TEMAT: Anabolizm i katabolizm, jako dwa główne kierunki metabolizmu.

Metabolizm to całokształt reakcji biochemicznych zachodzących w komórkach organizmu. Związany jest z przepływem materii i energii. Proces ten zapewnia organizmowi: wzrost, ruch, rozmnażanie oraz wrażliwość roślin, a także pobudliwość zwierząt. Biorąc pod uwagę przemiany energii w metabolizmie można wyróżnić reakcje: endoergiczne – wymagające nakładu energii. Istnieją dwa kierunki przemian metabolicznych: anabolizm i katabolizm. Anabolizm to reakcje syntez związków bardziej złożonych z prostszych, wymagające dostarczenia energii. Energia ta umożliwia podniesienie poziomu energetycznego związków w czasie procesu chemicznego. Powstający w ten sposób produkt rekcji zawiera większą ilość energii, niż substraty. Dostarczona energia zostaje zmagazynowana w postaci wiązań chemicznych. Natomiast katabolizm to reakcje chemiczne podczas których następuje obniżanie poziomu energetycznego substratów w wyniku ich rozkładu na związki proste, oraz wydzielana jest energia. Uwolniona energia wyzwala się podczas rozrywania wiązań wysokoenergetycznych substratów.

Energia E

I . A + B C

N p. fotosynteza CO₂ + H₂O C₆H₁₂O₆ + O₂

I I. C A + B + E

N p. oddychanie komórkowe C₆H₁₂O₆ H₂O + CO₂ + E

A i B – związki niskoenergetyczne
C – związek wysokoenergetyczny

Rys. 1. Schemat kierunków metabolizmu.

Reakcje chemiczne wymagające dopływu energii są powiązane z tymi, które tą energię dostarczają. Dlatego anabolizm i katabolizm zachodzą jednocześnie. Jednak mają miejsce w różnych partiach komórki. Aby ta zależność była możliwa, energia uwalniana podczas jednego procesu, musi zostać przetransportowana do miejsca, gdzie zachodzi proces energo - chłonny. Nośnikiem tej energii są więc tzw. Związki wysokoenergetyczne. Przemiany anaboliczne i kataboliczne wykazują różną intensywność, która zależna jest od wieku organizmu. U młodych osobników przeważają reakcje syntezy, u dojrzałych – intensywność wyrównuje się, a u starych – dominują reakcje rozpadu. W przebiegu reakcji metabolicznych ogromną rolę pełni wysokoenergetyczny związek jakim jest adenozynotrójfosforan (ATP). Jego energia - skumulowana w wiązaniach - może być wykorzystywana w reakcjach endoergicznych. Synteza ATP odbywa się głównie w mitochondriach. Związek ten powstaje w wyniku fosforylacji - polegającej na przyłączeniu przez ADP reszty fosforanowej P. Istotną rolę w metabolizmie odgrywają także enzymy. Są one biokatalizorami białkowymi. Są wytwarzane przez każdy żywy organizm. Ich zadaniem jest regulacja szybkości przebiegu reakcji biochemicznych. Biorą udział również w: biosyntezie białek, tłuszczów i węglowodanów. Te procesy są reakcjami anabolicznymi. Enzymy posiadają następujące cechy:

• obniżają energię katalizowanych reakcji, tzw. energię aktywacji, oznacza to, że ilość energii potrzebnej dla przebiegu dowolnej reakcji jest mniejsza od ilości energii wykorzystywanej w danej reakcji bez użycia enzymów

• nie zmieniają się w wyniku reakcji, a przez to mogą wielokrotnie działać na kolejne substraty

• ponadto działają na ściśle określone substraty – jest to tzw. działanie enzymów

• nie mają one wpływu na równowagę reakcji

• wykazują dużą aktywność kataboliczną (przyśpieszają wielokrotnie reakcje chemiczne)

• warunkują większą skuteczność przebiegu reakcji, nadają kierunek reakcjom

Tak więc metabolizm warunkuje wiele czynników.

Przykładem anabolizmu jest wiązanie CO₂ i wbudowanie go w związki organiczne na drodze fotosyntezy lub chemosyntezy.

Fotosynteza to złożone reakcje syntezy związków organicznych z prostych substancji nieorganicznych ( CO₂ , H₂O ), odbywające się z wykorzystaniem energii świetlnej. W procesie tym powstają związki mniej utlenione, a tym samym bogatsze w energię. Im bardziej zredukowany jest związek (im więcej zawiera atomów H), tym ma wyższą wartość energetyczną. Głównym związkiem powstającym w wyniku redukcji CO₂ są cukry. Reakcja fotosyntezy ma postać następującego równania:

6 CO₂ + 6H₂O C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Fotosynteza przebiega w chloroplastach. Można wyróżnić w niej fazę jasną (zachodząca w granach chloroplastu) i fazę ciemną (zachodzącą w stromie chloroplastów).

Rys. 2. Budowa chloroplastu.

Faza jasna fotosyntezy obejmuje reakcje chemiczne wymagające obecności światła do ich przebiegu. Celem tej fazy jest przekształcenie energii świetlnej w chemiczną. Faza ta ma następujący przebieg. Światło pada na fotoukład PS I, powoduje to wybicie elektronu z ostatniej powłoki chlorofilu. W ten sposób powstają tzw. dziury elektronowe. Natomiast elektron obdarzony dużą dawką energii wędruje między poszczególnymi przenośnikami: x₁, ferrodoksyna, NADP. Na NADP trafiają również jony H⁺ , które pochodzą z procesu fotolizy H₂O, czyli rozpadu wody na jony (pod wpływem światła). Rozpad wody wywołany jest ponadto przez tzw. ssące działanie dziur elektronowych, które przyciągają ładunki ujemne. Przy udziale energii elektronu dochodzi do syntezy NADP-H₂. Następnie elektron obdarzony małą ilością energii trafia na jego miejsce. Nowy wolny elektron obdarzony dużą dawką energii znów wędruje pomiędzy przenośnikami, tym razem są to: x₂, plastochinon, cytochrom b, cytochrom f, plastocyjanina. Ostatecznie trafia na fotoukład PS II, gdzie wypełnia dziurę elektronową. W trakcie przejścia między cytochromami, energia elektronu zostaje zużyta do syntezy ADP. Związek ten łączy się z fosforanem nieorganicznym, dając ATP. Celem fazy jasnej jest więc przemiana energii świetlnej w chemiczną, która zostaje zmagazynowana w dwóch związkach: ATP i NADP-H₂. Tworzą one tzw. siłę asymilacyjną. Produktem ubocznym tej fazy jest tlen. Natomiast faza ciemna fotosyntezy to cykl redukcyjny CO₂ (zachodzi w stromie plastydów) z pięciowęglowym cukrem RuDP (rybulozo – 1,5 bisfosforan). W wyniku tej reakcji powstaje trójwęgolowy kwas PGA (kwas fosfoglicerynowy). Kolejny etap – redukcja – polega na zredukowaniu kwasu fosfoglicerynowego PGA do aldehydu fosfoglicerynowego PGA 1. W procesie tym udział bierze siła asymilacyjna (ATP i NADP-H2). Regeneracja zaś polega na tym, iż z powstałych cząsteczek aldehydu powstają trójwęglowe związki – jest ich sześć. Pięć z nich służy do regeneracji RuDP, jeden natomiast stanowi zysk fotosyntezy. Na bazie tego związku powstają tzw. pierwotne produkty fotosyntezy, czyli cukry. Na bazie wytworzonych cukrów w wyniku przemian biochemicznych powstają wtórne produkty fotosyntezy, czyli: białka i tłuszcze.

x ₁ ferrodoksyna NADP NADP-H₂

H₂O H₂ + OH^-

O₂

P S I plastocyjanina cyt.f. cyt.b plastochinon x₂ PS II

Światło ATP ADP + P + E

Proces fosforylacji

Rys. 3. Schemat fazy jasnej.

Produkty fotosyntezy, utrzymujące życie i rozwój samożywnych roślin, są warunkiem istnienia organizmów cudzożywnych, gdyż dostarczają im pokarm, tlen i energię.

Natomiast chemosynteza to proces asymilacji CO₂, do której samożywne organizmy wykorzystują energię uzyskiwaną z utleniania zredukowanych substancji nieorganicznych np. H₂S, S, NH₃. Więc tak jak w przypadku fotosyntezy jest to tworzenie związków organicznych z nieorganicznych tj. z CO₂ i H₂O, ale przy użyciu energii chemicznej uzyskiwanej przy utlenianiu siarki, siarkowodoru, amoniaku i innych. Procesy chemosyntezy zachodzą przy udziale bakterii chemosyntetyzujących, które w zależności od utlenionego substratu, dzielimy na bakterie: nitryfikacyjne, siarkowe, żelazowe i wodorowe. Dzięki istnieniu tych bakterii zachodzi krążenie pierwiastków w przyrodzie (np. azotu i siarki). Podobnie jak proces fotosyntezy, chemosynteza przebiega w dwóch fazach. Pierwsza z nich polega na połączeniu zredukowanego nieorganicznego związku z tlenem, w wyniku czego powstaje nieorganiczny utleniony związek, oraz energia w postaci ATP i NADP-H₂. Natomiast drugi etap to wytworzenie związków organicznych. Zachodzi tu reakcja łączenia CO₂ i H₂O w obecności ATP i NADP-H₂. Produktami tej reakcji są: związek organiczny i tlen. Chemosynteza odgrywa ważną rolę, gdy chodzi o utlenianie substancji trudno przyswajalnych przez rośliny np. H₂, czy nawet trujących jak np. H₂S.

Przykładem reakcji katabolicznej jest oddychanie (utlenienie biologiczne). Oddychanie wewnątrzkomórkowe to proces polegający na rozkładzie związków złożonych, np. glukozy na substancje proste, np. H₂O i CO₂. W wyniku tego procesu powstaje energia, która jest wykorzystywana następnie do przebiegu wielu funkcji życiowych organizmu. Proces ten jest przedstawiany za pomocą następującego równania reakcji:

Enzymy

C ₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 36ADP + 36 P 6CO₂ + 6H₂O + 36ATP

Oddychanie wewnątrzkomórkowe jest procesem wielostopniowym, katalizowanym przez enzymy. Jego celem jest wyzwolenie energii i zmagazynowanie jej w postaci ATP. Organella komórkowa, na której terenie przebiegają procesy bezpośrednio związane z oddychaniem, nosi nazwę mitochondrium.

Rys. 4. Budowa mitochondrium.

Oddychanie odbywa się w trzech etapach. Pierwszym z nich jest glikoliza. Nie przebiega ona w mitochhondriach, a w cytoplazmie komórki. Jest to proces przemiany glukozy w kwas pirogronowy. U form beztlenowych kwas pirogronowy przekształca się w alkohol lub kwas oraz energię. U form tlenowych kwas pirogronowy bierze udział w dalszych etapach oddychania.

Glukoza

Fruktoza - 1,6 dwu P

Aldehyd 3 P

K was 3 P glicerynowy

Kwas pirogronowy

Rys. 5. Schemat glikolizy.

Kolejnym etapem cyklu jest cykl Krebsa zwany też cyklem cytrynianowym. Zachodzi on wewnątrz mitochondriów (matrix). Następuje w nim włączenie czynnego octanu w cykl reakcji, w czasie których następuje dwukrotna dekarboksylacja z wydzieleniem dwóch cząsteczek CO₂ i czterokrotna dehydrogenacja z wydzieleniem trzech cząsteczek NAD-H₂ i jednej FAD-H₂. Substancje te powstają w wyniku kolejnych przemian, jakim podlegają ogniwa cyklu złożonego z kwasów organicznych o 6,5 i 4 atomach węgla.

Kwas pirogronowy

Acetylo CoA (czynny octan)

Kwas szczawiooctowy Kwas cytrynowy

Kwas jabłkowy Kwas ketoglutanowy

Kwas bursztynowy

Rys. 6. Schemat cyklu Krebsa.

Ostatnim etapem jest łańcuch oddechowy, przebiega on na wewnętrznych błonach mitochondrium. Łańcuch ten składa się z szeregu przenośników. Na łańcuch ten zostają przeniesione produkty cyklu Krebsa, czyli cząsteczki H₂ połączone z przenośnikami NAD i FAD. Cząsteczki H₂ zostają przekazane na pierwszy przenośnik, czyli NAD. Proces ten związany jest z uwolnieniem energii, która jest magazynowana w postaci ATP. Dalsza wędrówka H₂ do przenośnika FAD przebiega podobnie i daje kolejną dawkę ATP. Przejście między FAD, a chinonem wymaga zmiany substancji przenoszonej, ponieważ chinon może transportować tylko elektrony, które przenosi z kolei na cytochrom. Również te przemiany przebiegają z wydzieleniem energii. W końcu cyklu H₂ zostaje przeniesiony na O₂ – powstaje tzw. woda metaboliczna. Celem łańcucha oddechowego jest uwolnienie energii. Proces ten zachodzi stopniowo, ponieważ komórka chroni w ten sposób struktury białkowe przed denaturacją. Ponadto obecność O₂ zabezpiecza komórkę przed wolnymi H₂ (w postaci cząsteczkowej lub jonowej).

NAD-H2 NAD + H2 + E

FAD-H2 FAD + H2 + E

2H

NAD

FAD 0,5 O₂

A DP + Pi ATP CHINON

CYTOCHROM H₂O

ATP

ATP

Rys. 7. Schemat łańcucha oddechowego.

W oddychaniu beztlenowym (fermentacji) H2 jest przyłączony do związku organicznego, którym jest zazwyczaj kwas pirogronowy. Pirogronian nie wchodzi jednak w cykl Krbsa, ale ulega dekarboksylacji (odłączeniu CO2) i redukcji do alkoholu. Rola metabolizmu jest więc ogromna. Przemiana materii i energii podczas niego zachodząca i przebiegająca nieustannie w każdej żywej komórce jest podstawą wszystkich czynności organizmu i niezbędnym warunkiem jego istnienia.