Metabolizm

Metabolizm = anabolizm + katabolizm Procesy anaboliczne – endoergiczne i redukcyjne Procesy kataboliczne – egzoergiczne i utleniające

Sposoby pozyskiwania energii przez organizmy

Uproszczony schemat głównych szlaków metabolicznych

Katabolizm u chemoheterotrofów Ogólny schemat katabolizmu

Cykl Krebsa

Katabolizm u chemoheterotrofów Faza 1 Glukoza + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+  2 pirogronian + 2 NADH + 2 ATP + 2 H+ Faza 2 i 3 2 pirogronian + 2 ADP + 2 Pi + 2 FAD + 8 NAD+ 6 CO2 + 2 ATP + 2 FADH2 + 8 NADH + 8 H+ W fazie trzeciej (łańcuch oddechowy + fosforylacja oksydacyjna) następuje redukcja tlenu cząsteczkowego w wyniku przeniesienia elektronów z NADH i FADH2, sprzężona z syntezą ATP. Sumarycznie w wyniku katabolizmu 1 cząsteczki glukozy powstają: w warunkach beztlenowych: 2 cząsteczki ATP (tylko glikoliza) w warunkach tlenowych: około 30 - 32 cząsteczki ATP

Bilans masowy utleniania glukozy przez drożdże w warunkach beztlenowych i tlenowych

Rodzaje fermentacji drobnoustrojów Szlak Produkt końcowy Przykłady Proces Homomlekowy Heteromlekowy Etanolowy Propionowy Kwasowa Butandiol Masłowa Metanowa Kwas mlekowy Kwas mlekowy, etanol, CO2 Etanol, CO2 Kwas propionowy, CO2 Etanol, kw. octowy, kw. mlekowy, kw. bursztynowy, kw. mrówkowy, wodór, CO2 Butandiol, CO2 kw. masłowy, butanol, aceton, CO2 Metan, CO2 Streptococcus, Lactobacillus Leuconostoc S. cerevisiae Propionobacterium E. coli, Salmonella Enterobacter, Serratia Clostridium Archea Produkcja serów, jogurtów Piwowarstwo, winiarstwo Sery szwajcarskie Produkcja acetonu Produkcja biogazu

Donory i akceptory elektronów w katabolizmie drobnoustrojów chemolitotroficznych Donor Akceptor Przykłady S0 O2 S2O32- O2 Thiobacillus, Sulfolobus H2S O2 H2 O2 Alcaligenes, Hydrogenobacter H2 NO3- Pyrolobus H2 CO2 Methanobacter, Methanococcus Fe(II) O2 Leptospirillum, Thiobacillus NH4+ O2 Nitrosomonas, Nitrococcus NO2- O2 Nitrobacter, Nitrococcus

Katabolizm alternatywnych źródeł węgla kwasy tłuszczowe

Katabolizm alternatywnych źródeł węgla aminokwasy

Katabolizm alternatywnych źródeł węgla węglowodory aromatyczne

Reakcje przyswajania źródeł azotu 1 – dehydrogenaza glutaminianowa 2 – syntetaza glutaminy 3 - transaminaza L-glutamina: 2-oksoglutaran

Anabolizm - biosynteza Anabolizm pierwotny i wtórny

Regulacja metabolizmu drobnoustrojów Zasady podstawowe Równowaga pomiędzy procesami wytwarzającymi i zużywającymi metabolity pośrednie 2. Energetyczne sprzężenie metabolizmu – bilansowanie zysku reakcji katabolicznych z sumą potrzeb energetycznych komórki Poziomy regulacji Regulacja ekspresji genu Regulacja aktywności istniejących enzymów

Etapy ekspresji genu

Regulacja ekspresji genu przez białka regulatorowe

Główne mechanizmy regulacji transkrypcji genów kodujących enzymy metabolizmu podstawowego Katabolizm: indukcja substratowa Substrat lub jego metabolit działa jako induktor lub efektor pozytywny aktywatora. Regulacja dotyczy szlaku katabolizmu danego substratu represja kataboliczna Łatwiej przyswajalne źródło węgla lub efektor syntezowany w komórce w jego obecności działa jako korepresor lub efektor negatywny aktywatora. Regulacja dotyczy szlaku katabolizmu trudniej przyswajalnego źródła węgla represja azotowa j.w., ale dotyczy szlaku przyswajania źródła azotu. Dotyczy także białek transportowych Anabolizm: - represja końcowym produktem szlaku końcowy produkt szlaku działa jako korepresor lub efektor negatywny aktywatora. Dotyczy szlaku biosyntezy atenuacja mechanizm specyficzny dla drobnoustrojów prokariotycznych

Regulacja ekspresji genów operonu lac

Dlaczego enzymy są tak efektywnymi katalizatorami? grupy funkcyjne w centrum aktywnym współdziałanie koenzymów kataliza kwasowo-zasadowa maksymalne zbliżenie i optymalne ustawienie substratu(ów) wzbudzone dopasowane enzymu

Oddziaływanie enzym: substrat Teoria wzbudzonego dopasowania Teoria klucza i zamka

Enzymy obniżają energię aktywacji układu

Enzym wiążąc substrat przyjmuje konformację komplementarną do stanu przejściowego

Regulacja aktywności enzymów 1. Enzymy regulatorowe – regulacja allosteryczna 2. Kowalencyjna modyfikacja enzymów 3. Kompleksy wieloenzymowe

Kontrola allosteryczna Małocząsteczkowe ligandy wiążąc się z enzymem oligomerycznym w określonym miejscu (centrum allosteryczne), powodują zmianę jego konformacji, a w efekcie – aktywności. Możliwe hamowanie lub zwiększanie aktywności. Regulacja płynna Hamowanie przez sprzężenie zwrotne

Modyfikacja kowalencyjna Fosforylacja i defosforylacja enzymów Kinazy białkowe katalizują reakcje fosforylacji specyficznych reszt Ser, Thr lub Tyr. Fosfatazy białkowe katalizują reakcje hydrolitycznego usunięcia grup fosforanowych. Reszty Ser, Thr lub Tyr modyfikowane w wyniku działania kinaz białkowych wchodzą w skład specyficznych sekwencji rozpoznawanych przez kinazę. Kinazy i fosfatazy białkowe są aktywowane lub dezaktywowane przez małocząsteczkowe ligandy. Regulacja aktywności poprzez fosforylację/defosforylację ma często charakter 0/1, tzn. jedna z form regulowanego enzymu jest aktywna, a druga nie. Znane są jednak także przypadki, w których fosforylacja jedynie zwiększa albo zmniejsza aktywność enzymu lub w których zmienia podatność enzymu na działanie efektorów allosterycznych

Fosforylacja i defosforylacja enzymów Inaktywacja centrum aktywnego dehydrogenazy izocytrynianowej w wyniku fosforylacji Ser113

Fosforylacja i defosforylacja enzymów Kinazy białkowe A są aktywowane przez cAMP Kinaza A rozpoznaje sekwencję -Arg-Arg-Gly-Ser-Ile- W podjednostce regulatorowej kinazy A występuje sekwencja przypominająca substrat -Arg-Arg-Gly-Ala-Ile- Mechanizm aktywacji kinazy białkowej A