Μεταβολισμός - Βιοενεργητική - Θερμοδυναμική PDF

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ – ΒΙΟΕΝΕΡΓΗΤΙΚΗ - ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΒΑΣΙΛΗΣ ΤΖΟΥΝΑΚΑΣ Μεταβολισμός Μεταβολισμός: Σύνολο χημικών διεργασιών που πραγματοποιούνται μέσα σε ένα κύτταρο ή σε έναν οργανισμό → απαραίτητες για τη διατήρηση της ζωής (διαχείριση υλικών και ενεργειακών πόρων του κυττάρου) Μεταβολισμός...

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ – ΒΙΟΕΝΕΡΓΗΤΙΚΗ - ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΒΑΣΙΛΗΣ ΤΖΟΥΝΑΚΑΣ Μεταβολισμός Μεταβολισμός: Σύνολο χημικών διεργασιών που πραγματοποιούνται μέσα σε ένα κύτταρο ή σε έναν οργανισμό → απαραίτητες για τη διατήρηση της ζωής (διαχείριση υλικών και ενεργειακών πόρων του κυττάρου) Μεταβολισμός Βασικές αρχές μεταβολισμού Οι οργανισμοί ανάλογα με το είδος της πηγής ενέργειας την οποία χρησιμοποιούν κατατάσσονται σε: Αυτότροφους (μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε χημικά χρήσιμη μορφή, π.χ. φυτά) Ετερότροφους (προσλαμβάνουν τα θρεπτικά συστατικά από το περιβάλλον, τα οξειδώνουν και παράγουν χρήσιμη ενέργεια, π.χ. ζώα) Μεταβολισμός Βασικές αρχές μεταβολισμού 1. ATP – ενεργοποιημένος φορέας για τη μεταφορά φωσφορικών ομάδων (ATP/ADP/AMP) 2. Ενεργοποιημένοι φορείς ηλεκτρονίων (π.χ. NAD+) 3. Ενεργοποιημένοι φορείς ακυλομάδων (π.χ. συνένζυμο Α) Μεταβολισμός Βασικές αρχές μεταβολισμού 6 βασικοί τύποι χημικών αντιδράσεων (αμφίδρομες) στον μεταβολισμό: Αντιδράσεις μεταβολισμού Οξειδοαναγωγή Ο πιο συνηθισμένος τύπος αντιδράσεων στον μεταβολισμό Παράδειγμα: Αντιδράσεις μεταβολισμού Σύνδεση με διάσπαση ATP Το ATP διασπάται για να απελευθερωθεί ενέργεια Η ενέργεια αυτή χρησιμοποιείται για να δημιουργηθεί δεσμός Παράδειγμα: Αντιδράσεις μεταβολισμού Ισομερείωση Γίνεται ανακατανομή συγκεκριμένων ατόμων σε ένα μόριο Είναι απαραίτητη για να μετατραπεί ένα μόριο στο κατάλληλο για την αντίδραση που ακολουθεί Παράδειγμα: Αντιδράσεις μεταβολισμού Μεταφορά Ομάδας Μια λειτουργική ομάδα μεταφέρεται από ένα μόριο σε ένα άλλο Παράδειγμα: Αντιδράσεις μεταβολισμού Υδρόλυση Η προσθήκη νερού οδηγεί σε διάσπαση δεσμών Μακρομόρια διασπώνται σε μικρότερα μόρια → ευκολότερη περαιτέρω διάσπαση ή επαναχρησιμοποίηση μονομερών για βιοσύνθεση Παράδειγμα: Αντιδράσεις μεταβολισμού Προσθήκη ή Αφαίρεση Λειτουργικών Ομάδων Προστίθενται λειτουργικές ομάδες σε διπλούς δεσμούς ή αφαιρούνται λειτουργικές ομάδες ώστε να δημιουργηθούν διπλοί δεσμοί Ενυδάτωση ή αφυδάτωση Παράδειγμα: Μεταβολικά μονοπάτια Συνδυασμός των παραπάνω αντιδράσεων οδηγεί στη δημιουργία μεταβολικών μονοπατιών Τύπος βιολογικού μονοπατιού→ το σύνολο των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των βιοχημικών συστατικών του κυττάρου → για τη διατήρηση και τον έλεγχο της ροής της γενετικής πληροφορίας και της καταβολικά μονοπάτια ενέργειας → ικανότητα του (π.χ. διάσπαση τροφής → κυττάρου να μεταβάλει τη απελευθέρωση και συμπεριφορά του ως απόκριση στα αποθήκευση ενέργειας για ερεθίσματα που δέχεται μελλοντική χρήση – λίγα τελικά προϊόντα) αναβολικά μονοπάτια (βιοσύνθεση μορίων – μεγάλη ποικιλία τελικών προϊόντων) Μεταβολικά μονοπάτια Μεταβολικά μονοπάτια – Καταβολισμός Οξειδωτική αποικοδόμηση πολύπλοκων μορίων (υδατανθράκων, πρωτεϊνών και λιπιδίων) που προσλαμβάνονται από το περιβάλλον ή από αποθέματα του κυττάρου Χαρακτηρίζεται από αντιδράσεις που παράγουν ενέργεια (ATP) Επειδή χαρακτηρίζεται από οξειδωτικές αντιδράσεις σε μεγάλο βαθμό, μέρος της χημικής ενέργειας μπορεί να διατηρηθεί ως ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας μέσω μεταφοράς στα NAD+ και NADP+ → NADH, NADPΗ Η οξείδωση των οργανικών μορίων στο κύτταρο δε γίνεται σε ένα βήμα, αλλά μέσω ενός συνόλου διαδοχικών χημικών αντιδράσεων (ΓΙΑΤΙ;;) Μεταβολικά μονοπάτια – Καταβολισμός Στάδιο 1: Από τα θρεπτικά μακρομόρια με διάσπαση προκύπτουν οι δομικοί τους λίθοι Στάδιο 2: Δομικοί λίθοι αποικοδομούνται σε απλούστερα ενδιάμεσα μόρια Στάδιο 3: Τα τελικά προϊόντα του αερόβιου καταβολισμού είναι: H20, NH3 και CO2 Μεταβολικά μονοπάτια – Αναβολισμός Αφορά αντιδράσεις σύνθεσης (αναγωγικές αντιδράσεις) Τα διάφορα βιομόρια δημιουργούνται από απλούστερα πρόδρομα μόρια. Απαιτεί ενέργεια (ATP) Απαιτούνται ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας για τις αναγωγικές αντιδράσεις του αναβολισμού (NADPH) Τα τελικά προϊόντα είναι ποικίλα και συχνά είναι πολυμερή Μεταβολικά μονοπάτια Μερικά μονοπάτια έχουν διπλό ρόλο: συμμετέχουν τόσο στον αναβολισμό όσο και στον καταβολισμό = αμφιβολικές πορείες Μεταβολικά μονοπάτια Τα μονοπάτια μπορεί να είναι γραμμικά, κυκλικά ή διακλαδισμένα Μεταβολικά μονοπάτια Κάθε μεταβολικό μονοπάτι έχει συγκεκριμένο σκοπό: Παραγωγή ενέργειας Αποθήκευση ενέργειας Σύνθεση σημαντικών ενώσεων και συμπλόκων Περιορισμός των άχρηστων ουσιών Μεταβολικά μονοπάτια Χαρακτηριστικά μεταβολικών μονοπατιών: Το πρώτο μη αναστρέψιμο βήμα → committed step. Μόλις ένα αντιδρών μόριο περάσει από αυτό το βήμα, «δεσμεύεται» να συμμετέχει στο μονοπάτι Το πιο αργό βήμα → rate-limiting step. Καθορίζει το συνολικό ρυθμό και των υπόλοιπων αντιδράσεων και κατ’ επέκταση την κινητική του συνόλου του μεταβολικού μονοπατιού Μεταβολικά μονοπάτια Χαρακτηριστικά μεταβολικών μονοπατιών: Στη γλυκόλυση, η φωσφορυλίωση της 6-φωσφορικής φρουκτόζης σε 1,6-δισωσφορική φρουκτόζη αποτελεί το ρυθμορυθμιστικό βήμα, το οποίο καταλύεται από τον παράγοντα PFK-1 (Phosphofructokinase-1). Μεταβολικά μονοπάτια Οι αναβολικές και καταβολικές αντιδράσεις, παρότι αντίθετες, δεν αναιρούν η μία την άλλη αλλά συμβαίνουν ταυτόχρονα στο κύτταρο, ενώ συχνά μοιράζονται κοινά ενδιάμεσα και ενζυμικές αντιδράσεις. Το κύτταρο ελέγχει αυστηρά και ξεχωριστά τις δύο κατηγορίες αντιδράσεων ✓ Έλεγχος ποσότητας ενζύμων ✓ Έλεγχος συγκεντρώσεων των διαφόρων μεταβολιτών (υποστρωμάτων-προϊόντων) ✓ Αλλοστερική ρύθμιση ✓ Αντιστρεπτή ομοιοπολική τροποποίηση ✓ Κυτταρική διαμερισματοποίηση Μεταβολικά μονοπάτια Τα ανταγωνιστικά μεταβολικά μονοπάτια συχνά βρίσκονται σε διαφορετικά διαμερίσματα στο κύτταρο → ένζυμα καταβολισμού λιπαρών οξέων στα μιτοχόνδρια – βιοσύνθεση λιπαρών οξέων στο κυτοσόλιο Μεταβολικά μονοπάτια Έλεγχος μεταβολικών μονοπατιών Μεταβολικά Δίκτυα Απεικονίζουν το μεταβολισμό των υδατανθράκων, λιπιδίων, αμινοξέων, νουκλεοτιδίων, και παραγώγων τους Διαβάζονται με ποικίλους τρόπους Μεταβολίτες ή ένζυμα → συνδέουν δύο ή περισσότερους κλάδους μονοπατιών Συστημική βιολογία – Αυστηρά ρυθμιζόμενο σύστημα – Ταυτόχρονα ευέλικτο (αλλαγές στο περιβάλλον) Μεταβολικά Δίκτυα Κάθε μεταβολικό ενδιάμεσο ως μία κουκίδα και κάθε ένζυμο ως γραμμή Μια κουκίδα με μόνο μία γραμμή, πρέπει να είναι είτε θρεπτικό, είτε αποθεματικό μόριο, είτε τελικό προϊόν Όταν η κουκίδα περιβάλλεται από 2 γραμμές, ο μεταβολίτης είναι ενδιάμεσο ενός μονοπατιού Όσο αυξάνονται οι γραμμές, τόσο αυξάνονται και οι μεταβολικές οδοί που μπορεί να ακολουθήσει το συγκεκριμένο μόριο Μεταβολικά δίκτυα Τα μεταβολικά μονοπάτια μπορούν να αναπαρασταθούν ως χάρτης: Τι συμβαίνει με τους μεταβολίτες και τα σύμπλοκα Αναγνώριση ενζύμων που δρουν πάνω στους μεταβολίτες Αναγνώριση σημείων και παραγόντων γονιδιακής ρύθμισης Αναγνώριση αιτιών ασθενειών Βιοενεργητική - Θερμοδυναμική Ρόλος της ενέργειας στους ζώντες οργανισμούς Ζωντανό κύτταρο = μικροσκοπικό χημικό εργοστάσιο όπου συμβαίνουν χιλιάδες αντιδράσεις Ζώντες οργανισμοί – συνεχή τροφοδότηση με ενέργεια για τρεις σκοπούς: Εκτέλεση μηχανικής εργασίας (π.χ. κυτταρικές κινήσεις, σύσπαση μυών) Ενεργητική μεταφορά μορίων και ιόντων Σύνθεση μακρομορίων από απλά μόρια Η ενέργεια που χρησιμοποιείται στις πορείες αυτές, αποκτάται από το περιβάλλον Βιοενεργητική - Θερμοδυναμική Κάθε χρονική στιγμή, στο κύτταρο πραγματοποιούνται χιλιάδες μετασχηματισμοί Δυναμική Ενέργεια: ενέργεια ενός σώματος λόγω της θέσεως/κατάστασής του Ηλεκτρομαγνητική Ενέργεια: η ενέργεια που περιέχεται στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα (ή φωτόνια) που εκπέμπονται από μια πηγή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (π.χ. ηλιακή) Κινητική Ενέργεια: η ενέργεια που έχει ένα σώμα όταν κινείται Χημική Ενέργεια: το σύνολο της δυναμικής ενέργειας που απαιτήθηκε για τη συγκρότηση μορίων χημικών ουσιών από διάφορα άτομα Θερμική Ενέργεια: το σύνολο της κινητικής ενέργειας των σωματιδίων που συγκροτούν τα υλικά σώματα, καθώς αυτά κινούνται στο εσωτερικό τους. Με τον όρο θερμότητα εννοούμε την ενέργεια που μεταφέρεται από ένα σώμα υψηλής θερμοκρασίας σε άλλο με χαμηλότερη θερμοκρασία, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η κινητική ενέργεια των σωματιδίων του Ηλεκτρική Ενέργεια: η κινητική ενέργεια των κινούμενων ηλεκτρονίων Θερμοδυναμική Θερμοδυναμική είναι η μελέτη των ενεργειακών μετασχηματισμών Μας επιτρέπει να συμπεράνουμε εάν μία αντίδραση μπορεί να λάβει χώρα αυθόρμητα, χωρίς να μας δίνει τον ρυθμό της ροής! Ορίζεται από νόμους και αρχές που περιγράφουν την ροή και την ανταλλαγή ενέργειας σε ένα σύστημα 1ος Νόμος Θερμοδυναμικής: Νόμος διατήρησης της ενέργειας 2ος Νόμος Θερμοδυναμικής: Νόμος αύξησης εντροπίας