Za žive organizme veljajo zakoni termodinamike. Živi organizmi lahko energijo pretvarjajo iz ene oblike V
Yüklə 62,19 Kb. Pdf görüntüsü
|
| Bioenergetika Za žive organizme veljajo zakoni termodinamike. Živi organizmi lahko energijo pretvarjajo iz ene oblike v drugo, ne morejo pa je ustvariti ali izničiti. Sposobno so sprejeti uporabno energijo iz okolja in odvečno vrniti v okolje v obliki toplote. Pri procesu pretvarjanja energije povečujejo entropijo (vesolja). Za splošno kemijsko reakcijo: velja, da bo potekala spontano do vzpostavitve ravnotežja, ki je določeno z ravnotežno konstanto. Mera za spontanost je Gibbsova prosta energija: ???????????? + ???????????? ⇌ ???????????? + ???????????? Δ?????? = Δ?????? − ??????Δ?????? Δ?????? < 0 Δ?????? = 0 Δ?????? > 0 spontan proces sistem v ravnotežju nespontan proces Δ?????? = Δ?????? 0 + ?????????????????????????????? Zgornje zveze uporabljamo za preračunavanje energije reakcij iz ravnotežnih konstant in obratno. V celicah je položaj ravnotežja kemijskih reakcij odvisen od lokalnih koncentracij reaktantov in produktov. Δ?????? = 0 ⟹ Δ?????? 0 = −?????????????????????????????? = −???????????????????????? ?????? ??????
?????? ??????
?????? ??????
?????? ??????
Celični metabolizem Metabolizem so procesi pridobivanja, shranjevanja, pretvorbe in uporabe energije. Metabolične reakcije v celici potekajo po različnih metaboličnih poteh = zaporedjih reakcij, ki potekajo z nekim namenom. A, B, C, D, .... metaboliti – vmesni produkti metabolnih poti E .... encimi Metabolične poti imajo lahko različne oblike. Metabolične poti v človeški celici Metabolične reakcije v celici potekajo po različnih metaboličnih poteh. Celični metabolizem Osnovna dela metabolizma sta: Katabolizem - razgradnja bioloških molekul. Kemijski proces v celoti je oksidacija. Nastanejo reducirani koencimi (NADH, NADPH, FADH 2 ). Nastaja ATP. Kemijska energija se sprošča. Anabolizem – sinteza bioloških molekul.
Kemijski proces v celoti je redukcija. Nastanejo oksidirani koencimi (NAD + , NADP
+ , FAD). ATP in kemijska energija se porabljata. Katabolizem in anabolizem sta med seboj povezana preko „energijskega cikla ATP“.
Celični metabolizem Glede na oskrbo z energijo razdelimo organizme na dva velika razreda – avtotrofe in heterotrofe. Skupini uporabljata različne vire energije, procesi razgradnje biopolimerov pa so pri obojih podobni. Heterotrofe dalje razdelimo na aerobne in anaerobne. Pri aerobnem metabolizmu se substrati oksidirajo do CO 2 , pri anaerobnem pa do etanola (alkoholna fermentacija) ali laktata (mlečnokislinska fermentacija). Celični metabolizem Celični metabolizem Vnos za življenje pomembnih molekul v celice. Celice ne morejo same sintetizirati vseh molekul, ki jih potrebujejo.
Koencimi NAD sodeluje v katabolnih reakcijah oksidacije: FAD sodeluje v reakcijah eliminacije/adicije: NADP sodeluje v reduktivnih biosinteznih reakcijah : Koencimi Koencim A deluje kot prenašalec vmesnih produktov v razgradnji maščobnih kislin in glukoze. Za njegovo biosintezo je potreben pantotenat (vitamin B5).
ATP Pri oksidaciji organskih molekul se sprošča energija. ATP + H 2 O → AMP + PP i ΔG 0 = −45.6 kJ/mol (−10.9 kcal/mol) ATP + H 2 O → ADP + P i ΔG 0 = −30.5 kJ/mol (−7.3 kcal/mol) fosfoanhidridna vez fosforilna skupina fosfatna skupina ATP ATP Fosfatna skupina se lahko nahaja v več resonančnih oblikah s približno enako energijo. V oligofosfatih, povezanih s fosfoanhidridno vezjo, se število ugodnih resonančnih oblik zmanjša, ker strukture z dvema sosednjima pozitivnima nabojema niso stabilne.
Hidroliza ATP Trije faktorji, ki vplivajo na D
1. Elektrostatski odboj 2. Resonančna stabilizacija 3. Hidratacija
Prenos energije z molekule ATP Energija iz molekule ATP se lahko izkoristi na dva načina: - Z direktno hidrolizo fosfoanhidridne vezi (poleg ATP tudi GTP): - Mehansko gibanje – premikanje ribosoma, krčenje mišic, encimi, ki razvijajo DNA - Konformacijske spremembe nekaterih regulatornih proteinov - S prenosom fosforilne skupine na substrat (trajen/prehoden). Večina ATP in ADP v citosolu celic, torej tisti, ki vstopa v reakcije, je v obliki kompleksa z Mg 2+ . ATP Pri encimsko kataliziranih kemijskih reakcijah, ki za potek reakcije
potrebujejo hidrolizo ATP, slednji deluje tako, da prehodno prenese fosforilno skupino na substrat (in ga s tem aktivira). ATP Mehansko gibanje (konformacijske spremembe) se lahko vrši tudi preko prenosa fosforilne skupine:
Energijsko bogate molekule ATP ni edina energijsko bogata fosforilirana molekula v celici. Tudi večina ostalih deluje po principu prenosa fosfatne skupine. Glede na količino energije, ki se sprosti ob hidrolizi, govorimo o ustrezno visokem potencialu za prenos fosforilne skupine. Energijsko bogate molekule Energijsko bogate molekule Energijsko bogate molekule Poraba energije v mišični celici ATP-ja je za manj kot 1 s intenzivnega delovanja mišic, kreatin- fosfata za nekaj sekund (4 s teka na 100 m). Fosforilna skupina se s kreatinfosfata prenese na ADP. V mišici: [ATP] = 4 mM [ADP] = 0.013 mM [kreatinP] = 25 mM [kreatin] = 13 mM
Metabolične poti v človeški celici Shema celičnega metabolizma Celični metabolizem V evkariontskih celicah je metabolizem kompartmentaliziran. Metabolizem ogljikovih hidratov pri človeku Pentozafosfatna pot Sinteza NADPH za anabolične reakcije
Glikoliza Glikoliza je metabolična pot pretvorbe glukoze v piruvat. Je najbolj univerzalen metaboličen proces, ki poteka v skoraj vseh celicah na enak način. Neto reakcija glikolize: glukoza + 2 P i + 2 ADP + 2 NAD + ⟶ 2 piruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 H
2 O
Glikoliza Glikoliza Glikoliza Glikoliza Drugi monosaharidi in oligo/polisaharidi vstopajo v glikolizo na način, da se predhodno pretvorijo v enega od intermediatov glikolize. Disaharidi se v črevesju hidrolizirajo v monosaharide, ki se nato prenesejo v kri: ?????????????????????????????????????????? + ?????? 2 ?????? ⇋ 2 ?????????????????????????????????????????? ????????????ℎ?????????????????????????????? + ?????? 2 ?????? ⇋ ?????????????????????????????????????????? + ???????????????????????????????????????????????? ?????????????????????????????????????????? + ?????? 2 ?????? ⇋ ?????????????????????????????????????????? + ?????????????????????????????????????????????????????? Najpomembnejša prehranska polisaharida sta glikogen in škrob. V prebavnem traktu se razgradita na glukozo, ki se absorbira. Glikoliza iz razgradnje lipidov Koncentracija laktaze pri otrocih je visoka, z odraščanjem pa se zniža na okoli 5 do 10% tiste ob rojstvu. Pri
določenem deležu
populacije se koncentracija zniža do te mere, da se laktoza v črevesju več ne prebavi (cepi) dovolj učinkovito. Presežna laktoza je hrana za bakterije, ki jo prebavijo do mlečne kisline, ob tem pa generirajo metan in vodik, ki povzročata prebavne motnje. Stanju pravimo laktozna intoleranca.
Napake v metabolizmu ogljikovih hidratov Napake v metabolizmu ogljikovih hidratov Redkejša bolezen, povezana z metabolizmom galaktoze je galaktozemija, ki je najpogosteje posledica dednega pomanjkanja encima galaktoza-1-fosfat uridiltransferaze. Pri teh pacientih se kljub opuščanju galaktoze iz hrane pojavijo okvare živčnega sistema in katarakta (siva mrena). Do katarakte pride zaradi nabiranja osmotsko aktivnega galaktitola v leči, ki pritegne veliko vode. http://vision.ucsf.edu/hortonlab/ResearchProgram%20Pics/kid% 20with%20cataract.jpg Sproščanje glukoze iz glikogena Struktura glikogena: Sproščanje glukoze iz glikogena Glikogen se shranjuje v jetrih in po potrebi sprošča v kri. Nekaj lastne zaloge glikogena imajo tudi mišične celice. Shema sproščanja glukoze iz glikogena v jetrih:
Sproščanje glukoze iz glikogena Za razgradnjo molekul glikogena je potrebno koordinirano delovanje treh encimov. Usoda piruvata alkoholna fermentacija hipoksični ali anaerobni pogoji kvasovke
mlečnokislinska fermentacija anaerobni pogoji mišice
Mlečnokislinska fermentacija Poteka v mišicah pri intenzivnem delu, ko nastanejo anaerobni pogoji. Neto reakcija je glukoza + 2 ADP + 2 P i ⟶ 2 laktat + 2 ATP + 2 H 2 O Nastali laktat se prenese v jetra, kjer se iz njega sintetizira glukoza v procesu glukoneogeneze. Temu procesu pravimo Corijev ciklus. Mlečnokislinska fermentacija Glukoneogeneza Glukoneogeneza je univerzalna metabolična pot biosinteze glukoze iz manjših prekurzorjev. Pri človeku so glavno mesto glukoneogeneze jetra. Proces poteka kooperativno z glikolizo.
Glukoneogeneza Glukoneogeneza ni le obratna pot glikolize, temveč uporablja nekatere druge encime (tiste, ki katalizirajo enosmerne reakcije).
Glukoneogeneza V glukozo se preko glukoneogeneze lahko pretvarjajo tudi nekatere aminokisline. Imenujemo jih glukogene aminokisline. V proces vstopajo na različnih mestih.
Regulacija metabolizma Metabolizem ogljikovih hidratov in drugih goriv je uravnavan z lokalnimi koncentracijami metabolitov ter globalno v celotnem telesu s tremi hormoni:
Regulacija glikolize in glukoneogeneze F-2,6-BP – alosteričen regulator, katerega nastanek zavira glukagon citrat – signalizira zalogo metaboličnih intermediatov (citratni cikel) alanin – signalizira zalogo energije heksokinaza je regulirana z negativno povratno zvezo (G6P) Signaliziranje preko receptorjev epinefrin (= adrenalin) glukagon receptor, sklopjen z G-proteinom (7 transmembranskih a -vijačnic) heterotrimerni G-protein primarni obveščevalec adenilat ciklaza sekundarni obveščevalec Signaliziranje preko receptorjev Epinefrin/glukagon sprožita kaskado, v kateri se signal močno ojača. Preko cAMP delujejo tudi številne druge signalne molekule. Signaliziranje preko receptorjev Receptor za inzulin spada v družino receptorskih tirozinskih kinaz. Ob vezavi liganda pride do dimerizacije receptorja in njegove aktivacije z avtofosforilacijo. Aktiviran receptor deluje na druge proteine tako, da jih fosforilira in s tem spremeni njihovo aktivnost. Inzulin sproži vnos glukoze v celico in sintezo glikogena (v jetrih, mišicah) ali maščobnih kislin (v adipocitih). Tudi inzulin
deluje preko
kaskade znotrajceličnih dogodkov. Sinteza glikogena Sinteza glikogena poteka po drugačni metabolični poti kot njena razgradnja. Glukoza se v glikogen dodaja v aktivirani obliki UDP-glukoze.
Sinteza glikogena Sinteza glikogena poteka po drugačni metabolični poti kot njena razgradnja. Glukoza se v glikogen dodaja v aktivirani obliki UDP-glukoze.
Regulacija sinteze in razgradnje glikogena Razmerje med hitrostjo sinteze in razgradnje glikogena je v celicah regulirano preko regulacije ključnih encimov v obeh procesih – glikogen sintaze in glikogen fosforilaze. Protein kinazo aktivirata adrenalin in glukagon.
Pentozafosfatna pot Pentozafosfatna (fosfoglukonatna) pot je pot oksidacije glukoze, pri kateri nastane NADPH. Pentozafosfatna pot Pentozafosfatna (fosfoglukonatna) pot je pot oksidacije glukoze, pri kateri nastane NADPH. Faza 1 – tvorba NADPH Faza 2 – pretvorba C5 sladkorja v C6 in C3 intermediate, ki se lahko vrnejo v glikolizo. Pentozafosfatna pot V oksidativni fazi nastaneta 2 molekuli NADPH. V neoksidativni fazi encimi transketolaze in transaldolaze katalizirajo pretvorbo C5 sladkorja v C6 in C3 sladkorje z neto reakcijo: 3 ?????? 5 ⇋ 2 ?????? 6 + ??????
3 Yüklə 62,19 Kb. Dostları ilə paylaş:
|