WSPÓŁZALEŻNOŚĆ

PROCESÓW METABOLICZNYCH

METABOLIZM

To zbiór wielu sprzężonych, wzajemnie powiązanych reakcji chemicznych w wyniku

których żywy organizm zdobywa energię ze środowiska i wykorzystuje ją do

przekształcania prostych związków w składniki komórki

1.

KATABOLIZM

Są to reakcje przekształcania energii w postać użyteczną biologicznie

2.

ANABOLIZM

Są to reakcje wymagające energii, aby mogły zachodzić

cząsteczki paliwa komórkowego

(cukry, tłuszcze)

KATABOLIZM

CO

2

+ H

2

O +

energia użyteczna

energia użyteczna

+ małe cząsteczki

ANABOLIZM

złożone cząsteczki

Niektóre szlaki metaboliczne mogą być szlakami anabolicznymi lub katabolicznymi
zależnie od stanu energetycznego komórki. Są to tzw.

szlaki amfiboliczne

.

metabolizm

wielocukrów

metabolizm

kofaktorów i witamin

metabolizm

nukleotydów

metabolizm

cukrów prostych

metabolizm

lipidów

metabolizm

innych aminokwasów

metabolizm

aminokwasów

metabolizm

energii

metabolizm

innych substancji

biosynteza

metabolitów wtórnych

METABOLIZM

CYKL METABOLICZNY

Szereg następujących po sobie reakcji
chemicznych, zamkniętych w obiegu,
w których produkt końcowy funkcjonuje
jako odnowiony substrat początkowy dla
kolejnej tury reakcji metabolicznych.

SZLAK METABOLICZNY

Szereg następujących po sobie reakcji
biochemicznych, w których produkt jednej
reakcji jest substratem kolejnej.

Reakcje metaboliczne są zwykle
katalizowane przez

enzymy

, oraz

podlegają ścisłej kontroli.

W skali całego organizmu reakcje
metaboliczne regulowane są
przez

hormony

.

METABOLIZM

Szlaki metaboliczne charakteryzują się tym, że:

1)

poszczególne reakcje są swoi

ste

-

reakcja swoista wytwarza z określonych substratów tylko jeden konkretny produkt (lub też

grupę produktów)

2)

całkowity zbiór reakcji w danym szlaku jest termodynamicznie korzystny

-

przebieg reakcji termodynamicznie niekorzystnej jest możliwy dzięki sprzężeniu jej z reakcją

termodynamicznie korzystną

swoistość reakcji zapewniają

ENZYMY

większość reakcji termodynamicznie niekorzystnych przebiega dzięki

energii uwolnionej z hydrolizy

ATP

METABOLIZM

Te same aktywowane przenośniki są wykorzystywane w różnych szlakach metabolicznych

1.

Aktywowane przenośniki grup fosforanowych

 ATP
 GTP

2.

Aktywowane przenośniki elektronów w utlenianiu cząsteczek paliwa komórkowego

 NADH
 FADH

2

3. Aktywowane przenośniki elektronów w biosyntezie redukcyjnej

 NADPH

4. Aktywowany przenośniki fragmentów dwuwęglowych

 koenzym A

Aktywowane przenośniki są wykorzystywane do przeprowadzenia

reakcji endoergicznych

METABOLIZM

Uniwersalnym środkiem wymiany energii w układach biologicznych jest ATP

ATP - adenozynotrifosforan

Adenozyna

Adenina

Ryboza

Reszty fosforanowe

Adenozyno

di

fosforan

(

ADP

)

Adenozyno

tri

fosforan

(

ATP

)

Wiązania
wysokoenergetyczne

METABOLIZM

Energia ze słońca
lub z pożywienia

Energia przeznaczona
na pracę komórki oraz
do syntez chemicznych

Nieorganiczny fosforan

(P

i

)

Żywe układy biologiczne wymagają ciągłego dopływu energii,

aby wykonywać różne zadania

 Rośliny uzyskują energię
w procesie

fotosyntezy



Zwierzęta uzyskują energię

w procesie

oddychania komórkowego

Energia w organizmach jest niezbędna do 3 głównych zadań:

1)

pracy mechanicznej

w czasie skurczu mięśni i innych

ruchów komórkowych;

2)

aktywnego transportu

cząsteczek i jonów;

3)

syntezy

makrocząsteczek i innych biocząsteczek z

prostych związków

METABOLIZM

Powstawanie związku wysokoenergetycznego – ATP nazywamy

FOSFORYLACJĄ

ADP + P

i

+ energia ↔ ATP

Wyróżniamy trzy podstawowe typy fosforylacji

1. fosforylacja fotosyntetyczna

Gradient protonowy w poprzek błony utworzony w wyniku fotosyntezy zasila syntezę ATP

2. fosforylacja oksydacyjna

Gradient protonowy w poprzek błony utworzony w wyniku utleniania cząsteczek paliwa

komórkowego zasila syntezę ATP

3. fosforylacja substratowa

Przeniesienie reszty fosforanowej ze związku fosforanowego o wysokiej energii (substrat)
bezpośrednio na ADP przez enzymy

Ten sposób wytwarzania ATP nie wymaga udziału tlenu i zachodzi np. w glikolizie oraz

cyklu Krebsa

METABOLIZM

„Wysokoenergetyczne” fosforany:

Fosfoenolopirogronian

62 kJ mol

-1

Fosforan kreatyny

43

ATP (AMP, dwufosforan)

36

Fosforan L-argininy

32

ATP (ADP, monofosforan)

31

Aldozo-1-fosforan

21 kJ mol

-1

Aldozo-6-fosforan

14

Estry fosforanowe

9

„Niskoenergetyczne” fosforany:

METABOLIZM

Oprócz energii zmagazynowanej w ATP, komórki mogą uzyskiwać energię również

w procesach utleniania-redukcji

W komórkach istnieje pula związków określanych jako równoważniki redukujące (tzw.
„

siła redukcyjna

”), czyli związków mogących przyłączać i oddawać elektrony

REDUKCJA – przyjęcie elektronu

UTLENIENIE – oddanie elektronu

Redukcja

Utlenienie

Cząsteczka organiczna

zawierająca dwa atomy H

Koenzym NAD

+

(nośnik elektronu)

Utleniona cząsteczka

organiczna

NADH + H

+

(proton)

(zredukowany nośnik elektronu)

METABOLIZM

Dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy oraz fosforan tego nukleotydu

Cząsteczka NADP

+

różni się

do NAD

+

obecnością reszty

fosforanowej przy węglu 2'
rybozy nukleotydu
adeninowego

Dinukleotyd flawinoadeninowy

Miejscem działania jest
amid kwasu nikotynowego

NADPH + H

+

bierze udział

w procesach biosyntezy

NADH + H

+

oraz FADH

2

służą głównie

do wytwarzania ATP

Forma utleniona

NAD

+

NADP

+

Forma zredukowana

NADH + H

+

NADPH + H

+

Miejsce

reaktywne

Forma utleniona

FAD

Forma zredukowana

FADH

2

Miejsce

reaktywne

Miejsce reaktywne

METABOLIZM

Grupy acetylowe odgrywają istotną rolę zarówno w katabolizmie – w procesach

utleniania kwasów tłuszczowych, jak i w anabolizmie – w procesach syntezy lipidów

błonowych

Koenzym A

Grupa reaktywna

Reszta

β-merkaptoetyloaminy

Reszta

kwasu pantotenowego

Reszta

adenozynodifosforanu

z resztą fosforanową

przy at. C 3’

Acetylo-CoA

C

H

3

C

S

O

CoA

Reszta acetylowa

tzw.

aktywny octan

Przeniesienie grupy acetylowej z acetylo-CoA kest reakcją egzoergiczną

Niektóre przenośniki aktywowanych grup

ATP

Fosforylowa

NADPH, NADH, FADH

2

Elektrony

Koenzym A

Acylowa

Tetrahydrofolian

Fragmenty

jednowęglowe

S-Adenozylometionina

Metylowa

Urydynodwufosforan

Glukoza

Cząsteczka przenośnika

Grupa przenoszona

w formie aktywowanej

METABOLIZM

METABOLIZM

Rodzaj reakcji

Opis

Reakcja
oksydoredukcyjna

Przeniesienie elektronów

Ligacja wymagająca ATP

Tworzenie wiązania kowalencyjnego (np. wiązania C-C)

Izomeryzacja

Rearanżacja atomów prowadząca do powstania atomów

Przeniesienie grupy

Przeniesienie grupy funkcyjnej z jednej cząsteczki na drugą

Hydroliza

Rozszczepienie wiązania z udziałem wody

Dołączenie lub odłączenie
grupy funkcyjnej

Dodanie grupy funkcyjnej do wiązania podwójnego lub
usunięcie z utworzeniem wiązania podwójnego

Typy reakcji w metabolizmie

METABOLIZM

Sposoby regulowania procesów metabolicznych

1.

Kontrola ilości enzymów

Polega przede wszystkim na zmianie szybkości transkrypcji kodujących je genów

2.

Kontrola katalitycznej aktywności enzymów



Kontrola allosteryczna



Hamowanie na zasadzie sprzężenia zwrotnego



Odwracalna modyfikacja kowalencyjna

3.

Kontrola dostępności substratów

Kompartmentacja

rozdziela przeciwstawne reakcje. Przekazywanie substratów z jednego

przedziału komórki do drugiego może służyć jako sposób regulacji