Ainevahetuse mõisted (1)

Aine- ja energiavahetus
Autotroof – sünteesib elutegevuseks vajalikud org. ühendid väliskeskkonnast saadavatest anorg. ainetest ( valgusenergia – fotosünteesijad / redoksreakts. vabaneva keem. energia abil – kemosünteesijad). Rohelised taimed, osad bakterid ja protistid.
Heterotroof – organism, kes saab oma elutegevuseks vajaliku energia toidus sisalduva org. aine oksüdatsioonil. Toiduga saadava org. aine lagundamise eesmärk: elutegevuseks vajaliku energia ja sünteesiprotsesside lähteaine saamine.
Metabolism e ainevahetus – organismis asetleidev sünteesi- ja lagundamisprotsess , mis tagab tema aine- ja energiavahetuse ümbritseva keskkonnaga. Koosneb assimilatsioonist (süntees) ja dissimilatsioonist (lagundamine).
Dissimilatsioon – lagundamisprotsessid . Toiduga saadavad või organismis sünteesitud org. ühendid lõhustatakse ensüümide abil lihtsama ehitusega molekulideks. Saab eristada: 1. biopolümeeride hüdrolüüsi (nt tärklis -> glükoos) ja 2. sellele järgnevat monomeeride (nt glükoosi) oksüdatsiooni. Protsessi käigus energia vabaneb. See talletatakse energiarikastesse e makroergilistesse ühenditesse (ATP).
Assimilatsioon – sünteesiprotsessid. Selle käigus saadakse: sahhariide, lipiide , valke, nukleiinhappeid jne. Vaja: lähteaineid, täiendavat energiat. Näiteks – fotosüntees (organismiväline päikeseenergia), DNA, RNA ja valgu süntees (organismisisene keem. energia varud – ATP molekulid).
Energia vabaneb sahhariidide (1 g – 17,6 kJ), lipiidide (38,9 kJ), valkude (17,6 kJ) jt org. ainete oksüdatsioonil. Sahhariidid – esmane ja kõige kiiremini kasutatav energiaallikas organismis.
ATP e adenosiintrifosfaat - universaalne energia talletaja ja ülekandja, mis osaleb kõigi rakkude metabolismis. ATP molekul koosneb: 1. lämmastikalusest adeniin (A), 2. riboosist ja 3. kolmest fosfaatrühmast (2 fosfaatrühma -> ADP). ATP moodustub glükolüüsi, käärimise, hingamise ja fotosünteesi käigus (ADP + P -> ATP + 30 kJ/mol energiat).
Rakkudes kasutatavad makroergilised ühendid:
Valkude sünteesil – GTP (guanosiinfosfaat).
RNA sünteesil ja DNA kahekordistumisel – ATP, GTP, CTP, UTP.
Enamikus organismide talletatakse glükoosivarud polüsahhariididena – tärklis/glükogeen. Täiendav energia saadakse polüsahhariidide lõhustamisel monomeerideks (ensüümide abil). Taimedes: tärklis -> glükoos. Loomades: glükogeen -> glükoos -> glükoosi oksüdatsioon -> vabaneb energia, salvestatakse ATP molekulidesse. Glükoosi lagundamine on universaalne dissimilatsiooniprotsess, toimub taim- ja loomorganismides ühtemoodi.
C6H12O6 + 6O2 à 6CO2 + 6H2O
[38ADP + 38Pi à 38 ATP]
Ühe glükoosimolekuli täielikul lagundamisel on võimalik sünteesida kuni 38 ATP molekuli.
Füüsiline töö vajab täiendavat ATP energiat -> kiireneb org. ainete dissimilatsioon -> ATP süntees-> vabaneb rohkem soojusenergiat. Organismi ülekuumenemist aitab vältida higistamine (higi aurustamiseks kasut. soojusenergiat).
Glükoosi oks. vabanenud energiast salvestatakse 40% ATP molekulidesse, 60% hajub.
Glükoosi lagundamise etapid: 1. glükolüüs, 2. tsitraaditsükkel, 3. hingamisahela reakts -d.
Toimuvad: 1. glükolüüs – päristuumse raku tsütoplasmavõrgustik, 2. tsitraaditsükkel – mitokondri sisemus, 3. hingamisahela reaktsioonid – mitokondri harjakeste membraanid .
Glükolüüs – glükoosi algne lagundamine. 1) aeroobne glükolüüs: ensüümid katalüüsivad u 10 üksteisele järgnevat reaktsiooni -> püroviinamarihape – CH3COCOOH – (lagundamine jätkub 2. etapis ) ja eraldub 4 H aatomit (seostuvad vesinikukandjaga NAD – nikotiinamiidadeniindinukleotiid -, mis võimaldab H aatomeid kasut. 3. etapis). Kaasneb 2 ATP molekuli süntees. 2) anaeroobne glükolüüs e käärimine: toimub hapniku puudumisel. 2 võimalust: 1. piimhapekäärimine – lihaskoe rakkudes, piimhappebakterite elutegevuse käigus. Glükoos -> 2 piimhappe (C2H4COOH) molekuli. H ei eraldu, tekib 2 ATP molekuli. (Põhjustab lihaste väsimust, valu, krampe. Treenimata lihased on pärast trenni valusad.
2 piimhape -> 2 püroviinamarihape + 4 H ja lihaste töövõime taastub .)
2. etanoolkäärimine – ei eraldu H, tekib 2 ATP. Glükoos -> 2 etanool + 2 CO2 (Veini kääritamine: protsess kestab, kuni lõpeb glükoositagavara käärimissegus või kuni keskkonda kuhjuv etanool pärsib pärmseente elutegevuse. Protsessi käigus ei ole takistatud õhuhapniku juurdepääs – etanool -> veiniäädikas [ segusse sattunud äädikhappebakterid oksüdeerivad.] - Kasut. nt toidu valmistamisel.)
Tsitraaditsükkel – glükolüüsi tulemusena saadud püroviinamarihappe edasine lagundamine. Koosneb ensüümide poolt katalüüsitavatest reaktsioonidest, mille käigus eralduvad järk-järgult CO2 molekulid ja H aatomid . Protsess: 1. enne tsüklisse sisenemist eralduvad püroviinamarihappest CO2 molekulid ja H aatomid (seotakse NAD poolt -> NADH2). 2. et ühe glükoosimolekuli kohta moodustub 2 molekuli püroviinamarihapet, siis eraldub vaheetapist ja tsitraaditsüklist kokku 20 H aatomit. Osa neist pärineb ka tsüklisse sisenevatest vee molekulidest. H aatomid seotakse NAD poolt -> 10 NADH2 molekuli -> suunduvad hingamisahelasse. CO2 on jääkprodukt ja difundeerub mitokondritest välja (väljahingatav õhk). Siin toimub ka lipiidide ja aminohapete lõplik lagundamine.
Hingamisahela reaktsioonid – glükolüüsil ja tsitraaditsüklis moodustunud NADH2 energia arvel saab täiendavalt sünteesida ATP molekule. Et glükolüüsil moodustub 2 molekuli NADH2 ja tsitraaditsüklis veel 10 NADH2, siis 1 molekuli glükoosi kohta tekib kokku 12 NADH2 molekuli. Hingamisahela reaktsioonides vabanevad NADH2 molekulid H aatomitest. Moodustunud NAD on uuesti kasutatav 1. ja 2. etapis. Eraldunud H seotakse hapnikuga ja moodustub H2O. Vabaneva energia arvel saab 12 NADHs molekuli kohta sünteesida 36 ATP molekuli. Ehk,
12 NADHs + 6O2 -> 12 NAD + 12 H2O
36 ADP + 36 Pi -> 36 ATP
Et glükolüüsil saadakse 1 glükoosimolekuli lõhustamisel 2 ATP molekuli ja hingamisahela reaktsioonide tulemusena veel 36, siis kokku võib aeroobsetes tingimustes ühe glükoosimolekuli lõplikul lagundamisel moodustuda kuni 38 ATP molekuli.
Fotosüntees - klorofülli sisaldavates taimerakkudes toimuv assimilatsiooniprotsess, mille käigus salvestatakse valgusenergia org. ühendite keem. sidemete energiaks. Toimub taimerakkude kloroplastides valgusenergia (klorofülli ergastunud elektronide energia) arvel. Maksimaalne efektiivsus: spektri punases (680 nm) või violetses (440 nm) osas.
Jaguneb: 1. valgusstaadium – vajalik valguse olemasolu. Vee molekul lagundatakse -> eraldub gaasiline hapnik. 2. pimedusstaadium – ei sõltu valgusest. Kasutab reaktsioonide käigus moodustunud vaheühendeid ja salvestatud ATP energiat. Seob CO2 molekulid -> moodustuvad kolmesüsinikulise suhkru molekulid -> viimaste ühinemisel tekib glükoos.
6CO2 + 12 H2O* -> C6H12O6 + 6 O2* + 6 H2O
1. valgusstaadium: fotosüsteemid (klorofülli molekulid koos teiste pigmentide ja valkudega, vajalikud valgusenergia muundamiseks) moodustuvad kloroplastide sisemuses paiknevates lamellimembraanides. Fotosüsteem II – kasutab ergastunud elektronide energiat vee molekulide lagundamiseks (vee fotooksüdatsiooniks e fotolüüsiks) ja ATP sünteesiks. Vee fotooksüdatsioonil moodustub molekulaarne hapnik (O2), eralduvad elektronid ja vesinikuioonid. Hapnik väljub õhulõhede kaudu ümbritsevasse keskkonda.
2 H2O -> O2 + 4 H+ + 4e. Fotosüsteem I – ei osale vee fotooksüdatsioonis, põhiülesanne NADPH2 moodustamine. Süsteemis valgusenergia toimel ergastunud elektronid liiguvad NADP molekulidele, mis seejärel seovad ümbritsevast keskkonnast H+-ioone: NADP + 2e + 2 H+ NADPH2 . Moodustunud NADPH2 on H allikaks fotosünteesi pimedusstaadiumis toimuva sahhariidi sünteesil. Valgusstaadiumi reaktsioonide tulemusena saadakse ATP ja NADPH2 molekulid, mis on vajalikud pimedusstaadiumi reaktsioonide toimumiseks.
2. pimedusstaadium: toimuvad kloroplasti lamellidest väljaspool (stroomas). Sahhariidide sünteesiks vajalik CO2 siseneb õhulõhede kaudu taime ja difundeerub kloroplastidesse. Calvini tsükkel – fotosünteesi pimedusstaadiumi reaktsioonid (Melvin Calvin , avastaja). Seal kasut. valgusstaadiumis salvestatud ATP energiat ja NADPH2 molekule. Pimedusstaadiumi lõpptulemus – kolmesüsinikulised suhkru molekulid -> ühinevad omavahel, tekib glükoos. 6CO2 + 12 NADPH2 -> C6H12O6 + 6 H2O + 12 NADP (18 ATP -> 18 ADP + 18 Pi) Calvini tsükli käigus tekkinud NADP ja ADP on uuesti kasutatavad valgusstaadiumi reaktsioonides, glükoosi molekulid väljuvad kloroplastidest või moodustavad esmase säilitustärklise.
Fotosünteesi tähtsus:
- taimedele:
1. Taime peamine varuaine on tärklis. Kõigis autotroofse taime osades pole kloroplaste (nt maa- alustes osades ja varre sisemuses), need saavad toitaineid taime nendest osadest, kus toimub fotosüntees.
2. Calvini tsükli reakts. vaheühenditest saab taimerakkudes alguse mitmete lipiidide ja aminohapete süntees.
3. Vee fotooksüdatsioonil vabaneva hapniku kasutavad ära mitokondrid. Heterotroofselt toituvad rakud saavad glükoosi oksüdatsiooniks vajaliku hapniku väliskeskkonnast. Seda kasutavad ka kloroplaste sisaldavad rakud – nt öösel.
- heterotroofsetele organismidele:
1. Heterotroofid ei suuda valgusenergiat keem. energiaks muuta. Elutegevuseks vajaliku energia saavad nad toiduga omastatava org. aine oksüdatsioonil. Kui fotosüntees lakkaks, saaksid otsa ka org. aine varud, mida heterotroofid lagundavad. Heterotroofid ei saa taimede poolt moodustatud org. aineta.
2. Fotosüntees tagab süsinikuringe – CO2 sisalduva C taaskasutamine org. aine koostises saab võimalikuks Calvini reaktsioonide kaudu.
3. Õhuhapniku olemasolu on seotud vee fotooksüdatsiooniga, mis toimub fotosünteesi valgusstaadiumis. Selle pidurdumise/lakkamise korral saaks hapnik atmosfäärist otsa.
- biosfääri säilimisele:
1. Fotosüntees tagab valgusenergia salvestamise kõigi organismide poolt kasutatavaks keem. energiaks.
2. Tagab süsiniku ja hapniku jt keem. elementide ringe .
3. Atmosfääris esinev hapnik on Maad ümbritseva osoonikihi püsimise aluseks (kaitseb kosmilise ja ultraviolettkiirguse eest). Osoonikihi õhenemise/hävimise korral enamik organisme hukkuks, sest kosmosest lähtuv kiirgus muudab valkude ja nukleiinhapete struktuuri ja selle tulemusena ei saa need enam täita neile iseloomulikke funktsioone.