Metabolizam energije

Energija je sposobnost vršenja rada. Za funkcije bakterijske ćelije protrebna je ogromna količina energije, koja joj mora stojati na raspolaganju u obliku koji ona može koristiti.

Samo mali broj bakterija može koristiti sunčevu svjetlost a sve ostale je moraju same proizvesti i to onu energiju, koju mogu koristiti - hemijsku energiju.

Tu energiju bakterijska ćelija dobija obavljanjem raznih komplikovanim hemijskih reakcija koje su se ranije nazivale disanjem ili respiracijom.

Taj naziv ne odgovara svim onim reakcijama koje bakterija koristi pri dobivanju energije jer je respiracija samo jedan od vidova proizvodnje energije.

Zbog toga se čini da je najbolji naziv za sada metabolizam energije.

Osnovi bioenergetike Energija koju proizvode i troše živa bića obično se naziva bioenergija.

U metabolizmu energije, energija se stvara i troši. Količina stvorene i potrošene energije u jednoj biohemijskoj reakciji naziva se izmjena slobodne energije date reakcije. Obilježava se džulom iako nije toplotna energija. Ako vrijednost neke reakcije obilježavamo sa - 3.000 ΔG znači da se iz nje oslobodi 3.000 džula energije a ako obilježimo sa + 3.000 ΔG znači da se utroši u reakciji 3.000 džula.

Reakcije pri kojima se energija proizvodi nazivaju se egzergonične a one pri kojima se energija troši endergoničke reakcije.

Bakterijska ćelija mora imati mehanizme prenosa te energije kao i mogućnost njenog kratkotrajnog čuvanja.

Za vezu između egzergoničnih i endergoničnih reakcija potreban je zajednički reaktivni faktor a to su najčešće fosfati velike energije bogati fosfoanhidričnim vezama. (R~P)

Aktivnošću hidrolaze, energija se otpušta iz tih energijom bogatih jedinjenja i stoji na raspolaganju ćeliji za razmnožavanje, rastenje, biosinteze i sve druge procese za koje je potrebna energija.

Među jedinjenjima fosfora koja transportuju energiju najvažniji je i u metabolizmu najčešće korišten adenozin adenozin trifosfattrifosfat. (ATP).

ATP je koenzim. Funkcioniše kao nosilac energije i fosfata. Sastavljen je od adenina (purin), riboze (šećer sa pet ugljikovih atoma) i tri fosfatne skupine povezane u obliku trifosfata

ATP se generiše na dva načina:1.Fosforilizacijom supstrata, odnosno prenošenjem visoko energetske fosfatne grupe sa nekog od intermedijarnih jedinjenja na ADP;

2.Prenošenjem elektrona sa jedinjenja koje se metaboliše na druga jedinjenja pri čemu se oslobađa energija koja se preko fosfatne grupe predaje ADP-u i sintetiše se energijom bogati ATP. 

Razgradnjom određenih supstrata a najčešće glukoze u toku raznih reakcija i na raznim etapama tih procesa oslobađa se manja ili veća količina energije. Ona biva direktno ili indirektno prenesena na sintezu ATP-a.

Kada se ATP hidrolitički razgradi on otpušta jednu fosfornu kiselinu i 35169,12 J.

Sada se ADP resintetiše tako što primi jedan fosfat sa anhidrinskim vezom s energijom oslobođenom pri procesima razgradnje. Time se opet formira ATP i to se stalno ponavlja dok je ćelija živa.

ATP + H2O ADP + H3PO4 35 169,12 Jula

ADP + anorganski fosfat + 30-34 kJ ATP

Među reakcijama koje dovode do oslobađanja energije i formiranja ATP najčešće i najvažnije su oksido-redukcije.Oksido-redukcije su takve reakcije pri kojima istovremeno jedna od supstancija koje reaguju biva redukovana, a druga, oksidisana.

Neka supstanca će biti oksidisana ako:Neka supstanca će biti oksidisana ako:-primi na sebe kiseonik;-primi na sebe kiseonik;-ako od sebe oda vodonik;-ako od sebe oda vodonik;-ako otpusti od sebe elektron.-ako otpusti od sebe elektron.

Neka supstanca će biti redukovana ako:Neka supstanca će biti redukovana ako:-primi na sebe vodonik;-primi na sebe vodonik;-ako od sebe oda kiseonik;-ako od sebe oda kiseonik;-ako primi elektron.-ako primi elektron.

Među bakterijama oksidacije su veoma često dehidrogenacije, gubitak H jona.

Vrste metabolizma energije Kod bakterija postoje tri vrste metabolizma kojima oslobađaju energiju. To su: 

1.Fermentacija1.Fermentacija2.Respiracija i2.Respiracija i3.Fotosinteza3.Fotosinteza

 U svakoj od ove tri vrste postoji veći broj puteva i mehanizama kojima dolazi do oslobađanja energije.

FermentacijaFermentacija je metabolizam koji proizvodi energiju u kome organska jedinjenja služe kao davaoci i kao primaoci elektrona.

Davaoci elektrona obično su razni šećeri.Primaoci elektrona su jedinjenja kako intermedijarna tako i krajnja, izdvojena od jedinjenja koja su se formirala od davaoca elektrona.

C6H12O6 = 2CO2 + 2C2H5OH U ovom primjeru alkohol je primaoc elektrona.

Međuprodukte kao i krajnje produkte fermentacije koristi ćelija za svoj ćelijski materijal. Oslobođena energija se koristi za Oslobođena energija se koristi za stvaranje ATP-a.stvaranje ATP-a.

Fermentacija se odvija u strogo Fermentacija se odvija u strogo anaerobnimanaerobnim uslovima i uslovima i najveći broj mikroorganizama koji se snabdijevaju najveći broj mikroorganizama koji se snabdijevaju energijom putem fermentacije striktno energijom putem fermentacije striktno anaerobne anaerobne bakterijebakterije. .

Fermentacija različitih supstrata i međuprodukti koji se pri tom formiraju koriste se za identifikaciju i diferencijaciju raznih bakterijskih vrsta.

Za metabolizam energije bakterije najčešće koriste glukozu.

Sam put fermentacije može se odvijati na različite načine.

Najčešći put fermentacije glukoze je: glikolizom, glikolizom, put pentoze fosfata, put pentoze fosfata, Entner- Duodoroffljev put kao i Entner- Duodoroffljev put kao i fermentacija pirogrožđane kiselinefermentacija pirogrožđane kiseline.

Glikoliza

Glikoliza je takav način fermentacije glukoze koja preko niza međuprodukata dovodi do stvaranja piruvata ili pirogrožđane kiseline. Osnovu glikolize čini Embden - Meyerhof - Parnasova glikolitička šema.

Glikoliza je po šemi Embden- Meyerhof - Parnas je veoma važan put međutim on ima veoma velike nedostatke:

-ne mogu ga koristiti striktno aerobne bakterije,

-ne posjeduje fosfate ugljenih hidrata potrebne za sintezu nukleinskih kiselina i aminokiselina triptofana, tirozina i fenil- alanina.

Put fosfata pentoze

To je metabolički put koji održava nivo koenzima nikotin-amid-adenin-dinukleotid fosfata (NADP) koji sadrži samo jednu fosfatnu grupu na ostatku šećera riboze u ćelijama. Put pentoza fosfata proizvodi u citosolu NADPH i riboza-5-fosfat.

NADPH se upotrebljava u reduktivnoj biosintezi, a riboza-NADPH se upotrebljava u reduktivnoj biosintezi, a riboza-5-fosfat u sintezi DNK, RNK i nukleotidnih koenzima.5-fosfat u sintezi DNK, RNK i nukleotidnih koenzima. Razgradnja glukoze preko puta fosfata pentoze daje još manje energije ali ovaj put mogu koristiti i fakultativno anerobne bakterije a daje potrebne međuprodukte (ribozu) za sintezu nukleinskih kiselina i aminokiselina.

Ovaj put služi kao spona sa glikolizom za stvaranje pentoznih jedinica i NADPH.

Glikoliza

Glikoliza je takav način fermentacije glukoze koja preko niza međuprodukata dovodi do stvaranja piruvata ili pirogrožđane kiseline. Osnovu glikolize čini Embden - Meyerhof - Parnasova glikolitička šema.

Glikoliza je po šemi Embdem - Meyerhof - Parnas je veoma važan put međutim on ima veoma velike nedostatke:

-ne mogu ga koristiti striktno aerobne bakterije,

-ne posjeduje fosfate ugljenih hidrata potrebne za sintezu nukleinskih kiselina i aminokiselina triptofana, tirozina i fenil-alanina.pute

m

PUTEVI

Glukoza-6-fosfat dehidrogenaza (G-6-PDH) je enzim koji katalizira dehidrogenaciju glukoza-6-fosfata što je ujedno i prvi korak u ciklusu pentoza fosfata. I ovdje se glukoza razgrađuje do pirogrožđane kiseline.

Entner Duodorfljev put

To je u stvari put koji se nastavlja na put fosfata pentoze. On se odvaja kada se formira 6-fosfoglukonska kiselina.

Ta kiselina se putem Entner-Duodorfljeva puta rascjepi u 2-keto-3-deoksi-6-fosfoglukonsku kiselinu koja se enzimski razgradi u jednu molekulu gliceraldehid-3-fosfata i jednu molekulu pirogrožđane kiseline.

Ova jedinjenja se dalje razgrađuju sve do etanola i CO2 uz oslobađanje energije.

Bilans te reakcije jeste 2 molekule pirogrožđane kiseline, jedna molekula NADPH2, jedna molekula NADH2 i svega

jedna molekula ATP.

Ovaj put razgradnje glukoze je nađen kod mnogih bakterijskih vrsta naročito kod Gram negativnih

(Pseudomonasa) i kod Enterococcus faecalis-a (gram pozitivni koki).  

Fermentacija pirogrožđane kiseline Pirogrožđana kiselina je ključni intermedijarni produkt u fermentativnom metabolizmu svih ugljenih hidrata.

Neki fermentabilni mikroorganizmi reduciraju piruvat do mliječne kiseline, koja je isključivi ili primarni krajnji produkt. Takvi se organizmi nazivaju homofermentativni (Bacillus, Lactobacillus i Streptococcus).

Mikroorganizmi koji proizvode mliječnu kiselinu, octenu, mravlju i ostale kiseline, etanol i ostale alkohole te aceton nazivaju se heterofermentativni (kvasci, Streptococcus, Clostridium, neke Gram negativne vrste).

Fermentacija se može pored ugljikohidrata odvijati sa aminokiselinama, organskim kiselinama, purinima i pirimidinima (Clostridium).

PIROGROŽĐANA KISELINA↓

KRAJNJI PRODUKTI FERMENTACIJEMLIJEČNA KISELINA

↓MIKROORGANIZAM

STREPTOCOCCUSLACTOBACILLUS

BACILLUS

PIROGROŽĐANA KISELINA↓KRAJNJI PRODUKTI FERMENTACIJEMASLAČNA KISELINA BUTANOLACETONIZOPROPANOLCO2

↓MIKROORGANIZAMCLOSTRIDIUM

PIROGROŽĐANA KISELINA↓

KRAJNJI PRODUKTI FERMENTACIJE ETANOL MLIJEČNA KISELINA JANTARNA KISELINAOCTENA KISELINACO2, H2

↓MIKROORGANIZAMESCHERICHIA SALMONELLA

PIROGROŽĐANA KISELINA↓

KRAJNJI PRODUKTI FERMENTACIJEPROPIONSKA KISELINAOCTENA KISELINA CO2, H2

↓MIKROORGANIZAMPROPIONIBACTERIUM

PIROGROŽĐANA KISELINA↓

KRAJNJI PRODUKTI FERMENTACIJE ETANOL CO2, H2

↓MIKROORGANIZAMSACCHAROMYCES (KVASCI)

Respiracija Respiracija je metabolički proces proizvodnje energije u kome je neko organsko ili neorgansko jedinjenje davalac elektrona a primalac elektrona je neko spoljne neorgansko jedinjenje.

Ukoliko je krajnji primalac elektrona molekularni kiseonik onda se naziva aerobna respiracija.

Ukoliko je krajnji primalac elektrona neko oksidisano neorgansko jedinjenje izuzev kiseonika kao što su nitrnitraati, ti, karbonati ili sulfatikarbonati ili sulfati onda je to anaerobna respiracija.

Kao i kod fermentacije oslobođeni elektroni pri oksidaciji supstrata prenose se na NAD koji se reducira (NADH) ali za razliku od fermentacije elektroni sa redukovanog NADH ne prenose se na neko intermedijerno jedinjenje nego se prenose na neki ekstracelularni akceptor i to ne direktno, nego preko jednog transportnog sistema elektrona ili respiratornog lanca enzima.

Odnos bakterija prema molekularnom kiseonikuBakterije se međusobno razlikuju prema odnosu prema molekularnom kiseoniku. Prema tim zahtjevima za kiseonikom sve bakterije su i podjeljene u:

1. Striktno aerobne bakterije - trebaju velike količine kiseonika i bez njega ne mogu živjeti. Smatra se da one ili ne raspolažu enzimima za produkciju energije u anaerobnim uslovima, ili da su za njih otrovni produkti anaerobne respiracije.

2. Striktno anaerobne bakterije - ne mogu uopšte živjeti u prisustvu molekularnog kiseonika. Misli se da je za njih toksičan molekularni kiseonik, dok drugi smatraju da je za njih toksičan H2O2 koji se formira kada te bakterije proizvode energiju u aerobnim uslovima a one na raspolažu enzimom katalazom koji razgrađuje H2O2.

3.Fakultativno anaerobne bakterije - mogu da žive kako u prisustvu tako i u odustvu molekularnog kiseonika. Na vještačkim hranilištima i u prirodnim uslovima takve bakterije žive aerobno dakle uz prisustvo kiseonika ali kada ga potroše nastave živjeti u anaerobnim uslovima.

4. Mikroaerofilne bakterije - Žive uz minimalne količine kiseonika. U prevelikim količinama kiseonika one uginu.

Kiseonik je toksičan jer ga ćelijski enzimi kao što su flavoproteini redukuju do vodonik peroksida (H2O2), a joni gvožđa do još toksičnijeg slobodnog radikala, superoksida (O2

-).

Aerobi i aerotolerantni anaerobi zaštićeni su od ovog produkta prisustvom superoksid dismutazesuperoksid dismutaze, enzima koji katališe sljedeću reakciju:

2O2- + 2H+ → O2 + H2O2

i prisustvom katalazekatalaze, enzima koji katališe reakciju

2H2O2 → 2H2O + O2.

Svi striktni anaerobi nemaju ni superoksid dismutazu, Svi striktni anaerobi nemaju ni superoksid dismutazu, ni katalazu. ni katalazu.

Superoksid dismutaza je neophodna za preživljavanje Superoksid dismutaza je neophodna za preživljavanje u prisustvu Ou prisustvu O2.2.

Vodonik peroksid je toksičan jer izaziva oštećenje Vodonik peroksid je toksičan jer izaziva oštećenje DNK.DNK.

Aerobna respiracija Kod aerobne respiracije postoji više složenih puteva oksidacije supstrata za dobivanje energije i sintezu ATP-a.

To su najčešće slijedeći putevi:  -Putem respiratornog lanca,

-Putem ciklusa limunske kiseline ili Krebsova ciklusa,-Kombinovano, počne kao fermentacija a nastavi putem

Krebsovog ciklusa.

Kod aerobne respiracije krajnji primalac elektrona je molekularni kiseonik iz vazduha koji bude redukovan u molekule vode.

Kod aerobne respiracije oslobađa se velika količina energije i sintetiše veoma veliki broj molekula ATP-a.

Aerobna respiracija najčešće počinje kao fermentacija pa se produži kao aerobna respiracija kada bakterija bude izložena kiseoniku.

Respiratorni lanac se može smatrati transportnim lancem elektrona. Sastoji se od niza komponenti kao što su: flavoproteini, quinoni i citohromi. Nalaze se u citoplazmatskoj membrani i u mezozomima .

Sve komponente respiratornog lanca su redoks katalizatori jer prenoseći elektrone katališu redukciju iduće komponente, kao i oksidaciju komponente sa koje je elektron prenesen.

Protoni se translociraju preko ćelijske membrane, iz citoplazme u periplazmatski prostor.Electroni se transportuju duž membrane preko serije proteinskih nosača.Kiseonik je konačni akceptor elektrona i kada se elektroni kombinuje sa H+ jonima nastaje voda.Kako NADH oslobađa više H+ i elektrona u transportni sistem elektrona gradijent protona se povećava sa aglomeracijom H+ jona van ćelijske membrane i OH- jona unutar membrane.

Protonski gradient je izgrađen kao rezultat djelovanja NADH kroz primanje elektrona u transportni sistem elektrona. Kada se ovi elektroni transportuju serijom transportnih enzima, protoni se translociraju sa vanjske strane ćelijske membrane.

ATP synthase je veliki proteinski kompleks sa kanalom za prolazak protona koji dozvoljava ponovno vraćanje protona u cilju izgradnje nove molekule ATP.

ADP + Pi ---> ATP

Cikus limunske kiseline (Krebsov ciklus)

Molekule piruvata, dobivene glikolizom ili u nekom drugom putu, neprekidno se uključuju u Krebsov ciklus. Prije početka ciklusa mora se pirogrožđana kiselina podvrgnuti enzimskom uklanjanju CO2.

Ovaj ciklus počinje i završava sa oksaloacetatom koji se povezuje sa acetil~CoA. To je visoko energetsko jedinjenje i nastaje tako što se pirogrožđana kiselina aktivnošću dehidrigenaza oksidiše do CO2 i H2O, a zatim se CO2 prenese u okolinu kao gasoviti produkt aerobne respiracije.

Ovaj se ciklus može još opisati i kao “energijski krug ćelijskog metabolizma”, jer neprekidno nadomješta energiju potrebnu ćelijama.

Krebsov ciklus se sastoji iz osam faza: 1. Formiranje citrata, kondenzacijom Acetil CoA i oksaloacetata2. Pretvaranje citrata u izocitrat preko cis-akonitata3. Dehidrogenacija izocitrata i dobijanje alfaketoglutarata i CO2

4. Oksidacija α-ketoglutarata do sukcinil-CoA i CO2

5. Pretvaranje sukcinil-CoA u sukcinat6. Dehidrogenacija sukcinata u fumarat7. Hidratacija fumarata i formiranje maleata8. Dehidrogenacija maleata i formiranje oksalacetata.  

Cjelokupne reakcije, tokom katabolizma glukoze u aerobnoj respiraciji mogu proizvesti 38 molekula ATP-a

Anaerobna respiracijaAnaerobna respiracija se odvija bez prisustva elementarnog kiseonika. Zbog toga kao krajnji primalac elektrona ne može biti kiseonik nego su to nitrati, sulfati ili karbonati, a krajnji prenosilac u respiratornom lancu ne može biti citohrom-oksidaza.

Nitrati kao krajnji primaoci elektronaNeke aerobne bakterije mogu da žive i bez kiseonika ako se uz njih nalaze nitrati. Te bakterije raspolažu enzimom koji se naziva nitrat-reduktaza koja redukuje nitrate u nitrite. Nitriti su toksični za bakterijsku ćeliju sem za Bacillus i Pseudomonas. Zbog toga mnoge bakterije raspolažu mogučnošću da nitrite redukuju do molekularnog N azota-procesom denitrifikacije.

Sulfati kao krajnji primalac elektrona Rijetke bakterije koje su striktni anaerobi koristi sulfate kao krajnji primalac elektrona i prevode ga u vodonik sulfid (H2S) uz oslobađanje energije.

Karbonati kao krajnji primaoci elektronaMetanogene bakterije su striktni anaerobi koji koriste CO2 kao krajnji primalac elektrona koji kada primi elektron se redukuje u metan (CH4).

Fotosinteza

Fotosinteza je proces pri kojem se svjetlosna energija pretvara u hemijsku energiju koja se zatim iskorištava za sintezu organskih jedinjenja iz izvora kao što su CO2 i H2O. ATP je ključni intermedijarni produkt, a glukoza je konačni produkt.

Među prokariotima fotosintezom ostvaruju energiju cijanobakterije, zelene sumporne bakterije i grimizne sumporne bakterije.

Cijanobakterije apsorbuju svjetlosnu energiju u njihovom zelenom pigmentu-hlorofilu. Svjetlo uzbuđuje molekule pigmenta i svaka molekula otpušta po jedan elektron. Tokom ove reakcije elektroni oslobađaju svoju energiju koja omogućava povezivanje ADP sa fosfatnim jonom u ATP (reakcija na svjetlu).

U drugom dijelu reakcije formiraju se ugljenihidrati –glukoza (reakcija u tami).6 CO2 + 12 H2O + ATP → C6H12O6 + 6O2 + 6 H2O + ADP + P