Procesy metaboliczne i pozyskiwanie energii

Zestaw fiszek pojęciowych obejmujący zagadnienia bioenergetyki, zasad termodynamiki, budowy i roli ATP, fosforylacji substratowej i oksydacyjnej, funkcjonowania łańcucha oddechowego oraz regulacji metabolizmu.

Metabolizm

Nieustanne przetwarzanie materii i energii w każdej komórce organizmu, obejmujące powiązane ze sobą reakcje tworzące szlaki metaboliczne.

Organizmy chemotroficzne

Organizmy uzyskujące energię na drodze chemicznego utleniania cząsteczek organicznych pochodzących z pokarmu.

Organizmy fototroficzne

Organizmy pozyskujące energię swobodną w rezultacie pochłaniania energii świetlnej.

Układ (w termodynamice)

Wyodrębniona materia zawarta w określonej przestrzeni fizycznej.

I zasada termodynamiki

Zasada głosząca, że całkowita energia układu i jego otoczenia jest stała ($\Delta E = E_b - E_a = Q - W$), co oznacza, że energia nie ginie, a zmiana energii zależy wyłącznie od stanu początkowego i końcowego.

II zasada termodynamiki

Zasada określająca kierunek procesów spontanicznych, głosząca, że proces zachodzi samorzutnie tylko wtedy, gdy suma entropii układu i otoczenia wzrasta ($\Delta S_{\text{układu}} + \Delta S_{\text{otoczenia}} > 0$).

Entropia ($S$)

Termodynamiczna miara stopnia nieuporządkowania układu.

Energia swobodna Gibbsa ($G$)

Funkcja termodynamiczna opisana wzorem $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$, określająca ilość energii dostępnej do wykonania pracy w warunkach stałej temperatury i ciśnienia.

Reakcja egzoenergetyczna (egzoergiczna)

Reakcja o ujemnej zmianie energii swobodnej ($\Delta G < 0$), która uwalnia energię i przebiega w sposób spontaniczny.

Reakcja endoenergetyczna (endoergiczna)

Reakcja o dodatniej zmianie energii swobodnej ($\Delta G > 0$), która nie może zachodzić spontanicznie i wymaga stałego dopływu energii swobodnej z zewnątrz.

ATP (adenozynotrifosforan)

Uniwersalny nośnik i donor energii swobodnej w komórce, posiadający w cząsteczce dwa wysokoenergetyczne, bezwodnikowe wiązania fosforanowe.

Hydroliza ATP

Reakcja rozszczepienia wiązania wysokoenergetycznego ATP do ADP i $P_i$ (lub AMP i $PP_i$), uwalniająca $\Delta G = -30{,}6\,\text{kJ/mol}$ ($-7{,}3\,\text{kcal/mol}$) energii swobodnej.

Kinaza adenylanowa (miokinaza)

Enzym katalizujący odwracalną reakcję wzajemnej przemiany nukleotydów adeninowych: $\text{ATP} + \text{AMP} \rightleftharpoons 2\,\text{ADP}$.

Fosfageny

Związki posiadające wysoki potencjał przenoszenia reszt fosforanowych (wyższy niż ATP), zdolne do przeniesienia grupy fosforanowej na ADP w celu resyntezy ATP.

Fosfoenolopirogronian (PEP)

Wysokoenergetyczny metabolit o wartości $\Delta G = -62{,}0\,\text{kJ/mol}$ ($-14{,}8\,\text{kcal/mol}$), będący donorem grupy fosforanowej w procesie fosforylacji substratowej w glikolizie.

Fosforylacja substratowa

Mechanizm syntezy ATP polegający na bezpośrednim przeniesieniu reszty fosforanowej z wysokoenergetycznego substratu na ADP, zachodzący m.in. w glikolizie i cyklu Krebsa bez udziału mitochondrialnego łańcucha oddechowego.

Fosforylacja oksydacyjna

Główny proces syntezy ATP w komórce tlenowej, zachodzący w wewnętrznej błonie mitochondrialnej, napędzany gradientem protonowym wytworzonym przez transport elektronów z utleniania NADH i $\text{FADH}_2$ na tlen.

Kompleks I (łańcucha oddechowego)

Dehydrogenaza NADH (reduktaza NADH-Q); enzym wiążący i utleniający NADH do $\text{NAD}^+$, przekazujący elektrony przez FMN i centra Fe-S na ubichinon oraz pompujący protony ($\text{H}^+$) do przestrzeni międzybłonowej.

Ubichinon (koenzym Q, CoQ)

Niewielka, lipofilna cząsteczka rozpuszczalna w tłuszczach, zlokalizowana w wewnętrznej błonie mitochondrium, transportująca elektrony i protony w formie zredukowanej (ubichinol, $\text{CoQH}_2$).

Kompleks II (łańcucha oddechowego)

Dehydrogenaza bursztynianowa (reduktaza bursztynian-koenzym Q); enzym cyklu Krebsa utleniający bursztynian do fumaranu z redukcją FAD do $\text{FADH}_2$, przekazujący elektrony na ubichinon, który nie jest pompą protonową.

Kompleks III (łańcucha oddechowego)

Kompleks cytochromów $bc_1$ (reduktaza cytochromowa); enzym odbierający elektrony z ubichinolu i przenoszący je na cytochrom c, pompujący protony do przestrzeni międzybłonowej.

Cytochrom c

Peryferyjne białko hemowe luźno związane z zewnętrzną powierzchnią wewnętrznej błony mitochondrialnej, przenoszące pojedyncze elektrony z kompleksu III do kompleksu IV.

Kompleks IV (łańcucha oddechowego)

Oksydaza cytochromowa; enzym zawierający cytochromy $a$ i $a_3$ oraz atomy miedzi ($\text{Cu}_A$, $\text{Cu}_B$), redukujący cząsteczkę tlenu do wody przy udziale 4 elektronów i pompujący protony.

Syntaza ATP (kompleks V)

Kompleks enzymatyczny katalizujący syntezę ATP z ADP i $P_i$, napędzany siłą protonomotoryczną; zbudowany z kanału protonowego $F_0$ w błonie oraz podjednostki katalitycznej $F_1$ w macierzy mitochondrialnej.

Związki rozprzęgające

Lipofilne cząsteczki (jonofory) przenoszące protony przez wewnętrzną błonę mitochondrialną z powrotem do macierzy z ominięciem syntazy ATP, co hamuje syntezę ATP i rozprasza energię w postaci ciepła.

Termogenina (UCP1)

Naturalne białko rozprzęgające obecne w wewnętrznej błonie mitochondriów brunatnej tkanki tłuszczowej, odpowiedzialne za termogenezę bezdrżeniową poprzez kontrolowany przepływ jonów $\text{H}^+$ do macierzy.

2,4-dinitrofenol (DNP)

Syntetyczny czynnik rozprzęgający fosforylację oksydacyjną stosowany m.in. w herbicydach; wywołuje drastyczną, zagrażającą życiu hipertermię i uszkodzenia narządów.

Katabolizm

Zbiór zbieżnych, egzoergicznych procesów metabolicznych polegających na degradacji złożonych związków pokarmowych do prostych metabolitów, powiązany z uwalnianiem energii i redukcją przenośników elektronów.

Anabolizm

Zbiór rozbieżnych, endoergicznych procesów metabolicznych polegających na biosyntezie złożonych makrocząsteczek z prostych prekursorów, wymagający nakładu energii swobodnej (zwykle w postaci ATP) oraz siły redukcyjnej (głównie NADPH).

Centrum allosteryczne

Miejsce w cząsteczce enzymu odrębne od centrum aktywnego, którego związanie z cząsteczką regulatorową (aktywatorem lub inhibitorem) wywołuje zmianę konformacyjną modyfikującą aktywność katalityczną.

Adenylacja białek

Kowalencyjna modyfikacja enzymów polegająca na enzymatycznym przyłączeniu reszty AMP do łańcucha bocznego białka, skutkująca zmianą jego aktywności lub funkcji biologicznej.

Kompartmentacja

Przestrzenne rozdzielenie i specyficzna lokalizacja odmiennych szlaków metabolicznych w dedykowanych przedziałach komórkowych (np. cytozolu i macierzy mitochondrialnej).