SOLUN AINEENVAIHDUNTA 21.04.2015 Nina Peitsaro Helsingin yliopisto Lääketietellinen tiedekunta/biokemia nina.peitsaro@helsinki.fi
LUENNON SISÄLTÖ 1. Mikä metabolia? 2. Missä? 3. Glykolyysi 4. Rasvahappojen oksidaatio 5. Sitruunahappokierto 6. Oksidatiivinen fosforylaatio 7. Solun energia metabolian säätely
1. Mikä metabolia? METABOLIA = solun aineenvaihdunta Anabolisia reaktioita = biosynteettisiä reaktioita, kokoava aineenvaihdunta Katabolisia reaktioita = hajottavia reaktioita
Anabolisia reaktioita - kuluttavat energiaa ATP:n tai NADH:n (ja NADPH:n) muodossa. ATP ADP + Pi NADH + H + NAD + - yksinkertaisista lähtöaineista valmistetaan monimutkaisempia makromolekyylejä.
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
Figure 2-27 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
ELEKTROONISIIRTÄJÄKOENTSYYMEJÄ NAD = nikotiinihappoamidiadeniinidinukleotidi NADPH = nikotiinihappoamidiadeniinidinukleotidifosfaatti Solujen hapetuspelkistysentsyymien koentsyymejä, jotka voi ottamalla vastaan vetyatomin muuttua pelkistyneeksi muodokseen NADH ja NADPH
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
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
Metabolia oltava tasapainossa Kataboliset reaktiot, hapettuminen Anaboliset reaktiot, pelkistyminen NAD NADH O 2 H 2 O
Metabolisen reaktion peruskemia on yksinkertainen 1. Hapetus-Pelkistymisreaktio (Redox reactions) elektroneja siirtyy välituotteesta johonkin seuraavista: NAD/NADH NADP/NADPH FAD/FADH 2 ferredoksiini
Metabolisen reaktion peruskemia on yksinkertainen 2. Hydraatio tai dehydraatio liitettynä ryhmän siirtoon Akvaattisesa ympäristössä hydrolyysi tapahtuu spontaanisesti Dehydraatio vaati energiaa ATPstä
Metaboolisen reaktion peruskemia on yksinkertainen 3. Isomerisaatio Atomien ja elektronien määrä molekyylissä säilyy ennallaan Ei vaadi energiaa Ei vapauta energiaa
2. Metaboliset reaktiot MISSÄ?
Mitokondrio Mitokondrio (kreikkaa) mitos = loimi khondrion = jyvä o Solun energiavoimala : - rasvahappojen oksidaatio - sitruunahappokierto - oksidatiivinen fosforylaatio o Löytyy kaikista solutyypeistä paitsi punasolusta Maksasolussa on n. 10 000 mitokondriota Rustosolussa on 1-2 mitokondriota
Mitokondrion rakenne Sisäkalvo Ulkokalvo Krista Matriksi Maksa Sydän Lisämunuainen
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
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
Glykolyysi on kaksivaiheinen 1. Energian investointivaihe - 2ATP 2. Energian tuottovaihe + 4 ATP + 2 NADH +2 H +
Glukokinaasi, maksassa, suolistossa, haimaassa, aivoissa. Heksokinaasi, lähes kaikissa soluissa
Hemolyyttinen anemia, punasolut hajoaa ennenaikaisesti energiapuutteen takia jos pyruvaattikinaasi ei toimi
Mihin tarvitaan pyruvaattia? Aerobisessa olosuhteissa - pyruvaattista muodostuu asetyyli-koata SITRUUNAHAPPOKIERTOON Anaerobisissa olosuhteissa - maitohappofermentaatio laktaattia (- etanoolifermentaatio) Lähtöaineeksi anabolisiin reaktioihin
GLYCOLYSIS TRANSAMINATION REDUCTION CARBOXYLATION OXIDATIVE DECARBOXYLATION
Maitohappofermentaatio The Cori cycle
Yhteenveto mitokondriossa tapahtuvasta energiametaboliasta
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.
Figure 2-78 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
Rasvahapon aktivointi ja kuljetus mitokondrioon
-oksidaatio
Asetyyli KoentsyymiA (asetyylicoa) Pyruvaatti Aminohappo Rasvahappo CH 3 -C O S-CoA Trikarboksyylihappo Sterolit ja rasvahappo Ketoaineet
5. Sitruunahappokierto = Citric acid cycle = Citrate cycle = Krebs cycle = Tricarboxylate cycle = TCA-cycle
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
Hiilihydraatit Katabolinen ja anabolinen Ravintoaineet Lipidit Proteiinit Katabolinen: -biodegradaatio -yhdistyy TCA-kierto CO2 NADH Hiilihydraatit Lipidit Proteiinit Solun ja kudoksen rakenneosia Anabolinen: -biosynteesi -harautuu
Anabolinen, katabolinen ja hiilen pelkistymistila Kataboliset reaktiot, hapettuminen NAD NADH Anaboliset reaktiot, pelkistyminen NADP NADPH O2 ->H2O Pentoosifosfaattireitti
ANAPLEROOTTISET reaktiot: - lisää sitruunahappokierron välituotteiden konsentraatiota KATAPLEROOTTISET reaktiot: - kuluttaa sitruunahappokierron välituotteitta Anapleroottisten ja katapleroottisten reaktioiden välillä on oltava tasapaino
Sitruunahappokierron tuotto
6. Oksidatiivinen fosforylaatio - Elektroninsiirtoketju / Hengitysketju - Prosessi jossa sitruunahappokierrossa tuotettu NADH hapettuu happeella. - Tämä tuottaa ATPtä ja vettä NADH + O 2 ATP + H 2 O
Oksidatiivinen fosforylaatio NADHn ja FADH 2 hapetus tapahtu mitokondrion hengitys ketjussa ATPtä tuotta mitokondrion ATP-syntaasi entsyymi. Hengitysketju + ATP-syntaasi= Oxidatiivinen fosforylaatio
Figure 14-8 Essential Cell Biology ( Garland Science 2010)
1 NADH 10 H + 1 FADH2 6 H +
Kemiosmoottinen laki Figure 14-10 Essential Cell Biology ( Garland Science 2010)
Protonin liikkeelle paneva voiman 1. ATP tuotto. (motive force) käyttö 2. Sitruunahappokierron substraattien ja ATPn/ADPn kuljetus 3. Lämmön tuotto.
ATPn tuotto Mitokondrion ATP-syntaasi on molekylaarinen kone, joka käyttää protoni käyttövoimaa tuottaakseen ATPtä ADPsta ja Pistä
ATP-syntaasin F 1 -osa Rotaatiokatalyysi (rotational catalysis) muodonmuutos F 1 osassa ATP ADP tyhjä tyhjä ADP ATP
Sitruunahappokierron substraattien ja ATPn/ADPn kuljetus
Sitruunahappokierron substraattien ja ATPn/ADPn kuljetus
Lämmön tuotto Uncoupling proteins = thermogenin
The chemiosmotic principle Consumption of proton motive force
Eri kudoksessa erilainen metabolia
Maksasolun metabolia
Beta-solun metabolia
Monisoluinen elämä vaatii että solut puhuvat ja kuuntelevat toisiaan.
Cenorhabditis elegans on putkimato (nematodi) joka koostuu 959 solusta
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
Miten C.elegansin solut koordinoi niitten metabolia?
C. elegans has cells that secrete insulin in response to nutrients Favourable environment INSULIN: reproductive growth Unfavourable environment NO INSULIN: growth arrest
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
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
Katabolismi ja anabolismi Kataboliset reaktiot: -glukagoni Anaboliset reaktiot: -insuliini Figure 13-2 Essential Cell Biology ( Garland Science 2010)
THE END