Ενζργεια, κατάλυςθ και βιοςφνκεςθ

Σο κφτταρο: ζνα χθμικό εργοςτάςιο Ενηυμικζσ αντιδράςεισ μετατρζπουν κρεπτικζσ ουςίεσ ςε πρόδρομεσ ενϊςεισ για βιοςφνκεςθ, παίρνοντασ ταυτόχρονα ενζργεια Σο ςφνολο των αντιδράςεων ονομάηεται μεταβολιςμόσ Οι καταβολικζσ οδοί αποδομοφν τα μόρια των τροφϊν δίνοντασ πρόδρομεσ ουςίεσ και ενζργεια Οι αναβολικζσ ι βιοςυνκετικζσ οδοί χρθςιμοποιοφν ενζργεια για παραγωγι των ςυςτατικϊν του κυττάρου

Ανάγκθ για ενζργεια Η διαχείριςθ τθσ ενζργειασ από τα κφτταρα εξαςφαλίηουν τθν φπαρξθ βιολογικισ «τάξθσ», μειϊνοντασ τθν εντροπία, θ οποία από τον δεφτερο νόμο τθσ κερμοδυναμικισ ςυνεχϊσ αυξάνει Ελλείψει ενζργειασ τα κφτταρα κα αποδομθκοφν Προςλαμβάνουν λοιπόν ενζργεια από το περιβάλλον για να διατθριςουν τθν τάξθ Μζροσ τθσ προςλαμβανόμενθσ ενζργειασ χάνεται ωσ κερμότθτα

Φωτοςφνκεςθ Σα φυτά και τα φωτοςυνκετικά βακτιρια παγιδεφουν ενζργεια άμεςα από το θλιακό φωσ Η θλεκτρομαγνθτικι ενζργεια του φωτόσ μετατρζπεται ςε ενζργεια χθμικϊν δεςμϊν κατά τθ φωτοςφνκεςθ Σα φυτά παίρνουν όλα τα ςτοιχεία από ανόργανεσ πθγζσ Δφο ςτάδια φωτοςφνκεςθσ Δζςμευςθ ενζργειασ με απελευκζρωςθ οξυγόνου Δζςμευςθ άνκρακα για παραγωγι ςακχάρων και άλλων οργανικϊν

Σα δφο ςτάδια τθσ φωτοςφνκεςθσ

υνολικά Φωτεινι ενζργεια + CO 2 +H 2 0 ςάκχαρα +O 2 + κερμικι ενζργεια Σα ηϊα και τα φυτά μετατρζπουν οργανικζσ ενϊςεισ με (ελεγχόμενθ) καφςθ και παράγουν διοξείδιο του άνκρακα και νερό με μία διεργαςία που ονομάηεται αναπνοι Η φωτοςφνκεςθ και θ αναπνοι είναι ςυμπλθρωματικζσ διεργαςίεσ

Φωτοςφνκεςθ και αναπνοι

Κφκλοσ του άνκρακα

Οξειδοαναγωγι Μία ουςία οξειδϊνεται όταν τθσ αφαιροφνται θλεκτρόνια Μία ουςία ανάγεται όταν τθσ προςτίκενται θλεκτρόνια Μία οξείδωςθ ςυνοδεφεται από μία αναγωγι όταν μία ουςία προςλαμβάνει ζνα θλεκτρόνιο (ανάγεται) τότε προςλαμβάνει ταυτόχρονα και ζνα πρωτόνιο (Η+) (από το νερό) Α+e - +H + AH

Ημίςειεσ αντιδράςεισ για οργανικζσ ουςίεσ Αριθμός Ανηίδραζης Ανηγμένες Ενώζεις 0-1 Οξικό: 0-2 Αλανίνη: 0-3 Βενζοϊκό: 0-4 Κιτπικό: 0-5 Αιθανόλη: 0-6 Μυπμηκικό: 0-7 Γλυκόζη: 0-8 Γλουταμικό: 0-9 Γλυκεπόλη: Ημίζεια ανηίδραζη ΔG 0 kj/e - 1 1 CO2 HCO3 H e 1 3 CH3COO H2O 8 8 8 8 1 1 1 11 CO2 HCO3 NH4 H e 1 5 CH3CHNH 2COO H2O 6 12 12 12 12 12 1 1 CO2 HCO3 H e 1 13 C6H5COO H2O 5 30 6 30 1 1 1 4 CO2 HCO3 H e ( COO ) CH2COH ( COO ) CH 2COO H2O 6 6 18 9 1 2 6 CO H e 1 CH 1 3CH 2OH H2O 12 4 1 3 2 HCO H e 1 1 HCOO H2O 2 2 1 2 4 CO H e 1 C6H 1 12O6 H2O 24 4 1 1 1 CO2 HCO3 NH4 H e 1 4 COOHCH 2CH2CHNH 2COO H2O 6 9 18 18 9 3 2 14 CO H e 1 CH 3 2OHCHOHCH 2OH H2O 14 14 eq 27.40 31.37 27.34 33.08 31.18 39.19 41.35 30.93 38.88 0-10 Γλυκίνη: 1 1 1 CO2 HCO3 NH4 H e 1 CH2NH 2COOH 1 H2O 6 6 6 6 2 39.80

Καταλυτικζσ αντιδράςεισ (ζνηυμα) Μία αντίδραςθ ςυμβαίνει μόνο ςτθν κατεφκυνςθ μείωςθσ τθσ ελεφκερθσ ενζργειασ (ΔG<O) Σα ζνηυμα μειϊνουν τθν ενζργεια ενεργοποίθςθσ (καταλφτεσ) Μία ςυνολικι αντίδραςθ με ΔG>0 (όπωσ είναι οι βιοςυνκετικζσ) μπορεί να ςυμβεί μόνο με ςφηευξθ δφο αντιδράςεων με κάποιο κοινό ενδιάμεςο οφτωσ ϊςτε ςυνολικά ΔG<0

φηευξθ αντιδράςεων

Ενεργοποιθμζνα μόρια-φορείσ Μεγάλα τυπικά μόρια τα οποία ςυμμετζχουν ςε ςυηευγμζνεσ αντιδράςεισ και λειτουργοφν ωσ νομίςματα για ςυγκεκριμζνεσ δοςολθψίεσ ενζργειασ ι και ςυγκεκριμζνων προςκετικϊν ομάδων ATP NAD και NADH

Ο ρόλος του ATP ο μθχανιςμόσ που επιτρζπει τθ χριςθ τθσ παραγόμενθσ ενζργειασ από εξεργονικζσ αντιδράςεισ για τισ ενεργειακζσ ανάγκεσ των εξεργονικϊν αντιδράςεων βαςίηεται ςτο μονονουκλεοτίδιο ATP το οποίο υδρολφεται για να δϊςει ADP: ATP ADP +P i Κατά τθ μετατροπι (υδρόλυςθ) ATP ςε ADP απελευκερϊνονται 11-13 kcal/ mole ανάλογα με τθ ςυγκζντρωςθ των αντιδρϊντων Εναλλακτικά το ATP διαςπάται ςε AMP και πυροφωςφορικό το οποίο υδρολφεται ςυνολικά (για αντιδράςεισ που απαιτοφν πολλι ενζργεια)

Κφκλοσ αλλθλομετατροπισ ADP και ATP

Ο ρόλοσ των ενεργοποιθμζνων φορζων ςτον μεταβολιςμό

Ενεργειακά μθ ευνοϊκι βιοςυνκετικι αντίδραςθ με χριςθ ATP

Ενεργειακό φορτίο Η ςυνολικι ενεργειακι κατάςταςθ του κυττάρου μετράται με το ονομαηόμενο ενεργειακό φορτίο το οποίο ορίηεται..= [ATP] 0,5*[ ADP]] [AMP] + [ADP] + [ATP] Όταν όλθ θ αδενοςίνθ είναι ςτθν τριφωςφορικι μορφι, τότε το ενεργειακό φορτίο παίρνει τθν μζγιςτη τιμι του, δθλαδι 1.

Σο ενεργειακό φορτίο είναι κατά κανόνα: μικρό κατά τθν διάρκεια τθσ ταχείασ ανάπτυξθσ κυτταρικισ βιομάηασ μεγάλο όταν τα κφτταρα παφουν να πολλαπλαςιάηονται. Ζνα κφτταρο Escherichia coli περιζχει περί τα πζντε εκατομμφρια μόρια ATP O αρικμόσ αυτόσ φαίνεται ιδιαίτερα μεγάλοσ Ωςτόςο, αν αναλογιςτοφμε ότι θ χριςθ ATP γίνεται με ρυκμό 2,5 εκατομμφρια μόρια το δευτερόλεπτο, ςυνειδθτοποιοφμε ότι δεν παίρνει παρά δφο δευτερόλεπτα για να αναλωκοφν όλα τα αποκζματα ςε ATP.

Aναγωγικι ιςχφσ Εκτόσ από το ATP, ο μεταβολιςμόσ των κυττάρων χρθςιμοποιεί ακόμθ ζνα μθχανιςμό μεταφοράσ, τθσ αναγωγικήσ ιςχφοσ, που παράγεται ι καταναλϊνεται από οξειδοαναγωγικζσ αντιδράςεισ. Σζτοιεσ είναι οι αντιδράςεισ που περιλαμβάνουν απϊλεια (οξείδωςθ) ι πρόςλθψθ θλεκτρονίων (αναγωγι): + + B

Η μεταφορά οξειδοαναγωγικισ ιςχφοσ γίνεται μζςω του NAD + (οξειδωμζνο νικοτιναμιδο- αδενινοδινουκλεοτίδιο) το οποίο ανάγεται με τθν αντίδραςθ: NAD + + 2 H NADH + H + Σο NAD προςλαμβάνει ζνα ενεργειακό φορτίο, δθλαδι ζνα πρωτόνιο και δφο θλεκτρόνια υψθλισ αξίασ. Μ' αυτό τον τρόπο θ αναχκείςα μορφι ςυγκρατεί άτομα υδρογόνου (αναγωγικι ιςχφ) τα οποία μεταφζρει για τθν χριςθ κάποιασ αντίδραςθσ που απαιτεί κάποιον αναγωγικό παράγοντα. Σο NAD + παίηει όπωσ κα δοφμε ςθμαντικό ρόλο και ςτον ςχθματιςμό ATP κατά τθν αναπνοή. Επίςθσ γίνεται με το NADPH (φωςφορικό νικοτιναμιδοαδενινο- δινουκλεοτίδιο)

Χριςθ NADPH ςτθ βιοςφνκεςθ

χζςθ NADH και NADPH Η διαφορά τουσ ζγκειται ςε μία φωςφορικι ομάδα To NADH χρθςιμοποιείται κυρίωσ ςε καταβολικζσ αντιδράςεισ ενϊ το NADPH ςε αναβολικζσ Ρυκμίηονται ανεξάρτθτα Συπικά ζχoυμε υψθλό NAD+/NADH και χαμθλό NADP+/NADPH

Άλλα ενεργοποιθμζνα μόρια φορείσ

Η ςφνκεςθ μακρομορίων απαιτεί ενζργεια υπό τθ μορφι ATP