METABOLIZM
Klasyfikacja mikroorganizmów – klucz: źródło energii; donory protonów (równoważniki redukujące); źródło węgla
1. Źródło energii: fototrofy; chemotrofy (organizmy, które czerpią energię z grupy związków organicznych i nieorganicznych) – nie klasyfikuje organizmów na autotrofy i heterotrofy;
2. Donory [H+] i C
Organotrol: związki organiczne – donor H+
Litotrofy: nieorganiczne źródła H+; NH3; H2S; i inne
Autotrof: źródło węgla – CO2
Heterotrof: źródło węgla – związki organiczne
Np.:
Fotolitotrof: energia z hv, źródło H+ - związki nieorganiczne; np. rośliny zielone, sinice bakterie purpurowe
Chemolitotrofy: energia ze związków organicznych lub nieorganicznych; źródło H+ - związki nieorganiczne; np. bakterie nitryfikacyjne
Chemoorganotrofy: energia ze związków organicznych i/lub nieorganicznych; źródło H+ - związki organicznego – zwierzęta
3. Oligotrofia – możliwość wykorzystania nawet śladowych ilości składników pokarmowych
Źródłem węgla mogą być w zasadzie wszystkie związki organiczne
JEDNOŚĆ W BIOCHEMII
Reakcje anaplerotyczne: uzupełniają szlaki cykliczne i produkty pośrednie, których ubywa w wyniku biosyntezy; dostarczają związków do szlaków cyklicznych
Etapy syntezy de novo z prostszych związków, np. glukozy:
1. Degradacja – katabolizm; źródła węgla dostają się w różnych postaciach, zatem najpierw muszą być zdegradowane i przekształcone do struktur trójwęglowych
2. Amfibolizm – przekształcanie do kwasów organicznych i fosforanów
3. Synteza monomerów – anabolizm
Enzymy;
Etapowa konwersja energii;
[H+] – równoważniki redukujące
ATP
Nośniki [H+]
PRZEPŁYW GRUP FOSFORANOWYCH: DONORY – ZWIĄZKI WYSOKOENERGETYCZNE
Związki wysokoenergetyczne: PEP, 1,3-difosfoglicerynian – fosforylacja substratowa, donory reszt, fosfokreatyna (tylko u eukartiotycznych); dzięki nim powstaje ATP
SZLAKI DEGRADACJI GLUKOZY C6 – C3
Schlegel – ryc. 7.1. Mapa metaboliczna rozkładu heksoz
Heksozy zostają utleniane na trzy sposoby:
1. Glikoliza – produktem jest pirogronian C3
Całkowicie utleniona heksoza to musi dojść do regeneracji koenzymów, np. przez drogę oddychania tlenowego i beztlenowego.
Regeneracja koenzymów przez fermentację – nie ma nic wspólnego z oddychaniem beztlenowym! Może być to proces zarówno beztlenowy i tlenowy, brak cyklu Krebsa,
AKTYWNA FORMA GLUKOZY – POCZĄTEK WSZYSTKICH SZLAKÓW:
Musi być najpierw stworzony glukozo-6-fosforan
1. FBP – fruktozo-bis-fosforan: Embden-Meyerhof-Parnas – glikoliza
2. Oksydatywny szlaka pentozofosforanowy – Heksozomonofosforanowy: Warburga-Dickensa-Horeckera – substrat: ufosforylowane pentozy, pierwszym produktem jest heksoza, alternatywny szlak
3. KDGF – kwas 2-keto-3-deoksy-6fosfoglukonianowy: entnera-doudorofa – też oksydatywny
TRÓJWĘGLOWE PRODUKTY KATABOLIZMU HEKSOZ:
1. Aldehyd 3-fosfoglicerynowy
2. Kwas 1,3-bisfosforglicerynowy
3. Kwas fosfoglicerynowy
4. Kwas 2-fosfoglicerynowy
Brak wiązań wysokoenergetycznych, jedynie w 1.
Mogą być przekształcone do pirogronianu, dlatego nazywa się go kluczowym produktem.
SZLAK FBF
Glukoza jako substrat, aktywacja przez ATP glukozo-6-fosforan i dopiero do dalszych przemian
W procesie glikolizy mamy reakcje, które są nieodwracalne (mogą, ale tylko przez inny enzym i inna reakcję, odwracalność tylko, gdy jest ten sam enzym)
Efekt Pasteura – brak ADP lub Pi lub enzymu (umożliwia fosforylowanie APD) – przerwanie glikolizy – może dojść do tego w przypadku drobnoustrojów
2 x fosforylacja substratowa:
1. Substrat – 1,3-bisfosfoglicerynian
2. Substrat – kwas fosfoenolopirogronowy
W sumie powstają 4 cząsteczki ATP, ale zużywane są 2, zatem zysk to 2ATP i 2NADH
Końcowym produktem jest kwas pirogronowy
MECHANIZMY FOSFORYLACJI SUBSTRATOWYCH – nie będzie tego na egzaminie;)
OKSYDATYWNY SZLAK PENTOZOFOSFORANOWY – REAKCJE ODWRACALNE
Pięciowęglowe jednostki będą się rozpadały na 2 i 3 węglowe i łączone w odpowiednie związki o określonej liczbie atomów węgla. Powstaje najważniejszy produkt: aldehyd 3-P-glicerynowy. Koenzymem w tych przemianach jest NADP+. Powstające aldehydy z szlaku pentozowego mogą przejść glikolizę (np. u e. coli) i wtedy może być źródłem fosforylacji i uzyskania ATP.
Brak fosforylacji substratowych; dostarczanie szkieletów węglowych.
SZLAK 2-KETO-3-DEOKSY-6-FOSFOGLUKONIANOWY
Koenzym – NADP+
Po przekształceniach glukozy otrzymujemy kwas 2-keto-3-deoksy-6-fosfolkonian, który ulega przekształceniu do aldehydu 3-fosfoglicerynowego, a ostatecznie może być od przekształocony do pirogronianu przy dwukrotnej fosforylacji substratowej .
Bilans: 2pirogronian, 1NADPH, 1NADH, 1ATP
KATABOLIZM HEKSOZ U RÓŻNYCH MIKROORGANIZMÓW
Niewiele znanych przykładów organizmów prokariotycznych wykorzystujących jedynie jedną metodę. Większość posiada tych dróg kilka.
Bakterie ułomne metabolicznie – nie mogą rozbić 6-węglowego związku;
DROGI REGENERACJI – NADH; NADPH
W zależności od tego jak regenerowany koenzym oraz przekształcany produkt katabolizmu można podzielić katabolizm heksoz na 3 drogi.
C3 – produkt katabolizmu heksoz może ulegać fermentacji (brak łańcucha) lub oddychaniu tlenowemu lub beztlenowemu (łańcuch oksydoredukcyjny)
Niektórym typom regeneracji równoważników redukujących w komórce może towarzyszyć fosforylacja i synteza ATP – regeneracja zasobów ATP.
CO SIĘ DZIEJE Z C3 I REGENERACJĄ KOENZYMÓW DROGĄ ODDYCHANIA BEZTLENOWEGO I TLENOWEGO – regeneracja NADH i FADH2
UTLENIANIE PIROGRONIANU C3 – CENTRALNEGO PRODUKTU POŚREDNIEGO – zawsze do 2węglowej jednostki – acetylo CoA, w każdym też bierze udział CoA
1. + NAD+ NADH i CO2 – charakterystyczna również dla eukariota (wieloenzymatyczny kompleks dehydrogenazy pirogronianowej)
2. +2Fd 2FdH + CO2 – ferredoksyna – inny nośnik protonów i elektronów (tutaj akceptro, enzymem jest oksydoreduktaza pirogronianu:ferredoksyna)
3. mrówczan (enzymem jest liaza pirogronianu:mrówczan – zupełnie inna klasa enzymu od dwóch poprzednich) – u beztlenowców bezwzględnych występuje tylko typ 3 przekształcania pirogronianu. U beztlenowców względnych, gdy jest możliwość prowadzanie metabolizmu tlenowego i beztlenowego nie ma tej restrykcji.
2 i 3 charakterystyczne tylko dla prokariotów
Utlenianie pirogronianu według typu 1. Pierwszy enzym – dekarboksylacja. Powstaje kompleks z enzymem, 2 enzym dehydrogenaza, enzym 3 dehydrogenaza.
CYKL KREBSA
U eukariota tylko zredukowany NAD, u prokariota NADP.
Cykle pomocnieczne – uzupełnianie TCA – reakcje anaplerotyczne
Typ reakcji anaplerotycznych i ich docelowy efekt zależy od składu podłoża.
Reakcje anaplerotyczne – typy podłoża: octan (do acetylo – CoA), mleczan (do pirogronianu a ten do szczawiooctanu), glukoza (do fosfoenolopirogronianu, a on dalej w szczawiooctan)
INDUKCJA ENZYMÓW SZLAKU D-GLICERYNIANOWEGO – WYKORZYSTANIE GLIOKSALANU LUB JEGO PREKURSORÓW
REGENERACJA ZASOBÓW ATP ORAZ ZREDUKOWANYCH KOENZYMÓW W KOMÓRCE
Produkty szlaków katabolizmu heksoz: NADH; NADPH, FAH2
Drogi regeneracji – klasyfikacja procesu utleniania biologicznego, element różnicujący oddychania tlenowego i beztlenowego
ODDYCHANIE TLENOWE – dalsze etapy utleniania heksoz – regeneracja koenzymów: fosforylacje na poziomie transportu elektronów. Gradient elektrochemiczny Ostatecznym akceptorem protonów jest tlen.
Pula chinonów – w przypadku eukariotycznego część protonów jest tam magazynowana. Jest to rezerwuar protonów dla komórki.
modelH+ - ATPazy = pompy elektrogennej.
1. Gradient protonowy + ADP + Pi powstaje ATP
2. Odwrotna aktywność (nadmiar ATP, może być użyta, by wygenerować gradient protonowy, ma to znaczenie w zjawiskach transportu, a także dla zjawiska wstecznego transportu elektronów – wbrew potencjałowi redox) – ta sama reakcja, tylko w drugą stronę
Tlen – ochronne redukcje:
1. Katalaza 2H2O2 do 2H20 I O2
2. Peroksydaza H2O2 + 2GSH do GSSG + 2H2O
3. Dysmutaza ponadtlenkowa (musi współpracować z 1 lub 2) 2O2- +2H+
TRANSPORT ELEKTRONÓW W WARUNKACH BEZTLENOWYCH
Transport elektronów w warunkach beztlenowych. Akceptory elektronów: NO3-, SO42-, CO22-, S. mogą być przez drobnoustroje redukowane na różny sposób:
1. Oddychanie beztlenowe – łańcuch redox, fosforylacje oksydacyjne; produkty wydalane z komórki (redukcja kataboliczna), nie są one wbudowane w żadne związki
2. Redukcje anaboliczne – wbudowanie w strukturę, brak łańcucha redox, brak fosforylacji