Biologia Komórki/Metabolizm

METABOLIZM Istnienie żywych organizmów jest uzależnione od energii potrzebnej do aktywności komórki w tym syntezy i transportu energii. Energia, która została zużyta przez organizm do wykonania pracy biologicznej nie może być wykorzystana ponownie. Dlatego życie zależy od nieustannego dopływu energii. W każdym organizmie energia jest wychwytywana, czasowo przechowywana, a następnie wykorzystywana do wykonania pracy biologicznej.

Metabolizm komórki to zespół procesów, którym podlegają składniki odżywcze. Istotą procesów metabolicznych jest przemiana substancji o określonych właściwościach w inną substancję o nowych właściwościach. Procesy te pozwalają komórce na wzrost i rozmnażanie, zarządzanie swoją strukturą wewnętrzną oraz odpowiadanie na bodźce zewnętrzne.

Wyróżniamy dwa kierunki przemian:

• katabolizm — reakcje egzoenergetyczne; rozkład związków chemicznych w celu wytworzenia energii,
• anabolizm — reakcje endoenergetyczne; wykorzystywanie dostarczonej energii przy tworzeniu złożonych związków organicznych (takich jak glukoza, lipidy czy białka) oraz wypełnianie funkcji komórkowych.

Katabolizm

Uproszczony schemat katabolizmu białek, węglowodanów oraz tłuszczów

To reakcja egzoenergetyczna, w której następuje uwolnienie energii oraz rozkład lub utlenianie złożonych związków organicznych do związków prostszych; substraty posiadają wyższy poziom energii, zaś produkty niższy. W przypadku zwierząt katabolizm prowadzi do utworzenia prostych związków takich jak dwutlenek węgla czy woda. Początkowo duże cząsteczki substancji organicznych (białka, polisacharydy czy lipidy) są trawione w układzie pokarmowym do mniejszych cząsteczek, a następnie są one transportowane do komórek i rozkładane do jeszcze prostszych związków z uwalnianiem energii. Powstające małe cząsteczki chemiczne mogą być wykorzystane w komórce lub wydalane z niej.

Głównymi grupami enzymów trawiennych są:

• proteazy — rozkładają białka na aminokwasy; dokonują hydrolizy wiązań peptydowych,
• glukozydazy — depolimeryzują polisacharydy; m.in. amylaza, maltaza
• lipazy — rozkładają lipidy do kwasów tłuszczowych; katalizują rozkład estrów, utworzonych przez kwasy o krótkim i długim łańcuchu, nasycone i nienasycone, oraz alkohole mające łańcuch krótki lub długi, jedno- lub wielowodorotlenowe.

Oddychanie

ODDYCHANIE TLENOWE (aerobowe)

Najczęściej ogólną reakcję oddychania komórkowego zapisuje się dla utleniania cukru w obecności tlenu; tutaj źródłem energii swobodnej dla komórek jest glukoza; energia uwolniona w procesie utleniania pojawia się częściowo w postaci związku wysokoenergetycznego — ATP, który może być wykorzystany do przeprowadzania reakcji chemicznych zachodzących w komórce lub do poruszania organizmu; należy pamiętać, że proces produkcji ATP nie przebiega ze stu procentową sprawnością i część energii uwalniana jest w postaci ciepła.
Oddychanie tlenowe jest procesem oksydacyjno-redukcyjnym — glukoza jest utleniana a tlen ulega redukcji. W procesie tym energia potencjalna elektronów — z atomów wodoru — jest wykorzystywana do syntezy ATP.

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + energia (ATP)

Koenzym A

Acetylo-CoA

Wyróżniamy cztery etapy utleniania glukozy:

1. Glikoliza — zachodzi w cytozolu; na tym etapie sześciowęglowa cząsteczka glukozy jest przekształcana w dwie trójwęglowe cząsteczki pirogronianu; zostają też utworzone ATP i NADH; każda reakcja w procesie glikolizy jest katalizowana przez specyficzny enzym; reakcja ta może odbywać się w warunkach zarówno tlenowych jak i beztlenowych.
2. Tworzenie acetylo-CoA — otrzymany pirogronian jest utleniany do dwuwęglowej cząsteczki octanu, który łączy się z koenzymem A tworząc acetylo-CoA; zostaje uwolniony dwutlenek węgla oraz NADH.
3. Cykl kwasu cytrynowego — octan z acetylo-CoA łączy się z czterowęglową cząsteczką szczawiooctanu tworząc sześciowęglową cząsteczkę cytrynianu; z cytrynianu odtwarzany jest szczawiooctan w wyniku czego tworza się: dwutlenek węgla, ATP oraz NADH i FADH₂.
4. System transportu elektronów i chemiosmoza — atomy wodoru uwolnione z glukozy są przenoszone na łańcuch akceptorów elektronów; wraz z transportem elektronów z jednego akceptora na drugi, protony są przepompowywane przez błonę (białowo-lipidową) wewnętrzna mitochondrium — tworząc gradient stężenia protonów. W procesie chemiosmozy gradient stężenia protonów stanowi źródło energii dla tworzenia ATP.

Poza węglowodanami organizmy w procesie oddychania mogą utleniać tłuszcze oraz białka, a także pozostałe związki organiczne. Katabolizm tłuszczów odbywa się poprzez proces hydrolizy, podczas którego uwalniane są kwasy tłuszczowe i glicerol. Utlenianie grama kwasów tłuszczowych wyzwala więcej energii niż utlenianie tej samej ilości glukozy (węglowodany zawierają w swych strukturach więcej tlenu).

ODDYCHANIE BEZTLENOWE (anaerobowe)

Fermentacje: mlekowa (strzałki brązowe), alkoholowa (strzałki szare) i masłowa (strzałki zielone), 1 — dehydrogenaza mleczanowa, 2 — dekarboksylaza pirogronianowa, 3 — dehydrogenaza alkoholowa, 4 — oksydoreduktaza pirogronian-ferredoksyna, 5 — tiolaza, 6 — dehydrogenaza hydroksybutyrylo-CoA , 7 — krotonaza, 8 — dehydrogenaza butyrylo-CoA

Tutaj zamiast tlenu wykorzystane są inne związki nieorganiczne; przeprowadzają je tylko niektóre rodzaje bakterii (jest wystarczające tylko dla małych, wolno metabolizujących organizmów); organizmy te wykształciły mechanizmy pozwalające przeprowadzać szereg reakcji podobnych do oddychania tlenowego stosując jako ostateczny akceptor elektronów utlenione związki chemiczne; równoważniki redukcyjne transportowane w łańcuchu transportu elektronów mogą być przenoszone między innymi na azotany (NO₃^–), siarczany (SO₄^–), dwutlenek węgla (CO₂), jony żelaza (Fe³⁺) czy manganu (Mn⁴⁺); przykłady:

• oddychanie azotanowe:

NO₃^– + 2H⁺ + 2e^- → NO₂^– + H₂O

• oddychanie żelazowe:

CH₃COO^– + 8Fe³⁺ + 4H₂O → 2HCO₃^– + 8Fe²⁺ + 9H⁺

FERMENTACJA

Traktowana jako oddzielna grupa procesów metabolicznych w których wykorzystywane są związki organiczne; przeprowadzana jest przez liczne drobnoustroje, komórki niektórych grzybów i bakterii lub wytworzone przez nie enzymy; odbywa się także w mięśniach szkieletowych człowieka w warunkach niedoboru tlenu; energia uzyskiwana w procesach fermentacji pochodzi w większości przypadków z fosforylacji substratowej; przykłady:

• Fermentacja alkoholowa — proces rozkładu węglowodanów pod wpływem enzymów wytwarzanych przez drożdże z wytworzeniem alkoholu etylowego i dwutlenku węgla.
  

  C₆H₁₂O₆ → 2CO₂ + 2C₂H₅OH + energia (ATP)

• Fermentacja mlekowa — fermentacja węglowodanów do kwasu mlekowego.
  

  C₆H₁₂O₆ → 2C₃H₆O₃ + energia (ATP)
  

  Obie fermentacje prowadzą do powstania dwóch cząsteczek ATP przy utlenieniu jednej cząsteczki glukozy. Jest to zdecydowanie mniejsza ilość niż powstaje przy pełnym utlenieniu glukozy do CO2 i H2O (około 30 cząsteczek ATP), jednak umożliwia przeżycie organizmom w warunkach niedoboru tlenu.
• Fermentacja masłowa — wywoływana przez bakterie masłowe.
  

  C₆H₁₂O₆ + bakterie masłowe → CH₃CH₂CH₂COOH + 2CO₂ + 2H₂ + ok. 15 kcal/mol (63 kJ/mol)

Przemiana energii

Uporządkowanie struktur komórkowych i cząsteczek związków organicznych jest możliwe tylko dzięki stałemu dostarczaniu do komórki energii.

Fosforylacja oksydacyjna

Kluczowym elementem wytwarzania energii przydatnej dla komórki jest fosforylacja oksydacyjna, zachodząca w mitochondriach. Jest to szlak metaboliczny, w którego wyniku energia uwalniana podczas utleniania zredukowanych nukleotydów przekształcana jest w energię ATP; przepływ dwóch elektronów z każdej cząsteczki NADH na tlen powoduje powstanie trzech cząsteczek ATP; fosforylacja oksydacyjna ma bardzo wysoką efektywność (energia nie jest tracona, ponieważ wysokoenergetyczne elektrony nie mogą przepływać przez łańcuch, jeśli nie towarzyszy temu synteza ATP). Fosforylacja oksydacyjna odbywa się:

• u eukariotów — za pośrednictwem grupy białek występujących w błonie mitochondriów,
• u prokariotów — za pośrednictwem grupy białek w błonie wewnętrznej komórki.

Białka te używają energii wytworzonej podczas przemieszczania elektronów z cząsteczek zredukowanych (na przykład NADH) na cząsteczkę tlenu, aby przenosić protony poprzez wewnętrzną błonę komórkową. Przeniesienie protonów z macierzy mitochondrialnej do przestrzeni międzybłonowej wytwarza różnicę stężeń i potencjałów pomiędzy obiema stronami błony i generuje potencjał elektrochemiczny. Protony mogą powracać do macierzy mitochondrialnej poprzez kanał jonowy enzymu zwanego syntazą ATP. Przepływ ładunków dodatnich wywołuje rotację osi enzymu, dzięki czemu centrum aktywne syntazy zmienia kształt i fosforyluje ADP do ATP. Należy zwrócić uwagę na fakt, że mimo iż fosforylacja oksydacyjna jest ważnym procesem metabolicznym, to jednak jej zachodzenie prowadzi do powstawania reaktywnych form tlenu, (np. nadtlenku wodoru) oraz wolnych rodników. Są bardzo szkodliwe dla komórek, ponieważ powodują utlenianie białek, lipidów i wywołują mutacje w DNA (uszkodzenia komórek prowadzą do chorób i są jedną z przyczyn starzenia się).

Energia ze związków nieorganicznych

Energia może być także pozyskiwana z utleniania związków nieorganicznych. Różne gatunki mogą używać jako źródła potencjału redukcyjnego:

• wodoru,
• zredukowanych związków siarki (jonów S2-, siarkowodoru i tiosiarczanów S₂O₃^2-),
• jonów żelaza (II) Fe²⁺,
• amoniaku,

oraz czerpać energię z utleniania tych związków kosztem akceptorów takich jak tlen czy azotany (III) .

Wiązanie energii słonecznej: fotosynteza

Chloroplast z komórki Anemone sp.

Schemat chloroplastu: 1 — zewnętrzna błona 2 — przestrzeń międzybłonowa 3 — wewnętrzna błona (1+2+3: otoczka) 4 — stroma (roztwór koloidalny) 5 — wnętrze tylakoidu (lumen) 6 — błony tylakoidów 7 — granum (stos tylakoidów) 8 — tylakoidy (lamella) 9 — skrobia 10 — rybosomy 11 — chloroplastowe DNA 12 — plastoglobule (krople lipidów)

Rośliny, glony i niektóre bakterie mają zdolność wiązania i przekształcania energii słonecznej w energię chemiczną magazynowana w procesie fotosyntezy. Tutaj transfer elektronów nie jest efektem utleniania związków organicznych, lecz zachodzi dzięki pochłanianiu kwantów energii światła. Jej produktami są węglowodany powstałe z prostych związków wody i dwutlenku węgla; w tym procesie wydziela się tlen.

W komórkach eukariotycznych proces fotosyntezy zachodzi w wyspecjalizowanych organellach — chloroplastach, zawierających barwniki fotosyntetyczne. Są to otoczone podwójną błoną białkowo-lipidową organellum komórkowe występujące u roślin i glonów eukariotycznych (rodzaj plastydów). W chloroplastach zawarty jest chlorofil — zielony barwnik, pochłaniający światło widzialne przede wszystkim w zakresie widma niebieskiego i czerwonego (nie pochłania natomiast światła zielonego).

Fotosyntetyzujące prokarionty nie mają chloroplastów, a tylakoidy (element podobny do tego, który obecny jest w chloroplastach — patrz schemat) występują u nich często jako wpuklenia błony cytoplazmatycznej i zlokalizowane są na obrzeżach komórki prokariotycznej.

Wiązanie energii słonecznej to proces stosunkowo podobny do fosforylacji oksydacyjnej, jako że w jego toku powstaje gradient stężenia protonów, których przepływ przez syntazę ATP powoduje wytwarzanie adenozynotrójfosforanu.

Fotosynteza przebiega dwuetapowo. W fazie jasnej powstają NADPH, ATP oraz tlen. W cyklu Calvina CO2 jest redukowany z wytworzeniem prostych cukrów.

U eukariontów fotosynteza zachodzi w dwóch etapach:

• Faza jasna (faza przemiany energii) — światło jest absorbowane a jego energia jest zamieniana na energię wiązań chemicznych; jako produkt uboczny wydzielany jest tlen. Uproszczony zapis reakcji (nie przedstawia ono jednak ściśle proporcji NADPH do ATP):

2 H₂O + 2 NADP⁺ + 3 ADP + 3 Pi → 2 NADPH + 2 H⁺ + 3 ATP + O₂.

• Faza ciemna (faza przemiany substancji, cykl Calvina-Bensona) — zachodzi w stromie chloroplastów; energia zgromadzona w ATP i NADPH+H+ wykorzystywana jest do przekształcenia dwutlenku węgla do prostych związków organicznych; uproszczony zapis reakcji:

3 CO₂ + 9 ATP + 6 NADPH + 6 H⁺ → C₃H₆O₃ + 9 ADP + 8 Pi + 6 NADP⁺ + 3 H₂O.

Podsumowując: w procesie fotosyntezy chlorofil pochłania energię świetlną i wykorzystuje ją do syntezy wysokoenergetycznych związków takich jak: ATP i NADPH. Energia uwięziona w tych związkach zostaje wprzęgnięta w reakcje, które prowadzą do powstania węglowodanów. W procesie tym głównymi surowcami są woda i dwutlenek węgla. Dzięki energii słonecznej, woda zostaje rozłożona, przy czym uwalnia się tlen, a wodór łączy się z dwutlenkiem węgla, wskutek czego tworzą się cząsteczki węglowodanów. Sumaryczny przebieg fotosyntezy z glukozą jako syntezowanym węglowodanem jest następujący:

6H₂O + 6CO₂ + [math]h[/math] [math]\nu [/math] (energia świetlna) → C₆H₁₂O₆ + 6O₂; ΔE -2872 kJ/mol (-687 kcal/mol)

Anabolizm

Przeciwieństwo katabolizmu. To reakcje syntez związków bardziej złożonych z prostszych, wymagające dostarczenia energii. Procesy te prowadzą do tworzenia i wzrostu organów i tkanek. Zazwyczaj procesy anaboliczne nie są zwykłym odwróceniem procsów katabolicznych, w których rozkładana jest cząsteczka. Obejmuja one jeden lub więcej odrębnych etapów, które różnią się od jakiegokolwiek etapu katabolizmu. W procesach anabolicznych wykorzystywane SA stosunkowo nieliczne surowce m.in. acetylo-CoA, glicyna, sukcynylo-CoA, ryboza, pirogronian, i glicerol.

Wyróżnia się trzy podstawowe etapy anabolizmu:

• Produkcja aminokwasów, monosacharydów, izoprenoidów i nukleotydów, czyli podstawowych elementów biomolekuł.
• Aktywowanie tych cząsteczek do form reaktywnych energią pochodzącą z ATP.
• Łączenie wytworzonych cząsteczek w cząsteczki złożone — białka, polisacharydy, lipidy i kwasy nukleinowe.

Podział ze względu na typ źródła energii:

• fotoautotrofy i fotoheterotrofy — pozyskują energię ze światła słonecznego,
• chemoautotrofy i chemoheterotrofy — pozyskują energię z reakcji utleniania związków nieorganicznych.

Wiązanie węgla

Patrz fotosynteza.

Węglowodany i glikany

• Glukogeneza — synteza glukozy ze związków takich jak kwas pirogronowy, kwas mlekowy, glicerol, aldehyd 3-fosfoglicerynowy i aminokwasy; w anabolizmie węglowodanów proste kwasy organiczne mogą być przekształcane w monosacharydy (np. glukozę), a następnie łączone w polisacharydy (np. skrobię).
• Polisacharydy i glikany powstają w wyniku sekwencyjnego dołączania monosacharydów przez enzym — glikozylotransferazę — od reaktywnego donora do akceptora grup hydroksylowych na powstającym polisacharydzie; wyprodukowane polisacharydy mogą samodzielnie pełnić funkcje metaboliczne; mogą też być przekształcone do lipidów lub białek przez enzymy nazywane oligosacharyltransferazami.

Kwasy tłuszczowe, izoprenoidy i steroidy

• Kwasy tłuszczowe — powstają dzięki:
  • syntazie kwasów tłuszczowych,
  • enzymowi polimeryzującemu,
  • redukującemu jednostki acetylo-CoA.
  Ich łańcuchy acylowe są przedłużane w toku reakcji dołączania grup acylowych, redukowania ich do alkoholu, dehydratacji do grupy alkenowej i ponownej redukcji do alkanu.
• Terpeny i izoprenoidy — powstają w procesie łączenia i modyfikowania jednostek izoprenowych dostarczanych przez pirofosforan izopentylu i pirofosforan dimetylallilu.
• steroidy — jedną z ważniejszych reakcji jakim ulegają donory izoprenu jest reakcja biosyntezy steroidów; jednostki izoprenowe łączą się tworząc skwalen, a następnie są przekształcane w grupę pierścieni lanosterolu; ten może następnie być przekształcony w inne steroidy (np. cholesterol czy ergosterol).

Białka

Białka — biopolimery zbudowane z reszt aminokwasów połączonych ze sobą wiązaniami peptydowymi -CONH- . Każde białko posiada unikalną sekwencję aminokwasów. Tak jak litery alfabetu mogą być łączone w niemal nieskończoną ilość kombinacji zwanych słowami, aminokwasy łączą się w sekwencje tworząc ogromne zróżnicowanie białek.

Aminokwasy powstają dzięki procesom:

• glikolizy,
• cyklu kwasu cytrynowego,
• szlaku pentozofosforanowego.

Aminokwasy przechodzą w białka w procesie łączenia ich wiązaniami peptydowymi w łańcuchy; przed połączeniem muszą zostać aktywowane poprzez połączenie z cząsteczką tRNA za pomocą wiązania estrowego.

Nukleotydy

• Nukleotydy — podstawowe składniki strukturalne kwasów nukleinowych (DNA i RNA) — powstają z aminokwasów, dwutlenku węgla i kwasu mrówkowego w procesach wymagających dużej ilości energii metabolicznej:
  • puryna — podstawa dwóch zasad azotowych wchodzących w skład kwasów nukleinowych (DNA i RNA) — adeniny i guaniny — syntezowana jest tak jak nukleozydy; adenina i guanina powstają z pierwotnego nukleozydu inozyny, tworzonego z aminokwasów glicyny i glutaminy oraz kwasu asparaginowego i jonów mrówczanowych pochodzących z koenzymu tetrahydrofolianu,
  • piramidyna — syntezowana jest z kwasu orotowego, który powstaje z glutaminy i kwasu asparaginowego.