Streszczenie wątku - Podsumowanie wątku 4

R1XXVK2Q789BQ

Streszczenie wątku 4

Podstawy metabolizmu

Cechy przemian metabolicznych

Metabolizm to całokształt przemian chemicznych zachodzących w komórkach wraz z towarzyszącymi im przemianami energetycznymi.
Procesy wchodzące w skład metabolizmu dzieli się na: anabolizm i katabolizm.

R1S7SBHKDROZJ

Grafika przedstawia wykres obrazujący zależność poziomu energii zawartej w związku (oś y) od rodzaju procesu (oś x). Wykres ma kształt paraboli z ramionami zwróconymi w dół. Pierwsza połowa paraboli obrazuje przemiany energii w procesach endoergicznych, w anabolizmie. U podstawy pierwszej połowy wykresu znajduje się napis "związki proste", a u szczytu, czyli w połowie paraboli znajduje się napis "związki złożone". W kierunku tej połowy wykresu skierowane są trzy strzałki podpisane jako "kumulowanie energii". Druga połowa paraboli obrazuje przemiany energii w procesach egzoergicznych, w katabolizmie. Biegnie ona od szczytu opisanego jako "związki złożone" w dół aż do osi x, gdzie znajduje się napis "związki proste". W kierunku tej połowy wykresu skierowane są trzy strzałki podpisane jako "uwalnianie energii". — Przemiany energii w reakcjach anabolicznych i katabolicznych.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Procesy anaboliczne i kataboliczne są zwykle wieloetapowe i mają postać: szlaków metabolicznych i cykli metabolicznych.

R1ESHB7SBL82B

Schemat przedstawia szlak metaboliczny. Zapis w szeregu jest następujący: S strzałka w prawo, nad strzałką E1. A strzałka w prawo, nad strzałką E2. B strzałka w prawo, nad strzałką E3. C strzałka w prawo, nad strzałką E4. D strzałka w prawo, nad strzałką E5. E strzałka w prawo, nad strzałką E6. P. — Szlak metaboliczny. Symbol „S” oznaczona substrat, natomiast „P” produkt. Enzymy katalizujące kolejne przemiany oznaczono symbolami od „E1” do „E6”. Produkty pośrednie będące substratami dla następnych reakcji oznaczono symbolami od „A” do „E”.
Źródło: Englishsquare Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R1D3AU8CHN5BH

Schemat przedstawia cykl metaboliczny. Zapis jest następujący. E strzałka w prawo, nad strzałką E1, dodatkowo nad strzałką S. A strzałka w prawo, nad strzałką E2. B strzałka w prawo, nad strzałką E4. Od B w bok strzałka w prawo do P, nad strzałką E3. Od B dalej w cyklu strzałka w prawo do C, nad strzałką E4. C strzałka w prawo, nad strzałką E5. D strzałka w prawo, nad strzałką E6. E, cykl powtarza się. — Cykl metaboliczny. Symbol „S” oznaczona substrat, natomiast „P” produkt. Enzymy katalizujące kolejne przemiany oznaczono symbolami od „E1”do „E6”. Produkty pośrednie będące substratami dla następnych reakcji oznaczono symbolami od „A” do „E”.
Źródło: Englishsquare Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

ATP - przenośnik energii w komórce

Przypomnij sobie informacje o tym, czym jest ATP, jak jest zbudowane, jak uwalniana jest z niego energia i do czego jest ona wykorzystywana.

RCFL22TVUSLDD

ATP – uniwersalny przenośnik energii w komórce.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Na podstawie filmu powtórz informacje o sposobach syntezy ATP w komórce.

RTDKOZCCGN7K7

Sposoby syntezy ATP w komórce.
Źródło: reż. Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Przenoszenie energii w reakcjach redoks

W reakcjach redoks, substancja, która oddaje elektrony nazywana jest reduktorem, natomiast substancja, która przyjmuje elektron, to utleniacz. Ponieważ reduktor traci elektrony, sam podlega utlenieniu, natomiast utleniacz zyskując elektron podlega redukcji.

ROQ375P14PACC

Grafika przedstawia przebieg reakcji niekontrolowanej oraz przebieg oddychania komórkowego. Przykładem reakcji niekontrolowanej jest tu synteza cząsteczki wody. Cząsteczka wodoru łączy się z tlenem, w wyniku czego powstaje cząsteczka wody. Energia swobodna (G) maleje podczas tej reakcji, a w jej wyniku następuje wybuchowe uwolnienie energii cieplnej i świetlnej. W przypadku oddychania komórkowego jony wodoru pochodzące z pokarmu, za pośrednictwem NADH oddają elektrony, które następnie przechodzą przez łańcuch oddechowy, w wyniku zachodzi kontrolowane uwalnianie energii potrzebnej do syntezy ATP oraz synteza ATP. Następnie elektrony te wraz z jonami wodoru i tlenem tworzą cząsteczkę wody. — Schematyczne przedstawienie reakcji redoks.
Źródło: Englishsquare sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Aby procesy utleniania i redukcji mogły zachodzić sprawnie i kontrolowanie, komórki wykorzystują uniwersalne przenośniki elektronów i protonów, takie jak:

Forma utleniona	Forma zredukowana	Przykładowe procesy
NADIndeks górny +	NADH + HIndeks górny +	oddychanie komórkowe
FAD	FADHIndeks dolny 2	oddychanie komórkowe
NADPIndeks górny +	NADPH + HIndeks górny +	fotosynteza

Przenośniki te pełnią rolę tymczasowych magazynów energii – przenoszą elektrony i protony do miejsc, gdzie mogą one zostać wykorzystane, np. w fosforylacji oksydacyjnej i fotosyntetycznej podczas odpowiednio, oddychania tlenowego (na wewnętrznej błonie mitochondriów) i fotosyntezy (w błonach tylakoidów gran).

Enzymy - katalizatory reakcji metabolicznych

Budowa i działanie enzymów

Enzymy to biologiczne katalizatory, które przyspieszają reakcje chemiczne (nie przesuwają stanu równowagi reakcji).

Wyróżnia się enzymy proste które są białkami prostymi oraz złożone. Enzymy złożone składają się z części białkowej – apoenzymu – oraz składnika niebiałkowego (kofaktora): koenzymu (luźno związanego) lub grupy prostetycznej (trwale związanego).

Enzymy cechują się specyficznością, co oznacza, że każdy enzym katalizuje tylko jedną konkretną reakcję i działa na określony substrat. Miejsce wiązania się enzymu do substratu nazywa się centrum aktywnym.

Kataliza enzymatyczna to proces, w którym enzym przyspiesza reakcję chemiczną przez obniżenie energii aktywacji.

R1KVKQOQ2VL8C

Wykres przedstawia różnicę w przebiegu reakcji katalizowanej i niekatalizowanej. Oś X opisana jest: przebieg reakcji a oś Y opisana: Energia. Reakcja katalizowana jest na wykresie oznaczona niebieską krzywą. Reakcja niekatalizowana krzywą czerwoną. Początek obu osi jest podpisany: Substraty a złączone końce: produkty. Czerwony wykres zaczyna się w tym samym miejscu co wykres niebieski w połowie osi Y oraz kończy wspólnie z wykresem niebieskim poniżej początku obu wykresów. Środkowa część obu wykresów jest wzniesiona w górę, z tym że reakcja niekatalizowana ma znacznie wyższe wzniesienie niż katalizowana. Dzięki udziałowi katalizatora, osiągnięcie stanu równowagi jest prostsze, a energia aktywacji reakcji z udziałem enzymu jest o połowę niższa niż w przypadku reakcji niekatalizowanej. To znaczy bez udziału enzymu. — Obniżenie energii aktywacji przez enzym
Źródło: Karol Głąb, Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 3.0.

W reakcji enzymatycznej wyróżnia się kilka etapów: (1) Związanie się enzymu z substratem i wytworzenie kompleksu enzym‑substrat, (2) Przekształcenie substratu do produktu i wytworzenie kompleksu enzym‑produkt, (3) Uwolnienie produktu i odzyskanie przez enzym gotowości do kolejnej reakcji.

R1M1OU9CEMGUP

Schemat przedstawiający ideę modelu indukowanego dopasowania. Zakłada ona, że grupy aminokwasów, które tworzą centrum aktywne, podlegają ciągłej rearanżacji przestrzennej. W ten sposób dopasowują swoją pozycję do wiązanego substratu, co umożliwia proces katalizy. Enzym degraduje substrat. Dany związek zostaje rozłożony. Substrat łączy się z centrum aktywnym enzymu. Centrum aktywne to ta część cząsteczki enzymu, która jest bezpośrednio zaangażowana w reakcję chemiczną. Kształt substratu i miejsce aktywne enzymu pasują do siebie jak klucz do zamka. Oba kształty uważane są za sztywne i pasują do siebie idealnie. Substrat to substancja chemiczna ulegająca przekształceniu w czasie reakcji chemicznej, to połączone półkole i trójkąt koloru zielonego. Powstaje kompleks enzym substrat. Enzym nieznacznie zmienia kształt podczas wiązania substratu. Produkty opuszczają centrum aktywne enzymu. W tym nietrwałym stanie przejściowym następuje przekształcenie substratów i powstanie produktów reakcji. Na schemacie produkty reakcji to półkole i trójkąt. Centrum aktywne enzymu to część kolistej cząsteczki z pustym miejscem na półkole i trójkąt. — Schemat przedstawiający ideę modelu indukowanego dopasowania. Zakłada ona, że grupy aminokwasów, które tworzą centrum aktywne, podlegają ciągłej rearanżacji przestrzennej i w ten sposób dopasowują swoją pozycję do wiązanego substratu, co umożliwia proces katalizy.
Źródło: Karol Głąb (zmodyfikowano), Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 3.0.

Aktywność enzymów

Czynnikami wpływającymi na aktywność enzymów są:

Temperatura

Temperatura wpływa na szybkość reakcji enzymatycznej – wraz ze wzrostem temperatury aktywność enzymu rośnie, aż do punktu, w którym dochodzi do denaturacji i utraty funkcji białka.

R13T22PR1B4LK

Ilustracja przedstawia wykres zależności aktywności enzymów organizmu człowieka od temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury aktywność enzymów łagodnie wzrasta do osiągnięcia maksymalnej wartości przy 37°C, a następnie gwałtownie spada do zera. Przy 37°C jest zapis optimum, a przy spadku aktywności enzymów napis denaturacja. — Zależność aktywności enzymów organizmu człowieka od temperatury.
Źródło: Szczepan (zmodyfikowano), Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 3.0.

pH środowiska

Optymalne pH dla działania większości enzymów wynosi od 6 do 8; zbyt kwaśne lub zasadowe środowisko może zmieniać strukturę enzymu i jego zdolność do wiązania substratu.

RDTOF81JE482U

Ilustracja przedstawia wykres obrazujący zależność aktywności enzymów (pepsyny, amylazy ślinowej i trypsyny) od pH. Pepsyna ma największą aktywność przy pH 2 (wzrasta od wartości pH 0, najwyższą wartość osiąga przy pH 2 i spada w dół aż do wartości pH 4), amylaza ślinowa przy pH 7 (wzrasta od wartości 4,5 pH, najwyższą wartość osiąga przy pH 7 i spada w dół aż do wartości pH 9), a trypsyna przy pH 8,5 (wzrasta od wartości pH 6 najwyższą wartość osiąga przy pH 8,5 i spada w dół aż do wartości pH 10). — Wykres przedstawiający zależność szybkości reakcji enzymatycznej od wartości pH dla wybranych enzymów przewodu pokarmowego człowieka.
Źródło: Wikimedia Commons, domena publiczna.

Stężenie enzymu

Stężenie enzymu również wpływa na tempo reakcji – im więcej cząsteczek enzymu, tym więcej substratu może być przekształcane jednocześnie.

R9BCCQOVC4ZC3

Ilustracja przedstawia wykres pokazujący wpływ stężenia enzymu na szybkość reakcji enzymatycznej. Zależność ta jest liniowa, na wykresie stężenie enzymu wzrasta proporcjonalnie do szybkości reakcji. Linia obrazująca tą wartość jest prosta i skierowana pod kątem 45 stopni do osi x. — Wpływ stężenia enzymu na szybkość reakcji enzymatycznej.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Stężenie substratu

Stężenie substratu wpływa na szybkość reakcji – początkowo rośnie ona wraz ze wzrostem stężenia, aż do osiągnięcia maksymalnej prędkości (Vₘₐₓ), kiedy enzymy są nasycone.

RSNUM29Z84853

Ilustracja przedstawia tworzenie kompleksów substrat‑enzym w trzech przypadkach – niskiego, średniego i wysokiego stężenia substratu. Niskie stężenie substratu zostało oznaczone literą A. Widoczne jest 5 cząsteczek enzymu i tylko dwie cząsteczki substratu, z których jedna jest przyłączona do cząsteczki enzymu, a jedna wolna. Przy średnim stężeniu substratu oznaczonym literą B widoczne jest 5 cząsteczek enzymu oraz 7 cząsteczek substratu, z czego 3 są związane z cząsteczkami enzymu, a 4 wolne. Na rysunku C z wysokim stężeniem substratu widocznych jest 5 cząsteczek enzymu oraz 19 cząsteczek substratu. Każda cząsteczka enzymu jest związana z cząsteczką substratu. Cząsteczki enzymu są wyobrażone na schemacie jako okrąg z wgłębieniem, a substratu jako niewielki, czerwony punkcik, który wnika w to wgłębienie. — Szybkość reakcji rośnie przy wzroście stężenia substratu aż do zajęcia miejsc aktywnych we wszystkich cząsteczkach enzymu.
Źródło: Masur, Wikimedia Commons, domena publiczna.

REABKZ7RU9OFF

Ilustracja przedstawia wykres pokazujący wpływ stężenia substratu na szybkość reakcji enzymatycznej. Wraz ze wzrostem stężenia substratu szybkość reakcji enzymatycznej początkowo gwałtownie wzrasta, następnie dalszy wzrost szybkości jest coraz łagodniejszy, aż szybkość reakcji osiąga wartość maksymalną i ją utrzymuje. Literami oznaczono etapy: literą A zaznaczono początkowy szybki wzrost szybkości reakcji, literę B umieszczono w połowie maksymalnej szybkości reakcji, a literę C tuż przed osiągnięciem maksymalnej szybkości reakcji. — Wpływ stężenia substratu na szybkość reakcji enzymatycznej. Oznaczenia A, B i C oznaczają sytuacje przedstawione na ilustracji powyżej wykresu.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Stała Michaelisa‑Menten (Kₘ) określa stężenie substratu, przy którym szybkość reakcji enzymatycznej osiąga połowę Vₘₐₓ. Niska wartość Kₘ oznacza wysokie powinowactwo enzymu do substratu.

R14D12Z1K8EZV

Ilustracja przedstawia wykres pokazujący wpływ stężenia substratu na szybkość reakcji enzymatycznych przeprowadzanych przez 2 różne enzymy. Wraz ze wzrostem stężenia substratu szybkość obu reakcji początkowo gwałtownie wzrasta, następnie dalszy wzrost szybkości jest coraz łagodniejszy, aż szybkość reakcji osiąga wartość maksymalną i ją utrzymuje. W przypadku pierwszego z enzymów wykres wzrasta gwałtowniej i szybciej osiąga połowę szybkości maksymalnej oraz szybkość maksymalną. — Krzywa Michaelisa–Menten dla dwóch enzymów. Enzym o niższej stałej K_m ma większe powinowactwo do substratu.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Aktywatory i inhibitory

Aktywatory zwiększają aktywność enzymów, np. poprzez stabilizację ich struktury lub centrum aktywnego.

Inhibitory zmniejszają aktywność enzymów – mogą działać odwracalnie (działają czasowo) lub nieodwracalnie (trwale wiążą się z enzymem).

Inhibicja kompetycyjna polega na tym, że inhibitor współzawodniczy z substratem o miejsce w centrum aktywnym enzymu.

W inhibicji niekompetycyjnej inhibitor wiąże się z enzymem w innym miejscu niż centrum aktywne, zmieniając strukturę enzymu i hamując reakcję, nawet jeśli substrat jest związany.

W inhibicji nieodwracalnej inhibitor wiąże się trwale z centrum aktywnym enzymu czyniąc go niedostępnym dla substratu.

Oddychanie komórkowe

Oddychanie komórkowe (oddychanie wewnątrzkomórkowe, utlenianie biologiczne) to wieloetapowy proces kataboliczny, podczas którego następuje rozkład składników pokarmowych z wydzieleniem energii wykorzystywanej do syntezy ATP. Proces ten zachodzi w każdej żywej komórce, a wytworzone w jego przebiegu ATP umożliwia zachodzenie wszystkich czynności życiowych.

Wyróżnia się trzy rodzaje oddychania komórkowego: tlenowe, beztlenowe oraz fermentacje.

Cecha	Oddychanie tlenowe	Oddychanie beztlenowe	Fermentacja
Substrat oddechowy	np. glukoza	np. glukoza	np. glukoza
Produkty oddychania	COIndeks dolny 2, HIndeks dolny 2O, ATP	COIndeks dolny 2, HIndeks dolny 2O, związek nieorganiczny zredukowany, np. jony azotanowe(III), ATP	związek organiczny, np. etanol, ATP
Ostateczny akceptor elektronów	OIndeks dolny 2	związek nieorganiczny utleniony, np. jony azotanowe(V)	związek organiczny, np. pirogronian
Lokalizacja procesu w komórce	cytoplazma i wpuklenia błony komórkowej/ mitochondrium	cytoplazma i wpuklenia błony komórkowej	cytoplazma
Wydajność energetyczna	bardzo dużo	dużo	niewiele

Etapy oddychania tlenowego

Na podstawie grafiki przypomnij sobie etapy oddychania tlenowego oraz substraty i produkty każdego z nich.

R1S7OOGLTQ8UJ1

Na ilustracji przedstawiony jest ogólny schemat głównych etapów oddychania tlenowego jako przykładu procesu katabolicznego. Pierwszy schemat przedstawia proces glikolizy. Glukoza zmienia się pod wpływem przemian z 2 ATP do 2 ADP, 2 NAD indeks górny + na 2 NADH plus H indeks górny + oraz 4 ADP+Pi na 4 ATP zmienia się w 2 cząsteczki pirogronianu. Ten pirogronian bierze udział w kolejnym procesie, zwanym reakcją pomostową. 2 cząsteczki pirogronianu łącząc się z 2 cząsteczkami koenzymu A pod wpływem przemiany z 2 NAD indeks górny + na 2 NADH + H indeks górny + zmienia się w 2 CO indeks dolny 2 oraz 2 acetylo - COA. Acetylo‑COA wchodzi w tak zwany cykl Krebsa, gdzie zmienia się w szczawiooctan. W tym procesie 2 NAD indeks górny + zmienia się w 2 NADH+H indeks górny +, 2 ADP + Pi w 2 ATP oraz 2 FAD w 2 FADH indeks dolny 2, a 2 NAD indeks górny plus zmienia się w 2 NADH dodać H indeks górny +. Symbole te znajdują się wokół okręgu. 10 NADH + H indeks górny + oraz 2 FADH indeks dolny 2 biorą udział w łańcuchu oddechowym. Pierwszy z tych związków zmienia się w 10 NAD indeks górny + i uwalnia cząsteczki H indeks górny +, podobnie 2 FADH indeks dolny 2, które uwalnia 2 FAD oraz także cząsteczki H indeks górny +. Od każdego z tych związków prowadzi w dół przerywana linia ze znakiem ē. Takie same symbole znajdują się wewnątrz poziomej, niebieskiej linii, wzdłuż której biegnie również przerywana linia zakrzywiająca się ku górze. Na tej linii widoczne jest również pole w kolorze musztardowym, przez które biegnie w górę przerywana linia z dwoma symbolami H indeks górny +. Obie linie przerywane łączą się i prowadzą do symbolu 6 O indeks dolny 2, od którego w bok biegnie strzałka do symbolu 6 H indeks dolny 2 O. Poniżej widnieje białe pole podpisane jako przestrzeń międzybłonowa – w niej znajdują się symbole H indeks górny +. W ten sposób powstaje H indeks dolny 2 O. W białej przestrzeni podpisanej jako matriks mitochondria widnieje symbol 28 ADP+Pi, który przekształca się w 28 ATP.

Ogólny schemat głównych etapów oddychania tlenowego jako przykładu procesu katabolicznego.

Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Fermentacja i inne procesy metaboliczne

Fermentacja

Na podstawie grafiki multimedialnej przypomnij sobie o rodzajach fermentacji i porównaj je z oddychaniem tlenowym.

R1BMQGBL137KH

Zachodzące w komórce beztlenowy katabolizm glukozy (fermentacja mlekowa, fermentacja alkoholowa – w cytoplazmie) oraz katabolizm tlenowy glukozy (glikoliza – w cytoplazmie, a następnie reakcja pomostowa, cykl Krebsa i łańcuch oddechowy – w mitochondrium).

Źródło: Inga Wójtowicz, licencja: CC BY-SA 3.0.

Cecha	Oddychanie tlenowe	Fermentacja
Typ fosforylacji	substratowa, oksydacyjna	substratowa
Warunki	tlenowe	beztlenowe
Umiejscowienie	cytoplazma i mitochondrium	cytoplazma
Umiejscowienie	cytoplazma i mitochondrium	cytoplazma
Etapy	glikoliza, reakcja pomostowa, cykl Krebsa, łańcuch oddechowy	glikoliza, redukcja pirogronianu lub aldehydu octowego
Produkty	COIndeks dolny 2, HIndeks dolny 2O	kwas mlekowy, etanol, COIndeks dolny 2
Zysk energetyczny netto	ok. 32 ATP	2 ATP

Glukoneogeneza i glikogenoliza

Glikogenoliza to proces rozkładu wielocukru zapasowego - glikogenu do glukozy, która wykorzystywana jest jako źródło energii. Proces ten uruchamiany jest np. podczas niewielkiego wysiłku fizycznego lub w sytuacjach krótkotrwałego niedoboru glukozy we krwi (np. w okresie między posiłkami). Zachodzi głównie w wątrobie i mięśniach szkieletowych.

Glukoneogeneza to proces wytwarzania glukozy z niecukrowych substratów, takich jak mleczan, glicerol czy niektóre aminokwasy. Jest szczególnie ważna w czasie długotrwałego głodu lub intensywnego wysiłku fizycznego, gdy zapasy glikogenu są już wyczerpane. Zachodzi głównie w wątrobie.

Wejdź na wyższy poziom

Podsumowanie wątku 4