1 Metabolizm

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

3 Sposoby pozyskiwania energii przez organizmy

4 Uproszczony schemat głównych szlaków metabolicznych

5 Katabolizm u chemoheterotrofówOgólny schemat katabolizmu

6 Cykl Krebsa

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

8 Bilans masowy utleniania glukozy przez drożdżew warunkach beztlenowych i tlenowych

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

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

11 Katabolizm alternatywnych źródeł węglakwasy tłuszczowe

12 Katabolizm alternatywnych źródeł węglaaminokwasy

13 Katabolizm alternatywnych źródeł węglawęglowodory aromatyczne

14 Reakcje przyswajania źródeł azotu1 – dehydrogenaza glutaminianowa 2 – syntetaza glutaminy 3 - transaminaza L-glutamina: 2-oksoglutaran

15 Anabolizm - biosyntezaAnabolizm pierwotny i wtórny

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

17 Etapy ekspresji genu

18 Regulacja ekspresji genu przez białka regulatorowe

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

20 Regulacja ekspresji genów operonu lac

21

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

23

24 Oddziaływanie enzym: substratTeoria wzbudzonego dopasowania Teoria klucza i zamka

25 Enzymy obniżają energię aktywacji układu

26 Enzym wiążąc substrat przyjmuje konformacjękomplementarną do stanu przejściowego

27

28 Regulacja aktywności enzymów1. Enzymy regulatorowe – regulacja allosteryczna 2. Kowalencyjna modyfikacja enzymów 3. Kompleksy wieloenzymowe

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

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

31 Fosforylacja i defosforylacja enzymówInaktywacja centrum aktywnego dehydrogenazy izocytrynianowej w wyniku fosforylacji Ser113

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