Bioloogia: Aine-ja energiavahetus (0)

Bioloogia IV
Aine- ja energiavahetus
Organismid vajavad elutegevuseks mitmesuguseid orgaanilisi aineid ( sahhariide , valke, lipiide , vitamiine jt), kuid neid kõiki ei ole looduses valmis kujul. Iga organism sünteesib talle ainuomaseid orgaanilisi aineid ise, milleks kasutab lähteainena kas eelnevalt ise sünteesitud molekule või orgaanilisi ühendeid väliskeskonnast. Sünteesiprotsessideks vajalik energia, saadakse kas väliskeskkonnast või toidus leiduvast orgaaniliste ainete sünteesiks. Selle alusel jagatakse organismid autotroofideks ning heterotroofideks.

Aine- ja energiavahetuse põhijooned
Autotroofide põhiosa moodustavad rohelised taimed. Nad sünteesivad elutegevuseks vajalikud orgaanilised ühendid väliskeskkonnast saadavatest anorgaanilistest ainetest, milleks nad kasutavad valgus energiat. Esmase orgaanilise aine saavad nad fotosünteesiprotsessist. Glükoos on paljude teiste orgaaniliste ühendite sünteesi lähteaine . Sellest moodustub taimedes tärklis või tselluloos . Kunas glükoosist lähtub veel mitmete lipiidide ja aminohapete süntees, ei vaja taimed täiendavad orgaanilist ainet väliskeskkonnast. Autotroofide hulka kuuluvad ka mõned bakterid ja protistid .
Heterotroofid saavad energia toidus sisalduva orgaanilise aine oksüdatsioonil . Orgaanilisi aineid saavad nad väliskeskkonna anorgaanilistest süsinikuühenditest. Heterotroofid lagundavad toiduga saadud orgaanilist ainet kahel eesmärgil: elutegevuseks vajaliku energia ja sünteesiprotsesside lähteainete saamiseks.
Miksotroof käitub valges kui autotroof ning pimedas kui heterotroof .
Kemotroofid on üldjuhul bakterid, kes toodavad orgaanilist ainet anorgaanilistest ühenditest . Selleks vajalikku energiat saab ta redoksreaktsioonidest.
Metabolism ehk ainevahetus tähendab organismis asetleidvaid sünteesi- ja lagundamisprotsesse, mis tagavad nii aine- kui ka energiavahetuse ümbritseva väliskeskkonnaga . Metabolismis võib tinglikult jagada kahte tihedalt seotud osaks: assimilatsioon ja dissimilatsioon .
Dissimilatsiooni moodustavad organismi kõik lagundamisprotsessid. Enamiku dissimilatsiooniprotsessidega kaasneb energia vabanemine , mis talletatakse makroergilistesse ühenditesse. Peamiseks makroergiliseks ühendiks on ATP ehk adenosiintrifosfaat , mis osaleb kõigi organismide aine- ja energiavahetuses ning on universaalne energia talletaja ning ülekandja.
Assimilatsiooni moodustavad organismi kõik sünteesiprotsessid. Selle käigus saadakse oranismile vajalikke ühendeid: sahhariide, valke, lipiide, nukleiinhappeid jt. Protsesside toimumiseks vajatakse täiendavat energiat ning lähteaineid. Täiendavat energiat vajatakse üldjuhul organismisisestelt keemilise energia varudelt, mis enamasti saadakse ATP molekulidelt.

Organismi varustamine energiaga
Energiat kasutatakse biosünteesireaktsioonides, ainete rakusisesel ja rakkudevahelisel transpordil ning mitmesugustes liikumisprotsessides. Vahetult kasutatav energia saadakse makroergilistest ühenditest. Nende süntees kaasneb dissimilatsioonireaktsioonidega.
Lipiidid on kõige rohkem energiat andvad ühendid, mis annavad umbes kaks korda rohkem energiat kui sahhariid või valk (:17,6kJ). Katsed loomadega näitavad, et organism kasutab esmalt oma sahhariidide varusid ning siis algab lipiidide lagundamine ja viimasena võetakse kasutusele valgud .
Dissimilatsiooniprotsessides vabanevat energiat salvestatakse enamasti ATP molekulidesse, et seda hiljem kasutada. ATP molekul on ribonukleotiid, mis koosneb lämmastikalusest, kolmest fosfaatrühmast ja riboosist. Kui aga molekuli koostisesse kuulun kaks fosfaatrühma, nimetatakse teda ADP ehk adenosiindifosfaadiks, millele ühe fosfaatrühma liitmisel tekib adenosiintrifosfaat ning viimsesse salvestub 30kJ energiat ühe molekuli kohta. Saadud energia annab ta edasi mõnele keemilisele ühendile.
Lisaks ATP’le on rakkudes veel teisigi makroergilisi ühendeid (GTP, CTP, UTP), mis erinevad üksteisest vaid lämmastikaluste poolest (GTP – guanosiintrifosfaat).

Glükoosi lagundamine
Taime- ja loomarakkudes kulgeb glükoosi lagundamine ühtemoodi , mistõttu seda dissimilatsiooniprotsessi võib pidada universaalseks.
Ühe glükoosimolekuli täielikul lagundamisel on organism võimeline sünteesime kuni 38 ATP molekuli. Protsess koosneb paljudest reaktsioonidest ning igaüht katalüüsib kindel ensüüm .
Mitte kogu energia ei salvestu ATP molekulidesse, vaid üksnes 40%, ülejäänu hajub soojusenergiana.
Glükoosi lagundamisel võime eristada kolme etappi: glükolüüs , tsitraaditsüklit ja hingamisahela reaktsioone.
Glükoosi algne lagundamine ehk glükolüüs toimub päristuumsete rakkude tsütoplasmavõrgustikus. Sealsed ensüümid katalüüsivad ligikaudu kümmet üksteisele järgnevat reaktsiooni.
Kui tegemist on aeroobse glükolüüsiga (kus on küllaldaselt hapnikku), siis saadakse ühest glükoosi molekulist kaks kolmesüsinikulist püroviinamarihappe molekuli (CH3COCOOH) ja eraldub neli vesiniku aatomit. Sellega kaasneb kahe ATP molekuli süntees. Püroviinamarihappe lagunemine jätkub glükolüüsile järgnevas tsitraaditsüklis . Neli eraldunud vesinikku seostuvad vesinikukandjaga NAD (nikotiinamiidadeniindunukleotiid), mis võimaldab H aatomeid järgnevalt kasutada hingamisreaktsioonides.
2 NAD + 4 H -› 2 NADH2
Anaeroobne glükolüüs ehk käärimine lõpeb kas piimhappe või etanooli moodustumisega. Piimhappekäärimine toimub hapniku puudusel lihaskoe rakkudes, aga ka piimhappebakterite elutegevuse käigus. Sel juhul saadakse glükoosist kaks piimhappe (C2H4OHCOOH) molekuli, kuid H ei eraldu ning protsess piirdub kahe ATP molekuli sünteesiga.
Pärmseened ning mõned bakterit teostavad anaeroobsetes tingimustes etanoolkäärmist, mille puhul ei eraldu H aatomeid. Moodustub kaks etanooli (C2H5OH) ja kaks ATP molekuli; eraldub CO2.
Püroviinamarihappe edasine lagundamine toimub mitokondri sisemuses. Kogu protsessi nimetatakse tsitraaditsükliks, kuna ühe vaheprodukti happejääk on tsitraat. Enne tsüklisse sisenemist eralduvad pürovaadist CO2 molekul ning kaks vesiniku aatomit ning kahesüsinikuline ühend ( äädikhape ) siirdub tsitraaditsüklisse. Tsitraaditsükkel koosneb ensüümide poolt katalüüsitavatest reaktsioonidest, mille käigus eralduvad järk-järgult CO2 molekulid ja H aatomid. Vaheetapist ning tsüklist eraldub kokku 20 H aatomit, mis kõik ei pärine algsest glükoosist, vaid ka tsüklisse sisenevast H2O’st. Vesiniku aatomid seotakse NADi poolt ja tulemusena saadaks 10 NADH2 molekuli, mis suunduvad hingamisahelasse. Süsihappegaas on aga jääkprodukt, mis difundeerub mitokondritest välja (CO2 meie välja hingatavas õhus).
Hingamisahela reaktsioonid toimuvad mitokondrite sisemembraanide harjakestes, kus glükolüüsil ja tsitraaditsüklis moodustunud NADH2 energia arvel saab täiendavalt sünteesida ATP molekule. Kuna glükolüüsil moodustub 2 molekuli NADH2 ja tsitraaditsüklis veel 10, siis ühe glükoosi kohta tekib 12 NADH2 molekuli. Hingamisahela reaktsioonides vabanevad nad H aatomitest ning see seotakse hapnikuga, moodustub vesi. Vabaneva energia arvel saab 12 NADH2 molekuli kohta sünteesida 36 ATP molekuli ning koos glükolüüsil saadud ATPdega võib aeroobsetes tingimustes kokku sünteesida 38 ATP molekuli.

Fotosüntees
Rohelised taimed fotosünteesivad süsihappegaasist ja veest suhkrumolekule ning selleks vajavad nad valgusenergiat , mille toimel klorofülli molekulid ergastuvad (Fotofüüsikaline faas- valguskvandi neeldumine). Kõik järgnevad reaktsioonid toimuvad klorofülli ergastunud elektronide arvel.
Fotosünteesi võib tinglikult jagada kaheks: valgus- ja pimedusstaadiumiks.
Valgusstaadiumis eristatakse fotosüsteeme, mis on valgusenergia muundamiseks vajalikud kogumikud. Vastavalt neis toimuvatele protsessidele eristatakse fotosüsteem I ja fotosüsteem II, mil on tähistus ajaloolise põhjusega, kuid töötavad vastupidiselt.
Fotosüsteem II kasutab ergastunud elektronide energiat vee molekulide lagundamiseks – vee oksüdatsiooniks ja ATP sünteesiks. Vee fotooksüdatsioonil eraldub jääkproduktina hapnik, mis väljub õhulõhede kaudu ümbritsevasse keskkonda.
Fotosüsteem I vee fotooksüdatsioonist osa ei võta, kuna selle põhiülesandeks on NADPH2 moodustamine. Ergastunud elektronid liiguvad vesinikukandja NADP (nikotiinamiidadeniindunukleotiidfosfaadi) molekulidele, mis seovad ümbritsevast keskkonnas H+ ioone. ( NADP + 2e + 2H+
NADPH2)
Pimedusstaadiumi reaktsioonid toimuvad kloroplasti lammelidest väljaspool ( stroomas ). Pimedusstaadiumis ei ole valgus enam oluline. Sahhariidide sünteesiks süsinikuallikana vajalik CO2 siseneb õhulõhede kaudu taime ja difundeerub kloroplastidesse. Edasine protsess koosneb järjestikustest (ensüüm)reaktsioonidest, mis moodustavad tsükli (mille käigus seotakse süsihappegaasi C orgaaniline ainete koostisesse). Pimedusstaadiumi reaktsioone nimetatakse Calvini tsükliks (selle avastas Melvin Calvin). Selles seotakse CO2 ja NADPH2. Lõpptulemuseks on kolmesüsinikulised suhkru molekulid, mille ühinemisel tekib glükoos. Tsüklis kasutatakse valgusstaadiumis salvestatud ATP energiat ja NADPH2 molekule.
6 CO2 + 12 NADPH2 > C6H12O6 + 6H2O + 12NADP ( 18ATP > 18 ADP + 18Pi)
Tsüklis tekkinud NADP ja ADP on kasutatavad uuesti valgusstaadiumis. Glükoosi molekulid väljuvad kloroplastidest või moodustavad esmase säilitustärklise.
Biokeemilise faasi reaktsioonide vaheproduktidest saadakse kõiki orgaanilisi aineid.