Bioenergetika
Za žive organizme veljajo zakoni termodinamike. Živi organizmi lahko energijo pretvarjajo iz ene oblike v
drugo, ne morejo pa je ustvariti ali izničiti. Sposobno so sprejeti uporabno energijo iz okolja in odvečno
vrniti v okolje v obliki toplote. Pri procesu pretvarjanja energije povečujejo entropijo (vesolja).
Za splošno kemijsko reakcijo:
velja, da bo potekala spontano do vzpostavitve ravnotežja, ki je določeno z ravnotežno konstanto.
Mera za spontanost je Gibbsova prosta energija:
???????????? + ???????????? ⇌ ???????????? + ????????????
Δ?????? = Δ?????? − ??????Δ??????
Δ?????? < 0
Δ?????? = 0
Δ?????? > 0
spontan proces
sistem v ravnotežju
nespontan proces
Δ?????? = Δ??????
0
+ ??????????????????????????????
Zgornje zveze uporabljamo za preračunavanje energije reakcij iz ravnotežnih konstant in obratno.
V celicah je položaj ravnotežja kemijskih reakcij odvisen od lokalnih koncentracij reaktantov in produktov.
Δ?????? = 0
⟹
Δ??????
0
= −?????????????????????????????? = −????????????????????????
??????
??????
??????
??????
??????
??????
??????
??????
Celični metabolizem
Metabolizem so procesi pridobivanja, shranjevanja, pretvorbe in uporabe energije.
Metabolične reakcije v celici potekajo po različnih metaboličnih poteh = zaporedjih reakcij, ki
potekajo z nekim namenom.
A, B, C, D, .... metaboliti – vmesni
produkti metabolnih poti
E .... encimi
Metabolične poti imajo lahko različne oblike.
Metabolične poti v človeški celici
Metabolične reakcije v celici potekajo po različnih metaboličnih poteh.
Celični metabolizem
Osnovna dela metabolizma sta:
Katabolizem - razgradnja bioloških molekul.
Kemijski proces v celoti je oksidacija. Nastanejo
reducirani koencimi (NADH, NADPH, FADH
2
).
Nastaja ATP. Kemijska energija se sprošča.
Anabolizem
–
sinteza
bioloških
molekul.
Kemijski proces v celoti je redukcija. Nastanejo
oksidirani koencimi (NAD
+
, NADP
+
, FAD). ATP in
kemijska energija se porabljata.
Katabolizem in anabolizem sta med seboj
povezana preko „energijskega cikla ATP“.
Celični metabolizem
Glede na oskrbo z energijo razdelimo organizme na dva velika razreda – avtotrofe in
heterotrofe. Skupini uporabljata različne vire energije, procesi razgradnje biopolimerov pa so
pri obojih podobni. Heterotrofe dalje razdelimo na aerobne in anaerobne.
Pri aerobnem metabolizmu se substrati oksidirajo do CO
2
, pri anaerobnem pa do etanola
(alkoholna fermentacija) ali laktata (mlečnokislinska fermentacija).
Celični metabolizem
Celični metabolizem
Vnos za življenje pomembnih molekul v celice.
Celice ne morejo same
sintetizirati vseh molekul, ki
jih potrebujejo.
Koencimi
NAD sodeluje v katabolnih reakcijah oksidacije:
FAD sodeluje v reakcijah eliminacije/adicije:
NADP sodeluje v reduktivnih biosinteznih reakcijah :
Koencimi
Koencim A deluje kot prenašalec vmesnih produktov v razgradnji maščobnih kislin in
glukoze. Za njegovo biosintezo je potreben pantotenat (vitamin B5).
ATP
Pri oksidaciji organskih molekul se sprošča energija.
ATP + H
2
O → AMP + PP
i
ΔG
0
= −45.6 kJ/mol (−10.9 kcal/mol)
ATP + H
2
O → ADP + P
i
ΔG
0
= −30.5 kJ/mol (−7.3 kcal/mol)
fosfoanhidridna vez
fosforilna skupina
fosfatna skupina
ATP
ATP
Fosfatna skupina se lahko nahaja v več resonančnih oblikah s približno enako energijo.
V
oligofosfatih,
povezanih
s
fosfoanhidridno
vezjo,
se
število
ugodnih resonančnih oblik zmanjša,
ker strukture z dvema sosednjima
pozitivnima nabojema niso stabilne.
Hidroliza ATP
Trije faktorji, ki vplivajo na
D
G:
1. Elektrostatski odboj
2. Resonančna stabilizacija
3. Hidratacija
Prenos energije z molekule ATP
Energija iz molekule ATP se lahko izkoristi na dva načina:
- Z direktno hidrolizo fosfoanhidridne vezi (poleg ATP tudi GTP):
- Mehansko gibanje – premikanje ribosoma, krčenje mišic, encimi, ki razvijajo DNA
- Konformacijske spremembe nekaterih regulatornih proteinov
- S prenosom fosforilne skupine na substrat (trajen/prehoden).
Večina ATP in ADP v citosolu celic, torej
tisti, ki vstopa v reakcije, je v obliki
kompleksa z Mg
2+
.
ATP
Pri encimsko kataliziranih kemijskih
reakcijah,
ki
za
potek
reakcije
potrebujejo hidrolizo ATP, slednji
deluje tako, da prehodno prenese
fosforilno skupino na substrat (in ga
s tem aktivira).
ATP
Mehansko gibanje (konformacijske spremembe) se lahko vrši tudi preko prenosa fosforilne
skupine:
Energijsko bogate molekule
ATP ni edina energijsko bogata fosforilirana molekula v celici. Tudi večina ostalih deluje po
principu prenosa fosfatne skupine. Glede na količino energije, ki se sprosti ob hidrolizi,
govorimo o ustrezno visokem potencialu za prenos fosforilne skupine.
Energijsko bogate molekule
Energijsko bogate molekule
Energijsko bogate molekule
Poraba energije v mišični celici
ATP-ja je za manj kot 1 s intenzivnega delovanja mišic, kreatin-
fosfata za nekaj sekund (4 s teka na 100 m).
Fosforilna skupina se s kreatinfosfata prenese na ADP.
V mišici:
[ATP] = 4 mM
[ADP] = 0.013 mM
[kreatinP] = 25 mM
[kreatin] = 13 mM
Metabolične poti v človeški celici
Shema celičnega metabolizma
Celični metabolizem
V evkariontskih celicah je metabolizem kompartmentaliziran.
Metabolizem ogljikovih hidratov pri človeku
Pentozafosfatna pot
Sinteza NADPH za
anabolične reakcije
Glikoliza
Glikoliza je metabolična pot pretvorbe glukoze v piruvat. Je najbolj univerzalen metaboličen
proces, ki poteka v skoraj vseh celicah na enak način.
Neto reakcija glikolize:
glukoza + 2 P
i
+ 2 ADP + 2 NAD
+
⟶ 2 piruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H
+
+ 2 H
2
O
Glikoliza
Glikoliza
Glikoliza
Glikoliza
Drugi monosaharidi in oligo/polisaharidi vstopajo v glikolizo na način, da se predhodno
pretvorijo v enega od intermediatov glikolize.
Disaharidi se v črevesju hidrolizirajo v monosaharide, ki se nato prenesejo v kri:
?????????????????????????????????????????? + ??????
2
?????? ⇋ 2 ??????????????????????????????????????????
????????????ℎ?????????????????????????????? + ??????
2
?????? ⇋ ?????????????????????????????????????????? + ????????????????????????????????????????????????
?????????????????????????????????????????? + ??????
2
?????? ⇋ ?????????????????????????????????????????? + ??????????????????????????????????????????????????????
Najpomembnejša prehranska polisaharida sta glikogen in škrob. V prebavnem traktu se
razgradita na glukozo, ki se absorbira.
Glikoliza
iz razgradnje lipidov
Koncentracija laktaze pri otrocih je visoka, z
odraščanjem pa se zniža na okoli 5 do 10% tiste ob
rojstvu.
Pri
določenem
deležu
populacije
se
koncentracija zniža do te mere, da se laktoza v
črevesju več ne prebavi (cepi) dovolj učinkovito.
Presežna laktoza je hrana za bakterije, ki jo prebavijo
do mlečne kisline, ob tem pa generirajo metan in
vodik, ki povzročata prebavne motnje. Stanju
pravimo laktozna intoleranca.
Napake v metabolizmu ogljikovih hidratov
Napake v metabolizmu ogljikovih hidratov
Napake v metabolizmu ogljikovih hidratov
Redkejša bolezen, povezana z metabolizmom galaktoze je galaktozemija, ki je najpogosteje
posledica dednega pomanjkanja encima galaktoza-1-fosfat uridiltransferaze. Pri teh pacientih
se kljub opuščanju galaktoze iz hrane pojavijo okvare živčnega sistema in katarakta (siva
mrena). Do katarakte pride zaradi nabiranja osmotsko aktivnega galaktitola v leči, ki pritegne
veliko vode.
http://vision.ucsf.edu/hortonlab/ResearchProgram%20Pics/kid%
20with%20cataract.jpg
Sproščanje glukoze iz glikogena
Struktura glikogena:
Sproščanje glukoze iz glikogena
Glikogen se shranjuje v jetrih in po potrebi sprošča v kri. Nekaj lastne zaloge glikogena imajo
tudi mišične celice. Shema sproščanja glukoze iz glikogena v jetrih:
Sproščanje glukoze iz glikogena
Za razgradnjo molekul glikogena je potrebno koordinirano delovanje treh encimov.
Usoda piruvata
alkoholna fermentacija
hipoksični ali anaerobni
pogoji
kvasovke
mlečnokislinska
fermentacija
anaerobni pogoji
mišice
Mlečnokislinska fermentacija
Poteka v mišicah pri intenzivnem delu, ko nastanejo anaerobni pogoji. Neto reakcija je
glukoza + 2 ADP + 2 P
i
⟶ 2 laktat + 2 ATP + 2 H
2
O
Nastali laktat se prenese v jetra, kjer se iz njega sintetizira glukoza v procesu
glukoneogeneze. Temu procesu pravimo Corijev ciklus.
Mlečnokislinska fermentacija
Glukoneogeneza
Glukoneogeneza je univerzalna metabolična pot biosinteze glukoze iz manjših prekurzorjev.
Pri človeku so glavno mesto glukoneogeneze jetra. Proces poteka kooperativno z glikolizo.
Glukoneogeneza
Glukoneogeneza ni le obratna
pot glikolize, temveč uporablja
nekatere druge encime (tiste, ki
katalizirajo enosmerne reakcije).
Glukoneogeneza
V glukozo se preko glukoneogeneze lahko pretvarjajo tudi nekatere aminokisline. Imenujemo
jih glukogene aminokisline. V proces vstopajo na različnih mestih.
Regulacija metabolizma
Metabolizem ogljikovih hidratov in drugih goriv je uravnavan z lokalnimi koncentracijami
metabolitov ter globalno v celotnem telesu s tremi hormoni:
inzulin
glukagon
adrenalin
Regulacija glikolize in glukoneogeneze
F-2,6-BP – alosteričen regulator,
katerega nastanek zavira glukagon
citrat
–
signalizira
zalogo
metaboličnih
intermediatov
(citratni cikel)
alanin – signalizira zalogo energije
heksokinaza je regulirana z
negativno povratno zvezo (G6P)
Signaliziranje preko receptorjev
epinefrin (= adrenalin)
glukagon
receptor, sklopjen z G-proteinom
(7 transmembranskih
a
-vijačnic)
heterotrimerni G-protein
primarni obveščevalec
adenilat ciklaza
sekundarni obveščevalec
Signaliziranje preko receptorjev
Epinefrin/glukagon sprožita kaskado, v kateri se signal močno
ojača. Preko cAMP delujejo tudi številne druge signalne
molekule.
Signaliziranje preko receptorjev
Receptor za inzulin spada v družino
receptorskih tirozinskih kinaz.
Ob vezavi liganda pride do dimerizacije
receptorja
in
njegove
aktivacije
z
avtofosforilacijo.
Aktiviran receptor deluje na druge
proteine tako, da jih fosforilira in s tem
spremeni njihovo aktivnost.
Inzulin sproži vnos glukoze v celico in
sintezo glikogena (v jetrih, mišicah) ali
maščobnih kislin (v adipocitih).
Tudi
inzulin
deluje
preko
kaskade
znotrajceličnih dogodkov.
Sinteza glikogena
Sinteza glikogena poteka po drugačni metabolični poti kot njena razgradnja. Glukoza se v
glikogen dodaja v aktivirani obliki UDP-glukoze.
UDP-glukoza pirofosforilaza
Sinteza glikogena
Sinteza glikogena poteka po drugačni metabolični poti kot njena razgradnja. Glukoza se v
glikogen dodaja v aktivirani obliki UDP-glukoze.
glikogen sintaza
Regulacija sinteze in razgradnje glikogena
Razmerje med hitrostjo sinteze in razgradnje glikogena je v celicah regulirano preko
regulacije ključnih encimov v obeh procesih – glikogen sintaze in glikogen fosforilaze.
Protein kinazo aktivirata
adrenalin in glukagon.
Pentozafosfatna pot
Pentozafosfatna (fosfoglukonatna) pot je pot oksidacije glukoze, pri kateri nastane NADPH.
Pentozafosfatna pot
Pentozafosfatna (fosfoglukonatna) pot je pot oksidacije glukoze, pri kateri nastane NADPH.
Faza 1 – tvorba NADPH
Faza 2 – pretvorba C5 sladkorja v C6
in C3 intermediate, ki se lahko
vrnejo v glikolizo.
Pentozafosfatna pot
V oksidativni fazi nastaneta 2 molekuli NADPH.
V neoksidativni fazi encimi transketolaze in transaldolaze katalizirajo pretvorbo C5 sladkorja
v C6 in C3 sladkorje z neto reakcijo:
3 ??????
5
⇋ 2 ??????
6
+ ??????
3
Dostları ilə paylaş: |