Aine- ja energiavahetus ehk metabolism (0)

Aine- ja energiavahetus ehk metabolism
Autotroofid on organismid, kes sünteesivad elutegevuseks vajalikud orgaanilised ühendid väliskeskkonnast saadavatest anorgaanilistest ainetest( valgusenergia , keemiline energia). Kemosünteesijad kasutavad valgusenergia asemel keemilist energiat.
Heterotroofid(suurem osa organismidest) on organismid, kes saavad oma elutegevuseks vajaliku energia toidus sisalduva orgaanilise aine oksüdatsioonil. Ei sünteesi ise orgaanilist ainet. Nad lagundavad orgaanilist ainet, et saada ka sünteesiprotsesside lähteained.
Sapotroofid on surnud organismide lagundajad.
Metabolismiks nim. organismis asetleidvaid sünteesi-ja lagundamisprotsesse, mis tagavad tema aine-ja energiavahetuse ümbritseva keskkonnaga. Kuni rakk elab toimub pidevalt ainete liikumine. Võib jagada assimilatsiooniks ja dissimilatsiooniks.
Ülesanne:
1)kindlustada rakku „ehitusmaterjaliga“.
2)kindlustada rakku energiaga.
Assimilatsioon
Moodustavad organismi kõik sünteesiprotsessid.
Toimub 3 osas:

rakku sisenevad aminohapped (glükoos, orgaanilised happed , nukleotiidid ).

rakku sisenenud ainetest saadakse( valgud , süsivesikud, DNA ja RNA)

raku organellide ehitamine, parandamine
Dissimilatsioon
Moodustavad organismi kõik lagundamisprotsessid(nt. glükoosi lagundamine mitokondrites).
3 vormi:
1)hüdrolüüs(polümeeride lõhustamine väiksemateks molekulideks, vabaneb energiat, suhteliselt vähe, sest aminohapped pole lõpuni lagunenud).
2) hingamine (org. ained lagunevad energia vaesteks ühenditeks).
C6H12O6 --> CO2 + H2O
3)käärimine(hapnikuta keskkond=anaeroobne, org. ainete lagundamine ei lähe lõpuni, energiat vabaneb suhteliselt vähe. Vabanev energia talletatakse makroergilistesse ühenditesse ehk ATP-sse 40% kasuteguriga, 60% eraldub soojusena).
Organismi varustamine energiaga
Energia vabaneb sahhariidide, lipiidide, valkude ja teise orgaaniliste ühendite oksüdatsioonil. Erinevate orgaaniliste ainete dissimilatsioonil saadakse erinev energiahulk: 1g sahhariidide täielikul oksüdatsioonil vabaneb 17,6 kJ energiat, 1g lipiidide korral 38,9 kJ ja valkude puhul 17,6 kJ energiat. Organism kasutab esmalt oma sahhariidide varusid, seejärel algab lipiidide lagundamine ning alles viimasena lõhustatakse organismi valke.
1 glükoosi molekul annab 38 ATP molekuli. Füüsilise pingutuse korral rohkem ATP-sid. ATP moodustub glükoküüsi, käärimise, fotosünteesi ja hingamise käigus. Adenosiinfosfaat ehk ATP on universaalne energia talletaja ja ülekandja, mis osaleb kõigi rakkude metabolismis. ATP molekul on ribonukleotiid, mis koosneb lämmastikualusest adeniin , riboosist ja kolmest fosfaatrühmast. Kui molekuli koostisse kuulub kaks fosfaatrühma, siis nim. ühendit adenosiindifosfaadiks(ADP). Erinevad lämmastikualused:

• GTP(valkude süntees).
  
• ATP, GTP, CTP ja UTP kasutatakse nelja ribonukleotiidi RNA sünteesiks. Erinevad üksteisest lämmastikualuse poolest. RNA sünteesil eraldub neist kaks fosfaatrühma ja sünteesitavasse RNA ahelasse jäänud ühe fosfaatrühmaga nukleotiidid(RNA monomeerid ).
  
• ATP, GTP, CTP ja TTP kasutatakse nelja desoksüribonukleotiidi DNA sünteesiks. DNA kahekordistumisel kasutatakse neid, sünteesi käigus eralduvad fosfaatrühmad ja DNA molekuli koostisse jäävad ühe fosfaatrühmaga monomeerid.
  

Glükoosi lagundamine
Universaalne – kõigil organismidel samasugune protsess. Glükoosivarud talletatakse polüsahhariididena(tärklis on taimedes ja glükogeen loomorganismides ) ja need lagundatakse ensüümide abil monomeerideks. C6H12O6 --> 6CO2 + 6H2O + ATP
3 etapis :
1)glükolüüs – toimub päristuumsete rakkude tsütoplasmavõrgustikus. Ensüümide abil glükoosi esmane lõhustamine.
Moodustub 2 püroviinamarjahappe molekuli. Vesinik seotakse vesinikukandjaga NADH2-ga. Toodetakse 2 ATP molekuli(vabaneva energia arvelt). Peab olema hapnik(aeroobne glükolüüs). Kui O2 ei jätku(käärimine), tuuakse H tagasi ja püroviinamarjahappe asemel moodustub 2 piimhappemolekuli võo 2 etanooli molekuli. Inimesel tekib O2 puudusel glükoosi lagundamisel piimhape (põletik ja valu). Piimhape viiakse verega maksa, kus ta lagundatakse aeroobselt. Etanool tekib pärmseente tegevuse tulemusena anaeroobsetes tingimustes. Pärmseened toituvad glükolüüsist ja eraldavad CO2 ja etanooli.
2)tsitraaditsükkel – toimub mitokondri sisemuses(maatriksis).
CO2 eraldub väljahingamise käigus atmosfääri. Vabanevad süsinikud seotakse vesinikukandjaga. 20 H aatomit ja moodustub 10 NADH2. Selles tsükliosas ATP-d ei toodeta.
3) hingamisahel – mitokondri sisemembraani harjakeste peal. O2 molekulidega seotakse NADH2-lt elektrone. O2 viiakse ühele poole harjakese membraani(miinus) ja H+ jääb teisele poole. Teatud gradienti juures harjakeste membraanide kanalid avanevad (vesinikud ja hapnikud liituvad, vabaneb energia  36 ATP). Kogu glükoosi lagundamise käigus 38 ATP-d.
Fotosüntees
Rohelised taimed fotosünteesivad süsihappegaasist ja veest suhkru molekule. Selleks kasutavad nad valgusenergiat . Eraldub O2.
Valguskiirgus jõuab taime rohelistes osades asuvate klotoplastideni(sisemuses klorofüll, mis ergastub valgusenergia toimel). Kõik järgnevad fotosünteesi reaktsioonid toimuvad klorofülli ergastunud elektronide arvelt. Fotosünteesi võib tinglikult jagada kaheks: valgus- ja pimedusstaadiumiks.
Valgusstaadium

• reaktsioonide toimumiseks on vajalik valguse olemasolu.
  
• kloroplastide sisemembraanidel moodustavad klorofülli molekulid koos teiste pigmentide ja valkudega valgusenergia muundamiseks vajalikke kogumikke – fotosüsteeme. Eristatakse: fotosüsteem I ja fotosüsteem II.
  

Fotosüsteem II kasutab ergastunud elektronide energiat vee molekulide lagundamiseks -vee fotooksüdatsiooniks (ehk vee fotolüüsiks) - ja ATP sünteesiks. Vee fotooksüdatsioonil moodustub molekulaarne hapnik(O2), eralduvad elektronid ja vesinikuioonid. Hapnik väljub õhulõhede kaudu ümbritsevasse keskkonda.
2H20  O2 + 4H+ + 4e
Fotosüsteem I vee fotooksüdatsioonis ei osale, selle põhiülesandeks on NADPH2 moodustamine. Süsteemis valgusenergia toimel ergastunud elektronid liiguvad vesinikukandja NADP(nikotiinamiidadeniindinukleotiidfosfaat) molekulidele, mis seejärel seovad ümbritsevast keskkonnast H+ ioone: NADP + 2e + 2H+   NADPH2
Moodustunud NADPH2 on vesiniku allikaks fotosünteesi pimedusstaadiumis toimuva sahhariidi sünteesil.
Valgusstaadiumi reaktsioonide tulemusena saadakse ATP ja NADPH2 molekulid, mis on vajalikud fotosünteesi pimedusstaadiumi reaktsioonide toimumiseks.
Pimedusstaadium

• reaktsioonid toimuvad kloroplastidest väljaspool(stroomas).
  
• sahhariidide sünteesiks süsinikuallikana vajalik CO2 siseneb õhulõhede kaudu taime ja difundeerub kloroplastidesse.
  

Edasine protsess koosneb järjestikustest reaktsioonidest, mis moodustavad tsükli( Calvini tsükkel). Selles seotakse CO2 ja vesinikuallikaks on NADPH2. Pimedusstaadiumi lõpptulemusena moodustuvad kolmesüsinikulised suhkru molekulid. Nende omavaheliselt ühinemisel saadakse glükoos. Calvini tsüklis kasutatakse valgusstaadiumis salvestatud ATP energiat ja NADPH2 molekule. 6CO2 + 12NADPH2(18 ATP)  C6H1206 + 6H2O + 12NADP(18 ADP + 18 Pi)
Calvini tsükli reaktsioonide käigus tekkinud NADP ja ADP on uuesti kasutatavad valgusstaadiumi reaktsioonides, glükoosi molekulid aga väljuvad kloroplastidest või moodustavad esmase säilitustärklise.
Fotosünteesi tähtsus

• glükoosi tootmine(toiduahela alglüli, teiste orgaaniliste ainete tootmisel) – põhiline energiaallikas .
  
• vee fotooksüdatsiooni käigus eralduv hapnik on vajalik kõigi organismide hingamiseks.
  
• Calvini tsükli reaktsioonide vaheühenditest saab taimerakkudes alguse ka mitmete lipiidide ja aminohapete süntees.
  
• on ainuke looduses toimuv protsess, mille käigus muundatakse valgusenergia keemiliste sidemete energiaks.
  
• tagab süsiniku ja hapniku ning teiste keemiliste elementide ringe .
  
• atmosfääris esinev hapnik on Maad ümbritseva osoonikihi püsimise aluseks.
  
• hapnik on vajalik põlemisprotsessides.