TEMAT: Anabolizm i katabolizm, jako dwa główne kierunki metabolizmu.
Metabolizm to całokształt reakcji biochemicznych zachodzących w komórkach organizmu. Związany jest z przepływem materii i energii. Proces ten zapewnia organizmowi: wzrost, ruch, rozmnażanie oraz wrażliwość roślin, a także pobudliwość zwierząt. Biorąc pod uwagę przemiany energii w metabolizmie można wyróżnić reakcje: endoergiczne – wymagające nakładu energii. Istnieją dwa kierunki przemian metabolicznych: anabolizm i katabolizm. Anabolizm to reakcje syntez związków bardziej złożonych z prostszych, wymagające dostarczenia energii. Energia ta umożliwia podniesienie poziomu energetycznego związków w czasie procesu chemicznego. Powstający w ten sposób produkt rekcji zawiera większą ilość energii, niż substraty. Dostarczona energia zostaje zmagazynowana w postaci wiązań chemicznych. Natomiast katabolizm to reakcje chemiczne podczas których następuje obniżanie poziomu energetycznego substratów w wyniku ich rozkładu na związki proste, oraz wydzielana jest energia. Uwolniona energia wyzwala się podczas rozrywania wiązań wysokoenergetycznych substratów.
Energia E
I. A + B C
Np. fotosynteza CO2 + H2O C6H12O6 + O2
II. C A + B + E
Np. oddychanie komórkowe C6H12O6 H2O + CO2 + E
A i B – związki niskoenergetyczneC – związek wysokoenergetyczny
Rys. 1. Schemat kierunków metabolizmu.
Reakcje chemiczne wymagające dopływu energii są powiązane z tymi, które tą energię dostarczają. Dlatego anabolizm i katabolizm zachodzą jednocześnie. Jednak mają miejsce w różnych partiach komórki. Aby ta zależność była możliwa, energia uwalniana podczas jednego procesu, musi zostać przetransportowana do miejsca, gdzie zachodzi proces energo - chłonny. Nośnikiem tej energii są więc tzw. Związki wysokoenergetyczne. Przemiany anaboliczne i kataboliczne wykazują różną intensywność, która zależna jest od wieku organizmu. U młodych osobników przeważają reakcje syntezy, u dojrzałych – intensywność wyrównuje się, a u starych – dominują reakcje rozpadu. W przebiegu reakcji metabolicznych ogromną rolę pełni wysokoenergetyczny związek jakim jest adenozynotrójfosforan (ATP). Jego energia - skumulowana w wiązaniach - może być wykorzystywana w reakcjach endoergicznych. Synteza ATP odbywa się głównie w mitochondriach. Związek ten powstaje w wyniku fosforylacji - polegającej na przyłączeniu przez ADP reszty fosforanowej P. Istotną rolę w metabolizmie odgrywają także enzymy. Są one biokatalizorami białkowymi. Są wytwarzane przez każdy żywy organizm. Ich zadaniem jest regulacja szybkości przebiegu reakcji biochemicznych. Biorą udział również w: biosyntezie białek, tłuszczów i węglowodanów. Te procesy są reakcjami anabolicznymi. Enzymy posiadają następujące cechy:
- obniżają energię katalizowanych reakcji, tzw. energię aktywacji, oznacza to, że ilość energii potrzebnej dla przebiegu dowolnej reakcji jest mniejsza od ilości energii wykorzystywanej w danej reakcji bez użycia enzymów
- nie zmieniają się w wyniku reakcji, a przez to mogą wielokrotnie działać na kolejne substraty
- ponadto działają na ściśle określone substraty – jest to tzw. działanie enzymów
- nie mają one wpływu na równowagę reakcji
- wykazują dużą aktywność kataboliczną (przyśpieszają wielokrotnie reakcje chemiczne)
- warunkują większą skuteczność przebiegu reakcji, nadają kierunek reakcjom
Tak więc metabolizm warunkuje wiele czynników.
Przykładem anabolizmu jest wiązanie CO2 i wbudowanie go w związki organiczne na drodze fotosyntezy lub chemosyntezy.
Fotosynteza to złożone reakcje syntezy związków organicznych z prostych substancji nieorganicznych ( CO2 , H2O ), odbywające się z wykorzystaniem energii świetlnej. W procesie tym powstają związki mniej utlenione, a tym samym bogatsze w energię. Im bardziej zredukowany jest związek (im więcej zawiera atomów H), tym ma wyższą wartość energetyczną. Głównym związkiem powstającym w wyniku redukcji CO2 są cukry. Reakcja fotosyntezy ma postać następującego równania:
6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2
Fotosynteza przebiega w chloroplastach. Można wyróżnić w niej fazę jasną (zachodząca w granach chloroplastu) i fazę ciemną (zachodzącą w stromie chloroplastów).
Rybosom
Stroma
Lamella
Grana
DNA i RNA
Błona białkowo – lipidowa
Rys. 2. Budowa chloroplastu.
Faza jasna fotosyntezy obejmuje reakcje chemiczne wymagające obecności światła do ich przebiegu. Celem tej fazy jest przekształcenie energii świetlnej w chemiczną. Faza ta ma następujący przebieg. Światło pada na fotoukład PS I, powoduje to wybicie elektronu z ostatniej powłoki chlorofilu. W ten sposób powstają tzw. dziury elektronowe. Natomiast elektron obdarzony dużą dawką energii wędruje między poszczególnymi przenośnikami: x1, ferrodoksyna, NADP. Na NADP trafiają również jony H+ , które pochodzą z procesu fotolizy H2O, czyli rozpadu wody na jony (pod wpływem światła). Rozpad wody wywołany jest ponadto przez tzw. ssące działanie dziur elektronowych, które przyciągają ładunki ujemne. Przy udziale energii elektronu dochodzi do syntezy NADP-H2. Następnie elektron obdarzony małą ilością energii trafia na jego miejsce. Nowy wolny elektron obdarzony dużą dawką energii znów wędruje pomiędzy przenośnikami, tym razem są to: x2, plastochinon, cytochrom b, cytochrom f, plastocyjanina. Ostatecznie trafia na fotoukład PS II, gdzie wypełnia dziurę elektronową. W trakcie przejścia między cytochromami, energia elektronu zostaje zużyta do syntezy ADP. Związek ten łączy się z fosforanem nieorganicznym, dając ATP. Celem fazy jasnej jest więc przemiana energii świetlnej w chemiczną, która zostaje zmagazynowana w dwóch związkach: ATP i NADP-H2. Tworzą one tzw. siłę asymilacyjną. Produktem ubocznym tej fazy jest tlen. Natomiast faza ciemna fotosyntezy to cykl redukcyjny CO2 (zachodzi w stromie plastydów) z pięciowęglowym cukrem RuDP (rybulozo – 1,5 bisfosforan). W wyniku tej reakcji powstaje trójwęgolowy kwas PGA (kwas fosfoglicerynowy). Kolejny etap – redukcja – polega na zredukowaniu kwasu fosfoglicerynowego PGA do aldehydu fosfoglicerynowego PGA 1. W procesie tym udział bierze siła asymilacyjna (ATP i NADP-H2). Regeneracja zaś polega na tym, iż z powstałych cząsteczek aldehydu powstają trójwęglowe związki – jest ich sześć. Pięć z nich służy do regeneracji RuDP, jeden natomiast stanowi zysk fotosyntezy. Na bazie tego związku powstają tzw. pierwotne produkty fotosyntezy, czyli cukry. Na bazie wytworzonych cukrów w wyniku przemian biochemicznych powstają wtórne produkty fotosyntezy, czyli: białka i tłuszcze.
x1 ferrodoksyna NADP NADP-H2
H2O H2 + OH-
O2
PS I plastocyjanina cyt.f. cyt.b plastochinon x2 PS II
Światło ATP ADP + P + E
Proces fosforylacji
Rys. 3. Schemat fazy jasnej.
Produkty fotosyntezy, utrzymujące życie i rozwój samożywnych roślin, są warunkiem istnienia organizmów cudzożywnych, gdyż dostarczają im pokarm, tlen i energię.
Natomiast chemosynteza to proces asymilacji CO2, do której samożywne organizmy wykorzystują energię uzyskiwaną z utleniania zredukowanych substancji nieorganicznych np. H2S, S, NH3. Więc tak jak w przypadku fotosyntezy jest to tworzenie związków organicznych z nieorganicznych tj. z CO2 i H2O, ale przy użyciu energii chemicznej uzyskiwanej przy utlenianiu siarki, siarkowodoru, amoniaku i innych. Procesy chemosyntezy zachodzą przy udziale bakterii chemosyntetyzujących, które w zależności od utlenionego substratu, dzielimy na bakterie: nitryfikacyjne, siarkowe, żelazowe i wodorowe. Dzięki istnieniu tych bakterii zachodzi krążenie pierwiastków w przyrodzie (np. azotu i siarki). Podobnie jak proces fotosyntezy, chemosynteza przebiega w dwóch fazach. Pierwsza z nich polega na połączeniu zredukowanego nieorganicznego związku z tlenem, w wyniku czego powstaje nieorganiczny utleniony związek, oraz energia w postaci ATP i NADP-H2. Natomiast drugi etap to wytworzenie związków organicznych. Zachodzi tu reakcja łączenia CO2 i H2O w obecności ATP i NADP-H2. Produktami tej reakcji są: związek organiczny i tlen. Chemosynteza odgrywa ważną rolę, gdy chodzi o utlenianie substancji trudno przyswajalnych przez rośliny np. H2, czy nawet trujących jak np. H2S.
Przykładem reakcji katabolicznej jest oddychanie (utlenienie biologiczne). Oddychanie wewnątrzkomórkowe to proces polegający na rozkładzie związków złożonych, np. glukozy na substancje proste, np. H2O i CO2. W wyniku tego procesu powstaje energia, która jest wykorzystywana następnie do przebiegu wielu funkcji życiowych organizmu. Proces ten jest przedstawiany za pomocą następującego równania reakcji:
Enzymy
C6H12O6 + 6O2 + 36ADP + 36 P 6CO2 + 6H2O + 36ATP
Oddychanie wewnątrzkomórkowe jest procesem wielostopniowym, katalizowanym przez enzymy. Jego celem jest wyzwolenie energii i zmagazynowanie jej w postaci ATP. Organella komórkowa, na której terenie przebiegają procesy bezpośrednio związane z oddychaniem, nosi nazwę mitochondrium.
Matrix
Grzebień mitochondrialny
Błona wewnętrzna
Błona zewnętrzna
Rys. 4. Budowa mitochondrium.
Oddychanie odbywa się w trzech etapach. Pierwszym z nich jest glikoliza. Nie przebiega ona w mitochhondriach, a w cytoplazmie komórki. Jest to proces przemiany glukozy w kwas pirogronowy. U form beztlenowych kwas pirogronowy przekształca się w alkohol lub kwas oraz energię. U form tlenowych kwas pirogronowy bierze udział w dalszych etapach oddychania.
Glukoza
Fruktoza - 1,6 dwu P
Aldehyd 3 P
Kwas 3 P glicerynowy
Kwas pirogronowy
Rys. 5. Schemat glikolizy.
Kolejnym etapem cyklu jest cykl Krebsa zwany też cyklem cytrynianowym. Zachodzi on wewnątrz mitochondriów (matrix). Następuje w nim włączenie czynnego octanu w cykl reakcji, w czasie których następuje dwukrotna dekarboksylacja z wydzieleniem dwóch cząsteczek CO2 i czterokrotna dehydrogenacja z wydzieleniem trzech cząsteczek NAD-H2 i jednej FAD-H2. Substancje te powstają w wyniku kolejnych przemian, jakim podlegają ogniwa cyklu złożonego z kwasów organicznych o 6,5 i 4 atomach węgla.
Glikoliza
Acetylo CoA (czynny octan)
Kwas szczawiooctowy Kwas cytrynowy
Kwas jabłkowy Kwas ketoglutanowy
Kwas bursztynowy
Rys. 6. Schemat cyklu Krebsa.
Ostatnim etapem jest łańcuch oddechowy, przebiega on na wewnętrznych błonach mitochondrium. Łańcuch ten składa się z szeregu przenośników. Na łańcuch ten zostają przeniesione produkty cyklu Krebsa, czyli cząsteczki H2 połączone z przenośnikami NAD i FAD. Cząsteczki H2 zostają przekazane na pierwszy przenośnik, czyli NAD. Proces ten związany jest z uwolnieniem energii, która jest magazynowana w postaci ATP. Dalsza wędrówka H2 do przenośnika FAD przebiega podobnie i daje kolejną dawkę ATP. Przejście między FAD, a chinonem wymaga zmiany substancji przenoszonej, ponieważ chinon może transportować tylko elektrony, które przenosi z kolei na cytochrom. Również te przemiany przebiegają z wydzieleniem energii. W końcu cyklu H2 zostaje przeniesiony na O2 – powstaje tzw. woda metaboliczna. Celem łańcucha oddechowego jest uwolnienie energii. Proces ten zachodzi stopniowo, ponieważ komórka chroni w ten sposób struktury białkowe przed denaturacją. Ponadto obecność O2 zabezpiecza komórkę przed wolnymi H2 (w postaci cząsteczkowej lub jonowej).
NAD-H2 NAD + H2 + E
FAD-H2 FAD + H2 + E
2H
NAD
FAD 0,5 O2
ADP + Pi ATP CHINON
CYTOCHROM H2O
ATP
Rys. 7. Schemat łańcucha oddechowego.
W oddychaniu beztlenowym (fermentacji) H2 jest przyłączony do związku organicznego, którym jest zazwyczaj kwas pirogronowy. Pirogronian nie wchodzi jednak w cykl Krbsa, ale ulega dekarboksylacji (odłączeniu CO2) i redukcji do alkoholu. Rola metabolizmu jest więc ogromna. Przemiana materii i energii podczas niego zachodząca i przebiegająca nieustannie w każdej żywej komórce jest podstawą wszystkich czynności organizmu i niezbędnym warunkiem jego istnienia.
nataly1989