Metabolizmus

Metabolizmus je súbor procesov biochemických premien látok a energie v živých organizmoch (synonymum je metabolizmus), ktorých cieľom je udržiavanie životne dôležitých procesov a udržiavanie stálosti ich vnútorného prostredia. [1]

Metabolické procesy

Metabolické procesy

Metabolizmus zahŕňa dve skupiny životných procesov - katabolizmus (energetický metabolizmus) a anabolizmus (biosyntéza alebo plastový metabolizmus). [3]

  • Katabolizmus je súbor procesov rozkladu živín, ktoré sa vyskytujú hlavne v dôsledku oxidačných reakcií. Výsledkom je uvoľnenie energie. Hlavnými formami katabolizmu v mikroorganizmoch sú fermentácia a dýchanie. Počas fermentácie dochádza k neúplnému rozkladu komplexných organických látok s uvoľňovaním malého množstva energie a akumuláciou konečných produktov bohatých na energiu. Pri dýchaní (aeróbne) sa zvyčajne uskutočňuje úplná oxidácia zlúčenín s uvoľňovaním veľkého množstva energie. [3]
  • Anabolizmus kombinuje syntézu molekúl z jednoduchších látok prítomných v prostredí. Anabolické reakcie sú spojené so spotrebou voľnej energie, ktorá sa vytvára v procesoch dýchania, kvasenia. Pre tok plastového metabolizmu je potrebné, aby sa do tela dostávali živiny, na základe ktorých sa s účasťou energie uvoľňovanej počas katabolizmu aktualizujú štrukturálne zložky buniek, dochádza k rastu a vývoju. [3]

Katabolizmus a anabolizmus sa vyskytujú paralelne, mnohé z ich reakcií a medziprodukty sú bežné. V priebehu rôznych období existencie sa však intenzita metabolizmu plastov a energie líši. U hmyzu v období rozmnožovania, topenia, v počiatočných fázach vývoja (vajíčko, larva) teda prevažujú syntetické procesy pred procesmi rozkladu. Súčasne určité degeneratívne zmeny v tele (starnutie, choroba) môžu viesť k prevládaniu intenzity katabolizmu nad anabolizmom, čo niekedy ohrozuje smrť živého objektu. [3] (fotografia)

Premena sulfoxidu na sulfón

Metabolizmus pesticídov

Metabolizmus pesticídov - premena pesticídov pod vplyvom odpadových produktov rôznych živých organizmov - baktérií, húb, vyšších rastlín a zvierat. [4]

V dôsledku biotransformácie toxických látok sa vo väčšine prípadov tvoria menej toxické produkty (metabolity), sú rozpustnejšie a ľahko sa vylučujú z tela. V niektorých prípadoch je toxicita metabolitov vyššia ako toxicita látok, ktoré vstupujú do tela. Výmena priemyselných jedov je možná v dôsledku reakcií oxidácie, redukcie, hydrolytického štiepenia, metylácie, acylácie atď. [1]

Pri metabolizme pesticídov je oxidácia atómu síry v molekulách určitých látok veľmi dôležitá, čo je typické napríklad pre insekticídy zo skupiny derivátov karbamových a fosforečných kyselín. Oxidácia síry týchto zlúčenín nastáva bez ohľadu na štruktúru zvyšku molekuly, s tvorbou zodpovedajúceho sulfoxidu a potom sulfónu: (foto) Oxidačné produkty sa nelíšia v toxicite od východiskového materiálu, ale sú oveľa odolnejšie voči hydrolýze..

Oxidácia tiofosfátu

A - tionofosfát, B - fosfát, 1 a 2 - voľné radikály, 3 - kyslý zvyšok

Metabolické reakcie vyskytujúce sa v rastlinách spôsobujú dlhé insekticídne účinky pre rad esterov kyseliny fosforečnej s tioéterovým zvyškom. Oxidácia tionofosfátov v rôznych organizmoch sa považuje za aktivačný krok v procesoch metabolizmu týchto látok. [2] (fotografia)

Toxicita reakčného produktu pre cicavce a hmyz sa v porovnaní s východiskovým materiálom zvyšuje desaťkrát a stokrát. Tieto toxické metabolity sa však ľahko hydrolyzujú a preto sa na krátku dobu skladujú v biologických médiách. [2]

Metabolizmus v rastlinách

Dávaj pozor! Metabolizmus je jedným z dôležitých príznakov života: so zastavením metabolizmu život rastlín prestáva.

Fotosyntéza a dýchanie v tele rastliny prechádzajú mnohými postupnými chemickými reakciami, pri ktorých sa niektoré látky transformujú na iné..

Živé organizmy neustále získavajú z prostredia potrebné látky, ktoré sa následne transformujú a premieňajú na látky tela samotného tela. K tomu dochádza počas výživy. Organizácie potrebujú energiu na vykonávanie životne dôležitých procesov. Živé organizmy prijímajú energiu dýchaním. Absorbujú kyslík, oxidujú komplexné organické zlúčeniny na jednoduchšie. Toto uvoľňuje energiu.

Rastliny sú autotrofné organizmy, ktoré dokážu syntetizovať organickú hmotu z anorganických látok počas fotosyntézy. V rastlinách sa teda dajú rozlíšiť dve živiny - pôda a vzduch. Z pôdy sa pomocou koreňov rastliny získajú minerálne látky a voda, ktoré sa používajú pri syntéze organických látok. Vo svetle vo vzduchu prebieha fotosyntéza a vytvára sa organická hmota.

Rastlina rovnako ako všetky ostatné živé organizmy dýcha. V tomto prípade sa uvoľňuje energia, ktorá prechádza do všetkých procesov životne dôležitých funkcií buniek, vrátane syntézy ďalších organických látok potrebných na to, aby rastlina vybudovala svoje telo. Takže z cukrov vytvorených počas fotosyntézy sa rastliny získavajú prostredníctvom rôznych chemických reakcií škrob, vláknina, bielkoviny, tuky a vitamíny. Rastliny prijímajú energiu tým, že rozložia množstvo organických zlúčenín na oxid uhličitý a vodu.

Fotosyntéza, minerálna výživa a dýchanie poskytujú rastline metabolizmus, čo je skupina chemických reakcií, ktoré premieňajú niektoré látky na iné.

Metabolizmus v rastlinách

Metabolizmus v prostredí je hlavnou podmienkou života organizmu. Absorpcia a uvoľňovanie látok je však iba vonkajším prejavom metabolizmu. Základom života je intracelulárna premena látok nazývaných metabolizmus..

Základom metabolizmu sú dva úzko súvisiace a vzájomne závislé procesy: asimilácia a disimimulácia. Asimilácia - asimilácia živín, syntéza špecifických (charakteristických pre daný organizmus) proteínov, nukleových kyselín, lipidov, uhľohydrátov a ďalších zlúčenín. Procesy asimilácie súvisia so spotrebou energie. Šírenie - rozdelenie látok, prichádzajúcich zvonka a tých, ktoré sú súčasťou buniek tela. Energia uvoľnená počas ich oxidácie sa používa na celý rad životných procesov. Disimilácia okrem toho dodáva všetky druhy medziproduktov potrebných na syntetické reakcie..

Rastliny podľa druhu výživy sú autotrofné organizmy. Zvláštnosťou ich metabolizmu je to, že sú schopné syntetizovať všetky organické látky potrebné pre život z minerálnych látok. Rastliny využívajú slnečnú energiu na syntézu organických zlúčenín z oxidu uhličitého a vody (pozri fotosyntézu). Ďalším jedinečným procesom, ktorý sa vyskytuje iba v rastlinách, je konverzia dusíka z minerálnej formy na organickú formu, tvorba aminokyselín, ktoré sa používajú na biosyntézu proteínov. Tieto takzvané esenciálne aminokyseliny (lyzín, valín, leucín, izoleucín, metionín atď.) Musia byť súčasťou výživy ľudí a zvierat..

Metabolizmus fosforu v rastlinách sa redukuje na vytváranie väzby medzi zvyškami kyseliny fosforečnej a molekulou jednej alebo druhej organickej látky. Dôležitosť organických zlúčenín fosforu vytvorených v tomto procese je obrovská. Sú to kyselina adenozíntrifosforečná (ATP) - energetický nosič v bunke a nukleové kyseliny (DNA, RNA), ktoré ukladajú a prenášajú dedičné informácie, a fosfolipidy - zložky biologických membrán a ďalších zlúčenín..

Pri metabolizme majú veľký význam draslík, vápnik, horčík, železo a ďalšie prvky minerálnej výživy a vitamíny. Čiastočne sú včlenené do organických zlúčenín. Ich hlavnou úlohou je regulácia.

Metabolizmus je teda množstvom koordinovaných chemických procesov. Pri ich regulácii zohrávajú dôležitú úlohu enzýmy - špecifické biokatalyzátory proteínovej povahy, ktoré zahŕňajú vitamíny a kovové ióny. Počet enzýmov a ich množín je riadený genetickým prístrojom. Bunkové membrány sú rovnako dôležité. Kontrolujú rýchlosť vstupu a výstupu látok, tvoria mikroskopické kompartmenty vo vnútri bunky, v ktorých sú umiestnené určité enzýmové systémy a dochádza k metabolizmu. Koordinácia metabolizmu v integrálnom organizme je zabezpečená aktivitou hormónov (pozri. Fytohormóny)..

Akákoľvek choroba, podvýživa vedie k metabolickým poruchám v tele, ktoré sa prejavujú zmenou charakteru transformácie látok, hromadením medziproduktov a niekedy nie sú typické pre normálny metabolizmus produktov. Cieľom liečby týchto porúch by malo byť odstránenie príčin, ktoré ich spôsobujú..

Špecifickosť metabolizmu v rastlinách

Procesy, ktoré sa vyskytujú počas klíčenia semien

Keď klíčia semená, rozlišujú sa tieto fázy:

1. Nasiakavosť - suché semená absorbujú vodu zo vzduchu alebo z akéhokoľvek substrátu, kým nenastane kritická vlhkosť. Tento ukazovateľ sa môže pohybovať od 25% v prosa do 104 v prípade strukovín a 120% v cukrovej repe.

2. Fáza opuchu. Semená dosahujú kritickú vlhkosť, aktivujú sa enzýmy triedy hydrolázy, živiny sa mobilizujú (bielkoviny sa rozkladajú na aminokyseliny, tuky na glycerol a mastné kyseliny, komplexné uhľohydráty na jednoduché), zvyšujú sa dýchanie a delenie buniek.

3. Rast primárnych koreňov sa pozoruje od okamihu rozdelenia ich buniek. Morfologicky sa prejavuje, keď sa nad membránou semien objaví primárny koreň - klovanie. V tomto prípade je rast koreňov zabezpečený rezervnými látkami embrya.

4. Vývin klíčku začína jeho vzhladom a nastáva v dôsledku rezervných látok endospermu. Táto fáza končí objavením sa cooleoptilu v obilninách alebo obličkách v iných plodinách..

5. Vznik sadenice je konečnou fázou. Pokračuje až do prechodu na plnú autotrofnú výživu.

Sekcia: Výmena a preprava organických látok v rastlinách

1. Špecifickosť metabolizmu v rastlinách

2. Metabolické dráhy najdôležitejších organických látok v tele rastlín (metabolizmus uhľohydrátov, proteínový metabolizmus, tukový metabolizmus)

3. Vzťah výmenných procesov

4. Hlavné transportné formy organických látok v rastlinách, zloženie kvetovej šťavy

5. Štruktúra kmeňa

6. Mechanizmy prepravy organických látok

Rastliny podľa druhu výživy sú autotrofy, takže ich hlavnou črtou je schopnosť syntetizovať z CO2, N2O a minerály sú obrovskou zbierkou jednoduchých a zložitých organických látok využívajúcich slnečné svetlo. Týmto typom výživy sú však charakterizované iba bunky obsahujúce chloroplasty (bunky mezofylu listov, zelené výhonky, plody atď.). Všetky ostatné bunky rastlinného organizmu jedia heterotrofne, a preto závisia od organických látok, ktoré do nich vstupujú z fotosyntetických orgánov. Dôležitú úlohu hrá dopravný systém.

V každej bunke rastlinného organizmu sa vyskytujú tisíce reakcií súčasne. Celkom všetkých biochemických reakcií, ktoré sa vyskytujú počas života organizmu, sa nazýva metabolizmus alebo metabolizmus. Produkty tvorené počas týchto reakcií sú metabolity. Sekvencia biochemických reakcií spojených s biosyntézou a konverziou určitých látok alebo skupín štruktúrne podobných zlúčenín sa nazýva metabolické dráhy..

Metabolické reakcie sú v stave neustálej interakcie medzi sebou, ako aj so životným prostredím; ich usporiadanosť, zameranie a rýchlosť sa dosahujú vďaka enzýmom, mechanizmom hormonálnej regulácie a podliehajú všetkým termodynamickým zákonom.

Metabolizmus v akomkoľvek organizme pozostáva z dvoch protichodne smerovaných a úzko súvisiacich procesov anabolizmu a katabolizmu.

Pri reakciách anabolizmu alebo plastového metabolizmu dochádza k syntéze organických zlúčenín z jednoduchých. Vyžaduje si to veľké výdavky na energiu. Tento typ reakcie je syntéza proteínov, uhľohydrátov, tukov, látok sekundárneho pôvodu.

Pri reakciách katabolizmu alebo energetického metabolizmu sa zložité molekuly rozkladajú na jednoduché molekuly s uvoľňovaním energie. Túto energiu je možné využiť pri anabolických reakciách. Katabolické reakcie zahŕňajú hydrolýzu, dýchanie a fermentáciu..

Anabolické reakcie sa môžu vyskytnúť iba vtedy, keď interagujú s katabolickými. Vždy by sa však malo uvoľňovať viac energie, ako sa absorbuje pri syntéznej reakcii. Vyžaduje sa tiež prítomnosť energetických nosičov ATP a redukovaných nukleotidov (NADH, NADP · N2, FAD · N2).

V procesoch základného metabolizmu sa syntetizujú najdôležitejšie primárne organické zlúčeniny. Podľa povahy vytvorených produktov sa rozlišuje metabolizmus uhľohydrátov, metabolizmus purínov a pyrimidínov, metabolizmus lipidov, metabolizmus vitamínov a metabolizmus organických kyselín..

Popri týchto reakciách sa vykonáva aj metabolizmus sekundárneho pôvodu (glykozidy, alkaloidy, triesloviny, prchavé látky atď.). Tieto látky nie sú ani rezervou, ani energiou, nepohybujú sa v závode, ale vykonávajú ochrannú funkciu.

Zdrojom syntézy všetkých organických látok je proces fotosyntézy alebo počas klíčenia semien rezervné látky embrya. Medziproduktový metabolit, z ktorého sa tvoria takmer všetky zlúčeniny, je 3-PHA.

2. Metabolické dráhy esenciálnych organických zlúčenín

Sacharidy sú najdôležitejšie látky, ktoré tvoria rastlinu. Tvoria 75-80% sušiny a slúžia ako hlavné výživové a štrukturálne materiály rastlinných tkanivových buniek.

Zdrojom tvorby uhľohydrátov je proces fotosyntézy, ktorého výsledkom je asimilácia sacharózy alebo škrobu..

fruktóza-6 fosfát → sacharofosfát + UDP → sacharóza + pH

fosfát glukózy-6 + UTP → UFDG + PP (pyrofosfát)

glukóza-1 fosfát → amyláza

Enzýmom, ktorý sa podieľa na syntéze sacharózy, je syntáza fosfátu cukru. V tomto prípade sa zvyšky glukózy prenášajú z UDFG na fruktózu za vzniku sacharofosfátu a potom sacharóza tvorí sacharózu s uvoľňovaním fosforu..

Pri syntéze amylózy sa podieľa R-enzým alebo fosforyláza, ktorá spája molekuly glukózy s 1,4 glykozidovou väzbou. Amylopektín sa tvorí za účasti Q-enzýmu spájajúceho glukózovú 1,4 a 1,6 glykozidovú väzbu. Výsledné polysacharidy sú spojené amylázovým enzýmom s komplexnejším škrobom..

Ďalej sa môže sacharóza ľahko transportovať do konzumujúcich orgánov. Asimilačný škrob sa rozloží na glukózu, ktorá sa používa pri neoplazmatických procesoch, či už je transportovaná alebo konvertovaná na sacharózu, je transportovaná do skladovacích orgánov (hľuzy, odnože, semená, atď.), Kde sa konvertuje na skladovací škrob podľa schémy transglykozačnej reakcie, kde aktívny darca glykozidové zvyšky sú nukleozidový cukor UDFG a ADPH.

Sacharóza + UDF Ф UDFG + fruktóza

UDFG + „semeno“ (G)n ↔ UDF + škrob

alebo ADPH + „semeno“ (G)n ↔ ADP + škrob

Semeno je polysacharid pozostávajúci z 3 až 4 zvyškov glukózy.

V klíčiacich semenách alebo počas rastu trvalých rastlín sa škrob hydrolyzuje aktívne pôsobením hydrolytického enzýmu amylázy alebo pôsobením fosforyláz glukózy-1 fosfátu, ktorý môže byť zahrnutý v syntetických procesoch, alebo oxidovaný na oxid uhličitý a vodu počas dýchania..

STARCH glukóza a-amylázy

Proteínový metabolizmus je súčasťou výmeny purínov a pyrimidínov, kde sa konvertujú nukleotidy, nukleové kyseliny, aminokyseliny a proteíny..

V tele rastliny sú komplexné proteíny - proteidy hlavnými zložkami cytoplazmy a hrajú dôležitú úlohu pri organizácii bunkových štruktúr. Jednoduché proteíny - proteíny plnia funkciu ukladania a ukladajú sa v semenách, hľúzach, oddenkoch.

Pri dozrievaní semien sa bielkovinové látky syntetizujú z anorganických foriem dusíka. Amoniak, absorbovaný vo forme amoniaku alebo vytvorený v dôsledku redukcie dusičnanov, vstupuje do aminačných reakcií s keto kyselinami a vytvárajú sa aminokyseliny, ktoré sa používajú pri biosyntéze proteínov..

NH3 + Pike aminokyseliny → polypeptidy → proteíny

Pre priamu biosyntézu proteínov pozri časť 1.

Pri klíčení semien reakcia prebieha opačným smerom, t.j. proteíny podliehajú hydrolýze na aminokyseliny, ktoré sú zahrnuté buď v syntéze nových proteínov alebo ďalej oxidované pri respiračných reakciách. Súčasne voľné aminokyseliny podliehajú deaminácii, ktorá môže byť oxidačná s účasťou oxidáz, hydrolytická s účasťou vody a amidáz alebo reduktívna s účasťou hydrogenáz. Pri akomkoľvek type deaminácie sa tvorí kyselina keto a amoniak..

proteináza endopeptidáza dipeptidáza

Bielkoviny → polypeptidy → aminokyseliny → keto kyselina + NH3

Amoniak je neutralizovaný, a to aj v zložení asparagínu, ktorý slúži ako donor aminokyselín pri syntéze iných aminokyselín. Množstvo dusíkatých zlúčenín počas klíčenia je teda prakticky nezmenené..

Metabolizmus tukov spočíva v ich syntéze a rozklade. Tuky sa nachádzajú v akýchkoľvek rastlinných bunkách. Nerozpúšťajú sa vo vode, nepohybujú sa po rastlinách a ich biosyntéza sa vyskytuje vo všetkých orgánoch a tkanivách z rozpustných cukrov vstupujúcich do týchto orgánov..

Procesy premeny tukov študoval sovietsky biochemik S.L. Ivanov. Tuky sa syntetizujú z glycerolu a mastných kyselín, ktoré sa zase tvoria z produktov rozkladu glukózy: glycerínu z 3-PHA a mastných kyselín z acetylu.

CoA. Hlavným enzýmom podieľajúcim sa na syntéze triglyceridov (tukov) je acyltransferáza prenášajúca zvyšky mastných kyselín na molekulu glycerolu..

3-PHA → glycerol-3fosfát → glycerín

Mastné kyseliny CoA

K odbúravaniu tukov dochádza za účasti hydrolytického enzýmu lipáza, ktorá pri pridaní vody štiepi tuk na glycerol a voľné mastné kyseliny. Lipázy sú v rastlinách rozšírené. Každý druh má svoju vlastnú lipázu. Špecifickosť lipáz je však veľmi nízka, akákoľvek lipáza môže štiepiť akýkoľvek tuk. Ricínová lipáza má vysokú špecificitu.

Glycerín 3-PHA fruktóza-1,6 dihydrogenfosfát a iné uhľohydráty

P-oxidačná acetyl mastných kyselín

PIKE → FEP → uhľohydráty

reverzná glykolýza (glukoniogenéza)

Prvé dva stupne sú glyoxysómy, cyklus kyseliny trikarboxylovej v mitochondriách a posledné štádiá sú cytoplazmy..

Cukry, ktoré vznikajú pri rozklade škrobu a tuku, sa ľahko rozpustia vo vode, prepravujú na miesta spotreby a používajú sa na rast a dýchanie. Okrem toho je ich počet znížený.

Dátum pridania: 2014-01-05; Pozreté: 1882; porušenie autorských práv?

Váš názor je pre nás dôležitý! Bol publikovaný materiál užitočný? Áno | žiadny

Metabolizmus buniek. Metabolizmus energie a fotosyntéza. Maticové syntézne reakcie.

Pojem metabolizmus

Metabolizmus je súhrn všetkých chemických reakcií, ktoré sa vyskytujú v živom organizme. Význam metabolizmu je vytvoriť potrebné látky pre telo a poskytnúť mu energiu.

Existujú dve zložky metabolizmu - katabolizmus a anabolizmus.

Zložky metabolizmu

časťcharakteristickýPríkladyNáklady na energiuKatabolizmus (energetický metabolizmus, disimilácia)Celkom chemických reakcií, ktoré vedú k tvorbe jednoduchých látok z komplexnejších skupínHydrolýza polymérov na monoméry a ich štiepenie na nízkomolekulové zlúčeniny oxidu uhličitého, vody, amoniaku a ďalších látokEnergia sa uvoľňujeAnabolizmus (výmena plastov, asimilácia)Súbor chemických reakcií pre syntézu komplexných látok z jednoduchšíchTvorba uhľohydrátov z oxidu uhličitého a vody počas fotosyntézy, reakcia syntézy matriceEnergia je absorbovaná

Procesy metabolizmu plastov a energie sú neoddeliteľne spojené. Všetky syntetické (anabolické) procesy potrebujú energiu dodávanú počas disimilačných reakcií. Samotné štiepne (katabolické) reakcie sa vyskytujú iba za účasti enzýmov syntetizovaných počas asimilácie.

Úloha FTF v metabolizme

Energia uvoľnená pri rozklade organických látok nie je bunkou okamžite využitá, ale je uložená vo forme vysokoenergetických zlúčenín, zvyčajne vo forme adenozíntrifosfátu (ATP). ATP sa svojou chemickou povahou vzťahuje na mononukleotidy.

ATP (kyselina adenozíntrifosforečná) je mononukleotid pozostávajúci z adenínu, ribózy a troch zvyškov kyseliny fosforečnej, vzájomne prepojených makroergickými väzbami..

Tieto putá ukladajú energiu, ktorá sa uvoľní, keď sa zlomia:
ATP + H2O → ADP + H3PO4 + Q1
ADP + H2O → AMP + H3PO4 + Q2
AMP + H2O → adenín + ribóza + H3PO4 + Q3,
kde ATP je kyselina adenozíntrifosforečná; ADP - kyselina adenozín difosforečná; AMP - kyselina adenozínmonofosforečná; Q1 = Q2 = 30,6 kJ; Q3 = 13,8 kJ.
Dodávanie ATP v bunke je obmedzené a doplnené v dôsledku procesu fosforylácie. Fosforylácia - pridanie zvyšku kyseliny fosforečnej do ADP (ADP + F → ATP). Vyskytuje sa s rôznymi intenzitami počas dýchania, fermentácie a fotosyntézy. ATP sa aktualizuje veľmi rýchlo (u ľudí je životnosť jednej molekuly ATP kratšia ako 1 minúta).
Energiu nahromadenú v molekulách ATP využíva telo pri anabolických reakciách (biosyntetické reakcie). Molekula ATP je univerzálnym držiteľom a nositeľom energie pre všetky živé veci.

Výmena energie

Energia potrebná pre život, väčšina organizmov dostáva v dôsledku procesov oxidácie organických látok, to je v dôsledku katabolických reakcií. Najdôležitejšou zlúčeninou pôsobiacou ako palivo je glukóza.
Organizmy sú rozdelené do troch skupín, pokiaľ ide o voľný kyslík..

Klasifikácia organizmov vzhľadom na voľný kyslík

skupinacharakteristickýorganizmy
Aerobes (povinné aerobes)Organizmy schopné žiť iba v kyslíkuZvieratá, rastliny, niektoré baktérie a huby
Anaeróby (povinné anaeróby)Organizmy, ktoré nemôžu žiť v kyslíkuNiektoré baktérie
Voliteľné formuláre (voliteľné anaeróby)Organizmy schopné žiť v prítomnosti kyslíka aj bez nehoNiektoré baktérie a huby

V povinných aeróboch a fakultatívnych anaeróboch v prítomnosti kyslíka katabolizmus prebieha v troch fázach: prípravný, bez kyslíka a kyslík. V dôsledku toho sa organická hmota rozkladá na anorganické zlúčeniny. V povinných anaeróboch a fakultatívnych anaeróboch s nedostatkom kyslíka prebieha katabolizmus v prvých dvoch etapách: prípravný a bez kyslíka. Výsledkom je tvorba medziproduktov organických zlúčenín, stále bohatých na energiu.

Etapy katabolizmu

1. Prvá fáza - prípravná - je enzymatický rozklad zložitých organických zlúčenín na jednoduchšie. Bielkoviny sa rozkladajú na aminokyseliny, tuky - na glycerol a mastné kyseliny, polysacharidy - na monosacharidy, nukleové kyseliny - na nukleotidy. U mnohobunkových organizmov sa to vyskytuje v gastrointestinálnom trakte, v jednobunkových organizmoch v lyzozómoch pod vplyvom hydrolytických enzýmov. Energia uvoľnená v tomto prípade sa rozptýli vo forme tepla. Výsledné organické zlúčeniny sú bunkou ďalej oxidované alebo použité na syntézu vlastných organických zlúčenín.
2. Druhý stupeň - neúplná oxidácia (bez obsahu kyslíka) - spočíva v ďalšom štiepení organických látok, ktoré sa vykonáva v cytoplazme bunky bez kyslíka. Hlavným zdrojom energie v bunke je glukóza. Neúplná oxidácia glukózy bez kyslíka sa nazýva glykolýza. V dôsledku glykolýzy jednej glukózovej molekuly sa tvoria dve molekuly kyseliny pyruvátovej (PVA, pyruvát) CH3COCOOH, ATP a voda, ako aj atómy vodíka, ktoré sú viazané molekulou nosiča NAD + a sú uložené ako NAD · N.
Celkový vzorec glykolýzy je nasledujúci:
C6H12O6 + 2H3PO4 + 2ADP + 2NAD + → 2C3N4O3 + 2H2O + 2ATP + 2NAD · N.
Ďalej, v neprítomnosti kyslíka v životnom prostredí sa produkty glykolýzy (PVC a NAD · H) spracúvajú buď na etylalkohol - alkoholovú fermentáciu (v kvasinkách a rastlinných bunkách s nedostatkom kyslíka).
CH3COCOOH → CO2 + CH3SLEEP
CH3SLEEP + 2 NAD · N → S2N5OH + 2 OVER +,
alebo v kyseline mliečnej - fermentácii kyseliny mliečnej (v živočíšnych bunkách s nedostatkom kyslíka)
CH3COCOOH + 2 OVER · N → C3N6O3 + 2AD +.
V prítomnosti kyslíka v prostredí podliehajú glykolýzne produkty ďalšej degradácii na konečné produkty.
3. Tretí stupeň - úplná oxidácia (dýchanie) - spočíva v oxidácii PVC na oxid uhličitý a vodu, vykonáva sa v mitochondriách s povinnou účasťou kyslíka..
Pozostáva z troch fáz:
A) tvorbu acetyl koenzýmu A;
B) oxidácia acetyl koenzýmu A v Krebsovom cykle;
C) oxidačná fosforylácia v elektrónovom transportnom reťazci.

A. V prvom štádiu sa PVC prenáša z cytoplazmy do mitochondrií, kde interaguje s matricovými enzýmami a tvorí 1) oxid uhličitý, ktorý sa z bunky odstraňuje; 2) atómy vodíka, ktoré sú transportované molekulami do vnútornej mitochondriálnej membrány; 3) acetyl koenzým A (acetyl-CoA).
B. V druhom stupni sa acetyl koenzým A oxiduje v Krebsovom cykle. Krebsov cyklus (cyklus trikarboxylovej kyseliny, cyklus kyseliny citrónovej) je reťazec postupných reakcií, počas ktorých 1) sa z jednej molekuly acetyl-CoA tvoria 2 molekuly oxidu uhličitého, 2) molekula ATP a 3) štyri páry atómov vodíka prevedené na dopravcovia - NAD a FAD. V dôsledku glykolýzy a Krebsovho cyklu je teda molekula glukózy rozdelená na CO2, a energia uvoľnená v tomto prípade sa vynakladá na syntézu 4 ATP a hromadí sa v 10 NAD · N a 4 FAD · N2.
B. V treťom stupni atómy vodíka s NAD · N a FAD · N2 oxidovaný molekulárnym kyslíkom O2 s tvorbou vody. Jeden NAD · N je schopný tvoriť 3 ATP a jeden FAD · N2–2 ATP. Energia uvoľnená v tomto prípade je teda uložená vo forme ďalších 34 ATP.
Tento proces pokračuje nasledujúcim spôsobom. Atómy vodíka sú koncentrované blízko vonkajšej strany vnútornej mitochondriálnej membrány. Stratia elektróny, ktoré sú transportované pozdĺž reťazca nosných molekúl (cytochrómy) transportného reťazca elektrónov (ETC) na vnútornú stranu vnútornej membrány, kde sa kombinujú s molekulami kyslíka:
O2 + e - → O aplikácii2 -.
V dôsledku aktivity enzýmov v reťazci prenosu elektrónov je vnútorná mitochondriálna membrána záporne nabitá zvnútra (vďaka O2 - ), ale na vonkajšej strane je pozitívny (kvôli H +), takže medzi jeho povrchmi sa vytvára potenciálny rozdiel. Molekuly ATP syntetázy s iónovým kanálom sú zabudované do vnútornej mitochondriálnej membrány. Keď rozdiel potenciálov na membráne dosiahne kritickú úroveň, pozitívne nabité častice H + silou elektrického poľa sa začnú tlačiť cez kanál ATPázy a keď sú na vnútornom povrchu membrány, interagujú s kyslíkom za vzniku vody:
1/2 O2 - +2H + → H2O.
Energia vodíkových iónov H + transportovaných cez iónový kanál vnútornej mitochondriálnej membrány sa používa na fosforyláciu ADP v ATP:
ADP + F → ATP.
Táto tvorba ATP v mitochondriách zahŕňajúcich kyslík sa nazýva oxidačná fosforylácia..
Celková rovnica pre rozklad glukózy v procese bunkového dýchania:
C6H12O6 + 6O2 + 38H3PO4 + 38ADP → 6CO2 + 44H2O + 38ATF.
Pri glykolýze sa teda tvoria 2 molekuly ATP, ďalších 36 molekúl ATP počas dýchania buniek a celkom 38 molekúl ATP počas úplnej oxidácie glukózy..

Plastová výmena

Plastická výmena alebo asimilácia je súbor reakcií, ktoré poskytujú syntézu komplexných organických zlúčenín z jednoduchších (fotosyntéza, chemosyntéza, biosyntéza proteínov atď.).

Heterotropné organizmy vytvárajú svoju vlastnú organickú hmotu z organických zložiek potravín. Heterotropná asimilácia sa v podstate redukuje na preskupenie molekúl:
organické potravinové látky (bielkoviny, tuky, uhľohydráty) → jednoduché organické molekuly (aminokyseliny, mastné kyseliny, monosacharidy) → telové makromolekuly (bielkoviny, tuky, uhľohydráty).
Autotrofné organizmy dokážu úplne nezávisle syntetizovať organické látky z anorganických molekúl spotrebovaných z prostredia. V procese foto- a chemosyntézy dochádza k tvorbe jednoduchých organických zlúčenín, z ktorých sa ďalej syntetizujú makromolekuly:
anorganické látky (CO2, N2О) → jednoduché organické molekuly (aminokyseliny, mastné kyseliny, monosacharidy) → telové makromolekuly (bielkoviny, tuky, sacharidy).

fotosyntéza

Fotosyntéza je syntéza organických zlúčenín z anorganických v dôsledku energie svetla. Súhrnná rovnica pre fotosyntézu:

Fotosyntéza nastáva za účasti fotosyntetických pigmentov, ktoré majú jedinečnú vlastnosť premeny energie slnečného žiarenia na energiu chemickej väzby vo forme ATP. Fotosyntetické pigmenty sú látky podobné bielkovinám. Najdôležitejším je chlorofylový pigment. V eukaryotoch sú fotosyntetické pigmenty uložené vo vnútornej membráne plastidov, v prokaryotoch pri invagácii cytoplazmatickej membrány..
Štruktúra chloroplastu je veľmi podobná štruktúre mitochondrií. Vnútorná membrána tylakoidného granátu obsahuje fotosyntetické pigmenty, ako aj proteíny prenosového reťazca elektrónov a molekuly ATP syntetázy..
Proces fotosyntézy pozostáva z dvoch fáz: svetlo a tma.
1. Svetelná fáza fotosyntézy sa vyskytuje iba vo svetle tylakoidnej membrány granule..
Patrí medzi ne absorpcia ľahkého kvanta chlorofylom, tvorba molekuly ATP a fotolýza vody..
Pod vplyvom kvantového svetla (hv), chlorofyl stráca elektróny a prechádza do vzrušeného stavu:

Tieto elektróny sú prenášané nosičmi na vonkajší povrch, t. J. Povrch tylakoidnej membrány obrátený k matrici, kde sa hromadí.
Súčasne dochádza k fotolýze vody vo vnútri tylakoidov, to znamená k jej rozkladu pod vplyvom svetla:

Výsledné elektróny sú prenášané nosičmi na molekuly chlorofylu a obnovujú ich. Molekuly chlorofylu sa vracajú do stabilného stavu.
Protóny vodíka, ktoré sa vytvorili počas fotolýzy vody, sa hromadí vo vnútri tylakoidu a vytvárajú rezervoár H +. V dôsledku toho je vnútorný povrch tylakoidnej membrány pozitívne nabitý (vďaka H +) a vonkajší - záporne nabitý (vďaka e -). Ako akumulácia opačne nabitých častíc na oboch stranách membrány sa zvyšuje potenciálny rozdiel. Keď sa dosiahne kritická hodnota rozdielu potenciálu, sila elektrického poľa začne tlačiť protóny cez kanál ATP syntetázy. Energia uvoľnená v tomto prípade sa používa na fosforyláciu molekúl ADP:
ADP + F → ATP.

Tvorba ATP v procese fotosyntézy pod vplyvom svetelnej energie sa nazýva fotofosforylácia.
Vodíkové ióny, ktoré sa nachádzajú na vonkajšom povrchu tylakoidnej membrány, sa tu nachádzajú elektrónmi a vytvárajú atómový vodík, ktorý sa viaže na molekulu transportu vodíka NADP (nikotínamid adenín dinukleotidfosfát):
2n + 4e - + NADP + → NADP · N2.
Počas ľahkej fázy fotosyntézy teda dochádza k trom procesom: tvorba kyslíka v dôsledku rozkladu vody, syntéza ATP a tvorba atómov vodíka vo forme NADP · N2. Kyslík difunduje do atmosféry, zatiaľ čo ATP a NADP · N2 podieľať sa na procesoch temnej fázy.
2. Temná fáza fotosyntézy prebieha v matrici chloroplastov tak vo svetle, ako aj v tme a predstavuje rad postupných transformácií CO.2, prichádzajúce zo vzduchu, v Calvinovom cykle. Reakcie temnej fázy sa uskutočňujú v dôsledku energie ATP. V Calvinovom CO cykle2 viaže sa na vodík z NADP · N2 s tvorbou glukózy.
V procese fotosyntézy sa okrem monosacharidov (glukóza atď.) Syntetizujú aj monoméry iných organických zlúčenín - aminokyseliny, glycerín a mastné kyseliny. Vďaka fotosyntéze teda rastliny poskytujú sebe a všetok život na Zemi potrebné organické látky a kyslík..
Porovnávacia charakteristika fotosyntézy a respirácie eukaryotov je uvedená v tabuľke..

Porovnávacia charakteristika fotosyntézy a dýchania eukaryot

znameniefotosyntézadychReakčná rovnica6CO2 + 6H2O + svetelná energia → C6H12O6 + 6O2C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energia (ATP)Východiskové materiályOxid uhličitý vodaOrganická hmota, kyslíkReakčné produktyOrganická hmota, kyslíkOxid uhličitý vodaHodnota v cykle látokSyntéza organických látok z anorganických látokRozklad organických látok na anorganickéPremena energieTransformácia energie svetla na energiu chemických väzieb organických látokPremena energie chemických väzieb organických látok na energiu makroergických väzieb ATPNajdôležitejšie fázySvetlá a tmavá fáza (vrátane Calvinovho cyklu)Neúplná oxidácia (glykolýza) a úplná oxidácia (vrátane Krebsovho cyklu)Miesto spracovaniachloroplastyHyaloplazma (neúplná oxidácia) a mitochondria (úplná oxidácia)

Genetická informácia vo všetkých organizmoch je uložená vo forme špecifickej sekvencie DNA nukleotidov (alebo RNA vo vírusoch obsahujúcich RNA). Prokaryoty obsahujú genetické informácie vo forme jedinej molekuly DNA. V eukaryotických bunkách je genetický materiál distribuovaný do niekoľkých molekúl DNA usporiadaných do chromozómov.
DNA pozostáva z kódujúcich a nekódujúcich oblastí. Kódujúce oblasti kódujú RNA. Nekódujúce oblasti DNA vykonávajú štrukturálnu funkciu, umožňujúc určitým spôsobom zabaliť časti genetického materiálu alebo regulačnú funkciu, podieľať sa na zahrnutí génov, ktoré usmerňujú syntézu proteínov.
Kódujúce oblasti DNA sú gény. Gén - časť molekuly DNA kódujúca syntézu jednej mRNA (a podľa toho aj polypeptidu), rRNA alebo tRNA.
Oblasť chromozómu, v ktorej sa gén nachádza, sa nazýva lokus. Súbor génov bunkového jadra je genotyp, súbor génov haploidnej sady chromozómov je gén, súbor génov mimonukleárnej DNA (mitochondrie, plastidy, cytoplazmy) je plazmon.
Implementácia informácií zaznamenaných v génoch prostredníctvom proteínovej syntézy sa nazýva génová expresia (manifestácia). Genetická informácia je uložená ako špecifická sekvencia nukleotidov DNA a je implementovaná ako sekvencia aminokyselín v proteíne. RNA pôsobí ako sprostredkovatelia, nositelia informácií. To znamená, že k implementácii genetických informácií dochádza nasledovne:
DNA → RNA → proteín.
Tento proces sa uskutočňuje v dvoch etapách:
1) prepis;
2) vysielanie.

Transkripcia (od lat. Transcriptio - transkripcia) - syntéza RNA pomocou DNA ako šablóny. Výsledkom je vytvorenie mRNA, tRNA a rRNA. Transkripčný proces vyžaduje veľké množstvo energie vo forme ATP a je uskutočňovaný enzýmom RNA polymeráza.

Zároveň nie je transkribovaná celá molekula DNA, ale iba jej jednotlivé segmenty. Taký segment (transkriptón) začína promótorom - miestom DNA, kde sa spája RNA polymeráza a odkiaľ začína transkripcia, a končí terminátorom - miestom DNA obsahujúcim signál ukončenia transkripcie. Transcripton je gén z hľadiska molekulárnej biológie.
Transkripcia, ako je replikácia, je založená na schopnosti dusíkatých báz nukleotidov komplementárnej väzby. V čase transkripcie sa dvojité vlákno DNA rozbije a syntéza RNA sa uskutoční pozdĺž jedného vlákna DNA.

Počas transkripcie sa nukleotidová sekvencia DNA skopíruje na syntetizovanú molekulu mRNA, ktorá funguje ako matrica v procese proteínovej biosyntézy..
Prokaryotické gény pozostávajú iba z kódujúcich nukleotidových sekvencií.

Eukaryotické gény pozostávajú zo striedajúcich sa kódovacích (exónov) a nekódujúcich (intrónov) miest.

Po transkripcii sa mRNA oblasti zodpovedajúce intrónom odstránia počas zostrihu, čo je neoddeliteľnou súčasťou spracovania.

Spracovanie je proces tvorby zrelej mRNA z jej prekurzorovej pre-mRNA. Zahŕňa dve hlavné udalosti. 1. Pripojenie krátkych nukleotidových sekvencií k koncom mRNA, vyznačujúce miesto začiatku a miesto konca translácie. Zostrih - odstránenie neinformatívnych sekvencií mRNA zodpovedajúcich intrónom DNA. V dôsledku zostrihu molekulárna hmotnosť mRNA klesne 10-krát. Preklad (z lat. Translatio - translácie) - syntéza polypeptidového reťazca s použitím mRNA ako templátu.

Všetky tri typy RNA sú zapojené do translácie: mRNA je informačná matica; tRNA dodávajú aminokyseliny a rozpoznávajú kodóny; rRNA spolu s proteínmi tvoria ribozómy, ktoré zadržiavajú mRNA, tRNA a proteín a vykonávajú syntézu polypeptidového reťazca.

Etapy vysielania

štádiumcharakteristickýzačatiaZostavenie komplexu zapojeného do syntézy polypeptidového reťazca. Malá podjednotka ribozómu sa kombinuje s iniciačným metrncom a potom s mrnc, po ktorom sa vytvorí celý ribozóm, pozostávajúci z malých a veľkých podjednotiek.predĺženiePredĺženie polypeptidového reťazca. Ribozóm sa pohybuje pozdĺž mRNA, ktorá je sprevádzaná opakovaným opakovaním cyklu pridávania ďalšej aminokyseliny do rastúceho polypeptidového reťazca..ukončenieUkončenie syntézy molekuly polypeptidu. Ribozóm dosahuje jeden z troch stop kodónov mRNA a pretože neexistuje žiadna tRNA s antikodónmi komplementárnymi k stop kodónom, syntéza polypeptidového reťazca sa zastavuje. Uvoľňuje sa a oddeľuje sa od ribozómu. Ribozomálne čiastočky sa disociujú, oddelia sa od mRNA a môžu sa podieľať na syntéze nasledujúceho polypeptidového reťazca.

Maticové syntézne reakcie. Reakcie syntézy matríc zahŕňajú

  • DNA zdvojnásobenie (replikácia);
  • tvorba mRNA, tRNA a rRNA na molekule DNA (transkripcia);
  • proteínová biosyntéza na mRNA (preklad).

Všetky tieto reakcie sú spojené skutočnosťou, že molekula DNA v jednom prípade alebo molekula mRNA v inom pôsobí ako matrica, na ktorej dochádza k tvorbe identických molekúl. Maticové syntézne reakcie sú základom schopnosti živých organizmov reprodukovať svoj vlastný druh.
Regulácia génovej expresie. Telo viacbunkového organizmu je vybudované z rôznych typov buniek. Líšia sa štruktúrou a funkciami, to znamená, že sú diferencované. Rozdiely sa prejavujú v tom, že okrem proteínov potrebných pre akúkoľvek bunku v tele syntetizujú aj bunky každého typu špecializované proteíny: keratín sa vytvára v epiderme, hemoglobín sa tvorí v červených krvinkách atď. Diferencia buniek je spôsobená zmenou v súbore exprimovaných génov a nie je sprevádzaná žiadnymi ireverzibilné zmeny v štruktúre samotných sekvencií DNA.

metabolizmus

Metabolizmus (z gréčtiny: metabolizmus μεταβολή, „zmena“) je rad chemických transformácií v bunkách živých organizmov potrebných na udržanie života. Tri hlavné ciele metabolizmu sú premena jedla / paliva na energiu na spustenie bunkových procesov, premena jedla / paliva na stavebné kamene proteínov, lipidov, nukleových kyselín a niektorých uhľohydrátov, ako aj eliminácia dusíkatých odpadov. Tieto enzymatické reakcie umožňujú telu rásť a množiť sa, udržiavať jeho štruktúru a reagovať na životné prostredie. Slovo „metabolizmus“ sa môže vzťahovať aj na súhrn všetkých chemických reakcií, ktoré sa vyskytujú v živých organizmoch, vrátane trávenia a transportu látok do rôznych buniek a medzi nimi, v takom prípade sa veľa reakcií vo vnútri buniek nazýva prechodný metabolizmus. Metabolizmus sa zvyčajne delí na dve kategórie: katabolizmus, rozklad organických látok, napríklad pomocou bunkového dýchania, a anabolizmus, tvorba bunkových zložiek, ako sú proteíny a nukleové kyseliny. Spravidla sa pri štiepení uvoľní energia a keď sa vybuduje, spotrebuje sa..

Chemické metabolické reakcie sú organizované v metabolických cestách, v ktorých je jedna chemická zlúčenina transformovaná radom krokov na inú zlúčeninu pomocou sekvencie enzýmov. Enzýmy sú rozhodujúce pre metabolizmus, pretože umožňujú organizmom uskutočňovať požadované reakcie, ktoré si vyžadujú energiu, ktorá sa nevyskytuje samostatne, ich pripojením k spontánnym reakciám, ktoré uvoľňujú energiu. Enzýmy pôsobia ako katalyzátory, ktoré umožňujú, aby reakcie prebiehali rýchlejšie. Enzýmy vám tiež umožňujú regulovať metabolické dráhy v reakcii na zmeny v prostredí bunky alebo na signály z iných buniek. Metabolický systém špecifického organizmu určuje, ktoré látky budú výživné a ktoré budú jedovaté. Napríklad, niektoré prokaryoty používajú síru ako živinu, ale tento plyn je pre zvieratá toxický. 1) Rýchlosť metabolizmu ovplyvňuje to, koľko potravy telo potrebuje, ako aj to, ako bude schopné získať toto jedlo. Charakteristickou črtou metabolizmu je podobnosť hlavných metabolických ciest a zložiek medzi úplne inými druhmi. Napríklad vo všetkých známych organizmoch je prítomných veľa karboxylových kyselín, ktoré sú v Krebsovom cykle najlepšie známe ako medziprodukty. Boli nájdené v druhoch tak rozmanitých, ako sú jednobunkové baktérie E. coli a obrie mnohobunkové organizmy, ako sú slony. Tieto výrazné podobnosti v metabolických dráhach pravdepodobne súvisia s ich skorým výskytom v evolučnej histórii a ich zachovaním z dôvodu ich účinnosti. 2)

Základné biochemické látky

Väčšina štruktúr, ktoré tvoria zvieratá, rastliny a mikróby, pozostáva z troch hlavných tried molekúl: aminokyselín, uhľohydrátov a lipidov (často nazývaných tuky). Pretože tieto molekuly sú životne dôležité, metabolické reakcie sa buď zameriavajú na produkciu týchto molekúl počas stavby buniek a tkanív, alebo na ich štiepenie a použitie ako zdroj energie v procese ich trávenia. Tieto biochemikálie sa môžu navzájom kombinovať za vzniku polymérov, ako sú DNA a proteíny, ktoré sú nevyhnutné pre život makromolekúl..

Aminokyseliny a proteíny

Proteíny sa skladajú z aminokyselín usporiadaných do lineárneho reťazca, vzájomne prepojených peptidovými väzbami. Mnoho proteínov je enzýmov, ktoré katalyzujú chemické reakcie v metabolizme. Iné proteíny majú štrukturálne alebo mechanické funkcie, ako sú proteíny, ktoré tvoria cytoskelet, systém, ktorý udržuje tvar bunky. Proteíny tiež zohrávajú dôležitú úlohu pri signalizácii buniek, imunitných reakciách, adhézii buniek, aktívnom transporte cez membrány a bunkovom cykle. Aminokyseliny tiež podporujú metabolizmus bunkovej energie poskytovaním zdroja uhlíka na vstup do cyklu kyseliny citrónovej (cyklus kyseliny trikarboxylovej), najmä ak primárny zdroj energie, ako je glukóza, je nedostatočný alebo keď bunky podliehajú metabolickému stresu. 3)

lipidy

Lipidy sú najrôznejšou skupinou biochemických látok. Ich hlavné štrukturálne využitie je ako súčasť biologických membrán, vnútorných aj vonkajších, ako sú bunkové membrány alebo ako zdroj energie. Lipidy sú obvykle definované ako hydrofóbne alebo amfipatické biologické molekuly, ale rozpúšťajú sa v organických rozpúšťadlách, ako je benzén alebo chloroform. Tuky sú veľká skupina zlúčenín, ktoré obsahujú mastné kyseliny a glycerín; Glycerolová molekula naviazaná na tri estery mastných kyselín sa nazýva triacylglycerid. Existuje niekoľko variantov tejto základnej štruktúry, vrátane alternatívnych skeletov, ako je sfingozín v sfingolipidoch, a hydrofilné skupiny, ako napríklad fosfát, vo fosfolipidoch. Steroidy, ako je cholesterol, sú ďalšou dôležitou triedou lipidov 4).

sacharidy

Sacharidy sú aldehydy alebo ketóny s veľkým počtom naviazaných hydroxylových skupín, ktoré môžu existovať vo forme priamych reťazcov alebo kruhov. Sacharidy sú najbežnejšími biologickými molekulami a vykonávajú mnoho funkcií, ako je ukladanie a preprava energie (škrob, glykogén) a štrukturálne zložky (celulóza v rastlinách, chitín u zvierat). Základné jednotky uhľohydrátov sa nazývajú monosacharidy a zahŕňajú galaktózu, fruktózu a predovšetkým glukózu. Monosacharidy sa môžu navzájom spájať a tvoriť polysacharidy. 5)

nukleotidy

Dve nukleové kyseliny, DNA a RNA, sú polyméry nukleotidov. Každý nukleotid pozostáva z fosfátu viazaného na skupinu cukru na ribóze alebo deoxyribóze, ktorá je pripojená na dusíkatú bázu. Nukleové kyseliny sú rozhodujúce pre ukladanie a používanie genetických informácií a ich interpretáciu prostredníctvom procesov transkripcie proteínov a biosyntézy. Tieto informácie sú chránené opravnými mechanizmami DNA a šíria sa replikáciou DNA. Mnoho vírusov má RNA genóm, ako je HIV, ktorý používa reverznú transkripciu na vytvorenie templátu DNA zo svojho genómu vírusovej RNA. RNA v ribozýmoch, ako sú spliceozómy a ribozómy, je podobná enzýmom, pretože môže katalyzovať chemické reakcie. Jednotlivé nukleozidy sa vytvárajú naviazaním ribózového cukru na nukleovú bázu. Tieto bázy sú heterocyklické kruhy obsahujúce dusík a sú klasifikované ako puríny alebo pyrimidíny. Nukleotidy tiež pôsobia ako koenzýmy v reakciách prenosu metabolických skupín. 6)

koenzýmy

Metabolizmus zahŕňa širokú škálu chemických reakcií, ale väčšina z týchto reakcií je zahrnutá v niekoľkých základných druhoch reakcií, ktoré zahŕňajú prenos funkčných skupín atómov a ich väzby v molekulách. Tieto chemické reakcie umožňujú bunkám používať malú množinu metabolických medziproduktov, aby sa chemické skupiny mohli pohybovať medzi rôznymi reakciami. Tieto medziprodukty pri skupinových prenosoch sa nazývajú koenzýmy. Každá trieda skupinových prenosov je uskutočňovaná špecifickým koenzýmom, ktorý je substrátom pre množstvo enzýmov, ktoré ho produkujú, ako aj pre určitý počet enzýmov, ktoré ho konzumujú. Preto sa tieto koenzýmy neustále vyrábajú, spotrebúvajú a potom znova používajú. 7) Jedným z centrálnych koenzýmov je adenozíntrifosfát (ATP), univerzálny zdroj energie pre bunky. Tento nukleotid sa používa na prenos chemickej energie medzi rôznymi chemickými reakciami. V bunkách existuje iba malé množstvo ATP, ale pretože sa nepretržite regeneruje, ľudské telo môže používať také množstvo ATP za deň, čo je približne jeho vlastná hmotnosť. ATP pôsobí ako „most“ medzi katabolizmom a anabolizmom. Katabolizmus ničí molekuly a anabolizmus ich spája. Katabolické reakcie vytvárajú ATP a anabolické reakcie ich konzumujú. ATP tiež slúži ako nosič fosfátových skupín vo fosforylačných reakciách. Vitamín je organická zlúčenina potrebná v malom množstve, ktorá nemôže byť produkovaná v bunkách. Vo výžive ľudí väčšina vitamínov po modifikácii funguje ako koenzým; Napríklad všetky vo vode rozpustné vitamíny fosforylujú alebo sa viažu na nukleotidy, keď sa používajú v bunkách. Nikotínamid adenín dinukleotid (NAD +), derivát vitamínu B3 (niacín), je dôležitým koenzýmom, ktorý pôsobí ako akceptor vodíka. Stovky jednotlivých typov dehydrogenáz odstraňujú elektróny zo svojich substrátov a obnovujú NAD + na NADH. Táto redukovaná forma koenzýmu je substrátom pre ktorúkoľvek z reduktáz v bunke, ktoré potrebujú opraviť svoje substráty. 8) Nikotínamid adenín dinukleotid existuje v bunke v dvoch príbuzných formách: NADH a NADPH. Forma NAD + / NADH je dôležitejšia pri katabolických reakciách, zatiaľ čo NADP + / NADPH sa používa pri anabolických reakciách.

Minerály a kofaktory

Anorganické prvky hrajú dôležitú úlohu v metabolizme; niektoré z nich sa nachádzajú v tele v hojnom množstve (napríklad sodík a draslík), zatiaľ čo iné pôsobia v minimálnych koncentráciách. Asi 99% hmotnosti cicavca obsahuje uhlík, dusík, vápnik, sodík, chlór, draslík, vodík, fosfor, kyslík a síru. Organické zlúčeniny (proteíny, lipidy a uhľohydráty) obsahujú väčšinu uhlíka a dusíka; väčšina kyslíka a vodíka je prítomná vo vode. 9) Anorganické prvky v hojnosti pôsobia ako iónové elektrolyty. Najdôležitejšie ióny sú sodík, draslík, vápnik, horčík, chlorid, fosfát a organický hydrogenuhličitanový ión. Udržiavanie presných iónových gradientov v bunkových membránach udržuje osmotický tlak a pH. Ióny sú tiež dôležité pre fungovanie nervov a svalov, pretože akčné potenciály v týchto tkanivách sa vytvárajú výmenou elektrolytov medzi extracelulárnou tekutinou a bunkovou tekutinou, cytosolom. Elektrolyty vstupujú a vystupujú z buniek pomocou proteínov v bunkovej membráne nazývaných iónové kanály. Napríklad svalová kontrakcia závisí od pohybu vápnika, sodíka a draslíka cez iónové kanály v bunkovej membráne a T-tubuloch. Prechodné kovy sú spravidla prítomné v organizmoch ako stopové prvky, zatiaľ čo zinok a železo sú v tele obsiahnuté v najvyšších koncentráciách. Tieto kovy sa používajú ako kofaktory v niektorých proteínoch a sú dôležité pre enzýmovú aktivitu, ako sú napríklad kataláza a proteíny prenášajúce kyslík, ako je hemoglobín. Kovové kofaktory úzko súvisia so špecifickými miestami proteínov; Hoci sa enzymatické kofaktory môžu počas katalýzy modifikovať, vždy sa na konci katalyzovanej reakcie vrátia do pôvodného stavu. Kovové stopové prvky sa v organizmoch absorbujú pomocou špecifických transportérov a ak sa nepoužívajú, viažu sa na ukladacie proteíny, ako je feritín alebo metalotioneín. 10)

katabolizmus

Katabolizmus je súbor metabolických procesov, ktoré rozkladajú veľké molekuly. Tieto procesy zahŕňajú rozklad a oxidáciu molekúl potravín. Cieľom katabolických reakcií je poskytnúť energiu a zložky potrebné počas anabolických reakcií. Presná povaha týchto katabolických reakcií sa u rôznych organizmov líši. Organizmy možno klasifikovať na základe ich energetických zdrojov a uhlíka (ich primárnych potravinových skupín). Organické molekuly sa používajú ako zdroj energie organotrofami, zatiaľ čo lithotrofy používajú anorganické substráty a fototrofy využívajú slnečné žiarenie ako chemickú energiu. Všetky tieto rôzne formy metabolizmu však závisia od redoxných reakcií, ktoré zahŕňajú prenos elektrónov z redukovaných donorových molekúl, ako sú organické molekuly, voda, amoniak, sírovodík alebo ióny železa, na akceptorové molekuly, ako je kyslík, dusičnan alebo sulfát. U zvierat tieto reakcie zahŕňajú komplexné organické molekuly, ktoré sa rozkladajú na jednoduchšie molekuly, ako je oxid uhličitý a voda. Vo fotosyntetických organizmoch, ako sú rastliny a cyanobaktérie, tieto reakcie prenosu elektrónov neuvoľňujú energiu, ale používajú sa ako spôsob ukladania energie absorbovanej zo slnečného svetla. 11) Najbežnejšie katabolické reakcie u zvierat možno rozdeliť do troch hlavných štádií. V prvom štádiu sa veľké organické molekuly, ako sú proteíny, polysacharidy alebo lipidy, štiepia na menšie zložky mimo bunky. Ďalej sú tieto malé molekuly bunkami zachytené a konvertované na ešte menšie molekuly, zvyčajne na acetyl koenzým A (acetyl CoA), ktoré uvoľňujú určité množstvo energie. A nakoniec, acetylová skupina na CoA oxiduje na vodu a oxid uhličitý v cykle kyseliny citrónovej a v reťazci prenosu elektrónov, čím uvoľňuje energiu, ktorá je uložená obnovením koenzýmu nikotínamid adenín dinukleotidu (NAD +) v NADH.

trávenie

Makromolekuly, ako napríklad škrob, celulóza alebo proteíny, sa nemôžu bunkami rýchlo zachytiť a pred použitím v bunkovom metabolizme sa musia rozložiť na menšie jednotky. Niekoľko bežných skupín enzýmov trávi tieto polyméry. Tieto tráviace enzýmy zahŕňajú proteázy, ktoré prevádzajú proteíny na aminokyseliny, ako aj glykozidové hydrolázy, ktoré prevádzajú polysacharidy na jednoduché cukry, známe ako monosacharidy. Mikróby jednoducho vylučujú tráviace enzýmy do životného prostredia, zatiaľ čo zvieratá vylučujú tieto enzýmy iba zo špecializovaných buniek v ich vnútornostiach. Aminokyseliny alebo cukry uvoľňované týmito extracelulárnymi enzýmami sa potom čerpajú do buniek pomocou aktívnych transportných proteínov. 12)

Energia z organických zlúčenín

Katabolizmus uhľohydrátov je rozdelenie uhľohydrátov na menšie jednotky. Sacharidy sa zvyčajne prijímajú do buniek, keď sa štiepia na monosacharidy. Jednou v tele je hlavnou cestou rozkladu glykolýza, počas ktorej sa cukry, ako je glukóza a fruktóza, premieňajú na pyruvát a vytvára sa ATP. Pyruvát je medziprodukt vo viacerých metabolických dráhach, ale väčšina pyruvátu je konvertovaná na acetyl-CoA a je zapojená do cyklu kyseliny citrónovej. Aj keď sa časť ATP vytvára v cykle kyseliny citrónovej, najdôležitejším produktom je NADH, ktorý sa vyrába z NAD +, keď sa acetyl-CoA oxiduje. Počas tejto oxidácie sa oxid uhličitý uvoľňuje ako vedľajší produkt. Za anaeróbnych podmienok produkuje glykolýza laktát prostredníctvom enzýmu laktátdehydrogenázy, ktorý oxiduje NADH na NAD + na opätovné použitie v glykolýze. Alternatívnym spôsobom odbúravania glukózy je pentózofosfátová dráha, ktorá obnovuje koenzým NADPH a produkuje pentózy, ako je ribóza, cukrová zložka nukleových kyselín. Tuky sa počas hydrolýzy katabolizujú na voľné mastné kyseliny a glycerol. Glycerín vstupuje do glykolýzy a mastné kyseliny sa štiepia beta-oxidáciou a uvoľňujú acetyl-CoA, ktorý sa potom zúčastňuje cyklu kyseliny citrónovej. Mastné kyseliny produkujú pri oxidácii viac energie ako uhľohydráty, pretože uhľohydráty obsahujú viac kyslíka vo svojich štruktúrach. Steroidy sú tiež štiepené určitými baktériami v procese podobnom oxidácii beta, a tento proces štiepenia je spojený s uvoľňovaním významného množstva acetyl-CoA, propionyl-CoA a pyruvátu, ktoré môže bunka použiť na generovanie energie. M. tuberculosis môže tiež rásť na lipidovom cholesterole ako jedinom zdroji uhlíka a gény zapojené do používania cholesterolu (ov) boli schválené ako dôležité v rôznych štádiách životného cyklu infekcie tuberkulózy 13). Aminokyseliny sa používajú buď na syntézu proteínov a iných biomolekúl, alebo sa oxidujú na močovinu a oxid uhličitý ako zdroj energie. Oxidačná cesta začína odstránením aminoskupiny pomocou transaminázy. Aminoskupina vstupuje do močovinového cyklu a zanecháva deaminovaný uhlíkový skelet vo forme keto kyseliny. Niektoré z týchto keto kyselín sú medziprodukty v cykle kyseliny citrónovej, napríklad deaminácia glutamátu vedie k tvorbe a-ketoglutarátu. Glukogénové aminokyseliny môžu byť tiež konvertované na glukózu pomocou glukoneogenézy.

Transformácia energie

Oxidačná fosforylácia

Počas oxidačnej fosforylácie sa elektróny odstraňujú z organických molekúl v oblastiach, ako je cyklus protagonickej kyseliny, a prenášajú sa na kyslík a uvoľnená energia sa používa na produkciu ATP. V eukaryotoch sa to deje pomocou série proteínov v membránach mitochondrií, ktoré sa nazývajú reťazec prenosu elektrónov. V prokaryotoch sa tieto proteíny nachádzajú vo vnútornej membráne bunky. Tieto proteíny využívajú energiu uvoľňovanú z prechádzajúcich elektrónov zo znížených molekúl, ako je NADH, do kyslíka, aby čerpali protóny cez membránu. 14) Čerpanie protónov z mitochondrií vytvára rozdiel v koncentrácii protónov cez membránu a vytvára elektrochemický gradient. To spôsobuje, že protóny sa pohybujú späť do mitochondrií prostredníctvom bázy enzýmu nazývaného ATP syntáza. Tok protónov spôsobuje rotáciu podjednotky, v dôsledku čoho aktívna oblasť domény syntázy mení tvar a fosforyluje ADP a premieňa ju na ATP.

Energia z anorganických zlúčenín

Chemolitotropia je typ metabolizmu v prokaryotoch, pri ktorých je energia produkovaná oxidáciou anorganických zlúčenín. Tieto organizmy môžu ako zdroje redukčnej schopnosti používať vodík, redukované zlúčeniny síry (ako napríklad sulfid, sírovodík a tiosíran), železo (FeII) alebo amoniak a energiu získanú oxidáciou týchto zlúčenín prijímajú elektrónmi, ako je kyslík alebo dusitany. Tieto mikrobiálne procesy hrajú dôležitú úlohu v globálnych biogeochemických cykloch, ako sú acetogenéza, nitrifikácia a denitrifikácia, a sú rozhodujúce pre úrodnosť pôdy. pätnástich)

Svetelná energia

Energiu slnečného žiarenia využívajú rastliny, cyanobaktérie, purpurové baktérie, baktérie zelenej síry a niektoré protozoá. Tento proces je často spojený s konverziou oxidu uhličitého na organické zlúčeniny ako súčasť fotosyntézy. Systémy na zachytávanie energie a fixáciu uhlíka však môžu fungovať oddelene v prokaryotoch, pretože purpurové baktérie a zelené sírne baktérie môžu využívať slnečné svetlo ako zdroj energie počas prechodu medzi fixáciou uhlíka a fermentáciou organických zlúčenín. 16) V mnohých organizmoch je zachytávanie slnečnej energie v zásade podobné oxidačnej fosforylácii, pretože zahŕňa ukladanie energie vo forme gradientu koncentrácie protónov. Táto protónová hnacia sila potom vedie k syntéze ATP. Elektróny potrebné na fungovanie tohto transportného reťazca elektrónov pochádzajú z proteínov zhromažďujúcich svetlo nazývaných fotosyntetické reakčné centrá alebo rodopsíny. Reakčné centrá sú rozdelené do dvoch typov v závislosti od typu fotosyntetického pigmentu, pričom väčšina fotosyntetických baktérií má iba jeden typ, zatiaľ čo rastliny a cyanobaktérie majú dva. V rastlinách, riasach a siniciach používa fotosystém II energiu svetla na odstránenie elektrónov z vody a uvoľňuje kyslík ako vedľajší produkt. Elektróny sa potom prenášajú do komplexu cytochrómu b6f, ktorý využíva svoju energiu na čerpanie protónov cez tylakoidovú membránu v chloroplastoch. Tieto protóny sa pohybujú späť cez membránu, pretože kontrolujú ATP syntázu, ako predtým. Elektróny potom prechádzajú fotosystémom I a potom sa môžu buď použiť na obnovenie koenzýmu NADP +, na použitie v Calvinovom cykle, alebo môžu byť spracované na ďalšiu generáciu ATP. 17)

anabolizmus

Anabolizmus je skupina konštruktívnych metabolických procesov, pri ktorých sa energia uvoľňovaná katabolizmom používa na syntézu komplexných molekúl. Všeobecne sú komplexné molekuly, ktoré tvoria bunkové štruktúry, vyrobené z malých a jednoduchých prekurzorov. Anabolizmus zahŕňa tri hlavné fázy. Po prvé, výroba prekurzorov, ako sú aminokyseliny, monosacharidy, izoprenoidy a nukleotidy, po druhé, ich aktivácia do chemicky aktívnych foriem pomocou energie z ATP a po tretie, zostavenie týchto prekurzorov do komplexných molekúl, ako sú proteíny, polysacharidy., lipidy a nukleové kyseliny. Rôzne organizmy môžu v bunkách vytvárať rôzne množstvá molekúl. Autotrofy, ako sú rastliny, môžu vytvárať zložité organické molekuly v bunkách, ako sú polysacharidy a proteíny, z jednoduchých molekúl, ako je oxid uhličitý a voda. Heterotrofné organizmy na druhej strane vyžadujú na výrobu týchto komplexných molekúl zdroj zložitejších látok, ako sú monosacharidy a aminokyseliny. Organizmy sa dajú ďalej klasifikovať podľa hlavných energetických zdrojov: fotoautotrofy a fotoheterotrofy prijímajú energiu zo svetla, zatiaľ čo chemoautotrofy a chemoheterotrofy prijímajú energiu z anorganických oxidačných reakcií..

Uhlíková fixácia

Fotosyntéza je syntéza uhľohydrátov zo slnečného svetla a oxidu uhličitého (CO2). V rastlinách, cyanobaktériách a riasach sa fotosyntéza kyslíka rozkladá na vodu a kyslík sa uvoľňuje ako vedľajší produkt. Tento proces využíva ATP a NADPH produkované fotosyntetickými reakčnými centrami, ako je opísané vyššie, na premenu CO2 na glycerol 3-fosfát, ktorý sa potom môže previesť na glukózu. Táto reakcia fixácie uhlíka sa uskutočňuje pomocou enzýmu Rubisco ako súčasti Kelvin-Bensonovho cyklu. V rastlinách existujú tri typy fotosyntézy, fixácia uhlíka C3, fixácia uhlíka C4 a fotosyntéza CAM. Líšia sa v ceste, pri ktorej sa používa oxid uhličitý pre Calvinov cyklus, pričom rastliny C3 priamo fixujú CO2, zatiaľ čo fotosyntéza C4 a CAM najskôr začleňuje CO2 do iných zlúčenín ako zariadenia na zvládanie intenzívneho slnečného svetla a sucha. Vo fotosyntetických prokaryotoch sú mechanizmy viazania uhlíka rôznorodejšie. Tu je možné oxid uhličitý fixovať pomocou Kelvinovho-Bensonovho cyklu, reverzného cyklu kyseliny citrónovej alebo acetyl-CoA karboxylácie. Prokaryotické chemoautotrofy tiež zachytávajú CO2 prostredníctvom Kelvinovho-Bensonovho cyklu, ale na uskutočnenie reakcie využívajú energiu z anorganických zlúčenín. osemnásť)

Sacharidy a glykány

Pri anabolizme uhľohydrátov možno jednoduché organické kyseliny premeniť na monosacharidy, ako je glukóza, a potom ich použiť na zostavenie polysacharidov, ako je napríklad škrob. Tvorba glukózy zo zlúčenín, ako je pyruvát, laktát, glycerín, 3-fosfát glycerát a aminokyseliny, sa nazýva glukoneogenéza. Glukoneogenéza premieňa pyruvát na glukózu-6-fosfát pomocou radu medziproduktov, z ktorých mnohé sú pozorované počas glykolýzy. Táto cesta však nie je len glykolýza tečúca opačným smerom, pretože niekoľko krokov je katalyzovaných neglykolytickými enzýmami. Je to dôležité, pretože vám to umožňuje samostatne regulovať tvorbu a rozklad glukózy a tiež zabraňuje súčasnému toku obidvoch trás v márnom cykle. Aj keď tuk je bežným spôsobom ukladania energie, u stavovcov, ako sú ľudia, mastné kyseliny obsiahnuté v týchto zásobách nemožno konvertovať na glukózu prostredníctvom glukoneogenézy, pretože tieto organizmy nemôžu prevádzať acetyl-CoA na pyruvát; rastliny, na rozdiel od zvierat, majú potrebné enzymatické mechanizmy. Výsledkom je, že stavovce musia po dlhodobom hladovaní produkovať ketónové telá z mastných kyselín, aby nahradili glukózu v tkanivách, ako je mozog, ktoré nemôžu metabolizovať mastné kyseliny. V iných organizmoch, ako sú rastliny a baktérie, sa tento metabolický problém rieši pomocou glyoxylátového cyklu, ktorý obchádza štádiá dekarboxylácie v cykle kyseliny citrónovej a podporuje konverziu acetyl-CoA na oxaloacetát, kde sa môže použiť na produkciu glukózy. Polysacharidy a glykány sa vyrábajú postupným pridávaním monosacharidov s glykozyltransferázou z reaktívneho donora fosfátu cukru, ako je napríklad uridíndifosfát glukóza (UDP glukóza), do akceptora hydroxylovej skupiny na rastúcom polysacharide. Pretože ktorákoľvek z hydroxylových skupín na substrátovom kruhu môže byť akceptorom, vyrobené polysacharidy môžu mať priame alebo rozvetvené štruktúry. Vyrobené polysacharidy môžu mať štrukturálne alebo metabolické funkcie samé osebe alebo môžu byť prenesené do lipidov a proteínov pomocou enzýmov nazývaných oligosacharyl transferázy..

Mastné kyseliny, izoprenoidy a steroidy

Mastné kyseliny sa vyrábajú syntázami mastných kyselín, ktoré polymerizujú a potom redukujú jednotky acetyl-CoA reduktázy. Tieto acylové reťazce v mastných kyselinách sa predlžujú reakčným cyklom, ktorý pridáva acylovú skupinu, obnovuje ju na alkohol, dehydratuje ju na alkénovú skupinu a potom ju znova obnovuje na alkánovú skupinu. Enzýmy biosyntézy mastných kyselín sa delia do dvoch skupín: u zvierat a húb sa všetky tieto syntázy syntázy mastných kyselín vykonávajú pomocou jedného multifunkčného proteínu typu I, zatiaľ čo v rastlinných a bakteriálnych plastidoch jednotlivé enzýmy typu II vykonávajú každý krok týmto spôsobom. Terpény a izoprenoidy predstavujú veľkú triedu lipidov, ktoré zahŕňajú karotenoidy a tvoria najväčšiu triedu prírodných produktov na rastlinnej báze. Tieto zlúčeniny sa tvoria zostavením a modifikáciou jednotiek izoprénu darovaného z reaktívnych prekurzorov izopentenylpyrofosfátu a dimetylallylpyrofosfátu. Tieto prekurzory sa môžu vyrábať rôznymi spôsobmi. U živočíchov a archaebaktérií produkuje mevalonátová dráha tieto zlúčeniny z acetyl-CoA, zatiaľ čo u rastlín a baktérií používa nemevalonátová dráha ako substráty pyruvát a glyceraldehyd-3-fosfát. 19) Jednou z dôležitých reakcií s použitím týchto aktivovaných darcov izoprénu je biosyntéza steroidov. V tomto prípade sa jednotky izoprénu kombinujú, aby vytvorili skvalén, a potom vytvoria skupinu krúžkov na produkciu lanosterolu. Lanosterol sa potom môže previesť na iné steroidy, ako je cholesterol a ergosterol.

veveričky

Organizmy sa líšia svojou schopnosťou syntetizovať 20 bežných aminokyselín. Väčšina baktérií a rastlín dokáže syntetizovať všetkých dvadsať aminokyselín, ale cicavce môžu syntetizovať iba jedenásť neesenciálnych aminokyselín, takže z potravy sa musí získať deväť esenciálnych aminokyselín. Niektoré jednoduché parazity, ako napríklad baktéria Mycoplasma pneumoniae, nie sú vôbec schopné produkovať aminokyseliny a brať ich priamo z hostiteľského organizmu. Všetky aminokyseliny sú syntetizované z medziproduktov glykolýzy, cyklu kyseliny citrónovej alebo pentózofosfátovej dráhy. Dusík je poskytovaný glutamátom a glutamínom. Syntéza aminokyselín závisí od tvorby zodpovedajúcej alfa-keto kyseliny, ktorá sa potom transaminuje za vzniku aminokyseliny. Aminokyseliny sa zhromažďujú do proteínov, ktoré sa navzájom spájajú v reťazci peptidových väzieb. Každý jednotlivý proteín má jedinečnú sekvenciu aminokyselinových zvyškov: je to jeho primárna štruktúra. Rovnako ako písmená abecedy môžu byť kombinované tak, že tvoria takmer nekonečnú paletu slov, aminokyseliny môžu byť spojené v jednej sekvencii alebo inej, čím tvoria obrovskú škálu proteínov. Proteíny sa skladajú z aminokyselín, ktoré boli aktivované väzbou na molekulu RNA nosiča pomocou éterovej väzby. Tento prekurzor aminoacyl tRNA je produkovaný reakciou závislou od ATP s použitím aminoacyl tRNA syntetázy. Táto aminoacyl-tRNA je substrátom pre ribozóm, ktorý sa viaže na aminokyselinu na predĺženom proteínovom reťazci s použitím sekvenčných informácií v messengerovej RNA. dvadsať)

Syntéza nukleotidov

Nukleotidy sa vyrábajú z aminokyselín, oxidu uhličitého a kyseliny mravčej spôsobom, ktorý vyžaduje veľa metabolickej energie. V dôsledku toho má väčšina organizmov účinné systémy na záchranu vopred vytvorených nukleotidov. Puríny sa syntetizujú ako nukleozidy (bázy v ribóze). Adenín a guanín sa vyrábajú z prekurzora nukleozid-inozín-monofosfát, ktorý sa syntetizuje pomocou atómov z aminokyselín glycín, glutamín a kyselina asparágová, ako aj mravčanu prevedeného z tetrahydrofolátu koenzýmu. Na druhej strane sú pyrimidíny syntetizované zo zásaditého orotátu, ktorý sa tvorí z glutamínu a aspartátu. 21)

Xenobiotiká a redoxný metabolizmus

Všetky organizmy sú neustále vystavené zlúčeninám, ktoré nemôžu používať ako jedlo a ktoré môžu byť škodlivé, ak sa hromadia v bunkách, pretože nemajú metabolické funkcie. Tieto potenciálne škodlivé zlúčeniny sa nazývajú xenobiotiká. Xenobiotiká, ako sú syntetické drogy, prírodné jedy a antibiotiká, sú detoxikované radom enzýmov, ktoré metabolizujú xenobiotiká. V ľudskom tele tieto enzýmy zahŕňajú cytochróm P450 oxidázy, UDP-glukuronyltransferázy a glutatión S-transferázu. Tento enzýmový systém pracuje v troch stupňoch, najskôr oxidáciou xenobiotík (fáza I) a potom konjugáciou vo vode rozpustných skupín na molekule (fáza II). Modifikované vo vode rozpustné xenobiotikum sa potom môže prečerpať z buniek a vo viacbunkových organizmoch sa môže ďalej metabolizovať pred jeho odstránením z tela (fáza III). V ekológii sú tieto reakcie obzvlášť dôležité pri mikrobiálnej biologickej degradácii znečisťujúcich látok a pri bioremediácii kontaminovaných pôd a ropných škvŕn. Mnohé z týchto mikrobiálnych reakcií sa pozorujú v mnohobunkových organizmoch, ale v dôsledku neuveriteľnej rozmanitosti mikrobiálnych druhov môžu tieto organizmy čeliť oveľa širšiemu spektru xenobiotík ako mnohobunkové organizmy a môžu tiež rozkladať perzistentné organické znečisťujúce látky, ako sú organochlóry. 22) Problémom aeróbnych organizmov je oxidačný stres. Tu procesy, ktoré zahŕňajú oxidačnú fosforyláciu a tvorbu disulfidových väzieb počas skladania proteínu, produkujú reaktívne druhy kyslíka, ako je peroxid vodíka. Tieto škodlivé oxidanty sa odstraňujú antioxidačnými metabolitmi, ako je glutatión, a enzýmami, ako sú katalázy a peroxidázy..

Termodynamika živých organizmov

Živé organizmy sa musia riadiť zákonmi termodynamiky, ktoré opisujú prenos tepla a prácu. Druhý zákon termodynamiky uvádza, že v akomkoľvek uzavretom systéme nie je možné znížiť množstvo entropie (poruchy). Aj keď sa zdá, že úžasná komplexnosť živých organizmov je v rozpore s týmto zákonom, život je možný, pretože všetky organizmy sú otvorené systémy, ktoré si vymieňajú hmotu a energiu so životným prostredím. Živé systémy teda nie sú v rovnováhe, ale sú disipatívnymi systémami, ktoré udržiavajú svoj stav vysokej zložitosti, čo spôsobuje väčšie zvýšenie entropie ich prostredia. Metabolizmus buniek to dosahuje kombináciou spontánnych procesov katabolizmu v ne spontánnych procesoch anabolizmu. Pokiaľ ide o termodynamiku, metabolizmus udržuje poriadok vytváraním poruchy. 23)

Regulácia a kontrola

Pretože prostredie väčšiny organizmov sa neustále mení, metabolické reakcie sa musia presne regulovať, aby sa v bunkách udržiavala konštantná sústava podmienok, čo je stav nazývaný homeostáza. Metabolická regulácia tiež umožňuje organizmom reagovať na signály a aktívne interagovať so svojím prostredím. Na pochopenie spôsobu regulácie metabolických ciest sú dôležité dva úzko súvisiace koncepty. Po prvé, regulácia enzýmu pozdĺž cesty, keď sa jeho aktivita zvyšuje a znižuje v reakcii na signály. Po druhé, kontrolou tohto enzýmu je účinok, ktorý tieto zmeny majú na všeobecnej úrovni dráhy (tok cez túto cestu). Enzým môže napríklad vykazovať veľké zmeny v aktivite (t. J. Je prísne regulovaný), ale ak tieto zmeny majú malý vplyv na tok metabolickej dráhy, potom sa tento enzým nepodieľa na kontrole dráhy. 24) Existuje niekoľko úrovní metabolickej regulácie. Pri vnútornej regulácii sa metabolická cesta samoreguluje a reaguje na zmeny v hladinách substrátu alebo produktu; Napríklad zníženie množstva produktu môže zvýšiť tok kompenzačnými cestami. Tento typ regulácie často zahŕňa alosterickú reguláciu aktivity niekoľkých enzýmov. Vonkajšia regulácia zahŕňa bunku v mnohobunkovom organizme, ktorá mení jej metabolizmus v reakcii na signály z iných buniek. Tieto signály sú zvyčajne vo forme rozpustných poslov, ako sú hormóny a rastové faktory, a sú detegované špecifickými receptormi na povrchu bunky. Potom sa tieto signály prenášajú vo vnútri bunky pomocou sekundárnych prenosových systémov, ktoré sa často podieľajú na fosforylácii proteínov. Veľmi dobrým príkladom vonkajšej regulácie je regulácia glukózového metabolizmu hormónom inzulínom. Inzulín sa vytvára ako reakcia na zvýšenie hladiny glukózy v krvi. Väzba hormónu na inzulínové receptory na bunkách potom aktivuje kaskádu proteínkináz, ktoré spôsobujú, že bunky prijímajú glukózu a premieňajú ju na ukladacie molekuly, ako sú mastné kyseliny a glykogén. Glykogénový metabolizmus je riadený fosforylázovou aktivitou, enzýmom, ktorý štiepi glykogén a glykogénsyntázou, enzýmom, ktorý ho produkuje. Tieto enzýmy sú vzájomne regulované, zatiaľ čo fosforylácia inhibuje glykogénsyntázu, ale aktivuje fosforylázu. Inzulín vyvoláva syntézu glykogénu aktiváciou proteínovej fosfatázy a znižuje fosforyláciu týchto enzýmov.

vývoj

Centrálne metabolické cesty opísané vyššie, ako je glykolýza a cyklus kyseliny citrónovej, sú prítomné vo všetkých troch kráľovstvách živých bytostí a boli prítomné v poslednom spoločnom predku. Táto univerzálna generická bunka bola prokaryotická a pravdepodobne metanogénna, ktorá mala rozsiahly metabolizmus aminokyselín, nukleotidov, uhľohydrátov a lipidov. Zachovanie týchto starodávnych ciest počas neskorého vývoja môže byť dôsledkom skutočnosti, že tieto reakcie boli najlepším riešením ich špecifických metabolických problémov, zatiaľ čo dráhy, ako je napríklad glykolýza a cyklus kyseliny citrónovej, vyrábajú svoje konečné produkty s vysokou účinnosťou a minimálnym množstvom stupňa. Prvé metabolické dráhy založené na enzýmoch mohli byť súčasťou metabolizmu purínových nukleotidov, zatiaľ čo predchádzajúce metabolické cesty boli súčasťou starovekej RNA. Bolo navrhnutých mnoho modelov na opis mechanizmov, pomocou ktorých sa vyvinuli nové metabolické dráhy. Zahŕňajú postupné pridávanie nových enzýmov do krátkeho pôrodného kanála, duplikáciu a potom divergenciu celých ciest, ako aj výber existujúcich enzýmov a ich zostavenie do novej reakčnej cesty. Relatívny význam týchto mechanizmov zostáva nejasný, ale genomické štúdie ukázali, že enzýmy v dráhe pravdepodobne zdieľajú spoločný rodokmeň, čo naznačuje, že mnoho dráh sa vyvíjalo krok za krokom s novými funkciami vytvorenými z existujúcich krokov dráhy. Alternatívny model je založený na štúdiách, ktoré sledujú vývoj proteínových štruktúr v metabolických sieťach, čo naznačuje, že enzýmy sú všadeprítomné a požičiavajú si enzýmy, aby vykonávali podobné funkcie v rôznych metabolických dráhach. Tieto náborové procesy vedú k evolučnej enzymatickej mozaike. Treťou možnosťou je, že môžu existovať niektoré časti metabolizmu, ako napríklad „moduly“, ktoré sa dajú opätovne použiť rôznymi spôsobmi a vykonávať podobné funkcie na rôznych molekulách. Rovnako ako vývoj nových metabolických ciest, aj vývoj môže viesť k strate metabolických funkcií. Napríklad v niektorých parazitoch sa metabolické procesy, ktoré nie sú potrebné na prežitie, stratia a predformované aminokyseliny, nukleotidy a uhľohydráty sa môžu z hostiteľa odstrániť. Podobné znížené metabolické schopnosti sa pozorujú u endosymbiotických organizmov. 25)

Výskum a manipulácia

Metabolizmus sa zvyčajne študuje v redukcionistickom prístupe, ktorý sa zameriava na jednu cestu metabolizmu. Obzvlášť dôležité je použitie rádioaktívnych značiek v celom tele, tkanivách a na bunkovej úrovni, ktoré určujú cestu od prekurzorov ku konečným produktom identifikáciou rádioaktívne označených medziproduktov a iných produktov. Enzýmy, ktoré katalyzujú tieto chemické reakcie, sa môžu potom purifikovať a môže sa skúmať ich kinetika a reakcia na inhibítory. Paralelný prístup spočíva v identifikácii malých molekúl v bunke alebo tkanive; kompletná skupina týchto molekúl sa nazýva metabolom. Tieto štúdie vo všeobecnosti poskytujú dobrú predstavu o štruktúre a funkcii jednoduchých metabolických ciest, ale nie sú dostatočné, keď sa uplatňujú na zložitejšie systémy, ako je metabolizmus celej bunky. 26) Teraz je možné použiť tieto genomické údaje na rekonštrukciu úplných sietí biochemických reakcií a vytvorenie súdržnejších matematických modelov, ktoré môžu vysvetliť a predpovedať ich správanie. Tieto modely sú zvlášť účinné, keď sa používajú na integráciu údajov o dráhach a metabolite získaných pomocou klasických metód s údajmi o génovej expresii proteomických štúdií a štúdií DNA microarray. Pomocou týchto metód sa vytvára model ľudského metabolizmu, ktorý bude usmerňovať budúce objavy nových liekov a biochemické štúdie. Tieto modely sa v súčasnosti používajú v sieťovej analýze na klasifikáciu ľudských chorôb do skupín, ktoré zdieľajú proteíny alebo metabolity. 27) Bakteriálne metabolické siete sú hlavným príkladom organizácie typu „bow-tie“, architektúry schopnej zaviesť širokú škálu živín a produkovať širokú škálu produktov a komplexných makromolekúl s použitím relatívne malého počtu medziproduktov. Hlavnou technologickou aplikáciou týchto informácií je metabolické inžinierstvo. Tu sú organizmy, ako sú kvasinky, rastliny alebo baktérie, geneticky modifikované, čo ich robí užitočnejšími v biotechnológii a prispieva k výrobe liekov, ako sú antibiotiká alebo priemyselné chemikálie, ako je 1,3-propándiol a kyselina shikimová. Tieto genetické modifikácie sú zvyčajne zamerané na zníženie množstva energie použitej na výrobu produktu, zvýšenie množstva produkcie a zníženie produkcie odpadu.

príbeh

Termín „metabolizmus“ pochádza z gréckeho Μεταβολισμός - „Metabolismos“, čo znamená „zmena“ alebo „puč“. Prvé zdokumentované odkazy na metabolizmus uviedol Ibn al-Nafis vo svojej práci z roku 1260 nl s názvom Al-Risalah al-Kamiliyyah fil Siera al-Nabawiyyah (Kamilovo pojednanie o biografii Proroka), ktoré obsahovalo nasledujúcu vetu: „telo aj „jej časti sú v stálom stave rozpustenia a výživy, takže nevyhnutne podliehajú neustálym zmenám.“ História vedeckého štúdia metabolizmu siaha niekoľko storočí a siaha od štúdia celých zvierat v počiatočných štúdiách až po zváženie jednotlivých metabolických reakcií v modernej biochémii. Prvé kontrolované experimenty s metabolizmom ľudí publikoval Santorio v roku 1614 vo svojej knihe Ars de statica Medicina. Popísal, ako sa vážil pred a po jedle, spánku, práci, sexu, pôste, pití a ísť na záchod. Zistil, že väčšina jedla, ktoré jedol, sa stratila počas procesu, ktorý nazval „nepostrehnuteľné potenie“. V týchto skorých štúdiách neboli identifikované mechanizmy týchto metabolických procesov a verilo sa, že životná sila revitalizuje živé tkanivo. V 19. storočí pri štúdiu fermentácie cukru na alkohol kvasinkami Louis Pasteur dospel k záveru, že fermentácia bola katalyzovaná látkami v kvasinkových bunkách, ktoré nazval „enzýmy“. Napísal, že „fermentácia alkoholu súvisí so životom a organizáciou kvasinkových buniek a nie so smrťou alebo rozpadom buniek“. Tento objav, spolu s prácou Friedricha Wöhlera z roku 1828 o chemickej syntéze močoviny, sa vyznačuje skutočnosťou, že ide o prvú organickú zlúčeninu získanú z úplne anorganických prekurzorov. To dokázalo, že organické zlúčeniny a chemické reakcie v bunkách sa v zásade nelíšia od žiadnej inej časti chémie. Objav enzýmov na začiatku 20. storočia, ktorý vypracoval Eduard Buchner, oddeľoval štúdium chemických metabolických reakcií od biologického skúmania buniek a tiež znamenal vznik biochémie. Biochemické poznatky sa v prvej polovici 20. storočia rýchlo zvyšovali. Jedným z najplodnejších biochemikov tej doby bol Hans Krebs, ktorý obrovsky prispel k štúdiu metabolizmu. 28) Otvoril cyklus močoviny a neskôr pracoval s Hansom Kornbergom, cyklom kyseliny citrónovej a cyklom glyoxylátu. Moderné biochemické štúdie významne prispeli k vývoju nových metód, ako sú chromatografia, röntgenová difrakcia, NMR spektroskopia, rádioizotopové značenie, elektrónová mikroskopia a modelovanie molekulovej dynamiky. Tieto metódy umožnili objavenie a podrobnú analýzu mnohých molekúl a metabolických ciest v bunkách..

Prečítajte Si O Diabete Rizikových Faktoroch