27.03.2013r.

WYKŁAD 6

Transport substratu przez komórkę:

• Proste związki organiczne i jony

1. DYFUZJA PROSTA – dzięki dyfuzji prostej są pobierane jony

2. DYFUZJA UŁATWIONA – pobieranie związków zgodnie z gradientem stężeń. Następuje wyrównanie stężeń wewnątrz i na zewnątrz komórki. Niekiedy ten transport wymaga permeazy (białko)

3. TRANSPORT AKTYWNY – jest to przenoszenie wbrew gradientom stężenia, wymaga energii, a cząstki nie ulegają modyfikacji

4. TRANSLOKACJA GRUPOWA – zachodzi jak przy transporcie aktywnym, ale cząstka w czasie wchodzenia do komórki ulega modyfikacji np. fosforylacja cukrów (do komórki wchodzi fosfocukier)

Źródła pokarmowe:

• Węgiel: CO₂, związki organiczne, głównie węglowodory, tłuszcze, węglowodany

• Azot: N2, NH₄⁺, NO^3-

• Fosfor: PO₄^3-, SO₄^2-

Wykorzystanie sacharydów:

• Pentozy: ksyloza, ryboza, arabinoza

• Heksozy: galaktoza, fruktoza, mannoza, glukoza

• Digosacharydy: sacharoza, maltoza, laktoza, celobioza, rafinoza

• Polisacharydy: arabany, ksylany, skrobia, celuloza, hemiceluloza, pektyny

• Celuloza to łańcuchy β-D-glukopiranozy połączone wiązaniem 1,4-glikozydowym.
  W rozkładzie biorą udział celulozy (endo 1,4-glukanazy atakują wiązania β-1,4 wewnątrz cząsteczki, egzo β-1,4-glukanazy odcinają dwucukier celobiozę od łańcuchów celulozy, β-glukozydazy hydrolizują celobiozę do glukozy.

Wśród bakterii najłatwiej hydrolizują celulolityczne Cytphaga, Sporocytophaga, Callvibrio, Pseudomonas i Clostridium.

• Skrobia składa się z glukanów – amylozy i amylopektyny. Amyloza to reszty D-glukoz połączonych wiązaniem 1,4-αglikozydowym (amylopektyna to też reszty glukozy). Skrobia ulega rozkładowi do glukozy poprzez fosforolizę, hydrolizę lub trans glikolizę.

Fosforylacja poprzez α1,4-glukanofosforylazę, powstaje glukozo-1-fosforan.

Hydroliza – działanie amylaz na wiązanie 1,4-…

• Ksylan (należy do hemicelulozy) zbudowany z pentoz (ksyloza, arabinoza) i heksoz (glukoza, mannoza, galaktoza) oraz kwasów uronowych. Ksylon to łańcuch β-D ksylozy połączonych wiązaniem 1,4-glikozydowym. Dość łatwo rozkładalna dzięki enzymom ksylanazom (Sporocytophaga, Clostridium).

• Pektyny to poligalktouronidy zbudowane z łańcuchów kwasu galaktouranowego połączonego wiązanie 1,4-glikozydowym + metanol. Rozkład przez esterazy i de polimerazy do monomerów kwasu galaktouronowego.

• Chityna rozkładana przez chytynazy do glukozamin.

• Lignina jest złożona z pochodnych fenylopropanu (alkoholu koniferylowego). Wiązanie eterowe oporne na działanie enzymów. Lignina jest rozkładana przez grzyby tzw. Białej zgnilizny drewna. Są to podstawczaki (atakują grzyby) . Przykłady grzybów: Phanerochaete, Chrysosporium, Trametes vevsicolor. Grzyby te wytwarzają kompleks 3 enzymów mianowicie: lakazy, peroksydazy, zależnej od manganu (Mn-peroksydaza) oraz peroksydaza ligninowa.

Enzymy te powodują powstawanie wolnych rodników o działaniu silnie utleniającym (rodniki – cząstki z niesparowanymi elektronami). Zatem lignina ulega rozkładowi do związków enolowych.

- grzyby białej zgnilizny drewna -> badania nad ich działaniem na oczyszczanie (badania mówią, że warto je stosować).

• Węglowodory – do rozkładu węglowodorów mikroorganizmy dość szybko się adaptują

• Metan (CH₃) – ulega utlenieniu do alkoholu (CH₃OH) -> aldehydu (CH₂O) -> kwasu mrówkowego (HCOOH) -> dwutlenku węgla i wody (CO₂, H₂O)

• Alifatyczne (łańcuchowe) – ulegają rozkładowi najczęściej w procesie β-oksydacji (bakterie odcinają –C-C końcowe i utleniają do CH₃COOH…_

• Aromatyczne – w pierwszym kroku rozkładane przez mono- lub dioksygeny, które powodują wprowadzenie ⅓ atomów tlenu do pierścienia i tworzy się alkohol zwany kateholem

Następnie mikroorganizmy przecinają łańcuch w pozycji meta lub orto, tworzy się semialdehyd hydroksymukonowy lub kwas mukonowy) Następnie w wyniku stopniowych licznych przemian powstają metabolity wchodzące do cyklu Krebsa (kwas pirogronowy, bursztynian, aldehyd glicerynowy).

Rozkład tłuszczów (jak będziemy pisać o źródłach to do źródeł węgla)

Pod wpływem lipazy tworzą się kwasy tłuszczowe i glicerol. Kwasy tłuszczowe ulegają β-oksydacji, a glicerolu – fosfogliceroaldehyd.

Źródła azotu

Wiązanie azotu atmosferycznego. Reakcja N2 do NH3 zachodzi pod wpływem nitrogenezy zawierającej koenzym żelazo-molibdenowy i jest procesem wymagającym dużo energii. Azot wiąże liczne bakterie m.in. tlenowe: Azotobacter, Azomonas, Alcaligenes żyjące w symbiozie z roślinami Rhizobium, akterie beztlenowe: Clostidium, Dessulforibrio, fotoautotrofy: Chlorobium, Rhodospirillum oraz sinice. Azotany to źródło azotu, musza więc ulęgać redukcji do amoniaku (jonu amonowego):

N≡N $\frac{}{4H \rightarrow H2}$> HN=NH $\frac{}{2H}$> H₂N-NH₂ $\frac{}{2H}$> 2NH₃

N₂ + 8H⁺ + 16ATP -> 2NH₃ + H₂ + 16ADP + 16Pi

Niektóre wolnożyjące bakterie wiążące azot:

• Ścisłe tlenowce: np. Azotobacter, Chroococcum, fakultatywne beztlenowce

• Oddychające beztlenowo: delsulfykacyjne

Schemat rozkładu białka poza i wewnątrz komórki bakteryjnej oraz możliwości dalszej przemiany aminokwasów

Zewnątrzkomórkowe proteazy są wytwarzane przez bardzo liczne bakterie, są termo stabilne niektóre z nich mają charakter toksyn, wytwarzane są przemysłowo jako dodatek do detergentów).

Amonifikacja polegająca na wytworzeniu z łańcucha polipeptydowego aminokwasów…

Pierwszą reakcją w degradacji aminokwasów jest dekarboksylacja albo deaminacja. Dekarboksylacja prowadzi do wytworzenia amin. Do najlepiej znanych należą kodaberyna, powstała z lizyny i putrescyna powstała z ornityny. To tzw. Jady trupie.

H₂N-(CH₂)₄-CHHN₂-COOH -> H₂N-(CH₂)₄-CH₂NH₂ + CO₂

Lizyna kodaweryna

H₂N-(CH₂)₄-CHNH₂-COOH -> H₂N-(CH₂)-CH₂NH₂ + CO₂

Ornityna putrescyna

Deaminacja oksydacyjna jest najczęstszą formą degradacji aminokwasów. Reakcję przeprowadzają odpowiednie dehydrogenazy.

Kwas asparaginowy -> kwas fumarowy

HOOC-CHNH₃-CH₂-COOH ↔ HOOC-CH=CH-COOH

↓↑

NH₃

Hydroliza mocznika:

H₂N-CO-NH₂ + H₂O → 2NH₃ + CO₂

Metylotrofy - wszystkie bakterie rosnące na związkach jednowęglowych (metan, metanol, mrówczan, metyloaminy). Są bezwzględnymi tlenowcami, zawierającymi katalazę i oksydazę cytochromową. Są to najczęściej pałeczki gramujemne, spokrewnione z rodzajem Pseudomonas. Tworzą formy przetrwalne, powstające z całej komórki i niezawierające kwasu dipikorynowego. Inną cechą jest obecność licznych lameli warstwowo ułożonych. Bakterie metylotrofy włączają związki jednowęglowe w tzw. Drodze serynowej.

Anabolizm – synteza składników komórkowych i przyrost biomasy

ATP → ADP + Pi

(katabolizm – oddychanie: ADP+Pi→ATP)

Synteza cukrów

• Z C₁ – formaldehyd zostaje włączony do tzw. Drogi serynowej i tworzy się hydroksypirogronian lub zostaje włączony na drodze rybulozowej. Reakcje te przeprowadzają tlenowe metylotrofy.

• Z C₃ – kondensacja dwóch cząsteczek fosfotrioz powoduje powstanie difosforanu fruktozy, a następnie fosforowego estru glukozy, z której tworzą się inne cukry.

• Z C₆ - z glukozy i z fruktozy pod wpływem trans glikozydazy tworzy się sacharoza, a z niej może powstać dekstran + fruktoza

• Inne reakcje: z maltozy powstaje skrobia + glukoza, a z fruktozo-6-monofosforanu powstaje mureina.

Synteza białek

Synteza aminokwasów zachodzi na drodze transami nacji to jest reakcji przeniesienia grupy aminowej z jednego związku na drugi. Amoniak łączy się z kwasem α-ketaglutarowym, tworząc kwas glutaminnowy. Grupa aminowa może zostać przeniesiona z kwasu glutaminowego na np. kwas szczawiooctowy, dając kwas α-ketoglutorowy i kwas asparaginowy.

Inne aminokwasy powstają z odpowiednich keto kwasów, na które grupa aminowa zostaje przeniesiona z kwasu glutaminowego lub asparaginowego w obecności enzymów transaminaz.

Synteza tłuszczów – z acetyloCoA → kwas palmitynowy

Synteza nukleotydów – pirymidyny z kwasu asparaginowego, a puryny z rybozo-5-fosforanu.