SOLUN AINEENVAIHDUNTA Nina Peitsaro Helsingin yliopisto Lääketietellinen tiedekunta/biokemia

Transkriptio

1 SOLUN AINEENVAIHDUNTA Nina Peitsaro Helsingin yliopisto Lääketietellinen tiedekunta/biokemia

2 LUENNON SISÄLTÖ 1. Mikä metabolia? 2. Missä? 3. Glykolyysi 4. Rasvahappojen oksidaatio 5. Sitruunahappokierto 6. Oksidatiivinen fosforylaatio 7. Solun energia metabolian säätely

3 1. Mikä metabolia? METABOLIA = solun aineenvaihdunta Anabolisia reaktioita = biosynteettisiä reaktioita, kokoava aineenvaihdunta Katabolisia reaktioita = hajottavia reaktioita

4 Anabolisia reaktioita - kuluttavat energiaa ATP:n tai NADH:n (ja NADPH:n) muodossa. ATP ADP + Pi NADH + H + NAD + - yksinkertaisista lähtöaineista valmistetaan monimutkaisempia makromolekyylejä.

5 Korkea energiasidos adeniini D-riboosi ATP = adenosiini-5'-trifosfaatti nukleotidi johon varastoitunutta suurienergiaisen fosfaattisidoksen energiaa solut käyttävät eri toiminnoissaan ENERGIAN VARASTOMOLEKYYLI ADP+ADP ATP+AMP

6 Figure 2-27 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

7 ELEKTROONISIIRTÄJÄKOENTSYYMEJÄ NAD = nikotiinihappoamidiadeniinidinukleotidi NADPH = nikotiinihappoamidiadeniinidinukleotidifosfaatti Solujen hapetuspelkistysentsyymien koentsyymejä, jotka voi ottamalla vastaan vetyatomin muuttua pelkistyneeksi muodokseen NADH ja NADPH

8 FAD = flaviiniadeniinidinukleotidi Monen hapettavan entsyymin prosteettisena ryhmänä toimiva adenosiinin, kahden fosfaattiryhmän ja riboflaviinin muodostama yhdiste, joka voi ottamalla vastaan 2 vetyatomia muuttua pelkistyneeksi muodokseen FADH 2

9 Katabolisia reaktioita Energian tuotanto ADP + Pi ATP NAD + NADH +H + energianlähteinä toimivat hiilihydraatit, rasvat ja proteiinit. Solut saavat energiaa orgaanisista molekyyleistä hapettamalla niitä esim.: Glukoosin hapetus glykolyysissä Rasvahappojen hapetus = -oxidaatio

10

11

12 Metabolia oltava tasapainossa Kataboliset reaktiot, hapettuminen Anaboliset reaktiot, pelkistyminen NAD NADH O 2 H 2 O

13 Metabolisen reaktion peruskemia on yksinkertainen 1. Hapetus-Pelkistymisreaktio (Redox reactions) elektroneja siirtyy välituotteesta johonkin seuraavista: NAD/NADH NADP/NADPH FAD/FADH 2 ferredoksiini

14 Metabolisen reaktion peruskemia on yksinkertainen 2. Hydraatio tai dehydraatio liitettynä ryhmän siirtoon Akvaattisesa ympäristössä hydrolyysi tapahtuu spontaanisesti Dehydraatio vaati energiaa ATPstä

15 Metaboolisen reaktion peruskemia on yksinkertainen 3. Isomerisaatio Atomien ja elektronien määrä molekyylissä säilyy ennallaan Ei vaadi energiaa Ei vapauta energiaa

16 2. Metaboliset reaktiot MISSÄ?

17 Mitokondrio Mitokondrio (kreikkaa) mitos = loimi khondrion = jyvä o Solun energiavoimala : - rasvahappojen oksidaatio - sitruunahappokierto - oksidatiivinen fosforylaatio o Löytyy kaikista solutyypeistä paitsi punasolusta Maksasolussa on n mitokondriota Rustosolussa on 1-2 mitokondriota

18 Mitokondrion rakenne Sisäkalvo Ulkokalvo Krista Matriksi Maksa Sydän Lisämunuainen

19 Mitokondrion osastot Ulompi kalvo- isot kanava proteiinit VDAC ja poriinit ionit ja metabolitit < 5000 Da kulkevat vapaasti kalvon läpi Kalvojen välinen tilavirtual compartment Sisempi kalvo muodostaa kristarakenteita, erittäin proteiinirikas Matriksi geelimäinen koostumus, erittäin korkea entsymikonsentraatio

20 3. Glykolyysi o Glykys makea ja lysis hajottaa o Glukoosin hapetus pyruvaatiksi o Tapahtuu solun sytoplasmassa o Glukoosi tulee solun ulkopuolelta tai o Glykogeenivarastoista (glukoosi-1-fosfaattia) o Ainut metaboolinen energialähde esim, aivoissa, siittiöissä, erytrosyytteissä. Glukoosi + 2NAD+ + 2ADP +2P i 2 pyruvatti + 2NADH + 2H + + 2ATP + 2 H 2 O

21 Glykolyysi on kaksivaiheinen 1. Energian investointivaihe - 2ATP 2. Energian tuottovaihe + 4 ATP + 2 NADH +2 H +

22 Glukokinaasi, maksassa, suolistossa, haimaassa, aivoissa. Heksokinaasi, lähes kaikissa soluissa

23 Hemolyyttinen anemia, punasolut hajoaa ennenaikaisesti energiapuutteen takia jos pyruvaattikinaasi ei toimi

24 Mihin tarvitaan pyruvaattia? Aerobisessa olosuhteissa - pyruvaattista muodostuu asetyyli-koata SITRUUNAHAPPOKIERTOON Anaerobisissa olosuhteissa - maitohappofermentaatio laktaattia (- etanoolifermentaatio) Lähtöaineeksi anabolisiin reaktioihin

25 GLYCOLYSIS TRANSAMINATION REDUCTION CARBOXYLATION OXIDATIVE DECARBOXYLATION

26 Maitohappofermentaatio The Cori cycle

27 Yhteenveto mitokondriossa tapahtuvasta energiametaboliasta

28 4. Rasvahappojen oksidaatio Rasvat sisältää enemmän energiaa kuin hiilihydraatit. Rasvat hajotetaan rasvahapoiksi ja glyseroliksi. Rasvahapot aktivoituvat hajottamista varten Rasvahapot hapettuvat reaktiosarjassa : -oksidaatio Rasvahappojen karboksyylipäästä irtoa kaksi hiiltä / kierto. -oksidaatio tapahtuu mitokondriossa.

29 Figure 2-78 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

30 Rasvahapon aktivointi ja kuljetus mitokondrioon

31 -oksidaatio

32 Asetyyli KoentsyymiA (asetyylicoa) Pyruvaatti Aminohappo Rasvahappo CH 3 -C O S-CoA Trikarboksyylihappo Sterolit ja rasvahappo Ketoaineet

33 5. Sitruunahappokierto = Citric acid cycle = Citrate cycle = Krebs cycle = Tricarboxylate cycle = TCA-cycle

34 Sitruunahappokierron tehtävät Hiilihydraatti-, rasva-, ja aminohappokataboliasta syntyneiden aineiden, asetyyli-koan, hapettaminen hiilidioksidiksi ja NADH:n muodostaminen Tarjota hiilihydraatti-, rasva- ja aminohappojen biosynteesiin tarvittavat lähtöaineet Sekä anabolinen että katabolinen Tapahtuu mitokondriossa

35 Hiilihydraatit Katabolinen ja anabolinen Ravintoaineet Lipidit Proteiinit Katabolinen: -biodegradaatio -yhdistyy TCA-kierto CO2 NADH Hiilihydraatit Lipidit Proteiinit Solun ja kudoksen rakenneosia Anabolinen: -biosynteesi -harautuu

36 Anabolinen, katabolinen ja hiilen pelkistymistila Kataboliset reaktiot, hapettuminen NAD NADH Anaboliset reaktiot, pelkistyminen NADP NADPH O2 ->H2O Pentoosifosfaattireitti

37

38 ANAPLEROOTTISET reaktiot: - lisää sitruunahappokierron välituotteiden konsentraatiota KATAPLEROOTTISET reaktiot: - kuluttaa sitruunahappokierron välituotteitta Anapleroottisten ja katapleroottisten reaktioiden välillä on oltava tasapaino

39 Sitruunahappokierron tuotto

40 6. Oksidatiivinen fosforylaatio - Elektroninsiirtoketju / Hengitysketju - Prosessi jossa sitruunahappokierrossa tuotettu NADH hapettuu happeella. - Tämä tuottaa ATPtä ja vettä NADH + O 2 ATP + H 2 O

41 Oksidatiivinen fosforylaatio NADHn ja FADH 2 hapetus tapahtu mitokondrion hengitys ketjussa ATPtä tuotta mitokondrion ATP-syntaasi entsyymi. Hengitysketju + ATP-syntaasi= Oxidatiivinen fosforylaatio

42 Figure 14-8 Essential Cell Biology ( Garland Science 2010)

43 1 NADH 10 H + 1 FADH2 6 H +

44 Kemiosmoottinen laki Figure Essential Cell Biology ( Garland Science 2010)

45 Protonin liikkeelle paneva voiman 1. ATP tuotto. (motive force) käyttö 2. Sitruunahappokierron substraattien ja ATPn/ADPn kuljetus 3. Lämmön tuotto.

46 ATPn tuotto Mitokondrion ATP-syntaasi on molekylaarinen kone, joka käyttää protoni käyttövoimaa tuottaakseen ATPtä ADPsta ja Pistä

47 ATP-syntaasin F 1 -osa Rotaatiokatalyysi (rotational catalysis) muodonmuutos F 1 osassa ATP ADP tyhjä tyhjä ADP ATP

48 Sitruunahappokierron substraattien ja ATPn/ADPn kuljetus

49 Sitruunahappokierron substraattien ja ATPn/ADPn kuljetus

50 Lämmön tuotto Uncoupling proteins = thermogenin

51 The chemiosmotic principle Consumption of proton motive force

52 Eri kudoksessa erilainen metabolia

53 Maksasolun metabolia

54 Beta-solun metabolia

55 Monisoluinen elämä vaatii että solut puhuvat ja kuuntelevat toisiaan.

56 Cenorhabditis elegans on putkimato (nematodi) joka koostuu 959 solusta

57 Cenorhabditis elegans on putkimato (nematodi) jola koostuu 959 solusta Jos ravinotoa on saatavilla ja on lämmintä: lisäntyy elää 3-4 viikkoa Jos ravintoa on huonosti tai on kylmää: resting phase (diaphase) elää ilman ruokaa kuukausia

58 Miten C.elegansin solut koordinoi niitten metabolia?

59 C. elegans has cells that secrete insulin in response to nutrients Favourable environment INSULIN: reproductive growth Unfavourable environment NO INSULIN: growth arrest

60 The same basic mechanism for regulation of the energy metabolism functions in the human Excess intake of food the insulin production increases. Anabolic pathways are activated Storage of nutrients

61 The same basic mechanism for regulation of the energy metabolism functions in the human Starvation the insulin production decreases. Catabolic pathways are activated Stored carbohydrats and fats are consumed

62

63 Katabolismi ja anabolismi Kataboliset reaktiot: -glukagoni Anaboliset reaktiot: -insuliini Figure 13-2 Essential Cell Biology ( Garland Science 2010)

64 THE END