Bioenergetics VT2010 Anna Strömberg

Övningsexempel: Holum Kap. 25, kap. 26.3 (glykolysen) Interaction 2.1 Titta på lösta exempel Ex. 1 kap 25 Träna på att lösa exempel Kap. 25: 25.8, 25.10, 25.11, 25.13?, 25.15, 25.17, 25.19, 25.28, 25.30, 25.31, 25.35, 25.39, 25.45 Kap. 26: 26.35, 26.37 Namn Efternamn 8 april 2017

3 processer för att utvinna energi ur födan DISPOSITION Glykolysen Citronsyracykeln Andningskedjan 3 processer för att utvinna energi ur födan Anaerob – kräver ej O2 Aerob – kräver O2 Detta är processer som sker i alla celler för att utvinna energi ur födan Namn Efternamn 8 april 2017

Varför behöver vi syre? Ställ frågan till dem. Vi andas hela tiden, men varför? Vi dör fort utan syre. Jämför med en bil som går på bensin. Syre behövs för att utvinna energin vi intar med födan. Utan syre kväver vi elden – en annan typ av förbränning. Namn Efternamn 8 april 2017

Vad behövs energi till? Rörelse -skelettmuskel -hjärtmuskel -glatt muskulatur Tillväxt Reparation Transport Transport – transportproteiner som transporterar ämnen över cellmembranet Namn Efternamn 8 april 2017

Katabolism / Anabolism Anabolism – uppbyggnad Enkla molekyler byggs ihop till större, mer komplexa strukturer Ex: Aminosyror byggs ihop till proteiner Katabolism – nedbrytning Större molekyler bryts ned till sina beståndsdelar, och energi utvinns Ex: Stärkelse bryts ned till glukos Namn Efternamn 8 april 2017

Lokalisation Glykolys – sker i cytoplasman Citronsyracykeln samt Andningskedjan – sker i mitokondrien Dessa tre processer sker i alla celler i vår kropp! Namn Efternamn 8 april 2017

Glukosomsättningen i cellen Förklara att det sker i alla celler, såväl hudceller som leverceller. Alla celler behöver energi för delning, transport, tillväxt… Glykolysen sker i cytoplasman, medan citronsyracykel samt cellandning sker i mitokondrier. Namn Efternamn 8 april 2017

ATP – adenosine triphosphate – bränslet för alla processer i cellen All energi som bildas i kroppen när bindningar bryts ner lagras i form av kemisk energi i ATP-molekyler. Då energi behövs bryts fosfatbindningar ner i ATP-molekylen. Namn Efternamn 8 april 2017

Energi förvaras i fosfatbindningar Namn Efternamn 8 april 2017

ATP ADP ATP ADP + Pi + energi ADP + Pi + energi ATP Förvaring av energi Laddningsbart batteri – när det finns energi laddas det upp, när det behövs energi bryts det ner (laddas ur) Ökning av [ADP] triggar syntesen av ATP  feedback loop Namn Efternamn 8 april 2017

Kolhydrat- omsättning Rita detta på tavlan. Rita en glukosmolekyl. Från att man äter socker till slutprodukt. Namn Efternamn 8 april 2017

Energiomsättning Glukos Glykolys Glukoneogenes 2 Pyruvat Nedbrytning Fett 2 Acetyl-CoA Syntes Alla celler har glykolys, sker i cytoplasman Anabolism. Uppbyggnad. Tex om man har ätit väldigt mkt socker så kan överskottsenergi lagras som fett. Katabolism; nedbrytning B-oxidation eller oxidativ fosforylering. Glykolysen sker i cytoplasman, citronsyracykeln och B-ox i mitokondrierna Citronsyra cykeln Namn Efternamn 8 april 2017

Glykolys – anaerob – utan O2 glukos Netto: 2 ATP 2 NADH Största andelen energi finns i pyruvat- molekylerna Pi + NAD+ Pi + NAD+ NADH + H+ NADH + H+ ADP ADP ATP Nedbrytning av glukos till ATP och reducerade coenzymer. Reaktionen kräver inte syrgas. Här får man energi snabbt och utan närvaro av syre. Varje steg katalyseras av ett specifikt enzym. 2 ATP förbrukas men fyra nya bildas. Pyruvat innehåller merparten av den kemiska energi som fanns i glukosmolekylen. Om syre tillförs kommer den kvarvarande energin att frigöras genom cellandningen i mitokondrierna. Cellandningen använder även energin som finns i de reducerade coenzymerna. Att bilda ATP genom enbart glykolysen ger ett mycket dåligt utnyttjande av energireserverna. ATP ADP ADP ATP ATP pyruvat Namn Efternamn 8 april 2017

Glykolysen: 1 st Glukosmolekyl – 6 st kolatomer  2 st pyruvatmolekyler – 3 kolatomer var + 2 ATP +2 NADH Namn Efternamn 8 april 2017

Översikt Glykolysen Sker i cytoplasman i alla celler Utgör det första nedbrytningssteget av glukos Sker fort utan förbrukning av O2 Bryter ned Glukos (6 C) till 2 pyruvatmolekyler (3C x 2) Bildar 2 ATP 2 NAD+ blir 2 NADH Namn Efternamn 8 april 2017

Elektronbärare 1; NAD+ NAD+ + 2 e- + 2 H+  NADH + H+ NADH släpper sedan ifrån sig sina elektroner till andningskedjan Namn Efternamn 8 april 2017

Glykolys 1/2 Namn Efternamn 8 april 2017

Glykolys 2/2 Namn Efternamn 8 april 2017

3 viktiga regleringssteg 1) Hexokinas 2) Phosphofructokinas 3) Pyruvatkinas Ett kinas är ett enzym som för över en fosfatgrupp från energirika fostater till ett protein Namn Efternamn 8 april 2017

1. Hexokinase catalyzes: Glucose + ATP  glucose-6-P + ADP Det första steget I glykolysen kostar energi. 1. Hexokinase catalyzes: Glucose + ATP  glucose-6-P + ADP Namn Efternamn 8 april 2017

Reglering av Hexokinas Hexokinas aktivitet hämmas av närvaro av dess produkt; Glukos - 6 – fosfat Detta förhindrar att för mycket glukos - 6 – fosfat ansamlas i cellen Hexokinase is inhibited by its product glucose-6-phosphate. Hexokinase is controlled by the concentration of the inhibitory reaction product glucose-6-phosphate. Cells trap glucose by phosphorylating it, preventing exit on glucose carriers. Product inhibition of Hexokinase ensures that cells will not continue to accumulate glucose from the blood, if [glucose-6-phosphate] within the cell is ample. Glucose-6-phosphate inhibits by competition at the active site, as well as by allosteric interactions at a separate site on the enzyme Gå igenom detta på tavlan Namn Efternamn 8 april 2017

Phosphofructokinase catalyzes: 2) Fosfofruktokinas This highly spontaneous reaction has a mechanism similar to that of Hexokinase. Phosphofructokinase, the rate-limiting step of Glycolysis, is highly regulated. Regulation will be discussed later. Phosphofructokinase catalyzes: fructose-6-P + ATP  fructose-1,6-bisP + ADP Namn Efternamn 8 april 2017

Reglering av fosfofruktokinas Aktivering av fosfofruktokinas är vanligen det hastighetsbestämmande steget i glykolysen Fosfofruktokinas hämmas av hög [ATP] Vid hög [ATP] är det bättre för cellen att lagra glukos som glykogen än att bilda mer ATP Phosphofructokinase is usually the rate-limiting step of the Glycolysis pathway. Phosphofructokinase catalyzes: fructose-6-P + ATP  fructose-1,6-bisP + ADP. Phosphofructokinase is allosterically inhibited by ATP. At low concentration, ATP binds only at the active site. At high concentration, ATP binds also at a low-affinity regulatory site, promoting the tense conformation. Inhibition of the Glycolysis enzyme Phosphofructokinase when [ATP] is high prevents breakdown of glucose in a pathway whose main role is to make ATP. It is more useful to the cell to store glucose as glycogen when ATP is plentiful. Namn Efternamn 8 april 2017

This reaction is spontaneous. 3 Pyruvatkinas This reaction is spontaneous. PEP has a larger deltaG of phosphate hydrolysis than ATP. Removal of Pi from PEP yields an unstable enol, which spontaneously converts to the keto form of pyruvate. Pyruvate Kinase catalyzes: phosphoenolpyruvate + ADP  pyruvate + ATP . Namn Efternamn 8 april 2017

Reglering av Pyruvatkinas Pyruvatkinas hämmas av hög [ATP] Namn Efternamn 8 april 2017

Nettoresultat av glykolysen http://www.science.smith.edu/departments/Biology/Bio231/glycolysis.html Namn Efternamn 8 april 2017

Anaerob förbränning Leder till ansamling av mjölksyra - laktat Pyruvat kan antingen gå in i citronsyracykeln eller bilda laktat. Vad som sker beror på syretillgång. Namn Efternamn 8 april 2017

Anaerob förbränning NADH kan inte oxideras till NAD+ i mitokondrierna utan syre NAD+ krävs för att glykolysen skall fungera Omvandlingen av pyruvat till laktat ger tillgång till NAD+ Anaerobes lack a respiratory chain for reoxidizing NADH. They must reoxidize NADH. NAD+ is needed for Glyceraldehyde-3-P Dehydrogenase of Glycolysis (se slide 15). Skeletal muscles function anaerobically in exercise, when aerobic metabolism cannot keep up with energy needs. Pyruvate is converted to lactate, regenerating NAD+ needed for Glycolysis, the main source of ATP under anaerobic conditions. Namn Efternamn 8 april 2017

Vad är meningen med laktatbildning?  Tillgång till NAD+ för att glykolysen ska kunna fortgå De ska förstå att laktat bildas för att glykolysen ska kunna fortgå, då NADH måste återbildas till NAD+. Slutprodukten blir då laktat, som sedan kan återbildas till pyruvat och gå in i cellandningen då det finns en adekvat syretillförsel. Upprepning av bilden innan… Namn Efternamn 8 april 2017

CITRONSYRACYKELN Den största andelen energi i glukos finns i pyruvat Pyruvat från glykolysen går in i citronsyracykeln vid adekvat syretillförsel Namn Efternamn 8 april 2017

Citronsyracykeln sker i mitokondrien It contains various transport catalysts, including a carrier protein that allows pyruvate to enter the matrix. Namn Efternamn 8 april 2017

Pyruvat Dehydrogenas Pyruvat omvandlas till Acetyl-CoA som går in i Citronsyracykeln NADH bildas Pyruvate Dehydrogenase, catalyzes oxidative decarboxylation of pyruvate, to form acetyl-CoA. Namn Efternamn 8 april 2017

Acetyl-CoA – bränsle för citronsyracykeln Acetyl CoA functions as: input to Krebs Cycle, where the acetate moiety is further degraded to CO2. donor of acetate for synthesis of fatty acids, ketone bodies, & cholesterol. Omvandling av pyruvat till Acetyl-CoA hämmas av mkt NADH & acetyl CoA via fosforylering. Denna fosforylering aktiveras även I muskulaturen vid svält då man vill hindra glukosförbrukning I muskulaturen till förmån för hjärnan. Namn Efternamn 8 april 2017

Citronsyracykeln (Krebs cycle) Citronsyracykeln tillverkar föreningar som behövs i andningskedjan Namn Efternamn 8 april 2017

Citronsyracykeln Acetyl CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi 2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + CoA Summary of Krebs Cycle (net inputs and outputs, ignoring water and H+): Acetyl CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi  2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + CoA The 2 carbon atoms of acetate have been fully oxidized to carbon dioxide. (C atoms that leave as CO2 in each cycle are actually derived from oxaloacetate, a product of the previous cycle). Re-oxidation of NADH and FADH2 via the respiratory chain, to be discussed next, will result in production of additional ~P bonds of ATP. Namn Efternamn 8 april 2017

Elektronbärare 2; FAD FADH2 FAD FAD + 2 e- + 2 H+  FADH2 FADH2 ger 2 ATP i andningskedjan, NADH + H+ ger 3 FADH2 FAD Namn Efternamn 8 april 2017

Citronsyracykeln = Krebs cycle YouTube - Krebs Cycle animation http://www.youtube.com/watch?v=aCypoN3X7KQ Namn Efternamn 8 april 2017

Andningskedjan Elektrontransportkedjan Här sker Oxidativ Fosforylering Viktigaste mekanismen genom vilken bränslemolekyler kan omvandlas till energi, ATP Energin som överförs till ATP kommer från energi som frisätts när H+ går ihop med O och bildar H2O

Andningskedjan sker i mitokondrierna Mitokondrierna är cellorganeller med två separata membran, ett yttre och ett veckat inre membran. Bildas alltså två separata rum i mitokondrierna. Reaktionerna i citronsyracykeln sker i det inre rummet (matrix), Elektrontransportkedjans proteiner är inbäddade i det inre membranet. Det veckade membranet möjliggör så att det finns plats för tusentals kopior av proteinerna i kedjan i varje mitokondrie. 90% av energin vi använder kommer från cellandningen/respiration. Från en glukosmolekyl kan man få ut 36 ATP Det är i mitokondrierna största delen av syret vi andas in konsumeras och majoriteten av CO2 vi andas ut produceras. Namn Efternamn 8 april 2017

Substrat Väteatomer + högenergetiska elektroner Från NADH + H+ & FADH2 Molekylärt syre Vad är det som förs in i andningskedjan som kan användas till att bilda energi? = Substrat Som jag sa så kommer energin som överförs till ATP från energi som frisätts när H+ går ihop med O2 och bildar H2O Var kommer protonerna ifrån? Substraten till andningskedjan är elektronbärarna/coenzymerna NADH + H+ och FADH2 som reducerades i citronsyracykeln, fettnedbrytning & aeroba glykolysen. Bär elektroner med sig. Dessa molekyler är andningskedjans substrat och kopplar glykolys & citronsyracykel till oxidativ fosforylering I andningskedjan avges elektronerna från coenzymerna som oxideras och kan användas i andningskedjan igen för att ta hand om nya protoner & elektroner OH skriv Nettoreaktion: ½ O2 + NADH + H+ + 3ADP + 3Pi ger H2O + NAD+ + 3ATP Namn Efternamn 8 april 2017

Komplex I-IV Principen med andningskedjan är att elektronbärarna lämnar över sina elektroner till komplex i början av kedjan och de olika komplexen transporterar sedan e- genom kedjan fram till det molekylära syret som regerar med H+ och bildar vatten. Andningskedjan består av tre stora komplex, två rörliga elektronbärare och ett enzym som kan bilda ATP (ej med här). De flesta av kedjans komponenter är proteiner, en del av dessa kallas cytokromer och bundna till dem finns grupper (ej protein) bundna som hjälper till med e- transporten. Dessa grupper kan alternera mellan reducerat och oxiderat tillstånd när de tar emot / lämnar ifrån sig e- Har en järnatom som prostetisk grupp De mobila bärarna, Ubiquinone & cyt c rör sig snabbt längs membranet och skeppar e- mellan de tre stora komplexen Namn Efternamn 8 april 2017

Komplex I-IV När elektronerna lämnas av NADH eller FADH2 är de mycket energirika. De olika komplexens roll är att hjälpa till att bromsa ”fallet” av e- mot molekylärt syre så att det blir flera mindre energigivande steg i stället för en explosiv reaktion, man får hanterbara mängder energi i taget. Det som får elektronerna att röra sig längs kedjan är att varje e- bärare är mer elektronegativ än den föregående. I andningskedjan sker en serie reaktioner och vid varje steg frigörs lite energi tills elektronerna når den slutliga elektronmottagaren, molekylärt syre, som har hög elektronegativitet. NADH lämnar av sina elektroner vid en högre energinivå än vad FADH2 gör och därför kan det bildas 3 ATP/NADH + H+ och bara 2 ATP/FADH2. FADH2 har lite mindre kemisk energi Namn Efternamn 8 april 2017

Komplex I-IV Som jag nämnde så avges det lite energi vid varje steg i andningskedjan i och med att komplexen tar emot och lämnar ifrån sig e-. Den energin används för att förflytta H+ från matrix (det inre rummet) till område mellan ytter & inre membranet mot dess koncentrationsgradient. Detta ger upphov till en källa av potentiell energi i form av en protongradient över membranet. Det blir mycket H+ mellan membranen som vill falla tillbaka till matrix vilket bara kan ske under kontrollerade former vid vissa ställen i membranet. (jämför energiutvinning med vattenkraft) Namn Efternamn 8 april 2017

Protongradient & Energiutvinning I membranet finns ett proteinkomplex/enzym som kallas ATP syntas, enzymet som omvandlar ADP & Pi till ATP. Man kan beskriva det som en omvänd jonpump som använder energin från protongradienten för att syntetisera ATP. Det är protongradienten som driver den oxidativa fosforyleringen Elektrontransportkedjans funktion är i princip att generera & upprätthålla denna protongradient och ATP syntaset är det enda stället i membranet där H+ kan läcka tillbaka. Protongradienten kopplar redoxreaktionerna i elektrontransportkedjan till ATP-syntes Energikoppling; chemiosmosis Vid kemiosmos hos eukaryoter, pumpas H+ över membranet till intermembranutrymmet som innehåller stort antal H+. Energin för att kunna pumpa dessa kommer från de kopplade oxidation-reduktions reaktionerna i elektrontransportkedjan. Elektroner rör sig från ett membranbundet enzym till nästa, lite energi förloras vid varje överföring. Denna ”förlorade” energi möjliggör H+ pumpningen mot koncentrationsgradienten (det finns färre H+ inuti matrix). H+ utanför kan inte ta sig tillbaka genom membranet. Deras enda utväg är via det ATP syntetiserande enzymet i membranet. När H+ passerar detta används energin från enzymet för att koppla en fosfatgrupp till ADP, vilket ger en ATP molekyl. Kedjans slut. Elektronernas sista mottagare i kedjan är molekylärt syre, O2, som gärna drar till sig elektroner. De bildas då i den sista processen syrejoner som omedelbart reagerar med H+ och bildar vatten. De elektronegativa syreatomerna i O2 är mao de egentliga elektronmottagarna och utan O2 stannar elektrontransportkedjan. Namn Efternamn 8 april 2017

Elektrontransportkedjan YouTube - the electron tansport chain http://www.youtube.com/watch?v=xbJ0nbzt5Kw Namn Efternamn 8 april 2017

ATP-produktion 3 ATP från varje NADH + H+ 2 ATP från varje FADH2 Slutprodukt H20, en molekyl för varje H+ par som går in i kedjan. Nettoreaktion ½ O2 + NADH + H+ + 3 ADP + 3 Pi ger H2O + NAD+ + 3 ATP (skriv på tavlan) För varje glukosmolekyl som genomgått glykolys & citronsyracykel kan man utvinna 36 ATP Namn Efternamn 8 april 2017

Sammanfattning Glykolysen bryter ner glukos till 2 pyruvatjoner Pyruvat bildar laktat vid för låg syretillgång Vid adekvat syretillgång går pyruvat in i citronsyracykeln Citronsyracykeln förser andningskedjan med elektroner med hög energi, i form av NADH och FADH2 Elektronerna binder till O2 och H+ och bildar H2O. Deras energi används till att bygga upp en koncentrationsgradient med H+-joner i mitokondrierna via andningskedjan. Utan O2 stannar andningskedjan. H+-jonerna flödar tillbaks genom ATP-syntas, ADP + Pi  ATP Laktat bildas för att återställa NAD+ som behövs i glykolysen Mest energi skapas i citronsyracykeln + andningskedjan I citronsyracykeln bryts acetylCoA ner och högenergetiska elektroner transporteras mha NAD + FAD. CO2 avges. Elektronflödet till syre är irreversibelt. Utan syre avstannar andningskedjan. En glukosmolekyl bildar Namn Efternamn 8 april 2017

Översikt av citronsyracykeln och andningskedjan, Viktiga begrepp Metabolism, anabolism, katabolism, elektronbärare, NAD+, FAD, kopplade reaktioner, energirika bindningar Ska kunna Översikt av citronsyracykeln och andningskedjan, Fylla i citronsyracykeln om en molekyl fattas Lokalisation för glykolys, citronsyracykel samt andningskedjan Förstå hur ATP bildas i andningskedjan Ska känna igen ATP, pyruvat, laktat, acetylCoA, Länkar http://www.tcd.ie/Biochemistry/IUBMB-Nicholson/swf/ATPSynthase.swf vacker animering av protongradient i mitokondrier http://www.youtube.com/watch?v=lvoZ21P4JK8&feature=related Animering av citronsyracykeln http://www.youtube.com/watch?v=9UM78eqy1oc Jättebra animering av andningskedjan Namn Efternamn 8 april 2017