Metaboolsed protsessid (0)

Metaboolsete protsesside toimumise põhiline koht on rakk ja selle struktuurid .
Metaboolsed rajad :
1.Krebsi tsükkel -põhirajad
2. Spetsiifilised rajad
3.Glükolüüsi rada
Katabolism
• Ehk dissimilatsioon
• Organismis toimuvad muundumisprotsessid (makrotoitainete ja –biomolekulide lõhustumine monomeerideks – ehitusüksusteks), mille käigus salvestatakse (nt. ATP) või vabaneb soojusena metaboolset energiat ning saadakse anabolismi lähtesubstraadid
• Jääkainete eemaldamine organismist
Katabolismi etapid
• Makrotoitainete lõhustumine monomeerideks
• Monomeeride muutmine metaboolse raja võtmeühenditeks (metaboliidid)
• Metaboliitide oksüdatsioon
Anabolism ja katabolism
• Toitumisjärgselt on aktiivsed rajad:
• glükolüüs , • glükogeeni süntees • lipogenees • valkude süntees, kudede uuendamine Ehk üleliigse metaboolse kütuse säilitamine varuainetena
• Mittetoitumise (mis algab juba mõne tunni möödumised peale toitumist) faasis on aktiivsed • glükogeeni lõhustamine (miks glükogeen on väga palju hargnenud? Milliste kudede rakkudes glükogeen deponeeritakse?) • lipiidide varu (triglütseriidid) lagundamine • valkude muundamine glükoosiks glükoneogeneesi rajas • kõikide biosünteesiprotsesside aeglustumine või lakkamine
Anabolism ja katabolism
• Katabolism ülekaalus – normaalne kestva füüsilise pingutuse järgselt, millal veel?
• Anabolism ülekaalus – sünnitusjärgselt
• Patoloogiline anabolism – rasvumine , gigantism
• Katabolism ületab anabolismi – kilpnäärme ületalitus, palavik , nälgimine
Metabolism kui võrgustik
• Biomolekulid muundatakse (lammutatakse) ning sünteesitakse organismi elutegevuseks vajaliku sisekeskkonna (homeostaasi) tagamiseks
• Metabolismi seoseid iseloomustavad:
• Radasid ühendavad sõlmpunktid (nt. metaboliit võib anda sama produkti läbides erinevaid radasid) • Rajad on täpselt reguleeritud ja koordineeritud (katabolism ja anabolism eksisteerivad vaid koos, kuna on metaboliitide ja energia andmise-saamise kaudu seotud)
• Raku elutegevuseks vajalikke molekule saab nii katabolismist kui anabolismist
• Subtraatide muundamine annab energia sünteesiprotsessideks
• Katabolism ja anabolism ei ole teineteise lihtsad pöördprotsessid (radade võtmereaktsioonid on pöördumatud ning pöörduvus on tagatud teiste reaktsioonide kaudu, nt. Glc täielik lammutamine toimub mitokondrites, süntees aga tsütoplasmas)
Energiavahetus – metaboolsete protsesside energiamuutus
• Tegeleb ainevahetuse energeetiliste külgede uurimisega
• On lahutamatu üldisest ainevahetusest, miks?
• Anabolismil on vaja välist energiat
• Katabolismil vabaneb/salvestatakse energia
• Anabolism ja katabolism toimuvad üheaegselt, energia kasutatakse kohe
• Kogu energia pole salvestatav – st. tekivad energia kaod – ülejäänu hajub soojusena (ruumis oleva inimese „ kütteväärtus “?)
Energiavahetusprotsessid
• Vaba energia ( Gibbsi energia, G) arvel saab organism teha tööd antud temperatuuril ja konstantsel rõhul
• Ülearune energia hajub soojusena
• ∆G, vaba energia muut reaktsioonil näitab reaktsiooni võimalikkust ja seda kas reaktsioonil vabaneb või neeldub energiat (negatiivse vaba energia muuduga reaktsioonid kulgevad spontaanselt (katabolism)
• Lõhustatava (muundatava) substraadi energia muutmine kasutatavaks metaboolseks energiaks
Gibbsi energia
• Molekulid võtavad oleku, kus nende energia on madalam (vaba energia äraandmine), molekul on madalama energiaga olekus stabiilsem
• A B, GA > GB ehk GB – GA = - G
• Metaboolse raja korral vaatleme üksikreaktsioonide vaba energia muutuste summat – kui kogusummas on vaba energia muutus negatiivne, siis on raja kulgemine võimali
Makroergilised ühendid
• Makroergilised ühendid on ajutised energia salvestajad/ülekandjad
• Ühend on makroergiline, kui tema (hüdrolüüsil) lõhustamisel tekib üle 25 kJ/mol energiat
• Olulisim energia salvestaja/ülekandja on ATP. ATP hüdrolüüsil vabaneb 30 kJ/mol
• ATP hüdrolüüsil ADP-ks kantakse fosforüülgrupp üle biomolekulile, viimane aktiveerub ja saab täita oma ülesandeid metabolismis (nt. Glc Glc-6-P, muutus ATP osalusel)
• ATP kujul salvestatud metaboolne energia kasutatakse ära teistes metaboolsetes protsessides, ta on jaotatav üle kogu raku
Glükoosi metabolism (süsivesikute metabolism)
• Glükoosi universaalsust tagavad faktorid :
• Lahustub hästi vees
• Tsükliline struktuur optimaalse stabiilsusega (milline konformatsioon?)
• Vaba Glc on keemiliselt suhteliselt inertne (kuidas aktiveeritakse rakus?)
• Glc on metaboolne „põhikütus“ (milline makroergiline ühend saadakse Glc-lüüsist?)
• Glc läbib piisava kiirusega hemato-ensefaalset barjääri (ajukoe energiaallikas)
• Tavatingimustes ainus metaboolne kütus ajukoe, erütrotsüütide, neerupealiste , silma võrkkesta ja testiste jaoks (kui toitainetest saadav Glc on ammendunud, kust saavad Glc?)
• Inimorganismi kõikides rakkudes leidub glükoosi, vajalik tase tagatakse Glc metaboolsete radadega • Häired Glc metabolismis – suhkrutõbi, rasvumine (üldised metaboolsed haigused) on seotud ateroskleroosi, kõrgvererõhutõve, neeruhaiguste jms.
Glükoosi metaboolsed rajad
• Glükolüüs – glükoosi osaline või lõplik oksüdatiivne lõhustamine (kõikides rakkudes), iidne metabolismi rada (ka bakterites)
• Glükogenees – glükogeeni süntees glükoosist (lihased, maks)
• Glükoneogenees – glükoosi sünteesimine piimhappest (laktaadist), glütseroolist, aminohapetest ( maksas )
• Glükogenolüüs – glükogeeni lõhustamine glükoosiks (maks, lihased)
Glükolüüs
• Glükolüüs on glükoosi oksüdatiivne lõhustamine • 2 glükolüüsi tüüpi: • Anaeroobne glükolüüs • Piimhappeline käärimine (laktaadi teke) • Alkoholkäärimine (ainult pärmides) • Aeroobne glükolüüs • Atsetüül -koensüüm A (Atsetüül-CoA) teke • Lõplik oksüdatiivne lõhustumine (CO2 ja H2O)
Anaeroobne glükolüüs (piimhapekäärimine)
• Glc osaline lõhustumine hapniku puuduse tingimustes raku tsütoplasmas (intensiivselt töötavates lihasrakkudes, erütrotsüütides)
• Algab 1 glükoosi molekuliga ja lõpeb 2 laktaadi molekuli tekkega
• Tsütoplasmas toimuvas glükolüüsis (anaeroobses glükolüüsis) on 2 faasi
• 1. faasis toimub energia investeerimine – 2ATP
• 2. faasis toimub energia salvestamine - glükoosi lõhustumise energia konverteerimine ATP-ks – saadakse 4ATP
• Tulud – kulud (4-2=2): anaeroobse glükolüüsi (piimhapekäärimise) energeetiline kasum on 2 ATP
Anaeroobse glükolüüsi käik
1.Glükoosi fosforüülimine, Glükoos-6- fosfaadi teke (1ATP)
2. Glükoos-6- fosfaat → Fruktoos -6-fosfaat
3. Fruktoos-6-fosfaat → Fruktoos-1,6-bisfosfaat (-1ATP)
4. Fruktoos-1,6-bifosfaat → Dihüdroksüatsetoonfosfaat (DAP) ja Glütseeraldehüüd-3-fosfaat (GAP) 5. DAP↔GAP
6. Glütseeraldehüüd-3-fosfaat (GAP) → 1,3bisfosfoglütseraat (2tk)
7. 1,3-bisfosfoglütseraat → 3-fosfoglütseraat (ADP →ATP)
8. 3-fosfoglütseraat → 2-fosfoglütseraat
9. 2-fosfoglütseraat → Fosfoenoolpüruvaat (PEP)
10. Fosfoenoolpüruvaat (PEP) → Püruvaat (ADP → ATP)
11. Püruvaat → Laktaat
Anaeroobsel glükolüüsil vajalikud ensüümid
1. Heksoosi kinaas (Mg2+), Glc – 6 – P pärsib aktiivsust, INS indutseerib ensüümi sünteesi
2. Fosfoglükoosi isomeraas (Mg2+)
3. Fosfofruktoosi kinaas, FFK1 (Mg2+) – allosteeriline ATP/AMP suhtele; AMP ja Fru-2,6-bisP aktiveerivad, tsitraat ja ATP pärsivad 1. Fru-2,6-bisP teket kontrollivad INS ja glükagoon
4. Aldolaas A
5. Trioosfosfaadi isomeraas
6. GAP dehüdrogenaas
7. Fosfoglütseraadi kinaas (Mg2+)
8. Fosfoglütseraadi mutaas
9. Enolaas
10. Püruvaadi kinaas (Mg2+ ja K+), aktiveeritakse Fru1,6-bisP poolt glükolüüsi kiirendamiseks ja AMP aktiveerib, ATP inhibeerib
11. Laktaadi dehüdrogenaas
Anaeroobne glükolüüs
• Piimhapekäärimisel kasutatakse mitmeid ensüüme – seejuures on 3 võtmeensüümi • 1- Heksoosi kinaas (glükoosi subtraatne fosforüülimine, 1. reaktsioon ) • 2- Fosfofruktoosi kinaas-1 (FFK-1) on protsessi keskne ensüüm , mille aktiivsus limiteerib kogu protsessi kiirust ! (3. rks.) • 3- Püruvaadi kinaas (10. reaktsioon)
• Võtmeensüümide sünteesi reguleerivad hormoonid insuliin ( aktivaator ) ja glükagoon ( inhibiitor ) • Insuliin indutseerib heksoosi (glükoosi) kinaasi sünteesi • Seega sõltub protsess ka insuliinitasemest ja glükagoonitasemest (diabeedi puhul insuliinitase madal ja glükagoonitase kõrge)
Anaeroobse glükolüüsi olulisus organismis
• On oluline ATP tootja hapnikuvõla tingimustes: • Vaheühend 2,3-bisfosfoglütseraat on oluline regulaatormolekul hemoglobiini hapnikusiduvusel, vt. Zilmer … lk. 224 • Oluline sünnitusprotsessil (O- vaegus sündival lapsel, müokardi infarkt järgselt) • Aitab püruvaadi (neurotoksiline) kuhjumist vältida • Laktaadist on lihtne glükoosi resünteesida (Glükoneogenees)
Glükoosi alkoholkäärimine (näide)
• On teine glükoosi anaeroobse katabolismi vorm • Inimorganismis ei toimu • Toimub pärmide ensüümide toimel • Ka alkoholkäärimise roll seisneb ATP tootmises anaeroobsetes tingimustes • On piimhape-käärimine • Püruvaat -> atseetaldehüüd -> etanool
Aeroobne glükolüüs
• Aeroobne glükolüüs lähtub tsütoplasmas toimuva glükolüüsi osa metaboliidist püruvaadist • Püruvaadist tekib atsetüül-CoA (mis on ka teiste metabolismiradade produkt ) • Protsessiks on vaja ensüüm-vitamiinkompleksi püruvaadi dehüdrogenaasne kompleks – PyrDH (koosneb 3 ensüümist ja 5 vitamiinist)
Vajaminevad vitamiinid
• Tiamiin (B1)
• Riboflaviin (B2)
• Pantoteenhape (B5)
• Nikotiinhape (B3, PP)
• Lipoehape (N)
• Juba ühe vitamiini puudus põhjustab siin tõsiseid häireid
Aeroobne glükolüüs
• Atsetüül-CoA viiakse edasi kesksesse metaboolsesse tsüklisse – Tsitraaditsüklisse (ka trikarboksüülhapete tsükkel – TKT, TCA või Krebsi tsükkel) Selle tsükli ja hingamisahela koostöö lõpptulemusena tekib CO2 ja H2O • Glükoosi lõplik lõhustumine aeroobses glükolüüsis toimub mitokondrites