Ämnesomsättningen

1. Ämnesomsättningen Handlar om flödet av materia och energi i levande organismer.

2. Metabolismen • Ett annat namn för ämnesomsättning. • Består av en nedbrytande och en uppbyggande del. • Katabolism – nedbrytande. • Anabolism – uppbyggande.

3. Katabolismen • Här studerar vi hur näringsämnena kolhydrater, proteiner och fetter bryts ner. • Katabola (som anabola) processer sker vid rumstemperatur och vid normalt pH. • Vanligen sker inte reaktioner vid så låga temperaturer. • Processen måste därför katalyseras av enzymer.

4. Enzymer • Är alla proteiner, alltså uppbyggda av aminosyror. • Är de verktyg som cellen använder för att bestämma vilka processer som ska ske. • En reaktion sker bara om det rätta enzymet är närvarande

5. Verksamma organeller i cellen • Vid nedbrytning av ämnen är det främst mitokondrien som är plats för processen, även om vissa steg sker i cytoplasman. • Dock föregås inträdet av ämnena i cellen av både mekanisk ock kemisk nedbrytning i större delar hos högre stående organismer, som människor, tex. • Detta sker i munhåla och mag-tarm-kanalen.

6. Kolhydrat, protein och fett. • Kolhydrater bryts i munhåla och tolvfingertarm ner till glukos mha enzymet amylas. • Proteiner bryts ner i magsäck och tolvfingertarm till aminosyror av enzymerna pepsin och trypsin. • Fetter bryts ner till glycerol och fettsyror i tolfingertarmen mha gallsalter och enzymet lipas.

7. Dessa enkla beståndsdelar tas upp av tarmslemhinnan till blodet (glukos och aminosyror), fettsyror tar omvägen via lymfan först. • Transport in i cellerna sker sedan med hjälp av olika transportproteiner över cellmembranet.

8. Energiutvinning? • Hittills har ännu ingen energi utvunnits ur näringsämnena. Snarare har energi gått förlorad genom aktiva processer som tex transport över cellmembranet

9. Cytoplasman • Här genomgår glukosmolekylerna en process kallas glykolysen, en 10-stegs reaktionsserie. • Stegvis bryts glukos ner till pyruvatjoner, CH3COCOO- (s. 260)

10. Nettoreaktionen av glykolysen är: Glukos + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 fosfat → 2 NADH + 2 pyruvat + 2 ATP + 2 H2O + 2 H+. • NAD+/NADH + H+ och ADP/ATP är sk. bärarmolekyler.

11. ATP • …tar upp, lagrar och transporterar energi. • Det är bindningen mellan fosfatgrupp 2 och 3 som är så energirik. • När den tredje fosfatgruppen spjälkas och bindningen bryts, frigörs energi. ATP ↔ ADP + Pi • Molekylen kan åter laddas genom att koppla på fosfatgruppen igen. För den processen krävs energi.

12. Aminosyrorna… • Aminosyrornas nedbrytning är komplicerad. • Detta beror på att aminosyrorna har så olika sidokedjor. • En likhet finns dock, aminogruppen sitter på α-kolatomen. • Denna aminogrupp kan tas bort på samma sätt från alla aminosyror. • Det sker med två olika metoder.

13. Transaminering och deaminering • Aminogruppen kan överföras till en ketosyra. Aminosyra1 + ketosyra2 ↔ ketosyra1 + aminosyra2, Ex: alanin + α-ketoglutarsyra ↔ pyrodruvsyra + glutaminsyra • Genom transamineringar (där aminogruppen flyttas) kan det bildas amino- och ketosyror som kroppen just då bättre behöver. • Men om det finns överskott på aminosyror i cellen, kan glutaminsyran ovan oxideras vidare. Då bildas ammoniak och α-ketoglutarsyran återbildas.

14. Mitokondrien • Här sker vidare nedbrytning av fetter sk. β-oxidationen • Fettsyrorna bryts ned stegvis via oxidation. I ett av stegen är det β-kolatomen som oxideras, därav namnet. • Efter fem steg har kolkedjan kortats med två kolatomer. Dessa har bildat en acetygrupp. Acetylgruppen binds till en bärarmolekyl, CoA och bildar acetyl-CoA. • Produkter av ett varv är också FADH2 och NADH + H+ • Resten av kolkedjan går ett varv till och två kolatomer spjälkas av… • I mitokondrien sker även citronsyracykeln eller krebs cykel.

15. pyruvatjonen • .. Från glykolysen kan gå vidare tre vägar. • Den kan i vissa organismer jäsas till etanol och koldioxid. • Den kan under syrefattiga förhållande bilda mjölksyra. • Vanligen (hos människan) förs pyruvatjonen in i mitokondrien via transportproteiner. Det spjälkas en koldioxidmolekyl, samtidigt som en vätebärare, NAD+ ”laddas” med väte till NADH+H+, en acetylgrupp bildas och sätts på en bärarmolekyl, CoA. • Acetyl-CoA bildas.

16. Citronsyracykeln • Här inträder nu karboxylsyror från trans- och deamineringen, acetyl-CoA från β-oxidationen och glykolysen, in i citronsyracykeln.

17. Citronsyracykeln är en serie av åtta reaktioner som alla sker innerst i mitokondrien. • Namnet kommer av citronsyra, som är en av mellanprodukterna i reaktionsserien. • Cykeln börjar med att acetyl-CoA kopplas till oxalättiksyra och bildar citronsyra. Ett antal reaktioner följer dör olika syror bildas och omvandlas. • De första två syrorna har sex kolatomer. • I steg tre oxideras isocitronsyra, en NAD+ laddas, en CO2 – molekyl spjälkas av och bildar α-ketoglutarsyra (samma molekyl som bildas vid transamineringen. Det är alltså i detta steg som α-ketoglutarsyra från proteinerna träder in i citronsyracykeln). • I steg tre oxideras α-ketoglutarsyra, en NAD+ laddas och en CO2-molekyl spjälkas. • Nu har syramolekylen bara 4 kolatomer kvar (2 har ju avgetts i två CO2) • Oxalättiksyra återbildas samtidigt som en NAD+ laddas och vi är tillbaka där vi började. • Ett fullständigt varv i citronsyracykeln (alltså för inträdet av en acetyl-CoA) kan vi skriva sumaformeln: Acetyl-CoA + 3NAD+ + FAD + ADP + Pi + 2H2O  CoA + 2CO2 + 3NADH + 3 H+ + FADH2 + ATP (Vatten krävs för att få syret i koldioxiden, de rosamarkerade från steg jag inte nämnt ovan)

18. I mitokondriens innermembran • Här sker cellandningen, slutstationen för näringsämnena • Det är först här som stora mängder ATP skapas. • Kolatomerna i näringsämnena har redan oxiderats så långt det är möjligt, till CO2. • Här, i elektrontransportkedjan (eller andingskedjan), ska väteatomerna, som är bundna till alla de bärare som laddats under vägen hit, oxideras till vatten.

19. I mitokondriens inre membran sitter en serie med enzymer som tar emot elektroner från vätebärarna samtidigt som H+ förflyttas över innermembranet till utrymmet mellan yttre och inre membranet. På så vis byggs en laddnings och koncentrationsgradient upp. • I det sista enzymkomplexet överförs elektronen till ½O2, som då kan förenas med två H+ och skapa vatten. • I membranet sitter också ett enzym, ATP-syntas som låter vätejoner strömma tillbaka till inre matrix, systemets energi minskar i systemet (gradienten mellan de två utrymmena) och används till att syntetisera ATP från ADP och Pi. • För varje NADH + H+ som oxideras skapas 3 ATP. • Notera att för transport in av 1 mol NADH i mitokondrien (från glykolysen) krävs 1 mol ATP, så netto av en NADH som kommer från glykolysen blir egentligen bara 2 ATP

20. Electron transport chain • ATP synthase • Electron transport chain song

21. Anabola reaktioner Nedbrytande och uppbyggande processer kan inte ske samtidigt i cellen. Då blir det ”rundgång” och bara värme produceras. Cellen styr detta genom att kopplas på eller stänga av de enzymer som katalyserar reaktionerna. De nedbrytande och uppbyggande reaktionerna sker ofta i olika delar av cellen. Β-oxidationen och citronsyracykeln sker i mitokondrien medan syntes av fetter, aminosyror, proteiner, nukleotider och kolhydrater sker i cytoplasman.

22. Bildande av kolhydrater • Glukos skapas i en motsattsreaktion till glykolysen, glykoneogenesen. Utgångsmaterialet är pyruvat och enzymerna som katalyserar reaktionsstegen är de samma.

23. Fettsyrasyntes • Utgår från acetylgruppen i acetyl-CoA. Speciella enzym kopplar ihop acetylgrupper till långa kolvätekedjor. • För detta krävs att acetylgrupperna reduceras med hjälp av väteatomer från vätebärare och energi. Det kostar en hel del ATP att bygga en fettsyramolekyl. • Största delen av fettsyrorna reagerar med glycerol till fett och lagras som energireserv.

24. Proteiner • Våra celler kan tillverka de flesta aminosyrorna, exempelvis genom transaminering. Karboxylsyror från citronsyracykeln kan också amineras till aminosyror. • Vissa aminosyror, de essentiella, måste tillföra med proteiner i maten. • Hur aminosyrorna kopplas ihop till proteiner tittar vi på i detalj i nästa kapitel.

25. Fotosyntesen • Hur växter omvandlar icke organiska föreningar, till organiska. • Fotosyntesen sammanfattas med formeln: CO2 + H2O  C6H12O6 + O2 • Ser hyfsat enkelt ut va? Jo, men det ligger lite mer bakom reaktionsformeln.

26. I kloroplasternas tylakoidmembran bygger klorofyllmolekylerna upp sk antennkomplex, vilka har många delokaliserade och lättrörliga elektroner. • Det är dessa elektroner som fångar fotoner från ljuset och lyfts till högre energitillstånd. Därmed blir de ännu mer lättrörliga.

27. Fotosystem II och I • I tylakoidmembranet sitter också två reaktionscentran (proteinkomplex), fotosystem II och fotosystem I. • De energirika elektronerna som skapas i antennerna i fotosystem II tas om hand av vätebäraren plastokinon, Q, som bilad QH2 tillsammans med protoner från tylakoidens utsida. • Elektronerna som nu saknas i antennen tas från ett mangankomplex, som då blir starkt elektropositivt. • Mangankomplexet tar istället elektroner från vatten. • Det är alltså fotosystem II som spjälkar vatten till syrgas och protoner. • Protonerna som skapas hamnas på insidan av tylakoidmembranet och en protongradient uppstår (likt den i cellandingen).

28. I fotosystem I tas antennens elektroner upp av proteinet ferredoxin, som sitter på tylakoidmembranets utsida. • Där laddas vätebärare NADP+ av elektronerna och vätejoner till NADPH+H. • De elektroner som nu fatts i fotosystem I tas från de laddade QH2, som skapades i fotosystem II. QH2 oxieras till Q + 2H+ • Q ladddes från början med H+ från utsidan och lämnar nu H+ på insidan, vilket ytterligare ökar protongradienten mellan tylakoidens in och utsida.

29. Precis som i elektrontransportkedan används nu den uppbyggda protongradienten att driva ett ATP – syntas. (dock är detta ATP – syntas något mindre effektivt än det vi har i elektrontransportkedjan. • Som slutresultat har vi från fotosystem II och I och från ATP – syntas fått laddade NADPH, ATP och avfallet, O2.

30. Mörkerreaktionen • Det är under denna delen av fotosyntesen som glukos bildas. • Kolatomerna i glukos kommer från luftens koldioxid och de skapade NADPH och ATP från ljusreaktionerna använd för att ”fixera” kolet. • Mörekerreaktionen är inte direkt beroende av ljus och kan fortgå i mörker, så länge det finns NADPH och ATP. (det sker givetvis också under dagen, i ljus) • Glukosen används av växten som byggnadsmaterial, då i form av cellulosa och som energireserv i form av stärkelse.

31. CAM-växt, växt med ett metaboliskt och fysiologiskt system som gör det möjligt att utföra fotosyntes om dagen men ta upp koldioxid om natten, vilket minskar vattenförlusten. Exempel på CAM-växter är fetbladsväxter och kaktusväxter.