Svi živi organizmi imaju potrebu za konstantnim prilivom energije kako bi održali ćelijsku strukturu i rast. 4/17/2013

Transcript

1 Metabolizam Svi živi organizmi imaju potrebu za konstantnim prilivom energije kako bi održali ćelijsku strukturu i rast. Kemotrofni organizmi; dobivaju slobodnu energiju gj oksidacijom hranjivih tvari Fototrofni organizmi; dobivaju slobodnu energiju od svjetlosne energije Dobivenu energiju koriste za Kretanje Aktivni prenos Biosintezu 2 1

2 Osnovna uloga metabolizma Obezbjeđenje i potrošnja enegije Sinteza molekula za izgradnju staničnih struktura i molekula potrebnih za rad i funkciju stanice. Odstranjivanje otpadnih produkata 3 Metabolizam je definisan kao suma svih hemijskih reakcija koje organizam koristi za rast, prehranu, kretanje i izbacivanje otpadnih spojeva i za komunikaciju. Metabolizam se sastoji od dva glavna dijela, katabolizma i anabolizma. 4 2

3 Metabolizam je organiziran u metaboličke puteve 5 6 3

4 Sve reakcije ćelije i organizma su organizirane u pažljivo reguliranim sekvencama, koje su poznate kao metaboličke šeme. Svaki metabolizam se sastoji od serije koraka koji prevode početni materijal do konačnog produkta. 7 Metabolički procesi i kod jednoćelijskih bakterija koje služe kao model su ogromne. Da bi se održao žiovot bakterije E. coli ukulturi je potrebno da bude glukoza kao izvor atoma C i energije, anoranske soli kao izvor N i P. Sposobnost bakterije da raste pod ovim uslovima je nevjerovatan, posebno kad se uzme u obzir kompleksnost nekih biomolekula u živom sistemu. 8 4

5 Katabolizam je skupina metaboličkih procesa koji razgrađuju velike složene molekule. Glavna svrha razgradnje složenih molekule je dobivanje manjih molekula koje kasnije služe kao "materijal" za izgradnju složenih spojeva za potrebe organizma (anaboličke reakcije), a procesi se koriste i za dobivanje energije. 9 Anabolizam je niz metaboličkih proces izgradnje složenih molekula, za koje se troše prekursori i energija nastala katabolizmom. Složene molekule koje uglavnom čine stanične strukture, nastaju postepeno, korak po korak iz malih jednostavnih molekula. Anabolizam se odvija u tri osnovna koraka. u prvom koraku nastaju prekursori složenih molekula kao što su aminokiseline, monosaharidi, izoprenoidiidi i nukleotidi. u drugom koraku prekursori se aktiviraju, vezanjem energije iz ATP-a. utrećem koraku se prekursori spajaju u složene spojeve kao što su proteini, polisaharidi, lipidi i nukleinske kiseline. 10 5

6 Anabolički procesi: Povezivanje šećera u glikogen Povezivanje aminokiselina u proteine Povezivanje masnih kiselina u trigliceride 11 Klasifikacija organizama prema njihovom metabolizmu izvor energije kemodonor elektrona izvor ugljika foto- organo- sunčeva svjetlost molekule organski spoj anorganski spoj organski spoj anorganski spoj lito- hetero- auto- -trof 12 6

7 Po načinu dobijanja organskih molekula, koji služe kao izvor energije živa bića se dijele u dvije velike grupe: autotrofne heterotrofne Autotrofni organizmi su sposobni da vrše fotosintezu (ili hemosintezu), da sunčevu energiju (ili hemijsku energiju) iskoriste za sintezu organskih materija koje će im služiti za dobijanje energije (proizvođači). Heterotrofni organizmi uzimaju gotove organske materije hranom i sagorijevanjem tih materija obezbjeđuju potrebnu energiju. Hrana heterotrofa direktno ili indirektno potiče iz organskih materija nastalih fotosintezom (potrošači). 13 Organizam mora zadržati svoju ćelijsku organizaciju. Ćelije uzimaju hranu kao gorivokakobiodržali njihovu konstantnu borbu protiv haosa. 14 7

8 Hrana osigurava organske spojeve koji stvaraju gradivne blokove i energiju za rast, održavanje i strukturu. Metabolizam je labirint reakcija gdje se biomolekule konvertuju u korisne forme. 15 Autotrofi sintetiziraju organske spojeve od CO 2 i H 2 O, koristeći sunčevu svjetlost. Heterotrofi moraju uzeti hranu kako bi stvorili organske supstance za metabolizam. 16 8

9 Kombinovani proces anabolizma i katabolizma 17 Autotrofi; svjetlosna energija se koristi za konverziju ugljikohidrata, počevši od CO

10 Ugljikohidrate koriste ćelije kako bi stvorile biopolimere (anabolizam) 19 Biopolimeri mogu biti razgrađeni kako bi stvarali energiju

11 ... ili gradbeni blok za sintezu 21 Heterotrofi; hrana mora biti unešena u organizam i razložena na energiju ili

12 ... na gradbene blokove koji će biti iskorišteni u procesu anabolizma. Heterotrofi ne mogu stvarati njihove gradbene blokove kao što to mogu autotrofi. 23 Rezultat katabolizma je u otpuštenoj energiji, dok anabolizam zahtijeva energiju kako bi se neki procesi mogli odvijati

13 Metabolički proces uključuje sekvencionalnu konverziju jednog spoja u drugi. Svaka reakcija je katalizirana specifičnim enzimom i stvara međuprodukt koji se naziva metabolitom. Svaki metabolit je preveden u slijedeći spoj sve do konačnog produkta. Neki međuprodukti su uobičajeni za različite metaboličke puteve. 25 Metabolička šema kod heterotrofa 26 13

14 U različitim koracima metabolizma, ćelija koristi energiju oksidacije kako bi sintetizirala visokoenergetske molekule ATP. Aerobni organizmi koriste reducirajuću moć visokoenergetskih molekula NADH pomažući stvaranje ATP-a. 27 Kako povećati efikasnost neke ćelije? Upotreba ATP ATP je dobar izvor energije Može učestvovati u mnogim različitim reakcijama u ćeliji Često je direktno uključen u reakcije Mali gubitak energije tokom fosforilacije nekog međuprodukta Upotreba enzima Smanjuje enregiju potrebnu za izvođenje reakcije i regulišu tok reakcija 28 14

15 29 Energija molekule se koristi da poveže egzergone reakcije i endergone Nukleotid sa tri fosfatne grupe povezane na šećer ribozu ATP ima visoku Gibsovu energiju ΔG 30 15

16 Energija oslobođena iz ATP kroz gubitak fosfatne grupe Kataboličke reakcije rezultiraju hidrolizom stvarajući ADP, anorganski fosfat i oslobađaju energiju ΔG = -7,3Kcal/mol u laboratoriji; -13Kcal/mol u ćeliji 31 Hidrolizom ATP stvara se anorganski fosfat koji se veže za molekule koje su uključene u endergone procese Kako radi ATP? Fosforilacija je proces kada ATP prenosi fosfat na molekule Rezultat reakcije je međuprodukt koji može završti željenu reakciju 32 16

17 Povezivanje eksergonih i endergonih reakcija 33 Regeneracija ATP-a ATP gubi energiju u procesu fosforilacije međuprodukta, oslobađajući energiju za ćelijski rad. Regeneracija ATP se dešava kada anorganski fosfat se veže za molekule ADP koristeći eregiju nastalu u kataboličkom procesu

18 Osnovna strategija koju koriste ćelije jeste da oksidiraju hranu i koriste dio oslobođene energije za konverziju ADP i fosfata u ATP. Stvaranje ATP se dešava u četiri faze Digestija i absorpcija molekula. Digestija hrane uključuje hidrolizu ugljikohidrata do monosaharida, proteina do aminokiselina, masti i ulja do masnih kiselina i glicerola. Od ugljikohidrata Od masti i ulja Od proteina D-glukoza Palmitinska kiselina 20-aminokiselina D-fruktoza D-galaktoza Stearinska kiselina Oleinska kiselina Glicerol 36 18

19 2 Degradacija molekula hrane do Acetil CoA Skeleti glukoze, fruktoze i galaktoze kao i masnih kiselina, glicerola i nekoliko aminokiselina i konvertovani su u acetatnu formu tioestera acetil koenzima A U trećoj fazi se odvija serija reakcija poznatih kao ciklus trikarboksilnih kiselina, citratni ili Krebsov ciklus Važna funkcija ovog ciklusa je i oksidacija dva atoma C iz acetilne grupe acetil koenzima A do dvije molekule CO 2 Ove reakcije dešavaju se u mitohondrijima 38 19

20 4 U četvrtoj fazi dolazi do transporta i oksidativne fosforilacije, što predstavlja centralni put oksidacije i redukcije koenzima i stvaranje ATP-a