Метаболизм:

Молекулярная биология для
биоинформатиков
• Академический университет
• Ефимова Ольга Алексеевна
В презентации выборочно использованы слайды из курсов
«Биохимия» и «Физиология и биохимия растений» СПбГУ
Лекция 4 – Метаболизм. Дыхание клетки.
• Метаболизм – совокупность химических
реакций организма
• Катаболизм: Энерго-высвобождающие
процессы
• Анаболизм: Энергопотребляющие
процессы
Метаболизм:
• Метаболический путь –
последовательность химических
реакций в клетке, катализируемых
ферментами
• Ферменты определяют направление
метаболического пути
• Ферменты кодируются генами
Ферменты (энзимы)
Ферменты
• Биологические катализаторы
– Специфичны для химической реакции; не
расходуются во время реакции
• Апоэнзины: белки
• Кофакторы: небелковые компоненты
– коэнзимы: органические кофакторы
• Голоэнзимы: апоэнзим+кофактор
Ферменты
Важные коэнзимы
•
•
•
•
NAD+
NADP+
FAD
Coenzyme A
Классификация энзимов
• Оксидоредуктазы: реакции окислениявосстановления
• Трансферазы: переносят функциональные
группы
• Гидролазы: обеспечивают гидролиз
• Лиазы: перемещают атомы без гидролиза
• Изомеразы: перегруппировки атомов
• Лигазы: соединение молекул с использованием
энергии АТФ
Факторы, влияющие на
активность ферментов
• Конкурентное ингибирование
Факторы, влияющие на
активность ферментов
• Неконкурентное ингибирование
Белки
Катаболизм:
Энерговысвобождающий
процесс
Аминокислоты
Углеводы
Липиды
Моносахара Жирные к-ты,глицерол
Гликолиз
пируват
ЦИКЛ
ТРИКАРБ.
КИСЛОТ
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ
ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
Основные этапы метаболизма углеводов
•
Расщепление в пищеварительном тракте поступающих с пищей
полисахаридов и дисахаридов до моносахаридов. Всасывание
моносахаридов из кишечника в кровь.
•
Синтез и распад гликогена в тканях (в печени, мышцах).
•
Взаимопревращение гексоз.
•
Гликолиз – распад глюкозы, завершающий образованием лактата в
отсутствие кислорода (анаэробный гликолиз) или образованием
пирувата в присутствии кислорода (аэробный гликолиз)
•
Аэробный путь прямого окисления глюкозы (пентозофосфатный путь
или пентозный цикл).
•
Цикл трикарбоновых кислот - окисление продукта гликолиза
(пирувата) до СО2 и Н2О).
•
Глюконеогенез - или образование углеводов из неуглеводных
предшественников (пировиноградная и молочная кислоты, глицерин,
аминокислоты и ряд других соединений).
Возможные пути превращения глюкозы
Гликоген,
сахароза
запасание
ГЛЮКОЗА
окисление через
пентозофосфатный путь
Рибозо-5-фосфат
окисление через гликолиз
Пируват
Схема окисления глюкозы
ГЛЮКОЗА
гликолиз
Гипоксия или
анаэробные
условия
2 этанол + 2 СО2
Дрожжи
2 пируват
аэробные
условия
2
СО2
анаэробные
условия
2 лактат
Сильно
сокращающиеся
ацетил-КоА
мышцы, эритроциты,
микроорганизмы
Цикл трикарбоновых
кислот
4СО2 + 4Н2О
Животные,
растения, аэробные
микроорганизмы
Этапы окисления глюкозы
Подготовительный
этап
1
• Тратятся 2
молекулы АТФ
3
4
5
Субстратное фосфорилирование
• Образуется:
2 молекулы
пирувата
4 молекулы АТФ
2 молекулы NADH
9
Этапы окисления глюкозы
1.
Глюкокиназа
(гексокиназа)
2.
Фосфоглюко
изомераза
3.
Фосфофрукто
киназа
4.
Альдолаза
Триозофосфат
изомераза
5.
Глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа
6.
Фосфоглицераткиназа
7.
8.
Фосфоглицератмутаза
енолаза
9.
10.
пируваткиназа
Уравнение гликолиза
• глюкоза + 2 ATP + 2 ADP + 2 PO4–
+ 2 NAD+ 
2 пируват + 4 ATP + 2 NADH + 2H+
Трегалоза
трегалаза
Лактоза
лактаза
Гликоген, крахмал
D-галактоза
α-амилаза
Гликогенфосфорилаза
Сахароза
сахараза
Глюкозо-1фосфат
D-глюкоза
гексокиназа
УДФ-галактоза
УДФ-глюкоза
Фосфоглюко
-мутаза
Глюкозо6-фосфат
D-манноза
D-фруктоза
гексокиназа
фруктокиназа
Фруктозо-1-фосфат
гексокиназа
Фруктозо6-фосфат
Фруктозо-1фосфат-альдолаза
Фруктозо-1,6бифосфат
Глицеральдегид
Триозо
киназа
Дигидроксиацетонфосфат
Триозофосфатизомераза
Глицеральдегид
-3-фосфат
Маннозо-6-фосфат
Фосфоманноизомераза
Вовлечение
углеводов в
гликолиз
Белки
Аминокислоты
Углеводы
Липиды
Моносахара Жирные к-ты,глицерол
Гликолиз
пируват
ЦИКЛ
ТРИКАРБ.
КИСЛОТ
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ
ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
Схема окисления глюкозы
ГЛЮКОЗА
гликолиз
Гипоксия или
анаэробные
условия
Спиртовое
брожение:
2 этанол + 2 СО2
Дрожжи
2 пируват
аэробные
условия
2
СО2
анаэробные
условия Молочнокислое
брожение:
2 лактат
Сильно
сокращающиеся
ацетил-КоА
мышцы, эритроциты,
микроорганизмы
Цикл трикарбоновых
кислот (цикл Кребса)
4СО2 + 4Н2О
Животные,
растения, аэробные
микроорганизмы
Анаэробный гликолиз
Молочнокислое
брожение:
Пируват
Лактат
дегидрогеназа
L-лактат
Спиртовое
брожение:
Пируват
декарбоксилаза
Алькоголь
дегидрогеназа
Ацетальдегид
Этанол
Пируват
Маслянокислое брожение: глюкоза → С3Н7СООН + 2 CO2 + 2 H2O.
Лимоннокислое брожение: глюкоза → CH2COOH-C(OH)COOH-CH2COOH +
2 H2O.
Ганс Кребс (Hans Adolf Krebs)
(1900-1981)
Нобелевская премия по
медицине 1953 г.
(совместно с Fritz Lipmann)
Цикл трикарбоновых
кислот (цикл Кребса)
Итог цикла Кребса:
• 3 молекулы NADH
• 1 молекула FADH2
• 2 молекулы CO2
• 1 молекула АТФ
Общая схема
гликолиза,
Цикла Кребса и
окислительного
фосфорилирования
в митохондриях
Митохондрия – компартмент ЦТК и ОФ
Митохондрия
Внешняя мембрана
ATP-синтаза
(F0F1)
Кристы
Легко проницаема
для небольших
молекул и ионов
Внутренняя мембрана
Непроницаема для
большинства небольших
молекул и ионов, включая Н+
Содержит:
•Переносчики электронов
дыхательной цепи
(комплексы I - IV)
•ADP-ATP-транслоказы
•ATP-синтазу (F0F1)
•Другие мембранные
транспортеры
Матрикс
Рибосомы
Пориновые
каналы
Содержит:
•Пируват дегидрогеназный
комплекс
•Ферменты ЦТК
•Ферменты β-окисления
жирных кислот
•Ферменты окисления
аминокислот и другие
•ДНК, рибосомы
•ATP, ADP, Pi, Mg2+, Ca+, K+
•Многие растворимые
метаболические
интермедиаты
Субмитохондриальные
частицы
Электрон-транспортная цепь
Белковые компоненты митохиндриальной
ЭТЦ
Дыхательные ферменты
Хемиосмотическая модель
синтеза АТФ
PLAY
АТФ-синтаза
Синтез АТФ путем
ротационного
катализа (binding
change mechanism)
Итог – 36 молекул АТФ
PLAY
В цикле Кребса окисляются не
только углеводы
PLAY
Стадия 1: образование ацетил-КоА
Амино- Жирные
кислоты кислоты
Глюкоза
Гликолиз
Пируват
Пируватдегидрогеназный
комплекс
Ацетил-КоА
Стадия 2: цикл трикарбоновых кислот –
окисление ацетил-КоА до СО2 и Н2О
Ацетил-КоА
Цикл
трикарбоновы
х кислот
NADH, FADH2
(восстановленные
переносчики e-)
Стадия 3: перенос электронов и
окислительное фосфорилирование
NADH, FADH2
(восстановленные
переносчики e-)
Дыхательная цепь
(цепь переноса
электронов)
Возможные пути превращения глюкозы
Гликоген,
сахароза
запасание
ГЛЮКОЗА
окисление через
пентозофосфатный путь
Рибозо-5-фосфат
окисление через гликолиз
Пируват
Синтез гликогена
Гликогенсинтаза
Образование разветвлений
Ветвящий
фермент
Возможные пути превращения глюкозы
Гликоген,
сахароза
запасание
ГЛЮКОЗА
окисление через
пентозофосфатный путь
Рибозо-5-фосфат
окисление через гликолиз
Пируват
Пентозофосфатный путь
окисления глюкозы
(первый этап)
Второй этап:
превращение рибозо-5-фосфата в гексозы происходит в ходе
трансальдолазной и транскетолазных реакций