BIOCHÉMIA • Biochémia – hraničná vedná disciplína • Chemické deje • Podstata základných životných procesov Metabolizmus, rast, pohyb, dráždivosť, rozmnožovanie • Biochémia – vedy o športe.

Download Report

Transcript BIOCHÉMIA • Biochémia – hraničná vedná disciplína • Chemické deje • Podstata základných životných procesov Metabolizmus, rast, pohyb, dráždivosť, rozmnožovanie • Biochémia – vedy o športe.

BIOCHÉMIA
• Biochémia – hraničná vedná disciplína
• Chemické deje
• Podstata základných životných procesov
Metabolizmus, rast, pohyb, dráždivosť,
rozmnožovanie
• Biochémia – vedy o športe – 30. roky 20.
storočia
• Laktát, kreatínfosfát, ATP
• Vplyv telesného zaťaženia na živočíšne
organizmy
• Zmeny v pracujúcich svaloch
• Hormonálna regulácia telesného
zaťaženia
ZÁKLADY BIOCHÉMIE
Chemické zlúčeniny
nízkomolekulové – monoméry
makromolekulové - polyméry
Chemické prvky a ich väzbové vlastnosti
Makroergické väzby – 20-50 kJ.mol-1 ~
Makroergické väzby
•
•
•
•
•
Difosfátová – ATP (GTP, UTP)
Enolfosfátová – fosfoenolpyrohroznová
Acylfosfátová - k.1,3 bisfosfoglycerová
Guanidínfosfátová –CrP
Tioesterová – acetyl KoA
Funkčné skupiny
• R–C=O
l
OH
• R-C =O
I
H
-COOH karboxylová
skupina
aldehydová skupina
• R- C =O
I
R
ketoskupina
• R – NH2
aminoskupina
• R-OH
hydroxylová skupina
Reakcie v živých systémoch
• Energetická bariéra – bráni prebehnutiu
reakcie
• Látky reagujú pri presne stanovených
reakčných podmienkach
• Katabolické reakcie – exergonické
• Syntetické reakcie – endergonické
katalyzátory – enzýmy – znižujú aktivačnú
energiu
• Oxidačno - redukčné reakcie
• Spôsoby oxidácie látok:
• Oxidácia – odovzdávanie elektrónov
(odovzdávanie vodíkov)
• Oxidácia - dehydrogenácia
• Redukcia – prijímanie elektrónov
(prijímanie vodíkov – hydrogenácia)
• A + XH2 → AH2 + X
Biochemické reakcie
•
•
•
•
•
•
•
Reakčné celky
substrát
Produkt
Enzým
Smer – obojstranný – vratné
Konečný produkt – metabolická dráha
Metabolický cyklus
Biologické zlúčeniny
• A: Cukry
B: Tuky
• C: Bielkoviny
• D: Vitamíny
• E: Enzýmy
• F: Hormóny
G:Nukleotidy
Sacharidy (glycidy, cukry)
•
•
•
•
•
•
•
Energetické látky
Produkty fotosyntézy
6CO2 + 6 H2O → 6 O2+ C6H12O6
Polyhydroxidy aldehydov a ketónov
Najjednoduchší 3C
Glyceraldehyd – predlžovanie C reťazca
Spájanie navzájom – glykozidové väzby
Lipidy
• Estery alkoholov a vyšších karboxylových
kyselín
• Tuky – estery glycerolu a VKK
• Zložené lipidy (k. fosforečná, cukry)
• VKK – párny počet C (jednoduché i dvojité
väzby)
• Nasýtené – nenasýtené
• Niektoré esenciálne
Bielkoviny
• Stavebnými
jednotkami sú
aminokyseliny –
• peptidové väzby –
medzi COOH a H- N
I
H
Biologické funkcie:
• Enzýmová katalýza
• Koordinovaný pohyb
• Transport a
uskladňovanie
• Mechanická podpora
• Imunitná ochrana
• Regulácia
biochemických
pochodov
• (Zdroj energie)
Vitamíny
• Nízkomolekulové látky – v stopových
množstvách pre rast a funkcie
• Rozpustné vo vode – hlavne
• B – súčasť štruktúr koenzýmov
• C – oxidoredukčné deje
• Rozpustné v tukoch – A, D, E, K
•
•
•
•
A – z β karoténu – význam pre zrak
D – metabolizmus Ca
E – významný antioxidant
K - zrážanie krvi
Hypo –hypervitamióza – metabolické poruchy
Enzýmy
• Vysokomolekulové katalyzátory
biochemických reakcií
• Zníženie aktivačnej energie
• Vysoká špecificita
• Mechanizmus účinku - prechodný
komplex substrát - enzým
• Aktívne miesto – zámka –(enzým)
•
kľúč - substrát
•
•
•
•
•
•
•
Rýchlosť ovplyvňuje :
pH
teplota
Koncentrácia E a S
Aktivátory a inhibítory
Mg, Ca, Mn, Cl
Ťažké kovy –Hg, Pb, Cu – enzýmové jedy
Kofaktory
• Súčasť molekuly enzýmov –
nizkomolekulové nebielkovinové
• Koenzým
• Kofaktory oxidoreduktáz • NAD, NADP
• FMN, FAD – súčasťou je vitamín B
• Kofaktory transferáz – ATP, koenzým A
Názvoslovie enzýmov
•
•
•
•
•
Typ reakcie – áza
Oxidoreduktázy
Transferázy – prenos skupín
Hydrolázy –
Izomerázy – priestorové a štrukturálne
premeny
• Syntetázy -
Nukleové kyseliny a nukleotidy
• NK - informácie – k existencii bunky
• V jadre – chromozómy
• Sú tvorené z nukleotidov
Nukleotid:
1. 5C cukor – ribóza, dezoxyribóza
2. dusíkatá báza (adenín, guanín, cytozín,
tymín, uracyl)
3. k. fosforečná
Nukleozid: báza + sacharid (adenozín, guanozín, tymidín,
cytidín, uridín)
DNA
• DNA – nositeľ genetickej informácie pre priebeh
všetkých životných procesov -zakódovanej v
sekvencii nukleotidov
• Dezoxiribóza + A,G,C,T
• Poradie nukleotidov určuje poradie AK v
bielkovinách
• Úsek –kóduje 1 bielkovinu –gén – genóm
• Primárna, sekundárna a terciárna štruktúra
RNA
• Ribóza + A,G,C,U
• m RNA – informačná –prenáša genetickú
informáciu z jadra do cytoplazmy
• t RNA – prenos AK na ribozómy pri
syntéze bielkovín
• r RNA – vytvára štruktúru ribozómov
Nukleotidy
•
•
•
•
•
•
•
•
Stavebná zložka NK
Voľné (k. fosforečná)
ATP – primárny zdroj energie v bunke
2 vysokoenergické väzby – makroergické
Hydrolýzou – veľké množstvo energie
GDP, GTP
Cyklické nukleotidy – c AMP
Nukleotidové koenzýmy – NAD, NADP, FAD,
FMN, koenzým A
METABOLIZMUS SACHARIDOV
• Hlavný energetický zdroj – oxidácia
• Zásobná forma – glykogén
• Zdroj uhlíka pre syntézu lipidov a uhlíkovej
kostry aminokyselín
Štruktúra glykogénu
•
•
•
•
•
•
Potrava – denný príjem 500g
Polysacharidy – škrob, glykogén
Disacharidy – sacharóza (30%)
laktóza
(10%)
Monosacharidy – glukóza, fruktóza
Dominantný zdroj – škrob (60%) zemiaky,
obiloviny
• Glukóza – najdôležitejší sacharid pre
bunky
• Využitie v troch hlavných metabolických
cestách:
• 1. Syntéza glykogénu
• 2. Glykolýza
• 3. Pentózový cyklus
Metabolizmus glykogénu
•
•
•
•
•
•
Syntéza
Odbúranie
Regulácia
Pečeň (10% hmotnosti)
a
svaly (1% hmotnosti)
Funkcia pečeňového glykogénu
• Dopĺňanie glukózy do krvného riečiska
• Štiepenie – tvorba (podľa hladiny glukózy
v krvi)
Využitie svalového glykogénu
• Je zdrojom energie iba pre svalovú bunku
• Nemôže sa využiť na zvýšenie hladiny
krvnej glukózy! (chýba enzým glukóza 6fosfatáza)
Syntéza glykogénu
• Glukóza
• Pred vstupom do pochodov syntézy –
fosforylácia – (hexokináza) – glukóza 6fosfát (ATP)
• Premena na glukóza 1-fosfát
• Reakcia s UTP- UDPG
• Lineárne časti – glykogénsyntáza
• Vetvenie – vetviaci enzým
Odbúranie glykogénu
• 1. Vstup H3PO4 a štiepenie glykozidovej
väzby α1-4
• Vznik G 1-fosfátu (glykogénfosforyláza)
• Premena na G-6 fosfát
• Štiepenie na G a P – (G 6-fosfatáza) len v
pečeni!
Regulácia metabolizmu glykogénu
• Glykogén – základný energetický substrát,
základná rezerva glukózy
• Tvorba – degradácia glykogénu – podľa potrieb
organizmu
• Štiepenie glykogénu:
• A) pokles hladiny glukózy
• B) potreba mobilizovať energetické rezervy
• Syntéza glykogénu –pri dostatočnom príjme
• Kontrola metabolizmu glykogénu –
hormóny:
• GLUKAGÓN (pečeň), ADRENALÍN (sval)
• INZULÍN
• Inzulín - glykogenosyntézu
• Glukagón a adrenalín – glykogenolýzu
• Glukagón a adrenalín –
aktivujú fosforylázu
inhibujú syntázu
Prostredníctvom proteínkináz – spustenie
kaskádovej fosforylácie enzýmov
• Fosforylovaná syntáza – neaktívna
• Fosforylovaná fosforyláza – aktívna
• Adrenalín a glukagón – glykogenolýza
• Inzulín – defosforylácia syntázy a
fosforylázy
• Stimulácia syntézy a inhibícia odbúrania
Metabolická regulácia tvorby a
degradácie glykogénu
• Pokles glukózy –spojený s poklesom ATP
• a vzostupom AMP
• AMP aktivuje fosforylázu – zvýšená
degradácia glykogénu
• (ATP tento účinok odstraňuje)
Glykolýza
• Základná metabolická cesta odbúrania
glukózy v bunkách
• Za aeróbnych podmienok – konečný
produkt pyruvát
• Za anaeróbnych podmienok – konečný
produkt laktát
• 3 fázy:
• 1. a) aktivácia (glukóza 6-fosfát)
•
b) izomerácia (fruktóza 6-fosfát)
•
c) vznik 2 trióz
• 3-fosfoglyceraldehyd
dihydroxiacetónfosfát
2. fáza
• oxidoredukčná reakcia –
• 1,3 bisfosfoglycerát
• (NAD+ → NADH + H+)
• Vznik ATP substrátovou fosforyláciou
• 3-fosfoglycerát
• 3.fáza
• 2-fosfoglycerát – fosfoenolpyruvát
• Substrátová fosforylácie –ATP
• enolpyruvát
• pyruvát
Glykolýza za aeróbnych a
anaaeróbnych podmienok
•
•
•
•
•
Aeróbne podmienky – vo väčšine buniek
(výnimka –kostrový sval, Ery)
K zabezpečeniu glykolýzy – nevyhnutná
REGENERÁCIA koenzýmu NADH – oxidácia
Za aeróbnych podmienok v mitochondrii –
terminálna oxidácia
• za anaeróbnych podmienok - redukciou
pyruvátu – vznik laktátu
Energetická bilancia
glykolýzy
•
•
•
•
•
•
Sumárna reakcia:
anaeróbne podmienky:
C6H12O6 → 2 C3H6O3 + 2 ATP+ 2 H2O
V 1. fáze – spotreba 2 ATP
-2 ATP
2x vytvorenie 2 ATP +4 ATP
+2 ATP
•
•
•
•
•
•
•
Aeróbne pomienky:
C6H1206→C3H4O3 +2NADH +H+ 2 ATP
+2H2O
Bilancia: po pyruvát
2 ATP
2x NADH
2x3= 6 ATP
8 ATP
Po prechode pyruvátu do mitochondrie –
Krebsov cyklus – spolu čistá bilancia z 1 mol
glukózy - 38 mol ATP
Glukoneogenéza
• Glukóza – základný (pre niektoré bunky
jediný) zdroj energie
• Glukoneogenéza – syntéza glukózy z :
• Pyruvátu
• Oxalacetátu
• Pečeň (obličky)
• 2 základné zdroje:
• laktát
• aminokyseliny
• Aminokyseliny – deaminačné a
transaminačné reakcie
• Tuky – malý význam pre tvorbu
glukózy:
• Premena pyruvátu na acetylKoA je
nevratná!
• Iba glycerol
Reakcie glukoneogenézy
• Obrátená cesta glykolýzy, rovnaké enzýmy
• 3 nevratné reakcie glykolýzy – iné enzýmy
• okrem:
• pyruvát
→
fosfoenolpyruvát
• fruktóza 1,6 bisfosfát →fruktóza 6-fosfát
• glukóza 6-fosfát
→ glukóza
• 1. pyruvát –fosfoenolpyruvát
• a) karboxylácia na oxalacetát
• b) fosforylácia na fosfoenolpyruvát
(cez malát)
• 2.
• fruktóza 1,6- bisfosfát - fruktóza 6-fosfát
• (fruktóza 1,6 bisfofatáza) hydrolytické
odštiepenie fosfátu
• 3. glukóza 6-fosfát – glukóza
• (glukóza 6-fosfatáza)
Udržiavanie fyziologickej
koncentrácie glukózy v krvi
• Funkcie pečene
• Pokles glukózy–
•
štiepenie glykogénu
•
glukoneogenéza
• Vzostup glukózy•
syntéza glykogénu
•
glykolýza
•
premena na tuky
Coriho cyklus
• Laktát - sval – krv – pečeň
• Vznik pyruvátu – oxidáciou
• Z pyruvátu glukoneogenézou – glukóza
• Glukóza – pečeň – krv - sval
Pentózový cyklus
•
•
•
•
•
•
Oxidácia glukózy
Oxidácia a dekarboxylácia glukózy-vznik pentóz
Vzájomná premena pentóz – vznik hexóz
Význam :
Tvorba redukovaných koenzýmov NADPH
(hydroxylačné a detoxikačné reakcie a
syntetické pochody)
• Tvorba pentóz pre nukleové kyseliny
Cyklus trikarboxylových
kyselín
Krebsov cyklus
Citrátový cyklus
Najvýznamnejší cyklus produkujúci
energiu - v mitochondriách
Substráty vstupujú do K. cyklu vo forme
acetyl KoA
Substráty podliehajú oxidácii, vzniká
energia vo forme ATP
Začiatok i koniec cyklu – k. oxaloctová
k.oxaloctová ... 4C
acetyl KoA + 2C
CO2
- 2C
• Elektróny sú prenášané na NAD a FAD
• Postupne prechádzajú na O2 (elektrón
transportný reťazec)
• V procese oxidatívnej fosforylácie vzniká z
ADP - ATP
Reakcie Krebsovho cyklu
1. AcetylKoA+
oxaloacetát –
citrát
2. Izomerizácia – izocitrát
3. Oxidácia
–
oxoglutarát (NADH, CO2)
4. Oxid.dekarboxylácia – sukcinylKoA
(NADH, CO2)
• 5. Štiepenie – sukcinát – fosforylácia
GDP-GTP
• 6. Oxidácia – fumarát (FADH2)
• 7. + H2O –
malát
• 8. Oxidácia – oxalát (NADH)
Lipidy
• Estery alkoholov a vyšších karboxylových
kyselín
• Tuky –estery glycerolu a VKK (k. fosforečnej,
cukry)
• lipoproteíny
• VKK – párny počet C (jednoduché i dvojité
väzby)
• Nasýtené – nenasýtené
• Niektoré esenciálne
Triacylglyceroly (neutrálne tuky)
• Estery glycerolu a VKK
• Metabolizmus VKK
• β - oxidácia – 2C zvyšky k. octovej + KoAAcetylKoA
• Transport VKK do mitochodnrií - karnitín
• Energetická bilancia:
• Každý cyklus β-oxidácie –
• 1 mol FADH2, 1 mol NADH2,
1mol acetylKoA a 1 acylKoA
• Príklad – k. palmitová 16 C – 8 x 2C • 7x cyklus
•
•
•
•
•
7 NAH2 7x3
7 FADH2 7x2
8 AcetylKoA v K. cykle 8x12
aktivácia k. palmitovej
+21
+14
+96
+131 ATP
- 1
+130 ATP
Syntéza VKK
•
•
•
•
•
•
z AcetylKoA
Zdroje : Cukry, tuky, AK
Syntéza VKK v cytozole
acetyl KoA – oxidačnou dekarboxyláciou
pyruvátu
β-oxidáciou VKK
• 1. Karboxylácia AcetylKoA – malonyl KoA
• 2. postupné spájanie a redukcia 2C
zvyškov
• Predlžovanie reťazca – obrátené reakcie
β- oxidácie s výnimkou redukcie (nie FAD
ale NADPH)
Význam acetylKoA v metabolizme
• 2C zvyšok k. octovej – aktivovaná k. octová
• Metabolizácia 2C zvyškov z oxidácie cukrov,
tukov a bielkovín
• Strata špecifickosti molekúl, z ktorých vzniká
• Oxidácia C- CO2
• Oxidácia H2 – H2O
• K.cyklus – spoločná metabolická dráha hlavných
zdrojov energie
• Využitím acetylKoA v K. cykle –
rozhodujúca časť energetického zisku
• 1 mol glukózy – 38 mol ATP, z toho 24 z K.
cyklu
• 1 mol k. palmitovej – 130 mol ATP, z toho
96 z K. cyklu
• hlavne oxidovaním redukovaných NADH a
FADH 2 – terminálna oxidácia + oxidačná
fosforylácia
• Intermediáty K. cyklu
• K. cyklus spája metabolizmus cukrov,
tukov a bielkovín a umožňuje vzájomné
premeny
Vznik acetylKoA
• 1. tuky: β-oxidácia VKK
• 2. cukry: oxidačná dekyrboxylácia
pyruvátu
• 3. AK: ketogénne priamo
•
glukogénne cez glukózu
Využitie acetyl KoA
•
•
•
•
1. K. cyklus – na CO2 a H2O + energia
2. syntéza VKK
3. tvorba ketolátok
Podiel tvorby acetyl KoA z jednotlivých
živín – závisí od potravy a práce
• Bielkoviny – význam najmä pri vyčerpaní
glykogénových zásob
Posúdenie miery využívania C a T
•
•
CO2
• RQ= O2
• RQ cukry -1
• RQ tuky -0,7
• Čim vyššia intenzita, tým vyšší podiel cukrov
• Čim väčšia dĺžka trvania, tým vyšší podiel tukov
Regulácia využitia glukózy
• Glukóza – pre väčšinu tkanív hlavný zdroj
acetyl KoA
• CNS
• Fyziologická hladina glukózy: 3,3-5,6
mmol/l
• Neurohumorálna – katecholaminy
• Hormonálna – glukagón a inzulín
Situácia: glukóza znížená
•
•
•
•
•
Potreba: zvýšiť glukózu
Mechanizmy:
1. Zvýšiť prívod z GIT
2. Glykogenolýza v pečeni
3. tvorba z necukrových látok glukoneogenéza
Situácia: glukóza zvýšená
• Potreba: znížiť glukózu
• Mechanizmy:
• 1.zvýšiť oxidáciu glukózy – glykolýza a
pentózový cyklus
• 2.inhibovať glukoneogenézu
• 3. zvýšiť syntézu glykogénu
• 4. zvýšiť premenu na tuky
Zvýšiť hladinu glykémie
• Glukagón – pečeň glykolýza, inhibícia
glykolýzy - glukoneogenéza
• Adrenalín
• (svalový glykogén nie je zdrojom glukózy
pre krv – len pre sval)
• ACTH – glukokortikoidy (kortizol)glukoneogenéza
• STH – aktivuje oxidáciu tukov-šetrí
glukózu, glukoneogenézu
Znížiť hladinu glukózy
•
•
•
•
•
Inzulín – zvyšuje
1. priepustnosť b. membrán pre glukózu
2. syntézu glykogénu
3. premenu na tuky
4. znižuje štiepenie tukov
• Vylúčiť močom
Ketolátky
• Vznik v pečeni z nespotrebovaného acetyl
KoA
• Využívanie v iných tkanivách (sval, srdce,
obličky, CNS)
k. β-hydroximaslová
• k. acetoctová
• acetón
Tvorba a využívanie ketolátok
• Kondenzácia acetylKoA - k.acetoctová
redukcia –k. β- hydroximaslová
• dekarboxylácia –acetón
• Premena na acetoacetylKoA –štiepenie na
• acetyl KoA –vstup do K. cyklu
• Pečeň nemá enzým – tvorbu acetoacetyl
KoA
Bielkoviny
• Stavebnými jednotkami sú aminokyseliny –peptidové
väzby
• Biologické funkcie:
• Enzýmová katalýza
• Koordinovaný pohyb
• Transport a uskladňovanie
• Mechanická podpora
• Imunitná ochrana
• Regulácia biochemických pochodov
• (Zdroj energie)
Aminokyseliny
•
NH2 – aminoskupina
COOH- karboxylová skupina
Esenciálne –neesenciálne
Charakteristické reakcie:
1. Deaminácia
2. Dekarboxylácia
3. Transaminácia – výmena aminoskupiny
za oxoskupinu s oxokyselinami
4. Kondenzácia –vzájomné zlučovanie AK –
dipeptidy až polypeptidy
Zapojenie AK do intermediárneho
metabolizmu
• Po odstránení aminoskupiny - uhlíková kostra–
zapojenie do metabolických dráh .
• 1.Glykolýza, K. cyklus
• 2. Glukoneogenéza – z glukogénnych AK
• (z ktorých vzniká pyruvát alebo medziprodukty
K. cyklu)
•
Zapojenie AK do glukoneogenézy
• Pečeň a oblička – glukóza z látok
necukrovej povahy
• Úloha glukózy
• Podstata glukoneogenézy – zapojenie
uhlíkovej kostry AK do procesu tvorby
glukózy – obrátenie glykolýzy okrem 3
reakcií
•
•
•
•
•
•
vznik fosfoenolpyruvátu
defosforylácia fruktóza 1,6 bisfosfátu
defosforylácia glukóza 6-fosfátu
3 metabolické procesy:
Obr. Bioch.I s. 172
Pyruvát – oxalacetát – fosfoenolpyruvát
•
•
•
•
•
•
•
Transaminácia
Alanín – pyruvát - oxalacatát
Aspartát – oxalacetát
Glutamát – oxoglutarát – oxalacetát
Cez alanín tryptofán
Cez aspartát asparagín
Cez glutamát prolín, arginín, histidín,
glutamín
• Ketogénne – tie, z ktorých vzniká acetyl
CoA, alebo acetoacetyl CoA
• Tvorba karboxylových kyselín alebo
ketokyselín
Tvorba močoviny
• Hlavným miestom tvorby je pečeň
• NH3+ CO2 + aspartát + 3ATP + 2H2O→
• močovina + fumarát + 3ADP + 3 H3PO4
•
Pečeň- obličky - moč
LIPOPROTEÍNY
TRANSPORT LIPIDOV
• Lipidy naviazané na proteíny (apoproteiny)
• Centrálne umiestnené hydrofóbne
molekuly(triglyceridy a estery cholesterolu)
• Delenie:
• CM – chylomikróny
• VLDL
• LDL
• HDL
• Endogénne lipidy – v pečeni – VLDL – IDL
– LDL
• CM a VLDL – zdroj triacylglycerolov a VKK
• LDL – poskytujú cholesterol pre výstavbu
membrán
• Pri metabolizme LDL môže dôjsť k
akumulácii cholesterolu v tkanivách a v
intime ciev
HDL
• Syntetizuje sa v pečeni
Častice HDL majú schopnosť vychytávať
voľný cholesterol a esterifikovať ho –
antisklerotický efekt –priesvitka!!
Hormonálna regulácia telesného
zaťaženia
Receptory s G proteínmi
•
Účinok
adenylátcykláza adenylátcykláza
Aktivácia
• Efekt
• Adrenalín
• NA
↑3,5, cAMP
inhibícia
↓3,5, cAMP
fosfolipidáza C
aktivácia
↑ DAG ↑IP3
β1 β2
α2
α1
β
α2
α1
Sval a energia
Mechanizmus posunu filament
• Doplniť!