Procesy energetyczne

na poziomie

komórkowym

KATABOLIZM –

m.in.:

•

glikoliza

• cykl Krebsa

• ß-oksydacja kwasów tłuszczowych

ANABOLIZM –

m.in.:

•

replikacja

• transkrypcja

• translacja

• transport aktywny

• fotosynteza

• synteza cukrów złożonych

Procesy wytwarzania ATP w błonach
cytoplazmatycznych –

sprzężenie

chemiosmotyczne

Etap I

Podczas przenoszenia elektronów w łańcuchu transportu elektronów
uwalnia się energia wykorzystywana do pompowania przez błonę H

+

( z wody), powstaje elektrochemiczny gradient protonowy

Etap II

Przepływ H

+

zgodnie z gradientem przez kompleks białkowy syntetazę

ATP

e

H

+

H

+

H

+

H

+

H

+

H

+

H

+

ADP

+ Pi

ATP

H

+

H

+

H

+

H

+

H

+

Tworzenie wiązań

wysokoenergetycznych – fosforylacja

1. Fosforylacja substratowa

– reszta fosforanowa zostaje

bezpośrednio przeniesiona na ADP przy wykorzystaniu energii
organicznego substratu

(w glikolizie, cyklu Krebsa)

2. Fosforylacja oksydacyjna

– u wszystkich organizmów

tlenowych do syntezy ATP jest wykorzystywana energia
elektronów i protonów przekazywanych na tlen

(łańcuch

oddechowy w błonach grzebieni mitochondrialnych, w
mezosomach bakterii)

3. Fosforylacja fotosyntetyczna

(cykliczna i

niecykliczna) – konwersja energii świetlnej na chemiczną ATP

(u

fotoautotrofów)

Fotosynteza

12 H

2

O + energia świetlna + 18 ADP + 18 P

i

12 NADPH+H

+

+

18 ATP + 6O

2

6CO

2

+ 12 NADPH+H

+

+ 18 ATP C

6

H

12

O

6

+ 6H

2

O + 18 ADP

+ 18 P

i

Faza jasna

Faza ciemna

Organizmy fotosyntetyzujące

:

- rośliny zielone - sinice

- glony

- bakterie: purpurowe, zielone,

siarkowe

Chloroplast

stroma

błona
zewnętrzn
a

przestrzeń
międzybłonowa

błona
wewnętrzna

DNA

granum

tylakoid gran

tylakoid
stromy

światło
tylakoidu

Błona tylakoidu

– zawiera fotosystemy (chlorofil + białka), łańcuch

transportu elektronów i syntetazę ATP

Faza jasna

(w błonie tylakoidów gran)

A. Pobudzenie fotosystemu PSI – wybicie z chlorofilu w centrum reakcji 2

elektronów, przejęcie elektronów przez

ferredoksynę

, dalej przez

reduktazę ferredoksyny

i przekazanie na

NADP

+

,

który dobiera ze

środowiska 2 jony H+ i powstaje

NADPH+H

+

B. Pobudzenie fotosystemu PSII, wybicie 2 elektronów, przeniesienie ich

na

plastochinon

, dalej na łańcuch przenośników (

cytochrom b,

cytochrom f, plastocyjanina

) i w końcu na

chlorofil w centrum reakcji

PSI

. Energia przepływajacych elektronów jest wykorzystywana do

transportu 2 H

+

ze stromy do światła tylakoidu. Protony wracają do

stromy zgodnie z gradientem przez kanały jonowe – powstaje

ATP

C. Niedobór elektronów w centrum reakcji PSII jest uzupełniany z wody -

fotoliza wody

H

2

O 2H

+

+ ½ O

2

+ 2e

12 H

2

O + energia świetlna + 18 ADP + 18 P

i

12

NADPH+H

+

+

18

ATP

+ 6O

2

Składniki siły asymilacyjnej

KARBOKSYLACJA

REDUKCJA

REGENERACJA

Faza ciemna
- cykl Calvina

Rybulozo-1,5-dwufosforan)

Wydajność energetyczna
fotosyntezy:

30%

(0,3 energii pochłanianej przez

fotosystemy jest akumulowana w
glukozie)

Fotoautotro

fy:

rośliny zielone

bakterie
sinice

fotosystem

PSI i PSII

PSI

typ
fosforylacji

niecykliczna
cykliczna

cykliczna

max.
absorpcji
chlorofilu

700nm, 680 nm

870 nm

akceptor
elektronów

ferredoksyna

(PSI)
plastochinon

(PSII)

ferredoksyn

a

donor
protonów H

+

H

2

O

np. H

2

S

barwniki pomocnicze: u glonów -

fikoerytryna, fukoksantyna

u sinic i bakterii - fikocyjanina

Chemosynteza

-

asymilacja CO

2

przy wykorzystaniu energii utleniania prostych

związków nieorganicznych (

chemolitotrofy

) lub związków

organicznych np. metan (

chemoorganotrofy

).

- proces prowadzony tylko przez bakterie
- proces niezależny od światła
- mała wydajność energetyczna, znikomy udział w produkcji
biomasy

- znaczenie w cyklach biogeochemicznych (w obiegu
pierwiastków w przyrodzie)

-reakcje utlenienia prostszych związków nieorganicznych - y,

Fazy chemosyntezy

1. Utlenianie związku chemicznego z wytworzeniem

ATP (odpowiednik fazy jasnej fotosyntezy)

2. Asymilacja CO

2

(odpowiednik fazy ciemnej)

Bakterie azotowe (nitryfikacyjne)

Nitrosomon
as

2NH

3

+ 3O

2

2 HNO

2

+ 2H

2

O

(664 kJ)

Utlenianie amoniaku do azotynów

Bakterie nitryfikacyjne

Nitrobacter

2HNO

2

+ 3O

2

2 HNO

3

+ 2H

2

O

(151 kJ)

Utlenianie azotynów do azotanów

Bakterie siarkowe -

2H

2

S + O

2

2H

2

O + 2S (65

kJ)

Utlenianie siarkowodoru do czystej siarki

Beggiatoa

Bakterie siarkowe

2S + 3O

2

+ 2H

2

O 2 H

2

SO

4

(1193 kJ)

Thiotrix

Bakterie żelazowe

2Fe(HCO

3

)

2

+ 1/2O

2

+ H

2

O Fe(OH)

3

+ 4 CO

2

(168 kJ)

Ferrobacillus

Utlenianie soli Fe

2+

do Fe

3+

Bakterie wodorowe

CH

4

+ 2O

2

CO

2

+

2 H

2

O (445 kJ)

2H

2

+ O

2

2H

2

O (479 kJ)

Bakterie metanowe

Oddychanie

Etap I - rozbicie makrocząsteczek
na jednostki monomeryczne (na
zewnątrz komórki lub w komórce -
z udziałem lizosomów)

Etap II – glikoliza – rozbicie
monomerów do acetylo-CoA
(w cytozolu)

Etap III- całkowite utlenienie
acetyloCoA do CO

2

i H

2

O z

wytworzeniem dużych ilości
ATP

K
O
M
Ó
R
K
A

Z
W
I
E
R
Z
Ę
C
A

Oddychanie wewnątrzmitochondrialne

1. Reakcja pomostowa - oksydacyjna

dekarboksykacja pirogronianu do acetyloCoA

(w

matrix mitochondrialnej)

2. Cykl Krebsa – całkowite utlenienie czynnego

octanu do CO

2

; powstają zredukowane

przenośniki protonów i elektronów NADH

+

+ H

+

i

FADH

2

(w matrix mitochondrialnej)

3. Utlenianie końcowe w łańcuchu oddechowym

– powstaje ATP i H

2

O

(w błonie grzebieni

mitochondrialnych)

Oddychanie na poziomie
komórkowym

Oddychanie cytoplazmatyczne

Glikoliza – beztlenowa obróbka glukozy

C

6

H

12

O

6

+ 2ATP + 2 NAD

+

2 CH

3

COCOOH + 2 ATP + 2

NADH

+

+ H

+

Cykl kwasu cytrynowego (cykl

Krebsa)

Źródła acetyloCoA

Produkty:
3 x NADH

2

1 x GTP
1 x FADH

2

2 x CO

2

Oksydacyjna dekarboksykacja pirogronianu

do

acetyloCoA (w matrix mitochondrialnej)

Łańcuch oddechowy

+ +

+ + +

+ +

+ +

- - -

- - - -

- -

1 para e z NADH umożliwia transport 3 par H

+

2 ATP

- z glikolizy

4 ATP

– z NADH cytoplazmatycznego

6 ATP

– z reakcji pomostowej

2 ATP

– z fosforylacji substratowej w cyklu

Krebsa

22 ATP

– z łańcucha oddechowego

36 ATP

Zysk energetyczny

Oddychanie tlenowe

C

6

H

12

O

6

+ 6O

2

+ 36ADP + 36 P

i

6 CO

2

+ 6 H

2

O

+ 36 ATP

Fermentacja

mlekowa

G

L

I

K

O

L

I

Z

A

glukoza

2 x pirogronian

2
ADP
2 ATP

2
NAD

+

2 NADH +
2H

+

2 x mleczan

2 NAD

+

Regeneracja

NAD+

dehydrogenaza mleczanowa

Cel: restytucja NAD (niezbędnego w procesie glikolizy)

Zachodzi w komórkach bakterii, w mięśniach kręgowców w
warunkach deficytu tlenowego.

Fermentacja

alkoholowa

G

L

I

K

O

L

I

Z

A

glukoza

2 x pirogronian

2
ADP
2 ATP

2
NAD

+

2 NADH +
2H

+

2 x etanol

2 NAD

+

Regeneracja

NAD+

2 x aldehyd
octowy

2 x CO

2

H+

dekarboksylaza pirogronianowa
dehydrogenaza alkoholowa

Cel: restytucja NAD

Zachodzi u bakterii, niektórych grzybów (drożdży)