MATERIAŁY Z KURSU KWALIFIKACYJNEGO

Transkrypt

1 Wszystkie materiały tworzone i przekazywane przez Wykładowców NPDN PROTOTO są chronione prawem autorskim i przeznaczone wyłącznie do użytku prywatnego. MATERIAŁY Z KURSU KWALIFIKACYJNEGO

2 PROCESY BIOLOGICZNE ANABOLIZM KATABOLIZM B. Hucaluk - Pacek

3 METABOLIZM (przemiana materii i energii) całość procesów biochemicznych zachodzących w komórce, którym towarzyszą przemiany energetyczne. Metabolizmem nazywamy ogół przemian biochemicznych zachodzących w elementarnej części materii żywej, jaką jest komórka, warunkujących wymianę energii i materii między nią a otoczeniem. Dzięki przemianom metabolicznym możliwe jest wykazywanie podstawowych czynności życiowych przez organizmy: wrażliwość na bodźce i pobudliwość roślin i zwierząt, odżywianie, oddychanie, wydalanie, wzrost, ruch czy rozmnażanie. Ze względu na zachodzące w metabolizmie przemiany energetyczne można podzielić przemiany chemiczne na endoergiczne i egzoergiczne. Warunkiem zajścia reakcji endoergicznych jest dostarczenie odpowiedniej ilości energii do układu. W przypadku reakcji egzoergicznych mamy do czynienia z wydzieleniem porcji energii.

4 W PROCESACH ANABOLITYCZNTCH I KATABOLITYCZNYCH NASTĘPUJE ZMIANA POZIOMU ENERGETYCZNEGO SUBSTRATÓW I PRODUKTÓW.

5 ANABOLIZM to wszystkie reakcje syntez związków bardziej złożonych z prostszych, wymagające dostarczenia energii. Energia dostarczana do przemian umożliwia zmianę poziomu energetycznego związków w czasie procesu chemicznego. Powstający produkt reakcji zawiera więcej energii od substratów. Dostarczona energia zostaje związana w postaci wiązań chemicznych. Do tej grupy przemian zaliczamy reakcje biosyntezy białek, lipidów, kwasów tłuszczowych i innych złożonych związków organicznych. U roślin zawierających barwniki oraz bakterii purpurowych i zielonych zachodzi wiązanie CO2 i wbudowanie go w związki organiczne zachodzące w procesie fotosyntezy. W produktach reakcji zachodzących podczas fotosyntezy następuje nagromadzenie dużej ilości energii. Np.: fotosynteza, synteza lipidów.

6 Przykłady procesów anabolicznych: Synteza tłuszczów - powstanie tłuszczów jest bardzo ściśle związane z oddychaniem, ponieważ niektóre metabolity tego procesu są produktami do syntezy tłuszczów tzn. kwasów tłuszczowych i glicerolu, Synteza kwasów tłuszczowych - kwasy te tworzą się przez stopniowe przyłączanie reszty dwuwęglanowej, Powstanie glicerolu Glukoneogeneza - proces syntezy glukozy z prekursorów, które nie są węglowodanami, proces tez zachodzi w wątrobie, Glikogeneza - proces syntezy glikogenu z glukozy, Biosynteza białek (można samodzielnie przygotować na podobnej zasadzie w ramach pracy kontrolnej) Fotosynteza, chemosynteza w czasie, której u roślin zostaje związany dwutlenek węgla, Biosynteza DNA (replikacja), Biosynteza RNA (transkrypcja), Synteza produktów przemiany azotowej, Wiązanie azotu atmosferycznego (można samodzielnie przygotować na podobnej zasadzie w ramach pracy kontrolnej)

7 KATABOLIZM to zespół procesów chemicznych, w czasie których następuje obniżanie poziomu energetycznego substratów na skutek ich rozkładu na związki prostsze z wydzieleniem energii. Uwolniona energia wyzwala się podczas rozrywania wiązań zawartych w wysokoenergetycznych substratach. Podstawowym procesem katabolitycznym jest oddychanie (utlenianie biologiczne). W procesie tym energia zawarta w węglowodanach lub innych związkach organicznych uwalnia się, a powstające drobnocząsteczkowe produkty, np.: CO2, H2O, są znów na niskim poziomie energetycznym. Np.: oddychanie, hydroliza makrocząsteczek.

8 Przykłady procesów katabolicznych: Hydroliza tłuszczów - prowadzi do ich rozpadu na glicerol i wolne kwasy tłuszczowe, Glikoliza - katabolizm cząsteczki, który zachodzi w cytoplazmie i polega na przekształceniu glukozy w kwas pirogronowy z jednoczesną syntezą ATP, Katabolizm białek - zachodzi pod wpływem enzymów proteolitycznych, Fermentacja, Cykl Krebsa (cykl kwasu cytrynowego), Łańcuch oddechowy, Fotooddychanie charakterystyczne dla organizmów roślinnych.

9

10 Mechanizmy kontrolujące przebieg przemiany materii: Temperatura, której wzrost powoduje przyśpieszenie reakcji chemicznych zaś jej obniżenie powoduje zwolnienie reakcji. Ilość substratów. Ilość produktów reakcji. Katalizatory, czyli substancje przyspieszające reakcje. Enzymy, które w procesach biologicznych pełnią funkcję katalizatorów. Są to specyficzne substancje białkowe wytwarzane w komórkach. Koenzymy, którymi są witaminy. Jony metali takich jak wapń, magnez, sód, potas wpływają na aktywność enzymów. Za pośrednictwem składu jonowego środowiska przebieg procesów metabolicznych może Buś kontrolowany przez impulsy nerwowe. Hormony.

11 Podstawowe kierunki metabolizmu Szlaki anaboliczne i kataboliczne są ze sobą ściśle powiązane, gdyż reakcje syntezy (anaboliczne) zachodzą przy niezbędnym nakładzie energii z zewnątrz, która wykorzystywana jest z energii uwalniananej w reakcjach katabolicznych. Dlatego też reakcje syntezy i rozkładu przeprowadzane są jednocześnie, choć w różnych strefach komórki. W związku z tym, że reakcje mają miejsce w odmiennych częściach komórki, energia uwalniana w procesach katabolicznych musi być w jakiś sposób przetransportowana do miejsca procesów syntezy. Dzieje się to za pośrednictwem związków wysokoenergetycznych. Największą rolę odgrywa tutaj adenozynotrójfosforan (w skrócie ATP), będący powszechnie występującym akumulatorem i przenośnikiem energii w komórce. ATP powstaje głównie w mitochondriach, a w komórkach roślinnych dodatkowo miejscem jego powstawania są chloroplasty. Synteza ATP polega na dołączeniu do adenozynodifosforanu (AMP) reszty fosforanowej P w procesie fosforylacji. Kolejnym niezbędnym elementem biorącym udział w reakcjach biochemicznych są enzymy. Pod względem chemicznych są to białka, spełniające katalityczne funkcje w organiźmie żywym, inaczej nazywa je się biokatalizatorami. Funkcją enzymów jest regulacja szybkości przeprowadzanych reakcji chemicznych. Biorą udział między innymi w ważnych przemianach anabolicznych takich jak: synteza białek, cukrów i tłuszczów.

12 Enzymy odznaczają się następującymi cechami: obniżając energię aktywacji,czyli najniższego poziomu energetycznego substratu, niezbędnego do zainicjowania reakcji, zmniejszają ilość energii dostarczanej do reakcji endoergicznych w stosunku do reakcji zachodzących bez udziału enzymów enzymy wykazują specyficzność względem odpowiedniego substratu nie wpływają na równowagę reakcji są bardzo aktywne katabolicznie kilkakrotnie przyspieszając reakcje zapewniają prawidłową kierunkowość reakcji, a przez co i większą skuteczność nie ulegają zmianie po przeprowadzeniu reakcji, dzięki czemu mogą wielokrotnie oddziaływać na substraty

13

14 fotosynteza /oddychanie (utlenianie biologiczne)

15 A, B - związki niskoenergetyczne C - związek wysokoenergetyczny A + B + Energia C proces fotosyntezy 6H2O + 6CO2 + energia świetlna ----> C6H12O6 + 6O2 C A + B + Energia oddychanie komórkowe C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energia

16 FOTOSYNTEZA Przykładem reakcji anabolicznych jest fotosynteza, podczas której z prostych związków takich jak CO2 i H2O przy udziale energii świetlnej rośliny syntetyzują związki organiczne bardziej zredukowane, a więc bardziej energetyczne. Głównym jednak produktem fotosyntezy są cukry. Proces fotosyntezy zachodzi w chloroplastach i składa się z dwóch głównych etapów: zachodzącej w granach fazy jasnej oraz fazy ciemnej, która ma miejsce w stromie chloroplastu.

17

18

19 FAZA JASNA W pierwszej fazie fotosyntezy, fazie jasnej, niezbędna jest do przebiegu energia świetlna, stad też jej nazwa. W fazie jasnej dochodzi do wytworzenia tzw. siły asymilacyjnej, która jest niczym innym jak przekształconą energią świetlną. Przebieg fazy jasnej jest następujący: światło padając na fotosystem I powoduje przeniesienie elektonu na wyższy poziom energetyczny, który następnie skierowany zostaje na szereg przenośników elektronów. Na początku przechodzi przez ferrodoksynę, a następnie na ulegający redukcji NADP+. Wybite z fotosystemu I elektony pozostawiają tzw. luki elektronowe, których niezapełnienie powoduje utratę zdolności dostarczania elektronów przez chlorofil. Tak więc elektrony pochodzące z innego przenośnika w krótkim czasie wypełniają lukę elektronową. Aktywacja drugiego fotosystemu zwanego P680 również powoduje przejście elektronu na wyższy poziom energetyczny i jego przekazanie na szereg przenośników elektronowych, którymi są kolejno : plastochinon, cytochromy b i f, plastocyjanina. W ten sposób elektron skierowany jest na fotosystem I (P700) czyniąc go gotowym do następnego cyklu wzbudzenia. Przepływowi elektronów przez plastochinon towarzyszy 'pompowanie' protonów ze stromy do wnętrza tylakoidu, co z kolei generuje proces fosforylacji fotosyntetycznej, w którym z ADP i reszty fosforanowej (P) syntetyzowana jest cząsteczka ATP. Przyjmuje się, że wtłaczane do wnętrza tylakoidu protony pochodzą z rozkładu cząsteczki wody, z której też biorą się elektrony uzupełniające lukę elektronową. Produktem powstałym w fazie jasnej jest ATP i NADPH+H+ czyli tzw. siła asymilacyjna. Dodatkowym produktem jest pochodzący z rozkładu wody tlen cząsteczkowy.

20

21 FAZA CIEMNA Kolejny etap to zachodząca w stromie chloroplastów faza ciemna, w której powstałe w fazie jasnej ATP i NADPH+H+ wykorzystywane są do przemiany cząsteczki CO2 w bardziej złożone związki organiczne, głównie cukry. Faza ciemna nazywana jest Cyklem Calvina i można ją podzielić na trzy etapy: karboksylację, redukcję i regenerację. W przebiegu cyklu na początku dochodzi do asymilacji cząsteczki CO2 przez pięciowęglowy związek rybulozo-1,5- bisfosforan (RuBP), nazywany pierwotnym akceptorem CO2. W wyniku przyłączania CO2 powstaje heksoza ulegająca natychmiastowej hydrolizie do kwasu 3-fosfoglicerynowego w skrócie PGA. Etap ten nazywany jest karboksylacją. Następnie w fazie redukcji jak sama nazwa wskazuję PGA ulega redukcji do aldehydu 3-fosfoglicerynowego, który uchodzi za pierwotny produkt fotosyntezy i stanowi związek wyjściowy do syntez mono- oligo- i polisacharydów,aminokwasów oraz lipidów. Jednak większość cząsteczek aldehydu służy do odtworzenia cząsteczki pierwotnego akceptora CO2 (regeneracja).

22

23 BARWNIKI FOTOSYNTETYCZNE I ICH ZNACZENIE- Barwniki fotosyntetyczne zalicza się to trzech podstawowych grup: Chlorofile - pochłaniają one promienie niebieskie oraz czerwone; barwniki te rozpuszczają się w rozpuszczalnikach typu organicznego; u roślin wyższych występują dwa rodzaje tego barwnika- forma a i b; chlorofil a jest to niebiesko-zielony barwnik, który występuje u wszystkich fotoautotrofów ( za wyjątkiem bakterii); chlorofil b to barwnik zielono-żółty, spotykany u roślin wyższych oraz u glonów; zawartość chlorofilu b w liściach jest około trzy razy mniejsza niż chlorofilu a; rośliny cieniolubne zawierają generalnie więcej barwników, niż rośliny światłolubne; Karotenoidy - pochłaniają promienie niebieskie i zielone; tak jak chlorofile występują u wszystkich roślin; są to barwniki żółte bądź pomarańczowe, które spotyka się u fotoautotrofów w stężeniu kilka razy mniejszym niż chlorofile; karotenoidy nie rozpuszczają się w wodzie; rozpadają się pod wpływem światła i tlenu; Fikobiliny - są to barwniki towarzyszące, które występują u sinic i krasnorostów; ich główna rola polega na wychwytywaniu energii świetlnej w obszarze nm; zaabsorbowana w ten sposób energia przekazywana jest na chlorofil;

24 Chemosynteza Inny proces anaboliczny, który przeprowadzają głównie bakterie to chemosynteza. Podobnie jak w przypadku fotosyntezy proces ten prowadzi do syntezy związków organicznych ze związków o prostszej budowie, przy czym energia pochodzi z utleniania związków nieorganicznych lub jednowęglowych związków organicznych. Produktami wyjściowymi dla chemosyntezy mogą być: amoniak, azotany (III), siarkowodór, siarka, tiosiarczany, sole żelaza (II), CO2, metan i inne jednowęglowe związki organiczne. Chemosyntezę jak wspomniano przeprowadzają bakterie, których nazwy tworzymy od wyjściowego utlenianego związku. Wyróżniamy więc: bakterie nitryfikacyjne, wodorowe, siarkowe, żelazowe. Proces chemosyntezy podobnie jak fotosynteza przebiega w dwóch etapach. Podczas pierwszego z nich dochodzi do utlenienia danego związku oraz powstania wysokoenergetycznych związków ATP i NADPH+H+, które w fazie drugiej zużywane są do syntezy związków organicznych, gdzie również produktem ubocznym jest cząsteczka tlenu. Chemosynteza odgrywa ogromną rolę w krążeniu pierwiastków, w cyklach biogeochemicznych takich pierwiastków jak: węgiel, azot czy fosfor. Ponadto neutralizuje niektóre związki o charakterze toksycznym jak H2S.

25 ODDYCHANIE (UTLENIANIE BIOLOGICZNE) Przykładem reakcji katabolicznej jest oddychanie komórkowe stanowiące proces utleniania biologicznego, w którym związki organiczne, głównie węglowodany, utleniane zostają do prostych związków nieorganicznych takich jak CO2 i H2O z uwolnieniem energii, służącej następnie do innych procesów warunkujących podtrzymanie życia. Proces oddychania wewnątrzkomórkowego jest bardzo złożony i składa się z kilku etapów, których przebieg katalizowany jest przez enzymy. Głównym założeniem oddychania jest wyzwolenie użytecznej metabolicznie energii w postaci ATP. Oddychanie komórkowe zachodzi w specjalnym organellum komórkowym, mitochondrium, które nazywane jest też centrum energetycznym komórki.

26 Oddychanie komórkowe można podzielić na trzy główne etapy: *) glikolizę, *) cykl kwasów karboksylowych czyli tzw. Cykl Krebsa, *) łańcuch transportu elektronów.

27 GLIKOLIZA monocukier + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ 2 pirogroniany + 2H20 + 2NADH + 2H+ + 2ATP Glikoliza to pierwszy etap katabolizmu cukrów oraz wspólny etap oddychania tlenowego i beztlenowego; zachodzi w cytoplaźmie bez udziału tlenu. Obejmuje procesy przekształcania glukozy w kwas pirogronowy z jednoczesną syntezą ATP. Przemiany cukru polegają na odłączaniu się atomów wodoru. Rozpoczęcie procesu wymaga nakładu energii - 2 cząsteczek ATP. Końcowym efektem przemian 1 cząsteczki glukozy jest: 2 cząsteczki kwasu pirogronowego 4 cząsteczki ATP (netto 2, bo 2 inicjują proces) odłączone atomy wodoru związane z nośnikiem (NAD, który ulega redukcji do NADH)

28 CYKL KREBSA Następnym etapem jest cykl kwasów karboksylowych zwany cyklem Crebsa, który ma miejsce w mitochondrialnym matrix. Na tym etapie dochodzi do całkowitego utlenienia pirogronianu do CO2 co prowadzi jednocześnie do wytworzenia dużej ilości zredukowanych nukleotydów (trzech cząsteczek NADPH+H+ i jednej FADH2 ), które utleniane są w cyklu Crebsa łącznie z tymi pochodzącymi z glikolizy.

29 ŁAŃCUCH ODDECHOWY Łańcuch oddechowy jest ostatnim etapem oddychania komórkowego, który zachodzi w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Podczas ostatniej fazy procesu utworzony w glikolizie i cyklu Crebsa potencjał redukcyjny w postaci zredukowanych nukleotydów zredukuje cząsteczkę tlenu z wydzieleniem znacznej ilości energii. Wysokoenergetyczna cząsteczka ATP jest syntetyzowana w miarę przepływu elektronów z NADPH+H+ lub FADH2 na cząsteczkę tlenu za pośrednictwem zespołu przenośników elektronowych czyli przez łańcuch oddechowy. Kolejne składniki łańcucha uporządkowane są w specyficzny sposób, aby każdy z nich był w stanie odebrać elektron od swego sąsiedniego przenośnika. Ostanie ogniwo łańcucha oddechowego stanowi tlen, posiadający największe spośród elementów łańcucha powinowactwo do elektronów, którego redukcja w efekcie prowadzi do powstania cząsteczki wody metabolicznej. Proces uwalniania energii w łańcuchu oddechowym jest stopniowy i zachodzi powoli, dzięki czemu komórka broni się przed uszkodzeniem struktur białkowych.

30 FERMENTACJA oddychanie beztlenowe U organizmów beztlenowych pirogronian nie jest utleniany w cyklu kwasów karboksylowych, lecz na drodze fermentacji może być redukowany do mleczanu lub najpierw ulega dekarboksylacji do aldehydu octowego, a następnie redukcji do etanolu.

31 Oddychanie beztlenowe (zamiast tlenu mogą być wykorzystane związki nieorganiczne, takie jak azotany lub siarczany. Taki metabolizm mogą przeprowadzić tylko niektóre rodzaje bakterii, które potrafią wykorzystać związki nieorganiczne, np. bakterie denitryfikacyjne pobierają związki azotu, redukując azotany(v) do azotanów(iii), a nawet wolnego azotu: C6H12O6 + 12KNO3 6CO2 + 6H2O + 12KNO2 + energia (ATP) Komórki niektórych grzybów i bakterii oraz np. mięśni szkieletowych człowieka w warunkach niedoboru tlenu przeprowadzają trzeci szlak metabolizmu, zwany fermentacją, w którym wykorzystywane są związki organiczne, np.: C6H12O6 2CO2 + 2C2H5OH + energia (ATP) (fermentacja alkoholowa) C6H12O6 2C3H6O3 + energia (ATP) (fermentacja mlekowa)

32 Energia powstała w czasie tych przemian jest konieczna do wszelkich form pracy biologicznej, którą jest np. synteza poszczególnych składników ciała, transport substancji chemicznych przez błony komórkowe, skurcze mięśni. Procesy te dostarczają także ciepła, co umożliwia utrzymanie temperatury ciała na poziomie wyższym od temperatury otoczenia (termoregulacja). Ogół tych procesów biochemicznych zachodzących w każdym żywym organizmie i odpowiedzialnych za wzrost i prawidłowe funkcjonowanie określa się mianem METABOLIZMU. Wszystkie przemiany metaboliczne wymagają: Odżywiania - pobierania ze środowiska zewnętrznego materiałów energetycznych i budulcowych, Oddychania - odprowadzenia ze środowiska zewnętrznego tlenu potrzebnego do prawidłowego przebiegu procesów utleniania wewnątrzkomórkowego a także usuwania nadmiernej ilości dwutlenku węgla ze środowiska wewnętrznego, (samodzielnie przygotować na podobnej zasadzie) Krążenia materiałów energetycznych, budulcowych, tlenu i dwutlenku węgla, produktów przemiany materii między komórkami i narządami, (samodzielnie przygotować na podobnej zasadzie) Wydalania ze środowiska wewnętrznego produktów przemiany materii.

33 Jak wynika z powyższych rozważań metabolizm odgrywa kluczową rolę. Dzięki ciągle zachodzącym procesom metabolicznym możliwe jest utrzymanie komórki/organizmu przy życiu.

34 Podsumowanie

35

36

37 Literatura: Lubert Stryer Biochemia, przekład zbiorowy pod redakcją Jacka Augustyniaka i Jana Michejdy z czwartego wydania amerykańskiego; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2003; Ewa Pyłka-Gutowska Biologia. Vademecum Maturzysty ; Wydawnictwo Oświata ; Warszawa 2002; Henryk Wiśniewski Biologia dla klas III liceum ogólnokształcącego o profilu podstawowym i biologiczno-chemicznym, AGMEN; Warszawa E. P. Salomon, C. A. Ville i inni Biologia ; MULTICO Oficyna Wydawnicza; Warszawa P. Hoser Anatomia i fizjologia człowieka ; WSiP; warszawa 1995 A. Rajski Zoologia Tom 1 i 2; PWN; Warszawa 1994