1 / 58

Osnov e metabolizma mikroorganizama

Osnov e metabolizma mikroorganizama. Metaboli čki diverzitet. M etabolizam - obuhvata sve hemijske procese koji se de š avaju u ć eliji - anabolički (zahtevaju energiju) - katabolički (otpuštaju energiju) E nergij a neophodna za biosinteze, transport , k ret anje itd.

suchin
Download Presentation

Osnov e metabolizma mikroorganizama

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. Osnovemetabolizma mikroorganizama Metabolički diverzitet

  2. Metabolizam- obuhvata sve hemijske procese koji se dešavaju u ćeliji - anabolički (zahtevaju energiju) - katabolički (otpuštaju energiju) • Energija neophodna za biosinteze, transport, kretanje itd. • Slobodna energija – energija raspoloživa za koristan rad • ΔG0' – promena energije u toku hemijske reakcije

  3. Konzervacija E u ćeliji uključuje oksidaciono-redukcione (redox) reakcije • Oksidacija – oduzimanje elektrona supstanci • Redukcija – dodavanje elektrona supstanci • Prenos samih elektrona ili elektrona i protona • Donore-se oksiduje a akceptor se redukuje • Redukcioni potencijal,E0'– težnja supstance da bude oksidovana ili redukovana • veća razlika u redukcionom potencijalu = više energije

  4. Metabolički tipovi mikroorganizamaprema izvoru ugljenika • Autotrofi – dobijaju ugljenik redukcijom CO2 iz vazduha • Heterotrofi (organotrofi) – dobijaju ugljenik iz organskih jedinjenja

  5. Metabolički tipovi mikroorganizama prema izvoru energije • Fototrofi – dobijaju energiju transformacijom svetlosne energije • Hemotrofi – dobijaju energiju oksidacijom hemijskih jedinjenja - hemoorganotrofi oksiduju organska jedinjenja - hemolitotrofi oksiduju neorganska jedinjenja

  6. Metabolička raznovrsnost

  7. Jedinjenja sa visokom energijom • Energija dobijena u toku procesa okidoredukcije mora biti sačuvana za različite potrebe. • Energija se u živim sistemima primarno konzervira u formi fosforilisanih jedinjenja (npr. ATP) = jedinjenja bogata energijom

  8. Jedinjenja sa visokom energijomAdenozin trifosfatATP • Energija ATP koja se može iskoristiti za biohemijske procese nalazi se u dve terminalne visoko energetske fosfatne veze.

  9. Jedinjenja sa visokom energijom

  10. Dugotrajno čuvanje energije • Prokariotski mikroorganizmi: - glikogen - lipid poli-β-hidroksibutirat - elementarni sumpor u granulama • Eukariotski mikroorganizmi: - skrob - jednostavne masti

  11. Biološke oksidoredukcije i konzervacija energije Dva mehanizma konzervacije energije kod hemoorganotrofa • Fermentacija - redoks proces se odvija u odsustvu spoljnog akceptora elektrona - Fosforilacija na nivou supstrata • Respiracija, disanje - postoji spoljni akceptor elektrona - aerobna - akceptor elektrona je molekularni kiseonik - anaerobna - akceptor elektrona je neko drugo, obično neorgansko jedinjenje - Oksidativna fosforilacija

  12. Sinteza ATP tokom fermentacijeFosforilacija na nivou supstrata • ATP se sintetiše u toku katabolizma organskog supstrata • Neorganski fosfat se vezuje za intermedijer u kataboličkom putu • Sa fosforilisanog intermedijera fosfatna grupa se prenosi na ADP • Nastaju ATP i fermentacioni produkt • Oslobađa se mala količina potencijalne energije

  13. Sinteza ATP tokom disanjaOksidativna fosforilacija • ATP se sintetiše u toku katabolizma: - organskog supstrata (hemoorganotrofi) - neorganskog supstrata (hemolitotrofi) • Sinteza ATP na račun protonske motorne sile koja se generiše u toku prenosa elektrona kroz respiratorni lanac

  14. Putevi razgradnje glukoze kod prokariota • Glikoliza • Heksozomonofosfatni put • Entner-Doudoroff-ov put (Pseudomonas, Rhisobium, Zymomonas, Agrobacterium)

  15. Razgradnja glukoze u fermentacijiGlikoliza • Tri faze • - I Pripremne reakcijeprodukuju se 2 molekula ključnogintermedijera, gliceraldehid 3 fosfata • II Glikoliza • OR, produkuju se fosfatne veze bogate energijom (ATP) i formiraju se 2 piruvata • III Sinteza fermentacionog • produkta • etanol, mlečna kiselina, sirćetna kiselina.... • NADH za redukciju piruvata iz faze II • Neto: 2 ATP/1 glukoza

  16. U toku procesa fermentacije oslobađa se malo energije: - Atomi ugljenika početnog supstrata se samo delimično oksiduju, - Razlika u redukcionim potencijalima primarnog donora elektrona i terminalnog akceptora elektrona je mala.

  17. Oksidativna fosforilacija“Proton motive force”PMF: Hemiosmoza • Sinteza ATP vezana za “proton motive force” kroz membranu • Elektrohemijski potencijal membrane - unutrašnja strana negativna i alkalna - spoljašnja pozitivna i kisela - membrana naelektrisana i energizovana • Energija se koristiti: - transport jona - pokretanje flagela - formiranje fosfatne veze bogate energijom u ATP, enzimom ATP-sintetaza (ATP-aza )

  18. Prenosioci elektrona u elektron-transportnom lancu • Energizovano stanje membrane (PMF) uspostavlja transport elektrona • O-R reakcije se mogu podeliti na 3 etape: - uklanjanje elektrona sa primarnog donora - transfer elektrona preko jednog ili serije prenosioca - predavanje elektrona terminalnom akceptoru • Transfer elektrona preko intermedijera prenosioca elektronauključuje seriju OR reakcija • Prenosioci elektrona se mogu podeliti na 2 klase: - slobodni - vezani (membrane-asociated)

  19. Respiratorni lanac Paracoccus denitrificans

  20. Komponente za prenos elektronaSlobodni prenosioci NAD+(nikotinamid adenin dinukleotid) • primarno u kataboličkim procesima NADP+(NAD fosfat) - primarno u anaboličkim procesima 1.NADH dehidrogenaza(na unutrašnjoj strani membrane) - prenosi 2e- + 2H+sa NADH (nastalog u toku različitih procesa) do flavoproteina.

  21. NAD omogućuje da hemijski različiti molekuli budu inicijalni donori elektrona

  22. Komponente za prenos elektrona 2. Flavoproteini, sadrže derivate riboflavina (vit B2) kao čvrsto vezane koenzime • Flavin mononukleotid, FMN • Flavin adenin dinukleotid, FAD • Primaju 2e- + 2H+ali predaju samo e- FMN

  23. Komponente za prenos elektrona 3. Fe-S proteini - sadrže gvožđe vezano za S • primaju i predaju samo e- • Najčešće konfiguracije - Fe2S2 (feredoksin) - Fe4S4

  24. Komponente za prenos elektrona 4. Citohromi • cyt a, cyt b, cyt c, cyt d, cyt o, itd. • proteini koji sadrže hem kao prostetičnu grupu • mogu biti međusobno u kompleksu ili sa Fe-S proteinima • Primaju i predaju samo 1 e- Citohrom-Fe2+  Citohrom-Fe3+ + e-

  25. Komponente za prenos elektrona 5. Kinoni, mali vrlo hidrofobni molekuli • rastvorljivi su u mastima, • slobodno difunduju kroz membranu • generalno prenose e- od FeS proteina do citohroma • ubikinoni (koenzim Q) • naftokinoni, derivati vit K • Kao flavoproteini primaju 2e- + 2H+ali predaju samo e-

  26. Respiratorni lanac Paracoccus denitrificans

  27. Formiranje ATP-a ATP-sintetaza (kompleks V) • F0 – membranski ab2c12 kompleks, H+ kanal • F1 – 33γεδkompleks okrenut ka citoplazmi, katalizuje reakciju ADP + Pi → ATP • 3-4 H+ za 1 ATP • Enzim katalizuje reverzibilne reakcije između ATP i ADP + Pi • ATP-aza dopušta kontrolisani ulazak protona kroz naelektrisanu membranu

  28. Inhibitori - blokiraju protok elektrona i ATP sintetazu: - CO sprečava redukciju O2(nastanak H2O) - cijanid (CN-), vodonik sulfid (H2S) ili azid (N3-) se vezuju za citohrome i blokiraju transport elektrona. “Uncouplers” - sprečavaju kuplovanje procesa) - dinitrofenol i dikumarol - rastvorljivi u mastima i povećavaju propustljivost membrane i prolazprotona (gubi se “PMF”). Agensi koji utiču na lanac transporta elektrona

  29. Protok C u respiracijiCiklus trikarbonskih kiselina(CTK ciklus) • ima važnu ulogu u procesu potpune razgradnje organskih materija u toku respiracije. Neto: 8 ATP iz glikolize 30 ATP iz CTK 38 ATP/1glukoza NADH i FADH ulaze u elektron transportni lanac

  30. RESPIRACIJA- aerobna i anaerobna AEROBNA RESPIRACIJA - krajnji akceptor elektrona kiseonik ANAEROBNA RESPIRACIJA –drugo neorganskoili organsko jedinjenje krajnji akceptor elektrona - nitrati, NO3-,, feri joni, Fe3+,sulfatiSO42-,karbonati CO32- ineke organske komponente.

  31. Kataboličke alternativeAnaerobno disanje • Korišćenjem alternativnih akceptora elektrona mikroorganizmi mogu da respirišu i u sredinama bez kiseonika • Veliki ekološki i industrijski značaj • Generalno, bakterije sa anaerobnom respiracijom imaju transportni sistem elektrona kao i aerobni organizmi.

  32. Anaerobno disanje • Akceptori elektrona u anaerobnoj respiraciji: - nitrati (NO3-), - feri joni (Fe3+), - sulfati (SO42-), - karbonati (CO32-) i - neke organska jedinjenja • Usled mesta ovih jedinjena u nizu elektrona (ni jedno nije elektropozitivno kao O2/H2O par), manje se energije oslobađa kada su oni krajnji akceptori elektrona.

  33. Organski akceptori elektrona • Mnoga organska jedinjenja nastala u toku metabolizma hemoorganotrofa mogu biti akceptori elektrona.

  34. Kataboličke alternativeHemolitotrofni (hemoautotrofni) metabolizam

  35. Kataboličke alternativeFototrofni metabolizam

  36. Fotosinteza • Fototrofija – korišćenje svetlosti kao izvora energije • fotoautotrofi (izvor ugljenika za biosinteze - CO2) • fotoheterotrofi (izvor ugljenika za biosinteze – organska jedinjenja) • Redukujuća snaga za redukciju NAD(P)H kod različitih MO iz različitih izvora

  37. Tipovi fotosinteze • anaerobna fotosinteza • fotosintetičke bakterije • - redukujuća snaga za redukciju NAD(P)H = redukovane forme sumpora (H2S, S0, S2O32-)ili H2

  38. Tipovi fotosinteze • aerobna fotosinteza • cijanobakterije, alge i biljke • redukujuća snaga za redukciju NAD(P)H = H2O

  39. Fotosintetički pigmenti

  40. Raznovrsnost fotosintetičkih pigmenata • različiti apsorpcioni spektri – strategija za bolju iskorišćenost EM spekta • ekološki značaj

  41. Fotosintetičke membrane • Zelene biljke – hloroplasti • kod prokariota – sistem unutarćelijskih membrana 1. invaginacije citoplazmatične membrane (purpurne bakterije) 2. sama citoplazmatična membrana (heliobakterija) 3. sama citoplazmatična membrana i hlorozom (zelene bakterije) 4. tilakoidne membrane (cijanobakterije) • reakcioni centar i antenski pigmenti • pomoćni pigmenti: • karotenoidi (fotoprotektivna uloga) • fikobilini (prikupljanje svetlosti)

  42. Hlorozom zelenih sumpornih i zelenih nesumpornih bakterija BP proteini povezuju hlorozom sa cit. membranom hlorozomi Chlorobium tepidum (zelena sumporna bakterija), strukura hlorozoma - mogu da rastu na najnižem intenzitetu svetlosti

  43. Fotofosforilacija • treći način sinteze ATP • u toku svetle faze fotosinteze, kada svetlost generiše protonsku motornu silu • ciklična i neciklična

  44. Ciklična fotofosforilacija kod bakterija • elektroni se kreću unutar zatvorene petlje • slično respiraciji, PMF se formira tokom protoka elektrona kroz membranu ALI • nema inputa ni outputa elektrona • redukujuća snaga (NADH) za redukciju CO2? • - purpurne – povratni tok elektrona (na račun PMF) • - zelene i heliobakterije – direktni proizvod svetlosnih reakcija, kao i ATP

  45. Ciklična fotofosforilacija i protok elektrona kod fototrofnih bakterija BChl bakteriohlorofil, BPh bakteriofeofitin, Chl a hlorofil a

  46. Neciklična fotofosforilacija • Cyanobacteria, alge, biljke • Kooperacija fotosistema I i II • Samo fotosistem I neke alge i bakterije koristeći neki drugi izvor redukujuće snage, ne vodu-ciklična fotofosforilacija

  47. Bakteriorodopsin zavisna fotofosforilacija(Halobacterium salinarium) • Bakteriorodopsin strukturno i funkcionalno sličan pigmentu u oku rodopsinu. • Za bakteriorodopsin je povezan retinal (daje mu purpurnu boju), molekul sličan karotenoidu koji apsorbuje svetlosnu energiju i formira PMF. • Svetlošću stimulisana protonska pumpa • U uslovima ograničene količine O2

  48. Autotrofna fiksacija CO2 Najrašireniji put – Kalvinov ciklus- ATP, NAD(P)H i serija enzimaAlternativni puteviObrnuti CTK - kod zelene sumporne Chlorobium- kod nekih nefototrofnih arhea i kod Aquifex- možda rašireniji nego što se pretpostavljalo- rani oblik autotrofije tokom evolucjeHidroksipropionatni put- zelena nesumporna Chloroflexus- nefototrofne hipertermofilne arhee- možda prvi pokušaj autotrofije u evoluciji

  49. Zahvaljujući velikoj metaboličkoj raznovrsnosti mikroorganizmi igraju ključnu ulogu u recikliranju biogenih elemenata u prirodi

  50. Kruženje azota

More Related