MİKROBİYAL METOBOLİZMA

1. MİKROBİYAL METOBOLİZMA

2. Metabolizma ? • METABOLİZMA VÜCUDU KORUMAK, BÜYÜMESİNİ VE ONARIMINI SAĞLAMAK İÇİN GEREKLİDİR • Vücutta kimyasal işlevlerin tümüne birden metabolizma denir. • Vücutta olan bütün kimyasal işlemler vücudun metabolizmasını ilgilendirir.

3. Anabolizma-katabolizma • Metabolizmanın iki evresi vardır; • katabolizma ve anabolizmadır.

4. Anabolizma • Anabolizma, metabolizmanın yapıcı ve birleştirici safhasıdır. • Anabolizmada, enerji, kimyasal maddelerin ve vücudun büyümesi, korunması ve onarımı için gereken parçaların üretimi için kullanılır. • Yiyeceklerden sağlanan besinler kimyasal maddelerin ve vücut parçalarının yapımında kullanılan hammaddeleri sağlarlar.

5. Katabolizma • Katabolizma metabolizmanın bozma (yıkma, öğütme) evresidir. • Hayati işlemleri sürdürmek için gereken enerjiyi sağlar . • Örneğin katabolizma, iletici sinirlerin itme gücü ve kasların kasılması için gereken enerjiyi sağlar. • Hücreler, hücresel solunum ile ilgili olarak bir dizi karmaşık katabolik reaksiyonlarla besin moleküllerinden enerji alır. Bu işlem sırasında belli besinler yakıt olarak kullanılır, bunlar parçalanırlar ve açığa çıkan enerji özel bir enerji deposu olan ATP (Adenozin trifosfat adenosine triphospahate) denen molekül içinde toplanır.

6. Metabolizma • Katabolizma Glikoz ATP • Anabolizma Şeker Glikojen • Metabolizma = Anabolizma + Katabolizma

7. Bütün katabolik reaksiyonlar, elektron transferine yol açar. Bu ise enerjinin, ATP ve yüksek enerjii bağlar arasında tutulmasını sağlar. Elektron transferi direk olarak oksidasyon (elektronların bir atom ya da molekülden ayrılmasını sağlayan kimyasal tepkimedir.) ve redüksiyon (elektron kazanılması) ile ilgilidir.

8. Canlı organizmalar arasında mikroorganizmalar enerji ürteme bakımından oldukça farklılık gösterirler. Bu yollar ototrof ( kendi yaptığı besinle beslenen), veya heterotrof (besinini hazır alan) olarak sınıflandırılabilir. Ototroflar fotoototrof (enerjiyi güneş ışığından alanlar) ve kemoototrof (enerjiyi inorganik maddelerden elde edenler)’ları içerirler.

9. Heterotroflar ise fotoheterotrof (enerjiyi güneşten temin edenler) ve kemohetorotrof (enerjiyi organik bileşiklerin parçalanmasından temin edenler)’ları içerir. • Enfeksiyon yapan mikroorganizmaların hemen hemen hepsi kemoheterotroftur. Bunlardaki metabolik işlemler glikolizis fermantasyon ve aerobik solunumdur.

11. Bakterilerde enerji oluşturmak için kullanılan metabolik yollar (1) Aerop mikroorganizmaların kullandıkları yol izleri: 1.      Embden-Meyerhoff-Parnas (EMP) yol izi: Glikoliz 2.      Krebs veya trikarboksilik asit (TCA) siklusu 3.      Pentoz fosfat yol izi 4.      Entner-Doudoroff yol izi

12. Bakterilerde enerji oluşturmak için kullanılan metabolik yollar (2) Anaerop mikroorganizmaların kullandıkları yol izleri: 1.      Alkolik fermentasyon 2.      Homolaktik fermentasyon 3.      Heterolaktik fermentasyon 4.      Propionik asit fermentasyonu 5.      Bütandiol fermentasyonu 6.      Bütirik asit fermentasyonu

13. ANAEROBİK METABOLİZMA • Glikolizis :Glikolizis, glikozunenzimlerlepirüvik asite (pirüvat) kadar yıkılması olayıdır. Bütün canlılarda glikoliz reaksiyonları aynı şekilde gerçekleşir. Olaylar için tüm canlılarda aynı enzimler görevlidir. Başlangıçta glikozu aktifleştirmek için 2 ATP harcanır. Reaksiyonlar sırasında 4 ATP oluşturulur. 2 NADH meydana gelir. Oluşan NADH'lar oksijenli solunumda elektron taşıma sistemine aktarılır ve her birinden üçer ATP elde edilir. Oksijensiz solunumda ise NADH'lar son ürün evresinde tekrar yükseltgenerek bir sonraki glikoliz olayında kullanılır.

15. FERMENTASYON • Organik moleküllerin oksijensiz ortamda parçalandığı metabolik yoldur. Krebs ve ETS kullanılmaz ve 2 ATP elde edilir, çünkü enerjinin çoğu son üründe saklıdır. Son ürün yine bir organik moleküldür. • Çeşitli mikroorganizmalar çeşitli substratları fermente edebilir ve oluşan son ürün genellikle mikroorganizmanın türüne bağlıdır.

16. Önemli olan fermentasyon tipleri şöyledir: 1- Laktik asit fermentasyonu: Bu reaksiyon bakterilerde (streptokok, laktobasil, pediokok) DNP'e bağlı laktik dehidrogenase enzimi (pirüvat redüktase) tarafından katalize edilir ve tek basamaklı basit bir fermentasyondur. Bu reaksiyonda glukoz laktik asite ayrışır ve diğer elementler meydana gelmez (homolaktik fermentasyon). Glukoz2 pirüvat  2 laktik asit 2- Alkolik fermentasyon: Bu reaksiyonda, pirüvik asit önce asetaldehid ve CO2'e ve sonra asetaldehid de, etil alkole (etanol) redükte edilir. Birçok mikroorganizmalar (enterobakterler) ve mayalarda bu tarz fermentasyona rastlanır.  glukoz  2 pirüvat  CO2 + asit aldehit  2 etil alkol

17. 3- Propionik asit fermentasyonu: Birçok bakteriler (klostridium, propionibacterium, Vellonella, bazı Neisseria) tarafından pirüvik asit, propionik asite kadar redükte edilebilir.glukoz pirüvat  oksal asetat  suksinat propionik asit 4- Butirik asit fermentasyonu: Klostridium sınıfına ait birçok mikroorganizmalar, basiller ve Butyricbacteriumlar glukozun fermentasyonu sonu butirik asit meydana getirirler.glukoz  pirüvataseto asetil-CoA+butril CoA  butirik asit

18. 5- Butilenglikol fermentasyonu: Enterobakter, Aeromonas, B. polymyxa ve diğer mikroorganizmalar glukozu 2,3-butilenglikola kadar ayrıştırabilirler.glukoz  pirüvat  a-asetolaktat  asetoin  2,3-butilenglikol 6- Karışık asit fermentasyonu: Enterobakterilerde (Escherichia, Salmonella, Shigella, Proteus) bu tarz fermentasyona rastlanır ve glukozun ayrışması sonu birçok ara maddeler (özellikle organik asitler) oluşurlar. okzaloasetat  süksinik asit formik asit  CO2 + H2glikoz + pirüvat  asetik asit  etil alkol

19. Laktik asit fermentasyonu

20. Etil alkol fermentasyonu

21. Pirüvatın akibeti Potential enerji = 2840 kJ/mol Go’= -146 kJ/mol Go’= -1160 kJ/mol Go’= -196 kJ/mol Go’= -235 kJ/mol

22. AEROBİK METABOLİZMA • Aeroblar oksijeni kullanan organizmalardır, bazılarının hayatlarını devam ettirebilmeleri için zorunludur. Ayrıca fakültatif anaerob organizmalarda mevcuttur. Bunlar eğer oksijen mevcut ise onu kullanır, mevcut değilse oksijensiz hayatsal faaliyetlerini sürdürürler. Aerobik organizmalar enerjilerinin bir kısmını glikolizisden elde etmelerine rağmen bu yolu daha verimli bir yol için (krebs çemberi) başlangıç olarak kullanırlar.

23. KREBS ÇEMBERİ(SİTRİKASİT ÇEVRİMİ) Krebs devri karbonhidratlar, yağlar ve proteinlerin solunumla parçalanması olayında ortak karbon yoludur. Yağ asitleri ve aminoasitler farklı sayıda karbon atomu taşıdıkları için farklı sayıda ATP üretilmesine neden olurlar. Sonuçta oluşan su ve karbondioksit miktarı da farklı olur. Örneğin yağ asitleri az O2, çok H2 taşırlar ve solunum sonucunda az CO2 ve çokH2O oluşur. Bunu nedenle yağlar kurak ortam hayvanlarında iyi bir su deposu kaynağıdır.

24. O2'li solunumun glikoliz ve krebs çemberi devrinde doğrudan üretilen ATP miktarı çok azdır. Her iki devrede özellikle krebs devrinde organik bileşeğin parçalanmasıyla açığa çıkan H atomları yardımıyla NaDH2ve FADH2 maddeleri üretilir. Bu maddelerdeki H atomlarının elektronlarıETS'den geçerek en son O2'ye aktarılır ve elektronlar O2 ile birleşerek suyu oluşturur. Eğer bir çift hidrojen atomu ETS’ye NAD tarafından taşınırsa her bir hidrojen atomuna karşılık 3 ATP, FAD ile taşınırsa 2 ATP sentezlenir. Krebs çemberi mitokondrinin matriksinde, ETS ise solunum enzimlerini taşıyan kristada gerçekleşir. ETS sisteminde iç zardaki enzimlere taşınan elektronlar, sonunda oksijene verilir ve H2O meydana getlir. Bu oksijenli solunum sonucunda toplam 40 ATP sentezlenir. Glikolizde 2 ATP harcandığı için net kazanç 38 ATP’dir.

25. TCA DÖNGÜSÜ: • TCA döngüsü = Tüm yakıt moleküllerinin metabolize edildiği ortak bir metabolik yoldur. • TCA döngüsünün özellikleri.. • Mitokondri de oluşur. • Kreb’s veya sitrik asit döngüsü olarak da bilinir. • Yağlar,karbohidratlar ve proteinlerdeki elektronlar oksidasyona uğratılarak alınır.

26. TCA DÖNGÜSÜ • TCA döngüsünün özellikleri. • Çoğunlukla ETS de ATP oluşumunda kullanılan koenzimlerin üretimi sağlanır • O2kullanılmaz. • O2 mitokondri içerisinde son é alıcısı olarak oksidatif fosfosrilasyonda ve oksidasyon mekanizmalarında kullanılır. • Vücuttaki CO2 ‘in çoğu TCA döngüsünde oluşturulur.

27. Krebs Siklusu=sitrik asit siklusu=trikarboksilik asit siklusu: • Pürivik asit + NAD + CoA(Vit B12 derivesi) Asetil CoA+ CO2+ NADH+H • Siklusun en önemli görevi H atomları oluşturmaktır. • Glikozun iskelet kasında tam yıkılımında 36 mol ATP oluşur.

28. TCA DÖNGÜSÜNDE ÜRETİLEN ENERJİ: • Bir mol asetil CoA = 12 mole ATP. • 3 NADH ……… 9 ATP. • 1 FADH2 ………2 ATP. • 1 mol GTP ….. 1 Mol ATP. • Bir mol glukoz glikolizis + TCA döngüsü= 36-38 mole ATP (anerobic metabolism). • Anaerobic metabolism = 2 ATP harcanır ( glukoz…. Laktat).

29. C6H12O6 + 6O2 6CO2 + H2O + ENERJİ(net 38 ATP)

30. alfa-ketoglutarat fumarat süksinat süksinil CoA

33. Elektron Taşınımı ve Oksidatif Fosforilasyon Substrat moleküllerinden, dehidrogenasyon yolu ile çıkarılan hidrojen ve elektron, diğer hidrojen alıcılarına özel taşıyıcı sistemlerin (elektron transport sistemleri) katalize ettiği reaksiyonlar aracılığı ile aktarılır. En iyi elektron taşıyıcı koenzimler arasında, NAD, NADP, riboflavinfosfat, FAD, çeşitli porfirinler bulunur. Substrattan, önce, NAD ile alınan hidrojen ve elektron, FAD'ye aktarılır. Buradan sitokrom oksidazlara geçerek havanın serbest oksijeni ile birleştirilir.

34. Reaksiyonun sonunda H2O2 veya H2O meydana gelir. Substrattan ilk hidrojeni alan dehidrogenaz ve en son alan da oksijendir. Substrat-2 (H+e)  NAD NADH2 FAD FADH2sitokrom-b sitokrom-c sitokrom-a 202 +2H+ H2O Reaksiyonda, hidrojen alan NAD, NADH2 redükte olmuş forma ve bundan da hidrojeni alan FAD redükte olarak FADH2 şekline dönüşür. Bunlar da hidrojeni verdikçe ilk formlarını alırlar.

37. Kemiozmosos • Membranlar arası boşlukta hem pH hem de voltaj gradiyenti oluşur (Elektrokimyasal gradiyent). • Bu gradiyent ATP sentezinin dışında moleküllerin transferi için de kullanılır.

38. Voltaj Gradiyenti (ADP/ATP antiportu): Matrikste toplanan ATP (-4), ADP (-3)’ye göre daha negatif olduğundan membranlar arası boşluğa ve dolayısıyla sitoplazmaya geçer.

39. YAĞ YIKIMI Besinlerin sindirimi sonucu elde edilen yağlar, bağırsaktan geçerek lenf sistemine ulaşır ve bu sistem aracılığıyla kana karışır. Kan, yağın bir kısmını karaciğere, bir kısmını da dokulara taşır; yağın fazlası, “trigliserit” şeklinde yağ dokularında depo edilir. İnsanların şişmanlamasının nedeni de budur. Fakat aksine, kaslar fazla çalıştığı zaman kas hücrelerindekimitokondriler ATP üretmek için ortamda bulunan yağ asitlerini, depo edilmesine fırsat bırakmadan kullanarak enerji ihtiyaçlarını karşılarlar. Şişman bir kimse elinden geldiğince spor yapıp hareket ederse, yağ dokularındaki trigliserit molekülleri enerji ihtiyacı olduğu için yağ asitlerine kadar parçalanacak ve mitokondrilere ulaşacaktır. Karaciğerde de fazla miktarlarda alınmış karbonhidrattan yağ sentezlenerek depo edilir. Gereksinim halinde, depo edilmiş yağ, enerji elde etmede kullanılır. 3 Yağ asidi + Gliserin(Gliserol) Yağ(trigliserit) + 3 Su

40. Nötral yağların katabolizması iki ana döneme ayrılılır; 1) Yağ yıkımı : Yağ moleküllerinin hidrolize uğrayarak gliserin ve yağ asidine ayrılmasıdır. Bunun için lipazve esteraz enzimleri gereklidir. Yağ + Lipaz + Öd sıvısı + Su Yağ asitleri + Gliserol 2) Yağ asitlerinin ve gliserolün yıkımı : Gliserol özel bir enzim ve ATP harcanarak gliserolfosfata dönüştürülür ve glikolizde kullanılır. Çoğunlukla palmitik veya stearik asit gibi (16 ve 18 karbon atomlu) uzun karbon zincirli yağ asitleri çok basamaklı bir yıkım olayına girer. Buna “beta-oksidasyon “denir. Yağ asidi yıkımı ATP kullanılarak, molekülün aktivasyonu ile başlar. Yağ asidi bu reaksiyonda koenzim A’ya bağlanır. İlk yıkım basamağı dehidrasyondur. Yağ asidi yıkımı mitokondride olur. Her yağ asidi iki karbonlu asetil koenzim A’ya parçalanır. Bu asetil koenzim A, sitrik asit çevrimine girer ve enerji elde edilir.

41. Yağ Asidi Yıkımında Enerji Kazancı 18 karbonlu yağ asidi olan stearik asidi 9 asetil koenzim A’ya ayrılır. Bunun için yağ asidi yıkım çevrimi 9 defa tekrarlanır. Bu parçalanmada 38 mol ATP doğrudan doğruya elde edilen enerji kazancıdır. 9 mol asetil koenzim A, sitrik asit yıkılarak 9 mol ATP, 9 mol FADH2=(18 mol ATP), 27 mol NADH2=(81 mol ATP) elde edilir. Sonuç olarak bir mol stearik asit yıkımı 146 mol ATP’ lik bir enerji kazancı sağlar. Bunun 2 ATP’ si başlangıçta aktivasyon enerjisi için kullanıldığından net kazanç 144 ATP’ dir.

42. Lipitlerden Enerji Elde Edilmesi • Trigliseritler enerji elde etme yoluna girmeden önce hücre içinde; Trigliserit + 3H2O Gliserol + 3 yağ asidi • Şeklinde yıkılıma uğramalıdır. Lipaz

43. Gliserol ve Yağ Asitlerinin Yıkılımı=Enerji Elde Edilmesi: • Gliserol glikoliz reaksiyonuna girer ve pürivik asite kadar yıkılır. • 1 mol gliserol ün tam yıkılımı ile 19 mol ATP sentezlenir. • Yağ asitlerinin yıkılımı mitokondride beta oksidasyon adı verilen reaksiyon ile devam eder. • Oluşan koenzim A asetil fragmanı ile bileşerek Asetil CoA oluşur. • Asetil CoA krebs siklusuna girer. • Yağ aistlerinin yıkılımı için mutlaka Oksijene gereksinim vardır. oksijen olmazsa yıkılım durur.

44. Gliserol ve Yağ Asitlerinin Yıkılımı=Enerji Elde Edilmesi: • Oluşan ATP miktarı; • 18 karbonlu 1 mol yağ asiti 146 mol ATP oluşur. • Herbir trigliserit 3 mol yağ aisidi içerdiği için 146x3= 438 mol ATP • 19 mol ATP de gliserol yıkılımından gelir. • Böylece 1 mol trigliserit ten toplam net 457 mol ATP sentezlenir

45. Enerji için protein kullanımı: • Amino asitten amino grubu ayrıldıktan (deamine olduktan) sonra geriye kalan karbon iskeleti krebs siklusuna girer ve ATP oluşumuna katılır. • Amino asitler enerji için kullanıldığında nitrojen içeren amino grubun vücuttan uzaklaştırılması gerekir. • Bu ancak suda eriyerek idrar yoluyla mümkün olur ve bu nedenle proteinlerin kullanılması vücut su kaybını artırır.

46. DİĞER METABOLİK İŞLEMLER • Fotoototrofi: Fotoototroflar enerjilerini ışıktan alırlar ve karbondioksitten karbonhidratları sentezlerler. Fotosentez siyanobakteriler, mavi-yeşil algler ve yeşil bitkilerde gerçekleşir. Bakterilerde fotosentez yeşil bitkilerden birkaç özelliği ile ayrılır: 1) Bu bakterilerin klorofilleri bitki klorofillerinden daha uzun dalga boyundaki ışığı absorblar.

47. 2) Karbondioksit indirgenmesi için sudan başka hidrojen bileşiklerini kullanırlar. Çünkü pigmentlerinden gelen enerji suyu parçalayacak seviyede değildir, ancak hidrojen sülfürü (H2S) parçalayacak seviyeye ulaşır. Bazıları yan ürün olarak kükürt elementini üretirken birkaçı da hüçlü sülfirik asit üretirler. 3) Genellikle anaerobturlar ve sadece O2 yokluğunda yaşarlar.Yeşil bitkilerin aksine fotosentezin bir ürünü olarak O2 salmazlar.

48. Siyanobakteriler de prokaryot olmalarına rağmen yeşil bitkiler gibi fotosentez sırasında O2 salarlar. Siyanobakteriler, tilakoid benzeri yapılara, klorofil a ve gaz inklüzyonlarına sahiptirler. İçerdikleri fikosiyanin pigmentinden dolayı mavi yeşil görünürler. Ayrıca diğer fotosentetik bakteriler olan mor yeşil bakteriler ise bakteriyoklorofil olarak isimlendirilen özel bir klorofile sahiptir.

49. Fotohetotrofi: Bu bakteri grubu enerjilerini ışıktan alırlar, fakat karbondioksite ilave olarak bir organik maddeye (ör: metanol=CH3OH) sahip olmalıdırlar. Bu organizmalar nonsülfür-renkli (mor veya yeşil) bakterileri içerirler.

50. Kemoototrofi: Fotosentez yapamamalarına rağmen enerji için inorganik maddeleri oksitlerler. Bu enerjiyi ve bir karbon kaynağı olarak karbondioksiti kullanarak karbonhidratlar, yağlari proteinler, nükleik asitler ve pek çok organizma tarafından vitaminler gibi ihtiyaç duyulan çeşitli maddeleri sentezleyebilirler. • Oksitleme özelliği, dolayısıyla inorganik maddelerden enerji elde etme bu bakterilerin en önemli özelliklerindendir.