Procesy energetyczne
na poziomie
komórkowym
Procesy energetyczne
na poziomie
komórkowym
KATABOLIZM –
m.in.:
•
glikoliza
• cykl Krebsa
• ß-oksydacja kwasów tłuszczowych
ANABOLIZM –
m.in.:
•
replikacja
• transkrypcja
• translacja
• transport aktywny
• fotosynteza
• synteza cukrów złożonych
Procesy wytwarzania ATP w błonach
cytoplazmatycznych –
sprzężenie
chemiosmotyczne
Etap I
Podczas przenoszenia elektronów w łańcuchu transportu elektronów
uwalnia się energia wykorzystywana do pompowania przez błonę H
+
( z wody), powstaje elektrochemiczny gradient protonowy
Etap II
Przepływ H
+
zgodnie z gradientem przez kompleks białkowy syntetazę
ATP
e
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
ADP
+ Pi
ATP
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
Tworzenie wiązań
wysokoenergetycznych – fosforylacja
1. Fosforylacja substratowa
– reszta fosforanowa zostaje
bezpośrednio przeniesiona na ADP przy wykorzystaniu energii
organicznego substratu
(w glikolizie, cyklu Krebsa)
2. Fosforylacja oksydacyjna
– u wszystkich organizmów
tlenowych do syntezy ATP jest wykorzystywana energia
elektronów i protonów przekazywanych na tlen
(łańcuch
oddechowy w błonach grzebieni mitochondrialnych, w
mezosomach bakterii)
3. Fosforylacja fotosyntetyczna
(cykliczna i
niecykliczna) – konwersja energii świetlnej na chemiczną ATP
(u
fotoautotrofów)
Fotosynteza
12 H
2
O + energia świetlna + 18 ADP + 18 P
i
12 NADPH+H
+
+
18 ATP + 6O
2
6CO
2
+ 12 NADPH+H
+
+ 18 ATP C
6
H
12
O
6
+ 6H
2
O + 18 ADP
+ 18 P
i
Faza jasna
Faza ciemna
Organizmy fotosyntetyzujące
:
- rośliny zielone - sinice
- glony
- bakterie: purpurowe, zielone,
siarkowe
Chloroplast
stroma
błona
zewnętrzn
a
przestrzeń
międzybłonowa
błona
wewnętrzna
DNA
granum
tylakoid gran
tylakoid
stromy
światło
tylakoidu
Błona tylakoidu
– zawiera fotosystemy (chlorofil + białka), łańcuch
transportu elektronów i syntetazę ATP
Faza jasna
(w błonie tylakoidów gran)
A. Pobudzenie fotosystemu PSI – wybicie z chlorofilu w centrum reakcji 2
elektronów, przejęcie elektronów przez
ferredoksynę
, dalej przez
reduktazę ferredoksyny
i przekazanie na
NADP
+
,
który dobiera ze
środowiska 2 jony H+ i powstaje
NADPH+H
+
B. Pobudzenie fotosystemu PSII, wybicie 2 elektronów, przeniesienie ich
na
plastochinon
, dalej na łańcuch przenośników (
cytochrom b,
cytochrom f, plastocyjanina
) i w końcu na
chlorofil w centrum reakcji
PSI
. Energia przepływajacych elektronów jest wykorzystywana do
transportu 2 H
+
ze stromy do światła tylakoidu. Protony wracają do
stromy zgodnie z gradientem przez kanały jonowe – powstaje
ATP
C. Niedobór elektronów w centrum reakcji PSII jest uzupełniany z wody -
fotoliza wody
H
2
O 2H
+
+ ½ O
2
+ 2e
12 H
2
O + energia świetlna + 18 ADP + 18 P
i
12
NADPH+H
+
+
18
ATP
+ 6O
2
Składniki siły asymilacyjnej
KARBOKSYLACJA
REDUKCJA
REGENERACJA
Faza ciemna
- cykl Calvina
Rybulozo-1,5-dwufosforan)
Wydajność energetyczna
fotosyntezy:
30%
(0,3 energii pochłanianej przez
fotosystemy jest akumulowana w
glukozie)
Fotoautotro
fy:
rośliny zielone
bakterie
sinice
fotosystem
PSI i PSII
PSI
typ
fosforylacji
niecykliczna
cykliczna
cykliczna
max.
absorpcji
chlorofilu
700nm, 680 nm
870 nm
akceptor
elektronów
ferredoksyna
(PSI)
plastochinon
(PSII)
ferredoksyn
a
donor
protonów H
+
H
2
O
np. H
2
S
barwniki pomocnicze: u glonów -
fikoerytryna, fukoksantyna
u sinic i bakterii - fikocyjanina
Chemosynteza
-
asymilacja CO
2
przy wykorzystaniu energii utleniania prostych
związków nieorganicznych (
chemolitotrofy
) lub związków
organicznych np. metan (
chemoorganotrofy
).
- proces prowadzony tylko przez bakterie
- proces niezależny od światła
- mała wydajność energetyczna, znikomy udział w produkcji
biomasy
- znaczenie w cyklach biogeochemicznych (w obiegu
pierwiastków w przyrodzie)
-reakcje utlenienia prostszych związków nieorganicznych - y,
Fazy chemosyntezy
1. Utlenianie związku chemicznego z wytworzeniem
ATP (odpowiednik fazy jasnej fotosyntezy)
2. Asymilacja CO
2
(odpowiednik fazy ciemnej)
Bakterie azotowe (nitryfikacyjne)
Nitrosomon
as
2NH
3
+ 3O
2
2 HNO
2
+ 2H
2
O
(664 kJ)
Utlenianie amoniaku do azotynów
Bakterie nitryfikacyjne
Nitrobacter
2HNO
2
+ 3O
2
2 HNO
3
+ 2H
2
O
(151 kJ)
Utlenianie azotynów do azotanów
Bakterie siarkowe -
2H
2
S + O
2
2H
2
O + 2S (65
kJ)
Utlenianie siarkowodoru do czystej siarki
Beggiatoa
Bakterie siarkowe
2S + 3O
2
+ 2H
2
O 2 H
2
SO
4
(1193 kJ)
Thiotrix
Bakterie żelazowe
2Fe(HCO
3
)
2
+ 1/2O
2
+ H
2
O Fe(OH)
3
+ 4 CO
2
(168 kJ)
Ferrobacillus
Utlenianie soli Fe
2+
do Fe
3+
Bakterie wodorowe
CH
4
+ 2O
2
CO
2
+
2 H
2
O (445 kJ)
2H
2
+ O
2
2H
2
O (479 kJ)
Bakterie metanowe
Oddychanie
Etap I - rozbicie makrocząsteczek
na jednostki monomeryczne (na
zewnątrz komórki lub w komórce -
z udziałem lizosomów)
Etap II – glikoliza – rozbicie
monomerów do acetylo-CoA
(w cytozolu)
Etap III- całkowite utlenienie
acetyloCoA do CO
2
i H
2
O z
wytworzeniem dużych ilości
ATP
K
O
M
Ó
R
K
A
Z
W
I
E
R
Z
Ę
C
A
Oddychanie wewnątrzmitochondrialne
1. Reakcja pomostowa - oksydacyjna
dekarboksykacja pirogronianu do acetyloCoA
(w
matrix mitochondrialnej)
2. Cykl Krebsa – całkowite utlenienie czynnego
octanu do CO
2
; powstają zredukowane
przenośniki protonów i elektronów NADH
+
+ H
+
i
FADH
2
(w matrix mitochondrialnej)
3. Utlenianie końcowe w łańcuchu oddechowym
– powstaje ATP i H
2
O
(w błonie grzebieni
mitochondrialnych)
Oddychanie na poziomie
komórkowym
Oddychanie cytoplazmatyczne
Glikoliza – beztlenowa obróbka glukozy
C
6
H
12
O
6
+ 2ATP + 2 NAD
+
2 CH
3
COCOOH + 2 ATP + 2
NADH
+
+ H
+
Cykl kwasu cytrynowego (cykl
Krebsa)
Źródła acetyloCoA
Produkty:
3 x NADH
2
1 x GTP
1 x FADH
2
2 x CO
2
Oksydacyjna dekarboksykacja pirogronianu
do
acetyloCoA (w matrix mitochondrialnej)
Łańcuch oddechowy
+ +
+ + +
+ +
+ +
- - -
- - - -
- -
1 para e z NADH umożliwia transport 3 par H
+
2 ATP
- z glikolizy
4 ATP
– z NADH cytoplazmatycznego
6 ATP
– z reakcji pomostowej
2 ATP
– z fosforylacji substratowej w cyklu
Krebsa
22 ATP
– z łańcucha oddechowego
36 ATP
Zysk energetyczny
Oddychanie tlenowe
C
6
H
12
O
6
+ 6O
2
+ 36ADP + 36 P
i
6 CO
2
+ 6 H
2
O
+ 36 ATP
Fermentacja
mlekowa
G
L
I
K
O
L
I
Z
A
glukoza
2 x pirogronian
2
ADP
2 ATP
2
NAD
+
2 NADH +
2H
+
2 x mleczan
2 NAD
+
Regeneracja
NAD+
dehydrogenaza mleczanowa
Cel: restytucja NAD (niezbędnego w procesie glikolizy)
Zachodzi w komórkach bakterii, w mięśniach kręgowców w
warunkach deficytu tlenowego.
Fermentacja
alkoholowa
G
L
I
K
O
L
I
Z
A
glukoza
2 x pirogronian
2
ADP
2 ATP
2
NAD
+
2 NADH +
2H
+
2 x etanol
2 NAD
+
Regeneracja
NAD+
2 x aldehyd
octowy
2 x CO
2
H+
dekarboksylaza pirogronianowa
dehydrogenaza alkoholowa
Cel: restytucja NAD
Zachodzi u bakterii, niektórych grzybów (drożdży)