Buněčný metabolismus ©Biochemický ústav LF MU 2018 (JG, JD) Biochemie •Věda o chemických složkách živých buněk a o reakcích a procesech, které se tyto složky zúčastní. •Věda o životě na molekulové úrovni. • 2 Metabolismus •meta – přes, balló – házím = látková výměna • •Je to soubor všech enzymových (metabolických) reakcí, při nichž živý organismus využívá a produkuje energii. • •Živý organismus vyžaduje neustálý přísun energie pro tvorbu a obnovu stavebního materiálu. 3 Význam metabolismu •Zajištění energie – děje katabolické (degradační, exergonní reakce). •Zajištění syntézy molekul – děje anabolické (syntetické, endergonní reakce). •Katabolické a anabolické děje jsou na sobě závislé. • • 4 Metabolismus člověka •Proč přijímáme potravu? •Je to zdroj energie •Jmenujte základní živiny. •Bílkoviny •Tuky •Cukry •Energie obsažená v živinách se během metabolismu přeměňuje na energii využitelnou pro buněčné procesy. •Jak probíhá přeměna živin na energii potřebnou pro buněčné procesy? •Oxidace většiny živin na CO2 •Dehydrogenace a navázání vodíku na redukční kofaktory FAD a NAD+ •Reoxidace kofaktorů v dýchacím řetězci •Vznik ATP – využito pro anabolické pochody 5 6 Stálost vnitřního prostředí A + B C + D 7 Živý organismus je tedy otevřený systém •trvale přijímá živiny s vysokou entalpií (H – energie) a nízkou entropií (S – uspořádanost systému = složité struktury). •živiny přeměňuje na odpadní produkty s nízkou enthalpií a vysokou entropií (= jednoduché struktury). •Gibbsova energie uvolněná při těchto procesech udržuje v běhu biochemické pochody a zajišťuje vysoce organizovanou buněčnou strukturu. •část energie se přemění na využitelnou formu, část na teplo, které je pro organismus nevyužitelné. • 8 Exergonní děje •Gibbsova energie se uvolňuje, Δ G < 0. •Uhlíkaté sloučeniny s vysokým obsahem vodíku. •Spojené s přeměnou složitějších struktur na jednoduché produkty. •Katabolické děje. •Samovolné děje. 9 Endergonní děje •Gibbsova energie se spotřebovává, Δ G > 0 . •Jednoduché sloučeniny z nichž vznikají složitější molekuly. •Anabolické děje. •Mohou probíhat jedině ve spřažení s exergonickými reakcemi. 10 Spřažení exergonické a endergonické reakce •Přeměna látky A na látku B probíhá za uvolnění energie a je spřažena s reakcí, ve které se uvolněná energie spotřebovává k přeměně látky C na látku D. 11 Spřažení exergonické a endergonické reakce •Spřažení dehydrogenačních a hydrogenačních reakcí pomocí přenašeče • • •Přenos Gibbsovy energie z exergonické na endergonickou reakci pomocí vysokoenergetického intermediátu (~ E ) • 12 Spřažení za účasti vysokoenergetické sloučeniny •Nejčastěji je jako vysokoenergetický intermediát využíváno ATP. •Při spřažení dochází k přenosu fosforylové skupiny –PO32- na jiné látky. •Přiklad: •Tvorba glukóza-6-fosfátu (první rce glykolýzy) •–PO32- je pomocí enzymu kinázy přenášen z ATP na glukózu. 13 Vysokoenergetická sloučenina = Energicky bohatá sloučenina = Makroergní sloučenina •Sloučenina, která hydrolytickým štěpením své vazby poskytne přibližně stejnou nebo větší energii než je ΔG0´pro hydrolýzu ATP. • • • •Nejčastěji se jedná o funkční deriváty kyseliny fosforečné H3PO4. • • ATP AMP + PPi ATP ADP + Pi - 32,2 kJ/mol - 30,5 kJ/mol 14 Vysokoenergetické sloučeniny 15 Makroergní sloučeniny •Fosfoenolpyruvát -61,9 kJ/mol enolfosfát •Karbamoylfosfát -51,4 kJ/mol anhydrid •1,3-bisfosfoglycerát -49,3 kJ/mol anhydrid •Kreatinfosfát -43,1 kJ/mol amid •ATP → AMP + PPi -32,2 kJ/mol anhydrid •ATP → ADP + Pi -30,5 kJ/mol anhydrid •Glukóza-6-fosfát -13,8 kJ/mol •Glycerol-3-fosfát -9,2 kJ/mol • Estery kyseliny fosforečné nejsou makroergní sloučeniny! 16 Makroergní sloučeniny vzorce A) B) C) D) E) F) 17 ATP v buňce •ATP je univerzální energetické platidlo. •Životnost ATP v buňce je přibližně 2 minuty a musí být stále doplňováno. •Okamžitý obsah ATP v těle je asi 100 g. •Denně je produkováno 60–70 kg. • •Adenylátkináza udržuje rovnováhu mezi ATP, ADP a AMP • ATP + AMP ↔ 2 ADP •Ve zdravé buňce poměr [ATP]/[ADP] = 5–200 • Energetický náboj buňky •Energetický náboj buňky klesne k nule, buňka zaniká! • 18 Tvorba a štěpení ATP na ADP Vodrážka Z.: Biochemie, Academia, Praha 2002 19 Regulace metabolismu •Probíhá na několika úrovních: •regulace aktivity enzymů • (allosterické vlivy, inhibice produktem, dostupnost substrátu) •kovalentní modifikace enzymů (fosforylace) •regulace množství enzymů • (proteosyntéza a degradace) •kompartmentace a orgánová specializace •hormonální regulace • • 20 Kompartmentace metabolických dějů v buňce Kompartmentace buňky •Je rozdělení buňky do jednotlivých samostatných oddílů. •Umožňuje: •Průběh protichůdných metabolických drah (β-oxidace MK a syntéza MK) •Udržení vysoké lokální koncentrace komponent v kompartmentu (samovolná difůze, čím více substrátu, tím je enzym více nasycen substrátem, tím rychleji proběhne reakce) •Regulaci metabolických drah, které se odehrávají v různých kompartmentech (syntéza močoviny mitochondrie/cytozol) •Ochrana buňky před „agresivním“ obsahem kompartmentu (lysozomální enzymy) •Ochrana před působením nepříznivých sil okolního prostředí • • 22 Živočišná buňka 23 Buněčné kompartmenty •Organely v buňce jsou obklopeny membránami, které oddělují vnitřní prostředí organely od cytosolu. •V membránách se nachází transportní bílkoviny a receptory, které regulují obsah přicházejících a odcházejících látek a udržují tak stálé složení vnitřního prostředí organely. •Každá organela tak má charakteristické vnitřní prostředí a je vybavena pro určité metabolické pochody. •V různých typech buněk může být zastoupení látek v organelách různé. 24 Cytoplazmatická membrána Fluidně-mozaikový model: dvojvrstva fosfolipidů, v níž jsou zabudovány membránové proteiny. Polární „hlavy“ fosfolipidů jsou vystaveny na obou površích membrány, nepolární zbytky mastných kyselin jsou orientovány do vnitřní části membrány. 25 Fosfolipidy •Charakter tenzidu (polárně/nepolární) •Glycerolfosfolipidy •Fosfatidylcholin = lecitin •Fosfatidylserin •Fosfatidylinositol •Fosfatidylethanolamin •Sfingolipidy •Sfingomyelin • • 26 Proteiny v membránách •Funkce membránových proteinů •Enzymy •Transportéry •Receptory •Kanály 27 Transport přes buněčné membrány •Mechanismy transportů jsou závislé na povaze látek, které mají být přes membrány přenášeny (polární/nepolární látky) •Transportní mechanismy: •Specifické •Nespecifické •Dělení dle potřeby energie: •Pasivní •Aktivní • 28 29 Jádro •Největší subcelulární organela. •Obsahuje jadérko. •Jaderný obal se skládá ze dvou membrán, v nichž jsou jaderné póry. •Pomocí pórů se do jádra dostávají proteiny syntetizované v cytoplazmě a opačným směrem RNA a ribosomy. •Vnější membrána navazuje na ER. •Jádro obsahuje hlavně chromatin (DNA + bílkoviny histony). Jádro replikace DNA, transkripce a posttranskripční úpravy mRNA a tRNA Jadérko syntéza rRNA a ribosomů 30 Mitochondrie •Vnější membrána: •dobře propustná pro většinu molekul • obsahuje bílkovinu porin, která tvoří propustné póry •Vnitřní membrána: •velmi nepropustná •obsahuje řadu bílkovinných transportérů a enzymy a kofaktory dýchacího řetězce, •ATP-asa syntetizující ATP •Matrix: •citrátový cyklus • b-oxidace •replikace DNA • proteosyntéza (13 proteinů dýchacího řetězce a oxidační fosforylace) • v játrech část močovinového cyklu, některé transaminace, oxidační dekarboxylace pyruvátu ad. •Mitochondrie se mohou dělit •Mitochondriální DNA – cirkulární, méně než 1% buněčné DNA, celkem 37 genů, pouze 13 kóduje bílkovin 31 Endoplazmatické retikulum •Síť membránových tubulů a vezikulů •Hladké ER: •syntéza triacylglycerolů •desaturace a elongace mastných kyselin •metabolismus cizorodých látek pomocí P450 •metabolismus steroidních hormonů •Hrubé ER •spojené s ribosomy •posttranslační úprava bílkovin a jejich transport do dalších částí buňky • 32 Golgiho komplex •Membránové váčky navazující na ER •Cis-Golgi – přivrácené k jádru •Trans-Golgi – přivrácené směrem k plazmatické membráně •Posttranslační modifikace proteinů • 33 Lyzozom •Intracelulární organely zodpovědné za buněčné trávení. •Jednoduchá membrána zabraňuje úniku lyzosomálních enzymů do cytoplazmy. •Rozkládá látky přijaté endocytosou,pinocytosou, fagocytosou nebo autofagií. •Obsahují hydrolytické enzymy (nukleasy, fosfatasy, glykosidasy, esterasy, proteasy). •Štěpí složité molekuly na jednoduché produkty, které se vrací do cytoplazmy. •pH v lyzosomech je kolem 5,5. • 34 Peroxisom •Velikostí se podobají lyzosomům, mají jednoduchou membránu. •Využívají molekulární kyslík k oxidačním reakcím. •Odbourávají delší mastné kyseliny (>20 C) na kratší MK. •Metabolizují cholesterol na žlučové kyseliny. •Syntetizují plazmalogeny. •Při jejich metabolismu vzniká H2O2, který je štěpen pomocí enzymů katalasy a peroxidasy. •Mohou se dělit. • 35 Proteazom •Proteinový útvar cylindrického charakteru. •Degradace nepotřebných nebo nefunkčních proteinů. •Degradace probíhá pomocí proteáz, které štěpí proteiny na kratší peptidy. •Před degradací „polibek smrti“ ubiquitinem. 36 Cytozol •Největší oddíl v buňce. •Charakter vodného gelu s mnoha rozpuštěnými látkami. •Obsahuje celou řadu enzymů a dalších proteinů. •V cytosolu probíhá řada chemických pochodů: •první kroky metabolismu molekul vstupujících do buňky •metabolismus glukózy •syntéza proteinů •Syntéza MK •Část ureosyntetického cyklu • 37 Kompartment Metabolické děje Cytoplazmatická membrána Transport, výměna látek s okolím Cytozol Glykolýza, syntéza MK, část glukoneogeneze, metabolismus glykogenu, část ureosyntetického cyklu, část syntézy hemu, aj. Mitochondrie Dýchací řetězec, β-oxidace MK, citrátový cyklus, část syntézy hemu, část ureosyntetického cyklu, syntéza ketonových látek, částečná syntéza DNA, částečná transkripce a replikace Jádro Transkripce, replikace nebo-li syntéza DNA, RNA Jadérko Syntéza a úprava rRNA Drsné ER Posttranslační modifikace proteinů, syntéza proteinů Hladké ER Syntéza fosfolipidů a TAG, část syntézy cholesterolu, syntéza steroidních hormonů, metabolismus cizorodých látek Golgiho aparát Zrání proteinů – modifikace proteinů (sulfatace, fosforylace, glykosylace) Lyzozom Enzymatické odbourávání makromolekul a buněčných organel = intracelulární trávení Proteazom Degradace nepotřebných, nefunkčních a nebo špatně sbalených proteinů Peroxizom Odbourání delších MK na kratší MK, přeměna cholesterolu na žlučové kyseliny, syntéza plazmalogenů, metabolismus peroxidu vodíku 38