Metabolizm

• Metabolizm

  Jest to całość przemian chemicznych i energetycznych zachodzących w komórkach organizmów. Metabolizm dzieli się na:

  • anabolizm - reakcja syntezy bardziej złożonych związków z mniej złożonych, jest endoergiczny czyli wymaga dostarczenia energii, produkty mają więcej energii niż substraty, np. fotosynteza
  • katabolizm - reakcja rozkładu bardziej złożonych związków na mniej złożone, jest egzoergiczny czyli energia jest uwalniania podczas niego, np. oddychanie tlenowe

  Procesy te są ze sobą często powiązane np. energia uwalniana w katabolizmie używana jest do syntezy innych związków
• Szlaki i cykle metaboliczne

  Reakcje chemiczne zachodzą w określonej kolejności a produkt jednej reakcji jest często substratem drugiej. W zależności od przebiegu reakcji dzielimy je na:

  • szlak metaboliczny - ciąg zachodzi w jednym kierunku i prowadzi do syntezy lub rozkładu określonej substancji
  • cykl metaboliczny - zamknięty ciąg w którym jeden z produktów reakcji kończącym daną część cyklu jest też substratem rozpoczynającym inną część cyklu
• Enzymy budowa I

  Centrum aktywne - miejsce z którym łączą się katalizowane substraty, ma on specyficzny kształt dzięki łańcuchom bocznym aminokwasów co pozwala na dokładne dopasowanie się substratów do enzymu co nazywane jest

  Modelem indukcyjnego dopasowania - czyli zdolnością centrum aktywnego do minimalnej zmiany kształtu aby jak najlepiej dopasować się do substratów.

  Model ten obecny jest w procesie zwanym katalizą enzymatyczną której etapy to:

  • przyłączenie substratów do centrum aktywnego
  • utworzenie nietrwałego kompleksu enzym - substrat
  • odczepienie się gotowego produktu katalizy
• Ujemne sprężenie zwrotne w szlaku metabolicznym

  Jest to sposób regulacji procesów metabolicznych polegający na tym, że określona ilość końcowego produktu szlaku hamuje działanie enzymów allosterycznych czyli tych katalizujących pierwszą reakcję
• Właściwości enzymów

  Enzymy mają 2 główne cechy:

  • swoiste względem określonego substratu - czyli określony enzym wiąże się tylko z określonym substratem oraz katalizuje tylko określone reakcje co pozwala na to żeby wyłączenie danego enzymu nie zakłócał wielu reakcji
  • nie zużywają się w reakcji

  Funkcja enzymów to przyśpieszanie reakcji poprzez obniżenie energii aktywacji czyli ilości energii potrzebnej do zapoczątkowania reakcji chemicznej. Jest to konieczne ponieważ do przyśpieszenia reakcji normalnie używa się podwyższonej temperatury ale w przypadku komórek jest to niemożliwe
• Rodzaje enzymów

  Liaza - rozkład cząsteczek bez udziału wody

  Ligaza - łączenie się ze sobą cząsteczek

  Izomeraza - przenoszenie grup funkcyjnych w obrębie cząsteczki aby stworzyć inny izomer

  Hydrolaza - rozkład cząsteczek połączonych z udziałem wody czyli za pomocą hydrolizy

  Oksydaza - przeprowadza utlenianie

  Reduktaza - przeprowadza redukcję
• Enzymy budowa II

  Enzymy oprócz rybozym i deoksyrybozym są zwykle białkami. Enzymy mogą być całkowicie białkowe i są nazywane enzymami prostymi, lub mogą mieć część niebiałkową tzw. kofaktor i białkową apoenzym i wtedy enzymy są złożone.

  Przykłady kofaktorów:

  • jony metali np. żelaza
  • grupa prostetyczna - związek organiczny trwale połączony z enzymem np. witaminy
  • koenzymy - małe związki organiczne ale nietrwale związane z enzymem np. witaminy czy inne cząsteczki organiczne
• Wpływ czynników na pracę enzymów I

  Temperatura - większość enzymów jest aktywna od 0 do 40 stopni, najlepiej działa w 38 dlatego mamy taką temperaturę ciała, powyżej 40 zachodzi denaturacja,

  pH - różne enzymy katalizują reakcje w różnych środowiskach dlatego ich optimum działania ma bardzo wąski zakres jeśli chodzi o pH, oprócz tego ma to funkcję ochronną tak jak w lizosomach
• Wpływ czynników na pracę enzymów II

  Stężenie soli - niektóre sole są konieczne do prawidłowego działania enzymów, jeśli stężenie to jest za wysokie to negatywnie wpływa to na działanie enzymów, i jeśli występują sole metali ciężkich to również

  Stężenie substratu - im większe stężenie substratu tym szybciej zachodzi reakcja, lecz w momencie osiągnięcia określonego stężenia substratu, reakcja nie zajdzie już szybciej bo enzym nie może przyjąć więcej niż określona ilość substratów na raz. Ale osiąganie punktu wysycenia jest różne dla różnych enzymów i zależy od ich powinowactwa wobec substratu
• Wpływ czynników na pracę enzymów III

  Inhibitory - hamują aktywność enzymu

  Aktywatory - stymulują działanie enzymu lub go aktywują np. aktywują pepsynogen w pepsynę. To pozwala na kontrolowanie gdzie dany enzym będzie działać

  Inhibitory mają różne sposoby na zablokowanie katalizy:

  • Inhibicja kompetycyjna - gdy inhibitor łączy się z centrum aktywnym zabierając miejsce substratom, i tutaj zwiększenie stężenia substratu wygrywa
  • Inhibicja allosteryczna/niekompetycyjna - gdy enzym ma miejsce allosteryczne to inhibitor przyłącza się do niego zmieniając kształt centrum aktywnego
• ATP/adenozynotrójfosforan

  Jest to uniwersalny nośnik energii ponieważ dostarcza energii do prawie wszystkich procesów i występuje u prawie wszystkich organizmów.

  ATP zbudowane jest z nukleozydu czyli rybozy połączonej z zasadą azotową i trzema cząsteczkami reszty fosforanowej V. Funkcję nośnika energii, ATP pełni za pomocą dwóch wysokoenergetycznych wiązań występujących pomiędzy trzema resztami fosforanowymi V
• Fosforylacja

  Jest to przeniesienie reszty fosforanowej na inną cząsteczkę za pomocą enzymów kinaz, a odwrotny proces defosforylację odpowiadają enzymy zwane fosfatazami. Funkcja fosforylacji to podniesienie energii cząsteczki co sprawia że jest ona podatna na zmiany np. rozpad lub aktywacji enzymów. Fosforylacje dzielimy na:

  • substratową - wysokoenergetyczny substrat z resztą fosforanową łączy się z ADP i powstaje ATP i niskoenergetyczny produkt

  Chemiosmozę którą dzielimy na:

  • fotosyntetyczną - ADP i energia słoneczna daje ATP
  • oksydacyjną - utlenianie związków pokarmowych + ADP daje ATP
• Uniwersalne przenośniki elektronów

  NAD+, FAD, NADP+ przenoszą elektrony a wraz z nimi protony wokół których elektrony te krążą. Przenośniki te występują w reakcjach redoks, czyli reakcjach utleniania redukcji. Reduktor zmniejsza stopień utlenienia i ulega utlenieniu a utleniacz zwiększa stopień utleniania i ulega redukcji. Przenośniki są reduktorami i utleniaczami w reakcjach.

  
• Różnica ATP i przenośników elektronów

  ATP jest ciągle tworzone i wykorzystywane, przenosi energie bardzo krótko i bardzo szybko ją dostaje spowrotem, a przenośniki elektronów redukują cząsteczki przez co stają się one wysokoenergetyczne i w ten sposób magazynują energię na dłuższy czas.
• Sposoby odżywiania się organizmów

  Heterotrofizm - zjadanie związków organicznych już wytworzonych przez inne organizmy

  Autotrofizm - samodzielne wytwarzanie związków organicznych z prostych związków nieorganicznych, głównie CO2 i H2O. Proces ten wymaga dostarczenia energii i w zależności od jej pochodzenia wyróżniamy:

  • fotoautotrofizm - polega na wytwarzaniu złożonych związków z prostych z udziałem energii świetlnej podczas fotosyntezy
  • chemoautotrofizm - polega na wytwarzaniu złożonych związków z prostych z udziałem energii chemicznej podczas chemosyntezy
• Barwniki fotosyntetyczne

  Autotrofy wykorzystują część energii świetlnej, która absorbowana przez barwniki fotosyntetyczne które zamieniają energię świetlną w energię chemiczną. Do barwników należą:

  • chlorofile - główny pierwiastek magnez buduje hydrofilową głowę ( pierścień porfirynowy wykazujący właściwości odbierania światła )a reszta stanowi hydrofobowy ogon który kotwiczy chlorofil w błonie tylakoidu
  • karotenoidy - barwniki pomocnicze zwiększający zakres absorbowanego światła

  
• Fotosystemy

  Są to kompleksy białkowo - lipidowo - barwnikowe obecne w błonie tylakoidu, zbudowane z:

  • barwników antenowych - odbierających światło
  • centrum reakcji fotochemicznej - z barwników transportowane jest światło tutaj, zachodzi tu zmiana energii świetlnej w chemiczną
  • pierwotny akceptor elektronów - z centrum reakcji jest tu transportowana chemiczna energia używana w fotosyntezie

  
• Działanie fotosystemów

  U roślin występują dwa fotosystemy - PSI i PSII

  Cząsteczka barwnika na którą działa światło wchodzi w stan wzbudzenia który jest nietrwały, więc energia przechodzi szybko na kolejny barwnik a ten pierwotny wraca do stanu podstawowego. Proces ten jest kontynuowany do czasu aż energia dotrze do centrum reakcji fotochemicznej. Z nich dwa elektrony przechodzą do pierwotnego przenośnika elektronów a potem na kolejne przenośniki.
• Fotosynteza

  Oksygeniczna - zachodząca z udziałem tlenu i do jego redukcji używana jest woda, zachodzi u większości organizmów

  Anoksygeniczna - zachodząca w środowisku beztlenowym, zamiast wody tlen redukuje siarkowodór, występuje u bakterii

  Funkcje fotosyntezy to wytworzenie pokarmu w postaci cukrów. Pierwotnym produktem fotosyntezy jest PGAL czyli trioza z którego potem powstają inne związki. Fotosynteza ma dwa etapy:

  • faza jasna - zachodzi w błonie tylakoidów i jest zależna od światła
  • faza ciemna - w postaci cyklu calvina, zachodzi w stromie chloroplastów i jest niezależna od światła
• Faza zależna od światła I

  Cel fazy jasnej to wytworzenie siły asymilacyjnej w postaci ATP oraz NADPH czyli zredukowanego NADP+ a efektem ubocznym tego jest uwolnienie tlenu.

  Faza jasna ma postać fosforylacji fotosyntetycznej niecyklicznej.

  Powstanie NADPH:

  1. w błonach tylakoidów są układy złożone z fotosystemów i białek przenoszących elektrony z czego im bardziej w prawo tym przenośnik jest lepszym utleniaczem więc lepiej przyciąga elektron co pozwala na płynny ich przepływ
  2. elektrony przekazywane przez przenośniki, na końcu łańcucha trafiają do NADP+ i redukują go do NADPH

  
• Faza zależna od światła II

  Po utworzeniu NADPH elektrony w fotosystemach muszą być uzupełnione. Fotosystem I ma elektrony uzupełniane przez elektrony dostarczane z fotosystemu II. Natomiast fotosystem II uzupełnia swoje elektrony za pomocą fotolizy wody. Kiedy chlorofilowi brakuje elektronu, staje się on bardzo dobrym utleniaczem więc ,,zasysa" on proton z wody rozbijając ją na tlen oraz wodór
• Faza zależna od światła III

  Jak powstaje ATP:

  1. enzym - syntaza ATP która umożliwia protonom wodoru przechodzenie z tylakoidu do stromy co normalnie jest nie możliwe. Przepływ ten napędza syntazę ATP a dokładniej jej obrotową część do katalizowania fosforylacji ADP do ATP. Protony są we wnętrzu tylakoidu dzięki fotolizie wody która daje dwa protony wodoru oraz pompie protonowej w postaci przenośnika elektronów napędzanego transportem elektronów.
  2. ATP i NADPH wykorzystywane jest dalej w cyklu calvina czyli fazie ciemnej fotosyntezy

  
• Faza niezależna od światła I

  Cel fazy ciemnej to użycie siły asymilacyjnej wytworzonej w fazie jasnej do przekształcenia CO2 w cukier. Najważniejsze związki cyklu calvina to:

  • RuBP /rybuzolo-1,5-bisfosforan - czyli pięciowęglowy cukier który jest akceptorem CO2
  • PGA /fosfoglicerynian - związek pośredni który powstaje po połączeniu RuBP z CO2
  • PGAL /aldehyd fosfoglicerynowy - pierwotny produkt fotosyntezy
  • RuBiSCo - enzym RuBP, katalizuje karboksylację RuBP w PGA
• Faza niezależna od światła II - cykl calvina


  Składa się on z trzech etapów:

  • karboksylacji/asymilacji - enzym RuBiSCo przyłącza CO2 do RuBP z czego powstaje 6 węglowy związek, który bardzo szybko rozpada się na dwie cząsteczki PGA
  • redukcji - polega ona na redukcji PGA do PGAL za pomocą elektronów z NADPH i energii z rozkładu ATP. PGAL to produkt fotosyntezy i z niego powstają później cukry
  • regeneracji - różne enzymy oraz rozkład ATP pozwalają na odzyskanie substratu RuBP który może ponownie przyłączać CO2
• Faza jasna i fosforylacja cykliczna

  Nie ma tutaj fotosystemu II, jest jedynie fotosystem I i nie wytwarza się NADPH ponieważ nie ma NADP+. Tutaj elektrony przeskakują cyklicznie z przenośników na fotosystem I w celu naładowanie pompy protonowej która pozwala na syntezę ATP. Nie ma tutaj także fotolizy wody.

  
• Fotosynteza roślin C4 i porównanie C4 z C3

  Przez odmienne warunki środowiska rośliny które nie mają tak korzystnych warunków do pobierania CO2, rośliny C4 zamiast produkować od razu PGA to produkują czterowęglowy związek - szczawiooctan, po redukcji jabłczan który jest źródłem CO2 w cyklu calvina. Rośliny C4 nie przeprowadzają cyklu calvina we wszystkich komórkach a jedynie w komórkach pochwy okołowiązkowej której nie mają rośliny C3. Oprócz tego miękisz asymilacyjny u roślin C3 dzieli się na palisadowy i gąbczasty a u C4 nie.

  
• Fotosynteza roślin C4 


  Podział fazy ciemnej na dwa etapy czyli karboksylację PEP i cykl calvina

  sprawia że stężenie w pochwie okołowiązkowej jest znacznie większe niż w roślinach C3 polegających na stężeniu CO2 w powietrzu co sprawia że fotosynteza w tych roślinach zachodzi bardziej efektywnie.
• Porównanie C3 i C4

  Są to następujące różnice:

  • występowanie - C3 we wszystkich strefach klimatycznych a C4 strefa klimatów zwrotnikowych ( gorących )
  • przykład roślin - C3 większość a C4 kukurydza, trzcina
  • gdzie zachodzi faza ciemna - C3 cykl calvina w miękiszu palisadowym i gąbczastym a u C4 pierwszy etap to karboksylacja PEP w miękiszu asymilacyjnym a drugi to cykl calvina w miękiszu pochwy okołowiązkowej
  • pora - u C3 dzień u C4 noc
  • pierwszy produkt karboksylacji - C3 PEP C4 szczawiooctan
  • pierwszy akceptor CO2 - C3 RuBP C4 PEP
  • optymalna temp. - C3 25 C4 40
• Rośliny C4 a CAM

  Również mają dwu etapową fazę ciemną fotosyntezy lecz u C4 dwa etapy zachodzą w różnych komórkach a w CAM, z powodu tego że żyją w pustynnych warunkach to aby ograniczyć transpirację wody otwierają aparaty szparkowe tylko w nocy, więc etapy zachodzą o różnych porach w wyniku czego jabłczan jest magazynowany w ciągu nocy w wakuolach i uwalniany do cyklu calvina w dzień, ale etapy te zachodzą w tym samym typie komórki
• Oddychanie komórkowe

  Proces kataboliczny którego podstawowym substratem jest glukoza a czasami lipidy czy białka. Rodzaje oddychania komórkowego to:

  • z udziałem tlenu - oddychanie tlenowe
  • bez udziału tlenu

  a ) fermentacja

  b ) oddychanie beztlenowe
• Dehydrogenacja i dekarboksylacja

  Dehydrogenacja - polega na odłączaniu elektronów z wodorem za sprawą NAD+ i FAD

  Dekarboksylacja - odłączanie CO2 od innej cząsteczki
• Oddychanie komórkowe tlenowe

  Polega na utlenianiu zw. organicznych z glukozy do CO2 i H2O oraz uwalnianiu przy tym energii w postaci ATP.

  Proces przebiega wieloetapowo aby przy uwolnieniu energii w postaci ciepła komórka się nie ugotowała

  Etapy oddychania komórkowego:

  • glikoliza - zachodzi w cytozolu
  • reakcja pomostowa - zachodzi w matrix mitochondrium
  • cykl krebsa - zachodzi w matrix mitochondrium
  • łańcuch oddechowy - zachodzi w wewnętrznej błonie mitochondrium która tworzy grzebienie mitochondrialne
• Glikoliza

  W jej procesie zachodzi 9 reakcji w wyniku których z 6 węglowej cząsteczki glukozy otrzymujemy dwie 3 węglowe cząsteczki pirogronianu, 4 elektrony w postaci 2NADH oraz 2 cząsteczki ATP gdyż cztery są wytwarzane a dwie zużywane. Zapis reakcji:

  • glukoza + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi --> 2 pirogronian + 2NADH + 2H+ + 2H2O + 2ATP

  Pirogronian jest transportowany do matrix mitochondrium do reakcji pomostowej za pomocą transportu aktywnego a NADH na łańcuch oddechowy
• Reakcja pomostowa

  Reakcja ta to przekształcanie pirogronianu z użyciem koenzymu A ( CoA ) do dwuwęglowej cząsteczki acetylokoenzymu A ( acetylo-CoA ). Przebieg reakcji pomostowej:

  1. W reakcji pomostowej zachodzi dekarboksylacja i następnie utlenienie pirogronianu z czego uwalnia się CO2 i powstaje grupa acetylowa (-CO-CH3 )
  2. CoA którego funkcja to przenoszenie grup acetylowych przyłącza się do tej grupy z czego powstaje acetylo-CoA.

  W wyniku tej reakcji otrzymujemy dwie cząsteczki acetylo-CoA oraz 4 elektrony w postaci 2NADH transportowane do łańcucha oddechowego.
• Cykl krebsa

  W cyklu tym acetylo-CoA wypluwa resztę acetylową która łączy się ze szczawiooctanem i powstaje 6 węglowy cytrynian który ulega dalszym dekarboksylacjom i dehydrogenacjom. W wyniku dwóch obrotów cyklu krebsa ( bo glukoza daje nam dwa pirogroniany ) powstaje 16 elektronów i dwie cząsteczki ATP. Zapis reakcji:

  2 acetylo-CoA + 6NAD+ + 2FAD + 2ADP + Pi --> 4CO2 + 2CoA + 2ATP + 6NADH + 2FADH2

  Elektrony wytworzone w tym procesie transportowane są do łańcucha oddechowego w celu syntezy ATP
• Łańcuch oddechowy I

  Jest to łańcuch przenośników elektronów zlokalizowanych w wewnętrznej błonie mitochondrium. Polega na utlenianiu cząsteczek NADH i FADH2 i wykorzystaniu uwolnionej energii do syntezy ATP.

  Kompleksy białkowe oznaczone są I,II,III,IV i rosnąco mają coraz większe właściwości utleniające przez co przyciągają elektrony w ciągu. Trzy z nich mogą transportować protony z matrix mitochondrium do przestrzeni międzybłonowej.
• Łańcuch oddechowy II

  Elektrony zbierane w poprzednich etapach przechodzą przez przenośniki które mogą dzięki temu transportować protony, i elektrony te końcowo lądują na tlenie który pod ich wpływem tworzy cząsteczkę wody. Gdy protony wodoru są wbrew gradientowi stężeń w przestrzeni między błonowej, to teraz zgodnie z gradientem stężeń wracają do matrix z użyciem kanału syntazy ATP co pozwala jej na syntezę ATP.

  Jest to fosforylacja chemiosmozy oksydacyjnej
• Porównanie beztlenowych sposobów na uzyskanie energii

  Fermentacja i oddychanie beztlenowe:

  • przykłady organizmów - F; płazińce, grzyby, bakterie. OB; tylko bakterie
  • Przykłady komórek/tkanek - F; erytrocyty i tkanka mięśniowa poprzecznie prążkowana w deficycie tlenu
  • Etapy procesu - F; glikoliza i redukcja. OB; glikoliza, cykl krebsa, łańcuch oddechowy
  • Wytwarzanie ATP - F; fosforylacja substratowa. OB; wykorzystanie gradientu protonowego w błonie bakterii
  • Podstawowy substrat organiczny - u obu glukoza
  • Stopień utlenienia substratu organicznego - F; niecałkowite. OB; całkowite
• Fermentacja


  Celem jest uzyskanie energii w warunkach beztlenowych.

  1. Glikoliza tak jak w oddychaniu tlenowym
  2. Redukcja - polegająca na odnawianiu NAD+ które jest użyte w glikolizie i redukowane w niej do NADH

  Ze względu na redukowany związek fermentacje dzielimy na:

  • mleczanową - tutaj redukowany jest pirogronian do mleczanu i z tego odnawia się NAD+, ten proces zachodzi w przypadku braku tlenu u zwierząt
  • alkoholową - tutaj najpierw pirogronian jest dekarboksylowany z czego powstaje 2 węglowy etanal który dopiero potem jest redukowany i odnawia NAD+ przekształcając się w etanol
• Glikogenoliza


  Czyli rozkład glikogenu, czyli związku zapasowego magazynowanego w mięśniach i wątrobie do glukozy potrzebnej w oddychaniu tlenowym. Procesem odwrotnym czyli syntezą glukozy do glikogenu jest glikogenogeneza. Glikogenoliza zachodzi w dwóch etapach:

  • rozerwanie wiązań glikozydowych i fosforylacja glukozy do glukozo-1-fosforanu
  • glukozo-1-fosforan zostaje przekształcony w glukozo-6-fosforan i ulega defosforylacji do glukozy