fotosynteza /oddychanie (utlenianie biologiczne)

Wszystkie materiały tworzone i przekazywane przez Wykładowców NPDN PROTOTO
są chronione prawem autorskim i przeznaczone wyłącznie do użytku prywatnego.
MATERIAŁY
Z KURSU KWALIFIKACYJNEGO
www.prototo.pl
PROCESY BIOLOGICZNE
ANABOLIZM
KATABOLIZM
B. Hucaluk - Pacek
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.
www.prototo.pl
W PROCESACH ANABOLITYCZNTCH I KATABOLITYCZNYCH
NASTĘPUJE ZMIANA POZIOMU ENERGETYCZNEGO
SUBSTRATÓW I PRODUKTÓW.
www.prototo.pl
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.
www.prototo.pl
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)
www.prototo.pl
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.
www.prototo.pl
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.
www.prototo.pl
www.prototo.pl
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.
www.prototo.pl
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.
www.prototo.pl
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
www.prototo.pl
www.prototo.pl
fotosynteza /oddychanie (utlenianie biologiczne)
www.prototo.pl
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
www.prototo.pl
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.
www.prototo.pl
www.prototo.pl
www.prototo.pl
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
www.prototo.pl
produktem jest pochodzący z rozkładu
wody tlen cząsteczkowy.
www.prototo.pl
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-1,5bisfosforan (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
www.prototo.pl
akceptora CO2 (regeneracja).
www.prototo.pl
BARWNIKI FOTOSYNTETYCZNE I ICH
ZNACZENIEBarwniki 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 450 - 600 nm; zaabsorbowana w ten sposób
energia przekazywana jest na chlorofil;
www.prototo.pl
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.
www.prototo.pl
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.
www.prototo.pl
Oddychanie komórkowe
można podzielić na trzy
główne etapy:
*) glikolizę,
*) cykl kwasów karboksylowych
czyli tzw. Cykl Krebsa,
*) łańcuch transportu
elektronów.
www.prototo.pl
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)
www.prototo.pl
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.
www.prototo.pl
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.
www.prototo.pl
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.
www.prototo.pl
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) www.prototo.pl
•
•
•
•
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.
www.prototo.pl
Jak wynika z powyższych
rozważań metabolizm
odgrywa kluczową rolę.
Dzięki ciągle zachodzącym
procesom metabolicznym
możliwe jest utrzymanie
komórki/organizmu przy
życiu.
www.prototo.pl
Podsumowanie
www.prototo.pl
www.prototo.pl
www.prototo.pl
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 1997.
E. P. Salomon, C. A. Ville i inni „Biologia”; MULTICO Oficyna Wydawnicza;
Warszawa 1996.
P. Hoser „Anatomia i fizjologia człowieka”; WSiP; warszawa 1995
A. Rajski „Zoologia” Tom 1 i 2; PWN; Warszawa 1994
www.prototo.pl