147
Fuj, hnusná biochémia I Spáchal Paluško :-)))
Fuj, hnusná biochémia I
Spáchal Paluško :-)))
2 / 147
I Obsah
I OBSAH ....................................................................................................................................................................................................... 2
II ENZYMY .................................................................................................................................................................................................... 4
II.I KLASIFIKACE ENZYMŮ: ................................................................................................................................................................................. 5 II.II KOFAKTORY OXIDOREDUKTAS .................................................................................................................................................................... 6 II.III KOFAKTORY TRANSFERAS ......................................................................................................................................................................... 9 II.IV MECHANISMUS ENZYMOVÉ REAKCE ........................................................................................................................................................ 11 II.V METALOENZYMY ....................................................................................................................................................................................... 12 II.VI ZÁKLADNÍ POJMY Z KINETIKY.................................................................................................................................................................. 13 II.VII MNOŢSTVÍ ENZYMU V BIOLOGICKÉM MATERIÁLU ................................................................................................................................. 15 II.VIII INHIBICE ENZYMŮ (SNÍŢENÍ AKTIVITY) ................................................................................................................................................. 16 II.IX REGULACE ENZYMOVÉ AKTIVITY ............................................................................................................................................................ 17 II.X VYUŢITÍ ENZYMŮ V LÉKAŘSTVÍ ................................................................................................................................................................ 19 II.XI ENZYMY JAKO ANALYTICKÁ Č INIDLA ..................................................................................................................................................... 19
III METABOLISMUS SACHARIDŮ ......................................................................................................................................................... 20
III.I VYSOKOENERGETICKÉ SLOUČENINY ......................................................................................................................................................... 21 III.II METABOLISMUS GLUKOSY ....................................................................................................................................................................... 23 III.III GLUKONEOGENEZE ................................................................................................................................................................................. 29 III.IV GLYKOGEN .............................................................................................................................................................................................. 32 III.V PENTOSOVÝ CYKLUS ................................................................................................................................................................................ 36 III.VI METABOLISMUS FRUKTOSY .................................................................................................................................................................... 40 III.VII METABOLISMUS GALAKTOSY ................................................................................................................................................................ 42 III.VIII VZNIK GLUKURONOVÉ KYSELINY ........................................................................................................................................................ 43 III.IX METABOLISMUS AMINOCUKRŮ............................................................................................................................................................... 44
IV KATABOLISMUS AMINOKYSELIN ................................................................................................................................................. 45
IV.I DEGRADACE PROTEINŮ ............................................................................................................................................................................. 45 IV.II DENNÍ PŘÍJEM PROTEINŮ .......................................................................................................................................................................... 47 IV.III BIOLOGICKÁ HODNOTA PROTEINŮ (BV, BIOLOGICAL VALUE) ......................................................................................................... 47 IV.IV ESENCIÁLNÍ AMINOKYSELINY ................................................................................................................................................................ 47 IV.V KATABOLICKÁ DRÁHA AMINOKYSELIN ................................................................................................................................................... 48 IV.VI SYNTÉZA NEESENCIÁLNÍCH AK ............................................................................................................................................................. 55 IV.VII PŘEMĚNY UHLÍKATÉHO SKELETU AMINOKYSELIN ............................................................................................................................... 57
V METABOLISMUS LIPIDŮ ................................................................................................................................................................... 73
V.I HYDROFOBNÍ LIPIDY ................................................................................................................................................................................... 73 V.II METABOLISMUS TRIACYLGLYCEROLŮ ...................................................................................................................................................... 74 V.III ß-OXIDACE MASTNÝCH KYSELIN ............................................................................................................................................................. 75 V.IV KETOLÁTKY ............................................................................................................................................................................................. 78 V.V TVORBA TRIACYLGLYCEROLŮ .................................................................................................................................................................. 80 V.VI BIOSYNTÉZA GLYCEROFOSFOLIPIDŮ ....................................................................................................................................................... 85 V.VII IKOSANOIDY ........................................................................................................................................................................................... 89 V.VIII SFINGOFOSFOLIPIDY .............................................................................................................................................................................. 91 V.IX LIPOPEROXIDACE ..................................................................................................................................................................................... 93
VI CITRÁTOVÝ CYKLUS ......................................................................................................................................................................... 94
VI.I ACETYL-COA ............................................................................................................................................................................................ 94 VI.II REAKCE CITRÁTOVÉHO CYKLU ................................................................................................................................................................ 95 VI.III LÁTKOVÁ BILANCE CITRÁTOVÉHO CYKLU ............................................................................................................................................. 97 VI.IV ENERGETICKÁ BILANCE CC .................................................................................................................................................................... 97 VI.V REGULACE CITRÁTOVÉHO CYKLU ........................................................................................................................................................... 97 VI.VI ANAPLEROTICKÉ REAKCE CC ................................................................................................................................................................ 98
VII BIOSYNTÉZA HEMU ..................................................................................................................................................................... 99
VII.I REAKCE SYNTÉZY .................................................................................................................................................................................. 100 VII.II DEGRADACE HEMU ............................................................................................................................................................................... 101 VII.III KARBONYLHEMOGLOBIN (CO-HB) V KRVI ......................................................................................................................................... 101
VIII CYTOCHROMY ............................................................................................................................................................................. 102
VIII.I CYTOCHROM P-450 (CYP) ................................................................................................................................................................... 102 VIII.II DESATURACE MASTNÝCH KYSELIN ..................................................................................................................................................... 103
IX DÝCHACÍ ŘETĚZEC .......................................................................................................................................................................... 104
IX.I ATP .......................................................................................................................................................................................................... 104 IX.II KOFAKTORY OXIDOREDUKTAS .............................................................................................................................................................. 105
3 / 147
IX.III VZNIK FADH2 V MATRIX MITOCHONDRIE........................................................................................................................................... 105 IX.IV TYPY KOFAKTORŮ V DŘ ....................................................................................................................................................................... 106 IX.V SBĚRNÁ MÍSTA PRO REDUKČNÍ EKVIVALENTY ...................................................................................................................................... 106 IX.VI ENZYMOVÉ KOMPLEXY V DŘ............................................................................................................................................................... 107 IX.VII KOMPLEXY DŘ .................................................................................................................................................................................... 107 IX.VIII SYNTÉZA ATP .................................................................................................................................................................................... 108 IX.IX SPOJENÍ DŘ A FOSFORYLACE ............................................................................................................................................................... 108 IX.X INHIBITORY ............................................................................................................................................................................................ 109
X REAKTIVNÍ FORMY KYSLÍKU ...................................................................................................................................................... 110
X.I REAKTIVNÍ FORMY KYSLÍKU V ORGANISMU ............................................................................................................................................. 110 X.II ÚČINKY KYSLÍKOVÝCH RADIKÁLŮ ......................................................................................................................................................... 112 X.III ANTIOXIDAČNÍ SYSTÉMY ORGANISMU .................................................................................................................................................. 112 X.IV SUPEROXIDDISMUTASA .......................................................................................................................................................................... 112 X.V NÍZKOMOLEKULÁRNÍ ANTIOXIDANTY .................................................................................................................................................... 113
XI CHOLESTEROL ................................................................................................................................................................................... 115
XI.I BIOSYNTÉZA CHOLESTEROLU .................................................................................................................................................................. 115 XI.II ESTERIFIKACE CHOLESTEROLU .............................................................................................................................................................. 117 XI.III TRANSPORT CHOLESTEROLU V KRVI .................................................................................................................................................... 117 XI.IV „ODBOURÁVÁNÍ CHOLESTEROLU― ....................................................................................................................................................... 118 XI.V ROSTLINNÉ STEROLY -FYTOSTEROLY .................................................................................................................................................... 118 XI.VI PŘEMĚNA CHOLESTEROLU NA ŢLUČOVÉ KYSELINY ............................................................................................................................. 118 XI.VII ENTEROHEPATÁLNÍ OBĚH ŢLUČOVÝCH KYSELIN ............................................................................................................................... 119 XI.VIII VZNIK A PŘÍJEM VITAMINŮ D ............................................................................................................................................................ 119 XI.IX SYNTÉZA KALCIOLŮ ............................................................................................................................................................................. 120
XII METABOLISMUS PURINOVÝCH A PYRIMIDINOVÝCH NUKLEOTIDŮ ...................................................................... 120
XII.I SLOUČENINY POTŘEBNÉ PRO SYNTÉZU NUKLEOTIDŮ ............................................................................................................................ 120 XII.II ROZDÍLY V SYNTÉZE PURINŮ A PYRIMIDINŮ ........................................................................................................................................ 121 XII.III BIOSYNTÉZA PYRIMIDINŮ .................................................................................................................................................................... 121 XII.IV BIOSYNTÉZA PURINOVÝCH NUKLEOTIDŮ ........................................................................................................................................... 123 XII.V VZNIK 2-DEOXYRIBONUKLEOTIDŮ (PURINOVÝCH I PYRIMIDINOVÝCH) .............................................................................................. 126
XIII REPLIKACE DNA .......................................................................................................................................................................... 126
XIII.I CHEMICKÁ REAKCE SYNTÉZY DNA ..................................................................................................................................................... 126 XIII.II PROTEINY DŮLEŢITÉ PRO TRANSKRIPCI .............................................................................................................................................. 127 XIII.III PRIMERY ............................................................................................................................................................................................. 127 XIII.IV SYNTÉZA NOVÉ DNA PODÉL ŘETĚZCE B ........................................................................................................................................... 127 XIII.V ROZDÍLY MEZI EUKARYONTY A PROKARYONTY ................................................................................................................................. 127 XIII.VI TOPOISOMERASY ................................................................................................................................................................................ 129 XIII.VII TELOMERY ........................................................................................................................................................................................ 129 XIII.VIII POŠKOZENÍ A OPRAVY DNA ........................................................................................................................................................... 130
XIV SYNTÉZA A POSTRANSKRIPČNÍ ÚPRAVY RNA ................................................................................................................. 130
XIV.I TRANSKRIPCE ....................................................................................................................................................................................... 130 XIV.II ÚPRAVA PRIMÁRNÍCH TRANSKRIPTŮ .................................................................................................................................................. 133
XV SYNTÉZA PROTEINŮ ........................................................................................................................................................................ 134
XV.I GENETICKÝ KÓD .................................................................................................................................................................................... 134 XV.II TRNA .................................................................................................................................................................................................... 135 XV.III FÁZE TRANSLACE ................................................................................................................................................................................ 135 XV.IV SKLÁDÁNÍ PROTEINŮ (FOLDING) ......................................................................................................................................................... 139 XV.V POSTTRANSLAČNÍ MODIFIKACE PROTEINŮ .......................................................................................................................................... 139 XV.VI TRANSPORT BÍLKOVIN DO SUBCELULÁRNÍCH A EXTRACELULÁRNÍCH PROSTORŮ ............................................................................ 140 XV.VII ÚČINKY ANTIBIOTIK NA PROTEOSYNTÉZU ........................................................................................................................................ 141 XV.VIII REGULACE GENOVÉ EXPRESE ........................................................................................................................................................... 141
XVI OTÁZKY K ÚSTNÍ ČÁSTI ZKOUŠKY ...................................................................................................................................... 145
4 / 147
II Enzymy
- specifické, specifičnost:
o Účinková
z moţných reakcí substrátu katalyzují pouze jedinou
o Substrátová
z moţných substrátů pro určitou reakci si vybírají jediný (nebo jedinou skupinu
substrátů)
často stereospecifické
- vysoce účinné
- fungují za mírných podmínek:
o in vitro — citlivé na vnější podmínky
o za atmosférického tlaku
o úzké rozmezí teplot - kolem 37 °C
o nad 50 °C většinou denaturovány
o úzké rozmezí pH → pH optimum
- mohou být regulovány:
o Aktivita enzymu
aktivátory
inhibitory
kovalentní modifikace (fosforylace)
o Mnoţství enzymu
regulace proteosyntézy enzymu
některé hormony — induktory × represory
- proteiny
o jednoduché proteiny
o s kovalentně navázanou prostetickou skup.
o metaloenzymy (viz přednáška Enzymy II)
o oligomerní, multienzymové komplexy
o asociované s membránami
- biokatalyzátory
o sniţují aktivační energii → urychlují reakce
o účinnost o mnoho řádů vyšší neţ u jiných katalyzátorů
o reakce s enzymem jsou o 106-1014 rychlejší neţ bez enzymu
o nemají vliv na rovnováţnou konstantu K
o poměrně málo stabilní
o stereospecifické - dva typy přeměn:
přeměna achirálního substrátu na chirální produkt (= jediný enantiomer): např.
hydrogenace pyruvát L-laktát
přeměna chirálního substrátu (pouze jeden enantiomer) na produkt (významné také
pro farmakologii - vazba chirálního substrátu (léčiva) do aktivního místa enzymu)
Hydrogenace
in vitro in vivo (anaerobní glykolýza)
neenzymová enzymová
adice vodíku na planární substrát
z obou stran
adice vodíku na planární substrát
pouze z jedné strany
hydrogenace
D-fruktosy D-glucitol + D-mannitol pouze jeden produkt - D-glucitol
hydrogenace
pyruvátu racemát (D,L-laktát)
jeden enantiomer (L-laktát)
(významné také pro farmakologii)
Hydratace
neenzymová enzymová
hydratace
fumarátu racemický D,L-malát jeden enantiomer (L-malát)
5 / 147
+ H2OCOOHC HCH2
HOCOOH
CC
COOHH
HOOC H
Názvosloví enzymů
Triviální Systémové
přípona -in, -asa koncovka -asa
pepsin, trypsin, amylasa, lipasa
název obsahuje informaci o:
1. substrátu
2. typu reakce
jsou doporučené
Příklady: alkoholdehydrogenasa ethanol:NAD+-oxidoreduktasa
Reakce: ethanol + NAD+ acetaldehyd + NADH + H+
Příklady: alaninaminotransferasa (ALT) L-alanin:2-oxoglutarát-aminotransferasa
Reakce: L-alanin + 2-oxoglutarát pyruvát + L-glutamát
II.I Klasifikace enzymů:
- podle typu reakce:
o oxidoreduktasy
o transferasy
o hydrolasy
o lyasy
o isomerasy
o ligasy
Oxidoreduktasy
- redoxní přeměny substrátů
- různé mechanismy
- přenášejí dva atomy H (dehydrogenasy)
- přenášejí elektrony (cytochrom-c-oxidasa)
- zabudují atom O do substrátu (monooxygenasy, dioxygenasy)
Transferasy
- přenos skupin z jednoho substrátu na druhý
- methyl, aminoskupina, glukosa ...
- kinasy - fosforylace substrátů ( přenos -PO32- z ATP na -OH skupinu substrátu )
Hydrolasy
- štěpí hydrolyticky vazby, které vznikly kondenzací
- peptidová, esterová, glykosidová
- proteasy, amylasa, lipasy, lysozym, fosfatasy ( štěpí fosforečné estery )
- např.: Fosfatasa
Lyasy
- nehydrolytické štěpení a vznik vazeb C-C, C-O, C-N
- ze substrátu odštěpují nebo do něj vnášejí malou molekulu (CO2, H2O)
- např. fumaráthydratasa: hydratace fumarátu na malát
Isomerasy
- intramolekulové přesmyky atomů
- glukosa-4-epimerasa (epimerace glukosy - UDP-glukosa UDP-galaktosa )
Ligasy
- vznik energeticky náročných vazeb za současného rozkladu makroergní sloučeniny (ATP)
- pyruvátkarboxylasa
6 / 147
Kofaktory enzymů
- nízkomolekulární neproteinové sloučeniny
- přenášejí 2H nebo e- → oxidoreduktasy
- přenášejí skupiny → transferasy
- pevně vázané - prostetická skupina
- volně vázané - koenzymy (kosubstráty)
- tři různé sloţky v enzymové reakci:
o substrát(y) – nízkomolekulární
o kofaktor – nízkomolekulární
o enzym – vysokomolekulární, koordinuje a urychluje reakci
o některé reakce probíhají bez kofaktoru (např. hydrolýzy), substráty mohou být i
vysokomolekulární
II.II Kofaktory oxidoreduktas
Vitaminy a kofaktory oxidoreduktas
Vitamin Kofaktor Funkce kofaktoru
Niacin NAD+ akceptor 2H
Niacin NADPH + H+ donor 2H
Riboflavin FAD, FMN akceptor 2H
—— tetrahydrobiopterin donor 2H
—— ubichinon přenos 2 elektronů (a 2H+)
—— hem cytochromů přenos 1 elektronu
—— nehemové Fe a S přenos 1 elektronu
—— molybdopterin přenos elektronů
—— lipoát akceptor 2H
—— 2 GSH donor 2H
- kofaktory oxidoreduktas vţdy existují ve dvou formách: oxidovaná a redukovaná ( redoxní pár )
II.II.1 NAD+
- je dehydrogenační činidlo
- nikotinamidadenindinukleotid
- kofaktor dehydrogenas
- odnímá 2H ze substrátu
- jeden se jako hydridový anion H- aduje do p-polohy pyridiniového kruhu
- druhý se jako proton H+ váţe na enzym
O
OH O
N
CONH2
CH2 O P O P OOH
O O
OHCH2
H O
OH OH
N
N
N
N
NH2adeninpyridinium
ribosa
difosforečná kys.
adice hydridového aniontu
N-glykosidová vazba
ester
anhydrid
ester
ribosa
N-glykosidová vazba
N
CONH2
H
N
CONH2HH
oxidovaná forma
aromatický kruhkladný náboj na N
redukovaná forma
aromaticita porušenaelektroneutrální
H
7 / 147
II.II.1.1 Dehydrogenace působením NAD+
- substrát ztrácí 2 atomy H ze skupin:
- primární alkoholová skupina -CH2-OH
- sekundární alkoholová skupina >CH-OH
- sekundární aminová skupina >CH-NH2
- vzniká dvojná vazba
- Dehydrogenace ethanolu (alkoholdehydrogenasa)
- Dehydrogenace glutamátu (glutamátdehydrogenasa)
II.II.1.2 NADPH + H+
- je hydrogenační činidlo
- donor 2H při hydrogenaci
- kofaktor redukčních syntéz (MKI, cholesterolII)
- kofaktor hydroxylačních reakcí:
o cholesterol → → ţlučové kyseliny
o kalciol → → kalcitriol
o xenobiotikum → hydroxylované xenobiotikum
- obecné schéma hydroxylace:
II.II.2 FAD
- je dehydrogenační činidlo
- flavinadenindinukleotid
- kofaktor dehydrogenas
- dehydrogenace -CH2-CH2- skupiny
- 2H se váţou na dva dusíky riboflavinu
- dehydrogenace sukcinátu na fumarát
II.II.3 Tetrahydrobiopterin (BH4)
- hydrogenační činidlo
- kofaktor hydroxylačních reakcí
- poskytuje 2H na atom O za vzniku vody
- oxiduje se na chinoidní dihydrobiopterin
- Hydroxylace fenylalaninu
I HMG-CoA reduktáza IIoxoacylreduktáza
H3C CH
HOH
+ NAD H3C CH
O+ NADH+H
C HNH
H
COOH
CH2
CH2
COOH
+ NADCHNCOOH
CH2
CH2
COOH
+ NADH + H
2-aminokyselina 2-iminokyselina
N
N N
NH
H3C
H3CO
OCH2CHOHCHCH
OHOH
CH2 O P OOH
OPOH
OO
CH2O
OH OH
N
N
N
NNH2
N
N
N
NO
OCH3
CH3
H
oxidovaná forma redukovaná forma
N
N
N
NO
OCH3
CH3
H
H
H
1
10
N
N
N
NN
OCH3
OH
OH
H
H
H
H
H
- 2HH
H
N
N
N
NHN
OCH3
OH
OH
tetrahydrobiopterin (BH4)
dihydrobiopterin (BH2)
COOHCHH2NCH2
H
+ O O+ BH4
COOHCHH2NCH2
OH
+ +H2O BH2
R-H + O2 + NADPH+H+ R-OH + H2O + NADP+
II.II.1.3. NAD+-dependentní enzymy
- Citrátový cyklus:
o isisocitrátdehydrogenasa
o 2-oxoglutarátdehydrogenasa
o malátdehydrogenasa
- Glykolýza:
o glyceraldehyddehydrogenasa
o laktátdehydrogenasa
- Detoxikace ethanolu:
o alkoholdehydrogenasa
o acetaldehyddehydrogenasa
8 / 147
II.II.4 Koenzym Q (ubichinon)
- derivát 1,4-benzochinonu
- součást dýchacího řetězce
- postupně přijímá elektron a proton (2x)
- redukuje se na semiubichinon a ubichinol
II.II.5 Hem cytochromů
- přenáší 1 elektron
- cytochromy jsou hemoproteiny, sloţky DŘ
- nastává reverzibilní přechod mezi Fe2+ a Fe3+
II.II.6 Nehemové ţelezo - klastr Fe2S2
- jen jeden ion ţeleza mění své oxidační číslo
II.II.7 Molybdopterin
- na pteridinovém systému navázán heterocyklus s molybdenem
- strukturní vzorec — semináře str. 25
- kofaktor oxygenas
- např. :
o Xanthinoxidasa - oxygenace purinu
o Sulfitoxidasa - vznik síranového aniontu
II.II.8 Lipoát
- cyklický disulfid (-S-S-)
- 1,2-dithiolan-3-pentanová kyselina
- amidová vazba na lysin enzymu
- přijetím 2H vznikne dihydrolipoát s dvěma -SH skupinami
- součást komplexní oxidační dekarboxylace 2-oxokyselin (pyruvát, 2-OG,
2-oxokyseliny z Val, Leu, Ile)
II.II.9 Glutathion (GSH)
- tripeptid
- g-glutamylcysteinylglycin
- kofaktor glutathionperoxidasy
- redukce H2O2 na vodu
- sloučeniny s -SH skupinou mají redukční vlastnosti
- enzym glutathionperoxidasa
o obsahuje selenocystein
o antioxidační enzym
o 2 G-SH + H-O-O-H G-S-S-G + 2 H2O
hydrogenace ubichinonu
O
O
CH3
RH3CO
H3COOH
O
e H+e H+
OH
OH
ubichinon semiubichinon ubichinol nemá arom. kruh arom. kruh + radikál difenol
elektron (e-) a proton (H+) mají různý původ: elektron pochází z red. kofaktorů (=ţivin),
H+ z matrix mitochondrie
R = polyisoprenoidní řetězec lipofilní charakter
N N
NNFe2+
N N
NNFe3+
S
Fe
S
S
Fe
S
S
SCysCys
Cys Cys
3+ 3+
oxidovaný stav redukovaný stav
S
Fe
S
S
Fe
S
S
SCysCys
Cys Cys
3+ 2++ e
- e
N
N
N
N
OH
H
N
N
N
N
OH
HOH
N
N
N
N
OH
HO OHH
hypoxanthin xanthin močová kys
cystein → → HSO3- + H2O SO42- + 3 H+ + 2 e-
plazma (0,5mmol/l ) okyselují ECT redukují Mo
moč
S S
CONH Lys Enzym
2H
CONH Lys Enzym
SSH H
lipoát
dihydrolipoát
HOOCN
N COOH
O
H
CH2
S
O
H
NH2
NNHOOC
O
H
CH2
S
O
H
NH2
COOH
HOOCN
N COOH
O
H
CH2
SH
O
H
NH22 - 2H
2
Fe
S
Fe S
SS
SCys
Cys
S
FeS Cys
FeS Cys
klastr Fe4S4
9 / 147
II.III Kofaktory transferas
Vitaminy a kofaktory transferas
Obsaţený vitamin Kofaktor Přenášená skupina
——— ATP -PO32-
——— PAPS -SO32-
Listová kys. H4-folát C1 skupiny
Biotin karboxybiotin CO2
Thiamin thiamindifosfát aldehydová
Pyridoxin pyridoxalfosfát -NH2
Pantothenová kys. CoA-SH acyl
——— dihydrolipoát acyl
[Methionin] SAM -CH3
Kyanokobalamin methylkobalamin -CH3
II.III.1 ATP (adenosintrifosfát)
- význam je dvojí:
o makroergní sloučenina
o kofaktor kinas — fosforylační činidlo
II.III.2 PAPS
- sulfatační činidlo
- 3’-fosfoadenosin-5’-fosfosulfát
- smíšený anhydrid H2SO4 a H3PO4
- esterifikace hydroxylových skupin kys. sírovou
II.III.3 Tetrahydrofolát
- přenos jednouhlíkatých (C1) fragmentů
- váţou se na dusíky N5 a/nebo N10
- biosyntéza purinů, methylace uracilu
- C1 fragmenty podle redoxního stavu:
Skupina Vazba na FH4
nejvíce redukovaný methyl -CH3 N5
středne redukovaný methylen -CH2- N5, N10
nejvíce oxidovaný
formyl -CHO N10
formimino -CH=NH N5
methenyl -CH= N5, N10
N
N
N
NNH2
O
OHOH
OPO
OOP
OO
OPO
OO
Fosforylace substrátu
OH PO
OO O
O
OP RibO
O
OP O
Ade+
ATP (4-)substrát
kinasa
++
fosforylovaný substrát (2-) ADP (3-)
PO
OO RibO
O
OP O
Ade
HO PO
OO
N
N
N
N
NH2
O
OHO
CH2
PO
O O
OPOO
OSO
OO
přenos jednouhlíkatých skupin
105N
N
N
NH2N
OHCH2NH C NH
OCHCH2CH2COOHCOOH
H
H
10 / 147
II.III.3.1 Zdroje jednouhlíkatých zbytků
- Katabolismus Trp: formiát →formyl
- Katabolismus His: formimino → methenyl
- Katabolismus Ser: hydroxymethyl → methylen
- Katabolismus Gly: methylen
- Methionin → SAM → methyl + homocystein
II.III.4 Karboxybiotin
- kofaktor karboxylačních reakcí
- karboxylace biotinu vyţaduje ATP
- rozlišujte
o Karboxylace: vyţadují karboxybiotin
o Dekarboxylace:
enzymové (AK - pyridoxalfosfát, 2-oxokys. - TDP)
neenzymové (spontánní, bez enzymu a kofaktoru, např. acetoacetát → aceton)
II.III.5 Thiamindifosfát (TDP)
Thiamin
- vitamin B1
- vytváří se z něj thiamindifosfát (TDP)
- oxidační dekarboxylace pyruvátu, 2-oxoglutarátu
- přenáší tzv. aktivní aldehyd
- pyruvát → acetyl-CoA
- 2-OG → sukcinyl-CoA (CC)
- kofaktorem oxidační dekarboxylace pyruvátu
- glukosa pyruvát acetyl-CoA
CC
II.III.6 Pyridoxalfosfát
- je kofaktor transaminas
- vzniká aldimin (Schiffova báze )
II.III.6.1 Fáze transaminace
N NH
S
O
COOH
CO
HOHN NH
S
O
COOH
CO2 ATPADP + P
biotin karboxybiotin
Biotin COOH
H3C CO
COOH
Biotin H
CH2 CO
COOHHOOC
pyruvát oxalacetát
pyruvátkarboxylasa
R CHNH2
COOH
N
CH2O
H3C
HOC
OH
POH
OOH
aminokyselina
oxokyselinaCHNH2
COOHR R C COOH
CH2
NR CH COOH
CHN H2O
R CO
COOH
CH2NH2C
OH - H2O
pyridoxal pyridoxamin
COHCH2NH2
HOOC CO
CH2CH2COOH
- H2O
H2OHOOCCHCH2CH2COOH
NH22-oxoglutarát glutamát
pyridoxamin pyridoxal
N
NH3C NH2
N
S
CH3
CH2CH2OH
TDP
N
N
N
SH3C NH2
CH3
CH2CH2 O PO
OO P
O
OO
vazba pyruvátu a jeho dekarboxylace
11 / 147
II.III.7 Koenzym A (CoA-SH)
- přenáší acyly
- vázané na atom síry
- thioesterová vazba
- acyl-CoA je aktivovaný acyl
- např. acetyl-CoA
II.III.8 S-Adenosylmethionin (SAM)
- "aktivní methyl"
- trojvazná síra → sulfoniový kation
- kofaktor methylačních enzymů
- např. fosfatidylethanolamin → fosfatidylcholin
- z methioninu vzniká homocystein
II.III.9 Vitamin B12
- kyanokobalamin a/nebo hydroxokobalamin
- hydroxokobalamin
o terapie otravy kyanidy
o váţe kyanidové anionty na netoxický kyanokobalamin
o nitroţilní infůze
- kofaktorem je methylkobalamin
o methylační reakce
o remethylace homoCys na Met
- dvě reakce vyţadují kofaktor B12
o S-methylace homocysteinu = regenerace methioninu (viz semináře str. 28 a 50), methyl se
odebírá z methyltetrahydrofolátu (a vznikne tak H4 - folát – B12 nutný pri regenerácii )
o propionyl-CoA → sukcinyl-CoA (viz semináře str. 54, 78)
II.IV Mechanismus enzymové reakce
II.IV.1 Aktivní místo enzymu
- malá část molekuly, trojrozměrné uspořádání
- hluboká štěrbina (např. amylasa) / povrchová prohlubeň
- účastní se postranní řetězce AK vzdálených v primární struktuře
- flexibilita proteinu umoţňuje indukované přizpůsobení konformace, která odpovídá substrátu
- substrát vázán relativně slabě
o vazba substrátu do aktivního místa vyvolá odpovídající konformační změnu molekuly enzymu
o vytvoří se komplex enzym-substrát
II.IV.2 Katalytické skupiny
- pouţity k realizaci chemické přeměny v aktivním místě
o nukleofilní (cystein -SH, serin -OH)
o kyselé (Asp, Glu), bazické (His, Arg, Lys)
- mechanismy:
o acidobazický (transfer protonu)
o přechodná kovalentní vazba
HOPO
OOCH2C
HS CH2 CH2 HN
OC CH2 CH2 HN
OCCH
CH3
CH3
OO
OPO
NH2
N
N
N
N
OO
OPOCH2
OH
O
cysteamin
beta-alanin
pantothenová kyselina
vazba acylu
N
N
N
N
NH2
O
OHOH
SCH3
HOOC CHNH2
CH2CH2
N N
NNCo+
R
N
Nbenzimidazolyl
R = CN nebo OHkorin
12 / 147
o katalýza kovovým iontem (metaloenzymy)
o elektrostatické interakce (bez vody)
o deformace substrátu
II.V Metaloenzymy
- obsahují funkční kovové ionty, které se přímo účastní katalyzované reakce, ionty kovu vázány poměrně
pevně (Enz-M)
- některé enzymy potřebují ionty kovů pouze k aktivaci, v tom případě jsou vázány slabě (Enz ...M),
ionty dvojmocných kovů, Ca2+ (koagulační faktory), Mg2+ (kinasy)
- kation kovu je součástí ternárního komplexu
o tři sloţky vytvářejí komplex: enzym (Enz), substrát (S) a kationt kovu (M)
o různé typy (můstkových) komplexů Enz-S-M, Enz-M-S, někdy vznikají cyklické komplexy
o mechanismy:
do vakantních orbitalů mohou přijímat elektronový pár nukleofilu za vzniku -vazby
mohou tvořit cheláty s vhodnými skupinami enzymu či substrátu deformace
struktury napětí, které usnadňuje chemickou přeměnu
koordinační sféra kovu působí jako trojrozměrný templát stereospecifická kontrola
II.V.1 Molybden
- součást některých oxidoreduktas
- součást kofaktoru molybdopterin
- Xanthinoxidasa (xanthin → kys. močová)
- Sulfitoxidasa (HSO3- → SO4
2-)
- Aldehydoxidasa (méně běţná, acetaldehyd → octová k.)
- zdroje: luštěniny, celozrnné obilniny
II.V.2 Zinek
- mnoho enzymů
- Alkoholdehydrogenasa (ethanol → acetaldehyd)
- Karbonátdehydratasa (H2O + CO2 → H2CO3)
- Karboxypeptidasy (štěpení polypeptidů od C-konce)
- Cu, Zn-superoxiddismutasa (cytosolová izoforma) (2 •O2- + 2 H+ O2 + H2O2)
- zdroje: játra, maso, kakao, luštěniny, ořechy
II.V.3 Měď
- četné oxidoreduktasy
- Ceruloplazmin (ferrooxidasa) (Fe2+ → Fe3+)
- Cytochrom-c-oxidasa (DŘ, přenos el. na O2)
N CO
H
His
N
N
H
SerOH
Příklad: aktivní místo chymotrypsinu
Nukleofilní atak -OH serinu na karbonylový uhlík
peptidové vazby → serinová proteasa
His
N
N HSer
OC
O
NH2rozštěpení
peptidové
vazby
13 / 147
- Monoaminooxidasy (MAO, inaktivace biogenních aminů, vzniká H2O2, LCH II s. 60
- Dopaminhydroxylasa (dopamin → noradrenalin)
- Lysyloxidasa (vyzrávání kolagenu, Lys → alLys)
- zdroje: játra, maso, kakao, luštěniny, ořechy
II.V.4 Mangan
- četné hydrolasy, dekarboxylasy, transferasy
- Mn-superoxiddismutasa (mitochondriální izoforma)
- Arginasa (Arg → močovina + ornithin)
- Syntéza proteoglykanů + glykoproteinů
- zdroje: luštěniny, celozrnné obilniny, ořechy
II.V.5 Ţelezo
- hemové enzymy, nehemové přenašeče
- Katalasa (hem, H2O2 → H2O + ½O2)
- Myeloperoxidasa (hem, neutrofily) (H2O2 + Cl- + H+ →HClO + H2O)
- Cytochromy (hem, přenašeče elektronů v DŘ)
- Fe-S proteiny (nehem, přenos elektronů v DŘ)
- zdroje: výrobky z vepřové, husí, kachní krve, (červené) maso, játra, ţloutek, ořechy
II.V.6 Selen
- několik enzymů (redoxní reakce), Se je vţdy v selenocysteinu
- Glutathionperoxidasa (2 GSH + H2O2 → 2 H2O + G-S-S-G)
- Dejodasy thyroninů (thyroxin T4 → trijodthyronin T3)
- Thioredoxin reduktasy (ribosa → deoxyribosa)
- Selenoprotein P (plazma, antioxidační funkce ?)
- zdroje: hlavonoţci, mořské ryby, luštěniny
II.VI Základní pojmy z kinetiky
- reakce: S → P (S = substrát, P = produkt)
- definice reakční rychlosti (průměrné):
- rychlost reakce závisí:
o na koncentraci substrátu [S]
o na teplotě
o na přítomnosti efektoru (katalyzátoru, inhibitoru)
o u enzymových reakcí navíc:
koncentrace enzymu [E]
pH
II.VI.1 Kinetická rovnice
- pro reakci S → P: v = k [S] = k [S]1 reakce 1. řádu
- koncentrace substrátu během reakce klesá - kinetická křivka
o z kinetické křivky se zjišťuje rychlost
]l.smol[0]P[]S[
ttv
[S]
t
14 / 147
- Reakce 0. řádu je zvláštní případ
o rychlost reakce nezávisí na koncentraci substrátu
o v = k [S]0 = k . 1 = k = konstanta
o nastává při velkém nadbytku S, takţe jeho úbytek je prakticky zanedbatelný
II.VI.2 Počáteční rychlost vo
- rychlost změřená dříve neţ vznikne významnější mnoţství produktu
- nejvyšší hodnota rychlosti
- "virtuální veličina"
- není ovlivněna úbytkem substrátu ani vratnou přeměnou produktu
- stanovuje se z kinetických křivek
II.VI.2.1 Závislost vo na koncentraci substrátu
- rovnice Michaelise a Mentenové
o pro jednosubstrátové reakce
o Vmax = maximální rychlost (pro danou koncentraci enzymu)
o Km = Michaelisova konstanta
- grafickým vyjádřením rovnice je saturační křivka
- jestliţe [S] << Km:
o při nízkých koncentracích substrátu se reakce řídí
kinetikou 1. řádu
- jestliţe [S] >> Km:
o při vysokých koncentracích substrátu ( 100 Km ) se reakce řídí kinetikou 0. řádu
- dvě oblasti v saturačním grafu:
- jestliţe [S] = Km:
- získání saturační křivky:
o sada pokusů, konstantní koncentrace enzymu, různé
koncentrace substrátu, rozpětí 2-3 řády
o z jednotlivých kinetických křivek se stanoví vo
o vo se graficky vynesou proti příslušným [S]
o vznikne hyperbolická saturační křivka
Kinetická křivka Saturační křivka
časový záznam jedné reakce závislost získaná z mnoha stejných reakcí
[S] = f (t) vo = f ([S])
II.VI.2.2 Biochemický význam Km
- koncentrace substrátu, při níţ reakce probíhá polovinou maximální rychlosti
- při této koncentraci je enzym z 50 % nasycen
- Km má rozměr koncentrace (mol/l)
- Km je nepřímo úměrná afinitě enzymu pro daný substrát
- existuje-li více strukturně podobných substrátů, ten který má nejmenší Km se povaţuje za
nejpřirozenější pro daný enzym
mo K
Vv]S[
]S[max
Km mol/l[S]
vo
Vmax
enzym nasycensubstrátemVmax
21max
max ]S[]S[]S[]S[
kKV
KVv
mmo
0maxmaxmax ]S[
]S[]S[
]S[]S[ kVVVv
mKo
mol/l[S]
vo kinetika 0. řádukinetika 1. řádu
enzym nasycen substrátem2]S[2
]S[]S[]S[
]S[ maxmaxmax
VVVvo
15 / 147
II.VI.2.3 Kinetické vlastnosti enzymu
- charakterizují hodnoty Vmax a Km
- snadno se zjistí z linearizovaného grafu
- Lineweaver-Burk
- dvojí reciproké vynesení
- 1/vo se vynáší proti 1/[S]
o reciproký vztah je rovnice přímky:
II.VII Mnoţství enzymu v biologickém materiálu
- zjistit obtíţné
- stopové koncentrace enzymů
- mnoho dalších bílkovin
- chemické reakce jsou nepouţitelné
- u specifické pro odlišení jednotlivých enzymů
Nepřímé stanovení Přímé stanovení
katalytická koncentrace - mkat/l hmotnostní koncentrace - mg/l
stanoví se produkt enzymové reakce stanoví se molekula enzymu jako antigen (imunochemicky)
většina klinicky významných enzymů jen některé, např. tumorové markery
II.VII.1 Katalytická aktivita enzymu
- zavedena jednotka katal, 1 kat = mol/s
- jeden katal je katalytická aktivita enzymu, při které se v reakci přemění jeden mol substrátu za sekundu
- mezinárodní jednotka IU (international unit), 1 IU = μmol/min
- 1 μkat = 60 IU
II.VII.2 Katalytická koncentrace enzymu
= rychlost chemické reakce [mol / l.s]
- aktivita je vztaţena na objem biologické tekutiny (krevní sérum)
- jednotky mkat/l, mkat/l
Analytické přístupy
Glukosa ALT
substrát enzym
nízkomolekulární vysokomolekulární
koncentrace v séru 3,3-5,6 mmol/l katal. koncentrace v séru 0,2-0,9 mkat/l
- stanoví se přímo glukosa jako
taková
- stanoví se nikoliv enzym, ale produkt
nebo kofaktor v enzymové reakci
]S[11
]S[]S[]S[1
]S[]S[11
maxmaxmaxmax VK
VK
VK
Vvmmm
o
1/vo ................ závisle proměnná
1/[S] ............... nezávisle proměnná
Km/Vmax ........... směrnice přímky
1/Vmax ............. úsek na ose závisle
proměnné
1/vo
1/[S]
1 / Vmax
- 1 / Km
Linearizovaný graf: 1/vo jako
funkce 1/[S]
16 / 147
II.VII.2.1 Metodika stanovení ALT
- všechny sloţky jsou bezbarvé
- stanovení katalytické aktivity v laboratoři
- optimální podmínky (teplota, pH, kofaktory)
- měří se D[S] nebo D[P] v určitém časovém intervalu
- kinetika 0. řádu, [S] >> Km → nasycený enzym,
rychlost je konstantní, blíţí se Vmax
- Příklad 1: Při enzymové reakci byl do roztoku substrátu v pufru přidán vzorek obsahující enzym (0,1 ml).
Po 5 min bylo stanoveno 0,2 mmol produktu. Jaká je katalytická koncentrace enzymu ve vzorku?
Řešení: 0,2 mmol / 300 s = 6,7 mkat/l
- Příklad 2: Reakční směs obsahovala: 2,5 ml pufru, 0,2 ml roztoku koenzymu NADH (optický test), 0,1 ml
krevního séra, 0,2 ml roztoku substrátu. Po 60 s byl pokles absorbance koenzymu A = 0,03.
Jaká je katalytická koncentrace enzymu? ( NADH = 6220 l/mol.cm, šířka kyvety l = 1 cm. )
Řešení: 0,03 / ( 6220 . 60 ) = 8,034 .10-8
8,034 .10-8 . 30 ( zředení ) = 2,4 kat/l
II.VIII Inhibice enzymů (sníţení aktivity)
Ireverzibilní Reverzibilní
inhibitor pevně vázán na enzym (akt. místo) inhibitor volně vázán
organofosfáty, ionty těţkých kovů, kyanidy rovnováha E+I E-I
sebevraţedné substráty – enzymem aktivovaný
inhibitor inhibitor lze odstranit (dialýza, gel. filtrace)
dva základní typy: kompetitivní
nekompetitivní
II.VIII.1 Kompetitivní inhibice
- inhibitor je strukturně podobný substrátu
- váţe se do aktivního místa
- soutěţí s přirozeným substrátem o vazebné místo
- otrava methanolem se léčí ethanolem
- maximální rychlost je dosaţena
aţ za vyšších hodnot [S]
- Vmax se nemění
- Km se zvyšuje
Dvě metody stanovení katalytické koncentrace enzymu
Kinetická Konstantního času
průběţně se měří [S] nebo [P] (např. po 10 s) měří se [P] po proběhnutí reakce
sestrojí se kinetická křivka kin. křivka není potřeba
zjistí se vo z kinetické křivky zjistí se průměrná rychlost D[P]/D t
přesná metoda méně přesná
Alanin + 2-OxoglutarátPyridoxalfosfát
Pyruvát + Glutamát
krevní sérum(obsah. ALT)
LDLaktát + NADPyruvát + NADH + H
při reakci klesá absorbance A t
Legenda:složky reakční směsivzorek s enzymem
Přirozený substrát vs.
kompetitivní inhibitor
( malonát je inhibitorem
sukcinátdehydrogenasy )
COOCH2
CH2
COO
COOCH2
COO
sukcinát malonát
CH3OH H COOHalkoholdehydrogenasa
CH3CH2OH
Vznik toxických produktů je inhibován ethanolem,
který vytěsní methanol z vazebného místa enzymu –
kompetitivní inhibice dehydrogenace methanolu
Km mol/l[S]
vo
Vmax
Km inh
1/vo
1/[S]
1 / Vmax
- 1/Km- 1/Km
1 / Vmax
17 / 147
II.VIII.2 Nekompetitivní inhibice
- Inhibitor se váţe mimo aktivní
centrum na E i na komplex E-S
- Km se nemění (aktivní místo je
volné pro substrát)
- Vmax se sniţuje, protoţe klesá
koncentrace funkčního komplexu E-S
II.VIII.3 Léčiva jako inhibitory enzymů
- Acetylsalicylová kyselina (cyklooxygenasa)
- Ibuprofen (cyklooxygenasa)
- Statiny (HMG-CoA reduktasa) — hypolipidemika, sniţují syntézu cholesterolu (lovastatin)
- Inhibitory ACE (angiotensin konvertující enzym) — léčba hypertenze (enalapril)
- Reverzibilní inhibitory acetylcholinesterasy (neostigmin) — nervosvalové choroby, pooperační atonie střev
- Selektivní inhibitory mozkové acetylcholinesterasy (rivastigmin, galantamin) – Alzheimerova choroba
- Antibiotika:
o inhibují enzymy nutné pro určitý ţivotní děj bakterií
o Peniciliny — inhibují transpeptidasy (výstavba buněčné stěny)
o Tetracykliny, makrolidy, chloramfenikol — inhibice proteosyntézy
o Fluorované chinolony (ciprofloxacin) — inhibice bakteriální gyrasy (topoisomerasy II) (rozplétání
DNA během replikace)
II.IX Regulace enzymové aktivity
- tři obecné způsoby
o Regulace mnoţství molekul enzymu
o Regulace biologické aktivity enzymu
o Dostupnost a koncentrace substrátu a/nebo kofaktoru (in vivo méně významný faktor)
II.IX.1 Regulace mnoţství enzymu
o Řízená proteosyntéza enzymu
o konstitutivní a induková exprese genů, regulace rychlosti transkripce, posttranskripčních úprav RNA,
regulace rychlosti translace a posttranslač ních úprav
o Řízená degradace enzymu
o specifické intracelulární proteinasy - určují rozdílné biologické poločasy enzymů
II.IX.2 Regulace biologické aktivity enzymu
- Izoenzymy (jeden typ reakce je regulován odlišně v různých tkáních)
- Aktivace enzymu částečnou a nevratnou proteolýzou
- Vratná kovalentní modifikace enzymu
- Allosterická regulace
II.IX.2.1 Izoenzymy
- katalyzují stejnou reakci, ale liší se primární strukturou a tedy fyz.-chem. a kinetickými vlastnostmi
Km mol/l[S]
vo
Vmax
Km inh
Vmax inh
1/vo
1/[S]
1 / Vmax
- 1 / Km- 1 / Km
1 / Vmax inh
18 / 147
- mají často různou tkáňovou distribuci
- stanovují se elektroforézou
- izoformy - obecnější termín (zahrnují ještě pseudoizoenzymy, posttranslační varianty)
- Kreatinkinasa (CK)
o dimer a tvoří tři izoenzymy
Izoenzym Výskyt Procento celk. aktivity Zvýšení
CK-MM svaly 94-96 % svalové trauma
CK-MB srdce do 6 % infarkt
CK-BB mozek stopy poranění mozku
II.IX.2.2 Aktivace enzymu částečnou proteolýzou
- Aktivní enzym vzniká nevratným odštěpením určité sekvence z molekuly proenzymu
- Proteinasy v GIT (pepsinogen → pepsin)
- Faktory krevního sráţení
- Proteinasy (kaspasy) aktivované v průběhu apoptózy
II.IX.2.3 Reverzibilní kovalentní modifikace enzymu
- fosforylace, katalyzují kinasy, přenos fosforylu -PO32- z ATP na -OH skupinu enzymu (Ser, Thr, Tyr)
- vratný děj (defosforylaci) katalyzují fosfatasy, hydrolýza esterově vázaného fosfátu
- Jiné modifikace: karboxylace, acetylace, ...
- Příklad:
Glykogenfosforylasa Glykogensynthasa
katalyzuje štěpení glykogenu anorg. fosfátem syntézu glykogenu z UDP-glukosy
fosforylovaný enzym aktivní neaktivní
defosforylovaný enzym neaktivní aktivní
II.IX.2.4 Allosterické enzymy
- jsou oligomerní
- více podjednotek, často regulační a katalytická
- na enzym se váţe efektor strukturně odlišný od substrátu, často produkt
- váţe se do allosterického místa - jiné neţ aktivní místo
- vazba vyvolá změnu konformace enzymu → změna aktivity – allosterická
aktivace nebo inhibice
OH PO
OO O
O
OP RibO
O
OPO
Ade+
ATP (4-)substrát
kinasa
++
fosforylovaný substrát (2-)ADP (3-)
PO
OO RibO
O
OPO
Ade
HO PO
OO
Enzym Serin OH Enzym Serin O PO
OO
ATP ADP
H2OPO
OOHO
Fosforylace a defosforylace enzymu Mechanismus fosforylace
[S]
vo aktivace
inhibice
Saturační křivka allosterických enzymů
je sigmoidní
19 / 147
II.IX.3 Kooperativní efekt
- u oligomerních enzymů a proteinů
- více podjednotek → více vazebných míst
- navázání substrátu (nebo jiné látky) na jednu podjednotku indukuje změny konformace u ostatních, ţe se
další molekuly váţou snadněji (obtíţněji)
- příklad: hemoglobin × myoglobin
II.X Vyuţití enzymů v lékařství
- enzymy jako indikátory patologického stavu: při poškození buněk se zvyšuje aktivita intracelulárních
enzymů v extracelulární tekutině
- enzymy jako analytická činidla v klin. biochemii
- enzymy jako léčiva
- Příklady enzymů v klinické diagnostice:
Enzym Referenční hodnotyI Interpretace zvýšení
ALT do 0,9 mkat/l hepatopatie
CKII do 4 mkat/l myopatie, infarkt myokardu
PSAIII do 5 μg/l karcinom prostaty
NSEIV do 13 μg/l bronchogenní karcinom
II.XI Enzymy jako analytická č inidla
Enzym Původ enzymu Stanovení
Glukosaoxidasa Aspergillus niger glukosa
Peroxidasa křen glukosa
Lipasa Candida sp. triacylglyceroly
Cholesteroloxidasa Pseudomonas sp. cholesterol
Urikasa Candida sp. kyselina močová
Bilirubinoxidasa Myrothecium sp. bilirubin
Ureasa bob (Canavalia sp.) močovina
Laktátdehydrogenasa Pediocus sp. ALT, AST
II.XI.1 Enzymové stanovení glukosy
glukosa + O2 glukonolakton + H2O2
H2O2 + H2A 2 H2O + A
II.XI.1.1 Osobní glukometry
- určené pro osobní kontrolu u diabetiků
I V krevním séru, hodnoty pro muţe nad 15 let II kreatinkinasa III prostatický specifický antigen IV neuron specifická enolasa
glukosaoxidasa
peroxidasa
bezbarvý
chromogen
barevný produkt
(měří se absorbance)
20 / 147
- glukosaoxidasa je zakotvena na pevné fázi
- vznikající H2O2 se stanovuje jiným způsobem (pomocí Pt-elektrody)
- na displeji se ukáţe koncentrace glukosy (mmol/l)
II.XI.2 Pankreatické enzymy v terapii
- směs enzymů (lipasy, amylasy, proteinasy) získaná z vepřových pankreatů
- indikace: sekreční nedostatečnost pankreatu různé etiologie, cystická fibróza
- uţívání: 3 × denně při jídle
- řada přípravků volně prodejných
- acidorezistentní tobolky, rozpadají se aţ v duodenu
II.XI.3 Asparaginasa v terapii leukémie
- Katalyzuje hydrolýzu amidové skupiny asparaginu
- Asn + H2O → Asp + NH3
- L-asparagin je nezbytný pro proteosyntézu některých nádorových buněk
- Hydrolýza Asp vede k omezení proliferace
- Indikace: akutní lymfoblastické leukemie
II.XI.4 Enzymová fibrinolytika
- léčiva, která rozpouštějí krevní sraţeniny v cévách
- streptokinasa (bakteriální), urokinasa (lidská)
- štěpí plazminogen na plazmin - ten vyvolá degradaci fibrinu a trombolýzu
- indikace: ţilní trombóza, plicní embolie, akutní IM
II.XI.5 Proteasy
II.XI.5.1 V lokální terapii
- fibrinolyzin, chymotrypsin, kolagenasa
- po lokální aplikaci vedou k lýze nekrotické tkáně, nepoškozují zdravé buňky
- hlavní indikace v chirurgii
- hnisavé rány, bércové vředy, diabetické gangrény, dekubity, pooperační rány apod.
II.XI.5.2 V systémové terapii (perorální aplikace)
- Trypsin, chymotrypsin, rostlinné proteasy - papain (papaya), bromelain (ananas)
- některé studie naznačují protizánětlivý účinek, ovlivnění imunity u autoimunitních onemocnění
- indikace: pomocná léčiva při revmatoidní artritidě, traumatické záněty a otoky, lymfedémy, záněty ţilap.
- volně prodejné přípravky, dosti drahé, (Wobenzym, Phlogenzym aj.), aţ 30 tabl. denně
III Metabolismus sacharidů
- Metabolismus
= pochody, při kterých ţivý organismus vyuţívá a produkuje energii.
= souhrn všech reakcí, probíhajících v organismu.
- Úloha metabolismu
21 / 147
o zajištění energie (děje katabolické)
o syntéza molekul (děje anabolické)
o oba typy dějů jsou na sobě závislé
- Rozdělení organismů podle metabolismu
o podle zdroje energie:
fototrofy (vyuţívají sluneční energii)
chemotrofy (oxidace ţivin)
o podle zdroje stavebního materiálu:
autotrofy (samoţivné, syntetizují látky z anorg.zdrojů, např. sirné, nitrifikační bakterie)
heterotrofy (vyuţívají org.látky)
- Energie při chemických reakcích - Gibbsova volná energie (ΔG)
= maximální mnoţství uţitečné energie, která můţe být při reakci
- získána za konst. tlaku a teploty
- charakteristika biochemických pochodů:
o G0´ - ( pH = 7, 0; 25 oC)
o Ustálený stav (dynamická rovnováha).
o Reakce na sebe navazují, produkt jedné reakce je substrátem reakce navazující.
o Koncentrace neodpovídají standardním.
- organismy:
o trvale přijímají ţiviny s vysokou entalpií (= energií) a nízkou entropií (= sloţitá a uspořádaná struktura)
o ţiviny přeměňují na odpadní produkty s nízkou enthalpií a vysokou entropií (= jednoduché struktury)
- Gibbsova energie uvolněná při těchto procesech udrţuje v běhu biochemické pochody a zajišťuje vysoce
organizovanou buněčnou strukturu
- část energie se přemění na vyuţitelnou formu, část na teplo
- Endergonické reakce mohou probíhat jen ve spřaţení s reakcemi exergonickými
o Přenos energie z jednoho procesu k jinému probíhá pomocí energeticky bohatých molekul.
o Nejčoastěji je vyuţito ATP.
o Při spřaţení dochází k přenosu fosforylové skupiny -PO32-
na jiné látky
o Principy spřaţení:
příklad 1: Tvorba glukosa-6-fosfátu
příklad 2: Karboxylace pyruvátu
III.I Vysokoenergetické sloučeniny
- téţ „energeticky bohaté sloučeniny―, „makroergní sloučeniny―
- sloučenina, která hydrolytickým štěpením své vazby poskytne přibliţně stejnou nebo větší energii neţ je
ΔG0´pro hydrolýzu ATP
- nejčastěji se jedná o funkční deriváty kys. fosforečné
Go´ = +13,8 kJ/mol
Go´ = -30,5 kJ/mol
Go´ = - 16,7 kJ/mol Glukosa + ATP glukosa -6-P + ADP
-PO32- je pomocí enzymu kinasy přenášen z
ATP na glukosu
G 1 > 0
G 2 < 0
pyruvát + HCO3- oxalacetát
ATP + H2O → ADP + Pi
HCO3- + ATP ADP + -OCO-O-PO3
2-
fosfokarbonát
-OCO-O-PO32- + biotin -OOC-biotin + Pi
-OOC-biotin + pyruvát oxaloacetát
biotin + ATP + HCO3- → karboxybiotin + ADP + Pi
G < 0
Karboxylátový anion se aktivuje navázáním Pi a pomocí biotinu navázaného na enzymu se přenáší na pyruvát
ba
dc
BADCRTGG][][][][ln0
Glukosa + Pi glukosa-6-P + H2O
ATP + H2O ADP + Pi
22 / 147
III.I.1 Vysokoenergetické fosfátové sloučeniny
- obsahují zbytek kys. fosforečné navázaný nejčastěji:
o anhydridovou,
o amidovou,
o enolesterovou vazbou
- estery kys.fosforečné nejsou makroergní
III.I.1.1 ATP
- universální fosfátová vysokoenergetická sloučenina
- reakce:
o ATP + H2O ADP + Pi G0´ = -30,5 kJ/mol
o ATP + H2O AMP + PPi G0´ = -32,0 kJ/mol
- reakce musí být enzymově katalyzované
Tvorba ATP v buňce
- převáţná část tvorby ATP v buňce
o aerobní fosforylace = přímá reakce mezi fosfátem a ADP
ADP + Pi → ATP
katalyzovaná ATP-synthasou-je vyuţita energie získanáoxidací NADH a FADH2
probíhá ve spřaţenís respiračním řetězcem
o substrátová fosforylace - přenos -PO32- z energeticky bohaté sloučeniny na ADP
- Příklady:
- obdobně poskytují energii i GTP, UTP a CTP
III.I.1.2 Další energeticky bohaté fosfátové sloučeniny
- tyto látky vznikají v průběhu metabolismu.
- jejich reakcí s ADP můţe vznikat ATP = substrátová fosforylace
Sloučenina G0 (kJ/mol) typ sloučeniny
fosfoenolpyruvát -62 enolester
karbamoylfosfát -52 smíšený anhydrid
1,3-bisfosfoglyceát -50 smíšený anhydrid
kreatinfosfát -43 amid
III.I.1.3 Thioestery
- téţ mohou být vysokoenergetické
- např. acylová skupina vázaná na koenzym A CH3 C
OS CoA
H2O HS CoA
CH3 CO
O- + H+
fosfoenolpyruvát pyruvát
ADP ATP
glykolýza
citrátový cyklus
sukcinyl-CoA sukcinát + CoA
GDP
+ Pi
GTP
thiokinasa
ADP ATP
kreatinkinasa
kreatinfosfát kreatin
kreatin kreatin
1,3-bisfosfoglycerát 3-fosfoglycerát
ADP ATP
glykolýza fosfoglycerátkinasa pyruvátkinasa
23 / 147
III.I.2 Spalování ţivin“
- ţiviny v potravě (lipidy a sacharidy, částečně proteiny) obsahují atomy uhlíku s nízkým oxidačním stupněm
- jsou postupně dehydrogenovány na různé intermediáty, které v dekarboxylačních reakcích odštěpují CO2
- elektrony a H atomy jsou přenášeny na oxidačněredukční kofaktory (NADH, FADH2) a transportovány do
dýchacího řetězce
- v průběhu odbourání ţivin mohou také přímo vznikat vysoko energetickésloučeniny, které poskytují ATP
následnou substrátovou fosforylací
- energie uvolněná jejich reoxidací je pouţita k tvorbě ATP
III.I.3 Regulace metabolizmu
- regulace aktivity enzymů ( allosterické vlivy, inhibice produktem, dostupnost substrátu)
- kovalentní modifikace enzymů (fosforylace)
- regulace syntézy enzymů
- kompartmentace a orgánová specializace
- hormonální regulace
- metabolické dráhy jsou ovlivňovány stavem organismu
o stav po jídle x hladovění
o klidový stav x silná fyzická zátěţ
o fyziologický stav x nemoc
III.II Metabolismus glukosy
- vstup glukosy do buněk - molekuly glukosy jsou výrazně polární → nemohou difundovat hydrofobní
lipidovou dvojvrstvou membrány
III.II.1 Glukosové transportéry
- transmembránové bílkoviny usnadňující transport glukosy do buněk
- typ GLUT (1-8)I nebo SGLTII
III.II.1.1 GLUT 1-GLUT 8
- shodné rysy:
- ~500 AK, 12 transmembránovýchhelixů
- mechanismus: usnadněná difuze přes membránu
(probíhá po koncentračním spádu, nevyţaduje energii)
- rozdíly mezi transportéry:
o liší se afinitou ke glukose
o mohou být různým způsobem regulovány
o vyskytují se v různých tkáních
Typ Charakteristika
GLUT 1 Většina buněk (Ercs, buňky svalu za klidových podmínek, krevní cévy v mozku, a jinde)
GLUT 2 Játra, -buňky pankreatu,
GLUT 3 Nervové buňky, placenta, a jinde
GLUT 4 Sval, adipocyty - závislé na insulinu
GLUT 5 Transport fruktosy - tenké střevo, a jinde
GLUT 7 Intracelulární transport v játrech
I glucose transporter II sodium-coupled glucose transporter
vně
uvnitř
Mechanismus usnadněné difuze
24 / 147
- pouze GLUT 4 je regulován insulinem
III.II.1.2 SGLT
- Transport glukosy do buněk střevní sliznice a ledviných tubulů
- Mechanismus: kotransport se sodíkem - sekundární
aktivní transport
- na dvě specifická místa transportéru se navazuje
glukosa a Na+
- jejich transport probíhá současně (bez spotřeby energie)
- Na+ je následně z buňky čerpán ATPasou (spotřeba ATP)
III.II.2 Glukosa-6-fosfát
- tvorba glukosa-6-fosfátu po vstupu do buňky:
o glukosa + ATP → glukosa-6-P + ADP
o enzymy hexokinasa nebo glukokinasa
III.II.2.1 Význam tvorby glukosa-6-P pro další metabolismus glukosy
- zpětnou reakci katalyzuje glukosa-6-P-fosfatasa
- ta je jen v játrech !!!!!!!
- Důsledek:
o přeměna glukosy na Glc-6-Pv buňce umoţňuje další přísun glukosy po koncentračním spádu
o jednou fosforylovaná glukosa jiţ z buněk nemůţe ven
o pouze játra mohou přeměnit Glc-6-P zpět na glukosu a tu vyslat zpět do krve
III.II.2.2 GLUKOKINASA x HEXOKINASA
Hexokinasa Glukokinasa
výskyt v mnoha tkáních játra, pankreas
specifita široká (hexosy) glukosa
inhibice Glc-6-P není inhibována
afinita ke Glc vysoká nízká
Indukovatelnost není insulinem
KM (mmol/l) 0,1 10
- fosforylace v buňkách jiných neţ jaterních (hexokinasa) probíhá, jen tehdy, má-li glukosa být
metabolizována
- fosforylace glukokinasou v játrech probíhá při dostatečném přísunu glukosy do jater (po jídle)
Navázání insulinu na receptor
vyvolá pohyb
„spících― glukosových transportérů
směrem k membráně
Pod vlivem insulinu se zvýší počet
transportérů na cytoplazmatické
membráně adipocytů a svalových buněk
- příjem glukosy se zvýší
insulin
„spící―
glukosové
transportéry
Intracelulární
membránové
vesikly
Mechanismus kotransportu glukosy s Na+
Glc Na+
slizniční
buňka
tenkého
střeva
Na+
Glc
Na+
ATP
ADP
ECT krev
střevní lumen
přenašeč
K+
K+
usnadněná
difuze
25 / 147
III.II.2.3 Přeměny Glc-6P v buňce a jejich význam
Pochod Význam
glykolýza zisk energie, přeměna acetylCoA na mastné kyseliny
syntéza glykogenu tvorba zásob glukosy
pentosový cyklus zdroj pentos, zdroj NADPH
syntéza derivátů syntéza glykoproteinů, proteoglykanů
III.II.3 Glykolýza
- význam: zisk energie, tvorba dalších látek, zahrnuje i metabolismus galaktosy a fruktosy
- probíhá prakticky ve všech buňkách
- lokalizace: cytoplasma
- vratné, enzymově katalyzované reakce
- tři reakce jsou nevratné
- Aerobní glykolysa - za přístupu kyslíku, pyruvát se přeměňuje na acetylCoA
- Anaerobní glykolysa - při nedostatku kyslíku, pyruvát se mění na laktát
III.II.3.1 Reakce glykolýzy
Principy regulace fosfofruktokinasy
- allosterická inhibice ATP a citrátem
- allosterická aktivace AMP, ADP a v játrech fruktoso-2,6-bisfosfátemI
I Fru-2,6-bisPvzniká pod hormonální kontrolou
; Vznik 1. Vznik Glc-6-P
glukosa glukosa-6-P
ATP
hexokinasa, glukokokinasa
44
Vznik glukosa-6-P z glykogenu
(bez spotřeby ATP)
fosfoglukomutasa
fosforylasa
Glukosa-1-P
Glukosa-6-P
2. Izomerizace glukosa-6-P
fosfoglukoisomerasa
Fruktosa-6-P
3. Vznik fruktosa-1,6-bisfosfátu
fosfofruktokinasa
Rychlost reakce je
určující pro rychlost
celé glykolysy
ATP ADP
fosforylasa
fosfoglukomutasa
26 / 147
Vlastnosti enzymů, které limitují rychlost reakce
- nejpomalejší enzym dráhy
- pracuje při Vmax (jediná moţnost, jak zvýšit rychlost reakce je přidat více enzymu – ne více
substrátu) → rychlost reakce je nezávislá na [S]
- reakce je irreversibilní (aby reakce proběhla v opačném směru, je třeba působení jiného enzymu). Ostatní
enzymy dráhy mohou být reversibilní
Regulační efekt fruktosa-2,6-biP při glykolýze a glukoneogenezi v játrech
- 2,6-biP je allosterickým efektorem
o fosfofruktokinasy
glykolýza
aktivace
o fruktosa 1,6-bisfosfatasy
glukoneogeneze
inhibice
- tvorba fruktosa-2,6-biP
o stimulace - fruktosa-6P
o inhibice - glukagon
Mechanismus oxidace a fosforylace glyceraldehyd-3-P
- v reakci se spotřebovává NAD+, vzniká NADH
- Tvorba ATP na principu substrátové fosforylace:
o 1,3 BPG je vysokoenergetická sloučenina (smíšený anhydrid),
o energie uvolňující se při přenosu PO32-je vyuţita k syntéze ATP
4.Vznik triosa-fosfátů
Glyceraldehyd-3-P Dihydroxyaceton-P
aldolasa (reakce je opakem aldolové kondenzace)
triosofosfátisomerasa
5. Oxidace a fosforylace glyceraldehyd-3-P
Vazba esterová
Vazba
anhydridová
glyceraldehyd-3-P
dehydrogenasa
Pozor, do reakce vstupuje Pi nikoliv ATP !!!!
+ +
thioesterová
vazba
anhydridová
vazba
1,3-bisfosfoglycerát 6.Tvorba 3-fosfoglycerátu a ATP
3-fosfoglycerát
2x ATP
1,3-bisfosfoglycerát
fosfoglycerátkinasa
27 / 147
Vznik 2,3-bisfosfoglycerátu
- vedlejší cesta v erytrocytech
- při této reakci se na rozdíl od glykolýzy
(viz. reakce 6) nezíská ATP
III.II.3.2 Přeměny pyruvátu
Tvorba laktátu
- anaerobní glykolýza
- průměrně - 1,3 mol/den (muţ 70 kg)
- krátkodobě v intenzivně pracujícím svalu 14 %
- v erytrocytech (nemají mitochondrie) 25 % - kůţe 25 %
- mozek 14 %
- v buňkách střevní sliznice 8 %
- koncentrace laktátu v krvi: 1 mmol/l
- změny při intenzívní svalovépráci ( aţ 30 mmol/l )
- význam:
o Regenerace NAD+spotřebovaného při
tvorbě 2,3-bisP-glycerátu
o není-li dostatek NAD+, nemohou další
molekuly glukosy vstupovat do glykolýzy
laktát
acetyl CoA (anaplerotická reakce CC)
oxalacetát
alanin
etanol (u mikroorganismů)
NADH+H+ NAD+
NAD+ NADH+H+, CO2
ATP, CO2 ADP, PI
glutamát 2-oxoglutarát
mutasa
3-fosfoglycerát + Pi
Vazba na
Hb, význam
pro uvolnění
O2
1,3-bisfosfoglycerát
7. Tvorba 2-fosfoglycerátu
fosfoglycerátmutasa
2-fosfoglycerát 3-fosfoglycerát fosfoenolpyruvát
enolasa
(inhibice F- - zástava
glykolysy při odběru
vzorku krve)
8. tvorba fosfoenolpyruvátu
2-fosfoglycerát
9. Vznik pyruvátu
Pyruvátkinasa
aktivace fruktosa-1,6-
bisP
hormonálně regulována
glukagonem (inaktivace)
(substrátová
fosforylace)
2x ATP
fosfoenolpyruvát
CH3C-COO-
O
+ NADH+ H+ CH3CH-COO-
OHNAD++
28 / 147
Laktátdehydrogenasa (LD)
o katalyzujereakci v obou směrech
o 4 podjednotky
Coriho cyklus
- odstraňování laktátu ze tkání do jater a vyuţití
pro glukoneogenezi
- Manţelé Coriovi - Nobelova cena 1947
III.II.3.3 Energetický zisk glykolýzy
- tento zisk platí pro aerobní i anaerobní děj.
- u anaerobní glykolýzy je jediným ziskem ATP.
- 1. přímý zisk ATP-substrátovou fosforylací:
spotreba: 2 ATP; zisk: 4 ATP → 2 ATP na 1 glukosu
- 2. další zisk ATP při aerobní glykolýze:
- reoxidaceNADH z reakce 5 (glyceraldehyd-P → 1,3-bisP-glycerát): přenos pomocí „člunků― do dýchacího
řetězce 2x 2-3 ATP
- přeměna pyruvátuna acetylCoA 2x3 ATP
- přeměna acetylCoA v citrátovémcyklu 2x12 ATP
Celková bilance aerobní glykolýzy Bilance anaerobní glykolýzy
Reakce Zisk ATP
Aerobní glykolýza po pyruvát:
glukosa 2 pyruvát (substrátová f.) 2
2 NADH 2NAD+ 4-6I
Další přeměny pyruvátu:
2 pyruvát 2 acetylCoA + 2 NADH 6
2 acetyl CoA 2 CO2 + 6 NADH + 2 FADH2 2x 12
Celkový maximální zisk glykolýzy 36-38
- Při anaerobní glykolýze je čistý výtěţek energie 2 ATP ze substrátové fosforylace
- je to jen malý podíl z energie uchované v molekule glukosy
- má však význam při dějích, kdy:
o přísun kyslíku je omezen
o tkáň nemá k dispozici mitochondrie (ercs, leukocyty, ..)
III.II.3.4 Oxidační dekarboxylace pyruvátu
- pyruvátdehydrogenasový komplex (3 enzymy a 5 kofaktorů)
- přeměna pyruvátu na acetylCoA
- matrix, mitochondrie
- Sumární rovnice:
CH3COCOOH + CoA-SH + NAD+ → CH3COSCoA + CO2 + NADH + H+
- kofaktory: thiamindifosfát, lipoamid, CoA, FAD, NAD+
I záleţína typu člunku (viz kap. Resp.řetězec)
Reakce Zisk ATP
Anaerobní glykolýza po pyruvát:
glukosa 2 pyruvát (substrátová f.) 2
2 NADH 2NAD+ 0
Tvorba a spotřeba NADH při anaerobní glykolýze
2 glyceraldehyd-P 2 1,3-bisP-glycerát 2
2 pyruvát 2 laktát -2
2
Isoenzymy LD1 - LD5 Podjednotka H
(heart)
Podjednotka M
(muscle)
JÁTRA
glukosa
SVAL
glukosa
pyruvát
laktát
KREV
laktát
pyruvát LD
LD
29 / 147
III.II.3.5 Dílčí reakce oxidační dekarboxylace pyruvátu
III.III Glukoneogeneze
= syntéza glukosy de novo
- Orgán: játra (ledviny)
- Lokalizace: cytoplasma buněk
- Zdroj pro syntézu: necukerné látky (laktát, pyruvát, glukogenní aminokyseliny, glycerol)
- Reakce: Jsou vyuţity enzymy glykolýzy, pouze 3 nevratné reakce jsou nahrazeny jinými
- Resorpční fáze
o sacharidy z potravy
- Postresorpční fáze
o hladovění
o glykogenolýza(játra)
o glukoneogeneze(játra, ledviny)
- hraničná hladina glukosy v krvi: 3,1-5,0 mmol/l
- hlavní hormony v metabolismu glukosy:
III.III.1 Nevratné reakce glykolýzy (kinasové reakce)I
1. Glc + ATP Glc-6-P + ADP
(nahrazena jiným enzymem)
2. Fru-1-P + ATP Fru-1,6-bisP
(nahrazena jiným enzymem)
3. PEP + ADP pyruvát + ATP
(nahrazena „obchvatem―)
I viz téţ Harper str.201
Hormon Zdroj Účinek na hladinu
glukosy v krvi
Insulin ß-buňky pankreatu
Glukagon -buňky pankreatu
Adrenalin dřeň nadledvin
CH3COCOO-
N
N
NH2
NSH3C
+ P-P
N
N
NH2
NSH3C
+ P-P
CH3-C-COO-
OH
1. vazba pyruvátu na thiamindifosfát
TDP
CH3-C-COO-
OH
N
N
NH2
NSH3C
+ P-P
S SE
CO
S SE
CO
CH3CON
N
NH2
NSH3C
+ P-P
CO2
H
2. dekarboxylace a přenos acetylu na lipoát
lipoát
HCH3CO
S SE
CO
CoA-SH
CH3CO-SCoA
S SE
CO
H H
3. přenos acetylu na koenzymA 4. reoxidace lipoátu, přenos vodíku přes FAD na NAD+
S S E
C O
S S E
C O
H H F A D
F A D H 2
N A D +
+ NAD + H
30 / 147
III.III.2 Zvláštní reakce glukoneogeneze
III.III.2.1 Syntéza fosfoenolpyruvátu
- Go= -61,9 kJ/mol
- neprobíhá jako zvrat této reakce, protoţe ani štěpení ATP
neposkytne pro zpětnou reakci dost energie
- vznik fosfoenolpyruvátu je rozloţen do dvou stupňů:
1. vznik oxalacetátu karboxylací pyruvátuI
- lokalizace: mitochondrie
- enzym: pyruvátkarboxylasa
- energie: spotřeba 1 ATP
- kofaktor biotin
- oxalacetát transportován do cytoplazmy v podobě malátu (kofaktor NADH+H+) / asparátuII
2. dekarboxylace oxalacetátu na fosfoenolpyruvát
- lokalizace: cytoplazma (mitochondrie)
- enzym: fosfoenolpyruvátkarboxykinasa
- energie: spotřeba 1 GTP
- jiné cesty tvorby oxalacetátu v mitochondriích:
o dehydrogenace malátu (citr.cyklus)
o transaminace aspartátu
Syntéza a transport oxalacetátu
- oxalacetát vzniká v matrix mitochondrie
- jeho dekarboxylace probíhá částečně v cytoplazmě
- mitochondriální membrána není prostupná pro
oxalacetát. Je transportován ve formě
malátu nebo aspartátu.
- syntéza fosfoenolpyruvátu z pyruvátu nebo laktátu
vyţaduje spotřebu 2 ATP
- při glukoneogenezi je upřednostněna karboxylace pyruvátu před
dekarboxylací, protoţe organismus je pod vlivem glukagonu. Z tukové tkáně se uvolňují mastné kyseliny. V
játrech probíhá jejich ß-oxidace. V játrech je dostatek acetyl-CoA ( Acetyl-CoA: inhibuje
pyruvátdehydrogenasu, aktivuje pyruvátkarboxylasu )
III.III.2.2 Defosforylace fruktosa-1,6-bisfosfátu
- allosterická inhibice AMP, aktivace ATP
- inhibice fruktosa-2,6-bisfosfátem (jeho
hladinu sniţuje glukagon)
I Karboxylace pyruvátu je také anaplerotickou reakcí citrátového cyklu II viz Dýchací řetězec – aspartát/malátový člunek
ATP ADP
ADP ATP
C
H
COOCH2
O
H
OOC C COOCH2
O
OOC
malát oxalacetát
NAD+
H+
NADH +
HOOC CH2 CHNH2
COOH HOOC CH2 CO
COOH
2-oxoglutarátglutamát
pyruvát
pyruvát
oxalacetát
Glukogenní
aminokyseliny
malát acetylCoA
citrát
2-oxoglutarát
mitochondrie
cytoplasma
fosfoenolpyruvát
oxalacetát
a
b
c
malát aspartát
alanin
laktát
aspartát
Fruktosa-1,6-bisfosfatasa
H2O
+ Pi hydrolytické
štěpení
CH3CCOO-O
+ ATP + CO2 -OOCCH2CCOO-O
+ ADP+ Pi
pyruvátkarboxylasa
HN NH
O
S COOH
O f C - C - C H - C O O -
O
+ G T P H 2 C =
C
H - C O O -
O P O 3
2 -
+ G D P PEP karboxykinasa
CO2
fosfoenolpyruvát (PEP) vstupuje do vratných reakcí glykolýzy
31 / 147
III.III.2.3 Defosforylace glukosa-6-P
- glukosa-6-fosfatasa je obsaţena jen v játrech a
(v ledvinách), ne ve svalu !
III.III.3 Energetické nároky glukoneogenese
reakce ATP/glukosa
2 pyruvát → 2 oxalacetát -2
2 oxalacetát → 2 fosfoenolpyruvát -2 (GTP)
2 3-fosfoglycerát → 2 1,3-bisfosfoglycerát -2
-6 ATP/glukosa
- při redukci 1,3-bisfosfoglycerátu na glyceraldyhyd-3-fosfát se spotřebuje NADH, které je adekvátní 3 ATP
- sumární rovnice glukoneogeneze:
2 pyruvát + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2H+
glukosa + 2NAD+ + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi
o Spotřeba: -12 ATP
III.III.4 Substráty pro glukoneogenezi - původ
- Laktát
o vznik ve tkáních, transport krví do jater
o laktát + NAD+ → pyruvát + NADH + H+ (cytoplasma)
(Coriho cyklus)
- Glycerol
o vznik v adipocytech při štěpení triacylglycerolů
o transport krví do jater
o játra (cytoplasma):
glycerol + ATP → glycerol-3-P + ADP
glycerol-3-P + NAD+
dihydroxyaceton-P + NADH + H+
- Glukogenní aminokyseliny
o metabolismem poskytují pyruvát nebo meziprodukty citrátovéhocyklu
o nejvýznamnější glukogenní aminokyselinou je alanin
je v případě potřeby uvolňován ze svalů, kde
vzniká transaminací pyruvátu, je transportován
do jater a transaminací opět přeměňován na pyruvát
- Acetyl CoA
o není přímým zdrojem zdrojem pro glukoneogenezi!!!
o je odbourán v CC cyklu na CO2
o u ţivočichů nejsou mastné kyseliny přeměňovány na glukosu
- glukoneogeneze z laktátu i glycerolu vyţaduje NAD+
- za některých metabolických podmínek můţe být poměr NADH / NAD+ vysoký – glukoneogeneze neprobíhá
- poměr NADH/NAD+ zvyšuje např. metabolismus ethanolu (alkoholdehydrogenasa) a proto příjem alkoholu
můţe sniţovat glukoneogenezi → hypoglykemie u alkoholiků
Glukosa-6-
fosfatasa
+ Pi H2O
játra
sval
glukosa
pyruvát
laktát
alanin
laktát
alanin
pyruvát
glukosa glutamát
2-oxoglutarát
glutamát
32 / 147
III.III.5 Regulace glukoneogeneze
- Glukagon ( α-buňky pankreatu)
o aktivace fruktosa-1,6-bisfosfatasy prostřednictvím fruktosa-2,6-bisfosfátu
o inaktivacepyruvátkinasy
o indukce PEPCK (glukagonem, téţ adrenalinem a glukokortikoidy)
- allosterická aktivace pyruvátkarboxylasy acetyl-koenzymem A
- dostupnost substrátů (hlavně AK z proteolýzy)
III.IV Glykogen
- syntéza a odbourání glykogenu probíhá ve většině buněk,
největší
rozsah je v játrech a svalech.
- glykogen je zásobou glukosy v buňkách, která je velmi
rychle dostupná
- ve svalech – hmotnost glykogenu cca 1(-2)% hmotnosti
svalu, odbourání při těţké svalové práci nebo stresu
- v játrech: cca 5(-10) % hmotnosti jater po jídle, odbourání
při poklesu hladiny glukosy v krvi, cca 0,1% hmotnosti
jater po 24 hodinách hladovění
- tvorba glykogenu umoţní uchování velkého počtu
mololekulglukosy v buňce, aniţ by vzniklo
hyperosmotické prostředí
- glykogen se ukládá v cytoplazmatickýchgranulích buněk.
- enzymy odbourávání a syntézy se váţí na povrchu granulí.
- glykogenolýza není opakem syntézy.
- mlekuly glykogenu mají hmotnost Mr~108
III.IV.1 Syntéza glykogenu (glykogeneze)
- pobíhá po jídle, aktivace insulinem
1. aktivace glukosy na UDP-glukosu
2. přenos aktivovaných molekul k 4-konci jiţ existujícího primeru nebo řetězce glykogenu
3. vznik α-1,4 glykosidové vazby
4. větvení
III.IV.1.1 Syntéza UDP-glukosy
- Glukosa-6-P Glukosa -1-P
- Glukosa-1-P + UTP → UDP-glukosa + PPi
PPi + H2O → 2Pi
Primer
- fragment glykogenu
- specifický protein, pokud glykogen je zcela vyčerpán (glykogenin)
o autoglykosylace na serinovém zbytku
-1,4-glykosidové vazby
Neredukující
konec
Neredukující konec O
O H O H
C H 2 O
O
O H O H
C H 2 O H
O O
O O H
O H
O
O H O H
C H 2 O H
O
C H 2 O H O O
C H 2 O H O
C H 2 O H
-1,6-glykosidová vazba
fosfoglukomutasa
N
N
O
O
CH2
OH OH
OO
H
POO
O
OCH2OH
PO
O
O--
Typy vazeb v glykogenu
33 / 147
III.IV.1.2 Vznik α-1,4 glykosidové vazby
- Iniciace -navázání glukosy na primer α-1,4 glykosidovou vazbou (glykogensyntasa)
- Elongace -vznik lineárních řetězců s α-1,4 vazbou (glykogensynthasa)
o UDP-glukosa + [glukosa]n [glukosa]n+1 + UDP
III.IV.1.3 Vznik α-1,6 glykosidových vazeb
- (větvící enzym)
- 5-8 koncových glukosových zbytků na neredukujícím konci je přeneseno a navázáno 1,6 vazbou
G-G-G-G-G
G-G-G-G-G-G-G-G-G-G-G-G-G -G-G-G-G-G-G-G-G
- další elongace glykogensyntasou na neredukujících koncích
- další větvení větvícím enzymem
Význam větvení:
- zvýšení rozpustnosti glykogenu
- zvýšení počtu neredukujících konců
- zrychlení syntézy (a odbourání)
III.IV.2 Odbourání glykogenu (fosforolýza)
- probíhá při hladovění (játra), svalové práci (sval) nebo stresu (játra i sval)
1. Fosforolytické štěpení α-1,4 glykosidových vazeb (fosforylasa)
2. Odstranění α-1,6 větvení (odvětvovací enzym)
III.IV.2.1 Fosforylasa
- fosforolytické štěpení α-1,4 glykosidovýchvazeb od neredukujících konců
- Glykogenn+ Pi → glukosa-1-P + glykogenn-1
- štěpení probíhá do fáze „limitního dextrinu―(obvykle 4 glukosové jednotky před α-1,6 vazbou)
III.IV.2.2 Odvětvovací enzym
- transferasová aktivita: přenáší 3 ze 4 zbývajících glukos na řetězci vázaném α-1,6 vazbou na neredukující
konec jiného řetězce
- glukosidasová aktivita: odštěpí glukosu vázanou α-1,6 vazbou (uvolní se volná glukosa ! Ne Glc-1-P)
III.IV.2.3 Reakce
- fosforylasa: zkracování řetězců (štěpení α-1,4 vazeb)
G-G-G-G-G-G-G-G G-G-G-G │ │
G-G—G-G-G-G-G-G-G-G- 8 Pi G-G-G-G-G-G-G-G + 8 G-P │ │
G-G-G-G—G-G-G-G-G- G-G-G-G-G-G-G-
G odvětvovací enzym │
G-G-G-G-G-G-G-G-G-G-G G-G-G-G-G-G-G-G-G-G-G-G + G │ │
G-G-G-G-G-G-G- G-G-G-G-G-G-G
α-1,6 vazba
Limitní dextrin
34 / 147
Glukosa-1-fosfát vzniklý z glykogenu
- vyuţití:
o glukosa-6-P nemůţe přecházet přes
cytoplazmatickou membránu, přestup je
moţný jen pro glukosu
o enzym glukosa-6-fosfatasa je jen v játrech
(ledvinách) – ne ve svalu.
III.IV.2.4 Lysosomální degradace glykogenu
- lysosomální kyselá glukosidasa (pHoptimum = 4)
- odbourává α-1,4 vazby od neredukujícího konce
- uvolňuje se glukosa
- odbourání 1-3 % buněčného glykogenu
III.IV.3 Regulace metabolismu glykogenu
- Hormonální kontrola
- Allosterická regulace
III.IV.3.1 Hormony ovlivňující syntézu a odbourání glykogenu:
- hormony působí prostřednictvím svých „druhých poslů―.
- fosforylace a defosforylace proteinů hraje významnou roli při regulaci metabolismu glykogenu
o fosforylace prostřednictvím kinasa ATP
o defosforylace prostřednictvím fosfatas
- změny aktivity vyvolané fosforylací a defosforylací:
III.IV.3.2 Aktivace a inaktivace glykogenfosforylasy
- fosforylasa v játrech a svalu se liší
III.IV.3.3 Aktivace a inaktivace glykogensynthasy
Hormon syntéza odbourání
Insulin
Glukagon
Adrenalin
fosfoglukomutasa
zapojení do
metabolismu
buňky
Pouze játra
(ledviny) Všechny
tkáně
Glukosa-6-
fosfatasa
uvolnění do
krve
Glukosa-6-P
Hladina glukosy v krvi můţe být doplňována jen
štěpením jaterního glykogenu
Štěpením glykogenu ve svalu a dalších buňkách je
získán glukosa-6-P, který můţe být metabolizován
jen uvnitř buňky (glykolýza)
glykogensyntasa x glykogenfosforylasa
H2O
Pi
proteinfosfatasa
OH
O-P
ATP
ADP
proteinkinasa
Enzym neaktivní
Enzym aktivní
H2O
Pi
proteinfosfatasa
OH
O-P
ATP
ADP
proteinkinasa
Enzym aktivní
Enzym neaktivní
Fosforylasa b
(nefosforylovaná
forma -málo
aktivní)
Fosforylasa a
(fosforylovaná
forma -aktivní)
ATP ADP
H2O Pi
Fosforyla
sa kinasa
proteinf
osfatasa
Glykogensynthasa a (defosforylovaná -
aktivní)
Glykogensynthasa b
(fosforylovaná -
inaktivní)
ATP ADP
H2O Pi
protein
kinasa
fosfatasa
35 / 147
III.IV.4 Regulace odbourání glykogenu – podrobněji
- allosterická regulace
- vliv hormonů:
- Játra:
glukagon (cAMP)
adrenalin (Ca2+ kalmodulin)
o Sval:
adrenalin (cAMP) při stresu
ne účinek glukagonu!
↑Ca2+ během svalové kontrakce
AMP
- aktivace probíhá stupňovitě
o nejprve se aktivuje fosforylasakinasa (fosforylací)
o aktivní fosforylasakinasa aktivuje fosforylasu (fosforylací).
III.IV.4.1 JÁTRA - aktivace fosforylasakinasy
III.IV.4.2 SVAL -aktivace fosforylasakinasy
- Proteinfosfatasa 1 je stimulována poklesem
cAMP
III.IV.4.3 Játra, sval - aktivace fosforylasy
Fosforylasakinasa a - aktivní
Ca2+-kalmodulin
Ca- kalmodulin dependentní
fosforylasakinasa aktivní
Aktivace cAMP dependentní
proteinkinasy
ATP
ADP
Fosforylasakinasa b -neaktivní
proteinkinasa
Ca- kalmodulin dependentní
fosforylasakinasa neaktivní
Ca-kalmodulin
P
Glukagon cAMP Adrenalin (stres) 1 Ca2+
Adrenalin (stres) cAMP
Fosforylasakinasa aktivní
Svalová kontrakce: ↑ Ca2+
ATP ADP
Aktivace cAMP
dependentní
proteinkinasy
Fosforylasakinasa
proteinkinasa
proteinfosfatasa 1
P
Aktivace bez fosforylace
(trvá, dokud probíhá
svalová kontrakce)
Proteinfosfatasa 1
Fosforylasa b
Fosforylasa
a
Pi
Fosforylasa
kinasa aktivní Zvýšená hladina cAMP
inhibuje
proteinfosfatasu 1, při
poklesu cAMP aktivita
proteinfosfatasy stoupá Glukosa, ATP, Glc-6P:
allosterická inhibice v játrech
Allostericky aktivuje
fosforylasu bez
fosforylace (při poklesu
energie)
AMP(sval)
P
ATP
ADP
36 / 147
III.IV.5 Regulace syntézy glykogenu - podrobněji
- kontrola glykogensynthasy ve svalu je komplexnější a je regulována i obsahem glykogenu
- inaktivace
o fosforylací → glykogensyntáza b
o proteinkinasa (aktivace glukagonem /cAMP/ nebo adrenalinem /Ca-calmodulin/)
- aktivace
o defosforylací → glykogensytáza a
o proteinfosfatasa ( aktivace insulinem, allostericky glukosa-6-P, inaktivace ↑ cAMP )
III.IV.6 Glykogenózy – poruchy enzymů
Typ Enzymový defekt Orgán Charakteristika
0 glykogensynthasa játra Hypoglykemie, F
I glc-6-fosfatasa játra, ledviny Zvětšená játra, ledviny. Hypoglykemie.
Buňky jsou přeplněny glykogenem.
II lysosom. α-glukosidasa svaly, srdce Hromadění glykogenu v lysosomech F
III odvětvovací enzym játra, svaly, srdce Hromadění charakteristicky větv.sach.
IV větvící enzym játra Hromadění nevětveného polysach. F
V svalová glykogenfosforylasa sval Vys. obsah glykogenu ve svalu, sníţená schopnost těl. námahy
VI jaterní glykogenfosforylasa játra Vys.obsah. glykogenu v játrech, sklon k hypoglykemiím
VII fosfofruktokinasa svaly, ercs Jako typ V
F - fatální
III.V Pentosový cyklus
- buněčná lokalizace:cytoplasma
- tkáňová lokalizace: ve velkém rozsahu játra, tuková tkáň (aţ 50% metab.glukosy), erytrocyty, štítná ţláza,
laktující mléčná ţláza ad. (obecně tkáně, kde probíhají redukční syntézy)
- význam pentosového cyklu
o zdroj NADPH (redukční syntézy, oxygenasyse smíšenou funkcí, redukce glutathionu)
o zdroj ribosa-5-P (nukleové kyseliny, nukleotidy)
o zapojení pentos přijatých potravou do metabolismu
o neslouţí k zisku energie
- části pentosového cyklu
- oxidační část nevratné reakce
- neoxidační část (regenerační) vratné reakce
III.V.1 Oxidační část pentosového cyklu
- regulace: inhibice NADPH (inhibice produktem)
- Ziskem oxidační větve pentosového cyklu jsou 2 moly NADPH a pentosa fosfát
37 / 147
III.V.1.1 Vznik 6-fosfoglukonátu
III.V.1.2 Přeměna 6-fosfoglukonátu
III.V.2 Regenerační fáze pentosového cyklu
- (pokud pentosy nejsou vyuţity pro syntézu nukleotidů
- souhrnná rovnice:
3 Ribulosa-5-P 2 Fruktosa-6-P + Glyceraldehyd-3-P
- Proč regenerace ? - Některé buňky potřebují mnoho NADPH. Při jeho produkci vzniká velké mnoţství
pentos, které buňka nepotřebuje.
III.V.2.1 Enzymy v regenerační fázi pentosovéhocyklu
Isomeraza
Epimerasa
Transketolasa
- přenáší dvouuhlíkatý zbytek
- Kofaktor: thiamindifosfát
H
C
C
C
C
C
O H
O
H O H
O P
H
H
H
H
H O
CCCCC
OHOHOP
HH
H
H
OHOHH
Ribulosa-5-P Ribosa-5-P
Pentosový
cyklus –
regenerační
fáze
Syntéza
nukleotidů
H
C
C
C
C
C
O H
O
H O H
O P
H
H
H
H
H O
CCCCC
OHOHOP
HH
H
H
OHOHH
Ribulosa-5-P Xylulosa-5-P
C C C C C C
H
O H O H O P
HO
H H
H
H
C O O H
H H
O H H
H
C
C
C
C
C
O H
O
H
O H
O P
H
H
H
H
H O
CCCCC
OHOHOP
HH
H
H
OHOHH
+
CC
HHH
OP
COH
OH
Ribosa-5-P Glyceraldehyd-3-P Sedoheptulosa-7-P
5C + 5C 3C + 7C
+
6
O
Glukosa-6-P 6-fosfoglukonát
O
O
O H
O H
O H
C H 2 O P
NADP+ NADPH + H+C
O
O -
C
C
C
C
C
OH
H
OH
OH
OP
H
HO
H
H
H
H
O
OH
OH
H
CH2OP
OH
6-fosfoglukonolakton
H
H2O
Oxidační část pentosového cyklu (podrobněji) –
vznik 6-fosfoglukonátu
7
C
O
O -
C
C
C
C
C
O H
H
O H
O H
O P
H
HO
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
O H
O H
O H
O P
H
H
H
H
H
O
NADP+ NADPH + H+
CO2
6-fosfoglukonát ribulosa-5-P
Ziskem oxidační větve pentosového cyklu jsou 2
moly NADPH a pentosa fosfát
Oxidační část pentosového cyklu (podrobněji) –
přeměna 6-fosfoglukonátu
6-fosfoglukonát ribulosa-5-P
38 / 147
Transaldolasa
- přenáší tříuhlíkatý zbytek
Transketolasa
- přenáší dvouuhlíkatý zbytek
III.V.3 Souhrnná bilance pentosového cyklu
Ribulosa-5-P Ribosa -5-P
2 Ribulosa-5-P 2 Xylulosa -5-P
Xylu-5-P + Rib-5-P Glyc-3-P + Sed-7-P
Sed-7-P + Glyc-3-P Ery-4-P + Fru-6-P
Xylu-5-P + Ery-4-P Glyc-3-P + Fru-6-P
3 Ribulosa-5-P Glyceraldehyd-3-P + 2 Fru-6-P
3 x 5C 3C + 2 x 6C
15
HCCCCC
OHOOHOHOP
H
HH
H
H
CCCCC
OHOHOP
HH
H
H
OHOHH
H
C
C
C
C
C
C
H
OH
OH
OP
O
H
H
H
H
C
O
OH
H
H
OHH
CCC
HOHOP
HH
H
O
CCCC
OHOHOP
HH
H
HH
OHCCCCC
OHOHOHOP
H
HH
H
HO
Ribulosa-5-P
Ribosa-5-P
Xylulosa-5-P
Erytrosa-4-P
Glyceraldehyd-3-P
CCCCC
H
OHOP
HO
HH
COOH
HH
OHH
H
TK
TA
TK
Xylulosa-5-P
H
C
C
C
C
C
OH
O
H
OH
OP
H
H
H
H
HO
C
C
C
C
C
H
OH
OP
HO
H
H
C
O
OH
H
H
OHH
H
12
Transaldolasa - přenáší tříuhlíkatý zbytek
C
C
C
C
C
C
H
OH
OH
OP
O
H
H
H
H
C
O
OH
H
H
OHH
CCC
HOHOP
HH
H
O
+
CCCC
OHOHOP
HH
H
HH
O
Sedoheptulosa-7-P
Glyceraldehyd-3-P
Erythrosa-4-P
Fruktosa-6-P
H
C
C
C
C
C
H
OH
OP
HO
H
H
C
O
OH
H
H
OHH
H
+
7C 3C 4C 6C++ 7C + 3C 4C + 6C 13
CCCC
OHOHOP
HH
H
HH
O
Transketolasa-přenáší dvouuhlíkatý zbytek
HCCCCC
OHOHOHOP
H
HH
H
HO
Erythrosa-4-P
+
Xylulosa -5-P
CCC
HOHOP
HH
H
O
+
Fruktosa-6-P
Glyceraldehyd-3-P
C
C
C
C
C
H
OH
OP
HO
H
H
C
O
OH
H
H
OHH
H
4C 5C 6C 3C++
39 / 147
III.V.4 Tvorba ribosafosfátu z meziproduktů glykolýzy
- reakce regenerační fáze pentosovéhocyklu jsou vratné.
- to umoţňuje produkovat pentosy v buňce i v situacích, kdy není potřebné NADPH, pouhým zvratem reakcí
regenerační fáze, z meziproduktů glykolýzy.
- Transaldolasová reakce v opačném směru (z glykolýzy)
fruktosa-6-P + glyceraldehyd-3-P erytrosa-4-P + xylulosa-5-P
- Transketolasová reakce v opačném směru (z glykolýzy)
erytrosa-4-P + fruktosa-6-P sedoheptulosa-7-P + glyceraldehyd-3-P(z
glykolýzy)
- Další transketolasová reakce v opačném směru
sedoheptulosa-7-P + glyceraldehyd-3-P 2 pentosy
III.V.5 Regulace pentosového cyklu
- rychlost závisí na úvodních nevratných reakcích oxidační fáze
- dostupnost substrátu (NADP+), inhibice produktem
- indukce enzymů insulinem
III.V.6 Potřeby buňky určují směr reakcí pentosového cyklu
Potřeba buňky Směr dráhy
pouze NADPH Oxidativní větev produkuje NADPH, regenerační fáze konvertuje pentosy na Glc-6-P
NADPH + ribosa-5-P Oxidativní větev produkuje NADPH a ribuloso-5-P, isomerasa ji přeměňuje na ribosu
pouze ribosa-5-P Probíhá konverze fruktosa-6-P a glyceraldehydu na ribosa-5-P
NADPH a pyruvát Oxidativní větev produkuje NADPH, regenerační fáze přeměňuje ribulosa-5-P na
fruktosa-6-P a glyceraldehyd-3-P, glykolýza produkuje pyruvát
III.V.7 Reakce vyţadující NADPH
- redukce oxidovaného glutathionu
- monooxygenázové reakce s cytP450
- redukční syntézy:
o syntéza mastných kyselin
o elongace mastných kyselin
o syntéza cholesterolusyntéza nukleotidů
III.V.8 NADH x NADPH - srovnání
Charakteristika NADH NADPH
vznik převáţně při dehydrogenaci
substrátů v katabolických dějích
při dehydrogenaci substrátů v reakcích jiných
neţ katabolických
vyuţití převáţně dýchací řetezecI redukční syntézy a detoxikační reakce, v dých.
řetězci nemůţe být oxidován
Forma převaţující v buňce NAD+ NADH
I Transhydrogenasa v mitochondriální membráně můţe katalyzovat přenos H z NADH na NADP+
*
40 / 147
III.V.9 Význam pentosového cyklu pro erytrocyty
- pentosový cyklus je jediným zdrojem NADPH pro erc
- NADPH je potřebný na regeneraci glutathionu
GS-SG + NADPH + H+ → 2GSH + NADP+
glutathionreduktasa
- oxidovaný glutathion vzniká při odbourávání peroxidu vodíku a organických peroxidů v erytrocytu
2GSH + HO-OH → GSSG + 2H2O
glutathionperoxidasa
2GSH + ROOH → GSSG + ROH + H2O
- hromadění peroxidů v buňce vyvolává hemolýzu
III.V.9.1 Deficit glukosa-6-P dehydrogenasyv erytrocytech
- vrozená choroba
- způsobena bodovými mutacemi genu v chromosomu X u některých populací (aţ 400 různých mutací)
- aţ 200 milionů jedinců
- erytrocyty mají nedostatek redukovaného glutathionu
- choroba je často bezpříznaková a projeví se episodami hemolytické anemie po infekci, při uţití některých
léků nebo favových bobů (Viciafava)
III.VI Metabolismus fruktosy
- zdroj fruktosy: sacharosa z potravy, ovoce, med
- odhadovaný příjem: 7 g a více (*USA aţ 37 g)
- vstup do buněk: GLUT V
III.VI.1 Zásadní rozdíl mezi metabolismem glukosy a fruktosy
- fruktosa sama nevyvolává uvolnění insulinu
- avšak příjem fruktosy můţe vyvolat následné zvýšení hladiny insulinu v důsledku přeměny fruktosy na
glukosu
III.VI.2 Samotný metabolismus fruktosy
- převáţná část fruktosy je
metabolizována v játrech
* Kukuřičný sirup
jako sladidlo
O
OH
OH
OHH2CO
CH2 OH
H
27
Fruktosa
Fruktosa- 1-P
fruktokinasa
aldolasa B
Glyceraldehyd + dihydroxyaceton-P
Glyceraldehyd-3-Ptriosa-
kinasa
ATP
glykolýza
hexokinasa
Fruktoso-6-P
21
Zpětná konverze
na glukosu
ATPnení regulovaná
(velmi nízké KM)
aldolasa B
41 / 147
III.VI.2.1 Aldolasa A a aldolasa B
- jsou isoenzymy (je známa i aldolasa C)
- aldolasa A : glykolýza (štěpení Fru-1,6-bisP)
- aldolasa B: štěpení fruktosa-1-P
- glukoneogenese (syntéza Fru-1,6-bisP)
- na rozdíl od glukosy je u diabetiků fruktosa rychle odbourána
III.VI.2.2 Fruktokinasa a aldolasa B (játra):
- metabolismus obchází regulované enzymy → rychlé odbourání
+ fruktosa je rychlý, na insulinu nezávislý zdroj energie
- rychlé odbourávání fruktosy vede k vysokému poměru NADH>>NAD+, jako důsledek vzniká laktát
- rychlý metabolismus fruktosy odčerpává Pi → klesá tvorba ATP
- vysoký příjem fruktosy vede ke zvýšené tvorbě mastných kyselin a následněke zvýšení produkce
triacylglycerolů
- dříve se fruktosa doporučovala diabetikům jako neškodné sladidlo
- současná doporučení:
- malá mnoţství fruktosy v ovoci je neškodné
- slazení fruktosou nebo jiný vyšší příjem fruktosy (např. formou infuze) – není doporučeno
III.VI.3 Poruchy metabolismu fruktosy
III.VI.3.1 Chybění fruktokinasy
- esenciální fruktosurie
- fruktosa se hromadí v krvi a vylučuje do moči
- dieta bez fruktosy
III.VI.3.2 Chybění aldolasyB
- hereditární fruktosová intolerance (autosomálně recesivní choroba)
- fruktosa-1-P se hromadí v buňkách → hypoglykemie ( Fru-1-P inhibuje glykogenolýzu a glukoneogenezi )
- úprava dietou bez fruktosy a sacharosy
III.VI.3.3 Polyolová metabolická dráha
- přeměna glukosy na glucitol a fruktosu
III.VI.3.4 Pozdní komplikace diabetu
- při diabetické hyperglykemii vstupuje glukosa do buněk, které pro její vstup nevyţadují insulin
- tvoří se D-glucitol, který nemůţe z buňky unikat
- aktivita polyoldehydrogenasy v některých buňkách je malá (retina, čočka, nervová b.)
- D-glucitol se hromadí → zvýšený osmotický tlak - vyvolává poruchy buněk (diabetická katarakta,
retinopatie, neuropatie)
D-glukosa D-glucitol
NADPH + H+ NADP+
fruktosa
NAD+
NADH + H+
aldosareduktasa
polyoldehy
drogenasa
Chybí v čočce,
retině, nervových
buňkách
Játra,
spermie,
ovariální b.
42 / 147
III.VII Metabolismus galaktosy
- zdroj: laktosa (mlékoI)
- přeměna v játrech na glukosu = epimerace
- aby mohla proběhnout, je třeba galaktosu aktivovat:
galaktosa-1-P → UDP-galaktosa
- UDP-galaktosa nevzniká přímou reakcí s UTP,
nýbrţ reakcí s UDP-glukosou
- galaktosa je rychle metabolizována na glukosu
III.VII.1 Izomerace glukosy na galaktosu
UDP-galaktosa UDP-glukosa
- reakce je vratná, můţe být vyuţita i k produkci glukosy
III.VII.2 Význam galaktosy
- syntéza laktosy
- syntéza glykolipidů, proteoglykanů a glykoproteinů
III.VII.3 Galaktosemie
- nejčastěji nedostatek uridyltransferasy
- akumulace galaktosy a galaktosa-6-P
- interference s metabolismem fosfátů a glukosy,
- nebezpečné pro novorozence
- konverse galaktosy na galaktitol v oku -katarakta
III.VII.4 Biosyntéza laktosy
- specifická pro mléčnou ţlázu
I Ostatní mléčné výrobky (kefíry, tvaroh, sýry) laktosu téměř neobsahují
O OH
HH
OH
OH
H
OH
H
H
CH2OH
N
N
O
O
CH2
OH OH
OO
H
POO
O
OCH2OH
PO
O
O--
UDP-galaktosa
(aktivníforma
galaktosy)
38
ATPGalaktokinasa
Gal-1-P UDP-glukosa
Glukosa-1-P
UDP-galaktosa
uridyltransferasa
UDP-glukosaepimerasa glykogen
Galaktosa
ADP
syntéza
glykolipidů,
GAG..
epimerasa
O
OH
HO
OH
OO
O
OH
HO
OH
OH
H
43 / 147
- Laktosasynthasaje komplex dvou proteinů:
- galaktosyltransferasa ( přítomná v mnoha tkáních )
- α-laktalbumin ( přítomný v mléčnéţláze jen při laktaci, syntéza je stimulována prolaktinem )
III.VII.5 Metabolismus galaktosy v jiných buňkách
- jen galaktosyltransferasa (za nepřítomnosti laktalbuminu)
- přenáší galaktosu z UDP na N-acetylglukosamin
- syntetizuje N-acetyllaktosamin
- ten je komponentou glykoproteinů
III.VIII Vznik glukuronové kyseliny
III.VIII.1 Biosyntéza UDP-glukuronátu
III.VIII.2 Vyuţití UDPGlcUA
- syntéza glukosiduronátů(konjugační reakce)
- syntéza proteoglykanů
H2O UDP
III.VIII.3 Odbourání D-glukuronové kyseliny
UDP-galaktosa
glukosa
Laktosa (galaktosyl-1,4-glukosa)
laktosasynthasa
O
OHOH
OHO
CH2OP
H
O
OOH
OHO
CH2HO
PH
O
OOH
OHO
CH2HO
UDPH
UTP
glukosa-6-P glukosa-1-P UDP-glukosa
H
O
OOH
OHO
C
UDP
OO NAD+
H2ONAD+
glukosiduronáty
UDP-glukuronát
- glukuronát
45
CCCCCCOOH
O
OHHO
OHOHH
H
H
H
H
CCCCCCOOH
OHHO
OHOHH
H
H
HH
H
OHNADPH + H+ NADP+
COOHCCCCC
HHO
OHHHO
H
HO
OHH
H
H
Kyselina D-glukuronováKyselina L-gulonová
46
OH
O
OH
COOH
OHOH
HL-gulonát
NADPH + H+ NADP+
L-xylulosa
xylitolD-xylulosa
Xylulosa-5-P
L-askorbát
Primáti a
morčata
můţe vstoupit do pentosového cyklu
Kyselina D-glukuronová
44 / 147
III.VIII.4 Biosyntéza L-askorbátu
III.IX Metabolismus aminocukrů
- sntéza aminocukrů vychází z fruktosa-6-P
- acetylace -NH2 skupiny odstraní její bazicitu
III.IX.1 Další přeměny aminocukrů
47
OH
O
O
H H
CHOH
CH2OH
1
OH
O
O
OH OH
CHOH
CH2OH
-2H
L-gulonát
1,4-lakton L-gulonové kyseliny
kys.askorbová
COO
C
C
C
C
C
H
HO
OH
HHO
H
HO
OH
H
H
H
-
+ H2O
49
CH2OH
C
C
O
C
HO H
C
OHH
CH2OP
OHH
COOH
CH
CH2
H2N
CH2
CH2N O
D-fruktosa-6-P
L-glutamin
CH2OH
C
C
NH
C
HO H
C
OHH
CH2OP
OHH
COOH
CH
CH2
H2N
CH2
CHO O
2-imino-D-fruktosa-6-P
L-glutamát
aminotransferasa
50
Iminofruktosa-6-P izomeruje na glukosamin-6-P
2-imino-D-fruktosa
CH2OH
C
C
NH
C
HO H
C
OHH
CH2OP
OHH
přesmyk
C
C
C
C
HO H
C
OHH
CH2OP
OHH
H NH2
OH
D-glukosamin-6-P-6-P
- imofruktosa-6-P izomeruje na glukosamin-6-P
51
Acetylace -NH2 skupiny odstraní její bazicitu
C
C
C
C
HO H
C
OHH
CH2OP
OHH
H NH2
OH
D-glukosamin-6-P
C
C
C
C
HO H
C
OHH
CH2OP
OHH
H NH
OH
COCH3
Acetyl-CoA
N-Acetyl-D-glukosamin-6-P
52
Glukosamin-6-P
acetylCoA
N-acetylglukosamin-6P
Glukosamin-1-P
UDP-
glukosaminN-acetylmannosamin-6-P
Kys.sialová
epimerasa
fosfoenolpyruvát
Gangliosidy, glykoproteiny
Další přeměny aminocukrů
glykosaminoglykany
45 / 147
III.IX.1.1 Syntéza N-acetylneuraminové kyseliny podrobněji
III.IX.1.2 Aktivace aminocukrů pro syntézu glykoproteinů a glykosaminoglykanů
N-acetylglukosamin-6P N-acetylglukosamin-1P UDP-N-acetylglukosamin
UDP-N-acetylgalaktosamin
IV Katabolismus aminokyselin
- přehled metabolismu aminokyselin
- hotovost aminokyselin
- (cca 100 g/d)
- ~ 80 % ve svalech
- ~ 10 % v játrech
- ~ 5 % v ledvinách
- ~ 5 % v cirkulaci (25 % Gln)
IV.I Degradace proteinů
Exogenní proteiny
- Lumen GIT
- Ţaludek – pepsin
- Střevo – pankreatické proteasy
(trypsin, chymotrypsin atd.)
Endogenní proteiny
- Intracelulární proteasy
- Dva systémy:
o Lyzosomy
o Ubikvitin-proteasom
53
N-acetylmannosamin-6-P
CH2=CH COO-
OP
CH3CO
C
C
CHO
C
C
H
OHH
OHH
CH2OP
HO
HNH
fosfoenolpyruvátC
C
CH OH
C
C
H
OHH
OHH
CH2OP
HO
HNH
CH2
C=OCOO-
CH3CO
N-acetylneuraminová kyselina
epimerace
syntéza glykoproteinů a glykosaminoglykanů
2
Přehled metabolismu aminokyselin
Pool AK
Endogenní
proteiny
Exogenní
proteiny
MK, TAG
CO2 + energie
Glukosa
Aminy
Neurotransmitery
Puriny/pyrimidiny
Porfyriny
Kreatin
NO a další
NH3 NH4+
2-oxokyseliny
Syntéza
neesenc. AK
Močovina Glutamin
CC
GIT
Intracelulární
degradace
46 / 147
IV.I.1 Trávení exogenních proteinů
- enzymy štěpící proteiny v GIT jsou produkovány ako neaktivní
proenzymy, aktivace nastane odštěpením peptidové sekvence
IV.I.2 Degradace endogenních proteinů
- endogenní proteiny mají různý biologický poločas
Protein Poločas
Ornithindekarboxylasa 12 min
RNA polymerasa I 1,3 hod
Prealbumin 2 dny
Laktátdehydrogenasa 4 dny
Albumin 19 dnů
IgG 23 dny
Kolagen několik let
Elastin téměř celý ţivot
IV.I.2.1 Degradace endogenních proteinů v lyzosomech
- nezávislá na ATP, nespecifická
- proteiny s delším poločasem
- lyzosomální proteasy – kathepsiny
- extracelulární glykoproteiny – nejdříve jsou zbaveny sialové kys. na konci oligosacharidového řetězce =
asialoglykoproteiny – ty jsou rozpoznány jaterními receptory
IV.I.2.2 Ubikvitin (UB)
- malý protein, ve všech buňkách
- C-konec UB se váţe na Lys proteinů určených k degradaci (značkování) - "kiss of death"
- vazba UB na bílkovinu má tři fáze, vyuţívají se enzymy E1-SH, E2-SH
- vazba UB na E1-SH vyţaduje ATP
- značkovaná bílkovina je směrována k proteasomu
IV.I.2.3 Proteasom ("odpadkový koš")
- dutý cylindrický útvar, sloţený z 28 polypeptidů
- čtyři cyklické heptamery (4 x 7 = 28)
- na obou koncích "čepičky" ve tvaru V- rozbalí značené bílkoviny a translokují je dovnitř za
spotřeby ATP
- uvnitř dutiny jsou různě specifické proteasy, hydrolyticky štěpí značkovanou bílkovinu na krátké (8 AK)
peptidy
- UB není degradován, uvolňuje se nezměněn
- proteasomy degradují hlavně bílkoviny s krátkým poločasem a abnormální proteiny
IV.I.2.4 Pravidlo N-konce
- stabilizující zbytky (dlouhý poločas):
pepsin
trypsin
pepsinogen
(aktivace HCl)
karboxypeptidasy
aminopeptidasy
AK - resorpce do
portální ţíly
pH 1-2
chymotrypsin, elastasa
47 / 147
- Met, Ser, Ala, Thr, Val, Gly, Cys
- destabilizující zbytky (krátký poločas):
- Phe, Leu, Asp, Lys, Arg
- PEST proteiny: segmenty bohaté na Pro, Glu, Ser, Thr
IV.II Denní příjem proteinů
- fyziologické minimum 0,4 g/kg
- dospělí 0,8 g/kg
- děti, těhotné 1,2-1,5 g/kg
- infuze aţ 1,8 g/kg
IV.III Biologická hodnota proteinů
(BV, biological value)
- mnoţství endogenních proteinů (v gramech)
vzniklých ze 100 g exogenních proteinů.
(vyjadřuje se v procentech)
- závisí na
- obsahu esenciálních AK
- jejich vzájemném poměru
- stravitelnosti bílkovin
- BVţivočiš. prot. > BVrostl. prot.
- pšenice - deficitní na Lys, Trp,
Thr, Met
- luštěniny - deficitní na Met, Cys
- Syrovátka (angl. whey)
- vedlejší produkt při výrobě sýrů a tvarohu
- ţlutozelená kapalina, která vznikne po vysráţení
kaseinu (barva od riboflavinu)
- obsahuje cca 12 % vysoce kvalitních bílkovin
(laktoalbumin, laktoglobuliny)
- dále obsahuje vitaminy B-komplexu a laktosu
IV.III.1 Exotické zdroje bílkovin
- koňské maso (glykogen)
- zvěřina (↓stravitelnost, broky)
- klokaní maso
- pštrosí maso
- ţelví a hadí maso
- kaviár (baz. AK, vit., puriny ↑)
- korýši (BV ↓, Zn ↑↑, alergie)
- ústřice (ţivé, kazí se, Cu ↑↑)
- hlemýţdi (F, lehce strav.)
- ţabí stehýnka (F, lehce strav.)
- chobotnice, sépie (Se↑↑)
- brouci
- kobylky (Mexiko)
- červi (potrava budoucnosti ??)
IV.IV Esenciální aminokyseliny
- valin
- leucin
- isoleucin
- threonin
- fenylalanin
- tryptofan
- lysin
- methionin
Průměrný obsah proteinů
v potravinách (%)
Tvrdý tvaroh 30
Tvarůţky 30
Tvrdé sýry 25
Luštěniny 25
Maso 20
Vejce 13
Kvasnice 11
Pečivo 8
Rýţe 7
Brambory 2
Ovoce, zelenina 1
Protein BV (%)
Vaječný bílek 100
Syrovátka 100
Vejce 96
Kasein 80
Hovězí maso 77
Vepřové maso 70
Ovesné vločky 60
Pšeničná mouka 53
Luštěniny 46
Ţelatina 25
Extrém: proteinové
supplementy pro sportovce:
80-90 %
48 / 147
IV.IV.1 Podmíněně esenciální aminokyseliny
- histidin, arginin - v období růstu
- alanin, glutamin - při metabolickém stresu
- cca 30 % potřeby methioninu lze nahradit cysteinem
- cca 50 % potřeby fenylalaninu lze nahradit tyrosinem
IV.V Katabolická dráha aminokyselin
- má tři fáze
- Transaminace
- Dehydrogenační deaminace glutamátu
- Detoxikace amoniaku
IV.V.1 Transaminace
- je přenos -NH2 skupiny z jednoho substrátu na druhý
- většina AK (kromě Lys, Thr, Pro, His, Trp, Arg, Met)
- aminoskupina je přenesena z AK na oxokyselinu (většinou 2-oxoglutarát)
- kofaktor - pyridoxalfosfát - vznik Schiffových bází
- reverzibilní reakce → význam pro syntézu AK
IV.V.1.1 Obecné schéma transaminace
- pyridoxalfosfát přenáší -NH2 z aminokyseliny na 2-oxoglutarát
IV.V.1.2 1. Fáze transaminace
- AK oxokyselina
- pyridoxal-P pyridoxamin-P
CH2CH2COOHOCHOOC+R CH
NH2
COOH
aminokyselina 2-oxoglutarát
HOOCCHCH2CH2COOHNH2
+R CO
COOH
glutamát2-oxokyselina
aminotransferasapyridoxalfosfát
N
CH2O
H3C
HOC
OH
PO
OO
reaktivní skupina
Schiffova báze
CHNH2
COOHR R C COOH
CH2
NR CH COOH
CHN H2O
R CO
COOH
CH2NH2C
OH - H2O
aminokyselina
pyridoxamin-Ppyridoxal-P iminokyselina
oxokyselina
izomerace
aldimin pyridoxalu ketimin oxokyseliny
příjem dusíku
Aminokyselina + 2-oxoglutarát
2-oxokyselina + glutamát
NH3
deaminace (2 způsoby)
transaminace
Proteiny
glutamin
detoxikacev játrech
výdej dusíku
močovina
detoxikacev extrahepatálníchtkáních
hydrolýza
49 / 147
IV.V.1.3 2. Fáze transaminace
- 2-oxoglutarát glutamát
- pyridoxamin-P pyridoxal-P
- dusík většiny AK se transaminacemi koncentruje v glutamátu
IV.V.2 Dehydrogenační deaminace glutamátu
- je reverzibilní reakce
IV.V.2.1 Glutamátdehydrogenasa (GMD)
- vyţaduje koenzym NAD(P)+
- GMD reakce je reverzibilní
- probíhá ve dvou stupních
- dehydrogenace >CH-NH2 skupiny na iminoskupinu >C=NH
- hydrolýza iminoskupiny na oxoskupinu a amoniak
IV.V.3 Buněčná lokalizace vybraných přeměn AK
IV.V.4 Dva hlavní zdroje amoniaku v organismu
- dehydrogenační deaminace glutamátu
o v buňkách většiny tkání
- bakteriální fermentace proteinů v tlustém střevě
o amoniak difuzí přechází do portální krve → portální krev má relativně vysokou konc. NH3 → odstraněn
játry
IV.V.4.1 Další zdroje amoniaku
- deaminace různých substrátů
- deaminace v cyklu purinových nukleotidů (Ledvina, str. 258)
- oxidační deaminace některých AK (H2O2)
2-oxoglutarát glutamát
pyridoxamin-P pyridoxal-P
COH
CH2NH2
- H2OH2O
CH2
CH2
COOH
CHOOCO
CH2
CH2
COOH
CHOOCNCH2
ketiminoxokyseliny
CH2
CH2
COOH
CHHOOCN
CH
aldiminpyridoxalu
CH2
CH2
COOH
CHHOOCNH2
HOOCCHCH2CH2COOHNH2
CH2CH2COOHNHCHOOC
- 2H
H2O
glutamát 2-iminoglutarát
2-oxoglutarát
NH3 CH2CH2COOHOCHOOC+
GMD
31
Buněčná lokalizace vybraných přeměn AK
Transaminace glutamát
NH3glutamát
syntéza
močoviny
mitochondrie
cytosol
cytosol
GMD
Glu + NH3 Gln
50 / 147
- desaturační deaminace histidinu → urokanová kys. + NH3
- oxidační deaminace lysinu
lysyloxidasa(Cu2+): Lys + O2 → NH3 + allysin + H2O
- dehydratační deaminace serinu (viz další kapitoly)
- oxidační deaminace biogenních aminů (H2O2, viz také LCH II, str. 60)
IV.V.4.2 Deaminace glutamátu v cyklu purinových nukleotidů
IV.V.4.3 Oxidační deaminace některých AK
- glycin
- odbourání D-aminokyselin
- vedlejší produkt H2O2
IV.V.4.4 Oxidační deaminace biogenních aminů
IV.V.4.5 Desaturační deaminace histidinu
IV.V.4.6 Další zdroje amoniaku - různé reakce
- neenzymová karbamylace proteinů
Prot-NH2 + NH2-CO-NH2 → NH3 + Prot-NH-CO-NH2
- katabolismus pyrimidinových bází
R CH2 NH2
FAD FADH2
H2O2 O2
R CH NHH2O
R CH O
NH3
biogenní amin imin aldehyd
monoaminoxidasa
AST
N
N
N
N
OH
Rib PIMP (inosinmonofosfát)
oxalacetát
2-oxoglutarát
HOOCCHCH2COOHNH2 Asp
HOOCCHCH2CH2COOHNH2 Glu
+
+
N
N
N
N
NH
Rib P
CHHOOC CH2COOH
adenylsukcinát
fumarát
malát
N
N
N
N
NH2
Rib P
H2ONH3
adenosinmonofosfát
(zpětná reakce transaminace Asp)
R CHNH2
COOH
FAD FADH2
R C COOHNH
O2H2O2katalasa
H2O+O2
H2O R C COOHO
NH3iminokyselina
CH CH
NH2
COOH
H
N
NH
CH CH COOH
N
NH
- NH3
51 / 147
cytosin/uracil → NH3 + CO2 + β-alanin
thymin → NH3 + CO2 + β-aminoisobutyrát
- syntéza hemu
(4 porfobilinogen → 4 NH3 + uroporfyrinogen)
- hydrolýza glutaminu v ledvinách uvolňuje amoniak,
který se jako NH4+ vylučuje močí
- glutamin se povaţuje za netoxickou transportní formu amoniaku
IV.V.4.7 Zvýšená tvorba amoniaku za patologických podmínek
- krvácení do GIT → zvýšení NH3 v portální krvi
- uroinfekce - bakteriální ureasa katalyzuje hydrolýzu močoviny
H2N-CO-NH2 + H2O 2 NH3 + CO2 NH3 + H2O NH4+ + OH
-
IV.V.4.8 Acidobazické vlastnosti NH3
- pKB (NH3) = 4,75 (slabá báze)
- NH3 + H2O NH4+ + OH-
- pKA (NH4+) = 14 - 4,75 = 9,25 (velmi slabá kyselina)
- při fyziologických hodnotách pH v ICT a ECT (7,40) je naprostá většina amoniaku ve formě amonného
kationtu (98 % NH4+, 2 % NH3)
- amoniak je endogenní metabolický toxin
- moţnost omezit vznik amoniaku v lidském těle
o důleţité při jaterním selhávání
o nízkoproteinová dieta
o úprava střevní mikroflory, podpora kvasných procesů na úkor hnilobných (Lactobacilus sp., laktulosa,
oligofruktosa, vláknina)
o střevní (lokálně působící) antibiotika (neomycin, metronidazol)
IV.V.5 Detoxikace amoniaku
- pro organismus ţivotně důleţitá
- v zásadě existují tři způsoby detoxikace
IV.V.5.1 Tři produkty detoxikace amoniaku
Charakteristika Močovina Glutamin Glutamát
Důleţitost
Typ sloučeniny diamid H2CO3 γ-amid Glu α-aminokyselina
Reakce vzniku ureosynt. cyklus Glu + NH3 red. aminace 2-OG
Enzym 5 enzymů cyklu Gln-synthasa GMD
Potřeba energie 3 ATP 1 ATP 1 NADHI
Buňka-lokalizace mitoch. + cytosol cytosol mitochondrie
Orgán pouze játra játra, ostatní hlavně CNS
I Ekvivalent 3 ATP (viz DŘ).
COOHCHCH2
H2N
CH2
CO NH2
H2O
COOHCHCH2
H2N
CH2
CO OH
+ NH3
glutamin glutamát
alkalická moč (pH aţ 8)
fosfátové
konkrementy
52 / 147
IV.V.5.2 Syntéza močoviny v játrech
- v mitochondriích a cytosolu
Tvorba karbamoylfosfátu
- karbamoyl je acyl hypotetické kyseliny
- karbamoylfosfátsyntasa
- matrix mitochondrie
- dva moly ATP
- vzniká amidová vazba + smíšený anhydrid
- makroergní sloučenina
Vznik citrulinu (matrix)
- štěpení argininsukcinátu
- hydrolýza argininu poskytne močovinu
- metabolický původ atomů dusíku v močovině
Bilanční rovnice vzniku močoviny
CO2 + NH4+ + aspartát močovina + fumarát + H2O + 2 H+
syntéza močoviny je proton-produktivní děj
Vlastnosti močoviny
- diamid kyseliny uhličité
CO2 NH4++
2 ATP 2 ADP + 1 P
H2N OCO
PO
OO
H2NCO
OH H2NCO
karbamoyl
(acyl)
kys. karbamová
(hypotetická)
CH2CH2CH2CHCOOHNH2 NH2
H2N OCO
PO
OO
CH2CH2CH2CHCOOHNH NH2
CNH2
O
HO PO
OO
citrulinornitin
karbamoyl
CH2CH2CH2CHCOOHNH NH2
CNH2
O
CHCOOHCH2COOH
H2N
aspartát
CH2CH2CH2CHCOOHNH NH2
CNH2
N CHCOOHCH2COOH H2O-
argininsukcinát
ATPAMP + PP
- druhá aminoskupina pochází z aspartátu (cytosol)
CH2CH2CH2CHCOOHNH NH2
CNH2
N CHCOOHCH2COOH
argininsukcinát
CH2CH2CH2CHCOOHNH NH2
CNH2
NHarginin
CC
COOH
H
H
HOOCfumarát
CH2CH2CH2CHCOOHNH NH2
CNH2
NH
arginin
H2O
CH2CH2CH2CHCOOHNH2 NH2
OCNH2
NH2
ornitin
urea
volný aspartát
amoniak
H2NCO
NH2
53 / 147
- neelektrolyt
- velmi dobře rozpustná ve vodě
- vzniká v játrech × vylučuje se ledvinami
- difunduje snadno všemi membránami
- rovnoměrná distribuce v těl. tekutinách
Denní exkrece močoviny
- vylučuje se močí v závislosti na mnoţství přijatých bílkovin
- normální strava ........... 330-600 mmol/d (20-35 g/d)
- hladovění ................... 150-200 mmol/d
- bezproteinová dieta ........ 50-80 mmol/d
Močovina v krevním séru
Zvýšená koncentrace
- poruchy exkrece (renální selhání)
- nadměrný rozpad proteinů v katabolických
stavech (sepse, popáleniny, polytrauma, nádory,
horečky apod.)
Sníţená koncentrace
- nedostatek bílkovin v potravě
- poruchy produkce (jaterní selhání)
Charakteristika Močovina Močová kyselina
Latinský název urea acidum uricum
Chemický název diamid kys. uhličité 2,6,8-trihydroxypurin
Katabolit aminokyselin purinových bází
Chování ve vodě neelektrolyt slabá dvojsytná kys.
pH vodného roztoku neutrální slabě kyselé
Rozpustnost ve vodě výborná špatná (vliv pH)
Redukční vlastnosti ne ano (antioxidant)
Vznik v těle pouze játra řada tkání
Vznik v buňce mitoch. + cytosol cytosol
Koncentrace v séru 2-8 mmol/l 150-400 μmol/l
Exkrece močí 20-35 g/d 0,5-1 g/d
% katabolického N 80-90 1-2
IV.V.5.3 Syntéza glutaminu
- 2. způsob detoxikace NH3
- dehydrogenační deaminace glutamátu
( pozor, ne hydrogenační aminace
2-oxoglutarátu, to je 3. spůsob
detoxikace NH3)
Amoniak Amoniak Močovina
portální krev krevní sérum krevní sérum
100-300 μmol/l 5-30 μmol/l 2-8 mmol/l
glutamin
COOHCHCH2
H2N
CH2
CO NH2
COOHCHCH2
H2N
CH2
CO OH
+ NH3
glutamát
ATP ADP + P
- H2O
COOHCHH2NCH2CH2COOH
NAD+
NADH H++
COOHCHNCH2CH2COOH
COOHCOCH2CH2COOH
H2O
NH3
54 / 147
- glutamin a alanin mají zvláštní význam
o nejvíce zastoupené AK v cirkulaci v postresorpční fázi, Gln (25 %), Ala (12%)
o do cirkulace je uvolňuje hlavně svalová tkáň
o alanin je významným substrátem pro glukoneogenezi
o glutamin uvolňuje amoniak v tubulárních buňkách ledvin
o glutamin je výhradní zdroj energie pro některé buňky (enterocyty, fibroblasty, lymfocyty, makrofágy)
Glukoso-alaninový cyklus
- glutaminasa katalyzuje hydrolýzu amidové
skupiny glutaminu
- z glutaminu se v ledvinách uvolňuje NH4+
IV.V.6 Katabolický dusík
- při průměrném příjmu bílkovin a energie je katabolický dusík 12 - 15 g/d
- bezbílkovinná dieta 1,5 - 3 g/d
- katabolické stavy 20- 50 g/d
IV.V.6.1 Zvýšený katabolismus bílkovin
- obávaná komplikace základního onemocnění
- zvýšené nebezpečí infekce
- koagulopatie
- sníţená regenerace krevních elementů
- sníţená syntéza enzymů
- poruchy v hojení ran
IV.V.6.2 Orientační výpočet katabolického N
- viz praktická cvičení ve 4. semestru
- výdej dusíku za 24 hod je součet 4 hodnot:
o celkový nebílkovinný dusík moče (močovina, močová kys., kreatinin, NH4+ a další)
o dusík bílkovin moče
o dusík močoviny v CTV
o ostatní ztráty dusíku
játra sval
glukosa
pyruvát
alanin
glukosa
pyruvát
alanin
transaminace
glykolýza
transaminace
glukoneogeneze
transport
krví
COOHCHCH2
H2N
CH2
CO NH2
H2O
COOHCHCH2
H2N
CH2
CO OH
+ NH3
glutamin glutamát
Gln Glu 2-oxoglutarát
NH3 NH3
H+ H+
NH4+ NH4
+
Moč
glutamátdehydrogenasaglutaminasa
55 / 147
Dusíková bilance (DB)
- DB = Npřij - Nvyd
- normální stav - vyrovnaná DB
- pozitivní DB - růst, těhotenství, rekonvalescence
- negativní DB - metabolický stres, hladovění, neplnohodnotné proteiny
IV.VI Syntéza neesenciálních AK
IV.VI.1 Syntéza glycinu
1. Opačný směr transaminační reakce
2. Ze serinu
3. Z cholinu (viz Harper, str. 303, meziprodukt betain)
IV.VI.2 Syntéza serinu z meziproduktu glykolýzy
IV.VI.3 Syntéza alaninu z pyruvátu a glutamátu
- ALT reakce v opačném směru
IV.VI.4 Syntéza aspartátu z oxalacetátu a glutamátu
- AST reakce v opačném směru
- AST reakce takto produkuje aspartát
pro syntézu močoviny
CH2NH2
COOH
CHNH2
COOHCH2CH2HOOCCO
COOHCH2CH2HOOC
CO
COOHH
+ +
2-oxoglutarát
glyoxalát
glutamát
CH2
OHCHNH2
COOH+FH4 CH2
NH2
COOH+HOCH2 FH4
serin glycin
3-P-glycerát
COOHCHH2NCH2OH
2-oxoglutarátGlu
COOHCCH2OH
O
serin hydroxypyruvát
NADH + H+COOHCHCH2OH
OH
glycerátATP
ADP
COOH
CH
CH2
OH
O PO
OO
glukosa
COOHCHH3CNH2
COOHCH3CO
Glu
2-oxoglutarát
ALT
alanin pyruvát
COOHCHCH2
NH2
CH2HOOC
Asp
oxalacetát
ASTCOOHCCH2
OCH2HOOC
glutamát 2-oxoglutarát
56 / 147
IV.VI.5 Syntéza prolinu
- je opakem jeho katabolismu
IV.VI.6 Syntéza glutamátu
- vzniká redukční aminací 2-oxoglutarátu
(GMD reakce v opačném směru)
IV.VI.7 Syntéza tyrosinu
- vzniká hydroxylací esenciálního fenylalaninu
- neesenciální
- kofaktor tetrahydrobiopterin (BH4) je
donorem dvou atomů H na vznik vody
IV.VI.8 Syntéza glutaminu
- vzniká z glutamátu a amoniaku
- analogicky vzniká asparagin z aspartátu
IV.VI.9 Syntéza cysteinu
NCOOH
H
H
H - 2H
prolin
NCOOH
pyrrolin-5-karboxylát
adice H2Ootevření kruhu
NC COOHO H
HH
glutamát-5-semialdehyd
H2NHOOC COOH
glutamát
oxidace
78
COOHCHH2NCH2CH2COOH
NAD+
NADH H++
COOHCHNCH2CH2COOH
COOHCOCH2CH2COOH
H2O
NH3
Glutamát vzniká redukční aminací 2-oxoglutarátu
(GMD reakce v opačném směru)
L-glutamát 2-iminoglutarát 2-oxoglutarát
COOHCHH2NCH2
H
+ O O+ BH4
COOHCHH2NCH2
OH
+ +H2O BH2
fenylalanin tyrosin
glutamin
COOHCHCH2
H2N
CH2
CO NH2
COOHCHCH2
H2N
CH2
CO OH
+ NH3
glutamát
ATP ADP + P
- H2O
81
Cystein vzniká odbouráním methioninu
HOOC CHNH2
CH2CH2 SH
homocystein
kondenzace se serinem
HOOC CHNH2
CH2CH2 SCH2 CH
NH2
COOH
H2O
cystathionin
odštěpení cysteinu
homoserin
HOOC CHNH2
CH2CH2 OH
methionin
CHNH2
COOHCH2SH
- vzniká odbouráním methioninu
57 / 147
IV.VII Přeměny uhlíkatého skeletu aminokyselin
- rozdělení aminokyselin podle katabolismu
- Glukogenní většina (13), poskytují pyruvát nebo meziprodukty citrátového cyklu
- Ketogenní pouze Leu, vzniká acetyl-CoA a acetacetát
- Smíšené (Thr, Ile, Lys, Phe, Tyr, Trp)
IV.VII.1 Meziprodukty katabolismu aminokyselin
IV.VII.2 Alaninu
IV.VII.2.1 Transaminace alaninu
IV.VII.2.2 Glukoso-alaninový cyklus
- alanin ze povaţovat za transportní formu dusíku
uvolňovanou ze svalu do cirkulace
- v játrech je alanin substrátem glukoneogeneze
IV.VII.2.3 Alanin - shrnutí
- snadno vzniká transaminacíz pyruvátu
- ALT je klinicky významý enzym, nejvíce zastoupen v játrech, zvýšená kat. konc. v séru - indikátor
hepatopatií
- do cirkulace je alanin uvolňován hlavně svalovou tkání
- druhá nejvíce zastoupená AK v krvi
- podmíněně esenciální AK (při metabolickém stresu) – významný substrát pro glukoneogenezi v játrech
IV.VII.3 Arginin
IV.VII.3.1 Hydrolýza argininu
- poskytuje močovinu
3
oxalacetát
fumarát
sukcinyl-CoA
2-oxoglutarátCC
acetyl-CoA
Phe, Tyr
Ile, Val, Met, Thr
Arg, Glu, Gln, His, Pro
Asp, Asn
glukosa
acetoacetát
pyruvátAla, Cys, Gly, Ser, Thr, (Trp)
Ile, Leu, Lys, Thr
Leu, Lys, Phe, Trp, Tyr
Asp
Ser, Gly, Thr, Ala, Cys, Trp
Meziprodukty katabolismu aminokyselin
COOHCHH3CNH2
COOHCH3CO
Glu
2-oxoglutarát
ALT
alanin pyruvát
alaninamino
transferasa
Alanin
Pyruvát
Glukosa Glukosa
Pyruvát
Alanin
Játra Sval
Krev
glykolýza
transaminacetransaminace
glukoneogeneze
CH2CH2CH2CHCOOHNH NH2
CNH2
NH
arginin
H2O
CH2CH2CH2CHCOOHNH2 NH2
OCNH2
NH2
ornitin
urea
glutamát
58 / 147
IV.VII.3.2 Vznik oxidu dusnatého z argininu
- exogenní zdroje NO
o glycerol-trinitrát
o isosorbid-dinitrát
o amyl-nitrit
o isobutyl-nitrit
o nitroprusid sodný
IV.VII.3.3 Syntéza kreatinu
- 2. část - N1-methylace guanidinacetátu
IV.VII.3.4 N2-Fosforylace kreatinu
IV.VII.3.5 Vznik kreatininu
IV.VII.3.6 Arginin - shrnutí
- podmíněně esenciální (v době růstu)
- nejbazičtější AK (guanidin)
- není transaminace
- uvolňuje ornithin+ močovinu
glycin
arginin ornithin
guanidinacetát
CH2NH2
COOH CH2NH
COOH
CH2N
NH
CH2NH
CH2
CH2N
NH
CH2 CH COOHNH2
CH2NH2
CH2 CH2 CH COOHNH2
CH2N
COOH
CH2N
NHCH3
CH2N
COOH
CN
NHCH3
HPO
OHHO
kreatin kreatinfosfát
ATP
CH2CH2CH2CHCOOHNH NH2
CNH2
NH O2, NADPH
CH2CH2CH2CHCOOHNH NH2
CNH2
N O H
N-hydroxyarginin
O2, NADPH
CH2CH2CH2CHCOOHNH NH2
CNH2
Ocitrulin
N O +oxid dusnatý(nitroxid radikál)
CH2N
COOH
CH2N
NHCH3
CH2NH
COOH
CH2N
NH
S-adenosylmethionin
(SAM)
S-adenosylhomocystein
kreatin
N-methylguanidin-N-acetát guanidinacetát
12
Vznik kreatininu
CH2N
CN
NHCH3
CO
H
CH2N
COOH
CH2N
NHCH3
cyklizační dehydratace
kreatinkreatinin- H2O
59 / 147
- z Arg, Gly, Met vzniká kreatin
- uvolňuje NO (vazodilatant)
- volně prodejné přípravky
IV.VII.4 Serin
IV.VII.4.1 Dehydratační deaminace serinu
IV.VII.4.2 Přeměna serinuna glycin
IV.VII.4.3 Dekarboxylace
IV.VII.4.4 Transaminace serinu a přeměna na glukosu
- význam v opačném
směru – syntéza serinu
IV.VII.4.5 Serin-shrnutí
- Neesenciální, glukogenníAK
- Zdroj C1 fragmentů –na tetrahydrofolát
- Součást glycerofosfolipidů
- Význam serinu v bílkovinách:
o Časté místo fosforylací
o Vazba sacharidů O-glykosidovouvazbou
o Časté místo štěpení (serinové proteasy)
CH2
OHCHNH2
COOHdekarboxylace
HO CH2 CH2 NH2-CO2 ethanolamin
CH2
OHCHNH2
COOH+FH4 CH2
NH2
COOH+HOCH2 FH4
serin glycinH2O + N5N10-CH2-THF
(Harper, str. 613)
-H2OCH2
OHCNH2
COOHH
CH2 CNH2
COOH H3C CNH
COOH
enamin imin
H2O
H3C CO
COOH
pyruvát
+NH3
3-P-glycerát
COOHCHH2NCH2OH
2-oxoglutarátGlu
COOHCCH2OH
O
serin hydroxypyruvát
NADH + H+COOHCHCH2OH
OH
glycerátATP
ADP
COOH
CH
CH2
OH
O PO
OO
glukosa
cholin
60 / 147
IV.VII.5 Threonin
IV.VII.5.1 Štěpení threoninu na glycin a acetaldehyd
- časté místo fosforylace a glykosylace v bílkovinách
- esenciální AK, 2 asym. C
IV.VII.6 Glycin
IV.VII.6.1 Kompletní rozštěpení glycinu
- jednouhlíkatý fragment je přenesen na
tetrahydrofolát
IV.VII.6.2 Aerobní deaminace glycinu a vedlejší dráhy
IV.VII.6.3 Glycin -shrnutí
- Katabolismus
o kompletní oxidace na CO2 + NH3
o aerobní deaminace na oxalát
- Anabolické přeměny
o donor C1 fragmentů
o serin
o porfyriny
o purinové báze
o kreatin
o glutathion
o konjugace ţluč. k., xenob
IV.VII.7 Methionin
IV.VII.7.1 Methionin jako methylační činidlo
COOHCH2NC
HOHH
CH3
COOHCH2H2N
glycin
CH3 CH
O
acetaldehyd
serin pyruvát
CH3 CS
O
CoAacetyl-CoA
C O O H C H 2
N H 2
N 5 N 1 0 C H 2 F H 4 + + C O 2 N H 3 F H 4 +
COOHCH2
NH2
COOHCHNH
FAD FADH2
O2H2O2
H2O
NH3-HC
O OCOH
glyoxalát
HOC
O OCOH
oxalát
HC
OSCoA-CO2
formyl-CoA
oxid.
glyoxylát
HOOC CHNH2
CH2CH2 SCH3
ATPHOOC CH
NH2
CH2CH2 SCH3
Rib Ad
HOOC CHNH2
CH2CH2 SRib Ad
methionin
S-adenosylmethionin
S-adenosylhomocystein
HOOC CHNH2
CH2CH2 SH
homocystein
remethylace
CH3 FH4
FH4
substrát
substrát CH3cholinadrenalinkreatin
PPi + Pi
B12
61 / 147
IV.VII.7.2 S-Adenosylmethionin (SAM)
- trojvazná síra - sulfonium
IV.VII.7.3 Odbouráním homocysteinu vzniká cystein
IV.VII.7.4 Methionin-shrnutí
- esenciální AK, v potravě velmi málo
- methylační činidlo (SAM)
- přeměňuje se na cystein (proto Cys není
esenciální)
- C-kostra cysteinu pochází ze serinu, síra
z methioninu
- konečný produkt sukcinyl-CoA(glukogenní)
IV.VII.7.5 Význam homocysteinu
- nový marker kardiovaskulárních onemocnění
- zvýšená koncentrace homocysteinu v krvi je
rizikovým faktorem aterosklerózy nezávislým na
cholesterolu
- je homocystein škodlivý:
o mechanismus účinku není dosud úplně objasněn
o přímé působení na cévní stěnu – poškození
epitelu
o zkracuje ţivotnost trombocytů
o sniţuje fibrinolýzu
o podporuje vznik kyslíkových radikálů –
poškození cévní stěny
o zvyšuje lipoperoxidaci
- k odstranění (přeměnám) homocysteinu jsou třeba tři
vitaminy: kys. listová, kobalamin, pyridoxin
IV.VII.8 Cystein
IV.VII.8.1 Oxygenace-SH skupiny
HOOC CHNH2
CH2CH2 SH
homocystein
kondenzace se serinem
HOOC CHNH2
CH2CH2 SCH2 CH
NH2
COOH
H2O
cystathionin
odštěpení cysteinu
homoserin
HOOC CHNH2
CH2CH2 OH
methionin
CHNH2
COOHCH2SH
pyridoxalfosfát
cystein
sukcinyl-CoA
B12
N
N
N
N
NH2
O
OHOH
SCH3
HOOC CHNH2
CH2CH2
COOHCHCH2
H2N
SH
oxygenaceCOOHCHCH2
H2N
SO OH
cystein cysteinsulfinátdekarboxylace
CH2CH2
H2N
SO OHhypotaurin
oxidace CH2CH2
H2N
SOH
OO
taurin
transaminace
COOHCCH2
O
SO OH
sulfinylpyruvát
O2
62 / 147
IV.VII.8.2 Odštěpení sulfitu
- za fyziol. pH disociace do 1. stupně
IV.VII.8.3 Vznik sulfátů
- katalyzuje sulfitoxidasa
IV.VII.8.4 PAPS
- ze sulfátu
- 3‘-fosfoadenosyl-5‘-fosfosulfát
IV.VII.8.5 Transaminace cysteinu - vedlejší dráha
IV.VII.8.6 Cystein – shrnutí
- obě dráhy poskytují pyruvát(glukogenní)
- hlavní katabolickádráha -přímá oxygenacesíry, vzniká sulfit a zněho sulfát
- vysoce proteinová dieta vede k fyziologické acidóze
- poskytuje taurin(konjugace ţluč. kys.)
- součást glutathionu
IV.VII.9 Asparát
- transaminací Asp vzniká oxalacetát
- AST (aspartátaminotransferasa) –klinicky významný enzym
- v močovinovém cyklu Asp poskytuje dusík do močoviny a uvolňuje fumarát
- dekarboxylací Asp vzniká ß-alanin(součást koenzymu A)
2-oxoglutarát
COOHCHCH2
H2N
SHcystein
GluCOOHCCH2
O
SHmerkaptopyruvát
desulfurace
COOHCCH3
O
pyruvát
H2SSO3 2-
COOHCCH2
O
SO OH
sulfinylpyruvát
hydrolytické odštěpení sulfitu
H2O
COOHCCH3
O
pyruvát
OHS
O OH
OS
O O+ 2 H
sulfit (siřičitan)
30
Sulfitoxidasa katalyzuje vznik sulfátů
cystein
HSO3- + H2O SO4
2- + 3H+ + 2e-
ECT, močokyselují ECT
redukují Mo
O
OHO
O
P
PO
O
OSO
O
O
OO
O
N
N
N
N
NH2
63 / 147
- kondenzací s amoniakem vzniká amid asparagin
IV.VII.10 Glutamát
IV.VII.10.1 Glutamát s oxalacetátem poskytují aspartát (transaminace)
- AST reakce produkuje aspartát pro syntézu močoviny
IV.VII.10.2 Dehydrogenační deaminace glutamátu
- hlavním producentem NH3 v tkáních
IV.VII.10.3 Dekarboxylace glutamátu
IV.VII.10.4 Syndrom čínského restaurantu
- vzniká po jednorázovém příjmu většího mnoţství glutamátu sodného ( 1-5 g )
- nevolnost, pocit tepla ve svalech, napětí v obličeji, tlak na prsou …
- polévka „Von-Ton―
- taste enhancer - masoxy, bujony, polévky v sáčku, sojová omáčka apod.
IV.VII.10.5 Glutamát-shrnutí
- produkt transaminace většiny AK, v GMD reakci se produkuje většina amoniaku v tkáních
- protoţe transaminace jsou vratné, můţe se Glu přeměňovat na 2-oxoglutarát (glukogenní)
- Glu + NH3 Gln (detoxikace amoniaku)
- glutamát snadno vzniká z histidinu a prolinu
- čistý glutamát sodný můţe způsobit zdravotní potíţe (viz také Ledvina, str. 532)
IV.VII.11 Prolin
IV.VII.11.1 Katabolismus prolinu poskytuje glutamát
COOHCHCH2
NH2
CH2HOOC
glutamát
CH2CH2
NH2
CH2HOOC
GABA gama-aminobutyric acid
CO2-
COOHCHCH2
NH2
CH2HOOC
Asp
oxalacetát
ASTCOOHCCH2
OCH2HOOC
glutamát 2-oxoglutarát
aspartátaminotransferasa
HOOCCHCH2CH2COOHNH2
CH2CH2COOHNHCHOOC
H2O
glutamát 2-iminoglutarát
2-oxoglutarát
NH3 CH2CH2COOHOCHOOC+
NAD+ NADH H+
Glutamátdehydrogenasa (GMD)
CC
NCOOH
H
H
H - 2H
prolin
NCOOH
pyrrolin-5-karboxylát
adice H2Ootevření kruhu
NC COOHO H
HH
glutamát-5-semialdehyd
H2NHOOC COOH
glutamát
oxidace
64 / 147
IV.VII.11.2 Hydroxylace prolinu
- vyuţívá neobvyklý koreduktant (2-oxoglutarát)
IV.VII.11.3 Prolin - shrnutí
- postradatelná AK, vzniká z glutamátu
- odbourává se na glutamát (glukogenní)
- hydroxylaceprolinu v kolagenu probíhá aţ posttranslačně, nutný askorbát a Fe2+ (netypický koreduktant, 2-
oxoglutarát)
- 4-hydroxyprolin se odbourává na pyruvát
IV.VII.12 Histidin
IV.VII.12.1 Desaturační deaminace
- začíná ní katabolismus histidinu
IV.VII.12.2 Štěpení urokanátu
IV.VII.12.3 Dekarboxylace histidinu
- dekarboxylasa His je ţirných buňkách a
basofilních leukocytech
- stimuluje tvorbu HCl v ţaludku
- uvolňuje se při alergických reakcích
- antihistaminika - léčiva, která blokují
působení histaminu
CHN
NH
CH COOH
H2O
urokanát
1. adice vody2. přesmyk3. oxid. otevření cyklu
CH2NH
NH
CH2 COOHCOOH
N-formiminoglutamát
FH4
HN CH FH4
CH2CH CH2 COOHHOOC
H2Nglutamát
NH
COOH
H
O OCOOHCCH2CH2COOH
O
NH
COOH
HOOHCCH2CH2COOH
O
- CO2
prolin
2-oxoglutarát
4-hydroxyprolin sukcinát
Fe2+
askorbát
CH CH
NH2
COOH
H
N
NH
CH CH COOH
N
NH
- NH3
COH
OH mravenčí kyselina (formiát)
CO
H acyl mravenčí kys. (formyl)
CNH
Hformimino skupina(dusíkatý analog formylu)
N
NH
CH2 CHNH2
COOHN
NH
CH2 CH2 NH2
- CO2
histidin histamin
65 / 147
IV.VII.12.4 Pufrační vlastnosti bílkovin
- podmiňuje histidin
IV.VII.12.5 Histidin – shrnutí
- esenciální aminokyselina
- není transaminace
- desaturační deaminace
- zdroj 1C fragmentu (formimino skupina)
- přeměňuje se na glutamát (glukogenní)
- podmiňuje pufrační chování bílkovin
IV.VII.13 Leucin, Isoleucin, Valin
IV.VII.13.1 Leucin (1) – transaminace + dekarboxylace
IV.VII.13.2 Leucin (2) – dehydrogenace
IV.VII.13.3 Leucin (3) – karboxylace na C4
CO
CH2CHH3C
H3CS CoA
2,3-dehydrogenaceCO
CHCH3C
H3CS CoA
rozvětvený nenasycený acylFAD FADH2
-methylkrotonyl-CoA)
COOHCHNH2
CH2CHH3C
H3CCOOHC
OCH2CH
H3C
H3C
transaminace
CO
CH2CHH3C
H3CS CoA
oxidačnídekarboxylace
2-oxokyselina (2-oxoisokaproát)
rozvětvený acyl(isovaleryl-CoA)
-CO2
N
N
His
H
N
N
His
H
H
H
H
pKB = 8 pKA (His) = 6
pKA (His v bílk.) = 6-8
CO
CHCH3C
H3CS CoA
acyl dikarboxylové rozvětvenénenasycené kyseliny
karboxylaceCO
CHCCH2
H3CS CoA
HOOC
( -methylglutakonyl-CoA)
66 / 147
IV.VII.13.4 Leucin (4) - hydratace dvojné vazby
IV.VII.13.5 Leucin(5) -štěpení vazby C-C v HMG-CoA
IV.VII.13.6 Rozvětvené AK -shrnutí
- všechny tři jsou esenciální
- první reakce katabolismu jsou podobné (transaminace, oxid. dekarboxylace, dehydrogenace), konečné
produkty jsou různé
- leucin - jediná čistě ketogenní AK
- po jídle je jejich zastoupení v krvi vysoké (cca 70 % všech AK), protoţe játra je nevyuţívají
(nedostatek aminotransferas)
- nejvíce jsou utilizovány ve svalech a CNS
- příznivě ovlivňují katabolické stavy (infuze)
IV.VII.14 Lysin
IV.VII.14.1 Katabolismus lysinu
CO
CHCCH2
H3CS CoA
HOOC H2OCO
CH2 S CoACOH
CH3
CH2HOOC
3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA
123
(HMG-CoA)
HMG-CoA-lyasa
CO
CH2 S CoACOH
CH3
CH2HOOC
CO
H3C S CoAHOOC CH2 CO
CH3
acetoacetát acetyl-CoA
Leucin Isoleucin Valin
acetoacetátacetyl-CoA
sukcinyl-CoAacetyl-CoA
sukcinyl-CoA
ketogenníketogenníglukogenní
glukogenní
HOOC CH (CH2)4NH2
NH2
lysin
CCOOH
(CH2)2O COOH
2-oxoglutarát-H2O
HOOC CH (CH2)4NH2
N C (CH2)2COOHCOOH
ketimin (Schiffova báze)
1) 2)
hydrogenace (NADPH)
N C (CH2)2COOH ketiminCOOH
CH2(CH2)3CHNH2
HOOC
NHCH2(CH2)3CHNH2
HOOC CHCOOH
(CH2)2COOH sacharopin
dehydrogenace (NAD)
NCH(CH2)3CHNH2
HOOC CHCOOH
(CH2)2COOH aldimin
HMG - CoA
NCH(CH2)3CHNH2
HOOC CHCOOH
(CH2)2COOH aldimin
hydrolytické štěpení
(CH2)3CHNH2
HOOC CH
O
allysin
H2NCHCOOH
(CH2)2COOH
glutamát
3)
67 / 147
IV.VII.14.2 Karnitin
- vzniká z lysinu
- přenáší MK z cytopl.
do mitochondrie
IV.VII.14.3 Příčné můstky v kolagenu
IV.VII.14.4 Lysin - shrnutí
- esenciální AK, neprobíhá transaminace
- při odbourání nejdříve odstupuje -aminoskupina jako glutamát (glukogenní)
- -aminoskupina odstupuje z aminoadipátu transaminací
- konečný produkt acetyl-CoA (ketogenní)
- Další přeměny:
o karnitin
o příčné můstky v kolagenu
HC(CH2)4NH2
CO
NH
lysin(lysylový zbytek v polypeptidu)
O2, H2O
NH3 + H2O2
C(CH2)3
CO
NH
CH
O
H
allysin
lysin
C(CH2)2
CO
NH
C CH
C
O
H
(CH2)3H CH
CO
NH
allysin
C(CH2)4
CO
NH
NH (CH2)4H CH
CO
NH
- H2O příčná vazba vzniklá dehydratací aldolu
hydrogenace+
příčná vazba vznikláhydrogenací Schiffovy báze
4)
(CH2)3CHNH2
HOOC CH
O
allysin
H2O (CH2)3CHNH2
HOOC COH
HOH
(CH2)3CHNH2
HOOC COH
O
2-aminoadipát
dehydrogenace (NAD+)(CH2)3CH
NH2
HOOC COH
O
2-aminoadipát
2-oxoglutarát Glu
(CH2)3CO
HOOC COH
O
2-oxoadipát
- 2 CO2
2 Acetyl-CoA
transaminace
5)
N
CH3
CH3
CH3
CH2CHHO
CH2
COO
karnitin
N
CH3
CH3
CH3
CH2CHO
CH2
COO
C
O
acylkarnitin
68 / 147
IV.VII.15 Fenylalanin
IV.VII.15.1 Katabolismus fenylalaninu
IV.VII.15.2 Hyperfenylalaninémie + Fenylketonurie
- deficit hydroxylasy nebo deficit BH4
- zvýš. hladina Phe a metabolitů v krvi
- vylučování fenylpyruvátu močí
COOHCHH2NCH2
COOHCHH2NCH2
OH
hydroxylace
O2, BH4
transaminace
COOHCCH2
OH
O
fenylalanin tyrosin p-hydroxyfenylpyruvát
COOHCCH2
OH
O 1. oxid. dekarboxylace2. přesmyk3. hydroxylace
OH
OH
CH2COOH
homogentisát(2,5-dihydroxyfenylacetát)
-CO2
O OOH
OH
CH2COOH C
COOH
OOH
O O
maleinylacetoacetát
oxidační rozštěpení
aromatického kruhu
dioxygenasa
COOH
COOHO O
izomerace
COOHO O
HOOC
fumaroylacetoacetátmaleinylacetoacetát
H2O
fumaroylacetoacetát
COOHO O
HOOC
COOH
HOOC
H3C COOHO
fumarát acetoacetát
1) 2)
3) 4)
5)
COOHCHH2NCH2
COOHCHH2NCH2
OH
hydroxylasa
O2, BH4
fenylalanin tyrosin
x x x
69 / 147
IV.VII.15.3 Metabolity fenylalaninu
IV.VII.15.4 Hyperfenylalaninémie + Fenylketonurie
- následek neléčené poruchy - mentální retardace
- léčba - dieta s nízkým obsahem Phe do cca 15 roku ţivota
- v dospělosti Phe nevadí
- řada výrobků obsahuje sladidlo aspartam, nevhodné pro fenylketonuriky, hydrolýzou uvolňuje fenylalanin
IV.VII.15.5 Aspartam
- L-aspartyl-L-fenylalanin methyl ester
- (180×sladší jak sacharosa)
IV.VII.15.6 Neotam
- nové náhradní sladidlo
- N-(3,3-dimethylbutyl)-L-aspartyl-L-fenylalanin methyl ester
- 8000 ×sladší neţ sacharosa
- na rozdíl od aspartamu odolný vůči hydrolýze,
mohou uţívat i osoby s fenylketonurií
IV.VII.15.7 Hydroxylace fenylalaninu
- poskytuje tyrosin
IV.VII.16 Tyrosin
- z tyrosinu vzniká DOPAa dopamin
COOHCHH2NCH2
transaminace
COOHCCH2
O
fenylalanin fenylpyruvát
oxid.dekarboxylace
hydrogenace
COOHCH2
COOHCHCH2
OH
fenylacetát
fenyllaktát
H2NN
HOOC
O
H O
OCH3
NN
OCH3
OH
OH
HOOC
CH3
H3C
H3C
fenylalanin tyrosin
koreduktant
tetrahydrobiopterin
COOHCHH2NCH2
H
+ O O+ BH4
COOHCHH2NCH2
OH
+ +H2O BH2
70 / 147
- zkratka DOPApochází ze staršího anglického
názvosloví, kdy se u kyslíkových substituentů
důsledně nerozlišovala oxo a hydroxylová
skupina: dioxophenylalanine
- současný anglický název je
3-(3,4-dihydroxyphenyl)alanine
IV.VII.16.1 Další dva katecholaminy z dopaminu
- předpona nor- znamená N-demethyl
IV.VII.16.2 Přeměna dopaminu na melanin
IV.VII.16.3 Přeměna tyrosinu na thyroxin
CH2
CH2
OHOH
NH2
dopamin
- 2H
CH2
CH2
OO
NH2
dopachinon
melaninkondenzace
COOHCHH2NCH2
OH
COOHCHH2NCH2
OHOH
hydroxylace
O2, BH4
tyrosin DOPA(3,4-dihydroxyfenylalanin)
dekarboxylace
- CO2
CH2
CH2
OHOH
NH2
dopamin(katecholamin)
CH2
CH2
OHOH
NH2hydroxylace na C-2
O2, askorbát
CH2
CH
OHOH
NH2
OH
dopamin noradrenalin
N-methylace
SAM
CH2
CH
OHOH
NH
OH
CH3
adrenalin
HO CH2CHCOOH
NH2
HO CH2CHCOOH
I
I
NH2
2 I
tyrosin 3',5'-dijodtyrosin
HO CH2CHCOOH
I
I
NH2
thyroxin
O CH2CHCOOH
I
I
NH2
HO
I
I
melanin
71 / 147
IV.VII.16.4 Fenylalanin, tyrosin - shrnutí
- Fenylanin je esenciální, tyrosin nikoliv
- Tyr vzniká hydroxylací Phe za účasti tetrahydrobiopterinu
- Katabolismus je společný (smíšené AK)
- Poskytují fumarát – doplňující reakce CC
- Tyrosin se přeměňuje na specializované produkty:
o Hormony (katecholaminy, thyroniny)
o Koţní pigment melanin
IV.VII.17 Tryptpofan
IV.VII.17.1 Odbourání tryptofanu
IV.VII.17.2 Dekarboxylace tryptofanu
NH
CH2 CHNH2
COOH
oxidačnírozštěpení
CO
NH
CH2 CHNH2
COOH
CH
O
tryptofanN-formylkynurenin
CO
NH
CH2 CHNH2
COOH
CH
O
kynurenin
hydrolýza amidu
amid mravenčíkyseliny
H2O
hydroxylace
+ HCOOH
3-hydroxykynurenin
CO
CH2 CHNH2
COOH
NH2
CO
CH2 CHNH2
COOH
OHNH2
3-hydroxykynurenin
hydrolytické odštěpení alaninu
CHNH2
COOHH3C
Ala
3-hydroxyanthranilát
CO
CH2 CHNH2
COOH
OHNH2 COOH
OHNH2
H2O
3-hydroxyanthranilát
3 % 97 %
N
CONH2 HOOCCOOH
O
nikotinamid
2-oxoadipát
H3C CS
O
CoA
acetyl-CoA
COOH
OHNH2
1) 2)
3) 4)
NH
CH2 CHNH2
COOH
NH
CH2 CH2
NH2
- CO2
tryptofan tryptamin
72 / 147
IV.VII.17.3 Přeměna tryptofanu na melatonin
IV.VII.17.4 Tryptofan -shrnutí
- esenciální AK
- komplikovaný katabolismus
- není transaminace, aminoskupiny se zbavuje ve formě alaninu (glukogenní)
- konečný produkt - acetyl-CoA (ketogenní)
- vzniká z něho nikotinamid a NAD+
- bakterie tlustého střeva – indol a skatol
IV.VII.18 Čtyři vitaminy částečně vznikají v těle
Hydrofilní Lipofilní
Niacin (z Trp) Fylochinon (střevní flora)
Biotin (střevní flora) Kalciol (kůţe, UV)
IV.VII.19 Sedm aminokyselin nepodléhá transaminaci
Aminokyselina -NH2 skupina odstraněna jako
Arginin ornithin
Lysin 2-aminoadipát
Methionin homoserin
Threonin glycin
Tryptofan alanin
Prolin glutamát
Histidin NH3 (desaturační deaminace)
IV.VII.20 Šest aminokyselin poskytuje pyruvát
1. Serin dehydratační deaminací
2. Glycin přes serin
3. Threonin přes glycin
4. Alanin transaminací
5. Cystein odštěpením -SH + transaminací
6. Tryptofan přes alanin
NH
CH2 CHNH2
COOH
NH
CH2 CH2
NH2HO
tryptofan 5-hydroxytryptofan
NH
CH2 CHNH2
COOHHO
dekarboxylacehydroxylace
serotonin
acetylacemethylace
NH
CH2 CH2
NHO CO
CH3H3C
melatonin
BH4 BH2
- regulace biorytmu
73 / 147
V Metabolismus lipidů
- typy lipidů
o triacylglyceroly
o fosfolipidy
sfingofosfolipidy
glycerofosfolipidy
o steroidy
o prostanoidy; leukotrieny
- metabolismus TAG a MK
o 100 g/den
o zdroj energie
- metabolismus strukturních lipidů
o 2 g/den
V.I Hydrofobní lipidy
- triacylglyceroly
- volné mastné kyseliny
- esterifikovaný cholesterol
- transport a metabolismus se odehrává s pomocí různých přirozených tenzidů.
Tenké střevo
- tvorba směsných micel
- ako tenzidy působí ţlučové kyseliny, fosfolipidy,
soli volných MK (= mýdla), 2-acylglyceroly
- tenzidy ytvářejí micelu, která vstupuje do enterocytu
Krevní plazma
o transport triacylglycerolů ve formě lipoproteinů
o mastné kyseliny ve vazbě na albumin.
o lipoproteiny jsou transportní formou nepolárních lipidů téţ v krvi
o typy lipoproteinů:
Tenzid Typ Původ
Ţlučové kyseliny aniontový z cholesterolu v játrech
2-Acylglycerol neiontový hydrolýza TAG ve střevu
Anionty MK aniontový hydrolýza TAG ve střevu
Fosfolipidy amfoterní potrava
8
Obecná struktura lipoproteinu
Fosfolipidy
Cholesterol
Apoproteiny
Apoproteiny
TAG
Estery
cholesterolu
jádro
vnější vrstva
9
Typy lipoproteinů
VLDL
LDL
Chylomikron
CM
HDL
TG
Proteiny
CH
PL
TG
PL
CH
Proteiny
Very low density lipoproteins
74 / 147
V.II Metabolismus triacylglycerolů
1. hydrolytické odštěpování mastných kyselin
2. metabolismus mastných kyselin a glycerolu
V.II.1 Lipasy
o katalyzují hydrolýzu triacylglycerolů
o štěpí esterovou vazbu mezi glycerolem a MK
o extracelulární
o pankreatická lipasa tenké střevo
o lipoproteinová lipasa krev
o jaterní lipasa na povrchu sinusoidů
- intracelulární
o hormonálně senzitivní (adipocytární) tukové buňky
o kyselá lipasa lyzosomy
V.II.1.1 Pankreatická lipasa
( + kolipasa )
- působí v tenkém střevě, štěpí tuky přijaté potravou
triacylglycerol → 2-monoacylglycerol + 2 MK
- účinek pankreatické lipasy:
14
Účinek pankreatické lipasy
CH2
CH
O C
O
CH2
OC
O
O
C
O
2 H2O
CH2
CH
OH
CH2 OH
OC
O
HOOC2
V.II.1.2 Lipoproteinová lipasa
- působí na chylomikronya VLDL v krvi
- štěpí triacylglyceroly v nich obsaţené:
triacylglycerol → glycerol + 3 MK
V.II.1.3 Adipocytární lipasa
- hormon senzitivní
- působí v tukových buňkách
- závisí na působení hormonů (glukagon-klidové hladovění, adrenalin, noradrenalin-stres)
- uvolňuje mastné kyseliny do krve
triacylglycerol → glycerol + 3 MK
V.II.2 Transport mastných kyselin v ECT
- uvolnění z TAG v adipocytech působením
hormonsenzitivní lipasy (hormonální regulace)
- uvolnění z TAG v ECT (CM, VLDL)
CH2 O
CH2 OCHOC
C
CR
O
O
O RR
11
CH2 O
CH2 OCHOC
C
CR
O
O
O RR
Lipasy katalyzují hydrolýzu triacylglycerolů
Štěpí esterovou vazbu mezi glycerolem a MK
CH2O-CO-RR-CO-OCH
CH2O-CO-R
CH2O-CO-RR-CO-OCH
CH2O-CO-R
MK v krvi -vazba na albumin
(1 mmol/l, poločas 2 min)
75 / 147
21
MK je přenášena ve formě acylkarnitinu
esterová vazba
N
CH3
CH3
CH2H3C CH CH2
O
COOH
O
C
V.II.3 Transport mastných kyselin v buňkách
- speciální membránové proteiny usnadňují transport MK do buněk
- v buňkách transport pomocí FABP (fatty acid binding protein)
- přes mitochondriální membránu pomocí karnitinu
V.III ß-Oxidace mastných kyselin
- význam: zisk energie
- hlavní cesta odbourání MK
- probíhá prakticky ve všech buňkách (ne v erc)
- lokalizace: matrix mitochondrie
- průběh: postupné odštěpování acetyl-CoA
- oxiduje se -uhlík (C-3)
- obecný mechanismus – opakování čtyř reakcí: dehydrogenace hydratace dehydrogenace odštěpení acetyl-CoA
V.III.1 Transport mastných kyselin
- pro transport do mitochondrie je potřebný karnitin
[ (2-hydroxy-3-karboxypropyl)trimethylamonium ]
- MK s krátkým řetězcem karnitin nevyţadují
- MK je přenášena ve formě acylkarnitinu
V.III.1.1 Zdroje a potřeba karnitinu
- syntéza v organizmu
o játra, mozek, ledviny
o transport krví
22
Zdroje a potřeba karnitinu
Protein-CH2CH2CH2CH2NH3 protein-CH2CH2CH2CH2N(CH3)3
postranní zbytek lysinuproteolýza
trimethyllysinkarnitin
SAM
Příjem potravou: cca 100 mg/den (ţivočišné zdroje:
maso, mléko. Je obsaţen i v rostlinných zdrojích.)
Syntéza v organismu
+ +
- příjem potravou:
o cca 100 mg/den
o ţivočišné zdroje: maso, mléko
o je obsaţen i v rostlinných zdrojích
V.III.1.2 Nedostatek karnitinu
- vrozená porucha transportu karnitinu
- při některých onemocněních (zejména orgánů, které jej syntetizují)
- při velkých ztrátách (průjmy, hemodialýza, popáleniny…)
- inhibice transportu do buňky některými léky (doxorubicin, cis-platina, lidokain…….)
- sníţená biosyntéza (malnutrice)
- suplementace karnitinu při těchto poruchách je nutná
O významu zvýšeného příjmu karnitinu zejména pro sportovce se vedou četné spory. Přestože mnohá zjištění o funkci a dynamice karnitinu v
organismu nasvědčují prospěšnosti zvýšeného příjmu tohoto doplňku v potravě zejména při nadměrné fyzické zátěži, žádný přesvědčivý a
seriózní důkaz pro tento předpoklad doposud podán nebyl. Podávat je možno pouze L-karnitin, D-karnitin, resp. racemát je oficiálně
zakázán
N
C H 3
C H 3
C H 2 H 3 C C H C H 2
O H
C O O H
esterová vazba
76 / 147
26
Vznik acyl-karnitinu
karnitinacyltransferasa
CH2
CHCH2
N
OH
COOH(CH3)3
++
CO
S CoA
H3C
CH2
CH
O
C
CH2
N COOH(CH3)3
+
O
CH3
+ CoASH
Probíhá v mezimembránovém
prostoru mitochondrie
-II
R CH2 CH CH CS
O
CoA
-I -I, -nenasycený acyl-CoA
H2O
R CH2 CH CH2 CS
O
CoAOH
0-hydroxyacyl-CoA
V.III.1.3 Aktivace MK před vazbou na karnitin
- ztráta energie ekvivalentní 2ATP
- cytoplazma
Vznik acyl-karnitinu
- probíhá v mezimembránovém prostoru
mitochondrie
V.III.1.4 Transport mastné kyseliny do mitochondrie
27
Transport mastné kyseliny do mitochondrie
dvě formy karnitinacyltransferasy
RCO-S-CoA
CoA-SH
RCO-S-CoA
mezimembránový prostor vnitřní mitoch. membrána matrix
Karnitin/acylkarnitin
výměník
Cn-OH
RCO-OCn
Cn-OH
RCO-OCnCoA-SH
V.III.2 Reakce β-oxidace MK
V.III.2.1 Dehydrogenace acylu
V.III.2.2 Hydratace dvojné vazby
- hydratace není redoxní reakce,
jeden C se zredukoval, druhý C
oxidoval, ale součet oxid. čísel je
stejný
V.III.2.3 Dehydrogenace hydroxyacylu
R CH2 CH2 CH2 CS
O
CoAnasycený acyl-CoA
-II-II
FAD
FADH2
R CH2 CH CH CS
O
CoA
-I -I, -nenasycený acyl-CoA
25
Cytoplazma
Aktivace MK před vazbou na karnitin
R C
O
OH+ HS CoA C
O
S CoA
R
ATP AMP+ 2Pi
Ztráta energie
ekvivalentní
2ATP
konfigurace trans
77 / 147
33
Celkový průběh -oxidace
• 1.dehydrogenace
(FAD)
• 2.hydratace
• 3 dehydrogenace
(NAD+)
• 4 přenos acylu na
CoASH
Oxidasa MK
acyl-CoA dehydrogenasa
2-enoyl-CoA hydratasa
3-hydroxyacyl-CoA
dehydrogenasa
thiolasa
V.III.2.4 Thiolýza oxoacylu a odštěpení acetyl-CoA
V.III.2.5 Celkový průběh ß-oxidace
1. dehydrogenace(FAD)
2. hydratace
3. dehydrogenace(NAD+)
4. přenos acylu na CoASH
V.III.3 Energetický výtěţek oxidace palmitoyl-CoA(16 C)
Palmitoyl-CoA + 7 FAD + 7 NAD+ + 7 H2O + 7 CoA 8 acetyl-CoA+ 7 FADH2+ 7 NADH + 7 H+
8 x 12 ATP = 96 ATP 14 ATP 21 ATP
- ekvivalent 2 ATP se spotřeboval při vzniku acylCoA
- celkem 131 – 2 = 129 ATP / palmitát
R CH2 CO
CH2 CS
O
CoA
CoASH
CS
O
CoAH3CCH2 C
S
O
CoAR
-II
-IIR CH2 CH CH2 C
S
O
CoAOH
0-hydroxyacyl-CoA
NAD+
NADH H+
R CH2 C CH2 CS
O
CoAO-oxoacyl-CoA
II
+
acyl-CoA (o dva C kratší) acyl-CoA
thiolasa
78 / 147
38
MK s lichým počtem C poskytují propionyl
CO2 + H2O
racemasa
D-methylmalonyl-CoA
L-methylmalonyl-CoAsukcinyl-CoA
CH3CH2CO -S-CoA
ATP ADP
biotin
CH
COO-
CO-S-CoA
CH3
C H
COO-
CO-S-CoA
CH3CH2-CH2
COO-
CO-S-CoA
B12
40
Lipidy v postresorpční fázi (glukagon)
játra
Acetyl-CoA
sval
MK
tuková tkáň
MK + glycerol-P
TAG
MK-albumin
Acetyl-CoA
účinek glukagonu
V.III.4 Srovnání energetického výtěţku ß-oxidace a glykolýzy:
- zisk ATP z glukosy (6C) 38 ATP
- na 1 C glukosy 38/6 = 6,3 ATP
- z MK (16C) 129 ATP
- na 1 C MK 129/16 = 8,1 ATP
- na 1 C z MK se v průměru získá 1,3 x více ATP
V.III.5 Oxidace nenasycených MK
- kys. olejová:
cis Δ9-C18 cis Δ7-C16 cis Δ5-C14 cis Δ3-C12 trans Δ2-C12
V.III.5.1 Polynenasycené MK
- kys. linolová:
Δ9,12-C18 Δ2-C8 cis
- další enzymy umoţňují kompletní oxidaci
- MK s lichým počtem C poskytují propionyl
o propionyl – CoA vzniká i metabolizmem některých AK
- ß-oxidace MK probíhá, jestliţe buňka potřebuje energii a nemá dost glukosy =
o v postresorpční fázi
o při hladovění
o zejména ve svalech, myokardu a v játrech
V.III.6 Lipidy v postresorpční fázi (glukagon)
- v tukové tkáni nastává lipolýza
( hormon senzitivní lipasa )
- MK jsou transportovány v ECT ve vazbě
na albumin
- MK jsou zdrojem energie pro svaly a myokard
V.IV Ketolátky
- acetacetát; 3-hydroxybutyrát - metabolicky vyuţitelné
- aceton -odpadní produkt
isomerasa
shodný průběh
s ß-oxidací ztráta FADH2
79 / 147
45
Syntéza
ketolátek acetoacetyl-CoA
3-hydroxy-3-
methylglutaryl-CoA
aceton
acetacetát
3-hydroxybutyráttransport krví do
extrahepatálních tkání
47
Ketolátky jako zdroj energie
v extrahepatálních tkáních
H3C C CH2
OCOOH
sukcinyl-CoA sukcinát
H3C C CH2
OCSCoA
O
SH
CoA
CSCoA
OH3C2
CC Energie
acetoacetát
acetoacetyl-CoA
- produkovány játry
- přechází do krve
- jsou zpracovány extrahepatálními tkáněmi
- hladina se zvyšuje při hladovění, diabetu
- poměr glukagon/inzulin >>> 1
V.IV.1 Příčiny vzniku ketolátek
- zvýšená mobilizace MK z tukové tkáně → transport do jater
o zvýšená produkce acetyl-CoA -oxidací
o kapacita citrátového cyklu převýšena (nedostatek oxalacetátu)
o syntéza ketolátek
- jsou metabolizovány extrahepatálně za zisku energie
- jejich zvýšená produkce spojena s ketoacidózou ( dvě ketolátky jsou středně silné kyseliny )
V.IV.2 Vzájemný vztah ketolátek
V.IV.3 Syntéza ketolátek
- matrix, mitochondrie, jaterní buňky
- v krvi je vţdy stopová koncentrace ketolátek
- jejich produkce stoupá při hladovění nebo při nekompenzovaném diabetu
- nevyuţitý acetyl-CoA z odbourání MK v játrech je vyuţit pro zisk
energie v extrahepatálních tkáních
- „ketolátky jsou rozpustné tuky―
V.IV.4 Ketolátky jako zdroj energie v extrahepatálních tkáních
Kyselina pKA
Acetoctová 3,52
-Hydroxymáselná 4,7
H3C C CH3
O
H3C CH CH2 C
O
OH
OH
H3C C CH2
O
C
O
O H- CO2
- 2H
+ 2H
-hydroxymáselná kyselina acetoctová kyselina aceton
transport krví do
extrahepatálních tkání
Energie
80 / 147
48
Příčiny vzniku a utilizace ketolátek
játra
Acetyl-CoA
ketolátky ketolátky v krvi
CNS
CO2
sval
MK
tuková tkáň
MK + glycerol-P
TAG
MK-albumin
Acetyl-CoAnedostatek oxaloacetátu
55
Transport citrátu do cytoplazmy
CYTOPLAZMA MATRIX
oxalacetát + acetyl-CoA
ADP + Pi
ATP
oxalacetát acetyl-CoA
CoA
citrátcitrát
pyruvát, AK
Probíhá, je-li vysoká koncentrace ATP
- inhibice isocitrátdehydrogenasy
CoA
isocitrát
V.IV.5 Příčiny vzniku a utilizace ketolátek
V.V Tvorba triacylglycerolů
- v organismu probíhá
o syntéza MK (kromě esenciálních)
o syntéza TAG
V.V.1 Syntéza mastných kyselin z acetyl-CoA
- probíhá:
o všechny buňky, hlavně játra, adipocyty, laktující mléčná ţláza (ne v b.střevní sliznice)
o je-li dostatek acetylCoA, který není třeba metabolizovat na energii
o po jídle, je-li dostatek glukosy, která je odbourávána na acetylCoA
- cytoplazma buněk
1. Transport acetyl-CoA z matrix do cytoplazmy
2. Tvorba malonyl-CoA
3. Série reakcí na komplexu synthasy mastných kyselin
V.V.1.1 Transport acetyl-CoA z matrix do cytoplazmy
- v matrix vzniká acetyl-CoA oxidační dekarboxylací pyruvátu (z glukosy, z aminokyselin)
- acetyl-CoA neprochází volně mitochondriální membránou → transport ve formě citrátu
- nastává, není-li citrát potřebný v citrátovém cyklu
o je-li dostatek ATP
→ syntéza mastných kyselin probíhá, má-li buňka dostatek energie a dostatek acetylCoA
Transport citrátu do cytoplazmyI
I str.61 semináře
81 / 147
57acetyl-CoA
malonyl-CoA
Syntéza malonyl-CoA
biotin
acetyl-CoA-karboxylasa
60
kys. pantothenová
Fosfopantethein je polovina struktury CoA
-alanin cysteaminkys. pantoováACP
62
Acyl ( v prvním kroku acetyl) se je přenášen na
malonyl-CoA,vzniká -oxoacyl, uvolní se CO2
CO-CH2-CH2-CH3CO-CH2
CO2
-oxoacyl
CO-CH2-CH2-CH31 2 3
1 2 3
-CO-CH2-COOHPan-S
Pan-S
Cys-S
63
+ 2 H
-hydroxyacyl
hydrogenace (NADPH)
CO-CH2-CH2-CH3CO-CH2
CO-CH2 CH-CH2-CH2-CH3OH
Další reakce se odehrávají ve vazbě na fosfopantetein
Pan-S
Pan-S
59
enoylreduktasa hydratasa
oxoacylreduktasa
ACP
thioesterasa
3-oxoacylsynthasa
acetyltransacylasa
malonyltransacylasa
oxoacylsynthasa
acetyltransacylasa
malonyltransacylasa
thioesterasa
ACP
oxoacylreduktasa
hydratasaenoylreduktasa
ACP
ACP
funkční
rozdělení
podjednotekPan
Pan
V.V.1.2 Tvorba malonyl-CoA
- acetyl-CoA nemá dostatečnou energii, aby vstoupil
do syntetických reakcí
V.V.1.3 Synthasa MK
- multienzymový komplex se sedmi enzymovými
aktivitami
- obsahuje ACP (acyl carrier protein), na nějţ se váţe
fosfopantethein
- u savců dimerní forma tvořená dvěma identickými
komplexy
- paralelně jsou tvořeny dvě molekuly mastných kyselin
- na syntéze kaţdé mastné kyseliny se podílí obě
formy
Fosfopantethein
- je polovina struktury CoA
V.V.1.4 Reakce syntézy MK obecně
- acyl (v prvním kroku acetyl) navázán na -SH enzymu
- malonyl navázán na Pan-SH
- acyl ( v prvním kroku acetyl ) je přenášen na
malonyl-CoA,vzniká ß-oxoacyl, uvolní se CO2
- další reakce se odehrávají ve vazbě na fosfopantetein
82 / 147
64
- H2O dehydratace
, -nenasycený acyl
CO-CH2 CH-CH2-CH2-CH3OH
CO-CHCH-CH2-CH2-CH3
Pan-S
Pan-S
65
+ 2H hydrogenace (NADPH)
nasycený acyl delší o 2C
další reakce s malonyl-CoA
CO-CHCH-CH2-CH2-CH3
CO-CH2CH2-CH2-CH2-CH3Pan-S
Pan-S
66
Reakce probíhající na komplexu synthasy MK
souhrně
acetyltransacylasa
malonyltransacylasa
1CH3C-SCoA
O
1CysSH CysS -C-CH3
O
+ + CoASH
PanSH + -OOC-CH2C-SCoAPan-S-C-CH2COO-
OO
22
+ CoASH
67
CO23-oxoacylsynthasa
3-oxoacylreduktasa
hydratasa
•1
•2
•3
Pan-S-C-CH2COO- + Cys
O
12Pan-S-C-CH2-C-CH3
OO
2S-C-CH3
O
OOO
Pan-S-C-CH2-C-CH3 Pan-S-C-CH2-CH-CH3
OH
+ NADPH+H+ NADP+2 2
O
Pan-S-C-CH2-CH-CH3
OH
Pan-S-C-CH=CH-CH3
O
+ H2O22
68
enoylreduktasa
malonyltransacylasa
•4
+ NADPH+H+
NADP+Pan-S-C-CH=CH-CH3
O
Pan-S-C-CH2CH2-CH3
O
22
CysSH CysS-C-CH2CH2CH3
O
Pan-S-C-CH2CH2-CH3
O
+ + PanSH11 2 2
69
+1
O
CysS-C-CH2CH2CH32
O
Pan-S-C-CH2COO- Pan-S-C-CH2-C-CH2-CH2-CH3
O O
CO2
PanSH + -OOC-CH2C-SCoAPan-S-C-CH2COO-
OO
22
+ CoASH
Pan-S-palmitoyl Palmitát
Pan-SH
V.V.1.5 Reakce probíhající na komplexu synthasy MK
Produktem synthasy MK je u savců
- 16:0 (palmitát) (hlavní)
- 18:0 (stearát) (minoritní)
- po průchodu přes kroky 1-4 sedmkrát
V.V.1.6 Bilance syntézy palmitátu (16 C)
7 CH3CO-S-CoA + 7 ATP + 7 CO2
CH3CO-S-CoA+ 7 HOOC-CH2CO-S-CoA+ 14 NADPH + 14 H+
CH3-(CH2)14-COOH + 7 CO2+ 6 H2O + 8 CoASH+ 14 NADP+
83 / 147
V.V.1.7 Regulace syntézy MK
- acetyl-CoA-karboxylasa
- aktivace
o acetyl-CoA
o inzulin
- inhibice
o acyl-CoA
o glukagon
o adrenalin
- pro syntézu MK je potřebný NADPH
- zdroje:
o pentosový cyklus
o jablečný enzym
malát pyruvát + CO2
V.V.2 Shrnutí
V.V.3 Elongace MK
- endoplazmatické retikulum – malonyl-CoA, NADPH
- mitochondrie - zvrat ß-oxidace
V.V.4 Desaturace mastných kyselin
- 9, 6, 5 desaturasy, rostliny téţ 12, 15 desaturasy
- komplexy membránově vázaných bílkovin na endoplazmatickém retikulu jaterních buněk
(monooxygenasový systém)
- prvním krokem při desaturaci je vytvoření dvojné vazby na devátém uhlíku kys. stearové nebo palmitové;
většina organismů má Δ9 desaturasu.
- ţivočichové tvoří další dvojné vazby jen v oblasti mezi jiţ vytvořenou dvojnou vazbou a karboxylovým
koncem (Δ6, Δ5desaturasy)
- rostliny mají Δ12 a Δ15 desaturasu, (v rostlinných olejích nalezneme n-6 a v menším mnoţstvíi n-3
nenasycené MK)
- Δ15 desaturasa se nachází zejména u rostlin vegetujících ve studené vodě (řasy, plankton)
- vysoký obsah n-3 nenasycených MK je v tuku z rybího masa (ryby se ţiví planktonem, který má schopnost
syntetizovat n-3 MK ve většímíře)
Řada n-9 Řada n-6 Řada n-3
18 : 0 18 : 1 (9) 18 : 2 (9,12) 18 : 3 (9,12,15)
všechny organizmy rostliny rostliny, zejm. plankton
k. linolová k. linolénová
β-oxidace syntéza
Lokalizace mitochondrie cytoplasma
Přenašeč acylu CoA ACP
Zákl. jednotka C2 C2
Redox kofaktory NAD+, FAD NADPH
Enzymy oddělené komplex
Horm.regul. poměr I/G nízký poměrI/G vysoký
NADP+ NADPH
I –insulin, G -glukagon
84 / 147
- ţivočichové mohou z těchto syntetizovat další MK kombinací elongace a desaturace. Mají však k dispozici
jen Δ6a Δ5 desaturasy
79
18 : 0 18 : 1 (9) 18 : 2 (9,12) 18 : 3 (9,12,15)
Řada n-3Řada n-9 Řada n-6
20:1
22:1
24:1
18:2 (6,9)
20:2
20:3
22:3
22:4
18:3 (6,9,12) 18:4 (6,9,12,15)
20:3 (8,11,14)
20:4(5,8,11,14)
22:4 (7,10,13, 16)
22:5 (4,7,10,13,16)
20:4 (8,11,14,17)
20:5(5,8,11,14,17)
22:5 (7,10,13, 16,19)
rostliny plankton
6 desaturasa
elongasa
5 desaturasa
elongasa
6 desaturasa
elongasa
5 desaturasa
elongasa
- kyselina linolová a linolenová jsou pro člověka esenciální, jejich přísun potravou je nutný, zdrojem jsou
rostlinné oleje a rybí tuk
- polynenasycené MK n-3 a n-6 jsou nezbytné pro výstavbu membrán.
- arachidonová a eikosapentaenová kyselina jsou nezbytné pro syntézu prostanoidů.
- deficit polynenasycených MK n-3 a n-6 u pokusných zvířat vyvolává poruchy permeability kůţe, ztráty na
váze, akumulace cholesterolu
V.V.4.1 Mechanismus desaturace mastných kyselin
81
FAD
FADH2Fe2+
Fe3+NADH+H+
NAD+
Fe2+
Fe3+
CH2-CH2-
O2
2H2O
Cyt b5
1. hydroxylace: RCH2CH2R + O2 + AH2 RCH(OH)CH2R + H2O + A
2. dehydratace: RCH(OH)CH2R RCH=CHR + H2O
-CH=CH-
Mechanismus desaturace mastných kyselin
Mastné kyseliny se zůčastní všech reakcí ve formě acyl-CoA
1. hydroxylace: RCH2CH2R + O2 + AH2 → RCH(OH)CH2R + H2O + A
2. dehydratace: RCH(OH)CH2R → RCH=CHR + H2O
- mastné kyseliny se zůčastnívšech reakcí ve formě acyl-CoA
82
Desaturace mastných kyselin
O O
1
9
10S
CoAO
SCoA
OH
H
O
H
NADH + H+
H H2O NAD++ +
S CoA
O
HH
H2O+
V.V.5 Syntéza triacylglycerolů
85 / 147
83
Syntéza triacylglycerolů
glycerol-3P lysofosfatidát
P
CO
CH2O
CH2OCOR
HSCoAADP ATP
CHOH
CH2OH
PCH2OCHOH
CH2OH
CH2OH
RCOSCoA HSCoA
glycerol
RCOSCoA
NAD+
P
CH2OH
CO
CH2O
CH2O P
CH2OCOR
CHOH
ER - játra, tukové buňky
NADH + H+ NADPH + H+
NADP
85
P
CH2OCOR
CHOCOR
CH2O
Pi
R
RCOSCoA HSCoA
CH2OCOR
CHOCOR
CH2OCOR
PC,PE,PSPI, kardiolipin
triacylglycerol
3. Syntéza triacylglycerolů
hydrolasa
CH2OCO
CHOCOR
CH2OH
ER
3
Lokalizace syntézy fosfolipidů v buňce
Syntéza fosfolipidů probíhá na membránách hladkého i
hrubého ER
Enzymy katalyzující syntézu jsou integrální membránové
proteiny s aktivními centry orientovanými do cytoplazmy
Nově syntetizované fosfolipidy jsou vestavěny do vnější
vrstvy membrán
Pomocí flipas jsou přenášeny do vrstvy vnitřní
Membrána ERcytoplazma
flipasa
5
Syntéza triacylglycerolů a glycerofosfolipidů -
návaznosti na společné reakce
Pi
PI, kardiolipin
P
CH2OCOR
CHOCOR
CH2O
R
RCOSCoA HSCoA
CH2OCOR
CHOCOR
CH2OCOR
PC,PE,PS
triacylglycerol
hydrolasa
CH2OCO
CHOCOR
CH2OH
diacylglycerolfosfatidát
V.V.5.1 Syntéza lysofosfatidátu
- ER -játra, tukové buňky
V.V.5.2 Syntéza fosfatidátu
84
RCOSCoA
CH2O P
CH2OCORCHOH
HSCoA
P
CH2OCORCHOCORCH2O
lysofosfatidát fosfatidát
obvykle nenasycená
V.V.5.3 Syntéza triacylglycerolů
- tenké střevo → CM
- játra → VLDL
- tuková tkáň → ukládání
V.VI Biosyntéza glycerofosfolipidů
- probíhá ve všech buňkách s výjimkou erytrocytů
- některé počáteční reakce jsou stejné jako při syntéze triacylglycerolů
- lokalizace syntézy fosfolipidů v buňce: na membránách hladkého i
hrubého ER
- enzymy katalyzující syntézu jsou integrální membránové
proteiny s aktivními centry orientovanými do cytoplazmy
- nově syntetizované fosfolipidy jsou vestavěny do vnější
vrstvy membrán
- pomocí flipas jsou přenášeny do vrstvy vnitřní
- do ostatních membrán jsou PL přenášeny buď difuzíkontinuálními
membránami nebo membránovými vesikly
- v cytoplazmě jsou PL přenášeny pomocí fosfolipid-transfer proteinů
Syntéza triacylglycerolů a glycerofosfolipidů – návaznosti na společné reakce
Membrána ER
86 / 147
8
2) cholin-P + CTP CDP-cholin + PPi
PO
O-
(CH3)3N-CH2-CH2-O P
O-
N
NO
NH2
CH2
OH OH
OO
OO+ CDP-cholin
11
N-methylace pomocí S-adenosylmethioninu
fosfatidylcholin (probíhá v játrech)
Přeměna fosfatidylethanolaminu na
fosfatidylcholin
- alternativní cesta syntézy fosfatidylcholinu
CH2O-CO-R
R-CO-OCH
CH2O-P-O-CH2 -CH2-NH2
O
O-
13
fosfatidylethanolamin + serin fosfatidylserin + ethanolamin
Biosyntéza fosfatidylserinu probíhá jinak:
dekarboxylací můţe vznikat
fosfatidylethanolamin
CH2O-CO-R
R-CO-OCH
CH2OPOCH2CHNH2
O COO
OH
-
Glycerofosfolipidy
- Fosfatidylcholin - PC
- Fosfatidylethanolamin - PE
- Fosfatidylserin - PS
- Fosfatidylinositol - PI
- Kardiolipin - CL
V.VI.1 Syntéza fosfatidylcholinu
- cholin musí být před syntézou aktivován
- aktivace cholinu probíhá ve dvou krocích
o Cholin + ATP → Cholin-P + ADP
o cholin-P + CTP → CDP-cholin + PPi
- podobné ako aktivace glukosy při syntéze glykogenu
- syntéza fosfatidylcholinu z aktivovaného cholinu a 1,2-diacylglycerolu:
CDP-cholin + 1,2-DG → fosfatidylcholin + CMP
Cholin v dietě
- nebyla dosud definována porucha související s jeho nedostatkem
- nedostatek cholinuu krys vyvolával poruchy struktury membrán ER a ztučnělá játra
- cholinje někdy zařazován mezi vitamíny skupiny B
- v USA je doporučená denní dávka cholinu500 mg
- potraviny s vysokým obsahem cholinu: játra, maso, ořechy, vejce
V.VI.2 Syntéza fosfatidylethanolaminu
- aktivace ethanolaminu
ethanolamin + ATP → ethanolamin-P + ADP
ethanolamin-P + CTP → CDP-ethanolamin + PPi
- syntéza
CDP-ethanolamin + 1,2-DG fosfatidylethanolamin + CMP
Přeměna fosfatidylethanolaminu na fosfatidylcholin
- -alternativní cesta syntézy fosfatidylcholinu
V.VI.3 Syntéza fosfatidylserinu
fosfatidylethanolamin + serin → fosfatidylserin + ethanolamin
-CH2 N
CH3
CH3
+CH3
PO
OO CH2O-
CH2-O-CO-R
CH-O-CO-R
O
O-CH2-O-P-O-CH2-CH2-N(CH3)3
+
N-methylace pomocí S-adenosylmethioninu
→ fosfatidylcholin (probíhá v játrech)
dekarboxylací můţe vznikat
fosfatidylethanolamin
87 / 147
PO
N
NO
NH2
CH2
OH OH
OOO-O-
CH2-O-CO-RCH-O-CO-RCH2-O
OP O
17
CH2O-CO-RR-CO-OCH
OH
OCH2OPO
OH
OH
OHOHOH
CH2O-CO-RR-CO-OCH
OH
OCH2OPO OH
OHOH
OP
OPPIP
PIP2
PI
ATP
ADP
ATP
ADP
CH2O-CO-R
R-CO-OCH
OH
O
CH2OPO
OH
OHOH
OHOP
PIP3
18
• navázání některých
mediátorů na receptor v
cytoplazmatické
membráně aktivuje
fosfolipasu C
• ta katalyzuje štěpení
PIP (PIP2 nebo PIP3) na
DG a IP2 (IP3 nebo IP4)
• tyto produkty působí
jako druzí poslové v
buňce
CH2O-CO-RR-CO-OCH
OH
OCH2OPO OH
OHOH
OP
OP
Role „PIPů“ při přenosu signálu přes cytoplazmatickou
membránu
20
Biosyntéza kardiolipinu
CDP-diacylglycerol + glycerol-3-P
fosfatidylglycerol-3-P
Pifosfatidylglycerol
CDP-diacylglycerol kardiolipin + CMP
V.VI.4 Syntéza fosfatidylinositolu
1) Aktivace fosfatidové kyseliny
fosfatidová kyselina + CTP → CDP-diacylglycerol+ PPi
2) Syntéza
CDP-diacylglycerol + inositol → fosfatidylinositol
Tvorba fosfatidylinositolfosfátů
PI + ATP PIP + ADP
PIP + ATP PIP2 + ADP
PIP2 + ATP PIP3 + ADP
Role „PIPů― při přenosu signálu přes cytoplazmatickou membránu
- navázání některých mediátorů na receptor v cytoplazmatické membráně aktivuje
fosfolipasu C
- ta katalyzuje štěpení PIP (PIP2 nebo PIP3) na DG a IP2 (IP3nebo IP4)
- tyto produkty působí jako druzí poslové v buňce
Druhý posel
- látka, která vzniká v buňce jako důsledek navázání hormonu nebo neurotransmiteru na membránový
receptor
- z prostředkuje účinek hormonu nebo mediátoru v buňce
- přenáší informaci v buňce na další intracelulární systémy
V.VI.5 Syntéza kardiolipinu
- nejvíce kardiolipinu se nachází na vnitřní mitochondriální membráně
CDP-diacylglycerol
CH2O-CO-RR-CO-OCH
OH
OCH2OPO
OH
OH
OHOHOH
O-
CH2-O-CO-RCH-O-CO-RCH2-O
OP O CH2 CH
OHCH2OH
O-
CH2-O-CO-RCH-O-CO-RCH2-O
OP O CH2 CHCH2
OH O-
OOP
CH2-O-CO-RCH-O-CO-RCH2O
fosfatidylglycerol
kardiolipin
88 / 147
29
PAF (platelet activating factor)
Hlavní mediátor
hypersenzitivní reakce,
anafylaktického šoku,
akutního zánětu
alkylacetyl
agreguje krevní destičky,
působí vasodilataci a má
řadu dalších
fyziologických účinků
CH3
CH2-OC
CH2-O POH
O
O
HOCO
cholin
CH2-RVýměna
acylu za alkyl
Výměna acylu
za acetyl
V.VI.6 Výměna acylů na C-2 ve fosfolipidech:
diacylglyceroly: na C-2 kys. olejová
fosfolipidy: na C-2 polynenasycená kys. (často arachidonová)
- výměna probíhá prostřednictvím transacylačních reakcí
V.VI.7 Význam glycerofosfolipidů
- strukturní sloţka membrán
- součást všech lipoproteinů
- speciální funkce
o zdroj polynenasycených MK pro syntézy a výměny
o „kotvení proteinů v membráně―
Plicní surfaktant
- stěny alveolů jsou pokryty molekulami vody, při výdechu se stěny k sobě přiblíţí a váţí se přitaţlivými
silami, ty pak mohou bránit opětovné expanzi; plicní surfaktant tyto přitaţlivé síly eliminuje
- hlavní sloţkou je dipalmitoylfosfatidylcholin
- sniţuje povrchové napětí na povrchu alveolů, usnadňuje otevření alveolů během aspirace
- nedostatek surfaktantu - dechová tíseň
Fosfatidylinositolová kotva
- glykosylfosfatidylinositolová struktura na povrchu buněk
- na fosfatidylinositol v membráně je připojen polysacharidový řetězec
- váţe proteiny (alkalická fosfatasa, acetylcholinesterasa, antigeny...)
V.VI.8 Modifikované fosfolipidy
- jsou glycerolfosfoetherové lipidy
- Plazmalogeny
- Krevní destičky aktivující faktor (PAF)
V.VI.8.1 Plasmalogeny
- nervová a svalová tkáň (myokard -50% z fosfolipidů)
- mitochondriální lipidy
V.VI.8.2 PAF (platelet activating factor)
- hlavní mediátor hypersenzitivní reakce, anafylaktického šoku,
akutního zánětu
- agreguje krevní destičky, působí vasodilataci a má řadu dalších
fyziologických účinků
protein
28
Plasmalogeny
nervová a svalová tkáň (myokard - 50% z fosfolipidů)
mitochondriální lipidy
cholin (srdce)
ethanolamin (myelin)
serin
CH2-OC
CH2-O POH
O
O X
HOCO
RCH=CH-R
Alkenylacyl
Výměna acylu za
alkyl a
desaturace
89 / 147
32
Mediátor (adrenalin, trombin,
bradykinin, angiotensin II)
fosfolipasa A2
receptor
arachidonová EPAeikosatrienová
cytoplazma
V.VI.9 Štěpení fosfolipidů - fosfolipázy
- fosfolipasy jsou vyuţívány i při remodelaci fosfolipidů
V.VII Ikosanoidy
- lokální hormony, působící prostřednictvím G-proteinů
- hlavní typy ikosanoidů:
o prostaglandiny (PG)
o tromboxany (TX)
o leukotrieny (LT)
- syntéza ikosanoidů:
o jsou syntetizovány z polyenových MK s 20 uhlíky
o PG, TX (prostanoidy) –cyklooxygenasová dráha
o LT (leukotrieny) –lipoxygenasová dráha
V.VII.1 Biosyntéza ikosanoidů
- první společný krok: uvolnění mastné kyseliny (20 C) z
membránově vázaného PL
V.VII.1.1 Inhibitory fosfolipasyA2
Membránové fosfolipidy
fosfolipasaA2 bílkovina lipokortin kortikoidy
PUFA
- steroidní protizánětlivé léky (hydrokortison, prednison) stimulují syntézu bílkoviny lipokortinu a jejím
prostřednictví inhibují fosfolipasu A2 a omezují tak tvorbu ikosanoidů (steroidní antiflogistika)
V.VII.2 Prostanoidy
- prostaglandiny a prostacykliny
- jsou produkovány téměř ve všech buňkách
- mají různorodé účinky (mají mnoho typů receptorů)
Prostanoid Účinek
TXA2 agregace trombocytů
kontrakce hladkého svalstva cév
PGI2/PGI3
antiagregační účinek
stimulace relaxace hl. svalstva
zvýšení intenzity a trvání bolesti
PGE2 inhibice kontrakce hladkého svalstva, vasodilatace cév, inhibice sekrece HCl, stimulace sekrece
mucinu, zvýšení teploty, zvýšení intenzity a trvání bolesti, zvýšení permeability cév
PGD2 navození spánku, kontrakce bronchiálního svalstva
PGF2 kontrakce hladkého svalstva, zvýšení tělesné teploty
30
O
CH2O-CO-RR-CO-OCH
CH2OPOOH
X
A1
A2
několik typů
D (u rostlin)C
PI-systém
90 / 147
V.VII.2.1 Syntéza prostanoidů (cykloxygenasová dráha)
- enzym cyklooxygenasa(COX) má dvě enzymové aktivity:
o cyklooxygenasovou
o peroxidasovou
Cykloxygenasová dráha
37
OOH
COO-O
O
COO-
Syntéza prostanoidů (cykloxygenasová dráha)
Kyselina
arachidonová
PGG2 (dvě dvojné
vazby)
OH
COO-O
O
PGH2 - základní
prekursor všech
prostanoidů
cyklooxygenasa (cyklooxygenasová aktivita)
cyklooxygenasa (peroxidasová aktivita)
2O2
- série prostanoidů vznikajících z kyseliny arachidonové = prostanoidy skupiny 2
o PGH2
o PGA2
o PGD2
o PGE2
o PGF2
o PGI2
o TXA2
- ikosa-5,8,11,14-tetraenová je prekursorem prostanoidů skupiny 1 (po účinku cyklooxygenasy zůstává
zachována 1 dvojná vazba)
- ikosa-5,8,11,14,17 pentaenová je prekursorem prostanoidů skupiny 3
Enzymy v tkáních
- plíce a slezina mají enzymy pro syntézu téměř všech prostanoidů
- v trombocytech přítomna pouze tromboxansynthasa
- v cévním endotelu jen prostacyklinsynthasa
- katabolismus prostanoidů je velmi rychlý
o enzymově katalyzovaný ( t1/2 ~ 0,1-10 min)
o neenzymová hydrolýza (t1/2 sekundy-minuty)
Formy cyklooxygenasy:
- COX-1: konstitutivní (stále přítomná)
o zapojena do syntézy prostanoidů pro normální fyziologické funkce
o renální trakt, trombocyty
- COX-2: převáţně indukovatelná
o její tvorba je indukována při zánětu (stimulace cytokiny, růstovými faktory)
o renální trakt, konstitutivní v CNS
Inhibice cyklooxygenasy
- inhibitory nesteroidní protizánětlivé látky (NSZPL, téţ nesteroidní antiflogistika):
o acetylsalicylová kyselinaI
o ibuprofen
o diklofenak
o indometacina další
I ireverzibilní acetylace
91 / 147
47
vazba fosfátu
vazba cholinu
1
2
3
4
HO
NH2
OH
Vazba mastné kyseliny
sfingosin
o inhibují obě formy COX
- inhibice cyklooxygenasy potlačuje tvorbu prostanoidů
o pozitivní účinky (sníţení teploty, potlačení projevů zánětu, sníţení bolesti…)
o negativní účinky ( sníţená ochrana epitelu ţaludeční sliznice, sníţení agregability trombocytů, sníţená
ochrana endotelu…..)
- aţ do doby, kdy bylo objeveno, ţe jsou dvě formy COX, se předpokládalo, ţe neţádoucí účinky nelze
oddělit od terapeutického působení; po objevení COX-2 jsou hledány specifické inhibitory tohoto enzymu.
- inhibitory COX-2 představují menší riziko neţádoucího poškození sliznice a zvýšené krvácivosti
- Nimesulid, meloxikam – inhibují více COX-2, pouţívány
- Coxiby (Rifecoxib, Celecoxib) –specifické inhibitory COX-2 – jejich uţívání bylo pozastaveno, vzhledem k
prokázanému kardiovaskulárnímu riziku
- podávání malých dávek acetylsalicylové kyseliny (ASA, 60 mg denně) je prokazatelně účinné při prevenci
kardiovaskulárních chorob
Trombocyty Endotel.b.
Schopnost syntézy COX de
novo
bezjaderné buňky (chybí mRNA) → blokovaný enzym můţe být nahrazen
syntézou de novo blokovaný enzym nemůţe být nahrazen
Inhibice COX po orálním
podání 30-160 mg ASA
V portální krvi-prakticky úplná inhibice COX ve
všech trombocytech, postupně během resorpce
ASA
Pouze v portální cirkulaci,
periportálně nepatrná (deacetylace
ASA v játrech)
- syntéza TXA2 v trombocytech ovlivněna ~10x více neţ PGI2 v endotelu
V.VII.2.2 Syntéza leukotrienů (lipoxygenasová dráha)
45
COOOOH -
Syntéza leukotrienů (lipoxygenasová dráha)
COO-
5-lipoxygenasa
COOO -
Kyselina
arachidonová
LTA4 – společný
prekursor
leukotrienů
2O2
5-lipoxygenasa
(Podrobněji viz seminář)
5-HPETE
(Leukocyty, ţírné buňky)
- LTA4
LTB4 - Zvyšuje: permeabilitu cévního endotelu agregaci leukocytů IL-1, IL-2, INF-
LTC4 LTD4 LTE4 peptidyl LT
- antileukotrieny-léky na bázi inhibitorů leukotrienových receptorů
V.VIII Sfingofosfolipidy
- význam: mezibuněčná komunikace, antigenní determinanty
GSH Glu Gly
Kontrakce
plicních a
koronárních cév
Dilatace cév
v kůţi
Bronchiální
sekrece
92 / 147
sfingosin
mastná kyselinaamid
NHO
O
PO
OO CH2CH2 N
CH3
CH3
CH3
OHfosfát
cholin
ester
ester
18
1
2
3
4
H O
N H 2
O H
- sfingomyelin
V.VIII.1.1 Biosyntéza sfingolipidů
- biosyntéza sfingosinu(sfingeninu) –sumárně:
palmitát + serin → CO2 + oxosfinganin
16C 3C 1C 18C
49
Biosyntéza sfingolipidů
• Biosyntéza sfingosinu (sfingeninu) - sumárně
16 C 1C3 C 18 C
oxosfinganinpalmitát serin CO2++
oxosfinganin sfinganin
NADPH+H+NADP FAD FADH2
sfingosin
50
CH3 (CH2 )14
COS-CoA + CHCH2 OH
COO-
N H3
+
CH3 (CH2 )1 4
COCHCH2 OH
N H3
+
2CO + CoA-SH
oxosfinganin
Biosyntéza sfingosinu (sfingeninu)
1.
51
CH3
(CH2)
12CH
2CH
2
+
C CH CH2
OH
O
NH3
CH3
(CH2)
12CH
2CH
2
+
CH CH CH2
OH
OH
NH3
CH3
(CH2)
12CH CH CH CH CH
2OH
OH
NH3
+
NADPH + H+
NADP
FAD
FADH2
oxosfinganin
sfinganin
sfingosin
2.
3.
4.
Biosyntéza sfingomyelinu
- reakce s CDP-cholinem: na CH2OH se připojí fosfocholin =sfingomyelin
- připojení aktivované MK amidovou vazbou = ceramid
V.VIII.1.2 Odbourání sfingoglykolipidů a sfingosinu
- probíhá v lyzosomech
- enzymově katalyzované hydrolytické reakce (enzymy galaktosidasa, hexosaminidasa,
gangliosidneuraminidasa, glukocerebrosidasaad.)
- sfingomyelin štěpen sfigomyelinasou na ceramid a mastnou kyselinu
93 / 147
N
O
OH
H
O O
OH
OHOH
HO
ceramid
galaktosa
O-glykosidová vazba
N
O
OHO
H
O
OH
HOO
CH2OHO
OH
O
OHCH2OH
O
COO
HNCOCH3
OH
HOCH2 CHOH
CHOH
V.VIII.2 Glykosfingolipidy
- oligosacharidová sloţka připojena O-glykosidovou vazbou
k ceramidu (přes CH2OH sfingosinu)
- cerebrosidy: glykosidovou vazbou se připojují další
molekuly monosacharidů
V.VIII.2.1 Struktura gangliosidu
- na oligosacharid je navázána sialová kyselina
- výskyt: hlavně membrány gangliových buněk
Syntéza cerebrosidů
ceramid + UDP-gal → ceramid -gal + UDP
……… + vazba dalších UDP-monosacharidů
Syntéza sulfatidů
- sulfatace cerebrosidů pomocí PAPS
Syntéza gangliosidů
ceramid + UDP -hexosy + CMP-NeuAc
V.IX Lipoperoxidace
- většinou se uvaţuje neenzymový a nekontrolovaný proces přeměny lipidů
- enzymová peroxidace lipidů:
o tvorba biologicky aktivních produktů, důleţitých pro regulaci buněčných
pochodů (např. prostaglandiny a leukotrieny)
- polynenasycené mastné kyseliny lipidů poškozovány působením volných
radikálů a kyslíku za vzniku hydroperoxidů.
- v biologických membránách a lipoproteinech
o jako součásti fosfolipidů polynenasycené mastné kyseliny ve vysoké
koncentraci
- 3 fáze:
o iniciace
molekula mastné kyseliny atakována volným reaktivním
radikálem
největší význam hydroxylový radikál
nejcitlivější místo pro atak - -CH2- skupina obklopená z obou
stran dvojnou vazbou (především polynenasycené mastné
kyseliny podléhají peroxidaci)
o propagace
zahájena reakcí lipoperoxylového radikálu LOO s jinou
molekulou PUFA, sám se mění na hydroperoxid LOOH
ukončena střetem radikálu L s jiným radikálem nebo molekulou antioxidantu (např.
tokoferolem) → terminace
Galaktosyl ceramid
94 / 147
o terminace
- tvorba některých sekundárních produktů můţe být
ovlivněna volnými ionty kovů (zejména Fe2+, Cu2+)
- důsledky
o poškození fosfolipidů membrán
o sekundární metabolity
aldehydy -malondialdehyd, 4-
hydroxynonenal
navazují se na volné aminoskupiny
proteinů → agregace proteinů → zvýšení
citlivosti ke proteolytické degradaci
o změna fluidity membrán
o zvýšení propustnosti pro ionty → změna membr.
potenciálu → lýza buněk
V.IX.1 Antioxidanty
- preventivní
o zabraňují lipoperoxidaci
o katalasa
o peroxidasy (rozkládají H2O2)
o superoxiddimutasa (vychytává
superoxidový anion-radikál)
o látky schopné vázan ionty mědi a ţeleza
( zabraňují Fentonově reakci )
transferin
ferritin
ceruloplasmin
- antioxidanty zamezující propagaci
o schopnost reagovat s radikály za vzniku
stabilních produktů
o ipofilní charakter
o -tokoferol (vitamin E) - největší význam
o karotenoidy
o ubichinol
o favonoidy a další polyfenoly z potravy.
VI Citrátový cyklus
- Fáze katabolismu ţivin:
o Hydrolýza sloţitých molekul (biopolymerů) na zákl. stavební
jednotky
probíhá v trávicím traktu
ţádný zisk energie
o Postupná oxidace glukosy, AK
na amfibolické meziprodukty - pyruvát,acetyl-CoA
(mohou být pro syntézu)
získá se jen malémnoţství ATP (glykolýza)
beta oxidace MK – redukované kofaktory
o Oxidace acetyl-CoA (CC) + reduk. kofaktorů (DŘ)
největší zisk energie
VI.I Acetyl-CoA
- vzniká různým způsobem
o oxidační dekarboxylací pyruvátu
o ß-oxidací MK
o katabolismem některých AK
Vzájemný poměr ţivin
Ţivina Poměr ţivin
Doporučený Reálný (ČR)
Sacharidy 60% 45%
Lipidy 25% 40%
Proteiny 15% 15%
malondialdehyd
95 / 147
H3C CCOOH
O
dekarboxylace
H3C CH
Oacetaldehyd
H3C COH
Ooxidačnídekarboxylacein vitro
oxidačnídekarboxylacein vivo(mitochondrie)
H3C CS
O
CoA
octová kyselina
acetyl-CoA
VI.I.1 Dekarboxylace pyruvátu
- oxidační dekarboxylaci pyruvátu katalyzuje pyruvátdehydrogenasový komplex =
3 enzymy a 5 kofaktorů
1. Thiamindifosfát
2. Lipoát
3. Koenzym A
4. FAD
5. NAD+
- látková bilance oxidační dekarboxylacepyruvátuI:
CH3-CO-COOH + HS-CoA CO2 + CH3CO-S-CoA + 2H+
vydýchá se CC DŘ
(2)
- hydroxyethylová skupina se při transferu dehydrogenuje na thioester
- transfer acetylu na lipoát je redoxní reakce
- jeden atom H redukuje atom síry lipoátu na –SH skupinu
- druhý atom H se opět naváţe na TDP
- pyruvátdehydrogenasa je allostericky inhibována konečnými produkty: acetyl-CoA + NADH
VI.II Reakce citrátového cyklu
- terminální metabolická dráha
- mitochondrie
- tři typy produktů:
o CO2 vydýchá se
o redukované kofaktory DŘ
o GTP ATP
VI.II.1.1 Oxalacetát + Acetyl-CoA
- Typ reakce: kondenzace
- Enzym: citrátsynthasa
- Kofaktor: koenzym A
- Poznámka: nevratná
I viz také kapitola III.II.3.4 – Oxidační dekarboxylace pyruvátu
N
SH
H3C CCOOH
O CO2
N
SCH
H3C
OH
hydroxyethyl-TDP TDP(thiazoliový kruh)
"aktivní acetaldehyd"
S SN
OLys
H
E2
N
SCH
H3C
OH
lipoát vázaný na enzym
N
SH
N
OLys
H
E2
SSH C
O
CH3
S-acetylhydrogenlipoát (thioester)
TDP
N
OLys
H
E2
SSH C
O
CH3
HS CoA
N
OLys
H
E2
SSH H
dihydrogenlipoát
S CoACO
H3C
acetyl-CoA
N
OLys
H
E2
SSH H S S
N
OLys
H
E2
FAD FADH2
NAD+NADH H++
CCH2
COOHOCOOH
+ CH3 CO
S CoA
H2O- CoA-SH
oxalacetát acetyl-koenzym A citrát
CCH2
COOHCOOH
HOCH2 COOH
96 / 147
VI.II.1.2 Citrát → Isocitrát
- Typ reakce: izomerace
- Enzym: akonitasa
- Kofaktor: Fe-S
- Poznámka: ve skutečnosti dvě reakce,
meziproduktcis-akonitát
Dehydratace citrátu
Hydratace cis-akonitátu
VI.II.1.3 Isocitrát → 2-oxoglutarát
- Typ reakce: dehydrogenace + dekarboxylace
- Enzym: isocitrátdehydrogenasa
- Kofaktor: NAD+
- Poznámka: nevratná
VI.II.1.4 2-Oxoglutarát → sukcinyl-CoA
- Typ reakce: oxidační dekarboxylace
- Enzym: 2-oxoglutarátdehydrogenasa
- Kofaktory: TDP, lipoát, CoA, FAD, NAD+
- Poznámka: nevratná, mechanismus podobný oxid.
dekarboxylaci pyruvátu
VI.II.1.5 Sukcinyl-CoA + GDP + Pi
- Typ reakce: substrátová fosforylace
- Enzym: sukcinyl-CoA-syntethasa
- Kofaktor: koenzym A
- GTP vzniká třístupňovou reakcí:
chemická energie makroergního sukcinyl-CoAje postupně transformována do dvou makroergních
meziproduktů a nakonec do makroergního GTP (Passing a hot potato)
Adice fosfátu na sukcinyl-CoA
Fosforylace His v aktivním místě enzymu
Fosforylace GDP
citrát
CCH2
COOHCOOH
CHO
COOHH
H
H2O
CC
COOHH
CH2 COOHHOOC
cis-akonitát
CCH2
COOHCOOH
CH2
HOCOOH
CHCH2 COOH
CHCOOH
HO COOH
terciární hydroxylová skupina
sekundární hydroxylová skupina
citrát isocitrát
CHCH2 COOH
CHCOOH
HO COOHCC
COOHH
CH2 COOHHOOC
cis-akonitát
H2O
isocitrát
+ NAD+CHCH2 COOH
CHCOOH
HO COOHCH2
CH2 COOH
C COOHO
- CO2NADH + H++
isocitrát 2-oxoglutarát
CH2
CH2 COOH
C COOHO+
NADH + H+
NAD+
-CH2
CH2 COOH
CO S CoA+ CO2
2-oxoglutarát sukcinyl-koenzym Athioestermakroergní meziprodukt
HS CoA
+CH2
CH2 COOH
CO S CoA+ +GDP Pi CH2
CH2 COOH
CO OHGTP
sukcinyl-koenzym A sukcinát guanosintrifosfát
fosfát má čtyři O
NNH
EnzymCOOCH2CH2C
O O PO
OO
COOCH2CH2C
O O
sukcinylfosfát sukcinát fosfo-His
NN
Enzym
PO
O
OH+
PO
OO
OHCOOCH2CH2C
O S CoA HS CoA
COOCH2CH2C
O O PO
OO
sukcinyl-CoA sukcinylfosfát
N
N
N
N
O
H2N
H
O
OH OH
OPOO
OPO
OO
NN
Enzym
PO
O
O
N
N
N
N
O
H2N
H
O
OH OH
OPOO
OPO
OOP
OO
O
guanosindifosfát guanosintrifosfát
NNH
Enzym
H+PO
OO
PO
OO
OH
fosforyl fosfát
Pozor!
-PO32- HPO4
2- (Pi)
skupina neshopná
existence
97 / 147
- GTP rychle konvertuje na ATP
VI.II.1.6 Sukcinát → fumarát
- Typ reakce: dehydrogenace (-CH2-CH2 -vazby)
- Enzym: sukcinátdehydrogenasa
- Kofaktor: FAD
VI.II.1.7 Fumarát → L-malát
- Typ reakce: hydratace
- Enzym: fumarasa
- Kofaktor: ţádný
- Poznámky:
o adice vody na dvojnou vazbu je stereospecifická
o hydratace není redoxní reakce
- Hydratace fumarátu in vivo - vznikne pouze jeden enantiomer (L-malát)
- Hydratace fumarátu in vitro - vnikne racemický D,L-malát
VI.II.1.8 L-malát → oxalacetát
- Typ reakce: dehydrogenace
- Enzym: malátdehydrogenasa
- Kofaktor: NAD+
VI.III Látková bilance citrátového cyklu
CH3-CO-S-CoA + 3NAD+ + FAD + 2H2O + H+ + HPO42- +
2 CO2 + CoA-SH + 3 NADH + 3H+ + FADH2 +
- dva atomy uhlíku jsou kompletně oxidovány na 2 CO2
- uvolníse přitom 8 atomů vodíku ve formě čtyř redukovaných kofaktorů (3× NADH+H+, 1× FADH2)
VI.IV Energetická bilance CC
Vznik v CC Ekvivalent ATP (DŘ)
1 × GTP 1
3 × NADH + H+ 9
1 × FADH2 2
Celkem 12 ATP
VI.V Regulace citrátového cyklu
- energetický stav buňky rozhoduje o průběhu CC•
- poměr ATP/ADP a NADH+H+/NAD+
- allosterická inhibice
- inhibice produktem
- CC můţe probíhat jen za aerobních podmínek, hypoxie způsobuje zástavu
GTP + ADP ATP + GDP
nukleosid-difosfátkinasa
COOHCH2
CH2
COOH
+ FADCC
COOHH
HOOC H
-II
-II-I-I
+ FADH2
sukcinát fumarát
-II
+ H2OCOOHC HCH2
HOCOOH
0
fumarát L-malát
=-II =-II
CC
COOHH
HOOC H-I-I
COOHC HCH2
HOCOOH
+ NAD+COOHCCH2 COOH
O +NADH H++
L-malát oxalacetát
PO
OO O P
O
OORibG
PO
OO O P
O
OO RibG
PO
OO
98 / 147
oxalacetát
fumarát
sukcinyl-CoA
2-oxoglutarátCC
acetyl-CoA
Phe, Tyrsyntéza močovinydeaminace Glu v cyklupurin. nukleotidů
Ile, Val, Met, Thr
Arg, Glu, Gln, His, Pro
Asp, Asn
pyruvátAla, Cys, Gly, Ser, Thr, Trp
Ile, Leu, Lys, Thr
mastné kyseliny
glukosa
VI.V.1.1 Enzymy klíčové pro regulaci CC
Enzym ATPI NADHI Jiný vliv
Pyruvátdehydrogenasa acetyl-CoAII
Citrátsynthasa citrátII
Isocitrátdehydrogenasa ADPIII
2-OG-dehydrogenasa sukcinyl-CoAII
VI.VI Anaplerotické reakceIV
CC
- doplňují výchozí oxalacetát a další meziprodukty CC
- karboxylace pyruvátu → oxalacetát
- (redukční karboxylace pyruvátu → malát)
- transaminace aspartátu → oxalacetát
- katabolismus Phe, Tyr → fumarát
- Asp (synt. močoviny, purinů) → fumarát
- katabolismus Val, Ile, Met → sukcinyl-CoA
- transaminace glutamátu → 2-oxoglutarát
VI.VI.1 CC má amfibolický charakter
- terminální dráha katabolická: oxidace acetyl-CoA na CO2
- obsahuje meziprodukty pro anabolické děje: glukoneogeneze, transaminace a další
Katabolické děje -vstupy do CC
I allosterický inhibitor II zpětnovazebný inhibitor (inhibice produktem) III allosterický aktivátor IV řec. ana opět,znovu, zpět; pleros plný, naplněný
jablečný enzym
(malátdehydrogenas
a dekarboxylující)
COOHCCH3
O
CO O
NADPH + H
COOHCCH2
HO H
COOH
L-malát
NADP
Karboxylace pyruvátu (biotin)
Biotin COOH
H3C CO
COOH
Biotin H
CH2 CO
COOHHOOC
pyruvát oxalacetát
pyruvátkarboxylasa
Redukční karboxylace pyruvátu
- reakce mávýznam spíše v opačném směru jako zdroj
NADPH pro syntézy
99 / 147
Anabolické děje - výstupy CC
VI.VI.2 Vzájemné přeměny ţivin
3 otázky
1. Které meziprodukty CC poskytnou transaminací AK?
aparát → oxalacetát; 2-oxoglutarát → glutamát
2. Jak můţe být CC napojen na syntézulipidů?
citrát přejde do cytosolu
3. Který z enzymů CC není lokalizován v matrix mitochondrie?
Sukcinátdehydrogenasa je součástí DŘ ve vnitřní mitochondriální membráně
VII Biosyntéza hemu
- vychází z sukcinyl-CoA (meziproduktu CC)
- zdrojem dusíku je aminokyselina glycin
- první a poslední reakce probíhá v mitochondrii, ostatní v cytosolu
- regulace: ALA-synthasa
- dostatek hemu potlačuje syntézu enzymu
oxalacetát
sukcinyl-CoA
2-oxoglutarátCCmalát
porfyriny, hem
(sběrač aminoskupin)pyruvát + NADPH
aspartátpurinypyrimidiny
fosfoenolpyruvát
glukosa
glutamát
pyruvát
glukosa
acetyl-CoAnevratná nevratná ketogenní AK
CCglukogenní AK
MK
glycerolTAG
sacharidy tuky
tuky sacharidyxsacharidyglukogenní AK
sacharidy (pyruvát, CC)C skelet neesenc. AK
x AKtuky
AK tuky (při nadbytku proteinů)
malát
biosyntéza MK
CC
mitochondriecitrát
cytosol
citrát
oxalacetát acetyl-CoA
jablečný enzym
pyruvát CO2 NADPH H++ + +
100 / 147
VII.I Reakce syntézy
VII.I.1 Syntéza δ-aminolevulátu (ALA)
- řada léků zvyšuje aktivitu ALA-synthasy (indukce
syntézy enzymu)
- → je větší spotřeba hemu na cytochrom P-450,
který je nutný na biotransformaci (hydroxylaci)
xenobiotik
VII.I.2 Kondenzace na substituovaný pyrrol
VII.I.3 Kondenzace porfobilinogenu
Porfobilinogen uroporfyrinogen I(minoritní)
uroporfyrinogen III(hlavní produkt)
VII.I.4 Dekarboxylace čtyř acetátů - vznik methylů
VII.I.5 Vznik vinylů ze dvou propionátů
VII.I.6 Vznik konjugovaného systému
H
NH N
NNCH3H3C
COOHHOOC
H3CHOOC
CH3
COOH
H
H
koproporfyrinogen III
- 4H- 2 CO2
H
NH N
NNCH3H3C
COOHHOOC
H3C
CH3
H
H
protoporfyrinogen III
H
NH N
NN
COOHHOOC
COOH
HOOCHOOC
HOOC
COOH
COOH
H
H
H
NH N
NNCH3H3C
COOHHOOC
H3CHOOC
CH3
COOH
H
H4 CO2
uroporfyrinogen III koproporfyrinogen III
COOH
N
O
HHH
HONH2
COOH
HH - 2 H2O
porfobilinogen
NNH2
COOHCOOH
H
CH2NH2
COOH HOOC CH2 CH2 CS
O
CoAglycin sukcinyl-CoA
HOOC CH2 CH2 CO
CH2NH2
HOOC CH2 CH2 CO
CHNH2
COOH2-amino-3-oxoadipát
HS CoA
- CO2
-aminolevulát(5-amino-4-oxobutanová kys.)
NNH2
COOHCOOH
H
porfobilinogen
4NH34
H
NH N
NN
COOHHOOC
COOH
HOOCHOOC
HOOC
COOH
COOH
H
H
uroporfyrinogen III
methylenový můstek
AB
C D
H
NH N
NNCH3H3C
COOHHOOC
H3C
CH3
H
H
protoporfyrinogen III
- 6 H
N N
NNCH3H3C
CH3
H3C
COOHHOOC
H
protoporfyrin IX
H
methinový můstek
bezbarvý barevný
101 / 147
- Hem je barevný chelát s Fe2+
VII.II Degradace hemu
- vzniká CO a bilirubin
VII.III Karbonylhemoglobin (CO-Hb) v krvi
Subjekt / Situace CO-Hb (%)I
Novorozenec 0,4
Dospělý (venkov) 1-2
Dospělý (město) 4-5
Kuřák 10-12
Dopravní policista 12-15
Otrava 20-50
Smrt 55-60
VII.III.1 Porfyrie
- způsobeny defekty v syntéze hemu
- Primární
o defektní enzym biosyntézy hemu
o akumulují se meziprodukty (ALA, PBG)
o porfyrinogeny v kůţi - fotosenzibilita
- Sekundární
o inaktivace enzymů v důsledku nemoci nebo otravy
o příznaky obdobné
Porfyrie a upíři
- kongenitální erytropoetická porfyrie (Güntherova choroba)
- velmi vzácná (asi 60 nemocných na celém světě)
- chronická senzitivita kůţe na světlo - noční aktivita, koţní léze, deformity uší, nosu, rtů, znetvoření obličeje
- ve středověku byli tito nemocní povaţováni za upíry
I procenta z celkového Hb
protoporfyrin IX
Fe
hem
HN N
NNCH3H3C
CH3
H3C
COOHHOOC
H
askorbát
Fe3+
- 2H+ N N
NNCH3H3C
CH3
H3C
COOHHOOC
Fe2+
63
Degradací hemu vzniká CO a bilirubin
N HN
NNH
oxidační rozštěpení (hemoxygenasa)
CO + biliverdin
bilirubinkarbonyl-hemoglobin
3 O2
3 NADPH+H+
Endogenní CO
Exogenní CO
102 / 147
VIII Cytochromy
- hemové proteiny mají různé funkce:
o Transport dikyslíku
hemoglobin
myoglobin
o Sloţky DŘ
cytochrom b
cytochrom c1, c
cytochrom a, a3
o Enzymy
katalasa
některé peroxidasy
hydroxylasy
(cytochrom P450)
desaturasy (cytochrom b5)
- katalasa: katalyzuje disproporcionaci peroxidu vodíku
H2O2 → ½ O2 + H2O
VIII.I Cytochrom P-450 (CYP)I
- skupina hemových enzymů (cca 150 izoforem)
- mnohé jsou indukovatelné
- obsaţeny ve všech tkáních kromě svalu a Ery
- nejvíce zastoupené v játrech – tam probíhá nejvíce biotransformačních
pochodů
- vyskytují se v ER a mitochondriích
- hem jako kofaktor oxidoreduktas
- Systém cytochromu P-450 je sloţen ze:
o dvou enzymů (cytochrom reduktasa, cytochrom P-450)
o tří kofaktorů (NADPH, FAD, hem)
- cytochromy P-450 hydroxylují endogenní i exogenní substráty
- Endoplazmatické retikulum: skvalen,cholesterol,kalciol,prostaglandiny, xenobiotika, desaturace MK
- Mitochondrie: steroidní hormony
VIII.I.1 Mechanismus působení CYP
- katalyzují hydroxylační reakce = vznik hydroxylové skupiny (R-H R-OH )
- jsou to monooxygenasy, z molekuly O2 se inkorporuje jeden atom O do substrátu
- druhý atom O vytváří vodu, donorem 2H je NADPH + H+
- dochází k redukci dikyslíku na -OH skupinu a vodu
Obecné schéma hydroxylace
R-HII + O2 + NADPH + H+ → R-OH + H2O + NADP+
Podrobnější schéma hydroxylace
- ukazuje aktivaci a redukci O2III
I P = pigment, 450 = vlnová délka (nm), při které enzym výrazně absorbuje po
navázání oxidu uhelnatého CO II obecné označení substrátu III Harper, str. 123
Oxidační číslo Fe v hemu
Nemění se Mění se
Fe2+ Fe2+ Fe3+
prostetická skupina transportního
proteinu pro O2
kofaktor oxidoreduktas
hemoglobin, myoglobin cytochromy, hemové enzymy
hem schovaný v hydrofobní kapse
globinu
hem exponovaný
oxidace znamená ztrátu funkce reverzibilní oxidace je podstatou
funkce (přenos elektronu)
N N
NNFe2+
N N
NNFe3+- e
+ e
cyt P-450
Fe +3
A Hcyt P-450
Fe +3
A H
cyt P-450
Fe +2
A HNADPH + H
NADP
O2e
e
cyt P-450
Fe +2
A H
O2cyt P-450
Fe +2
A H
O2
2 H
H2O
A OHhydroxylovaný substrát
substrát
103 / 147
- tok elektronů při hydroxylaci připomíná dýchací řetězec
VIII.II Desaturace mastných kyselin
- účastní se cytochrom b5
Srovnání hydroxylačních reakcí (monooxygenasy)
Substrát Produkt Původ O Koreduktant Další sloţky
Fenylalanin tyrosin O2 BH4 -
Xenobiotika xen-OH O2 NADPH+H+ FAD, hem (cyt P450)
Prolin 4-OH-Pro O2 2-oxoglutarát Fe2+, askorbát
Dopamin noradrenalin O2 askorbát Cu2+
Intracelulární lokalizace metabolických dějů
Jádro replikace DNA, syntéza RNA (transkripce DNA)
Mitochondrie oxidační dekarboxylace pyruvátu, CC, DŘ, β-oxidace MK, syntéza ketolátek, močoviny [začátek] a
hemu [začátek a konec] synt. Gln
Ribosomy syntéza proteinů (translace mRNA)
ER synt. prot., lipidů, chol., desaturace MK, hydroxylace xenobiotik
Lysosom nespecifické hydrolytické degradace různých látek
Buň. membr. transport molekul a iontů, přenos informace do buňky (receptory)
Golgiho ap. glykosylace proteinů
Peroxisom tvorba a degradace H2O2
Cytosol glykolýza, glukoneogeneze, glykogen , pentos. cykl., synt. MK, transaminace, synt. močoviny,
močové kys., hemu; (ox. EtOH)
Orgánová lokalizace buněčných dějů
Děj Játra CNS Ledviny Sval Tuk.
t.
Ery
CC + + + + + -
β-oxidace MK ++ - + ++ - -
Syntéza MK +++ ± ± ± +++ -
Ketogeneze + - - - - -
Oxidace KL* - + + ++ + -
Glykolýza + +++ + ++ + +++
Glukoneogeneze +++ - + - - -
H3C COOH
COOHH3C
COOH
CH3
9-10 desaturace (člověk)
12-13 desaturace (rostliny)
stearová kyselina 18:0
olejová kyselina 18:1 (9)
linolová kyselina 18:2 (9,12)
CS
O
CoAH3C
NADH+H
NAD
cyt b5
H2O
H3C CS
O
CoA1
9
10
H3C CS
O
CoAH
OH
H 1
H
O O
H2O
∆9 desaturasa hydroxylace na C-10
NADP+
FAD
FADH2
Fe++
hem
Fe+++
hem
NADPH H++
2H+
cyt. reduktasacyt P-450
RH
R OH
O2
H2O
104 / 147
IX Dýchací řetězec
= soustava redoxních dějů ve vnitřní mitochondriální membráně, která začíná oxidací NADH a končí redukcí O2
IX.I ATP
- Organismus potřebuje ATP
o chemická práce syntézy, fosforylace, vznik SAM, vazba AK na tRNA atd.
o mechanická práce svalová kontrakce
o osmotická práce aktivní transport iontů
o teplo hydrolýza ATP probíhá „nefunkčně―, svalový třes
- způsoby vzniku ATP v lidském organismu:
o substrátová fosforylace
o 5% ATP
o ATP vzniká při konverzi makroergních meziproduktů při metabolismu ţivin
o sukcinyl-CoA (CC), 1,3-bisfosfoglycerát (glykolýza), fosfoenolpyruvát (glykolýza)
o aerobní fosforylace
o 95% ATP
o navazuje na DŘ
o na syntézu ATP se vyuţije protonmotivní síla
IX.I.1 Fosforylace GDP v citrátovém cyklu
- zjednodušené schéma
IX.I.2 FosforylaceADP působením 1,3-bisfosfoglycerátu
IX.I.3 FosforylaceADP působením fosfoenolpyruvátu
N
N
N
N
NH2
O
OH OH
OPOO
OPO
OOPO
O
O
N
N
N
N
NH2
O
OH OH
OPOO
OPO
OO
ADP3-
CC
OO
CH2
H OHO
PO
O
OCC
OO
CH2
H OHO
PO
OO
PO
O
O1,3-bisfosfoglycerát
3-fosfoglycerát
ATP4-
N
N
N
N
O
H2N
H
O
OH OH
OPOO
OPO
OOP
OO
OOH
COOCH2CH2C
O S CoAN
N
N
N
O
H2N
H
O
OH OH
OPOO
OPO
OOPO
O
O
COOCH2CH2C
O O
HS CoA
guanosindifosfát guanosintrifosfát
sukcinyl-CoA sukcinát
ATP
CC
H H
OOOC PO
OO
+ ADP3- H+ C
CH H
OHOOC
CCH3
OOOC
enolpyruvát
pyruvát
fosfoenolpyruvát
+ ATP4-
105 / 147
- aerobní fosforylace je důsledek reoxidace redukovaných kofaktorův DŘ
ţiviny = redukované formy C CO2 + redukované kofaktory akumulovaná E + H2O
ADP + Pi → ATP
- ţiviny jsou redukované formy uhlíku protoţe v nich převaţují nízká oxidační čísla uhlíku
IX.II Kofaktory oxidoreduktas
IX.II.1 Vznik NADH
- v matrix mitochondrie
- Citrátový cyklus
o isocitrát
o 2-oxoglutarát
o malát
- -oxidace MK
o -hydroxyacyl-CoA
- Oxidační dekarboxylace
o pyruvát
o 2-oxoglutarát
o 2-oxokys. z Val, Leu, Ile
- Dehydrogenace ketolátky
o -hydroxybutyrát
- Dehydrogenační deaminace o glutamát
IX.III Vznik FADH2 v matrix mitochondrie
- -Oxidace mastných kyselin o (dehydrogenace alkanoyl-CoA)
- Citrátový cyklus o (dehydrogenace sukcinátu)
IX.III.1 Transport NADH z cytoplazmy do matrix
- NADH vznikající v cytoplazmě musí být transportován do matrix
- vnitřní mitochondriální membrána není volně propustná
- dva přenašečové mechanismy (člunky)
o aspartát/malátový (univerzální)
o glycerolfosfátový (mozek, sval)
Aspartát/malátový člunek Glycerolfosfátový člunek
dehydrog. O2, reoxidace v DŘ
O
OHOH
OHOH
CH2OH
I
00
00
-I
Průměrné ox.č. C = 0,0 H3C CHNH2
COOH-III III0
Průměrné ox.č. C = -1,8 . uhlík je nejvíce redukovaný
H3CCOOH
-II
-IIIIII
- v cytoplazmě
- Glykolýza
o dehydrogenace glyceraldehyd-3-P
- Glukoneogeneze
o dehydrogenace laktátu na pyruvát
- Dehydrogenace ethanolu o na acetaldehyd
malát NAD+
oxalacetát
AspAST
Asp
oxalacetáttransaminace
malátNAD+
MD hydrogenace
NADH H++ NADH H++
cytoplazma matrix mitochondrievnitřnímitochondriálnímembrána
dehydrogenaceMD
AST
GPD
CH2
CCH2
OO
OH
Pdihydroxyacetonfosfát
NAD
NADH + H
CH2
CCH2 O
OHH OH
Pglycerol-3-fosfát
Q
QH2
ubichinon
ubichinol
vnitřnímitochondriálnímembrána
106 / 147
- zjednodušené schéma DŘ
Vnitřní mitochondriálnímembrána (VMM)
- velký povrch (záhyby, kristy)
- vysoká koncentrace proteinů (enzymy DŘ, přenašeče)
- propustná pro malé nenabité molekuly
- nepropustná pro ionty a org. substráty
IX.IV Typy kofaktorů v DŘ
- flavinové kofaktory(FMN, FAD)I
- nehemové ţelezo a síra (Fe-S)I
- ubichinon(Q)I
- hem(cytochromy)I
o různé typy hemů v cytochromech se liší postranními substituenty
o hem b (methyl, vinyl, propionát) - jako v Hb
o hem c (methyl, ethyl, propionát)
o hem a (methyl, vinyl, formyl, propionát, polyisopren)
IX.IV.1 Redoxní páry v dýchacím řetězci
- redoxní páry jsou seřazeny podle vzrůstajících E ´
- jde o standardní hodnoty (1 mol/l), hodnoty odpovídající
koncentracím v buňce budou odlišné
- nejsilnější redukční činidlo v DŘ je NADH
- nejsilnější oxidační činidlo v DŘ je O2
- hodnota potenciálu je ovlivněna bílkovinou
(srov. cytochromy)
IX.V Sběrná místa pro redukční ekvivalentyII
I viz kapitolu II.II – Kofaktory oxidoreduktas II Semináře, str. 83; Harper, str. 127
Oxidovaná / Redukovaná forma E°´(V)
NAD+ / NADH+H+ -0,32
FAD / FADH2 0
Ubichinon (Q) / Ubichinol (QH2) 0,1
Cytochrom c1 (Fe3+ / Fe2+) 0,22
Cytochrom c (Fe3+ / Fe2+) 0,24
Cytochrom a3 (Fe3+ / Fe2+) 0,39
O2 / 2H2O 0,82
Živinydehydrogenace
matrix mitochondrie
vnitřní mitochondriální membrána
mezimembránový prostor
koenzym Q cytochromy
O2 ATP
2 e 2 e 2 e
n H
NADH FADH2
H2O
n Hn H n H
CC-oxidace
QI.
II.
člunek
NADH + HNAD+
matrix
cytoplazma
FAD
FAD FAD
glycerol-P DHAP
sukcinátfumarát
alkanoyl-CoA
alkenoyl-CoA
Acyl CoA
Lipoát Fp (FAD)
Pyruvát, 2-oxoglutarát
NAD+
CC, Glu, ....
Fp (FMN) Q cytochromy
Sukcinát
Fp (FAD)Fp (FAD)
Fp (FAD)Glycerol-3-P
107 / 147
IX.VI Enzymové komplexy v DŘ
Komplex NázevI Kofaktory Transfer e-
I. NADH-dehydrogenasa FMN, Fe-S NADH → Q
II. sukcinátdehydrogenasa FAD, Fe-S, cyt b FADH2 → Q
III. cytochrom-c-reduktasa Fe-S, cyt b, c1 Q → cyt c
IV. cytochrom-c-oxidasa cyt a, a3, Cu cyt c → O2
NADH-dehydrogenasa
- katalysuje reakci:
NADH+H+ + FMN NAD+ + FMNH2 Fe-S
FMN + 2 H+ + 2 e-
IX.VII Komplexy DŘ
Chemiosmotická teorie
- V DŘ se třikrát převádějí protony do mezimembránového prostoru
- v průběhu DŘ se mezi vnitřní a vnější stranou VMM vytvoří protonový gradient
- jeho vybití je spojeno s uvolněním energie (protonmotivní síla)
- tato energie se vyuţije na syntézu ATP + teplo
IX.VII.1 Komplex I
- první „protonová pumpa― do mezimembránového prostoru
IX.VII.2 Komplex II
- redukčním ekvivalentem je FADH2
- Komplex I a komplex II na sebe nijak nenavazují a spolu nesouvisí. Jsou to dva nezávislé vstupy
redukčních ekvivalentů do DŘ.
IX.VII.3 Ubichinon
- mobilní kofaktor
- vysoce lipofilní, polyisoprenoidní řetězec je zakotven v VMM
I Názvy jsou didakticky zjednodušené, vědecky korektní názvy: viz Ledvina
Transfer elektronů ve vnitřní mitochondriální membráně je spojen s
transferem protonů přes tuto membránu
mezimembránovýprostor
matrix
Q
2 H
QH2
NADH + HNAD
FMN
2 H
2 H
2 eFeS
(3 - 4 H )?
Q2 H
QH22 e
sukcinátfumarát
FAD
FeS
CC
cyt b
O
O
O
O
108 / 147
- benzochinonový kruh se můţe pohybovat od jednoho kraje membrány k druhému, sbírat red. ekvivalenty a
odevzdávat je na cytochromy
IX.VII.4 Komplex III a Q-cyklus
- převádějí 2 ×2H+
IX.VII.5 Komplex IV
- druhá H+ pumpa
IX.VII.6 Protonmotivní síla
- má dvě sloţky:
o Elektrická sloţka
= rozdíl membránových potenciálů
o Koncentrační sloţka
= rozdíl pH
- vyuţití:
o Syntéza ATP
o Teplo
o Aktivní transport metabolitů přes VMM
IX.VIII Syntéza ATP
- ATP-syntasa má tři části, všechny sloţené z podjednotek
- Fo prochází membránou, kanál pro H+
- F1 v matrix, na ní probíhá syntéza ATP
- obě velké části spojuje OSCP (oligomycin sensitivity conferring protein)
IX.VIII.1 Stechiometrie vzniku ATP
- P/O kvocient
- spotřeba Pi/ na O
- přenos 2 e- z NADH ………….. 3 ATP
- přenos 2 e- z flavoproteinů……. 2 ATP
IX.IX Spojení DŘ a fosforylace
- DŘ a fosforylace jsou za normálních podmínek těsně spojeny jako důsledek nepropustnosti VMM pro H+
- jediná cesta zpět do matrix je přes Fo část ATP-syntasy
cyt c
FeS
cyt c1
cyt b2 e
2 ecyt c
Q-cyklus
2 x 2 H
matrix
VNM
mezimembr.
prostor
cyt a Cu2 e
cyt c 2 H
2 e
cyt a3
1/2 O2
O2- H2O 2 H
matrix
mezimembránový prostor
inout
inout pHpHpH
40
Syntéza ATP
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Fo
OSCP
F1
ADP + Pi ATP
109 / 147
IX.IX.1 Rozpojovače
- rozpojí DŘ od aerobní fosforylace
- vybijí protonový gradient bez zisku chemické energie (ATP)
- uvolní se pouze teplo
- DŘ probíhá bez přerušení
- aerobní fosforylace neprobíhá
IX.IX.1.1 2,4 –Dinitrofenol
- pravý rozpojovač
- otrava: zvýšená tělesná teplota, horečka, pocení, zrychlený dech
- smrtelná dávka kolem 1 g
- v letech 1920-30 se uţíval v dávce 2,5 mg/kg jako „zázračný― prostředek na hubnutí
- podobně působí pikrová kyselina
IX.IX.1.2 Thermogenin
- fyziologický rozpojovač
- speciální bílkovina s kanálem pro H+
- vyskytuje se v hnědé tukové tkáni (buňky mají více mitochondrií)
- probíhá DŘ, tvoří se H+ gradient, thermogenin vybíjí gradient na teplo, netvoří se ATP
- novorozenci, hibernující zvířata (zimní spáči)
IX.IX.2 Transport metabolitů přes VMM
- vzhledem k nepropustnosti VMM existuje bohatý systém přenašečů
- zdrojem energie je protonmotivní síla vytvořená v průběhu DŘ
- sekundární aktivní transport
- O2, H2O, NH3 - volně přecházejí
- MK s delším řetězcem - karnitin
- pyruvát - symport s H+
- kyseliny CC, AK - specifické přenašeče
- hydrogenfosfát - výměna za OH-
- malát - výměna za 2-oxoglutarát (člunek)
- aspartát - výměna za glutamát (člunek)
- ATP - výměna za ADP
IX.X Inhibitory
- Dýchacího řetězce
o rotenon, barbital (I)
o malonát (II)
o antimycin A (III)
o dimerkaprol (III)
o CO, CN-, SH-, N3- (IV)
- ATP-syntasy
o oligomycin
- ATP/ADP-translokasy
o kys. bongkreková
o atraktylosid
n H+n H+n H+n H+
ATPteplo
X
rozpojovačATP syntasa
OH
NO2
O2N
49
Některé translokasy ve VMM
matrix
OH-
H2PO4-
pyruvát H+
malát
malát
citrát + H+ATP
ADP
cytosol
HPO42-
Některé translokasy ve VMM
110 / 147
IX.X.1 Otrava kyanidy
- Kyanid sodný NaCN, kyanid draselný KCN (cyankali)
- Běţná lab. činidla, galvanizace, těţba zlata
- Přírodní zdroj: amygdalin (hořké mandle, pecky meruněk)
- Vysoce toxický (LD50 250 mg)
- Inhibuje cytochrom-c-oxidasu
- Otrava: závratě, dušnost, křeče, rychlá smrt
- Prognóza otravy závisí na: velikosti dávky, rychlosti podání antidota, pH ţaludeční šťávy, stáří kyanidu
- Kyanid sodný NaCN, kyanid draselný KCN (cyankali)
KCN + ½O2→ KOCN (kyanátdraselný)
KOCN + 2 H2O → NH4KCO3 (uhličitan amonno-draselný)
- moţné strategie při otravě kyanidy
o hydroxykobalamin - váţe CN-, vzniká zcela fyziologický kyanokobalamin(vitamin B12)
o dusitan sodný (natrii nitris) NaNO2, amyl-nitrit (amylis nitris) -vyvolají terapeutickou
methemoglobinemii → hem-Fe3+ váţe pevně kyanid a brání tak inhibici cytochrom-c-oxidasy
o thiosíran sodný (natrii thiosulfas) Na2S2O3 – detoxikuje kyanid na thiokyanát (konjugace):
CN- + S2O32- → SCN- + SO3
2-
X Reaktivní formy kyslíku
- ROS, reactive oxygen species
X.I Reaktivní formy kyslíku v organismu
Radikály Neutrální, anionty, kationty
Superoxid ·O2- Peroxid vodíku HOOH
Hydroxylový radikál ·OH Peroxidy lipidů ROOH
Peroxylový radikál ROO· Kyselina chlorná HClO
Alkoxylový radikál RO· Singletový kyslík 1O2
Hydroperoxylový radikál HOO· Peroxynitrit ONOO-
Oxid dusnatý NO· Nitronium NO2+
X.I.1 Superoxidový anion
- radikál ·O2-
- vzniká jednoelektronovou redukcí dikyslíku O2 + e- → ·O2- I
- relativně málo reaktivní
Vznik superoxidu v organismu
- tzv. respirační vzplanutí (NADPH oxidasa, fagocytující leukocyty)
2 O2 + NADPH → 2 ·O2-+ NADP+ + H+
- spontánní oxidace hemoproteinů
hem-Fe2+ + O2 → hem-Fe3+ + ·O2- II
X.I.2 Vysoce reaktivní hydroxylový radikál •OH
- vzniká ze superoxidu ·O2- + H2O2 → O2 + OH- + ·OH
I toto není reakce, pouze jeden redoxní pár II toto jsou reakce, tedy kombinace dvou redoxních párů
111 / 147
62
Oxid dusnatý NO· vzniká z argininu(viz přeměny AK)
NO· + ·O2- O=N-O-O- O=N-O-O-H (kys. peroxodusitá)
H+
NO2+ + OH- ·NO2 + ·OH
nitrace tyrosinu NO3- (plazma, moč)
peroxonitritnitrosylace
- reakci katalyzují redukované ionty kovů (Fe2+, Cu+) (tzv. Fentonova reakce)
Pozor na různé názvy a předpony
Název Význam
Hydroxid anion OH-
Hydroxyl radikál ·OH nebo skupina -OH
Hydroxy předpona v názvech organických sloučenin:
2-hydroxypropanová kyselina (mléčná)
Hydroxo předpona ligandu OH- v komplexech:
Na[Al(OH)4] (tetrahydroxohlinitan sodný)
X.I.3 Singletový kyslík 1O2
- excitovaný stav tripletového dikyslíku
- vzniká mj. po absorpci světla některými pigmenty (porfyriny) 3O2 → 1O2 I
X.I.4 Peroxid vodíku H2O2
- nestálá sloučenina, snadno se rozkládá se na vodu a kyslík
- v organismu vzniká při aerobní deaminaci AK a biogenních aminů a ze superoxidu – dvouelektronová redukce O2
- ve Fentonově reakci produkuje ·OH
- můţe oxidovat -SH skupiny enzymů
X.I.5 Kyselina chlorná HClO
- vzniká v neutrofilních granulocytech z peroxidu vodíku a chloridového aniontu
- reakci katalyzuje myeloperoxidasa H2O2 + Cl- + H+ → HClO + H2O
- HClO má silné oxidační a baktericidní účinky
X.I.6 Oxid dusnatý NO•
- vzniká z argininu (viz přeměny AK)
- exogenní zdroje: léčiva, vazodilatancia
- NO·se váţe na guanylátcyklasu → cGMP → relaxace hladké svaloviny (hlavně cév) a další účinky …
- NO· je radikál a poskytuje další reaktivní metabolity:
Sloučeniny uvolňující NO
- glycerol trinitrát (glycerolitrinitras)
o naţloutlá olejovitá kapalina
o klasické léčivo, působí rychle
o sublinguálnítablety, sprej, náplast
- nitroprusid sodný (natrii nitroprussias)
o pentakyanonitrosylţelezitan disodný
o rubínově červené krystaly
o extrémně účinný, i.v. infuze
- isosorbid dinitrát (isosorbidi dinitras)
o výhodnější farmakokinetické vlastnosti
- amyl-nitrit (amylis nitris)
o těkavá kapalina, inhalační aplikace
- isobutyl-nitrit
o těkavá kapalina, nová droga
o poppers, rush, liquid aroma …
I konfigurace elektronů: viz LCH I, str. 18
CH2 O NO2CHCH2
O NO2O NO2
Na2[Fe(CN)5NO]
O
OO
O NO2
O2N
CH CH2 CH2
H3C
H3CO N O
CHH3C
H3CCH2 O N O
112 / 147
X.II Účinky kyslíkových radikálů
Pozitivní
- meziprodukty oxidasových a oxygenasových reakcí (cytP-450), během reakcí jsou radikály vázané na
enzym, takţe nepoškozují okolní struktury
- baktericidní účinek fagocytů, respirační vzplanutí (NADPH-oxidasa)
- signální molekuly (první poslové), zatím jasně prokázáno u NO·, u některých dalších radikálů se
předpokládá podobné působení
Negativní
Sloučenina Poškození Následky
PUFA ztráta dvojných vazeb
změna propustnosti membrán poškození membr. enzymů tvorba aldehydů a ROO·
Proteiny
agregace a síťování změny v transportu iontů
fragmentace + štěpení vstup Ca2+ do cytosolu
modifikace -SH a fenylu změny v aktivitě enzymů
DNA
štěpení deoxyribosy mutace
modifikace bází translační chyby
zlomy řetězce inhibice proteosyntézy
X.III Antioxidační systémy organismu
- Enzymy
o endogenní
o superoxiddismutasa, katalasa, glutathionperoxidasa
- Vysokomolekulární antioxidanty
o endogenní
o transferrin, ferritin, ceruloplazmin aj.
o váţou volné ionty kovů
- Nízkomolekulární antioxidanty
o exogenní, endogenní
o redukující látky s fenolovým -OH (tokoferol, flavonoidy, urát)
o redukující látky s enolovým-OH (askorbát)
o redukující látky s -SH skupinou (glutathion, dihydrolipoát)
o látky s rozsáhlým systémem konjugovaných dvojných vazeb (karotenoidy, retinol, bilirubin)
X.IV Superoxiddismutasa
- obsaţena v kaţdé buňce
- fylogeneticky velmi starý enzym
- katalyzuje dismutaci superoxidu 2 ·O2-+ 2 H+ → O2 + H2O2
- oxidační čísla kyslíku v reakci: -½ → 0 + -I
- dvě formy:
o SOD1 (Cu, Zn, cytosol),
o SOD2 (Mn, mitochondrie)
X.IV.1 Eliminace H2O2 v organismu
- katalasa – disproporcionace H2O2
H2O2 → ½O2 + H2O
- glutathionperoxidasa
o obsahuje selenocystein
o druhý substrát –glutathion (G-SH)
COOHCHCH2
H2N
Se H
113 / 147
o redukuje H2O2 a hydroperoxidy fosfolipidů (ROOH)
2 G-SH + H-O-O-H → G-S-S-G + 2 H2O
2 G-SH + R-O-O-H → G-S-S-G + R-OH + H2O
X.V Nízkomolekulární antioxidanty
Lipofilní Hydrofilní
Tokoferol L-askorbát
Karotenoidy Flavonoidy
Lykopen DihydrolipoátI
UbichinolI GlutathionI
BilirubinaI Močová kyselinaI
TokoferolII
- lipofilní antioxidant buněčných membrán a lipoproteinů
- ledukuje peroxylové radikály fosfolipidů na hydroperoxidy,
které jsou dále redukovány GSH, tokoferol se oxiduje na stabilní radikál
PUFA-O-O· + Toc-OH → PUFA-O-O-H + Toc-O·
- Toc-O·se částečně regeneruje askorbátem (na fázovém rozhraní)
Toc-O· + askorbát → Toc-OH + semidehydroaskorbát
Karotenoidy a retinol
- karotenoidy jsou polyisoprenoidní uhlovodíky (tetraterpeny)
- odstraňují peroxylové radikály, samy se při tom mění na stabilní karotenový radikál
- mají schopnost zhášet (deexcitovat) singletový kyslík
- zdroje v potravě: listová zelenina, ţlutě, oranţově a červeně zbarvená zelenina a ovoce
- prekurzory retinolu
Ubichinol (QH2)
- vyskytuje se ve všech membránách
- endogenní syntéza střevní mikroflórou z tyrosinu a farnesyldifosfátu (odbočka při biosyntéze cholesterolu,
Harper str. 281)
- exogenní zdroje: klíčkový olej, játra, maso
- redukovaná forma QH2 pomáhá při regeneraci tokoferolu
Toc-O· + QH2 → Toc-OH + ·QH
L-Askorbát (vitamin C)
- kofaktor hydroxylace prolinu (syntéza kolagenu)
- kofaktor (reduktant) hydroxylace dopaminu na noradrenalin
- dvojsytná kyselina:
o pKA1 = 4,2
o pKA2 = 11,6
o dva konjugované páry:
askorbová kys. / hydrogenaskorbát
hydrogenaskorbát / askorbát
- silné redukční činidlo (Fe3+→ Fe2+, Cu2+ → Cu+)III
- umoţňuje vstřebávání ţeleza z potravy
- redukuje radikály ·OH, ·O2-, HO2·, ROO· aj.
- regeneruje radikál tokoferolu
- odbourává se na oxalát !!
- nadbytek askorbátu má prooxidační účinky !!
I Endogenní sloučeniny II viz Harper 622-627 III viz praktická cvičení z LCH, str. 32
neškodný derivát
O
HOCH3
CH3
H3CR
CH3O
OCH3
CH3
H3CR
CH3
neuţívat velké dávky
O
HO O
O
CCH2OH
H OHO
O O
O
CCH2OH
H OHO
HO OH
O
CCH2OH
H OH
dva enolové hydroxyly
O
O O
O
CCH2OH
H OHO
HO OH
O
CCH2OH
H OH
askorbová kys. dehydroaskorbová kys.
(redukovaná forma) (oxidovaná forma)
114 / 147
Flavonoidy a ostatní polyfenoly
- ubikvitárně rozšířené v rostlinách, nejhojnější redukční sloučeniny v naší stravě
- celkový příjem je cca 1 g (mnohem vyšší neţ u vitaminů)
- deriváty chromanu (benzopyranu), obsahují mnoho fenolových hydroxylů
- hlavní představitel kvercetin
- redukují volné radikály a samy jsou přeměněny na málo reaktivní fenoxylové radikály
- chelatují ionty kovů (Fe2+, Cu+) a zabraňují tak jejich účasti ve Fentonově reakci
- zdroje flavonoidů a jiných polyfenolů:
o zelenina (nejvíc cibule)
o ovoce (jablka, citrusy, hrozny)
o zelený čaj, černý čaj
o kakao, čokoláda
o soja
o olivový olej (Extra Virgin)
o červené víno
Glutathion(GSH)
- tripeptid – γ-glutamylcysteinylglycin
- tvoří se ve všech buňkách
- redukční činidlo (-SH)
- redukuje H2O2 a ROOH (glutathionperoxidasa)
- redukuje různé kyslíkové radikály
- regeneruje -SH skupiny proteinů a koenzymu A
- podílí se na regeneraci tokoferolu a askorbátu
- regenerace redukované formy GSH
o musí být zajištěna plynulá regenerace redukované formy glutathionu (GSH)
o glutathionreduktasa, významná v erytrocytech
GSSG + NADPH + H+ → 2 GSH + NADP+I
Dihydrolipoát
- kofaktor oxidační dekarboxylace pyruvátu a 2-oxoglutarátu
- redukuje mnoho radikálů (mechanismus není znám)
- podílí se na regeneraci tokoferolu
- terapeutické pouţití (acidum thiocticum) – diabetické neuropatie
Kyselina močová
- konečný katabolit purinových bází, dvojsytná kyselina
- v tubulech se z 90 % resorbuje
- nejhojnější antioxidant krevní plazmy (150-400 μmol/l)
- má výrazné redukční účinky, redukuje radikály RO·,
- váţe kationty ţeleza a mědi
- laktimová forma kys. močové je dvojsytná kyselina
o pKA1 = 5,4
o pKA2 = 10,3
- redukční účinky kyseliny močové
o hydrogenurát odštěpí jeden elektron
o R· je např. ·OH, superoxid aj.radikál
různé přeměny
I viz semináře str. 25
O
OHOOH
HO
OHOH
kvercetin
HOOCN
N COOH
O
H
CH2
SH
O
H
NH2
pentosový cyklus
S S
COOHCOOH
SH SHdihydrolipoát
(redukovaná forma)
lipoát
(oxidovaná forma)
N
N
N
NH
OH
HOOH N
N
N
NH
OH
HOO N
N
N
NH
OH
OO
kys. močová hydrogenurát urát
2,6,8-trihydroxypurin
+N
N
N
NH
OH
HOO
N
N
N
NH
OH
HOOR H RH+ +
hydrogenurát
(redukovaná forma)
radikál
(oxidovaná forma)
115 / 147
4
CH3CO-CoA CH3-CO-CH2-CO-CoA
-OOC-CH2-C-CH2-CO-CoACH3
OH
2CH3CO-CoA
CoA
CoA
3-hydroxy-3-methylglutarylCoA
(HMG-CoA)
acetylCoA acetoacetylCoA
5
3-HMG-CoA Kyselina mevalonová
-OOC-CH2-C-CH2-CO-CoA
2NADPH + 2H+ 2 NADP
CoA
-OOC-CH2-C-CH2-CH2OHCH3
OHOH
CH33-HMG-CoA
reduktasa
+
Regulační oblast Strukturní gen pro
HMG-CoA reduktasu
9
Aktivace SREBP-1 cholesterolem
• prekursor SREBP je integrální protein membrány ER
• při nízké hladině sterolů je do cytoplazmy uvolněna jeho N-
terminální aktivní část působením specifických proteáz
membrána ER
cytoplazma
CN
SREBP
proteasy
při zvýšení hladiny
sterolů v cytoplazmě
jsou proteázy
inhibovány
steroly
XI Cholesterol
- význam
o nezbytná komponenta membrán
o zdroj pro syntézu ţlučových kyselin, steroidů, vitaminu D3
- zdroje
o příjem potravou (ţloutek, ţivočišné tuky, tučné maso, tučné mléčné
výrobky, majonéza) ~500mg
o biosyntéza (~1000 mg)
XI.I Biosyntéza cholesterolu
- obecně většina buněk, hlavně játra, kůra nadledvin, enterocyty, gonády….
- cytoplazma, některé enzymy na povrchu ER
- výchozí látkou pro syntézu je acetylCoA
- bilance syntézy: 18 acetylCoA, 36 ATP, 16 NADPH
XI.I.1 1. Fáze syntézy cholesterolu
- syntéza 3-HMG-CoA
- ER (srovnejte syntézu ketolátek-matrix m.)
XI.I.2 2. Fáze
- vznik mevalonátu
- dvojitá redukce karboxylové skupiny na primární
alkoholovou
- určuje rychlost syntézy cholesterolu
XI.I.2.1 Enzym 3-HMG-CoAreduktasa
- je vázán na membráně ER
- je vysoce regulován
- je cílem působení farmak
- mechanismy regulace
o regulace syntézy enzymu hladinou sterolů
o regulace proteolýzy enzymu steroly
o regulace aktivity enzymu kovalentní modifikací (fosforylace)
o kompetitivní inhibice léky – statiny (např.lovastatin, pravastatin, cerivastatin)
XI.I.2.2 Kontrola syntézy 3-HMG-CoA reduktasy cholesterolem
- ovlivnění transkripce mRNA
- transkripčním faktorem je protein typu SREBPs
(sterol regulatory element binding protein)
- SREBP se váţe v regulační oblasti genu (SRE-oblast = sterol regulatory element)
- po jeho navázání se zvyšuje rychlost transkripce
Aktivace SREBP-1 cholesterolem
- prekursor SREBP je integrální protein membrány ER
- při nízké hladině sterolů je do cytoplazmy uvolněna jeho N-terminální
aktivní část působením specifických proteáz
- při zvýšení hladiny sterolů v cytoplazmě jsou proteázy inhibovány
HO
116 / 147
Ovlivnění transkripce
- uvolněný SREBP putuje do jádra a váţe se na SREs
- transkripce je zahájena
- SREBP je pak rychle odbourán
XI.I.2.3 Regulace proteolýzy HMG-CoA reduktasy steroly
- degradace enzymu je stimulována cholesterolem, mevalonátem a farnesolem.
- enzym obsahuje transmembránovou sterol-senzitivní oblast, která hraje roli při aktivaci proteolýzy enzymu
cestou proteasomu.
XI.I.2.4 Regulace HMG-CoA reduktasy kovalentní modifikací
- forma enzymu:
o defosforylovaná = aktivní
insulin, thyroidní hormony
o fosforylovaná = inaktivní
aktivace – glukagon, intracelulární steroly (cholesterol, ţlučové kyseliny), glukokortikoidy
XI.I.2.5 Inhibice HMG-CoA-reduktasy léky
- kompetitivní inhibicí enzymu v játrech je sniţována buněčná
koncentrace cholesterolu.
- jako důsledek klesá koncentrace cholesterolu v krvi
- statiny – různé struktury, část molekuly je strukturně analogická
mevalonátu
- Simvastatin (Zocor), Lovastatin (Mevacor), Pravastatin (Mevalotin), Pravastatin
(Pravachol), Simvastatin (Lipovas), Fluvastatin (Lescol),…
XI.I.2.6 Genetický polymorfismus u HMG-CoA reduktasy
- Jez do syta, statiny zařídí zbytek (ale jen u někoho)
The cholesterol-lowering "wonder" drugs known as statins may be less wondrous for people with two genetic variations, reveals a new
study.Nearly seven per cent of the population have genetic features which make statins an average of 20 per cent less effective at lowering
cholesterol levels, found Daniel Chasman of Harvard Medical School in Boston, US and his colleagues. I
- bylo studováno 1536 dobrovolníků, kteří uţívali pravastatin po dobu 24 týdnů, jejich DNA byla
analyzována z hlediska genetického polymorfismu
- byly nalezeny dvě skupiny pacientů s genetickými polymorfismy v oblasti genu pro HMG-CoA reduktasu
- u těchto pacientů (7% z celkového počtu) bylo zjištěno, ţe statiny jsou o 20% méně účinné neţ u ostatních.
Farmakogenetika
- zabývá se geneticky determinovanou variabilitou při odpovědi na léky
- identifikace specifických genů a genových produktů asociovaných s různými chorobami –hledání cílů pro
nová léčiva
- identifikace genů a allel, které ovlivňují reakci na lék
I Nature Clinical Practice Cardiovascular Medicine (2005) 2, 2-3
Pharmacogenetics: the outlook for genetic testing in statin therapy Daniel I Chasman and Paul M Ridker
117 / 147
20
mevalonyldifosfát
mevalonát
isopentenyldifosfátdimethylallyldifosfát5C
5C
CO2
H2O
OH
-OOC-CH2-C-CH2-CH2OH
CH3
-OOC-CH2-C-CH2-CH2OPP
OH
CH3
2ATP 2ADP
CH2=C-CH2CH2OPP
CH3
ATP
ADP + Pi
CH3
CH3-C=CHCH2OPP
5C
22
O PO
OO P O
O
O
--- O
OOPO
O
OPO -
--
O PO
OO P O
O
O
Dimethylallyldifosfát + isopentenyldifosfát geranyldifosfát
+
PPi
21
Dimethylallyldifosfát + isopentenyldifosfát geranyldifosfát
5 C + 5C 10C
farnesyldifosfát
skvalen
Syntéza
dolicholu a
ubichinonu
Prenylace
proteinů
Prenylace
proteinů
10 C + 5C 15C
15 C + 15C 30C
24
HO
CH2
CH2
cholesterol
skvalen
XI.I.3 Další fáze syntézy cholesterolu
XI.I.3.1 Prenylace proteinů
- kovalentní modifikace proteinů
- navázání farnesylu nebo geranyl-geranylu na SH- skupinu
cysteinu
- umoţňuje interakci proteinů s membránou (zakotvení)
- uplatňuje se např. u některých proteinů zprostředkujících buněčnou proliferaci
(GTP-váţící proteiny, např. Ras, Rac, Rho)
- inhibice prenylace inhibuje buněčnou proliferaci
- inhibitory prenylace – léky při osteoporose, rakovině, kardiovask. chorobách
XI.I.3.2 Skvalen
- lineární molekula schopná se sbalit do cyklické formace
- přeměna skvalenuna cholesterol je několikastupňový
proces zahrnující:
o cyklizaci
o zkrácení uhlíkatého řetězce z 30 na 27 C
o přesuny dvojných vazeb
o redukci dvojné vazby
- reakce probíhají v ER – uvádí se aţ 19 reakcí
Skvalen (30 C) → lanosterol (30 C) →→→ cholestadienol (27 C) →
→ cholesterol (27 C)
XI.II Esterifikace cholesterolu
- nejčastěji kys. linolová a linolenová
- vyšší hydrofobicita
XI.III Transport cholesterolu v krvi
- v lipoproteinech
- z jater ve formě VLDL
- po odbourání převáţné části triacylglycerolů se VLDL mění na LDL
- LDL přenáši cholesterol do periferních tkání
- zpětný transport cholesterolu do jater -HDL
Hladina cholesterolu v krvi
- doporučená hodnota < 5 mmol/l
- při nálezu > 5 mmol/l je třeba provést vyšetření metabolismu lipidů
OC
O
118 / 147
- LDL-cholesterol = zlý cholesterol
- HDL-cholesterol = hodný cholesterol
- při zjištění vyšší hladiny cholesterolu v krvi je sledováno jeho zastoupení v LDL a HDL frakci:
vysoká hladina HDL cholesterolu – prognosticky příznivý faktorI
XI.IV „Odbourávání cholesterolu“
- cholesterol nemůţe být v organismu odbourán na CO2 a H2O
- pouze játra jsou schopna eliminovat cholesterol přijatý potravou nebo syntetizovaný
- jsou dvě cesty, jak organismus eliminuje cholesterol:
o přeměna na ţlučové kyseliny a jejich exkrece
o vylučování cholesterolu ţlučí
- nepatrný podíl cholesterolu je přeměňován na steroidní hormony
- malé mnoţství cholesterolu se vylučuje koţním a ušním mazem, odloučeným střevním epitelem
XI.IV.1 Bilance cholesterolu za 24 h
- 1000-1500 mg/den je
vylučováno
XI.IV.2 Peměny cholesterolu ve střevě
- bakteriální přeměna na koprostanol a vyloučení stolicí
- část cholesterolu se zpětně resorbuje společně s cholesterolem přijatým potravou
XI.V Rostlinné steroly -fytosteroly
- velmi podobná chemická struktura
- neabsorbují se ze střeva
- zdroj: rostlinné tuky a oleje (řepkový, slunečnicový, sojový), ořechy
- sniţují resorpci cholesterolu → doporučení: osoby se zvýšenou hladinou
cholesterolu by měly konsumovat 2g rostlinných sterolů denně
- obohacování potravin – rostlinné produkty Flora
XI.VI Přeměna cholesterolu na ţlučové kyseliny
- játra – ER (monooxygenasová reakce)
- další hydroxylace, redukce, štěpení postr.
řetězce → primární ŢK ( 24C )
I Viz Biochemie II –4.semestr
Potrava 80 - 500 mg
Pool cholesterolu
Cholesterol (ţluč) 800 mg
Ţlučové kyseliny (primární) 500 mg
Biosyntéza 800 - 1000 mg Steroidní hormony, maz,
střevní epitel 200 mg
HO
koprostanol
HO-sitosterol
HO
7-α-hydroxylasa
NADH cytP450
HO OH
HO OH
COO-
HO OH
OHCOO-chenodeoxycholát
pKA 6
cholát
pKA 6
119 / 147
HO
cholesterol
Játra
3
7-dehydrocholesterol
UV
HO
Kůţe
cholekalciferol - vitamin D3
(kalciol)
- játra konjugace s glycinem a taurinem
- ţluč
- tenké střevo dekonjugace a částečná redukce chenodeoxycholát
lithocholát
cholát
deoxycholát
XI.VI.1 Konjugované ţlučové kyseliny
- konjugace sniţuje hodnoty pKA
- zvyšuje detergenční účinnost
XI.VI.2 Sekundární ţlučové kyseliny
XI.VII Enterohepatální oběh ţlučových kyselin
- játra
o syntéza ( cholesterol → ţlučové kyseliny )
o 0,2-0,6 g/den
o + recyklace > 95%
- ţlučník
- tenké střevo
o trávení lipidů
o reabsorbce 12 – 32 g/den ( >95% účinnost )
- trávení
- potlačení resorpce ţlučových kyselin sniţuje hladinu plazmatického cholesterolu
XI.VII.1 Látky sniţující resorpci ţlučových kyselin
- iontoměniče (Cholestyramin, Colestipol)
- 1g je schopen vázat 100 mg ţlučových kyselin
- způsob účinku:
o po poţití se neresorbují, zůstavají ve střevě a vyměňují chloridové ionty za ţlučové kyseliny
o tím se zamezí resorpci ţlučových kyselin
o výsledkem je zvýšená konverze cholesterolu na ţlučové kyseliny a sníţení plazmatické hladiny
cholesterolu
XI.VIII Vznik a příjem vitaminů D
enterohepatální oběh
stolice
HO
OHCO
NH SO3-
HO
OHCO
NH COO-
taurocholová
pKA 2
glykocholová
pKA 4
lithocholát deoxycholát
HO
OHCO
NH SO3-
HO
COO-
stolice
0,2-0,6 g/den
i sekundární
ţlučové
kyseliny
120 / 147
UV
4
folát
N
N
OH
NH2N
CO NH CHCH2CH2COO-
COO-HCH2 N
N
H
H
tetrahydrofolát
dihydrofolát
NADPH + H+
NADP
NADP
NADPH + H+
N
N
OH
NH2N
CO NH CH
CH2
CH2
COO-
COO-
HCH2 N
NH
+
+
- vit. D3 - absorpce s potravou (rybí oleje, vejce)
- vit .D2 - absorpce s potravou
o uţíván v suplementacích
o nutriční dávka 5 – 20 μg/d
o syntéza – rostliny:
XI.IX Syntéza kalciolů
- kalcitriol – forma regulace hladiny vápník
XI.IX.1 Účinky kalcitriolu
tenké střevo resorpce Ca2+
ledviny resorpce Ca2+
kost reguluje resorpci i novotvorbu kostní tkáně
- enterocyty
o indukuje změnu konformace cytosolového kalmodulinu a tak usnadňuje průchod Ca2+
cytoplazmatickou membránou
o indukuje syntézu kalbindinu – usnadňuje transport Ca2+ buňkou
o indukuje syntézu Ca2+-ATPázy čerpající Ca2+ z enterocytu do ECT
- Kalcitriol v nadměrném mnoţství (předávkování) inhibuje normální mineralizaci kosti, patrně porušením
diferenciace osteoblastů.
XII Metabolismus purinových a pyrimidinových
nukleotidů
- všechny buňky potřebují ribonukleosidy, deoxyribonukleosidy a jejich fosfáty
- purinové a pyrimidinové báze přijaté potravou (nukleoproteiny) prakticky nejsou vyuţívány pro syntézu
- syntéza purinových a pyrimidinových nukleotidůj e koordinována
XII.I Sloučeniny potřebné pro syntézu nukleotidů
XII.I.1 Kyselina listová
- zelenina, játra, kvasnice, ţloutek
- účinnou formou v organismu člověka je tetrahydrofolát
XII.I.1.1 Vznik tetrahydrofolátu
- (dihydro)folátreduktasa
- u ţivočichů a některých mikroorganismů, katalyzuje obě reakce
ergosterol ergokalciferol
vitamin D2 (erkalciol)
HOHO
O H
Játra Ledviny
25-hydroxylasa
kalciol - vitamin D3
5
kalcidiol
1 -hydroxylasa
HO
O H
O H
1,25-dihydroxycholekalciferol (kalcitriol)
PTH
PTH
N
N
O H
N
N C H 2 N
H 2 N
C O N H C H
C H 2 C H 2 C O O -
C O O - H
121 / 147
NH2
H2N
CH2 NCH3
C NHO
CCOO-
HCH2
CH2
COO-
CHCOONH3
(CH2)2C -+
O
NH2
OO
CH2OP
O
O
O-
-
OH OH
P PO
OO
O
-- O
O-
12
N
O
H
O12
34
5
6
N
ribosafosfát
glutamin
HCO3-
•2. aspartát
• 3. PRPP
COO-
karbamoyl-P•1.
Inhibitory (dihydro)folátreduktasy:
- Methotrexát
o protinádorové léčivo
- Trimethoprim
o bakteriostatikum
XII.I.1.2 Vyuţití tetrahydrofolátu
- N-5,N-10- methylen H4F – syntéza thyminu
- N-10-formylH4F – syntéza purinů
XII.I.2 Glutamin
- je donorem aminoskupiny při syntéze purinů i pyrimidinů
→ rychle se dělící buňky mají velkou spotřebu glutaminu
XII.I.3 PRPP - fosforibosyldifosfát
- nezbytný pro syntézu:
o purinových nukleotidů
o pyrimidinových nukleotidů
o NAD+,NADP+
XII.I.3.1 Syntéza fosforibosyldifosfátu (PRPP)
- PRPP-synthetasa
Ribosa-5P + ATP → PRPP + AMP
XII.II Rozdíly v syntéze purinů a pyrimidinů
- Puriny
o základem PRPP, na něj se postupně navazují další skupiny
- Pyrimidiny
o nejprve syntéza postupně navazují další heterocyklu, po té
skupiny navázání ribosa-P z PRPP
XII.III Biosyntéza pyrimidinů
- původ atomů v pyrimidinových derivátech
- dekarboxylací orotidinmonofosfátu vzniká uridinmonofosfát
N
N
NH2
H2N
OCH3
OCH3OCH3
N
N
O H
N H 2 N
C O N H C H C H 2 C H 2 C O O -
C O O -
C H 2 N N
H
C H 2
N
N
O H
N H 2 N
C O N H C H C H 2 C H 2 C O O -
C O O -
C H 2 N N
H
C H O H
OO
CH2OP
O
O
O-
-
OH OH
P PO
OO
O
-- O
O-
N
NO
O
COO-
H
Orotidinmonofosfát
122 / 147
CO
NH2
O PO
OO--
14
Pi
H2ONAD+ NADH
CO2
*
*
*
*
karbamoylaspartátdihydroorotát
PRPP
orotát
orotidinmonofosfát
NAPDH
NADP
19
N
N
OH
NH2N
CO NH CH
CH2
CH2
COO-
COO-
CH2 NN
H
CH2
N
N
OH
NH2N
CO NH CH
CH2
CH2
COO-
COO-
CH2 NHN
N
N
OH
NH2N
CO NH CHCH2CH2COO-
COO-HCH2 N
N
H
H
NADPH + H+
NADP+
CH2
CH2-H4F
H2F
H4F
H
H
HH
XII.III.1 Syntéza karbamoylfosfátu
- cytoplasma
- karbamoylfosfátsynhetasa
Glutamin + 2 ATP + HCO3- karbamoylfosfát + glutamát + 2 ADP + Pi - srovnejte se syntézou močoviny – mitochondrie
XII.III.2 Další kroky biosyntézy pyrimidinů
XII.III.3 Biosyntéza UTP a CTP
UMP UDP UTP CTP
XII.III.4 Vznik dTMP
- methylace
- potřebný H4F
serin H4F
glycin methylen H4F DHF
UDP → dUDP → dUMP TMP
XII.III.5 Vznik TMP
serin H4F
glycin methylen H4F H2F - po odštěpení methylenu se H4F mění na H2F
ATP ADP ATP ADP ATP ADP
glutamin glutamát
N
N
O
O
CH3
CH2
OH
O
H
NAPDH
NADP
Dihydrofolátreduktasa
Thymidylátsynthasa
(enzym závislý na folátu)
Thymidylátsynthasa
(enzym závislý na folátu)
Dihydrofolátreduktasa
UDP → dUDP → dUMP TMP
123 / 147
Uracil Nebo
Cytosin
Ribosa-1-fosfát
Pi
Uridin Nebo
Cytidin
XII.III.5.1 Dihydrofolátreduktasa
- (dihydro)folát reduktasa redukuje dihydrofolát (H2F) zpět na tetrahydrofolát (H4F)
- cíl protinádorové terapie
- byla prvním enzymem, na nějţ se zaměřila protinádorová terapie.
- první pouţivaný inhibitor – aminopterin
- váţe se k enzymu 1000x pevněji neţ folát, působí jako kompetitivní inhibitor.
- v současné době uţíván methotrexát a podobné deriváty., působí jako cytostatika
XII.III.5.2 Thymidylát synthasa
- inhibice: podávání fluorouracilu
o v organismu přeměna na 5-fluorodeoxyuridin monofosfát
o kompetitivní inhibice thymidylátsynthasy
o cytostatický účinek léčiva
XII.III.6 Vznik pyrimidinových nukleotidů šetřícím procesem (salvage pathway)
1. Tvorba nukleosidů
2. Tvorba nukleotidů působením kináz
o thymidin + ATP TMP + ADP
o cytidin + ATP CMP + ADP
o deoxycytidin + ATP dCMP + ADP
o uridin + ATP UMP + ADP
XII.III.7 Regulace biosyntézy pyrimidinových nukleotidů
- allostericky:
o Karbamoylfosfátsynthetasa:
inhibice UTP, purinové nukleotidy
aktivace PRPP
- závislost na buněčném cyklu
o karbamoylfosfátsynthetasa v S fázi je senzitivnější k aktivaci PRPP (zprostředkováno fosforylací)
XII.III.8 Odbourávaní pyrimidinových nukleotidů
- odštěpení fosfátu a cukerné sloţky
- Konečné produkty štěpení bází:
o NH3, CO2, -alanin, ( -aminoisobutyrát)
o rozpustné metabolity – vyloučeny močí
XII.IV Biosyntéza purinových nukleotidů
- multienzymový komplex
- převáţně játra
- cytoplasma
Thymin
Deoxyribosa-1-fosfát
Pi
Thymidin
deaminace redukce
-alanin -aminoisobutyrát
27
Ribosa-5-fosfát
3 glycinHCO3
-
aspartát
formyl-H4F
glutamin 1 PRPP
formyl-H4F
2
4
67
8
5
N
H N
O
N
N
C
C
C
Inosin-5-P (IMP)
124 / 147
29
N
N
O
N
NH
ribosa-5-P
aspartát, GTP
aminace
AMP
oxidace aminace GMP
Glutamin, ATP
XMP
28
IMP
fosforibosylamin
XII.IV.1 IMP
- výchozí látka syntézy purinových bází
XII.IV.2 Syntéza AMP a GMP
XII.IV.3 Inhibitory syntézy purinů (cytostatika)
- inhibitory dihydrofolátreduktasy
- analogy glutaminu (azaserin, diazanorleucin)
- 6-merkaptopurin- inhibice přeměny IMP na AMP a GMP
XII.IV.4 Syntéza purinových nukleotidů šetřícími reakcemi (salvage pathway)
- extrahepatální tkáně
- Recyklace purinových bází fosforibosyltransferasou
Purin + PRPP purinnukleotidmonofosfát + PP
- vznik purinových nukleotidů účinkem fosforibosyltransferasy
- deficit fosforibosyltransferasy vyvolává Lesch-Nyhanův syndrom
o dědičná choroba
o nadprodukce purinových bází
o hromadění kyseliny močové – dna
o mentální retardace, sebepoškozování
nukleotiddifosfát nukleotidtrifosfát
30
fumarát
glutamin glutamát
IMP
CH2 CHNH2
COOHOCO
CHNN
N
N
SH
N
NHazaserin
merkaptopurin
fosforibosyltransferasy
OO
CH2OP
O
O
O-
-
OH OH
P PO
OO
O
-- O
O-
Biosyntéza
125 / 147
39
AMP,GMP,
IMP,XMP
5-nukleotidasa
guanosin, inosin,
xantosin + Pi
nukleosidfosforylasa
Adenosin + Pi,
guanin,
hypoxantin,
xantin
+ riboso-1-P
adenosindeaminasa
inosinnukleosidfosforylasa
odštěpení fosfátu
XII.IV.5 Syntéza nukleotiddifosfátů a nukleotidtrifosfátů
nukleosidmonofosfát nukleotiddifosfát nukleotidtrifosfát
XII.IV.6 Regulace biosyntézy purinových nukleotidů
- koncentrace PRPP závisí:
o rychlost spotřeby
o rychlost syntézy
o rychlost odbourání
- inhibice PRPP-glutamylamidotransferasy AMP a GMP (konečnými produkty)
-
XII.IV.7 Odbourání purinových nukleotidů
- v játrech
XII.IV.8 Odbourání purinů
- kyselina močová
o konečný metabolit u primátů, obojţivelníků, ptáků a plazů
o (400-600 mg /den)
o redukční vlastnosti (endogenní antioxidant)
o vychytává RO•, HClO, váţe ionty Fe a Cu
XII.IV.9 Poruchy metabolismu purinů
XII.IV.9.1 Dna
- zvýšená produkce nebo sníţené vylučování kys. močové
- porucha v šetřícím procesu
- deficit hypoxantin-guaninfosforibosyltransferasy (HGPRT)
hypoxantin + PRPP IMP + PP
- sníţená clearance v ledvinách
→ ukládání krystalů kyseliny močové ve tkáních
- Allopurinol
o kompetitivní inhibitor xantinoxidasy
o léčba dny: allopurinol inhibuje oxidaci hypoxantinu na xantin
hypoxantin je rozpustnější a je snadněji vylučován
XII.IV.9.2 Hypourikemie
- deficit xantinoxidasy (vylučování hypoxantinu a xantinu)
ATP ADP ATP ADP
36
Regulace biosyntézy purinových nukleotidů
• koncentrace PRPP
Rychlost syntézy
Rychlost odbouráníRychlost
spotřeby
• inhibice PRPP-glutamylamidotransferasy AMP a
GMP (konečnými produkty)
IMP
AMP
GMP
GMP
AMP
1.
2.
3.
hypoxantin xantin
xantinoxidasa xantinoxidasa
guanin
guanasa
kyselina močová
+N
N
N
NH
OH
HOO
N
N
N
NH
OH
HOOR H RH+ +
hydrogenurát (redukovaná forma) radikál (oxidovaná forma) Různé přeměny
N
N
OH
NNH
126 / 147
37
Vznik 2-deoxyribonukleotidů
(purinových i pyrimidinových)
OCH2O
OH OH
basePP
Nukleotiddifosfát 2-deoxynukleotiddifosfát
redukce
H
deoxygenace
XII.V Vznik 2-deoxyribonukleotidů (purinových i pyrimidinových)
- Nukleotiddifosfát → 2-deoxynukleotiddifosfát
- je potřeba thioredoxin, thioredoxinreduktasa, NADPH
o thioredoxinreduktasa obsahuje selen
- kofaktor vázaný na bílkovinu
XIII Replikace DNA
- replikace (reduplikace) = zdvojování
- kaţdé ze dvou mateřských vláken DNA slouţí jako templát pro syntézu komplementárních vláken
- v nových řetězcích se báze řadí na principu komplementarity vůči bazím v templátovém řetězci
- probíhá v jádře
- 3 fáze replikace DNA
o Iniciace
o Elongace
o Spojení a terminace
Látkové faktory potřebné k syntéze DNA
- dATP, dCTP, dGTP, dTTP
- Mg2+
- primer RNA
- templát DNA (mateřské vlákno)
Enzymy potřebné potřebné pro syntézu DNA
- různé u prokaryontů a eukaryontů
- rozplétací enzym (DNA-helikasa)
- RNA- polymerasa
- DNA-dependentní DNA-polymerasa
- DNA-ligasa
- ATP-asa
- topoisomerasa
XIII.I Chemická reakce syntézy DNA
- vlastní syntéza je katalyzována DNA-polymerasami
- do reakcí s jiţ vytvořenou DNA (nebo primerem RNA) vstupuje deoxyribonukleotidtrifosfát (dNTP)
- odštěpuje se difosfát a dNMP se připojí esterovou vazbou
- všechny DNA polymerasy navazují nukleotidy na 3´-konec primeru → nová DNA vzniká ve směru 5´→3´
Připojení deoxynukleotidu při elongaci řetězce DNA
- dNTP2 reaguje s 3´koncem primeru - vzniká esterová vazba mezi 3´-OH skupinou
stávajícího řetězce a 5´-fosfátem vstupujícího
nukleotidu
ribonukleotidreduktasa
O
O
CH2
OP OO
O -
base 1
H
H
O
O
CH2
OOP
Obase 2OP
O
OOP
OO
O
-
Mg
3´konec
stávajícího
řetězce
8
-
base 1O
O
CH2
O
O
O P O
H
O
O
CH2
OOP base 2O
dNTP3
+ PPi
5´
3´
127 / 147
10
rozplétací
protein (
ATP
ADP
proteiny stabilizující
jednovláknovou strukturu
3´
5´
16
Okazakiho
fragmenty
3´
5´
5´
3´
primer RNA
nová DNA
18
• replikace je prekaryontů i eukaryontů vţdy zahájena v
počátku
• probíhá v obou směrech od kaţdého počátku, vznikají dvě
replikační vidlice, které se od sebe vzdalují
• vznikají replikační bubliny - replikony
5´
3´
3´
5´
Iniciace replikace
počátek
Rozdíly mezi eukaryonty a prokaryonty
oriC-počátek replikace
(pouze jediný)
- replikace probíhá na obou vláknech
- dvoušroubovice musí být rozvinuta – enzym helikasa
- vytváří se replikační vidlice
- reasociaci řetězců zabrání ssb-proteiny (single strain binding protein)
- podle matrice obou mateřských vláken probíhá syntéza vláken nových
XIII.II Proteiny důleţité pro transkripci
- podílejí se na:
o oddělení řetězců = helikasa
o udrţování jednovláknové struktury
= ssb-proteiny single strain binding
XIII.III Primery
- k syntéze DNA je potřebný RNA primer
- DNA polymerasa neumí iniciovat syntézu nových řetězců
o pro svou funkci vyţaduje volnou 3´-OH skupinu
o tuto skupinu zajišťuje RNA primer (10-20 bází)
- RNA primer je syntetizován ve směru 5´ 3´účinkem RNA polymerasy (primasy)
- primer je kódován podle odpovídající sekvence templátu
- po vytvoření primeru se na 3´-konci RNA syntetizuje DNA působením DNA polymerasy
- po ukončení syntézy DNA se primer RNA odbourá exonukleasou
- vzniklá mezera se zaplní DNA polymerasou
- oba úseky DNA se spojí DNA-ligasou
XIII.IV Syntéza nové DNA podél řetězce BI
- vedoucí vlákno se syntetizuje kontinuálně
- na řetězci B vznikají Okazakiho fragmenty (syntetizují se ve
směru 5´ 3´)
- při pokračující replikaci jsou úseky RNA v Okazakiho fragmentech
odstraněny exonukleasou
- polymerasa vyplní prázdná místa
- ligasa spojí fragmenty DNA
→ na otálejícím řetězci probíhá replikace diskontinuálně
XIII.V Rozdíly mezi eukaryonty a prokaryonty
XIII.V.1 Iniciace replikace
- replikace je prokaryontů i eukaryontů vţdy zahájena v počátku
- probíhá v obou směrech od kaţdého počátku, vznikají dvě replikační vidlice,
které se od sebe vzdalují
- vznikají replikační bubliny – replikony
XIII.V.1.1 Iniciace replikace u prokaryontů
- počátek replikace pouze jediný
I Řetězec A – označuje se jako vedoucí vlákno (leading strand)
Řetězec B – opoţďující se (otálející) vlákno (lagging strand)
128 / 147
21
3´
5´
počátek
replikace
směr
replikace
replikační počátek
replikon
spojení replikonů
- replikace začíná v počátku
- pokračuje, dokud se obě vidlice nesetkají
→ další syntéza můţe začít, i kdyţ první cyklus ještě není ukončen
- 40 min.
XIII.V.1.2 Iniciace replikace u eukaryontů
- eukaryotické chromozomy jsou tvořeny dlouhými molekulami DNA,
který nemohou být replikovány kontinuálně → replikace těchto velkých
molekul vyţaduje zahájení na několika místech současně.
- počátek replikace - aţ 30 000 míst současně
- zahájení je řízeno prostorově i časově, nemusí být zahájeno na všech
počátcích současně
- rychlost replikace je menší neţ u prokaryontů
- probíhá v S fázi
XIII.V.2 Enzymy
Enzymy prokaryontní replikace
Polymerasa Funkce Exonukleasová aktivita
DNA polymerasa I Vyplnění místa o RNA, opravy DNA,
odstranění RNA primerů 5´→3´ i 3´→5´
DNA polymerasa II Opravy DNA 3´→5´
DNA polymerasa III Replikace 3´→5´
Enzymy eukaryontní replikaceI
Polymerasa Funkce Exonukleasová aktivita
DNA polymerasa α replikace, opravy DNA ţádná
DNA polymerasa β opravy DNA ţádná
DNA polymerasa γ replikace v mitochondriích 3´→5´
DNA polymerasa δ replikace, opravy DNA 3´→5´
DNA polymerasa ε replikace 3´→5´
Další enzymy podílející se na replikaci
Primasa (helikasa) Oddělují vlákna DNA
SSB-proteiny Zabraňují reasociaci vláken DNA
topoisomerasy Uvolňují pnutí vyvolané superstáčením
Enzymy odstraňující primer (RNA-sy) Hydrolyzují RNA z RNA-DNA hybridů
DNA ligasy Spojují úseky DNA fosfodiesterovou
vazbou
Telomerasy úprava 3´konce templátu
XIII.V.3 Okazakiho fragmenty u ekaryontů a prokaryontů
- Prokaryonty – 1000-2000 bází
- Eukaryonty - 200 bází
I je známo kolem 9 polymeras
129 / 147
31
podofyllotoxin
kamptothecin
CamptothecaCamptotheca
acuminataacuminata
PodophyllumPodophyllum
peltatumpeltatum ad.ad.
N
N O
OOH
H5C2
OH
O
O
CH3O OCH3
OCH3
O
O
34
templátový řetězec
opoţďující se
řetězec
3´konec
RNA
primer
telomerasa připojuje
sekvence k templátovému
řetězci
1.
2.
DNA-polymerasa
dosyntetizuje
opoţďující se řetězec
XIII.VI Topoisomerasy
- topologie DNA = trojrozměrná struktura DNA
- u dvojité DNA dochází často k superstáčení
o pozitivní – ve stejném směru jako stočení helixu = doleva
o negativní – v opačném směru jako helix = doprava
o superstáčení můţe být odstraněno topoisomerasami
- DNA topoisomerasy mají řadu funkcí (při replikaci, transkripci, ukládání DNA do buněk, při opravách)
XIII.VI.1 Topoisomerasa I
- reversibilně přerušuje fosfoesterovou vazbu v jednom řetězci
- umoţní otáčení kolem jednoho řetězce (uvolnění superstočení)
- katalyzuje opětné spojení řetězců
- nevyţaduje energii.
- je u prokaryontů i eukaryontů
XIII.VI.2 Topoisomerasa II
- můţe relaxovat superstočenou DNA nebo superstáčení zavádět.
- štěpí oba řetězce.
- je u prokaryontů (DNA gyrasa) i eukaryontů.
- gyrasa vyţaduje ATP.
XIII.VI.3 Inhibitory topoisomerasy
- zabraňují replikaci
- protinádorové léky
- kamptothecin – rostlinný produkt
- antracykliny (daunorubicin) – bakteriální produkty
- podofyllotoxiny – rostlinné produkty
XIII.VII Telomery
- zvláštní sekvence DNA na koncích chromosomů
- tandemy druhově specifických oligonukleotidů, bohatých na G
- (u člověka TTAGGG aţ 1000x)
- mají ochrannou funkci
- při syntéze opoţďujícího řetězce vyţaduje replikační aparát přítomnost určité délky templátové DNA za
sekvencí, která má být kopírována.
- syntéza opoţďující se DNA by se zastavila před koncem templátu.
XIII.VII.1 Telomerasa
- dokončení syntézy DNA
- připojuje preformovaný hexanukleotid na 3´-konec templátového
vlákna
- je reverzní transkriptasa – ve své struktuře nese RNA templát,
ten připojí k 3´konci templátové DNA a podle něj dosyntetizuje
příslušnou komplementární sekvenci DNA
Positivní superstáčení
Přerušení fosfoesterové vazby následované rotací
kolem druhého vlákna a opětným spojením
Dokončení syntézy DNA na koncích chromozomů
130 / 147
35
3´
5´
replikovaný konec
váznoucího řetězce
Další funkce telomer: vytváří ochranu před působením
DNA-nukleáz na koncích chromozomů
- další funkce telomer: vytváří ochranu před působením DNA-nukleáz
na koncích chromozomů
XIII.VII.2 Korelace délky telomer se stářím a replikační kapacitou buňky
- buňky získané od mladších jedinců mají delší telomery a mohou podléhat většímu počtu dělení
- sníţená aktivita telomerasy pravděpodobně souvisí se stářím organismu
- buňky, které se často dělí (zárodečné, kmenové a nádorové) mají vyšší hladinu telomerasy
- inhibitory telomerasy mohou být uţitečné v terapii nádorů
XIII.VIII Poškození a opravy DNA
- většina buněk má schopnost rozeznat a vystřihnout poškozenou oblast DNA a následně syntetizovat
opravenou formu
- specifické glykosylasy, exonukleasy a endonukleasy
- DNA polymerasa nahradí chybějící báze
- DNA ligasa spojuje úseky
Typ poškození Příčina
Chybějící báze Depurinace (104purinů za den)
Změněná báze Ionizační záření, alkylační činidla
Nepřesná báze Spontánní deaminace
Delece-inserce Interkalační činidla (akridiny)
Formace dimerů UV záření
Zlomy řetězců Ionizační záření, chemikálie (bleomycin)
Meziřetězové
vazby
Chemické látky (deriváty psoralenu, mitomycin
c)
Tvorba tautomerů Spontánní a dočasná
XIII.VIII.1 Reparační enzymy
- buňky mají k dispozici čtyři hlavní opravné systémy :
o vystřiţení porušené báze („base excision repair― systém)
o vystřiţení porušeného nukleotidu („nukleotide excision
repair―)
o oprava chybného párování („mismatch repair―)
o prevence inkorporace porušeného nukleotidu do DNA
- mutace, které vzniknou během DNA replikace jsou opravovány
zpětnou kontrolu správného zařazení posledního nukleotidu
(3´ 5´proofreading)
XIV Syntéza a postranskripční úpravy RNA
XIV.I Transkripce
- proces tvorby RNA na podkladu struktury DNA
131 / 147
43
5´ 3´
G G A T C
3´5´
C C T A G
5´ 3´
G G A U C
Kódující řetězec
Templátový řetězecDNA
RNA
Syntéza RNA probíhá opět ve směru 5´ 3´
- je přepisován pouze jeden řetězec dvoušroubovice DNA – templátový
řetězec
- druhý řetězec se nazývá kódující (jeho sekvence bází odpovídá
transkriptu, pouze místo U je T)
- syntéza RNA probíhá opět ve směru 5´ 3´
XIV.I.1 Replikace x transkripce
Replikace Transkripce
Enzymy: DNA-polymerasy RNA-polymerasy
Kde probíhá: na chromosomu v S fázi vybraný segment DNA
Zahájení: vyţaduje RNA primer nevyţaduje primer
Průběh: kopírována obě vlákna kopírováno pouze jedno vlákno
Kontrola: polymerasa má zpětnou kontrolu
správného zařazení posledního nukleotidu polymerasa nemá zpětnou kontrolu
správného zařazení posledního nukleotidu
Nukleotidy: dATP, dGTP, dCTP, dTTP ATP, GTP, UTP, CTP
XIV.I.2 DNA-dependentní RNA polymerasa (transkriptasa)
- enzym zopovědný za transkripci
- Prokaryonty:
o 5 podjednotek plus sigma faktor.
o přepisuje všechny formy RNA
- Eukaryonty
o 4 různé RNA polymerasy
XIV.I.2.1 RNA polymerasy u eukaryontů
- RNA pol I – syntéza r RNA
- RNA pol II – syntéza mRNA
- RNA pol III – syntéza tRNA, 5S RNA
- RNA pol IV – syntéza mitochondriální RNA
- mají stejný mechanismus účinku
- rozlišují různé promotory
Amanitin
- inhibitor eukaryontních RNA polymeras (hlavně typu II)
XIV.I.3 Fáze transkripce
- iniciace
- elongace
- terminace
XIV.I.4 Účinek RNA polymeras
- syntéza nové RNA probíhá ve směru 5´→3´
- k syntéze jsou potřebné ATP,GTP,CTP,UTP
- kaţdý nukleotid se páruje s komplementární bází na templátovém vlákně
132 / 147
52
Promotor u prokaryontů
V pozici ~ -10 obsahuje Pribnowův box TATAAT
V pozici ~ -35 další sekvence TTGACA
Tyto sekvence jsou rozeznány -faktorem prokaryotické
RNA polymerasy
Sekvence v promotoru
prokaryontů
-35Pribn
.box~ 15 b
Start
transkripce
~ 10b
54
Start
transkripce
~ -25 b~ -40 b
Sekvence v promotoru
eukaryontů
TATACAAT
Promotor u eukaryontů
- polymerasa tvoří fosfoesterovou vazbu mezi 3´-OH ribosy na rostoucím RNA vláknu a -fosfátem
navázaným na 5´OH ribosy vstupujícího nukleotidu
- energie polymerace je kryta štěpením NTP
XIV.I.5 Terminologie transkripce
- Promotor – oblast DNA dlouhá asi 40 nukleotidů nacházející se před místem startu od 5´konce
- Transkripční jednotka – oblast od promotoru k terminační oblasti
- Boxy (elementy) – malé sekvence obsaţené v oblasti promotoru
- Cis-působící sekvence – leţí na molekule DNA, která je přepisována, v blízkosti genu
- Trans-působící faktory – proteinové faktory váţící se na DNA (geny řídící jejich syntézy jsou na jiných
chromozomech)
- Primární transkript – RNA produkt nasyntetizovaný ve směru 5´ 3´
XIV.I.6 Rozpoznání templátu
- RNA polymerasa (RNAP) vytvoří stabilní komplex s templátovou DNA v místě promotoru
- v místě promotoru se nachází konvenční sekvenceI
XIV.I.7 Promotory
XIV.I.7.1 U prokaryontů
- v pozici ~ -10 obsahuje Pribnowův box TATAAT
- v pozici ~ -35 další sekvence TTGACA
- tyto sekvence jsou rozeznány -faktorem prokaryotické RNA polymerasy
XIV.I.7.2 Promotor u eukaryontů
- RNA polymerarsa III
- transkripce eukaryontních genů je mnohem komplikovanější
- je zapojena řada transkripčních faktorů, které se váţí k různým
úsekům DNA
- promotor obsahuje TATA box analogický Pribnowově sekvenci
(ATATAA) – určuje pravděpodobně místo startu – vazba bazálních transkripčních faktorů
- v pozici ~ -100-200 jsou 1-2 další regulační sekvence (CAAT box, GC box) – určuje pravděpodobně
frekvenci startu (promotorové proximální sekvence)
- vzdálené regulační sekvence (mimo promotor) (téţ nazývané nhancery, silencery)– váţou specifické
transkripční faktory
XIV.I.8 Genově specifické regulační proteinyII
- Specifické transkripční faktory – proteiny, které se váţou v regulačních sekvencích mimo promotor, často
velmi vzdálených.
- působí jako aktivátory nebo represory transkripce příslušného genu.
- specifické transkripční faktory interagují s mediátorovými proteiny (koaktivátory, korepresory), které jsou v
kontaktu s bazálními transkripčními faktory
XIV.I.9 Transkripční faktory a zahájení transkripce
- aby nastala transkripce, váţí se na DNA proteiny nazývané transkripční faktory (trans – faktory)
- transkripce je zahájena teprve po navázání všech transkripčních faktorů
I sekvence, které se obecně najdou v určité oblasti mnoha zkoumaných genů II Viz následující kapitola
+ PPi
133 / 147
60
Úprava eukaryontní mRNA
Primární transkript je hnRNA
Je přepisem strukturního genu, v němţ jsou kódující
sekvence (exony) střídány sekvencemi nekódujícími
(introny nebo intervenujícími sekvencemi)
Exon1
Exon2
Exon3
Exon4
Intron1
Intron2
Intron3
nekódující sekvence musí být odstraněny z primární RNA
během úprav (processingu)
62
Úpravy mRNA
DNA
promotor Exon 1 Exon 2Intron 1 Intron 2 Exon 3
transkripceStop
kodonpolyA
signál
5´ 3´
posttranskripční úpravy
polyA
Zralá
mRNA
Stop
kodon
hnRNA
cap
- RNA polymerasa se váţe k transkripčním faktorům a DNA
- dvojitý helix DNA se rozvíjí a polymerasa je „sunuta― k místu startu
- je zahájena transkripce
- po zahájení transkripce se většina transkripčních faktorů oddělí
XIV.I.10 Elongace
- je zahájena navázáním RNA-polymerasy v místě startu
- RNA-polymerasa nevyţaduje primer
- vyuţívá ATP,GTP, CTP a UTP, uvolňuje PPi
- RNA-polymerasa má rozplétací aktivitu, dochází rovněţ k superstáčení
- účast topoisomeras při uvolňování superstáčení
XIV.I.11 Terminace
- proces elongace je ukončen při dosaţení terminačního signálu
- u prokaryontů je terminace
o závislá na faktoru
o nezávislá na faktoru
- u eukaryontů je o terminaci málo známo
XIV.II Úprava primárních transkriptů
- primární transkript je přesnou kopií transkripční jednotky
- primární transkripty tRNA a rRNA u prokaryontů i eukaryontů jsou posttranskripčně modifikovány
ribonukleasami
- prokaryontní mRNA je prakticky identická s primárním transkriptem (k translaci slouţí ještě před
ukončením syntézy)
- eukaryontní RNA podléhá rozsáhlým postranskripčním modifikacím
XIV.II.1 Úprava eukaryontní mRNA
- primární transkript je hnRNA
- je přepisem strukturního genu, v němţ jsou kódující sekvence
(exony) střídány sekvencemi nekódujícími (introny nebo inter
venujícími sekvencemi)
- nekódující sekvence musí být odstraněny z primární RNA
během úprav (processingu)
XIV.II.1.1 Úprava hnRNA v jádře
- chemická modifikace (navázání 5´ čapky)
- sestřih (odstranění sekvencí odpovídajích intronům)
- polyadenylace (adice 3´ polyA )
134 / 147
XV Syntéza proteinů
= translace
- v buňkách obsahujících jadernou DNA
- ribosomy (volné nebo vázané na ER, mitochondrie)
- prokaryonty – transkripce, úpravy transkriptu a translace nejsou prostorově odděleny
- eukaryonty – translace probíhá aţ je zralá mRNA dopravena do cytoplazmy
- potřebné molekuly
o aminokyseliny
o řada enzymů
o bílkovinné faktory
o ATP a GTP
o anorganické ionty (Mg2+, K+)
XV.I Genetický kód
- RNA – 4 báze
- proteiny – 20 AK
- kaţdá aminokyselina je charakterizována tripletem bází v mRNA –
kodonem
- Celkem 64 kodonů → 61 kóduje aminokyseliny
- 3 jsou STOP kodony (UAA,UAG, UGA)
- Nierenberg (1961) – poly(U) sekvence mRNA je předlohou pro syntézu
polyfenylalaninu sekvence UUU je kódem pro fenylalanin
XV.I.1 Vlastnosti genetického kódu
- degenerovaný (jedna aminokyselina můţe mít více neţ jeden kodon)
- jednoznačný (kaţdý kodon specifikuje pouze jednu aminokyselinu)
- „kolísavý― (třetí báze tripletu můţe být zaměněna)
- téměř universální (všechny organismy mají stejný genetický kód, je
jen několik výjimek : např. v lidské mitochondriální mRNA triplet
UGA kóduje trp namísto stop-kodonu, AUA koduje methionin
místo leucinu)
- nepřekrývající se (kaţdý kodon je čten jen jedenkrát)
- nepřerušovaný (kodony nejsou odděleny, triplety na sebe navazují)
XV.I.2 Vztah mezi mRNA a proteinem
- sekvence bází v mRNA je roztříděna do kodonů
- startovací kodon zahajuje čtení úseku
- pořadí kodonů v mRNA určuje pořadí, ve kterém jsou aminokyseliny připojovány v rostoucím
polypeptidovém řetězci – čtení je určeno čtecím rámcem
XV.I.3 Mutace
- mutace jsou výsledkem poškození nukleotidů v DNA nebo neopravených chyb během replikace.
- mohou být přepsány do mRNA
- translací chybné báze můţe v proteinu vzniknout abnormální sekvence AK
První báze Druhá báze Třetí báze
5´ U C A G 3´
U
Phe Ser Tyr Cys U
Phe Ser Tyr Cys C
Leu Ser Stop Stop A
Leu Ser Stop Trp G
C
Leu Pro His Arg U
Leu Pro His Arg C
Leu Pro Gln Arg A
Leu Pro Gln Arg G
A
Ile Thr Asn Ser U
Ile Thr Asn Ser C
Ile Thr Lys Arg A
Met Thr Lys Arg G
G
Val Ala Asp Gly U
Val Ala Asp Gly C
Val Ala Glu Gly A
Val Ala Glu Gly G
135 / 147
14
N
N
N
N
N H 2
O
O H O H
OPO
O
O
+ ATPC OC
OH
NH2
R H
2Pi
+
CC
OH
NH2
R
12
antikodon
Variabilní
smyčka
D-smyčka
3´-konec,
akceptorová stopka
připojení AK esterovou vazbou k 3´-OH
ribosy
T-smyčka
(T C)
Vazba na povrch
ribosomu
A
C
C5´konec
15
Cyt
t-RNA
CO
C
NH2
R
N
N
NH2
P
O
O-
N
N
CH2
O OH
OO
PO
O
O-
CH2
O OH
OO
XV.I.3.1 Typy
- bodové – výměna jediné báze
o mírné
neovlivní sekvenci AK v proteinu
např. CGA CGG (obě sekvence kódují Arg)
o měnící smysl
jedna AK je zaměněna jinou
např. GCA CCA vyvolá záměnu arg prolinem
o nesmyslné
vyvolají předčasnou terminaci řetězce
např. CGA UGA, kodon pro Arg je nahrazen stop-kodonem
- inserce – vloţení jednoho nebo více nukleotidů
- delece – vypuštění jednoho nebo více nukleotidů
o porucha záleţí na počtu vypuštěných nebo vloţených nukleotidů
o jsou-li vypuštěny tři nukleotidy, nebo více trojic nukleotidů při zachování čtecího rámce, dojde k
tvorbě polypeptidu s chybějícími AK
o je-li vypuštěn jeden nebo dva nukleotidy, dojde ke změně čtecího rámce a vznikají zkomolené
sekvence AK, nesmyslné kodony atd.
XV.II tRNA
- aminokyseliny nemohou přímo reagovat s bázemi
- „adaptérem jsou tRNA molekuly―
- kaţdá molekula tRNA obsahuje antikodon
- antikodon je triplet bází komplementárních ke kodonu mRNA
- kaţdá tRNA můţe vázat specifickou AK na svém 3´-konci
XV.II.1 Tvorba aminoacyl-tRNAI
- aminokyselina je nejprve aktivována reakcí s ATP na aminoacyl-AMP
- aktivovaná AK je přenášena na 2´- nebo 3´- OH skupinu ribosy
na 3´konci tRNA
- reakce je katalyzována specifickými enzymy
(aminoacyl-tRNA synthetasy)
- reakce vyţaduje dodání energie
XV.III Fáze translace
- Inciace
- Elongace
I tRNA s navázanou AK se nazývá „nabitá― (charged) tRNA
Aminoacyl-AMP
(smíšený anhydrid)
aminokyselina
3´- konec t-RNA
Esterová vazba mezi -
COOH aminokyseliny a
3´-OH ribosy
136 / 147
17
5´-P-P-P-5´-5´ G
Malá ribosomální
podjednotka
Velká ribosomální
podjednotka
Guaninová
čapka
mRNA
antikodon
P AtRNA
H2N-C-C-O
O
R
Místa P (peptide) a A (amino
acid) ve struktuře větší
podjednotky ribosomu
H
18
eIF3 + eIF1A
40S
80S
60S
19
G
eIF2
GTP
H2N-C-C-O
O
Met
HAMP
20
O
H2N-C-C-O
Met
H
2. Vazba komplexu GTP-eIF2 k Met-RNAMet
G
22
H2N-C-C-O
O
Met
G
Komplex skenuje mRNA, dokud nenarazí na
sekvenci AUG
A C A U G U U G C C G
ATP
ADP + Pi
U A C
5´-P-P-P-5´-
Vazba m-RNA k preiniciačnímu komplexu
23
H2N-C-C-O
O
Met
A C A U G U U G C C GU A C
GTP je hydrolyzováno
eIFs se oddělí
připojí se větší ribosomální podjednotka
P A
5´
Iniciační komplex 80S
- Terminace
- probíhají v cytoplazmě, ve vazbě na ribosomy
XV.III.1 Iniciace
I
- disociace ribosomu na větší a menší podjednotku, navázání
faktorů eIF3 a eIF1A na menší podjednotku
Vazba aktivovaného Met na tRNAMet + vazba GTP k eIF2 Vazba komplexu GTP-eIF2 k Met-
RNAMet
XV.III.1.1 Preiniciační komplex
- vazba komplexu Met-tRNAMet, eIFs a GTP k menší ribosomální podjednotce 40S
- na čepičku na 5´konci mRNA se váţe CBP (cap binding protein)
- součástí CPB je několik dalších iniciačních faktorů (eIFs)
Vazba m-RNA k preiniciačnímu komplexu
- komplex skenuje mRNA, dokud nenarazí na sekvenci AUG
- spotřeba ATP (rozklad na ADP + Pi)
XV.III.1.2 Iniciační komplex 80S
- GTP je hydrolyzováno
- eIFs se oddělí
- připojí se větší ribosomální podjednotka
- Met-tRNA se váţe v P-místě větší podjednotky ribosomu
I pro eukaryonty
137 / 147
27
A C A U G U U G C C GU A C
P A
Která další AK bude připojena ?
Antikodon je AAC
Aminokyselinou je leucin
H2N-C-C-O
O
Met
5´
29
A C A U G U U G C C GU A C
P A
H2N-C-C-O
O
Met
H2N-C-C-O
O
Leu
A A C5´
HH
Proces elongace je u prokaryotů a eukaryontů velmi podobný
(odlišné kofaktory elongace)
31
A C A U G U U G C C G
P
5´
A
Leu-C-C-O
O
NH
C=O
H
CHMet
A A C
NH2
32
A C A U G U U G C C G
P
5´
A
A A C
Translokace
NH2
Leu-C-C-O
O
NH
C=O
H
CHMet
Směr posunu
XV.III.1.3 Rozdíly v iniciaci u prokaryontů a eukaryontů
eukaryonty prokaryonty
Vazba mRNA k malé
ribos.podj.
Cap na 5´konci mRNA váţe 40s rib.podjednotku
obsahující tRNA, mRNA je skenována na AUG
kodon
Nemá cap, Shin-Dalgarno sekvence nad
iniciačním AUG se váţe na komplementární
sekvenci v 16s rRNA
První AK methionin formylmethionin
Iniciační faktory 12 a více 3
ribosomy 80s (40s a 60s) 70s (30s a 50s)
XV.III.1.4 Faktor eIF2
- zásadní význam pro zahájení translace
- jeho fosforylovaná forma je neaktivní
- Příklad regulace syntézy proteinu:
o syntéza globinu v retikulocytech
o při nepřítomnosti hemu v retikulocytu je eIF fosforylován neaktivní
o přítomnost hemu inhibuje kinasu, která fosforyluje eIF2 syntéza probíhá
- kinasa eIF2 je aktivována také při virových infekcích, hladovění.
XV.III.2 Elongace peptidového řetězce
- tvorba další aminoacyl-tRNA
- vazba aminoacyl-tRNA do místa A ribosomu
- tvorba peptidové vazby
- translokace peptidyl-tRNA do místa P
XV.III.2.1 Tvorba Leu-tRNA
- aktivace leucinu reakcí s ATP → leucinyladenylát
- tvorba leu-tRNA
- vazba GTP a EF1
- komplex Leu-tRNA+GTP+EF1 se váţe do místa A, GTP je
hydrolyzováno na GDP + Pi, komplex GDP-EF1 se uvolní
- proces elongace je u prokaryotů a eukaryontů velmi podobný
(odlišné kofaktory elongace)
XV.III.2.2 Tvorba peptidové vazby (transpeptidace)
- peptidyltransferasa katalyzuje odštěpení methioninu od tRNA a přenesení na leucin za vzniku peptidové
vazby
- syntéza proteinů začíná N-koncem
- vazebné místo na 3´-konci tRNAMet je volné
XV.III.2.3 Uvolnění tRNA
- k ribosomu se váţe EF2 a GTP
- tRNAMet se z ribosomu uvolní, P místo se uvolní
- GTP je hydrolyzováno, EF2 se opět uvolní
XV.III.2.4 Translokace
- vzájemný posun ribosomu a mRNA o jeden kodon
XV.III.2.5 Další elongace
- do místa A se navazuje další tRNA s navázanou AK (prolin)
138 / 147
XV.III.3 Terminace
- elongace pokračuje dokud se terminační (Stop) kodon neposune k místu A na ribosomu
- v cytoplazmě není ţádná tRNA schopná vázat se ke Stop- kodonu
- k ribosomu se naváţou uvolňovací faktory (releasing factors)
- peptidyltransferasa hydrolyzuje vazbu mezi peptidovým řetězcem a tRNA
- nově syntetizovaný peptid je uvolněn z ribosomu
- ribosom disociuje na podjednotky, mRNA se uvolní
XV.III.4 Energetická bilance
Vznik aminoacyl-tRNA ATP → AMP + 2 Pi 2
Vazba aminacyl-tRNA do místa A GTP → GDP + Pi 1
Přesun peptidyl-tRNA na místo P GTP → GDP + Pi 1
4 ATP
- na syntézu jedné peptidové vazby je potřeba 4 ATP
- další energie je potřebná pro iniciaci a syntézu nukleotidů
XV.III.5 Rychlost proteosyntézy
- u prokaryontů – 1 peptidová vazba/ setiny sekundy
- u eukaryontů ~ 100 peptidových vazeb/min
XV.III.6 Polysomy
- simultání translace mRNA na více ribosomech
- Zatímco jeden ribosom se pohybuje podél mRNA a produkuje polypeptidový řetězec, další ribosom se
můţe vázat do prázdného místa na 5´-konci. Současně můţe na jedné mRNA působit mnoho ribosomů (s
odstupem cca 80 nukleotidů = polyribosom (polysom)
XV.III.7 Syntéza proteinů v mitochondriích
- mitochondrie obsahují 2-10 kopií uzavřené kruhové, dvouvláknové DNA
- velikost kolísá v závislosti od druhu
- ţivočišná mitochondriální DNA - Mr~ 107
- kóduje rRNA, sadu tRNA a mRNA pro několik proteinů
- proteiny syntetizované v mitochodriích jsou nepatrnou frakcí proteinů vnitřní mitochondriální membrány,
jsou však esenciální pro průběh oxidativní fosforylace (část komplexů I,III,IV a ATP synthasy)
- syntéza proteinů v mitochodriích má řadu rysů shodných se syntézou u prokaryontů (iniciace
formylmethioninem, citlivost k antibiotikům atd.)
XV.III.8 PolycistronickáI bakteriální mRNA
- obsahuje nukleotidové sekvence pro více neţ jeden protein
- proteiny jsou často metabolicky spřaţené (např. mRNA obsahuje deset cistronů kódujících 10 enzymů
potřebných pro syntézu histidinu)
- polycistronická mRNA obsahuje nepřekládané úseky na obou koncích a mezi kaţdým úsekem kódujícím
jednu bílkovinu
- u eukaryontů nejsou polycistronické mRNA
I Cistron je u bakterií jednotkou genetické exprese
139 / 147
45
Syntéza N-glykoproteinů
Syntéza cukerné sloţky se odehrává mimo bílkovinu
Základem je polyisopren dolichol (viz syntéza cholesterolu
H-[CH2-C=CH-CH2]n-CH2-CH-CH2-CH2OH
CH3 CH3
n=18-20
Dolichol ve formě difosfátu je vázán v membráně ER, na koncový fosfát se
postupně napojují aktivované monosacharidy.
Hotový oligosacharid se přenese na bílkovinu, je vázán přes asparagin N-
glykosidovou vazbou. Ve vazbě na bílkovinu proběhnou konečné úpravy
oligosacharidové sloţky.
47
Syntéza O-glykoproteinů
Probíhá v ER a v Golgiho aparátu
………ser…………….
OH UDP-monosach. UDP
………ser…………….
O-monosacharid
Aktivované monosacharidy se postupně připojují O-
glykosidovou vazbou
XV.III.9 Antibiotika jako inhibitory syntézy proteinů
- při působení antibiotik jsou vyuţívány rozdíly v mechanismu proteosyntézy u eukaryontů a prokaryontů
- některá antibiotika reagují specificky s proteiny bakteriálních ribosomů
- výsledkem je zastavení proteosyntézy a smrt bakterie
- některá antibiotika mohou působit na eukaryontní mitochondriální proteosyntézu
XV.IV Skládání proteinů (folding)
- nascentní polypeptidový řetězec je transportován skrze ribosomy
- postupně se dostává mimo „chráněnou― oblast ribosomu a nastává jeho prostorové skládání
- skládání (folding) je zprostředkováno zvláštními proteiny – chaperony (heat shock proteins)
XV.V Posttranslační modifikace proteinů
- Odstranění methioninového zbytku
- Změna délky molekuly (odštěpení části polypeptidového řetězce)
- Glykosylace
- Acetylace
- Karboxylace
- Methylace
- Prenylace
- Hydroxylace
- Sulfatace ad.
XV.V.1 Glykosylace proteinů
- Glykoproteiny
o N-glykosidové
o O-glykosidové
- liší se obsahem sacharidů a způsobem syntézy
XV.V.1.1 Syntéza N-glykoproteinů
- syntéza cukerné sloţky se odehrává mimo bílkovinu
- základem je polyisopren dolichol (viz syntéza cholesterolu)
- dolichol ve formě difosfátu je vázán v membráně ER
- na koncový fosfát se postupně napojují aktivované monosacharidy.
- hotový oligosacharid se přenese na bílkovinu
- je vázán přes asparagin N-glykosidovou vazbou
- ve vazbě na bílkovinu proběhnou konečné úpravy oligosacharidové sloţky
Glykosylace dolicholu
Dolichol-P Dolichol-P-P-GlcNAc Dolichol-P-P-GlcNAcGlcNAc
Dolichol-P-P-GlcNAc2Man9Glc3
XV.V.1.2 Syntéza O-glykoproteinů
UDP-GlcNAc UMP UDP-GlcNAc UMP
9 GDP-Man, 3 UDP-Glc
12 UDP
…….AsnXSer……
GlcNAc2Man9Glc3
…….AsnXSer……
Dolichol-P-P
140 / 147
49
Transport proteinů syntetizovaných na RER
Membrána RER
Signální peptid (obvykle 15-30
hydrofobních AK na N-konci)
Signál-
rozpoznávající
částice
SRP-
receptor Signální
peptidasaOdštěpený
signální
peptid
1.
2
.
3
45
6
51
Transport proteinů syntetizovaných na RER-pokr.
LyzosomySekreční
váčky
Cis Golgi
Trans Golgi
55
1
SHSH
HS
Odštěpení vodícího peptidu v ER
Štěpení
karboxypeptidasami v
Golgiho aparátu
preproinsulin
SH
Vytvoření H-
můstků
C-peptid
Vodící
peptid
- probíhá v ER a v Golgiho aparátu
- aktivované monosacharidy se postupně připojují
O-glykosidovou vazbou
XV.V.2 Příklad posttranslační úpravy: syntéza insulinu
- na ribosomech RER se syntetizuje preproinsulinu
- po vstupu do ER se odstraní vodící peptid
- vytvoří se dva disulfidové můstky
- proinsulin putuje do Golgiho aparátu, zde začíná proteolýza
ukládání do sekrečních granul
- granula putují cytoplazmou k plazmatické membráně
- po stimulaci fůzují s membránou a inzulin se vylévá do
extracelulárního prostoru
- výsledná struktura insulinu:
XV.VI Transport bílkovin do subcelulárních a extracelulárních prostorů
= targeting
- syntéza proteinů na volných ribosomech
o proteiny zůstávají v cytoplazmě nebo jsou transportovány do organel (jádro, mitochondrie)
- syntéza proteinů na RERI
o transport do lyzosomů, ER, Golgiho komplexu nebo do membrán, sekrece z buňky
XV.VI.1 Transport proteinů syntetizovaných na RER
1. Translace začíná v cytosolu
2. Jakmile signální peptid opustí ribosom, naváţe se na něj
signál-rozpoznávající částice (signal recognition
particle-SRP); současně se váţe k ribosomu a inhibuje další syntézu
3. SRP částice se váţe k SRP receptoru v RER membráně a
připoutá ribosom k RER
4. SRP se uvolní a syntéza pokračuje
5. Jakmile signální peptid proniká do RER, signální peptidasa jej
odstraní
6. Syntéza nascentního proteinu pokračuje a kompletní protein je
uvolněn do RER
- proteiny syntetizované na RER jsou formou vesiklů transportovány
do cis-části Golgiho aparátu
- zde je třídící centrum – strukturní rysy určují, kam bude protein
směřován (sorting)
- některé zůstanou v Golgiho aparátu, jiné se vracejí do RER
- další putují ve formě vesiklů do trans části Golgiho aparátu
- zde se oddělují lyzosomy a sekreční váčky
- obsah sekrečních váčků je uvolněn extracelulárně
- hydrofobní proteiny zabudované v membránách váčků se stávají
membránovými proteiny
I hrubé endoplazmatické retikulum – je bohatě obsaţeno v sekretorních buňkách
141 / 147
61
Operonová teorie
Strukturní geny u bakterií jsou často sdruţovány do operonů
promotor
1 32
Strukturní geny
operon
AUG AUGUAA AUGUGA UAG5´
Prot 1 Prot 1 Prot 1
DNA
3´mRNA
XV.VI.1.1 Principy intracelulárního třídění (sorting)
- Příklad 1:
o proteiny určené pro lyzosomy jsou označeny N-vázanými oligosacharidy zakončenými mannosa-6-P
(Prot-oligosacharid-mannosa-6-P)
o „adresa― je rozpoznána specifickými membránovými receptory v Golgiho aparátu
- Příklad 2:
o proteiny určené pro ER mají na karboxylovém konci sekvenci Lys-Asp-Glu-Leu
o proteiny jsou z Golgiho aparátu transportovány zpět do ER
XV.VII Účinky antibiotik na proteosyntézu
Antibiotikum Účinek
Streptomycin Váţe se k 30S ribosomální podjednotce, inhibuje tvorbu
iniciačního komplexu.Vyvolává chyby ve čtení mRNA.
Tetracyklin Váţe se k 30S ribosomální podjednotce a inhibuje vazbu
aminoacyl-tRNA do místa A
Chloramfenikol Váţe se k 50S ribosomální podjednotce a inhibuje
peptidyltransferasu
Erytromycin Váţe se k 50S ribosomální podjednotce a inhibuje translokaci
Puromycin Obsazuje A-místo ribosomu a vyvolává předčasnou terminaci
XV.VIII Regulace genové exprese
- genová exprese – tvorba proteinů nebo RNA produktů
- obvykle je v daném čase exprimována jen malá část genů přítomných v buňce
- genová exprese je regulována rozdílně u prokaryontů a eukaryontů
XV.VIII.1 Regulace genové exprese u prokaryontů
- jediná kruhová DNA v buňce
- DNA není komplexována s histony
- jádro není odděleno od cytoplazmy
- transkripty genů neobsahují introny
- translace a transkripce probíhají simultánně
→ rednodušší regulační mechanismy neţ u eukaryontů
- regulace probíhá na úrovni iniciace
XV.VIII.1.1 Operonová teorie
- strukturní geny u bakterií jsou často sdruţovány do operonů
- operon:
o zahrnuje strukturní geny pro proteiny metabolicky spřaţené
o geny v operonu jsou většinou exprimovány koordinovaně
(jsou buď všechny „vypnuty―, nebo všechny „zapnuty―)
o produktem transkripce je polycistronická mRNA
o transkripce je regulována jediným promotorem
XV.VIII.1.2 Regulace RNA polymerasy represorem
- negativní kontrola
- represor je kódován regulačním genem
- po syntéze represor difunduje k promotoru a váţe se v oblasti nazývané operátor (většinou součást
promotoru)
- represor blokuje vazbu RNA-polymerasy k promotoru
- syntéza mRNA neprobíhá
- represor je kontrolován dvěma mechanismy:
142 / 147
70
1 2 3 4
1
2 3
4
1 2
Nízká konc.Trp
Vysoká konc.trp STOP
Ribosom je
zpomalen
Rychle se pohybující
ribosom
Sekvence 1
obsahuje kodony
pro Trp
5´mRNA
o Indukce
induktor je malá molekula, která se váţe k represoru, mění jeho konformaci a vyvolá
odpojení od operátoru
transkripce můţe začít
induktory: malé molekuly ţivin nebo jejich metabolity
o Koreprese
represor není aktivní, pokud se na něj neváţe korepresor. Komplex represor-korepresor se
váţe na DNA a brání navázání RNA-polymerasy
transkripce neprobíhá
korepresory: malé molekuly ţivin nebo jejich metabolity - Příklad indukce: Indukce lac operonu laktosou u E.coli
o enzymy pro metabolismus glukosy glykolýzou jsou u E.coli produkovány konstitutivně
o je-li přidána laktosa, buňky se adaptují a začnou produkovat další enzymy kódované lac operonem
o jako induktor slouţí allolaktosa (isomer laktosy, vznikající spontánně), váţe se k represoru a inaktivuje jej.
o RNA polymerasa se můţe vázat k promotoru a přepisuje strukturní geny v lac operonu a produkuje polycistronickou RNA, která
kóduje tři další enzymy ( -galaktosidasu, permeasu a transacetylasu)
o děj probíhá, pokud je v buňce nedostatek glukosy
- Příklad koreprese: Koreprese trp operonu (syntéza tryptofanu u E.coli)
o geny pro enzymy syntézy tryptofanu (celkem 5 enzymů) jsou soustředěny v trp operonu
o tryptofan je korepresorem, váţe se k inaktivnímu represoru, mění jeho konformaci.
o komplex tryptofan-represor inhibuje transkripci operonu.
XV.VIII.1.3 Stimulace RNA polymerasy
- pozitivní kontrola
- regulační proteiny se váţou k promotoru a stimulují navázání RNA-polymerasy
- regulační protein je aktivován na základě přítomnosti/nepřítomnosti molekuly ţiviny (nebo jejího
metabolitu) v buňce - Příklad pozitivní kontroly – Vliv přítomnosti glukosy na lac operon u E.coli
o Transkripce lac operonu můţe být indukována allolaktosou (obr.64) pouze v nepřítomnosti glukosy
o Pokles hladiny glukosy v buňce vyvolá zvýšení hladiny cAMP (není známo proč)
o cAMP se váţe ke svému receptoru v buňce (cAMP-receptor CRP)
o cAMP-CRP komplex se váţe do regulační oblasti lac operonu, stimuluje vazbu RNA polymerasy k promotoru a transkripci
genů pro metabolismus laktosy
o → buňka metabolizuje laktosu, pouze pokud nemá k dispozici glukosu
XV.VIII.1.4 Atenuace transkripce
- předčasná terminace změnou sekundární struktury mRNA
- součástí operonu je sekvence zvaná atenuátor (zpomalovač)
- současně s transkripcí probíhá i translace
- rychlost translace ovlivňuje tvorbu smyček na mRNA
- mRNA je přepisována a současně ribosomy začínají
syntetizovat protein.
- RNA polymerasa je následována pohybujícím se ribosomem
- blízko 5´konce transkriptu je řada kodonů pro trp.
- na počátku je koncentrace trp vysoká, je vysoká i koncentrace
trp-tRNA a probíhá rychlá translace (ribosom se pohybuje rychle).
- rychlý pohyb ribosomu vytvoří v mRNA smyčku, která
slouţí jako terminační signál pro RNA polymerasy a
transkripce končí.
- jsou-li koncentrace trp nízké, hladiny trp-tRNA jsou nízké, ribosom se zpomalí, RNA polymerasa můţe
dokončit transkripci operonu
- úroveň transkripce je nastavena podle hladiny trp v buňce
XV.VIII.2 Regulace exprese v eukaryontních buňkách
- základní rysy genové exprese u eukaryontů (rozdíly od prokaryontů):
o DNA je organizována v nukleosomech
o gen se při expresi dostává do aktivní formy
o nejsou přítomny operony
o geny kódující metabolicky spřaţené děje (dráhy) leţí na různých chromozomech
o kaţdý gen má svůj vlastní promotor
143 / 147
81
Start
transkripce
~ -25 b~ -40 b
Sekvence v promotoru
eukaryontů
TATACAAT
Promotor u eukaryontů
Vazba bazálních transkripčních faktorů
o transkripce a translace jsou odděleny
- úrovně regulace genové exprese :
o ovlivnění na úrovni DNA a chromozomů
o ovlivnění transkripce
o úprava transkriptů
o ovlivnění iniciace translace
XV.VIII.2.1 Regulace dostupnosti genu pro transkripci
- v buňkách diferencovaných tkání se projevují jen ty geny, které v dané buňce mají nějakou úlohu
- chromatin v jádře:
o kondenzovaný (heterochromatin ) – geny jsou neaktivní
o difuzní (euchromatin ) – geny produkují mRNA
- během vývoje dochází ke změnám v aktivitě genů, chromatin přechází z kondenzované formy do difuzní a
naopak.
XV.VIII.2.2 Příklady ovlivnění genové exprese na úrovni struktury chromosomu
- remodelace chromatinu
- methylace DNA
- přeskupení genové DNA
- genová amplifikace
- delece genu
Remodelace chromatinu
- změna stavu chromatinu, která vede k aktivaci transkripce → uvolnění nukleosomu z chromatinu
- mechanismy remodelace:
o rozvinutí určitého úseku DNA z nukleosomu s vyuţitím štěpení ATP
o kovalentní modifikace histonových konců acetylací (acetylace -aminoskupiny v postranním řetězce
lysinu na N-koncích histonů H2A,H2B,H3 a H4).
Methylace DNA
- methylace cytosinových zbytků v DNA 5-methylcytosin
- probíhá často v oblastech bohatých na GC-sekvence v blízkosti promotorové oblasti genu (postsyntetická
modifikace DNA – enzym methylasa)
- geny, které jsou methylovány jsou často méně snadno transkribovány
- Př.: geny pro globin jsou methylovány v neerythroidních buňkách (syntéza hemoglobinu zde neprobíhá), v
erytroblastech a retikulocytech (prekursory erytrocytů) tyto geny methylovány nejsou
Přeskupení genů
- segmenty DNA se mohou v rámci genomu přeskupovat a asociovat s jinými geny
- Př.: Přeskupení genů v buňkách produkujících protilátky (imunoglobuliny) (viz Imunologie)
Amplifikace genu
- při genové amplifikaci určitá oblast chromosomu podléhá opakovaným cyklům DNA replikace
- nově syntetizovaná DNA je vystřiţena a tvoří malé, nestabilní chromosomy (double minutes)
- ty se integrují do jiných chromosomů a příslušný gen je tak amplifikován
- normálně je amplifikace vyvolána chybami při DNA replikaci a buněčném dělení - za určitých okolností
mohou být v genomu zakódovány - Př.: U pacientů léčených methotrexátem (inhibitor dihydrofolátreduktasy) se vyvinula resistence na lék (lék přestal být účinný)
Příčinou je zvýšení počtu genů pro dihydrofolátreduktasu v důsledku amplifikace.
XV.VIII.2.3 Regulace na úrovni transkripce
- Základní regulace transkripce (společná všem genům)
o regulace sloţkami „bazálního transkripčního komplexu― (RNA
polymerasa váţící se k TATA boxu, TATA váţící se proteiny
a další „bazální― transkripční faktory váţící se s
RNA-polymerasou nebo v oblasti promotoru)
o geny regulované pouze tímto způsobem : konstitutivně exprimované geny
- specifické ovlivnění genové exprese:
o prostřednictvím regulační sekvence v DNA a specifických transkripčních faktorů.
144 / 147
83
RNA-polymerasa
promotor
TATA
Bazální
transkripční
faktory
enhancer
HRE
Mediátorové
proteiny
Specifické
transkripční faktory
Regulační sekvence
genu
HR
HR – receptor hormonu
HRE – hormon responsible element
Terminologie
- starší terminologie :
o Enhancery – regulační sekvence v DNA, které váţou transaktivátory
o Transaktivátory váţou koaktivátory
o Silencery – regulační sekvence, které váţou korepresor
o Hormony se váţou k intracelulárnímu receptoru a ten se váţe k hormon-response elementu
- tyto termíny jsou stále uţívány
- jsou postupně nahrazovány termíny:
o regulační sekvence v DNA (enhancer, silencer, hormon response element)
o specifické transkripční faktory (odlišné od bazálníchtranskripčních faktorů)
o mediátorové proteiny (koaktivátory)
XV.VIII.2.4 Genově specifické regulační proteiny
- regulační oblasti na DNA jsou tvořeny oblastí promotoru a
dalších regulačních sekvencí.
- v oblasti promotoru se váţou bazální transkripční faktory
- bazální transkripční komplex – obsahuje RNA polymerasu a
bazální transkripční faktory.
- specifické transkripční faktory - proteiny, které se váţou
v regulačních sekvencích mimo promotor, často velmi vzdálených.
- působí jako aktivátory nebo represory transkripce příslušného genu.
- specifické transkripční faktory interagují s mediátorovýnmi proteiny
(koaktivátory, korepresory), které jsou v kontaktu s bazálními
transkripčními faktory
XV.VIII.2.5 Transkripční faktory, které jsou receptory steroidních a thyroidních hormonů
- receptory těchto hormonů jsou specifickými transkripčními faktory. Váţou se v regulační oblasti DNA (tato
oblast se nazývá hormon response element HRE)
- receptor navázaný na DNA reaguje rovněţ s koaktivátorem (mediátorový protein), který je v kontaktu s
bazálním transkripčním komplexem. Tím se vypíná nebo zapíná proces transkripce
- Př.1: Glukokortikoidový receptor (GR)
o GR se nachází v cytoplazmě
o po navázání kortisolu se změní jeho konformace a na povrchu se vystaví signál pro směřování do jádra (adresa)
o receptor s hormonem se přesouvá do jádra, kde se váţe na glukokortikoid-HRE v regulační oblasti daného genu (GRE)
o transaktivační doména receptoru se váţe k mediátorovým proteinům a tím vyvolá aktivaci transkripce příslušných genů ( a
inhibici transkripce genů jiných).
- Př.2: Receptor thyroidních hormonů tvoří dimer s receptorem retinoidním (RXR)
o váţou se k thyroidnímu HRE a ke korepresou
o tím je inhibována exprese příslušného genu
o po navázání thyroidního hormonu vyvolají konformační změny HRE a korepresoru iniciaci transkripce
- Př.3: Retinoidní receptor RXR (váţe cis-retinovou kyselinu) tvoří dimer s nejméně 8 dalšími jadernými receptory
o kaţdý z dimerů má jinou vazebnou specifitu k DNA
o RXR se tak podílí na regulaci exprese řady genů
Struktura proteinů váţících se na DNA
- u specifických transkripčních faktorů bylo identifikováno několik strukturních motivů:
o helix-smyčka-helix
o helix-otočka-helix
o zinkový prst
o leucinový zip.
- uvedené strukturní motivy zprostředkují specifickou vazbu proteinu k DNA.
- za kontakt je odpovědná pouze malá část molekuly (obvykle -helix), často se jedná o dvě blízká místa v
molekule, zbytek molekuly zajišťuje správnou informaci.
- kontakt obvykle probíhá v oblasti tzv. major groove ve struktuře DNA.
- princip interakce : „…..regulační protein se váţe, kdyţ je instruován, ţe se má vázat …….. „
Zinkový prst (zinc finger)
- nachází se v DNA vazebných doménách receptorů pro steroidní hormony
145 / 147
91
Zn
N
S
N
S
Př.: Zinkový prst (zinc finger)
NRS
Zn
N
S
N
S
Oblast slouţící k vnoření do
dvoušroubovice DNA
- Zn2+ je chelatován ve 4 pozicích buď histidinem nebo cysteinem
- Zn2+ udrţuje terciární strukturu domény
- NRS (nucleotide recognition signal) - -helix obsahující sekvenci
aminokyselin, která slouţí k rozpoznání specifické sekvence
v major groove DNA
XV.VIII.2.6 Regulace (ovlivnění) působení transkripčních faktorů
- down(up)-regulace tvorby
- modulace působení vazbou stimulačních a inhibičních ligandů
- vzájemná kooperace transkripčních faktorů
- fosforylace/ defosforylace transkripčních faktorů řízená růstovými faktory, cytokiny, peptidovými hormony
atd.
XV.VIII.2.7 Regulace genové exprese úpravou transkriptů
- alternativní sestřih
o alternativní sestřih a variace místa polyadenylace na 3´konci způsobuje, ţe jediný gen můţe
produkovat různé proteiny
- editace RNA
o v některých případech můţe být RNA po transkripci editována.
o primární transkript (hnRNA) je shodný, po transkripci dojde k záměně bazí nebo přidání (odstranění)
nukleotidu
XV.VIII.2.8 Regulace proteosyntézy na úrovni translace
- ovlivnění aktivity eukaryotických iniciačních faktorů (EIFs)
- Př. Syntéza globinu v retikulocytech
o faktor EIF2 je aktivní ve fosforylované formě, neaktivní v defosforylované formě.
o přítomnost hemu zabraňuje fosforylaci EIF2.
o → pokud je v buňce přítomen hem, EIF2 je nefosforylován, je aktivní a syntéza globinu probíhá.
o není-li v buňce hem, EIF2 je neaktivní, syntéza globinu neprobíhá
XVI Otázky k ústní části zkoušky
1. Základní principy chromatografických a elektroforetických metod (gelová, iontově výměnná a afinitní
chromatografie, elektroforéza bílkovin krevního séra, elektroforéza v gelu s hustotním gradientem a
SDS atd.).
2. Kompartmentace metabolických dějů v buňce. Pojem enzymové markery buněčných organel.
3. Struktura hemoglobinu, její vztah k transportním funkcím. Saturační křivka, ovlivnění saturace
hemoglobinu kyslíkem a transportní funkce pro kyslík.
4. Základní typy hemoglobinů v lidské krvi, koncentrace. Pozměněné typy (glykohemoglobin,
karbonylhemoglobin, methemoglobin (s. 730 - 731), abnormální hemoglobiny).
5. Enzymy - struktura a katalytická funkce, charakteristické rysy. Interakce mezi enzymem a substrátem,
příklady mechanismů enzymově katalyzovaných reakcí. Pojem izoenzymy.
6. Kinetika jednosubstrátových enzymově katalyzovaných reakcí: rychlost (pojem), ovlivňující faktory,
kinetická a saturační křivka, Michaelisova konstanta a její význam.
7. Způsoby vyjadřování a měření katalytické aktivity: pojem a jednotky aktivity a katalytické koncentrace,
volba podmínek určujících kinetiku reakce, stanovení aktivity metodou konstantního času a metodou
kinetickou.
8. Ovlivnění katalytické aktivity enzymů (optimální podmínky, aktivátory a inhibitory, základní typy
inhibice a jejich projevy). Význam kovů pro funkci enzymů (kofaktory, aktivátory, inhibitory,
metaloenzymy - příklady).
9. Regulace aktivity enzymů změnou kovalentní struktury (zejm. přeměna proenzymů, reverzibilní
fosforylace, aktivace proteinkináz). Allosterické proteiny a enzymy (kooperativní efekt, allosterické
efektory pozitivní a negativní, Bohrův efekt).
10. Principy regulace metabolismu buňky (regulace aktivity enzymů a proteosyntézy, kompartmentace
buňky a regulace membránového transportu, existence extracelulárních signálů).
Oblast slouţící k vnoření do
dvoušroubovice DNA
146 / 147
11. Energetika chemických reakcí v ţivých objektech (změna entropie v otevřených systémech, G, vztah k
G0 a ke K, energeticky spřaţené systémy, energetika enzymových reakcí). Makroergní sloučeniny
(pojem, různé typy sloučenin, společné strukturní rysy).
12. Funkce vodíku a kyslíku v přeměnách energie ţivými organismy (ţiviny heterotrofů, fáze katabolismu,
redukční ekvivalenty), tvorba ATP oxidační fosforylací a fosforylací na substrátové úrovni.
13. Pyridinové dehydrogenázy (struktury koenzymů, funkce).
14. Flavoproteiny (struktura prostetické skupiny, funkce, funkce flavinových dehydrogenáz).
15. Cytochromy mitochondriálního respiračního řetězce (základní rysy struktury, funkce v
mitochondriálních komplexech) a monooxygenázových hydroxylujících systémů (cytochrom P-450).
16. Reaktivní formy kyslíku, jejich vznik a zneškodňování (enzymy a přirozené antioxidanty, téţ s. 729 -
730).
17. Mitochondrie (zvláštnosti struktury a přehled funkcí v metabolismu). Transport látek přes vnitřní
mitochondriální membránu (typy transportů a přenašečů, příklady).
18. Terminální dýchací řetězec (funkce, hlavní sloţky komplexů, protonmotivní síla, regulace).
19. Ubichinon (struktura, funkce) a FeS-proteiny (pojem, funkce).
20. Energetika oxidoredukčních reakcí dýchacího řetězce, aerobní fosforylace (struktura a funkce
mitochondriální ATPsynthasy, spřaţení s buněčnou respirací, respirační kontrola, rozpojovače).
21. Sacharidová sloţka glykoproteinů typu krevní plazmy (N-vázaných), mucinového typu (O-vázaných) a
proteoglykanů (téţ s. 658-665).
22. Peroxidace lipidů. Tokoferoly (s. 623 - 627) a další lipofilní antioxidanty.
23. Přirozené tenzidy (strukturní typy, micely, biomembrány, tenzidy v trávení lipidů).
24. Citrátový cyklus - lokalizace, průběh, produkty dílčích reakcí; amfibolický význam (úloha v
katabolismu ţivin, vyuţití intermediátů v anabolických reakcích).
25. Energetická bilance a regulace citrátového cyklu. Anaplerotické (doplňující) reakce cyklu.
26. Glykolýza - lokalizace, průběh, regulace.
27. Anaerobní glykolýza - význam laktátdehydrogenázové reakce, Coriho cyklus; význam stanovení LD v
séru pro klinickou biochemii (izoenzymy - s. 72).
28. Energetická bilance glykolýzy v anaerobních a aerobních podmínkách.
29. Aerobní dekarboxylace 2-oxokyselin (lokalizace, průběh, funkce koenzymů pyruvát- a 2-oxoglutarát-
dehydrogenázového komplexu, energetika, význam).
30. Glykogeneze - lokalizace, průběh a regulace.
31. Glykogenolýza v játrech a ve svalu - průběh, regulace, poruchy.
32. Nevratné reakce glykolýzy a glukoneogeneze (lokalizace, výchozí substráty glukoneogeneze, průběh,
regulace).
33. Pentosový cyklus - lokalizace, průběh, význam.
34. Vznik a metabolismus glukuronové kyseliny (dráha uronové kyseliny).
35. Metabolismus fruktosy a galaktosy, poruchy.
36. Vznik aminocukrů a sialových kyselin, význam pro výstavbu glykoproteinů (téţ s. 659) a
proteoglykanů.
37. Biosyntéza mastných kyselin, regulace; biosyntéza triacylglycerolů (s. 252 - 254).
38. Odbourávání mastných kyselin (lokalizace, průběh, energetická bilance, regulace).
39. Přenos acyl-CoA do mitochondrie a přenos acetyl-CoA do cytosolu (forma přenosu, regulace).
40. Ketogeneze - lokalizace, průběh, regulace; utilizace ketolátek. Vznik ketoacidózy.
41. Desaturace mastných kyselin. Polynenasycené mastné kyseliny (zdroje, přeměny, význam, téţ s. 149 -
150).
42. Ikosanoidy - základní strukturní typy (téţ s. 150), hlavní kroky syntézy, základní rysy jejich funkce,
inhibitory syntézy jako léčiva.
43. Metabolismus glycerofosfolipidů (biosyntéza a odbourávání).
44. Metabolismus sfingolipidů (biosyntéza a odbourávání).
45. Biosyntéza cholesterolu (hlavní reakce a etapy syntézy, regulace); vylučování cholesterolu a bilance
jeho přeměny.
46. Vznik ţlučových kyselin - lokalizace, hlavní reakce, vylučování a odstraňování z těla.
47. Esenciální aminokyseliny. Biosyntéza postradatelných aminokyselin (zejména dikarboxylových, Ser,
Pro, Cys, Tyr).
48. Proteiny ve výţivě, biologická hodnota (viz téţ 632 - 633), dusíková bilance a ukazatele katabolického
stavu.
49. Intracelulární degradace proteinů.
50. Deaminace aminokyselin a transaminace (typy, průběh, koenzymy, návaznost).
51. Detoxikace a transport amoniaku; glutaminový cyklus.
52. Ureosyntéza (lokalizace, průběh), regulace.
147 / 147
53. Glukogenní a ketogenní aminokyseliny (skupiny podle vznikajících amfibolických metabolitů, vratné
přeměny, esenciální aminokyseliny).
54. Přeměny dikarboxylových aminokyselin.
55. Deriváty a metabolity prolinu, histidinu a tryptofanu významné v metabolismu (téţ s. 344, 346, 604 -
605).
56. Přeměny argininu a vyuţití jeho guanidinové části (biosyntéza kreatinu, vznik nitroxidu).
57. Přeměny glycinu a serinu, jejich vyuţití v syntézách jiných látek (jednouhlíkové zbytky - s. 615,
aminolevulinát, purin, kreatin, konjugace).
58. Přeměny aminokyselin obsahujících síru.
59. Glutathion - struktura, funkce (redukční účinky s. 729 - 731, konjugace a -glutamylový cyklus s. 745 -
746).
60. Biodegradace tyrosinu; poruchy odbourání.
61. Hydroxylace fenylalaninu, tyrosinu a tryptofanu (kofaktor, fenylketonurie, dopa, serotonin).
62. Význam a základní rysy biodegradace aminokyselin s rozvětveným řetězcem.
63. Dekarboxylace aminokyselin (koenzym - 609, 611, produkty reakce a jejich význam).
64. Biosyntéza a odbourávání katecholaminů (MAO, KOMT, téţ s. 562 - 565).
65. Biosyntéza kreatinu, funkce ve svalu, přeměny a vylučování.
66. Biosyntéza hemu; porfyrie.
67. Základní rysy biosyntézy purinových a pyrimidinových nukleotidů (výchozí látky, jejich podíl na
skeletu báze) a její regulace.
68. Katabolismus purinových a pyrimidinových nukleotidů a eliminace konečných produktů.
69. RNA - strukturní formy a jejich funkce, úpravy primárních transkriptů na funkční RNA (včetně s. 431
a násl.).
70. Organizace a replikace DNA (topoisomerasy a další účastnící se faktory, průběh a polarita replikace).
71. Syntéza RNA, RNApolymerasy a transkripční signály v savčích buňkách.
72. Ribosomální proteosyntetický aparát, vznik funkčního iniciačního komplexu.
73. Elongační cyklus a terminace proteosyntézy.
74. Posttranslační úpravy proteinů (typy), Golgiho aparát a glykosylace proteinů (včetně s. 658-664).
75. Regulace transkripce eukaryontních genů.
76. Struktura biomembrán, jejich výstavba a odbourávání.
77. Transport přes membrány (různé typy pasivního a aktivního transportu, typy přenašečů a ionoforů,
příklady).
78. Thiamin - funkce TDP (příklady reakcí vyuţívajících TDP).
79. Koenzymy acyltransferáz, přenos acylů: CoA a pantetheinfosfát, lipoamid (s.185), karnitin (s. 232).
80. Methylace a karboxylace - průběh, enzymy a koenzymy, uplatnění v přeměně látek (s. 334, 610 - 615).
81. Listová kyselina a tetrahydrofolát (struktura, vztah k p-aminobenzoátu a účinku sulfonamidových
chemoterapeutik); jednouhlíkaté zbytky - zdroje, přenos a přeměny, vyuţití.
82. L-Askorbát - zdroje, vyuţití při oxidoredukčních reakcích (s příklady).
![zcu.czkke.zcu.cz/old_web/_files/projekty/enazp/25/IUT/165... · Web viewv živé buňce to jsou enzymy [4, str. 168] (druh bílkoviny, která podstatně urychluje chemickou reakci](https://static.dokumenty.site/doc/80x56/610454d7b9b90726f3151100/zcuczkkezcuczoldwebfilesprojektyenazp25iut165-web-view-v-iv.jpg)
