Vielu un enerģijas maiņa

1. Vielu un enerģijas maiņa 8. tēma

2. Vielu un enerģijas maiņa Šūnās gandrīz visi vielu sintēzes un transporta procesi notiek, izmantojot ATF vai GTF enerģiju vai arī reducējot tādus enzīmus kā NADH, NADPH vai FADH2. Lielākā daļa no šūnām šos savienojumus iegūst, importējot kompleksas organiskās vielas, tādas kā polisaharīdi tauki vai olbaltumvielas. Vienīgais izņēmums ir šūnas, kas satur hlorofilu. Tās izmanto gaismas enerģiju, lai iegūtu ATF enerģiju, kuru izmanto šūnām nepieciešamo organisko vielu sintēzei.

3. Enerģijas ieguves un patēriņa piemēri • No 1 glikozes molekulas glikolīzē iegūst 2 molekulas ATF. • Mitohondrijos pārstrādājot 1 glikozes molekulas atliekas pēc glikolīzes iegūst 32 molekulas ATF. • 8 gaismas kvanti fotosintēzē dod 3 ATF molekulas. • Vienas vezikulas pārvietošana pa mikrocaurulīti 40 mm attālumā patērē 5000 ATF molekulas. • Viena jona aktīvs transports caur membrānu patērē 1 ATF molekulu.

5. saliktus ogļhidrātus, tādus kā cieti, pārvērš par monosaharīdiem, • olbaltumvielas pārvēršās aminoskābēs, • lipīdi sadalās taukskābēs un glicerolā. • vielas sadala ar oksidēšanas un reducēšanas reakciju palīdzību.

6. Dažādi katabolisko reakciju etapi notiek dažādos šūnu nodalījumos: • Organellu, jeb polimēru sadalīšana notiek lizosomās, vakuolās un peroksisomās. • Citosolā esošās olbaltumvielas noārda proteosomās. • RNS noārda nukleāzes kodolā, hloroplastos, mitohondrijos un citosolā. • Glikozes sadalīšanu veic citosolā izvietotie fermenti noārdot to līdz piruvātam. • Daudzi starpprodukti, kas rodas olbaltumvielu, nukleīnskābju un lipīdu sadalīšanas procesos, arī var iesaistīties glikolīzē.

7. ATF iegūst: • glikolīzes procesā citosolā • oksidatīvās fosforilācijas rezultātā mitohondrijos • fotosintēzes gaismas reakcijās hloroplastos

8. Proteosomas • A- negatīvi iekrāsoti proteosomu kompleksi. • B- proteosomas uzbūves 3D modelis.

9. Lielāko daļu no olbaltumvielām sadala citoplazmā izvietotos olbaltumvielu kompleksos - proteosomās. • Proteosomu diametrs ir 25nm un tās ir veidotas no vairākām proteāzēm. • Proteosomas pievienojas pie olbaltumvielām, kurām ir pievienota neliela olbaltumviela - ubikvitīns. • Pēc tam olbaltumviela tiek pakāpeniski pārvietota uz proteosomas centālo daļu, kurā proteāzes veic peptīdsaišu pārraušanu.

11. RNāze • RNāzes ir sastopamas kodolā, mitohondrijos, hloroplastos, citosolā, lizosomās. Viena no vislabāk izpētītajām RNāzēm ir ribonukleāze A. To sekretē aizkunģa dziedzeris. • Ribonukleāze A katalizē fosfodiestera saišu hidrolīzi RNS molekulās.

12. Tiek pārrauta saite starp ribozes molekulas 5’ vietā novietoto fosforu un skābekli.

13. Glikolīze Visos prokariotu un eikariotu šūnu tipos ATF enerģijas iegūšanai izmanto glikozi. Procesu, kurā sadala glikozes molekulas sauc par glikolīzi. Glikolīzes procesā tiek veiktas 9 secīgas fermentatīvas reakcijas. Procesa summāra formula ir sekojoša: glikoze + 2ADF + 2Fn 2piruvāts + 2NADH + 2ATF (pirovīnogskābe) Fn - neorganiskais fosfāts

14. Glikolīzes gaitā katras molekulas sadalīšanai sākotnēji hidrolizē 2 ATF molekulas. Vēlāk glikolīzes gaitā tiek reducētas 2 NAD+ molekulas un izveidotas 4 ATF molekulas, bet viena glikozes molekula ir sadalīta 2 piruvāta (pirovīnogskābes) molekulās.

15. ANIMĀCIJA

16. Lizosomas Lizosomas atklāja K. DeDjuvs un R. Novikovs šī gadsimta 50os gados. Lizosomas ir lielākajā daļā eikariotisko šūnu. Īpaši daudz tās ir tajās dzīvnieku šūnās, kas nodarbojās ar fagocitozi. Augu šūnās lizosomas ir novērojamas novecošanas laikā. Lizosomām var būt ļoti atšķirīga forma, izmēri un iekšējā struktūra. Lizosomu izmēri parasti ir no 0,2 - 0,5 mm. Lizosomu galvenā funkcija ir veikt iekššūnas sagremošanu. Lizosomas žurku nieru šūnās.

17. Lizosomu fermentus sintezē granulārais endoplazmatiskais tīkls. • Tie pārvietojās uz Goldži aparātu, kur notiek to “procesings”. • No Goldži aparāta tiek eksportētas nelielas vezikulas, kuras sauc par primārajām lizosomām. Tās dažkārt veic iekššūnas gremošanas funkcijas vai eksportē sekretoros produktus. • Primārās lizosomas saplūstot ar endosomām veido skundārās lizosomas. • Lizosomas nodrošina divu šūnas procesu - heterofāgijas un autofāgijas norisi.

18. Heterofāgija Heterofāgijas procesā endosomas, t.i. vezikulas, kas satur no šūnas ārpuses nākošās vielas, saplūst ar pirmējām lizosomām. Otrējās lizosomās aktivējās hidrolītiskie fermenti un lizosomu saturs tiek sadalīts.

19. Lizosomas - sarkanas (pH5) Endosomas (lizosomas) - zilas un zaļas (pH 6). Molecular Biology of the Cell by Bruce Alberts, Dennis Bray, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and James D. Watson, Garland Publishing, NY 1994 Filma: lizosomas.mov

21. Autofāgija Par autofāgiju sauc procesu ar kura palīdzību šūna sadala tai nevajadzīgās un bojātās struktūras. No sākuma šādu struktūru ietver vienkārša membrāna, kas atdalās no gludā endoplazmatiskā tīkla. Pēc tam membranu cisterna saplūst ar pirmējo lizosomu. Tā rezultātā veidojās otrējā lizosoma vai autofāgiskā vakuola, kurā bojātās struktūras tiek sadalītas. Autofāgiskā vakuola ar mitohondrijiem.

22. Šādā veidā šūnās nomainās novecojušie vai bojātie organoīdi, membrānas, ribosomas, mitohondriji u.c. • Autofāgija šunās ir tipiska parādība, jo lielāko organoīdu - tādu kā mitohondriji, dzīves laiks ir dažas dienas, bet olbaltumvielas dzīves laiks ir dažas stundas vai vienu diennakti. • Autofāgiju visbiežāk var novērot šūnās, kurās noris reorganizācija, kas ir saistīta ar diferenciāciju vai arī pēc šūnu pakļaušanas stresa apstākļiem. • Augu šūnās var notikt autolīze, t.i. pārplīst centrālā vakuola un hidrolītiskie fermenti sadala citoplazmas olbaltumvielas.

23. Peroksisomas Jau kopš sešdesmito gadu sākuma ir pazīstamas nelielas ovālas šūnas organellas, kuras nosauca par mikroķermenīšiem. Taču atbilstoši to pamatfunkcijai tās tiek sauktas par peroksisomām. To lielums svārstās starp 0,3 - 2 mm. Neskatoties uz savu plašo izplatību mikroķermenīši ir sastopami tikai noteiktu veidu šūnās. Zīdītājiem - aknās un nierēs, augos - lapās un krājaudos. Peroksisomas aptver viena membrāna un parasti piepilda amorfs matrikss. Dažos šūnu tipos peroksisomu matriksā ir blīva kristāliska serde (kodols).

24. Peroksisoma aknu šūnās. Peroksisoma nieru šūnās.

25. Peroksisomu nosaukums ir radies no ūdeņraža peroksīda, kurš ir galvenais reakciju starpprodukts. Ūdeņraža peroksīds rodas lielas fermentu grupas darbības rezultātā. Tie izmanto molekulāro skābekli kā elektronu akceptoru un to reducē līdz ūdeņraža peroksīdam. Ūdeņraža peroksīds peroksisomās ar fermenta katalāzes starpniecību tiek reducēts līdz ūdenim. Rezultātā tiek oksidēti noteikti produkti, kam seko skābekļa un ūdens atjaunošana. Taču, ja mitohondrijos lielākā daļa no atbrīvotās enerģijas tiek izmantota ATF sintēzei, tad peroksisomās tā izdalās kā siltums.

26. Peroksisomas darbības shēma

27. Augu peroksisomas Glioksisomas ir specializētas augu peroksisomas, kuras atrodas krājaudos un satur taukskābju oksidācijas enzīmus, lai pārvērstu sēklu rezerves lipīdus cukuros.

28. Augu peroksisomas Lapu peroksisomas ir specializētas augu peroksisomas, kuras atrodas fotosintezējošos audos un piedalās fotoelpošanas reakcijās.

29. Peroksisomu veidošanās un olbaltumvielu imports Peroksisomu šūnā dalās. Citos gadījumos, to skaita palielināšanās ir saistīta ar endoplazmatiskā tīkla darbību. Izveidojas organellas ar diametru 0,1mm. Tās aug un no citoplazmas uzņem olbaltumvielas. Peroksisomu olbaltumvielas sintezē citoplazmas ribosomas.

30. Vakuolas Vakuola ir ar šūnsulu pildīta un vienkāršu membrānu pārklāta cisterna. Vakuolu ietverošo membrānu sauc par tonoplastu. Šūnsula ir koncentrēts šķīdums, kas satur minerālsāļus, cukurus, organiskās skābes, O2, CO2, pigmentus un daudzveidīgus otreizējā metabolisma starpproduktus un atkritumproduktus.

31. Dzīvnieku šūnās ir samērā sīkas vakuolas - fagocitārās, gremošanas un autofāgiskās vakuolas. Augu un sēņu šūnās var būt dažāds vakuolu skaits un lielums. To kopējais tilpums var būt starp 20 un 90% no šūnas tilpuma. Tās var saplūst un apvienoties. Augu šūnās, it īpaši parenhīmā un kolenhīmā, var redzēt, ka šūnās ir viena liela centrālā vakuola.

32. Augu vakuolas Vakuolas Kontraktilā un gremošanas vakuolas čaulamēbas šūnā.

33. Vakuolām organismā var izdalīt piecas funkciju grupas: Vakuolas nodrošina šūnas turgoru un ņem dalību šūnas ūdens režīmā Vakuolām piemīt lītiskā funkcija. Novecojošos vai specializētos audos vakuolām var būt galaproduktu uzkrāšanas funkcija. Gandrīz visu šūnu tipu vakuolās notiek barības vielu uzkrāšana.

34. Ūdens iekļūst šūnsulā caur daļēji caurlaidīgo tonoplastu osmozes ceļā. Rezultātā šūnā rodas turgora spiediens un citoplazma piespiež plazmatisko membrānu pie šūnas sieniņas. Daži autori uzskata, ka augu šūnu stiepšanos vairāk nodrošina osmotiska ūdens uzņemšana nevis citoskeleta darbība.

35. Vakuolu vielu apmaiņas mehānismi • Vakuolā vielas var iekļūt un izkļūt izmantojot tonoplasta puscaurlaidīgās īpašības, aktīvā vielu transporta mehānismus vai eksocitozi. • Vakuolās var transportēt protonus, neorganisko vielu jonus, cukurus, organiskās skābes un aminoskābes. • Šūnu sadalīšanās produkti vakuolās var iekļūt eksocitozes ceļā. • Protonu pārnešanu vakuolā nodrošina ar H+ pārnešanu saistītā ATFāze. Līdz ar to vakuolas iekšiene ir skābāka un pozitīvi lādēta. Tas kalpo kā dzinējspēks, lai transportētu metabolītus vakuolās.