METABOLIZM DROBNOUSTROJÓW

METABOLIZM

• Metabolizm jest sumą reakcj i chemicznych zachodzących w organizmie

• Katabolizm (dysymilacja) obejmuje reakcje dostarczające energię (najczęściej reakcje hydrolizy, bilans energetyczny dodatni; reakcje egzergoniczne)

• Anabolizm (asymilacja) obejmuje reakcje zużywające energię (bilans energetyczny ujemny; reakcje endergoniczne)

• 
  ATP magazynuje energię pochodzącą z procesów katabolicznych. Energia ta jest później wykorzystywana w procesach anabolicznych i w innych procesach zachodzących w komórce.

• Szlaki metaboliczne w komórce są sekwencją reakcji enzymatycznych katalizowanych przez enzymy

• Szlaki metaboliczne są determinowane przez aktywność enzymów

• I Enzymy (ich struktura i funkcja) są kodowane przez geny

ENZYMY

Katalizatory biologiczne specyficzne dla reakcji chemicznych, nie zużywające się w ich wyniku

Apoenzym: białko

Kofaktor: niebiałkowy komponent np. metal (Fe)

Koenzym: kofaktor organiczny, np. witamina

Holoenzym = Apoenzym + Kofaktor

NAJWAŻNIEJSZE KOENZYMY

NAD⁺

NADP⁺

FAD

Koenzym A

Kataliza enzymatyczna przebiega etapami:

• przestrzenne dopasowanie centrum aktywnego enzymu do substratu;

• utworzenie nietrwałego kompleksu ES, co obniża energię aktywacji, umożliwia i przyspiesza zajście procesu;

• 
  oddzielenie się enzymu od produktu.

Wydajność enzymów mieści się w granicach 1-10.000 molekuł na sekundę

• Warunkiem koniecznym do tego, aby enzym był aktywny jest zachowanie jego niezmienionej budowy przestrzennej (konformacji) w obszarze centrum aktywnego enzymu, tj. miejsca, w którym dochodzi do związania substratów i przebiegu procesu katalizy.

• Centrum aktywne - jest to specyficznie pofałdowany fragment łańcucha polipeptydowego. Znajdują się tam aminokwasy mające duża liczbę wolnych grup funkcyjnych, za pomocą których dochodzi do połączenia się enzymu z substratem.

• Opracowano dwa modele oddziaływań pomiędzy substratem i enzymem:

1. MODEL "ZAMKA I KLUCZA"

2. MODEL INDUKCYJNEGO DOPASOWANIA (RĘKAWICZKI I RĘKI)

Ad. 1 - jest to pogląd stary, zgodnie z którym białko enzymu ma stalą strukturę i pasuje do substratu jak klucz do zamka, W tej koncepcji zakłada się, że centrum aktywne jest z góry ukształtowane w taki sposób, że pasuje do substratu.

Ad. 2 - zgodnie z tym modelem struktura enzymu jest elastyczna i zmienia się pod wpływem substratu. Zbliżenie cząsteczki substratu do centrum aktywnego enzymu powoduje zmianę struktury enzymu. Enzym niejako otula substrat fragmentami łańcuchów polipeptydowych. Gdy substrat przekształci się w produkt, enzym uwalnia go do środowiska reakcji i gotów jest do następnych działań.

ENZYMY

[1] Konstytucyjne - są tworzone w komórce zawsze

[2] Indukowane (adaptacyjne) - powstają, gdy komórka potrzebuje wytworzyć dany enzym

CZYNIKI WPŁYWAJĄCE NA AKTYWNOŚĆ ENZYMÓW




Enzymy mogą być denaturowane przez temperaturę, pH i czynniki chemiczne



Temperatura pH Stężenie substratu





• Substancje, które spowalniają działanie enzymów to inhibitory.

• Substancje, które wzmacniają działanie enzymów to aktywatory

• Hamowanie poprzez produkt

• Hamowanie kompetycyjne





REAKCJE TRANSFERU ENERGII

• 
  Reakcje utleniania redukcji oraz fosforylacji/ defosforylacji

• Reakcja utleniania/redukcji polega na przeniesieniu elektronów z jednej cząsteczki na drugą

• Utlenianie polega na oddaniu elektronów

• Redukcja polega na przyjęciu elektronów

• Reakcja redoks to sprzężona reakcja utleniania i redukcji


UTLENIANIE I REDUKCJA

W systemach biologicznych elektrony są często związane z atomami wodom. Biologiczne utlenianie często polega na reakcji dehydrogenacji (=dehydrogenizacji)


FOSFORYLACJA I DEFOSFORYLACJA

• Reakcje fosforylacji i defosforyłacji polegają na przenoszeniu grupy fosforanowej

• Przyłączenie grupy fosforanowej nazywa się fosforylacja (dehydratacja); w wyniku reakcji gromadzona jest energia

• Odłączenie grupy fosforanowej (hydroliza) nazywa się defosforylacją; w wyniku reakcji energia jest uwalniania

• ATP powstaje w wyniku fosforylacji ADP

RODZAJE FOSFORYLACJI

Istnieją trzy główne rodzaje fosforylacji:

• Fotofosforylacja z wykorzystaniem energii świetlnej do fosforylacji ADP do ATP

• Fosforylacja na poziomie substratu (substratowa) - polegająca na przeniesieniu reszty fosforanowej z ufosfyrolawanej cząsteczki na ADP:

• l,3-difosfoglicerynowy kwas + ADP —> ATP + 3-fosfoglicerynowy kwas

• Fosforylacja oksydatywna - energia uwalniana w wyniku przeniesienia elektronów (utleniania) z jednego związku na drugi (redukcja) może być użyta do produkcji ATP w reakcji chemiosmozy

KATABOLIZM WĘGLOWODANÓW

Aby wyprodukować energię z glukozy drobnoustroje wykorzystują dwa główne procesy:

• Oddychanie komórkowe

• Fermentację

Oba procesy zaczynają się od glikolizy, ale przebieg dalszych reakcji jest odmienny.

Oddychanie może być tlenowe lub beztlenowe.

GLIKOLIZA

W glikolizie można wyróżnić trzy główne etapy:

1. etap przygotowawczy

2. etap rozszczepienia oraz

3. etap uwalniania i gromadzenia energii

Utlenianie glukozy prowadzi do Wytworzenia kwasu pirogronowego, ATP i NADH

Sumaryczne równanie reakcji

Glukoza + 2 ATP + 2ADP + 2PO₄^- + 2NAD⁺ 2 kwas pirogronowy + 4ATP +2NADH + 2H⁺


SZLAKI ALTERNATYWNE DO GLIKOLIZY

• Szlak pentozowy:

• Wykorzystuje pentozy i NADPH

• Funkcjonuje z glikolizą

• Szlak Entnera-Doudoroffa:

• Produkcja NADPH i ATP,

• Nie funkcjonuje z glikolizą

• Pseudomonas, Rhizobium, Agrobacterium.

ETAP POŚREDNI

Utworzenie aktywnego octanu - acetylo-CoA

Kwas pirogionowy (z glikolizy) ulega utlenieniu i dekarboksylacji

CYKL KREBSA


Cykl Krebsa - cykl kwasu cytrynowego, cykl kwasów trikarboksylowych, kołowy, wieloetapowy ciąg reakcji enzymatycznych w mitochondriach. Utlenianiu w cyklu Krebsa ulega acetylokoenzym A (czynny kwas octowy), wytwarzany z kwasu pirogronowego (glikoliza), kwasów tłuszczowych (p-oksydacja) i niektórych aminokwasów białek. Cykl Krebsa rozpoczyna się kondensacją acetylokoenzymu A z kwasem szczawiooctowym na kwas cytrynowy przekształcany kolejno w kwasy: szczawiobursztynowv, α-ketoglutarowy, bursztynowy, fumarowy, jabłkowy i (znowu) w kwas szczawiooctowy.

W reakcjach katalizowanych przez dekarboksylazy i dehydrogenazy w cyklu Krebsa kwas octowy ulega przemianie, wg sumarycznego równania: CH3COOH + 2H₂O = 2CO₂ + 8H do dwutlenku węgla i atomów wodoru, przenoszonych następnie na tlen w łańcuchu oddechowym, z utworzeniem 4 cząsteczek wody. W cyklu Krebsa wytwarza się (za pośrednictwem łańcucha oddechowego) energia potrzebna do procesów życiowych oraz dwutlenek węgla wydalany przez organizm.

ŁAŃCUCH ODDECHOWY

• Utlenianie cząsteczek uwalnia elektrony, które trafiają do łańcucha oddechowego

• System nośników (transportu) elektronów, które są utlenianie i redukowane w miarę, jak elektrony przegrywają się w dół łańcucha

• Uwolniona w łańcuchu oddechowym energia służy do produkcji ATP na drodze chemiosmozy




FOSFORAN DINUKLEOTYDU NIKOTYNAMIDOADENINOWEGO

---