Metabolizmus Metabolizmus •Každá živá buňka je otevřený systém, který je charakteristický výměnou s prostředím (hmoty, energie, informace) •Živiny z prostředí do buňky → transformace – tvorba energie, syntéza biomolekul → exkrece metabolitů •Tok hmoty, energie a informace buňkou → metabolizmus • • • Metabolizmus •Metabolická aktivita mikroorganizmů je mimořádně různorodá •Metabolizmus buňky (tok hmoty a energie buňkou) tvoří celek, který má dvě protichůdné kategorie • katabolizmus • anabolizmus Metabolizmus •Katabolizmus – představuje degradativní procesy, vedoucí ke tvorbě energie (-ΔG) •Anabolizmus – vede k syntéze jednotlivých složek buňky a je spojen se spotřebou energie (+ΔG) •Katabolizmus a anabolizmus jsou dva protichůdné procesy, které vedle sebe existují v prostoru a čase a vzájemně se podmiňují Metabolizmus Spřažení katabolizmu (exergonické reakce) a anabolizmu (endergonické reakce) Metabolizmus Vazba mezi katabolizmem a anabolizmem Metabolizmus •Proces metabolizmu je souhrn biochemických reakcí, které • a/ probíhají posloupně a jsou “seřazeny“ do řad – metabolické dráhy • b/ uzavřeny do kruhu – cykly • •Výsledný metabolit může vznikat více než jednou metabolickou drahou – alternativní metabolické dráhy • • • Metabolizmus •Každá metabolická dráha – metabolický pochod – je řízen specifickým regulačním systémem •Regulační systém se uplatňuje • - již při syntéze enzymů • - nebo má vliv na aktivitu enzymu •Řídící funkce regulačního systému se uplatňuje i při změněných podmínkách vnějšího prostředí Energie •Všechny chemické reakce probíhající v buňce lze považovat za termodynamicky reverzibilní změny •V průběhu izotermního děje je na uskutečnění reakce spotřebována jen malá část celkové vnitřní energie systému – volná energie •Zbytek představuje energii ztrátovou (entropii) – projeví se v podobě tepla • Energie •Změna volné energie při přechodu reagujícího systému z jednoho stavu do druhého • ΔG = ΔH – TΔS • •ΔG – změna volné energie •ΔH – změna celkové (vnitřní) energie systému •T – absolutní teplota •ΔS – změna entropie Energie •Při chemické reakci je změna volné energie dána rovnicí • ΔG = ΔGo + RT lnK •ΔGo - standardní změna volné energie •R –plynová konstanta (8,319 kJ/mol/grad) •K – rovnovážná konstanta rovnice A+B↔C+D Energie •V rovnovážném stavu je volná energie minimální a nedochází k její změně •Potom ΔGo = 0 z toho • • ΔGo = - RT ln K = -2,303 RT log K • Energie •Při vysoké hodnotě K směřuje reakce k dokončení a ΔGo je negativní. Při těchto reakcích je energie uvolňována (exergonické reakce) •Probíhá-li reakce opačným směrem, hodnota K je nízká, musí být systému energie dodána (endergonické reakce) Makroergické vazby •Energetický metabolizmus probíhá při spřažení exergonických a enderonických reakcí •Pro uskutečnění syntézy je nutné, aby součet změn volné energie obou spřažených reakcí byl negativní nebo alespoň s nulovou hodnotou Makroergické vazby •Syntetické reakce probíhají většinou za účasti energeticky bohaté sloučeniny (ATP, látka schopná vytvářet makroergickou vazbu) •Díky vysoké hladině ΔG makroergické vazby, se aktivuje substrát a umožní se tím vlastní reakce Makroergické vazby •Příklad – spřažené reakce při fosforylaci glukózy na glukóza-6-fosfát •Glu + Pan → Glu-6-fosfát (ΔGo =+12,6kJ) • •Při účasti ATP, poskytne jeho makroergická vazba (ΔGo =-20,3kJ) potřebnou energii pro reakci, ale odštěpením P také fosforylaci Glu • •Glu + ATP → Glu-6-fosfát + ADP • (ΔGo =-16,7kJ) • Makroergické vazby •Změny ΔGo při hydrolýze některých sloučenin • • - ΔGo (KJ.mol-1) •ATP + H2O → ADP + Pan 30,9 •ATP + H2O →AMP + pyrofosfát 31,8 •Glu-6P + H2O → Glu + Pan 12,5 •Acetylfosfát + H2O → HAc + Pan 43,9 •P-enolpyruvát + H2O →pyruvát + Pan 54,4 •Acyl-KoA + H2O →HAc + KoASH 32,2 Makroergické vazby •Příklad – spřažené reakce – růst kvasinky Torulopsis na etanolu. Pro syntézu glukózy (polysacharidů) je potřebná energie, kterou získá také z etanolu etanol ½ glukóza 2CO2+3H2O +CO2 +3O2 Makroergické vazby •Regenerace ADP na ATP vyžadující • ΔGo =+20,3 kJ je možná spřažením s jinou, energeticky bohatou látkou (fosfoenolpyrohroznovou kyselinou hydrolýzou se uvolní (ΔGo =- 50,2 kJ ) • •Fosfoenolpyruvát + ADP → pyruvát + ATP (ΔGo =- 20,9 kJ) Makroergické vazby •Některé energeticky bohaté sloučeniny • • ΔGo (kJ/mol) •Fosfoenolpyruvát 62,0 •1,3-difosfoglycerát 49,4 •Acetylfosfát 42,3 •Acetyl-koA 34,3 •UDP-Glukóza 31,8 •ATP (→AMP+2Pan) 31,0 •ATP (→ADP+Pan) 31,8 ATP •ATP – univerzální přenašeč energie – univerzální donor fosfátu v anabolických reakcích •Soustava ADP ↔ ATP je univerzálním “spřahovačem“ katabolizmu a anabolizmu •Kterákoliv exergonická reakce může “pohánět“ jakoukoliv endergonickou reakci •Proto je metabolizmus jako celek vysoce spolehlivý • ATP Spřahující úloha ATP v metabolizmu buňky (vazba katabolizmu a anabolizmu) ATP Centrální úloha ATP při syntéze biologických makromolekul ATP •Tvorba ATP • ☺ na úrovni substrátu • ☺ na úrovni membrány • * u prokaryot na cytoplazmatické membráně • * u eukaryot na vnitřní membráně mitochondrií Tvorba ATP na úrovni substrátu fosfoenol pyruvát kináza acetyl kináza PEP karboxykináza fosfotransacetyláza acetyl kináza Tvorba ATP na úrovni substrátu arginin deamináza ureidáza arginin citrulin ornitin PEP karboxykináza +ADP Tvorba ATP na úrovni membrány chemiosmóza elektrontransportní řetězec Tvorba ATP na úrovni membrány Tvorba ATP na úrovni membrány Protonový kanál O→L→T→O …. ATPáza Tvorba ATP na úrovni membrány •Respirační řetězec •ATP se generuje •vytvářením protonového gradientu a potenciálu •na membráně přechodem •přes cytochromový •řetězec Tvorba ATP na úrovni membrány •Efektivnost živých systémů – při oxidaci NADH+H+ úplnou oxidativní fosforylací s O2 jako terminálním akceptorem vodíku a elektronů •ΔG0 = -nF ΔEh (n-počet elektronů,F-Faradajův náboj) ΔEh redoxpotenciál mezi reakcemi • NAD/NADH+H+ -0,32 • 2H+ + ½O2/H2O 0,82 •ΔG0 = -2(96 500)(0,82-(-0,32) = -220kJ/mol (teoreticky) •ΔG0 pro hydrolýzu ATP = -30,5 kJ/mol •Jestliže jsou syntetizovány 3 moly ATP/molNADH • 3x(-30,5) 91,5 kJ • •Efektivnost potom je Tvorba ATP na úrovni membrány •Respirační řetězec u prokaryotických organizmů má několik typů • •A/ Obecný typ – zahrnující NAD, FAD, feredoxin, chinom a cytochromy Tvorba ATP na úrovni membrány •Respirační řetězec •B/ Rozvětvený lineární řetězec s menachinonem a dvěma typy cyt b • • • • • Tvorba ATP na úrovni membrány •Respirační řetězec • •C/ Cyklický systém u purpurových bakterií Tvorba ATP na úrovni membrány •Standardní oxidační potenciály • E0´(V) •NAD/NADH +2H++2e- -0,32 •FAD/FADH2 +2H++2e- -0,22 •FMN/FMNH2 +2H++2e- -0,19 •Fumarát/sukcinát +2H++2e- +0,03 •Menachinon +2H++2e- -0,07 •Ubichinon +2H++2e- +0,11 •2cytbox/cytbred +0,07 •2cytcox/cytcred +0,25 •2cytaox/cytared +0,38 •1/2O2/H2O +2H++2e- +0,82 •SO42-/SO32- +2H++2e- +0,20 •2NO3-/N2O4 +2H++2e- +0,80 Tvorba ATP na úrovni membrány Příklady reakcí, kdy H2 je donor e- E0´(V) Tvorba ATP na úrovni membrány •Obecně O2 je nejvýhodnější terminální akceptor vodíku a elektronů •Vystupují i jiné látky, v závislosti na reagujícím páru •Př. 2H+/H2 (-0,42V), fumarát/sukcinát (+0,02V) • H2 + fumarát 2- → sukcinát 2- • ale • sukcinát 2- + NO3- → NO2- + H2O • sukcinát 2- + ½O2 →fumarát 2- + H2O Role NAD(P) v metabolizmu •NAD(P) – univerzální přenašeč vodíku a elektronů •Jeho redukovaná i oxidovaná forma volně cirkuluje v základní cytoplazmě •Molekula NAD(P)+ je redoxním systémem • NAD(P)+ + 2 H+ + 2e- ↔ • NAD(P)H ++ H+ E´0 = - 0,32V Role NAD(P) v metabolizmu •NAD(P) – je druhým substrátem řady cytoplazmatických dehydrogenáz (laktát dehydrogenáza, glyceraldehyd-3-P dehydrogenáza, ….) •Některé dehydrogenázy využívají jako druhý substrát NAD+ jiné NADPH+ •Bakterie a (některé eukaryotické mikroorganizmy a živočišné buňky) obsahují NAD(P)+ -transhydrogenázu, katalyzující reakci • NADPH + NAD+ ↔ NADP+ + NADH Role NAD(P) v metabolizmu •Transhydrogenáza je lokalizovaná u bakterií na cytoplazmatické membráně, u eukaryot v mitochondiích (vnitřní strana vnitřní membrány) •Standardní elektrodový potenciál poločlánku NAD+/NADH i NADP+/NADPH • je prakticky stejný -0,32 V •Reakce NADPH + NAD+ ↔ NADP+ + NADH • z leva doprava je exergonická • z prava doleva je endergonická (dodání ATP nebo protonový gradient) Role NAD(P) v metabolizmu •NADH je určeno především k redukci kyslíku a produkci ATP na úrovni membrány (exergonické reakce) • •NADPH je určeno především k redukcím v biosyntetických pochodech (endergonické reakce) Role NAD(P) v metabolizmu biosyntetické reakce katabolizmus respirační řetězec ATP ADP + Pan NADP+ NADPH+H+ NAD+ NADH+H+ ATP ADP+Pan O2 H2O oxidované produkty redukované substráty redukované produkty biosyntézy oxidované metabolity Role NAD(P) v metabolizmu •Koncentrace • NAD+/NADH • NADP+/NADPH • NADH/NADPH • • jsou v buňce konstantní, • a jejich koncentrace se citlivě reguluje, • v závislosti na rychlosti tvorby a spotřeby Metabolizmus •Rozdělení organizmů ve vztahu ke zdrojům energie • •Chemotrofní •Fototrofní Rozdělení organizmů ve vztahu ke zdrojům energie - chemotrofní •chemoorganotrofní fermentace Rozdělení organizmů ve vztahu ke zdrojům energie - chemotrofní •chemolitotrofní Rozdělení organizmů ve vztahu ke zdrojům energie - fototrofní Vztah chemotrofů ke kyslíku •Obligátně (striktně) aerobní • zisk energie → aerobní respirace •Obligátně (striktně) anaerobní • zisk energie → anaerobní respirace • → fermentace •Fakultativně anaerobní • zisk energie → aerobní respirace • → anaerobní respirace • → fermentace •Mikroaerofilní → fermentace •Aerotolerantní → fermentace Fermentace – kvašení “Kvašení je život bez vzduchu“ – L.Pasteur •Glykolýza Fosforylace glukózy (spotřeba 2 ATP) Vznik pyruvátu (vytvoření 4 ATP) Ebden Mayerhof Parnasova dráha (EMP dráha) Čistý výtěžek : 2 ATP/mol glukózy Glykolýza glukóza P glukóza-6- 3-fosfoglycerát P P P P fruktóza-6- fruktóza -1,6- glyceraldehyd-3- 1,3-difosfoglycerát 2-fosfoglycerát fosfoenolpyruvát pyruvát P P P P AT NADH P P P ADP AT ADP 2 2 2 2 2 2 aldoláza Pi glyceraldehyd-3-P dehydrogenáza 2 AT 2 ADP P fosfoglycerokináza enoláza pyruvát kináza 2 ADP P 2 AT laktát etanol acetaldehyd+CO2 pyruvát dekarboxyláza NAD+ NADH NAD+ alkohol dehydrogenáza laktát dehydrogenáza Fermentace Glykolýze Využití jiných cukrů v galaktóza manóza manóza fruktóza Fermentace – úloha pyruvátu pyruvát Streptococcus Lactobacillus kvasinky Propionibacterium Clostridium E.coli Salmonella laktát etanol CO2 propionová k. HAc, CO2, H2 máselná k. butanol aceton izopropyl alkohol CO2 etanol mléčná k. mravenčí k. acetoin CO2 , H2 glykolýza Některé mikrobiální fermentace etanol acetaldehyd laktát α-acetolaktát oxalacetát acetyl-koA propionát sukcinát fumarát malát formiát acetoin 2,3-butandiol izopropanol aceton acetoacetyl-koA acetát acetyl-P etanol acetaldehyd butyryl-koA butyrát butyryl-P butanol butyrylaldehyd H2 CO2 CO2 NADH NADH CO2 NADH H2O CO2 CO2 NADH koA Pi ATP ADP A-koA NADH NADH NADH CO2 pyruvát koA NADH CO2 Pi ATP ADP CO2 NADH pyruvát Reoxidace NADH během fermentace glukóza glyceraldehyd-3-P 1,3-difosfoglycerát pyruvát laktát X - deriváty pyruvátu Y - redukované produkty glykolýza fermentační dráhy Fermentace •Homofermentativní kvašení – konečným produktem je jedna látka v převažujícím množství (obvykle více než 90%) - homofermentativní mléčné kvašení – Lactobacillus acidophilus → kyselina mléčná (acidofilní mléko) •Heterofermentativní kvašení – konečným produktem je několik metabolitů (některý může převažovat) – máselné kvašení - Clostridium → kyselina máselná, butanol, izopropyl alkohol, aceton • • • • Etanolové kvašení u kvasinek • Glukóza fruktóza-diP • • 2 gly-P 2 trióza-P • • pyruvát • • acetaldehyd etanol 2ATP 2ADP 4ATP 4ADP 2CO2 2NAD+ 2NADH+H+ EMP dráha 2CO2 etanol Čistý výtěžek : 2 ATP/mol glukózy Čistý výtěžek : 2 ATP/mol glukózy Etanolové kvašení u bakterií ketodeoxyglukonátová (Entner-Doudorofova)dráha • glukóza • • glu-6-P • • glukonát-6-P • • 2-oxo-3-deoxy-6-P-glukonát • • pyruvát glyceraldehyd-3-P • • • • etanol CO2 etanol CO2 + + -2H+ - H2O + 2H+ +2H+ ATP ADP 2 ADP 2 ATP Čistý výtěžek: 1 ATP/ mol glukózy Organizmus: Zymomonas Modifikace Entner-Doudorofovy dráhy glukóza glukóza glukóza glukóza glukóza-6-P glukonát glukonát glukonát glukonát-6-P 2-keto-3-deoxy- glukonát 2-keto-3-deoxy- glukonát 2-keto-3-deoxy- glukonát 2-keto-3-deoxy- glukonát-6-P 2-keto-3-deoxy- glukonát-6-P pyruvát + glyceraldehyd-6-P pyruvát + glyceraldehyd-6-P pyruvát + glyceraldehyd-6-P pyruvát + glyceraldehyd-6-P FADH NAD(P)H NAD(P)H ATP ATP NAD(P)H Pyrococcus Sulfolobus + Thermoplasma Halobacterium + Clostridium aceticum Pseudomonas + eubakterie Homofermentativní mléčné kvašení • •glukóza EMP 2 pyruvát • • •2 laktát 2 NAD+ 2 NAD+ 2 NADH+H+ 2 ATP 2 ADP 4 ADP 4 ATP Čistý výtěžek : 2 ATP/mol glukózy 2 laktát 2 CO2 Organizmy : Lactobacillus acidophilus, L.bulgaricus, L.casei, L. leichmannii, Streptococcus lactis Heterofermentativní mléčné kvašení (fosfoketolázová dráha) • glukóza • • • • glukóza-6-P • • • • k.6-P-glukonová • • • • ribulóza-5-P • • • • • • Čistý výtěžek : 2 ATP/mol glukózy • • ATP ADP NAD+ NADH+H+ xylulóza-5-P glyceraldehyd-3-P acetyl-koA acetyl-P k.pyrohroznová acetaldehyd CO2 NAD+ NADH+H NAD+ NADH+H+ 2 ADP 2 ATP NAD+ NADH+H+ laktát fosfoketoláza ADP ATP HSkoA NADH+H+ NAD+ HSkoA NADH+H+ NAD+ etanol Organizmy : Lactobacillus brevis, L.delbrueckii, Leuconostoc mesenteroides Heterofermentativní zkvašování hexóz (fosfoketolázová dráha) • 2 glukóza • • • 2 glukóza-6-P • • • 2 fruktóza-6-P • • fosfoketoláza • • •erytróza-4-P 3 acetyl-P • • •2 xylulóza-5-P • •fosfoketoláza • •2 glyceraldehyd-3-P • • • • • •2 pyruvát • • • • 2 acetyl-P 2 laktát 3 acetát 2 ATP 2 ADP 4 ATP 4 ADP 3 ADP 3 ATP NAD+ NAD+ NADH+H+ Výtěžek : 5 ATP/ 2 mol glukózy Organizmus : Bifidobacterium bifidum NADH+H+ Propionové kvašení glukóza EMP-dráha PEP pyruvát oxalacetát malát fumarát sukcinát sukcinyl-koA HSkoA propionyl-koA metylmalonyl-koA CO2 H2O acetyl-koA acetyl-P HSkoA NAD+ NADH+H+ HSkoA Pan 2 ATP 2 ADP 4 ATP 4 ADP NADH+H+ NAD+ ADP ATP FADH2 FAD ADP ATP CO2 acetát propionát Organizmy: Propionibacterium, Veillonella alcalescens Propionové kvašení laktát laktyl-SkoA akrylyl-SkoA propionyl-SkoA acetát acetyl-SkoA propionát H2O 2H+ Organizmus: Clostridium propionicum Máselné kvašení glukóza pyruvát acetyl-koA koA acetaldehyd acetyl-koA butyryl-koA krotonyl-koA β-hydroxybutyryl-koA acetoacetyl-koA acetoacetát butyrylaldehyd acetát acetát acetyl-koA etanol acetát CO2 aceton izopropanol CO2 H2 + butyrát butanol NAD+ NADH+H+ NAD+ NADH+H+ NAD+ NADH+H+ NAD+ NADH+H+ EMP NAD+ NADH+H+ NAD+ NAD+ NADH+H+ NADH+H+ Organizmy: Clostridium butyricum, C.butylicum, C.acetobutylicum, C.saccharoperbutylacetonicum Smíšené kvašení sacharidů glukóza pyruvát EMP formiát CO2 H2 acetyl-koA laktát sukcinát acetát etanol Organizmy: čeleď Enterobacteriaceae, někteří zástupci rodů Bacillus a Pseudomonas Smíšené kvašení sacharidů •Laktát 108,8 53,4 121,7 •Etanol 41,3 59,4 25,4 •Acetát 32,0 10,1 25,6 •Formiát 1,6 5,5 39,3 •CO2 54,0 126,9 0 •H2 45,2 44,2 0 •Sukcinát 18,0 6,0 10,8 •Acetoin 0 0,4 0 •2,3-butandiol 0 34,6 0 • Produkt E.coli Enterobacter aerogenes Salmonella enterica (mol / 100 mol glukózy) Smíšené kvašení sacharidů Organizmus: někteří zástupci rodu Serratia glukóza pyruvát acetoin 2,3-butandiol formiát CO2 EMP 2H+ 2H+ CO2 Kvašení pentóz ribóza ribóza-5-P ribulóza-5-P xylóza xylulóza xylulóza-5-P arabinóza ribulóza ribulóza-5-P acetyl-P glyceraldehyd-3-P acetát Pan H2O EMP ATP ADP ATP ADP ATP ADP ADP ATP 2 ADP 2 ATP laktát Organizmy: bakterie mléčného kvašení (výroba produktů mléčné výživy) Kvašení aminokyselin I. •Zkvašování jednotlivých aminokyselin •Zahrnuje reduktivní deaminaci podle rovnice • • R- CH2CHCOOH + 2H+ • R-CH2COOH + NH3 • NH2 Těmto procesům podléhají především: alanin, arginin, histidin, kys. glutamová, glycin, treonin, metionin, prolin, tryptofan Kvašení aminokyselin •Aminokyselina Organizmus Produkt •Alanin Cl.propionicum acetát, propionát,NH3 •Arginin Cl.perfringens ornitin,CO2,NH3 • r.Streptococcus •Histidin Cl.tetanomorphum pyruvát, acetát,NH3 •Glycin Peptococcus anaerobius acetát, CO2,NH3 •Treonin Cl.tetanomorphum k.α-ketomáselná,NH3 • Veillonella alcalescens •Metionin Cl.sporogenes k.α-ketomáselná, metylmerkaptan,NH3 •Prolin r.Clostridium k.valerová, propionová, octová,NH3 •Tryptofan Cl.sporogenes k.idolylpropionová,NH3 Kvašení aminokyselin - arginin arginin + H2O citrulin karbamylfosfát ornitin + + NH3 CO2 ADP ATP Organizmus: Cl.perfringens Kvašení aminokyselin – histidin+k.glutamová histidin k.urokanová k.formiminoglutamová k.mesakonová k.β-metylasparagová k.glutamová + k.β-metyljablečná NH3 2 H2O NH3 H2O pyruvát acetát formamid H2O Organizmus: Cl.tetanomorphum Kvašení aminokyselin - glycin glycin 5-hydroxymetyl-THL serin glycin pyruvát acetyl-koA acetyl-P NAD+ NADH+H+ pyridoxal-P + CO2 NH3 NADH+H+ NAD+ CO2 Pan ADP ATP HSkoA acetát Organizmus: Peptococcus anaerobicus Kvašení aminokyselin - tryptofan tryptofan k.indolylpropionová indol pyruvát H2O E.coli Cl.sporogenes NADH+H+ NAD+ NH3 NH3 + + Kvašení aminokyselin - treonin • • •CH3CHOCHCOOH • • • CH3CH2COCOOH + NH2 α-ketomáselná Organizmus: Cl.tetanomorphum, Veillonella alcalescens NH3 Kvašení aminokyselin - metionin SCH2CH2CHCOOH H2O CH3 NH2 + CH3CH2COCOOH + CH3S + α-ketomáselná metylmerkaptan Organizmus: Cl.sporogenes NH3 Kvašení aminokyselin – β-alanin β-alanin pyruvát α-alanin glutamát α-ketoglutarát NAD+ NADH+H+ semialdehyd kys.malonové k.β-hydroxypropionová β-hydroxypropionyl-koA akrylyl-koA propionyl-koA k.propionová H2O HSkoA NH2-akrylyl-koA acetát acetyl-koA Organizmus: Cl.propionicum HN3 Kvašení aminokyselin II. •Anaerobní dekarboxylace vedoucí k tvorbě aminů. Proces je katalyzován substrátově specifickými dekarboxylázami. Reakce jsou příznačné zvláště pro diaminokyseliny. • CH2-CH2-CH2-CH2-CH-COOH • • • CH2-CH2-CH2-CH2-CH2 + CO2 NH2 NH2 NH2 NH2 lyzin kadaverin Kvašení aminokyselin II. •CH2-CH2-CH2-CH-COOH • • CH2-CH2-CH2-CH2 • • •C-NH-CH2-CH2-CH2-CH-COOH • • • C-NH-CH2-CH2-CH2 NH NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH NH2 CO2 CO2 + + ornitin putrescin arginin agmatin Kvašení dvojic aminokyselin •Sticklandovy reakce (Stickland u Clostridium – r.1939) •Energie je získávána oxidoredukcí mezi dvěma vhodnými aminokyselinami • nebo • aminokyselinou a bezdusíkatou látkou Kvašení dvojic aminokyselin •alanin + NAD+ + H2O • pyruvát + NADH+H+ + NH3 •pyruvát + NAD+ + KoA • acetyl-KoA + CO2 + NADH+H+ •acetyl-koA + HPO42- + ADP • acetát + ATP + KoA •2 glycin + 2 NADH+H+ • 2 acetát + 2 NAD+ + 2 NH3 • •alanin + glycin + HPO42- + ADP + H2O • 3 acetát + CO2 + 3NH3 + ATP Sticklandovy reakce alanin pyruvát acetyl-koA acetyl -P acetát 2 glycin 2 acetát 2NH3 2NADH 2NAD+ ATP ADP koA Pi CO2 koA NADH NAD+ NADH NAD+ NH3 H2O H2O Kvašení dvojic aminokyselin • Donor Akceptor • alanin glycin • leucin prolin • izoleucin ornitin • valin arginin • histidin tryptofan • fenylalanin tyrozin • tryptofan metionin Kvašení heterocyklických sloučenin - puriny adenin guanin hypoxantin xantin kys.močová NH3 NH3 H2O H2O H2O 2H+ H2O 2H+ Organizmy: Clostridium acidiurici a Veilonella alcalescens 1213490862 Soubor:Guanine chemical structure.png 150px-Adenine Soubor:Harnsäure Ketoform.svg 220px-Hypoxanthin_-_Hypoxanthine Kvašení heterocyklických sloučenin - puriny xantin k.5-ureido-4 -imidazol karbonová k.5-amino-4 -imidazol karbonová 5-aminoimidazol 4-imidazolon forminoglycin 5-formimino-THL 5,10-metenyl-THL 10-formyl-THL k.mravenčí glycin THL CO2+ NH3 CO2 H2O NH3 H2O NH3 H2O ADP ATP THL Organizmus: Cl.cylindrosporum THL - tetrahydrolistová File:Xanthin - Xanthine.svg File:10-formyl-tetrahydrofolic acid.svg Kvašení heterocyklických sloučenin - puriny xantin + 6 H2O 4 NH3 + 3 CO2 + CH3COOH Organizmus: Cl.acidiurici Kvašení heterocyklických sloučenin - puriny uracil dihydrouracil k.β-ureidopropionová H2O H2O H2O NH3 + CO2 β-alanin Organizmus: Cl. oroticum NADPH+H+ NADP+ Kvašení heterocyklických sloučenin - puriny k.orotová k.dihydroorotová k.karbamylasparagová k.asparagová NH3 + CO2 H2O NADP+ NADPH+H+ Organizmus: Cl. oroticum Orotic acid (6-Carboxyuracil) Chemical Structure Kvašení heterocyklických sloučenin - pyrimidiny File:Uracil.svg uracil dihydrouracil kys.β-ureidopropionová β-alanin -H2O +H2O NADPH+H+ NADP+ H2O NH3+CO2 Organizmus: Clostridium oroticum 180px-Dihydrouracil File:Beta-alanine structure.svg Kvašení heterocyklických sloučenin - pyrimidiny • • tymin 5,6-dihydrothymin 3-ureido-isobutyrát 3-amino-2-metylpropaonát H+ + H2O NH3+CO2 H2O H+ NADPH+H+ NADP+ Organizmus: E.coli, Pseudomonas putida Thymine_chemical_structure Kvašení polysacharidů •Glykogen a škrob amylázy oligosacharidy maltóza maltáza glukóza (Clostridium, Bacillus) •Celulóza celuláza celobióza celobiáza glukóza (Clostridium) •Pektin protopektinázy celulóza + protopektiny kys.polygalatouronová pektináza metanol + kys.galaktouronová+arabinóza+galaktóza+ xylóza kys.máselná + octová + CO2+ H2 (Clostridium, Bacillus macerans) Tvorba energie na úrovni membrány •Aerobní respirace •Anaerobní respirace •Fototrofie Tvorba energie na úrovni membrány •Aerobní respirace • neúplná oxidace substrátu • primárních alkoholů • glukózy • úplná oxidace substrátu • Krebsův cyklus • Cyklus dikarbonových kyselin • Cyklus kyseliny glyoxalové • Pentózový cyklus (hexózomonofosfátová dráha) Tvorba proton promotivní síly při aerobní respiraci Neúplná oxidace alkoholů •Oxidace primárních alkoholů • kyseliny •Oxidace sekundárních alkoholů • ketony • Neúplná oxidace alkoholů CH3-CH2-OH CH3-CHO CH3-CH-(OH)2 CH3-COOH H2O ½O2 H2O NADH+H+ NAD+ CH3CO-COOH CO2 glukóza 4ATP 4ADP k.glukonová EMP dráha Organizmy: Acetobacter, Gluconobacter Neúplná oxidace glukózy glukóza glukóza-6-P k.glukonová k.6-P-glukonová ribulóza-5-P k. 2-ketoglukonová k. 5-ketoglukonová Acetobacter melanogenum k. 2,5-diketoglukonová Acetobacter suboxidans fosforylační dráha nefosforylační dráha Gluconobacter Úplná oxidace substrátu Krebsův cyklus ATP respirační řetězec β-oxidace mastných kyselin glykolýza Úplná oxidace substrátu - cyklus dikarbonových kyselin respirační řetězec Zkrácený cyklus kyseliny citronové (Thumberg-Knopova dráha). Přítomnost této dráhy nevylučuje využití Krebsova cyklu. Organizmus: E.coli, Arthrobacter globiformis, E.aerogenes – při růstu na acetátu Úplná oxidace substrátu - cyklus kyseliny glyoxalové 2H+ 2H+ respirační řetězec Přeměna kys. jantarové je podle Krebsova cyklu (fumarová, jablečná, oxaloctová). Kyselina glyoxalová kondenzuje v přítomnosti acetyl-koA a malátsyntetázy na kys. jablečnou. Význam této metabolické dráhy je ve zvýšené tvorbě kyseliny jablečné a oxaloctové pro syntetické pochody Organizmy: Pseudomonas, Xanthomonas Úplná oxidace substrátu – hexózomonofosfátová dráha Pentózový cyklus, ribulózafosfátová dráha – zejména u fakultativně anaerobních bakterií. Oxidací glukóza-6-P vzniká k.3-keto-6-fosfoglukonová oxidativní dekarboxylace ribulóza-5-P, ribóza-5-P, xylulóza-5-P. Rovnováhu mezi ribózou a ribulózou udržuje fosforiboizomeráza (poměr 3:1). Současně se vytváří rovnovážný stav mezi ribulózou a xylulózou (2:3) udržovaný fosfoketoepimerázou. Transaldolázou se přenese 3-C na glyceraldehyd-3-P a vznikne erytróza a fruktóza-P. NADPH NADPH syntéza NK redukce v anabolických drahách Úplná oxidace substrátu – hexózomonofosfátová dráha •Sumárně •2 C6H12O6 + 6 O2 6CO2 + 6H2O + C6H12O6 • •K úplné oxidaci 1 molu glukózy musí cyklus proběhnout dvakrát. Jeden cyklus odpovídá rovnici •CH2(CHOH)4CHO • • OPO3H2 3 O2 3 CO2 + 3 H2O + OPO3H2 CH2CHOHCHO + glukóza-6-P 3-fosfoglyceraldehyd Oxidace biomolekul protein lipid nukleové kys. polysacharidy peptidy aminokyseliny Glycerol + mastné kyseliny puriny pyrimidiny kys.močová dihydroxyuracil pentózy monosacharidy pyruvát acetát TCA NH4+ S2- PO43- CO2 H2O + + + + Aerobní oxidace lipidů •H2C – O – mastná kyselina • HC – O – mastná kyselina •H2C – O – mastná kyselina • •H2C – O – mastná kyselina • HC – O – mastná kyselina • O • H2C – O – P O –(X) • OH lipáza fosfolipáza D fosfolipáza C fosfolipáza B fosfolipáza A β-oxidace mastných kyselin •β-oxidace je zahájena dehydrogenací mastné kyseliny tvorbou dvojné vazby. Acetyl-koA je odštěpen β-ketotiolázou a zbytek mastné kyseliny zahajuje nový cyklus •Při ω-oxidaci vznikají dikarbonové kyseliny. Hydroxylačními reakcemi za účasti NADPH+H+ vznikají nejprve ω-hydroxymastné kyseliny. Jejich oxidace vyžaduje NAD+. Oxidace n-alkanů •Monotereminální oxidace – první uhlík alkohol kyselina β-oxidace •Diterminální oxidace – jsou oxidovány oba terminální uhlíky za vzniku směsi kyselin Oxidace toluenu Oxidace aromatických sloučenin naftalen oxigenáza katechol-2,3-oxigenáza katechol-1,2-oxigenáza Katecholová dráha meta dráha orto dráha Oxidace aromatických sloučenin Katecholová dráha Oxidace aromatických sloučenin Dráha kyseliny gentisové Oxidace polysacharidů •Prvním krokem je hydrolýza na mono- nebo di-sacharidy • • Oxidace škrobu a glykogenu •Škrob i glykogen je tvořen proměnlivým podílem • amylózy – lineární řetězec α-1,4-glukozid •a • amylopektinu – rozvětvený řetězec α-1,4-glukozid s větvením 1,6 • •*hydrolýza větvení vazby 1,6 specifický enzym α-1,6-glukozidáza •α-amyláza,β-amyláza, -amyláza •α-amyláza štěpí škrob na kterémkoliv místě •β-amyláza štěpí škrob z obou konců • -amyláza štěpí z neredukujícího konce po glukózových jednotkách •α-amyláza + amylóza dextrin maltóza+ glukóza (6:1) •Účinek α-amylázy na amylopektin závisí na stupni větvení (vazby 1,6 nehydrolyzují) • • • Účinek α-amylázy na amylózu glukóza maltóza na amylopektin konec redukujícího řetězce Účinek β-amylázy na amylózu na amylopektin Oxidace škrobu a glykogenu •Fosforolytické štěpení řetězce s vazbami 1,4 • Začíná u neredukujícího konce působením polysacharidfosforylázy α-D-glukóza-1-fosfát • fosfoglukomutáza • glukóza-1,6-difosfát Oxidace škrobu a glykogenu fosforolytické štěpení •glukóza-1,6-difosfát + enzym • P-enzym + glukóza-6-fosfát •glukóza-1-fosfát + P-enzym • glukóza-1,6-difosfát + enzym •Celkem : • glukóza-1-fosfát glukóza-6-fosfát • •Při fosforolýze škrobu nebo glykogenu je energetický výtěžek na 1 mol glukózy o 1 ATP větší (na vznik glukóza-6-fosfátu není třeba ATP) • Štěpení celulózy (vazba 1,4) celulázovým komplexem prehydratační faktor (aktivační faktor, bobtnací faktor) -amyláza α-amyláza β-amyláza β-amyláza celobiáza -amyláza Štěpení disacharidů •laktóza + H2O glukóza +galaktóza •maltóza + H2O glukóza + glukóza •celobióza + H2O glukóza + glukóza •sacharóza + H2O glukóza + fruktóza • •maltóza + H3PO4 glukóza-1-P + glukóza β-galaktozidáza α-glukozidáza β-glukozidáza β-fruktofuranozidáza maltózafosforyláza (maltáza) (celobiáza) (invertáza) Štěpení bílkovin •protein • polypeptid • oligopeptid • aminokyselina • •Atak z aminového konce • bílkovinného řetězce proteáza endopeptidáza exopeptidáza Štěpení bílkovin aminopeptidáza karboxypeptidáza serin alanin Atak z karboxylového konce bílkovinného řetězce Oxidace aminokyselin •Oxidace aminokyselin v aerobních podmínkách začíná oxidativní deminací • •R-CHCOOH + ½ O2 R-COCOOH + NH3 • • • •Aminokyseliny mohou být oxidovány jednotlivě nebo několik současně NH2 Oxidace aminokyselin •Desaturační deaminace kys.asparagové • •COOHCH2CHCOOH COOHCH=CHCOOH + NH3 • • • •Oxidace cysteinu • •HSCH2CHCOOH + H2O CH3COCOOH+NH3+ H2S • • • aspartáza NH2 NH2 kys.fumarová kys.pyrohroznová cysteindesulfhydráza Organizmy: fakultativně anaerobní bakterie Organizmy: P.vulgaris, P.morganii, E.coli, B.sutilis, ….. Oxidace aminokyselin •Oxidace serinu • •HOCH2CHCOOH CH3COCOOH + NH3 • • • • •Oxidace lyzinu •CH2(CH2)3CHCOOH + 2 H2O CH3(CH2)2COOH + CH3COOH + 2 NH3 NH2 NH2 serindehydrogenáza kys.pyrohroznová kys.máselná NH2 Organizmy: Peptococcus, E.coli, … Organizmy: Cl.sticklandii •Oxidace prolinu Oxidace aminokyselin Organizmy: B. subtilis Oxidace aminokyselin •Oxidace fenylalaninu a tyrozinu Organizmy: Ps.aeruginosa Oxidace aminokyselin •Oxidace tryptofanu Organizmy: Pseudomonas, Flavobacterium Oxidace aminokyselin •Oxidace valinu, leucinu a isoleucinu Organizmy: Pseudomonas, Alcaligenes, Mycobacterium NH3 NH3 NH3 Oxidace heterocyklických sloučenin amidinohydroláza Organizmy: Pseudomonas, Alcaligenes Anaerobní respirace •Při anaerobní respiraci je organický substrát oxidován přenosem protonů a elektronů na kyslík vázaný v anorganické látce •Přenos elektronů na vázaný kyslík uskutečňují příslušné cytochromreduktázy •Tímto způsobem získávají energii chemoorganotrofní bakterie, vyjímečně chemolitotrofní •U chemoorganotrofních bakterií je organická látka současně zdrojem energie i uhlíku • Anaerobní respirace •Procesy anaerobní respirace • * redukce dusičnanů na dusitany • * denitrifikace • * desulfurikace • * redukce CO2(metanové kvašení) Redukce dusičnanů na dusitany •Nitrát reduktáza je membránově vázaný enzym obsahující molybden •Syntéza nitrát reduktázy je striktně blokována molekulovým kyslíkem •Na 1 mol NO3- - 2 ATP •Hromadění vytvořeného dusitanu potlačuje růst bakterií • •Organizmy: E.coli, Proteus vulgaris, Staphylococcus aureus a další fakultativně anaerobní bakterie • Nitrát reduktáza Fp - flavoprotein FeS – bílkovina s nehemově vázaným Fe-S Redukce dusičnanů na dusitany •Zdrojem vodíku a elektronů může být jakákoliv organická látka •CH3COOH + 4NO3- • CO2 + 4NO2- + 2 H2O •nebo • •C6H12O6 + 12 NO3- • 6 CO2 + 6 H2O + 12 NO2- Redukce dusičnanů •U Pseudomonas stutzeri je možná redukce dusičnanů až na N2 Denitrifikace •Denitrifikace – proces redukce dusitanů na N2 nebo N2O nebo směs obou plynů •2 NO2- + 4 H+ N2O + H2O + 2 OH- •N2O + 2 H+ N2 + H2O • •CH3COOH + 2 NO2- • 2 CO2 + N2O + H2O + 2 OH- Denitrifikace • •2 HNO2 [HON=NOH] NH2OH 2 NH3 • • • • • N2O N2 • •Tento pochod vychází z předpokladu, že se redukce na amoniak uskutečňuje působením příslušné reduktázy (nitrit-,hyponitrit-, hydroxylaminreduktázy). Způsob přenosu elektronů při denitrifikaci není dosud jasný. -H2O -2H2O +2H+ +4H+ -2H2O +4H+ -2H2O +4H+ Denitrifikace •Denitrifikace u chemolitotrofů – Thiobacillus denitrificans •vedle denitrifikace současně oxiduje thiosíran na síran • •3 Na2S2O3+8 KNO3+2 NaHCO3 6 Na2SO4+4 K2SO4+2 CO2+4 N2+ H2O Desulfurikace •Donorem elektronů a protonů je organická látka nebo plynný vodík •Jako akceptor vystupuje síran, siřičitan, thiosíran, tetrathionát, …. •Redukci těchto látek uskutečňují především anaerobní bakterie – zástupci rodů Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfosarcina, Desulfonema a některé Archaea Desulfonema sp. Desulfurikace •Při procesu desulfurikace vznikají energeticky bohaté sloučeniny APS - adenozin 5´-fosfosulfát •a • PAPS – fosfoadenozin-5´-fosfosulfát APS PAPS Využíván v disimilačním metabolizmu Využíván v asimilačním metabolizmu Desulfurikace - biochemie sekrece Organické látky s obsahem síry (cystein, methionin,..) Disimilativní redukce síry Asimilativní redukce síry SO42- + ATP APS + 2H3PO4 Desulfurikace – transport elektronů •Enzym H2 áza, cytochrom c3 a cytochromový komplex-Hmc • jsou periplazmatické bílkoviny Desulfurikace – redukce síranů plynným vodíkem •H2+ SO42- • S2- + 4 H2O •Na každý redukovaný SO42- se vytváří 1 ATP •Reakce probíhá v několika stupních •*U Desulfovibrio gigans může probíhat oxidativní fosforylace spojená s oxidací vodíku (rozdíl od aerobů - přítomnost pouze jednoho cytochromu - c) Organizmus: Desulfovibrio desulfuricans Desulfurikace – redukce síranů vodíkem z organických látek •4 CH3COCONa + 5 MgSO4 •5 MgSO4+2Na2CO3+5H2S+5CO2+H2O •nebo •2CH3CHOHCOOH+Na2SO4 • 2CH3COOH+Na2S+2CO2+H2O • •Výtěžek: •1ATP redukcí SO42- •2 ATP oxydací pyruvátu na acetát (přes acetyl-koA a acetyl fosfát) • •Hromadění velkého množství sirovodíku až 2 g/l snížení redox potenciálu zastavení růstu jiných bakterií Organizmus: Desulfovibrio, Desulfotomaculum Redukce síranů u archebakterií • laktát • • pyruvát • • acetyl-koA • • metyl-H4MPT [CO] • • metylen-H4MPT CO2 • • methenyl-H4MNPT • • formyl-H4MPT • • formyl-MFR • • CO2 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- CO2 oxidace laktát + 3H2O 3 CO2 + 6 [2e-] + 12 H+ redukce H2SO4 + 4 [2e-] + 8 H+ H2S + 4 H2O Sumárně laktát + ½ H2SO4 3 CO2 + 1½ H2S + 3 H2O MFR-metanoruran H4MPT-tetrahydrometanopterin Organizmus: Archaeoglobus Redukce CO2 a CO •Konečným produktem je metan •Organizmy jsou striktní anaerobové (jsou podstatně citlivější ke kyslíku než denitrifikační nebo desulfurikační bakterie •Jsou dvě skupiny metanogenních organizmů využívajících jako akceptor protonů a elektronů CO2 • metanogenní • homoacetogenní •Jako zdroj vodíku a elektronů nikdy nevyužívají cukry a aminokyseliny •Jako substrát slouží H2, nižší mastné kyseliny, primární alkoholy, izoalkoholy. Typické substráty přeměňované na metan •I. Typ CO2 substrátů • CO2 (s elektrony z H2), některé alkoholy nebo pyruvát •II. Metyl substráty • metanol • metylamin CH3NH3+ • dimetylamin (CH3)2NH2+ • trimetylamin (CH3)3NH+ • metylmerkaptan CH3SH • dimetylsulfoxid (CH3)2S • •III. Acetotrofní substráty • acetát • pyruvát Volná energie typických metanogenních reakcí •* Typ 1 •CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O -130 •4 HCOOH CH4 + 3CO2 + 2H2O -120 •CO2+ 4(izopropanol) CH4+ 4(aceton)+2H2O -37 •* Typ2 •CH3OH + H2 CH4 + H2O -113 •4CH3OH 3CH4+CO2+2H2O -103 •2(CH3)2S+2H2O 3CH4+CO2+2H2S -49 •* Typ 3 •CH3COOH CH4+CO2 -33 • ΔGo (kJ/mol CH4) Rozdíly mezi metanogenezí a acetogenezí acetyl-koA Tvorba energie u metanogenů metanofenazin Koenzymy metanogenních Archaea Redukce CO2 plynným vodíkem acetyl-koA drahou Organizmus: Methanobacterium formicum Redukce CO2 plynným vodíkem metanogeneze •MF – metanofuran •MP – metanopterin •CoM – koenzym M •CoB – koenzym B Organizmus: Methanosarcina barkeri metan Redukce CO2 na formyl Redukce formylu na metylen a potom na metyl Redukce metylové skupiny na metan Metylreduktáza, F430 komplex Protonový gradient Na+ pumpa ATP Redukce CO2 - donor metanol metanogeneze •Corr – protein obsahující korrinoid •CODH – karbonmonooxid dehydrogenáza metanogeneze biosyntéza Tvorba acetyl-koA pro biosyntézu Využití redukční síly k redukci metanolu na metan Tvorba redukční síly oxidací metanolu na CO2 Co dehydrogenáza Redukce CO2 - donor acetát metanogeneze •Corr – protein obsahující korrinoid •CODH – karbonmonooxid dehydrogenáza •CoM – koenzym M • • Biosyntéza Metanogeneze CO dehydrogenáza Redukce CO • • •CO + H2O CO2 + H2 •CO2 + 4 H2 CH4 + H2O •Sumárně •CO + 3 H2 CH4 + H2O Organizmus: Methanobacterium formicum Redukce CO metyltrasferáza (obsahující:metylkobalamin nebo 5N,10N-metyltetrahydrolistová kyselina) Mechanizmus není dostatečně popsán Organizmus: Methanobacterium formicum Součástí redukčního pochodu je pravděpodobně i koA Některé alternativní akceptory elektronů v anaerobní respiraci •Fe3+ Fe2+ (Eo= +0,2V) • •Geobacter matallireducens •Acetát + 8 Fe3+ + 4 H2O • 2 HCO3- + 8 Fe2+ + 9 H+ • (ΔGo=-233kJ) • • •Ostatní organizmy redukující Fe3+ : Geobacter, Geospirillum, Geovibrio • • e- Některé alternativní akceptory elektronů v anaerobní respiraci •Mn4+ Mn2+ (Eo = +0,798V) • •Organizmus: Shewanella putrefaciens Některé alternativní akceptory elektronů v anaerobní respiraci •Desulfotomaculum auripigmentum redukuje arsenát v po redukci síranů – As2S3 – je vytvářen intracelulárně i extracelulárně. Produkce “minerálů“ se označuje jako biomineralizace. As2S3 Tvorba As2S3 v prostředí je součástí detoxifikačních procesů v prostředí Některé alternativní akceptory elektronů v anaerobní respiraci Redukce selenátu může jít přes seleničitan až na kovový Se. Tímto způsobem je možné odstraňovat toxické sloučeniny selenu z vody nebo půdy. Organizmus: Shewanella, Geospirillum Energetický metabolizmus chemolitotrofních bakterií •Chemolitotrofní bakterie získávají energii procesy aerobní respirace •Zdrojem energie je redukovaná anorganická látka •Konečným akceptorem vodíku a elektronů je molekulový kyslík •Zdrojem uhlíku je CO2 •Podle povahy substrátu • Oxidace amoniaku (nitrifikace) • Oxidace sloučenin síry (sulfurikace) • Oxidace sloučenin železa • Oxidace vodíku • Oxidace metanu Energetický metabolizmus chemolitotrofních bakterií Energetický metabolizmus - nitrifikace •Oxidace amoniaku probíhá ve dvou stupních •nitritace •2 NH3 + 3 O2 2 NO2- + H2O + 2 H+ •nitratace •2 NO2- + O2 2 NO3- Energetický metabolizmus - nitrifikace Organizmus: Nitrosomonas (obligatorní chemolitotrof a autotrof), Nitrosococcus Nitritace amoniumoxigenáza •NO2- + ADP + Pan + H2O • NO3- + ATP + 2H+ •NAD+ + 2 H+ + 2 e- NADH+H+ •NADH+H+ +ADP + Pan + ½O2 • NAD+ + ATP + H2O •NO2- + 2 ADP + 2 Pan + ½O2 + 2 e- • NO3- + 2 ATP Energetický metabolizmus - nitrifikace cytochromy energie Nitratace Organizmus: Nitrobacter Energetický metabolizmus - nitrifikace Organizmus: Nitrobacter (fakultativní chemolitotrof) Energetický metabolizmus - nitrifikace •Hromadění dusičnanu v buňce vede k inhibici spotřeby kyslíku a omezení další oxidace nitritu. Proto je část dusičnanů přeměňována na dusitan (cytochrom c reduktázou a nitrát reduktázou) Recyklický proces oxidace dusitanu Nitrifikační (zejména nitratační) bakterie jsou velmi citlivé na přítomnost některých organických látek Energetický metabolizmus - nitrifikace Elektrontransportní řetězec Nitrobacter – předpokládá se, že cyt c vystupuje pouze v toku k NAD+ nikoliv ke kyslíku Energetický metabolizmus - sulfurikace •Biochemizmus oxidace redukovaných sloučenin síry není dostatečně znám •Sekvence reakcí •4 S2- 2S2O32- S4O62- SO32- + S3O62- 4 SO32- • 4 SO42- Energetický metabolizmus - sulfurikace • S2- + 2 O2 SO42- • S + H2O + 1½O2 SO42- + 2 H+ •S2O32- + H2O + 2 O2 2 SO42- + 2 H+ Energetický metabolizmus - sulfurikace •Kmeny Thiobacillus thioparus a Thiobacillus thiooxydans •oxidují thiosíran nejprve na siřičitan •SSO32- + GS- GSS- + SO32- •GSS- + O2 + H2O GS- + SO32- + 2 H+ •2 SO32- + 2 H2O 2 SO42- + 4 e- + 4 H+ •4 H+ + 4 e- + O2 2 H2O • •S2O32- + 2 O2 + H2O 2 SO42- + 2 H+ • Energetický metabolizmus - sulfurikace •Mimo tvorbu ATP na úrovni membrány, byl prokázán vznik ATP na úrovni substrátu • •2 SO32- + 2 AMP 2 APS + 4 e- • 2 APS + 2 Pan 2 ADP + 2 SO42- • 2 ADP AMP + ATP • •2 SO32- + AMP + 2 Pan 2 SO42- + ATP + 4 e- •Je to jediný příklad tvorby ATP u chemolitotrofů na úrovni substrátu (první dvě reakce jsou opačné než u desulfurikačních bakterií) APS-reduktáza ADP-surfuryláza adenylátkináza Energetický metabolizmus - sulfurikace •Thiobacillus denitrificans vedle aerobní respirace má i anaerobní respiraci nitrátu (denitrifikační typ) • •5 S2O32- + 8 NO3- + H2O 10 SO42- + 2 H+ + 4 N2 Energetický metabolizmus - sulfurikace •Thiobacillus ferrooxidans •(obligatorně chemolitotrofní) vedle oxidace sloučenin síry oxiduje i Fe2+ •Fe2+ + 0,25 O2 + H+ • Fe3+ + 0,5 H2O ΔG0 = -167kJ/mol • •4 FeSO4 + 2 H2SO4 + O2 2 Fe2(SO4)3 + H2O Energetický metabolizmus - sulfurikace •Thiobacillus ferrooxidans •Respirační řetězec pokrývá veškerou spotřebu energie vysoká koncentrace cytochromů c1, c, a1 ve srovnání s koncentrací cytochromu b • • Energetický metabolizmus - sulfurikace •Achromatium – velké koky (10-100μm) – gama Proteobacteria •Striktní chemolitotrof •Vyskytují se v sedimentech čistých vod s obsahem sulfidů (poprvé v Německu v malých jezerech) •Buňky obsahují značný počet velkých granulí CaCO3 (slouží pravděpodobně jako zdroj uhlíku) • • • Energetický metabolizmus – oxidace Fe •Železité bakterie oxidují sloučeniny Fe2+ na hydroxid železitý •4 FeCO3 + O2 + 6 H2O 4 Fe(OH)3 + 4 CO2 •Thiobacillus ferrooxidans – jediný striktní chemolitotrof (oxidace síry probíhá podstatně pomaleji) •Ostatní druhy, Sphaerotilus a Leptotrix, vytvářejí koloidní inkluze umístěné v buňce nebo v pochvě •Gallionella – ukládá hydroxid železitý na povrchu vláken. K tvorbě Fe(OH)3 může docházet i nespecifickou cestou Energetický metabolizmus – oxidace Fe • •Leptothrix je schopný oxidovat vedle železa i mangan •Mn2+ + ½O2 + H2O • MnO2 + 2 H+ • ΔGo = -68 kJ Energetický metabolizmus oxidace vodíku •Obligatorní chemolitotrofní vodíkové bakterie nejsou známy •Fyziologické skupiny chemoorganotrofních bakterií schopných získávat energii oxidací H2 • •Pseudomonas O2 •Paracoccus denitrificans NO3- •Desulfovibrio desulfuricans SO42- •Methanobacterium CO2 Terminální akceptor vodíku a e- Energetický metabolizmus oxidace vodíku •Bakteriální dehydrogenázy plynného vodíku •vodík:NAD+-oxidoreduktáza (dehydrogenáza vodíku) – rozpustná – tvorba redukčních ekvivalentů pro biosyntézu a membránově vázaná – oxidace vodíku za tvorby ATP •vodík:ferricytochrom c3-oxidoreduktáza (cytochrom c3-hydrogenáza)-membránově vázaná, reagující na úrovni ubichinon-cyt.b přes cyt. c (Paracoccus denitrificans) •vodík:feredoxin-oxidoreduktáza (feredoxin-hydrogenáza). Vyskytuje se u řady fakultativně anaerobních bakterií (E.coli, P. vulgaris, …) Energetický metabolizmus oxidace vodíku • ½O2 + H2 H2O Pseudomonas •2NO3- + 5 H2 + 2 H+ N2 + 6H2O Paracoccus •SO42- + 4 H2 S2- + 4 H2O Desulfovibrio • S + H2 S2- + 2 H+ Campylobacter •CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O Methanobacterium •2 CO2 + 4 H2O CH3COOH + 2 H2O Acetobacter •Fumarát + H2 sukcinát Vibrio Energetický metabolizmus oxidace metanu •Metan je oxidován metanovými bakteriemi (rod Methylomonas – chemolitotrofní, Hyphomicrobium – chemoorganotrofní) • •CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O • •Mezistupněm oxidace je formaldehyd Energetický metabolizmus oxidace metanu MMO – metan monooxygenáza (membránově vázaná) jeden atom kyslíku je vnesen na substrát, druhý redukován na H2O Energetický metabolizmus fototrofních bakterií •Fotofosforylace - proces transformace energie světelného kvanta do energie makroergické vazby •Fototrofní mikroorganizmy • purpurové nesírné bakterie • heliobakterie • zelené sirné bakterie • purpurové sírné bakterie • cyanobakterie • halobakterie (bez bakteriochlorofylu) • Bakteriochlorofyl •a – purpurové (805, 830-890nm) •b – purpurové (835-850, 1020-1040) •c – zelené sírné (745-755) •cs – zelené nesírné (740) •d – zelené sírné (705-740) •e – zelené sírné (719-726) •g – halobakterie (670, 788) Bakteriochlorofyl Absorpční spektra (chlorofyl a ,bakteriochlorofyl a) Rhodopseudomonas palustris Chlamydomonas (zelená řasa) karotenoidy Fotosyntetická jednotka • • Pigment vážící světlo (molekuly antén) Reakční centrum Excitová dráha Cyklická fosforylace Necyklická fosforylace H2S S H++H+ Struktura reakčního centra protein L protein M protein H Reakční centrum komplexu pigment-protein je lokalizováno ve fosfolipidové dvojvrstvě bakteriofeofytin bakteriochlorofyl chinon Model reakčního centra zakotvení v CM Polypeptid M a H - obsahuje 5 α helix segmentů polypeptid L – tvořen globulární doménou BCh1 – bakteriochlorofyl, Bpheo – bakteriofeofitin, QA B - chinon Cytochromová podjednotka je spojena s membránou diacylglycerol vazbou na N-konci Cys zbytku Cytochrom se 4 hemy Struktura chlorofylu a feofitinu Fotosyntéza purpurových nesírných bakterií Rhodopseudomonas viridis (Rhizobiales) Fotosyntéza purpurových nesírných bakterií Rhodopseudomonas palustris (Rhizobiales) Fotosyntéza purpurových nesirných bakterií Tok elektronů u Rhodobacter sphaeroides (Alfaproteobecteria, Rhodobacterales) při fotosyntetickém růstu (anaerobní podmínky) a chemoheterotrofním aerobním růstu Cyklický tok elektronů Aerobní růst Zdrojem vodíku a elektronů pro necyklickou fosforylaci je H2 nebo jednoduché organické látky. Kyslík vyvolává represi syntézy enzymů fototrofního metabolizmu (i za světla) Nevyužívá H2S Fotosyntéza purpurových sirných bakterií RC – reakční centrum, LH – komplex bakteriochlorofylu , bc1 – cytochromový komplex, Q - chinon Chromatium, Thiosarcina, Thiodictyon,.. Jsou fotolitotrofní nebo fotoheterotrofní. Fotosyntéza purpurových sirných bakterií Purpurové sirné bakterie “jsou“ obligatorně fototrofní, striktně anaerobní a autotrofní. Mimo CO2 mohou však jako zdroj uhlíku využívat i jednoduché organické látky -organické kyseliny (mixotrofie). Mohou být i fotoheterotrofní (zdroj energie – světelné kvantum, zdroj uhlíku – organická látka). Donor vodíku - H2S nebo jednoduchá organická látka Tok elektronů při fototrofii Fotosyntéza zelených sirných bakterií Model chromatoforu (chlorozómu) periplazma cytoplazma a - anténa - trubičky o průměru 10nm obsahují bakteriochlorofyl c a karotenoidy b - bakteriochlorofyl a c - reakční centrum Chlorobium, Chloropseudomonas, Prostecochloris Všechny druhy jsou striktně anaerobní. Fotolitotrofní nebo fotoorganotrofní. Síra není ukládána v buňkách Fotosyntéza zelených sirných bakterií •Tyto organizmy mají velký redukční potenciál a mohou přímo redukovat pyridinové nukleotidy •Cytochromy c553 a c557 přenášejí elektrony z donorů na cytochrom c555 v reakčním centru MQ-menachinon, Fd-feredoxin, FNR-feredoxin nukleotid reduktáza, BPh- bakteriofeofitin Fotosyntéza Heliobacteria •Malá skupina bakterií řádu Clostridiales (Heliobacteriaceae, rody Heliobacterium, Heliobacillus, Heliophilum, Heliorestis) •Primárně se u nich vyskytuje bakteriochlorofyl g (788 nm). Obsahuje vinyl na kruhu I •Fotosyntetický aparát je přímo v CM. Neobsahuje struktury podobné tylakoidům nebo chromatoforům •Heliobakterie jsou fotoheterotrofní, striktně anaerobní •Některé druhy mohou tvořit endospóry •Vyskytují se především v půdě (zejména v rýžových polích) Srovnání toku elektronů fototrofních bakterií Fototrofie u sinic Model reakčního centra PsaA a PsaB mají 11 transmembránových α helix. Centrum obsahuje asi 100 molekul chlorofylu . PsaC nese komplex Fs-S, který tvoří můstky mezi PsaA a PsaB. PsaD interaguje s feredoxinem (na stroma části tylakoidu) Fotosyntéza u sinic FD – feredoxin NADP+ reduktáza. Cyklická fosforylace je uskutečňována přes cytb559 Fotosyntéza u sinic •na povrchu thylakoidálního váčku se nachází tzv. fykobilizómy •jsou to drobné útvary (které obsahují specifická barviva, zvaná fykobiliny (fykobiliproteiny) •v membráně thylakoidu jsou obsaženy chlorofyl a, a- i b- karoten a xanthofyly (echinenon, myxoxanthofyl, zeaxanthin) 523 allofykocyaniny (namodralé barvy) Fotosyntéza u sinic •Složení fykobilinů se mění v závislosti na vlnové délce světla při růstu. •Při růstu v “zeleném“ světle převládá fykoerytrin •Při růstu v “červeném“ světle převládá fykocyanin Fotosyntéza bez chlorofylu halobakterie •Pokud halobakterie rostou při nízké tenzi kyslíku mohou syntetizovat “červené“ skvrny v cytoplazmatické membráně - bakteriorhodopsin •Skvrny obsahují 7 bílkovinných molekul (α helix). Na jednu molekulu je připojen retinal •Bakteriorhodopsin (aldehyd vitaminu A) maximálně absorbuje při 570 nm Fotosyntéza bez chlorofylu halobakterie •Bakteriorhodopsin absorbuje maximální množství energie ze záření •Mimo bakteriorhodopsinu halobakterie neobsahují další “foto“ pigment •Tvorba energie není doprovázena tokem elektronů • Fotosyntéza bez chlorofylu halobakterie •Retinal připojený na jeden peptidický řetězec se protonizuje po působení světla a přenese H+na protein za současné změny konformačního stavu a tak se proton dostává do periplazmatického prostoru •Deprotonizovaný pigment bere další proton z cytoplazmy •Protony se vrací do cytoplazmy “ATPázovým systémem“ – tvorba ATP •ATP se vytváří protonovým gradientem Halobacterium halobium ANABOLIZMUS BIOSYNTÉZA ANABOLIZMUS - BIOSYNTÉZA •Při anabolizmu je ke tvorbě molekulových komplexů a struktur z malých molekul využívána volná energie získaná v procesech katabolizmu •Procesy biosyntézy jsou regulovány tak, aby byla co nejefektivněji využíváno energie a stavebního materiálu •Katabolické a anabolické dráhy mají odlišné enzymy, kofaktory,donory vodíku a elektronů, regulaci, lokalizaci v buňce, … •Avšak řada enzymů se podílí na průběhu katabolických i biosyntetických drah • • ANABOLIZMUS - BIOSYNTÉZA •Fosfor ve formě fosfátu může být asimilován přímo •Anorganický dusík a síra musí být většinou před inkorporací do buněčného materiálu redukován •Autotrofové využívají v biosyntetických pochodech ATP a NADPH z fototrofie nebo oxidace anorganických látek pro redukci a inkorporaci CO2 do organického materiálu • Role ATP a promotivní síly v integračních procesech ANABOLIZMUS spotřeba energie KATABOLIZMUS tvorba energie substrát produkt makromolekuly a buněčné konstituenty ATP protonový gradient monomér Tok energie do hlavních typů syntéz TTP GTP CTP ATP CTP GTP UTP UTP CTP GTP DNA RNA bílkoviny lipidy poly- sacharidy ~ Konstrukce buněk buňka organely supramolekulové komplexy makromolekuly anorganické molekuly CO2, NH3, H2O, PO43- nukleotidy, aminokyseliny, cukry, mastné kyseliny monoméry nebo stavební bloky NK, proteiny, polysacharidy, lipidy membrány, enzymové komplexy jádro, mitochondrie, ER, .. Biosyntéza E.coli •DNA 1 0,00083 60000 •RNA 15000 12,5 75000 •Polysacharidy 39000 32,5 65000 •Lipidy 15000000 12500,0 87000 •Proteiny 1700000 1400,0 2120000 Buněčný konstituent Počet molekul na buňku Molekuly syntetizované za sekundu Molekuly ATP požadované na syntézu za sekundu Fixace CO2 při metabolizmu mikroorganizmů NADPH2-dependentní izocitrát malát Feredoxin-dependentní pyruvát ATP karbamyl-P PEP oxalacetát 2-oxoglutarát enzym+biotin+CO2 Komplex metylmalonyl-koA malonyl-koA oxalacetát Fixace redukcí Fixace aktivní CO2 Fixace CO2 autotrofy Calvinův cyklus P - - - P - P - P P - P - P - P CO2 1,3-difosfoglycerová kys. 12 6 12 12 10 2 10 12 ADP 12 ATP 12 NADP+ 12 NADPH Pi glyceraldehyd-3 P glyceraldehyd-3 P glyceraldehyd-3 P ribulóza-1,5-diP 3P-glycerová kys 6 ADP 6 ATP výstup glukóza a další cukry vstup Calvinův cyklus 6 ribulóza-1,5-diP 12 fosfoglycerová k. 12 1,3di fosfoglycerová k. 12 3-P glyceraldehyd glukóza-6P 2 fruktóza-1,6diP 2 xylulóza-5P 2 erytróza-4P 2 sedoheptulóza-1,7diP 2 ribulóza-5P 2 xylulóza-5P 6 ribulóza-5P 2 4 2 2 2 6 CO2 6 H2O 12 ATP 12ADP 12NADPH 12 NADP+ 12 Pi Klíčové reakce Calvinova cyklu •a/ reakce enzymu ribulóza-1,5-diP karboxylázy • •CO2 + ribulóza-1,5-diP • • 2 fosfoglycerová kys. (PGA) • RubisCO H2O Klíčové reakce Calvinova cyklu •b/ konverze PGA na glyceraldehyd-3fosfát • • •PGA + ATP 1,3 difosfoglycerová k.+ ADP • • glyceraldehyd-3P + Pi + NADP+ NADPH na syntézu Klíčové reakce Calvinova cyklu •c/ konverze ribulóza-5P na ribulóza-1,5-diP (akceptor CO2) • •ribulóza-5P + ATP • ribulóza-1,5-diP + ADP • cyklus se opakuje reakcí a/ fosforibulokináza Nová dráha autotrofní fixace CO2 citrát oxalacetát malát fumarát sukcinát α-ketoglutarát izocitrát 2 H+ malát dehydrogenáza H2O sukcinyl-koA 2 H+ fumarát reduktáza fumaráza ATP ADP koA 2H+ koA 2H+ akonitáza ATP citrát lyáza ATP ADP koA acetyl-koA Chlorobium limicola, Hydrogenobacter thermophilus, Desulfobacter hydrogenopohilus, některé desulfurikační bakterie (Desulfobacter hydrogenophilus), termofilní oxidující vodík (Hydrogenobacter thermophilus) CO2 CO2 Nová dráha autotrofní fixace CO2 acetyl-koA hydroxypropionyl-koA propionyl-koA metylmalonyl-koA malyl-koA formylacetyl-koA ADP ATP ADP ATP ADP ATP 2H+ 2H+ 2H+ CO2 CO2 glyoxalová kys. Organizmus: Chloroflexus 3-hydroxypropionátová dráha •Chloroflexus je anoxigenní vláknitá bakterie patrící podle 16s rRNA k zeleným nesírným bakteriím (některé však mohou využívat sulfid). Většina kmenů je fotoheterotrofní, ale některé kmeny rostou autotrofně (zdroj elektronů – H2 nebo H2S). • •Chloroflexus aurantiacus je fakultativně anaerobní a uskutečňuje anoxigenní fotosyntézu způsobem, který není charakteristický ani pro zelené sírné ani pro purpurové bakterie. Typickou drahou pro fixaci CO2 je 3-hydroxypropionátová dráha - nemá RubisCO. Chlorosomy mohou obsahovat bakteriochlorofyl a nebo c. Fotochemické reakční centrum je feofytin-chinonového typu. • Reduktivní Ac-koA dráha pro autotrofní fixaci CO2 CO2 2H+ acetát Organizmy: homoacetogenní bakterie (Clostridium thermoaceticum) většina desulfurikačních bakterií (Desulfobacterium autotrophicum) některé metanogenní Archae (Methanosarcina barkeri) H2 CO2 Tvorba acetátu pro biosyntézu •Některé bakterie produkují acetát jako hlavní produkt při anaerobní respiraci – acetogenní bakterie • •4 H2 + 2 CO2 CH3COOH + 2 H2O • •H2 je pro ně zdroj energie Metan - jako zdroj uhlíku acetyl-koA metan metanol Metan nebo metanol slouží současně i jako zdroj energie Serinová dráha pro asimilaci 1-uhlíkatého substrátu Fixace CO2 heterotrofy •Doplňování intermediátů Krebsova cyklu (anaplerotické reakce) • •fosfoenolpyruvát + CO2 • oxalacetát + Pi •pyruvát + CO2 + ATP • oxalacetát + ADP + Pi •pyruvát + CO2 + NADH+H+ • malát + NAD+ PEP-karboxyláza pyruvát karboxaláza biotin jablečný enzym Asimilace dusíku NH4 NH4+ NO3- N2 glutamát glutamin glutamát 2-oxoglutarát aminokyseliny pyruvát 2-oxoglutarát glutamát aminokyseliny alanin aminokyseliny + 2 [H+] + 2 [H+] + 2 [H+] ADP ATP redukce Asimilace dusíku •Asimilace NH4+ v přítomnosti glutamát dehydrogenázy (GDH) a transaminázy Asimilace dusíku •Inkorporace NH4+ v přítomnosti glutamin syntetázy a glutamát syntázy (obvykle při malých koncentracích amoniaku) Asimilace dusíku •Redukce dusičnanů – asimilační redukce nitrátů (neprobíhá však stejně jako redukce nitrátů při anaerobní respiraci) •Inkorporace nevyžaduje dodání energie probíhá u bakterií,řas a hub Asimilace dusíku •Redukce N2 (fixace molekulového dusíku) nitrogenázou Dvě hlavní komponenty: MoFe protein (2 atomy Mo a 28-32 atomů Fe) Fe-S protein (4 atomy Fe) Asimilace dusíku •Redukce N2 (fixace molekulového dusíku) nitrogenázou Nitrogenáza může redukovat látky obsahující trojnou vazbu – acetylen, kyanid, azid Asimilace síry •Asimilační redukce síranů (rozdíl od disimilační redukce síranů – anaerobní respirace) za účasti koenzymu A a biotinu Syntéza monosacharidů •Glukoneogeneze je využívána většinou mikroorganizmů • Jde o obrácenou glykolýzu (modré šipky naznačují průběh glykolýzy) Syntéza monosacharidů •Reduktivní cyklus trikarbonových kyselin CO2 CO2 Biosyntéza hexóz Biosyntéza aminokyselin •Biosyntetické produkty jsou odvozeny z amfibolických drah •Anaplerotické fixace CO2 Syntéza nasycených mastných kyselin se sudým počtem uhlíků Syntéza vychází ze dvou acyl-koA. -jeden je karboxylován za účasti ATP a vzniká malonyl-koA -Druhý reaguje s ACP (acyl přenášející protein) – acetyl se váže na SH ACP karboxylovou skupinou Syntéza nasycených mastných kyselin s lichým počtem uhlíků •Syntéza se začíná místo malonyl-koA • propionyl-koA • butyryl-koA • izovaleryl-koA •Další kroky jsou shodné jako u syntézy mastných kyselin se sudým počtem uhlíků (prodlužování řetězce o acetyl-koA, hydrogenace, dehydratace, …. • • • Syntéza mastných kyselin s jednou dvojnou vazbou •●Za aerobních podmínek enzymovou desaturací nasyntetizované mastné kyseliny • O • CH3-(CH2)14-C + ½ O2 • S-ACP • O •CH3-(CH2)5-CH=CH-(CH2)7-C + H2O • S-ACP • Syntéza mastných kyselin s jednou dvojnou vazbou •Za anaerobní podmínek – dvojná vazba po dehydrataci zůstane zachována čtyři kroky acyl syntázy tři kroky acyl syntázy Syntéza lipidů a fosfolipidů CDP – cytidin difosfát přenášející protein triacylglycerol fosfatidyletalolamin Syntéza polysacharidů glukóza glukóza-6-P fruktóza-6-P pyruvát glykolýza uridin difosfoglukóza UDP-N-acetylglukózamin adenozin difosfoglukóza ADPG UDPG UDPNAc glykogen (u bakterií) glykogen (u savců) peptidoglykan UTP ATP Syntéza polysacharidů •Syntéza glykogenu •ADP-glukóza + (glukóza)n ADP + (glukóza)n+1 •Syntéza glykogenu vyžaduje přítomnost existující molekuly glykogenu (nejméně 4 monomery) •Za větvení je zodpovědný specifický větvící enzym Syntéza purinů a pyrimidinů Glykolýza glukóza glukóza-6-P 3-fosfoglycerová kys. pyruvát acetyl-koA Krebsův cyklus pentózy pentózo fosfátová dráha nebo Entner-Doudorofova dráha Purinové nukleotidy Pyrimidinové nukleotidy glutamin glycin asparagová kys. Syntéza purinů a pyrimidinů Syntéza peptidoglykanu baktoprenol pyrofosfát Syntéza peptidoglykanu •1. UDP deriváty N-acetylmuramové kys. a N- acetylglukózaminu jsou syntetizovány v cytoplazmě •2. Aminokyseliny jsou “přidávány“ k UDP- NAM do vytvoření tetrapeptidu (terminální D-ala je přidáván jako dipeptid).K vytvoření peptidické vazby je nutné ATP. Není přítomna mRNA ani ribozómy •3. NAM-pentapeptid je přenesen z UDP k baktoprenol pyrofosfátu na povrchu membrány •4. UDP-NAG je přidán k NAM-pentapeptidu (pokud je přítomný pentaglycinový můstek, jsou glyciny přidávány specifickou glycyl-tRNA bez přítomnosti ribozómu) • • Syntéza peptidoglykanu • 5. NAM-NAG pentapeptid je přenesen na vnější stranu membrány baktoprenol pyrofosfátem • 6. Přenesená peptidoglykanová jednotka je připojena ke konci rostoucího řetězce • 7. Baktoprenolový nosič se vrací na vnitřní stranu membrány jako baktoprenol fosfát a cyklus se opakuje •Syntéza peptidoglykanu je ovlivňována řadou antibiotik (cyklkoserin, vankomycim, bacitracin,…) Shrnutí základních kroků biosyntézy Regulace metabolizmu Regulace metabolizmu •Regulační systémy buňky • ● Regulace syntézy enzymů – zajistit odpovídající poměr mezi rychlostí syntézy enzymů a rychlostí syntézy celkové buněčné bílkoviny • ● Regulace na úrovni aktivity enzymu – je vlastní pouze klíčovým enzymům metabolizmu • •Oba typy regulace ovlivňují “výkonnost“ dané metabolické dráhy • • Regulace syntézy enzymů •Indukce se uplatňuje především při katabolických procesech • Syntetizovány jsou pouze enzymy podílející se na využívání substrátu a to pouze v případě, že substrát je přítomen • • • A B C D substrát meziprodukt indukce s a b c d Regulace syntézy enzymů Indukce •Varianty indukce syntézy inducibilních enzymů • - syntéza jednotlivých enzymů následně (syntéza následujícího je indukována přítomností předchozího meziproduktu) • - syntéza všech enzymů dráhy probíhá koordinovaně (substrát vyvolá syntézu všech enzymů dráhy) • -syntéza enzymů probíhá po etapách (nejprve jsou syntetizovány enzymy první části dráhy a poslední meziprodukt indukuje syntézu následných enzymů) • • Regulace syntézy enzymů •Represe – je využívána především v anabolických procesech • Energeticky je výhodné, aby enzym nebyl syntetizovaný v době, kdy je přítomen jeho produkt • • • O P R S metabolit meziprodukt s r p o i represe Regulace syntézy enzymů Represe •Přítomnost konečného produktu v nadlimitní koncentraci,snižuje rychlost syntézy enzymu předchozího kroku nebo všech enzymů dráhy •Represe konečným produktem •Jestliže je však enzym nutný pro syntézu esenciální struktury buňky bude se syntetizovat nepřetržitě, ale jeho syntéza může být zpomalena Regulace syntézy enzymů Represe •Katabolická represe – pokud jsou v prostředí dva substráty. Buňka dává přednost energeticky výhodnějšímu substrátu. Tento substrát potom vyvolá represi enzymů, které jsou nutné pro využívání substrátu druhého (diauxie) Regulace na úrovni aktivity enzymu •Katalytická aktivita enzymů se může • ~ zvyšovat – působením pozitivního efektoru • ~ snižovat – působením negativního efektoru • ~ při inhibici konečným produktem – produkt snižuje aktivitu prvního enzymu • • O P R S konečný produkt meziprodukt s r p o i inhibice konečným produktem