Kierunki przemian metabolicznych

Kierunki przemian metabolicznych

NMG

1

NMG

•1) podstawowe pojęcia
•2) Anabolizm
•3) Katabolizm
•4) Charakterystyka ATP
•5) Mechanizmy syntezy ATP
•6)

Nośniki elektronów (zadanie

domowe)

2

NMG

METABOLIZM

•

(gr.

metabole – przemiana

) to ogół przemian

biochemicznych i reakcji enzymatycznych
zachodzących w komórce lub organizmie,
umożliwiających przemianę materii i energii.

•

U organizmów jednokomórkowych metabolizm
warunkuje spełnianie funkcji życiowych, natomiast
u wielokomórkowców duża część aktywności
metabolicznej komórki służy innym komórkom,
czyli jest skierowana na zewnątrz.

•

Wyróżnia się dwa kierunki przemian
metabolicznych: anabolizm i katabolizm

3

NMG

Podstawowe pojęcia

• Enzym - substancje o charakterze białkowym,

pełniące rolę katalizatorów biologicznych. Działają
zarówno wewnątrz komórek jak i poza ich obszarem,
w płynach ustrojowych, zwiększając szybkość reakcji
rozkładu i biosyntezy.

• Katalizator - substancja chemiczna, która dodana

do układu powoduje zmianę ścieżki kinetycznej
reakcji chemicznej, na taką, która ma niższą energię

• Apoenzym – część białkowa enzymu
• Kofaktor – część niebiałkowa enzymu

4

NMG

5

NMG

6

NMG

Anabolizm

Reakcje anaboliczne

to reakcje syntez związków

bardziej złożonych z prostszych, zwykle
wymagające dostarczenia energii.

Energia dostarczana do tych przemian umożliwia

podwyższenie poziomu energetycznego
związków. W wyniku reakcji anabolicznych
powstaje wysokoenergetyczny produkt.

Do tej grupy przemian zalicza się reakcje biosyntezy
białek, kwasów tłuszczowych, lipidów i innych złożonych
związków organicznych.
Przykładem reakcji anabolicznej jest wiązanie CO

2

i

wbudowywanie go w związki organiczne podczas
fotosyntezy lub chemosyntezy.

7

NMG

Katabolizm

Reakcje kataboliczne

to reakcje, w których

następuje obniżenie poziomu
energetycznego substratów na skutek ich
rozkładu na związki prostsze.

Większość przemian katabolicznych

przebiega z uwolnieniem energii

.

Podstawowym procesem katabolicznym jest
oddychanie ( utlenianie biologiczne). W procesie
tym energia zawarta w cukrach lub innych
związkach organicznych uwalnia się, a powstające
produkty, np. CO

2

,H

2

O, są znów na niskim poziomie

energetycznym.

8

NMG

4) Charakterystyka ATP

Adenozynotrifosforan (ATP)

ATP jest nukleotydem, czyli organicznym

związkiem chemicznym zbudowanym z
adeniny, rybozy i trifosforanu.

Kumulowana w jego wysokoenergetycznych

wiązaniach fosforanowych energia

uwalniana jest w procesie hydrolizy do ADP

(adenozynodifosforanu) i ortofosforanu (Pi):

9

NMG

BUDOWA ATP

C

10

H

16

N

5

O

13

P

3

C

10

H

16

N

5

O

13

P

3

10

NMG

11

NMG

Historia

ATP odkrył w 1939 roku niemiecki chemik Karl Lohmann. Jego funkcję

cząsteczki przenoszącej energię w komórce wykazał Fritz Lipmann

za co został w 1953 r. uhonorowany nagrodą Nobla.

Pierwszą syntezę ATP in vitro przeprowadził w 1948 r. Alexander Todd,

co przyniosło temu uczonemu nagrodę Nobla z chemii w 1957 r.

Kolejne nagrody Nobla związane bezpośrednio z ATP otrzymali: Peter

D. Mitchell (1978) za powiązanie gradientu stężeń jonów

wodorowych z syntezą ATP, Paul D. Boyer i John E. Walker (1997) za

zbadanie mechanizmu działania syntazy ATP oraz w tym samym

roku Jens C. Skou za badania nad pompą sodowo-potasową zależną

od ATP

12

NMG

WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE ATP

Cząsteczka ATP jest nukleotydem składającym się

z zasady azotowej – adeniny połączonej wiązaniemN-

glikozydowym z cząsteczką cukru – rybozy i trzech

reszt fosforanowych połączonych ze sobą dwoma

wiązaniami bezwodnikowymi. Reszty fosforanowe są

oznaczane w ogólnie przyjętej notacji greckimi

literami α, β i γ.

13

NMG

Źródłem energii w większości procesów biochemicznych

przebiegających z udziałem ATP jest hydroliza wiązania

bezwodnikowego pomiędzy resztami β i γ zgodnie z

równaniem reakcji:

ATP + H

2

O → ADP + Pi

W wyniku tego procesu powstaje cząsteczka ADP oraz anion

fosforanowy (Pi).

14

NMG

ATP uniwersalnym nośnikiem energii

• Jest przenoszony z miejsca, gdzie

jest produkowany do miejsca, gdzie
jest wykorzystywany dzięki białkom
transportującym

15

NMG

• Wiązania między grupami

fosforowymi są wysokoenergetyczne

• Grupy fosforowe łatwo się odłączają ,

powodując ufosforylowanie różnych
związkow

ATP uniwersalnym nośnikiem energii

16

NMG

ATP uniwersalnym nośnikiem energii

• Po utraceniu grupy , natychmiast są

one odzyskane na drodze fosforylacji

17

NMG

Funkcje ATP

Jeden z wielu w organizmie związków, z którego czerpie on energię do
życia i jego przejawów. Wszystkie procesy energetyczne służą, w
końcowym rozrachunku, do tworzenia ATP lub jego redukcji. Związek
ten nie jest magazynowany, tylko tworzony na bieżąco.

Ostatnie badania wskazują na funkcje puryn adeninowych
pojawiających się w przestrzeni ektocelularnej jako
zewnątrzkomórkowych cząsteczek sygnalizacyjnych aktywujących
receptory purynowe. I tak np. ADP pojawiający się na skutek
uszkodzenia jest sygnałem przerwania ciągłości naczyń krwionośnych.

ATP natomiast bierze udział w regulacji ciśnienia krwi oddziałując na
receptory P2OOO oraz P2Ysa. Efekt działania adenozynotrójfosforanu
zależny jest od umiejscowienia tych receptorów. Głównymi
mechanizmami uwalniania e-puryn jest egzocytoza oraz transport
przez transbłonowe transportery i białka transportujące.

18

NMG

5) Mechanizmy syntezy ATP

• Fosforylacja substratowa

• Fosforylacja fotosyntetyczna

• Fosforylacja oksydacyjna

19

NMG

Fosforylacja substratowa

reakcja chemiczna, która ma miejsce, gdy
reszta fosforanowa zostanie przeniesiona
ze związku ufosforylowanego – substratu –
bezpośrednio na ADP przez enzymy,
najczęściej z grupy kinaz. Ten sposób
wytwarzania ATP nie wymaga udziału tlenu
i zachodzi np. w glikolizie oraz cyklu Krebsa

Substrat wysokoenergetyczny (ufosforylowany) +
ADP → produkt niskoenergetyczny + ATP

Substrat wysokoenergetyczny (ufosforylowany) +
ADP → produkt niskoenergetyczny + ATP

ADP

20

NMG

Fosforylacja ta pozwala, np. mięśniom
szkieletowym funkcjonować sprawnie
podczas dużego wysiłku fizycznego
przy niedostatecznym dopływie tlenu.

Fosforylacja substratowa

Ten sposób wytwarzania ATP jest
ewolucyjnie najstarszy, jednak ilość
związków, które mogą wejść w reakcję
fosforylacji substratowej jest ograniczona.

21

NMG

Fosforylacja oksydacyjna

• jest szlakiem metabolicznym, w którego

wyniku energia uwalniana podczas
utleniania zredukowanych nukleotydów
przekształcana jest w energię ATP.

Energia uwalniana jest w ostatnim etapie
oddychania komórkowego – łańcuchu
oddechowym. Proces ten zachodzi na
grzebieniu mitochondrialnym ( u eucariota na
mezosomach)

22

NMG

Fosforylacja
oksydacyjna

23

NMG

Fosforylacja fotosyntetyczna,

fotofosforylacja

Fosforylacja fotosyntetyczna,

fotofosforylacja

• proces zachodzący w fazie jasnej

fotosyntezy w chloroplastach. Polega na
wytworzeniu ATP z ADP i fosforanu
nieorganicznego przy użyciu energii światła.

ADP + Pi +

(energia świetlna) → ATP

ADP + Pi +

(energia świetlna) → ATP

24

NMG

25

NMG

SYNTAZA ATP

• enzym katalizujący reakcję wytwarzania związku

wysokoenergetycznego – ATP z ADP i fosforanu
nieorganicznego Pi.

• Energia niezbędna do syntezy pochodzi z gradientu

elektrochemicznego i przekształcana jest w energię wiązań
chemicznych podczas transportu protonów przez syntazę ATP.

Enzym katalizuje reakcję:
ADP + P

i

→ ATP

składa się z dwóch domen. Pierwsza z nich – Fo – jest białkiem
wewnątrzbłonowym tworzącym kanał jonowy dla jonów H

+

. Druga

domena jest właściwą syntazą składająca się z kilkunastu
polipeptydów tworzących kulista strukturę

składa się z dwóch domen. Pierwsza z nich – Fo – jest białkiem
wewnątrzbłonowym tworzącym kanał jonowy dla jonów H

+

. Druga

domena jest właściwą syntazą składająca się z kilkunastu
polipeptydów tworzących kulista strukturę

26

NMG

Za chloroplastową syntezę ATP
bezpośrednio odpowiedzialna
jest

syntaza ATP

. Enzym ten

określany za pomocą skrótu
CF

o

F

1

27

NMG

Nośniki elektronów

• Na podstawie podręcznika opisz

pozostałe uniwersalne nośniki
elektronów.

28

NMG

29

NMG