02. metabolizem in celicna respiracija

Biokemija II METABOLIZEM IN CELIČNA RESPIRACIJA 07/08

METABOLIZEM IN CELIČNA RESPIRACIJA

2. Metabolizem

2.1. Shematični pregled metabolizma.Organizem za normalno delovanje potrebuje energijo, ki jo lahko porabi za kemijsko in mehansko delo, prenos snovi preko membran ter termogenezo. Energijo organizem dobi z razgradnjo hranil.Največ E lahko organizem pridobi z razgradnjo maščob, ker so le te minimalno oksidirane. Zato, in ker zaradi netopnosti ne vplivajo na osmotski tlak v celici, predstavljajo večinski delež snovi, ki jih organizem skladišči v telesu. Primerjava: če bi organizem želel isto povprečno količino energije shraniti v obliki glikogena, bi ljudje tehtali preko 170kg. Metabolna rekacija:Metabolizem v vseh organizmih poteka kot niz zaporednih encimsko kataliziranih reakcij. V vsaki od njih nastane produkt, ki je reaktant v naslednji reakciji. Zato metabolizem imenujemo tudi intermediarni metabolizem, saj pri vsaki reakciji nastane stabilen produkt ali intermediat. Metaboličnim intermediatom rečemo tudi metaboliti. Zaporedje reakcij, npr. razgradnjo glukoze do piruvata, imenujemo metabolična pot. Ta je lahko linearna (glikoliza), ciklična (citratni cikel), spiralna (razgradnja maščobnih kislin) ali razvejana (biosinteza AK).

1


2.2. Značilnosti in pomen katabolizma.Katabolne rekacije so večinoma oksidacije in so eksergonske reakcije (E nastaja). Iz energijsko bogatih molekul, npr. OH, beljakovin in maščob, nastanejo energetsko revnejši produkti, H2O, CO2 in NH3, pri tem pa se sprosti E, ki jo organizem lahko porabi za delo.

2.3. Značilnosti in pomen anabolizma.Anabolne reakcije so endergonske reakcije (E se porablja) in v večini primerov redukcije. Iz prekurzorjev, kot so AK, sladkorji, maščobne kisline in dušikove baze, se sintetizirajo makromolekule, kot so proteini (iz AK), polisharidi (npr. glikogen iz dveh glukoz), maščobe in nukleinske kisline (iz nukleotidov). Potrebna energija se dobi z razgradnjo molekul ATP, NADH in NADPH, ki shranjujejo energijo, sproščeno pri procesu katabolizma.

Anabolne in katabolne reakcije so povezane energijsko ter preko skupnih intermediatov. E, ki jo organizem pridobi s katabolizmom, porabi za anabolizem. Energija se med obema deloma metabolizma prenaša s pomočjo ATP, metaboličnega posrednika kemične energije. Pri reakcijah katabolizma iz ADP in Pi nastane ATP, pri anabolizmu pa se ATP defosforilira nazaj v molekulo ADP pri čemer se sprosti energija, ki je na razpolago za delo in kemijsko sintezo. ATP je energijsko bogata molekula zaradi anhidridne vezi med fosfati. Proces razpada te vezi je močno eksergonski, ker:

♦ se zmanjša negativni naboj molekule

♦ ima fosfat številne resonančne oblike♦ se en H+ sprosti v okolico, ki ima pH okoli 7,2, kar pomeni, da je v njej malo H+

ionov♦ je nastali produkt bolj topen

Za razgradnjo molekule ADP velja podobno, za AMP pa ne več, saj nima več anhidridnih vezi. Dejanska E ob razpadu je veliko večja od napisane, saj v celici ne vladajo standardni pogoji. Koncentracije ATP, ADP in AMP so manjše od standardnih in odvisne od energijskega stanja celice, poleg tega tvorijo molekule ATP komplekse z Mg2+ ioni.*Sprememba proste energije je potencial za prenos fosfatne skupine.

2


Poznamo še druge energijsko bogate fosforilirane spojine, katerih potencial za prenos fosfatne skupine je lahko še višji od potenciala ATP. Kemijska vez je energijsko bogata, če so ob razpadu nastali produkti bolj stabilni, če je možna tautomerizacija ali če je možnih več resonančnih oblik.Fosfoenolpiruvat je energijsko bogata molekula predvsem zaradi tautomerizacije.1,3-bisfosfogliceratfosfokreatin

Poznamo tudi energijsko bogate nefosforilirane skupine. Primer je tioesterska vez.

Ocetna kislina v vodnem mediju hitro ionizira, medtem ko je acetat resonančno stabiliziran.V organizmu imamo številne energijsko bogate molekule, vendar je energijska valuta celice ATP, saj se nahaja med energijsko bogatimi in revnimi spojinami. Se pravi, da lahko fosfatno skupino tako sprejema kot oddaja.Energijo zagotavlja hidroliza ATP, ki je dvostopenjska reakcija, vendar o njej vedno govorimo kot o enostopenjski. Hidroliza omogoča:

♪ kemično delo- pomika endergonske reakcije v smeri produktov♪ aktivni transport- ATPaze♪ mehanično delo- mišična kontrakcija

Je obnovljiv vir energije. V telesu imamo povprečno 100g ATP, vendar v 24h porabimo in obnovimo kar 60-70 kg ATP. Obnavljamo ga lahko na različne načine:

z direktnim prenosom fosforilne skupine iz druge energetsko bogate spojinekreatin-kinaza: kreatinfosfat + ADP ---› kreatin + ATPadenilat-kinaza (miokinaza): 2ADP ‹---› ATP + AMPKreatin je zaloga E v celici, vendar se nahaja le v zelo omejenih količinah. fosforilacija na ravni substrata lahko delno poteka tudi brez kisika

Energija, ki nastane pri razpadu vezi v substratu, se porabi za pretvorbo ADP v ATP.piruvat-kinaza: fosfoenolpiruvat + ADP ---› piruvat + ATPfosfoglicerat-kinaza: 1,3-bisfosfoglicerat + ADP ---› 3-fosfoglicerat + ATP(sukcinil-CoA + Pi + ADP ---› sukcinat + ATP + CoA-SH) oksidativna fosforilacija, ki je povezana s prenosom elektronov na kisik v dihalni verigi obnavljanje na račun ADP je kratkotrajna in zelo neugodna rešitev, ker nastali AMP celica razgradi

Ostali nukleozid trifosfati so energijsko ekvivalentni ATP in se obnavljajo na njen račun brez izgube energije.

• Nukleozidmonofosfat-kinaza: NMP + ATP ---› NDP + ADP• Nukleoziddifosfat-kinaza: NDP + ATP ---› NTP + ADP

3


Trifosfati so viri energije za različne biosintetske procese:• GTP: glukoneogeneza, sinteza proteinov• UTP: sinteza glikogena• CTP: sinteza lipidov

2.4. Načini in pomen aktivacije substratov v metabolizmu.ATP je energijsko bogata molekula, ki ima velik potencial za prenos fosforilne skupine (-PO3

2-). Omogoča prenos energije iz katabolnih v anabolne procese ali med posameznimi reakcijami, npr. pri glikolizi sproščena energija zbrana v molekuli ATP, se lahko uporabi za aktivacijo naslednje molekule glukoze, ki vstopa v proces glikolize. Pri endergonskih reakcijah je pomembna za fosforilacijo substrata. ATP ne sodeluje vedno preko svoje hidrolize, ampak lahko tudi prehodno fosforilira intermediat ali se prenese kot pirofosfatna skupina (PPi) ali AMP.

2.5. Ravni uravnavanja metabolizma.Uravnavanje metaboličnih procesov poteka na dveh nivojih:

ф na ravni celice- uravnavanje celičnega metabolizma glede na potrebe celice ф na ravni organizma- omogoča integracijo metaboličnih procesov med celicami in organi (npr. hormoni v jetrih stimulirajo sintezo glukoze, ki jo porabijo mišice)

Reakcije metabolizma katalizirajo encimi, ki jih razvrščamo v 6 razredov.

Na aktivnost encima vpliva kovalentna in/ali alosterična regulacija, prisotnost encima v določenem predelu celice ter vezava regulatornega proteina. Celica s temi sredstvi lahko spreminja količino in aktivnost encima.Uravnavanje encimske aktivnosti z alosteričnimi modulatorji poteka hitro (ms-s), je reverzibilno in odvisno od koncentracije modulatorja. Modulatorji so navadno manjše molekule, v visokoenergetskem, npr. ATP, NADH, citrat, acetil-CoA in alanin, ali nizkoenergetskem stanju, npr. AMP, ADP in NAD+. Uravnavanje encimske aktivnosti s kovalentno modifikacijo so počasnejše spremembe (min), nastalo stanje encima je stabilno in za vrnitev v prvotno stanje je običajno potreben eden od dveh encimov, kinaza ali fosfataza. Encimi, ki mobilizirajo skladiščena goriva, so praviloma aktivni v fosforilirani obliki, encimi, ki katalizirajo reakcije skladiščenja goriv, pa so navadno v fosforilirani obliki inhibirani.

4

γ β α


3. Splošno o celični respiraciji

3.1. Pregled celične respiracije.Celično dihanje je proces nastajanja ATP pri oksidaciji goriv in poteka v treh stopnjah:

ф 1. stopnja Goriva se aktivirajo in vstopijo v razgradnjo, kjer se oksidirajo do acetil-CoA. Acetil-CoA je osnovni, skupni intermediat metabolnih poti vseh goriv. Pri tvorbi acetil-CoA nastane CO2

in se sprosti le okoli 7% energije.ф 2. stopnja

Poteče citratni cikel, ki je centralna pot za pridobivanje energije v organizmu. Nastanejo CO2, ATP (GTP), NADH in FADH2.

ф 3. stopnjaPrenos elektronov po dihalni verigi in oksidativna fosforilacija, katere produkta sta ATP in H2O. Za to stopnjo je nujno potreben kisik.

3.2. Osnovne značilnosti celične respiracije.Celična respiracija je skupno ime za metabolne reakcije v celici, s katerimi ta pridobiva biokemijsko energijo iz organskih molekul. Energija se sprošča v procesu oksidacije organskih molekul. Najobičajnejši prejemnik elektronov (oksidant) je kisik (aerobni organizmi). Energija, ki jo celica pridobi s celičnim dihanjem, se porabi za sintezo molekul, ki služijo kot kemična shramba (ATP).

3.3. Pomen kisika za celično respiracijo.Pri metabolnih procesih oksidacije se elektroni in protoni vežejo na koencime NADH ali FADH2. Zaloga koencimov je omejena, zato je za normalen potek procesov nujna njihova regeneracija. Edini način regeneracije je dihalna veriga, ki lahko poteka samo v prisotnosti kisika. Če organizem ne dobi kisika, se njegovi metabolni procesi ustavijo in ne zagotavljajo več potrebne energije za opravljanje dela. Najbolj so za pomanjkanje kisika občutljiva najbolj metabolno aktivna tkiva, to so možgani in preostanek živčnega sistema. Za celično respiracijo porabimo več kot 99% vdihanega kisika. Kisik je potreben za nastanek ATP pri oksidaciji goriv. Ljudje imamo tudi celice odvisne od anaerobnega metabolizma, in sicer eritrocite.

*OKSIDACIJA: je oddajanje elektronovREDUKCIJA: je sprejemanje elektronov

5

http://sl.wikipedia.org/wiki/Celica


3.4. Izvor in vloga acetil-CoA v procesu celične respiracije.

Vsa metabolna goriva lahko pretvorimo v skupni intermediat acetil-CoA. Spojina je le delno oksidirana in vsebuje večino energije, ki jo je imela izhodiščna energijsko bogata molekula. Acetil-CoA vstopi v citratni cikel, kjer z njegovo nadaljnjo razgradnjo celica dobi NADH in FADH2, ki ju porabi za sintezo ATP.

Pri razgradnji glukoze, ki je glavni vir energije za človeški organizem, nastane piruvat. Encimski kompleks piruvat dehidrogenaza (PDH) ga nato pretvori v acetil-CoA. Kompleks je zgrajen iz treh katalitičnih podenot:

ф Piruvat-dehidrogenaza (E1), ki ima za koencim tiaminopirofosfat (TPP), ki prenaša aldehidno skupino v obliki alkohola (-CHOH- CH3). ф Dihidrolipoil-transacetilaza (E2), katerega koencima sta lipoamid in koencim A (CoA-SH). Lipoamid prenaša acilne skupine, vezane na tiolno skupino (SH), v povezavi z oksidoredukcijskimi reakcijami. CoA-SH prenaša acetilno ali kako drugo acilno skupino. (glej sliko pri vpr. 2.3.)ф Dihidrolipoil-dehidrogenaza (E3), ki ima kot koencim flavinadeninnukleotid (FAD) in nikotinamidadenindinukleotid (NAD+). NAD prenaša hidridni ion (2e- in e+), FAD pa 2 elektrona in protona (popolnoma reducirana oblika) ali en elektron in proton (semikinonska oblika). Drugi proton pri NAD se sprosti v raztopino, saj koencim z njim nima kaj početi.

*Razlika med NAD+ in preostalimi koencimi je v tem, da NAD+ ni vezan na encim (=pravi koencim), medtem ko so ostali vezani (=so prostetične skupine).

Reakcijski cikel piruvat-dehidrogenaznega kompleksa:

I. Piruvat se dekarboksilira, pri čemer se kot alkohol (-CHOH-CH3) veže na TPP.II. Ob prenosu s TPP na oksidiran lipoamid se alkohol oksidira do acetata (-CO-CH3).III. Acetat vezan na lipoamid se s CoA esterificira v Acetil-CoA (tioesterska vez).IV. Reduciran lipoamid se reoksidira, pri čemer se redukcijski ekvivalenti prenesejo na FAD, ki se reducira v FADH2.

V. NAD+ sprejme redukcijske ekvivalente, FADH2 se reoksidira nazaj v FAD. Encim se regenerira.

6


Po oksidativni dekarboksilaciji ogljikovega skeleta ne moremo več uporabiti za izgradnjo glukoze. Torej, ko enkrat iz piruvata dobimo acetil-CoA ni več poti, ki bi nas pripeljala do glukoze. Ker človeški organizem nujno potrebuje glukozo, je dekarboksilacija zelo natančno reguliran proces. Telo proces uravnava z:

alosterično inhibicijo: Pri velikih koncentracijah acetil-CoA se le ta veže v encimskem kompleksu na mesto za vezavo CoA in tako prepreči potek reakcije. Lahko rečemo, da acetil-CoA tekmuje s CoA-SH za vezavno mesto na E2. Poleg acetil-CoA sta negativna modulatorja še ATP in NADH. Pozitivni modulatorji so AMP, CoA-SH in NAD+. kovalentnimi modifikacijami (fosforilacijami): Poznamo dva regulatorna proteina, ki nadzirata delovanje PDH kompleksa. Delovanje prvega proteina je odvisno od koncentracije različnih snovi v celici. Če je koncentracija acetil-CoA ali NADH visoka, pomeni, da ima celica dovolj energije in PDH kinaza inhibira delovanje kompleksa. Če pa je v celici veliko NAD+, ADP, CoA-SH ali piruvata, je to znak za inaktivacijo kinaze in aktivacijo encimskega kompleksa. Delovanje PDH fosfataze je hormonsko kontrolirano (inzulin-maščevje, noradrenalin-srčna mišičnina in Ca2+-skeletna mišičnina), vendar natančen mehanizem delovanja ni znan.

Kompleks PDH predstavlja metabolično stikalo, ki določa kateri procesi bodo potekali v celici. Če je aktiven, se piruvat pretvarja v acetil-CoA in poteka Krebsov cikel. Proces poteka samo, ko v celici primanjkuje energije. Če je kompleks inaktiven, v celici potekajo drugi procesi, kot je pretvorba piruvata v laktat ali preko oksaloacetata nazaj v glukozo. Vendar mora, v slednjem primeru, druga molekula nadomestiti mesto oksaloacetata v citratnem ciklu.

Redka dedna bolezen je pomanjkanje piruvat-dehidrogenaze, ki je posledica mutacije v katalitičnih ali regulatornih podenotah encimskega kompleksa. Izrazi se v otroštvu, kot kronična laktatna acidoza (= zvišanje serumske koncentracije laktata, piruvata in alanina) ter v obliki hudih nevroloških motenj, ki lahko vodijo v smrt. Diagnoza se postavlja z določanjem aktivnosti PDH kompleksa in/ali podenot v kulturi fibroblastov (biopsija kože). Bolezen se zdravi s prehrano z zmanjšanim vnosom ogljikovih hidratov in z dikloroacetatom, ki je inhibitor PDH kinaze. Inhibicija kinaze aktivira PDH kompleks.

Drugo bolezensko stanje, ki vpliva na ta del metabolnih poti, je pomanjkanje tiamina (vitamina B1), zaradi pomanjkanja tiamina v prehrani (nahaja se v ovojnici riževih zrn) ali pri alkoholikih. Pomanjkanje se kaže v zmanjšanih količinah TPP, posledica česar je zmanjšana aktivnost encimov, pri katerih nastopa kot kofaktor. Pomanjkanje vpliva na tri različne stopnje:

♪ kopičenje piruvata in laktata: laktatna acidoza♪ manj acetil-CoA in ATP: pomanjkanje acetilholina in nevrološke motnje - piruvat dehidrogenaza♪ pomanjkanje NADPH: zmanjšana sinteza mielina in posledično nevropatije - translokaza v pentozni poti

Klinični znaki pomanjkanja so beri-beri (edemi in srčno popuščanje ali izguba mišične mase ter periferna nevropatija), encefalopatija pri kroničnih alkoholikih in psihoza. Diagnozo se postavi z določanjem aktivnosti transketolaze v eritrocitih pred in po dodatku TPP. Edini način zdravljenja je vnos tiamina.*glej tudi 3. sklop, vpr. 14.1.

7


3.5. Pomen mitohondrija za aerobni mehanizem.Celično dihanje lahko poteka samo v nepoškodovanih mitohondrijih. Glikoliza in hidroliza maščob potekata v citoplazmi, piruvat ter maščobne kisline pa se nato transportirajo v mitohondrije. Zunanja membrana je prepustna za manjše molekule in ione.V matriksu iz različnih prekurzorjev nastaja acetil-CoA, ki se takoj vključi v citratni cikel. Le ta poteka v matriksu in vsi njegovi encimi prosto plavajo v njem, z izjemo encima sukcinat dehidrogenaze, ki je vezan na notranjo membrano. Poleg encimov citratnega cikla matriks vsebuje tudi encime za oksidacijo maščobnih kislin, AK in številne druge encime, mitohondrijsko

DNA,

ribosome, ATP, ADP, Mg2+ ter številne druge ione in intermediate metabolizma.Matriks ima nižjo koncentracijo H+ ionov, v primerjavi z intermembranskim prostorom. Razlika v pH med obema prostoroma poganja dihalno verigo in sintezo ATP. Dihalna veriga in sinteza ATP potekata na notranji mitohondrijski membrani, ker so vključeni proteini nanjo vezani. Notranja membrana je neprepustna za večino manjših molekul in ionov, vključno s H+. Zato notranjo membrano acetil-CoA ne more prehajati, piruvat pa lahko. Proteini dihalne verige in ATP-sintaza so pravzaprav eni od številnih membranskih prenašalnih proteinov notranje membrane mitohondrija.

3.6. Prenašalni sistemi, ki omogočajo prenos metabolitov v ali iz mitohondrija.

Notranja membrana mitohondrija nima prenašalcev za NAD molekule. Čez membrano se zato prenese le energija, ne pa tudi sama molekula. Za izmenjavo energije poznamo dva prenašalna sistema:

€ malat-aspartatni prenašalni sistemMalat prehaja skozi notranjo membrano mitohondrija z malat-α-ketoglutarat transporterjem. V matriksu se pretvori v oksaloacetat, pri čemer iz NAD+ nastane NADH. Nato se oksaloacetat pretvori v aspartat, pri čemer se glutamat pretvori v α-ketoglutarat. Aspartat zapusti mitohondrijski matriks s pomočjo glutamat-aspartat transporterja. V intermembranskem prostoru se ob pretvorbi α-ketoglutarata v glutamat spremeni v oksaloacetat. Le ta se ob spremembi NADH v NAD+ ponovno spremeni v malat. Krog je sklenjen, sestavljen pa je iz procesov transaminacije.NADH v matriksu vstopa v dihalno verigo.

8


€ glicerol-fosfatni prenašalni sistemDihidroksiaceton fosfat se, ob porabi NADH, s pomočjo citosolne glicerol-3-fosfat dehidrogenaze pretvori v glicerol-3-fosfat. Le ta se, ob katalizi mitohondrijske glicerol-3-fosfat dehidrogenaze, pretvori nazaj v dihidroksiaceton fosfat. Pri tem se sprosti FADH2, ki preko CoQ vstopi v dihalno verigo. Ta način transporta je energetsko slabši, saj iz enega mola NADH dobimo le mol in pol ATP.

4. Citratni cikel= Krebsov cikel = Cikel TKK (trikarboksilnih kislin)

4.1. Pomen citratnega cikla za metabolizem.V citratnem ciklu se aktiviran acetat oksidira v dve molekuli CO2, pri čemer se sprosti energija, ki se zbere v molekuli ATP in reduciranih koencimih, 3 NADH in FADH2. Iz enega obrata dobimo v končni fazi 10 molekul ATP, ki jih organizem lahko porabi za opravljanje dela.Katabolična vloga cikla: razgradnja acetil-CoA, nastanek ATP, NADH in FADH2

Anabolična vloga cikla: intermediati so izhodne spojine za številne biosintezeAmfibolična vloga cikla: pomemben je za razgradnje in biosintezeAnaplerotične reakcije: nadomeščajo intermediate cikla

*amfibolija: dvoumno, dvosmiselno

9


4.2. Shematični pregled citratnega cikla in njegova lokalizacija v celici.

Citratni cikel je 8 stopenjski sklop reakcij v katerem se aktiviran acetat oksidira in se sprosti energija, ki jo organizem zbere v obliki ATP. Poteka v matriksu mitohondrijev, vendar samo v prisotnosti kisika, saj je le ta nujno potreben za reoksidacijo koencimov. Vedno poteka v bližini notranje mitohondrijske membrane, ker je eden od njegovih encimov, sukcinat dehidrogenaza, vezan nanjo.V enem obratu dobimo 2 molekuli CO2, molekulo ATP ali GTP, 3 NADH in FADH2. Vendar C v molekuli CO2 nista ista atoma, ki sta vstopila v cikel kot acetil-CoA.Krog se vrti le v eno smer, ker so nekatere izmed reakcij ireverzibilne.

4.3. Produkti citratnega cikla.

Reakcije citratnega cikla:1) nastanek citrata

Je ireverzibilna reakcija in zato ena od regulatornih reakcij cikla. ΔG'˚= -32,2 kJ/mol

2) nastanek izocitrata

Gre za prenos hidroksilne skupine, ki omogoča kasnejši nastanek energijsko bogate molekule. ΔG'˚= 13,3 kJ/mol

3) nastanek α-ketoglutarata

Gre za večstopenjsko reakcijo, najprej se izocitrat oksidira, pri čemer nastane NADH, nato pa se nestabilen intermediat še dekarboksilira. ΔG'˚= -21 kJ/mol

4) oksidacija α-ketoglutarata

Je proces dekarboksilacije in regeneracije encima z oksidacijami. Kompleks encimov je sestavljen iz 3 encimov in 5 koencimov, od tega TPP, lipoamid in FAD. Na koncu nastane energijsko bogata molekula sukcinil-CoA s tioestersko vezjo. NAD+ je končni akceptor e-. ΔG'˚= -33,5 kJ/mol

5) nastanek sukcinata

Energija hidrolize tioesterske vezi se porabi za nastanek fosfoanhidridne vezi. Gre za oksidacijo na ravni substrata. ΔG'˚= -2,9 kJ/mol

6) regeneracija oksaloacetataJe proces sestavljen iz treh zaporednih reakcij nastanka fumarata, malata in oksaloacetata.

10


Za potek teh treh reakcij potrebujemo eno molekulo H2O, nastaneta pa ena molekula FADH2 in NADH. Zadnja reakcija je močno nagnjena proti reaktantom in edini razlog, da poteka je takojšnja poraba produktov. Oksaloacetat namreč vstopa še v številne druge reakcije, poleg citratnega cikla. ΔG'˚= 0 kJ/mol; ΔG'˚= -3,8 kJ/mol; ΔG'˚= 29,7 kJ/mol

a) acetat vstopa kot acetil-CoA, dva C zapustita cikel kot

CO2

b) 3 NAD+ se reducirajo z dehidrogenazami do NADH

c) FAD se reducira do FADH2

d) E tioesterske vezi se porabi za nastanek ATP ali GTP

e) voda nastopi v 1. in 7. reakciji, pri hidrolizi acetil-CoA

pri kondenzaciji v citrat in pri hidrataciji fumarata v

malat

11


4.4. Uravnavanje citratnega cikla.Za pregled uravnavanja vstopa acetil-CoA v cikel glej 3.4.Citratni cikel je nujno potreben za preživetje celice, saj ji zagotavlja vso potrebno energijo, kar pa ne pomeni, da se ves čas izvaja enako intenzivno. Kadar ima celica dovolj metaboličnih produktov in visokoenergijskih spojin, se cikel upočasni, ker je takrat potreba po novih zalogah energije majhna. Vendar je potrebno biti pozoren, saj vsaka motnja pri preskrbi s substrati, v dihalni verigi ali oksidativni fosforilaciji, prav tako zmanjša aktivnost cikla. Slednjemu pravimo respiratorna kontrola citratnega cikla.Od koncentracije metabolitov odvisni encimi so citrat-sintaza, izocitrat-dehidrogenaza in kompleks α-ketoglutarat dehidrogenaze. Na kratko, encimi, ki katalizirajo ireverzibilne reakcije cikla. Pozitivni modulatorji so AMP, ADP, CoA-SH in NAD+, negativni pa acetil-CoA, NADH, ATP, sukcinil-CoA in citrat. Poleg uravnavanja hitrosti poteka citratnega cikla, nam razmerje med pozitivnimi in negativnimi alosteričnimi modulatorji, kaže na energijsko stanje v celici.

4.5. Vstop intermediatov citratnega cikla v druge metabolične poti.Iz nekaterih intermediatov cikla lahko s pomočjo drugih reakcij dobimo tudi številne druge snovi:

♪ Citrat: maščobne kisline in steroli♪ α-ketoglutarat: glutamat, iz katerega lahko dobimo AK glutamin, prolin in arginin ali purine♪ Sukcinil-CoA: porfirini in hem♪ Oksaloacetat: aspartat in asparagin, iz katerih lahko nastanejo pirimidini, ali fosfoenolpiruvat (PEP), iz katerega se lahko sitentizirajo glukoza in AK serin, glicin, cistein, fenilalanin, tirozin ter triptofan

Ob vstopu v druge reakcije se morajo intermediati v citratnem ciklu NADOMESTITI.

4.6. Anaplerotične reakcije.Anaplerotične reakcije so reakcije, ki nadomestijo intermediate citratnega cikla.

(glej zgornjo sliko vstopa intermediatov v druge metabolične poti) Oksaloacetat lahko dobimo iz fosfoenolpiruvata, α-ketoglutarat pa iz nekaterih aminokislin preko glutamata:

12


Oksaloacetat lahko dobimo na še en način. Piruvat karboksilaza je encim, ki piruvat karboksilira v oksaloacetat. Nahaja se v mitohondrijih in za svoje delovanje potrebuje koencim biotin, ki prenaša aktivirano CO2 skupino. Alosterično ga aktivira acetil-CoA. Za potek reakcije je potrebna energija ATP.Reakcija je pomembna kot izhodišče za glukoneogenezo.

Glioksilatni cikel je cikel, zelo podoben citratnemu, ki poteka v glikosomih pri mikroorganizmih, rastlinah in nevretenčarjih. Je proces pri katerem iz acetil-CoA dobimo sladkorje.

5. Dihalna veriga

5.1. Shematični prikaz dihalne verige.

Pri dihalni verigi se reducirana koencima NADH in FADH2 reoksidirata v procesu prenosa elektronov na končni akceptor kisik, ki se reducira do vode. Del energije, ki se ob tem sprosti, se porabi za črpanje protonov skozi notranjo mitohondrijsko membrano. Nastane protonski gradient, katerega energija se porabi za sintezo ATP.Pomen dihalne verige je reoksidacija koencimov potrebnih za katabolizem in sinteza ATP.

Prenos elektronov na kisik poteka v več stopnjah zato, da se energija v verigi sprošča postopoma. Tako celice zagotovijo, da se energija ne sprosti v obliki neuporabne toplote, ki bi lahko povzročila pregrevanje celice.Dihalno verigo sestavljajo štirje integralni prenašalni kompleksi in dva mobilna prenašalca, lipidotopen koencim Q (CoQ) in vodotopen citokrom c (cyt c). Mobilna prenašalca prenašata elektrone od enega do drugega kompleksa, medtem ko so kompleksi vezani na notranjo membrano mitohondrija. Kompleksi imajo različne prostetične skupine, ki lahko sprejemajo in

oddajajo elektrone.

5.2. Kisik kot končni sprejemnik elektronov v dihalni verigi.Prenašalci si sledijo glede na afiniteto do elektronov. Največjo afiniteto ima končni prejemnik, kisik.

13


5.3. Prenos elektronov po dihalni verigi in njegov pomen.

Koencim Q se v oksidirani obliki imenuje ubikinon, v reducirani pa ubikinol. Je relativno majhna molekula z lipidotopno poliizoprensko verigo (-(CH2-CH=CCH3-CH2)10-H) s katero je usidran v membrano. CoQ se lahko premika po membrani in prenaša 1 e- in e+ ali 2 e- in e+.

Hem in apoprotein skupaj tvorita citokrom, komponento dihalne verige, ki vsebuje hemsko vezano železo. Citokromski prenašalci sprejmejo le po en e-, pri tem se njihovo centralno vezano železo reducira (Fe3+ ---› Fe2+). Ko molekula elektron odda, se železo ponovno oksidira. Poznamo citokrome A, I in C (na sliki).

V dihalni verigi imamo tudi ne-hemske železo-žveplove centre. Le ti imajo tiolne skupine Cys

vezane na Fe. Običajno imamo v centru poleg S, ki se nahaja v cisteinu, še anorganskega. Razmerje med anorganskim S in Fe je običajno 1:1. Centri prenašajo po en e-.

Prehod od začetnih prenašalcev, boljših reducentov, do končnih, boljših oksidantov, zagotavlja tok elektronov vzdolž dihalne verige. Pri tem se sprošča energija.

Kompleks I: NADH-dehidrogenazaKompleks vsebuje 7-8 Fe-S centrov in sprejme elektrone od NADH, pri čemer aktivno prečrpa 4H+ v intermembranski prostor.

I. Prenos elektronov: NADH + Q + H+ ---› NAD+ + QH2

II. Črpanje protonov: NADH + Q + 5Hn+ ---› NAD+ + QH2 +

4Hp+

Kompleks II: sukcinat dehidrogenazaRedukcijski ekvivalenti iz različnih virov vstopajo v dihalno verigo na različnih mestih. Molekule FADH2, ki nastanejo v citratnem ciklu, se direktno preko sukcinat dehidrogenaze vežejo na CoQ. Citosolni FADH2 se na CoQ veže posredno preko glicerol-3-fosfat dehidrogenaze (Ext), med oksidacijo maščobnih kislin nastali FADH2 posredno preko oksidoreduktaze (Int).

Kompleks III: ubikinon citokrom c oksidoreduktazaTu se pojavi problem, ker ubikinol nosi 2e-, citokrom c pa lahko sprejme le e-. Zato ubikinol oddaja svoje elektrone postopoma. Najprej Fe-S odda en elektron in se reducira v semikinon. Drugi elektron nato odda podenoti kompleksa III, ki ga preda novi molekuli ubikinona. Pri prenosu enega e - z ubikinola na ubikinon se v intermembranski prostor prečrpata 2H+. CoQ se ves čas regenerira.

Kompleks IV: citokrom oksidazaIz ene molekule kisika (O2), ko nanjo prenesemo 4e-, z dodatkom 4H+, dobimo dve molekuli vode. Če pride do

nepopolne redukcije kisika, dobimo reaktivne kisikove spojine. Pri prenosu elektronov na eno molekulo kisika se v medmembranski prostor prečrpajo 4H+.

14


Kemiosmozna teorijaMed prenosom elektronov po dihalni verigi pride do aktivnega črpanja protonov iz matriksa v medmembranski prostor, zaradi česar nastane razlika električnega potenciala. Poleg tega se ustvari pH gradient, saj je v medmembranskem prostoru, zaradi večje koncentracije protonov, nižji pH. Zaradi obojega se ustvari proton-motorna sila, E, ki jo lahko porabimo za delo.

5.4. Inhibicija prenosa elektronov po dihalni verigi in posledice za organizem.

Rotenon je inhibitor kompleksa I in prepreči prenos e-. Malonat je kompetitivni inhibitor kompleksa II. Namesto sukcinata se veže na aktivno

mesto, vendar nima –CH2-CH2- skupine, zaradi česar reakcija ne more poteči. Antimicin A je inhibitor kompleksa III in prepreči prenos elektrona iz ubikinola na

podenoto kompleksa. Posledica je nastajanje ROS, O2°-.

Cianid in CO preprečujeta prenos elektronov na kisik.

6. Oksidativna fosforilacija

6.1. Sklopitev prenosa elektronov po dihalni verigi in fosforilacije ADP.

Nastanek ATP je povezan z oksidacijo NADH in FADH2 ter redukcijo kisika do vode. Tako kot vsi procesi celične respiracije poteka le v nepoškodovanih mitohondrijih. ATP nastaja s pomočjo transmembranskega proteina ATP-sintaze, ki energijo za potek reakcije črpa iz proton-motorne sile, ki se sprošča ob prehodu protonov iz intermembranskega prostora v matriks.

6.2. Lastnosti in pomen F1, F0- ATPaze.

ATP-sintaza je zgrajena iz dveh podenot. Prva, Fo, je potopljena v lipidni dvosloj in je zadolžena za prenos H+

iz medmembranskega prostora v matriks. Energijo, ki se pri tem sprošča, izkorišča za rotacijo okoli centralne osi. Zgrajena je iz 3 vrst podenot, ene a, dveh b in deset do dvanajst c podenot. a in b podenote so preko δ podenote zadolžene za stik s F1 podenoto. Le ta je zadolžena za katalitično aktivnost in štrli v matriks. Zgrajena je iz 9 podenot, treh α, treh β in ene γ, δ ter ε.

Kataliza sinteze ATP poteka rotacijsko. β podenota F1

ima tri različne konformacije: ATP, ADP in prazno. Sinteza poteka v treh korakih: Na prazno mesto se veže molekula ADP. Trije protoni stečejo v matriks in Fo se

obrne. ADP se fosforilira v ATP. Na prazno mesto se veže nova molekula ADP. Trije protoni

stečejo v matriks in Fo se obrne. ATP oddisocira. Nov ADP se fosfoilira, na prazno mesto se veže zopet naslednji

ADP. Trije protoni stečejo v matriks in Fo se obrne.

Vezava in fosforilacija sta možni šele po konformacijski spremembi, ki jo sproži disociacija ATP. Energijo za konformacijsko spremembo encim dobi iz toka protonov skozi Fo.

15


Prenos e- z energijskega stališča ni popolnoma 100%, tako da se vsa energija nikoli ne porabi za sintezo ATP. Zato iz ene molekule NADH ne nastanejo 3 ampak 2,5 ATP, iz ene molekule FADH2 pa ne 2, temveč 1,5 ATP.

Razmerje P/O je razmerje med številom Pi vgrajenih v ATP in ATOMI kisika.

Poleg ATP-sintaze uporabljajo protonski gradienti tudi nekateri drugi membranski transporterji. Primer sta adenin nukleotid transporter in fosfatna translokaza. Prvi je antiporter, ki prenaša ADP v matriks in ATP v medmembranski prostor, medtem ko je drugi sinporter, ki prenaša H+ ter H2PO4

- v matriks. Prenos ATP je lahko sklopljen s prenosom ADP zaradi tega, ker ima ATP večji negativni naboj od ADP. V matriksu je prebitek negativnega naboja, zato celica zmanjša negativnost, če izstopi ATP in vstopi ADP.

6.3. Uravnavanje oksidativne fosforilacije.Hitrost oksidativne fosforilacije je uravnavana z akceptorsko kontrolo -porabi se le toliko O2 kot to omogoča količina ADP kot substrata za fosforilacijo. Drugi omejujoči dejavniki oksidativne fosforilacije so nizke koncentracije NADH, Pi in O2 ter kapaciteta dihalne verige. Lahko rečemo, da poteka dihalna veriga glede na celične potrebe po ATP.

16


6.4. Delovanje odklopnikov in ionoforov ter posledice za organizem.

FCCP so poskusili uporabljati kot zdravilo za hujšanje, vendar ni bilo uspešno, ker je bila inhibicija nenadzorovana, sproščanje toplote pa preveliko.

6.5. Naravni odklopniki in njihova vloga v organizmu.Naravni odklopniki so telesu lastni proteini, ki omogočajo H+ nadzorovano uhajanje v matriks in s tem sproščanje toplote in segrevanje organizma. V veliki meri jih uporablja rjavo maščevje, ki na ta način doseže segrevanje telesa. Vsebuje UPC1 (termogenin). V želodcu, možganih, pljučih, vranici in endokrinem pankreasu najdemo UPC2, v mišicah, rjavem maščevju in srcu pa UPC3. Vsi UPC (5) proteini so si zelo podobni po AK sestavi.

Motnje oksidativne fosforilacije lahko povzročijo mutacije mitohondrijske DNA, ki nosi zapise za 13 proteinov dihalne verige. Motnje dihalne verige lahko povzročijo tudi mutacije mitohondrijskih genov za tRNA in rRNA. Vse mitohondrijske mutacije se dedujejo izključno po materi in najbolj prizadanejo tkiva z visoko porabo kisika- živčevje, srčno in skeletno mišičnino. Pogosta posledica teh mutacij je laktatna acidoza.

7. Fosforilacija na ravni substrata

7.1. Procesi, ki omogočajo fosforilacijo ADP na ravni substrata.V procesih glikolize in citratnega cikla nastajajo intermediati, ki omogočajo tvorbo ATP.

7.2. Primeri fosforilacije na ravni substrata iz glikolize in citratnega cikla.

Glikoliza:piruvat-kinaza: fosfoenolpiruvat + ADP ---› piruvat + ATPfosfoglicerat-kinaza: 1,3-bisfosfoglicerat + ADP ---› 3-fosfoglicerat + ATP

Citratni cikel:sukcinil-CoA + Pi + ADP ---› sukcinat + ATP + CoA-SH

7.3. Pomen fosforilacije na ravni substrata.Pomen fosforilacije na ravni substrata je nastanek ATP.

17


8. Toksični produkti kisika in dušika

8.1. Nastanek reaktivnih kisikovih spojin (ROS) in reaktivnih dušikovih spojin (RNS).

ROS so: superoksidni anion O2°-

vodikov peroksid H2O2

hidroksilni prosti radikal OH°, ki je najbolj reaktiven

Nastajanje ROS: V reakcijah oksidativnega metabolizma, kjer kisik nastopa kot sprejemnik e-. To sta predvsem dihalna veriga in reakcije z monooksigenazami, kjer lahko pride do delne redukcije O2, nastanka semikinonskega radikala ter iz njega O2°-, ki ga encimi pretvorijo v H2O2 in nato v vodo, ali pa se e- dodajajo na kisik postopoma in O2°-

nastane na ta način. V dihalni verigi nastajajo ROS na dveh mestih. O2°- nastaja po tem, ko kisik sprejme en e- od IV kompleksa, in pri prehodu elektronov na ubikinon. Kar 0,5% vseh e-, ki vstopajo v dihalno verigo, se pretvori v ROS. Nastanejo lahko pod vplivom okolja, npr. kot posledica ionizirajočega sevanja. Makrofagi jih uporabljajo pri vnetju kot obrambni mehanizem proti bakterijam- citotoksično delovanje. V aktiviranih makrofagih NADPH oksidaza katalizira redukcijo O2 v O2°-:

O2°- ima na voljo dve različni poti, da se spontano ali s katalizo, pretvori v spojine, ki delujejo citotoksično na bakterije. Pretvorba v druge reaktivne spojine mora poteči, ker je O2°- imobilen in ne more prehajati skozi membrano mitohondrija. Najbolj reaktiven produkt je OHo, ki poškoduje membranske proteine in lipide. Reakcija nastanka ROS v makrofagih (nevtrofilci) je zelo eksploziven proces, saj je za celotno pot potrebnih le 30-60s. Tako v zelo kratkem času nastanejo zelo velike količine ROS in RNS za boj proti bakterijam. *brez katalizatorja lahko potečejo reakcije s H2O2

in O2°-

RNS (reactive nitrogen species) nastanejo s pomočjo encima NO sintaze (NOS). Le ta je po zgradbi podobna citokromom P450.

NOSIII je vezan na membrano in katalizira nastanek NO, ki aktivira topno adenilat ciklazo. Le ta sproži nastanek cGMP, ki aktivira kinazo, ki povzroči vazodilatacijo. To pot prekinejo

18


fosfodiesteraze, ki razgradijo cGMP. Zato inhibicija fosfodiesteraz poveča učinek vazodilatacije, kar izrabljajo zdravila kot je viagra.

8.2. Vloga kovinskih ionov pri nastanku ROS.Prosti kovinski ioni (Fe2+, Cu+, idr.) katalizirajo nastanek ROS v neencimskih reakcijah. Zato je eden od prvih načinov obrambe organizma pred ROS, vezava vseh kovinskih ionov v spojine. Vendar se kovinski ioni pogosto lahko sprostijo iz hema (Fe), citokromov P450, oksidaz in oksigenaz.

8.3. Lastnosti ROS in RNS.Prosti radikali so nabite ali nenabite molekule ali atomi, ki imajo en nesparjen elektron. Imajo zelo močno afiniteto do elektronov, zato lahko le te iztrgajo drugim molekulam v bližini. Reakcije z radikali so verižne, saj vsaka reakcija v kateri sodeluje radikal da nov radikal, razen, če reagirata med seboj dva radikala. Slednje je, zaradi nizke koncentracije radikalov in njihovega izjemno kratkega razpolovnega časa, zelo malo verjetno.

8.4. Poškodbe, ki jih povzročijo ROS ter RNS na biomolekulah.

Pri visokih koncentracijah povzročajo poškodbe proteinov, predvsem tistih s HEM in tiolnimi skupinami, lipidov ter nukleinskih kislin (DNA). Posledica delovanja ROS so predvsem poškodbe mitohondrijev in celičnih membran, kar vodi v povečano permeabilnost, vdor Ca2+

ionov ter nabrekanja celice. Povečano nastajanje ROS vodi v vnetja, mutagenezo, karcenogenezo in nekatere avtoimune bolezni.

Ob stiku ROS z lipidi lahko pride do nastanka lipidnih radikalov, ki povzročijo kaskadno reakcijo nastanka novih radikalov. Pri tem nastajajo lipidni peroksidi, zaradi česar reakcijo imenujemo lipidna peroksidacija. Z razpadom lipidnih peroksidov nastanejo različni končni produkti, npr. malondialdehid. Koncentracijo tega lahko merimo, kar nam omogoča sklepanje o količini ROS v celicah, saj prisotnosti le teh, zaradi hitrega razpolovnega časa, ne moremo zaznati. Kaskado reakcij lahko ustavi šele spojina, ki lahko odda e- in s tem prekine

krog odtegovanja elektronov. To je lahko drug lipidni radikal ali antioksidant.

ROS v DNA molekuli vplivajo na gvanin, ki postane hidroksiliran na

8' C atomu. 8- hidroksigvanin je odgovoren za lomljivost DNA verig in s tem za genomsko nestabilnost ter večjo verjetnost mutacij.

Delovanje ROS povezujejo tudi s staranjem. Normalno stanje v celici je, da obrambni mehanizmi odstranjujejo nastale molekule ROS in preprečujejo kaskadne reakcije. Če se sposobnost obrambnih mehanizmov zmanjša ali če se poveča nastajanje ROS, se količina ROS poveča in nastopi oksidativni stres. Ravno zaradi ROS so mutacije

19


mitohondrijske DNA bolj pogoste od mutacij genomske DNA, mitohondrijski respiratorni encimi pa z leti manj aktivni. Nastopi staranje.

*Približno 1% porabljenega O2 se porabi za nastanek ROS.

RNS in ROS posredovane poškodbe dopaminergičnih nevronov pri Parkinsonovi bolezni

Zaradi razgradnje možganskih ganglijev, imajo bolniki s Parkinsonovo boleznijo pomanjkanje dopamina. Pri eni od poti njegove razgradnje dobimo H2O2, ki povzroči poškodbe okoliških celic, kar vodi v dodaten propad nevronov. Še več propadlih nevronov vodi v še večje pomanjkanje dopamina.

8.5. Obramba pred ROS in RNS.Organizem pred nastankom ROS, varujejo antioksidativni sistemi:

€ Encimi odstranijo superoksidni anion in vodikov peroksid, preden bi lahko reagirala s kovinskimi ioni, ki katalizirajo nastanek hidroksilnega prostega radikala.

*reakcija s katalazo poteka v peroksisomih*NADPH pride iz pentoznega cikla*GSSG je disulfidna oblika glutationa*Poznamo tri vrste superoksid-dismutaze, dve citosolni in eno

ekstracelularno. Encim omogoči pretvorbo superoksidnega iona v H2O2, ki se lahko izloči iz celice.

20


€ Proteini, ki vežejo kovinske ione onemogočajo nastanek hidroksilnega prostega radikala. Primeri so: feritin, transferin in ceruloplazmin.€ Antioksidanti, kot so vitamini A, C, CoQ in E, prekinejo verižne reakcije, ki jih sprožijo hidroksilni prosti radikali. Pomemben antioksidant je glutation (GSH), ki v celici ščiti proteine in lipide. Pri svojem delovanju se oksidira.Pri zaščiti proti lipidni peroksidaciji je zelo pomemben α-tokoferol (vitamin E). Po delovanju se mora regenererirati, za kar je nujno potreben askorbat (vitamin C). Vitamin C lahko reagira tudi s O2

o-, peroksidi, hipokloritom, OH- in peroksidnimi radikali ter NO2.

Endogeni antioksidanti so: sečna kislina v krvni plazmi, tioredoksin, glutation in melatonin. Naravne antioksidante, kot so vitamini, zaužijemo s hrano, predvsem sadjem in zelenjavo. Pomemben učinek imajo tudi hrana z malo nasičenih maščob in spojine s potencialnim zaščitnim delovanjem.

Encimskega sistema za razgradnjo hidroksilnega prostega radikala ni, ker je preveč reaktiven.

Flavonoid je rastlinski metabolit. Dobimo ga s hrano, največ ga je v grozdju, zelenem čaju, limoni in soji.

9. Oksidacije, ki niso povezane z dihalno verigo

9.1. Reakcije, ki jih katalizirajo oksidaze in njihov pomen.Oksidaze katlizirajo oksidacije substratov, pri katerih je kisik neposredni prejemnik elektronov in se reducira do H2O ali H2O2. Primer:

9.2. Reakcije, ki jih katalizirajo oksigenaze in njihov pomen.Oksigenaze katalizirajo oksidacije, pri katerih se kisik direktno vključi v molekulo substrata. Poznamo dve vrsti encimov:

I. Monooksigenaze ali oksigenaze z mešano funkcijo. Večinoma gre za hidroksilaze, ki katalizirajo nastanek OH skupine. En atom kisika se vključi v molekulo, drugi se reducira do vode:

21


II. Pri dioksigenazah se v novo molekulo vključita oba kisikova atoma:

9.3. Encimi družine citokrom P-450 in njihov pomen za organizem. Citokromi P450 so monooksigenaze, ki katalizirajo reakcije:

Najbolj znana izmed teh je oksidacija NADPH:

*Citokrom se poveže z RH, kar povzroči, da NADH odda elektrone citokromu. Prvi elektron povzroči redukcijo Fe iona (Fe3+ ---› Fe2+) v hemu, ki je kofaktor, drugi pa pomaga pri odcepu kisika, ki se bo vezal na substrat.

Nahajajo se na notranji membrani mitohondrija in ER skoraj vseh celic. Odvisno od tega, kje v celici se nahajajo, je kateri encim bo deloval kot posrednik med citokromom in NADPH. V ER kot posrednik deluje NADPH-P450-reduktaza, v mitohondrijih pa NADPH-odtenodoksinska reduktaza. Oba encima imata zmožnost prevzeti dva elektrona ter ju postopoma oddati.

CyP450 so pomembni za endogeni metabolizem (katalizirajo hidroksilacije, čeprav to niso edine reakcije, ki jih katalizirajo) in detoksifikacijo telesu tujih spojin (ksenobiotikov). Endogeni substrati so telesu lastne snovi, kot so steroidi, steroidni hormoni, prostaglandini, lipidi in maščobne kisline. Ksenobiotiki so lahko zdravila, onesnaževalci, karcinogene snovi, ipd. Zdravila in karcenogene snovi presnavljajo različni citokromi treh družin, CYP1, 2 in 3. Nekateri od teh lahko presnavljajo obe vrsti snovi, drugi le ene.

Citokromi so ime P450 dobili zaradi svojega absorbcijskega maksimuma pri 450nm. P izhaja iz besede pigment, saj so jih najprej izolirali v jetrih v obliki črno obarvane vsedline. Njihova numenklatura je precej dolga, ker imamo ljudje več kot 57 genov za zapis 17 različnih družin citokromov. Geni so tako polimorfni zaradi raznolikosti telesu tujih snovi, ki jih je potrebno izločiti iz celic. Primer imena za gen je CYP2D6*3.CY- citokromP- P4502- družina, encimi z vsaj 40% homolognostjo AK sestaveD- poddružina, encimi z vsaj 55% homolognostjo AK sestave6- gen3- alel

Telesu tuje snovi se odstranjujejo v treh fazah DETOKSIFIKACIJE: I. faza: aktivacija

P450 hidroksilira ksenobiotik (glej zgornjo reakcijo). Ksenobiotiki so namreč lipidotopni in se kot taki ne morejo izločiti iz organizma. Zato jih celica najprej spremeni v vodotopne molekule.

II. faza: konjugacijaNastali elektrofilni metaboliti so sedaj dovolj reaktivni, da lahko napadejo DNA in podobne molekule, zato jih N-acetil ali glutation S transferaze zaestrijo tako, da jim dodajo velike anionske skupine, npr. GSH. Zdaj imamo v celic detoksificirane metabolite, ki celici niso škodljivi.

III. faza: eliminacijaPotečejo lahko še dodatne modifikacije konjugatov, na koncu pa MDR1 (ABC transporter) vodotopne produkte izloči iz celice v kri. Po krvi se prenesejo do ledvic, kjer se izločijo z urinom.

22


Večinski delež encimov, ki presnavljajo zdravila, predstavljajo citokromi. Zadolženi so za kar 75% reakcij v I. fazi detoksifikacije. Zato je odgovor na posamezna zdravila lahko, v veliki meri, odvisen od njih:

pro-aktivacija zdravilaCitokromi lahko s svojim delovanjem vplivajo na presnovo zdravil tako, da vplivajo na stopnjo njihove aktivacije.Primer prevelike aktivacije zdravila je kodein, ki povzroča stranske učinke zaradi delovanja citokromov P450. Primer premajhne aktivacije je zdravljenje z morfijem, ki zaradi delovanja citokroma ne lajša bolečin. inaktivacija zdravilaPrav tako lahko citokromi inaktivirajo nekatera zdravila. Prehitra ali prepočasna aktivacija, zaradi citokromov P450, moti delovanje antidepresivov in antipsihotikov, jim dodaja nezaželjene učinke in lahko celo povzroča krvavitve.

Encimi delujejo pri različnih populacijah na več nivojih:ф dobri metabolizatorji: metabolizem različnih snovi poteka z normalno hitrostjoф slabi metabolizatorji: počasen metabolizem različnih snoviф ultra hitri metabolizatorji: hiter metabolizem različnih snovi

Iz teh razlik izhajajo tudi razlike v presnovi zdravil med posamezniki.

P450 so vključeni tudi v biosintetsko pot steroidov v skorji nadledvične žleze. Geni, ki zapisujejo te citokrome so manj polimorfni. Najpogostejša je okvara adrenalne 21-hidroksilaze, ki ji sledi kongenitalna adrenalna hiperplazija. Le ta ima več stopenj odvisnih od stopnje ne-delovanja encima. Običajno gre za preveliko izločanje testosterona, ki ima pri ženskah za posledico razvoj sekundarnih moških spolnih znakov. Če je odkrita dovolj hitro, se bolezen pri ženskih zarodkih zdravi prenatalno.

Glavni viri

• http://courses.cm.utexas.edu/jrobertus/ch339k/overheads-3.htm • http://www.biochem.arizona.edu/classes/bioc462/462b/glycolysis.html • Predavanja prof. Vite Dolžan 2007/08• Smith, Colleen, Marks, D. Allan and Liebermann, Michael. Marks' Basic Medical

Biochemistry: A Clinical Approach. 2nd ed. USA: Lippincott Williams & Wilkins, 1996. ISBN 0-7817-2145-8

• Seminar: detoksifikacija 2008

23

http://www.biochem.arizona.edu/classes/bioc462/462b/glycolysis.html

http://courses.cm.utexas.edu/jrobertus/ch339k/overheads-3.htm

02. metabolizem in celicna respiracija

Documents