Integrerad metabolism

Transkript

1 Integrerad metabolism Table of Contents Återkommande intermediärer... 2 Fosfat... 2 Aktiverade bärare... 2 NADH och NADPH... 2 NADPH... 2 Coenzym A... 2 Vägen till Acetyl CoA... 3 Glykogenes... 3 Glykogenolys... 3 Reglering av glykogenes/glykogenolys... 3 Glykolys Kolhydrater Acetyl... 3 Glykolys Pyruvat Acetyl CoA... 4 Glukoneogenes... 5 Lipolys Fetter Acetyl... 5 Beta-oxidation... 6 B-oxidation av fleromättade och omättade fettsyror... 6 Alfa oxidation... 6 Katabolism av Aminosyror Aminosyra Acetyl... 6 Anabolism av aminosyror... 7 Ureacykeln... 7 Hur Acetyl CoA omsätts... 8 Lipogenes... 8 Pentos-phosphat-pathways roll i lipogenesen... 8 Kolestrolsyntes... 8 Ketogenes... 8 Citronsyracykeln... 9 Elektrontransportkedjan... 9 Oxidativ fosforylering... 10

2 Återkommande intermediärer Fosfat Fosfatgruppen har tre huvudsakliga funktioner. 1) På grund av fosfatgruppernas negativa laddning så laddas molekylerna som blir fosforylerade. Eftersom membranet är impermeablet för ladda molekyler så kan dessa inte ta sig tillbaka ut när de väl kommit in (Glukos-6-fosfat). 2) När en molekyl blir fosforylerat så medförs även energi till genom hydrolysen av ATP 3) En fosforylerad molekyl blir mer enzymspecifik. På så sätt kan reaktioner katalyseras molekylen hittar sin enzym pga den adderade fosfatgruppen Aktiverade bärare ATP bär fosfat/fosforyl NADH och NADPH bär elektroner (NADH bär i mitkondrien och NADPH bär i cytosolen) FADH 2 bär också elektroner. Coenzym A bär Acylgrupper Biton bär CO 2 Uridin difosfat glukos bär glukos. NADH och NADPH NADH och FADH 2 är elektronbärare för katabolismen och finns huvudsakligen i mitokondrien. Det är molekyler som laddas med elektroner och på så sätt lagrar energi. Man kan tänka sig en revolver där som man laddar med kulor. Varje kula motsvarar en elektron. När man sen går till skjutbanan och skjuter ut kulorna (elektronerna i elektrontransportkedjan) så frigörs energi. De tar emot elektroner på följande sätt: NAD + NADH och FAD FADH 2 NADPH Används huvudsakligen i cytosolen för anabolismen. Genomgår motsatt reaktion då den inte laddas med elektroner. Utan den ger av elektroner för att kunna bygga molekyler istället. NADPH NADP + Coenzym A Acyler (En-kolkedja) och Acetyler(Tvåkolkedjas) kan binda till Coenzym A. De binder till Coenzym A genom att thioesterbindning (Dvs via svavlet). Acetylgruppen är den aktiverade gruppen på samma sätt som fosfatgrupper är den aktiva gruppen i ATP.

3 Acylgrupper är viktiga enheter i katabolismen av fettsyror (B-oxidation) och anabolismen av membranlipider och steroler. Vägen till Acetyl CoA Glykogenes 1) Bildning av UDP-glukos.Glukos-6-fosfat bildar glukos-1-fosfat som genom en fosforylering bildar UDP-glukos + organiska fosfor. 2) Bildning av Glykosylerad glykogenin.en glykogenin-primer bildar en förankring mellan en tyrosinrest och UDP glukos.på så sätt bildas en glykosylerad glykogenin. 3) Bildning av rak glykogenkedja.glykogen Syntas Branching enzyme UDP glukos bildar 1-4 bindningar. Enzymet har alfa och beta former vilket ger aktiva respektiva inaktiva former av det.detta ger en rak glykogenkedja. 4) Bildning av förgrenad glykogenmolekyl. I det här steget förgrenas glykogenet. Man får en kärna av UDP-glukoset i varje glykogenmolekyl. Glykogenolys 1) De förgrenade 1-4 bindningar bryts ned. Man får en rak kedja. 2) De raka 1-6 bindningar bryts. Båda stegen sker genom Glykogen fosforylas Debranching Enzyme 3) Fosfoglykofosfat ombildar glukos-1-fosfat till glukos-6-fosfat (en intermediär i glykolysen) som kan används till fortsatt glukosnedbrytning eller tillbakabildas till glukos som måste ut i blodet. Reglering av glykogenes/glykogenolys Vid ett insulinpåslag främjas glykogenbildningen. Dvs glukostransportörerna (GLUT-ar) kommer vara aktiva och ta upp glukos. Vid ett adrenalin påslag kommer glukagon hämma upptaget av blodets glukos. Istället kommer glykogen brytas ned för att bilda glukos av de depåer som redan finns för att bilda energi genom glykolysen. I nästa steg ser vi hur glukos används för att bilda ATP och Pyruvat. Glykolys Kolhydrater Acetyl Alla enzymerna befinner sig i cytosolen. Alla reaktioner sker såldes i cytosolen. Alla intermediärer är antingen 3kol- eller 6kolskedjor. Erytrocyter (röda blodkroppar) har inga mitokondrier och förlitar sig således helt och hållet på glykolysen. 1) Glukos Glukos-6-fosfat med hjälp av glukokinas eller hexokinas. ATP spjälkning 2) Glukos-6-fosfat Fruktos-6-fosfat med hjälp av phosphohexos isomeras 3) Fruktos-6-fosfat Fruktos-1,6-bifosfat med hjälp av fosfofruktokinas. ATP spjälkning 4) Fruktos-1,6-bifosfat Dihydroxyacetonfosfat och Glyceraldehyd 3-fosfat med hjälp av aldolas. 5) Dihydroxyacetonphosphat(DHAP) <-----> Glyceraldehyd 3 fosfat med hjälp av trios fosfat isomeras DHAP är molekylen som bildar glycerol. 6) X2- Glyceraldehyd-3-fosfat 1,3-Bifosfoglycerat med hjälp av glyceraldehyde-3-fosfat.ger 2 stycken NADH.

4 7) X2-1,3-Bifosfoglycerat 3-fosfoglycerat. Ger två ATP 8) X2-3-fosfoglycerat 2 fosfoglycerat med hjälp av fosfoglycerat mutas 9) X2-2-fosfoglycerat Fosfoenolpyruvat med hjälp av enolas 10) X2 - Fosfoenolpyruvat PYRUVAT med hjälp av pyruvat kinas. Ger två ATP Processen ger i netto 2 ATP, 2 NADH och 2 ATP. Det som behöver memoreras är följande steg: 1) Glukos Glukos-6-fosfat. Eftersom en fosfat är tillagd kan inte glukoset åka ut ur membranet 3) Fruktos-6-fosfat Fruktos-6-bifosfat Trots att glukos-6-fosfat bildas betyder det inte att glykolysen kommer fortsätta. Det har helt enkelt andra öden. I steg 3, när fruktos-6-fosfat bildas så betyder det att glykolysen måste fortsätta. Fosfofruktokinas-1 enzymet regleras av ATP och ADP nivåerna. Lågt ATP ger hög aktivtet. Högt ATP ger låg aktivtet. 10)Fosfoenolpyruvat Pyruvat. I detta steg har men hög energi transferrering; dels från fosfatgruppen i fosfoenolpyruvatet som bildar två ATP, men också genom att Pyruvat ändrar konformation. Pyruvat har en inaktiv form, enolformen, och en aktiv form, ketostrukturen. Ger kj/mol. Glykolys Pyruvat Acetyl CoA Tidigare har glykolysens reaktioner skett i cytosolen. Följande reaktion sker i mitokondrien. Pyruvat har bildats via glykolysen. Nu måste pyruvatet bildas om till Acetyl CoA för att kunna ta sig in via Citronsyracykeln. In:CoA-SH, NAD + - Coenzymer:TPP, lipoate, FAD Ut: NADH 3- kol >. 2 kol + S-CoA (Pyruvat) Pyruvat dehydrogenas komplex (Acetyl CoA + CO 2) (E1 + E2 och E3) PDH komplexet har 3 huvudenzym; E1 = Pyruvat dehydrogenas E2 = Dihydrolipoyl transacetylas sätter fast acetylgruppen E3 = Dihydrolipoyl dehydrogenas och 5 koenzymer;

5 Thioamine pyrofosfat FAD CoA NAD Lipoate som används för att bilda Acetyl CoA. Processen kallas för oxidativ decarboxylering. Dvs ett kolförsvinner och bildar CO 2 Glukoneogenes Glukoneogenesen omvandlar Pyruvat tillbaka till glukos. Vart Pyruvatet kommer ifrån kan variera. / steg i glykolysen är reversibla. De följer glukoneogenesen. Däremot har vi pratat om de tre irreversibla stegen i glykolysen, och det är här glukoneogenesen använder sig av nya enzymer för att färdas bakåt mot glukos. Vävnader förutom njure och lever har inte de reversibla enzymerna för glykolysen av den enkla anledningen att processen inte skulle fortskrida då. Man skulle hamna i någon konstig trans av jämvikt. 10) Pyruvat Fosfoenolpyruvat Pyruvatet måste först tas in i mitokondrien och omvandlas till Oxaloacetat. Detta sker genom att Bikarbonat (1 kol), Pyruvat (3kol) och ATP i en reaktion bildar Oxaloacetat (4kol).Oxaloacetat bildas sedan om till Fosfoenolpyruvat (3 kol igen) + CO 2. Enzym: pyruvat carboxylas. 3) Fruktos-1,6, biofosfat Fruktos 6-fosfat Här används enzymet Fruktos 1,6 bifosfatas ( FBPase-1) som hydrolyserar en fosfatgrupp from C1 1) Glukos-6-fosfat Glukos Här sker en enkel hydrolys av fosfatgruppen med enzymet glukos-6-fosfatas. Lipolys Fetter Acetyl Kylomikroner har mest TAG medan HDL har minst TAG. 1) Triglycerider som en enhetlig molekyl har två öden. Glyceroldelen tas upp i glykolysen som DHAP medan fettsyre delen måste förberedas. a)fettsyra bildas till Fattyacyl CoA (I lipolysen används acyler istlälet för acetyler) b)fatty acyl CoA blir till Fatty acyl Carnitine c) I mitokondrien finns Carnitine Acyltransferas I som transporterar fettsyror bundna till carnitin in genom det yttre och inre membranet. 2) När fettsyran är förberedd och den tagits in till mitokondrien. Carnitinet kommer bara cirkulera in och ut. B-oxidationen kan påbörjas.

6 Beta-oxidation Oxidationen sker på Betakolet. 1) Oxidation. Man kommer sno en elektron från exempelvis Palmitylsyran. FAD FADH 2. Man oxiderar betakolet och får på så sätt en dubbelbindning mellan Beta och Gamma kolet. 2) Hydrering. Man vill bryta dubbelbindningen som bildats mellen beta och gammakolet och därför tillsätter man vatten. En så kallad hydrering.det hydreringen bidrar till är att Gamma kolet fått en OH-grupp tillsatt. Tidigare var gammakolet bundet till ett kol på vardera sida och två väten. Nu är den bunden till ett kol på vardera sida, ett H och en OH. 3) Oxidation. Man skördar energin som man tillsatt genom vattnet: NAD + NADH. I det här steget tas H gruppen och OH gruppen bort från Gammakolet. Istället tillsätts en dubbelbunden O-grupp. 4) Eftersom man har en elektronegativ O-grupp bunden på Gammakolet så har man försvagat förbindelsen mellan Betakolet och Gammakolet. Svavlet på från CoA kommer attackera den försvagade bindningen och man får på så sätt loss 2 kol. B-oxidation av fleromättade och omättade fettsyror 1) Beta oxidationen sker enligt vanligt maner på de främre kolen. 2) När den kommer till ett dubbelbundet kol så tas isomeraser och reduktaser in. De tar bort dubbelbindningarna tills det liknar en vanlig kedja. 3) Efter det kan Betaoxidationen återupptas. Alfa oxidation Om kolkedjan har methylgrupper bundna till sig så kan inte enzymerna i mitkondrien oxidera bort methylet. Fettkedjan med en bunden methylgrupp tas istället till peroxisomen. Kontentan är att man spjälkar av två-kolskedjor från långa,långa fettsyror för att bilda Acetyl CoA. Katabolism av Aminosyror Aminosyra Acetyl Pyruvatbildanden aminosyror: Tryptofan Alanin Pyruvat Glycine Serin Pyruvat Cystein Pyruvat Threonin Pyruvat Succinyl CoA bildande aminosyror Methionine, valine, isoleucine Propionyl CoA Succincyl CoA Alfa Ketoglutaratbildande aminosyror Glutamine, Prolin, Arginin, Histidin Glutamat Alfa ketoglutarat En annan typ av klassificering: Ketogena aminosyror Kan bilda ketonkroppar via Acetoacetyl CoA och Acetyl Co-A

7 Glukogena aminosyror De kan omvandlas till glukos via glukoneogenesen. De går in i Citronsyracykeln som: Pyruvat Alfaketoglutarat Succinyl Co-A Fumarat Oxaloacetat. Om något blir till Oxaloacetet så har det en automatisk väg till glukoneogenesen. Anabolism av aminosyror Muskelceller 1) Borttagande av aminosyror från proteiner sker genom aminotransferasreaktioner. En L- aminosyra och en alfaketoglutarat bildar tillsammans med koenzymet Pyroxidalfosfat (PLP) en L-glutamatmolekyl och en alfaketo-syra. 2) Glutamat har sedan tre öden. Det kan omvandlas till Alanin genom Alanin-glukos cykeln. Det som händer där är att Glutamat görs om till Alanin som färdas från muskelcellen, via blodet, till levern (mitokondrien) där det ombildas tillbaka till Glutamat. Det kan ta emot en till kvävegrupp och bilda Glutamin för att transportera två stycken kvävegrupper till levern. Men glutamat kan också färdas via blodet direkt till levern. I vilket fall så är Alanin, Glutamin och Glutamat de främsta kvävebärarna i blodet. Levercell 3) I levern kan aminosyran genomgå oxidativ transaminering. Glutamat exempelvis ger av NH 4 + och bildas om till alfa-ketoglutarat. 4) Koldelen av en aminosyra används i citronsyracykeln för att bilda Pyruvat, Acetyl CoA osv. Kvävedelen utsöndras via Urea cykeln. Ureacykeln Kväve kommer in i Ureacykeln genom ett flertal källor. Ureacykeln är en ATP drivande procecss. 1) Glutamin självmant donera kvävegrupper till cykeln. Men eftersom Glutamin har två kvävegrupper kan den avge en direkt till cykeln och donera en till glutamat 2) Generellt omvandlas aminosyror till glutamat som sen går in i ureacykeln med en kvävegrupp. 3) För att Ammonium ska kunna ta sig in i ureacykeln måste en fosfatgrupp och ett kol adderas till kvävegruppen. Kolet kommer från en bicarbonatjon. Allt detta reagerar med en Ornithinmolekyl. Allt detta görs med hjälp av Carbamoyl Fosfat Syntas och ATP. Härifrån kommer första kvävegruppen. Citrulline bildas och tas ut ur mitokondrien 4) Kävegrupp nummer två kommer från en Aspartatmolekyl som tagit sig in från citronsyracykeln. Den adderar en kvävegrupp och bildar Argininosuccinat

8 5) Bildar fumarat som tar sig in i Krebs cykel och fortsätter som Arginin. 6) Arginin klyvs till Ornithin som samtidigt bildar Urea. Hur Acetyl CoA omsätts Fram tills nu har vi mestadels pratat om hur man bryter ned kolhydrater, fetter och aminosyror för att bilda Acetyl CoA, pyruvat och ATP. Nu ska vi börja använda Acetyl CoA 1) Citronsyracykeln 2) Kolestrolsyntes gallsyror och hormoner 3) Lipider Phospholipider Lipogenes 1) Acetyl CoA tar sig ut genom mitkondrien till cytosolen i form av citrat. Acetyl CoA har ingen egen transportör. I cytosolen görs citrat om igen till Acetyl CoA. När citrat görs om till Acetyl CoA så bildas Oxaloacetat. Oxaloacetatet kan ta sig tillbaka in i mitokondrien via två vägar: a) Den kan reduceras via NADH och bli Malat för att sen ta sig in i mitokondrien b) Den kan först reduceras till Malat via NADH för att genomgå ytterligare en reducering NADPH för att bli Pyruvat. Pyruvatet kan senare transporteras in i cellen. 2) Bikarbonatbärande biotin för in en bikarbonatmolekyl och i samband med spjälkning av ATP så får man Malonyl CoA. Man har alltså gått från 2 kol till 3 kol. Denna processer är beroende av NADPH. 3) Detta är aktiverar fettsyrasyntas. Fettsyrasyntesen sker också i ett cykliskt förlopp. 4) ATP och CO 2 läggs till och förlänger fettkedjan så långt som behövs. Det vanligaste fettet par Palmitylsyra på 16 kol. Pentos-phosphat-pathways roll i lipogenesen Glukos kan även användas för att bilda sockerbasen i nukleotider. Steget från Glukos-6-fosfat till 6-P-Gluconat ger NADPH. Likaså steget från 6-P-Gluconat till Ribulos-5- P, det ger också NADPH som sedan kan användas i lipogenesen. Kolestrolsyntes Om man äter mycket socker så får man självklart överskott av Acetyl CoA. 1) 3 stycken Acetyl CoA grupper = 6 st kolatomer. 2) Blir till mevalonat som struktureras om till 5 kolatomer. 3) 2 stycken 5-kolkedjor sätts ihop för att bilda en 10 kolskedja. 4) En 10kolskedja + en 5 kolskedja bildar en 15kolskedja 5) Två stycken 15kolskedjor bildar en lång 30kolskedja. Nu har man grundstommen till kolestrol. Nu kommer ett nytt enzym som viker den långa kolkedjan till cykliska former som är kolestrol. Ketogenes Om vi svälter kommer vi producera massa Acetyl CoA från fetter och proteinvävnad. Om man svälter använder man fettsyrorna för att bilda Acetyl CoA. Citronsyracykeln kommer att snurra långsammare pga bristen på insulin och andra hormonella regleringen.

9 Det innebär att nästa man får en kö av Acetyl CoA. Detta leder till att det inte finns något fritt CoA som kan ta hand om Acetyldelen i lipogenesen: Lipogenesen stannar av. För att avlasta det här har man ketogenesen som omvandlar Acetyl CoA till ketonkroppar. 1) 2 stycken acetylmolekyler sätts ihop som i slutändan bildar acetoacetat och B- hydroxybutyrate. Man bildar även aceton som inte är en ketonkropp egentligen, utan bara en biprodukt. 2) Ketonkropparna kommer till hjärnan exempelvis. Ketonkropparna görs om till Acetyl CoA. Citronsyracykeln Citrat: 6 kol Isocitrat: 6 kol Alfa-ketoglutarat: 5 kol, NADH, CO 2 Succinyl CoA: 4 kol, NADH, CO 2 Succinat: 4 kol, ATP Fumarat: 4 kol, FADH 2 Malat: 4 kol, NADH Oxaloacetat: 4 kol. Addition av Acetyl CoA Citrat som har två kol. 1 ATP, 3 NADH, 1 FADH Elektrontransportkedjan Det finns 4 komplex. 1) NADH dehydrogenas. Tar elektroner från NADH. NADH kommer att binda in till komplexet och kommer genom massa olika proteinsteg kommer elektronerna flyttas nära intermembranrummet. Förflyttningen av elektronet kommer gör att protoner dras över till intermembranrummet. Elektronerna kommer fortsätta att vandra. 2 proton per elektron = 4H + till intermembranrum. 2e - till Coenzym Q/ Ubiquinon NADH NAD+ 2) FADH 2 tas hand om Succinatdehydrogenas. Detta är en naturlig del av citronsyracykeln!!! Det som bildas i citronsyracykeln kommer direkt gå in i elektrontransportkedjan. Laddningen av elektronerna drar också över protoner. Tar 2e - från FADH 2. Detta suger åt sig 2 H + 3) Coenzym Q suger också med sig två protoner till intermembranrummet (samtidigt som den transporterar elektroner till komplex 3)(Cytokrom b - c) oxidoreduktas) Elektronerna kommer föras över till cytokrom C. När det händer så transporteras två ytterligare protoner över till intermembran rummet. Den kommer att fortsätta till komplex 4 där den kommer binda in och avge sina elektroner. Sammanlagt 2 stycken H + förs över pga Coenzym Q 2 stycken H + förs över pga komplex III

10 4) (Cytokrom oxidas) När cytokrom C 1 transporterar elektroner till komplex IV så förs det över ytterligare 2 stycken H +. 2H + + ½ O 2 H 2O Dessa elektroner reagerar med syre och väte som bildar vatten. Förklarar varför vi behöver syre. Det måste finnas något som tar emot elektronerna. Då finns det för mycket elektroner för att tidigare steg ska gå vidare. Alla steg i processen stoppas pga detta. Oxidativ fosforylering Vi har byggt en protongradient som innehåller jättemycket energi. Energin kan användas för att: Bilda ATP. Får ATP syntasen att snurra som i slutändan gör att ADP kommer binda ett P i och bilda ATP. Det här sker mest i vanligt fett. I brun fettväv har man andra sätt att göra sig av med gradienten. Brun fettväv har UCP-1 kanaler som släpper igenom protoner. Det alstrar energi.det skapar en kortslutning mellan gradienterna som bildar värme.