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