Notes on Metabolism

Značilnosti živega

• Presnovni procesi (metabolizem): Sprejemanje snovi in energije, oddajanje snovi in energije.
• Organizem je odprt sistem.

Metabolizem

• Definicija: Ena od osnovnih lastnosti živih bitij; biokemični procesi, kjer potekajo energijske in snovne pretvorbe v celici.
• Encimi: Katalizirajo kemijske reakcije pri presnovi.
• Glikoliza in Krebsov cikel sta temeljne metabolne poti v celici.

Encimi in Substrati

• Encim se veže na substrat, tvori encimsko-substratni kompleks.
• Encim ostane nespremenjen med reakcijo.
• Sinteza: Substratne molekule se sintetizirajo v novonastali produkt.
• Razgradnja: Substrat se razgradi (npr. beljakovine).

Procesi Presnove (Metabolizma)

• Katabolizem (Razgradnja):
  • Kompleksne snovi se razgrajujejo v enostavnejše.
  • Sprošča se energija.
  • Primeri: celično dihanje, vrenje.
• Anabolizem (Izgrajevanje):
  • Iz enostavnih snovi nastajajo bolj zapletene.
  • Energija se porablja/veže.
  • Primeri: fotosinteza, kemosinteza, sinteza beljakovin, DNA, RNA, lipidov, glikogena, posameznih aminokislin.

Povezava Med Katabolizmom in Anabolizmom

• Katabolne in anabolne reakcije so med sabo povezane, čeprav ne potekajo v istih delih celice.
• Molekule hrane se preko katabolizma pretvarjajo v gradnike za biosintezo, pri čemer se sprošča energija v obliki toplote in uporabne energije.

Bazalni Metabolizem

• Definicija: Najmanjša hitrost metabolizma, potrebna za ohranjanje življenja med mirovanjem.
• Potrebna energija za osnovne življenjske naloge (dihanje, utrip srca, delovanje živčevja, prebava, izdelava novih krvnih celic).
• Odvisnost od starosti, spola, telesne teže in načina prehrane.
• Merjenje: S količino sproščene toplote ali porabo kisika v določenem času.

Dnevne Potrebe Energije

• Dnevne potrebe energije za bazalni metabolizem so različne glede na starost otrok. Primeri energijskih potreb otrok različnih starosti so dani v kJ na kg telesne teže.
• Poraba energije je pri različnih aktivnostih višja od bazalne porabe energije.
• Različne dejavnosti zahtevajo različno dodatno energijo.

Avtotrofni in Heterotrofni Organizmi

• Avtotrofni organizmi: Sposobni sintetizirati organske molekule iz preprostih anorganskih spojin in svetlobne energije ali energije, pridobljene z oksidacijo anorganskih snovi.
• Heterotrofni organizmi: Morajo prejeti organske in anorganske snovi iz okolja.

Energija in Avtotrofni Organizmi

• Avtotrofni organizmi izkoriščajo sončno energijo.
• Kemoavtotrofne bakterije (npr. Nitrosomonas) uporabljajo energijo iz oksidacije anorganskih snovi (kemosinteza).
• Fotosinteza: Ogljikov dioksid in voda se ob prisotnosti svetlobe in klorofila pretvarjata v hrano in kisik.

Heterotrofni Organizmi in Energija

• Heterotrofni organizmi dobijo energijo iz hrane, ki jo encimi razgradijo.
• Kemična energija se shranjuje v obliki ATP (adenozin trifosfat), ki se uporablja za celične aktivnosti.

ATP (Adenozin Trifosfat)

• Adenozin trifosfat (ATP) je energijsko bogata molekula – UNIVERZALNI VIR ENERGIJE.
• Zgradba ATP: adenin, riboza in trije fosfatni ostanki.
• Kemijska energija je shranjena v vezeh med fosfatnimi ostanki (energijsko bogate vezi).
• $ATP \rightarrow ADP + P$ (sproščanje energije, $29,3kJ/mol$)
• $ADP \rightarrow AMP + P$ (sproščanje energije)

Uporaba ATP

• Sončna energija ali energija iz hrane se pretvori v ATP.
• Energija iz ATP se porablja:
  • pri aktivnem transportu,
  • pri ekso in endocitozi,
  • pri sintezi beljakovin,
  • pri podvajanju DNA,
  • pri delitvi celic,
  • pri krčenju mišic,
  • pri gibanju bičkov in migetalk.
• ATP deluje kot prenašalec energije.

Poraba ATP

• Molekule ATP se porabljajo pri celičnem delu (mehansko, kemijsko, transportno delo).
• Primeri:
  • Aktivni transport.
  • Potovanje struktur.
  • Krčenje mišic.
  • Sinteza beljakovin, DNA in RNA.

Shranjevanje Energije

• Molekule ATP niso primerne za daljše shranjevanje energije, ker so nestabilne in shranjujejo malo energije.
• Organizimi shranjujejo energijo za daljše obdobje v velikih polimerih (polisaharidih, maščobah), ki vsebujejo veliko kemijske energije in so stabilni.

NAD+ in NADP+

• NAD+ in NADP+ sta koencima encimov oksidoreduktaz, ki nastaneta iz niacina (vitamin B3).
• Oksidacija: oddajanje elektronov.
• Redukcija: sprejemanje elektronov.
• $NAD^+ + 2e^- + 2H^+ \rightarrow NADH + H^+$ (redukcija)
• NADP+ je oksidant, oksidacija je reducent.
• Formula za redukcijo NADP+: $NADP^+ + 2e^- + 2H^+ \rightarrow NADPH + H^+$

FAD

• FAD je flavin adenin dinukleotid, ki ga celice izdelajo iz riboflavina (vitamina B2).
• $FAD + 2e^- + 2H^+ \rightarrow FADH_2$ (redukcija)
• FAD je oksidant, oksidacija je reducent.

Vrenje (Fermentacija)

• Anaerobna metabolna pot (brez kisika).
• Končni oksidant je organska snov.
• Sprošča se energija (ATP).
• Katabolni (disimilacijski) anaeroben proces, pri razgradnji organskih molekul se sprošča energija, ki se veže v molekule ATP.

Vrste Vrenj

• Alkoholno (etanolno) vrenje: encimi gliv kvasovk (pridobivanje piva, vina, peka kruha).
• Mlečnokislinsko vrenje: encimi v skeletnih mišicah in mlečnokislinskih bakterijah (kisanje zelja, repe, zorenje sirov, siliranje krme, pridobivanje jogurta, kefirja).
• Propionovo, mravljekislinsko in maslenokislinsko vrenje (encimi specifičnih bakterij).
• Ocetnokislinsko vrenje: $C<em>2H</em>5OH + O<em>2 \rightarrow CH</em>3COOH + H_2O$ (aerobni pogoji, encimi ocetnokislinskih bakterij)

Potek Vrenja

• Vrenje poteka v citosolu celic ob sodelovanju številnih encimov pri anaerobnih pogojih.
• Glukoza se preko glikolize razgradi v 2 piruvata.
• Pri alkoholnem vrenju nastaneta 2 etanola in $2 CO_2$.
• Pri mlečnokislinskem vrenju nastaneta 2 mlečni kislini.

Alkoholno in Mlečnokislinsko Vrenje

• Alkoholno vrenje: $C<em>6H</em>{12}O<em>6 \rightarrow 2C</em>2H<em>5OH + 2CO</em>2 + E$ (2ATP/mol glukoze)
• Mlečnokislinsko vrenje: $C<em>6H</em>{12}O<em>6 \rightarrow 2CH</em>3-CHOH-COOH + E$ (2ATP/mol glukoze)

Glikoliza

• Začetna razgradnja glukoze do dveh piruvatov.
• Poteka v citoplazmi celic.
• Poenostavljen prikaz: glukoza + 2ADP + 2NAD+ --> 2 piruvata + 2ATP + 2NADH+H+

Energijski Izkupiček Vrenja

• Pri vrenju se iz molekule glukoze sprosti manj energije kot pri aerobnem celičnem dihanju.
• Prvotni organizmi so pridobivali energijo z vrenjem.

Alkoholno Vrenje - Podrobnosti

• Anaerobni proces, ki ga povzročajo glive kvasovke.
• Glukozo spreminjajo v alkohol (etanol) in ogljikov dioksid.
• Sprošča se energija (celotni izkupiček je 2 ATP/mol gluk.).

Mlečnokislinsko Vrenje - Podrobnosti

• Anaeroben proces.
• Poteka v citosolu mlečnokislinskih bakterij in tudi v živalskih mišicah (citosolu mišičnih celic), ko primanjkuje kisika.
• Iz glukoze nastane mlečna kislina, sprošča se energija, ki se veže v ATP.
• Piruvat se reducira v mlečno kislino.

Težave pri Napornih Vajah

• Pri napornih telesnih vajah nas bolijo mišice zaradi kopičenja mlečne kisline in znižanja pH, kar povzroči utrujenost mišic.

Uporaba Alkoholnega Vrenja

• Živilska industrija uporablja glive kvasovke za proizvodnjo pijač in živil (vino, pivo, kruh).
• Pri alkoholnem vrenju se sprošča $CO_2$, ki se ujame v testo, zato testo vzhaja.
• Kvasovke sladkor porabljajo za pridobivanje ATP, zato hitreje rastejo in se razmnožujejo.
• Glive kvasovke pri visokih temperaturah poginejo (denaturacija encimov).

Uporaba Mlečnokislinskega Vrenja

• Proizvodnja jogurta, kislega mleka, kefirja, skute, kisle smetane, sira, kislega zelja, repe.

Primerjava Vrenj

• Podobnosti: Anaerobni katabolni procesi, sproščanje energije (2ATP/mol gluk.), enak proces glikolize, nepopolna razgradnja (produkti so organske snovi).
• Razlike: Končni oksidant (piruvat pri mlečnokislinskem, acetaldehid pri alkoholnem), produkti, kraj poteka, izkoriščanje v biotehnologiji.

Aerobno Celično Dihanje

• Aeroben katabolni (dissimilacijski) proces v celici, kjer se kompleksne organske spojine razgradijo na enostavne anorganske snovi ($CO<em>2$ in $H</em>2O$) s pomočjo kisika.
• Organizem pridobiva energijo (ATP).

Redoks Reakcije

• Oksidacija glukoze v ogljikov dioksid in redukcija kisika v vodo.
• Redukcija koencima NAD+ v NADH (in obratno).
• Kisik je najboljši oksidant v živem svetu.

Primerjava Vrenja in Aerobnega Dihanja

• Vrenje: anaeroben proces, nepopolna razgradnja, končni produkt je organska snov (alkohol), v končnem produktu je še nakopičena energija, 2 ATP/mol glukoze
• Aerobno dihanje: aeroben proces, popolna razgradnja, končni produkt sta anorganski snovi (ogljikov dioksid in voda), končni produkti nimajo več proste energije, 38 ATP/mol glukoze

Kje Poteka Celično Dihanje

• V evkariontskih in mnogih prokariontskih celicah.
• Glikoliza poteka v citosolu.
• V mitohondriju (evkariontske celice).

Zgradba Mitohondrija

• Zunanja in notranja membrana, medmembranski prostor, matriks, kriste, ribosomi, mitohondrijska DNA.

Enačba Aerobnega Celičnega Dihanja

• $C<em>6H</em>{12}O<em>6 + 6H</em>2O + 6O<em>2 \rightarrow 6CO</em>2 + 12H_2O + E$ (38ATP)

Procesi Aerobnega Celičnega Dihanja

1. glikoliza (citosol celic)
2. Nastanek acetil-koencima A (matriks mitohondrija)
3. Krebsov cikel (matriks mitohondrija)
4. Elektronska transportna veriga (notranja membrana mitohondrija-kriste)

Glikoliza (Ponovitev)

• Anaeroben proces (razkroj sladkorja).
• Glukoza se razgradi v 2 piruvata.
• Izkupiček je 2 ATP in 2 NADH + H+ / mol. glukoze.

Nastanek Acetil-CoA

• Piruvat vstopi v mitohondrijski matriks.
• Sprosti se $CO_2$ iz vsake molekule piruvata ter 2e- in 2H+ $(\rightarrow NADH+H+)$, nastane acetil-koencim A (acetil-CoA).

Krebsov Cikel

• Acetil-CoA (2 C) vstopi v citratni cikel.
• V ciklu nastajata reducirana NADH+H+ in FADH2, ATP in sprošča se $CO_2$.

Elektronska Transportna Veriga

• NADH+H+ in FADH2 preneseta e- in H+ vodika v dihalno verigo (citokromsko verigo), sodeluje tudi kisik.
• Pri oksidativni fosforilaciji se prenašajo elektroni po dihalni verigi (zaporedje prenašalcev - citokromov), sintetizira se ATP.
• Elektrone in protone vodika sprejema kisik, nastane voda.
• Povezava transporta elektronov, črpanja protonov in sinteze ATP je znana kot kemiosmotska sklopitev.

Energijski Izkupiček

• Od celotne proste energije glukoze se v 38 ATP shrani le 1113KJ (266kcal) energije, preostalih 1757KJ (420 kcal) proste energije pa se porazgubi kot toplota.

Pomanjkanje ATP

• V primeru velikega pomanjkanja ATP začne celica razgrajevati tudi beljakovine do aminokislin, ki se vključijo v presnovne procese.
• V presnovni proces lahko vstopajo samo majhne organske molekule – monomeri.