Prehrana in metabolizem

Prehrana in metabolizem Hranila Energija Kataliza in encimi Oksidacije-redukcije Prenašalci elektronov Visoko energetske spojine Fermentacija Respiracija in transport elektronov

Metabolizem vsi kemični procesi znotraj celice Anabolizem biokemične reakcije v celici pri kateri nastajajo sestavine iz org. in neorganskih predhodnikov Katabolizem proces pri katerem so kemične spojine razgrajene in se sprošča energija

Shema celičnega metabolizma

Delitev mikroorganizmov glede potrebe po energiji in ogljiku ORGANIZMI KEMOTROFI Uporabljajo kemične snovi kot vir energije FOTOTROFI Uporabljajo svetlobo kot vir energije Kemolitotrofi Uporabljajo anorganske snovi Kemoorganotrofi Uporabljajo organske snovi Kemolitoavtotrofi C=CO 2 Miksotrofi C=organski Fotoavtotrofi C=CO 2 Fotoheterotrofi C=organski

Kemična sestava celice Elementna sestava: Element % suhe teže C 55 O 20 N 10 H 8 P 3 S 1 Kemijska sestava: Spojina % suhe teže voda 70 proteini 55 polisaharidi 5 lipidi 9 DNK 3 RNK 20 Suha teža bakterijske celice E.coli 40 fg

Hranila Makrohranila: C,N,P,S,K Mg,Ca,Na,Fe celica jih potrebuje v velikih količinah Mikrohranila: Co, Cu, Mn, Mo, Ni, Se, W, V, Zn celica potrebuje majhne količine elementi v sledovih (trace elements) Rastni faktorji (vitamini,..

Makrohranila C - 50% suhe teže celice, osnova celičnega materiala in vir energije; celica asimilira različne oblike organskih spojin (glikoza,malat,acetat, pepton ), ki jih uporablja za izgradnjo celičnega materiala avtotrofi gradijo org.strukturo iz CO 2 N 12% suhe teže celice, sestavina proteinov, NK; najdemo ga v organski (aminokisline, nukleotidi ) in anorganski obliki (NH 3, NO 3-, N 2 ) P 3% suhe teže celice, sinteza nukleinskih kislin, fosfolipidov; uporabijo lahko PO 4 3 -, najdemo pa ga v organski in anorganski obliki (KH 2 PO 4, Na 2 HPO 4 )

S - sestavina aminokislin (metionina in cisteina), vitaminov (tiamin,biotin), koencimov (CoA); nastopa v številnih kemičnih transformacijah, ki potekajo samo s pomočjo mikroorganizmov; nastopa v številnih oblikah, večina pa uporabljajo sulfat (SO 42 -) ali sulfid (HS-) K potrebujejo vsi organizmi; osmoregulator, potreben pri sintezi nekaterih proteinov Mg stabilizira ribosome, celične membrane, NK, potreben za delovanje nekaterih encimov; sestavina ATP, klorofila Ca stabilizira cel.steno, termoodpornost spor Na potrebujejo ga samo nekateri m.o. (morski m.o.) Fe pomembne pri respiraciji, glavna sestavina citohromov, katalaz, peroksidaz, nitrogenaz, oksigenaz, Fe-S proteinov

Mikrohranila Element Co Cu Mn Mo Ni Se W V Zn Vloga v celici vitamin B 12,, transkarboksilacija proteini v resp.verigi ali fotosintezi (citohromi, plastocianin) Aktivator številnih encimov (fotosistem II,..) Prisotev v različnih encimih (nitrogenazi, nitratreduktazi,sulfid oksidazi,oksotransferazi, ) V večini hidrogenaz, koencim F430 metanogenov, ureazi,.. Format dehidrogenaza, nekatere hidrogenaze Format dehidrogenaze, okstransferaza hipertermofilnih vrst Nitrogenaze, bromoperoksidaze Prisoten v alko.dehidrogenazi, RNK in DNK polimerazi,.

Biokemijska vloga elementov funkcija element primer Strukturne funkcije H, O, C, N, P, S, Si, B, F, Ca, Mg, Zn Elektrokemijske H, Na, K, Cl, Mg, Ca, HPO 4 2- mehanika Ca, Mg, Si, HPO 4 2- Oklep, Biološke molekule, membrane, citoskelet Prenos informacij, produkcija metabolne energije Kisline in baze Zn, Ni, Fe, Mn, OH, SH Katabolizem Redoks katalizatorji signaliziranje Fe, Cu, Mn, Mo, S, Se, Co, Ni, V H, O, C, N, P, S, Mg, Ca, Zn, Fe, Cu Fiksacija dušika, redukcija nukleotidov, reakcija s H2, produkcija kisika Transkripcijski faktorji

Rastni faktorji Rastni faktorji so organske spojine, ki jih m.o. potrebujejo v zelo majhnih količinah. Predvsem potrebujejo vitamine, amino kisline, purine in pirimidine. Čeprav jih organizem sintezira jih nekateri m.o. potrebujejo, enega ali več hkrati. Največkrat potrebujejo vitamine,

Vitamini Kemično ralične organske spojine, ki so nujne za normalno presnovo in rast Delujejo kot koencimi ali kot sestavine koencimov Večina m.o. jih sintetizira, sicer pa jih morajo dobiti iz okolja. Najbolj pogosti vitamini so tiamin (vitamin B1), riboflavin (vitamin B2), biotin (vitamin H), pirodoksin (vitamin B6), kobalamin (vitamin B12) Včasih vitamin lahko zamenja njegov predhodnik (precursor) (npr. para-aminobenzojeva kislina lahko zamneja folovo kislino).

Vitamini Vitamini P-aminobenzoična kisl. Folova kislina Biotin (H) Kobalamin (B12) Lipoična kislina Nikotinska kislina Pantotejska kislina Riboflavin Tiamin (B1) Vitamin (B6) Vitamin K (kinon) Funkcija Prekurzor za folično kislino Metabolizem 1C spojin, prenos metilnih spojin Sinteza maščobnih kislin, fiksacija CO 2, β-dekarboksilacija Redukcija in prenos posamezni C fragmentov, sinteza deoksiriboze, Prenos acilnih spojin in dekarboksilacija piruvata in ketoglutarata Prekurzor NAD +, prenos e- pri redoks reakcijah Prekurzor za CoA Prekurzor za FMN, FAD in flavoproteinov vključenih v elekt.transport α- dekarboksilacija, transketolaze Transformacije amino in keto kislin Elektronski transport, sinteza sfingolipida

Gojišča M.o. moramo zagotoviti ustrezna hranila za uspešno rast Zato moramo dobro poznati njihove hranilne potrebe in biosintetične zmožnosti S pripravo ustreznih gojišč zagotovimo hranilne potrebe posameznih m.o. Gojišča so lahko kemično točno določena (specialna) ali nedoločena splošna (ponovi predavanja!)

Transport hranil v citoplazmo O 2,CO 2,NH 3 in H 2 O difundirajo skozi membrano Aminokisline, sladkorje in ione prepušča samo celična stena, citplazemska membrana pa je zanje nepropustna. Prehod za vse ostale spojine je omejen in je za določene olajšan s transporterji. Večina spojin asimilira znotraj celice in celica za to potrebuje energijo.

Energija Kemično pretvorbo snovi spremlja sprememba energije (G) Energija, ki se sprosti se imenuje prosta energija (prosta entalpija) in jo izrazimo kot G o A+B C+D Reakcija pri kateri se energija sprošča je eksergona pri tem ima G negativen predznak Če je G =0 je to ravnotežje Reakcija pri kateri se energija porablja se imenuje endergona reakcija pri tem ima G pozitiven predznak. Enota proste energije kemijskih reakcij je kj (ali kcal - vendar kemična energija ni enaka toplotni energiji) Za preračunavanje 1 kcal = 4,185 kj

Prosta energija spojin Energetski potencial je odvisen od koncentracij spojin. Spojine, ki vstopajo v reakcije imajo že predhodno določeno prosto energijo spojin (G o f), ki je lahko pozitivna ali negativna Spremembe proste energije v posamezni reakciji lahko izračunamo G o A+B C+D = G o f[c+d]- G o f[a+b] Nekaj primerov proste energije spojin spojina Prosta energija (kj/mol) Voda -237,2 Kisik O 2, vodik H 2 0 Glukoza C 6 H 12 O 6-917,3 Amonij NH 4 + -79,3 N 2 O +104,2 Metan CH 4-50,8 Metanol CH 3 OH -175.4

Aktivacijska energija Izračun proste energije nam pove koliko energije se sprosti ali porabi, nič o pa hitrosti same reakcije npr. H 2 +1/2 O 2 H 2 O, G o =-237 kj Reakcija je metastabilna na zraku in je potrebna določena energija, da pride do razbitja vezi in tvorbe vode (toplota). Potrebna energija, da privedemo reaktante kemičnih reakcija v reaktivno stanje imenujemo aktivacijska energija. Med oddajanjem energije vedno težijo k vzpostavi ravnotežja. Čim višja je aktivacijska energija, tem manj reaktivna je zmes substance.

Katalizatorji in encimi Aktivacijsko energijo znižamo z dodatkom katalizatorjev, ki jih imenujemo encimi. Encimi delujejo kot izredno učinkoviti biološki katalizatorji in pospešujejo ali sploh omogočijo skoraj vse kemične reakcije v presnovi.

Struktura encima Encimi so beljakovine, polimeri amino kislin. Vsak encim ima specifično tridimenzionalno obliko. Linearna veriga AK (primarna struktura) se pregiba in zvija v specifično konfiguracijo sekundarne in terciarne strukture z aktivnim centrom.

Encim deluje po principu katalize vmesnih produktov: tvori se kompleks encimsubstrat, ki nato razpade v encim in substrat. Substrat se veže na encim v nekakšnem žlebu - aktivnem centru. Mehanizmi encimske katalize so različni. Reakcija na encimu lahko poteka v večih stopnjah. primer encima aldolaze

Encimi pospešijo reakcije od 10 8 do 10 20 krat, Vendar encimi pospešijo vzpostavitev kemijskega ravnotežja ne vplivajo pa na položaj ravnotežja. Reakcije stalno potekajo, težijo k ravnotežju, in v teh reakcijah dobiva organizem energijo, ki je potrebna za življenjske procese. Vendar pa sistem ne more biti v kemičnem ravnotežju, pač pa se vzdržuje dinamično ravnotežje, pri katerem substance stalno pritekajo in se izločajo reakcijski produkti (npr.organizem sprejema hrano in kisik, oddaja pa CO 2 in razgradnje produkte).

Encimi imajo sposobnost, da od različnih možnih reakcij katalizirajo samo eno reakcijo - specifično delovanje encima. Tudi pri povezavi na substrat kažejo encimi kot katalizatorji princip izbire specifičnost za substrat (nekateri delujejo nespecifično, ali delujejo na substrate ki vsebujejo določene skupine ali pa delujejo zelo specifično na določen substrat).

Koencimi in prostetične skupine Monogi encimi so sestavljeni iz beljakovinske komponente (apoencima), ki izbira substrat ter majhnih nebeljakovinske molekul (prostetične skupine in koencime), ki določajo na splošno katera reakcija bo stekla. Delimo jih glede na to kako močno so vezane na encim: prostetične skupine vezane tesno na encim, ponavadi trajno; katalitično delovanje encima zato, ker holoencim zaporedoma reagira z dvema različnima substratoma (npr. hem skupina v citohromih) koencimi vezani ohlapno na encime, posredujejo med različnimi encimi. Služijo kot intermediarni nosilci manjših molekul z enega encima na drugega. Imajo predvsem vlogo donorja vodika ali neke skupine. Večina so koencimi tesno povezani z vitamini.

Razdelitev in nomenklatura encimov Dolgo poznani encimi imajo trivialna imena (tripsin, pepsin, emulzin). Kasnejša imena imajo končnico aza. 1961 mednarodna komisija določila pravila za nomenklaturo 6 glavnih razredov: 1. oksidoreduktaze 2. transferaze 3. hidrolaze 4. liaze 5. izomeraze 6. ligaze Glede na reakcijo, ki jo katalizira, pa razdelimo vsak razred še na podrazrede.

Pridobivanje energije v celici Za svoje delovanje celica potrebuje energijo, ozir. visoko-energetski vir, ki ga lahko koristi v različnih biokemičnih procesih. Biološko uporabno energijo celica pridobi z redoks reakcijami, kjer pridobi na substratnem ali respiratornem nivoju univerzalno visoko energetsko molekulo-atp. Poleg sklopitve biokemijskih reakcij z ATP lahko pridobi energijo tudi v visoko energijskimi spojinami kot sta acetil CoA ali fosfoenolpiruvat.

Oksidacije in redukcije Oksidacija je sprostitev, odstranitev elektrona iz spojine npr. (donor) H 2 2e - + 2H + Redukcija sprejemanje elektronov spojini (akceptor) ½ O 2 + 2e - + 2H + H 2 O Donor elektronov je spojina, ki odda elektrone in se pri tem oksidira Akceptor je spojina, ki elektron sprejme in se pri tem reducira Spojina, ki druge oksidira sebe pa reducira je oksidant. Spojina, ki druge reducira sebe pa oksidira je reducent. V naravi so redukcije in oksidacije vedno sklopljene, vsaka redukcija je spremljana z oksidacijo in obratno.

Redukcijski potencial Večina spojin je lahko donor ali akceptor elektronov odvisno od substance s katero reagirajo. Tendenca večine spojin je, da postanejo oksidirane ali se reducirajo. Pri tem prihaja do prenosov elektronov in sproščanja energije. Zmožnost oksido-redukcijskega sistema, da daje elektrone in s tem sprošča energijo imenujemo redukcijski potencial ( E o ) Redukcijski potencial lahko izmerimo s fizikalnimi (elekričnimi) in kemičnimi metodami. Redukcijski (redoks) potencial je direktno merilo za prosto energijo. Vendar pa redoks potencial primerjamo z vodikom (H 2 ), ker je ta ničlišče za redoks-skalo. Na redukcijski potenciali do neke mere vpliva koncentracija vodikovih ionov, zato v biologiji podajamo vrednosti redoks potenciali pri nevtralnem ph-ju (ph= 7).

Redoks par vedno pišemo tako, da je oksidirana oblika spojine na levi, reducirana oblika pa na desni strani. Redoks par zapišemo ½ O 2 /H 2 O ½ O 2 + 2H + + 2e - H 2 O 2e - + 2H + H 2 E 0 = + 0,816 V E 0 = - 0,421 V Negativen redoks potencial pomeni, da se bo spojina oksidirala pozitiven redoks potencial pomeni, da se bo spojina reducirala

Elektronski stolp Elektronski stolp predstavlja obseg redukcijskih potencialov redoks parov od najbolj negativnega na vrhu in najbolj pozitivnega na dnu.

Prenašalci elektronov V celici se e - v oksidacijsko - redukcijski reakciji prenašajo od donorja do akceptorja z intermediatorji prenašalci elektronov. primarni donor prenos elektronov terminalni akceptor Končna prosta energija ( G o ), ki se pri reakciji sprosti je rezultat razlike redoks potencialov E 0 med donorjem in akceptorjem, število prenesenih elektronov (n) in naboj na mol (F). G o = n x F x E 0

Ločimo dva tipa prenašalcev elektronov: proste (koencim NAD + - nikotinamid adenin dinukleotid, in NADP + nikotinamid adenin dinukleotid fosfat) membransko vezani prenašalci elektronov (vezane na encime v citoplazemski membrani, npr. FMN)

Prenašalci elektronov (NAD in NADP) Koencim, nosilec vodika pri reakcijah transporta vodika E o NAD + /NADH= -0,32 V kar pomeni da sta dobra donorja elektronov. Preneseta 2 e - in en proton, drugi proton se sprosti v raztopino. NAD + /NADH se uporablja predvsem v katabolnih reakcijah, NADP + /NADPH pa v anabolnih reakcijah. Oksidirana oblika Reducirana oblika NAD + NADH + H + Spremeni se samo nikotin amid kamor se vežeta 2H (2e - in 2H + ). Oksidirana NAD v membrani, reduciran NADH v citoplazmi

Oksidacijsko-redukcijska reakcija NAD + in NADH

Visoko energetske snovi Energija, ki se sprošča v oksidacijsko-redukcijskih reakcijah se shraniti v obliki visoko energetskih fosfoesterskih ali anhidridnih vezeh. Različne fosfoesterske vezi hranijo različne količine energije, ki predstavlja vir energije v celici za različne metabolne reakcije. Pomembnejše spojine so: acetilfosfat, butirilfosfat, bifosfoglicerat, karbamilfosfat, APS in predvsem ATP.

Adenozin trifosfat: ribonukleozid adenozin + 3 fosfatne molekule Dve vezi sta visoko energetski anhidridni vezi Po hidrolizi ATP se sprosti energija, ki jo celica uporablja pri biosintezi, aktivnem prenosu in mehaničnem delu (npr. gibanje bička).

Koencime A C-S vez Poleg fosfatnih spojin s fosfoestersko vezjo so visoko energijske tudi tioesterske vezi, značilne za koencim A (CoA) in derivate. S hidrolizo tioesterske vezi se sprosti dovolj energije, da se sintetizira molekula ATP. Poleg acetil - CoA obstaja še veliko drugih molekul, ki so posebno pomembni pri anaerobnih m.o. in procesih fermentacije.

Fermentacija in respiracija Metabolne poti oksidacije organskih spojin in shranjevanje energije v ATP razdelimo v dve skupini: fermentacijo in respiracijo. Fermentacija je oksido-redukcijska metabolna pot, kjer je elektronski akceptor spojina, ki nastane med samim procesom. Respiracija je oksido-redukcijska metabolna pot, kjer je elektronski akceptor molekula kisika ali kakšen drug oksidant.

Shranjevanje energije pri fermentaciji ATP nastaja v procesu substratne fosforilacije Fosfatna skupina se v biokemični poti prenaša preko intermediatov ADP ATP elektronski akceptor je spojina, ki nastane med samim procesom fermentacije

Shranjevanje energije pri respiraciji ATP nastaja v kemijski reakciji - oksidativni fosforilaciji, v katerem je elektronski akceptor molekula kisika ali kakšen drug oksidant. Citoplazemska membrana je močno polarizirana in ima protonski potencial, pri vmesnem produktu se veže fosforna kislina.