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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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 i energija
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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
◦ 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
Metabolizam i energija
◦ 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 i energija
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 i energija
Metabolizam je organiziran u metaboliĉke puteve
11
Metabolizam i energija
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.
14
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.
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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-
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
Autotrofi; svjetlosna energija se koristi za konverziju ugljikohidrata, poĉevši od CO2
26
Metabolizam i energija
Ugljikohidrate ćelije koriste kako bi stvorile biopolimere (anabolizam)
27
Metabolizam i energija
Biopolimeri mogu biti razgraĊeni kako bi stvarali energiju
28
Metabolizam i energija
... ili bili sastavni elementi u procesu sinteze
29
Metabolizam i energija
Heterotrofi; hrana mora biti unešena u organizam i razložena na energiju ili ....
30
Metabolizam i energija
... na sastavne elemente koji će biti iskorišteni u procesu anabolizma.
Heterotrofi ne mogu stvarati njihove gradivne blokove kao što to mogu autotrofi.
31
Metabolizam i energija
Rezultat katabolizma je u otpuštenoj energiji, dok anabolizam zahtijeva energiju kako bi se neki procesi mogli odvijati.
32
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
Metaboliĉka
šema
kod heterotrofa
34
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
38
Metabolizam i energija
Povezivanje egzergonih i endergonih reakcija
39
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
Energija molekule se koristi da poveže egzergone i endergone reakcije
ATP ima visoku Gibsovu energiju G
41
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
4 – U ĉetvrtoj fazi dolazi do transporta i oksidativne fosforilacije, što predstavlja centralni put oksidacije i redukcije koenzima i stvaranje ATP-a.
49
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
51
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
Protonski i ionski gradijent kao izvor energije
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
Metabolizam i energija
Protonski i ionski gradijent kao izvor energije
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
Metabolizam i energija
Protonski i ionski gradijent kao izvor energije
Konaĉno sinteza ATP molekula je omogućena energijom protonskog gradijenta na unutrašnjoj mitohondrijskoj membrani u procesu oksidacijske fosforilacije.
55
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
58
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
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
Metabolizam i energija
Tijekom metabolizma reakcije se djele u šest podgrupa
61
Metabolizam i energija
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
Top Related