replikace DNA transkripce translace Biochemi Obr. 29-1 Ústřední dogma molekulární biologie. Plné červeno éipky označuji' typy přenosu genetické informace, probíhajícího v buňce. Speciální přenosy jsou označeny přerušovanými Šipkami: RNA-poíymorasa, řízená RNA, je přítomna v jistých virech i v některých rostlinách (kde má neznámou funkci); DNA-polymarasa, řízená RNA (reverzní transkriptasa), se vyskytuje v některých RNA-vírech; a DNA přímo určující protein není známa, ale zdá se, že její existence není zcela nereálná. K přenosu informace v jiných než vyznačených směrech, tzn. protein určující DNA nebo RNA, však nedochází. Jinými slovy, proteiny jsou pouze příjemci genetické informace. ukleových kyselin CHEMICKÁ MUTAGENEZE Tripletni charakter genetického kódu bylf objasnén užitím chemických rnuíagcnu, které indukují mutace. Před vlastním studiem genetického kódu probereme nejprve tyto látky. Existují dvě hlavni třídy mutací: 1. Dudové muface,_při kterých je jeden pár bází nahrazen druhým. Tyto mutace je dále možno rozdělit na: a) Přechody (transitions), při kterých je purinov-í. báze nahrazena opčt purinem a pyrimidínová báze pyrimidinem. b) Přesmyky (transversions), při kterých je purinavábáze nahrazena pyrimidinovou a pyrimidinova purinovo». 2. Inzerčně-deleční mutace, pří kterých dojde k vypadnutí (deleci) nebo vložení (inzerci) jednoho nebo více párů bází ze sekvence DNA. Biochemie nukleových kyselin 2 PŘEHLED AEROBNÍHO METABOLISMU proteiny cukry lipidy ADP ATP V [Mi] NAD+ — ^°*Tíi - NADH _^_ pyruvál ^_ J COj —»■ Acetyl-CoA * NAD*--FAD—* citrátový cyklus CO, oxidační losforylace NADH FADH2 -»-NADH ~-FADH2 HaO Obr. 15-3 Složité metabolity, jako jsou sacharidy, lipidy a proteiny, jsou nejprve degradovány na své monomerní jednotky, hlavně glukosu, mastné kyseliny a aminokyseliny, a dále na společný meziprodukt - acetyl-CoA. Acetylová skupina je poté oxidována kyslíkem na oxid uhličitý přes citrátový cyklus za současné redukce NAD+ a FAD. Reoxidace těchto koenzymů přes řetězec přenosu elektronů a oxidační fosfory i aci vede ke vzniku vody a ATP. GLYKOLYZA - VARIANTY A BILANCE GLYKOLYZA IA DP + 2P, glukosa Mr 2NAD ťrukiosa-1 .ri-bisfosfál 2ATP JV iiSWDH 2 pyruvát Obr, 16-1 Glykolýza přeměňuje glukosu na pyruvát při současné tvorbé dvou mofekul ATP. Za anaerobních podmínek probíhá další degradace pyruvátu jako alkoholové kvašení u kvasinek nebo redukce na mléčnou kyselinu ve svalu. Za aerobních podmínek je pyruvát oxidován na vodu a oxid uhličitý pres citrátový cyklus a oxidační fosfory I act. r anaerobní' mléčné kvašení 2NADH-. 2NAD+-*^ 2 laktát aerobní oxidace CmSATOVY CYKLUS 2NADH--J--- oxidační fosforylacc 2NAD+*yl 6 0, "~> an aeru b n í alkoholové kvašení /-2NADH ^*2NAD+ 6C0a + 6H20 2C02 + 2 ethanol Metabolismus a biosyntéza sacharidů 4 GLYKOLYZA - PRUBEH glukosafosfát glukosa-6-fosfát isomerasa hexokinasa (?)—0—CHtf fruktosa-6-fosfát ©— Q—CHj HjCOK 1 >ü> fosfofruktokinasa fruktosa-1,6-bisfosfát @-0-CHi HiC— Q^© A7P r^ aldolasa anaerobní mléčné kvašení ( CohUOH + CO. > cooe. ^ V'HO— C—H I la letá! * y v* glyceraldehyd- fosfát M—c—OH I H7COH I dihydroxyaceton-fosfát _ '2' '5W' ' ■ ^^2X anaerobnräll^Ôholové kvašení \ COo + Ho0 + ATP aerobní oxidace #=triosafosfátisomerasa glyceraldehydfosfátdehydrogenasa 1,3-bisfosfoglycerát fosfoenolpyruvát enolasa 3-bisfosfoglycerát fosfoglycerátmutasa 2-fosfoglycerát Metabolismus a biosyntéza sacharidů GLYKOLÝZA * x P ~^ f \ .--ATP GLUKONEOGENEZE «..o- f** jjlukívwi-fr-ľiT»1iii 1 juk"-ií'jtriii- li i| tcľJJSi n.n Ir uliti tajili v fojfama l'niklii<4-ft-riM|-j|tl \^ATP H.0- yA^ADP frukloHi-lAbhfufát li truialuíľJL dihydriíiy- iw.mťii>;i JdDlfljMkíiajJ liFfccraldchycU-fosfál Pr + HAJ)* N"AIJH * H >* NAD + P; f rtwftdrj rrvd-3- \ r..!.C(ji'liv-: ^*NADH i^ii.i.^i l^í-hiiícisfu^jca-át M4.lt :i iľ'-Js.!"* í.iikiii - i ATP --'J1P-**ATI) 3-fMfoÄlrí*r4t fiufc-(}tjTc'r.lliíttiu>,a (1,3) 2-ftwfofllytxrút nnjlíí.i tun ADP--. / pyrUYitJíinua ' WÁ) ATP pvniviít foxfoeanlp^rurÄI , (JDP f ('(J- V PElVí *V- Gl ■K TP oíilacetit f fcjŕ------+■ VHP + ľ. I pyruvů&iirbaHytui ATP + CG, y.-22.e.> Oör.21-7 Dráhy cjlukoneogeneze aglykolýiy, Tři očíslované kroky, která Jsou v rjhikonecjgenezi katalyzovůny oděnými en-xvmy, jsou označeny červenými šipkami. ZmĚny Gibüsovy volné energie reakcí vt směru giukcnoogoneie za fyziologických podmínek vjátrecn Jsou uvedeny viávcrkách vkJ/mo). GKkolýza: glukosa + 2KAD+ 4 2ADP + Ifl ------» 2pyruvát + 2NADH + 4H+ + 2 ATP + 2HjO Gluki-nieageneze: 2 pyrin* ■+■ 2NADH + 4H~ + 4ATP + 2GTP + älfcO — glukosa + 2NAD+ + 4ADP + 2GDP + 6Pi Celkově: 2ATP * 2GTP + 4HiO--- 2ADP + 2GDP + *P\ Takové ztráty volné eneigis v cyklickí m procesu jsou termodynamicky nevyhnutelné. Jsou energetickou cenou, která m uší byl zaplacena za udrženi nezávislé regulace obou drah. CORIHO CYKLUS játra krev sval glukosu ADP + GDP + P, »^ glukoiieogenezfi J ATP + ul\k(ij£i*n J> +ADP glykogcnoljrza a líK ki ilv/.i ATP taktál Obr. 21-9 Coriho cyklus. Laktát vznikající glykolýzou ve svalu je transponován krevním řečištěm do jater, kde je přeměněn v glukoneogenezi na glukosu, Ta se vrací krevním řečištěm zpět do svalu, kde může být uskladněna v podobě glyko-genu. Metabolismus a biosyntéza sacharidů 7 PENTOSOVÝ CYKLUS H,0 H H OH 6-fnsfogluno-S-luklon ■ ■ CH.OH C—O H-C-OH H—C —OH I h-fosfo-glukonát CH.OPOi ríbulusa-5-fnsfát ■li .i-ľ CH DH °N /H H— —OH H;OPOl glyceraIdehyd-3-fosfát ICAP) HO— (. — H H —C —OH I H—C—OH H— ( — OH i CH20PO; sťdoheptulosa-7-fosfát (S7PI II OH \ /° C i H —C —OH I C i H —C —OH ch.opo; ribosa-5-fmfái (R5P) isom HO-H I H,OH — O -H OH H— —OH I HjOPOi fruktosa-d-fosfál (F6P) erythrosa-4-fosfát l E4P) Obi. 21-22 ____________ Pentosový cyklus. Čísla u šipek znamenajf počat molekul vstupujících do cyklu během jedné obrátky, při přeměně třech molekul Glc-6-P na t/i molekuly CO2. dvě molekuly Fru-6-P a jednu molekulu Gra-3-P. Počínaje reakci 3 jsou cukry pro větší názornost uvedeny lineárními {Fischerovými) vzorci. Uhlíková kostra Rbs-5-P a atomů od něho odvozených jsou znázorněny červená. Jednotky Cj přenášené transketolasou jsou vyznačeny zeleně, jednotky C3 přenášené transaldolasou modře. 8 KREBSŮV CYKLUS pyruvát D H malát DH +30,0 HjC^e' «tál fumarát DH ^áldl -31,5 citrát-synthasa Čísla uvedená u reakcí jsou hodnoty AGo (kJ/mo!) (CH3-CO-COO-pyruvát ^ CoA + NAD+ . . - , oxidační dekarboxylace C02 + NADH 00c ^H fum*iir sukcinát DH {&) 00c cooe siikcfrtdl sukcinyl CoA ,33 HjC—chj synthetasa ^ ^0 SukcJílyUCoA HO—CH—CH—CHj 9ooc COO9 COO9 isocilrál ©isocitrát DH coí 0=C—CHj-CH 'i ň coo0 coo* 5 -ojí^ajijtafii a-oxoglutarát DH ZLUCOVE KYSELINY A CHOLESTEROL Obr. 23-S2 SLrukLura hlavních ŕfudovvch kyselin a jejícn kgfijLigátu & glyeinem S ■, tai-: ■::■■".■ Ä „.B<3—0-K. Hü' H.j^NH— tilg CDOH Chi>lovi Kyselin? ctKfDodw^díeiov* kytcliim gl/tíofhíJiůví kyselina g)ykur;li«iu*temycFiolavTÍ kyselina tHiunicholipvá kyselina tiurutiiPnijiJr.i.ijiyübiiLiwü kyselin* ^--v^.^' K^Jí '^SS*^ I.- !. i- f ..| Metabolismus a biosyntéza lipidů 10 ß-OXIDACE MASTNÝCH KYSELIN H H O I I II CH3—(CH2 >„ - (■ - C — C — SCoA fl H acyl-CoA ^— FAD -^. -- ETFr /acy]-CoA- nasa A dcbydrogcnasa H O I II CH3—(CH2)„ — C = C— C — SCoA H ŕrans -A1-« n oyt- CoA 3 -H20 enoy I -Co A ■ hydralasa H 0 I II CH3—( CHsj)«—C—CHa—C — SCoA OH 3-i-hvdroxyacyl-CuA NAD+ 3-l„hydn>xyacyl-( V>A-y tlfbydrugcnasa /^NADH + H+ t7TF:uhii;hini'n-. nidurcduktasu [ II- ubichinon-. ixitJorcduktasu qH 0 0 II CH3—CCH2»„ -r—CH2—C —SCoA ß-oxoacyl-CiiA — I,«ASM p-nxoacyl-CoA-lhiolasa O II CH3—(CHa -<" — SC*>.-\+ CH3—C—SCoA acyl-CoA uixtyl-CoA (kratsi o 2C) mkoohondrtitni f přeno» ľIľLíioíiu r-'o. :\nľ 2ATP Obr. 23-8 [1-Oxidace acy[koenzymu A. Metabolismus a biosyntéza lipidů 11 CO.. o BIOSYNTEZA MASTNÝCH KYSELIN fH.i— C— SCoA + H — SACP acetyt-CoA H —SCoA acctyl-CoA-ACP-trarísacylasa CHj—C —SCoA + H —SACP malonyl-CoA malonyl-CoA-ACP-transacvlasa H —SCoA 0 CH.|— ť — SACP acetyl-A CP CHä—C—SACP maloavl-ACP H—S —E H —SACP C",+ H—S —E , ß-nxnacyl-ACP-synthasa * (kondenzační en/.ym) CH i— C—CH2— C—SACP acetoacelyl-ACP H+ + NADPH —^ 4 (i-oxoaeyl-ACP-re&iktasa NADP4"*-^ OH 0 II CH ,— C —CH2— C — SACP ]] rví-hyJriixybutyryl-ACP Si p.liyJmaoyl-At*P-dehydralasa HaO "" | H O I II CH— C = C—C — SACP H a(ß-iruH.v-l)iiUnovl-ACP H+ + NADPH- NADP+*-^ cnuvl-ACP-reduklasa CH,— CHj—CH2— C—SACP hutvryl-ACP T . opakováni reakci 2-6 šestkrát «i II CH .CIL, — lCHäi,ä— C — SACP p*iraitoyl-ACP HjO—-J palraitoylthicesterasa * o II CH,I'll, — iCH.,in— C — O + H—SACP Obr. 23-26 Pořadí reakci pfi biosyntéze mastných kyselin. Při tvorbě palmitátu se opakuje sedm cyklu prodlouženi řetězce o Cj, načež nasleduje finálni hydro-lytický krok 12 pulmilúl ROZDÍLY MEZI ß-OXIDACI A BIOSYNTÉZOU MASTNÝCH KYSELIN ß-OXTDACE (MITOCHONDRIE) acyl-CoAlC *,> 11+2' r\\l> — FADH2-fr- enoyl-CoA H20-J s-i -hydroxyacyl-CoA KAjy-ß-oxoacyl-CoA 'x-------- acyl-CoA(Cn) CůAje prenašečem acvlowch F AD je akceptorem elektronů I -p-hydroxyacylová s k uputa NAD+ je akceptorem elektronů vytvofená Ct- íednotka je acelyl-CoA BIOSVNTEZA (CYTOPLASM A) AC P je přenaseccm acyl- acvlových ACPCC^j) n skupin NADPHje ,-» NADP+ donorem elektronů s— NADPH + FI* enovl-ACP i-*H20 l>ß-hydroxyacy skupina NADPHje ová 3-[>-hydroxyacyl-ACP i ,—*NAI»'* donorem elektronů *•— NADPH + H + ß-oxoacyl-ACP vvchozi donor ,-+■ CoA + COs f-,-jednotky je malonyl-CoA acyl-ACP — Miilunyl-CoA (in' Obr. 23-23 Znázornění rozdílů mezi drahami ß-oxidace a biosyntézy mastných kyselin se zvláštním zřetelem na (1) umístění v buňce, (2) přenaéeč acylové skupiny. {3) akceptor/donor elektronů. (4) stereochemit hydratační a dehydratačnl reakce a (5) formu, v jaké jsou tvořeny nebo poskytovány jednotky C2 Metabolismus a biosyntéza lipidů 13 ŠTEPENÍ FOSFOLIPIDU: FOSFOLIPASY fosfolipasii A, O o ■I CHa—O —C—R) R;—C—O—CH 0 I CH.-O-P-O—X H*0 ° S R'-<-°H CH2-O^C-R, I -----► H—O—CH O l'osfolipssa A, , / ° \ fosfolipasa C fosfoiipasa D fosfolipld CH>—O—P—O—X lysoľnsfo lipid Obr. 23-1 Fosfolipasa A2 hydrolyticky odštepuje Cp)-zbytek mastné kyseliny z triacylglyce-rotu za vzniku odpovídajícího Jysofosfolipidu Jsou vyznačeny také vazby hydro-lyzované jinými typy fosfo-lípas, které jsou nazývány podle jejich účinků. Metabolismus a biosyntéza lipidů 14 METABOLISMUS AMINOKYSELIN isoleucin teucin thraonin try ptofan glukosa as par agin aspartát uxafacetát citrát aspartát crmÁTovv \ fenylaianm — f um« rát CYKLUS isocitrál ty ros in f nari V h I'll. Sukcinyl-CuA 2-OXOj;lljtiirBt \ isoleucin methionin valtn arginm glutamát gl u tam in h f. 11 dm protin Obr. 24-3 Aminokyseliny jsou degradovány na jeden ze sedmi obecných meziproduktu Glukogenni degradace je vyznačena zeleně, ketogenni červeně Metabolismus bílkovin a aminokyselin METABOLISMUS AMINOKYSELIN (II) laktát Obr. 21-1 Metabolické dráhy vzniku oxal-acetátu z laktátu, pyruvátu a inter-mediátů citrátového cyklu. Všechny aminokyseliny kromě leucinu a lysinu mohou být těmito reakcemi převedeny na oxalacetat a dále na glukosu. alanin cystein glycin serin threonin tryptofan aspartát a spa rag i n II -> H,C—C—C n \ pyruviít V — CH,— CH.,— C— SC..A d sukciml-ťoA I isoleuctn methionin valin arginin glutamát glutamin riistidin prolin Metabolismus bílkovin a aminokyselin MOCOVINOVY CYKLUS HC—NH3 Obr. 24 4 Močovmový cyklus probíhá částečné v mitochondrjích a částečně v cytosolu. přičemž Ornithin a citrullin jsou pres mitochondrials membránu přenášeny specifickými transportrími systémy. Cyklu se účastní pět enzymu: (1) karba- moylfosfátsynthetasa, (2) ornithin-karbamoyltransferasa. (3) argininosukcinátsynthasa, (4) argminosukcinátlyasa a (5) argi- nasa respirační retezec -0.4 r ü2 - NADH -^rr^** NAITM).3I&VJ r kompfcx [ mkii m ^ ■ ■ ■ ■ nebi ■ amy to L • QJQ3QV) IklllML'.il komplex ff komplex 111 ŕS (Vi 0-2 0.-1 0.6 OR uuimycin A Obr. 20-8 Řetězec transportu elektronů v mito* chondrlich. Standard n< redukční potene íly neJporyhiivGjĚ/ch component íeiazc& (ze/árie) jsou znázorněny jako body, moúfů jsou znázorněna místa, Kde je získávána valná anargiB dostačující cro syntézu ATP a áQrvBná místa púsoaaní několika raspifBinr&n inhibitorů. R>vIiIoíjI, jakou mUocbou-driální suspenze spotřebovává Ob je citlivým ni unikum funkce ŕcLCzcc '.ruTispurlu clcktroni. Lrc ji vhudnŕ mcfii kyslíkovou elektrodou (obr. 20-9). Látky inhibujid transport elektronů (jak lze soudil £ jejich účinku na úbytek Oj v tnitiLo experimentálním uspoř add* ní) j sok n c ocenitelnými CKpcrimcn-i ill nimi pomocníky při zkoumání cĽsi roku etektroaít kaskádou a pro určování vsiupnídi mfat eleklrnnů í. různých substrain. K nejužitečnějším lakovým lál káni patrí rntcnon (rostlinný jed pouífvímý amazonskými Indiány k Irávcní ryb a slouííci rovnÉi jako insekticid), amylal (barbiiurát), anlimycín A (antibiotikum) a kyanid. «yWdTTBJBf !+0.235 VI komplex TV , JUar.frt IW i"ť JL ■HjOJ^&lä *| gr^femto p+], vytvořdmému koiRf)Q®^ l-lll-IV Respirační řetězec respirační řetězec komplex I komplex mezi m em b r áno vy prostor vnitřní mitochondrial!*!! membrána matrix XADH + H NAD* -;Oa + :ir il.o Obr. 20-13 Schéma mitochondriálního řetězce transportu elektronů znázorňující cestu přenosu elektronů {Černě} a "pumpování" protonů {červeně). Elektrony jsou přenášeny mezi komplexy I a lil v membráně rozpustným CoQ a mezi komplexy III a IV periferním membránovým proteinem - cylochromem c. Komplex II (neuveden) přenáší elektrony ze sukcinátu na CoQ, (Va světle nových měření jsou stechiometrie přenosu H+ odlišné; wztext.) Respirační řetězec 19 v w v respirační řetězec ď >««*'** vysoká [][^f meřim^biincwí H* H* rj* I**** + + * + | - ++ t + + + wnilFhi -j,iim* ___-L-----------------------I „ütofihondriäri . n^mbrin»_____ J _ __ *% nízká [H+] f\ ^Or H20 \Ji!' <■ ľ Obr. 20-22 Spřažení Iranaportu elektronů (istená äípŕa) a eyntézy ATP fcorcou elBflrocbemlckéhs graŕi&ntu prťtonD na vnitrní mito-ctiondnálnf membrána. H* jsou během transportu efeklionú "purupaváry vBn imttocíiondre (modté šípky) a jejich exer-gonieký návrat pohání syntézu ATP [čenen é Šipky). Respirační řetězec 20 v w v RESPIRAČNÍ ŘETĚZEC - TVORBA ATP ADP + P: ATP matrix '■ ■ li pn>k>ni)¥j ;anul vazebný pro (X Obr. 20-28 (a) Elektronová mikrofoiografíe rekonstruované mitochondrial™' ATP-synthasy (FoFrATP předpokládaného umístění jejích podjednotek. oio i n ! sy) a (b) schematické znázornění H+ Respirační řetězec 21 FOTOSYNTÉZA: 1. SVETELNÁ FAZE PS 680* íots-^Eiäl rtduktajia qzml G. n.. Ä: sJlifc tu dani PMT PS 680 cyt^chnom t M PS700* r«JuMar.b f vf NADF" + H+ s V (h® \ ; i »b* KÍ PS 700 vnéjši membrána stromální thylakoidy vní/ni membrána mezimembránový prostor gran um stroma Q H+ mŕ^w&% m fs« ccirr-plaui ■L El ■psí h*»*', ■. ■■^rcn-n < far r-T^-.'^-flT^ -y ííV^>í'Vi:ír^Tíivl#l^-4l fe|;il -":,: SliCťr-i Fotosyntéza 22 FOTOSYNTÉZA: 2. TEMNOSTNÍ FÁZE= CALVINŮV CYKLUS (tvorba glukosy) 11 Ir.inskclolasa (->g I u kosa...) Obr. 22-23 Calvinův cyklus. Počet čar v jednotlivých šípkách udává, kolik molekul musí vdaném kroku reagovat, aby se uskutečnila jedna úplná oločka cyklu, která ze tří molekul C02 vytvoří jednu molekulu Gra-3-P. Pro přehlednost jsou pro všechny cukry uvedeny lineární vzorce, i když hexosy aheptosy existují převážné v cyklických formách (sekce 10-1 B), V polohách, jejichž uhlíky jsou vyznačeny červeně, bude UC po jedné otočce cyklu s 14CC>2 jako substrátem. 23