Ainevahetus, fotosüntees, fotosünteesi tähtsus, rakuhingamine, ATP (0)

AINEVAHETUS  
Aine- ja energiavajaduse põhijooned 
  Organismid vajavad elutegevuseks mitmesuguseid orgaanilisi aineid: süsivesikuid, lipiide , valke, 
nukleiinhappeid, vitamiine ja teisi ühendeid. 
  Sünteesiprotsessideks vajalik energia saadakse väliskeskkonnast ( autotroofid ) või toidus 
sisalduvate orgaaniliste ainete oksüdatsioonil ( heterotroofid ). 
Autotroofid 
  Autotroofid saavad esmase org. aine fotosünteesis. Selleks vajavad nad väliskeskkonnast 
valgusenergiat ja CO2-te ja vett. Protsessi käigus moodustub glükoos ja selle jääkprodukt O2 
eraldub atmosfääri.  
6CO2 + 12H2O = C6H12O6 + O2 +  6H2O  
  Glükoos on paljude teiste orgaaniliste ühendite sünteesi lähteaine: taimedes moodustub 
tselluloos ja tärklis, lisaks lähtub glükoosist mitmete lipiidide ja aminohapete süntees, on aluseks 
paljudele  biokeemilistele protsessidele.  
  Autotroofid on organismid, kes sünteesivad elutegevuseks vajalikud org. ühendid 
väliskeskkonnast saadavatest  anorg . ainetest. 
  Autotroofid on ka kemosünteesijad – erinevat liiki  bakterid , kes toodavad orgaanilist ainet 
orgaanilistest ühenditest, kasutades selleks anorgaaniliste ainete keemilist energiat 
(väävelbakterid). 
Heterotroofid 
  … on suurem osa organismidest. 
  … ei saa elada ilma väliskeskkonnast hangitavate org. ühenditeta. 
  … lagundavad toiduga saadud org. ainet, et saada elutegevuseks energiat ja saada lähteaineid 
sünteesimisprotsessideks. 
  Kasutavad energiaallikana ainult org. ühendeid. 
  Heterotroofid on organismid, kes saavad oma elutegevuseks vajaliku energia toidus sisalduva 
orgaanilise aine oksüdatsioonil (oksüdatsioon – lagundamine hapniku abil). 
Metabolismi mõiste 
  Organismid saavad väliskeskkonnast orgaanilisi ja anorgaanilisi aineid (toitumisel, hingamisel)  
biokeemilistes protsessides lagundavad nad väliskeskkonnast saadud ained ja sünteesivad neist 
uued ühendid  jääkproduktid (seedimata toiduosakesed, vesi, süsihappegaas, mitmed 
lämmastikuühendid) eritatakse väliskeskkonda.  
  Organismis asetleidvaid sünteesi- ja lagundamisprotsesse, mis tagavad aine- ja energiavahetuse, 
nim. metabolismiks. 
Dissimilatsioon  
  - organismis kõik lagundamisprotsessid.  
  Toiduga saadud või ise sünteesitud orgaanilised ühendid lõhustatakse ensüümide abil 
lihtsamateks molekulideks (biopolümeeride hüdrolüüs (tärklisglükoos), glükoosi 
oksüdeerimine). 
  Energia vabanedes talletatakse see makroergilistesse ühenditesse u 40% kasuteguriga – ATP. 
  Ülejäänud energia, 60%, eraldub soojusena.  
  Glükoosi lagundamisel vabaneb 38 ATP molekuli. 
1 
 
  Füüsilise pingutuse tagajärjel kiireneb ATP süntees??? – vabaneb rohkem energiat ja organism 
hakkab higistama .  
Assimilatsioon  
  - kõik organismi sünteesiprotsessid. Selle käigus saadakse organismile vajalikke ühendeid: 
nukleiinhappeid, sahariide, lipiide, valke.  
  Protsesside toimumiseks vajatakse täiendavat energiat, ensüüme ja lähteaineid – ATP molekulid. 
  4 tähtsamat assimilatsiooniprotsessi: fotosüntees, DNA ja RNA süntees ja valgusüntees. 
Organismi varustamine energiaga 
  Iga organism vajab elutegevuseks energiat. Seda kasutatakse biosünteesireaktsioonides, ainete 
transpordil ja liikumisprotsessides.  
  Energia vabaneb sahhariidide, valkude, lipiidide ja teiste orgaaniliste ühendite oksüdatsioonil – 1 
g  sahhariide  ja 1 g valke = 17,6 kJ (4,2  kcal ) energiat, 1 g lipiide = 38,9 kJ (9,3 kcal) energiat 
  Organism kasutab kõigepealt sahhariidide varusid, seejärel lipiidide ja kõige hiljem valkude 
varusid.  Sahhariidid  on  esmaseks  ja kõige kiiremini kasutatavaks energiaallikaks. 
Dissimilatsioonil vabaneva energia salvestamine  
   Adenosiintrifosfaat  (ATP) on universaalne energia  talletaja  ja ülekandja, osaleb kõigi rakkude 
metabolismis. 
  Kui molekuli koostises on kaks 
fosfaatrühma, siis nim. ühendit 
adenosiindifosfaadiks (ADP). 
  Kolmanda fosfaatrühma liitmisel tekib 
ADP-st ATP. Selle protsessiga salvestub 
ligi 30 kJ energiat ühe molekuli kohta 
  ADP + P  ATP + 30 kJ/mol energiat 
  ATP moodustub glükolüüsi (glükoosi 
esmane lagundamine), käärimise, 
hingamise ja FS käigus. 
  Organism kasutab ka teisi 
makroergilisi ühendeid (GTP, TTP, UTP, CTP). DNA sünteesiks ATP-d, TTP-d,  GTP-d, CTP-d, RNA 
paljundamiseks ATP-d, GTP-d, CTP-d, UTP-d.  
Glükoosi lagundamine ehk  rakuhingamine  
  Glükoos on peamine organismisisene  energiaallikas  
  Glükoosi lagundamine on dissimilatsiooniprotsess, mis toimub ühte moodi nii loomades , 
taimedes kui ka seentes . 
C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + energia 
  Tekib 38 ATP molekuli: 38 ADP + Pi  38ATP 
  Glükoosi lagundamise etapid: 
o  glükolüüs – toimub päristuumse raku tsütoplasmavõrgustikul 
o  tsitraaditsükkel – toimub mitokondri sisemuses 
o   hingamisahela reaktsioonid – toimuvad mitokondri harjakeste membraanidel 
Aeroobne  glükolüüs - erinevate ensüümide toimel ligikaudu kümme toimuvat reaktsiooni 
  … ehk glükoosi algne lagundamine  
2 
 
  Glükolüüsi tulemusena tekib glükoosist kaks püroviinamarihappe (püruvaat) molekuli ning 4 
vesiniku iooni/aatomit ??           C6H12O6  2CH3COCOOH + 4H 
  Glükolüüsiga kaasneb 2 ATP molekuli süntees 2ADP + Pi  2ATP 
  Eraldunud vesiniku aatomid / ioonid  seostuvad vesinikukandja NAD-iga, mis võimaldab neid 
vesinike aatomeid hiljem kasutada NAD + 2H  NADH2/2NADH ?? 
 
Anaeroobne glükolüüs – toimub hapniku puudumisel 
  … ehk käärimine lõpeb piimhappe või etanooli ja süsihappegaasi moodustamisega 
  Piimhappekäärimine toimub hapniku  puudusel lihaskoe rakkudes. Sel juhul saadakse 
piimhappebakterite  tegevusel ühest glükoosist kaks piimhappe molekuli, kuid H aatomeid ei 
eraldu ning kogu protsess piirdub kahe ATP sünteesiga. 
C6H12O6  2 C2H4OCOOH (glükoos2 piimhapet) 
2 ADP + 2Pi  2 ATP 
  Kui  piimhape  kandub verega maksa, muutub see püroviinamarihappeks ja jätkuvad järgnevad 
reaktsioonid  tavalisel glükoosi lagundamisel 
2 C2H4OCOOH  2CH3COCOOH + 4H (2 piimhapet  2 püroviinamarihapet + 4 vesinikku) 
  Näiteid piimhappekäärimisest: piima, kapsa, kurgi hapnemine; juustu, jogurti kohupiima 
tootmine 
  Pärmseened ja mõned bakterid kasutavad  etanoolikäärimist. 
C6H12O6  2CH3CH2OH + 2CO2  (glükoos  2 etanooli + 2 
süsihappegaasi) 
  Etanoolkäärimine – suhkru lagundamine mikroorganismide toimel 
  Näiteid etanoolkäärimisest: taigna kergitamine, tekkiv  alkohol  
aurustub 
Tsitraaditsükkel ehk Krebsi tsükkel – ensüümide poolt katalüüsitavad 
reaktsioonid, mille käigus eraldub CO2 ja H aatomid 
  Vahetult enne tsitraaditsüklit eraldub CO2 ning 2H.  Vesinik  
seostatakse  NAD  molekuliga . Tekib NADH2/2NADH molekuli 
  Püroviinamarihappest moodustunud kahesüsinikuline ühend, 
atsetüül CoA, siirdub tsitraaditsüklisse 
  Tsitraaditsüklist tulemusena tekib 20 H aatomit, mis seonduvad NAD molekulidega, saadakse 
kokku 10NADH2 molekuli, mis lähevad edasi hingamisahelasse. Kõik vesiniku aatomid pole pärit 
algsest glükoosi molekulist, vaid tsüklisse sisenevast veest.  
  Süsihappegaas on  dissimilatsiooni jääkprodukt ja difundeerub mitokondritest välja 
  Tsitraadistüklis lagundatakse lõplikult ka  lipiidid  ja  aminohapped  
Hingamisahela tsükkel – moodustunud NADH2 energia arvelt sünteesitakse ATP molekule 
  Kokku tekib ühe molekuli glükoosi kohta 12 NADH2 molekuli, millest eraldub reaktsioonides 
vesinik 
2NADH2 (glükolüüsist ja enne tsitraaditsüklit) + 10NADH2 (tekkinud tsitraaditsüklis)  12 NADH2 
  NADH2 molekulid vabanevad H aatomitest/ioonidest, moodustunud NAD molekulid liiguvad 
tagasi glükolüüsi ja tsitraaditsüklisse 
12 NADH2  12 H2 + 12NAD (NADH2  lagunemine )  
  Eraldunud vesinik seotakse hapnikuga ja moodustub vesi  
12 H2 + 6 O2   12H2O (vee teke vabanenud vesinikest) 
3 
 
  NADH2 vesinike vabanemise energia arvelt saab 
moodustada kuni 36 ATP molekuli 
36  ADP + 36 Pi  36 ATP (ATP molekulide 
süntees) 
   Summaarne  hingamisahela reaktsioonide valem 
12 NADH2 + 6O2  12 NAD + 12 H2O  
Fotosüntees 
  … - assimilatsiooniprotsess, mille käigus 
sünteesitakse kloroplastides klorofülli abiga 
valgusenergiat kasutades süsihappegaasist ja 
H2O-st orgaanilisi ühendeid (glükoosi) 
  Enamik orgaanilisest ainest on pärit  taimedest  
  FS (fotosünteesi) kiirus ja kasutegur sõltuvad 
o  valguse tugevusest 
o  süsihappegaasi kontsentratsioonist õhus 
o  taimede varustatusest mineraalainete ja veega 
o  temperatuurist (20o-30oC). Parasvöötmes algab FS 5o juures 
o  taimeliigist 
  FS toimub nähtava valguse vahemikus, maksimaalne on see spektri punases või violetses osas 
   Valgusenergia , jõudnud taime kloroplastideni, ergastab klorofülli molekulid 
  Kõik fotosünteesi reaktsioonid toimuvad klorofülli ergastunud elektronide mõjul 
FS  valgusstaadium  
  Reaktsioonid kulgevad kloroplastide sisemembraanides ainult valgusenergia mõjul 
  Klorofülli molekulid moodustavad teiste pigmentidega fotosüsteeme 
  Fotosüsteem II (toimub enne I) kasutab ergastunud elektronide energiat vee molekulide 
lagundamiseks - vee fotooksüdatsiooniks (fotolüüsiks) ja ATP sünteesiks.  
o  Vee fotooksüdatsioonil moodustub  molekulaarne  hapnik, mis difundeerib läbi õhulõhede 
keskkonda, eralduvad vesinikioonid ja elektronid. 
2H2O  O2↑ + 4H+ + 4ē 
  Fotosüsteem I ülesanne on NADPH2 moodustamine.  
o  Süsteemis valgusenergia toimel ergastunud elektronid liiguvad vesinikukandja NADP 
molekulidele, mis seovad H+ ioone. 
NADP + 2ē + 2H+ ↔ NADPH2 
o  Moodustunud NADPH2 on vesiniku allikas FS pimedusstaadiumis toimuva sahhariidi sünteesil.  
FS  pimedusstaadium  ehk  Calvini  tsükkel 
  Toimuvad kloroplasti lamellidest väljaspool –  stroomas  
  Sahhariidide sünteesiks  vajaminev  süsinik saadakse läbi õhulõhede, kus süsihappegaas 
difundeerub taime kloroplastidesse 
  Protsessi toimumiseks vajaminev energia saadakse 18 ATP molekulist 
18 ATP  18 ADP + Pi 
  Calvini tsüklis seotakse CO2 vesinikega NADPH2-st.  
12 NADPH2  12H2 +NADP 
  Pimedusstaadiumi lõpptulemusena tekib kaks kolmesüsinikulist suhkru molekuli, mille 
omavahelisel ühinemisel saadakse glükoos 
4 
 
6CO2 + 12NADPH2  C6H12O6 + 6H2O + 12 NADP 
  NADP ja ADP-d on uuesti võimalik kasutada valgustaadiumis, glükoos väljub kloroplastidest või 
moodustavad esmase säilitustärklise 
Fotosünteesi tähtsus 
  FS on vajalik heterotroofidele, kes ise anorgaanilisest ainest orgaanilist ei suuda sünteesida 
  Vee fotooksüdatsioonil eralduv hapnik on vajalik kõikide organismide hingamiseks 
  FS vajalikkus taimedele: 
o  Igas taimes  on heterotroofselt toituvaid rakke, mis saavad  suhkrud   nendest  rakkudest, kus 
toimub FS või tärklise hüdrolüüsil 
o  Calvini tsüklist saab alguse mitmete lipiidide ja aminohapete süntees 
o  Heterotroofselt toituvatele rakkudele on õhuhapniku vaja glükoosi oksüdatsiooniks 
  FS tähtsus heterotroofidele: 
o  FS on ainuke protsess looduses, milles muudetakse valgusenergia keemiliste sidemete energiaks 
o  Elutegevuseks vajaliku energia saavad heterotroofid ainult toiduga omastatava orgaanilise aine 
oksüdatsioonil – heterotroofid ei saa elada ilma taimede poolt esmaselt moodustatud orgaanilise 
aineta 
o  FS tagab süsihappegaasi kasutamisega süsinikuringe 
o  Org. aine oksüdatsioonil kasutatakse hapnikku, mida valdav osa heterotroofe ka kogu aeg tarbib 
– FS kindlustab õhuhapniku olemasolu 
o  Glükoos on põhiline energiaallikas enamikes organismides 
  Biosfääri  eksisteerimine  on seotud fotosünteesiga 
o  FS tagab süsiniku, hapniku ja teiste keemiliste elementide  ringe  
o  Atmosfääris esinev hapnik on Maad ümbritseva osoonikihi püsimise aluseks 
  Glükoos on I toiduahela lüli 
 
 
5