Základní biochemické pochody v trávící soustavě člověka

2

O2

CO2

potravavoda

stolice moč

Člověk patří mezi chemoorganotrofní aerobní organismy

Chemotrofní organismy získávají energii oxidací živin. Chemotrofní organismy využívají chemické reakce jako zdroj energie.

Co musí obsahovat naše strava?• Bílkoviny• Sacharidy• Lipidy• Vitaminy a minerální látky• Vodu

Heterotrofní (organotrofní) organismymají za hlavní zdroj uhlíku jiné organické látky (cukry, bílkoviny, lipidy).

Aerobní organismus potřebuje ke svému životu nezbytně kyslík.

cukry,tuky, bílkoviny

CO2

FADNAD+

FADH2NADH+H+

Energie (ATP)

O2

H2O

obnova buněčných struktur

Dýchací řetězec

+

Proč musíme přijímat potravu a dýchat?

Schéma metabolismu

Metabolismus makromolekul

Sacharidy

Ketotriosa a aldotriosy

D- a L- izomery

= zrcadlové obrazy(enantiomery)

významné jsouD-monosacharidy

zrcadlo

a anomery

pouze cyklickéformy

-/-OH = anomerní(poloacetalová)hydroxylová skupina

• při rozpouštění cukru ve vodě se ustanovuje rovnováha mezi anomery = mutarotace

(optická otáčivost anomerů se liší)

-D-Glc

-D-Glc

-Glc(1→4)Glc -Gal(1→4)Glc -Glc(1→2)- Fru

Volný poloacetalový hydroxyl redukční účinky

Polysacharidy

Katabolismus sacharidů

Lysozym

Trávení a absorbce sacharidů v tenkém střevě

Resorbční fáze

GLUT-4 závislý na inzulínu

Glykolýza

Čistý zisk na 6 uhlíků:2 ATP2 NADH

1. fosforylace

2. štěpení hexosy na dvě vzájemně převoditelné triosy

3. vytvoření ATP na úrovni substrátu.

Anabolismus sacharidů

Postresorbční fáze

Glukoneogenese v játrech Glukoneogenese hlavně v játrech (90%) Prekurzor:

1. Aminokyseliny -ze svalů (dlouhodobé hladovění-degradace svalových proteinů)2. Laktát -z erytrocytů a svalů3. Glycerol -degradace tuků

Kortisol, glukagon, adrenalin: stimulují glukoneogenesi Insulin: inhibuje glukoneogenesi

Krebsův cyklus (1937)

Oxidace acetyl-CoA za vniku 2 CO2 a energie uvolněná touto reakcí je „uložena” do koenzymů (3 NADH, 1 FADH) a 1 GTP (živočichové) nebo 1 ATP (rostliny a baktérie)

Sled 8 reakcí

Jak probíhá?

Matrix mitochodrie

Cyklus je: aerobní

Centrální cyklus

Glykogen

Glykolýza

Glukosa

Pyruvát

CO2

Acetyl-CoA

2 CO2

Mastné kyselinyAminokyseliny

CITRÁTOVÝ CYKLUS

Má dvě části: katabolickou, kde se odbourává acetyl-CoA

anabolickou, která je zdrojem substrátů pro jiné dráhy

Centrální cyklus

30

OH

CH2

C

CH2 COO-

COO-

COO-

OH

CH2

CH

CH COO-

COO-

COO-

NAD+

NADH

O

CH2

CH2

C COO-

COO-

CH2

O

CCH2 S CoA

COO-COO

-

CH2

CH2

COO-

CH

COO-

COO-

CH

OH CH

COO-

COO-

CH2

OC

COO-

COO-

CH2

NAD+

NADH

NAD+

NADH

FADFADH2

GTP

HS-CoA

HS-CoAO

S-CoACCH3

HS-CoA

OH2

sukcinát

4H + O2

2H2O

CO2

CO2

sukcinylkoenzym A

dýchací řetězec

H+

H+

H+

+

+

+

+GDP P

ATP ADP

GDP

oxalacetátcitrát isocitrát

2-oxoglutarát

fumarát

malát

31

Během dýchání dochází k oxidaci živin, a tím vzniká energie potřebná pro pohon řady biochemických procesů.

Respirace (dýchání)

O2

CO2

32

Dýchací řetězec je lokalizován ve vnitřní mitochondriální membráně.Citrátový cyklus probíhá v matrix mitochondrie.

Vnější membrána

Vnitřní membrána

Matrix

Mezimembránovýprostor

Mitochondrie

33

Dýchací řetězecDýchací řetězec je souborem reakcí, které ukončují energetické odbourávání monosacharidů, mastných kyselin, glycerolu a aminokyselin.

V dýchacím řetězci probíhá oxidace redukovaných koenzymů: NADH + H+ → NAD+ + 2H+ + 2e-

FADH2 → FAD + 2H+ + 2e-

Protony jsou přenášeny do mezimembránového prostoru.

Elektrony jsou přenášeny po sérii akceptorů na elementární kyslík za vzniku vody.

4H+(z matrix) + 4e- + O2 → 2H2O + energie

34

Enzymové komplexyI

NADH-CoQoxidoreduktasa

IISukcinát-CoQ

oxidoreduktasa

IIICoQH2–

cytochrom c oxidoreduktasa

IVCytochrom c

oxidasaATP-synthasa

Matrix

III IV

+ + + +

- - - -

2H2O

4H+

4e-

4H+

2e-

V

H+

ADP + P

ATP

H+

2e-

IIe-

FADH2 FAD

e-2H+

CoQH2

CoQH.

I

NADH + H+NAD+

e- 2H+

2H+

CoQH.

Cyt c

Cyt c

Cyt c

CoQH2

e-

O2

+

e-

4H+

2H+

e-

2H+

2H+

Sukcinát-OOC-CH2-CH2-COO-

Fumarát-OOC-CH=CH-COO-

Mezimebránovýprostor

35

Vnější mitochondriální membrána Vnitřní mitochondriální membrána

Pyruvát Mastné kyseliny

Cytosol

Pyruvát Mastné kyseliny

Citrátový cyklus

Acetyl-CoA

3NADH; FADH2

2CO22CO2

O2

O23NAD+, FAD

2H2O

ATP-

synthasa

H+H+ H+ H+

H+

H+H+

H+H+

H+

ADP + P

H+

H+

H+H+ H+e-

Dýchací řetězec

Schéma energetického metabolismu v mitochondriích

Matrix

ATP

H+

(Pomocí přenašeče)

pH=8

pH=7

NADHFADH2

O21/2

Oxidačně-redukční reakce0

10

20

30

40

50

53

Volná

ener

gie

vzta

žená

na

O2(k

cal/mol)

Fe•SFe•SFMN

Q

Cyt b

Fe•S

Cyt c

Cyt cCyt a

Cyt a3

Jak je tato energie využita?

Metabolismus makromolekul

Lipidy

Triacylglyceroly

• Skladují velké množství metabolické energie.

• Kompletní oxidací 1g mastné kyseliny 38 kJ energie1g 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 energiíjeden den, proti tomu zásoby triacylglyceroly vystačí na týdny.

• U savců je hlavním místem akumulace triacylglycerolů cytoplasmaadiposních buněk (tukových buněk).

Značení uhlíkových atomů mastných kyselin

CH3CH2

CH2

CH2

CO-

O-

12

3

-

n

Mastné kyseliny – nositelky hydrofobních vlastností

CO-

O-

Palmitát(ionizovaná forma kyseliny palmitové)

CO-

O-

Oleát(ionizovaná forma kyseliny olejové)

-

-

Mastné kyseliny

Strukturní lipidy v plasmatické membráně savčí buňky

Propustnost membránKteré typy molekul mohou procházet volně přes membránu ?

A které ne ?

70

jazyková lipáza

pankreatická lipáza

kolipáza

žlučové kyseliny

Triacylglyceroly

LUMEN SVALOVÁ BUŇKA

LipasyOH2

Mastné kyseliny

Monoacylglyceroly

+ Triacylglyceroly

Další lipidy a proteiny

Chylomikrony Do lymfatického systému

Střevní buňka

Tenké

střevo

ústa

žaludek

pankreas játra

Lymfa

portální žíla

Triacylglyceroly z potravy

• Triacylglyceroly ze střevní sliznice jsou z důvodu nerozpustnosti převáděny na micely za účasti žlučových kyselin. Žlučové kyseliny jsou amfipatické (obsahují polární i nepolární části), jsou syntetizovány v játrech a uvolňovány ze žlučníku.

• Žlučové kyseliny obalí triacylglyceroly a usnadní tak funkci hydrolytickým lipasám.

CH3

OH

CH3

CH3NH

HOH

H

OH

H H

O

COO

Glykocholát

-

Resorbční fáze

Katabolismus lipidů

ATP

+

7TM receptor

Hormon

GTP

Adenylátcyklasa

cAMP

Proteinkinasa Proteinkinasa

Triacylglycerollipasa Triacylglycerollipasa

P Triacylglycerol

Diacylglycerol

Volné mastné kyseliny

Glycerol

Další lipasy

Hormonální regulace hydrolýzy triacylglycerolů

Hormon senzitivní lipasy adiposních buněk jsou aktivoványadrenalinem, (nor…), glukagonem a ACTH. Insulin má inhibiční efekt na hydrolýzu triacylglycerolů.

CH2

C

CH2

HO

O

R 2

O R3

O R 1

OO

Lipasa

O

O R 1

-

CH 2OH

C

CH 2OH

HOH

O

O R 3

-Triacylglycerol Glycerol

Mastné kyseliny

3 H 2O 3 H +

O

O R 2

-+

Lipolýzou uvolněné mastné kyseliny se váží na sérový albumin, který slouží jako jejich nosič do tkání. Glycerol se absorbuje v játrech.

Aktivace mastných kyselin

O

OR

- + ATP

O

AMPR

PPi+

Mastná kyselina Acyladenylát

O

AMPR+

O

SRCoACoASH

Acyl-CoA

+ AMP

Acyladenylát

Na vnější membráně mitochondrie jsou mastné kyseliny aktivovány za katalýzy acylCoA synthetasy.

Transport aktivované mastné kyseliny do matrix mitochonodrie

Cytosol

Matrix

Karnitin

CoA

Acylkarnitin

Karnitin Acylkarnitin

CoAAcyl-CoA

Acyl-CoA

Translokasa

karnitinacyltransferasa I.

karnitinacyltransferasa II

Výtěžek kompletní oxidace palmitátu

Palmitoyl CoA + 7 FAD + 7 NAD+ + 7 CoA + 7 H2O8 acetyl CoA + 7 FADH2 + 7 NADH + 7 H+

V dýchacím řetězci se získá z jednoho NADH asi 3 ATPa z jednoho FADH2 asi 2 ATP.

Sečteno:7 x FADH2 = 14 ATP7 x NADH = 21 ATPOxidace 8 acetyl CoA v citrátovém cyklu = 88 ATPSoučet : 118 ATPSpotřeba na aktivaci mastné kyseliny: 2 ATPKonečný součet : 116 ATP

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 allosterickyaktivována nadbytkem citrátu, naopak je inhibována nadbytkem Acetyl CoA, které nejsou dostatečně rychle esterifikovány.

Dva kroky katalýzy.

Multienzymový komplex – acetyl CoA karboxylázaAcyl přenášející protein ACP-SH

Insulin má stimulační efekt na bisyntézu triacylglycerolů.

Transfer acetylCoA do cytosolu

CYTOSOLMITOCHONDRIE

CitrátAcetyl-CoAAcetyl-CoA

Pyruvát

Oxaloacetát

Malát

Citrát

Pyruvát

Oxaloacetát NADH

NADPH

acetyl CoA karboxyláza

+

Biosyntéza MK

ACPS

CCH3

O

Acetyl-ACP

+

ACP + CO2

ACPS

CCH2

O

CCH3

O

Acetoacetyl-ACP

KONDENZACE-

CCH2

C

O

OACP

S

O

Malonyl-ACP

Kondenzace - zjednodušeně

Rozdíly mezi odbouráváním a syntézou mastných kyselin

1. Syntéza mastných kyselin probíhá v cytoplasmě, odbourávání v matrixmitochondrií.

2. Meziprodukty syntézy mastných kyselin jsou kovalentně vázány na sulfhydrylovéskupiny ACP (acyl carrier protein), kdežto meziprodukty degradace jsou vázányna SH skupinu CoA.

3. Enzymy syntézy vytvářejí polypeptidový řetězec (synthasa mastných kyselin).Enzymy degradace jsou umístěny volně v matrix.

4. Řetězec mastných kyselin se prodlužuje o dva uhlíky z acetyl CoA. Aktivovanýmdonorem dvou uhlíků je malonyl CoA a prodlužování řetězce je poháněnoodštěpováním CO2.

5. Redukčním činidlem při syntéze je NADPH, oxidačními činidly při degradaci jsouFAD+ a NAD+.

6. Prodlužování řetězce na synthase mastných kyselin končí tvorbou palmitátu (C16).Další prodlužování řetězce a tvorba nenasycených kyselin probíhá na jinýchenzymech.

Regulace metabolismu mastných kyselin

•Syntéza mastných kyselin probíhá za situace, kdy je dostateksacharidů a energie a nedostatek mastných kyselin.

•Ústřední klíčovou roli hraje acetyl CoA karboxylasa.

•Karboxylasa je pod kontrolou adrenalinu, glukagonu a insulinu.

•Insulin stimuluje syntézu mastných kyselin aktivací karboxylasy,glukagon a adrenalin mají opačný účinek.

•Citrát, znak dostatku stavebních jednotek a energie, aktivujekarboxylasu.

•Palmitoyl CoA a AMP, naopak, inhibují karboxylasu.

Metabolismus makromolekul

Bílkoviny

aminokyseliny s rozvětvenými řetězcivalin, leucin, izoleucin, methionin

aminokyseliny s aromatickým cyklem tryptofan, fenylalanin, tyrosin

Esenciální aminokyseliny

Glukogenní (vznik glukózy) alanin, asparagová k. asparagin, glutamová k., glutamin a prolinKetogenní (vznik MK) leucin

Rozdělení aminokyselin podle funkce v metabolismu

Glukogenní a ketogenní aminokyseliny

80

renin/chymosin (kojenci)

Tenké

střevo

ústa

žaludek

pankreas játra

pepsinpepsinogenpH gastrin

+

+

+

Trávení bílkovin

portální žíla

Sekrece HCl v žaludku

trypsinogenenteropeptidáza

renin/chymosin (kojenci)

Tenké

střevo

ústa

žaludek

pankreas játra

pepsinpepsinogenpH

chymotrypsinogen

trypsinogen

chymotrypsin

gastrin

sekretin

+

+

+

+-

cholecystokinin

+

Trávení bílkovin

+

+

portální žíla

74

Peptidový řetězecH3N+

COO-

aminopeptidasa karboxypeptidasaendopeptidasa

endopeptidasatripeptidasa

dipeptidasa dipeptidasadipeptidasa

Trávení bílkovin

mitochondrie cytoplasma

Biosyntéza bílkovin

Centrální dogma molekulární biologie

Proteosyntéza