Energetický metabolismus Základy termodynamiky
• buňka a energie– membránový potenciál– syntéza– pohyb
• samovolnost průběhu reakce - ΔG • ΔG < 0 – samovolný průběh• ΔG > 0 – nutná spřažená reakce• ΔG = ΔH –TΔS• ΔG = ΔG0 + RT ln[C].[D]/ [A].[B]
• rovnováha ΔG0 = -RT ln Krov
Chemická vazba a energie
délka, pm
energie, kJ.mol-1
C-C 154 348
C=C 137 607
C≡C 120 833
ΔS při fázovýchzměnách
vzrůst S s teplotou
Energií bohaté sloučeninyΔG0´, kJ mol-1
fosfoenolpyruvát -61,9 glykolýza
1,3 - bisfosfoglycerát -49,3 glykolýza
karbamoylfosfát -49,3syntéza močoviny, pyrimidinů
kreatinfosfát -43,1 sval
ATP -30,5 univerzální
acyl-CoA -30 syntéza MK
GTP -30,5 syntéza bílkovin
UTP -30,5 glykosidová vazba
CTP -30,5 syntéza fosfolipidů
ITP -30,5 glukoneogenéze
ATP• ΔG0 = -30 – -35 kJ mol-1 • většina – udržování membránových potenciálů• denní spotřeba energie 12.000 kJ (účinnost 40 %) =
145mol ATP = 75 kg ATP • koncentrace ATP v tkáni cca 1 mM • zásoba 1-2 min.• koenzym kinas
– glukosa-6-fosfát– fruktosa-6-fosfat– fosforylace kreatinu
• proteinkinasy a proteinfosfatasy– Ser, Thr, Tyr
N
NN
N
NH2
O
OHOH
HH
HH
OPO
O
O
PO
O
O
PO
O
O
Syntéza ATP
koenzymy E, V
NAD+/NADH + H+ -0,32
FMN/FMNH2 -0,08
ubichinon/ubichinol +0,05
cytochrom c (Fe2+/Fe3+) +0,24
O2/O2- +0,82
substrátová fosforylace• 1,3 bisfosfoglycerát + ADP + P + H2O → 3-fosfoglycerát + ADP
fosforylace spřažená s tokem elektronů• dýchací řetězec• transformace ΔG redoxních reakcí na ATP
Mitochondrie
Enzymy dýchacího řetězce • komplex I - NADH-ubichinonreduktasa• komplex II - sukcinát-ubichinonreduktasa• komplex III - ubichinol-cyt c-reduktasa• komplex IV – cytochrom c-oxidasa
N
H
H
H H
R
O
NH2
N
HH
H H
R
O
NH2
H
N
N
N
NH
R
O
O N
N
N
NH
R
O
O
H
H O
O
O
O
H3C
H3C
CH3
R
OH
OH
O
O
H3C
H3C
CH3
R
NAD+/NADH + H+
FAD+/FADH + H+
FMN+/FMNH + H+
ubichinol/ubichinon
NADH + H+
NAD+
ubichinolubichinon
cyt c
½O2 / H2O
FADH+H+
FAD+
2 H+ + 2 e-
0,36
0,19
0,58
-69,5
-36,7
-112,0
ΔE, V ΔG kJ mol-1
komplex I
komplex III
komplex IV
komplex II
Σ 1,13 Σ -218,2
Dýchací řetězec
Vnitřní mitochondriální membrána
Syntéza ATP – aerobní fosforylace
• komplex V – ATP-syntasa (FiFo-ATPasa)
• přeměna gradientu H+ na ATP
• NADH + H+ - 3 (2,5) ATP
• FADH + H+ - 2 (1,5) ATP
• 90 % ATP – aerobní fosforylace
• rozpojovače – uncouplers– 2,4-dinitrofenol– hnědý tuk – thermogenin – adaptace na chlad
ATP-syntasa
Citrátový cyklus – křižovatka metabolických drah
• utilizuje acetyl-CoA – společný meziprodukt: sacharidů, lipidů, proteinů
• katabolická funkce: syntéza ATP
• anabolická funkce: syntéza AMK, hemu, glykosy, lipidů
Předpoklady průběhu
• acetyl-CoA
• oxalacetát: anaplerotické reakce
Energetická bilance
Reakce Kofaktor ATP
isocitrát → 2-oxoglutarát NADH + H+ 3 (2,5)
2-oxoglutarát → sukcinyl-CoA NADH + H+ 3 (2,5)
sukcinyl-CoA → sukcinát - 1
sukcinát → fumarát FADH + H+ 2 (1,5)
malát → oxalacetát NADH + H+ 3 (2,5)
12 (10)
Regulace
aktivace – ADP + AMP, NAD+ + FAD+, O2
inhibice – nadbytek ATP a NADHregulační enzymy
– citrátsyntasa– isocitrátdehydrogenasa– 2-oxoglutáratdehydrogenasa
• specifické inhibitory– fluoroacetát – akonitasa– sloučeniny As - 2-oxoglutáratdehydrogenasa– malonát - sukcinátdehydrogenasa
Anaplerotické reakce
• pyruvát + CO2 + ATP → OAA + ADP– pyruvátkarboxylasa
• aminokyseliny– Asp, Asn – OAA– Glu, Gln, His, Pro, Arg – 2-oxoglutarát– Ile, Val, Met, Trp – sukcinyl-CoA– Ala, Ser, Thr, Cys, Gly - pyruvát
• degradace MK s lichým počtem C– propionyl-CoA – sukcinyl-CoA
Anabolické funkce citrátového cyklu
citrát syntéza MK a steroidů
2-oxoglutarát metabolismus AMK skupiny Glu
sukcinyl-CoA syntéza hemu
sukcinát, fumarát syntéza AMK
malát, OAA glukoneogenese, AMK skupiny Asp