Молекулярная биология для биоинформатиков

• Академический университет

• Ефимова Ольга Алексеевна

В презентации выборочно использованы слайды из курсов «Биохимия» и «Физиология и биохимия растений» СПбГУ

• Метаболизм – совокупность химических реакций организма

• Катаболизм: Энерго-высвобождающие процессы

• Анаболизм: Энергопотребляющие процессы

Лекция 4 – Метаболизм. Дыхание клетки.

Метаболизм:

• Метаболический путь – последовательность химических реакций в клетке, катализируемых ферментами

• Ферменты определяют направление метаболического пути

• Ферменты кодируются генами

Ферменты (энзимы)

Ферменты

• Биологические катализаторы– Специфичны для химической реакции; не

расходуются во время реакции

• Апоэнзины: белки

• Кофакторы: небелковые компоненты– коэнзимы: органические кофакторы

• Голоэнзимы: апоэнзим+кофактор

Ферменты

Важные коэнзимы

• NAD+

• NADP+

• FAD

• Coenzyme A

Классификация энзимов

• Оксидоредуктазы: реакции окисления-восстановления

• Трансферазы: переносят функциональные группы

• Гидролазы: обеспечивают гидролиз• Лиазы: перемещают атомы без гидролиза• Изомеразы: перегруппировки атомов• Лигазы: соединение молекул с использованием

энергии АТФ

Факторы, влияющие на активность ферментов

• Конкурентное ингибирование

• Неконкурентное ингибирование

Факторы, влияющие на активность ферментов

Катаболизм:

Белки Углеводы Липиды

Аминокислоты Моносахара Жирные к-ты,глицерол

Гликолиз

пируват

ЦИКЛ ТРИКАРБ. КИСЛОТ

ОКИСЛИТЕЛЬ-НОЕ

ФОСФОРИЛИ-РОВАНИЕ

Энерговысвобождающий процесс

Основные этапы метаболизма углеводов

• Расщепление в пищеварительном тракте поступающих с пищей полисахаридов и дисахаридов до моносахаридов. Всасывание моносахаридов из кишечника в кровь.

• Синтез и распад гликогена в тканях (в печени, мышцах).

• Взаимопревращение гексоз.

• Гликолиз – распад глюкозы, завершающий образованием лактата в отсутствие кислорода (анаэробный гликолиз) или образованием пирувата в присутствии кислорода (аэробный гликолиз)

• Аэробный путь прямого окисления глюкозы (пентозофосфатный путь или пентозный цикл).

• Цикл трикарбоновых кислот - окисление продукта гликолиза (пирувата) до СО2 и Н2О).

• Глюконеогенез - или образование углеводов из неуглеводных предшественников (пировиноградная и молочная кислоты, глицерин, аминокислоты и ряд других соединений).

Возможные пути превращения глюкозы

ГЛЮКОЗА

Гликоген, сахароза

запасание

окисление через пентозофосфатный путь

Рибозо-5-фосфат Пируват

окисление через гликолиз

Схема окисления глюкозы

ГЛЮКОЗА

2 этанол + 2 СО2

2 лактат

2 пируват

2 ацетил-КоА

4СО2 + 4Н2О

гликолиз

Гипоксия или анаэробные условия

анаэробные условия

аэробные условия

Цикл трикарбоновых кислот

СО2

Дрожжи

Сильно сокращающиеся

мышцы, эритроциты, микроорганизмы

Животные, растения, аэробные

микроорганизмы

1

3

4

5

Подготовительный этап

• Тратятся 2 молекулы АТФ

Этапы окисления глюкозы

9

Субстратное фосфорилирование

• Образуется:

2 молекулы пирувата

4 молекулы АТФ

2 молекулы NADH

Этапы окисления глюкозы

Глюкокиназа(гексокиназа)

1.

Фосфоглюкоизомераза

Фосфофруктокиназа

2.

3.

Альдолаза

4.

5.

Триозофосфат изомераза

Глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа

6.

8.

7.

Фосфоглицераткиназа

Фосфоглицератмутаза

енолаза

пируваткиназа

9.

10.

Уравнение гликолиза

• глюкоза + 2 ATP + 2 ADP + 2 PO4–

+ 2 NAD+ → 2 пируват + 4 ATP + 2 NADH + 2H+

трегалаза лактаза

α-амилаза

Гликоген-фосфорилаза

сахараза

гексокиназаФосфоглюко-мутаза

гексокиназа

Фосфоманно- изомераза

гексокиназа

фруктокиназа

Фруктозо-1-фосфат-альдолаза

Триозокиназа

Триозофосфат-изомераза

Трегалоза Лактоза

Гликоген, крахмал

Сахароза

D-глюкоза

D-галактоза

D-манноза

D-фруктоза

Глюкозо-1- фосфат

Глюкозо-6-фосфат

Фруктозо-6-фосфат

Фруктозо-1,6-бифосфат

Глицеральдегид-3-фосфат

ГлицеральдегидДигидроксиацетон-

фосфат

Фруктозо-1-фосфат

Маннозо-6-фосфат

УДФ-галактоза

УДФ-глюкоза

Вовлечение углеводов в

гликолиз

Белки Углеводы Липиды

Аминокислоты Моносахара Жирные к-ты,глицерол

Гликолиз

пируват

ЦИКЛ ТРИКАРБ. КИСЛОТ

ОКИСЛИТЕЛЬ-НОЕ

ФОСФОРИЛИ-РОВАНИЕ

Схема окисления глюкозы

ГЛЮКОЗА

2 этанол + 2 СО2

2 лактат

2 пируват

2 ацетил-КоА

4СО2 + 4Н2О

гликолиз

Гипоксия или анаэробные условия

анаэробные условия

аэробные условия

Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

СО2

Дрожжи

Сильно сокращающиеся

мышцы, эритроциты, микроорганизмы

Животные, растения, аэробные

микроорганизмы

Спиртовое брожение:

Молочнокислое брожение:

Анаэробный гликолиз

Маслянокислое брожение: глюкоза → С3Н7СООН + 2 CO2 + 2 H2O.

Лимоннокислое брожение: глюкоза → CH2COOH-C(OH)COOH-CH2COOH +

2 H2O.

Пируват L-лактат

Пируват Ацетальдегид Этанол

Молочнокислое брожение:

Спиртовое брожение:

Лактат дегидрогеназа

Пируват декарбоксилаза

Алькоголь дегидрогеназа

Ганс Кребс (Hans Adolf Krebs)

(1900-1981)

Нобелевская премия по медицине 1953 г.

(совместно с Fritz Lipmann)

Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

Итог цикла Кребса:

• 3 молекулы NADH• 1 молекула FADH2

• 2 молекулы CO2

• 1 молекула АТФ

Общая схема гликолиза,Цикла Кребса и окислительного фосфорилирования в митохондриях

Митохондрия – компартмент ЦТК и ОФ

МитохондрияATP-синтаза

(F0F1)Кристы

Внешняя мембрана

Легко проницаема для небольших

молекул и ионов

Внутренняя мембрана

Непроницаема для большинства небольших

молекул и ионов, включая Н+

Содержит:•Переносчики электронов дыхательной цепи (комплексы I - IV)•ADP-ATP-транслоказы•ATP-синтазу (F0F1)•Другие мембранные транспортеры

Матрикс

Содержит:•Пируват дегидрогеназный комплекс•Ферменты ЦТК•Ферменты β-окисления жирных кислот•Ферменты окисления аминокислот и другие•ДНК, рибосомы•ATP, ADP, Pi, Mg2+, Ca+, K+

•Многие растворимые метаболические интермедиатыРибосомы

Пориновые каналы

Субмитохондриальные частицы

Электрон-транспортная цепь

Белковые компоненты митохиндриальной ЭТЦ

Дыхательные ферменты

Хемиосмотическая модель синтеза АТФ

PLAY

АТФ-синтаза

Синтез АТФ путем ротационного катализа (binding change mechanism)

Итог – 36 молекул АТФ

PLAY

В цикле Кребса окисляются не только углеводы

PLAY

Стадия 1: образование ацетил-КоА

Амино- Жирные Глюкоза кислоты кислоты

Гликолиз

Ацетил-КоА

Пируват

Пируват-дегидрогеназный комплекс

Стадия 2: цикл трикарбоновых кислот – окисление ацетил-КоА до СО2 и Н2О

Ацетил-КоА

NADH, FADH2 (восстановленные

переносчики e-)

Цикл трикарбоновых

кислот

Стадия 3: перенос электронов и окислительное фосфорилирование

NADH, FADH2 (восстановленные

переносчики e-)

Дыхательная цепь (цепь переноса

электронов)

Возможные пути превращения глюкозы

ГЛЮКОЗА

окисление через пентозофосфатный путь

Рибозо-5-фосфат Пируват

окисление через гликолиз

Гликоген, сахароза

запасание

Гликоген-синтаза

Синтез гликогена

Образование разветвлений

Ветвящий фермент

Возможные пути превращения глюкозы

ГЛЮКОЗА

Рибозо-5-фосфат Пируват

окисление через гликолиз

Гликоген, сахароза

запасание

окисление через пентозофосфатный путь

Пентозофосфатный путь окисления глюкозы(первый этап)

Второй этап:

превращение рибозо-5-фосфата в гексозы происходит в ходе трансальдолазной и транскетолазных реакций