Uvod u metabolizam - procesi izgradnje i razgradnje u živoj stanici

Transcript

1 Metabolizam Uvod u metabolizam - procesi izgradnje i razgradnje u živoj stanici Izv. prof. dr. sc. Lidija Šver jelokupnost svih kemijskih pretvorbi u stanici ili organizmu Pretvorba (transformacija) tvari i Važe zakoni termodinamike rganizacija u metaboličke puteve Metabolički put više koraka započinje specifičnom molekulom(ama) (reaktantima) završava produktom(ima) Svaki korak katalizira specifični enzim Enzim 1 Enzim Enzim 3 A B D Metabolički putevi Katabolički putevi razgradnja složenih molekula u jednostavnije oslobađanje Anabolički putevi izgradnja složenih molekula od jednostavnijih potrošnja Reakcija 1 Reakcija Reakcija 3 Početna molekula - reaktant Produkt

2 Metabolička karta Energija Živa bića ne mogu egzistirati bez stalnog ulaganja Izvor te je Sunce Energija - sposobnost da se uzrokuje promjena ili vrši rad Energija se ne može stvoriti ni uništiti, već samo transformirati iz jednog oblika u drugi Energija postoji u dva oblika, kinetička i potencijalna energija Termodinamika Kinetička energija je energija gibanja. Potencijalna energija je pričuvna energija koja postoji u fotonima svjetlosti ili u molekulama, primjerice, ugljikohidratima. Složene molekule kao ugljikohidrati imaju više potencijalne od jednostavnih molekula, primjerice. Mogu se pretvarati jedna u drugu. Skakač na dasci ima veću potencijalnu energiju. Uranjanje pretvara potencijalnu energiju u kinetičku. Prvi zakon termodinamike Energija se može prenijeti i transformirati, ali se ne može stvarati ni uništiti Kemijska (potencijalna, pohranjena) energija u hrani može se pretvoriti u kinetičku energiju (gibanje). Kemijska energija Penjanje pretvara energiju mišićnog gibanja u potencijalnu energiju. U vodi, skakač ima manju potencijalnu energiju.

3 Drugi zakon termodinamike Svaki prijenos (transfer) ili promjena (transformacija) povećava entropiju (nered) svemira Primjerice, gepardova okolina je poremećena oslobađanjem topline i malih molekula koje su nusprodukti metabolizma Red i nered u biološkom sustavu Živi sustavi mogu smanjiti entropiju, ali... povećavaju entropiju svemira Toplina + troše energiju da bi održali red 50µm Entropija (S) je termodinamička funkcija koja govori o iskoristivosti toplinske. Ako je sustav izoliran, njegova se entropija neće mijenjati kada se odvija reverzibilnog proces, dok će rasti ako se odvija ireverzibilan (nepovratan) proces. Najveću entropiju imaju plinovi, a najmanju kristali. Prema tome, entropija se može smatrati mjerom za nered u nekom sustavu. Pri apsolutnoj nuli u savršenom kristalu entropija je jednaka nuli. tvoreni i zatvoreni sustav Sustav = dio svemira koji upravo promatramo Zatvoreni ne razmjenjuje s okolinom ni tvari ni energiju tvoreni prijenos tvari i između sustava i okoline kolina kolina Slobodna (Gibbsova) energija Slobodna energija reakcijske promjene govori da li se reakcija odvija spontano Spontane reakcije mogu se odvijati bez ulaganja (biološka definicija) Slobodna energija je energija koja može izvršiti rad G = -R T lnk R- plinska konstanta (1,987 cal/mol stupanj) T apsolutna temperatura u K (K = + 73) ln prirodni logaritam K konstanta ravnoteže pri temperaturi T Promjena slobodne sustava u toku reakcije tj. energija koja se oslobađa u standardnim uvjetima tvoreni sustav Zatvoreni sustav

4 Promjena slobodne sustava, G izravno je povezana s promjenom entalpije ( ) i promjenom entropije ( S) G = - T S Entalpija ( ) je ukupna energija sustava, tj. promjena unutrašnje sustava (promjena sadržaja topline) S =promjena entropije sustava (mjerilo molekulskog nereda; mjera neuređenosti sustava) T = temperatura (u stupnjevima Kelvina; K = + 73) Entalpija unutrašnja energija sustava ako je entalpija reaktanata veća od entalpije produkata, kemijska reakcija je egzotermna, a doći će do smanjenja entalpije (promjena entalpije je negativna) Entalpija () Reaktanti Produkti Δ = produkata reaktanata je negativna a) Egzotermalna reakcija smanjenje entalpije oslobađa se toplina njima pogoduje sniženje temperature Produkti Reaktanti Δ = produkata reaktanata je poztivna b) Endotermalna reakcija povećanje entalpije toplina se apsorbira njima pogoduje povišenje temperature Reaktanti Produkti Slobodna energija Energija Produkti Tijek reakcije Količina oslobođene ( G<0) Egzergona (egzotermna) reakcija količina oslobođene ( G<0) pri konstantnom tlaku i temperaturi spontana reakcija sagorijevanje metana Slobodna energija Reaktanti Energija Tijek reakcije Količina oslobođene ( G>0) Endergona (endotermna) reakcija količina oslobođene ( G>0) pri konstantnom tlaku i temperaturi nespontana reakcija sinteza metana kemijska reakcija koja apsorbira energiju (uložen rad) iz okoline fotosinteza Slobodna energija, stabilnost i ravnoteža rganizmi žive na račun slobodne Tijekom spontane promjene slobodna energija se smanjuje, a povećava stabilnost sustava

5 Ravnoteža sustav je maksimalno stabilan kada je u ravnoteži više slobodne (viši G) manja stabilnost veća sposobnost vršenja rada U spontanoj promjeni: smanjuje se slobodna energija sustava ( G<0) sustav postaje stabilniji oslobođena slobodna energija može biti iskorištena za vršenje rada. Ravnoteža i metabolizam reakcije u zatvorenom sustavu eventualno postižu ravnotežu G < 0 G = 0 manja slobodna energija (manji G) veća stabilnost manja sposobnost vršenja rada Gravitacijsko gibanje. bjekt se kreće spontano s veće visine prema manjoj. Difuzija. Molekule boje iz kapljice difundiraju dok nisu nasumično raspršene. Kemijske reakcije. U stanici, molekule šećera se razgrađuju u jednostavnije molekule. Zatvoreni sustav: hidroturbina. Voda teče nizvodno i okreće turbinu koja pokreće generator pri čemu nastaje električna struja (gori žarulja). Sustav funkcionira do postizanja ravnoteže. tvoreni sustav Nikad se ne postiže ravnoteža Naše stanice imaju stalan unos Metabolički putevi... pa i stanično disanje analogija otvorenog sustava tvoreni sustav: hidroturbina. Tekuća voda neprekidno pokreće generator jer kontinuirano pritjecanje i istjecanje vode onemugućava postizanje ravnoteže u sustavu. G < 0 G < 0 G < 0 G < 0 tvoreni sustav u više koraka; slijed hidroturbina. Stanično disanje je analogno prikazanom povezanom sustavu; glukoza se razgrađuje u nizu egzergonih reakcija koje daju energiju za vršenje rada u stanici. Produkt svake reakcije postaje reaktant za sljedeću, tako da nijedna reakcija ne dostiže ravnotežu.

6 Adenozin trifosfat () Daje energiju za obavljanje staničnog rada tako što povezuje egzergone i endergone reakcije Adenin N idroliza -a Energija se oslobađa kada se prekine veza s krajnjom (terminalnom) fosfatnom skupinom idrolizu katalizira enzim -aza P P P - P P P Fosfatne skupine N N N Riboza N P i Adenozin trifosfat () + P P Energija Anorganski fosfat Adenozin difosfat (ADP) hidroliza Može biti spona između reakcija - povezane reakcije Endergona reakcija: G je pozitivan, reakcija nije spontana Glu + N 3 Glutaminska Amonijak kiselina N Glu Glutamin G = +3,4 kcal/mol Egzergona reakcija: G je negativan, reakcija je spontana Kako vrši rad daje energiju za endergone reakcije Fosforilacijom, prijenosom fosfatne skupine na drugu molekulu Fosforilirana molekula je reaktivnija (nestabilnija) i može promijeniti svoj oblik + ADP + P G = - 7,3 kcal/mol Povezane reakcije: Sveukupni G je negativan; ukupna reakcija je spontana G = 3,9 kcal/mol

7 Rad tri oblika staničnog rada Mehanički Transportni Kemijski energija dobivena hidrolizom -a Membranski protein P Motorički protein Kretanje proteina Mehanički rad: fosforilira motoričke proteine P topljena tvar Prenesena otopljena tvar Transportni rad: fosforilira transportne proteine P Kemijski rad: fosforilira reaktante P i N Glu + N 3 + P i Glu Reaktanti: glutaminska kiselina i amonijak P i Nastanak produkta (glutamin) ADP + P i Energija aktivacije Energija aktivacije, E A Početna količina potrebna za početak kemijske reakcije Prisutna u svakoj kemijskoj reakciji kako prilikom pucanja tako i pri stvaranju veze Toplina također može osigurati E A u stanici ili u otopini Energija aktivacije Prikaz u egzergonoj reakciji Slobodna energija A B D Prijelazno stanje A B E A D Reaktanti A B G < D Produkti Tijek reakcije Slobodna energija Energija reaktanta Tijek reakcije Enzim nije prisutan Povezane reakcije Energija aktivacije Energija produkta Energija reaktanta Tijek reakcije Enzim prisutan Energija aktivacije Energija produkta Iako egzergone reakcije oslobađaju energiju, potrebna je inicijalna energija da bi se one počele odvijati. Ta energija se naziva AKTIVAIJSKA energija. Kataliza reakcije omogućuje smanjivanje aktivacijske. U biološkim sustavima kataliza se provodi uz pomoć proteina katalizatora ENZIMA. Katalizatori (enzimi) osiguravaju mjesto gdje će se dva reaktanta povezati i reagirati, ali se sami pri tome ne mijenjaju i nakon završetka reakcije mogu se ponovo upotrijebiti. Slobodna energija

8 Enzimi Ubrzavaju metaboličke reakcije snizujući energiju aktiviranja Ne treba veća količina topline koja bi bila pogubna za stanicu Enzim je protein katalizator Katalizator je kemijska tvar koja ubrzava reakciju iako ona nije reaktant Ribozim, RNA molekula koja djeluje kao katalizator Energija aktiviranja i enzimi hidroliza stolnog šećera Moguća i bez enzima, ali dugotrajan proces Saharaza (-aza) je enzim koji omogućava i ubrzava reakciju + Saharaza Sazaroza Glukoza Fruktoza Enzimi ubrzivači reakcije Kataliziraju reakciju snizujući E A Slobodna energija Tijek reakcije bez enzima Reaktanti Tijek reakcije s enzimom E A bez enzima E A s enzimom je niža G je nepromjenjen bez obzira na prisutnost enzima Specifičnost enzima prema supstratu supstrat reaktant na koji djeluje enzim enzim veže se na supstrat stvarajući kompleks enzim-supstrat Produkti Tijek reakcije

9 Aktivno mjesto (centar) područje na enzimu gdje se veže supstrat nekoliko aminokiselina, ostale učvršćuju konstrukciju veznog mjesta Kompleks enzim-supstrat dovodi kemijske grupe aktivnog mjesta u poziciju koji pojačava njihovu sposobnost da kataliziraju kemijsku reakciju Supstat Uloga enzima Aktivno mjesto može sniziti E A tako da: ispravno orijentira supstrate napregne veze u supstratu osigura povoljniju mikrookolinu kovalentno se poveže sa supstratom Aktivno mjesto Enzim Kompleks enzim- supstrat iklus katalizacije enzima 1 Supstrati se vežu na aktivno mjesto; enzim mijenja oblik tako da aktivno mjesto okruži supstrat (potaknuta prilagodba). 6 Aktivno mjesto je dostupno za dvije nove molekule supstrata. Supstrati Enzim 5 Produkti se otpuštaju. Kompleks enzim-supstrat Produkti Supstrati se drže za aktivno mjesto slabim vezama (vodikove i ionske veze). 4 Supstrati se pretvore u produkte. 3 Aktivno mjesto (postrani lanci ; R njegovih aminokiselina) mogu smanjiti E A i ubrzati reakciju tako da: djeluju kao kalup za ispravnu orijentaciju supstrata, napregnu veze u supstratu i stabiliziraju prijelazno stanje, osiguraju povoljniju mikrookolinu, izravno učestvuju u katalizacijskoj reakciji. Kofaktori i koenzimi Kofaktori neproteinski pomagači enzima (primjerice Fe, Zn, Mg) Koenzimi rganski kofaktori (primjerice vitamini) Niacin (B 3 ) Et Enzim alkohol dehidrogenaza

10 Termodinamika Ugljikohidrati (velika kemijska energija) Energetske organele eukariota Sunčeva energija Kloroplast Mitohondrij Energija upotrebljiva za stanice Život na Zemlji se zasniva na pretvorbi potencijalne fotona (svjetlosna energija) u kemijsku potencijalnu energiju pohranjenu u molekulama ugljikohidrata. Taj se proces naziva FTSINTEZA. rganizmi prerađuju energiju ugljikohidrata u u procesu STANIČNG Pro. dr. sc. Lidija Šver DISANJA. Energija -a može se pretvoriti u kinetičku energiju kojom se odvijaju razne stanične aktivnosti. Kloroplasti koriste sunčevu energiju da bi proizveli ugljikohidrate i druge velike molekule. Mitohondriji razgrađuju te molekule ugljikohidrata da bi proizveli energiju koja je iskoristiva za stanicu. I mitohondriji i kloroplasti imaju unutrašnju i vanjsku membranu, vlastitu DNA i podijele se prije diobe same stanice. Mitohondriji, nađeni u svim stanicama eukariota, mjesta su staničnog aerobnog disanja. Kloroplasti su mjesta fotosinteze u biljaka i algi. Eukariotske stanice imaju puno kompleksniju strukturu od njihovih prokariotskih predaka. Teorija endosimbioze objašnjava podrijetlo mitohondrija i kloroplasta.

11 kapsula tilakoid citoplazma stanična stijenka ribosomi stanična membrana stanična stijenka kapsula DNA (nukleoid) stanična membrana DNA (nukleoid) Prokarioti ribosomi citoplazma bakterijski bič tilakoidi unutar stanice modrozelene alge (cijanobakterija) Stanično disanje: sakupljanje kemijske Fotosintetske bakterije (cijanobakterije) imaju pigmente kojima apsorbiraju svjetlost na spljoštenim naborima membrane nazvanim tilakoidi. Stanično disanje odvija se u citoplazmi na naborima membrane. Katabolički putevi Razgradnja složenih molekula da bi se oslobodila energija Šećeri (ugljikohidrati) Vrenje (fermentacija); djelomična razgradnja; bez prisustva kisika Stanično disanje (respiracija); potpuna razgradnja, korišten kisik Katabolički putevi Proizvodnja oksidacijom organskog goriva Razgradnja organskih molekula je egzergona reakcija Energija nastaje prijenosom elektrona tijekom kemijskih reakcija slobođena energija se koristi za sintezu -a Nastali koristi se za stanični rad

12 Redoks reakcije Redoks reakcije Prijenos elektrona s jednog reaktanta na drugi reakcijama oksidacije i redukcije U oksidaciji tvar gubi (otpušta) elektrone tj. oksidira se (oksidirana tvar, donor elektrona, reducirajuća tvar) U redukciji tvar dobija elektrone tj. reducira se (reducirana tvar, akceptor elektrona, oksidirajuća tvar) Redoks reakcije Neke redoks reakcije u potpunosti ne izmjene elektrone već mijenjaju stupanj dijeljenja elektrona u kovalentnim vezama Reaktanti postaje oksidiran Produkti Energija + Postaje reduciran Metan (reducirajuća tvar) Kisik Ugljični dioksid (oksidirajuća tvar) Voda ksidacija organskog goriva (org. molekula) u staničnom disanju U staničnom disanju Glukoza se oksidira, a kisik se reducira Postaje oksidirana Energija Sakupljanje korak po korak putem NAD + i lanca prenositelja elektrona Stanično disanje oksidacija glukoze u nizu koraka Postaje reduciran

13 Termodinamika lanac prenositelja elektrona elektroni iz hrane velika količina energija za sintezu mala količina Tijekom fotosinteze i staničnog disanja koristi se lanac prenositelja elektrona da bi se proizvela energija koja se pohranjuje u -u. U lancu prenositelja, elektroni se prenose od jedne molekule do druge pri čemu oslobađaju energiju koja se zatim koristi za izgradnju energijski bogatih veza -a. Lanac prenositelja elektrona (respiratorni lanac) Prenosi elektrone u nizu koraka (postupno) umjesto u jednoj eksplozivnoj reakciji Ako nije postupno, oslobađanje velike količine (nekontrolirana reakcija) Upotrebljava energiju prijenosa elektrona za sintezu -a Eksplozivno oslobađanje toplinske i svjetlosne stvaranje vode Transport elektrona Elektroni iz organskih spojeva bično se prvo prenose na molekule akceptore elektrona NAD +, koenzim P NAD + P N N N + N Nikotinamid (oksidirani oblik) N N N + [] (iz hrane) e + + e + + NAD Dehidrogenaza Redukcija NAD + ksidacija NAD N + N Nikotinamid (reducirani oblik) NAD, reducirani oblik NAD + Prenosi elektrone do lanca prenositelja elektrona (respiratornog lanca) + Molekule akceptori elektrona u procesima staničnog disanja i fotosinteze - koenzimi Nikotinamid adenin dinukleotid fosfat(nadp + ) Nikotinamid adenin dinukleotid (NAD + ) Flavin adenin dinukleotid (FAD + )

14 Lanac prenositelja elektrona Stanično disanje Slobodna energija, G + 1 / (iz hrane preko NAD) + + e Kontrolirano otpuštanje za sintezu Konačni akceptor elektrona Kumulativni doprinos tri metabolička stupnja: glikolize (korak #1) ciklusa limunske kiseline (korak #) oksidativne fosforilacije (korak #3) e + 1 / Stanično disanje Stanično disanje Stanično disanje razgrađuje glukozu u dvije molekule piruvata iklus limunske (citratne) kiseline; Krebsov ciklus, ciklus trikarboksilnih kiselina (TA ciklus) dovršava razgradnju glukoze ksidativna fosforilacija pokreće je lanac prenositelja elektrona stvara glavninu NAD prenosi elektrone Glukoza Piruvat itoplazma Fosforilacija na razini supstrata Mitohondrij iklus limunske kiseline Fosforilacija na razini supstrata NAD i FAD prenose elektrone ksidativna fosforilacija: lanac prenositelja elektrona i kemiosmoza ksidativna fosforilacija

15 Fosforilacija na razini supstrata U glikolizi i u ciklusu limunske kiseline Izravni prijenos fosfatne skupine sa reaktivnog intermedijara (supstrata) na adenozin difosfat (ADP) pri čemu nastaje Enzim Enzim (korak #1) skuplja energiju nastalu oksidacijom glukoze do piruvata cijepanje šećera razgradnja glukoze do piruvata ADP Supstrat P + Produkt Pirogrožđana kiselina ( 3 ) u citoplazmi stanice nije potreban kisik, anaeroban proces Piruvat( 3 - ) odvija se u aerobnih i anaerobnih organizama Dvije glavne faze Faza ulaganja Faza povrata pozitivna bilanca -a Krebsov ciklus ksidativna fosforilacija Faza ulaganja Glukoza + P Faza povrata 4 ADP + 4 P upotrebljena 4 nastala NAD e NAD + + Glukoza piruvata + piruvata + 4 nastala upotrebljena + + NAD e NAD Faza ulaganja Glukoza 1 heksokinaza ADP P Glukoza-6-fosfat Fosfoglukoizomeraza P Fruktoza-6-fosfat Krebsov ciklus ksidativna fosforilacija Kinaze enzimi koji prenose fosfatni ostatak sa na ostale supstrate Npr. heksokinaze prijenose P do šećera sa 6 ugljikovih atoma tj. heksoza (npr. glukoze)

16 P P Fruktoza-6-fosfat P P ADP Fosfofruktokinaza Fruktoza-1,6-bisfosfat 4 Aldolaza 5 3 Izomeraza Dihidroksiacetonfosfat P Gliceraldehid- 3-fosfat Faza ulaganja Faza povrata Jedna molekula glukoze (6 atoma) razgrađuje se na molekule trioze (3 atoma) dvijaju se dvije faze povrata za svaku molekulu glukoze Prva fosforilacija na razini supstrata NAD + NAD + + P Trioza fosfat dehidrogenaza P i P 1, 3-bisfosfoglicerat ADP 7 Fosfoglicerokinaza P 3-fosfoglicerat 8 Fosfogliceromutaza 6 P -fosfoglicerat 9 Faza povrata Druga fosforilacija na razini supstrata P -fosfoglicerat 9 Enolaza ADP P fosfoenolpiruvat 10 Piruvat kinaza 3 Piruvat

17 iklus limunske kiseline (Krebsov ciklus) (korak #) Dovršava oksidaciju organskih molekula pri čemu se proizvodi energija dvija se u matriksu mitohondrija Mitohondrij sve eukariotske stanice dvostruka membrana vanjska (glatka) unutarnja (čini nabore = kriste; povećanje površine) specifični proteini u lipidnom dvosloju međumembranski prostor matriks vlastita DNA (nukleoid), kružna ribosomi 70 S proteini TEM slika mitohondrija Prijelazna faza Prije početka ciklusa limunske kiseline oksidacijska dekarboksilacija piruvata piruvat se mora pretvoriti u acetil oa koji povezuje glikolizu i Krebsov ciklus u matriksu mitohondrija ITPLAZMA MITNDRIJ NAD + NAD + + S oa Piruvat Koenzim A Acetil oa Transportnini protein

18 Pregled ciklusa limunske kiseline Piruvat (iz glikolize, molekule piruvata iz jedne molekule glukoze) Za svaku molekulu glukoze razgrađenu tijekom glikolize dva piruvata i dva ciklusa limunske kiseline FAD NAD FAD Acetil oa oa iklus limunske kiseline oa oa ADP + P i Krebsov ciklus ksidativna fosforilacija 3 NAD + 3 NAD Detaljnije... Fosforilacija na razini supstrata nastaje GTP kada sukcinil- oa sintetaza konvertira sukcinil-oa u sukcinat GTP predaje fosfatnu skupinu ADP-u Krebsovksidativna ciklusfosforilacija S oa 3 Acetil oa oas NAD NAD + 8 ksalacetat Malat itrat Figure 9.1 Izocitrat iklus 3 7 limunske NAD + kiseline NAD + Fumarat oa S α- Ketoglutarat 6 4 oa S FAD 5 FAD NAD + Sukcinat P i S oa NAD GTP GDP Sukcinil + + oa ADP Lanac prenositelja elektrona elektroni iz NAD i FAD gube energiju u nekoliko koraka NAD predaje elektrone multiproteinskom kompleksu na višem energetskom stupnju nego FAD FMN=flavoprotein FE S=feredoksin Q=ubikinon yt=citokromi elektroni se konačno predaju kisiku pri čemu nastaje voda Slobodna energija (G) u odnosu na (kcl/mol) NAD FMN I Fe S FAD FAD Fe S II yt b III Fe S Multiproteinski kompleksi yt c 1yt c yt a IV yt a 3 Lanac prenositelja elektrona Slobodna energija, G + 1 / (iz hrane preko NAD) + + e Kontrolirano otpuštanje za sintezu e + 1 / Konačni akceptor elektrona Stanično disanje

19 Lanac prenositelja elektrona Prijenos elektrona uzrokuje da proteinski kompleksi (I, III i IV) pumpaju + iz mitohondrijskog matriksa u međumembranski prostor Nastaje koncentracijski gradijent protona ( + ) kemiosmotski potencijal ili pokretačka snaga protona (engl. proton motive force; AMF) Povratak protona difuzijom daje energiju enzimu koji sintetizira (-sintaza) Lanac prenositelja elektrona Akceptori elektrona (NAD + i FAD ) predaju elektrone (potječu iz hrane; glukoze ili drugih tvari razgrađenih u prethodnim fazama tj. iz glikolize, Krebsovog ciklusa) Elektroni se prenose preko kompleksa proteina - prenositelja elektrona s više energetske razine na nižu slobođena slobodna energija se koristi se za transport protona ( + ) protivno njihovom koncentracijskom gradijentu iz mitohondrijskog matriksa u međumembranski prostor kroz protonske crpke (proteini aktivnog transporta na unutrašnjoj membrani mitohondrija). Kemiosmoza Ubacivanjem protona u međumembranski prostor (između unutarnje i vanjske membrane mitohondrija) nastaje elektrokemijski gradijent protona ( + ) (slobodna energija) = kemiosmotski potencijal kroz membranu koncentracija + je viša (niži p) u međumembranskom prostoru u odnosu na matriks mitohondrija Protoni se olakšanom difuzijom (kroz nosač -sintaza proteinski kompleks) vraćaju iz međumembranskog prostora u matriks mitohondrija kretanje protona daje energiju za sintezu -a (enzim -sintaza fosforilara ADP u ) Kemiosmoza i lanac prenositelja elektrona Međumembranski prostor Unutrašnja mitohondrijska membrana ksidativna fosforilacija: lanac prenositelja elektrona i kemiosmoza Matriks mitohondrija Kompleks proteina prenositelja elektrona NAD + + Akceptori elektrona predaju elektron I II Q FAD III Unutrašnja mitohondrijska membrana + + itokrom c IV NAD + FAD / Lanac prenositelja elektrona ksidativna fosforilacija ADP + P i + + Kemiosmoza sintaza

20 Kemiosmoza mehanizam koji povezuje gradijent + kroz unutrašnju membranu s redoks reakcijama u lancu prenositelja elektrona i stvaranjem -a -sintaza je enzim koji proizvodi + MEĐUMEMBRANSKI PRSTR ADP + P i MATRIKS MITNDRIJA + Rotor unutar membrane okreće se u smjeru suprotno od kazaljke na satu dok se + kreću niz svoj konc. gradijent. Stator usidren u membrani pridržava izbočinu. ijev (koja se produžuje do izbočine) također se vrti te tako aktivira katalizacijsko mjesto na izbočini. Tri aktivna mjesta na stacionarnoj izbočini spajaju anorganski fosfat i ADP da bi nastao. Sumarno Prenosioci elektrona kroz membranu three main processes ITPLAZMA Glukoza NAD Piruvat NAD ili FAD NAD 6 NAD FAD Acetil oa iklus limunske kiseline MITNDRIJ ksidativna fosforilacija: lanac prenositelja elektrona i kemiosmoza oko 3 ili 34 nastalih fosforilacijom na razini supstrata nastalih fosforilacijom na razini supstrata Maksimum po glukozi: ko 36 ili 38 nastalih u oksidativnoj fosforilaciji što ovisi o tome koji prenosioci elektrona u membrani prenose elektrone pohranjene u NAD nastale tijekom glikolize u citoplazmi Učinkovitost ko 40% pohranjene u kemijskim vezama molekule glukoze je prebačeno (transferirano) u tijekom staničnog disanja, tj. nastalih približno 38 statak je toplina Automobili ~ 5% učinkovitosti Vrenje (fermentacija) Stvaranje oksidacijom organskih spojeva (npr. ugljikohidrata) koristeći kao konačne akceptore elektrona (vodika) endogene, najčešće organske molekule Razlika od staničnog disanja prilikom kojeg se elektroni predaju egzogenom akceptoru elektrona (npr. kisiku) putem lanca prenositelja elektrona (oksidativna fosforilacija) Vrenje se ne mora nužno odvijati u anaerobnim uvjetima Najčešći supstrat za vrenje su šećeri, posebice glukoza koja se u procesu glikolize razgrađuje do pirogrožđane kiseline Tipični produkti vrenja su etanol i mliječna kiselina visno o mikroorganizmu, ostali mogući produkti vrenja: mravlja, octena, maslačna kiselina, aceton, butanol, Stanično disanje zahtjeva kisik U procesu oksidativne fosforilacije nastaje velika količina -a Fermentacija nije tako učinkovita

21 Faza povrata u glikolizi U proces vrenja ulazi piruvat nastao u glikolizi Reakcije koje regeneriraju NAD + za daljnju uporabu (u glikolizi) NAD + NAD + + P Trioza fosfat dehidrogenaza P i P 1, 3-bisfosfoglicerat ADP 7 Fosfoglicerokinaza P 3-fosfoglicerat 8 Fosfogliceromutaza 6 P -fosfoglicerat 9 Vrenje (fermentacija) U alkoholnom vrenju Piruvat se konvertira u etanol u dva koraka, od kojih u jednom se oslobađa (gušenje u vinskim podrumima) Tijekom mliječnog vrenja Piruvat se reducira izravno s NAD i nastaje mliječna kiselina (laktat) kao otpadni produkt Glukoza ADP + P 1 NAD + NAD Etanol (a) Alkoholno vrenje Glukoza 3 ADP + P 1 3 NAD + NAD Laktat (b) Mliječno vrenje 3 Piruvat 3 Acetaldehid 3 Piruvat Piruvat Ključna uloga u katabolizmu ITPLAZMA nije prisutan vrenje Etanol ili laktat Glukoza Piruvat prisutan Stanično disanje MITNDRIJ Acetil oa iklus limunske kiseline Evolucijski značaj glikolize Postoji u gotovo svim organizmima Razvila se (evoluirala) u pretečama prokariota dok još nije bilo kisika u atmosferi

22 Proteini Ugljikohidrati Masti Katabolizam Ugljikohidrati nisu jedine tvari koje osiguravaju energiju stanici. Proteini i masti su važni izvori. Kada se koriste te vrste molekula, potrebna je njihova modifikacija da bi mogle ući u metaboličke putove opisane za glukozu. KATABLIZAM Proteina razgradnja do aminokiselina (uporaba cijelih) Deaminacija (gubitak dušika u obliku amonijaka) i ulazak u proces glikolize ili ciklus limunske kiseline. Amonijak se izlučuje. Masti Beta oksidacijom proizvodi se podjedinice sa atoma koje ulaze u ciklus limunske kiseline kao acetil oa Glicerol se pretvara u gliceraldehidfosfat (intermedijer piruvata u glikolizi) Masti organsko gorivo, velika količina (dvostruko veća od ugljikohidrata) Katabolizam (razgradnja) Različite molekule iz hrane ulaze u ciklus N 3 Aminokiseline Šećeri Glicerol Masne kiseline Glukoza Gliceraldehid-3-P Piruvat Acetil oa iklus limunske kiseline ksidativna fosforilacija Biosinteze (anabolički putevi) Uporaba sastavnica nastalih u kataboličkim reakcijama (intermedijeri) da bi stvarali nove tvari (monomere) Aminokiseline (čovjek može na taj način proizvesti ½ od 0 aminokiselina u proteinima modificirajući spojeve preusmjerene iz Krebsovog ciklusa) Masti iz šećera masti mogu postati prekursori za proteine! Regulacija staničnog disanja putem mehanizma povratne sprege krajnji produkt metaboličkog puta inhibira prvu reakciju (engl. feedback inhibition) stanično disanje kontroliraju alosterički enzimi na ključnim točkama u glikolizi i ciklusu limunske kiseline reverzibilna alosterička kontrola alosterički enzimi = mijenjaju oblik (konformaciju) nakon vezanja modulatora

23 Kontrola staničnog disanja Stanično disanje kontroliraju alosterički enzimi u ključnim točkama metaboličkih putova Najvažniji kontrolni element glikolize je fosfofruktokinaza enzim inhibiraju veće koncentracije -a i citrata Inhibira Glukoza Fruktoza-6-fosfat fosfofruktokinaza Fruktoza-1,6-bisfosfat Piruvat Acetil oa iklus limunske kiseline ksidativna fosforilacija AMP Stimulira + Inhibira itrat državanje tjelesne topline Smeđe masno tkivo masne stanice (adipociti) imaju više masnih kapljica, veći broj mitohondrija koji sadrže željezo (smeđa boja), a tkivo je bolje prokrvljeno uncoupling proteini (npr. UP1=termogenin) preusmjeren povratak protona iz međumembranskog prostora u matriks mitohondrija kroz UP1 umjesto kroz sintazu nema proizvodnje -a, već samo oslobađanja topline Bijelo (lijevo) i smeđe (desno) masno tkivo