Μεταβολισμός μικροοργανισμών

Μεταβολισμός μικροοργανισμών Ο μεταβολισμός είναι το σύνολο των βιοχημικών αντιδράσεων που πραγματοποιούνται στα κύτταρα των ζωντανών οργανισμών. Συνεπώς ο μεταβολισμός περιλαμβάνει όλες εκείνες τις βιοχημικές διαδικασίες που εμπλέκονται στην παραγωγή και στην απελευθέρωση της ενέργειας. 1

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ Χαρακτηριστική ιδιότητα κυττάρων: κατευθύνουν χημικές αντιδράσεις & οργανώνουν μόρια σε συγκεκριμένες δομές. Τελικός σκοπός αύξηση Πριν συμβεί ο κυτταρικός διπλασιασμός ποικίλες χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα συλλογικά στο κύτταρο = ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ Εξαιρετικά ολοκληρωμένο δίκτυο χημικών αντιδράσεων Μέσω αυτών: 1. τα κύτταρα αντλούν ενέργεια και αναγωγική ισχύ από το περιβάλλον τους 2. συνθέτουν τις δομικές μονάδες των μακρομορίων 2

Ο μεταβολισμός διακρίνεται σε δύο σκέλη, τον καταβολισμό και τον αναβολισμό. Ο καταβολισμός περιλαμβάνει τις αντιδράσεις διάσπασης πολύπλοκων ουσιών σε απλούστερες, με παράλληλη συνήθως απόδοση ενέργειας. Ο αναβολισμός περιλαμβάνει τις αντιδράσεις σύνθεσης πολύπλοκων χημικών ουσιών (μακρομορίων). Για την πραγματοποίηση των αντιδράσεων σύνθεσης καταναλώνεται συνήθως ενέργεια. Οι καταβολικές δηλαδή αντιδράσεις αποδίδουν ενέργεια (εξώθερμες) ενώ οι αναβολικές απορροφούν ενέργεια (ενδόθερμες). Η ενέργεια που παράγεται στα κύτταρα των οργανισμών αποθηκεύεται στους χημικούς δεσμούς των βιομορίων. 3

Βιοχημικά Μονοπάτια (Metabolic pathways): Οι αλληλουχίες των αντιδράσεων στο μεταβολισμό συγκεκριμένων ενώσεων. Σε ένα κύτταρο λαμβάνουν χώρα χιλιάδες αντιδράσεις παράλληλα, οι οποίες ρυθμίζονται σε ενζυμικό επίπεδο. Περισσότερες από 1000 αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα και σε έναν απλό οργανισμό όπως το βακτήριο Ε. coli. Μεταβολισμός έχει λογικό σχεδιασμό με πολλές κοινές στερεότυπες αντιδράσεις οι οποίες επαναλαμβάνονται 4

Μεγάλος αριθμός αντιδράσεων αλλά τα διάφορα είδη είναι σχετικά λίγα. Οι μηχανισμοί αυτών των αντιδράσεων είναι συνήθως σχετικά απλοί. Κοινή ρύθμιση μεταβολικών πορειών (κοινοί τρόποι). 5

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ & ΕΝΖΥΜΑ Ανεξάρτητα από τον τρόπο που ζει ένας μικροοργανισμός πρέπει να έχει την ικανότητα πρόσληψης ενέργειας είτε από χημικές ενώσεις, είτε από το φως αποθήκευση ενέργειας υπό τη μορφή ATP. Χημικές αντιδράσεις συνοδεύονται από ενεργειακές μεταβολές Μεγάλο μέρος χάνεται υπό μορφή θερμότητας Στη μικροβιολογία υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για την ελεύθερη ενέργεια (G) = εκλυόμενη ενέργεια που είναι διαθέσιμη για την εκτέλεση ωφέλιμου έργου. 7

Μεταβολή ελεύθερης ενέργειας ΔG 0 (υπολογισμένη σε κανονικές συνθήκες ph 7 & 25 o C) Μία αντίδραση μπορεί να λάβει χώρα αυθόρμητα μόνον εάν η ΔG 0 < 0 1. ΔG 0 < 0 η αντίδραση συνοδεύεται από απελευθέρωση ενέργειας το κύτταρο την αποθηκεύει υπό τη μορφή ATP εξώθερμη αντίδραση 2. ΔG 0 > 0 η αντίδραση απαιτεί ενέργεια (κατανάλωση ενέργειας από το κύτταρο) ενδόθερμη αντίδραση Υπολογισμός ελεύθερης ενέργειας μιας αντίδρασης πρέπει να γνωρίζουμε ελεύθερη ενέργεια αντιδρώντων & προϊόντων (ελεύθερη ενέργεια σχηματισμού των στοιχείων G 0 f = 0) 8

Α + Β C + D Η ΔG 0 = άθροισμα ελευθέρων ενεργειών σχηματισμού προϊόντων αντίστοιχο ποσό ενέργειας αντιδρώντων ΔG 0 = G 0 f [C+D] - G 0 f [A+B] ΔG 0 = ΔG προϊόντων ΔG αντιδρώντων Μονάδα μέτρησης: kj 1cal = 4,19 Joule 10

A C + D Σε πρότυπες συνθήκες, η ένωση Α δεν μπορεί να μετατραπεί αυθόρμητα στα Β και C, γιατί η ΔG είναι θετική. Όμως η μετατροπή του Β σε D κάτω από πρότυπες συνθήκες είναι θερμοδυναμικά ευνοούμενη. Επειδή οι μεταβολές της ελεύθερης ενέργειας έχουν προσθετικές ιδιότητες, η μετατροπή του Α σε C και D έχει ΔG 0 = -3 kcal/mol, γεγονός που σημαίνει ότι η αντίδραση είναι δυνατόν να λάβει χώρα αυθόρμητα. 11

Κατάλυση και ένζυμα Ο υπολογισμός της ελεύθερης ενέργειας μας πληροφορεί για την έκλυση ή την απορρόφηση ενέργειας. Δεν δίνει καμία πληροφορία για τον ρυθμό της αντίδρασης. Προκειμένου να ξεκινήσει μια χημική αντίδραση απαιτείται η διάσπαση των χημικών δεσμών των αντιδρώντων ουσιών. Ενέργεια ενεργοποίησης είναι η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται ώστε να καταστούν ικανά να αντιδράσουν μεταξύ τους όλα τα μόρια που συμμετέχουν σε μια χημική αντίδραση. 12

BIOΛOΓIA TΩN MIKPOOPΓANIΣMΩN ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ

Ένζυμα Η ιδέα της ενέργειας ενεργοποίησης μας οδηγεί στην έννοια της κατάλυσης. Οι καταλύτες των βιολογικών αντιδράσεων είναι συνήθως πρωτεΐνες που καλούνται ένζυμα. Τα ένζυμα επιταχύνουν τον ρυθμό των βιοχημικών αντιδράσεων κατεβάζοντας το ενεργειακό τους δυναμικό (= ενέργεια ενεργοποίησης), έτσι ώστε να λαμβάνουν χώρα οι αντιδράσεις σε ήπιες συνθήκες ατμοσφαιρικής πίεσης, θερμοκρασίας και ουδέτερο ph. Δεν επηρεάζουν την απόδοση της αντίδρασης σε προϊόντα. Δεν μεταβάλλονται κατά την αντίδραση. Τα ένζυμα έχουν υψηλή εξειδίκευση όσον αφορά τις αντιδράσεις που καταλύουν. Κάθε ένζυμο καταλύει έναν και μόνο έναν τύπο χημικής αντίδρασης ή στην περίπτωση συγκεκριμένων ενζύμων, μια ομάδα στενά συγγενικών αντιδράσεων. 14

Τα ένζυμα μπορούν να αυξήσουν την ταχύτητα των χημικών αντιδράσεων κατά 10 8 έως 10 20 φορές Το ένζυμο συνδέεται προσωρινά με την αντιδρώσα ουσία, η οποία ορίζεται ως υπόστρωμα (S) του ενζύμου, σχηματίζοντας ένα σύμπλεγμα ενζύμουυποστρώματος. Στη συνέχεια το προϊόν (P) ελευθερώνεται και το ένζυμο (Ε) επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση: E + S Ε-S E + P Το ένζυμο είναι πολύ μεγαλύτερο από το υπόστρωμα(ή τα υποστρώματα) και η σύνδεση ενζύμου-υποστρώματος εξαρτάται από ασθενείς δεσμούς υδρογόνου, δυνάμεις van der Waals και υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. Η μικρής έκτασης περιοχή του ενζύμου που συνδέεται με το υπόστρωμα αναφέρεται ως ενεργό κέντρο του ενζύμου. Στο ενεργό κέντρο προσδένονται τα αντιδρώντα ενεργοποιημένο σύμπλοκο όπου σχηματίζονται τα προϊόντα της χημικής αντίδρασης μετά από διάσπαση των χημικών δεσμών των αντιδρώντων και δημιουργία νέων χημικών δεσμών στα προϊόντα. 15

Τα ένζυμα καταλύουν μόνο μια χημική αντίδραση και είναι εξειδικευμένα για 1. Ένα μόνο υπόστρωμα. 2. Μία μόνο αντίδραση ενός συγκεκριμένου υποστρώματος 3. Για μια μόνο στερεοχημική δομή του υποστρώματος (π.χ. D- ή L-ισομερές). 16

Δομή των ενζύμων BIOΛOΓIA TΩN MIKPOOPΓANIΣMΩN ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ Κάθε ένζυμο έχει τρισδιάστατο σχήμα. Η ακριβής στερεοδιάταξη ενός ενζύμου μπορεί να γίνει εύκολα αντιληπτή με τη βοήθεια ενός χωροδιατακτικού μοντέλου σε Η/Υ. 17

Πολλά ένζυμα περιέχουν μικρά μη πρωτεϊνικά μόρια που συμμετέχουν στη διεργασία της κατάλυσης. Αυτά τα μικρά μόρια βρίσκονται προσκολλημένα στα ένζυμα και χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: προσθετικές ομάδες και συνένζυμα 19

Συνένζυμα: Μέρος του ενεργού κέντρου του ενζύμου και άμεσοι δέκτες ή δότες ηλεκτρονίων, πρωτονίων ή διαφόρων άλλων μορίων. Πολύ γνωστά συνένζυμα είναι το FAD, το NAD, NADP, η φωσφορική πυριδοξάλη, το Mg ++, το Zn ++ και άλλα. NADPH σε αναβολικές αντιδράσεις NADH, FADH 2 στη βιοσύνθεση του ATP Πολλά συνένζυμα συνίστανται από βιταμίνες π.χ. το FAD από ριβοφλαβίνη (Β2) το NAD από νικοτιναμίδιο η φωσφορική πυριδοξάλη από πυριδοξάλη (Β6) 20

Αναστολείς και ενεργοποιητές ενζύμων: Χημικές ενώσεις, που προσδένονται στο ενεργό κέντρο ή στο ρυθμιστικό κέντρο του ενζύμου. Αναστολείς, που προσδένονται στο ενεργό κέντρο του ενζύμου λειτουργούν ανταγωνιστικά στα υποστρώματα και μερικοί δημιουργούν μη αντιστρεπτή πρόσδεση και αδρανοποίηση του ενζύμου. Αναστολείς και ενεργοποιητές, που προσδένονται στο ρυθμιστικό κέντρο του ενζύμου μεταβάλλουν την δομή του ενζύμου και την ενζυμική τους δραστικότητα ( αλλοστερικά ένζυμα). 21

Ρύθμιση της δραστικότητας των ενζύμων: Επιτυγχάνεται: η αποφυγή συσσώρευσης τελικών ή ενδιάμεσων προϊόντων η εξοικονόμηση υλικών και ενέργειας η συντονισμένη λειτουργία των κυττάρων 1. Ρύθμιση με ανάδραση: το τελικό προϊόν μιας σειράς αντιδράσεων προσδένεται στο ρυθμιστικό κέντρο του ενζύμου. 2. Παράλληλη ρύθμιση: ρύθμιση μεταξύ 2 διαφορετικών σειρών αντιδράσεων ( συντονισμένη λειτουργία των κυττάρων). 3. Ενεργοποίηση ενζύμου από πρόδρομο συστατικό. 4. Ρύθμιση κεντρικού κορμού ή κλώνου: προϊόν επιδρά με ανάδραση στον κεντρικό κορμό ή κλώνο. 22

Ονομασία ενζύμων Τα ένζυμα παίρνουν την ονομασία τους είτε με βάση το υπόστρωμα πρόσδεσής τους είτε με βάση τη χημική αντίδραση που καταλύουν και την προσθήκη της κατάληξης αση. Κυτταρινάση: ένζυμο που υδρολύει την κυτταρίνη Οξειδάση της γλυκόζης: ένζυμο που καταλύει την οξείδωση της γλυκόζης Ριβονουκλεάση: ένζυμο που αποικοδομεί το ριβονουκλεϊκό οξύ 24

Οξειδοαναγωγή και ενώσεις υψηλής ενέργειας Στα βιολογικά συστήματα, η διατήρηση της ενέργειας συμπεριλαμβάνει οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις. Το αποτέλεσμα της απελευθέρωσης ενέργειας σε αυτές τις αντιδράσεις είναι η παραγωγή ενώσεων υψηλής ενέργειας, όπως το ΑΤΡ. 25

Οξειδοαναγωγή Οξείδωση: η απομάκρυνση ενός ή περισσοτέρων ηλεκτρονίων από ένα υπόστρωμα (δότης ηλεκτρονίων) Αναγωγή: η προσθήκη ενός ή περισσοτέρων ηλεκτρονίων σε ένα υπόστρωμα (δέκτης ηλεκτρονίων) 26

27 Οι χημικές ουσίες διαφέρουν μεταξύ τους όσον αφορά την τάση τους για οξείδωση ή αναγωγή. Αυτή η τάση εκφράζεται ως δυναμικό αναγωγής (Ε 0 ) της χημικής ουσίας και μετριέται σε volt (V).

Πύργος ηλεκτρονίων Ο πύργος αντιπροσωπεύει το δυναμικό αναγωγής των οξειδοαναγωγικών ζευγών από τα πλέον αρνητικά στην κορυφή προς τα πλέον θετικά στη βάση. Η αναγόμενη ουσία του οξειδοαναγωγικού ζεύγους στην κορυφή του πύργου εμφανίζει την ισχυρότερη τάση προσφοράς ηλεκτρονίων, ενώ η οξειδούμενη ουσία του ζεύγους στη βάση του πύργου εμφανίζει την ισχυρότερη τάση πρόσληψης ηλεκτρονίων. Στον καταβολισμό, ο δότης ηλεκτρονίων αναφέρεται συχνά ως πηγή ενέργειας. 28

Ενεργειακός μεταβολισμός: 1. ροή ηλεκτρονίων σε μόρια όπως ATP, NADH, NADPH, FADH 2 κ.α. 2. δέσμευση της ενέργειας σε χημικούς δεσμούς 3. διοχέτευση ενέργειας στην σύνθεση μορίων και στην παραγωγή έργου 30

ΕΝΩΣΕΙΣ ΥΨΗΛΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ & ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Στα κύτταρα η χημική ενέργεια που εκλύεται στις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις δεσμεύεται συνήθως υπό τη μορφή φωσφορικών δεσμών υψηλής ενέργειας. Στις φωσφορυλιωμένες ενώσεις οι φωσφορικές ομάδες συνδέονται με το υπόλοιπο μόριο μέσω ατόμων οξυγόνου με εστερικούς ή ανυδριτικούς δεσμούς. Οι φωσφορικοί δεσμοί δεν είναι όλοι δεσμοί υψηλής ενέργειας. Υδρόλυση φωσφορικής ομάδας απελευθέρωση ενέργειας 31

ΑΤΡ τριφωσφορική αδενοσίνη Κύριος ενεργειακός φορέας στους ζωντανούς οργανισμούς Νουκλεοτίδιο που αποτελείται από μία αδενίνη, μία ριβόζη και μία τριφωσφορική μονάδα Παράγεται στις εξώθερμες αντιδράσεις & καταναλώνεται στις ενδόθερμες Δύο από τους φωσφορικούς δεσμούς του έχουν υψηλή ελεύθερη ενέργεια υδρόλυσης 33

35 απελευθέρωση ενέργειας όταν το ΑΤΡ υδρολύεται σε διφωσφορική αδενοσίνη (ΑDP) και ορθοφωσφορικό (Ρ i ) ή όταν υδρολύεται σε μονοφωσφορική αδενοσίνη (AMP) και σε πυροφωσφορικό (ΡΡ i ).

Όχι μακροπρόθεσμη μορφή αποθήκευσης ελεύθερης ενέργειας Σε τυπικά κύτταρα, ένα μόριο ΑΤΡ καταναλώνεται εντός ενός λεπτού από τον σχηματισμό του. Υψηλά επίπεδα ATP: εμποδίζεται η οξείδωση οργανικών ενώσεων στο κύτταρο αποθηκεύεται ο άνθρακας υπό μορφή λιπών και σακχάρων Χαμηλά επίπεδα ATP: λαμβάνει χώρα ο καταβολισμός των υδρογονανθράκων 37

Συνένζυμο Α Εκτός από τις φωσφορικές ενώσεις υψηλής ενέργειας, στο κύτταρο παράγονται και άλλες ενώσεις υψηλής ενέργειας οι οποίες μπορούν επίσης να αποθηκεύουν την ενέργεια των εξώεργων αντιδράσεων. Ενώσεις υψηλής ενέργειας = παράγωγα συνενζύμου Α (π.χ. ακέτυλο-co-a) Τα παράγωγα αυτά περιέχουν σουλφοανυδρίτες (θειεστέρες) & προσφέρουν ελεύθερη ενέργεια υδρόλυσης, ικανή να τροφοδοτήσει τη σύνθεση ενός φωσφορικού δεσμού υψηλής ενέργειας. Παράγωγα συνενζύμου Α: ιδιαίτερη σημασία για την ενεργειακή κατάσταση αναερόβιων μικροοργανισμών ειδικότερα εκείνων που ο ενεργειακός μεταβολισμός τους περιλαμβάνει ζυμώσεις. 38

Αποθήκευση ενέργειας Για την αποθήκευση ενέργειας διάφοροι μικροοργανισμοί παράγουν αδιάλυτα πολυμερή που μπορούν αργότερα να οξειδωθούν για την παραγωγή ΑΤΡ. Πολυμερή γλυκόζης = άμυλο & γλυκογόνο Πολυμερή λιπιδίων Στοιχειακό θείο = αποθηκεύεται από πολλούς θειοχημειολιθοτροφικούς οργανισμούς Αποθήκευση πολυμερών υπό τη μορφή κόκκων Απουσία κάποιας εξωτερικής πηγής ενέργειας το κύτταρο μπορεί να οξειδώσει αυτά τα πολυμερή και έτσι να συνθέσει νέο κυτταρικό υλικό ή απλά να προμηθεύσει τον εαυτό του με ενέργεια συντήρησης. 39

ΤΑ ΝΑDΗ ΚΑΙ FADH 2 ΕΙΝΑΙ ΟΙ ΚΥΡΙΟΤΕΡΟΙ ΦΟΡΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΚΑΥΣΙΜΩΝ ΜΟΡΙΩΝ Χημειότροφοι οργανισμοί παράγουν ελεύθερη ενέργεια από την οξείδωση καυσίμων μορίων (γλυκόζη, λιπαρά οξέα... ) Σε αερόβιους οργανισμούς, ο τελικός δέκτης ηλεκτρονίων είναι το οξυγόνο. Τα ηλεκτρόνια δεν μεταφέρονται απ ευθείας από τα καύσιμα μόρια και τα προϊόντα αποικοδόμησής τους στο οξυγόνο. Αντίθετα, αυτά τα υποστρώματα μεταφέρουν ηλεκτρόνια σε ειδικούς μεταφορείς, οι οποίοι είναι είτε νουκλεοτίδια της πυριδίνης είτε φλαβίνες. Ανηγμένες μορφές αυτών των φορέων μεταφέρουν τα υψηλού δυναμικού ηλεκτρόνια στο Ο 2 αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων / κυτταρική μεμβράνη προκαρυωτικών μικροοργανισμών. 40

Το NAD ως οξειδοαναγωγικός φορέας ηλεκτρονίων Στο κύτταρο, κατά τη μεταφορά ηλεκτρονίων σε μια οξειδοαναγωγική αντίδραση συνήθως χρησιμοποιούνται μία ή περισσότερες ενδιάμεσες ουσίες οι οποίες ονομάζονται φορείς. Οι φορείς ηλεκτρονίων υποδιαιρούνται σε δύο γενικές κατηγορίες: εκείνους που διαχέονται ελεύθερα και εκείνους που προσδένονται ισχυρά σε ένζυμα της κυτταροπλασματικής μεμβράνης. Στους ελεύθερα διαχεόμενους φορείς ανήκουν τα συνένζυμα νικοτιναμιδοαδενινο-δινουκλεοτίδιο (NAD + ) και φωσφορικό νικοτιναμιδο-αδενινοδινουκλεοτίδιο (NADP + ). Τα NAD + και NADP + είναι φορείς του ατόμου του υδρογόνου. Το δυναμικό αναγωγής του ζεύγους NAD + /NADΗ ή του NADP + /NADPΗ είναι - 0,32V, τιμή που το τοποθετεί ψηλά στον πύργο ηλεκτρονίων (καλοί δότες ηλεκτρονίων. 41

42 Το NAD + /NADΗ συμμετέχει άμεσα σε αντιδράσεις παραγωγής ενέργειας (καταβολικές), ενώ το NADP + /NADPΗ συμμετέχει κυρίως σε βιοσυνθετικές (αναβολικές) αντιδράσεις.

Νικοτιναμιδο-αδενινο-δινουκλεοτίδιο (ΝΑD+) ένας από τους κύριους δέκτες ηλεκτρονίων κατά την οξείδωση καυσίμων μορίων. Κατά την οξείδωση ενός υποστρώματος δέχεται ένα ιόν υδρογόνου και δύο ηλεκτρόνια, που ισοδυναμούν με ένα ιόν υδριδίου. Η ανηγμένη μορφή αυτού του μεταφορέα καλείται ΝΑDΗ 43

O άλλος κύριος φορέας ηλεκτρονίων κατά την οξείδωση καυσίμων μορίων είναι το φλαβινο-αδενινο-δινουκλεοτίδιο Οξειδωμένη μορφή: FAD Ανηγμένη μορφή: FADH 2 FAD: μπορεί να δεχθεί δύο ηλεκτρόνια NADPH: κύριος δότης ηλεκτρονίων στις αναγωγικές βιοσυνθέσεις 45