Prehrana in metabolizem
• asimilacije
• sinteza monomerov in makromolekul
• fermentacije
• respiracije
• fototrofija
• litotrofija
Funkcijsko spajanje katabolizma, anabolizma in rasti
ADP
ATP
NADP+
NADPH
katabolizem anabolizem rast
proteini, nukleinske kisline, lipidi, membrane, celična stena,......
aminokisline, nukleotidi, sladkorji, maščobne kisline
produktiproteini, maščobe,
ogljikovihidrati
acetil-CoA piruvat PEP, in ostali ključni intermediati
CO2
NTP
NDP
ADP
ATP
Mikroorganizmi glede na potrebe po energiji
fototrofi (uporaba elektromagnetnega valovanja)
kemotrofi (uporaba kemijske energije)
kemoorganotrofi
uporaba organskih spojin
kemolitotrofi
uporaba anorganskih spojin
Mikroorganizmi glede na potrebe po ogljiku
avtotrofi uporaba CO2
heterotrofi uporaba organskih spojin
Ogljik je pri heterotrofih v funkciji donorja elektronov in gradnika
celičnih komponent. Pri avtotrofih je samo gradnik celičnih komponent.
Pri fotoheterotrofih je svetloba vir energije, organska spojina pa je
gradnik celičnih komponent.
Asimilacija ogljika
• asimilacija sladkornih monomerov in dimerov
• asimilacija oligosaharidov
• asimilacija polisaharidov
• asimilacija proteinov in peptidov
• asimilacija nukleinskih kislin
• asimilacija triacilglicerolov in fosfolipidov
• asimilacija aromatskih spojin
Asimilacija ogljika in njegov metabolizem
Glukoza
glukoza-6-P 6-P-glokozalakton 6-fosfoglukonat 2-keto-3-deoksi-6-fosfoglukonat
ksiluloza-5-P eritroza-4-P sedoheptuloza-7-P riboza-5-P
fruktoza-6-P ribuloza-5-P
gliceraldehid-3-P fruktoza-6-P gliceraldehid-3-P ksiluloza-5-P
gliceralaldehid-3-P + dihidroksiacetonfosfat gliceraldehid-3-P gliceraldehid-3-P
+ acetil-P + piruvat
fosfoenolpiruvat
formiat + acetat acetaldehid
piruvat laktat
acetaldehid etanol
acetil-CoA
OAA citrtat 2acetil-CoA α-acetolaktat
malat izocitrat acetoacetat acetoin
acetil-CoA aceton butirat diacetil 2,3-butanediol
fumarat glioksilat oksalsukcinat izopropanol butanol
sukcinat α-ketoglutarat
Asimilacija ogljika in ključni intermediati metabolizma
Vse celične komponente so lahko sintetizirane iz 12 ključnih intermediatov:
glukoza-6-fosfat fosfoenolpiruvat
fruktoza-6-fosfat piruvat
riboza-5-fosfat acetil-CoA
eritroza-4-fosfat α-ketoglutarat
dihidroksiaceton fosfat oksalocetna kislina
gliceraldehid-3-fosfat sukcinil-CoA
Ključni intermediati glikolize pri katabolizmu in anabolizmu
G6P
F6P
FDP
PGALD DHAP
DPGA
3-PGA
2-PGA
PEP
piruvat
amino sladkorji
polisaharidi, pentoze fosfati, aromatske aminokisline
fosfolipidi
serin, glicin, cistein
aromatske aminokisline, muramična kislina
Asimilacija pentoznih sladkorjev
Pred vstopom v centralni metabolizem morajo biti pentoze predhodno
spremenjene do D-ksiluloze-5-P, D-ribuloze-5-P ali D-riboze-5-P.
L-arabinoza L-ribuloza L-ribuloza-5-P
D-ksiloza D-ksiluloza D-ksiluloza-5-P
D-riboza D-riboza-5-P D-ribuloza-5-P
ribitol D-ribuloza
D-arabitol D-ksiluloza
Asimilacija manitola in ostalih heksatiolnih sladkorjev
sorboza
D-glucitol
D-fruktoza
manitol fruktoza-6-P
manitol-1-P
manoza
manoza-6-P
N-acetilglukozamin
glukozaminmanonat-6-P
2-ketoglukonat
ribuloza-5-P
Ti sladkorji so v celico transportirani s pomočjo PEP-PTS sistema. V centralni metabolizem so asimilirani preko fruktoze-6-P ali ribuloze-5-P.
Asimilacija L-fukoze in L-ramnoze
Asimilacija L-fukoze in L-ramnoze zahteva indukcijo več encimov, ki
kodirajo zapis za specifične permeaze, kinaze, izomeraze in aldolaze.
L-fukoza
L-fukuloza
L-fukuloza-1-P L-1,2-propandiol (anaerobno)
dihidroksiaceton-P + laktoaldehid
L-ramnuloza-1-P L-laktat (aerobno)
L-ramnoza piruvat
Asimilacija laktoze
Laktoza je dimer iz D-galaktoze in D-glukoze. D-glukoza je uporabljena po
običajnih poteh, medtem ko mora biti D-galaktoza predhodno spremenjena.
D-galaktoza
galaktoza-6-P galaktoza-1-P
tagatoza-6-P glukoza-1-P
tagatoza-1,6-P glukoza-6-P
dihidroksiaceton-P gliceraldehid-3-P
Asimilacija melobioze, rafinoze, stahiloze
Vsi ti sladkorji imajo monomere večinsko povezane z α-(1-6) glikozidno
vezjo in so enostavno asimilirani.
melobioza: D-galaktoza + D-glukoza
rafinoza: D-galaktoza + D-glukoza + D-fruktoza
stahiloza: D-galaktoza + D-galaktoza + D-glukoza + D-fruktoza
Asimilacija pektina
pektin
poligalakturonat
nenasičen oligogalakturonat nasičen oligogalkturonat
nenasičen digalakturonat nasičen digalakturonat
4- deoksil-L-treo-5-heksuloze uronat D-galakturonat
3-deoksil-D-glicero-2,5-heksodiulozonat D-tagaturonat
D-altronat
2-keto-3-deoksi-D-glukonat
2-keto-3-deoksi-6-fosfoglukonat
piruvat + gliceraldehid-3-P
Asimilacija celuloze
Celuloza je polimer izgrajen iz glukoze povezane z β-1-4 glikozidno vezjo.
Celuloza je razgrajena s pomočjo endo-β-1-4-glukanaze, exo-β-1-4-
glukanaze in β-glukozidaze. Ti encmi so ekstracelularni
celuloza
oligosharidi
celobioza
glukoza-6-P
Celulosom
celicaceluloza
EPS
Celulosom je ekstracelularna modularna poliencimska struktura za razgradnjo celuloze.
Vsebuje celulaze, mananaze, ksilanaze, hitinaze, lihenaze, laminarinaze in druge glukanaze.
CELULOSOM
Asimilacija škroba in glikogena
Škrob je polimer sestavljen iz α-amiloze in amilopektina. α-amiloza je
sestavljena iz glukoze, ki je povezana z α-(1-4) glikozidno vezjo. Amilopektin
ima α-(1-4) in α-(1-6) glikozidne vezi. Amilopektin je po svoji sestavi
podoben glikogenu, le da ima manj α-(1-6) glikozidnih vezi. Razgradnja
poteka zunaj celice.
amiloza amilopektin
glukoza maltoza glukoza maltoza
dekstrin (visoko razvejan škrob)
glukoza maltoza
Asimilacija maltoze
Maltoza je izgrajena iz dveh glukoznih ostankov. Za transport
potrebujemo maltoza permeazo in encim amilomaltazo.
maltoza
maltodekstrin D-glukoza
glukoza1-P glukoza-6-P
Glikoliza in sinteza sladkorjev
G6P
F6P
FDP
PGALD DHAP
DPGA
3-PGA
2-PGA
PEP
piruvat
Glavni sladkorji v celici so heksoze (npr.
glukoza, galaktoza) in pentoze (npr.
riboze, deoksiriboze), ki nastanejo z
dekarboksilacijo heksoz. Sintezi
sladkorjev pravimo tudi glukoneogeneza.
2 piruvat + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2H+ + 4 H2O glukoza
oksalacetat
Biosinteza polisaharidov
Za sintezo polisaharidov je potrebno glukozo aktivirati UDP-glukoza.
Asimilacija proteinov
protein
polipeptidi
aminokisline
oksidativna ali reduktivna deaminacija
ogljikov skelet aminokislin
20 različnih katabolnih poti
H2O CO2
NH4+
intermediati glikolize in krebsovega cikla
sinteza proteinov
proteaze
peptidaze
Asimilacija ogljikovih skeletov aminokislin
alanin
treonin
glicin
serin
cistein
arginin
histidin
glutamin
prolin
fenilalanin
tirozin
leucin
lizin
triptofan
aspartatasparagin fenilalanin
tirozin
izolevcin
metionin
valin
piruvat
acetil-CoA
acetoacetil-CoA
citrat
izocitratα-ketoglutarat
sukcinil-CoA
sukcinat
fumaratmalat
oksalacetat
glutamat
Biosinteza aminokislin I
piruvat
3-fosfoglicerat
serin
glicin
cistein
fenilalanin
tirozin
triptofan
fosfoenolpiruvat
alaninvalinleucin
glikoliza
riboza-5-P histidin
Biosinteza aminokislin II
Krebsov cikel
α-ketoglutarat
oksalacetat
glutamat
prolin
glutamin
arginin
aspartat
asparigin
metionin
treonin
izolevcin
Biosinteza proteinov I
Za peptidno vez sta potrebna: 2 ATP (aktivacija tRNA) 2GTP (inciacija, elongacija)
Biointeza proteinov II
Biosinteza proteinov III
Asimilacija nukleinskih baz
guanin uracil
NH4+
DNA ali RNA
mononukleotidi
deoksiriboza riboza
adenin
hipoksantin
ksantin
urična kislina
alantoin
glioksilat urea
citozin
barbiturat
urea malonat alanin
CO2
ureidopropionat
sinteza DNA in RNAnukleaze
Biosinteza purinov
Purinski nukleotidi:
- adenin
- guanin
Ogljikov skelet nastane it CO2, glicina in folne kisline
Biosinteza pirimidinov
Pirimidinski nukleotidi so:
- timin
- citozin
- uracil
Sinteza DNA
Asimilacija triacilgliceridov in fosfolipidov
lipid
glicerolmaščobne kisline
glicerol-3-Pmaščobna kislina-CoA
trans-enoil-CoA
L-3-hidroksiacil-CoA
3-ketoacil-CoA
acetil-CoAacil-CoA
lipaze
Biosinteza maščobnih kislin
acetil- SACP malonil- SACP
ketoacil-SACP
Na začetku pride do združitve malonila
in acetila, ki sta vezana na nosilni
protein ACP. Vsak naslednji par C
atomov je dodan z malonilom. Za
sintezo malonila je potreben ATP.
2 NADPH
acil-SACP
6C
8C
10C
16C 2C2C
2C2C
2C14C
2C
12C
SACP - acil nosilni protein
Biosinteza fosfolipidov
dihidroksi aceton fosfat
glicerol-3-P
fosfatidna kislina
2 maščobni kislini
CDP-diacilglicerol
CTP
NADH
fosfatidil glicerol fosfat (PGP)
glicerol fosfat
fosfatidil glicerol (PG)
Pi
kardiolipin (CL)
fosfatidil glicerol
CMPfosfatidil serin (PS)
serin
fosfatidil etanol amin (PE)
CO2
CMP
Aktivacija monomerov z ATP pri sintezi makromolekul
polisaharidiUTP
ATP ATPUTPGTPCTP
dATPdUTPdGTPdCTP
CTP lipidi
GTP proteini
RNA
DNA
Cena metabolnih intermediatov (ATP ekvivalenti)
intermediat cena intermediat cena
glukoza-6-P 39 (42) acetil-CoA 12
fruktoza-6-P 39 (42) citrat 28
1,6-fruktoza bifosfat 40 (40) izocitrat 28
3-P-gliceraldehid 20 (21) α-ketoglutarat 25
dihidroksiacetonfosfat 20 (21) sukcinil-CoA 22
1,3 difosfogliceraldehid 17 (18) sukcinat 21
3-P-glicerat 16 (17) fumarat 19
2-fosfoglicerat 16 (17) malat 19
fosfoenolpiruvat 16 (17) oksalacetat 16
piruvat 15
kata
boliz
em
kata
boliz
em
anab
oliz
em
Cena sinteze nukleotidov (ATP ekvivalenti)
Cena RNA tetranukleotida AGCU = 241
Cena DNA tetranukleotida AGCT = 263
nukleotid cena
ATP 64
GTP 61
CTP 59
UTP 57
dATP 68
dGTP 65
dCTP 63
dTTP 67
intermediat cena
ADP ATP 1
AMP ATP 2
FADH ATP 2
NADH ATP 3
NADPH ATP 4
Cena sinteze aminokislin (ATP ekvivalenti)
aminokislina cena
glicin 12
serin 18
cistein 19
alanin 20
aspartat 21
asparagin 22
glutamat 30
glutamin 31
treonin 31
valin 39
aminokislina cena
prolin 39
histidin 42
arginin 44
metionin 44
leucin 47
lizin 50
izolevcin 55
tirozin 62
fenilalanin 65
triptofan 78
Cena sinteze peptida
izgrajenega iz vseh 20
različnih aminokislin bi bila
847 ATP.
V kolikor so aminokisline že
pripravljene, potem stane
sinteza istega peptida
(19*4)+2 = 78 ATP.
Aerobna asimilacija aromatskih spojin
OH
OH
OH
COOHCHO
OH
COOHCHOH
O
COOHCHOH
O
COOH
O
COOH
HO
piruvat + acetaldehid
COOH
COOH
COOH
C=HO
COOH
C=HO
COOH
COOH
O
sukcinat + acetat
katehol
Monooksigenacija reduciranih organskih spojin
En kisik je vgrajen v reducirano
spojino, pri tem nastane hidroksilna
skupina, drugi kisik je reduciran v
vodo. Monooksigenaze uporabljajo
kot kosubstrat NAD, NADP, FMN, FAD
ali α-ketoglutarat. Med najbolj
poznanimi monooksigenazami je P-
450, ki je pri evkariontih v
endoplazmatskem retikulumu in služi
za detoksifikacijo reduciranih
organskih spojin.
Dioksigenacija reduciranih organskih spojin
Pri dioksigenazah sta oba kisika
vgrajena v reducirano organsko
spojino. Dioksigenaze so
pomembne pri odpiranju
benzenskih obročev.
Anaerobna asimilacija aromatskih spojin
O OHC
O SCoAC
O SCoAC
O SCoAC
OH
O SCoAC
O SCoAC
OO SCoA
C SCoA
C = O
Anaerobna razgradnja
aromatske spojine poteka
reduktivno, tako da
mikrorganizem reduktivno
saturira aromatsko jedro.
acetil-CoA
Asimilacija C1 skupin
Veliko prokariontov raste na C1 spojinah, kot edinem viru ogljika. Med
pomembnejše C1 skupine za rast mikrobov spadajo:
CO2
CH4
CH3OH (metanol)
HCHO (formaldehid)
HCOOH (format)
CH3NH2 (metilamin), (CH3)3N (trimetilamin),
(CH3)2O (dimetileter), CH3OCOOCH3 (dimetilkarbonat)
Fiksacija CO2
Fiksacija CO2 lahko poteka na različne načine:
• Kalvinov cikel
• acetil-CoA pot
• hidroksipropionatna pot
• reduktivni cikel trikarbonskih kislin
Kalvinov cikel je najbolj pogost in ga najdemo pri fotosintetskih organizmih,
cijanobakterijah in kemoautotrofih. Ne najdemo ga pri arhejah, kjer običajno
najdemo acetil-CoA, hidroksipropionatno pot ali pa reduktivni cikel trikarbonskih
kislin. Slednjega najdemo tudi pri zelenih fotosintetskih bakterijah.
Fiksacija CO2 - Kalvinov cikel
6 CO212 glicerat-3-P
12 ATP
6 ribuloza-1,5-P 12 glicerat-1,3-P
12 NADPH
12 gliceraldehid-3-P
fruktoza-6-P
biosinteza
10 gliceraldehid-3-P
6 ribuloza-5-P
6 ATP
Fiksacija CO2 - acetil-CoA pot (acetogeneza)
H2
CO2
CHO-THF2H2
CH3-THFB12
CH3-B12
THF
CoA
Na+ elektrokemijskipotencial, nastanek ATP
CO2
ATP
H2
Fe
Ni
COFe
Ni -CH3
COFe
Ni
CH3-C~SCoA
OCH3-C-OH
O
CO dehidrogenaza
ATPacetat
biosinteza
Fiksacija CO2 - hidroksipropionatna pot
biosinteza
CH3-C~SCoA
O
CH2O-CH2-C~SCoA
O
CH3-CH2-C~SCoA
O
COOH-C-C~SCoA
O
CH3
H
glioksilatCHO-CH2-C~SCoA
O
malil-CoA
CO2
CO2
2H+ATPATP
ATPpropionil CoA
hidroksipropionil CoA2H+
2H+
2H+
metilmalonil CoA
Fiksacija CO2 - reverzni TCA cikel
Biogeni nastanek metana
Metan lahko nastane na več različnih načinov:
• avtotrofno iz CO2 in H2
• heterotrofno s fermentacijo
acetat metanol
Metanogeneza iz CO2 in H2
CO2 MF - metanofuran
MP - metanopterin
CoM - koencim M
F420 - koencim F420
CoB- koencim B
Te koencime najdemo izključno pri metanogencih.
MF-C-H
O
MP-C-H
O
MP-CH3
CoM-S-CH3
CH4
MP CH2
MF
MP
F420
F420
CoM-SH
HS-CoB
biosinteza
2H
H2
2H
H2O
H2O
Metanogeneza na acetatu
CH3COOHVečina metana nastane iz
acetata ~ 2/3, pri tem je
acetat vir energije in
ogljika.
CoA + ATP
CoA - koencim A
Corr - korinoidin
Codh - CO dehidrogenaza
CoM - koencim M
CH3CO-S-CoA
CH3CO-Codh
CH3-Corr
CH3-CoM
CH4
CO-Codh
CO2
H2O 2e- + 2H+CoM
Coor
Codh
ATP
biosinteza
Metanogeneza na metanolu
CH3OH
CH3-Corr
CH3-CoMCH3-MP 2H+
ATPCH4 COH-MF
Redukcijska moč (2H+), ki nastane pri oksidaciji
metanola do CO2 se porabi pri nastanku metana.CO2
CO-Codh
biosinteza
Metanotrofija - oksidacija metana
biosinteza
O2 H2O
CO2CH3OH CH2O HCOO-CH4
metan monooksigenaza
NADHH+ H+
dihalna veriga
ATP
Asimilacija dušika
• asimilacija NO3-
• asimilacija NH4+
• fiksacija dušika
• asimilacija organskega dušika (npr. aminokisline, purini,
pirimidini, amini)
Asimilacija NO3-
Reduktivna asimilacija nitrata poteka preko nitrata in
hidroksil amina do amonija, ki se potem vgradi v
organsko snov. Energetsko je bolj potratna od
asimilacije amonija.
NO3-
NO2-
NOH
NH2OH
NH4+
organska snov
Asimilacija NH4+
α-ketoglutarat + NH4+ + NADH glutamat + NAD+
glutamat + NH4+ + ATP glutamin
piruvat + NH4+ + NADH + H+ alanin + NAD+
fumarat + NH4+ aspartat
Transaminacije
α-keto kislina + L-glutamat L-amino kislina + α-ketoglutarat
Npr.
piruvat + L-glutamat L-alanin + α-ketoglutarat
oksalacetat + L-glutamat L-aspartat + α-ketoglutarat
α-ketoizokaproat + L-glutamat L-levcin + α-ketoglutarat
p-hidroksifenilpiruvat + L-glutamt L-tirozin + α-ketoglutarat
Asimilacija dušika pri biosintezi purinov
Purinska nukleotida sta:
- adenin
- guanin
Asimilacija dušika pri biosintezi pirimidinov
Pirimidinski nukleotidi so:
- timin
- citozin
- uracil
Disimilativna izraba dušika
NO3-
NO2-
NO
N2O
N2
Disimilativni izrabi dušika pravimo tudi denitrifikacija. Pri
disimilativni izrabi dušika se dušik ne vgradi v celični material
temveč zapušča celico v obliki plina. Pri tem imajo NO3-, NO2
-,
NO in N2O vlogo terminalnih akceptorjev elektronov. Nekateri
organizmi lahko izkoriščajo vse omenjene akceptorje, drugi
pa samo nekatere.
Fiksacija dušika
Ločimo simbiontske in prostoživeče fiksatorje dušika.
Pomembnejši simbiontski mikroorganizmi so:Rhizobium trifoli detelja
Bradyrhizobium japonicum soja
Rhizobium meliloti lucerna
Frankia spp. jelša
Azospirillum brasilense tropske trave
Richelia intracellularis morske diatomeje
Pomembnejši prostoživeči fiksatorji dušika so: Azotobacter, Derxia, Azomonas,
Beijerinkia, Nocardia, Pseudomonas, Anabena, Caotothrix, Nostoc, Gleotheca,
Methanobacterium , Methylococus, Methanococcus, Rhodospirilum, Chromatium,
Rhodomicrobium
Fiksacija dušika
Fiksacija dušika poteka z nitrogenazo. Glavni komponenti nitrogenaze sta:
- dinitrogenaza (Mo-Fe protein, občutljiv na kisik)
- dinitrogenazna reduktaza (4Fe-4S protein, občutljiv na kisik)
N N
HN = NH
H2N - NH2
H3N NH3 +H2
2e- + 2H+
2e- + 2H+
2e- + 2H+
Skupna reakcija za fiksacijo dušika je
8H+ + 8e- + N2 2NH3 + H2
18-24 ATP 18-24 ADP + 18 - 24 Pi
Fiksacija dušika - zaščita nitrogenaze pred kisikom
Pri striktnih anaerobih ni potrebna zaščita. Fakultativni anerobi fiksirajo
samo v anaerobnem. Striktni aerobi imajo bodisi povečano respiracijo,
ali modificirane celice (npr. bakteroide ali heterociste).
nitrogenaza
fotosistem I in II
ATP(CH2O)n NADPH O2
N2
NH3
glutamin glutaminPS I
ATP
(CH2O)n
e-
vegetativna celica vegetativna celicaheterocista
Asimilacija žvepla
• asimilacija sulfata
• asimilacija ostalih anorganskih oblik (npr. sulfid, elementarno žveplo,
hiposulfit, sulfoksilat, tiosulfat, persulfat, sulfit, tetrationat, tiocianat)
• asimilacija organskih oblik žvepla (npr. cistein, cistin,
metionin, taurin)
Asimilacija sulfata
SO42-
APS
ATP
ATP
PAPS
SO32-
H2S
organska snov
Pri asimilativni redukciji sulfata sta potrebna dva
ATP in 8 elektronov. Produkt H2S je asimiliran v
organsko snov.
APS adenozin 5-fosfosulfat
PAPS fosfoadenozin 5-fosfoslufat
Disimilativna redukcija sulfata
SO42-
Pri disimilativni redukciji sulfata je potreben en
ATP in 8 elektronov. Produkt H2S je izločen iz
celice.APS
ATP
SO32-
H2S
Asimilacija fosfata
Fosfat je v obliki fosfatne skupine lahko asimiliran v:
• fosfolipide (prekurzor dihidroksiaceton fosfat)
• fosforilirane sladkorje (npr. glukoza-6-P)
• fosforilirane kisline (npr. fosfoenolpiruvična kislina)
• acilne fosfate
• acetilne fosfate (npr. acetil-CoA, sukcinil-CoA)
• nukleotide (npr. ATP)
Fermentacije
• fermentacija je anaerobna oksido-redukcijska metabolna pot, kjer ATP
nastane s substratno fosforilacijo, višek elektronov pa je porabljen z
akceptorji, ki nastanejo med procesom fermentacije.
• končni produkti fermentacije so lahko porabljeni kot substrati za druge
fermentacijske organizme (anaerobni prehranski spleti).
Temeljna problema pri fermentaciji
1. Pridobivanje energije (substratna fosforilacija)
2. Odstranjevanje viškov elektronov (reducirani fermentacijski produkti)
oksidirana organska spojina(donor elektronov)
reducirana organska spojina(akceptor elektronov)
intermediat
intermediat-P
intermediat
Pi
ATP
NADH
NAD
Bioenergetika v citosolu
Visokoenergijske spojine, ki nastajajo pri metabolizmu v citosolu, se
uporabljajo za:
• sintezo nukleinskih kislin, proteinov, lipidov in polisaharidov
• transport topljencev skozi membrano
• aktivno gibanje
Bioenergetika v citosolu
Visokoenergijske spojine v citosolu so:
ATP, fosfoenolpiruvat, fosforilirani sladkorji, acetil fosfati,
acetil-CoA derivati
-O-P~O-P~O-P-O-CH2
OH OH
NH2
N
NN
N
O-
O OO
OO-O-
ATP
CH3-C-O~P-O-
O
O
O
acetil fosfat
-O-P-O-
O
O
CH2=C-COO-
fosfoenolpiruvat
~
Bioenergetika v citosolu
Poleg fosfoesterskih vezi so visokoenergijske tudi tioesterske vezi: acetil-
CoA, butiril-CoA, sukcinil-CoA, propionil-CoA, alkil-acetil-CoA, aril-acetil-
CoA.
CoAacetil -
Potencial za prenos skupin
• visokoenergijske molekule so molekule z visoko verjetnostjo za hidrolizo.
• pri hidrolizi visokoenergijske molekule se energija porablja. Skupina
nastala pri hidrolizi se prenese na akceptor. Nastane nova vez, pri čemer
se energija sprošča.
• sproščanje energije mora biti večje od porabljene energije.
Prenos visokoenergetskih skupin omogoča nastanek stabilnih esterskih, amidnih,
glikozidnih ali eterskih vezi, kar omogoča sintezo fosfolipidov, nukleotidov,
proteinov, DNA, maščobnih kislin.
Potencial za prenos visokoenergijskih skupin
R1-COOH + R2-OH R1-CO-O-R2
kislina alkohol ester
adenin-riboza-P+~P+~P+ + R1-COO-H
ATP
nukleofilni napad kisline
R1-C+O-AMP + 2Pi
R1-C+O-AMP + R2-O-H
nukleofilni napad alkohola
R1-CO-O-R2 + AMP
Potencial za prenos visokoenergijskih skupin
R1-CO-CH2-NH2 + R2-CO-CH2-NH2 R1-CO-NH-CH2-CO-R2
aminokislina aminokislina dipeptid
adenin-riboza-P+~P+~P+ + R1-COO-H
R1-C+O-AMP + tRNA-O-H
nukleofilni napad aminokisline
R1-C+O-AMP + 2Pi
nukleofilni napad tRNA
R1-C+OO-tRNA + AMP
R1-C+OO-tRNA + R2-CO-CH2-N-H2
nukleofilni napad aminokisline
R1-CO-NH-CH2-CO-R2 + tRNA
ATP in prenos visokoenergijskih skupin
adenin-riboza-O-P~P~Pα β γ
AMP
ADP
prenešena skupina odhajajoča skupina
AMP + P~P (sinteza proteinov)
ADP + P (sinteza polisaharidov)
P + ADP (kinaze)
Acetilni derivati in prenos visokoenergijskih spojin
acil acetil-fosfat acetil-CoA
R- C+-P
O-
R- C+-S-CoAO-
R- C+-O-
prenešena skupina odhajajoča skupina
acil + R (sinteza lipidov)
P + acetil (sinteza ATP)
S-CoA + acetil (fermentacije)
Substratna fosforilacija
Za substratno fosforilacijo potrebujemo encim kinazo, ADP in donor
fosfatne skupine. Donorji so lahko:
• 1,3-bifosfoglicerat
• fosfoenol piruvat
• sukcinil-fosfat
• acetil-fosfat
donor fosfata
ADP + ATPP
encim: kinaza
Acetil fosfati in substratna fosforilacija
Pri fermentacijah nastane s piruvat dehidrogenazo acetil-CoA.
piruvat + CoASH + NAD+ acetil-CoA + CO2 + NADH + H+
Iz acetil-CoA nastane s fosfotransacetilazo acetil fosfat.
acetil-CoA + Pi acetil-P + CoASH
Acetil kinaza prenese fosfatno skupino iz acetil-fosfata na ADP, pri tem
nastane ATP.
acetil-P + ADP acetat + ATP
Uravnoteženost fermentacije
Uravnoteženost ogljika:
Uravnoteženost C1 in C2 spojin:
Uravnoteženost redoks stanja:
Uravnoteženost redoks stanja je uravnana s produkcijo vodika. Če je
produkcija vodika inhibirana so produkti bolj reducirani.
mol Cprodukti
mol Csubstrat
mol C1
mol C2
oksidirani produkti
reducirani produkti
Primer izračuna uravnoteženosti fermentacije glukoze z Lactobacillus pentoaceticus
spojina mmol mmolC redoks oksidirani reducirani C1 C2 stanje produkti produkti spojine
glukoza 100 600 0
laktat 96 288 0
glicerol 7 21 -1 7
etanol 86 172 -2 2 x 86 86
acetat 7 14 0 7
CO2 89 89 +2 2 x 89 89
uravnoteženost ogljika 584/600 =0.97
uravnoteženost C1 spojin 89/93 = 0.96
uravoteženost redoks stanja 178/179 = 0.99
Piruvat-ključni intermediat pri fermentacijah
Večina fermentacijskih produktov nastane iz piruvata. Pri tem vedno
velja, da:
• piruvat ni končni produkt
• pri redukciji piruvata nastane fermentacijski produkt
• NADH se pri tem reoksidira
Glavne fermentacijske poti od stopnje piruvata
oksalacetat
malat
fumarat
sukcinat
propionat
NADH
butiraldehid
butiril-CoA
butiril-P
butanol butirat
NADH
izopropanol
acetonNADH
NADH
NADH
ATP
format
acetil-P
acetatetanol
acetalaldehid
acetil-CoA
acetoacetil-CoANADH
NADH
ATP
NADHlaktat piruvat NADH
acetalaldehid etanol
2,3 butandiol diacetil
acetoinNADH
α-acetolaktat
Kako nastane piruvat
Obstaja več metabolnih poti, ki vodijo do nastanka piruvata:
• Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) metabolna pot
• fosfoketolazna metabolna pot
• oksidativna pentoza fosfat metabolna pot
• Entner-Doudoroff metabolna pot
Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) metabolna pot
glukoza-1-P + ATP
glukoza-6-P
fruktoza-6-P + ATP
fruktoza-1,6-P
gliceraldehid-3-P dihidroksiaceton-P
1,3-difosfoglicerat glicerol-3-P
3-fosfoglicerat glicerol
2-fosfoglicerat
fosfoenolpiruvat
piruvat
ATP
ATP
NADH
(ozmoregulator)
+ NADH
Oksidativna pentoza fosfat (PPT) metabolna pot
+
riboza-5-P ksiluloza-5-P
sedoheptuloza-7-P gliceraldehid-3-P
fruktoza-6-P eritroza-4-P
gliceraldehid-3-P ksiluloza-5-P
1,3-difosfoglicerat
3-fosfoglicerat
2-fosfoglicerat
fosfoenolpiruvat
piruvat
fruktoza-1,6-P
NADPHNADPH
glukoza-6-P 6-P-glukonolakton
6-P-glukonat
3-keto-6-P-glukonat
ribuloza-5-P
NADH
ATP
ATP
Fosfoketolazna (FK) metabolna pot
ksiluloza-5-P
gliceraldehid-3-P acetil-fosfat
1,3-difosfoglicerat acetil-CoA
3-fosfoglicerat acetaldehid
2-fosfoglicerat etanol
PEP
piruvat
6-P-glukonolaktonglukoza-6-P
NADPH
NADPH
6-P-glukonat
3-keto-6-P-glukonat
ribuloza-5-P
NADH
ATP
ATP
NAD
NAD
Entner-Doudoroff (ED) metabolna pot
glukoza-6-P
6-P-glukonolakton
6-P-glukonat
2-keto-3-deoksi-6-P-glukonat
piruvat gliceraldehid-3-P
1,3-difosfoglicerat
3-fosfoglicerat
2-fosfoglicerat
fosfoenolpiruvat
piruvat* To metabolno pot najdemo samo pri G- bakterijah.
NADPH
NADH
ATP
ATP
Povezave med različnimi ogljikohidratnimi potmi
6-P-glukonatG6P
F6P
FDP
DHAP PGALD
DPGA
3-PGA
2-PGA
PEP
piruvat
PPP FK ED
PPP pentoza fosfatna pot
FK fosfoketolazna pot
ED Entner-Doudoroff pot
Mlečno kislinska fermentacija - homofermentativna
Laktoza = glukoza + galaktoza
1. Homofermentativna: glukoza glukoza-6-P fruktoza-6-P
fruktoza-1,6-P 3-fosfogliceraldehid 1,3-difosfoglicerat
3-fosfoglicerat 2-fosfoglicerat fosfoenolpiruvat piruvat laktat
(mlečna kislina)
Mlečno kislinska fermentacija - heterofermentativna
fruktoza-6-P
6-P-glukonolakton
6-fosfoglukonat
ribuloza-5-P
ksiluloza-5-P
gliceraldehid-3-P acetil-P
1,3-difosfoglicerat3-fosfoglicerat
2-fosfoglicerat
fosfoenolpiruvat
piruvat
mlečna kislina
acetil-CoA
acetaldehid
etanol
ocetna kislina
glukoza-6-PATPglukozafruktoza
manitol
NADPH
ATP
fruktozasorbitol
ATP
ATP
NADPH
3-keto-6-P-glukonatNADPH
NADH
NAD
NADfosfoketolazna pot
Mlečnokislinska fermentacija - pentoz
ksiloza arabinoza
ksiloza-5-P
gliceraldehid-3-P acetil-P
1,3-difosfoglicerat
3-fosfoglicerat
2-fosfoglicerat
fosfoenolpiruvat
piruvat
mlečna kislina
ocetna kislina
Mlečnokislinska fermentacija - oksidacije ostalih substratov
Nekatere mlečnokislinske bakterije lahko v anaerobnem okolju izrabljajo:
organske kisline (jabolčna, citronska) mlečna k., ocetna k.
arginin, serin amonijak, ornitin, acetoin
Nekatere mlečnokislinske bakterije lahko v aerobnih razmerah izrabljajo:
glicerol, manitol, sorbitol ocetna k., mravljična k., acetoin
Propionatna fermentacija Clostridijev
laktat piruvat acetil-CoA acetil-P acetat + ATP + 4H+
Višek protonov in elektronov se porabi v naslednjih rakcijah, kjer se porabita 2H+.
laktat lactil-CoA acril-CoA + 2H+ propionil-CoA propionat
Za delovanje cikla so potrebni 3 laktati, 2 za produkcijo propionata, eden za
nastanek acetata, pri tem se sprostita 2 ATP.
Propionatna fermentacija Propinobakterij
laktat piruvat acetil-CoA acetil-P acetat + ATP
pri tem se ustvari višek 8 H+, ki se porabijo v naslednjih reakcijah
piruvat oksalacetat malat fumarat sukcinat
sukcinil-CoA malonil-CoA propionil-CoA propionat
Acetogeneza (nastanek acetata)
acetil-CoA acetil-P acetat +ATP
Nastane 8 elektronov, ki jih je potrebno porabiti, 6 elektronov se porabi za redukcijo
CO2 do CH3 s ATP. Ostala elektrona se porabita za redukcijo CO2 do CO
nato pride do naslednjih reakcij
CO + CH3 acetil-CoA acetil-P acetat + ATP
glukoza glukoza-6-P fruktoza-6-P fruktoza-1,6-P 3-fosfogliceraldehid
1,3-difosfoglicerat 3-fosfoglicerat 2-fosfoglicerat PEP piruvat
pomočjo
Za omenjeni sklop reakcij potrebujemo 4 piruvate, pri tem se sprosti 8 ATP. Drugi
del acetogeneze uporabljajo tudi metanogenci in nekatere sulfat-reducirajoče
bakterije za biosintezo.
Butandiolska fermentacija
glukoza glukoza-6-P fruktoza-6-P fruktoza-1,6-P 3-fosfogliceraldehid1,3-difosfoglicerat 3-fosfoglicerat 2-fosfoglicerat PEP piruvat
1. piruvat mravljična kislina + CO2 + H2
2. piruvat acetil-CoA acetaldehid etanol
3. piruvat aktivni acetaldehid α-acetolaktat acetoin
2,3-butandiol
Fermentacija različnih sladkorjev z Enterobacter cloacae NRRL B-23289a
substrat čas butandiol etanol acetoin(50 g/L) (h) (g/L) (g/L) (g/L)
glukoza 63 18.6 0 3.1ksiluloza 63 18.9 0 3.7arabinoza 39 21.7 2.0 0.6mešanica A 48 19.6 1.5 3.5 (Glu:Xyl:Ara, 1:1:1)mešanica B 48 19.5 1.7 4.1(Glu:Xyl:Ara, 1:2:1)manoza 72 18.6 0 0galaktoza 63 18.9 0 3.7fruktoza 39 21.7 2.0 0.6saharoza 48 17.7 1.6 2.4
pri pH 5.0, 30o C , 200 rpm
Fermentacja hidrolizata koruzne vlaknine zEnterobacter cloacae NRRL B-23289
substrat čas butandiol acetoin(50 g/L) (h) (g/L) (g/L)
kislinski hidrolizat 24 5.2 2.5
kislinska hidroliza 24 9.1 2.7 In saharifikacija
kislinska hidroliza 24 12.0 2.0ter sočasna Saharifikacija In fermentacija
Mešano kislinska fermentacija
glukoza glukoza-6-P fruktoza-6-P fruktoza-1,6-P 3-fosfogliceraldehid1,3-difosfoglicerat 3-fosfoglicerat 2-fosfoglicerat PEP piruvat
1. PEP oksalacetat malat fumarat sukcinat
2. piruvat laktat
3. piruvat acetil-CoA + format acetil-P acetat
4. piruvat acetil-CoA + format acetaldehid etanol
Med glikolizo nastanejo 4H+, pri nastanku sukcinata se porabijo 4H+, pri nastanku
etanola 4H+, laktata 2H+, acetata 0 in formata 0. Posledično so možne samo
nekatere kombinacije produktov.
Masleno kislinska in butanol-acetonska fermentacija Clostridium acetobutylicum
glukoza glukoza-6-P fruktoza-6-P fruktoza-1,6-P 3-fosfogliceraldehid1,3-difosfoglicerat 3-fosfoglicerat 2-fosfoglicerat PEP piruvat
1. piruvat acetil-CoA acetoacetily-CoA hidroksibutiril-CoA krotonil-CoA butiril-CoA butiril-P maslena k.
2. piruvat acetil-CoA acetil-P acetat
3. piruvat acetatoacetil-CoA + acetat acetil-CoA acetoacetil-CoA acetoacetat aceton + CO2
4. piruvat acetoacetil-CoA + butirat butiril-CoA butiraldehid butanol
5. piruvat acetil-CoA acetaldehid etanol
Fermentacija Clostridijev na aminokislinah
deaminacije aminokislin NH3 + org. kisline (ocetna, piruvična,
glutaminska) maslena kislina, propionat
dekarboksilacije aminokislin CO2 + amin (putrescin, histamin,
kadaverin)
oksidacija/redukcija aminokislin CO2 + NH3 + org. kisline
(ocetna, izovalerianska, izomaslena) maslena kislina,
propionat
Pregled običajnih fermentacij
vrsta reakcija
alkoholna heksoze 2etanol + 2CO2
homolaktična heksoze 2laktat + 2 H+
heterolaktična heksoze laktat + etanol + CO2 + H+
propionska laktat propionat + acetat + CO2
mešana heksoze etanol + 2,3-butandiol + sukcinat + laktat + acetat + format +H2 + CO2
maslena heksoze butirat + acetat + H2 + CO2
butanolska heksoze butanol + acetat + aceton + etanol + H2 + CO2
kaproatna etanol + acetat kaproat + butirat + H2
homoacetogena heksoze 3 acetat + 3H+
metanogena acetat CH4 + HCO3-
Pregled neobičajnih fermentacij
vrsta reakcija
acetilenska 2C2H2 + 3H2O etanol + acetat + H+
glicerolna 4glicerol + 2HCO3- acetat + 5H+ + 4H2O
cinamatna 2C9H7O2- + 2H2O C9H9O2 + benzoat + acetat + H+
putrescinska 10C4H12N2 + 26H2O 6 acetat + 7 butirat
citratna citrat + 2H2O format + 2 acetata + H+
akonitatna akonitat + H+ + 2H2O 2 acetata + 2CO2 + H+
glioksilatna 4 glioksilat + 3H+ + 3H2O glikolat + 6CO2 + 5H2
sukcinatna sukcinat + H2O propionat + HCO3-
oksalatna oksalat + H2O format + HCO3-
malonatna malonat + H2O acetat + HCO3-
Sintrofija
4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O ∆Go = -130.7 kJ/mol
metanogeneza
2 CH3CH2OH + 2 H2O 4 H2 + 2 CH3COO- + 2 H+
etanolna fermentacija
∆Go = 19.4 kJ/mol
2 CH3CH2OH + CO2 CH4 + 2 CH3COO- + 2 H+ ∆Go = -111.3 kJ/molsintrofna reakcija
Sintrofija
• Syntropherbacter (anaerob) pretvori maščobno kislino do vodika
propionat acetat + CO2 + H2
• Methanospirillum (anaerob)
4H2 + CO2 CH4 + 2H2O
• Methanospirillum kontinuirano odstranjuje vodik in s tem omogoča
nadaljno fermentacijo in produkcijo vodika, povečana produkcija
vodika poveča rast obeh organizmov.
Sintrofija
butirat
butiril-CoA
krotonil-CoA
3-hidroksibutiril-CoA
acetoacetil-CoA
acetil-CoA
acetat
acetil-CoA
acetil-P
acetat
CoA
FADH
NADH
ATP
CoA
metanogenec
Običajni fermentacijski metabolni spleti
heksoze, pentoze, nekatere amino in organske kisline
butiratetanol
laktat
acetat
H2
propionat
butanol sukcinatbutandiol
format
CO2 fermentacije
sintrofije
metan
metanogeneza
Respiracija
Respiracija omogoča boljši izkoristek energije iz organske snovi (več
ATP) kot fermentacija. To je predvsem posledica dejstva, da so pri
fermentaciji organske snovi samo delno oksidirane. Glede na vlogo kisika
pri respiraciji ločimo:
• aerobne respiracije
• anaerobne respiracije
Aerobna respiracija
organska spojina
dihalna veriga
biosintezaNADH
O2
intermediati
ATP
ATPsubstratna
fosforilacija
oksidativna
fosforilacija
Membrana kot kondenzator
Membrana je nepropustna za nabite delce in lahko na površini shrani naboj.
Do separacije naboja v membrani prihaja aktivno z encimi (H2 molekula
razpade na 2H+ in 2e-), protoni potujejo na zunanjo stran, elektroni pa na
notranjo stran citoplazmatske membrane.
∆V = Q/C
kjer je Q količina naboja, C je kapacitanca membrane in V je napetost
Običajna kapacitanca biološke membrane je 1 µF/cm2.
Elektrokemijski potencial preko membrane
Napolnjena baterija; polarizirana
membrana, energija je spravljena v
električnem in kemijskem potencialu.
+
++
+++++++
++
+
++
++
++ +
- ---- - ----
-- -- --
Prazna baterija; nepolarizirana
membrana.
Samo membrana, ki je polarizirana in ima protonski potencial
je sposobna opravljati delo in pridobivati energijo v obliki ATP.
+
+
+
+++
+++
+
+
+ ++ ++
++
---
---- -
ADP + Pi
ATP
Elektrokemijski potencial
∆µH+ = µin - µout razlika kemijskih potencialov protonov preko membrane
∆µH+ = F∆Ψ + RT ln[H+in] / [H+out] elektrokemijski potencial
električni potencial kemijski potencial
∆µH+ / F = ∆Ψ - 60 ∆pH = ∆p protonska gonilna sila
Nastanek električnega potenciala
Večina protonov po prehodu membrane
ostane v bližini membrane, kar ustvarja
električni potencial. Ker je pH vrednost
smiselna le v vodni raztopini se zaradi
vezave protonov na membrano pH
raztopine ne zniža.
H+ B- A+
H+ A+ B-
B-
H+ A+ B-
H+ A+
H+
OH-
OH-
OH-
OH-
H+
H+
Komponente električnega potenciala
∆Ψ = ∆Ψin - ∆Ψout
∆G = -nF∆Ψ
F (Faraday) je definiran kot količina naboja, ki ga ima 1 mol protonov, n je število molov protonov.
Dogovorno je membranski potencijal negativen, kadar je notranja
membrana negativno nabita. Električna energija potrebna za prenos
protonov skozi membrano je enaka:
Nastanek kemijskega potenciala
Zaradi kotransporta kationov v
citoplazmo nekaj protonov odide v
raztopino, da ohrani elektronevtralnost.
Posledica je nastanek kemijskega
potenciala (∆pH).
Transport protona preko membrane ne
more sočasno razviti električni potencial
in kemijski potencial. Kemijski potencial
se razvije po desorbciji protona s
površine membrane.
B- A+
H+ B-
B-
H+
H+ B-
H+
OH-
A+
OH-
A+
A+
OH-
OH-
H+
A+
Komponente kemijskega potenciala
Energija potrebna za prenos protonov skozi membrano je podana kot
∆G = RT ln[H+in] - RT ln [H+
out]
∆G / F = RT/F ln[H+in] / [H+
out]
oziroma
∆G/F = - 60 ∆pH
pri tem je ∆pH = [H+in]- [H+
out]
Podobno kot električni lahko izrazimo kemijski potencijal v mV
Mehanizmi nastanka elektrokemijskega potenciala
Elektrokemijski potencijal na biološki membrani lahko nastane zaradi:
• redoks rekacij
• hidrolize ATP
• nastanka Na+ gradienta
• nastanka protonskega gradineta pri kotransportu produktov iz celice
• absorpcija svetlobe
Nastanek ∆p z redoks reakcijami
Sklopitev redoks reakcij (transport elektrona) s translokacijo protonov
preko membrane v dihalni verigi omogoča nastanek elektrokemijskega
potenciala.
∆G = -nEF∆E transport elektrona (redoks reakcije)
∆G = nH+ RT ln[H+in] - RT ln [H+
out] = nH+F∆p transport protona
Ti dve reakciji sta sklopljeni in ena ne more potekati brez druge
∆p = -nE∆E / nH+
Redoks reakcije
Večina spojin je lahko donor ali akceptor elektronov. Oksidant je spojina, ki
druge oksidira sebe pa reducira. Spojina, ki druge reducira sebe pa oksidira,
je reducent. Redoks par vedno pišemo tako, da je oksidirana oblika spojine
na levi, reducirana oblika pa na desni (npr. H2 +1/2O2 H20).
redoks par zapišemo kot 1/2 O2/H2O
oksidirana oblika reducirana oblika
H2 2 e- + 2H+
1/2 O2 + 2e- O2-
Redoks reakcije: elektronski stolp
redoks par potencial (V) št. udeleženih elektronov
CO2 / glukoza -0.43 24
2H+ / H2 -0.42 2
NAD+ / NADH -0.32 2
So / H2S -0.28 2
SO42- / H2S -0.22 8
fumarat / sukcinat +0.03 2
ubikinon ox/red +0.11 2
citokrom c ox/red +0.25 1
NO3- / NO2
- +0.42 2
Fe3+ / Fe2+ +0.76 1
1/2 O2 / H2O +0.82 2
Prenašalci dveh elektronov v dihalni verigi
Sistemi, ki v dihalni verigi prenašajo po dva elektrona in dva protona
(imenovani tudi prenašalci vodika) so:
• nikotinamid adenin dinukleotid, NAD+
• nikotinamid adenin diunukleotid fosfat, NADP+
• flavin mononukleotid, FMN
• flavin adenin dinukleotid, FAD
• kinoni, Q
Prenašalci elektronov (NAD+, NADP+)
NAD+ in NADP+ imata Eo’= -0.32V, kar
pomeni, da sta dobra donorja elektronov.
Preneseta dva elektrona in en proton,
drugi proton se sprosti v raztopino.
NADH se uporablja v predvsem v
katabolnih, NADPH pa v anabolnih
reakcijah
Ubikinoni
So lipidni elektronski prenašalci.
Topnost v lipidih je vezana na
izoprensko enote. Poznamo dve vrsti
kinonov: ubikinon Q in menakinon.
Menakinoni imajo dodaten benzenov
obroč in precej nižji redoks potencial
(uporabni predvsem pri anaerobnem
metabolizmu). Prenašajo dva protona
in dva elektrona.
Flavin mononukleotid (FMN)
Sintetizirani so iz riboflavina (vitamin
B2). Prenesejo dva protona in dva
elektrona. Njihov redoks potencial je
odvisen od proteina na katerega so
pripeti.
Prenašalci enega elektrona v dihalni verigi
Sistemi, ki prenašajo po en elektron v dihalni verigi so:
• citokromi
• železo-žveplovi proteini Fe-S
Citokrom c
Prostetična skupina citokromov je
hem. Ločimo več vrst citokromov:
a, b, c, o in d. Redoks potencial
citokroma je predvsem odvisen od
stranske verige vezane na pirolov
obroč. Prenesejo en elektron
zaradi spremembe redoks stanja
Fe2+ v Fe3+.
Fe-S proteini
Obstaja več Fe-S klastrov, ki imajo
različen redoks potencial od -400 mV
do + 350 mV. Prenesejo samo en
elektron, neglede na število Fe atomov
v klastru.
Potovanje elektrona po dihalni verigi (redoks reakcije)
• elektron potuje od donorja do akceptorja elektronov
• potovanje elektrona je modularno organizirano, kar omogoča fleksibilnost
in hitro prilagajanje razmeram v okolju.
• glavni moduli dihalne verige so:
substrat specifične dehidrogenaze, ki sprostijo protone in elektrone
kinoni, ki prenašajo elektrone od dehidrogenaz do terminalnih akceptorjev
terminalne oksidoreduktaze, ki so končni porabnik elektronov
Potovanje elektrona po dihalni verigi
NADH FAD FeS UQ b c1 c aa3 O2
klasična aerobna
dihalna veriga
Sklopitev transporta elektrona in translokacije protonas protonsko črpalko
+ 1/2O2 H2O
2e-
2H+
2e-QH2
4H+/2e- = 22H+
2H+
2H+
cyt bo3
2e-
NADH dehidrogenaza-I
4H+/2e- = 2
NADH
Q
NAD+ + H+
4H+
4H+
2H+
2e- 2e-
2H+/2e- = 1
QH2
2H+
2H+H2O
cyt bd 1/2O2
2e-
H+/e- = 0
Qe-
sukcinatdehidrogenaza
fumarat + 2H+
Sklopitev transporta elektrona in translokacije protona z ubikinonsko zanko
periplazmacitoplazma FAD
FeS
NADH
Q QH2
2[H]
citokrom2 x [e-]
2[e-]
citokrom oksidaza
+ 1/2O2
H2O
2H+
2H+
2H+
2H+
2H+
2H+
Sklopitev transporta elektrona in translokacije protona z ubikinonskim ciklom
c1Fe/s
cyt b
Pri transportu 2e- se prenesejo 4H+
UQH2
2H+
2H+
UQH2
e-
UQ=
2 del cikla
e-
2H+
UQH2
e-
e-
UQH2
UQ
UQ
UQUQ-
UQ- 1 del cikla
Dihalne poti
NADH FAD FeS UQ b c1 c aa3 O2
Klasična aerobna dihalna veriga
2H+
2H+
4H+
4H+
2H+
2H+
Anaerobne dihalne verige (pri bakterijah)
dehidrogenaze Q reduktaze alternativni akceptorji elektronov
o O2
dehidrogenaze Q bc1 c aa3 O2
dehidrogenaze Q b c aa3 O2
o O2
Aerobna dihalna veriga (pri bakterijah)
Modularnost respiracije
vodik dehidrogenaza
NADH dehidrogenaza
laktat dehidrogenaza
format dehidrogenaza
glicerol 3-P dehidrogenaza
metilamin dehidrogenaza
sukcinat dehidrogenaza
metanol dehidrogenaza
piruvat dehidrogenaza
kinoni
nitrat reduktaza
fumarat reduktaza
kisik oksidoreduktaza
DMSO reduktaza
TMAO reduktaza
nitrit reduktaza
Anaerobna respiracija
organska spojina
dihalna veriga
alternativni akceptorji elektronov
intermediati
ATP
biosinteza ATPNADH
substratna
fosforilacija
oksidativna
fosforilacija
Primer različnih respiracij pri Paracoccus denitrificans
aerobna:
cyt o O2
dehidrogenaza UQ bc1 c cyt aa3 O2
dehidrogenaza
nitrat reduktaza
dehidrogenaze UQ bc1 c nitrit reduktaza
NO reduktaza
N2O reduktaza
NO3-
NO2-
NO
1/2 N2O
1/2 N2
anaerobna:
Denitrifikacija
periplazma
citoplazma
citoplazmatska membrana Nar
NO3- NO2
-
Nir
NO2- NO
NONO2-
Nor
N2O
N2O
Nos
N2
N2
zunanja membrana
Redukcija sulfatov
membrana periplazmacitoplazma
8H+8e-
cyt c2e-
6e-
HMC
Fe-S
2 laktat
2 piruvat
2 acetil-CoA
2 acetil-P
2 acetatATP
4e- + 4H+
4H24e- + 4H+
4H2
ATPSO4
2-
APS
SO32-
H2SHMC citokromski kompleks
Ostali alternativni akceptorji elektronov
akceptor reakcija produkt
kloratni ion ClO3- + 6e- + 6H+ Cl- +H20 klorid
Mn4+ Mn4+ + 2e- Mn2+ Mn2+
Fe3+ Fe3+ + e- Fe2+ Fe2+
Se6+ SeO42- +2e- +2H+ SeO3
2- + H2O Se4+
DMSO (CH3)2SO + 2e- + 2H+ (CH3)2S +H2O DMS
As5+ AsO43- + 2e- + 2H+ AsO3
- + H2O As3+
TMAO (CH3)3NO + 2e- + 2H+ (CH3)3)N +H2O TMA
fumarat C4H2O42- +2e- +2H+ C4H4O4
2- sukcinat
Mehanizmi nastanka elektrokemijskega potenciala
Elektrokemijski potencial na biološki membrani lahko nastane zaradi:
• redoks rekacij
• hidrolize ATP
• nastanka Na+ gradienta
• nastanka protonskega gradineta pri kotransportu produktov iz celice
• absorpcija svetlobe
Nastanek ∆p s hidrolizo ATP
Pri fermentativcih je glavni način pridobivanja ∆p hidroliza ATP, ki je
sklopljena s translokacijo protonov skozi ATP sintetazo.
ATP + H2O ADP + Pi
3H+in 3H+out
ADP + P
ATP
3H+ 3H+
periplazma citoplazma
Nastanek ∆Na+ s transportom Na+ skozi membrano
Pri halofilnih bakterijah vlogo H+ pri transportu, rotaciji flagel in ATP sintezi
nadomesti Na+. Gradient Na+ lahko nastane z:
• H+/Na+ antiportom
• transportom elektronov
• sklapljanje dekarboksilacije organskih kislin s transportom Na+ (npr.
malonil-CoA, glutakonil-CoA, oksalacetat dekarboksilaza)
Nastanek ∆p z uporabo oksalat : format izmenjevalca
citoplazma
CO2 + format1-
++++
----
oksalat2- + H+
format1- CO2
ADP + P
ATP
H+ H+
oksalat2-
Nastanek ∆p s simportom H+ s produktom fermentacije
V primerih, ko je zunanja koncentracija fermentacijskega produkta zelo
nizka lahko pride do iznosa ferementacijskaga produkta ob sočasnem
kotransportu H+ ali Na+. Posledica je nastanek elektrokemijskega
potenciala.
Takšen transport je možen pri produkciji mlečne kisline, sukcinata ali
drugih organskih kislin.
Ionski tokovi pri Klebsiela pneumoniae
3Na+
citrat
Na+
2H+
piruvatacetat
oksalacetat
2Na+
CO2
H+ H+
format acetat
Nastanek ∆p z absorpcijo svetlobe
Nekatere arheje lahko generirajo elektrokemijski potencial s pomočjo
absorpcije svetlobe.
Npr. bakterorodopsin je protonska črpalka halofilnih mikroorganizmov, ki
prenaša protone, skozi membrano. Bakterorodopsin služi halofilnim bakterijam
predvsem v anaerobnih pogojih, ko je zaustavljen transport elektronov in je na
voljo dovolj svetlobe.
Mehanizem črpanja protonov pri bakteriorodospinu.
Retinal je vezan na G heliks preko
lizina. Fotoni svetlobe izomerizirajo
retinal iz trans v cis izomero, kar
povzroči prenos protona iz retinala na
Asp85. Od tu proton potuje preko
vodikovih vezi in vodnih molekul mimo
Arg82 v okolico. Deprotoniran retinal
se izravna in potisne F-heliks, kar
odpre kanalček na citoplazmatski
strani in omogoči reprotonacijo Asp96
in posledično retinala.
Nastanek elektrokemijskega potenciala fermentativcev
Za transport snovi skozi membrano in gibanje celica potrebuje
elektrokemijski gradient. Zaradi odsotnosti respiracije lahko fermentativni
organizmi ustvarijo elektrokemijski potencial z:
ATPazo (poraba ATP za nastanek gradienta protonov)
redukcijo fumarata
periplazmatska oksidacija H2 in fumarata
simport produktov fermentacije in protonov
Relativna deleža električnega in kemijskega potenciala
Relativna deleža sta odvisna od pH in slanosti v okolju v katerem se nahaja organizem.
Nevtralne bakterije: ∆Ψ ~ 70 %
∆pH ~ 30 %
acidofilne bakterije: ∆Ψ ~ 0 % (zaradi višjega pH znotraj celice)
∆pH ~ 100 %
alkalofilne bakterije ∆Ψ ~ 100 %
∆pH ~ 0%
(zaradi nižjega pH znotraj celice)
Uporaba ∆p za opravljanje dela
Elektrokemijski potencial lahko celica uporabi za:
• nastanek ATP
• reverzni transport elektronov
• kotransport topljencev v celico
• gibanje bička
Uporaba ∆p za nastanek ATP
Uporaba ∆p za reverzni transport elektronov
Na mestih, kjer pri respiraciji pride do sklopitve transporta elektrona in
translokacije protona, lahko v določenih primerih potovanje protona vzdolž
njegovega gradienta poganja tok elektronov od bolj pozitivnega proti bolj
negativnemu potencialu.
Reverzni transport elektronov je predvsem pomemben pri kemolitotrofih, kjer je
običajno potencial anorganske spojine bolj pozitivern od potenciala NAD+. Brez
reverznega transporta ni možna redukcija NAD+ ali NADPH in posledično rast.
Uporaba ∆p za kotransport topljencev
Običajno je koncentracija topljencev v celici višja kot zunaj celice. Potovanje
topljenca proti gradientu lahko dosežemo s kotransportom z vodikom.
Skupen elektrokemijski potencial je:
∆GH+ + ∆GS = - nH+∆pH+ + nS∆pS
pri ravnotežnih pogojih velja ∆GH+ = -∆GS oziroma
(nH+/nS) ∆pH+ = - 60 log[Sin]/[Sout]
Npr. če je razmerje prenosa (nH+/nS) enako ena, potem je lahko pri
elektrokemijskem potencialu -180 mV do 1000 x več substrata v celici kot zunaj. Če
je razmerje H+/S enako dva, imamo lahko do 1000000 x več substrata v celici, kot
zunaj celice.
Uničenje elektrokemijskega potenciala
Elektrokemijski potencial lahko uničimo z ionofori. Ionofori lahko selektivno uničijo:
+
+
+
+
+
+ + ++
+
++
++
-
---
- -
- -K+
H+ nigericin
• kemijski potencial (npr. nigericin)
H+
gramicidin
• elektrokemijski potencial (gramicidin)K+
valinomicin
• električni potencial (npr. valinomicin)
Respiracijska raznolikost mikroorganizmov
Za večino mikroorganizmov velja, da lahko izkoriščajo:
• različne elektronske donorje
• različne elektronske akceptorje
Takšna metabolna gibkost omogoča mikroorganizmom, da se lahko hitro
prilagodijo spremembam.
Respiracija E. coli na različnih organskih virih
maščobne k.
acetat
propionat
butirat
kaprat
polimeri
želatin
DNA
celobioza
pepton
kvasni ekstrakt
alkoholi
D-manitol
D-sorbitol
glicerol
amino k.
L-serin
L-glutamat
L-prolin
L-asparta
organske k.
sukcinat
DL-malat
DL-laktat
citrat
α-ketoglutarat
piruvat
sladkorji
glukoza
D-fruktoza
D-manoza
maltoza
D-ksiloza
saharoza
trehaloza
L-arabinoza
D-galaktoza
D-riboza
Primer različnih oblik respiracije pri E. coli
aerobna:
bo O2
dehidrogenaze UQ
bd O2
b FeS FAD fumarat
b FeS Mo DMSO (dimetilsulfoksid)
dehidrogenaze MQ/UQ
b FeS Mo TMANO (trimetilamin N-oksid)
b FeS Mo NO3-
(visok delež kisika)
(nizek delež kisika)
anaerobna:
Fototrofija
svetloba
tok elektronov
ATPCO2
biosinteza
tok ogljika
NADPH
Glede na sproščanje oziroma
nesproščanje kisika pri svetlobnih
reakcijah ločimo oksigeno in
anoksigeno fotosintezo.
Fototrofni prokarionti
vrsta pigment donor e- vir C
cijanobakterije Chl a, fikobilin H2O CO2
Proclorococcus Chl a, Chl b H2O CO2
škrlatne žveplove Bchl a, Bchl b H2S, So, S2O3, H2, org CO2, org
škrlatne nežveplove Bchl a, Bchl b H2, org CO2, org
zelene žveplove Bchl a, c, d, e H2S, So, S2O3, H2 CO2, org
zelene nežveplove Bchl a, c, d H2S, H2, org CO2, org
Heliobacter Bchl g org org
Struktura bakterioklorofilov
Anoksigene bakterije (zelene in škrlatne)
imajo namesto klorofila strukturno soroden
bakterioklorofil. Obstaja več vrst
bakterioklorofilov odvisno od substituent
R, ki so vezane na porfirinski obroč.
Substituente omogočajo absorpcijo
svetlobe pri različnih valovnih dolžinah.
Karoteni in fikobilini
Karoteni imajo fotoprotektivno funkcijo in odstranjujejo radikale pri
fotosintezi. Barva organizma je odvisna predvsem od prisotnih karotenov.
Fikobilini so glavni fotosintetski pigmenti cijanobakterij in rdečih alg. Antena
fotosintetskega aparata teh organizmov je sestavljena iz alofikocijanina,
fikocijanina in fikoeritrina, reakcijski center pa iz klorofila a.
Antenski sistem fotosistema I
Sistem je sestavljen iz 89 do 96
klorofilnih molekul in je preko
proteinov povezan z reakcijskim
centrom fotosistema I.
Povezanost antene in reakcijskega centra
rdeči krogci RC
rumeni in zeleni
antenski kompleks
Strukturni elementi fotosistema I
Fotosinteza škrlatnih bakterij
-1.25
-1.00
-0.75
-0.50
-0.25
0.0
+0.25
+0.50
+0.75
+1.00
Eo’
(V)
H+H+ nastanek ∆p
P870*
P870
hν
Fp
NADPHreverzni transport
NECIKLIČNI TOK ELEKTRONOV
H2S
S2 + H+
Bpho bakteriofeofitin
Q kinon
bc1 citokrom
c2 citokrom
Fp flavoprotein
BPho
bc1
c2
Q
CIKLIČNI TOK ELEKTRONOV
Anoksigena fotosinteza škrlatnih bakterij
H2S, S2O32-, So, H2, Fe2+
Metabolne možnosti škrlatnih bakterij
• fotoautotrofna rast
• fotoheterotrofna rast (uporabljajo maščobne in amino kisline,
sladkorje, alkohole in aromatske spojine kot vir ogljika, svetlobo
uporabljajo kot vir energije - ciklična fosforilacija)
• heterotrofna (fermentacija ali anaerobna respiracija)
• kemolitotrofna rast na donorju elektronov
Fotosinteza zelenih žveplovih bakterij
Pri zelenih žveplovih in zelenih
nežveplovih bakterijah namesto
antene najdemo klorosom, ki
skrbi za učinkovito absorpcijo
svetlobe pri nizkih intenzitetah.
Klorosom vsebuje bakterioklorofil a, c, d, e, karotenoide in paličaste
proteinske strukture. Preko bazalne plošče je klorosom pritrjen na
reakcijski center za fotosintezo.
Fotosinteza zelenih žveplovih bakterij
P840
P840*
hν
H+
H+ nastanek ∆p
Chl a
Q
bc1
c2
FeSCIKLIČNI TOK ELEKTRONOV
Chl a klorofil
Q kinon
bc1 citokrom
c2 citokrom
Fd feredoksin
NADPHfd
H2S
S2 + H+
NECIKLIČNI TOK ELEKTRONOV
Eo’
(V)
-1.25
-1.00
-0.75
-0.50
-0.25
0.0
+0.25
+0.50
+0.75
+1.00
Oksigena fotosinteza
H+
H+
nastanek ∆p
P680*
P700
P700*
Chl ao
FeS
Fd
H20
e- 1/O2 + H2P680
hν
hν
FpNADPH
Ph
PQ
b6fPC
Ph feofitin, PQ plastokinonPC plastocianin, b6c
-1.25
-1.00
-0.75
-0.50
-0.25
0.0
+0.25
+0.50
+0.75
+1.00
Eo’
(V)
Strukturni elementi elektronskega transporta
Litotrofija - rast na anorganskih spojinah
Večina litotrofov je aerobnih in
avtotrofnih (kemolitoavtotrofi). Razen
vodikovih bakterij in karboksidobakterij
imajo vsi donorji elektronov, ki jih
uporabljajo litotrofi višji potencial od
NAD+/NADH, kar pomeni, da morajo
uporabljati reverzni transport
elektronov.
anorganska spojina
tok elektronov
ATPCO2
biosinteza
tok ogljika
NADPH
Litotrofija
bakterije redoks par E’o(V)
karboksidobakterije CO2 / CO -0.54
vodikove bakterije H+ / H2 -0.41
NAD+ / NADP -0.32
žveplove bakterije SO42- / SO3
2- -0.28
S / H2S -0.25
SO32- / S +0.05
nitratatorji NO3- / NO2
- +0.42
nitritatorji NO2- / NH4
+ +0.44
železove bakterije Fe3+ / Fe2+ +0.78
1/2 O2 / H2O +0.82
Vodik oksidirajoče bakterije
Ključni encim je hidrogenaza.
Večina vodik oksidirajočih bakterij
je mikroaerofilnih fakultativnih
heterotrofov.
hidrogenaza
Q
bc1c
hidrogenaza
NADP+
NADPH
biosinteza
CO2
aa3
citoplazma
ADP + P
H+ H+
ATP
2H+ + 1/2O2
H2O
2H+ 2H+
H2
2H+
2H+2H+
Karboksidotrofne bakterije
Oksidacijo CO do CO2 vrši CO dehidrogenaza. Elektroni iz oksidacije CO
vstopajo v dihalno verigo in generirajo ATP.
Karboksidotrofne bakterije rastejo autotrofno tako, da uporabljajo
Calvinov cikel fiksacije CO2. Podobno kot vodikove bakterije, lahko večina
izolatov raste kemoorganotrofno na organskih substratih.
Biološka oksidacija reduciranih žveplovih spojindo sulfata
S2O3-
So
SO32-
SO42-
2e-
2e-
citoplazma
Q
FMN
cyt c
cyt b
cyt aa3
NADreduktaza
H2S
HS-
2H+2H+
e-
H2O2H+ 2H+
2H+ + 1/2O2
NADPHreverznitransport e-
NADP+ + H+periplazma
Oksidatorji amonija - nitritatorji
amonij monooksigenaza
Q
c
aa3
citoplazma
NH2OH oksidaza
4H+ + HNO2NH2OH NH2OH
NH3 + O2 + 2H+
ADP + P
H+ H+
ATP
4e-
2H+ 2H+
2e-
2H+ + 1/2O2
H2O2e-
2H+2H+
Oksidacija nitrita do nitrata - nitratatorji
caa3
citoplazma
Q
nitrit oksidaza
H+
ADP + P
H+
ATP
bc1
NADH-Qoksidoreduktaze
2H+2H+
2e-
2H+ + 1/2O2
H2O
NO2-
NO3- + 2H+
Citokrom c ima E=270 mV
nitrat/nitrit pa E=420 mV.
Zaradi različnega električnega
potenciala membrane na
citoplazemski in periplazemski
strani elektron, sproščen pri
oksidaciji nitrita, potuje preko
membrane.
2H+ 2H+
NADP+ + H+
NADPH
reverznitransport elektronov
Anammox - anaerobna oksidacija amonija
Anamoks bakterije lahko opravijo oksidacijo amonija do N2. Za uspešno
oksidacijo amonija v anaerobnem okolju, anammox bakterije potrebujejo
nitrat.
Anammox bakterije omogočajo pretvorbo viškov amonija v odpadnih
vodah direktno v okljevarstveno neškodljiv dušik.
Biološka oksidacija železa
ca1
citoplazma
Q
bc1
NADH-Qoksidoreduktaze
Fe3+
oksidaza
zunanja
membrana
notranja
membrana
periplazma
porin
2H+ + 1/2O2
H2OFe3+
Fe2+
2H+ 2H+
NADP+ + H+
NADPHreverzni t. elektronov
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
ADP + P
H+
ATP
Pregled glavnih mikrobnih metabolnih strategij
energija vir C proces donor e- akceptor e-
fermentacija org. spojine
kemijska
radiacijaCO2
aerobna respiracija
O2
NO3-, NO2
-, NO, N2O, SO4
2-
O2
CO2
bakteriorodopsin
NADP
NADP
org. spojine
org. spojine
anaerobna respiracija
fotosinteza
CO2 kemolitotrofijaH2, NH4
+, NO2, H2S, S
H2
H2S, S
H2O
org. spojine
org. spojine
org. spojine
org. spojine fotosinteza
Top Related