• 2012. szeptember 25.
• Előadó: Csala Miklós

ATP SZINTÉZISE – lehetséges szubsztrát szintű foszforilációval és oxidatív foszforiláció

Katabolizmus: felszívódott redukált tápanyag molekulák - elektronszállító molekulák e^-t, H-t vesznek el tőlük – elektron transzfer láncra kerülnek. Kisebb szabadenergia-változás adagok: ATP szintézishez kapcsolható. Mitokondrium belső membránjához kötött folyamat. Szubsztrát szintű foszforiláció: tápanyag molekula bomlik, egyre oxidáltabb szénatomok – spontán lejátszódó folyamat lépéseit is lehet ATP szintézishez kapcsolni – intermedierek szintjén történik, kevesebb ATP, mint oxidatív foszforilációval

1. szénhidrátok – glukózból glikolízissel citoszolban 2 piruvát keletkezik, belép a mitokondrium mátrixába, oxidálódik piruvát dehidrogenázzal acetilcsoporttá (KoA-hoz kapcsolt ecetsav), kilép egy CO₂/piruvát. Acetil-KoA citrátciklusba lép, további oxidáció – mind a hat C oxidálódik CO₂-dá. Eltávolított elektronok a mitokondrium belső membránjába jutnak, elektron transzfer lánc (légzési lánc), oxigén vízzé alakul. Égés energiája oxidatív foszforilációban ATP-t termel.
2. lipidek – zsírsavakból acil-KoA acetil-KoA szintetázzal (egyszerű kötés), zsírsavak csak a mitokondriummátrixban kezdenek lebomlani (eltérés a glukóz bomlástól!) – béta oxidáció során acetil-KoA keletkezik – citrátciklus, összes szénatom CO₂-dá alakul, elektronok légzési láncba kerülnek, ATP szintézis oxidatív foszforiláció során.
3. fehérjék – aminosavak lebomlásuk során glikolízis intermedierré, citrátkör intermedierré, béta oxidáció intermedierré, acil-KoA-vá alakulnak

1. fázis: glukóztól a piruvátig, 2. fázis: energia befektető, energianyerő

• glukóz foszforilálódik hatos C-atomon, glukóz-6-foszfát (ha nem történik meg: GLUT transzporteren ki is mehet a sejtből - reverzibilitás - foszforilálás után viszont már NEM!) – glukóz „csapdába ejtése” (esetenként glu-6-P visszaalakítható glukózzá)

Glikolízis nem elkötelező lépése – más reakcióutak is megnyílhatnak a glukóz előtt, pl. glikogénné, glikoproteinné, glikolipiddé alakulhat Enzimek: hexokináz (kevéssé specifikus a glukózra), glukokináz (specifikus) izoenzimek – mindig az egyik enzimet tartalmazzák a sejtek, glukokinázt azok a sejtek tartalmazzák, amelyek a vércukorszintet érzékelik – pl. májsejt, béta sejtek a pancreasban, vese kéregsejtjei, bélhámsejtek ATP magas foszforil-csoport átviteli potenciálja van, glukóznak alacsony – IRREVERZIBILIS lépés #1 (nem vezet egyensúlyra)

• Izomerizáció, glu-6-P és fru-6-P – hexóz-foszfát izomeráz működése által egyensúlyra vezető, reverzibilis átalakulás

Glukóz szintézis során is lezajlik ez a lépés - félacetálból félketál, egyes szénatom szabaddá válik a fru-6-P gyűrűben.

• Foszfofruktokináz 1 foszforilálja az egyes szénatomot (ATP foszforil transzfer), így is felnyílhat még a gyűrű (- glu-6-P-ban ez nem lenne lehetséges!)

IRREVERZIBILIS lépés #2 - nagy CSÁP különbség a csoportok között, ELKÖTELEZŐ lépés a glikolízisben, biztos lebomlás, glikolízis SZABÁLYOZÁSÁNAK lehetősége

• CHOH-CHOH kötés: aldolkötés. Aldoláz A (aldolkötés bomlása nem jár nagy szabadenergia-válzotással, reverzibilis, egyensúlyra vezet) kettéhasítja a molekulát – dihidroxi-aceton-foszfát keletkezik, glicerinaldehid-3-foszfát keletkezik

(Aldoláz B fruktóz-1,6-biszfoszfátot hasít)

• Trióz-foszfát izomeráz dihidroxi-aceton-foszfátot izomerizál glicerin-3-foszfáttá, konstitúciós izomerek, reverzibilis lépés, egyensúlyra vezet – jobbra eltolt, a második fázis a glicerinaldehid-3-P-ot fogyasztja (Le Chatelier-elv miatt az egész sor jobbra tolódik)

glicerinaldehid-3-P (2 db egy glukóz molekulából) - nettó 2 ATP keletkezik szubsztrát szintű foszforiláció során, NADH keletkezés oxidatív foszforilációban lehetőséget ad ATP termelésre

• glicerinaldehid-3-P oxidálódik dehidrogenázzal, két elektron és két proton leválik, karbonsavvá alakulás, szabadenergia csökkenés, NADH keletkezik

Nem keletkezik karboxilcsoport szabadon, mert az egyes szénatomhoz foszfát kapcsolódik, anorganikus foszfát épül be savanhidrid kötéssel, pozitív szabadenergia változás – kapcsolt reakcióval makroerg kötés – 1,3-biszfoszfoglicerát, magas CSÁP (csoportátviteli potenciál)

• foszfoglicerát-kináz: 1,3-biszfoszfoglicerát 1-es foszfátját átviszi ADP-re, szubsztrát szintű foszforiláció, 3-foszfoglicerát keletkezik ATP mellett

• foszfoglicerát-mutáz foszforil csoportot 3-asról 2-esre helyezi át (nem kináz, mert molekulán belüli foszforil-transzport – mutáz)

• enoláz vizet von el reverzibilisen a 2-foszfogliceráttól (benne észterkötés), foszfoenol-piruvát keletkezik (PEP) (benne enolészter kötés) kiemelkedően magas CSÁP (64 kJ/mol)

• piruvát-kináz szubsztrát szintű foszforilációja, foszfát ADP-re áthelyezésével ATP keletkezik, IRREVERZIBILIS lépés #3 keletkezik: 2 piruvát, 2 ATP

Ez a lépés szabályozott – miért kell szabályozni az utolsó lépést? Bizonyos sejtekben: ahol van glukóz szintézis, pl. májsejt – lépés gátlása nélkül ATP termelés irányába menne el a reakció

NETTÓ: glukóz + 2NAD + 2ADP – 2 piruvát + 2NADH + 2ATP

• 2012. szeptember 26.
• Előadó: Csala Miklós

Mitokondrium: két membránja van – külső kis molekulák számára szabadon átjárható, nem barrier (porin fehérje pórusokat hoz létre a membránon, intermedierek – piruvát szabadon átdiffundál), belső membrán nem átjárható szabadon – transzporterek, általában antiporterek. Piruvát: hidroxidion kilépése közben lép be. Nem enzimatikus oxidatív dekarboxiláció – piruvátból acetaldehid, majd acetaldehid-hidrát, majd ecetsav keletkezik, spontán lejátszódó folyamat

Enzimatikus: CH₃-CO-COO^- + KoA-SH + NAD – CH₃-CO-S-KoA (acetil-koa) + CO₂ + NADH

• oxidáció, dekarboxilezés itt is jelen van
• de nem veszik el hővé az energia

1. Elektronszállítóval történik oxidáció, nem oxigénnel – így oxidatív foszforilációt táplál a reakció,
2. Ecetsavat KoA-hoz kapcsolja, tioészter kötés – magas energiájú kötés, magas csoportátviteli potenciál

• Acetaldehid és acetát szabad formában nem keletkezik, végig kötésben marad – így nem toxikus

PDH (piruvát-dehidrogenáz) komplex: három enzim reakció útvonala kooperál, egy komplexben helyezkednek el E1: piruvát-dekarboxiláz (piruvát-dehidrogenáznak is nevezik) (TPP tiamin – B1 vitamin - pirofoszfát prosztetikus csoport, kovalensen köt az enzimhez, savas disszociációra képes, nukleofil reagens, mint karboanion) E2: dihidrolipoid-transzacetiláz (liponsavamid prosztetikus csoport, 8 szénatomos monokarbonsav, két kén diszulfid kötést képez – könnyen redukálható két tiolcsoporttá, dihidroliponsav. Redoxireakciókba könnyen vihető, csoport kapcsolható a tiolcsoportra, szállítás lehetősége. Liponsav lizin aminosav epszilon C-atomján található aminocsoporthoz kapcsolódik, hosszú lánc jön létre.) E3: dihidrolipoil-dehidrogenáz (FAD)

Részt vevő koezimek: NAD⁺ és KoA-SH Szabályozó enzimek: piruvát-dehidrogenáz kináz (ATP-ről foszfátcsoportot helyez rá) és foszfatáz (foszfátot távolít el), antagonista hatásúak, szabályozó enzimek

• E1: TPP nukleofil ágens, negatív töltésű szénatomja (H⁺ leadással marad vissza) támadja a piruvát alfa szénatomját, új kovalens kötés alakul ki, piruvát karboxilcsoportját elveszíti – acetaldehid nukleofil addícióban van az enzim prosztetikus csoportjával (hidroxietil-tiamin-pirofoszfát HETPP) DEKARBOXILÁCIÓ
• E2: Hidroxietil-tiamin-pirofoszfát és liponsavamid – diszulfid híd redukciójával oxidálódik a HETPP – tiamin-PP-hoz ecetsav ekvivalens csoport kötött, acetilcsoport a dihidroliponsav egyik tiolcsoportjához köt - OXIDÁCIÓ
• Acetil-dihidroliponsav + KoA-SH – áthelyeződik az acetilcsoport, spontán transzfer, oxidáció és dekarboxilezés fedezi az energiaigényt, magas a CSÁP. AC-KoA és dihidroliponsav keletkezik
• E3: hidrogéneket FAD-nak ad át, innen NADH⁺H⁺ keletkezik

E2 enzim prosztetikus csoportja, liponsavamid hosszú szerkezete karként funkcionál, körbe mozog, mindhárom enzim aktív centrumába belemélyed

NADH sorsa nem ugyanaz, mint a citoplazmában a glikolízis során keletkező NADH-nak (ezek a citoplazmában keletkeznek, be kell jutniuk a mitokondrium mátrixába). Glikolízis anaerob körülmények között NADH „visszaoxidációjával” folytatódik, laktát+2ATP keletkezik. Mitokondrium mátrixában keletkező NADH csak a légzési lánc által tud visszaalakulni NAD⁺-vá – ha nincs oxigén, nem tudnak az elektronok a légzési láncban transzportálódni, nincs NAD⁺ keletkezés, ekkor leáll a PDH, szabályozás nélkül is, automatikusan – PDH nem fogyaszt oxigént, de aerob enzim, mert a légzési lánchoz kapcsolva csak oxigén jelenlétében működik. Acetil-KoA: citrátkörben további oxidálció, alternatív utak: mitokondrium elhagyása a citrátkörbe való be- majd azonnali kilépéssel – ez esetben zsírsavak, lipidek, koleszterin szintetizálható – feleslegben lévő cukor glikogénraktárak feltöltése után zsírként raktározódik a máj működésén át. PDH irreverzibilis reakciót katalizál – az esetek zömében az irreverzibilis lépést is vissza lehet alakítani egy másik enzim segítségével irreverzibilisen (pl. foszfofruktokináz ATP-vel foszforilálja a fruktózt, irreverzibilis, de egy másik enzim vissza tudja alakítani, de nem termel ATP-t! veszteség lép fel), de a PDH reakciót nem lehet visszacsinálni – anyagcsere egyetlen ilyen lépése, nincs olyan folyamat, amely az acetil-KoA-t piruváttá alakítja!

két szinten – allosztérikus és kovalens módosításon alapuló szabályozás (foszforiláció, defoszforiláció)

Allosztérikus: szabályozó molekula specifikusan kötődik az enzimhez, befolyásolja az enzimaktivitást – szubsztrátok (KoA E2-t, NAD E3-at szabályoz) növelik az aktivitást Termékek (NADH E3-at, acetil-KoA E2-t szabályoz) gátolnak (nem feedback gátlás, termék általi gátlás!) zsíracil-KoA is gátolja a piruvát lebontását – zsíracil-KoA-ból is acetil-KoA és NADH lesz, belőle már glukóz nem keletkezhet – ha van jelen alternatív H forrás, ne az értékesebb piruvát fogyjon (lehet belőle még glukóz)

Kovalens módosítások: E1 enzimen. Foszforilált: inaktív, defoszforilált: aktív, erre épül még rá az allosztérikus szabályozás

PDH-kináz: allosztétikus szabályozás alatt áll – NADH, acetil-KoA elősegíti (kétszeres gátlás!), - piruvát, ADP gátolja (gátlás gátlása aktivál)

PDH-foszfatáz: hormonális szabályozás, Ca szignál (hormonmediált) aktiválja a foszfatázt, aktiválja a piruvát lebontást, pl. izomkontrakció, stressz esetén (sok ATP-re van szükség), inzulin (magas inzulinszint jóllakottságot mutat, felszívott glukóz, aminosavak – zsírrá alakítást és raktározást segít elő!)