مقدمه ای بر بیوشیمی
درس 6
متابولیسم
اهداف متابولیسم
بدست آوردن انرژی شیمیایی توسط گرفتن انرژی خورشید یا تجزیه مواد مغذی پرانرژی از محیط
تبدیل مولکولهای مواد مغذی به مولکولهایی که خاص سلول هستند شامل مواد پیش ساز و ماکرومولکولها
پلیمریزاسیون مواد پیش ساز مونومری به ماکرومولکولها (پروتئینها، اسیدهای هسته ای و پلی ساکاریدها)
سنتز و تجزیه مولکولهای زیستی مورد نیاز برای عملکردهای خاص سلولی، مانند لیپیدهای غشایی، پیغام رسانهای داخل سلولی و رنگدانه ها.
گردش دی اکسید کربن و اکسیژن بین حوزه های اتوتروفیک/فتوسنتزی و هتروتروفیک
گردش ازت در زیست کره
تعریف متابولیسم
متابولیسم کل مجموعه تبدیلات شیمیایی است که از طریق مسیرهای متابولیکی در یک سلول یا موجود رخ می دهد
مسیرهای متابولیکی سلسله واکنشهای کاتالیز شده توسط آنزیم هستند که در هر یک از این واکنشها تغییر بخصوص و کوچکی مانند حذف، اضافه شدن یا انتقال یک اتم یا گروه عاملی رخ می دهد.
به ترکیبات واسطه ای و محصولات در مسیرهای متابولیکی متابولیت گفته می شود.
تعریف کاتابولسیم
کاتابولسیم مرحله تجزیه ای در متابولیسم است که در آن مولکولهای مغذی آلی (کربوهیدراتها، چربی ها و پروتئینها) به محصولات نهایی کوچکتر و ساده تر مانند اسید لاکتیک، دی اکسید کربن و آمونیاک تبدیل می شوند.
مسیرهای کاتابولیکی منجر به آزادسازی انرژی می شوند. قسمتی از این انرژی به شکل ATP و حاملهای الکترون احیاء شده (NADH, NADPH, FADH2) نگهداری می شود و بقیه بصورت حرارت از دست می رود.
تعریف آنابولیسم
در آنابولیسم (یا بیوسنتز) مواد پیش ساز کوچک و ساده به مولکولهای پیچیده تر و بزرگتر مانند لیپیدها، پلی ساکاریدها، پروتئینها و اسیدهای هسته ای تبدیل می شوند.
واکنشهای آنابولیکی نیاز به انرژی دارند. این انرژی معمولا به شکل پتانسیل انتقال گروه فسفریل در ATP و قدرت احیاء کنندگی NADH، NADPHو FADH2 است.
رابطه انرژی بین مسیرهای کاتابولیکی و آنابولیکی
فرمهای مسیرهای متابولیکی
خطی
تبدیل یک ماده اولیه به یک محصول متابولیکی
شاخه دار
تبدیل یک ماده اولیه به چند محصول متابولیکی
تبدیل چند ماده اولیه به یک محصول متابولیکی
چرخه ای
یک جزء آغازگر مسیر توسط یک سری واکنش که یک جزء آغازگر دیگر را به محصول تبدیل می کند مجددا تولید می شود.
همگرا (مسیرهای کاتابولیکی)
واگرا (مسیرهای آنابولیکی)
سه نوع مسیر متابولیکی غیرخطی
اکثر سلولها حاوی آنزیمهایی برای هم بیوسنتز و هم تجزیه مولکولهای زیستی مهم (مثلا اسیدهای چرب) هستند.
سوال این است که چطور یک سلول جلوی تولید و تجزیه همزمان مولکولهای زیستی مهم را می گیرد؟
جواب:
زمانیکه یک مسیر فعال است مسیر دیگر بازداشته می شود
چطور؟
حداقل یک آنزیم در مسیر بیوسنتز و تجزیه با هم متفاوت است.
واکنش از نظر ترمودینامیکی به یک سمت تمایل خیلی بیشتری دارد.
مسیرهای کاتابولیکی و آنابولیکی در بخشهای مختلف سلول انجام می گیرند. مثلا کاتابولیسم اسیدهای چرب در میتوکندری انجام می شود در حالیکه سنتز اسیدهای چرب در cytosol رخ می دهد. در نتیجه غلظت مواد واسطه ای، انزیمها و تنظیم کنندها می تواند متفاوت باشد.
روشهای تنظیم متابولیسم
توسط تنظیم غلظت سوبسترا
توسط تنظیم فعالیت یا تولید آنزیم از طریق ترکیبات واسطه ای متابولیسم یا کوآنزیم ها مثل اسیدهای آمینه یا ATP
انواع واکنشها در متابولیسم
Oxidation-reduction reactions
Reactions that make or break carbon-carbon bonds
Internal rearrangements, isomerizations and eliminations
Group transfer reactions
Free radical reactions
نقش اساسی ATP در متابولیسم
هیدرولیز ATP در دو مرحله صورت می گیرد
انتقال الکترون در واکنشهای اکسیداسیون-احیاء
در واکنشهای اکسیداسیون احیاء یک ماده شیمیایی الکترون از دست می دهد و در نتیجه اکسید می شود و یک ماده شیمیایی دیگر الکترون بدست می آورد و در نتیجه احیاء می وشود.
جریان الکترون در واکنشهای اکسیداسیون احیاء مستقیما یا غیرمستقیم مسئول تمام کاری است که توسط سلولهای زنده انجام می گیرد.
منابع الکترون برای سلولهای زنده
سلولهای غیرفتوسنتزی:
ترکیبات احیاء شده (مواد مغذی/سوبسترا)
سلولهای فتوسنتزی:
یک ماده شیمیایی تحریک شده توسط جذب ماده شیمیایی
انتقال الکترون در متابولیسم
مسیر انتقال الکترون در متابولسیم پیچیده است.
الکترونها در واکنشهای کاتالیز شده توسط آنزیمها از متابولیتهای واسطه ای مختلف به حاملهای خاص الکترون حرکت می کنند.
حاملهای الکترون سپس الکترونهای خود را به گیرنده هایی با میل ترکیبی بالاتر برای الکترون می دهند.
سلولهای داری مبدلهای انرژی مولکولی مختلف هستند که انرژی حرکت الکترون را به کار مفید تبدیل می کنند.
چطور جریان الکترون ایجاد کار می کند
استفاده از جریان الکترون برای ایجاد کار در سلولهای زنده شبیه به استفاده از جریان الکترون (الکتریسیته) برای ایجاد کار در مثلا یک موتور برقی یا یک لامپ است.
مثال: باتری :
در یک باتری دو ماده شیمیایی که دراری تمایل متفاوتی برای ترکیب با الکترون هستند حضور دارند. اگر این دو ماده از طریق یک مدار به هم وصل شوند بخاطر تمایل ت متفاوت این دو ماده برای ترکیب با الکترون، الکترون از یک ماده به ماده دیگر جریان می یابد. به این تفاوت در تمایل به ترکیب با الکترون می گویند: electromotive force (emf)
اگر مبدل انرژی مناسبی حضور داشته باشد می توان از emf برای ایجاد کار استفاده کرد.
ایجاد کار توسط جریان الکترون در سلولهای زنده
زمانیکه گلوکز بصورت آنزیمی اکسید می شود الکترونهای آزاد شده خود به خود از طریق یک مجموعه مواد واسطه ای حامل الکترون به یک ماده شیمیایی دیگر ، مانند اکسیژن، جریان می یابند.
این جریان الکترون انرژی زا است زیرا ،در مقایسه با مواد واسطه ای حامل الکترون، اکسیژن تمایل بیشتری برای ترکیب با اکسیژن دارد.
Emf ایجاد شده انرژی برای انواع مبدلهای انرژی مولکولی (آنزیمهای و پروتئینهای دیگر) که کار زیستی می کنند تامین می کند.
مثال: آنزیم ATP synthase از emf برای سنتز شیمیایی ATP از ADP و Pi استفاده می کند.
اصول واکنشهای اکسیداسیون-احیاء
دو نصف واکنش اکسیداسیون احیاء معمولا جداگانه در نظر گرفته می شوند:
Fe2++Cu2+↔ Fe3++Cu+
(1) Fe2+ ↔ Fe3++e-
(2) Cu2+ + e- ↔ Cu+
Conjugate redox pair
reducing agent/reductant
Oxidising agent/oxidant
حالت اکسیداسیون ترکیبات مختلف کربنی
4 حالت انتقال الکترون از یک ماده به ماده دیگر در سلولهای زنده
مستقیما بصورت الکترون
مثال: جفت اکسیداسیون احیاء ((redox pair Fe2+/Fe3+ می تواند یک الکترون به جفت اکسیداسیون احیاء Cu2+/Cu+ منتقل کند.
بصورت اتمهای هیدروژن
مثال:
AH2 (electron donor) ↔ A (electron acceptor) + 2e- +2H+
بصورت یونهای هیدرید که دارای 2 الکترون و یک پروتون هستند.
مثال واکنشهای کاتالیز شده توسط آنزیمهای دی هیدروژناز مرتبط با NAD :
AH2 + NAD+ A + NADH + H+
از طریق ترکیب مستقیم با اکسیژن
مثال:
R-CH3 (electron donor) + 1/2O2 (electron acceptor) R-CH2-OH
Reduction Potentials
When two conjugate redox pairs are together in solution, electron transfer from the electron donor of one pair to electron acceptor of the other may proceed spontaneously.
The tendency for such a reaction depends on the relative affinity of the electron acceptor of each redox pair for electrons.
The standard reduction potential, E°, is a measure of this affinity.
Determination of E°
The standard of reference
is the half-reaction:
H+ + e- ½ H2
The electrode at which this
half-reaction occurs (half-cell)
is arbitrarily assigned a E° of 0 V
E° is at pH=0 and concentration of 1M.:
Determination of Free-Energy Change from Standard Reduction Potentials
ΔG= -nJ ΔE
Universal Electron Carriers-NAD and NADP
NAD+ + 2e- +2H+ NADH + H+
Universal Electron Carriers-FAD and FMN
کاتابولیسم
کاتابولیسم کربن
کاتابولیسم گلوکز
کاتابولیسم قندهای دیگر
…….
مسیرهای مهم مصرف گلوکز
مرحله اول گلیکولیز
مرحله دوم گلیکولیز
Feeder Pathways for Glycolysis
Three possible catabolic fates of the pyruvate formed in glycolysis
Fate of Pyruvate Under Anaerobic Conditions: Lactic Acid Fermentation
Fate of Pyruvate Under Anaerobic Conditions: Ethanol Fermentation
Pentose Phosphate Pathway of Glucose Oxidation
Nonoxidative pathways of the pentose phosphate pathway
Catabolism of proteins, fats and carbohydrates in the three stages of cellular respiration
Reactions of the citric acid cycle
Products Of One Turn Of The Citric Acid Cycle
Respiration
Aerobic respiration
Where the terminal electron acceptor is an oxygen molecule
Anaerobic respiration
Where the terminal electron acceptor is a compound containing oxygen such as nitrate, fumarate or sulphate
Characteristic of many facultative anaerobic bacteria, in absence of oxygen and the presence of the alternative electron acceptors and some strictly anaerobic bacteria such as the sulphate reducing bacteria
Is the yield of energy higher for anaerobic or aerobic respiration? Why?
Is the yield of energy higher for anaerobic respiration or fermentation? Why?
Biosynthesis
Low-molecular weight compounds
Amino acids
Precursors: Several intermediates of the glycolytic (3-phophoglycerate, phosphoenolpyruvate), PP (erythrose-4-phosphate) pathways and TCA cycle (oxaloacetate, 2-oxoglutarate) +pyruvate and acetyl co-A
Lipids
Precursors: glycerol (from a branch of EMP pathway), fatty acids (from acetyl-CoA)…
Biosynthesis
Macromolecules
Polysaccharides
Deoxyribonucleic acids
Ribonucleic acids and proteins