Sem2 - Utlenianie-biologiczne PDF

Preview

Summary

Seminarium z biochemii...

Description

Utlenianie biologiczne

Mitochondria   



otoczone błoną organellum, obecne w większości komórek eukariotycznych,

mają różną wielkość, przeważnie od 2 do 8 μm, mogą też szybko zmieniać swój kształt i rozmiary,

są miejscem, w którym w wyniku procesu oddychania komórkowego powstaje większość adenozynotrifosforanu (ATP) komórki, będącego jej źródłem energii, są zaangażowane w wiele innych procesów, takich jak sygnalizacja komórkowa, specjalizacja, wzrost i śmierć komórki, czy też kontrola cyklu komórkowego,



występują u prawie wszystkich eukariontów



ich kształt i liczba zmieniają się w zależności od organizmu, typu komórki oraz jej zapotrzebowania na energię.



pojedyncza komórka zawiera od kilku sztuk do kilku tysięcy mitochondriów, przeciętnie kilkaset.



u organizmów jednokomórkowych często obecne jest tylko jedno mitochondrium, zaś w komórkach wątroby ssaków można znaleźć około 1500 mitochondriów, stanowiących do 1/5 objętości komórki.



w komórkach roślinnych, niezróżnicowanych komórkach zwierzęcych, komórkach regenerujących, limfocytach oraz w komórkach naskórka występuje po kilkaset tych organelli.



szczególnie dużo, ok. 1-2 tysięcy mitochondriów, występuje w komórkach wątrobowych, komórkach gruczołów żołądkowych, kanalików nerkowych krętych i komórkach kory nadnerczy czy komórkach tkanki mięśniowej typu sercowego.



mitochondria nie występują w końcowym okresie różnicowania się erytrocytów (u ssaków) czy komórek soczewki. Funkcja mitochondriów 

wytwarzanie ATP poprzez oddychanie komórkowe oraz regulacja metabolizmu komórki,



reakcji biochemicznych związany z produkcją ATP, u eukariontów zachodzący wyłącznie w mitochondriach, nazywany jest cyklem kwasu cytrynowego, kwasów trójkarboksylowych lub cyklem Krebsa,



Najważniejszą rolą mitochondrium jest wytwarzanie ATP, znajdujące odzwierciedlenie w ilości białek błony wewnętrznej mitochondrium, które je przeprowadzają. Zachodzi ono dzięki utlenianiu głównych produktów rozkładu glukozy – pirogronianu i NADH, wytwarzanych w cytozolu. 



Ten proces oddychania komórkowego, nazywanego także oddychaniem tlenowym, zależny jest od obecności tlenu.

Kiedy ilość tlenu dostarczanego mitochondriom jest ograniczona, produkty glikolizy przetwarzane są w ramach oddychania beztlenowego, procesu który nie zachodzi w mitochondriach. Jest to jednakże proces niekorzystny z energetycznego punktu widzenia, ponieważ podczas oddychania tlenowego uzyskiwane jest około 13 razy więcej energii niż podczas oddychania beztlenowego. Mitochondria pełnią role także w innych procesach metabolicznych, takich jak:  

regulowanie potencjału błonowego apoptoza - programowana śmierć komórki



regulacja stanu redoks komórki  



synteza hemu synteza sterydów

cykl mocznikowy – w mitochondriach wątroby.

Oddychanie komórkowe może zachodzić na dwa sposoby: 

z udziałem tlenu (oddychanie aerobowe) - wydajne



bez udziału tlenu (fermentacja, oddychanie anaerobowe) - mało wydajne.



Sumaryczna reakcja glikolizy jest następująca:



glukoza + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD+ → 2 cząsteczki



pirogronianu + 2ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O



Glikoliza (szlak Embdena-Meyerhofa-Parnasa) to ciąg reakcji biochemicznych, podczas których jedna cząsteczka glukozy zostaje przekształcona w dwie cząsteczki pirogronianu.

+ REGULACJA PROCESU GLIKOLIZY Glikoliza regulowana jest na trzech etapach obejmujących reakcje nieodwracalne, tj. w miejscu działania 

heksokinazy (lub glukokinazy)  

fosfofruktokinazy I kinazy pirogronianowej

Reakcja katalizowana przez heksokinazę nie jest właściwa tylko dla glikolizy, gdyż jest to wspólny etap dla wszystkich dróg metabolizmu węglowodanów, w których glukoza jest substratem (szlak pentozofosforanowy, synteza glikogenu). Regulacja tej reakcji polega na hamującym działaniu nadmiaru glukozo-6-fosforanu, powstającego w wyniku rozpadu glikogenu. Reakcja z użyciem fosfofruktokinaz I jest najważniejszym miejscem regulacji glikolizy, czasami reakcja przeprowadzana przez ten enzym nazywana jest reakcją ograniczającą glikolizy. Enzym hamowany jest allosterycznie przez wzrost stężenia ATP (komórka otrzymuje sygnał o wystarczającym zapasie energii), cytrynianu (związany z dostarczaniem acetylo-CoA do cytozolu - stężenie cytrynianu jest sygnałem, iż prekursory syntezy kwasów tłuszczowych są obecne w dostatecznej ilości i nie ma potrzeby ich dalszej produkcji) i jonów wodorowych (przy obniżonej wartości pH komórka broni się przed nadmiernym gromadzeniem się kwasu mlekowego z glikolizy beztlenowej). Aktywowany zaś jest w obecności AMP . Kinaza pirogronianowa kontroluje wypływ metabolitów glikolizy - regulacja indukowana przez fruktozo-1,6bifosforan (aktywujący enzym i tym samym przyśpieszająca proces glikolizy na tym etapie) oraz ATP oraz alaninę (hamujące enzym i spowalniające glikolizę).

Oddychanie beztlenowe (fermentacja)  

zachodzi w cytoplazmie

polega na utlenianiu związków organicznych (głównie glukozy) do kwasów lub 

alkoholi (czyli związków utlenionych częściowo) bez udziału tlenu

w wyniku tego procesu uwalniania jest energia, która zostaje zmagazynowana w postaci ATP 

proces ten jest przeprowadzany głównie przez organizmy, żyjące w środowisku, gdzie dostęp tlenu jest ograniczony (bakterie żyjące w glebie, mule dennym, zbiornikach wodnych czy pasożyty wewnętrzne) Pierwszy etap oddychania beztlenowego jest taki sam jak w oddychaniu tlenowym i polega na przekształceniu w czasie glikolizy 1 cząsteczki glukozy do dwóch cząsteczek pirogronianu. W warunkach beztlenowych pirogronian nie może być dalej utleniany (glikoliza zostałaby zablokowana przez brak NAD+). Enzymy znajdujące się w komórkach organizmów przeprowadzających fermentację katalizują transport wodoru z NADH (powstałego w czasie glikolizy) na pirogronian. W zależności od produktu końcowego fermentacji wyróżnić możemy: fermentację mleczanową (mlekowa) oraz fermentację alkoholową. Oddychanie beztlenowe (fermentacja)

f.mlekowa vs al Cykl Corich cykl kwasu mlekowego

Fosforylacja Fosforylacja – reakcja przyłączenia reszty fosforanowej do nukleofilowego atomu dowolnego związku chemicznego. Zazwyczaj fosforylowane są grupy hydroksylowe (estryfikacja alkoholi) lub aminowe (tworzenie amidów). Przeciwieństwem fosforylacji jest defosforylacja. W chemii do fosforylacji stosuje się aktywne pochodne kwasu fosforowego, np. chlorki i bezwodniki kwasowe (pirofosforany), azolidy lub tzw. estry aktywne.Proces przyłączenia reszty kwasu fosforowego do określonych związków chemicznych zachodzi w organizmach żywych.Jest katalizowany przez enzymy zwane kinazami, które transportują reszty kwasowe na białka, nukleozydy i nukleotydy, cukry, lipidy i inne związki.Szczególnymi przypadkami fosforylacji są reakcje powstawania wysokoenergetycznych cząsteczek ATP, które mogą zachodzić na różnych drogach (np. fosforylacja oksydacyjna, fosforylacja substratowa lub fosforylacja fotosyntetyczna). Fosforylacja oksydacyjna – szlak metaboliczny, w którego wyniku energia, uwalniana podczas utleniania zredukowanych nukleotydów, przekształcana jest w energię ATP. Organizmy żywe wykorzystują wiele różnych związków organicznych, jednak aby wytworzyć z nich energię przydatną metabolicznie, cząsteczki ATP, w większości przeprowadzają fosforylację oksydacyjną. Szlak ten jest dominujący ze względu na wysoką efektywność w porównaniu do alternatywnych sposobów syntezy ATP, czyli fermentacji. Fosforylacja oksydacyjna u eukariotów zachodzi dzięki łańcuchowi transportu elektronów w mitochondriach. NADH i bursztynian, wytworzone w cyklu kwasu cytrynowego, są utleniane wytwarzając energię niezbędną do syntezy ATP. Fosforylacja substratowa – reakcja chemiczna, która ma miejsce, gdy reszta fosforanowa zostanie przeniesiona ze związku ufosforylowanego – substratu – bezpośrednio na ADP przez enzymy, najczęściej z grupy kinaz. Ten sposób wytwarzania ATP nie wymaga udziału tlenu i zachodzi np. w glikolizie oraz cyklu Krebsa. Ten sposób wytwarzania ATP jest ewolucyjnie najstarszy, jednak liczba związków, które mogą wejść w reakcję fosforylacji substratowej jest ograniczona. Fosforylacja ta pozwala, np. mięśniom szkieletowym funkcjonować sprawnie podczas dużego wysiłku fizycznego przy niedostatecznym dopływie tlenu. Substrat wysokoenergetyczny (ufosforylowany) + ADP → produkt niskoenergetyczny + ATP Fosforylacja fotosyntetyczna, fotofosforylacja – proces zachodzący w fazie jasnej fotosyntezy w chloroplastach. Polega na wytworzeniu ATP z ADP i fosforanu nieorganicznego przy użyciu energii światła. ADP + Pi + (energia świetlna) → ATP Reakcja pomostowa Przekształcenie pirogronianu do acetylo-CoA przez kompleks dehydrogenazy pirogronianowej obecnej w mitochondriach Skład kompleksu dehydrogenazy: 1) Składnik E1 - o aktywności dehydrogenazy + grupa prostetyczna TPP 2) Składnik E2 - o aktywności acetylotransferazy dihydroliponianowej (+lipoamid) 3) Składnik E3 - o aktywności dehydrogenazy dihydroliponianowej (+FAD) Enzymy kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej: Pierwszym enzymem jest dehydrogenaza pirogronianowa (E 1). Drugim enzymem jest dehydrogenaza dihydrolipoilowa (E 3). Trzecim jest dihydrolipilotranscetylase (E 2).

Koenzymy w cyklu Krebsa 1) Ryboflawina (B2) w formie FAD (dinukleotyd flawinoadeninowy) a) dehydrogenazy bursztynianowej 2) Niacyna (PP) w formie NAD (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy) a) dehydrogenazy izocytrynianowej b) kompleksu dehydrogenazy ketoglutaranowej c) dehydrogenazy jabłczanowej 3) Tiamina (B1) jako difosfotiamina jako koenzym w procesie dekarboksylacji (dehydrogenaza ketoglutaranowa) 4) Kwas pantotenowy – jako część koenzymu A

Kompleks 2 -dehydrogenaza bursztynianowa

Kompleks III, Oksydoreduktaza koenzym Q – cytochrom C przenosi elektrony z ubichinolu na cytochrom c w dwóch etapach. Podczas utleniania dwóch cząsteczek QH2, po stronie zewnętrznej błony, powstaje dodatkowa cząsteczka QH2 po stronie wewnętrznej

Kompleks IV: Oksydoreduktaza cytochromu C...