Notes on Metabolism

UVOD V METABOLIZEM

  • Metabolna pot: Zaporedje reakcij s specifično vlogo, katalizirano z encimi.

  • Tipi metabolnih poti:

    • Katabolizem: Razgradnja kompleksnih, energetsko bogatih molekul na enostavnejše. Prevladuje oksidacija (nastaja NADPH, NADH + H+), eksergone reakcije (ΔG°` < 0), sproščanje energije, nastaja ATP.

    • Anabolizem: Biosinteza kompleksnih molekul iz enostavnih prekurzorjev. Prevladuje redukcija (NADPH), endergone reakcije, poraba energije (ATP → ADP + Pi).

  • Encimi so lahko posamezni ali v večencimskih kompleksih, topni ali v membrani.

  • Razgradnja (oksidacija) → izgradnja (redukcija); NADPH nastaja v fotosintezi v kloroplastih in pentozefosfatni poti.

FAZE METABOLIZMA

  • Vir energije: Hranila iz okolja ali svetloba.

  • Energetske pretvorbe za delo v celici, kemijske pretvorbe.

  • Produkti so manj kompleksni od substratov (večja entropija).

  • Faza 1: Razgradnja (hidroliza) bioloških molekul do gradnikov (monomer).

  • Faza 2: Razgradnja gradnikov do skupnih produktov (npr. acetil-CoA), sočasna sinteza ATP, NADH.

  • Faza 3: Popolna oksidacija (cikel citronske kisline).

  • Aerobni katabolizem.

  • Razgradnja polisaharidov (npr. škroba) → monosaharidi, proteini → aminokisline, makromolekule → manjši monomeri.

  • Acetil-CoA ali piruvat so vstopne točke v nadaljnje presnovne poti.

ENERGETSKE PRET VORBE

  • Povezava metabolnih poti.

  • Sinteza bioloških molekul, transport, osmotski in elektrokemijski gradienti opravljajo električno delo, mehansko delo.

  • Pri sintezi makromolekul se poveča urejenost (zmanjša naključnost).

  • Potrebno je reducirati in vgraditi energijo iz katabolizma za sintezo.

GLAVNE ZNAČILNOSTI METABOLNIH POTI

  • Pri katabolizmu se energija shrani in nastane redukcijska moč.

  • Anabolne reakcije uporabljajo to energijo za izgradnjo molekul in rast organizmov.

  • Amfibolne poti.

  • ATP je kemijska povezava med anabolizmom in katabolizmom.

  • Hidroliza ATP je sklopljena z endergonimi reakcijami.

  • Poleg prenosa fosforilne skupine je ključen prenos elektronov.

  • Tok elektronov (2e-).

  • Primerjava redukcijskih stanj ogljika v bioloških molekulah.

REDUKCIJSKA MOČ

  • Oksidoredukcijske reakcije: oksidacija (reducent oddaja elektrone), redukcija (oksidant sprejme elektrone).

  • Reducent odda e-, oksidant sprejme e-.

  • Oksidacijsko stanje pove, ali je molekula oddala ali sprejela elektrone.

  • Pri fotosintezi so ključni kloroplasti.

  • Oksidacija molekule glukoze: CO<em>2+H</em>2OCO<em>2 + H</em>2O + Organski produkti + O2O_2

  • donor e- → akceptor e-.

  • Redukcija je pridobivanje elektronov (OIL RIG - oxidation is losing, redukcija is gaining).

PRENOS ELEKTRONOV

  • Izmenjava elektronov npr. na notranji membrani bakterij, tilakoidah, mitohondriju vodi v nastanek elektrokemijskega gradienta, ki omogoča sintezo ATP.

  • Mikroorganizmi imajo raznolik metabolizem, niso vezani le na O2O_2.

  • Nastanek ATP z izkoriščanjem protonske gradienta.

  • 1 NADH → več ATP.

PRENAŠALCI ELEKTRONOV

  • FMN (flavin mononukleotid): Prostetična skupina, izoaloksazinski obroč, prenese 2e-.

  • FAD (flavin adenin dinukleotid): Prostetična skupina, kovalentno vezana.

  • Oblika, ki sprejme 2e-.

ELEKTRIČNI MOTOR

  • Tok elektronov generira magnetno polje za vrtenje motorja.

  • Nadzorovan tok elektronov.

  • Uporaba NADH ali FADH2FADH_2.

PRIDOBIVANJE ENERGIJE PRI MIKROORGANIZMIH

  • Aerobna respiracija: Kisik je terminalni akceptor e-, nastaja protonski gradient, ki generira ATP.

  • Anaerobna respiracija: Namesto kisika so terminalni akceptorji nitrat, sulfat, fumarat itd., nastaja protonski gradient, ki generira ATP.

  • Fotofosforilacija: H<em>2OH<em>2O, H</em>2SH</em>2S, … donor elektronov; svetloba vzbudi elektron, nastaja elektronski gradient, ki generira ATP.

  • Oksidacija kemijskih snovi (oksidativna) ali svetlobe (foto) kot energije, ki se shrani v ATP po fosforilaciji ADP.

  • Redoks potencial.

NAČINI PRIDOBIVANJA ENERGIJE PRI MIKROORGANIZMIH

  • Fermentacija: Zunanjega elektronskega akceptorja ni, namesto njega e- sprejme ena od spojin, ki je vmesni produkt fermentacije. Neto redoks razmerje med oksidiranimi in reduciranimi produkti se ohranja. ATP nastaja z direktno fosforilacijo substrata.

  • Reoksidiranje intermediatov.

  • Ne pride do popolne oksidacije glukoze, dobimo manj ATP.

PRENOS ELEKTRONOV

  • Prenos elektronov od ene molekule (reducirajoči ekvivalent):

    • (I) Direktno kot elektroni: Fe2++Cu2+<spandata−name="leftrightarrow"data−type="emoji">↔</span>Fe3++Cu+Fe^{2+} + Cu^{2+} <span data-name="left_right_arrow" data-type="emoji">↔</span> Fe^{3+} + Cu^{+}.

    • (II) Kot vodikovi atomi (proton in elektron): AH2<spandata−name="leftrightarrow"data−type="emoji">↔</span>A+2e−+2H+AH_2 <span data-name="left_right_arrow" data-type="emoji">↔</span> A + 2e^- + 2H^+.

    • (III) Kot hidridni ion (H-), vsebuje dva elektrona; z NAD-sklopljene dehidrogenaze.

    • (IV) Z direktno kombinacijo s kisikom.

  • Kisik se poveže z organskim reducentom in se kovalentno poveže v produkt. Npr. oksidacija ogljikovodika v alkohol: R-CH3 + \frac{1}{2} O2  R-CH_2-OH

  • Prenos elektronov generira biološko delo.

  • NADH vsebuje hidridni ion.

REDOKS REAKCIJE

  • Redoks reakcije žene redukcijski potencial (E°), ki je mera za afiniteto molekule do elektronov.

  • Tendenca molekule (elektronskega donorja), da odda elektrone elektronskemu akceptorju in obratno.

  • ΔE0<code>=E0</code>(akceptorja)−E0‘(donorja)\Delta E0<code>= E0</code> (akceptorja) - E0` (donorja)

  • Standardni redukcijski potencial

  • ΔG°<code>=−nFΔE0</code>\Delta G°<code>= -nF \Delta E0</code>

  • n – število prenešenih elektronov.

  • F – Faradajeva konstanta. (število prenešenih ekvivalentov elektronov - jakost električnega naboja mola e-).

  • F = 96,485 J/V*mol

  • Katoda/anoda.

  • Standardni redukcijski potencial.

MERJENJE

  • KCl, 25°C, 1 mM H+, 0 V.

  • Anoda: oksidacija (negativen E°).

  • Katoda: redukcija (pozitiven E°).

Metabolna pot: Zaporedje reakcij s specifično vlogo, katalizirano z encimi. Vključuje različne encime, koencime in metabolite, ki sodelujejo v stvarjanju kompleksnih kemijskih struktur znotraj celic. Encimi so lahko posamezni ali v večencimskih kompleksih, topni ali v membrani.

Tipi metabolnih poti:

  • Katabolizem: Razgradnja kompleksnih, energetsko bogatih molekul na enostavnejše. Prevladuje oksidacija (nastaja NADPH, NADH + H+), eksergone reakcije (ΔG°< 0), sproščanje energije. Med procesi katabolizma so ključne faze, kot so predelava polisaharidov, proteinov in lipidov v energijsko uporabne oblike.
  • Anabolizem: Biosinteza kompleksnih molekul iz enostavnih prekurzorjev. Prevladuje redukcija (NADPH), endergone reakcije, poraba energije (ATP → ADP + Pi). Pomembne je sinteza makromolekul, ki je povezana z rasti in razvojem celic.

FAZE METABOLIZMA

  • Vir energije: Hranila iz okolja ali svetloba, katera v celici sprožijo kemijske reakcije.
  • Energetske pretvorbe: Procesi, ki preoblikujejo energijo v delovno energijo celice, pri čemer so produkti manj kompleksni od substratov, kar povečuje entropijo.
  • Faza 1: Razgradnja (hidroliza) bioloških molekul do gradnikov (monomer).
  • Faza 2: Razgradnja gradnikov do skupnih produktov (npr. acetil-CoA), sočasna sinteza ATP in NADH. V tej fazi se izdelek povečuje glede na njegovo aktivnost v metabolizmu.
  • Faza 3: Popolna oksidacija v cikel citronske kisline. Ta faza je ključna za aerobni katabolizem.

ENERGETSKE PRETVORBE

  • Sinteza bioloških molekul, transport in vzpostavljanje osmotskih in elektrokemijskih gradientov, ki opravljajo tako električno kot mehansko delo v celicah.
  • Pri sintezi makromolekul se povečuje urejenost (zmanjša naključnost).
  • Nuja je po energiji iz katabolizma za sintezo

GLAVNE ZNAČILNOSTI METABOLNIH POTI

  • Pri katabolizmu se energija shrani, medtem ko nastaja redukcijska moč.
  • Anabolne reakciije pa uporabljajo to energijo za izgradnjo molekul in rast organizmov. Sodoben pogled na amfibolne poti razkriva njihovo povezovalno vlogo med katabolizmom in anabolizmom.
  • ATP je ključna kemijska povezava med obema procesoma in tako ostaja mediator energetskih tokov.
  • Hidroliza ATP je sklopljena z endergonimi reakcijami, kar omogoča uporabi energije za biološke reakcije.

REDUKCIJSKA MOČ

  • Oksidoredukcijske reakcije potekajo v različnih celičnih procesih: oksidacija (reducent oddaja elektrone) in redukcija (oksidant sprejme elektrone).
  • V metabolizmu je za kloroplaste ključna fotosinteza, kjer se pretvorijo svetlobni in kemični procesi v energijsko uporabne oblike.
  • Oksidacija glukoze: CO<em>2+H</em>2O+Organskiprodukti+O2CO<em>2 + H</em>2O + Organski produkti + O_2
    donor elektronov → akceptor elektronov.

PRENOS ELEKTRONOV

  • Izmenjava elektronov na notranji membrani bakterij, tilakoidih in mitohondriju vodi v nastanek elektrokemijskega gradienta, ki omogoča sintezo ATP.
  • Mikroorganizmi prikazujejo široko raznolikost metabolizma: niso vezani le na O2O_2.
  • Nastanek ATP ob izkoriščanju protonske gradienta je bistven za celične energijske procese.

PRENAŠALCI ELEKTRONOV

  • FMN (flavin mononukleotid): Prostetična skupina, ki prenaša 2e-.
  • FAD (flavin adenin dinukleotid): Protižna struktura, ki se kovalentno veže.

ELEKTRIČNI MOTOR

  • Tok elektronov generira magnetno polje za vrtenje motorja, kar je ključno za nadzorovan tok.

PRIDOBIVANJE ENERGIJE PRI MIKROORGANIZMIH

  • Aerobna respiracija: Kisik služi kot terminalni akceptor e-, to vodi do protonske gradienti, ki generira ATP.
  • Anaerobna respiracija: Namesto kisika so terminalni akceptorji nitrat, sulfat, fumarat itd.
  • Fotofosforilacija: H<em>2OH<em>2O, H</em>2SH</em>2S delujejo kot donatorji elektronov, kjer svetloba vzbudi elektron, kar vodi v elektronski gradient in generira ATP.
  • Oksidacija kemijskih snovi kot energetske oblike je bistvenega pomena za biološke procese.

NAČINI PRIDOBIVANJA ENERGIJE PRI MIKROORGANIZMIH

  • Fermentacija: Prikazuje proces, kjer zunanjega elektronskega akceptorja ni; elektrone sprejme ena od spojin, ki nastane med fermentacijo. Tako se ohranja neto razmerje med oksidiranimi in reduciranimi produkti.
  • Redoks reakcije: Obe reakciji delujeta na osnovi redukcijskega potenciala (E°): extEext0=Eext0extakceptor−Eext0extdonorext{E}^ ext{0} = E^ ext{0}_ ext{akceptor} - E^ ext{0}_ ext{donor} \n- extΔGext0=−nFextΔEext0ext{ΔG}^ ext{0} = -nF ext{ΔE}^ ext{0}, kjer je n število prenešenih elektronov, F – Faradajeva konstanta (96,485 J/V*mol).

MERJENJE

  • V vzorcih sprememb električnih potencialov potekajo meritve na standardiziran način: KCl, 25°C, 1 mM H+, 0 V.
  • Anoda predstavlja območje oksidacije (negativen E°), medtem ko katoda označuje merjeni