OSNOVE METABOLIZMA MIKROORGANIZAMA. Metabolički diverzitet

Transcript

1 OSNOVE METABOLIZMA MIKROORGANIZAMA Metabolički diverzitet

2 Metabolizam - obuhvata sve hemijske procese koji se dešavaju u ćeliji - anabolički (zahtevaju energiju) - katabolički (otpuštaju energiju) Energija neophodna za biosinteze, transport, kretanje itd. Slobodna energija energija raspoloživa za koristan rad

3 Konzervacija E u ćeliji uključuje oksidaciono-redukcione (redox) reakcije Oksidacija oduzimanje elektrona supstanci Redukcija dodavanje elektrona supstanci Prenos samih elektrona ili elektrona i protona Donor e - se oksiduje i predstavlja izvor energije Akceptor e - se redukuje

4 Redukcioni potencijal i redoks parovi Redukcioni potencijal (E 0 ) težnja supstance da bude oksidovana ili redukovana veća razlika u redukcionom potencijalu = više energije aktivaciona energija katalizatori snižavaju aktivacionu energiju reakcije biološki katalizatori enzimi koenzimi povećavaju raznovrsnost redoks reakcija Redox tower

5 Jedinjenja sa visokom energijom Energija dobijena u toku procesa okidoredukcije mora biti sačuvana za različite potrebe Energija se u živim sistemima primarno konzervira u formi fosforilisanih jedinjenja (npr. ATP) = jedinjenja bogata energijom Energija ATP koja se može iskoristiti za biohemijske procese nalazi se u dve terminalne visoko energetske fosfatne veze

6 Dugotrajno čuvanje energije Prokariotski mikroorganizmi: - glikogen - lipid poli-β-hidroksibutirat - elementarni sumpor u granulama Eukariotski mikroorganizmi: - skrob - jednostavne masti

7 Metabolički tipovi mikroorganizama prema izvoru ugljenika Autotrofi dobijaju ugljenik redukcijom CO 2 iz vazduha Heterotrofi (organotrofi) dobijaju ugljenik iz organskih jedinjenja

8 Metabolički tipovi mikroorganizama prema izvoru energije Fototrofi dobijaju energiju transformacijom svetlosne energije Hemotrofi dobijaju energiju oksidacijom hemijskih jedinjenja - hemoorganotrofi oksiduju organska - hemolitotrofi oksiduju neorganska

9 Biološke oksidoredukcije i konzervacija energije Dva mehanizma konzervacije energije kod hemoorganotrofa Fermentacija - redoks proces se odvija u odsustvu spoljnog akceptora elektrona - Fosforilacija na nivou supstrata Respiracija - postoji spoljni akceptor elektrona - aerobna - akceptor elektrona je molekularni kiseonik - anaerobna - akceptor elektrona je neko drugo, obično neorgansko jedinjenje - Oksidativna fosforilacija sinteza ATP na račun PMF Kod fototrofa - Fotofosforilacija

10 Sinteza ATP tokom fermentacije - Fosforilacija na nivou supstrata ATP se sintetiše u toku katabolizma organskog supstrata Neorganski fosfat se vezuje za intermedijer u kataboličkom putu Sa fosforilisanog intermedijera fosfatna grupa se prenosi na ADP Nastaju ATP i fermentacioni produkt Oslobađa se mala količina potencijalne energije

11 Sinteza ATP tokom disanja - oksidativna fosforilacija ATP se sintetiše u toku katabolizma organskog supstrata (hemoorganotrofi) u procesu: - aerobnog disanja - anaerobnog disanja Sinteza ATP na račun protonske motorne sile koja se generiše u toku prenosa elektrona kroz respiratorni lanac Oslobađa se velika količina potencijalne energije

12 Putevi razgradnje glukoze kod prokariota Glikoliza Heksozomonofosfatni put Entner-Doudoroff-ov put (Pseudomonas, Rhisobium, Zymomonas, Agrobacterium)

13 Razgradnja glukoze u fermentaciji - glikoliza - I Pripremne reakcije produkuju se 2 molekula ključnog intermedijera, gliceraldehid 3 fosfata - II Glikoliza OR, produkuju se fosfatne veze bogate energijom (ATP) i formiraju se 2 piruvata - III Sinteza fermentacionog produkta etanol, mlečna kiselina, sirćetna kiselina... NADH za redukciju piruvata iz faze II Neto: 2 ATP/1 molekul glukoze

14 Razgradnja glukoze u fermentaciji - glikoliza U toku procesa fermentacije oslobađa se malo energije: - atomi ugljenika početnog supstrata se samo delimično oksiduju - razlika u redukcionim potencijalima primarnog donora elektrona i terminalnog akceptora elektrona je mala

15 Oksidativna fosforilacija proton motive force PMF: hemiosmoza Sinteza ATP vezana za PMF (transport elektrona) kroz membranu Elektrohemijski potencijal membrane - unutrašnja strana negativna i alkalna - spoljašnja pozitivna i kisela - membrana naelektrisana i energizovana Energija se koristiti za: - transport jona - pokretanje flagela - formiranje fosfatne veze bogate energijom u ATP, enzimom ATP-sintetaza (ATP-aza )

16 Prenosioci elektrona u elektron-transportnom lancu Energizovano stanje membrane (PMF) uspostavlja transport elektrona Transfer e- preko prenosioca elektrona uključuje seriju O-R reakcija O-R reakcije se mogu podeliti na 3 etape: - uklanjanje elektrona sa primarnog donora - transfer elektrona preko jednog ili serije prenosilaca - predavanje elektrona terminalnom akceptoru Prenosioci e-: NADH dehidrogenaze, flavoproteini, gvožđe-sumporni proteini, citohromi, kinoni

17 Respiratorni lanac Paracoccus denitrificans

18 Komponente za prenos elektrona 1. NADH dehidrogenaza (na unutrašnjoj strani membrane) - prenosi 2e - + 2H + sa NADH (nastalog u toku različitih procesa) do flavoproteina. NAD + (nikotinamid adenin dinukleotid) - primarno u kataboličkim procesima NADP + (NAD fosfat) - primarno u anaboličkim procesima NAD + omogućuje da hemijski različiti molekuli budu inicijalni donori elektrona

19 Komponente za prenos elektrona 2. Flavoproteini, sadrže derivate riboflavina (vit B2) kao čvrsto vezane koenzime Flavin mononukleotid, FMN Flavin adenin dinukleotid, FAD Primaju 2e - + 2H + ali predaju samo e - FMN

20 Komponente za prenos elektrona 3. Fe-S proteini - sadrže gvožđe vezano za S u centru primaju i predaju samo e - Najčešće konfiguracije - Fe 2 S 2 (feredoksin) - Fe 4 S 4

21 Komponente za prenos elektrona 4. Citohromi cyt a, cyt b, cyt c, cyt d, cyt o, itd. proteini koji sadrže hem (kao nosilac Fe) kao prostetičnu grupu mogu biti međusobno u kompleksu ili sa Fe-S proteinima primaju i predaju samo 1 e - Citohrom-Fe2+ Citohrom-Fe3+ + e -

22 Komponente za prenos elektrona 5. Kinoni, mali neproteinski vrlo hidrofobni molekuli rastvorljivi su u mastima slobodno difunduju kroz membranu generalno prenose e- od FeS proteina do citohroma ubikinoni (koenzim Q) naftokinoni, derivati vit K kao i flavoproteini primaju 2e - + 2H + ali predaju samo e -

23 Karakteristike elektron-transportnog lanca 1. prenosioci u membrani su postavljeni tako da je redukcioni potencijal sve pozitivniji 2. smenjuju se prenosioci koji transportuju i elektrone i protone sa onima koji prenose samo elektrone 3. formira se PMF Respiratorni lanac Paracoccus denitrificans

24 Sinteza ATP ATP-sintetaza (kompleks V) F 0 membranski ab 2 c 12 kompleks, H + kanal F1 3 3 γεδ kompleks okrenut ka citoplazmi, katalizuje reakciju ADP + Pi ATP 3-4 H + za 1 ATP Enzim katalizuje reverzibilne reakcije između ATP i ADP + Pi ATP-aza dopušta kontrolisani ulazak protona kroz naelektrisanu membranu prisutna i kod striktnih fermentora

25 Protok C u respiraciji Ciklus limunske kiseline (Krebsov ciklus) potpuna oksidacija organskih materija do CO2 u toku respiracije NADH i FADH ulaze u elektron transportni lanac

26 Kataboličke alternative

27 Disanje aerobna respiracija - krajnji akceptor elektrona kiseonik anaerobna respiracija - drugo neorgansko ili organsko jedinjenje krajnji akceptor elektrona - NO 3 - (nitrati), Fe 3+ (feri joni), SO 4 2- (sulfati), CO 3 2- (karbonati) i neke organske komponente

28 Kataboličke alternative - Anaerobno disanje Korišćenjem alternativnih akceptora elektrona mikroorganizmi mogu da respirišu i u sredinama bez kiseonika Veliki ekološki i industrijski značaj Generalno, bakterije sa anaerobnom respiracijom imaju transportni sistem elektrona kao i aerobni organizmi različiti donori elektrona kod hemoorganotrofa i hemolitotrofa manje energije nego u aerobnom disanju različiti izvori C

29 Anaerobno disanje Akceptori elektrona u anaerobnoj respiraciji: - nitrati (NO 3- ), feri joni (Fe 3+ ), sulfati (SO 4 2- ), karbonati (CO 3 2- ) i neka organska jedinjenja - mnoga organska jedinjenja nastala u toku metabolizma hemoorganotrofa mogu biti akceptori elektrona usled pozicije ovih jedinjena u redukcionoj kuli (ni jedno nije elektropozitivno kao O 2 /H 2 O par), manje se energije oslobađa kada su oni krajnji akceptori elektrona

30 Kataboličke alternative - Hemolitotrofija neorganska jedinjenja kao donori elektrona aerobni proces koji započinje oksidacijom neorganskog donora elektroni se dalje predaju elek. transportnom lancu formira se PMF i na njegov račun sintetiše se ATP

31 Kataboličke alternative - Hemolitotrofija potencijalni neorganski elektron donori

32 Kataboličke alternative - Hemolitotrofija izvor C: CO2 = autotrofija ili organska jedinjenja = miksotrofija redukujuća snaga - direktno od neorganskog jedinjenja - reverznim transportom el. (kod većine) ako je donor elektropozitivniji od NADH

33 Kataboličke alternative - Fototrofija

34 Fotosinteza fototrofija korišćenje svetlosti kao izvora energije neophodni pigmenti - hlorofili - fotoautotrofi (izvor ugljenika za biosinteze - CO 2 ) - fotoheterotrofi (izvor ugljenika za biosinteze organska jedinjenja) redukujuća snaga za redukciju NAD(P)H kod različitih MO iz različitih izvora

35 Tipovi fotosinteze anaerobna fotosinteza fotosintetičke bakterije - redukujuća snaga za redukciju NAD(P)H = redukovane forme sumpora (H 2 S, S 0, S 2 O 3 2- ) ili H 2 aerobna fotosinteza cijanobakterije, alge i biljke redukujuća snaga za redukciju NAD(P)H = H 2 O

36 Raznovrsnost fotosintetičkih pigmenata hlorofili (bakteriohlorofili) srodni porfirinima, sa Mg u centru tetrapirola različiti apsorpcioni spektri strategija za bolju iskorišćenost EM spekta ekološki značaj

37 Fotosintetičke membrane i hloroplasti zelene biljke hloroplasti kod prokariota sistem unutarćelijskih membrana 1. invaginacije citoplazmatične membrane (purpurne bakterije) 2. sama citoplazmatična membrana (heliobakterija) 3. sama citoplazmatična membrana i hlorozom (zelene bakterije) 4. tilakoidne membrane (cijanobakterije) reakcioni centar i antenski pigmenti pomoćni pigmenti: karotenoidi (fotoprotektivna uloga) fikobilini (prikupljanje svetlosti kod cijanobakterija)

38 Hlorozom zelenih sumpornih i zelenih nesumpornih bakterija BP proteini povezuju hlorozom sa cit. membranom - mogu da rastu na najnižem intenzitetu svetlosti Chlorobium tepidum (zelena sumporna bakterija), strukura hlorozoma

39 Fotofosforilacija treći način sinteze ATP u toku svetle faze fotosinteze, kada svetlost generiše protonsku motornu silu ciklična i neciklična

40 Ciklična fotofosforilacija kod bakterija elektroni se kreću unutar zatvorene petlje slično respiraciji, PMF se formira tokom protoka elektrona kroz membranu ALI nema inputa ni outputa elektrona redukujuća snaga (NADH) za redukciju CO2? - purpurne redukovane forme sumpora (H2S i S) daju el. koji dospeva u kinonski pul + povratni tok elektrona (na račun PMF) - zelene i heliobakterije direktni proizvod svetlosnih reakcija, kao i ATP

41 Ciklična fotofosforilacija i protok elektrona kod fototrofnih bakterija BChl bakteriohlorofil, BPh bakteriofeofitin, Chl a hlorofil a

42 Neciklična fotofosforilacija cijanobakterije, alge, biljke = kooperacija fotosistema (PS) I i II samo PS I neke alge i bakterije koristeći neki drugi izvor redukujuće snage, ne vodu-ciklična fotofosforilacija

43 Anaerobna fotosinteza kod aerobnih fototrofa i evolucija fotosinteze neke alge i cijanobakterije mogu da vrše cikličnu fotofosforilaciju kada je blokiran fotosistem II redukujuća snaga iz drugih izvora (ne voda) to je anaerobna fotosinteza H2S inhibira PSII reakcioni centar purpurnih i zelenih nesumpornih liči na PSII reakcioni centar zelenih sumpornih i heliobakterija liči na PSI evoluciono starija anaerobna fotosinteza cijanobakterije evoluirale kasnije, kombinacijom anaerobnih fotosintetičkih reakcionih centara i korišćenjem vode kao donora el.

44 Bakteriorodopsin zavisna fotofosforilacija (Halobacterium salinarium) Bakteriorodopsin strukturno i funkcionalno sličan rodopsinu za bakteriorodopsin je povezan retinal (daje mu purpurnu boju), molekul sličan karotenoidu koji apsorbuje svetlosnu energiju i formira PMF svetlošću stimulisana protonska pumpa u uslovima ograničene količine O2

45 Autotrofna fiksacija CO2 najrašireniji put kod fototrofa i mnogih hemolitotrofa Kalvinov ciklus - ATP, NAD(P)H i serija enzima acetil CoA put kod anaeroba alternativni putevi 1. obrnuti ciklus limunske kiseline - kod zelene sumporne Chlorobium - kod nekih nefototrofnih arhea i kod Aquifex - možda rašireniji nego što se pretpostavljalo - rani oblik autotrofije tokom evolucije 2. hidroksipropionatni put - zelena nesumporna Chloroflexus - nefototrofne hipertermofilne arhee - možda prvi pokušaj autotrofije u evoluciji

46 Zahvaljujući velikoj metaboličkoj raznovrsnosti mikroorganizmi igraju ključnu ulogu u recikliranju biogenih elemenata u prirodi

47 Kruženje azota

48 Oksidacija amonijaka i nitrita, nitrifikacija hemolitotrofna reakcija koja obezbeđuje malo energije nitrifikujuće bakterije, aerobni uslovi Nitrosomonas i Nitrobacter kompletna oksidacija NH3 tandem mikroorganizmi - transfer 8 elektrona anammox anaerobna oksidacija amonijaka, nitrit akceptor nastaje N2

49 Redukcija nitrata, denitrifikacija Respiratorni lanac E. coli u aerobnim uslovima u anaerobnim uslovima anaerobno disanje azotna jedinjenja kao akceptori elektrona nitrat koji se redukuje do gasovitih oblika azota nepovoljno za poljoprivredu

50 Denitrifikacija kod Pseudomonas stutzeri

51 Azotofiksacija redukcija atmosferskog azota (N2) do amonijaka značajna ekološka prednost i ogroman značaj za poljoprivredu slobodni i simbitski fiksatori azota, isključivo prokarioti

52 Azotofiksacija

53 Slobodni azotofiksatori

54 Simbiotski azotofiksatori

55 Azotofiksacija Nitogenaza = dinitrogenaza + dinitrogenazna reduktaza oba sadrže Fe a dinitrogenaza sadrži i Mo ireverzibilno inhibirana O 2 protekcija kod aeroba uključuje više mehanizama (brza respiracija, heterociste, vezivanje enzima za zaštitni protein, itd) Fe Mo kofaktor