol-3-fosfátdehydrogenasa
HO
ATP
ADP
CH2OH
C
H
O
2-
CH2O PO3
L-Glycerol-3-fosfát
NAD+
NADH + H+
O
C
Triosafosfátisomerasa
C
2-
CH2O PO3
Dihydroxyacetonfosfát
H
C
OH
2-
CH2O PO3
D-Glyceraldehyd-3-fosfát
První stupeň
Glukosa
ATP
Glukoneogeneze
ATP
F-1,6-BP
DHAP
GAP
NADH
ATP
Glykolýza
2x
PEP
ATP
Pyruvát
Metabolické dráhy
Primární metabolismus
Metabolismus sacharidů
Glykolýza
Krebsův cyklus
Oxidativní fosforylace
Metabolismus lipidů
Oxidace mastných kyselin
Syntéza mastných kyselin
Fotosyntéza
Světelná fáze
Temnostní fáze
Metabolické dráhy
Primární metabolismus
Metabolismus sacharidů
Glykolýza
Krebsův cyklus
Oxidativní fosforylace
Metabolismus lipidů
Oxidace mastných kyselin
Syntéza mastných kyselin
Fotosyntéza
Světelná fáze
Temnostní fáze
Anabolismus lipidů
Klíčovým krokem syntézy mastných kyselin je
tvorba malonyl CoA
Acetyl CoA + ATP + HCO3-
malonyl CoA + ADP + Pi + H+
Katalyzuje acetyl CoA karboxylasa (obsahuje biotin) a je allostericky
aktivována nadbytkem citrátu, naopak je inhibována nadbytkem
Acetyl CoA, které nejsou dostatečně rychle esterifikovány.
Dva kroky katalýzy.
Multienzymový komplex – acetyl CoA karboxyláza
Acyl přenášející protein ACP-SH
Transfer acetylCoA do cytosolu:
MITOCHONDRIE
Biosyntéza MK
CYTOSOL
Acetyl-CoA
Acetyl-CoA
Citrát
Citrát
+
Oxaloacetát
acetyl CoA karboxyláza
Oxaloacetát
NADH
Malát
Pyruvát
Pyruvát
NADPH
Rozdíly mezi odbouráváním a syntézou mastných kyselin
1. Syntéza mastných
mitochondrií.
kyselin
probíhá v
cytoplasmě,
odbourávání v
matrix
2. Meziprodukty syntézy mastných kyselin jsou kovalentně vázány na sulfhydrylové
skupiny ACP (acyl carrier protein), kdežto meziprodukty degradace jsou vázány
na SH skupinu CoA.
3. Enzymy syntézy polypeptidový řetězec (synthasa mastných kyselin). Enzymy
degradace volně v matrix.
4. Řetězec mastných kyselin se prodlužuje o dva uhlíky z acetyl CoA. Aktivovaným
donorem dvou uhlíků je malonyl CoA a prodlužování řetězce je poháněno
odštěpováním CO2.
5. Redukčním činidlem při syntéze je NADPH, oxidačními činidly při degradaci jsou
FAD+ a NAD+.
6. Prodlužování řetězce na synthase mastných kyselin končí tvorbou palmitátu (C16).
Další prodlužování řetězce a tvorba nenasycených kyselin probíhá na jiných
enzymech.
Živočichové nedokáží převést mastné kyseliny na glukosu !!!
• Proč ?
•
Acetyl-CoA nemůže být převeden na pyruvát nebo oxaloacetát, neboť
vstupuje do citrátového cyklu a oba uhlíky se v jeho průběhu odštěpí
jako CO2.
•
Rostliny mají další dva enzymy v tzv. glyoxylátovém cyklu a jsou schopné
převést acetyl CoA na oxaloacetát.
Metabolické dráhy
Primární metabolismus
Metabolismus sacharidů
Glykolýza
Krebsův cyklus
Oxidativní fosforylace
Metabolismus lipidů
Oxidace mastných kyselin
Syntéza mastných kyselin
Fotosyntéza
Světelná fáze
Temnostní fáze
Metabolické dráhy
Primární metabolismus
Metabolismus sacharidů
Glykolýza
Krebsův cyklus
Oxidativní fosforylace
Metabolismus lipidů
Oxidace mastných kyselin
Syntéza mastných kyselin
Fotosyntéza
Světelná fáze
Temnostní fáze
Fotosyntéza
Chloroplasty
Světlo absorbující pigmenty
Světelná reakce
C3 rostliny (Calvinův - Bensonův cyklus)
Fotorespirace
C4 rostliny (Hatch-Slackův cyklus)
CAM rostliny
Chloroplast
Vnější
membrána
Lamela
Vnitřní
membrána
Mezimembránový
prostor
Grana
Stroma
Prostor
thylakoidu
Chloroplast - fotosyntetická organela eukaryot
Pigmenty a antény
Struktury chlorofylů
CH2
R1
R2
CH
3
H3C
N
+
+
N
N
III
CH3
CH
CH2
CH2 O
C
O
C
R4
O
CH
CH2
O
Bakteriochlorofyl a
Bakteriochlorofyl b
a
C
O
CH2
O
CH2
CH2
CH3
COO
C
H
CH3
CH3
a
CH3
-
COO
-
(Fe-protoporfyrin IX)
R4
CH2
CH3
P
CH2
CH3
P
a
CH3
CH3
P=
C
N
CH2
O
Chlorofyl b
2+
Fe
H3C
O
R3
CH3
N
V
Chlorofyl
Chlorofyl a
CH2
+
N
2+
IV
R2
CH
Mg
CH2
R1
H3C
N
N
H3C
R3
II 4
+
I
CH3
H2C
Fytylový postranní řetězec
a
CH2
CH
CH3
P nebo G
a
CH3
značí, že mezi C3 a C4 se nevyskytuje dvojná vazba.
G=
P
H2C
Geranylový postranní řetězec
Model antény a reakčního centra
Přeměny světelného záření po dopadu na povrch listu
Rostlina je zelená díky chlorofylu.
Ale proč je chlorofyl zelený?
Absorpční spektra různých fotosyntetických pigmentů.
Sluneční spektrum
Chlorofyl b
Chlorofyl a
Absorbance
Karotenoidy
Fykoerythrin
Fykocyanin
400
500
Vlnová délka (nm)
600
700
Primární procesy fotosyntézy
Procesy spojené s absorbcí a přeměnou světelné
energie v energii chemickou
Procesy: Fotolýza vody
Cyklický a necylický transport e-
Sekundární procesy fotosyntézy
Fixace CO2 a jeho následná redukce na cukr
Vstupy a výstupy látek a energie v primárních procesech
oxygenní fotosyntézy
Přehled fotosyntézy – souhrnná reakce
Donor elektronů
foto.obecně:
hυ
υ
CO2 + 2H2A → (CH2O) + 2A + H2O
(1)
hυ
υ
foto. oxygenní:
CO2 + 2H2O → (CH2O) + O2 + H2O
(2)
hυ
υ
foto. anoxygenní:
CO2 + 2H2S → (CH2O) + 2S + H2O (3)
Primární procesy fotosyntézy
Realizovány dvěma fotosystémy, které se vzájemně liší
složením pigmentů
Fotosystém I: absorbce dlouhovlnějšího záření v červené
oblasti 700 nm, obsahuje karotenoidy,
fykobiliny, chlorofyl a, chlorofyl b
Fotosystém II: absorbuje krátkovlnější oblast záření 680
nm, obsahuje xantofyly, karotenoidy,
fykobiliny, chlorofyl a, chlorofyl b
Schéma přenosu elektronů v thylakoidní membráně
Z schéma
Fotolýza vody – tvorba kyslíku
• PS II (P680, fotosystém II) obsahuje centrum
uvolňující kyslík (oxygen evolving center-OEC).
• Působením světelných kvant (fotonů) zde dochází k
rozkladu molekul vody
2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e• Elektrony uvolněné z vody vstupují do PSII, kde jsou
světelnými kvanty uvedeny excitací do vyšších
energetických hladin označených jako P680* a
posléze putují řetězcem přes QH2.
Diagram Z-schéma
PSI
P700*
-1.4
A
0
A1
F
-1.2
X
F
-1.0
F
PSII
P680*
Chl a
hν
ν
-0.4
Q
+
A
-0.2
Q
0
∆ξ°´(V)
∆ξ
B
8 H
(stroma)
cyt b
6
QPOOL
hν
ν
Q
+0.2
+
8 H
(thylakoid)
+0.4
+1.0
+1.2
B
O2 + 4 H+
(thylakoid)
6
S
0
S
PC
Cytochrom b f
Manganový
2 H2O komplex
e-
[4Fe-4S]
cyt f
Z
4
P680
2 NADP+ + 2 H+
e-
Cyklická cesta
Pheo a
-0.6
+0.8
Necyklická cesta
Fd
-0.8
+0.6
A
P700
FNR
(stroma)
2 NADPH
Lokalizace systémů PSII, PSI, cytochromu b6f a
ATP-synthasy na thylakoidech
Volná membrána
(stromatální lamela)
Převrstvená membrána
(granum)
Fotosystém PSI
ATP-synthasa
Fotosystém PSII
Cytochrom b f
6
Plastochinon (Q) – plastochinol (QH2)
O
H3C
H
CH3
H3C
CH2
O
CH
C
CH2
H
n
CH2
H
n
Plastochinon
2[H ]
OH
H3C
H
CH3
H3C
CH2
OH
CH
Plastochinol
C
Energetický výtěžek světelné fáze fotosyntézy
•
Absorpce 4 fotonů PSII generuje 1 molekulu O2 a uvolní se 4 protony do
dutiny thylakoidu.
•
2 molekuly plastochinolu jsou oxidovány komplexem bf za uvolnění 8
protonů do dutiny thylakoidu.
•
Elektrony ze 4 molekul redukovaného plastocyaninu jsou za účasti
dalších 4 absorbovaných fotonů předány na ferredoxin.
•
•
•
Čtyři molekuly redukovaného ferredoxinu generují 2 molekuly NADPH.
Celková reakce tvorby NADPH:
2 H2O + 12 NADP+ + 10 H + stroma = O2 + 2 NADPH + 12 H + thylakoid
•
Dvanáct protonů v thylakoidu vstupuje do ATPsynthasy. Tvoří se celkem
3 molekuly ATP.
Z-schéma světelné fáze fotosyntézy
•
Elektrony mohou dosáhnout na ferredoxin-NADP+ reduktasu (FNR), která
katalyzuje redukci NADP+.
•
Oxidace vody a tok elektronů přes Q cyklus generuje transmembránový
protonový gradient s vyšší koncentrací protonů na straně thylakoidní dutiny
(lumen - uvnitř). Energie gradientu se uplatňuje při tvorbě ATP.
•
Různé prosthetické skupiny fotosyntetického aparátu rostlin mohou být seřazeny
podle redukčního potenciálu v diagramu zvaném Z-schéma.
•
Elektrony uvolněné z P680 po absorpci fotonů jsou nahrazovány elektrony z
fotolýzy vody. Každý elektron prochází řetězcem přenašečů do hotovosti
plastochinonových molekul. Vytvořený redukovaný plastochinol redukuje
cytochrom b6f komplex, za současného transportu protonů do thylakoidů.
Cytochrom b6f přenáší elektrony na plastocyanin (PC) a ten regeneruje
fotooxidovaný P700 v PSI. Elektrony emitované z PSI redukují přes řetězec
přenašečů NADP+ na NADPH. Necyklický proces. V cyklickém procesu se
elektrony vrací zpět na cytochrom b6f a přitom se přenášejí další protony do
thylakoidu.
Calvin-Bensonův
cyklus
(cyklus PRC)
Fotosyntetické procesy v chloroplastech - souhrn
Biosyntéza sacharidů:
•
Celková stechiometrie Calvin-Bensonova cyklu:
•
3 CO2 + 9 ATP + 6 NADPH → GAP + 9 ADP + 8 Pi + 6 NADP+
•
Vytvořený GAP může být využit k řadě biosyntéz, buď vně nebo uvnitř
chloroplastu. Může být převeden na fruktosa-6-fosfát dalším postupem cyklu a
poté na glukosa-1-fosfát (G1P) (fosfoglukosaisomerasa a fosfoglukosamutasa).
•
G1P je prekurzor všech dalších sacharidů rostlin.
•
Hlavní složka škrobu, a-amylosa, je syntetizována v stromatu chloroplastu jako
dočasná skladovatelná forma glukosy.
•
a-Amylosa je také syntetizována jako dlouhodobá skladovatelná forma v jiných
částech rostlin jako jsou listy, semena a kořeny.
•
Celulosa tvořena dlouhými řetězci b(1→ 4)-vázanými glukosovými jednotkami je
hlavním polysacharidem rostlin. Je syntetizována z UDP-glukos v rostlinné
plasmové membráně a vylučována do extracelulárního prostoru.
Syntéza škrobu. Celkově je reakce poháněna hydrolýzou PPi.
O
-
O
P
O
O
γ
O
P
-
O
β
O
-
O
HOH2C
ATP
P
O
α
ADENOSIN
-
O
HO
HO
Syntéza škrobu je podobná
syntéze glykogenu.
O
OH
O
Glukosa-1-fosfát
-
P
O
-
O
Anorganická
fosfatasa
PPi
ADP-glukosafosforylasa
2 Pi
HOH2C
HO
HO
O
O
OH
O
O
P
O
O
-
P
ADENOSIN
-
O
HOH2C
ADP-Glukosa
Synthasa škrobu
ADP
HOH2C
HO
HO
O
+
HOH2C
OH
O
OH
HO
HO
O
α-Amylosa (n jednotek)
O
HO
O
OH
α-Amylosa (n + 1 jednotek)
O
Fotorespirace
Na Rubisco soutěží o vazbu CO2 a kyslík
(Karboxylace nebo Oxygenace)
Oxygenasová reakce RUBISCA.
Chloroplast – peroxisom (glyoxysom).
-
O
O
2-
C
H
CH2 OPO3
C
OH
+
2CH2 OPO3
3-Fosfoglycerát
-
Pi
C
O
O
Fosfoglykolátfosfatasa
CH2 OH
-
C
O
2-Fosfoglykolát
O2
2CH2 OPO3
C
H
C
H
C
-
O
O2
Glykolát
O
O
O
C
OH
OH
2CH2 OPO3
Ribulosa-1,5-bisfosfát
H2O2
Katalasa
1/2 O2 + H2O2
C
O
O
Glyoxylát
Ribulosa-1,5-bisfosfát
karboxylasa/oxygenasa
-
O
C HO
Glykolátoxidasa
H
C
Glycerátkinasa
OH
NAD+
NADH
H
C
O
-
O
C
OH
C
O
Hydroxypyruvátreduktasa
CH2 OPO3
3-Fosfoglycerát
CHLOROPLAST
O
C
2-
CO2
-
CH2 OH
ADP
ATP
CH2 OH
Glycerát
Hydroxypyruvát
PEROXISOM
Oxygenasová reakce RUBISCA.
Peroxisom – mitochondrie.
-
H2C NH3
C
O
CO2
+
C HO
-
O
Glyoxylát
C
O
O
Glycin
O
-
O
C
NH3
O
TRANSAMINACE
H
C
+
NH3
CH2 OH
-
O
Serin
C
C
O
CH2 OH
Hydroxypyruvát
PEROXISOM
MITOCHONDRIE
Co je důsledkem oxygenační aktivity Rubisco ?
Fotorespirace je devastující
proces jehož výsledkem je
neužitečná spotřeba světlem
vytvořeného NADPH a ATP !!!
CO2 koncentrační
mechanismy
rostlin C4