Wykład 2
METABOLIZM (gr. metabole = przemiana) - przemiana materii - całość procesów biochemicznych zachodzących w żywych organizmach, warunkujących ich wzrost i funkcjonowanie.
Metabolizm obejmuje dwa przeciwstawne procesy:
anabolizm (gr. anabalein - dorzucać, podwyższać),
katabolizm (gr. katabalein - odrzucać, obniżać
Amfibolizm - przemiany biochemiczne prowadzące do powstawania metabolitów pośrednich, które mogą być włączane zarówno w procesy anaboliczne, jak i kataboliczne.
Procesy anaboliczne
Fotosynteza , chemosynteza, biosynteza organicznych związków azotowych (aminokwasów, białek, nukleotydów
Procesy kataboliczne: oddychanie i fermentacja
Poziomy metabolizmu komórkowego metabolizm pierwotny i metabolizm wtórny
Przemiany metaboliczne wymagają:odzywiania, oddychania, krażenia, wydalania
Ze względu na źródło węgla i energii do budowy związków organicznych organizmy dzieli się na:
autotrofy - mogą wykorzystywać CO2 jako jedyne źródło węgla,
fototrofy - korzystają z energii świetlnej przekształcając ją w energię wiązań chemicznych,
chemotrofy - korzystają z energii chemicznej,
heterotrofy - wymagają w pokarmie przynajmniej jednego związku organicznego, który służy jako źródło węgla.
Fotosynteza jest to synteza związków organicznych z prostych substancji mineralnych kosztem energii świetlnej
Fotosynteza przebiega w dwóch fazach:
faza świetlna - fotochemiczna, faza ciemna
Istotą fazy świetlnej jest przekształcenie energii świetlnej w energię wiązań chemicznych zawartych w ATP. W tym procesie biorą udział barwniki fotosyntezy i przenośniki elektronów. Barwniki fotosyntezy tworzą zespoły: chlorofil, karotenoidy, białka i in.
Zespół barwników składa się z centrum aktywnego (jest to jedna na ok. 500 cząsteczek chlorofilu, z której może być wybity elektron i przekazany na przenośniki elektronów) oraz tzw. „anten” (pozostałe cząsteczki chlorofilu), które wyłapują fotony i przekazują tę energię do centrum aktywnego
PS I: chlorofil a P-700 (chlorofil o maksimum absobcji światła o długości fali 700 nm; szczególne własności optyczne zawdzięcza specyficznemu powiązaniu z białkiem)
PS II: chlorofil a P-680 (chlorofil o maksimum absobcji światła o długości fali 680 nm; szczególne własności optyczne zawdzięcza specyficznemu, innemu niż chlorofil P-700, powiązaniu z białkiem), chlorofil b, karotenoidy
Każdy elektron wybity z chlorofilu niesie pewną porcję energii, którą stopniowo traci wędrując do akceptorów. Energia ta częściowo rozprasza się, a częściowo gromadzi w ATP w procesie fosforylacji fotosyntetycznej
W zależności od kierunku przepływu elektronów wyróżnia się fosforylację:
Cykliczna , niecykliczna
FAZA CIEMNA - podczas fazy ciemnej siła asymilacyjna redukuje grupę karboksylową, wytworzoną po związaniu dwutlenku węgla, do grupy aldehydowej, czyli do poziomu cukru. Odbywa się to w trzech etapach:karboksylacja, redukcja, regeneracja.
Niektóre produkty redukcji ulegają ponownej karboksylacji, wskutek czego przemiany fazy ciemnej mają charakter cykliczny i noszą nazwę CYKLU CALVINA (ROŚLINY C3 - pierwszym stabilnym produktem karboksylacji jest związek trójwęglowy; około 90% roślin to rośliny C3).
W niektórych roślinach wykryto odmienny cykl przemian zwany CYKLEM HATCHA i SLACKA (ROŚLINY C4 - pierwszym stabilnym produktem karboksylacji jest związek czterowęglowy; rośliny C4 występują głównie na obszarach o klimacie gorącym: kukurydza, trzcina cukrowa).
Chemosynteza - jest to zdolność do przyswajania dwutlenku węgla kosztem energii chemicznej. Dla organizmów chemosyntetyzujących źródłem energii są reakcje utleniania substancji mineralnych, np. amoniaku, siarkowodoru, soli żelazawych.
Fazy chemosyntezy:
-faza przekształcania energii - reakcje utleniania substancji mineralnych
-faza przekształcania substancji - przebiega podobnie, jak w cyklu Calvina.
Znaczenie chemosyntezy: ilość materii organicznej wytworzonej w procesie chemosyntezy jest znikoma w porównaniu z masą wytworzoną przez organizmy fotosyntetyzujące. Główną rolą chemosyntezy jest utlenianie nieprzyswajalnych lub trujących związków mineralnych (np. siarkowodoru), które zostają w ten sposób przekształcone w formy dostępne dla roślin.
Oddychanie = utlenianie biologiczne - jest to proces rozkładu złożonych substancji organicznych na prostsze związki z uwalnianiem energii w formie użytkowej.
Oddychanie = utlenianie biologiczne - jest to proces rozkładu złożonych substancji organicznych na prostsze związki z uwalnianiem energii w formie użytkowej.
Znaczenie oddychania:
dostarcza energii potrzebnej do normalnego funkcjonowania komórki,
dostarcza materiałów wyjściowych do syntezy podstawowych składników komórkowych, na przykład acetylo-CoA.
Wyróżnia się następujące typu procesów oddechowych: oddychanie tlenowe, oddychanie beztlenowe, fermentacja.
Energia uwolniona podczas oddychania komórkowego magazynowana jest w makroergicznych wiązaniach ATP na drodze fosforylacji ADP.
fosforylacja oksydacyjna i fosforylacja substratowa
Podstawowy typ oddychania, przebiegający w normalnych warunkach we wszystkich komórkach żywych organizmów
C6H12O6 + 6 O2 + 36 ADP + 36 P -> 6 CO2 + 6 H2O + energia 36 ATP
Etapy oddychania tlenowego:
Glikoliza (w cytozolu
Tworzenie acetylo-CoA (w mitochondrium)
Cykl kwasu cytrynowego - cykl Krebsa (w mitochondrium)
Łańcuch oddechowy - łańcuch przenośników elektronów (w wewnętrznej błonie mitochondrium)
Powstający w wyniku glikolizy pirogronian wnika do macierzy mitochondrium, gdzie ulega przemianom cyklu Krebsa: zostaje utleniony do dwutlenku węgla i wody, a uwalniająca się energia zostaje przekazana za pośrednictwem elektronów do NAD i FAD (powstaje NADH i FADH) do łańcucha oddechowego zlokalizowanego na grzebieniach mitochondriów. Przechodząc z powrotem w formę utlenioną NAD i FAD oddają elektrony, które przechodząc przez szereg akceptorów oddają energię, która zużywana jest na powstawanie wiązań w ATP.
Przenośniki elektronów:
Ferrodoksyna, Plastocyjanina, Plastochinon,Cytochromy, Nukleotydy nikotynamidoadeninowe (NADP i NAD)
Fotorespiracja to stymulowane światłem wydzielanie dwutlenku węgla i zużywanie energii w postaci ATP i NADPH występujące u roślin, w którym współuczestniczą chloroplasty, peroksysomy i mitochondria.
W warunkach silnego oświetlenia i przy normalnym stężeniu CO2 w atmosferze ilość uwalnianego CO2 w procesie fotooddychania może przewyższać ilość dwutlenku węgla uwalnianego podczas właściwego oddychania mitochondrialnego (ciemniowego).
Oddychanie beztlenowe jest spotykane tylko u bakterii, które wykorzystują utlenione związki mineralne jako akceptory elektronów.
Redukcja azotanów (denitryfikacja)
Paracoccus dentrificans:
2 NO3-- + 4 H+ -> 2 NO2-- + 2 H2O
2 NO2-- + 4 H+ -> 2 NO + 2 H2O
2 NO + 2 H+ -> N2O + H20
N2O + 2H+ -> N2 + H2O
Redukcja siarczanów
SO4-- -- + 8 H+ -> H2S + H2O + 2 OH--
Redukcja węglanów i CO2
Methanobacterium sp. (bakterie metanogenne)
8 H+ + CO2 -> CH4 + 2 H2O
Fermentacja jest to forma oddychania beztlenowego występująca głównie u bakterii i drożdży, oprócz tego w komórkach mięśniowych zwierząt w warunkach niedoboru tlenu, w kiełkujących nasionach i komórkach korzeni roślin przy ograniczonym dostępie tlenu.
Fermentacja jest to forma oddychania beztlenowego występująca głównie u bakterii i drożdży, oprócz tego w komórkach mięśniowych zwierząt w warunkach niedoboru tlenu, w kiełkujących nasionach i komórkach korzeni roślin przy ograniczonym dostępie tlenu.
Organizmy przeprowadzające fermentacje: beztlenowce względne i bezwzględne
Efekt Pasteura - warunki tlenowe hamują fermentacyjny cykl przemian kwasu pirogronowego - glukoza rozkłada się tlenowo, zmniejsza się jednocześnie zużycie substratu oddechowego, np. cukru.
Enzymy - biokatalizatory, fermenty - białka katalizujące reakcje zachodzące w żywych organizmach.
Enzymy występują jako:
białka proste - zbudowane wyłącznie z aminokwasów,
białka złożone - oprócz części białkowej - APOENZYMU - zawierają część niebiałkową:
grupa prostetyczna - związana z apoenzymem za pomocą wiązań kowalencyjnych (np. hem w cytochromach),
koenzym - może łatwo oddysocjować (np. NADH).
Sam apoenzym nie wykazuje aktywności enzymatycznej. Uzyskuje ją dopiero po połączeniu się z odpowiednim kofaktorem: grupą prostetyczną, koenzymem, lub jonem metalu. Taki kompleks nosi nazwę HOLOENZYMU.
Enzymy:
- obniżają energię katalizowanych reakcji, tzw. energię aktywacji - ilość energii potrzebnej do przebiegu dowolnej reakcji jest mniejsza od ilości energii wykorzystywanej w danej reakcji bez użycia enzymów,
- nie zmieniają się i nie zużywają się w wyniku reakcji - mogą wielokrotnie działać na kolejne porcje substratów,
- są specyficzne - działają na ściśle określone substraty.
Każdy enzym posiada tzw. centrum aktywne - miejsce aktywne - fragment cząsteczki enzymu biorący udział w wiązaniu substratu i przeprowadzaniu reakcji enzymatycznej.
miejsce wiązania substratu i miejsce katalityczne
Znane są dwa modele tłumaczące proces tworzenia się kompleksu enzym-substrat:
-model zamek - klucz - enzym jest traktowany jako molekularny zamek, do którego pasują tylko specyficzne molekularne klucze, czyli substraty
-model wzbudzonego dopasowania - w momencie przyłączenia się cząsteczki substratu do enzymu następuje zmiana kształtu cząsteczki enzymu.
AKTYWATOR - związek zwiększający szybkość reakcji lub procesu poprzez stymulację aktywności odpowiednich enzymów. Aktywatorami mogą być proste jony i związki nieorganiczne, jak również wielkocząsteczkowe substancje organiczne, np. białka.
INHIBITOR - substancja hamująca reakcje katalizowane przez enzymy.
Inhibicja odwracalna - inhibitor można oddzielić od enzymu, uzyskując aktywny enzym.
inhibicja kompetycyjna - przez współzawodnictwo - inhibitor ma strukturę podobną do substratu i wiąże się w centrum aktywnym enzymu, współzawodnicząc o miejsce wiązania z substratem. Nasilenie inhibicji zależy od ilościowego stosunku substratu i inhibitora.
inhibicja niekompetycyjna - bez współzawodnictwa - inhibitor nie łączy się z centrum aktywnym enzymu, lecz z innym jego fragmentem, jednak modyfikuje enzym i reakcja enzymatyczna nie zachodzi.
Inhibicja nieodwracalna - inhibitor wiąże się z enzymem w sposób trwały i nie można go oddzielić bez zniszczenia struktury enzymu.
Nazwy enzymów utworzono przez dodanie przyrostka -aza w zależności od substratu, z którym łączy się enzym.
W klasyfikacji międzynarodowej enzymy podzielono na 6 klas:
Oksydoreduktazy - katalizują reakcje utleniania i redukcji (dehydrogenazy, oksydazy)
Transferazy - (łac. transferre - przenosić) - przenoszą grupy chemiczne (np. grupę metylową, aminową) z jednego związku na drugi.
Hydrolazy - (łac. hydor - woda) - katalizują rozpad (hydrolizę) bardzo wielu wiązań chemicznych; proces ten wymaga udziału cząsteczki wody
Liazy - (gr. lio - rozszczepiam) - enzymy powodujące rozbicie wiązania typu C-O, C-N, C-S, itp. bez udziału wody
Izomerazy - powodują wewnątrzcząsteczkowe przekształcenia, umożliwiające przejście substratu w odpowiedni izomer
Ligazy - (syntetazy) - (łac. ligo - wiążę) - katalizują łączenie się wzajemne dwóch cząsteczek