ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΖΩΩΝ 36-37/26-30 Μαΐου 2016 Π.Παπαζαφείρη ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1. Ενδιάμεσοι μεταβολίτες ATP, φωσφογόνα 2. Αναερόβιος.

Παρουσίαση με θέμα: "ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΖΩΩΝ 36-37/26-30 Μαΐου 2016 Π.Παπαζαφείρη ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1. Ενδιάμεσοι μεταβολίτες ATP, φωσφογόνα 2. Αναερόβιος."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΖΩΩΝ 36-37/26-30 Μαΐου 2016 Π.Παπαζαφείρη ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1. Ενδιάμεσοι μεταβολίτες ATP, φωσφογόνα 2. Αναερόβιος μεταβολισμός γλυκόλυση 3. Αερόβιος μεταβολισμός,

2 ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Οι μεταβολικές αντιδράσεις των κυττάρων αποτελούν την πηγή όλων των μακρομορίων. Η σύνθεση των τελικών αυτών προϊόντων επιτυγχάνεται με αναβολικές διαδικασίες, ενώ ταυτόχρονα, με καταβολικές διαδικασίες, δηλαδή με τη διάσπαση άλλων μακρομορίων, παράγεται διαθέσιμη ενέργεια Ανάγκη συνδέσμου μεταξύ αντιδράσεων που αποδίδουν και αντιδράσεων που καταναλώνουν ενέργεια

3 LECTURE PRESENTATIONS For CAMPBELL BIOLOGY, NINTH EDITION Jane B. Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings PowerPoint ® Lecture Presentations for Biology Eighth Edition Neil Campbell. ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ: Α ΝΑΒΟΛΙΚΕΣ ΚΑΤΑΒΟΛΙΚΕΣ  ΔG Ο

4 ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ «Ερυθρά στρώματα» πλούσια σε οξείδια του σιδήρου Από τον αναερόβιο μεταβολισμό στην οξειδωτική φωσφορυλίωση

5  ΑΤΡ Σε κάθε δεδομένη στιγμή, ένα ζώο διαθέτει επίπεδα ΑΤΡ, συνήθως της τάξης των 2–8 μmol ATP /g Δεν χρησιμοποιείται για την αποθήκευση μεγάλου ποσού ενέργειας  Φωσφογόνα, από φωσφορυλίωση γουανίνης φωσφορική κρεατίνη (PCr) και φωσφορική αργινίνη (PAr) PCr + ADP + H+→ ATP + κρεατίνη PAr + ADP + H+ → ATP + αργινίνη τα πιο απλά και πιο αποτελεσματικά πρόδρομα μόρια για τη σύνθεση του ΑΤΡ, αφού περιλαμβάνουν ένα μόνο ενζυμικό στάδιο, που καταλύεται από μία κινάση  (ΑDΡ) 2ADP  ATP+AMP AMP  IMP+NH 3 καρκινοειδή-μαλάκια δεν έχουν την απαμινάση 1. Ενδιάμεσοι μεταβολίτες

6 1 α. ATP: ΚΛΑΣΣΙΚΟ ΜΟΡΙΟ ΥΨΗΛΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ρυθμός ανακύκλωσης χαμηλός (εξαίρεση: μύες). Μικρά ζώα:υψηλός (~μάζα σώματος) ο ρυθμός απόδοσης ή ανακύκλωσης του ΑΤΡ στο μυ μπορεί να αυξηθεί κατά μία ή περισσότερες τάξεις μεγέθους είδηΜάζα σώματοςμmolATP/gr.min ακρίδα1gr5400 κολιμπρί2.5gr600 ποντίκι7.2gr227 κατσίκα20Kg48 άνθρωπος70Kg30 αντιλόπη210Kg32

7 φωσφορική κρεατίνη & αργινίνη 1. Ενδιάμεσοι μεταβολίτες  Φωσφογόνα Ρόλο αποθήκευσης Μπορεί να βρίσκονται σε 10πλάσια συγκέντρωση από αυτή του ΑΤΡ σε ιστούς όπως ο μυϊκός και ο εγκεφαλικός και αποτελούν την άμεση, βραχυπρόθεσμη πηγή ΑΤΡ στα περισσότερα ζώα. Εντοπίζονται στις θέσεις των ζωτικής σημασίας ΑΤΡασών. Τα φωσφογόνα μπορούν ακόμη να παρέχουν το απαραίτητο ΑΤΡ σε αερόβιες και σε αναερόβιες συνθήκες Στις αερόβιες οδούς, ανακυκλώνουν το ανόργανο φωσφορικό μεταξύ των θέσεων σχηματισμού και κατανάλωσης του ADP και εμπλέκονται στη διάχυση του AΤP. Τα αποθέματα φωσφογόνων επαρκούν για να υποστηρίξουν ένα έργο περιορισμένης διάρκειας, (περίπου 2–5 sec στο μυ των θηλαστικών). Στα ψάρια και σε αρκετά ασπόνδυλα, η ενέργεια που απαιτείται για τη σύλληψη της λείας ή την αποφυγή θηρευτών συχνά παρέχεται εξ’ ολοκλήρου από τη διάσπαση των φωσφογόνων, τα οποία στη συνέχεια φωσφορυλιώνονται μέσω αερόβιων οδών

8 Διαρκής αναπαραγωγή ενέργειας μέσω του ΑΤΡ, με τα εκάστοτε μόρια να έχουν μια σχετικά σύντομη διάρκεια ζωής Οι κινάσες των φωσφογόνων βρίσκονται σε υψηλά επίπεδα στα κύτταρο και εντοπίζονται ως διαφορετικά ισοένζυμα Τα ολικά επίπεδα των κινασών αυτών είναι μέγιστα σε ιστούς με υψηλές απαιτήσεις για ΑΤΡ, όπως οι σκελετικοί μύες ζώων ικανών για ταχύτατες κινήσεις Σε πτηνά, όπως το κολυμπρί, οι πτητικοί μύες συγκαταλέγονται στους πιο γνωστούς αερόβιους ιστούς με πολύ υψηλά επίπεδα PCr

9 2. Αναερόβιος μεταβολισμός Τα ανώτερα σπονδυλωτά καταφεύγουν μερικώς σε αναερόβια μονοπάτια και μόνο για σύντομα χρονικά διαστήματα Ο μεταβολικός ρυθμός μειώνεται κατά την αναερόβια αναπνοή Συντηρητικά χαρακτηριστικά: Οι αναλογίες των διαφορετικών ενζύμων είναι διατηρημένες στους οργανισμούς Διπλό ρόλο : ΑΤΡ, παροχή μορίων άνθρακα Μειονέκτημα η παραγωγή Η+ οδηγεί σε οξέωση, η που αποτελεί παράγοντα περιορισμού της διάρκειας της αναερόβιας γλυκόλυσης. Θέση : κυτταρόπλασμα

10 2. AΝΑΕΡΟΒΙΟΣ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ Διατήρηση ενεργειακού ισοζυγίου [ημιχερσαία- θαλάσσια ενδιαιτήματα, παράσιτα, παλιρροιακή ζώνη, εκβολές ποταμών, κατάδυση, ξαφνική δραστηριότητα] +2ADP+2Pi  2γαλακτικό + 2AΤP (ATP, μόρια άνθρακα) Ρύθμιση : Εξωγενή σήματα (ορμόνες, νευροδιαβιβαστές) Μηχανισμοί αρνητικής ανάδρασης Π.χ Αρθρόποδα, σπονδυλωτά, εχινόδερμα

11 2. AΝΑΕΡΟΒΙΟΣ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ Εναλλακτικά τελικά στάδια της γλυκόλυσης 40mmol/kg θηλαστικά 200mmol/kg χελώνες παράσιτα, ψάρια, φυτά: γλυκογόνο  πυρ.οξύ  ακεταλδεϋδη  αιθανόλη+CO 2 ΑΣΠΟΝΔΥΛΑ: κεφαλόποδα, δίθυρα + αμινοξύ  ιμινοξύ+NAD+H 2 O {αντί LDH  αφυδρογονάση ιμινών}

12 Υπόστρωματελικό προϊόνmol ATP ανά mol υποστρώματος γλυκόζηγαλακτικό οξύ, οκταπίνη, αλανοπίνη ή στρομβίνη 2 γλυκόζηηλεκτρικό οξύ4 γλυκόζηπροπιονικό οξύ6 ασπαρτικό ή γλουταμινικό οξύ ηλεκτρικό οξύ1 ασπαρτικό ή γλουταμινικό οξύ προπιονικό οξύ2 2. Απόδοση του ΑΤΡ σε διαφορετικές οδούς ζύμωσης Τα μονοπάτια που παράγουν άλατα ηλεκτρικού και προπιονικού οξέος από ασπαρτικό ή γλουταμινικό οξύ δεν προτιμώνται για αναερόβια παραγωγή έργου από τους μύες, επειδή αδυνατούν να παρέχουν ικανοποιητική ροή ΑΤΡ.

13

14 2. Πηγές καυσίμων γλυκόλυσης (γλυκόζη-γλυκογόνο, υδατάνθρακες, αμινοξέα) ΓΛΥΚΟΓΟΝO (κοκκία Η.Μ.-φωσφορυλάση, συνθάση, cAMP) ΓΑΛΑΚΤΟΖΗ  …  6 P γλυκόζη ΦΡΟΥΚΤΟΖΗ  …  1 P φρουκτόζη ή 6 P φρουκτόζη ήπαρ / λευκό λιπώδη ιστό ΑΝΑΕΡΟΒΙΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ  ~ 4,7% ενέργειας ΑΕΡΟΒΙΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ γλυκόζη+36(ADP+Pi)+6O 2  36ATP+6CO 2 +6H 2 O Η παρουσία διακλαδώσεων στο πολυμερές του γλυκογόνου, αυξάνει τη διαλυτότητα των μορίων του και δημιουργεί μεγάλο αριθμό θέσεων δράσης της φωσφορυλάσης και της συνθάσης και, επομένως, μεγιστοποιεί και το ρυθμό σύνθεσης και αποικοδόμησής του.

15 3. Αερόβιος μεταβολισμός ΚΥΚΛΟΣ KREBS ( μονοπάτι παραγωγής ATP {ΟΞΕΙΔΩΤΙΚΗ ΦΩΣΦΟΡΥΛΙΩΣΗ} και ενδιάμεσων ενώσεων ) μιτοχ.μήτρα Παραγωγή CO 2 και H 2 O, 10 NADH, 2 FADH 2 Καύσιμα αερόβιας αναπνοής μετατροπή του τελικού προϊόντος της γλυκόλυσης, πυροσταφυλικού οξέος, σε ακετυλο–συνένζυμο Α, αντί του γαλακτικού οξέος 36ATP  ~ 41% ενέργειας + θερμότητα

16 3. ΚΥΚΛΟΣ KREBS ( μονοπάτι παραγωγής ATP και ενδιάμεσων ενώσεων ) 1.Τα ενζυμικά στάδια λειτουργούν ως σημεία ελέγχου 2. οι ενδιάμεσες ενώσεις: πηγή για βιοσύνθεση μακρομορίων και, 3.πρέπει να αντικατασταθούν από μία σειρά «αναπληρωματικών μονοπατιών»

17 3. Πηγές καυσίμων (γλυκόζη και σχετικά σάκχαρα, λιπίδια αμινοξέα) Λιπίδια (λιπαρά οξέα) [14-24C] Είναι ιονισμένα Αλλά αποθηκεύονται ως τριακυλογλυκερόλες (μη πολικές, ανηγμένες, άνυδρη κατάσταση) αποδίδουν 6πλάσια ενέργεια σε σχέση με το γλυκογόνο [λιπόσωμα-έντομα & λευκός λιπώδης ιστός-σπονδυλωτά] Ρύθμιση: Η λιπόλυση ρυθμίζεται από ορμόνες, (επινεφρίνη, γλουκαγόνο, αδρενοκορτικοτρόπο ορμόνη (ACTH) νορεπινεφρίνη). Οι ορμόνες συνήθως ενεργοποιούν την αδενυλική κυκλάση, επάγοντας την αύξηση της συγκέντρωσης του cAMP, που με τη σειρά του διεγείρει μία πρωτεϊνική κινάση η οποία φωσφορυλιώνει και ενεργοποιεί τη λιπάση. Η λιπόλυση στα σπονδυλωτά αναστέλλεται από την ινσουλίνη.

18 3. Πηγές καυσίμων (γλυκόζη και σχετικά σάκχαρα, λιπίδια αμινοξέα) Τριακυλογλυκερόλες  λιπ.οξέα + γλυκερόλη 3 Ρ γλυκεραλδεϋδη γλυκόζη πυροσταφυλικό εξωτ. μιτ.μεμβράνη Κύκλος β-οξείδωσης λιπ. οξέων

19 ΚΑΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΑΜΙΝΟΞΕΩΝ  ΣΧΕΤΙΚΑ ΧΑΜΗΛΗ ΑΠΟΔΟΣΗ ATP 3. Πηγές καυσίμων (γλυκόζη και σχετικά σάκχαρα, λιπίδια αμινοξέα)

20 15 mol ATP 27mol ATP 30 mol ATP/ έντομα, κεφαλόποδα 1 mol παλμιτικό οξύ  129 mol ATP 1 mol τριακυλογλυκερόλη  403 mol ATP 3. Πηγές καυσίμων (γλυκόζη και σχετικά σάκχαρα, λιπίδια αμινοξέα)

21 καρδιά+νεφρικός φλοιός θηλαστικών και εγκέφαλος (ασιτία) Γαλακτικό οξύ Σολομός:λίπη (200-300km), πρωτεΐνες, υδατάνθρακες γλυκογόνο  αναπαραγωγή ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΑ ΚΑΥΣΙΜΑ

22  Τα περισσότερα ένζυμα στον κύκλο του Krebs, την β–οξείδωσης και το σύστημα μεταφοράς ηλεκτρονίων δε φαίνεται να υπάρχουν ως διακριτές ισομορφές  Έλεγχος κυρίως από μηχανισμούς ανάδρασης και τις αλληλεπιδράσεις ενζύμου–υποστρώματος.  Μόρια υψηλής φωσφορυλίωσης, όπως το ATP, είναι δυνατό να περιορίσουν το ρυθμό σχηματισμού του ακετυλο–συνενζύμου Α, μειώνοντας τη δραστικότητα της συνθετάσης του κιτρικού οξέος, της ισοκιτρικής αφυδρογονάσης και της α–κετογλουαρικής αφυδρογονάσης.  H φωσφορυλίωση των ενζύμων αποτελεί σημαντικό μηχανισμό αντιμετώπισης της υποξίας και της ανοξίας { Στα περισσότερα είδη, ο μειωμένος μεταβολικός ρυθμός κυμαίνεται ανάμεσα στο 0.05–0.4 των φυσιολογικών επιπέδων, ενώ σε ορισμένα κρυπτοβιωτικά ζώα μπορεί να φθάνει και λιγότερο από 0.05, τα δε αυγά της γαρίδας που βρίσκονται σε διάπαυση έχουν σχεδόν μηδενικό μεταβολισμό } 3. Ρύθμιση του αερόβιου μεταβολισμού

23 απαιτήσεις: Τα έντομα αποτελούν μία σημαντική εξαίρεση, για ορισμένα από τα πρότυπα των μεταβολικών καυσίμων που αναφέρθηκαν παραπάνω. Η πτήση των εντόμων είναι μία διαδικασία που απαιτεί κατανάλωση ενέργειας, η οποία παρέχεται εξ ολοκλήρου από αερόβιες μεταβολικές οδούς. Ο μέγιστος ρυθμός κατανάλωσης οξυγόνου κατά την απογείωση αυξάνεται κατά 50 φορές ή και περισσότερο, σε σύγκριση με την κατάσταση ηρεμίας και η φασματοσκοπία μαγνητικού συντονισμού σε ακρίδες, σε κατάσταση ηρεμίας ή σε ώρα πτήσης, έδειξε αύξηση της παραγωγής ATP κατά 600 φορές. Παρόλα αυτά, ένα μικρό, μόνο, ποσό ενέργειας αποθηκεύεται στους πτητικούς μύες. Η πιο σημαντική αποθήκη ενέργειας είναι το λιπόσωμα, που περιέχει λίπος (τριακυλογλυκερόλη ) και γλυκογόνο 3. Αερόβιος μεταβολισμός στα έντομα

24 Έλεγχος των μεταβολικών υλικών στην αιμολέμφο Λιποκινητικές ορμόνες επάγουν την απελευθέρωση διγλυκεριδίων από το λιπώδες σωμάτιο ενώ ένας υπερτρεχαλοζαιμικός παράγοντας (τρεχαλογόνο) επάγει τη διάσπαση του γλυκογόνου σε τρεχαλόζη (δισακχαρίτης). Μείωση τρεχαλόζης αύξηση ΑΚΗ ενώ αύξηση των λιπιδίων μείωση της ΑΚΗ

25 Έλεγχος των μεταβολικών υλικών στην αιμολέμφο Οι λιποκινητικές ορμόνες και το τρεχαλογόνο βρίσκονται υπό νευρικό έλεγχο (καρδιακό σωμάτιο) και τα ενδιάμεσα νευροενδοκρινή κύτταρα αναστέλλουν τη διαδικασία Οι ορμόνες αυτές είναι οκταπεπτίδια και δεκαπεπτίδια, με εξαιρετικά συντηρημένες αλληλουχίες μεταξύ διαφορετικών ειδών εντόμων. Οι ορμόνες ενεργοποιούν τη διακίνηση λιπιδίων, με τη χρήση λιποπρωτεϊνών υψηλής πυκνότητας, από το έντερο σε άλλους ιστούς, αλλά και προς τις θέσεις αποθήκευσης. Επίσης, η οκτοπαμίνη (ένα μικρό νευροεκκριτικό πεπτίδιο) μπορεί να εμπλέκεται στην άμεση κινητοποίηση της διακυλογλυκερόλης κατά τα πρώτα λεπτά της πτήσης των εντόμων. Ολόκληρο το σύστημα, στα έντομα, υποστηρίζεται από την παροχή οξυγόνου μέσω των τραχειολίων και είναι τόσο αποτελεσματικό, ώστε ο ρυθμός ανακύκλωσης της οξειδάσης του κυτοχρώματος, in vivo, να προσεγγίζει τη μέγιστη θεωρητικά τιμή του, ενώ στα σπονδυλωτά το ένζυμο αυτό αποδίδει μόλις το 10% της μέγιστης τιμής του.

26 ΕΝΤΟΜΑ: ΠΤΗΣΗ-ΑΕΡΟΒΙΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΙΚΕΣ ΟΔΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ATP λίπος, γλυκογόνο, τρεχαλόζη, DAG, προλίνη τρεχαλόζη: δισακχαρίτης γλυκόζης, εντοπίζεται στην αιμολέμφο των εντόμων – καίρια πηγή ενέργειας

27 Χαρακτηριστικά: 1.αποθήκη ενέργειας είναι το λιπόσωμα, που περιέχει λίπος (τριακυλογλυκερόλη) και γλυκογόνο, τα οποία διασπώνται και αποδίδονται στους μυ e ς μέσω της αιμολέμφου. 2.Τα άμεσα υποστρώματα της αερόβιας αναπνοής είναι ο δισακχαρίτης τρεχαλόζη, το λιπίδιο διακυλογλυκερόλη και το αμινοξύ προλίνη 3.Οι πτητικοί μύες των εντόμων περιέχουν πολύ χαμηλά επίπεδα γαλακτικής αφυδρογονάσης, ενώ το γαλακτικό οξύ έχει ασήμαντο ρόλο ως καύσιμο 4.περιέχουν χαμηλά επίπεδα φωσφορικής αργινίνης. Αυτό οφείλεται στη δυνατότητα που έχει ο συγκεκριμένος μυς των εντόμων να μεταβαίνει από την κατάσταση ηρεμίας στη μέγιστη παραγωγή ATP γρηγορότερα από οποιονδήποτε ιστό άλλου ζώου, εξαιτίας του διαφορετικού συστήματος μεταφοράς οξυγόνου που διαθέτει 3. Αερόβιος μεταβολισμός στα έντομα