1 / 41

Metabolism ja bioenergeetika

Metabolism ja bioenergeetika. Biokeemiliste reaktsioonide klassifikatsioon Intermediaarne metabolism Bioenergeetika metabolismi alusena Metabolismi eksperimentaalne uurimine, vabaenergia muudu määramine, metaboolsete radade geneetiline ja biokeemiline analüüs.

halla-skinner
Download Presentation

Metabolism ja bioenergeetika

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Metabolism ja bioenergeetika

  2. Biokeemiliste reaktsioonide klassifikatsioon • Intermediaarne metabolism • Bioenergeetika metabolismi alusena • Metabolismi eksperimentaalne uurimine, vabaenergia muudu määramine, metaboolsete radade geneetiline ja biokeemiline analüüs

  3. Metabolism- rakkus kulgevate keemiliste reaktsioonide kogum Metaboolsed reaktsioonid jaotatakse anaboolseteks ja kataboolseteks Anaboolne- Keerukamate ühendite biosüntees lähtudes lihtsamatest komponentidest. Energiat tarbiv Kataboolne- Degradatiivne rada. Keerukamate orgaaniliste ühendite lagundamine lihtsamateks. Energiat genereeriv. Vastavalt kasutatavale süsiniku allikale jaotatakse organismid autotroofideks heterotroofideks Vastavalt energiaallikale saame organismid jaotada kemotroofideks fototroofideks

  4. Metabolism- rakkus kulgevate keemiliste reaktsioonide kogum Vastassuunas kulgevad kataboolne ja anaboolne rada on erinevalt reguleeritud Erinevus on vähemalt ühes ensüümis Sageli toimuvad erinevates raku kompartmentides Makromolekulid valgud, nukleiinhapped, süsivesikud, lipiidid Regulatsioon Allosteeria Hormonaalne regul Ensüümi hulga regul Toitained- energiaallikad süsivesikud rasvad valgud ATP NADH NADPH ADP NAD+ NADP+ KATABOLISM konvergeeruv ANABOLISM divergeeruv Energiavaesed lõppproduktid CO2 H2O NH3 Prekursormolekulid

  5. KATABOLISM Fosfolipiidid Metaboolsed rajad on erineva topoloogiaga: lineaarsed hargnevad tsüklilised spiraalsed Rasvhapped Triatsüülglütseroolid Seriin Fenüülalaniin Sahharoos Glükogeen Glükoos Püruvaat AcCoA Tärklis Leutsiin AtseetoatsetüülCoA Alaniin Isoleutsiin Mevalonaat Rasvhapped Steroid hormoonid Isopentenüül pürofosfaat Kolesterool Sapphapped Karotenoidid Vitamiin K Kolesterooli estrid ANABOLISM

  6. Süsiniku tsükkel orgaanilised ühendid Fotosüntees: CO2 + 6H2O +nhnZ C6H12O6 + 6O2 O2 o 90% mikroorganismid- vetikad, bakterid 10% kõrgemad taimed O2 produts. kõrgemad taimed fotosünteesivad auksotroofid heterotroofid Heterotroofsed organismid glükoos + O2Z 6CO2 + 6H2O DG0´=-2800 kJ/mol 90% mikroorganismidest pinnases, meres AEROOBSED organismid- tarbivad hapnikku ANAEROOBSED organismid Glükoos Z laktaat DG0´< 0 CO2 H2O

  7. Lämmastiku tsükkel nitraadid nitritid nitrifitseerivad bakterid lämmastikku fikseerivad bakterid taimed N2 atmosfääris ammoonium aminohaped loomad

  8. Intermediaarne metabolism Reaktsioonid, kus osalevad eelkõige madalmolekulaarsed metaboliidid Eellased biopolümeeride sünteesil Energia genereerimisel osalevad molekulid Sageli on ühe reaktsiooni produkt teise reaktsiooni substraadiks- metaboolseid reaktsioone saab gruppeerida radadesse. Igal metaboolsel rajal on oma spetsiifiline eesmärk produkti näol Metaboolseid radasid saab liigitada Lineaarsed- glükolüüs Hargnenud-aminohapete degradatsioon Tsükliline- tsitraaditsükkel spiraalne- rasvhapete degradatsioon

  9. Glükoosi oksüdatsioon- 2850 kJ/mol Palmitaadi (C16) oksüdatsion- 9781 kJ/mol Energia, ATP ja fosfaat Miks on ATP hüdrolüüs seotud sellise energia vabanemisega? • Resonantsstabilisatsioon • Elektrostaatilised tõukejõud laetud rühmituste vahel • Solvatatsioonienergia erinevused [ADP] [Pi] DG= DG0+ 2.3RTlog [ATP] ATP ADP AMP Pi PCr Roti hepatotsüüdid 3.38 1.32 0.29 4.8 0 Roti müotsüüdid 8.05 0.93 0.04 8.05 28 Roti neuronid 2.59 0.73 0.06 2.72 4.7 E.coli 7.90 1.04 0.82 7.9 0 ATP- hüdrolüüs DG0=30.5 kJ/mol Reaalselt rakus DG ca 1.5x DG0

  10. Kataboolse metabolismi staadiumid Esimene staadium Makromolekulide lagundamine monomeerideks. Kasulikku energiat ei vabane Teine staadium Esimese staadiumi produktide oksüdatsioon AcCoA-ks. Vabaneb limiteeritud hulk energiat Kolmas staadium AcCoA oksüdatsioon CO2 ja H2O-ks. Suure hulga energia vabanemine

  11. lipiidid Ülevaade kataboolsetest protsessidest valgud süsivesikud aminohapped glükoos rasvhapped, glütserool ADP ATP glükolüüs NAD+ NADH püruvaat CO2 Atsetüül-CoA NH3 NAD+ NADH Tsitraadi- tsükkel FADH2 FAD CO2 NAD+ NADH FAD Oksüdatiivne fosforüleerimine FADH2 ADP ATP H2O O2

  12. Katabolismi esimene staadium Toidu hüdrolüüs Varupolüsahhariidide ja rasvade lagundamine Valkude lagundamine Seedesüsteem Süljenäärmed- sekreteerivad amülaasi, tärklise hüdrolüüs Magu- HCl sekretsioon: vajalik valkude denaturatsiooniks ja kujundab vajaliku keskkonna pepsiinile Pankreas- sekreteeritakse proteolüütilisi ensüüme ja lipaase vastavalt valkude ja lipiidide degradatsiooniks Maks ja sapipõis- sapphapete soolade eritamine, rasvagloobulite emulgeerimine seedimise hõlbustamiseks Peensool- edasine seedimine. Tekivad aminohapped, heksoosid, rasvhapped, glütserool. Produktid liiguvad verre rakkudesse transpordiks

  13. Metaboolsete reaktsioonide keemia Biokeemilised reaktsioonid jaotatakse 6 kategooriasse • Redoksreaktsioonid • Rühma ülekanded • Hüdrolüüs • Mittehüdrolüütiline sideme katkestamine • Isomerisatsioon ja ümbergrupeerumine • Sideme moodustamine ATP energiat kasutades

  14. Redoksreaktsioonid Kõige tavalisemad reaktsioonid metabolismis Osaleb 2 reageerivat molekuli, üks oksüdeerub ja teine peab elektronid aksepteerima Identifitseeritavad kui reaktsioonid kus toimub vesiniku aatomi ülekanded Redoksreaktsioone katalüüsivad oksüreduktaasid Paljudes reaktsioonides kasutatakse koensüüme NAD+/NADH NADP+/NADPH FAD/FADH2

  15. Bioloogilised redoksreaktsioonid- energia allikaks heterotroofsetel organismidel Cu2+ + Fe2+ Cu+ + Fe3+ Orgaaniliste ühendite oksüdeerumine CH3-CH3 CH3-CH2OH CH2 CH2 CH3-CH CH CH CH3-C-OH O C O Konjugeeritud redokspaar Fe2+ Fe3+ + e- Cu2+ + e- Cu+ O Oksüdeerumine O

  16. NAD+ NADH Nikotiinamiid adeniin dinukleotiid oksüdeerunud redutseerunud vorm vorm Koensüümide paar kasutusel redoksreaktsioonides Vitamiin nikotiinamiidi ja ADP derivaat Reaktiivne tsenter asub nikotiinamiidses osas Osalevad eranditult 2-elektronilistes ülekannetes Redutseerunud vormid neelavad UV spektri osas 340 nm juures

  17. Näiteid NAD+ kasutamisest metabolismis Spetsiifilised näited- alkoholi dehüdrogenaas ja laktaadi dehüdrogenaas

  18. FAD- flaviin adeniin dinukleotiid FAD on samuti koensüüm redoksreaktsioonides, st koensüüm, mis vahendab elektronide ülekannet FAD eellasteks on ADP ja vitamiin riboflaviin On võimeline liitma-loovutama ühe või kaks elektroni Reaktiivne tsenter paikneb molekuli riboflaviini osas

  19. FAD osaleb redoks reaktsioonides olles tugevalt ensüümiga seotud FAD osalusel toimuvad reaktsioonid ei kattu NAD+ reaktsioonidega Sageli on FAD osalusega reaktsioonid sellised, kus –CH2-CH2- rühmitus oksüdeeritakse kaksiksidemeks

  20. Rühma ülekande reaktsioonid Reaktsioonid, mille käigus toimub funktsionaalrühma ülekanne Vastavaid ensüüme nimetatakse transferaasideks Intermolekulaarne- ülekanne ühelt molekulilt teisele Intramolekulaarne- ümberpaiknemine sama molekuli koosseisus Fosfaatrühm- üks olulismaid ülekannetes osalevaid rühmi Kinaasid- Mg sõltuvad ensüümid Glükoos + ATP Glükoos-6-fosfaat + ADP + H+ heksokinaas

  21. Atsüülrühma ülekanded Atsüülrühm on samuti tavaline ülekantav rühmitus Atsüülrühma aktiveerimiseks seotakse atsüül tioestrina koensüümiga A HSCoA AcCoA on oluline vaheühend lipiidide, süsivesikute ja paljude aminohapete katabolismis

  22. Hüdrolüüs Reageeriv molekul laguneb vee toimel kaheks iseseisvaks molekuliks Ensüümid: hüdrolaasid, esteraasid, peptidaasid, proteaasid, glükosidaasid jne Tavalisemad hüdrolüüsitavad sidemed on Estrid- rasvades Amiidid- valkudes Glükosiid- süsivesikutes

  23. Kaksiksideme tekkega seotud mittehüdrolüütiline molekulide lagundamine Reaktsioonide klass, kus molekulid lõhestatakse ilma vee osaluseta Lüaasid – ensüümid, mis katalüüsivad selliseid reaktsioone Pöördreaktsioon- kaksiksidemele liitumisreaktsioon, katalüüsivat ensüümi nimetatakse sageli süntaasiks

  24. Isomerisatsioon Intermolekulaarne vesiniku aatomi ümberüaiknemine kaksiksideme asukohta. Näiteks aldoos-ketoos isomerisatsioon Funktsionaalrühma ümberpaiknemine

  25. Kovalentse sideme moodustamine lisaenergiat kasutades Ligaasid- ensüümid, mis kasutavad ATP hüdrolüüsi energiat sidemete sünteesiks Sageli nimetatakse vastavaid ensüüme ka süntetaasideks

  26. Bioenergeetika printsiipe Termodünaamika- protsesside kulgemise võimalikkuse hindamine Süsteem ja keskkond termodünaamikas Termodünaamika esimene seadus: Süsteemi ja teda ümbritseva keskkonna summaarne energia on konstantne D E = EB – EA = Q – W Süsteemi energia muutus sõltub ainult protsessi lähte- ja lõppolekust, mitte aga protsessi kulgemise teest TD esimest seadust ei saa kasutada protsesside spontaansuse kriteeriumina

  27. Bioenergeetika printsiipe Termodünaamika- protsesside kulgemise võimalikkuse hindamine II Termodünaamika II seadus- protsess kulgeb spontaanselt juhul kui süsteemi ja teda ümbritseva keskkonna entroopia kasvab Entroopia- S iseloomustab süsteemi korrastatust ehk juhuslikkust Entroopia muudud pole lihtsalt mõõdetavad ja tuleks arvestada ka entroopia muuduga keskkonnas

  28. Bioenergeetika printsiipe Termodünaamika- protsesside kulgemise võimalikkuse hindamine III • Gibbsi vabaenergia- spontaansuse praktikas kasutatav kriteerium • DG = DH –TDS Süsteemi iseloomustav parameeter • Reaktsioon on spontaanne kui DG on negatiivne • Süsteem on tasakaalus kui DG on null • Reaktsioon ei saa kulgeda spontaanselt kui DG on positiivne • DG on arvutatav produktide ja lähteühendi vabaenergia vahena • DG on sõltumatu reaktsiooni teest ehk mehhanismist • DG ei anna informatsiooni reaktsiooni kulgemise kiirusest

  29. Bioenergeetika printsiipe DG0 – Standartne vabaenergia muut Energia, mis vabaneb standardtingimustes kulgeva reaksiooni korral reaktsiooni algusest kuni tasakaalu saabumiseni DG0 ja Keq on omavahel seotud järgmise võrrandiga: DG0= -2.3RTlog Keq Selles võrrandis on DG0 standartne vabaenergia muut R universaalne gaasikonstant, 8.3 J/K mol T absoluutne temperatuur K Keq tasakaalukonstant A + B C + D [C][D] Keq = [A][B]

  30. Bioenergeetika printsiipe Biokeemias kasutatakse standardtingimusi, mis on kohandatud bioloogiliste süsteemide jaoks: lisaks tavalistele standardtingimustele (reagentide 1M kontsentratsioon, temperatuur 25oC ja rõhk 1 atm), võetakse vee standardolekuks puhta vee kontsentratsioon (55.5M) ja vesinikiooni standardkontsentratsiooniks 10-7 M (pH7) Biokeemia standardtingimustele vastavaid Keq ja DG0tähistatakse Keq´ ja DG0´

  31. Bioenergeetika printsiipe Reaktsiooni vabaenergia muut võimaldab hinnata reaktsioonide kulgemise suunda DG = 0 Süsteem on tasakaalus DG < 0 Süsteemis vabaneb energiat reaktsiooni kulgemisel näidatud suunas. DG > 0 Süsteemi on vaja reaktsiooni kulgemiseks näidatud suunas anda lisaenergiat Kuivõrd standardtingimused ei vasta reaalselt rakus olevatele tingimustele, siis pole selle parameetri alusel võimalik päris kindlasti otsustada, kas antud reaktsioon kulgeb rakus iseeneslikult või mitte. Selle alusel on võimalik anda vaid esialgne hinnang vastva reaktsiooni energeetikale

  32. Bioenergeetika printsiipe Kuidas suunata reaktsioone meile soovitud suunas Summaarne vabaenergia muut on võrdne reaktsiooni üksikute etappide vabaenergia muutude summaga Termodünaamiliselt mittesoodustatud reaktsiooni saab suunata sidudes selle termodünaamiliselt soodustatud reaktsiooniga

  33. Eksperimentaalne DG määramine Arvutame näiteks DG0 dihüdroksüatsetoonfosfaadi glütseeraldehüüd 3-fosfaadiks isomerisatsioonireaktsiooni jaoks. Tasakaaluolekus on standardtingimuste juures (25oC ja pH7) moodustub neist ühenditest segu, kus GAP ja DHAP molaarsete kontsentratsioonide suhe on 0.0475 Seega vastava reaktsiooni Keq= 0.0475 Arvutades siit standartse vabaenergia muudu, saame DG0= -2.3RTlog Keq = -2.3x8.3x298xlog0.0475 = -2.3x8.3x298x(-1.32) = 7528 J/mol = 7.5 kJ/mol Seega standartne vabaenergia muut selle reaktsiooni jaoks on positiivne Kas see tähendab, et rakus see reaktsioon spontaanselt ei kulge?

  34. Eksperimentaalne DG määramine Oletame, et rakus on DHAP ja GAP mittetasakaalulised kontsentratsioonid järgmised: DHAP 2x10-4M GAP 3x10-6M Selline olukord on realistlik, sest GAP on ühend, mida konverteeritakse edasi glükolüüsi rajas DG, mis iseloomustab DHAP konversiooni GAP-ks on avaldatav järgmiselt: DG= DG0+ 2.3RTlog [GAP] [DHAP] Asendades vastavad kontsentratsioonide väärtused valemisse, leiame et DG= 7.5 - 10.6= -3.1 kJ/mol Negatiivne DG väärtus näitab, et reaktsioon kulgeb antud tingimustes spontaanselt GAP tekke suunas Oluline moraal: DG0 väärtuse järgi ei saa otsustada reaalsetes tingimustes reaktsiooni kulgemise suuna üle.

  35. Kuidas suunata reaktsioone meile soovitud suunas Summaarne vabaenergia muut on võrdne reaktsiooni üksikute etappide vabaenergia muutude summaga Termodünaamiliselt mittesoodustatud reaktsiooni saab suunata sidudes selle termodünaamiliselt soodustatud reaktsiooniga Fosforüleeritud derivaatide süntees ATP + X X-Pi + ADP X-Pi + Y X-Y + Pi ATP + X + Y X-Y + ADP + Pi

  36. Rida teisi makroergilisi ühendeid on veelgi kõrgema fosforüüli ülekande potentsiaaliga kui ATP Fosfoenoolpüruvaat -61.9 1,3- bisfosfoglütseraat - 49.4 Atsetüülfosfaat - 43.1 Fosfokreatiin - 43.1 PPi -33.4 ATP, ADP -30.5 AMP -14.2 Glükoos-1- fosfaat - 20.9 Fruktoos-6-fosfaat -15.9 Glükoos-6-fosfaat -13.8 Glütserool-1-fosfaat -9.2 AcCoA -31.4 Substraadi tasemel ADP fosforüleerimine võimalik

  37. Pürofosfaadi hüdrolüüs Reaktsioonid, mille käigus moodustub AMP ja Ppi on pürofosfaadi edasise hüdrolüüsi tulemusena eriti soodustatud! Näit: aminoatsüül-tRNA moodustumine

  38. Nukleosiid trifosfaadid on tasakaaluliselt üksteiseks konverteeritavad Katalüüsib- nukleosiid difosfaadi kinaas Adenülaatkinaas katalüüsib AMP fosforüleerimist

  39. ATP – universaalne energiavahendaja bioloogilistes süsteemides Energiat on vaja mehaanilise töö sooritamiseks molekulide ja ioonide aktiivtranspordiks biomolekulide sünteesiks Kemotroofid- energia allikaks toitainete oksüdatsioon Fototroofid- energia allikaks valgusenergia

  40. Metabolismi eksperimentaalne uurimine Metaboolse raja uuringud peavad välja selgitama järgmised detailid raja iga reaktsiooni kohta Iseloomustama iga reaktsiooni ensüümi ja koensüüme Identifitseerima raja iga etapi substraadid ja produktid, intermediaadid ja reaktsiooni tüübid Identifitseerima raja regulatsioonil osalevad molekulid ja kindlaks tegema, millistes tingimustes toimub regulatsioon Eksperimentaalseid võtteid metabolismi uurimisel Terviklike organismide kasutamine koos radioaktiivsete metaboliitide jälgimisega Koelõigud ja koekultuur Rakuvaba ekstrakt- ensüümide puhastamise allikas

More Related