BIOLOGICKÉ OXIDÁCIE

ATP
NADH
NADPH

KATABOLIZMUS
Cukry
Tuky
Bielkoviny

ANABOLIZMUS
Syntéza makromolekúl
Svalová kontrakcia
Aktívny iónový
transport
Termogenéza

ADP +
Pi
NAD+
NADP+

CO

2,H2O,NH3

Redukované substráty
AH

2

Oxidované produkty

A

Redukované produkty

Oxidované prekurzory

NAD+

NADP+

NADH + H+

NADPH + H+

KATABOLIZMUS

ANABOLIZMUS

prenášač

TYPY MAKROERGICKÝCH VÄZIEB

C - O

C - O ~

C - O ~

CH2

CH2

fosfoenolpyruvát

C - O ~

C - O ~

CH2-O -

1,3-bisfosfoglycerát

H3C - N - C -

H3C - N - C -

kreatínfosfát

O-CH2 C

CH-C=O

NH-CH2-CH2-C=O

NH-CH2-CH2-S~C=O

O

O

O

5'

OH

HO

O

P O CH2

O P O P O

O

O

N

N

N

N

O

NH2

ATP - adenozíntrifosfát

O

O

O

O P O P

O

P=O

O

O

O

P=O

O

O

difosfátová

enolfosfátová

P=O

O

O

P=O

O

O

H-C-OH

O

P=O

O

O

O

acylfosfátová

Typ väzby

zlúčenina

kJ/mol

P

5'

H3C

OH

H3C

P

O

OH

P O

CH2

O

N

N

N

N

NH2

O

3'

CH3

P = fosfát

S~C=O

R

tioesterová

acetyl-CoA

+NH

2

NH

CH2-COO

P=O

O

O

+NH

2

NH

CH2-COO

P=O

O

O

guanidínfosfátová

30,5

61

49

43

41

Difosfátová – vzniká medzi dvomi molekulami kys.fosforečnej
hydrolýzou makroergickej väzby sa uvolní 30.5kJ
ATP,CTP,UTP,GTP
Enolfosfátová –väzba fosfátu na –OH kyselina fosfoenolpyrohroznová
Acylfosfátová –väzba fosfátu na –COOH,
1,3 difosfoglycerová
Guanidínfosfátová –väzba fosfátu na guanidínovú skupinu
Tioesterová – väzba acylu na –SH, acetylCoA

Vysokoenergické fosfáty –– ∆G vyššia ako ATP-fosfoenolpyruvát
karbamoylfosfát,1,3bisfosfoglycerát
krearínfosfát,c-AMP
Nízkoenergetické fosfáty ––∆G nižšia ako ATP –substráty v
glykolýze,glukozo 6-fosfát

Enzýmy oxidoredukčných reakcií

Oxidázy –akceptor vodíkov kyslík

AH2

1/2 O2

A

H2O

-cytochrómoxidáza, tyrozináza

Dehydrogenázy

Koenzýmy FAD,NAD

oxidácia jedného substrátu na úkor druhého v neprítomnosti kyslíka

AH2

koenzým

H2O2

A

koenzým-H2

O2

Medzi enzýmy tejto skupiny patria oxidázy L-AK
koenzým FMN

FMN

FMNH2

H2O

+NH

4

aminokyselina

iminokyselina

oxokyselina

hydrolýza

H2O2 O2

oxidáza

COO

--

R

C=O

COO

--

R

C=

+NH

2

COO

--

R

H-C-

+NH

3

druhá skupina – dehydrogenázy s NAD+ –- NADH + H+
FAD-FADH

2

AH2

koenzým

prenášač 1-red

prenášač 2-ox

H2O

A

koenzým-H2

prenášač 1-ox

prenášač 2-red

1/2 O2

HYDROPEROXIDÁZY
-katalyzujú premenu H

2O2 v bunkách

Peroxidáza : H

2O2 +AH2 → 2H2O + A

-

príklad- Ery –glutationperoxidáza(Se)

-

ochrana Hb pred oxidáciou peroxidmi

-

lipidov-hydroperoxidmi

-

Kataláza (hemoproteín) 2H

2O2→ 2H2O + O2

-

H

2O2→ donor aj akceptor e

-

-

peroxizomy-mikrotelieska vo väčšine tkanív,bohaté na oxidázy a katalázy

-

oxidázy produkujú H

2O2, , katalázy rozkladajú H2O2

OXYGENÁZY
-priamy prenos a inkorporácia O

2 do molekúl substrátu

1. Monooxigenázy : AH + O

2 +koenzým-H2→ A-OH + H2O + koenzým

-

inkorporujú iba jeden atom kyslíka do substrátu, druhý redukuje na H

2O

-

napr.fenylalanín-monooxigenáza, mikrozomálne systémy s cytP-450

2. Dioxygenázy (Fe) A+ O

2 →AO2

napr. premena tryptofánu na formylkynurenín
homogentisátoxygenáza – štiepi sa aromatické jadro

Koenzýmy oxidoredukčných enzýmov

Nikotínamidové koenzýmy NAD, NADP
-pri oxidoredukčnej reakcii sa zo substrátu odoberajú 2 vodíkové atómy

Flavínové koenzýmy FMN,FAD

Cytochrómy –skupina hemoproteínov, prenášajú 1 e-

Koenzým Q (CoQ) –ubichinón
-chinónová štruktúra (oxidovaná) +e- +H+→ semichinón +e- + H+→
redukovaná forma –hydrochinón
-lipofilný,mobilný prenášač e- medzi flavoproteínmi a cytochrómami

Fe-S proteíny (nehemové Fe)
-prenos elektrónov

Fe

Fe

Fe

S

S

Fe

S

S

S

-CH2-S

-CH2-S

-CH2-S

-CH2-S

Fe

Fe

S-CH2-

S-CH2-

S

S-CH2-

S-CH2-

-CH2-S

-CH2-S

Fe

S-CH2-

S-CH2-

Tvorba ATP v živých systémoch

A. Substrátová fosforylácia
-prenos P pôsobením špecifických kináz na ADP (1,3bisfosfoglycerát
fosfoenolpyruvát)
B. Oxidačná fosforylácia
využitie energie pri oxidácii živín, reoxidácia redukovaných koenzýmov
-prenos redukovaných ekvivalentov na O

2, vytvorenie protónového gradientu

Dýchací (respiračný) reťazec tzv. terminálna oxidácia

-multienzýmový komplex,lokalizácia vnútorná mitochondriálna membrána
Greenové komplexy I-V

Komplex I : FMN, Fe-S centrá – NADH-ubichinonreduktáza
- prenos 2e- na ubichinón za vzniku QH

2

Komplex II : sukcinátubichinónreduktáza, Fe-S centrá
- prenos 2e- z FADH

2 na ubichinón za vzniku QH2

Komplex III : ubichinón-cytochróm c –reduktáza,Fe-S centrá, cytochróm c

1

2 cytochrómy b
-prenos e- z QH

2 na cyt. c

Komplex IV: cytochróm c- oxidáza , cyt.a a cyt.a

3 ,kationy Cu

2+

-prenos e- na kyslík za vzniku O2-

Komplex V: protónový kanál a ATPáza

4H

+

4H

+

2H

+

3H

+

sukcinát fumarát

matrix

1/2 O2 + 2H

+

NADH + H

+

NAD

+

ADP + Pi

+

c

c

c

intermembránový priestor

e

--

vonkajšia mitochondriová membrána

+

+ + +

+ +

+

+

+

+

+

+

vysoká [H

+]

nízka [H

+]

ATP

F1

CoQH2

II

vnútorná
mitoch.
membrána

I

e

--

CoQ

e

--

III

e

--

IV

V

Fo

F1

H2O

NADH + H

+

NAD

+

H

+

H

+

OH

OH

1/2 O2

O

2

FMN

FMNH2

2H

+

2H

+

FeS

FeS

O

O

O-H

O-H

cyt c1

cyt c

cyt a,a3

cyt b
Fe

3+

cyt b
Fe

2+

medzimembránový
priestor

matrix

H2O

návrat enzýmu do pôvodného stavu

rotácia γ podjednotky
energia

L

T

O

ADP

ATP

P

L

T

O

ATP

ADP

ATP

P

ATP

T

O

ATP

L

T

O

L

O

L

O

1

2

3

ADP + Pi

väzba ADP a Pi
na L miesto

H2O

premena väzbových miest

L T
T O
O L

syntéza ATP
(a uvoľnenie ATP
z miesta O)

γ podjednotka

k
o
o
p
e
r
á

Kooperácia ATP-ázy pri tvorbe ATP

4H

+

4H

+

2H

+

matrix

1/2 O2 + 2H

+

NADH + H

+

NAD

+

ADP + Pi

+

c

c

intermembránový
priestor

e

--

+

+ + +

+ +

+

+

+

+

+

F1

CoQH2

II

vnútorná
mitoch.
membrána

e

--

I

e

--

CoQ

e

--

III

e

--

IV

V

Fo

rotenón

amobarbital

antimycin A

CN

--, CO, N

3

--

F1

malonát

ATP

H2O

Inhibítory respiračného reťazca

O

NO2

NO2

O-H

NO2

NO2

H

+

O

O-H

H

+

nízke
pH

NO2

vysoké
pH

NO2

medzimembránový
priestor

vnútorná
membrána

matrix

NO2

NO2

Pôsobenie rozpojovača terminálnej oxidácie a oxidačnej
fosforylácie

Rozpojovače

-neinhibujú tok elektrónov respiračným reťazcom,ale rušia protónový gradient
a bránia fosforylácii ADP na ATP
-stimulujú potrebu kyslíka intaktnými mitochondriami v neprítomnosti ADP
-vysoká spotreba živín, rýchly priebeh dýchacieho reťazca vytvára málo ATP,
-

vysoká tvorba tepla

-

2,4-dinitrofenol, dinitrokrezol, pentachlórfenol- exogenné rozpojovače

-

tyroxín (hypertyreóza)- endogenný , termogenín – hnedé tukové tkanivo

-

príznaky: horúčka, chudnutie

-

dikumarol- inhibítor vitamínu K- antikoagulans

-

CCCP, FCCP – deriváty chlor-, fluór- fenylhydrazónu, obsahujú skupiny,ktoré

uvolňujú protóny H+, zvyšujú permeabilitu vnútornej membrány pre protóny,
neudrží sa gradient (deravá ako sito)
-

Antibiotiká spôsobujú vybíjanie protónového gradientu –ionofóry

napr. valinomycín ,inofór s K+ kanálom

Využitie protónového gradientu pre tvorbu tepla prostredníctvom

termogenínu

noradrenalín

receptor

adenylátcykláza

ATP

PPi

neaktívna

ATP ADP

aktívna

protónový kanál termogenín

otvorenie kanála

voľné mastné

triacylglyceroly

kyseliny

mitochondria

+

+

triacylglycerollipáza

triacylglycerollipáza

P

H

+

H

+

2H

+ + 1/2O

2

H2O

ADP + Pi

ATP

ATP
syntáza

H

+

H

+

H

+

cAMP

R2C2

2C

R2(cAMP)4

proteínkináza
neaktívna

proteínkináza
aktívna

transport
elektrónov

Inhibítory dýchacieho reťazca

Komplex I : piericidín - antibiotikum (ATB)
rotenón – insekticidum
barbituráty-amobarbital
deficit B

2, demerol(meperidín)

Komplex II : carboxin (pesticid), doxorubicín(cytostatikum)
malonát,kompetetívny inhibítor sukcinátu

Komplex III : antimycín (ATB),stigmatellin, myxothiazol (ATB)
BAL (british anti-lewisite)- dimerkaptopropanol

Komplex IV : CN-, CO, N

3

-

, H

2S, ischémia, deficit Fe, Cu

Komplex V : oligomycín, aurovertin,(ATB)
inhibujú transport protónov kanálom F

0

Transport ATP, ADP a fosfátu cez mitochondriálnu membránu

Adenín-nukleotid translokáza – špecipická – antiport
ATP z miesta vzniku v matrix sa viaže na traslokázu a ADP v
medzimembránovom priestore , zmenou konformácie sa ATP dostáva
do cytoplazmy a ADP do matrix v pomere 1:1 (väzba s Mg2+)
Inhibícia translokázy - atraktylozid

ADP

ADP

ATP

ATP

translokáza

ATP

ATP

ADP

ADP

matrix

matrix

Fosfátová translokáza (symport s H+)

-sprostredkuje transport anorganického fosfátu vo forme H

2PO4

-

do matrix mitochondrie výmenou za OH-, ktorý prechádza do
medzimembránového priestoru

Regulácia oxidačnej fosforylácie

- pomer NADH/NAD+, parciálny tlak O

2, gradient pH, energetický

stav bunky, charakterizovaný pomerom ATP/ADP
Kľud ––– ATP

, ADP↓ oxidačná fosforylácia inhibovaná

Fyzická aktivita ––––– ATP↓,pokles gradientu protónov, stimulácia
oxidácie redukovaných koenzýmov

-pO

2 – hypoxia → inhibícia oxidačnej fosforylácie – tvorby ATP

-

pokles vnútrobunkového pH → apoptóza

- koncentrácia Ca2+, koordinácia procesov v cytoplazme a mitochondrii

signálna
molekula

(hormón, neurotransmiter…)

Ca

2+

cytosol

Ca

2+

mitochondrie

aktivácia procesov
bunky

aktivácia
dehydrogenáz

aktivácia
ATP-ázy

NADH + H

+

spotreba
ATP

tvorba
ATP

terminálna oxidácia

homeostáza
ATP

Úloha Ca2+ pri udržiavaní homeostázy v bunke

Prenos redukovaných ekvivalentov do mitochondrie

Člnky – malát/aspartátový
– glycerolfosfát/dihydroxyacetónfosfátový

C
C H 2

C O O H

O

C O O H

C
C H 2

C O O H

O

C O O H

C H 2 C O O H

C H

N H 2

C O O H

( C H 2 ) 2 C O O H

C

O

C O O H

( C H 2 ) 2 C O O H

C H

N H 2

C O O H

N A D

N A D

( C H 2 ) 2 C O O H

C H

N H 2

C O O H

( C H 2 ) 2 C O O H

C

O

C O O H

C H 2 C O O H

C H

N H 2

C O O H

C H
C H 2

C O O H

H O

C O O H

C H
C H 2

C O O H

H O

C O O H

M a lá t

d e h y d r o g e n á z a

N A D H + H +

N A D H + H +

T r a n s a m in á z a

M a lá t

d e h y d r o g e n á z a

T r a n s a m in á z a

CH2
C

OH

O

CH2 O P

CH2
C

OH

O

CH2 O P

NAD

FAD

Glycerolfosfát

dehydrogenáza

-Glycerolfosfát

dehydrogenáza

cytosol

mitochondria

NADH+H+

CH2
CH

OH
OH

CH2 O P

CH2
CH

OH
OH

CH2 O P

FADH

2

-

pre živočíšne bunky výhodnejší malát/aspartátový

-

intenzívne využíva srdce a pečeň