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