Transcript Предавање 7

ENERGETSKI METABOLIZAM
OKSIDACIJE U BIOLOŠKIM SISTEMIMA
TESTOVI ZA PROCENU AEROBNIH SPOSOBNOSTI
Prof. dr Vladimir Jakovljević
Predsednik Društva fiziologa Republike Srbije,
Council Member International Atherosclerosis Society
Sreda, 13. 11. 2013. god
TREBA DA SE ZNA
•
Ishrana podrazumeva unošenje UH, masti i proteina
•
E iz hrane se dobija oksidacijom hranljivih materija, krajnji produkti su CO2 i
H2O
•
Neiskorišćene hranljive materije mogu da se skladište u organizmu u obliku
GLIKOGENA (jetra i skeletni mišići) i TRIACILGLICEROLA (masno tkivo)
•
Dva hormona endokrinog pankreasa, INSULIN i GLUKAGON, kontrolišu
korišćenje i skladištenje hranljivih materija
•
Glukoza je glavni UH u krvi. Koncentracija glukoze u krvi – GLIKEMIJA,
određuje oslobađanje insulina i glukagona iz pankreasa
TREBA DA SE ZNA
•
Tokom gladovanja, kad konc. glukoze u krvi opadne, luči se glukagon. To je znak
jetri da počne da razgrađuje uskladištene UH (glikogen) i glukoza se oslobađa u
krv (da se obezbede potrebe mozga)
•
Posle trodnevnog gladovanja jetra - hepatociti oslobađaju KETONSKA TELA
(nastaju nepotpunom oksidacijom masnih kiselina) kao alternativnu hranljivu
materiju za mozak
•
Bazični metabolizam (BMR – basic metabolic rate) je količina E potrebna za
održanje života
•
Index telesne mase (BMI – body mass index; kg/m2) koristi se za procenu da li
je osoba neuhranjena ili gojazna
•
Osim makro-nutricijenata, ishranom treba da obezbedimo vitamine, esencijalne
AK i MK, minerale i vodu
UGLJENI HIDRATI
treba da nam daju 40-60% potrebne energije
ß OKSIDACIJA MASNIH KISELINA
•
MK su glavna hranljiva materija za ljude
•
Tokom noćnog gladovanja MK postaju osnovna hranljiva materija za srčani
mišić, skeletne mišiće i jetru
•
Nervni sistem ima ograničenu sposobnost da direktno koristi MK kao
hranljive materije. Zato jetra prevodi MK u ketonska tela koja mozak može
da koristi u dužem gladovanju
•
MK se iz adipocita oslobađaju hormonskom stimulacijom iz triacilglicerola
•
MK se u ćelijama aktiviraju prevođenjem u acil-CoA derivate u prisustvu acilCoA sintaza
•
Acil-CoA se pomoću karnitina prenose u mitohondrije, gde se oksiduju
ß OKSIDACIJA MASNIH KISELINA
•
Metaboličkim putem β-oksidacije MK nastaje ATP
•
Pri β-oksidaciji MK odgovarajuća acil-grupa se postupno oksiduje odvajanjem
fragmenata sa 2C atoma i pri tome nastaju FADH2, NADH+H+ i acetil-CoA
•
Nezasićene MK i MK sa neparnim brojem S atoma metabolišu se dodatnim rjama
•
Proces β-oksidacije regulišu FADH2, NADH+H+ i acetil-CoA
•
Ulazak MK u mitohondrije zavisi od malonil-CoA
•
U peroksizomima se odvijaju alternativni putevi oksidacije MK vrlo dugog i
račvastog niza
REAKCIJE β OKSIDACIJE
4 uzastopne reakcije:
•
DEHIDROGENACIJA
(oksidacija)
•
HIDRATACIJA
•
DEHIDROGENACIJA
(oksidacija)
•
TIOLIZA
Energetski efekti oksidacije palmitinske kiseline
Oksidacijom palmitinske kiseline, 16S atoma, ciklus β-oksidacije ponavlja se 7 puta i
dobije se 8 molekula acetil-CoA
7 puta
–
–
–
β-oksidacija + 8 acetil-SoA:
7 FADH2 X 1,5 ATP = 10,5 ATP
7 NADH + H+ X 2,5 ATP = 17,5 ATP
8 acetil-CoA (1 acetil-CoA u TCA ciklusu daje 10 ATP) daje 80 ATP
Ukupno, to je 108 molekula ATP. Međutim, budući da su za aktivaciju MK potrošene
dve visoko-energetske veze, neto prinos oksidacije palmitinske kiseline je 106
ATP
• Oksidativnom fosforilacijom se sintetiše visoko energetski
molekul ATP za čiju sintezu su neophodni:
– donori elektrona (NADH+H+ i FADH2)
– akceptor elektrona (O2)
– netaknuta unutrašnja membrana mitohondrija koja je
nepropustljiva za protone
– svi kompleksi respiratornog lanca i ATP sintaza.
OKSIDACIJA I REDUKCIJA
• OKSIDACIJA –
otpuštanje
elektrona
– otpuštanjem
elektrona,
supstanca se
oksiduje
– onaj koji otpušta
elektrone zove
se redukujući
agens
• REDUKCIJA –
primanje
elektrona
Oksidativna fosforilacija - Ključne tačke
•Redukcioni ekvivalenti, nastali oksidacijom hranljivih materija, predaju
elektrone respiratornom lancu koji se nalazi u mitohondrijama
• Elektroni se prenose na O2 koji se redukuje do H2O sukcesivnim
primanjem 4 elektrona
• Protoni iz matriksa mitohondrija se prenose u međumembranski prostor
mitohondrija pri čemu nastaje elektrohemijski protonski gradijent
• Ulaz protona u matriks je energetski povoljan i omogućava sintezu ATP-a
preko ATP-sintaze
• Disanje (potrošnja O2 ) i sinteza ATP-a su vezani procesi
(ako je jedan inhibiran, inhibiran je i drugi proces)
• Mitohondrije su glavni metabolički
centri ljudskih ćelija, u kojima se
proizvodi više od 90% energije
koja je ljudskom telu potrebna za
opstanak.
• Najveći deo ove proizvodnje se
zasniva na procesu oksidativne
fosforilacije, koja koristi
multiproteinski transportni lanac
(respiratorni lanac) elektrona da
stvori H+ gradijent koji pokreće
F1F0-ATP-azu (ATP sintaza).
•
•
•
Tokom oksidativne fosforilacije
redukovani ekvivalenti (NADH+H+ i
FADH2) nastali oksidacijom
hranljivih materija tokom
metaboličkih procesa uključujući
glikolizu, Krebsov ciklus i beta
oksidaciju masnih kiselina, predaju
svoje elektrone respiratornom lancu
koji se nalazi na unutrašnjoj
membrani mitohondrija.
Proces oksidativne fosforilacije,
uključuje nekoliko red-oks koraka,
koji se završavaju sa predavanjem
elektrona kiseoniku, u reakciji koja
proizvodi vodu kao nusprodukt.
Ovi red-oks procesi su, takođe,
izvor oko 90% ukupne količine
reaktivnih kiseoničnih supstanci
(reactive oxygen species, ROS).
• Elektroni se transportuju kroz niz nosača ili komponenti respiratornog
lanca (kompleksi I, II, III, IV i ATP sintaza).
• Svaki kompleks respiratornog lanca se prvo redukuje primajući
elektrone, a zatim oksiduje predajući elektrone sledećem kompleksu u
transportnom lancu.
• U respiratornom lancu prisutni su različiti molekuli:
– Flavoproteini, koji sadrže
FMN, ili FAD kao prostetične
grupe, a učestvuju u transferu
jednog, ili dva elektrona;
– Koenzim Q, ili ubihinon
(CoQ ili UQ) koji transportuje
jedan, ili dva elektrona;
– Različiti citohromi, koji kao prostetičnu grupu sadrže HEM i
koji transportuju jedan elektron;
– Fe-S proteini, koji prenose jedan elektron, pri promeni
redoks broja gvožđa iz Fe2+ u Fe3+;
– Joni bakra povezani sa proteinima, koji takođe prenose
jedan elektron, oscilirajući između Cu+ i Cu2+.
• Svi navedeni molekuli, izuzev citohroma-c, su povezani sa
unutrašnjom membranom mitohondrija.
•
Respiratorni lanac funcioniše kroz četiri asimetrično orijentisana,
međusobno nezavisna, transmembranska kompleksa, koji čine sledeće
funkcionalno-strukturne celine:
1.
2.
3.
4.
Kompleks
Kompleks
Kompleks
Kompleks
I: NADH-koenzim Q-reduktaza
II: Sukcinat-koenzim Q-reduktaza
III: Koenzim Q-citohrom-c-reduktaza
IV: Citohrom-c-oksidaza
i Kompleks V: ATP sintaza
Oksidativna fosforilacija - Ključne tačke
•
Kompleks I, prihvatajući elektrone od NADH, povezuje glikolizu, Krebsov ciklus,
β-oksidaciju masti sa respiratornim lancem transporta elektrona.
•
Kompleks II sadrži enzim sukcinat dehidrogenazu, te stoga direktno povezuje
Krebsov ciklus - ciklus limunske kiseline i transport elektrona.
•
Kompleksi I i II vode ka redukciji koenzima Q, koji je supstrat kompleksa III.
– Postoje i dva druga puta za prenos elektrona na CoQ: preko flavoproteina od
acil-CoA dehidrogenaza masti i glicerofosfatnih dehidrogenaza.
•
Kompleks III oksidiše CoQH2, a istovremeno redukuje citohrom-c, koji je
supstrat kompleksa IV, citohrom-c-oksidaze.
•
Na kraju, kompleks IV transportuje elektrone na molekularni kiseonik, redukuje
ga i stvara vodu.
Kompleks I: NADH-CoQ reduktaza
• NADH-CoQ reduktaza - NADH dehidrogenaza transportuje jedan
elektronski par sa NADH+N+ na CoQ.
• Prvi korak je vezivanje NADH+N+ za enzim sa unutrašnje strane
unutrašnje mitohondrijalne membrane, pri čemu redukuje FMN, koji
čini deo samog enzima, dajući FMNH2.
• Sledeći korak je transfer elektrona sa FMNH2 na niz Fe-S
proteina, a zatim u krajnjoj fazi elektroni bivaju upućeni na CoQ (on
se redukuje u CoQH2), koji je mobilni transporter elektrona.
– Zatim, CoQH2 putuje ka kompleksu III.
• Istovremeno sa transportom elektrona odvija se i transport protona
iz matriksa prema međumembranskom prostoru (za jedan elektronski
par 4H+ se transportuju u citosol) – kompleks I deluje kao
PROTONSKA PUMPA.
Kompleks II: sukcinat-koenzim Q reduktaza
• Kompleks sukcinat dehidrogenaze je jedini enzim ciklusa
limunske kiseline povezan sa unutrašnjom mitohondrijalnom
membranom.
• Pri transformaciji sukcinata u fumarat dešava se i redukcija
FAD-a, koji čini sastavni deo kompleksa II, u FADH2.
• Odmah nakon ove redukcije,
FADH2 prebacuje elektrone
na CoQ, on se redukuje u
CoQH2.
• Transfer e- ide uvek preko
Fe-S proteina.
Kompleks III: Koenzim Qcitohrom-c-reduktaza
• U kompleksu III respiratornog
lanca CoQH2 predaje elektrone
citohromu-c putem posebnog
sistema, koji se zove ciklus Q,
pri čemu dolazi do
oksidacije CoQH2 u CoQ.
• Oksidacija CoQH2 dešava se u dve faze.
• Za svaka dva elektrona, transportovana
na citohrom-c, iz matriksa se uzimaju dva
H+, a u intermembranski prostor se
izbace četiri H+.
• Kompleks III deluje kao PROTONSKA
PUMPA
Kompleks IV: citohrom-c-oksidaza
• Prima elektrone od citohroma-c i predaje
ih kiseoniku, sintetišući vodu.
• Vrši se transport protona preko
unutrašnje mitohondrijalne
membrane – za jedan e- par izbace
se dva protona – kompleks IV deluje kao
PROTONSKA PUMPA.
• Citohrom-c se oksidiše na
citosolnoj strani membrane,
a zatim elektroni, jednim složenim
sistemom od deset podjedinica,
redukuju kiseonik, koji se nalazi sa
matriksne strane membrane.
Prenos elektrona u kompleksu IV
• U prenosu elektrona u kompleksu
IV učestvuju dve HEM grupe
(citohroma-a i citohroma aa3) i
dva jona bakra.
• Redukcija kiseonika, u kompleksu IV,
praćena je i transferom H+ preko
unutrašnje mitohondrijalne
membrane.
• Katalizuje prenos po jednog
elektrona sa 4 redukovana
citohroma-c na jedan molekul O2
dajući 2H2O.
• Za svaka dva protona, prebačena na
citosolsku stranu membrane, proces
uzima četiri H+ iz matriksa.
• Protonski gradijent, stvoren pri transportu elektrona,
predstavlja veliki izvor potencijalne energije.
• Ovaj gradijent je izvor energije za sintezu ATP-a
(hemiosmotska hipoteza, 1961. Peter Michell ).
• odnos H+/2e-
ATP-SINTAZA
• Кompleks koji omogućava sintezu
ATP-a koristeći gradijent protona
stvoren pri transportu elektrona.
• Dva osnovna dela: jedinica Fo i
jedinica F1.
• Jedinica Fo je sastavljena iz tri
podjedinice označene kao a, b i c.
• Fo sačinjava
transmembranski kanal.
• Njime se protoni vraćaju
u matriks mitihondrija i
usmeravaju na F1 jedinicu.
Izlazak sintetisanog ATP iz mitohondrija
• Proces se odvija sistemom transporta ADP-ATP translokaze
koja efikasno izbacuje jedan molekul ATP, pri istovremenom
ulasku jednog molekula ADP-a.
U mehanizam je uključeno samo jedno
mesto za vezivanje
nukleotida, a nalazi se alternativno
izloženo prema citosolu ili prema
matriksu.
Proces je ekvivalentan prelasku 1H+ iz
citozola u matriks.
Sinteza i transport 1ATP = 4H+ iz
citozola u matriks.
VEŽBA:Testovi za procenu
aerobnih sposobnosti
• Utrošak kiseonika predstavlja pojam koji se odnosi na
zapreminu kiseonika koja se unese i potroši u miru ili radu u
toku jednog minuta.
• On u miru iznosi oko 0,25 – 0,35 L/min, odnosno u relativnim
vrednostima 4 ml/kg/min.
• Sa povećanjem intenziteta vežbanja, utrošak kiseonika sve više
raste, do granice koja se naziva maksimalni utrošak kiseonika,
kada i pored povećanja intenziteta rada ne dolazi do povećanja
utroška kiseonika
•
•
Maksimalni utrošak kiseonika (VO2 max) je osnovna mera aerobnog
kapaciteta. Izražava se u ml/min.
Međutim, kako masa tela značajno utiče na vrednost maksimalnog
utroška O2 kao pouzdanija mera se koristi relativni utrošak izražen
kao ml/min/kg i izračunava se formulom
•
Vrednosti utroška O2 zavise od stepena utreniranosti ispitanika.
• Maksimalni utrošak kiseonika predstavlja meru aerobne moći
pojedinca, jer u tom trenutku dostignuta je maksimalna moć
sinteze ATP-a iz aerobnih izvora;
• dalje povećanje intenziteta zahteva obezbeđivanje energije iz
anaerobnih izvora - anaerobne glikolize, međutim pri tome se
stvara stvara mlečna kiselina koja je uzrok zamora, što vodi
smanjenju intenziteta rada ili prekidu rada.
• Maksimalni utrošak kiseonika kod netreniranih osoba može iznositi
3 l/min, odnosno 35 – 45 ml/kg/min, a kod treniranih 6 l/min,
odnosno 70 – 90 ml/kg/min.
•Ako je rad umerenog intenziteta nivo mlečne kiseline u krvi
lagano raste, i taj intenzitet rada pri kom koncentracija mlečne
kiseline u krvi počinje da raste u odnosu na vrednosti u
mirovanju naziva se aerobni prag (on se javlja na oko 40 – 60%
od VO2max i pri koncentraciji mlečne kiseline od oko 2mmol/L).
•Ukoliko se intenzitet vežbanja poveća, toliko da i koncentracija
mlečne kiseline u krvi značajno poraste (>4mmol/L), ravnoteža
između akumulacije i eliminacije više ne postoji, i energija se
dobija anaerobnim putem, odnosno utrošak kiseonika ne može
da podmiri ukupne potrebe za energijom. Taj prag naziva se
anaerobni prag.
•On se kod netreniranih osoba javlja na 65 – 70% od VO2max,
kod sportista na oko 80 – 90% od VO2max a kod dobro
utreniranih sportista dugoprugaša na čak 95% od VO2max, uz
koncentraciju mlečne kiseline 3 – 6mmol/L.
Kalorimetrija
•
Indirektna metoda za merenje utrošene energije tokom fizičkog
opterećenja
•
DIREKTNA KALORIMETRIJA- Zasniva se na činjenici da se hemijska
energija ATP-a ne transformiše kompletno u mehanički rad, već se veći
deo energije (oko 75%) oslobodi u vidu toplotne energije
•
INDIREKTNA KALORIMETRIJA- određivanje energetske potrošnje na
osnovu utrošenog O2 i stvorenog CO2
•
Indirektnom kalorimetrijom se mere količine utrošenog O2 (VO2) i
stvorenog CO2 (VCO2)
Odnos između ove dve vrednosti se naziva RESPIRACIJSKI
KOEFICIJENT (RQ)
•
Indirektna kalorimetrija
•
RESPIRACIJSKI KOEFICIJENT (RQ) = VCO2/VO2
•
Da bi se ovom metodom izračunala količina potrošene energije,
neophodno je da se zna tip hrane (ugljeni hidrati, masti, proteini)
koji se oksidiše u organizmu, jer svaki od ova 3 tipa hrane sadrži
različitu količinu kiseonika i ugljenika, tako da se za jednaku količinu
utrošenog kiseonika neće osloboditi jednaka količina CO2
•
•
•
Pri sagorevanju samo ugljenih hidrata RQ = 1
Pri sagorevanju samo masti RQ = 0,7
Pri mešovitoj ishrani RQ = 0,85
HVALA NA PAŽNJI !