Metabolizam i energija - pmf.unsa.ba za organsku hemiju i biohemij… · Metabolizam i energija...

Metabolizam i energija

Razvitkom organizma, od jednostavne graĊe kod beskiĉmenjaka do složenije kod kiĉmenjaka, organizmi su se suoĉili s tri izazova:

1. bio im je potreban mehanizam koji bi regulisao koliko se viška energije može pohraniti i u kojem obliku;

2. pojavila se potreba za specijaliziranim tipovima stanica za pohranjivanje viška energije u obliku masti, tako da se njihovo odlaganje može bolje regulisati;

3. potreban im je mehanizam za koordinaciju toka energije kroz razliĉite organe kao odgovor na promjenu prehrambenog statusa.

2


Svi organizmi imaju potrebu za energijom za izvršavanje zadataka; metabolizam je skup hemijskih reakcija koje oslobaĊaju energiju za ćelijske procese

Energetski metabolizam može se definirati kao procesi koji zavise od:

◦ unosa hrane,

◦ „upotreba” hrane za oslobaĊanje energije i

◦ skladištenje viška energije

Ti procesi obiĉno imaju oblik složenih metaboliĉkih puteva unutar ćelije, općenito kategoriziranih kao kataboliĉki ili anaboliĉki procesi

3


Ćelijski metabolizam predstavlja razmjenu tvari i energije na ćelijskom nivou

To su sve hemijske reakcije koje se zbivaju u organizmu, tj.u ćeliji

Metabolizam predstavlja mehanizam za eliminaciju egzogenih (nepoželjnih) spojeva iz organizma i kontrolu nivoa endogenih (poželjnih) spojeva u organizmu.

4


Metabolizam ima tri osnovna zadatka

◦ Da snadbije organizam energijom za tjelesne funkcije i održavanje

◦ Da razgradi unešene strane spojeve do jednostavnih struktura (katabolizam) i izvrši biosintezu kompleksnih molekula za koje je obiĉno potrebna energija (anabolizam)

◦ PrevoĊenje ili biotransformaciju stranih spojeva u polarnije, u vodi topive i jonizirane strukture koje se mogu lakše eliminirati

5


Svi živi organizmi imaju potrebu za konstantnim prilivom energije kako bi održali ćelijsku strukturu i rast.

◦ Hemotrofni organizmi - dobivaju energiju oksidacijom hranjivih tvari

◦ Fototrofni organizmi - dobivaju energiju od svjetlosne energije

Dobivenu energiju koriste za:

◦ Za mehaniĉki rad (kontrakcija mišića, pokretljivost ćelije);

◦ Za aktivni transport molekula i jona;

◦ Za sintezu makromolekula i drugih biomolekula iz monomera

6


Citoplazmatski organeli pružaju i mogućnost specijalizacije pojedinih ćelijskih odjeljaka za specifiĉne metaboliĉke procese.

Proizvodnja metaboliĉke energije glavna je aktivnost svih stanica, a dva citoplazmatska organela su „zadužena” za energetski metabolizam i proizvodnju ATP.

◦ Mitohondriji su odgovorni za proizvodnju glavnine upotrebljive energije osloboĊene razgradnjom lipida i ugljikohidrata.

7


◦ Hloroplasti koriste energiju dobivenu od Sunĉevog svjetla za proizvodnju ATP i reduktivnog potencijala potrebnog za sintezu ugljikohidrata iz CO2 i H2O.

◦ I treća organela koja aktivno uĉestvuje u metaboliĉkim procesima su peroksisomi. Oni sadrže enzime ukljuĉene u razliĉite metaboliĉke puteve, npr. razgradnja masnih kiselina i metabolizam nus produkata.

8


◦ Osobine metabolita

o Polarniji i hidrosolubilniji od polaznog spoja

oManje jonizirani pri fiziološkom pH

oManje vezani za proteine plazme i tkiva

oManje deponovani u mastima

o Teže prolaze kroz ćelijske membrane

9


Metabolizam je definisan kao suma svih hemijskih reakcija koje organizam koristi za rast, prehranu, kretanje i izbacivanje otpadnih spojeva.

Metabolizam se sastoji od dva glavna dijela, katabolizma i anabolizma.

10


Metabolizam je organiziran u metaboliĉke puteve

11


Metaboliĉke reakcije ĉesto se spajaju u metaboliĉke puteve, gdje se jedna tvar transformira, kroz niz reakcija, u drugu.

Ovaj proces proizvodi razliĉite intermedijere, koji mogu djelovati kao poĉetni supstrati za druge metaboliĉke puteve.

Sve reakcije ćelije i organizma su organizirane u pažljivo reguliranim sekvencama, koje su poznate kao metaboliĉke šeme.

Svaki metabolizam se sastoji od serije koraka koji prevode poĉetni materijal do konaĉnog produkta.

12

13

Važan opšti princip metabolizma je da se biosintetski (anabolički) i razgradni (katabolički) putovi gotovo uvijek razlikuju. Ova razliĉitost je nužna iz energetskih razloga, a ujedno omogućava i bolju kontrolu metabolizma.

15

Metabolizam glukoze.

Glukoza se metabolizira u piruvat u 10 povezanih reakcija. U anaerobnim uvjetima piruvat se metabolizira do laktata, a u aerobnim uvjetima do acetil CoA.

Ugljici glukoze koji se pretvaraju u acetil CoA dodatno se oksidiraju do CO2.


Metaboliĉki procesi kod jednoćelijskih bakterija služe kao model.

Da bi se održao život bakterije E. coli u kulturi potrebno je da glukoza služi kao izvor C atoma i energije, te anorganske soli kao izvor N i P.

Sposobnost bakterije da raste pod ovim uslovima je nevjerovatna, posebno kad se uzme u obzir kompleksnost nekih biomolekula u živom sistemu.

16


Katabolizam je skupina metaboliĉkih procesa koji razgraĊuju velike složene molekule.

Glavna svrha razgradnje složenih molekula je dobivanje manjih molekula koje kasnije služe kao "materijal" za izgradnju složenih spojeva za potrebe organizma (anaboliĉke reakcije), a procesi se koriste i za dobivanje energije.

17


Anabolizam je niz metaboliĉkih proces izgradnje složenih molekula, za koje se troše prekursori i energija nastala katabolizmom. Složene molekule koje uglavnom ĉine ćelijske strukture, nastaju postepeno, korak po korak iz malih jednostavnih molekula.

Anaboliĉki procesi: ◦ Povezivanje monosaharida u glikogen

◦ Povezivanje aminokiselina u proteine

◦ Povezivanje masnih kiselina u lipide

18


Anabolizam se odvija u tri koraka:

◦ u prvom koraku nastaju prekursori složenih molekula kao što su aminokiseline, monosaharidi, izoprenoidi i nukleotidi.

◦ u drugom koraku prekursori se aktiviraju, vezanjem energije iz ATP-a.

◦ u trećem koraku se prekursori spajaju u složene spojeve kao što su proteini, polisaharidi, lipidi i nukleinske kiseline.

19


Klasifikacija organizama prema njihovom metabolizmu

20

izvor energije

sunĉeva svjetlost

foto-

-trof

molekule hemo-

donor elektrona

organski spoj

organo-

anorganski spoj

lito-

izvor ugljika

organski spoj

hetero-

anorganski spoj

auto-


Po naĉinu dobijanja organskih molekula, koji služe kao izvor energije živa bića se dijele u dvije velike grupe:

◦ autotrofne

◦ heterotrofne

Autotrofni organizmi su sposobni da vrše fotosintezu (ili hemosintezu), da sunĉevu energiju (ili hemijsku energiju) iskoriste za sintezu organskih materija koje će im služiti za dobijanje energije (proizvoĊaĉi).

21


Heterotrofni organizmi uzimaju gotove organske materije hranom i sagorijevanjem tih materija obezbjeĊuju potrebnu energiju. Hrana heterotrofa direktno ili indirektno potiĉe iz organskih materija nastalih fotosintezom (potrošaĉi).

22


Organizam mora zadržati svoju ćelijsku organizaciju i unutarnju ravnotežu uprkos vanjskim silama koje djeluju na nju.

Ćelije uzimaju hranu kao gorivo kako bi održali njihovu konstantnu borbu protiv haosa.

23


Hrana osigurava organske spojeve koji stvaraju gradivne blokove i energiju za rast, održavanje i strukturu.

Metabolizam je labirint reakcija gdje se biomolekule konvertuju u korisne forme.

24


Kombinovani proces anabolizma i katabolizma

Organski spojevi se oksidacijom raspadaju na jednostavnije spojeve u procesu katabolizma, a koriste se u sintetskim procesima anabolizma za stvaranje onih spojeva koji su neophodni za funkcioniranje stanice.

25


Autotrofi; svjetlosna energija se koristi za konverziju ugljikohidrata, poĉevši od CO2

26


Ugljikohidrate ćelije koriste kako bi stvorile biopolimere (anabolizam)

27


Biopolimeri mogu biti razgraĊeni kako bi stvarali energiju

28


... ili bili sastavni elementi u procesu sinteze

29


Heterotrofi; hrana mora biti unešena u organizam i razložena na energiju ili ....

30


... na sastavne elemente koji će biti iskorišteni u procesu anabolizma.

Heterotrofi ne mogu stvarati njihove gradivne blokove kao što to mogu autotrofi.

31


Rezultat katabolizma je u otpuštenoj energiji, dok anabolizam zahtijeva energiju kako bi se neki procesi mogli odvijati.

32


Metaboliĉki proces ukljuĉuje sekvencionalnu konverziju jednog spoja u drugi. Svaka reakcija je katalizirana specifiĉnim enzimom i stvara meĊuprodukt koji se naziva metabolitom.

Svaki metabolit je preveden u slijedeći spoj sve do konaĉnog produkta. Neki meĊuprodukti su uobiĉajeni za razliĉite metaboliĉke puteve.

33


Metaboliĉka

šema

kod heterotrofa

34


U razliĉitim koracima metabolizma, ćelija koristi energiju oksidacije kako bi sintetizirala visokoenergetske molekule ATP.

Aerobni organizmi koriste reducirajuću moć visokoenergetskih molekula NADH pomažući stvaranje ATP-a.

35


Kontinuirana regeneracija makroenergijskih spojeva, koja služi kao izvor slobodne energije za endergone reakcije vitalna je za održavanje života.

Njihova proizvodnja zapoĉinje katabolizmom visokomolekulskih tvari.

Fragmenti stvoreni ovim procesom pretvaraju se u osnovne meĊuprodukte (kao što je acetil-CoA), koji se dalje (u sluĉaju aerobnog metabolizma) oksidiraju u ciklusu limunske kiseline, a nastali koenzimi (NADH+, H+ i FADH2) koriste se u lancu prijenosa elektrona za proizvodnju ATP.

36


Upotreba ATP

◦ ATP je dobar izvor energije

Može uĉestvovati u mnogim razliĉitim reakcijama u ćeliji

Ĉesto je direktno ukljuĉen u reakcije

Mali gubitak energije tokom fosforilacije nekog meĊuprodukta

Upotreba enzima

◦ Smanjuje enregiju potrebnu za izvoĊenje reakcije i regulišu tok reakcija

37


38


Povezivanje egzergonih i endergonih reakcija

39


Povezivanje egzergonih i endergonih reakcija

Ukupna reakcija je egzergona. Energija koja je bila pohranjena u ATP iskorištena je za sintezu glukoza 6-fosfata, iako je reakcija glukoze i anorganskog fosfata, reakcija (1), endergona reakcija.

40


Energija molekule se koristi da poveže egzergone i endergone reakcije

ATP ima visoku Gibsovu energiju G

41


Energija se oslobaĊa kroz gubitak fosfatne grupe iz molekule ATP

Kataboliĉke reakcije rezultiraju hidrolizom stvarajući ADP, anorganski fosfat i oslobaĊaju energiju

◦ ΔG = -7,3 Kcal/mol u laboratoriji; -13 Kcal/mol u ćeliji

42


Hidrolizom ATP se stvara anorganski fosfat koji se veže za molekule koje su ukljuĉene u endergone procese

Fosforilacija je proces kada ATP prenosi fosfat na druge molekule

Rezultat reakcije je meĊuprodukt koji može završti željenu reakciju

43


ATP gubi energiju u procesu fosforilacije meĊuprodukta, oslobaĊajući energiju za ćelijski rad.

Regeneracija ATP se dešava kada se anorganski fosfat veže za molekule ADP koristeći eregiju nastalu u kataboliĉkom procesu.

44


Osnovna strategija koju koriste ćelije jeste da oksidiraju hranu i koriste dio osloboĊene energije za konverziju ADP i fosfata u ATP.

Stvaranje ATP se dešava u ĉetiri faze:

◦ Digestija i absorpcija molekula

◦ Degradacija molekula hrane do Acetil CoA

◦ Ciklus trikarboksilnih kiselina (citratni ili Krebsov ciklus)

◦ Transport i oksidativna fosforilacije

45


1 - Digestija i absorpcija molekula.

Digestija hrane ukljuĉuje hidrolizu

ugljikohidrata do monosaharida,

proteina do aminokiselina,

masti i ulja do masnih kiselina i glicerola.

46

Od ugljikohidrata Od masti i ulja Od proteina

D-glukoza Palmitinska k. 20-aminokiselina

D-fruktoza Stearinska k.

D-galaktoza Oleinska k.

Glicerol


2 – Degradacija molekula hrane do Acetil CoA

◦ Skeleti glukoze, fruktoze i galaktoze kao i masnih kiselina, glicerola i nekoliko aminokiselina konvertovani su u acetatnu formu tioestera acetil koenzima A.

47


3 – U trećoj fazi se odvija serija reakcija poznatih kao ciklus trikarboksilnih kiselina, citratni ili Krebsov ciklus

◦ Važna funkcija ovog ciklusa je i oksidacija dva atoma C iz acetilne grupe acetil koenzima A do dvije molekule CO2

◦ Ove reakcije dešavaju se u mitohondrijima

48


4 – U ĉetvrtoj fazi dolazi do transporta i oksidativne fosforilacije, što predstavlja centralni put oksidacije i redukcije koenzima i stvaranje ATP-a.

49


ATP je bogat energijom jer sadrži dvije fosfoanhidridne veze koje hidrolizom oslobanaju svaka za sebe 30,5 kJ/mol.

OsloboĊena energija može se iskoristi za pokretanje endergonih procesa.

U živim organizmima postoje i druge molekule koje posjeduju visok potencijal za prijenos fosfatne skupine i oslobananje energije za pokretanje endergonih procesa

50


51


Protonski i ionski gradijent kao izvor energije

Membrane svojom selektivnom propusnošću nadziru protonske i ionske gradijente

Promjena slobodne energije je vezana o prirodi transporta (aktivni ili pasivni)

OsloboĊena energija pri spontanom egzergonom prelazu neke tvari može se iskoristiti za pokretanje nekog endergonog procesa (npr. biosinteza ATP ili aktivni transport neke tvari kroz ćelijsku membranu)

52



Izravni pogon mnogih transportnih procesa kroz ćelijsku membranu u vezi je s protokom iona niz elektrohemijski gradijent. Tako npr. glukoza ulazi u ćelije uz istovremeni ulazak Na+ iona. Brzina i opseg transporta glukoze ovise o egzergonom koncentracijskom gradijentu Na+ iona kroz membranu.

53



S druge strane hidroliza ATP molekula se koristi za ponovno izbacivanje Na+ iona iz ćelije. Na sliĉan naĉin, kod bakterija, protonski gradijent daje energiju za transport laktoze u ćeliju bakterije, a protoni se izbacuju iz ćelije energijom iz respiracijskog lanca.

54



Konaĉno sinteza ATP molekula je omogućena energijom protonskog gradijenta na unutrašnjoj mitohondrijskoj membrani u procesu oksidacijske fosforilacije.

55


Anaboliĉki i kataboliĉki procesi kod zdravog odraslog ĉovjeka su u ravnoteži, a i ukupni utrošak tvari i energije u ravnoteži je s njihovim primanjem kroz hranu;

◦ U mladom organizmu koji još raste (i u trudnoći) preovladava anabolizam - tjelesna masa se povećava

◦ kod nekih bolesti prevladavaju kataboliĉki procesi - tjelesna masa se smanjuje

Osnovni utrošak energije u stanju mirovanja naziva se - bazalni metabolizam

56


Ukupni metabolizam sastoji se od bazalnog i povećanoga metabolizma zbog uzimanja hrane i fiziĉke aktivnosti.

◦ Fiziĉki rad najviše povećava metabolizam, pa je energetska vrijednost tvari što ih ĉovjek tokom 24 sata mora uzeti hranom veća što je fiziĉki rad teži.

57


58


Izvori ATP tijekom vježbanja. U prvih nekoliko sekundi kretanje omogućavaju rezerve spojeva s visokim potencijalom za prijenos fosforilnih skupina, ATP i kreatin fosfat. Nakon toga, ATP se mora sintetizirati metaboliĉkim reakcijama.

Kreatin fosfat glavni je izvor fosforilnih skupina za sintezu ATP koja je potrebna za regeneriranje razine ATP kod trkaĉa (sprintera) u prvih 4s sprinta. Zbog toga neki atletiĉari u svojoj prehrani koriste kao nadomjestak kreatin fosfat kako bi imali snage za kratke eksplozivne poduhvate.

59


Ukupna koliĉina ATP u našem tijelu je 100 g.

Turnover (obrt) malih koliĉina ATP je vrlo velik.

U mirovanju trošimo 40 g ATP/24 h

Kod velikih napora: 0,5 g/min

Tijekom 2h trĉanja: 60 g ATP

Moramo imati mehanizam

za resintezu ATP.

60


Tijekom metabolizma reakcije se djele u šest podgrupa

61


Kontrola metabolizma

Kontrola količine enzima. Koliĉina ovisi o brzini sinteze kao i o brzini razgradnje odreĊenog enzima. Razina enzima kontrolirana je primarno brzinom transkripcije.

Kontrola katalitičke aktivnosti. Provodi se uglavnom reverzibilnom alosteriĉkom kontrolom (inhibicija povratnom spregom, reverzibilne kovalentne modifikacije koje kontroliraju hormoni). Mnoge katalitiĉke reakcije kontrolirane su energetskim statusom ćelije koji se izražava ili kao energetski naboj ili kao potencijal fosforilacije. Energetski naboj u ćelijama je “puferiran” odnosno iznosi 0,80 – 0,95.

Kontrola dostupnosti supstrata. Kod eukariota metaboliĉka kontrola i fleksibilnost metaboliĉke regulacije dodatno je povećana metaboliĉkim odjeljcima (razgradnja masnih kiselina u mitohondriju, a sinteza u citoplazmi). Odjeljci ĉesto odjeljuju suprotne reakcije (kataboliĉke od anaboliĉkih).

62

Metabolizam i energija - pmf.unsa.ba za organsku hemiju i biohemij… · Metabolizam i energija...

Documents

Transcript of Metabolizam i energija - pmf.unsa.ba za organsku hemiju i biohemij… · Metabolizam i energija...