1 / 58

19. lekcija. Metabolisma pamati.

Studiju kurss Bioloģija (nebiologiem). Bloks Šūnas bioloģija, bioķīmija, ģenētika. 19. lekcija. Metabolisma pamati. Māris Lazdiņš lazda@latnet.lv LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra. Metabolisms.

nizana
Télécharger la présentation

19. lekcija. Metabolisma pamati.

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Studiju kurssBioloģija (nebiologiem) BloksŠūnas bioloģija, bioķīmija, ģenētika 19. lekcija. Metabolisma pamati. Māris Lazdiņšlazda@latnet.lv LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  2. Metabolisms Metabolisms (gr. metabole – maiņa) – vielu maiņa organismā, kas nodrošina dzīvības procesam nepieciešamās enerģijas ieguvi, vielu sintēzi, augšanu un vairošanos. Reakciju plūsmā var izdalīt divus virzienus: - Katabolisms, - Anabolisms.

  3. Metabolisms Katabolisms (gr. kataabole – nomest zemē) – enerģētiskā vielmaiņa, saistīta ar sarežģītāku vielu noārdīšanu un oksidēšanu, ar mērķi iegūt enerģiju citiem procesiem. Enerģija tiek pārveidota bioķīmiskajiem procesiem universālā ķīmiskās enerģijas piegādātāja (koenzīma, kofaktora) - ATP (ATF) vai citu nukleozīd-trifosfatu veidā.

  4. Metabolisms Anabolisms (gr. anabole – kāpt, pacelties) – konstruktīvais metabolisms, saistīts ar sarežģītāku vielu sintēzi no vienkāršākām, kas prasa enerģijas (ATP) patēriņu. Anabolisma produkti tiek izmantoti šūnas struktūru veidošanai un atjaunošanai, jaunu šūnu veidošanai utt.

  5. Metabolisms Metabolisma ceļu shēma Ogļhidrāti Kompleksie ogļhidrāti Galvenās aminoskābes Citas Aminoskābes Nukleozīdi Lipīdi Kompleksie lipīdi Vitamīni un koenzīmi Enerģētiskais metabolisms Sekundārie metabolīti

  6. Metabolisms Ķīmiskais, osmotiskais, elektriskais gradients, vielu sintēze, vielu aktīvais transports, kustības, siltums ADPATP AMP Fotosintētiskā, oksidatīvā un substrāta fosforilācija ATP = ATF; ADP = ADF - sinonīmi apzīmējumi

  7. ATP Adenīns Riboze Fosfātu grupas Adenozīns Adenozīn-5’-monofosfāts (AMP) Adenozīn-5’-difosfāts (ADP) Adenozīn-5’-trifosfāts (ATP)

  8. ATP ATP iesaistīts ~ 95% šūnas un organisma enerģētisko procesu. Diennaktī cilvēka organisms izmanto ap 70 kg ATP (ATP => ADP). Cilvēka organismā ir aptuveni 50 g ATP/ADP/AMP Diennakts laikā katra ATP molekula tiek izmantota (ATP <=> ADP) 1000 - 2000 reižu. Aktīvā šūnā sekundes laikā sintezējas ap 10 000 000 ATP molekulu. ATP molekulas vidējais “dzīves” ilgums šūnā - dažas sekundes.

  9. Organisms / šūna - kā mašīna Enerģijas avots Oksidēšanās - reducēšanās procesi paveiktais Elektronu donors darbs (devējs) Elektronu akceptors (saņēmējs) Oglekļa avots oglekļa savienojumi

  10. Enerģijas avots Hemotrofi – (gr. hemo – ķīmisks, trophe - barība) izmanto ķīmisko enerģiju, kas iegūstama pārveidojot ķīmiskos savienojumus. Var tikt izmantotas gan organiskas gan neorganiskas vielas. Fototrofi – (gr. photos – gaisma, trophe - barība) spēj uzņemt gaismas enerģiju un to pārveidot ķīmisko savienojumu enerģijā.

  11. Elektronu avots Enerģijas iegūšana un nodošana tālāk saistīta ar oksidēšanās / reducēšanās reakcijām. Tajās notiek elektronu pārnese. Savienojumus, kuri spēj oksidēties (atdot elektronus) sauc par elektronu donoriem. A B + e- Fe2+ Fe3+ + e-

  12. Elektronu avots Litotrofiem (gr. lithos – akmens) elektronu donori ir neorganiskas vielas. Organotrofiem elektronu donori ir organiskas vielas.

  13. Elektronu avots Elektroni nepastāv brīvā veidā, tāpēc bioķīmisko pārvērtību laikā tie atrodas saistībā ar dažādiem starpproduktiem – elektronu nesējiem (koenzīmiem vai kofaktoriem). Beigās elektroni jāatdod galējam elektronu akceptoram - savienojumam, kurš procesā tiek reducēts.

  14. Elektronu akceptors Aerobi – akceptors - molekulārais skābeklis. Anaerobi – akceptors - kāds cits reducēties spējīgs savienojums.

  15. Elektronu akceptors Parasti organismi, izmantojot aerobo elpošanu, var iegūt vairāk ATP nekā anaerobos apstākļos. C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O (38 ATP) C6H12O6 2C2H5OH + 2 CO2 (2 ATP) glikoze etanols

  16. Oglekļa avots Visi dzīvie organismi pamatā veidoti no oglekļa savienojumiem, tāpēc būtiski novērtēt, kādā veidā šūna pie tiem tiek. Autotrofi (gr. auto – pats, trophe - barība) – organiskos savienojumus sintezē paši no ogļskābās gāzes - CO2 (ogļskābes). Heterototrofi organismi izmanto oglekli no uzņemtajiem organiskajiem savienojumiem.

  17. Eksistences veidi Kombinējot šos bioķīmiskos raksturlielumus: Enerģijas avots ( hemo- / foto-) Elektronu avots ( lito- / organo-) Elektronu akceptors ( aero- / anaero-) Oglekļa avots (auto- / hetero-)

  18. Eksistences veidi iegūstamas 16 dažādas kombinācijas. Reāli piemēri zināmi 12 kombinācijām. 10 varianti no šīm kombinācijām pārstāvēti tikai mikroorganismu pasaulē.

  19. Eksistences veidi Plašāk pārstāvētas 4 grupas, pārējām grupām katrai pieder tikai daži vai daži desmiti eksotisku mikroorganismu sugu. Daži mikroorganismi, atkarībā no apstākļiem spēj pārslēgties no viena eksistences veida uz citu. Tādus sauc par miksotrofiem vai mezotrofiem organismiem.

  20. Eksistences veidi E avots –gaisma,e- donori – neorganiski (H2O), e- akceptors –(org. vielu sintēze) C avots – CO2 Foto-lito-( )-autotrofija Plaša organismu eksistences grupa - fotosintezējošās baktērijas (piemēram, ciānbaktērijas [zilaļģes]), aļģes, zaļie augi. Viena no vecākajām eksistences grupām. Gaismu uztver ar membrānām saistīti fotosintēzes pigmenti – hlolofils, bakteriohlorofils, rodopsīns..

  21. Foto-lito-autotrofi Elektronu donori – visbiežāk H2O, var būt arī H2S un citi. Ja elektronu donors H2O, izdala vidē O2, visi pārstāvji organiskos savienojumus sintezē paši. H2O-2e O + 2H+ Aptuveni pusi no primāri jaunsintezētām organiskajām vielām un brīvā skābekļa uz Zemes veido mikroorganismi.

  22. Foto-lito-autotrofi Pārstāvji: ciānbaktērijas (zilaļģes) – vismaz 1 500 sugu, daļa purpura un zaļo sēra baktēriju, dažas nesēra purpurbaktēriju sugas, aļģes, gandrīz visi augstākie augi.

  23. Hemo-organo-anaero-heterotrofi E avots – ķīmisks, e- donori – organiski, e- akceptors – organisks C avots – organisks Plaša organismu eksistences grupa. Spējas iegūt enerģiju stipri ierobežotas. Pārstāvji: pienskābās, sviestskābās, spirta un citas rūgšanas baktērijas. C6H12O6 2C2H5OH + 2 CO2 (2 ATF)

  24. Hemo-organo-aero-heterotrofi E avots – ķīmisks, e- donori – organiski, e- akceptors – O2 C avots – organisks Ļoti liela organismu eksistences grupa. Pieder lielākā daļa baktēriju, visi dzīvnieki un sēnes.

  25. Hemo-organo-aero-heterotrofi Parasti enerģijas un oglekļa avots ir viens un tas pats – - ogļhidrāti, - aminoskābes, - taukskābes, - aromātiskie savienojumi un citi. Var veikt fermentācijas (rūgšanas) procesus, bet tie neietver galējos elektronu akceptorus (piemēram, maizes raugs anaerobos apstākļos veido etanolu).

  26. Hemo-organo-aero-heterotrofi Organiskais ogleklis tiek oksidēts līdz CO2trikarbonskābju ciklā (TKC), elektronu akceptors – O2 tiek reducēts līdz H2O, iegūstot 38 vai nedaudz mazāk ATP molekulu no vienas glikozes molekulas.

  27. Hemo-organo-aero-heterotrofi 1. Glikolīze..Rakstūrīga gan aero- gan anaero- heterotrofiem organismiem un ir glikozes noārdīšanas pirmais etaps. 6C atomu glikozes molekula tiek sadalīta divās 3C pirovīnogskābes (piruvāta) molekulās, kuras aerobos apstākļos tālāk tiek noārdītas TKC. . Glikolīze notiek citoplazmā un speciālas membrānu struktūras tam nav vajadzīgas.

  28. Hemo-organo-aero-heterotrofi Glikolīze. Rezultātā tiek iegūtas 2 ATP molekulas un 2 NAD+ molekulas tiek reducēts par NADH+H+ . C6H12O6 + 2 NAD+ ==> 2 C3H4O3 +2 NADH+H+ 2 ADP + 2 P ==> 2 ATP + 2 H2O (ar P apzīmēta fosfātu grupa) - 140 kcal/mol

  29. NAD+ - oksidētā forma H NAD+ Protonu un elektro- nu pārnesējs, koenzīms (kofak- tors) NAD+, ie- saistīts daudzās bioķīmiskās reakcijās Nikotīnamīda Adenīna Dinukleotīds

  30. NADH +H+ - reducētā forma H H NADH + H+ Protonu un elektro- nu pārnesējs, koenzīms (kofak- tors), iesaistīts daudzās bioķīmis- kās reakcijās Nikotīnamīda Adenīna Dinukleotīds + H+

  31. Hemo-organo-aero-heterotrofi 2. Acetil CoA veidošanās. Vairums noārdīto molekulu oglekļa skeleta daļu acetil grupas veidā TKC iekļūst ar acetilkoenzīma A (acetil-CoA) palīdzību. Pirovīnogskābes piesaistīšanu CoA veic vairāku enzīmu komplekss.

  32. Acetil CoA Piesaistītā acetil- grupa

  33. KoenzīmsA H CoA

  34. Hemo-organo-aero-heterotrofi Acetil CoA veidošanās. OH | C=OS –CoA |+HS-CoA ===>|+ CO2 C=O+ NAD+C=O+ NADH+H+ | | CH3CH3 pirovīnog- acetil-CoA skābe

  35. Hemo-organo-aero-heterotrofi 3. TKC Trikarbonskābju-; Krebsa-; Citronskābes- -cikls Ciklā notiek 9 dažādas enzimātiskas reakcijas. Ciklā tiek ievadīti 2 C atomi acetil- grupas veidā (Acetil CoA zaudē iepriekš piesaistīto acetil grupu). Ciklā abi C atomi tiek oksidēti par divām CO2, ko dēvē par vienu „cikla apgriezienu“

  36. Hemo-organo-aero-heterotrofi TKC Lielākā ciklā iegūtās enerģijas daļa paliek kopā ar kofaktora - NAD reducēto formu lielas enerģijas elektronu veidā. Viena cikla apgrieziena laikā veidojas 3 NADH+H+ molekulas. Vienā no cikla oksidēšanās soļiem NAD funkciju veic cits koenzīms - FAD (flavīna adenīna dinukleotīds).

  37. FAD FAD Protonu un elek- tronu pārnesējs, koenzīms (ko- faktors) FAD Flavīna Adenīna Dinukleotīds

  38. Hemo-organo-aero-heterotrofi TKC

  39. Hemo-organo-aero-heterotrofi TKC Reducētā FAD forma - FADH2 līdzīgi NADH+H+ elektronus nodod oksidatīvās fosforilācijas elektronu pārneses ķēdei, lai hemoosmotiskā ceļā sintezētu jaunas ATP molekulas. TKC tiek veidota arī viena GTP (ATP analoga) molekula, izmantojot substrāta fosforilācijas procesu.

  40. Hemo-organo-aero-heterotrofi TKC TKC efektīvi notiek tikai aerobos apstākļos, lai gan pašā ciklā skābeklis netiek izmantots. Skābeklis nepieciešams, lai veiksmīgi oksidētu (reciklētu) TKC laikā izveidotās NAD un FAD reducētās formas. Skābekļa trūkuma gadījumā šūna piepildās ar NAD un FAD reducētajām formām un TKC vairs nevar notikt kā ciklisks process.

  41. Hemo-organo-aero-heterotrofi 4. Elektronu transporta ķēde. NAD un FAD reducētās formas tiek reģenerētas (oksidētas) elektronu transporta ķēdēs. To nodrošina īpašas, ar membrānām saistītas molekulas (eikariotiem - mitohondriju iekšējās membrānās).

  42. Hemo-organo-aero-heterotrofi 4. Elektronu transporta ķēde. Šīs molekulas enerģētiski bagātos elektronus novada līdz skābeklim. Kopā ar elektronu zaudēšanu NADH+H+ un FADH2 tiek atbrīvoti no nestajiem H+, kuri tiek izmantoti palielinātas H+ koncentrācijas veidošanai (mitohondriju) starpmembrānu telpā.

  43. Hemo-organo-aero-heterotrofi 4. Elektronu transporta ķēde. Savukārt palielināto H+ koncentrāciju izmanto ATP-sintetāzes, lai veidotu ATP. ATP veidošanu, izmantojot elektronu pārneses ķēdes radīto H+ koncentrāciju gradientu, sauc par oksidatīvo fosforilēšanu.

  44. Hemo-organo-aero-heterotrofi 4. Elektronu transporta ķēde. Elektronu transporta ķēdi veido proteīni ar prostētiskām grupām (kovalenti saistītiem kofaktoriem), kuras var viegli mainīt savu stāvokli no oksidētas uz reducētu un atpakaļ.

  45. Hemo-organo-aero-heterotrofi Elektronu transporta ķēdes proteīni ietver sekojošas prostētiskās grupas: FMN – flavīnmononukleotīds, Q – ubikvinons – vienīgais ar proteīniem nesaistītais savienojums elektronu pārneses ķēdē. Citohromi: Cit b Cit c1 Cit c Cit a Cit a3

  46. Hemo-organo-aero-heterotrofi 4. Elektronu transporta ķēde. Virknes pēdējais citohroms - Cit a3 elektronus nodod skābeklim, kurš no apkārtējās vides sev piesaista divus H+ jonus un izveidojas ūdens molekula.

  47. oks oks oks oks oks oks Cit a3 Cit a Cit b Cit c FMN Cit c1 red red red red red red NADH + H+ 60 - NAD+ Elektronu pārneses ķēde 50 - oks 40 - Q red Brīvā enerģija attiecībā pret O2 (kcal/mol) 30 - 20 - H2O 0 - O2 Elektronu plūsma

  48. Hemo-organo-aero-heterotrofi Elektronu transporta ķēde. Elektronu transportētāji apvienoti 3 kompleksos: 1. NADH dehidrogenāzes komplekss (FMN). 2. Cit b-c1 komplekss (Cit b, Cit c1). 3. Citohroma oksidāzes komplekss (Cit a, Cit a3).

More Related