Obsah

    1. Úvod
    2. Biomolekuly
    3. Enzymy a enzymová kinetika
    4. Sacharidy a glykolýza
    5. Další metabolické dráhy cukrů
    6. Lipidy, mastné kyseliny a jejich metabolismus
    7. Metabolismus tuků
    8. Metabolismus aminokyselin
    9. Metabolismus nukleotidů

Úvod

Biochemie pomáhá vysvětlovat rozmanitost přírody—všechno tvorstvo staví na několika základních principech, 20 AK, třech druzích biopolymerů... A složitost v přírodě vzniká hierarchicky kombinací těchto faktorů. Zároveň mnoho jevů, které jsou na makroúrovni těžko vysvětlitelné, má svůj základ právě v biochemii (nebo související molekulární biologii).

Historie oboru
Dialýza
Postup
  1. do kádinky přidáme pufr
  2. do kádinky přidáme střívko (semipermeabiní membrána)
  3. přes póry projdou jen molekuly s určitou velikostí, cut-off point je několik tisíc \(\pu{Da}\)
    • malé molekuly (fruktóza) přes střívkou projdou
    • stejná koncentrace uvnitř i vně střívka

Zjistilo se, že velké molekuly, které přes membránu neprošly (tedy proteiny, pozn. profesora) jsou termolabilní. Došlo poprvé k separaci, frakcionaci, rozdělení kvasinek.

Co je potřeba k pochopení přednášky
  • stavba atomu (elektronová konfigurace základních biogenních prvků, jak dochází k hybridizaci, co jsou orbitaly, prostorová struktura v hybridizacích)
  • stavba jednoduchých molekul, zejména těch založených na uhlíku
    • znát jeho elektronovou konfiguraci a záležitosti hybridizace
    • pouze uhlík z celé tabulky je schopen tvořit tak akorát stabilní řetězení \(\ce{C-C-C-C-...}\)
      • \(\ce{N-N-N-N-...}\) nestabilní
      • \(\ce{O-Si-O-Si-...}\) až příliš stabilní
  • periodické vlastnosti prvků: jak se v tabulce mění elektronegativita, velikost iontu, elektronová afinita, ionizační energie, velikost elektronového obalu
  • co je to kovalentní vazba, vodíkové můstky a další interakce
  • základní poznatky o chemických rovnováhách
  • základy termodynamiky: první a druhý zákon, zachování energie, entropie
  • kyseliny, zásady, pufry

Biomolekuly

Štěpení C-H vazeb
  • homolytické štěpení
    • vede ke vzniku radikálů, každý z účastníků vazby získává jeden elektron z vazebného páru
  • heterolytické štěpení
    • vede ke vzniku iontů
    • heterolytickým štěpením mohou vznikat významné nukleofilní skupiny (hydroxy, amino, imidazolová, atd.) i elektrofilní skupiny (protony, ionty kovů, atd.)

V biologických systémech nejčastěji vzniká záporně nabitý \(\ce{C}\) (s oběma elektrony z páru) a proton \(\ce{H+}\). Pokud je k dispozici koenzym \(\ce{NAD+}\) nebo \(\ce{NADP+}\), může vzniknout kladně nabitý \(\ce{C+}\) a \(\ce{H-}\).

Homolytické a heterolytické štěpení
Nukleofily a elektrofily
Nukleofil
Molekula, které přebývají elektrony, chce se jich zbavit.
Elektrofil
Molekula, které chybí elektrony, chtěla by nějaké dostat. Často jí jsou předány nukleofilem.
Příklady nukleofilů a elektrofilů

Voda

Znázornění molekuly vody
Důležité vlastnosti vody
  • vysoká dielektrická konstanta \(\implies\) umí účinně separovat náboje
    • voda je v tom v rámci běžných rozpouštědel nejlepší \(\implies\) ionty, které by spolu normálně reagovaly, se udrží ve vodě zvlášť
  • vysoká tepelná kapacita (pufr planety)
  • vysoká měrná skupenská tepla \(\implies\) odpařováním účinně ochlazujeme systém
    • včely musí mávat křídly, když chtějí ochladit úl
  • vyšší hustota vody ve srovnání s ledem \(\implies\) vodní nádrže zamrzají od povrchu
  • vysoké povrchové napětí \(\implies\) týká se řady věcí
    • souvisí s tvorbou vodíkových můstků
  • vysoká vodivost
Schéma vodíkového můstku

Strukturu a vlastnosti vody silně ovlivňuje tvorba vodíkových můstků.

Vodíkové můstky
H-můstky běžné v biomolekulách
Srovnání vody s jinými rozpouštědly
Protonové skoky mezi molekulami vody
Tvorba micel
  1. nepolární látka \(L\) (nebo látka s nepolární částí) s vodou neinteraguje, molekuly vody jsou maximálně na VdW vzdálenost
  2. kolem \(L\) vzniká vrstvička vody s omezenou pohyblivostí (nemůže se k ní přiblížit)
  3. tato vrstvička se váže přes H-můstky na další molekuly, ty zase na další, ... \(\implies\) mnoho molekul má najednou omezený počet stupňů volnosti
  4. systém směřuje k maximální entropii \(\implies\) molekuly se \(L\) shlukují k sobě, v součtu tím omezí (= uspořádají) nejmenší možný počet molekul vody

Body 1. a 2. probíhají ve všech polárních rozpouštědlech, avšak chování a unikátnost vody v tomto (opět) silně ovlivňují H-můstky. Tento princip stojí za tvorbou biologických membrán. Dal by se popsat následující rovnicí

\[\Delta G = \Delta H - T \Delta S,\]

kde \(\Delta S\) značí změnu entropie, \(\Delta H\) změnu entalpie. Pokud je \(\Delta G > 0\), děj samovolně neprobíhá; při rozpouštění nepolárních látek ve vodě je \(\Delta S < 0\) a tedy \(\Delta G > 0\).

Hydrofobní kolaps
Hypotetický způsob vzniku terciální struktury proteinů; podle této hypotézy se proteiny zfoldují na základně hydrofobického efektu popsaného výše.

Hydrofobní interakce jsou vlastně negativně vyvolané reakce: jsou vyvolané absencí přitahování molekul rozpouštědla a rozpouštěné látky

Acidobazické vlastnosti vody a kyselin

Brønstedova kyselina
Látka, která může poskytnout protony. Obdobně zásada je látka, která může protony přijmout. Po ztrátě protonu se Brønstedova kyselina stává svou konjugovanou zásadou.
pufr
Acidobazický pufr je směs slabé kyseliny a její konjugované zásady v roztoku, který má pH blízké \(pK_a\) kyseliny.
\[\text{pH} = \log \frac{1}{[\ce{H+}]} = -\log [\ce{H+}] = pK_a - \log \frac{[\ce{HA}]}{[\ce{A-}]} \stackrel{\text{pro vodu}}{=} -\log [\ce{H3O+}],\]

přičemž předposlední rovnosti se říká Hendersonova-Hasselbalchova rovnice a popisuje vztah mezi složením pufru a jeho kyselostí. Pro vodu zároveň platí

\[K_{eq} = \frac{[\ce{H+}][\ce{OH-}]}{[\ce{H2O}]},\]

což vychází z obecnější rovnice

\[\ce{A + B <=> C + D}: K_{eq} = \frac{[\ce{C}][\ce{D}]}{[\ce{A}][\ce{B}]}.\]

Z měření vychází, že při 25 ° C \([\ce{H2O}] = 55.5\), a tedy

\[K_{eq} = \frac{[\ce{H+}][\ce{OH-}]}{55.5} \implies 55.5 K_{eq} = [\ce{H+}][\ce{OH-}] = K_w,\]

kde \(K_w\) značí iontový součin vody a je za běžných podmínek roven \(10^{-14}\).

Titrace
Titrační křivka

Pokud budeme vybírat pufr, musíme jej zvolit tak, aby poměr soli a kyseliny byl roven jedné právě v oblasti, ve které budeme pracovat.

Polyprotní kyseliny
Titrační křivka polyprotní kyseliny

Aminokyseliny

META
Předpokládají se základní znalosti struktury a vlastností AK, viz např. Zápisy z bioinformatiky nebo zápisy z biopolymerů. Je nutné znát i jednotlivé zkratky a umět nakreslit chemickou strukturu každé AK.
Základní vlastnosti AK
Důležité vlastnosti AK

Všechny tyto vlastnosti se různě kombinují a přispívají tak k celkovým vlastnostem dané AK.

Optická aktivita AK
Rozdíly mezi diastereomery a enantiomery

Existuje i jiný systém pojmenovávání stereoizomerů L a D, a to tzv. R/S systém (neboli Cahn-Ingold-Prelog).

R/S systém
Pojmenování R/S systémem
Biologicky aktivní látky odvozené od AK

Acidobazické vlastnosti AK

Příklad disociační křivky na Gly.

Titrační křivka Gly
Poznámka

Tato křivka se týká volné AK–pro Gly vázaný v proteinu by takto nevypadala. Gly na C- nebo N- konci si však jednu skupinu zachová, což může hrát roli.

Jedná se o zjednodušený model toho, jak se chová látka s více disociovatelnými skupinami. Např. Lys se bude chovat mnohem složitěji, protože má tři acidobazické skupiny, které navíc nejsou dostatečný počet pH bodů od sebe, čili se ovlivňují.

Disociační křivka Gly
META
Je prý důležité umět popsat chování oněch dvou disociujících se skupin (jednoduché, oba body daleko od sebe a neovlivňují se). Kromě toho je také nutné umět nakreslit disociační křivku.

Protein se skládá z řádově stovek AK, bude proto mít velice složitou disociační křivku. Některé AK budou acidobazicky zajímavé pouze, když budou na konci proteinu; jiné budou zajímavé i jindy, a to při různých hodnotách pH (viz obrázek).

pKa jednotlivých aminokyselin

Jakmile se např. Asp dostane do pH7, bude ze větší části již naprosto disociovaná a nebude se již chovat jako kyselina. Obecně, pokud zvyšujeme pH (= zvyšujeme zásaditost prostředí), budou se skupiny zbavovat protonů—mění se ale to, jaký náboj tímto AK získají.

Důležitá je imidazolová skupina, která ma jako jediná \(pK_a\) blízké pH fyziologických systémů (konkrétně kolem 6), čili kolem tohoto neutrálního pH bude mít právě polovinu skupin deprotonovanou.

Posttranslační modifikace AK

Například kurděje jsou avitaminóza poškozující schopnost hydroxylace prolinu, který je potřeba pro pojivové tkáně: první projev je krvácení z dásní, způsobené problémy s extracelulární matrix.

Kovalentní struktura proteinů

META
Primární, sekundární, terciární i kvarterní struktura proteinů je rozebrána i zde: Zápisy z bioinformatiky nebo zápisy z biopolymerů.

Proteiny jsou tvořeny AK spojenými peptidickou vazbou, nebo \(\ce{S-S}\) vazbou mezi cysteiny (nejedná se o můstek, nýbrž o plnohodnotnou vazbu). Např. u inzulinu tím vzniká složitejší kovalentní struktura.

Pojmy

Všechny tyto pojmy lze nalézt popsány v odkazech výše.

Alfa helix

AK tedy můžeme rozdělit dle dalšího kritéria, kompatibility s helikální strukturou—dá se změřit např. tak, že z helixu odebíráme jednu AK po druhé a vždy změříme jeho stabilitu. Díky tomu lze poté z (části) primární struktury proteinu predikovat, zda zaujme tvar helixu, či nikoli.

Podobně se dají predikovat i jiné sekundární struktury, například levotočivý polyprolinový II helix, který se nachází v kolagenu a obecně všude tam, kde je mnoho Pro.

Beta list
Supersekundární motivy
Strukturní motivy na proteinech

Kombinace sekundárních a supersekundárních struktur tvoří domény—útvary, které zaujmou stabilní konformaci i když jsou exprimovány odděleně od zbytku proteinu (= samostatné jednotky, co se foldu týče).

Domény

Takovýchto struktur jsou řádově stovky (tj. relativně málo).

Síly udržující stabilitu proteinů

K pro rozrušení nativní konformace proteinu dlouhého ~100 AK je třeba dodat cca \(\pu{40 kJ/mol}\).

Poznámka

Energie \(\pu{40 kJ/mol}\) k rozrušení proteinu se může zdát jako málo—energie kovalentní vazby je přeci cca \(\pu{300 kJ/mol}\). Struktura proteinu je ale udržována mnoha silami, a to často i protichůdnými, navzájem se oslabujícími.

Protein musí být po splnění své funkce snadno degradovatelný, aby z jeho částí mohl být syntetizován protein nový. Pokud se tak neděje, a v těle se objeví nějaká superstabilní struktura, bývá to často příčinou onemocnění (Alzheimer, prionové choroby, atd.).

Solvatace
Obalení rozpuštěné látky molekulami rozpouštědla.
Chaotropní látky

Látky, které narušují nekovalentní vazby (jako např. H-můstky); u proteinů tedy přidáním chaotropního agens může dojít k denaturaci.

Chaotropní soli odstiňují náboje, zatímco jiné chaotropní látky (např. ethanol) samy interferují s nekovaletními vazbami.

Iontové elektrostatické interakce
H-můstky
S-S disulfidické můstky
Interakce dipól–dipól
Hydrofobní interakce

Například sbalení hemoglobinu (globulární struktura) je zapříčiněno především hydrofobními interakcemi—uvnitř sbaleného proteinu skončí AK s hydrofobními skupinami, na povrchu AK polární. Kdybychom tuto strukturu narušili nějakým činidlem (např. 8M močovina), a pak jím přestali působit, opět se sbalí do původního tvaru.

Hofmeisterova lyotropní řada
Řada aniontů a kationtů, seřazená podle toho, jak velká koncentrace daného iontu je potřeba k vysrážení vaječného bílku (tedy podle snižujícího se molárního povrchového napětí).

Protein folding

Levinthalův paradox
Pokud bychom měli protein se 100 AK, pro každý torzní úhel uvažovali pouze 3 hodnoty a každou sekundu vyzkoušeli \(10^{13}\) různých možností, potřebovali bychom k vyzkoušení všech prostorových konfigurací našho proteinu \(10^{87}\) sekund (což je asi \(\pu{2e69}\)-krát více než je předpokládáné stáří vesmíru, pozn. redaktora).

Jak se zdá z Levinthalova paradoxu, dělá to příroda nějak jinak.

Několik ilustrací volné energie foldujícího se proteinu
Protein folding teoreticky
Protein folding v praxi

Někdy se může protein dostat do “pasti” (je nutné překonat stav s vyšší energií, než se bude možné dostat ke globálnímu minimu)—tu mu mohou pomoci překonat chaperony.

Proteinové struktury

Struktura a funkce globinů

Poznámka
Přenos kyslíku je dobrý příklad, neboť je důležitý pro všechny větší organismy—jeho rozpustnost v krvi je omezená, všechny organismy si proto musí nějak vypomáhat. To většinou dělají sloučeninami založenými na železu nebo mědi, například hemoglobinem (v savích tetramer), myoglobin (monomer).
Vstřebávání kyslíku v různých tlacích
Saturační křivka
Na ose \(x\) je tlak \(\ce{O2}\) v torrech, na ose \(y\) je saturace \(\ce{O2}\) v procentech. \(p50\) je parciální tlak, při kterém jsou přenašeče saturovány z 50%.
Hemerythrin
Obdoba hemoglobinu, je také vícepodjednotkovým komplexem. Mají ho hlavatci, ramenonožci.
Hemocyanin
Má jej třeba ostrorep, také existuje jako oligomer.
Myoglobin
Monomer, není tedy schopen zajistit kooperativní sigmoidní chování. Saturační křivka má tvar hyperboly (viz obrázek).
Saturační křivka hemoglobinu a myoglobinu

Hemoglobin

Struktura hemoglobinu

Ve interakci podjenotek spočívá sigmoidní chování.

Změny ve struktuře po vazbě kyslíku
Změny při vazbě kyslíku
Kontakty mezi podjednotkami

Podjetnotky α1 + β1 jsou tedy téměř nepohyblivě spojené, struktura se tedy dá vnímat jako dva dimery spíše než čtyři monomery. Mezi těmito dvěma podjednotkami bude docházet k pohybům, při oxygenaci se vůči sobě otočí o 15 °. Také se změní pozice tyrosinu z C helixu vůči histidinu, viz obrázek.

Stavy T a R na rozhraní podjednotek
Poznámka
Změny stavů a posouvání molekul se dají srovnat s pohybem a vzájemným posunem dvou pěstí; vždy se posunou o jeden prst, jakýkoli mezistav bude náročné udržet.

Sigmoidní tvar je tedy způsoben tím, že první kyslík se váže relativně složitě (hem je zastrčený), po jeho navázání ale vnutí daná podjednotka rovnější tvar porfyrinu i ostatním podjednotkám a další kyslíky se už váží čím dál snadněji. Po nasycení hemoglobinu se saturační křivka opět vyrovná. Kdybychom měli oligomer s více než čtyřmi podjednotkami, mohl by se chovat ještě více kooperativně a mít ještě prudší křivku.

Pokud bychom oslabili nějaká spojení, získali bychom plošší křivku, oslabilo se kooperativní chování (jednotky by se tak neovlivňovaly). Pokud by se naopak posílily vazby, dlouho by se nic nevázalo, dokud by parciální tlak nevzrostl až do určité hodnoty—první navázání kyslíku by mělo před sebou více práce; čím pevnější vazby mezi podjednotkami budou, tím se bude celek chovat kooperativněji, stylem všechno nebo nic.

Homotropní efekt
Druh alosterického efektu, při kterém látky ovlivňují afinitu molekuly k sobě samé (jako např. zde s kyslíkem, kdy kyslík usnadňuje vázání kyslíku). Rozděluje se na pozitivní a negativní (kyslík je příkladem toho pozitivního). Opakem by byl heterotropní efekt.

Hemoglobin tedy umožňuje při určité koncentraci kyslík vázat a při jiné uvolňovat. Tuto jeho vlastnost je ale možné dále regulovat.

Regulace afinity
Koncentrace kyslíku v různých nadmořských výškách

O tyto změny se stará kyselina bisfosfoglycerová.

Kyselina bisfosfoglycerová

V souvislosti s oxy a deoxy hemoglobinem můžeme psát rovnici

\[\ce{xH+ + Hb(O2)_n <=> Hb(O2)_{n-1} H_x + O2},\]

kde se \(x\) protonů váže na hemoglobin, který váže \(n\) kyslíků. Zleva doprava probíhá deoxygenace, zároveň se s tím váže proton nebo dva podle parametru \(x\)––vazba protonů je spřažena s vazbou kyslíku a obráceně, stejně jako pro protony to platí právě pro kyselinu BPG a i pro další látky.

Látky modifikující afinitu ke kyslíku

Celý orchestr je zorganizován tak, aby se využila maximální transportní kapacita. Efekt ovlivnění desaturace Hb pomocí pH a \(\ce{CO2}\) (a teploty) se jmenuje Bohrův efekt.

Bohrův efekt

Bohrův efekt je vlastně v principu analogický k působení bifosfoglycerové kyseliny, chloridových iontů a podobně.

BPG nemění strmost křivky, pouze ji celou posouvá doprava (měníme p50). Strmost křivky se mění pouze změnou proteinu samotného, protože je závislá na míře kooperativního chování. Je sice jednoduché udělat křivku méně strmou (např. denaturací), ovšem opaku je relativně složité dosáhnout.

Modely alosterie

Popisujeme v nich chování hemoglobinu jako modelu, obdobně se budou chovat i další systémy, saturace se dá nafitovat. Dnes se již používají pokročilé postupy, zde jsou uvedené dva historické.

Symetrický model
Symetrický model
Sekvenční model
Sekvenční model

Enzymy a enzymová kinetika

Enzymy

Buněčné katalyzátory, proteiny s katalytickými schopnostmi. Katalyzátory jsou látky urychlující chemické reakce, aniž by do nich přímo vstupovaly–ovlivňují reakci, ale samy se chemicky nemění.

Thomas R. Cech, objevil to, čemu se dnes říká ribozymy, což jsou proteiny

Katabolické dráhy
Metabolické dráhy, které rozkládají složité látky na jednodušší za vzniku energie. Opakem jsou dráhy anabolické.
Historie
Poznámka
James B. Sumner měl jen jednu ruku, tu druhou mu v mládí ustřelili při honu. insert joke about single-handedly solving big enzymology problems

Enzymy urychlují reakce, jsou tedy nezbytné pro život—například energie z cukru by bez nich nešla vydolovat, protože cukr se sám o sobě prostě nerozloží a energii neuvolní.

Zásadní vlastnosti enzymů

Stavba enzymů

Koenzym
Neproteinová část enzymu; ne všechny enzymy ji však mají.
Apoenzym
Proteinová část enzymu.
\[\text{(holo)enzym} = \text{apoenzym} + [\text{koenzym}]\]

Koenzymů je celá řada.

Koenzymy: anorganické ionty
Koenzymy: vitamíny

Druhý zmíněný druh poté může sloužit k různým účelům:

Názvosloví enzymů

Jméno enzymu vždy končí na “—áza”. Kromě toho má každý enzym přidělený kód Evropskou enzymovou komisí: ECXXXX, kde X značí číslo a EC je zkratka pro Enzyme Commision.

První číslo je vždy v rozmezí 1–6, protože se jedná o rozdělení enzymu do jedné z následujících kategorií, podle toho, jaký druh reakce katalyzuje:

  1. oxido-reduktázy: katalyzují reakce, při kterých se přenáší redukční ekvivalenty, směr přenosu je řízen redoxním potenciálem
    • dehydrogenázy, peroxidázy, reduktázy... (biologické oxidace často probíhají jako dehydrogenace)
  2. transferázy: enzymy, které přenáší nějakou funkční skupinu z jedné molekuly na druhou
    • typické jsou fosfo-transferázy, které přenáší fosfátovou skupinu z ATP na nějakou jinou molekulu
      • např. v glykolýze, první glykolytický enzym přenáší fosfát na glukózu a tvoří se glukóza-6-fosfát
  3. hydrolázy: za adice vody štěpí nějakou molekulu na dvě
  4. lyázy: enzymy, které provádí syntézu molekuly ze dvou molekul
  5. izomerázy: provádí přestavbu nějaké molekuly
  6. ligázy: lepí molekuly dohromady, za současného odštěpení nějaké malé molekuly
    • např. spojování Okazakiho fragmentů
Poznámka
Enzymy katalyzující syntézy se nazívají syntázy nebo syntetázy. Rozdíl mezi nimi je ten, že syntetázy potřebují makroergní molekulu, zatímco syntázy ne.
Příklad 1

Pokud máme například následující reakci:

\[\ce{ATP + glukóza -> ADP + glukóza-6-fosfát}\]

Jedná se o první reakci glykolýzy; glukóza, která vstoupila do buňky, je fosforylována. Význam této reakce je dvojí:

  1. energizace cukerné molekuly
  2. strukturní změna, která zabrání tomu, aby se glukóza dostala zase ven z buňky (dostává se tam pomocí přenašeče, který je univerzální na obě strany)

Enzym by se dal nazvat ATP:glukózo fosfotransferáza (přenáší fosfát z ATP na glukózu). Pro zjednodušení by byl také možný název glukokináza (kinázy jsou enzymy, které něco fosforylují). A jak bychom tento enzym očíslovali?

  • [2], patří mezi transferázy, tedy do druhé enzymové třídy
  • [7], přenáší fosfát
  • [1], ...na hydroxylovou skupinu glukózy
  • [2], cílová skupina se nachází na glukóze

Jedná se tedy o protein E.C. 2.7.1.2. Podobný enzym, hexokináza E.C. 2.7.1.1, je schopen fosforylovat i jiné hexózy (proto ta jednička na konci).

Příklad 2

Enzym E.C. 1.1.1.1 je

  • oxido-reduktáza
  • působí na \(\ce{CHOH}\) skupinu donoru
  • využívá NAD
  • donorem \(\ce{CHOH}\) skupiny je ethanol

Je to tedy akoholdehydrogenáza.

Regulace enzymatické aktivity

Probíhá buďto změnou kvantity samotného enzymu (musí nastat aktivace proteosyntézy toho enzymu, změna exprese apod.), nebo regulací samotného enzymu—to je mnohem rychlejší.

Regulace enzymu
Alosterická regulace
Regulace proteolýzou

Příkladem regulace zastoupením izoenzymů je laktát-dehydrogenáza.

Jak enzymy pracují

Budeme se pro zjednodušení bavit o monosubstrátových reakcích, ačkoli převážná většina reakcí v těle je disubstrátových.

Aktivační energie
Energie, kterou musí molekula dostat, aby překonala energetickou bariéru a uvolnila energii (zreagovala).
Průběh Gibbsovy energie při reakci, černě bez katalyzátoru, modře s katalyzátorem
Funkce enzymu

O tom, jak konkrétně enzym snižuje potřebnou energii se zmiňuje několik různých teorií.

Teorie zámku a klíče
Teorie indukovaného přizpůsobení
Srovnání teorií funkce katalýzy a jejich energetických křivek

Enzymová kinetika

Základní rovnice je rovnice Michaelise a Mentenové. Ti vycházeli z poznatků Victora Henryho.

Základní rovnice enzymové kinetiky

Nechť sledujeme rovnici

\[\ce{E + S <=>[k_1, k_{-1}] ES ->[k_2] P + E},\]

poté základní rovnice M-M vypadá následovně

\[v_0 = \frac{V_{max}[S]}{K_M + [S]},\]

kde \(v_0\) je počáteční rychlost reakce (v průběhu reakce se rychlost průběhu zpomaluje), \(V_{max}\) je maximální rychlost reakce (ovlivněná koncentrací enzymu, která určuje maximální počet vazebných míst), \([S]\) je koncentrace substrátu a \(K_M\) je Michaelisova konstanta.

Závislost počáteční rychlosti na počáteční koncentraci substrátu

Jak jde vidět z obrázku, \(K_M\) je taková koncentrace substrátu, při které je počáteční rychlost rovna polovině maximální rychlosti. Enzymy se hodnotou \(K_M\) silně odlišují, enzymy s nižší hodnotou reagují se substrátem mnohem ochotněji.

Graf můžeme linearizovat (vznikne dvojitě reciproční graf), aby bylo jednodušší vyčíst z něj hodnoty \(K_M\) a \(V_{max}\).

Dvojitě reciproční (nebo také Lineweaver-Burk) graf

Někdy se uvádí také katalytická konstanta \(k_{cat}\),

\[k_{cat} = \frac{V_{max}}{[E]_T},\]

kde \([E]_T\) značí celkovou koncentraci enzymu. Vyjadřuje, kolik molekul substrátu je enzym za vysoké koncentrace za jednotku času schopen přeměnit.

Protože koncentrace substrátu in vivo je mnohem nižší než aby mohlo být dosaženo maximální rychlosti, zavádí se ještě konstanta specificity, která se počítá jako poměr \(k_{cat}\) a \(K_M\).

Michaelisova konstanta, katalytická konstanta a konstanta specificity pro vybrané enzymy
Kataláza
Acetylcholinesteráza
Hexokináza

Enzymová inhibice

Často probíhá skrze farmaka.

Druhy inhibice enzymů
Dvojitě převrácené grafy při různých inhibicích

Kompetitivní inhibice

Sukcinát a malonát

Akompetitivní inhibice

Smíšená inhibice

Ireverzibilní inhibice

Tři druhy zmíněné výše se daly “přebít” zvýšením koncentrace substrátu. Následující inhibice jsou však nevratné.

Kyselina acetylsalicilová (aspirin)
Hnojník inkoustový

Vliv pH na enzymy a bisubstrátové reakce

Enzymatická aktivita při různých hodnotách pH

Bisubstrátové reakce jsou v těle vůbec nejčastější.

Druhy bisubstrátových enzymatických reakcí: následné (a) a ping-pongové (b)
Následné reakce
Ping-pongové reakce

Makroergní molekuly

Makroergní molekuly
  • nejznámější jsou ATP a spol., ale nejsou jediné
  • obecně jejich hydrolýzou vznikne více energie než \(\pu{30 kJ/mol}\) (případně \(\pu{25 kJ/mol}\))
  • někdy je to sporné
    • např. glukóza se považuje za energetickou molekulu, přestože se její hydrolýzou tolik energie neuvolní
    • musí se v mnoha enzymových krocích pracovat, aby se z ní ta energie dostala
Změna volné energie makroergní molekuly při glykolýze, potenciál přenosu fosfátové skupiny

Na obrázku jsou seřazeny molekuly od té s nejvyšší energií po tu s nejnižší. Nejvyšší má pyruvát, \(\pu{60 kJ/mol}\), zatímco např. při orthofosfátovém štěpení (ATP \(\rightarrow\) ADP) se uvolní kolem \(\pu{30 kJ/mol}\).

Skupiny makroergních molekul
  • enolfosfáty
    • zde je i úplně energeticky nejbohatší molekula, fosfoenolpyruvát (objeví se při glykolýze)
  • thioestery:
    • např. difosfoglycerát (také se objeví při glykolýze)
    • mohou sloužit jako koenzymy
  • acylfosfáty: fosfoderiváty organických sloučenin
    • např. 1,3-bisfosfoglycerát (opět z glykolýzy)
  • fosfageny: zásobní látky
    • např. fosfokreatin (\(\pu{43 kJ/mol}\)), u člověka je ve svalech jako nejrychlejší zásobárna energie
      • může vstupovat do reakce kreatin + ATP, vzniká fosfokreatin a ADP, to se děje, je-li fosfát v nadbytku; jinak se reakce otočí
  • sloučeniny s pyrofosfátovou vazbou: všechny nukleosid-trifosfáty
    • ATP, GTP, UTP, CTP atd.
    • účastní se tvorby nukleotidů
    • mohou se štěpit různými způsoby, v buňce však probíhá pouze hydrolýza ATP na ADP a fosfát
    • pyrofosfátové štěpení je na AMP a pyrofosfát, tam je větší zisk energie
Acetyl koenzym A
  • univerzální přenašeč acylů
  • vazba mezi ním a merkaptoskupinou, kterou má na konci, je také makroergní
TODO
Vylepšit kvalitu následujících obrázků (nejspíše přepsat do tabulky).
Makroergní molekuly (1)
Makroergní molekuly (2)

ATP

  • velice stabilní, i když má tolik energie, protože má vysokou aktivační energii hydrolýzy
  • struktura
    • adenin, báze
    • cukr, pentóza (ribóza)
    • trifosfát, tři molekuly fosfátu
    • samotné bázi se říká adenin a s cukrem je to adenozin
  • člověk vyrobí \(\pu{64476 g}\) ATP za den (váží-li \(\pu{75 kg}\))
Původ energie
  • za fyziologického pH se oddělí vodíky od fosfátů, původní \(\ce{OH}\) skupiny nesou záporné náboje a vzniká velké odpuzování skupin—v tom pnutí tkví ta makroergnost
  • není to vlastně v samotné vazbě, ale v uvolnění molekuly při štěpení.
Hydrolýza ATP
  • buďto orthofosfátové štěpení, to je to normální (na ADP a fosfát), odštěpí se γ fosfát
  • nebo pyrofosfátové štěpení, oddělí se pyrofosfát (neboli také difosfát), vznikne AMP a PP (pyrofosfát)
    • při tomto štěpení se uvolní více energie, pro některé reakce v buňce nestačí těch \(\pu{30.5 kJ/mol}\)—u této reakce se totiž následně hned pyrofosfatázou štěpí PP na P + P, u čehož se uvolní další energie navíc
ATP jako mediátor energie
Předávání energie
  • ATP umí přebírat energii od jiných makroergních sloučenin a dále ji předávat jiným, běžným molekulám (viz obrázek výše)
  • samotné předávání probíhá ve dvou krocích (viz obrázek níže)
    1. vzniká fosforylovaný meziprodukt, který je vázaný na enzym
    2. dojde k navázání (zde) aminoskupiny a uvolnění fosfátu
Předání energie ve dvou krocích
ATP na svícení
  • luciferin je aktivován adenylací, využije se ATP
  • enzym luciferáza
Důležité části bioluminačního cyklu světlušky

Metabolismus a enzymologie

Živé organismy jsou z termodynamického hlediska otevřené systémy v ustáleném stavu.

Ustálený stav
Ustálený stav je flexibilním stavem s maximální možnou termodynamickou účinností. Je charakteristickým stavem pro živé systémy.

V rámci metabolismu si ve větším detailu na několika příkladech popíšeme, k čemu na struktuře enzymu dochází. Všechny reakce jdou popsat reakční trajektorií, kde se na \(x\) vynáší průběh reakce a na \(y\) relativní hodnota volné energie obou reaktantů (souhrn entropie a entalpie).

Vlastnosti enzymů (oproti katalyzátorům obecně)

Princip katalýzy

Běžné mechanismy katalýzy, avšak kombinované na jedné molekule: vedou k vysoce specifickým reakcím s vysokými výtěžky a s vysokou účinností. Je minimalizován vznik nežádoucích vedlejších produktů.

Acidobazická katalýza

Acidobazická katalýza, specifická (vlevo) a obecná (vpravo)

Kovalentní katalýza

Např. z reakce

\[\ce{AB ->[H2O] A + B},\]

se po katalýze stane reakce

\[\ce{AB + X^{..} -> AX + B ->[H2O] A + X^{..} + B}.\]
Příklady

Katalýza kovovými ionty

Metaloenzymy
Mají pevně vázané kovy (Fe, Cu, Zn, Mn, Co), využívají je pro vazbu a orientaci substrátu, pro oxido-redukční reakce. Polarizují substrát.
Enzymy aktivované kovovými ionty
Volně váží kovové ionty (především ionty kovů alkalických zemin: Na, K, Mg, Ca) z roztoku, vyžadují je pro svoji aktivitu.
Participace kovových iontů
  1. vazbou/orientací substrátů
  2. zprostředkováním oxido-redukčních reakcí
  3. elektrostatickou stabilizací nebo stíněním negativních nábojů
Anhydráza kyseliny uhličité

Elektrostatická katalýza

Například hexokinázová reakce, ve které figuruje i hořečnatý iont.

Katalýza proximitním a orientačním efektem

Katalýza části hexokinázové reakce

Katalýza preferenční vazbou přechodového stavu

Katalýza preferenční vazbou přechodového stavu: nekatalyzovaná reakce (červeně) a katalyzovaná reakce (modře)

Chymotrypsin

Jak probíhá proteolýza
Chymotrypsin
Specificita serinových proteáz

Mechanismus serinové protolytické reakce

Protolytická reakce
Obecný popis
Struktura aktivního místa chymotrypsinu
Popis aktivního centra
Chymotrypsinová reakce v detailu
Popis reakce
  1. Ser je v triádě aktivovaný, chová se jako skvělé nukleofilní činidlo (a)
    • vzájemné elektrostatické působení
    • Ser získává unikátní vlastnosti
  2. dojde k nukleofilnímu ataku, tvoří se tetrahedrální přechodový stav (c)
    • současně s tím byl odejmut proton z hydroxylové skupiny serinu, čemuž napomáhá blízkost imidazolové skupiny na pozici 57
    • acidobazická katalýza, zároveň vzniká kovalentní intermediát, tedy i kovalentní katalýza, navíc se uplatňuje i proximitní a orientační efekt
  3. přechodový stav se rozpadá za štěpení peptidové vazby a vzniku komplexu enzym-[část původního substrátu] (e)
    • není stabilní, je to jen metakomplex, dochází k němu pouze v okamžiku překonávání bariéry
  4. vazba molekuly vody, hydrolýza peptidové vazby, podruhé dochází k tvorbě čtyřstěnového intermediátu (g)
  5. intermediát se znovu rozpadá za vzniku karboxykonce uvolňovaného s enzymem (i)

Reakce má tedy dvě fáze, v obou dochází k nukleofilnímu působení: v tom prvním využíváme hydroxylovou skupinu serinu a dochází ke štěpení peptidové vazby, ve druhém použijeme molekulu vody, opět vzniká čtyřstěnový intermediát a pak dochází ke štěpení vazby na Ser 195 a uvolnění nového C konce.

Experimentální zjištění

Přirozená regulace

Další možnosti regulace jsou např. existence neštěpitelného pseudosubstrátu, který blokuje aktivní místo, nebo nepřítomnost kofaktoru, který k činnosti enzymu nezbytný.

Chymotrypsinogen
Evoluční význam triády
Podobná triáda se za milióny let vyvinula nezávisle na sobě u mnoha enzymů—očividně se jedná o dobrý mechanismus.

Sacharidy a glykolýza

Monosacharidy

Monosacharidy jsou aldehydové (aldózy) nebo ketonové (ketózy) deriváty polyhydroxyalkoholů s alespoň třemi uhlíky v řetězci. Od složitějších sacharidů se liší tím, že je nelze hydrolyzovat na jednodušší látky.

Nejstabilnější jsou cyklické sacharidy, většinou mají 5 nebo 6 uhlíků.

D a L forma

Sacharidy jsou opticky aktivní látky: aldóza s \(n\) uhlíky má \(n-2\) chirálních center (všechny kromě prvního a posledního), ketóza by měla \(n-3\) (ještě minus ten s keto skupinou). Takové látky pak tvoří \(2^k\) izomerů, kde \(k\) je počet chirálních uhlíků.

D forma je taková, kdy \(\ce{OH}\) skupina nejvzdálenější od \(\ce{C=O}\) skupiny (na obrázcích většinou ta spodní) má stejnou konformaci jako D-glyceraldehyd—je napravo.

Glyceraldehyd
Funkce cukrů

Významné aldózy a ketózy

Všechny aldózy
D-glukóza
D-glukóza

Dále ještě galaktóza (je součástí laktózy, sacharidu, který se vyskytuje v mléce placentálů), manóza a idóza—poslední dvě zmíněné jsou v mezibuněčné hmotě v podobně glykosamidoglykanů. Z aldopentóz poté ribóza, která je součástí DNA a RNA.

D-ketózy

D-fruktóza (častý zdroj energie, důležitý metabolit některých drah, je v medu, v sacharóze) a D-ribulóza (účastní se metabolismu pentózo-fosfátové dráhy a zejména fotosyntézy).

Poznámka
Na názvosloví sacharidů se kromě Fischera podílel i český chemik Emil Votoček a jeho žák Vladimír Prelog; zavedl univerzální pravidla pro popis konfigurace včetně stereoizomerů.

Cyklické formy

α a β forma glukopyranózy
Názvosloví cyklických sacharidů
Mutarotace

Cyklické sacharidy se vyskytují ve vaničkové a židličové konformaci; židličková je ta stabilnější \(\implies\) častější.

Deriváty monosacharidů

Aldolové kyseliny
Vznikají oxidací aldehydové skupiny. Typicky nejsou v lineární podobě, jejich skupiny opět reagují s těmi alkoholovými—probíhá esterifikace, reakce kyseliny s alkoholem, vznikají laktony. Nejdůležitější lakton je kyselina-L-askorbová (vitamín C).
Alduronové kyseliny
Vznikají oxidací uhlíku na jiné skupině.
Alditoly
Vznikají redukcí aldehydové skupiny.
Rodina glukózy
Deoxy cukry
Amino cukry
Glykosidická vazba

Disacharidy

Redukující a neredukující disacharidy
Redukující mají volnou aldo či keto skupinu. Anomerní uhlíky—ty z keto či aminoskupiny—jsou jako jediné schopné redukovat a u neredukujících disacharidů jsou navzájem vázané glykosidickou vazbou.
Glykosidická vazba
Poznámka
Některé druhy placentálů, zejména ty v polárních oblastech, nemají v mléce laktózu; její úlohu zastanou tuky a bílkoviny.
Trehalóza
Trehalóza

Polysacharidy

Homopolysacharidy a heteropolysacharidy
Homopolysacharidy se skládají ze stejných podjednotek, heteropolysacharidy z různých. Příkladem homopolysacharidu je celulóza (glukóza, β1\(\rightarrow\)4) a chitin (N-acetyl-glukosamin, β1\(\rightarrow\)4).
Chitin
Stavební polysacharidy
Amylóza (a), zlom/rozvětvení ve struktuře amylopektinu (nebo glykogenu) (b), struktura amylózy a amylopektinu (c)
Zásobní polysacharidy

Glykosaminoglykany

Příklad heteropolysacharidů.

Glukosaminoglykany
Struktura
Funkce
Heparin

Jsou součástí proteoglykanů.

Proteoglykany
Proteoglykany
Buněčná stěna bakterií
Buněčná stěna \(\ce{G^-}\) bakterií. NAG je N-acetylglukosamin a NAM je kyselina N-acetylmuramová. Lysosym stěpí glykosidové vazby mezi NAG a NAM (na obrázku nejsou zvýrazněny). Penicilin specificky inaktivuje enzymy účastnící se zesíťování peptidoglykanů.
Spojení sacharidu a proteinu v glykoproteinech
Glykoproteiny
Peptidoglykan

Glykolýza

Historie studia glykolýzy
Glykolýza má dvě části
Schéma celé glykolýzy

Reakce glykolýzy

První reakce

První reakce
Hexokináza
Struktura hexokinázy
Glukóza-6-fosfatáza
Hořčíkové kationty

Druhá reakce

Druhá reakce
Druhá reakce
Druhá reakce v detailu
Stereospecifická reakce
Reakce, jejíž stereochemický výstup je dán konfigurací výchozích látek—dává různé stereoizomery produktů pro různé stereoizomery reaktantů, nebo s určitými stereoizomery reaktantů vůbec nereaguje.

Třetí reakce

Třetí reakce
Třetí reakce

Čtvrtá reakce

Čtvrtá reakce
Čtvrtá reakce
Čtvrtá reakce v detailu

Pátá reakce

Pátá reakce
Pátá reakce

Šestá reakce

Šestá reakce
Šestá reakce
Šestá reakce v detailu
Průběh
  1. glyceraldehyd-3-fosfát interaguje s \(\ce{SH}\) skupinou v aktivním centru enzymu a vzniká thiohemiacetál
  2. oxidace thiohemiacetálu pomocí oxidovaného koenzymu \(\ce{NAD+}\) na acylthioester (karboxylová kyselina)
  3. uvolňuje se energie, s její pomocí dojde k zabudování anorganického fosfátu z prostředí do glyceraldehyd-3-fosfátu za vzniku 1,3-bisfosfoglycerové kyseliny
  4. tato energie bude využita v následující reakci k tvorbě ATP

Glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza se tak vyskytuje na všech možných místech, kde je potřeba energie, např. ve spermiích.

Poznámka

1,3-bisfosfoglycerát snižuje afinitu hemoglobinu pro kyslík. Proto:

  • mutace v hexokináze:
    • bude vznikat méně 2,3-bisfosfoglycerátu
    • větší afinita ke kyslíku
  • defekt v pyruvát-kináze:
    • bude se hromadit 1,3-bisfosfoglycerát
    • nižší afinita ke kyslíku

Sedmá reakce

Sedmá reakce
Sedmá reakce

Osmá reakce

Osmá reakce
Osmá reakce
Osmá reakce v detailu

Devátá reakce

Devátá reakce
Devátá reakce

Desátá reakce

Desátá reakce
Desátá reakce

Zpracování pyruvátu za anaerobních podmínek

Kam se ubírá pyruvát poté, co vznikne v glykolýze
Laktátové kvašení
Laktátové kvašení
Alkoholové kvašení
Alkoholové kvašení

Regulace glykolýzy

Úrovně regulace

Většina glykolytických enzymů navíc potřebuje kofaktory (u všech kináz jsou to ionty \(\ce{Mg^{2+}}\)).

Vliv koncentrace ATP na funkci fosfofruktokinázy
Příklady
Signální funkce glykolýzy
  • glykolytické enzymy mají i signální funkce
    • hexokináza
      • regulace transkripce
    • glyceraldehyd
      • vazba \(\ce{NAD+}\)
      • replikace
      • transkripce
  • nádorové buňky používají glykolýzu i za anaerobních podmínek, čímž tvoří kyselé vnější prostředí

Cyklus kyseliny citronové

META
Der Krebs je německy cancer. Go figure.
Metabolická mapa, tečky jsou intermediáty enzymatických reakcí, čárky jsou přímo reakce
Popis obrázku

Na pyruvátu a dalších molekulách se dá demonstrovat vlastnost katabolismu, který využívá energeticky bohaté sloučeniny z potravy na ATP a zisk buněčné energie.

Energeticky bohaté molekuly
Poznámka

Jak KC vznikl? Dráha (někdy neúplná) probíhá v některých bakteriích, část i obráceně (slouží k redukci).

Neúplný KC v anaerobních bakteriích

Celá dráha kromě zpracování acetyl-CoA a uvolnění NADH tvoří také různé intermediáty, které jsou užitečné pro syntézy.

Některé AK se na acetyl-CoA nemění; vždy ale dochází k oxidaci (přenos elektronů), což zařizuje glyceraldehydfosfát-dehydrogenáza. Vzniká NADH, který je poté někdy použit v mch na syntézu ATP v rámci elektrontransportního řetězce.

Pohled na metabolismus cukrů, tuků a bílkovin
Tři fáze katabolismu v metabolických drahách
  1. konvergující dráhy vedoucí k acetyl-CoA
    • glykolýza, β-oxidace mastných kyselin, rozštěpení na dvě triózy
  2. Krebsův cyklus
  3. oxidativní fosforylace
Konvergující dráhy
  • z různých látek vznikne jen několik produktů
  • energetické molekuly směřují k acetyl-CoA
  • pak je cyklus trikarboxylových kyselin, z nich se tvoří molekula GTP (nebo ATP), dvě molekuly \(\ce{CO2}\) a redukované koenzymy
    • na jednu molekulu glukózy vznikají redukované koenzymy na šesti místech a všechny nesou vysokoenergetické elektrony, které odejmuli při oxidačních reakcích
    • energie může být využita k syntéze ATP oxidací těchto koenzymů
Aerobní katabolismus, příklady konvergentních, cyklických i divergentních metabolických drah
Cyklus zjednodušeně
  1. vstupuje dvojuhlíkatý (C2) acetyl-CoA a s C4 oxalacetátem tvoří C6
  2. ta je ve sledu sedmi reakcí dvakrát dekarboxylována, uvolní se dvě molekuly \(\ce{CO2}\) (co je většina toho \(\ce{CO2}\), který vydechujeme)
  3. dva uhlíky se uvolní během cyklického pochodu
  4. další uvolňované molekuly jsou čtyři redukované koenzymy
  5. jako bonus vzniká jedna molekula makroergního fosfátu (např. GTP, ale to záleží na organismu)
Krebsův cyklus, základní schéma
O lokalizaci CKC
Krebsův cykus je lokalizován v mch, glykolýza byla v cytoplasmě, pyruvát po pyruvát-kinázové reakci je také ještě v cytoplasmě. Pyruvát pak přejde dovnitř mch, kde už je zbytek reakcí.
Poznámka
H. Krebs cyklus neobjevil sám, pracovali na tom i jiní; postupně objevovali jednotlivé molekuly, určovali pořadí, používali inhibitory, koukali, co se kde hromadí. Pracovali na preparátu rozemletého prsního svalu holuba, protože je to hodně aerobně aktivní tkáň, a cyklus je zde také velmi aktivní. Když ale sval rozemleli, rozemleli s ním i mch. Krebs objevenou lineární dráhu uzavřel do cyklu.

Přípravná reakce

Stará se o přeměnu pyruvátu, který je výstupem glykolýzy, na acetyl-CoA, který potřebujeme v KC. Účastní se jí komplex pyruvát dehydrogenázy (PDC).

Vznik acetyl-CoA, pyruvát dehydrogenázová reakce
O reakci

Struktura PDC

TODO
Předělat následující do tabulky.
Přehled enzymů a koenzymů

Přiblížíme si ty pevně vázané a jeden z těch volných.

TPP
Thiamin-pyrofosfát
Lipoamid a Lys zbytek E2
Lipoamid
Poznámka
Na síru jsme narazili i u Cys. Ten umí dělat disulfidické můstky, které jsou důležité např. při tvorbě terciální struktury proteinu (např. u inzulinu).
Koenzym A
Koenzym A

A dále ještě NAD(H).

NAD(H) a NADP(H)
Celková struktura PDC
Celková struktura PDC u E. coli: (a) je vnitřní krychle s 24 E2, (b) je vnější krychle s 24 E1 (oranžová) a 12 E3 (červená), (c) je (a) + (b)

Funkce PDC

Oxidativní dekarboxylace pyruvátu na acetyl-CoA PDH komplexem
Popis reakce (také viz obrázek)
  1. pyruvát se dekarboxyluje, vzniká acetylová skupina vázající se na TPP
  2. na lipoamid je přenesena acetylová skupina a je redukována jedna sirná skupina na kyselině lipoové
  3. acetylová skupina je přenesena na CoA a redukuje se i druhá síra na lipoamidu
    • produkty již vznikly, je už jen potřeba vrátit enzym do původního stavu
  4. \(\ce{FAD}\) se redukuje na \(\ce{FADH2}\), síry na E2 jsou nyní opět oxidovány
    • vodíky mu dopraví raménko z E2
  5. \(\ce{FADH2}\) předá vodíky \(\ce{NAD+}\) (\(\rightarrow\) \(\ce{NADH + H+}\)), E3 je nyní v původním stavu
    • \(\ce{NADH + H+}\) předá protony do elektron-transportního řetězce na membráně, kam se k enzymu pevně připoutaný FAD nedostane
Regulace PDC
Principy regulace
Inhibice

Odkazy na

  1. první reakci
  2. druhou reakci
  3. třetí reakci
  4. čtvrtou reakci
  5. pátou reakci
  6. šestou reakci
  7. sedmou reakci
  8. osmou reakci

Reakce KC

Krebsův cyklus v detailu

Hlavní průběh (produkty, enzymy, atp.) viz obrázek. Následují pouze poznámky k jednotlivým fázím.

Zpět na obrázek celého cyklu.

První reakce

První reakce (citrát-syntázová)
První reakce (citrát-syntázová)
Struktura citrát-syntázy
Prochiralita citrátu
Prochirální molekuly
Organické molekuly, které ač nejsou chirální, mají potenciál reagovat asymetricky, pokud se vážou na asymetrická vazebná místa.
Prochirálnost citrátu
Citrát
  • viz obrázek
  • citrát je symetrická molekula
    • má dvě stejné \(\ce{COO-}\) skupiny, ze kterých se uhlíky po reakci objeví na dvou různých místech v α-ketoglutarátu
    • dalo by se čekat, že oba uhlíky z citrátu skončí na obou místech v molekule se stejnou pravděpodobností (symetricky)
  • po pokusech s označenými izotopy uhlíku se ale ukázalo, že jeden uhlík vždy skončí na tom prvním a druhý vždy na tom druhém místě
    • z toho se vyvodilo, že ať už se na α-ketoglutarát mění cokoli, nic symetrického to není—tedy určitě ne citrát
      • proto se měnil název cyklu
  • nakonec se zjistilo, že je to opravdu citrát, ale že se chová prochirálně—na enzymu jsou tři vazebná místa, na která se citrát musí přesně strefit, a to jde pouze jedním způsobem \(\implies\) citrát reaguje asymetricky, přestože je symetrický \(\implies\) konkrétní uhlík vždy skončí na stejném místě
Zpět na obrázek celého cyklu.

Druhá reakce

Druhá reakce
Druhá reakce
Inhibitor druhé reakce
Akonitáza
Akonitáza
Cis-akonitáza

Třetí role akonitázy souvisí s nukleotidy. V mch je u člověka několik set kopií cirkulárních molekul a jeden z proteinů, který je drží u sebe, je právě akonitáza.

Zpět na obrázek celého cyklu.

Třetí reakce

Třetí reakce

Toto je první dekarboxylační reakce.

Zpět na obrázek celého cyklu.

Čtvrtá reakce

Čtvrtá reakce

Sukcinyl-CoA je opět makroergní molekula.

Podobnost mechanismu oxidativní dekarboxylace
Podobnost alfa-ketoglutarátdehydrogenázy s PDC
Zpět na obrázek celého cyklu.

Pátá reakce

Pátá reakce
Pátá reakce
Detailní průběh páté reakce
Průběh páté reakce (viz obrázek)
  1. vznik sukcinyl-fosfátu
  2. vznik sukcinátu, přenesení fosfátu na His zbytek v enzymu \(\rightarrow\) vznik makroergní formy enzymu
  3. fosfát je přenesen na GDP (nebo ADP a podobně), tvoří se GTP (nebo ATP a podobně)

Probíhá tedy tzv. syntéza ATP na substrátové úrovni, která probíhá i v glykolýze. Druhý způsob syntézy ATP je v mch na základě oxidativní fosforylace.

Zpět na obrázek celého cyklu.

Šestá reakce

Šestá reakce
Šestá reakce
Malonát a sukcinát
Inhibice
Zpět na obrázek celého cyklu.

Sedmá reakce

Sedmá reakce

Malát je jiným názvem kyselina jablečná.

Zpět na obrázek celého cyklu.

Osmá reakce

Osmá reakce

Probíhá regenerace oxalacetátu.

Regulace KC

Regulační místa KC
Regulační mechanismy

Intermediáty KC

Využití meziproduktů KC v buňce

Citrát si může “odskočit” do cytoplasmy, kde probíhá syntéza mastných kyselin; další itermediáty slouží k dalším syntézám. Celý cyklus má tedy katabolický i anabolický charakter.

Anaplerotické reakce

Čtyři různé anaplerotické reakce

V té poslední (reakce s jablečným enzymem) je zdrojem uhlíku místo \(\ce{CO2}\) bikarbonát. Reakce probíhá také při syntéze \(\ce{NADPH}\), ale obráceně.

Poznámka
Vstup AK do KC
  • přes α-ketoglutarát
  • přes sukcinyl-CoA
  • Asp, Phe, Tyr přes fumarát

Glyoxalátový cyklus

Glyoxalátový cyklus
Glyoxalátový cyklus
Peroxisomy
  • detoxifikační centra
    • odbourávají se tam jedy jako ethanol, léky
  • látky se oxidují, stávají se rozpustnými a mohou se vylučovat močí
  • vzniká zde peroxid vodíku
Průběh
  1. citrát syntázová rekce, vznik citrátu
  2. citrát je následně izomerizován na izocitrát, jako v KC (akonitáza)
  3. izocitrát lyáza rozštěpí šestiuhlíkatou kyselinu na sukcinát a glyoxalát
  4. glyoxalát vstupuje do malátsyntázové reakce, jež z něj a z acetyl-CoA udělá malát
  5. malát už zase vstupuje do klasické reakce KC (malát-dehydrogenáza)
  6. regeneruje se oxalacetát
Vztah glyoxalátového cyklu a KC

Proč jsou glyoxysomy v semenech?

Syntéza cukrů

Oxidativní fosforylace

Dále již jen zkráceně OF.

Přehed oxydativní fosforylace

Mitochondrie

Historie objevu mitochondrií

Struktura mch

Stavba mch
Vnější membrána
Mezimembránový prostor
Vnitřní membrána
Semiautonomie
Buňka, fluorescenčně obarvená (červeně cytoskelet, zeleně mch)—důkaz existence mch retikula
Celková morfologie

Oxidace (elektron-transportní řetězec)

Schéma elektron-transportního řetězce
Transport elektronů
Redoxní potenciál jednotlivých komplexů
Redoxní potenciál

Redoxní centra

Koenzym Q
Koenzym Q
(A) Fe + 4Cys (u bakterií), (B) 2Fe + 2S + 4Cys (sír je celkově 6), (C) 4Fe + 4S + 4Cys (sír je celkově 8)
Akonitáza
Tři příklady porfyrinového cyklu
Cytochromy

Komplex I

Jinými názvy též NADH dehydrogenáza, NADH:koenzym Q oxidoreduktáza.

Struktura komplexu I
Struktura
Funkce
  1. na špičku se napojí redukovaný koenzym
  2. předá dva elektrony prvnímu redoxnímu centru, tím se oxiduje
  3. elektrony putují po dalších centrech
    • těchto center je v komplexu 7–10
      • flavin-mononukleotid (FMN) \(\rightarrow\) série železo-sirných center s různým proteinovým prostředím
      • redoxní potenciál se postupně zvyšuje -v průběhu se z matrix vypumpují čtyři protony

Komplex II

Jinými názvy též sukcinát-dehydrogenáza, sukcinát:koenzym Q oxidoreduktáza.

Struktura komplexu II
Struktura komplexu II

Koenzym Q se však redukuje i jinými způsoby než přes komplexy I a II, viz obrázek níže. Jde zároveň vidět, že FAD figuruje i na jiných místech, např. v oxidaci mastných kyselin.

Různé způsoby redukce koenzymu II

Komplex III

Neboli cytochrom B-C1.

Struktura komplexu III
Struktura komplexu III
Rozdělení dvojelektronového toku v komplexu III
Funkce

Komplex IV

Jiným názvy též cytochromoxidáza, cytochrom C:kyslík oxido-reduktáza, cytochrom A-A3, nebo COX.

Struktura komplexu IV
Struktura komplexu IV
Průchod elektronů komplexem IV
Funkce
Respirazómy
Respirazómy
  • superkomplexy oxidační fosforylace (komplexy I–V)
  • metabolické celky \(\rightarrow\) ulehčení pohybu Q a cytochromu C, transport mezi komplexy je rychlý
  • kontroverzní, neví se, zda existují

Co se ovšem ví, je fakt, že ATP syntázy se do větších celků shlukují. Jak se zdá, jsou tyto superkomplexy zčásti zodpovědné za morfologii vnitřní membrány v mch (konkrétně za kristy)—vyskytují se totiž přesně v místech, kde kristy prudece zahýbají. Mutanti bez těchto superkomplexů mají strukturu krist silně narušenou.

Shrnutí získané enerige
  • za dvě “kola”: 8 (I) + 0 (II) + 8 (III) + 4 (IV) = 20, průměrně za jedno kolo tedy 10
    • to platí pouze pokud reoxidujeme \(\ce{NADH}\)
  • pokud reoxidujeme \(\ce{FAD}\), přeskakujeme první komplex a přepumpujeme tedy jen 6 protonů
Produkce tepla rostlinami
  • některé rostliny umí protonový gradient využívat na teplo
    • obsahují alternativní oxidázy redukovaných koenzymů, které díky přenosu redukčních ekvivalentů tvoří teplo
    • rostou díky tomu ve sněhu
  • jiné rostliny gradient využívají k rychlejšímu emitování pachových molekul

U lidí se energie oxidace také využívá, k netřesové termogenezi.

Kyslíkové radikály

Vznik a zpracování kyslíkových radikálů
Aktivní způsoby ničení ROS
Glutathiol

Fosforylace

Znázornění chemiosmotického modelu
Chemiosmotická hypotéza
Protonový gradient
Spřaženost obou fází OF

Reakce jsou běžně spřažené, pouze když přidáme látku, která udělá díry v membráně a zruší tím protonový gradient, preparát začne spotřebovávat kyslík, ale už nedělá ATP.

Vsuvka (solné můstky)

-dotaz na solný můstek: skutečně solný můstkem se rozumí zařízení, kterým se vyrovnává náboj při měření redox potenciálu: máme dvě soustavy ve dvou nádobkách a měříme napětí mezi nimi–tendenci přecházet z jedné na druhou a protože se přenáší i náboj, potřebuje se solný můstek, např. KCl nebo NaCl a ty náboj vyrovnávají.

-sold-bridge-bold také existuje a je to slabá interakce zahrnující vodíkové můstky a elektrostatické interakce uplatňuje se to při skládání proteinu (aspartát, glutamát mohou reagovat a aminoskupinami např. lysinu vod. můstky a elektrostatickými silami)–takže se to může najít i v tomhle významu

Bakteriální elemetární experiment
  1. přidáme na membránu bakteriorodopsin
    • bakteriorodopsin pumpuje protony poté, co je stimulován světlem
  2. přidáme na membránu mch ATP syntázu
  3. posvítíme na membránu \(\rightarrow\) začne se generovat ATP

Struktura ATP syntázy

Struktura ATP syntázy

Skládá se ze dvou podjednotek, F1 a FO.

Podjednotka F1
Stavba F1
Konformace alfa a beta podjednotek
  1. těsná (T) (na obrázku oblouk), je zde navázáno ATP
  2. otevřená (O) nebo též empty (na obrázku hranaté), není zde vázáno nic
  3. volná (L) (na obrázku oblé rohy), je zde navázáno ADP

Průběh změn konformace je T \(\rightarrow\) O \(\rightarrow\) L \(\rightarrow\) T \(\rightarrow\) ...

Podjednotka FO

Princip funkce

Princip rotace
  1. když protékají protony přes kanál tvořený A, roztáčí prstenec C (viz níže)
  2. na C je přes δ a ε připojená podjednotka γ, která se tedy otáčí s C
    • celý rotor je tedy C + γ + δ + ε
    • samotná δ se ale neotáčí, je pevně uchycena k B
  3. otáčení γ způsobuje syntézu ATP
Detailní rozkreslení rotace C prstence
Princip rotace C prstence

Dle měření se zdá že proběhne přibližně 100 otáček za sekundu.

Mindfuck—jak bylo dokázáno, že dochází k rotaci
K rotující C podjednotce bylo připojeno dlouhé, fluorescenčně označené aktinové vlákno. Po přidání ATP se celá struktura dala do pohybu, rotace aktinového vlákna byla zaznamenána na obrázku napravo.
Princip syntézy
Princip syntézy při rotaci γ
Reálný zisk ATP
  • teoretický zisk: něco málo přes 3 ATP na jeden reoxidovaný NADH
    • 10 protonů za jeden NADH, na jedno ATP potřebujeme 3 protony
  • reálný zisk je kolem 2,5 ATP
    • k výrobě ATP potřebujeme kromě protonů i ADP a fosfát
      • k přenosu ADP do mch se používá adenindinukleotidový translokátor (prohodí ATP a ADP)
      • anorganický substrát je transportován symportem s protony, tedy na jedno ATP reálně potřebujeme 3 + 1 protonů \(\rightarrow\) za 10 protonů získáme jen 2,5 ATP
  • za FADH je to ještě méně, jen 1.5
Pohyb bakterií
Rotace bičíku

Některé bakterie využívají mechanismus ATP syntázy k pohybu (v opačném směru, tedy ATP \(\rightarrow\) rotace).

Inhibitory

Inhibitory a jejich cíle
Inhibitory
Rozpřahovací proteiny
Hnědá tuková tkáň

Reoxidace glykolytického NADH

Glycerolfosfátový člunek
Glycerolfosfátový člunek
Izoenzymy
Izoenzymy jsou enzymy, které katalyzují stejnou reakci, ale mají odlišnou strukturu.

U člověka je častější následující cyklus.

Malát-aspartátový člunek
Malát-aspartátový člunek
Celkový zisk energie z degradace glukózy

Regulace OF

Fotosyntéza

Sluneční energie je využívána k syntéze energeticky bohatých sloučenin
Fotosyntéza

Obecná reakce fotosyntézy vypadá následovně:

\[\ce{CO2 + H2O ->[světlo] O2 + (CH2O)},\]

voda zde předává elektrony (v podobě vodíku) a redukuje \(\ce{CO2}\).

Struktura chloroplastu
Chloroplasty

Světelná fáze

Elektromagnetické spektrum, udávající energii fotonu (\(\pu{1 Einstein = 1 mol}\) fotonů)
Absorbce světla obecně
Struktura chlorofylu A (a znározněny jsou také rozdíly s chlorofylem B a bakteriochlorofylem)
Chlorofyly
Absorbční spektra chlorofylů a jim podobných látek (obecně fotopigmentů)

Cholorofyly vždy tvoří ještě s dalšími proteiny tzv. light-harvesting complex.

LHCII (v buňce jako trimer, na obrázku monomer). Skládá se ze 7 molekul chlorofylu A, 5 molekul chlorofylu B a 2 molekul luteinu.
Evoluce chloroplastů
  • oxygenní fotosyntéza je velice důležitá pro život na zemi, vznikla před cca 2.5 miliardami let
    • nejen proto, že z anorganických sloučenin vyrábí organické, ale také proto, že uvolňuje kyslík
  • chloroplasty vznikly nejspíše endosymbiózou, jako mch
    • konkrétně endosymbiózou cyanobakterií
    • mají své DNA, transkripční a translační mechanismy, umí se dělit
      • část proteinů je ovšem importována z cytoplazmy
  • cyanobakterie samotné mají jak fotosystém I, tak fotosystém II
    • zdá se, že u nich došlo ke kombinaci genetického materiálu dvou různých typů bakterií

Více než polovinu veškeré fotosyntetické aktivity obstarávají mikroorganismy, mnoho z nich však není oxygenních (jako donor nepoužívají \(\ce{H2O}\), ale \(\ce{H2S}\), laktát, atp.).

OF a FF mají v cyanobakteriích tři společné proteiny
Vztah fotofosforylace a OF
  • moderní cyanobakterie umí obojí
  • cyanobakterie mají tři proteiny, které se účastní obou procesů \(\implies\) oba procesy jsou nejspíše příbuzné

Halofilní archea vyvinula jiný způsob pumpování protonů přes membránu; používají bakteriorodopsin (který obsahuje retinal, derivát vitamínu A). Po jeho osvícení dojde k fotoizomeraci (protein změní tvar), při návratu do původního stavu se přenese proton. Jedná se o nejmenší protonovou pumpu, která byla objevena (247 AK).

Tok elektronů

Exciton
Kvantum energie přenášené z jedné molekuly na druhou, podobně jako foton je kvantum energie přenášené jako světlo.
Přenos excitonů a elektronů

Jak obecně probíhá celá absorbce světla lze vidět na obrázku výše.

Fotochemická reakční centra

Purpurové bakterie a chlorobi

Fotosyntetický mechanismus u purpurových (a) a zelených (b) bakterií
Purpurové bakterie
Chlorobi

Rostliny

Integrace fotosystému I a II v chloroplastech (tzv. z-schéma)
Rostliny (a cyanobakterie)

Zápis celé reakce je pak

\[\ce{2H2O + 2NADP+ + 8f -> O2 + 2NADPH + 2H+},\]

z toho na FSII (a analogicky na FSI) probíhá reakce

\[\ce{4P680 + 4H+ + 2PQ_B + 4f -> 4P680+ + 2PQ_BH2}.\]

Fotofosforylace

Pohyb protonů a elektronů během fotofosforylace
ATP syntáza
Orientace ATP syntázy

Biosyntéza sacharidů v rostlinách

Shrnutí syntézy sacharidů v rostlinách
Plastidy

Temnostní fáze, neboli asimilace \(\ce{CO2}\), probíhá ve třech fázích, které jsou znázorněny na obrázku níže. Všem třem dohromady se podle jejich objevitele říká Calvinův cyklus.

Calvinův cyklus, nebo též \(\ce{C3}\)-cyklus
Calvinův cyklus
Stechometrie Calvinova cyklu

Za tři otáčky se promění tři molekuly \(\ce{CO2}\) a jedna molekula fosfátu na jednu triózu. V průběhu toho se spotřebuje 6 molekul NADPH a 9 molekul ATP.

Tři otáčky Calvinova cyklu

První fáze

Rubisco
Regulace rubisca
Odhadovaný mechanismus práce rubisca. Detaily není třeba umět, stačí si zapamatovat, že se toho všeho účastní Lys a \(\ce{Mg^{2+}}\).

Druhá fáze

Schematické znázornění druhé fáze

Třetí fáze

Třetí fáze zobrazující konverze mezi triózami a pentózami
Třetí fáze
Znázornění transketolázových reakcí: (a) Obecná reakce katalyzovaná transketolázou s TPP, (b) krok 3, (c) krok 6. Ketoláza vždy změní oba reaktanty o 2C (jeden zkrátí, druhý prodlouží).

Další metabolické dráhy cukrů

Metabolismus glykogenu

Struktura glykogenu

Odbourávání glykogenu

První reakce

Struktura monomeru glykogen fosforylázy
Struktura glykogen fosforylázy
Glykogen fosforylázová reakce
Reakční mechanismus

Druhá reakce

Během první reakce vzniká glukóza-1-fosfát, do glykolýzy však potřebujeme glukózu-6-fosfát. O změnu z jednoho na druhé se stará druhá reakce odbourávání glykogenu.

Fosfoglukomutázová reakce
Fosfoglukomutázová reakce

Třetí reakce

Linearizace glykogenu
Průběh reakce
  1. (α1 \(\rightarrow\) 4)-transglykosylázová aktivita
    • krátká část řetězce (např. na obrázku 4 jednotky, tzv. limitující systém) pospojovaného (α1 \(\rightarrow\) 4) vazbami je přesunuta
    • v původní větvi zůstává už jen jedna glukóza, která je připojena na větvící místo vazbou (α1 \(\rightarrow\) 6)
    • ze dvou větví vytvoří jednu delší a jednu, která má už jen jednu glukózu
  2. (α1 \(\rightarrow\) 6)-glukosidázová aktivita
    • hydrolyzuje glukózový zbytek v místě větvení, který byl připojen (α1 \(\rightarrow\) 6) vazbou
    • tento se uvolňuje jako glukóza
    • změna (α1 \(\rightarrow\) 6) na (α1 \(\rightarrow\) 4) není z energetického hlediska možná, proto dochází k hydrolýze

Kolem 90% glukózy z glykogenu se uvolňuje jako glukóza-6-fosfát, zbytek pochází z míst větvení a uvolňuje se jako glukóza.

Syntéza glykogenu

První reakce

Nejprve je potřeba připravit energeticky nabitou glukózu.

Syntéza UDP-glukózy
Syntéza UDP-glukózy

Druhá reakce

Aktivovaná glukóza se dále využije k syntéze glykogenu.

Syntéza glykogenu z UDP-glukózy
Syntéza glykogenu z UDP-glukózy

Třetí reakce

Poslední reakcí je opak linearizace při rozkladu glykogenu—zde máme naopak větvící reakci a větvící enzym.

Větvení glykogenu
Větvení glykogenu
Výsledná struktura glykogenu

Regulace glykogenfosforylázy

Spřažení metabolismu glykogenu a glykolýzy
  • v játrech je glykogen odbouráván tehdy, když je potřeba zvýšit hladinu glukózy v krvi
    • např. při hladovění, nebo při zvýšených nárocích na svalovou práci, kterou signalizují stresové hormony
    • odbourání glykogenu nemá být rovnou spřaženo s glykolýzou, má glukózu jen uvolnit do krve \(\rightarrow\) glykolýza je tedy inhibována
  • ve svalech je odbouráván pro svalovou práci
    • zde je odbourávání glykogenu přímo pro glykolýzu

Jak to ale zařídit?

Mechanismus spřažení
  • fruktóza-2,6-bisfosfát je nejsilnější alosterický regulátor fosfofruktokinázy, hlavního glykolytického enzymu
    • ve svalech je při odbourávání glykogenu podporována tvorba tohoto produktu
    • v játrech je podporováno jeho odbourávání

Alosterická regulace

R a T forma enzymu
Enzym v R (relaxed) formě je, alespoň v kontextu metabolismu, vždy aktivnější než enzym v T (tense) formě. Jedná se o stejný enzym, ale ve dvou stavech.
Přechod z forforylázy A na fosforylázu B a naopak
A a B glykogenfosforyláza

Fosforylace Ser u A a přítomnost AMP na alosterickém místě u B podporují R formu podobným způsobem.

Regulace posttranslačními modifikacemi

Regulace glykogenfosforylázy a glykogensyntázy
  1. vazba hormonu na receptor
  2. uvolňování cyklického AMP (dále jen cAMP)
  3. aktivace cAMP-dependentní kinázy (jinak též proteinkináza A, dále jen PKA)
  4. fosforylace kinázy fosforylázy B (tím se kináza fosforylázy B aktivuje)
  5. fosforylace glykogenfosforylázy a glykogensyntázy
    • glykogenfosforyláza A je tím aktivována, glykogen se začne odbourávat -naopak glykogensyntáza je fosforylací deaktivována

Po glukózové infuzi tedy stoupne odbourávání glykogenu a zpomalí se jeho opětovná syntéza.

Hormonální regulace metabolismu sacharidů

Játra (stav: v krvi je málo glukózy)
  1. pankreatické α buňky vyplaví glukagon
  2. ten se váže na svůj receptor na jaterní buňce, jenž je spřažen s adenylát-cyklázou \(\rightarrow\) tvoří se cAMP (druhý posel)
  3. cAMP spustí bicyklickou kaskádu odbourávání glykogenu
  4. glukóza se uvolňuje do krve, zvyšuje se její hladina
Játra (stav: v krvi je hodně glukózy)
Poznámka

Snížená signalizace přes inzulínový receptor prodlužuje život u hlístice, myši i u člověka—to ukazuje na význam kalorické restrikce (i v prevenci nádorů).

Inzulínová signalizace (a signalizace přes mTOR) ovlivňuje také rozdělení včel do kast. Kombinace hormonálních a nutričních signálů vytvoří odlišné fenotypy při stejném genotypu.

Játra (stav: tělo je ve stresu)
  1. na jaterní buňku se váže adrenalin, jsou tam na něj dva (α a β) receptory
  2. β receptory \(\rightarrow\) adenylát-cykláza \(\rightarrow\) cAMP \(\rightarrow\) bicyklická kaskáda
  3. α receptory \(\rightarrow\) štěpení fosfatidyl-inozitol-trifosfátu \(\rightarrow\) inozitoltrisfosfáty a diacylglyceroly (druzí poslové, stejně jako cAMP)
  4. působením inozitoltrisfosfátu se uvolňuje vápník \(\rightarrow\) aktivace kinázy-fosforylázy \(\rightarrow\) odbourávání glykogenu
  5. glukóza se uvolňuje do krve
    • tentokrát to není proto, aby se zvýšila její hladina, ale kvůli dopravení do svalů
Signalizační kaskáda ve svalových a jaterních buňkách (není potřeba umět v detailu)
Svaly
  1. aktivuje se adrenalinový receptor (svaly mají pouze β)
  2. adenylát-cykláza
  3. vznik cAMP
  4. odbourávání glykogenu
    • ihned následuje glykolýza
Choroby spojené s metabolismem glykogenu

Označují se jako glykogenózy a zpravidla jsou způsobeny tím, že je mutován nějaký enzym odbourávání nebo syntézy glykogenu ve svalech či játrech.

Hladiny ATP (ADP) u zdravých jedinců a u jedinců trpících McArdleovou chorobou
McArdleova choroba
  • defekt ve svalové glykogenfosforyláze
  • při lehké zátěži se prudce zdvihne hladina ADP, protože svalová glykogenfosforyláza nereaguje na svalovou práci, dochází k odbourávání svalového glykogenu
  • při dlouhotrvajícím cvičení je rozdíl menší, protože jsou svaly zásobeny z jaterního glykogenu
Metabolismus glykogenu a sport
  • 6 dnů před vytrvalostním závodem se omezí příjem cukrů a glykogenu v potravě
  • poslední 3 dny se jich naopak konzumuje větší množství
  • tělo má signalizován nedostatek a tak nejen, že doplní ten ztracený glykogen, ale ještě zvětší zásoby

Coriho cyklus

  1. v odpočívajícím svalu se vytváří zásoby glykogenu, v aktivním probíhá reakce měnící glykogen \(\rightarrow\) laktát
  2. laktát je transportován do krve, a krví do jater
  3. v játrech se laktát účastní glukoneogeneze, tvoří se z něj opět glukóza

Cyklus je pojmenován podle manželů Coriových, absolventů Karlovy univerzity a nositelů Nobelovy ceny.

Glukoneogeneze

Schéma toho, z čeho mohou cukry vznikat (zvlášť pro rostliny a živočichy)
Popis schématu
Obrázek glukogenních AK v souvislosti s KC
Glukoneogeneze z AK
Výroba cukrů z tuků
  • z MK sice cukry (víceméně) vznikat nemohou, ale z glycerolu (součást tuků) ano
  • glycerol nám zbyde poté, co z něj lipázy odštěpí MK
  • glycerol \(\rightarrow\) fosforylace na glycerol-3-fosfát \(\rightarrow\) dihydroxyacetonfosfát (viz obrázek níže, tam jsou i enzymy)
  • dihydroxyacetonfosfát se pak může účastnit glykolýzy nebo gng
    • v glykolýze může být v páté reakci zaměňován s glyceraldehyd-3-fosfátem, který je (podobně jako dihydroxyacetonfosfát) produktem čtvrté reakce
  • malá část molekuly tuku tedy do gng vstoupit může

Navíc, propionyl-CoA vzniklý z β-oxidace MK s lichým počtem uhlíků může vstoupit do KC, kde unikne oběma dekarboxylacím a jeho uhlíky tedy také mohou sloužit k syntéze cukru.

Vstup glycerolu do gng
Vztah glykolýzy a glukoneogeneze
Glykolýza a gng

Obcházení pyruvát-kinázové reakce

Viz obrázek—skládá se ze dvou částí.

Pyruvát-karboxylázová reakce
Detailní náhled do toho, jakou roli má biotin v pyruvát-karboxylázové reakci (není třeba se učit)
Role biotinu
Fosfoenolpyruvátkarboxykinázová reakce
PEP karboxykinázová reakce

V pyruvát-kinázové reakci v glykolýze vznikne 1 ATP na jeden fosfoenolpyruvát, ale když reakci obracíme, potřebujeme hned dvě makroergní sloučeniny (pyruvát-karboxyláza potřebuje jednu ATP a fosfoenolpyruvátkarboxykináza zas jednu GTP).

Obcházení zbývajících dvou kinázových reakcí

Umístění glukóza-6-fosfatázy
Činnost glukóza-6-fosfatázy

Kompartmentalizace gng

Regulace

Fruktóza-1,6-bisfosfát
Fruktóza-2,6-bisfosfát
Fruktóza-2,6-bisfosfát
Vliv F26BP na regulaci gng

A jak je regulováno množství F26BP?

Regulace množství F26BP
PFK-2 a FBPáza-2

Shrnutí: PFK-2 podporuje PFK-1, s fosfatázami je to analogické.

Pentózofosfátová dráha

Obecné schéma pentózofosfátové dráhy
Neoxidativní část dráhy
Poznámka
NADH je součástí katabolických drah, zatímco NADPH je důležitý pro reduktivní syntézy, například syntézu MK.

Průběh oxidativní části

Detailní průběh oxidativní části dráhy

Reakce jsou zřetelné z obrázku, následují pouze drobné poznámky.

Třetí reakce

Celkově vzniknou dvě molekuly NADPH a jedna molekula ribózy.

Průběh neoxidativní části

Transketolázové a trans-aldolázové reakce. (a) popisuje změnu tří pentóz na dvě hexózy a jednu triózu, (b) pak ukazuje, jak se po dvou průbězích reakcí v (a) vytvoří z šesti pentóz pět hexóz.
Transketolázové a trans-aldolázové reakce

Lipidy, mastné kyseliny a jejich metabolismus

Lipidy
Různorodá skupina látek, které spojuje to, že jsou rozpustné v nepolárních rozpouštědlech. Nejběžnějším příkladem jsou triacylglyceroly.
Příklad triacylglycerolu
Triacyglyceroly
Estery glycerolu—na glycerolu (trojsytném alkoholu) jsou esterovou (hydroxylová+karboxylová) vazbou napojeny tři mastné kyseliny (viz obrázek níže).
Glycerofosfolipidy
Glycerofosfolipidy
Hlavní složky membrán, ampfipatické molekuly, mají dva ocásky z MK a na třetím je navázáno něco polárního, např. fosfatydilcholin, alkohol atp. Jsou prekurzory druhých poslů (jako např. cAMP) a slouží k ukotvení proteinů v membráně pomocí tzv. GPI kotvy.
Vosky
Estery MK a alkoholů s dlouhým řetězcem, např. včelí vosk, vorvaňový vosk a lanolin.
Izopren a možnosti jeho spojování.
Terpeny

Molekuly z izoprenových podjednotek, řadí se mezi izoprenoidy.

Izopren je 2-methyl-1,3-butadien, tvoří aromatické látky, a vyskytuje se hlavně v rostlinných hormonech. Blue Ridge Mountains ve Virgínii dostaly své jméno podle modrého oparu způsobeného právě izoprenem, který rostliny přes léto uvolňují.

Příklady terpenů

Mastné kyseliny

Velice důležitá (dokonce esenciální) je pro nás kyselina arachnidová (20:4:5,8,11,14)—je prekurzorem pro syntézu hormonů prostacyklinu, tromboxynu atd.

Příklady mastných kyselin
Nasycené MK
Nemají dvojnou vazbu. Opakem jsou nenasycené MK.
Polynenasycené
Mají více násobných vazeb.

O to, které jsou zdravé a nezdravé, se stále vedou spory—v současnosti se prosazují ty s mnoha nenasycenými vazbami, jako např. kukuřičný olej a olej světlice barvířské.

Pro polynenasycené MK je složitější se uspořádat, proto mají nižší teplotu tání než nasycené MK, které u sebe dobře drží mnoha hydrofilními vazbami

Oxidace MK

Ukládání energie do MK
Běžné množství uložené energie ve třech jedincích
Sprinteři, mílaři a maratonci
Zpracování tuků pro energii
  1. rozložení tuků na MK a transport MK do buněk
  2. rozložení MK v buňce
    1. aktivace MK
    2. transport MK do mch
    3. β-oxidace, rozložení MK
    4. KC, OF

Rozložení tuků na MK

Cesta lipidů skrz člověka
Rozložení tuků na MK
  1. tuky v trávicí soustavě tvoří kapénky, jež jsou špatně napadnutelné enzymy
    • \(\impliedby\) tuky josu velice hydrofobní
    • je nutné je emulgovat
  2. žlučové kyseliny a jejich soli tuky emulgují, tvoří se micely
  3. lipázy ve střevě odštěpují jednotlivé MK
  4. MK se dostávají přes membránu, stávají se z nich chylomikrony
    • chylomikron je útvar tvořený jednovrstevnou membránou s triacylglyceroly a estery uvnitř
  5. chylomikrony jdou přes stěnu střevní sliznice do krve
  6. v krvi se rozpadnou na MK a jsou transportovány na místo určení
    • pokud jsou potřeba hned tak do myocytů (svalů)
    • pokud hned potřeba nejsou, jdou do bílé tukové tkáně, kde se z nich znovu tvoří glyceroly a tukové kapénky
    • v krvi jsou MK vázány na sérový protein albumin
Chylomikron

Aktivace MK

MK se musí dostat do mch, kde probíhá β-oxidace. Aby ale prošla dovnitř, musí být nejprve aktivována tím, že se z ní udělá acyl-CoA (ne acetyl, ten byl v KC).

Konverze MK na acyl-CoA

Celková přeměna je tedy

\[\ce{MK + CoA + ATP -> MK-CoA + AMP + 2P_i},\]

a je silně exergonická (\(\Delta G'^{\circ} =\) \(\pu{-34 kJ/mol}\)). U reakce je použito pyrofosfátové štěpení (ATP \(\rightarrow\) AMP).

Transport MK do mch

Karnitinový cyklus
Průchod acyl-CoA do mch

Beta-oxidace

Fáze zpracování MK v mch
Beta-oxidace
Průběh β-oxidace

Viz obrázek, popisky jen doplňují detaily.

První reakce
Druhá reakce
Třetí reakce
Čtvrtá reakce

β-oxidaci se někdy říká též Lynenova spirála

Lynenova spirála
Co když má MK lichý počet uhlíků
  • na konci β-oxidace vznikne propionyl-CoA
  • ten je potřeba přemenit tak, aby mohl vstoupit do KC
    • přemění se na sukcinyl-CoA
  • k procesu je potřeba vitamín \(\ce{B12}\)
  • celou reakci není potřeba umět
Změna propionylu-CoA na sukcinyl-CoA
Co když je MK nenasycená
  • dvojné vazby je potřeba nahradit jednoduchými
  • pak se normálně odbourávají (někdy probíhá například ω-oxidace)
  • celou reakci není potřeba umět
Průběh β-oxidace na polynenasycené MK

Zisk ATP

V následující tabulce můžeme vidět zisk z β oxidace jedné molekuly palmitoyl-CoA. Kdybychom počítali zisk z palmitátu, musíme ještě odečíst 2 ATP za jeho aktivaci na palmitoyl-CoA.

Zisk ATP z β-oxidace

Lokalizace

Rozdíl průběhu β-oxidace v mch a v peroxisomu

Ketolátky

Metabolismus tuků

Srovnání beta-oxidace a syntézy MK

Přestože je přenašečem acylu ACP, skupina, na kterou je acyl připojen, je stále stejná: fosfopanteteinová skupina.

Fosfopanteteinová skupina

Příprava malonylu-CoA

O přeměnu z acetyl-CoA na malonyl-CoA se stará enzym acetyl-CoA-karboxyláza (dále jen ack).

Reakce acetyl-CoA-karboxylázy
Acetyl-CoA karboxyláza

Regulace ack

Regulace fosforylací

AMP-aktivovaná kináza
cAMP-dependentní proteinkináza
Aktivace ack

Regulace lokálními metabolity

Syntéza MK

Průběh syntézy MK na FAS

Viz obrázek, následují pouze drobné poznámky.

Úvodní reakce 1
Úvodní reakce 2

Předchozí dvě reakce probíhají pouze v prvním cyklu, v druhém by byly nahrazeny přenesením malonylu z CoA na ACP.

První reakce

V β-oxidaci jsou dvě oxidace, tedy v rámci syntézy MK budou dvě redukce.

Druhá reakce
Třetí reakce
Čtvrtá reakce

Butyryl má pouze 4 uhlíky, palmitát je C16, proto musí výše zmíněná reakce proběhnout ještě šestkrát (pokaždé se přidají dva uhlíky). Výsledným produktem (po celkem sedmi cyklech) je palmitoyl-ACP.

Závěrečná reakce
META
Syntéza MK je velice důležitá, je prý i u státnic. Good luck to all of us.
FAS

Přenos důležitých reaktantů na místo reakce

Transport acetylu-CoA z mch
Acetyl-CoA
NADPH

Elongace a desaturace MK

Buňka někdy potřebuje delší MK než je palmitát, nebo nenasycené MK.

Elongace
Desaturace MK (přesný mechanismus není třeba umět)
Desaturace
Savčí desaturázy

Elongace a desaturace jsou často kombinované, napč. při tvorbě arachidonátu.

Syntéza triacylglycerolů

Biosyntéza kyseliny fosfatidové (není třeba umět detaily)
Meziprodukty syntézy triacylglycerolů
Přeměna kyseliny fosfatidové na triacylglyceroly a fosfolipidy

Regulace metabolismu tuků

Játra ve stavu sytosti (lipogenní). TAG označují triacylglyceroly.
Stav sytosti
Hladovějící játra (glukogenní)
Stav hladu
Vliv inzulínu a glukagonu

Hlavním regulačním mechanismem, který řídí syntézu a degradaci MK, je tedy poměr mezi inzulínem a glukagonem.

Vliv inzulínu na játra a tukové buňky
Vliv glukagonu na játra a tukové buňky
Regulace ukládání tuků v tukových buňkách
Lipoproteinlipáza

Cholesterol

Užitečnost cholesterolu
Složení různých membrán v buňce

Syntéza cholesterolu

Syntéza cholesterolu v hrubých obrysech

První fáze

První fáze
První fáze
Regulace HMG-CoA-reduktázy

Druhá fáze

Druhá fáze. Je třeba znát pouze konečné produkty.
Druhá fáze

Nyní potřebujeme z vzniklé 5C moleuly vyrobit 30C cholesterol.

Třetí fáze

Třetí fáze
Třetí fáze

Čtvrtá fáze

Čtvrtá fáze. Detaily opět není třeba znát.
Čtvrtá fáze

Transport cholesterolu do buňky a jeho regulace

Transport cholesterolu do buňky (ACAT je acyl-CoA-cholesterol acyltransferáza)
Transport cholesterolu do buňky

Asi 2/3 cholesterolu, který máme v těle, si syntetizujeme a 1/3 přijímáme v potravě. Z těla se dostává výhradně v podobě žluči, žlučových kyselin. Jeho vylučování může podnítit příjem rostlinných fytosterolů.

Komunikace mezi játerní tkání a periférií
  1. normální stav
    • játra přijímají hodně LDL, pak je uvolnují do krve jako VLDL (very low-density lipoprotein) a ony se do nich vrací zase jako LDL
  2. familiární hypercholesterolémie
    • defekt při syntéze LDL receptorů
    • LDL receptory se špatně vstřebávají a zvyšuje se hladina těch “špatných” cholesterolů v krvi
  3. dieta s vysokým obsahem cholesterolu
    • receptory jsou ze začátku v pořádku, ale pak dojde k adaptacím, sníží se syntéza HMG-CoA reduktázy
    • jaterní tkáň nestíhá cholesterol vstřebávat a zpracovávat a opět to vede k poruchám
    • naopak fyzická aktivita vede ke snížení LDL v oběhu a zvýšení exprese HGM-CoA reduktázy

Ikosanoidy

Názvosloví
Účinky

Tvorba a účinky ikosanoidů

Fosfatidylinositol, s navázanou kyselinou arachidonovou a stearovou

Tvorba ikosanoidů je podobně jako u hormonů spřažena s druhými posly, mohou být aktivovány např. v odpovědi na adrenalin.

Účinky leukotrienů

Cyklizující dráha

Příklady prostaglandinů
Prostaglandiny
Cyklická dráha
Reakce prostaglandin-H2 syntázy
Prostaglandin-endoperoxid syntáza (PTGS)
Příklady prostanoidů vznikajících z PGH2
Prostanoidy
Podskupina ikosanoidů, která zahrnuje prostaglandiny, tromboxany a prostacykliny.
Účinky prostanoidů
  • \(\ce{TXA2}\)
    • agregace trombocytů
    • konratkce hladkého svalstva cév
  • \(\ce{PGI2}\), \(\ce{PGI3}\)
    • antiagregační účinek
    • stimulace relaxace hladkého svalstva
    • zvýšení intenzity a trvání bolesti
  • \(\ce{PGE2}\)
    • inhibice kontrakce hladkého svalstva
    • vasodilatace cév a zvýšení permeability cév
    • inhibice sekrece \(\ce{HCl}\)
    • stimulace sekrece mucinu
    • zvýšení teploty
    • zvýšení intenzity a trvání bolesti
  • \(\ce{PGD2}\)
    • navození spánku
    • kontrakce bronchiálního svalstva
  • \(\ce{PGF2}\)
    • kontrakce hladkého svalstva
    • zvýšení teploty
Aspirin, ibuprofen a naxprofen
Aspirin

Glycerolipidy a sfingolipidy

Glycerolipidy
Lipidy odvozené od glycerolu.
Sfingolipidy
Lipidy odvozené od sfingosinu, 18C alkoholu, jehož první tři uhlíky hrají ve stavbě lipidů roli glycerolu.
Fosfolipidy
Podtřída glycerolipidů, mají na glycerolu navázán i fosfor.
Obecná struktura fosfolipidu
Glykolipidy
Mají v molekule cukernou složku.
Bežné typy zásobních a membránových lipidů

Fosfolipidy

Fosfolipidy
Alkylacylglycerolfosfolipidy a plasmalogeny

Syntéza fosfolipidů

Syntéza glycerofosfolipidů, spojetá s CTP, přechází přes CDP-diacylglycerol. Detaily není třeba znát.
Poznámka
Fosfatidylcholin
  • je důležité přijímat v potravě, podílí se na vodivosti nervových buněk
    • může reagovat s ceramidem za vzniku sfingomyelinu, který je důležitý pro tvorbu myelinové pochvy
  • alternativně může být syntetizován z fosfoetaloaminu pomocí trimethylace
Fosfatidylinositol
  • důležitá signální molekula
  • může být štěpena na druhé posly (IP3 a DAG)
  • může z něj vznikat difosfatidylglycerol neboli kardiolipin
    • je ve vnitřní membráně mitochondrií a je důležitý pro její správné fungování
    • je ho hodně v srdečním svalu
    • je nezbytný pro dýchací řetězec

Sfingolipidy

Sfingolipidy
Glykosfingolipidy
Srovnání struktury svou membránových lipidů, fosfatidilcholinu (glycerofosfolipidu) a sfingomyelinu (glykosfingolipidu). Jde vidět, že jejich struktura fyzikální parametry jsou velice podobné, přestože mají chemicky jiný původ.

Metabolismus aminokyselin

Odbourávání aminokyselin v savcích
Metabolismus aminokyselin
Odbourávání amoniaku
  1. mořští bezobratlí a larvy obojživelníků prostě nechávají volný amoniak difundovat z těla
  2. pokud má organismus dostatek vody, je možné vylučovat dusík v podobě močoviny
    • složitější než prostý amoniak, není ale tak toxická, nepotřebuje tolik vody k vyloučení
    • když není k dispozici voda, je možné ji vylučovat v mikrokrystalech nebo v pastě
  3. další možností je kyselina močová (derivát purinové báze, hypoxanthinu, xanthinu)
    • náročná sytéza, viz níže, samotné její vyloučení spotřebuje velice málo vody
  4. pavouci a škorpióni používají guanin
Průběh
  1. transaminace: přenos aminoskupiny z odbourávané AK na nějakou jinou ketokyselinu
  2. deaminace: samotné uvolnění amoniaku
  3. zpracování amoniaku a jeho vyloučení (u lidí: cyklus močoviny)

Transaminace

META
Oxo-něco v rámci této kapitoly odpovídá keto-něčemu na obrázcích.

Obecný sumární popis transaminace je tedy

\[\ce{AK1 + \alpha-ketokyselina1 <=>[enzym] AK2 + \alpha-ketokyselina2},\]

a pokud bychom ji chtěli rozdělit na fáze, vypadal by průběh takto

\begin{align*}\ce{AK1 + enzym} & \ce{<=> \alpha-ketokyselina2 + enzym-NH2} \\ \ce{\alpha-ketokyselina1 + enzym-NH2} & \ce{<=> AK2 + enzym}.\end{align*}

Obecný popis fází

Obecný průběh reakce

Transaminázy
PLP a PMP
PLP
Různé reakce s PLP a AK. Nejdůležitější je pro nás ta žlutá nahoře (transaminace), pro ilustraci jsou ale uvedeny i další dvě: racemace (B) a dekarboxylace (C). Na obrázku není celý průběh transaminace, pouze její první fáze; druhá fáze probíhá stejně, jen zprava doleva a s jinou α-ketokyselinou. Úplné detaily není třeba umět.

Konkrétní průběh reakce viz obrázek a následující popis.

Průběh první fáze reakce
  1. PLP je na enzym připojen Shiffovou bází přes ε-aminoskupinu lysinu na aktivním cetru enzymu (viz obrázek níže)
    • kromě Lys se vazby účastní i řada nekovalentních vazeb
  2. dochází k výměně Shiffovy báze mezi enzymem a substrátem
    • máme samotný enzym a poté PLP přes Shiffovu bázi kovalentně navázané na substrát
  3. delokalizované elektrony koenzymu destabilizují vazby na Cα AK, které jsou mimo rovinu kruhu
    • je to taková elektronová jímka, která umožňuje štěpení vazeb kolmých na heterocyklus
  4. vazba \(\ce{C-NH}\) se štěpí, vzniká PLP a z AK se stane jen α-oxokyselina

Druhá fáze probíhá analogicky, ale od konce; PMP se v jejím průběhu mění opět na PLP.

Spojení enzymu a PLP

Příklady transaminačních reakcí

Reakce AK \(\rightarrow\) Glu

První příklad transaminace:

\[\ce{AK + \alpha-oxoglutarát <=>[enzym] Glu + \alpha-oxokyselina}.\]
Reakce AK \(\rightarrow\) Glu

Určité množství Glu se tedy mění na Asp, a to v následující reakci (druhý příklad transaminace):

\[\ce{Glu + oxalacetát <=>[enzym] Asp + \alpha-oxoglutarát}.\]
Glu a Asp v metabolismu

Třetím příkladem transaminace je tzv. glukózo-alaninový cyklus.

Glukózo-alaninový cyklus
Glukózo-alaninový cyklus

Oxidativní deaminace glutamátu

Deaminace glutarátu glutamátdehydrogenázou

K transportu dusíku se někdy používá také glutamin.

Vznik a zpracování glutaminu (detaily reakcí není třeba umět)

Cyklus močoviny

Substráty
  1. amoniak z glutamát-dehydrogenázové reakce
    • prostřednictvím karbamoyl-fosfátu, dodá první dusík
  2. kyselina uhličitá (přesněji hydrogenuhličitan)
  3. kyselina asparagová
    • vzniklá transaminací Glu \(\rightarrow\) Asp, dodá druhý dusík

Poté je potřeba ještě 3 ATP (energeticky 4, viz popis druhé reakce).

Produkty
  1. močovina (karbamid, urea, diamid kyseliny uhličité)
  2. fumarát
    • ten odnáší tu uhlíkovou kostru, kterou tam přinesl Asp
    • pokračuje do KC, nebo do transaminázové reakce, kde se mění na Asp

Průběh

Cyklus močoviny
Přípravná reakce
První reakce
Druhá reakce
Třetí reakce
Čtvrtá reakce

Metabolismus C-kostry AK

Nyní se zabýváme tím, co se stane s uhlíkovou kostrou AK, která nám zůstala po deaminaci.

META
Pro účely zkoušky budeme muset vědět, kde jednotlivé dráhy končí a na co jsou jaké aminokyseliny odbourávány (viz obrázek). Není nutné do detailu znát, jak konkrétně každá dráha probíhá, pouze rámcově chápat, jaké typy reakcí probíhají.
Glukogenní a ketogenní AK
Glukogenní a ketogenní AK
Rozdělení AK
META
Je to stejně hezky vymyšlené, že se dá všechno hezky nakonec hodit do KC a jednoduše zpracovat, když už to není potřeba.

Následuje výčet sedmi skupin, do kterých se AK podle svých koncových produktů (a jiných okolností) rozřazují. Modrá značí ketogenní látky (potažmo AK na ně se rozkládající), zelená glukogenní a červená látky, které mohou být oboje.

Pyruvát [A, C, G, S, T]
  • Ala \(\rightarrow\) pyruvát
  • Cys \(\rightarrow\) pyruvát
  • Gly \(\rightarrow\) Ser
  • Ser \(\rightarrow\) pyruvát
  • Thr \(\rightarrow\) Gly + acetyl-CoA

Důležitým koenzymem je zde PLP, opět dochází ke vzniku komplexu mezi ním a AK, prodobně jako v transaminaci.

oxoG
  • Glu \(\rightarrow\) 2-oxo-glutarát
  • Arg \(\rightarrow\) Glu
  • Gln \(\rightarrow\) Glu
  • His \(\rightarrow\) Glu
  • Pro \(\rightarrow\) Glu

Gln je konvertován konvertázou na Glu.

oxoisoV [L, I, V]
  • Leu \(\rightarrow\) text + acetyl-CoA
  • Ile \(\rightarrow\) sukcinyl-CoA + acetyl-CoA
  • Val \(\rightarrow\) sukcinyl-CoA

Klíčovou dráhu metabolismu katalyzuje oxo-izovalerátdehydrogenázový komplex.

Oxo-izovalerátdehydrogenázový komplex
  • podobný pyruvát-dehydrogenázovéhu komplexu a také oxoglutarát-dehydrogenázovému komplexu (z KC)
  • katalyzuje oxidativní dekarboxylaci pyruvátu
    • dochází k přenosu dvouhlíkatého zbytku na CoA
  • multienzymový komplex, tři hlavní enzymové aktivity

Nejenže zde najdeme enzym podobný enzymům z KC, ale některé rozkladné reakce této skupiny jsou analogické odbourávání alifatických řetězců v MK.

To byly tři největší skupiny. Následuje výčet těch zbývajících.

oxoA
  • Lys \(\rightarrow\) acetoacetát
  • Trp \(\rightarrow\) Ala + acetyl-CoA
oxoA
  • nejdelší a nejsložitější reakce
  • oxoadipátdehydrogenázový komplex je další ze skupiny dehydrogenázových komplexů (již čtvrtý)
  • typickým produktem je acetoacetát
Oxalacetát
  • Asp \(\rightarrow\) oxalacetát
  • Asn \(\rightarrow\) oxalacetát

Transaminacemi a deaminacemi jsou převoditelné přímo na oxalacetát, již intermediát KC.

SAM
  • Met \(\rightarrow\) sukcinyl-CoA
SAM
  • je v ní pouze Met, sám
  • v rámci jeho metabolismu vzniká sloučenina S-adenosylmethionin (dále jen SAM)
    • prekurzor pro biologické methylace
NIH
  • Phe \(\rightarrow\) fumarát + acetoacetát
  • Tyr \(\rightarrow\) fumarát + acetoacetát
NIH
  • průběh katabolismu zahrnuje oxygenázové reakce (s kyslíkem)
  • uplatňuje se unikátní mechanismus, tzv. NIH přesmyk

Skupina [A, C, G, S, T]

Katabolické cesty skupiny [A, C, G, S, T]
Seznam drah

THF systém

Reakce Gly + THF
Detaily štěpení Gly (není třeba vše umět). Enzym H je jedna podjednotka enzymu (další jsou P, T, L).
Průběh reakce
  1. THF vytváří Shiffovu bázi s PLP
  2. Gly je za pomoci PLP štěpen, uvolňuje se \(\ce{CO2}\)
  3. amino-methylová skupina, která zbyde po štěpení Gly, je přenášena na rameno
  4. uvolňuje se amoniak, zatímco methylen je přenesen na THF
THF
THF systém
Konverze jednouhlíkové skupiny na THF (reakce není třeba umět)

A proč potřebujeme nějaký přenašeč jednouhlíkové skupiny?

Užitečnost THF

Skupina SAM

Syntéza Met a S-anedosylmethioninu
První reakce

SAM je substrátem pro biologické aminy (adrenalin \(\rightarrow\) noradrenalin), fosfolipidy (phosphatidylethanolamine \(\rightarrow\) fosfatidylcholin), a účastní se i methylací týkajících se chromatinu, histonů (\(\ce{H3K4}\) \(\rightarrow\) \(\ce{H3K4 me3}\)) a nukleotidů.

Druhá reakce
Třetí reakce
Čtvrtá reakce
Vitamíny B6 a B12
  • B6 (biotin), B12: vitamíny, koenzymy, které jsou důležité pro průběh reakcí
    • B12 je nezbytný pro zajištění průběhu reakcí zajišťujících homocystein \(\rightarrow\) Met
    • kromě této reakce byl (derivát) B12 důležitý i ve štěpení MK s lichým počtem uhlíků, kde jsme potřebovali nějak zpracovat sukcinyl-CoA
  • B12 je nejsložitější malá molekula, kterou přijímáme
Vitamín B12
Struktura B12
  • vazba kobalt-uhlík je pro jeho funkci velice důležitá (a je v přírodě velice neobvyklá)
  • vazba je štěpena homolyticky \(\implies\) vznikají radikály \(\implies\) využití v reakci (B12 se chová jako generátor radikálů)

Pokud máme málo B6/B12 a nějakou špatnou alelu, může se nám v těle hromadit homocystein. To může souviset s Alzheimrem nebo s kardiovaskulárními problémy. Obecně je mnoho různých patologických stavů způsobeno hromaděním produktu (ať už je toxický, nebo ne) nad nějakou jeho únosnou mez.

Skupina NIH

Metabolická dráha Tyr a Phe. Detaily není třeba umět. Žlutě jsou vyznačeny lidské choroby způsobené genetickými mutacemi ovlivňujícími dané reakce.
Hydroxylace Phe \(\rightarrow\) Tyr
NIH klička v reakci Phe \(\rightarrow\) Tyr (byla objevena v National Institute of Health)

AK jako prekurzory syntézy

Biologické aminy
Poznámka
Zbrarvení siamské kočky
  • způsobeno termosenzitivní mutací jednoho z enzymů syntézy melaninu
  • deriváty pokožky blíže k tělnímu jádru jej netvoří, jen na čumáčku a tlapkách už se tvoří, protože je tam víc zima
Dopamin
Hem, a původ atomů v něm
Hem
META
Máme prý ke zkoušce vědět, odkud se vzala jaká část hemu.
Zpracování ROS pomocí \(\ce{NADPH}\) a glutathiolperoxidázy
Glutathiol
Import AK pomocí glutathionu

Syntéza AK

AK podle jejich prekurzoru, esenciální AK jsou označeny *. Arg, Cys a Tyr jsou sice odvoditelné z jiné AK, ale ta už je esenciální (Phe, HCys). His má jako prekurzor v přednáškách uveden 5-fosforibosyl-α-pyrofosfát + ATP.
Eseciální AK
Kolibříci

V trusu malých kolibříků bylo nalezeno mnoho amoniaku, chvíli se myslelo, že si s ním malí ptáčci někdy vystačí jako s odpadním materiálem místo kyseliny močové. Ukázalo se ale, že má tento druh kolibříků speciální mikrobiom, který z kyseliny močové zpětně resorbuje materiál, který poté kolibřík zpracovává, a vylučuje amoniak.

Kolibřík skvostný, Eugenes fulgens. Kamarádi mu říkají zkráceně skvostný Eugenes.

Metabolismus nukleotidů

Obecné struktura nukleotidu (a), purin a pyrimidin (B)
Základní nukleotidové báze
Xanthin a hypoxanthin, nestandartní purinové báze, které jsou odvozené z G a A, respektive. Nukleosidům se říká xanthosin a inosin, respektive.
Struktura nukleotidů
Nukleotidy a nukleosidy (vyznačeny barevně) nalézající se běžně v DNA (a) a RNA (b)

Nukleotidy se mohou vyskytovat v keto a enol tautomerické formě.

Keto a enol formy T a G
Kyselina močová
Kyselina močová

Derivátem xanthinu je i kofein (1,3,7-trimethylxanthin).

Syntéza nukleotidů

Prekurzorem pro pyrimidiny i puriny je ribóza-5-fosfát, kterou získáme v pentózofosfátové dráze.

Syntéza purinů

Schéma metabolických drah u syntézy purinů
Hrubý pohled na celou dráhu

PRPP \(\rightarrow\) IMP

První fáze syntézy, PRPP \(\rightarrow\) IMP. Reakce není třeba umět (jen prekurzory ano), jsou zde znázorněny pouze jako ilustrace legovitosti celé syntézy—purin se skládá prakticky atom po atomu na kostře PRPP. Barvy znázorňují původ jednotlivých atomů.
První fáze
Původ atomů na pyrimidinu
Stabilita intermediátů

IMP \(\rightarrow\) AMP/GMP

IMP \(\rightarrow\) GMP a AMP

AMP a GMP poté slouží jako inhibitory přechozích reakcí.

Regulace prních dvou fází

AMP/GMP \(\rightarrow\) ADP/GDP

ADP/GDP \(\rightarrow\) ATP/GTP

Obecná rovnice vypadá následovně:

\[\ce{XDP + YTP <=> YDP + XTP}.\]

ATP pochází z egergetického metabolismu (z OF).

Poznámka
Dinukleotidy (u purinů i pyrimidinů) jsou prekurzorem vzniku deoxynukleotidů, minimálně u vyšších eukaryot.

Syntéza pyrimidinů

Schéma metabolických drah u syntézy pyrimidinů
Hrubý pohled na dráhu
Průběh syntézy pyrimidinů

prekurzory \(\rightarrow\) karbamoyl-P

Syntéza karbamoylu-P. Amoniak se v cytosolu nevyskytuje ve volné formě, ale je do reakce dodán přes Gln. Není třeba znát detaily.
Detaily reakce
Původ atomů v pyrimidinovém cyklu. V českých skriptech je uveden původ \(\ce{N3}\) jako Glu a \(\ce{C2}\) jako \(\ce{HCO3-}\)

karbamoyl-P \(\rightarrow\) orotát

orotát \(\rightarrow\) UMP

Dekarboylační reakce orotidylátu
Regulace

UMP \(\rightarrow\) CTP

dUDP \(\rightarrow\) dTMP

Pro vznik dUDP (a obecně dčehokoli) viz oddíl syntéza deoxyribonukleotidů.

Cyklus syntézy dTMP
Přípavná fáze
Průběh reakce
  1. v reakci dUMP \(\rightarrow\) dTMP je převeden \(\ce{CH2}\) z methylenu-THF, vzniká DHF
  2. DHF je redukován \(\ce{NADPH + H+}\) na THF
    • zde jsou mířena různá cytostatika a antibiotika
    • když dokážeme dráhu zablokovat, buňka se nemůže dělit (protože nemůže syntatizovat vitální část DNA)

Syntéza deoxyribonukleotidů

Struktura ribonukleotid-reduktázy. Podjednotky R1 a R2, obojí dimery. S místo ovlivňuje specificitu, A místo aktivitu a C místo je samotným aktivním místem enzymu, na které vstupují substráty.
Třídy ribonukleotid-reduktázy
  • třída III je typická pro anaerobní prokaryota
  • třída II je typická pro fakultativní anaeroby
  • třídu I mají všichni ostatní
  • jsou nejspíše stejného původy, nejprve byly čistě anaerobní (III) \(\rightarrow\) schopnost fungovat i aerobně (II) \(\rightarrow\) čistě aerobní (I)
Cykly účastnící se redukce NDP, kterých se účastní NADP, thioredoxin-reduktáza, thioredoxin, ribonukleotid-reduktáza a konečně samotný NDP.
Ribonukleotid-reduktáza
Navržený mechanismus reakce ribonukleotid-reduktázy třídy I. Detaily není třeba umět, přidávám jej zde pouze pro ilustraci funkce radikálu při redukování NDP.

Degradace nukleotidů

Zajímá nás především katabolismus purinů.

Katabolsimus purinů
  1. NTP \(\rightarrow\) NMP
  2. NMP hydrolyzovány na nukleosidy
  3. štěpeny v reakci fosforylázy
    • báze se uvolňuje a pokračuje dál katabolickou drahou
    • ribóza je recyklována jako ribóza-1-fosfát, z toho můžeme ve fosfomutázové reakci získat ribóza-5-fosfát
Katabolismus purinových bazí

Fosforylázové reakce (ty s PNP) jsou zajímavé, protože pokud v nich nějaký enzym nefunguje, výsledky mohou být fatální. PNP je avšak také cílem chemoterapeutických zásahů při léčbě autoimunitních či leukemických onemocnění.

Cyklus AMP

AMP někdy vybočuje z mechanismu uvedeného výše, místo toho se účastní cyklu, který doplňuje intermediát KC.

Cyklus AMP
Problémy s adenosin-deaminázou
  • katalyzuje pouze oxidativní deaminaci adenosinu
  • pokud nefunguje, adenosin se hromadí
    1. hromadění adenosinu
    2. zpětnovazebně dochází k dalším změnám koncentrací nukleotidů v metabolismu, např. dATP
    3. dochází mimo jiné k inhibici ribonukleotid-reduktázy
    4. dělící se buňky mají problém, což se projeví kombinovanou imunodeficiencí
  • léčba: genetická terapie nebo dodávání funkční adenosin-deaminázy

Mutace AMP-deaminázy vede k deficienci svalové myoadenylátdeaminázy.

Výsledkem tohoto oxidativního metabolismu je kyselina močová (kyselina, protože odpovídající enolový tautomer slabě disociuje).

Katabolismus pyrimidinů, konrétně thyminu. Detaily není třeba umět. (methyl)malonoyl-CoA je poté degradován až na sukcinyl-CoA.
Katabolismus pyrimidinů
  1. nukleosid je defosforylován na nukleosid-monofosát
  2. štěpení, uvolnění ribózy-1-fosfátu a báze
  3. následuje metabolismus U nebo T na malonyl-CoA
    • viz obrázek výše
  4. nikoliv oxidativní, ale reduktivní krok umožní pak linearizovat molekulu
    • je zde potřeba vitamín B12 (druhé z těch dvou použití, o kterých jsme hovořili)
  5. báze je odbourávána, u pyrimidinových je to reduktivní odbourávání na dvouhulíkaté zbytky
⋅ 𝓔 ⋅