Metabolismi üldiseloomustus (1)

AINEVAHETUSE ÜLDISELOOMUSTUS
METABOLISMI PÕHIMÕISTED
Metabolism = ainevahetus kõigi elusrakus kulgevate keemiliste reaktsioonide võrk
Katabolism keerulise ehitusega ühendite lagundamisega (degradatsiooniga) seotud reaktsioonide kogum
Anabolism raku makromolekulide sünteesiga seotud reaktsioonide kogum
Vahemetabolism ainevahetusreaktsioonid, milles osalevad (intermediaarne metabolism) väikesed molekulid (nn. intermediaadid )
Metaboliidid raku ainevahetuses osalevad ained
Metaboolsed rajad järjestikuste ensüüm – reaktsioonide ahelad ; ühe lõppprodukt on substraadiks järgmises reaktsioonis
Metaboolsed rajad on paljuastmelised
• Lineaarsed
• Hargnenud
• Tsüklilised
METABOLISM KULGEB ÜKSIKUTE, KONTROLLITUD
ASTMETENA
Glükoosi kontrollimatul lagundamisel vabaneks korraga suur hulk energiat. Paljuastmelises ensümaatilises protsessis on vabanevad energiahulgad väikesed (mitte üle 60 kJ/mol) ja ülekanne individuaalsetele aktseptoritele hästi juhitav.
PALJUASTMELISED RAJAD VÕIMALDAVAD
METABOLISMI HÄSTI REGULEERIDA
Regulatsioon toimub:
• Üksikreaktsioonide tasemel.
Baseerub massitoimeseadusele.
• Raku tasemel.
Baseerub ensüümide aktiivsuse reguleerimisele
- allosteeriline regulatsioon,
- kovalentne modifitseerimine , - ensüümide süntees,
- ensüümide degradatsioon,
• Organismi tasemel.
Baseerub hormonaal- ja närvisüsteemile
Homöostaas (kr.k. homöo - taoline) – organismisiseste parameetrite stabiilsus
ORGANISMIDE METABOOLNE KLASSIFIKATSIOON VASTAVALT SÜSINIKU- JA ENERGIAALLIKALE
Klassifikatsioon
Süsiniku
allikas
Energiaallikas
Elekronide
doonorid
Esindajad
Fotoautotroofid
C02
Valgus
H20, H2S, S jt.
anorgaanilised ained
Rohelised taimed,
tsüanobakterid,
fotosünteesivad bakterid
Fotoheterotroofid
Orgaanilised
ained
Valgus
Orgaanilised ained
Purpursed mitteväävlibakterid
Kemoautotroofid
C02
Redoksreaktsioonid
Anorgaanilised
ained: H2, H2S,
NH4+, N02-, Fe2+, Mn2+
Nitrifitseerivad bakterid,
vesiniku-, väävli- ja rauabakterid
Kemoheterotroofid
Orgaanilised
ained
Redoksreaktsioonid
Orgaanilised ained
Kõik loomad,
enamik mikroorganisme ,
taimede mittefotosünteesivad
koed (juured), fotosünteesivad
rakud pimeduses
02 roll metabolismis.
Aeroobid - ( aeroobsed organismid) oksüdatsiooniprotsessides 02 vajalik elektronide aktseptoritena (HTNGAMISE-tüüpi oksüdatsioon). Obligaatsed aeroobid – 02 hädavajalik
Anaeroobid - (anaeroobsed organismid) ei vaja 02 elektronide aktseptoritena (KÄÄRIMISE-tüüpi oksüdatsioon) Obligaatsed anaeroobid – 02 mittevajalik Fakultatiivsed anaeroobid - metaboolselt universaalsed
BIOLOOGILISE TERMODÜNAAMIKA ALUSED
Termodünaamika (TD) - õpetus
• energia muundumisest
• keemilise tasakaalu kvantitatiivsest kirjeldamisest
Termodünaamiline süsteem - üksikreaktsioon, rakk või organism
Keskkond - kõik, mis on väljaspool süsteemi
Süsteem + keskkond = kõiksus (universum)
TD I seadus: Üldine (süsteem + keskkond) energiahulk on jääv.
TÖÖ ↔ SOOJUS
ΔE = Eproduktid – Ereaktandid = Q - W
E - süsteemi siseenergia
Q - keskkonnast seotud soojus
W- süsteemi poolt tehtud töö
(Bio)keemias enamkasutatav ENTALPIA (H) mõiste
H = E + PV
Kui P = const
ΔHp = ΔEp + PΔV
Kuna PΔV= töö, siis
Qp = ΔEp + PΔV = ΔHp
ENTALPIA = SOOJUSEFEKT (P = const.)
Ühik - cal/mol või J/mol
ΔH
ΔH > 0 endotermiline protsess(süsteem seob soojust)
TD II seadus: Universumi entroopia kasvab alati.
ENTROOPIA (S) - juhuslikkuse , "mikroskoopilise korrastamatuse" mõõt. Ühik - J/mol deg
Isoleeritud süsteemi entroopia püüab saavutada maksimumväärtust
S → Smax
Tasakaaluolekus
A ↔ B
S = max ΔS = 0
Isoleeritud süsteemi entroopia ei saa spontaanselt, s.t. iseeneslikult väheneda.
Metaboolsed protsessid, mille tulemuseks on rakkude / organismide kasv, on kordaloovad protsessid, s.t.
ΔS
Metaboolsed protsessid on võimalikud, kuna
ΔSorg + ΔS keskk > 0
Metaboolsetele protsessidele on iseloomulik eksisteerida statsionaarses olekus (dünaamilises tasakaalus), mis on kaugel tasakaaluolekust.
A → B → C
B kontsentratsioon püsib muutumatuna A ja C kontsentratsioonide pideva muutumise tulemusena. Intermediaadi püsikontsentratsiooni tagab lähteaine lisandumine ja produkti väljutamine.
VABA ENERGIA MUUT SEOB ENTALPIA JA ENTROOPIA MUUDU
Reaktsiooni spontaansuse kriteerium
ΔG = ΔH - ΔS T
VABA ENERGIA ehk GIBBS 'I VABA ENERGIA (G) - see osa süsteemi siseenergiast, mis on võimeline tegema tööd. Ühik - cal/mol või J/mol.
ΔG - vaba energia muut.
Suletud süsteemides kulgevad keemilised reaktsioonid spontaanselt kuni tasakaalu saavutamiseni.
ΔG reaktsioonid. Produktide siseenergia väiksem kui reaktantidel. Kulgevad spontaanselt.
ΔG > 0 endergoonilised reaktsioonid. Produktide siseenergia suurem kui reaktantidel. Ei saa kulgeda spontaanselt.
Standardtingimused biokeemilistele süsteemidele:
• T = 298°K (25° C)
• P = 101,3 kPa
• C = 1 mol/l (1 M)
• pH = 7,0
ΔG0’ - standardne vaba energia muut (vaba energia muut standardtingimustel).
Standardne vaba energia muut on otseselt seotud reaktsiooni tasakaalukonstandiga.
A + B ↔ C + D
ΔG = ΔG0’ + RT ln [C] [D] / [A] [B]
R - universaalne gaasikonstant , 1,987 cal/mol K°
T- absoluutne temperatuur.
Kui [A], [B], [C] ja [D] - komponentide molaarsed kontsentratsioonid tasakaalupunktis, siis
[C] [D] / [A] [B] = Keq
Keq - reaktsiooni tasakaalukonstant
Tasakaalus ΔG = 0, seega
ΔG0’ = - R T ln Keq
Reaktsiooni standardne vaba energia muut on alternatiivne matemaatiline võimalus tema tasakaalukonstandi avaldamiseks.
Reaktsiooni tegelik vaba energia muut sõltub reaktantide ja produktide kontsentratsioonidest
ΔG ja ΔG0’ reaktsioonile A + B ↔ C + D
on seotud võrrandiga
ΔG = ΔG0’ + RT ln [C]’ [D]’ / [A]’ [B]’
kus süsteemis antud tingimustel tegelikult eksisteerivad suurused on esitatud kursiivkirjas.
Komponentide kontsentratsioonide kaudu väljendub massitoimeseaduse mõju.
[C]’ [D]’ / [A]’ [B]’ = Q
Q - massitoimesuhe
Reaktsioonide spontaansuse kriteeriumiks on tegelik vaba energia muut.
ΔG = ΔG0’ + RT ln Q
Tasakaalulähedased reaktsioonid - Q ~ Keq, ΔG väärtused väikesed
Metaboolselt pöördumatud reaktsioonid - Q ja Keq väärtuste erinevused kaks ja enam suurusjärku.
MAKROERGILISED ÜHENDID
Makroergiline = energiarikas
Makroergilised molekulid
• sisaldavad ühte või mitut kovalentset sidet, mille hüdrolüüsil standardne vaba energia muut ΔG0’ ≤ - 30 kJ/mol
• toimivad rakus põhiliselt mitokondrites produtseeritava energia kohaletoimetajana
FOSFOANHÜDRIIDNE SIDE - üldlevinud makroergiline side rakus
MAKROERGILISED METABOLIIDID
Nukleosüdtrifosfaadid
Atsüülfosfaadid
Enoolfosfaadid
Amidiinfosfaadid
Tioolestrid
N: KoA-ga aktiveeritud atsüülid
ADENOSIINTRIFOSFAAT (ATP)
ATP on keskne makroergiline ühend.
ATP hüdrolüüsil ADP-ks vabaneb standardtingimustel energiat ≈ 30 kJ/mol
Rakus valitsevatel tingimustel on ATP hüdrolüüsil ΔG ≈ -50 - 60 kJ/mol
ATP SÜNTEESI PÕHITEED
• Oksüdeeriv fosforüülimine
Redoksreaktsioonidel vabaneva energia kasutamine ATP sünteesimiseks.
Leiab aset
• eukarüootidel mitokondrite sisemembraanis
• prokarüootidel plasmaatilises membraanis
• Substraatne fosforüülimine
Fosfaadi ülekanne fosforüülitud substraadilt ADP-le.
• Fotofosforüülimine
BIOLOOGILINE OKSÜDATSIOON
Toitainete keemiline energia läheb soojusenergiaks (60%) ja ATP keemiliseks energiaks (40%).
BIOLOOGILINE OKSÜDATSIOON
• Ensümaatiline
• Paljuastmeline
• Oksüdeeruv aine kaotab vesiniku aatomeid
• Vabanev energia → soojus (60%)
→ energiarikkad fosfaadid (40%)
Vesinik (e- + H+) kandub DOONORILT AKTSEPTORILE. Doonor oksüdeerub, aktseptor taandub.
DH2 + A → D + AH2
D - doonor (oksüdeeruv orgaaniline aine)
A - aktseptor
Vesiniku esmaseks aktseptoriks on sageli koensüüm NAD+ (FAD).
DH2 + NAD+ → D + NADH + H+
oksüdeeritud taandatud
koensüüm koensüüm
Redoksreaktsioonide viimases astmes seostub vesinik hapnikuga.
AH2 + ½ O2 → A + H2O
BIOLOOGILINE OKSÜDATSIOON KUI PALJUASTMELINE PROTSESS
Oksüdeerumisel kaotab orgaaniline aine järk-järgult vesiniku aatomeid. Toimub süsiniku oksüdatsiooniastme (o.-a.) suurenemine. Maksimaalne o.-a. IV saavutatakse süsinikdioksiidis.
OKSÜDEERIV FOSFORÜÜLIMINE
ATP moodustumine ADP-st, mis kaasneb elektronide transpordiga piki ÜLEKANDJATE ahelat (hingamisahelat) taandatud koensüümilt NADH (FADH2) hapnikule.
Elektrontranspordi ahel = hingamisahel
Mitokondri sisemembraanis paiknev elektronide ülekandjate süsteem koosneb:
Koensüüm Q - ubikinoon ( Q)
Tsütokroomid - heemi sisaldavad kromoproteiinid (C)
Fe2+ ↔ Fe3+
Oksüdeeriva fosforüülimise üldvõrrand:
NADH + H+ + ½ O2 + 3ADP + 3Pi → NAD+ + H2O + 3ATP
FADH2 + ½ O2 + 2ADP + 2Pi → FAD +H2O + 2ATP
SÜSIVESIKUTE KATABOLISM
TAANDATUD KOENSÜÜMID
NADH
FADH2
• Tekivad toitainete oksüdatsioonil
• Toimivad elektronide (vesiniku) ülekandjatena
• Energiarikkad molekulid, kuna sisaldavad kõrge ülekandepotentsiaaliga elektrone
• Reoksüdeerumisega hingamisahelas kaasneb ADP fosforüülimine ATP-ks
NADH = 3ATP
FADH2 = 2ATP
GLÜKOLÜÜS
Glükolüüs - ensümaatiliste reaktsioonide ahel, mille käigus glükoos muudetakse püruvaadiks. Ühe glükoosi molekuli konversiooniga kaheks püruvaadi molekuliks kaasneb kahe ADP molekuli konversioon ATP-ks.
Summaarne võrrand:
Glükoos + 2 ADP + 2 NAD+ + 2Pi →
2 Püruvaat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H20
Glükolüüs on
• raku tsütoplasmas kulgev universaalne ainevahetus rada
• anaeroobsetes rakkudes ainus ATP-d produtseeriv rada
• aeroobsetes rakkudes esimene etapp süsivesikute oksüdatsioonil
GLÜKOLÜÜSI KAKS FAASI
• Heksoosifaas. Kõik intermediaadid on heksoosid (C6- suhkrud ).
Toimub energia investeerimine - kaks ATP molekuli muudetakse ADP-ks
• Trioosifaas. Kõik intermediaadid on trioosid (C3 suhkrud).
Toimub energia genereerimine - sünteesitakse 4 ATP ja 2 NADH molekuli
GLÜKOLÜÜS.
Glükoosi oksüdatsioonireaktsioonide ahel. ATP produtseerimine anaeroobsetes tingimustes.
Iga reaktsiooni (märgitud numbritega 1 - 9) katalüüsib erinev ensüüm. Reaktsioonis 4 toimub C6-suhkru lõhustumine kaheks C3- suhkruks, mistõttu edasistes staadiumites molekulide arv
kahekordistub.
PÜRUVAADI KATABOLISMI KOLM RADA
PÜRUVAADI KONVERSIOON ANAEROOBSETES TINGIMUSTES
KÄÄRIMINE - Bioloogilise oksüdatsiooni protsess, kus elektronide aktseptorina toimivad
oksüdatsiooni vaheproduktid.
Käärimine
GLÜKOOS -> PRODUKTID
1-4 ADP 1-4 ATP * etanool
* laktaat
* propionaat
* atsetaat jt.
TRIKARBOKSÜÜLHAPETE TSÜKKEL (TCC) EHK
TSITRAADITSÜKKEL EHK KREBSI TSÜKKEL
• Süsivesikute, lipiidide ja valkude täieliku oksüdatsiooni keskne ahel.
• Tsükli iga ringiga siseneb kaks süsinikku KoA-ga seotud atsetüülrühma (CH3C0-) koostises ja lahkub kaks süsinikku - CO2-na.
• Tsükli tinglikuks lähtepunktiks loetakse atsetüül-KoA kondensatsiooni oksaloatsetaadiga, mille tulemusel moodustub tsitraat (tsüklile nime andja). Iga ringi lõpuks oksaloatsetaat regenereerub.
• Tsükkel produtseerib taandatud elektronkandjaid, mille reoksüdatsioon hingamisahelas annab energiat ATP sünteesiks. Iga ringiga produtseeritakse 1ATP, 3NADH ja 1FADH2.
• Süsivesikud sisenevad tsüklisse üle püruvaadi, mis oksüdeeriva dekarboksüülimise tulemusena moodustab atsetüül-KoA.
• Tsükli intermediaadid on tähtsad biosünteesi lähteained, mille varu vajab pidevalt täiendamist.
• Tsükkel funktsioneerib raku mitokondri maatriksis.
Püruvaadist moodustunud atsetüülradikaalide ( CH3CO -)
oksüdatsioonireaktsioonide tsükkel aeroobsetes rakkudes
Atsetüülrühma süsiniku aatomid konverteeruvad C02-ks, vesiniku aatomid kanduvad üle kandjate (NAD+, FAD) molekulidele.
Täiendavad hapniku ja vesiniku aatomid lülituvad tsüklisse H20 koostises märgistatud (*) staadiumites. Intermediaatide nimetuste taha on märgitud süsiniku aatomite arvud.
Triviaal- Nomenklatuurne Struktuurivalem
nimetus nimetus
Püruvaat e. 2-oksopropannhape
Püroviinamarihape e. α-ketopropaanhape
Tsitraat e. 2-hüdroksü-
sidrunhape 1,2,3-propaantrikarboksüülhape
Isotsitraat e. 1-hüdroksü-
isosidrunhape 1,2,3-propaantrikarboksüülhape
α-ketoglutaraat e. 2-oksopentaandihape
α-ketoglutaarhape e. α-ketopentaandihape
Suktsinaat e. butaandihape
merevaikhape
Fumaraat e. transfumaarhape
buteendihape
Malaat e. 2-hüdroksüõunhape
butaandihape
Oksalo- 2-oksobutaandihape e.
atsetaat α-ketobutaandihape
ENERGIASAAGIS GLÜKOOSI AEROOBSEL
OKSÜDATSIOONIL
Energiasaagis trikarboksüülhapete tsüklis
TCC üldvõrrand
3NADH = 9ATP
1FADH2 = 2ATP
1ATP
Kokku: 12ATP
Kuna C6H12O6 → 2CH3CO~SkoA, siis energiasaagis
2 x 12 ATP = 24 ATP
Energiasaagis konversioonil glükoos → atsetüülKoA
4NADH = 12ATP
2ATP
Kokku: 14ATP
Summaarne energiasaagis = 38 ATP
TCC INTERMEDIAADID ON LÄHTEPUNKTIDEKS PALJUDELE BIOSÜNTEESI RADADELE
Punktiirjoonega on märgitud reaktsioonid, mis täiendavad TCC intermediaatide varu.
GLÜKOOSI OKSÜDATSIOONI PENTOOSFOSFAATNE
RADA
• NADPH ja ribuloos-5-fosfaadi tootmine teatud rakkude tsütoplasmas (maksa-, piimanäärme-, rasvkoe jt. rakud).
• 3C, 4C, 5C, 6C ja 7C suhkrute pöörduvad üleminekud (koostöös glükolüüsi ensüümidega).
Oksüdeeriva staadiumi summaarne võrrand
NADPH - vesiniku doonor redutseerivates biosünteesi protsessides (rasvhapete ja steroidide süntees,
fotosüntees)
Ribuloos-5- P - nukleotiidide biosünteesi lähteühend
Mitteoksüdeeriva stadiumi summarne võrrand
RASVHAPETE KATABOLISM
RASVHAPETE OKSÜDATSIOON EHK β-OKSÜDATSIOON
Keskne energiat tootev ainevahetusrada loomade, paljude protistide ja mõningate bakterite rakkudes.
Protsess algab rasvhappe aktiveerimisega KoA abil raku mitokondri välismembraanil.
Oksüdatsioon toimub mitokondri maatriksis, kuhu rasvhape liigub karnitiini abil.
Oksüdatsiooniprotsessile on iseloomulik 4-astmeline mehhanism , mille tulemusel rasvhappe ahel lüheneb kahe süsiniku võrra, mis eralduvad atsetüül-KoA koostises.
Atsetüül-KoA lõplik oksüdeerumine CO2-ks toimub trikarboksüülhapete tsüklis.
Oksüdatsioonil tekivad taandatud elektronkandjad NADH ja FADH2, mille reoksüdeerumine hingamisahelas produtseerib ATP.
ENERGIA TOOTMINE RASVHAPETEST
Staadium
Staadium 1: rasvhappe oksüdatsioonil eralduvad atsetüüljäägid CH3C0-KoA kujul. Staadium 2: CH3C0-KoA oksüdeeritakse C02-ks tsitraaditsüklis. Staadium 3: staadiumitest 1 ja 2 pärinevad
elektronid kanduvad 02-le hingamisahela kaudu, tagades ATP sünteesi oksüdeeriva fosforüülimise protsessis.
RASVHAPETE OKSÜDATSIOON
Palmithappe (C16) β-oksüdatsioon
(a) Igas tsüklis eraldub kaks süsinikku CH3CO-KoA koosseisus .
(b) Kuus järgnevat tsüklit annavad 7CH3CO-KoA molekuli.
RASVHAPETE OKSÜDATSIOON
Maksimaalne ATP saagis palmithappe [CH3-(CH2)14-COOH] oksüdatsioonil.
Intermediaadid ATP saagis Üldine ATP saagis
seitsmest β-
oksüdatsiooni tsüklist
7 FADH2 2 14
7 NADH 3 21
8 atsetüül KoA 12 96
131 ATP
Atsüülderivaadi
aktiveerimiseks kulutati -2
Saagis 129 ATP
ÜLEVAADE ENERGIAVAHETUSEST MITOKONDRIS
Püruvaat ja rasvhapped sisenevad mitokondrisse ja lagundatakse. Tekkiv atsetüülCoA metaboliseeritakse trikarboksüülhapete tsüklis (TCC), mis produtseerib NADH ja FADH2 (pole näidatud). Oksüdeeriva fosforüülimise protsessis kanduvad NADH (ja FADH2) energiarikkad elektronid sisemembraanis paikneva hingamisahela abil hapnikule, produtseerides ATP. Ka glükolüüsil tsütosoolis toodetud NADH annab oma elektronid hingamisahelale (pole näidatud). Kuna mitokondri sisemembraan on NADH-le läbimatu, siis toimub tsütosooli NADH elektronide ülekanne kandsel teel. Kasutatakse üht mitmest võimalikust "süstiksüsteemist", mis transpordib NADH poolt redutseeritud ühendi mitokondrisse. Peale elektronide äraandmist pöördub see ühend taas tsütosooli, et uuesti NADH toimel redutseeruda.
TOITAINETE KATABOLISMI ÜLDSKEEM
FOTOSÜNTEES
• protsesside kogum, mille käigus Päikese valgusenergia salvestub orgaaniliste ühendite keemilistes sidemetes
• esmane energijatarnija kogu biosfäärile
• oluline etapp C ja O aineringes
Summaarne võrrand:
12 H20 + 6 C02 Päikese valgus -> 6 02 + C6H1206 + 6 H20
Fotosünteesivad organismid
Prokarüoodid - tsüanobakterid, rohelised ja purpursed väävlibakterid
Protsess toimub mitmekihilistes membraanides
Eukarüoodid - taimed, vetikad Protsess toimub kloroplastides
FOTOSÜNTEESI KOHT AINE- JA ENERGIARINGES
Fotosünteesi reaktsioonid jagunevad
VALGUSREAKTSIOONID - ülesandeks produtseerida energiat (ATP) ja redutseerijat (NADPH)
PIMEREAKTSIOONID - ülesandeks fikseerida C02
Valgust absorbeerivad fotosünteesi põhipigmendid – klorofüllid ja fotosünteesi abipigmendid - karotenoidid , fükobiliinid.
ENERGIASUHTED FOTOSÜNTEESI JA AEROOBSE METABOLISMI VAHEL
Süsiniku taandumisel toimub energia investeerimine, oksüdeerumisel – energia vabanemine .
KLOROPLAST
KLOROFÜLLID
Klorofüllid – fotosünteesi rohelised pigmendid
• Omavad tasapindest, polütsüklilist struktuuri
• On proporfüriinid, mille tsentris Mg2+, mis koordinatiivselt nelja N aatomiga seotud
• Taimedes klorofüllid a ja b, mis erinevad II tsükli ühe asendusrühma poolest
• Kõigil klorofüllidel pikk külgahel – fütool, mis estersidemega ühendatud IV tsükli karboksüüli sisaldava asendusrühmaga
FOTOSÜNTEESI VALGUSREAKTSIOONID
Elektronide liikumine veelt koensüümile NADP+ fotosünteesi elektrontranspordi ahelates. NB! Valgusenergia kutsub esile klorofüllis elektronide ergastumise sel määral, et nad on võimelised
redutseerima NADP+.
KOKKUVÕTE FOTOSÜNTEESI PIMESTAADIUMI REAKTSIOONIDEST ( CALVIN -BENSONI TSÜKKEL)