Bιοχημεία Νοσηλευτικής Τρούγκος Κωνσταντίνος Αν. Καθ. Βιοχημείας Εργ. Βιολογικής Χημείας ΕΚΠΑ- Ιατρική Σχολή

ΜΑΘΗΜΑ 3ο: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΝ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟ-ΒΙΟΕΝΕΡΓΗΤΙΚΗ BIOXHMEIA ΜΑΘΗΜΑ 3ο: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΝ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟ-ΒΙΟΕΝΕΡΓΗΤΙΚΗ 2014

ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΟΙΕΣ ΤΟΥ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΥ Μεταβολισμός: το σύνολο των χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν σε έναν οργανισμό Μεταβολίτες: οι χημικές ενώσεις που συμμετέχουν στον μεταβολισμό - στην σύνθεση ή αλληλομετατροπή των μεταβολιτών - στην αποδόμηση των μεταβολιτών

ΜΕΤΑΒΟΛΙΚΕΣ ΟΔΟΙ Μεταβολικές οδοί: οργανωμένες πολυσταδιακές αλληλουχίες αντιδράσεων - συγκεκριμένη κατεύθυνση (το προϊόν της μίας αντίδρασης, υπόστρωμα για την επόμενη) - υψηλή ταχύτητα ολοκλήρωσης (εξειδικευμένοι βιολογικοί καταλύτες-ένζυμα) - Αναβολικές (συνθετικές) Διάσπαση πολύπλοκων μορίων ενέργεια Δομικές μονάδες Δομικές μονάδες Πολύπλοκα μόρια Οι μεταβολικές οδοί διακρίνονται σε: - Καταβολικές (αποδομικές)

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΟΥ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΥ Στις μεταβολικές οδούς, οι αντιδράσεις που απαιτούν ενέργεια καθίστανται δυνατές μέσω σύζευξής τους με αντιδράσεις που απελευθερώνουν ενέργεια ΣΥΝΟΛΙΚΟ ΔG πρέπει νάναι αρνητικό για να γίνει μία αντίδραση. Όλες οι αντιδράσεις του μεταβολισμού καταλύονται από ένζυμα και η ρύθμιση του μεταβολισμού γίνεται στο επίπεδο των ενζύμων Οι οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην απόδοση ενέργειας, η οποία αποθηκεύεται σε ενώσεις υψηλής ενεργειαs, κυρίως ως ΑΤΡ

Στις μεταβολικές οδούς, οι αντιδράσεις που απαιτούν ενέργεια καθίστανται δυνατές μέσω σύζευξής τους με αντιδράσεις που απελευθερώνουν ενέργεια Ενέργεια: η ικανότητα του συστήματος να παράγει έργο (διαφορά δυναμικού=κινητήρια δύναμη) Στις χημικές αντιδράσεις η κινητήριος δύναμη είναι η μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας (ΔG)

H ΔG παρέχει ένα μέτρο της ενεργειακής δυνατότητας μιας χημικής αντίδρασης A B H φορά και η έκταση κατά την οποία προχωρά μία αντίδραση καθορίζεται από: 1. το θερμικό περιεχόμενο των αντιδρώντων και των προϊόντων (ενθαλπία, Η) 2. τον βαθμό αταξίας των αντιδρώντων και των προϊόντων (εντροπία, S) ΔG = ΔΗ –ΤΔS Αν ΔG αρνητική, τότε η αντίδραση θα λάβει χώρα αυθόρμητα (εξεργονική) Αν ΔG θετική, τότε η αντίδραση ΔΕΝ θα λάβει χώρα αυθόρμητα (ενδεργονική) Για να γίνει μία αντίδραση που έχει ΔG θετικό μόνος τρόπος είναι η σύζευξή της με μία άλλη που ΄εχει ΔG αρνητικό. Πχ ΑΤΡ + Η2Ο  ΑΜΡ + ΡΡι (ΔG= -10Κcal/mol) Όταν μία αντίδραση φτάσει σε ισορροπία, τότε ΔG=0

Ενεργειακή σύζευξη στις μεταβολικές οδούς (κοινό ενδιάμεσο μεταξύ μιας ενδεργονικής και μιας εξεργονικής αντίδρασης) Η πορεία της οδού καθίσταται δυνατή όταν το άθροισμα των ΔG των επιμέρους αντιδράσεων είναι αρνητικό. Α  Β  Γ  Δ  Ε Γλυκόζη + ΑΤΡ  6-Ρ γλυκόζη + ΑDP ΔG0 = -4000cal/mol 6-P γλυκόζη  6-Ρ φρουκτόζη ΔG0 = +400cal/mol

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΟΥ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΥ Στις μεταβολικές οδούς, οι αντιδράσεις που απαιτούν ενέργεια καθίστανται δυνατές μέσω σύζευξής τους με αντιδράσεις που απελευθερώνουν ενέργεια Όλες οι αντιδράσεις του μεταβολισμού καταλύονται από ένζυμα και η ρύθμιση του μεταβολισμού γίνεται στο επίπεδο των ενζύμων Οι οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην απόδοση ενέργειας, η οποία αποθηκεύεται σε ενώσεις υψηλής ενεργειας, κυρίως ως ΑΤΡ

Η ρύθμιση του μεταβολισμού γίνεται στο επίπεδο των ενζύμων Η ταχύτητα μιας μεταβολικής οδού καθορίζεται από τις δραστηριότητες των ενζύμων που συμμετέχουν σε αυτή Για κάθε μεταβολική οδό υπάρχουν κάποιες αντιδράσεις που καθορίζουν την ταχύτητα της οδού (rate-limiting step). Πρόκειται συνήθως για τη βραδύτερη αντίδραση της οδού και τα ένζυμα που τις καταλύουν ένζυμα-κλειδιά (συνήθως υπόκεινται σε αλλοστερική ρύθμιση) Η δραστηριότητα των ενζύμων κλειδιών ρυθμίζεται σε τρία επίπεδα: - μεταγραφής (επαγωγή – καταστολής) - αλληλομετρατροπής με ομοιοπολική τροποποίηση (πρωτεόλυση, φωσφορυλίωση/αποφωσφορυλίωση) - τροποποίηση από συνδέτες (διαθεσιμότητα υποστρωμάτων και συνενζύμων και παρουσία αλλοστερικών τροποποιητών)

Στους πολυκύτταρους οργανισμούς, τα ρυθμιστικά σήματα που δίνουν πληροφορίες σε κάθε κύτταρο για τη μεταβολική κατάσταση του οργανισμού ως σύνολο περιλαμβάνουν: - Ορμόνες Νευροδιαβιβαστές Τα χημικά σήματα είναι δυνατόν να προξενήσουν μια ενδοκυττάρια απόκριση συνδεόμενα με ενδοκυττάριους (λιπόφιλες ορμόνες) ή εξωκυττάριους (υδρόφιλες ορμόνες, νευροδιαβιβαστές) υποδοχείς. Στην 1η περίπτωση το σύμπλοκο ορμόνη-ενδοκυττάριος υποδοχέας επηρεάζει άμεσα τη μεταγραφή γονιδίων Στη 2η περίπτωση, η πρόσδεση της ορμόνης/νευροδιαβιβαστή στον εξωκυττάριο υποδοχέα αποτελεί την εκκίνηση μιας σειράς αντιδράσεων, που μπορούν να οδηγήσουν είτε σε ενεργοποίηση των ενζύμων-κλειδιών, είτε σε ρύθμιση σε επίπεδο μεταγραφής

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΟΥ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΥ Στις μεταβολικές οδούς, οι αντιδράσεις που απαιτούν ενέργεια καθίστανται δυνατές μέσω σύζευξής τους με αντιδράσεις που απελευθερώνουν ενέργεια Όλες οι αντιδράσεις του μεταβολισμού καταλύονται από ένζυμα και η ρύθμιση του μεταβολισμού γίνεται στο επίπεδο των ενζύμων Οι οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην απόδοση ενέργειας, η οποία αποθηκεύεται σε ενώσεις υψηλής ενεργειας, κυρίως ως ΑΤΡ

ATP: ένωση μεγάλης ενέργειας ΑΤΡ  ΑDP + Ρi ΔG0 = -7300cal/mol ATP AMP + PPi ΔG = -10000cal/mol

Το ATP παράγεται με δύο τρόπους Αλυσιδωτές φωσφορυλιώσεις υποστρωμάτων 2. Οξειδωτική φωσφορυλίωση Κατά τον καταβολισμό των πλούσιων σε ενέργεια μορίων  μεταφορά ηλεκτρονίων σε ειδικά συνένζυμα (ΝΑD+ και FAD)  ενεργειακά πλούσια συνένζυμα σε ανηγμένη μορφή (ΝΑDH και FADH2) Πολυσταδιακή μεταφορά ηλεκτρονίων σε μία ειδική αλυσίδα φορέων ηλεκτρόνιων στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων (αναπνευστική αλυσίδα) με τελικό δέκτη το Ο2, το οποίο ενώνεται στη συνέχεια με Η+ σχηματίζοντας Η2Ο Μέρος της ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την αναπνευστική αλυσίδα, χρησιμοποιείται για την «παραγωγή» ΑΤΡ (οξειδωτική φωσφορυλίωση) και το υπόλοιπο απελευθερώνεται ως θερμότητα π.χ. στη γλυκόλυση Φωσφοενολοπυροσταφυλικό +ΑDP πυροσταφυλικό +ΑΤP

Παραγωγή ενέργειας (ΑΤΡ) Αερόβια (γλυκόλυση + κ.Krebs +Οξειδ.Ρ).

Μιτοχόνδριο: εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας Μήτρα: Πηγματοειδές διάλυμα ένζυμα για την οξείδωση του πυροσταφυλικου, των αμινοξέων των λιπαρών οξέων, καθώς και ένζυμα του κύκλου του Krebs Οξειδωμένες μορφές των συνενζύμων ΝΑD+ και FAD ADP και Pi Εσωτερική μεμβράνη: Αδιαπέραστη σε μεγάλα και μικρά μόρια, αλλά και στα περισσότερα ιόντα (συστήματα μεταφοράς) Πάνω σε αυτή εντοπίζεται η αλυσίδα μεταφοράς των ηλεκτρόνιων καθώς και η ΑΤΡ-συνθετάση. Οι πτυχώσεις αυξάνουν την συνολική επιφάνεια της εσωτερικής μεμβράνης. Εξωτερική μεμβράνη: -περιέχει πόρους που επιτρέπουν στα περισσότερα μικρά μόρια να την διαπερνούν ελευθέρα

Γλυκόλυση Γλυκόζη πυροσταφυλικό Κάνουν όλοι οι οργανισμοί αερόβιοι και μη. Αναερόβιοι παράγουν 2 ΑΤΡ Αερόβιοι μετά τη γλυκόλυση ακολουθεί κ.Krebs και οξειδωτική φωσφορυλίωση, έτσι από ένα μόριο γλυκόζης παράγονται 36 ΑΤΡ!!!

Γλυκόλυση (στο κυτταροδιάλυμα)

Κύκλος Κrebs (κιτρικού)

ΑΤΡ και FAD

Οξειδωτική Φωσφορυλίωση Οξειδωτική Φωσφορυλίωση Γίνεται στην ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ μιτοχονδριακή μεμβράνη. Εκεί υπάρχουν 3 σύμπλοκα πρωτεινών και 2 φορείς ηλεκτρονίων.

Σύνοψη παραγωγής ενέργειας (αερόβια γλυκόλυση)

Ερωτήσεις για μελέτη Μεταβολισμός Ορισμός Τι καλούνται μεταβολικές οδοί και πως διακρίνονται; Βασικές αρχές μεταβολισμού. Πως καθορίζεται η πορεία μιας αντίδρασης; μιας μεταβολικής οδού; Βασικές αρχές ρύθμισης του μεταβολισμού στον ανθρώπινο οργανισμό. Το ΑΤΡ χαρακτηρίζεται ως «ενεργειακό νόμισμα». Εξηγείστε. Τρόποι παραγωγής ΑΤΡ. Που γίνεται (σε ποιο διαμέρισμα του κυττάρου, η γλυκόλυση, ο κύκλος του Krebs, η οξειδωτική φωσφορυλίωση και ποίος ο ρόλος τους.