Prehrana in metabolizem

• asimilacije

• sinteza monomerov in makromolekul

• fermentacije

• respiracije

• fototrofija

• litotrofija

Funkcijsko spajanje katabolizma, anabolizma in rasti

ADP

ATP

NADP+

NADPH

katabolizem anabolizem rast

proteini, nukleinske kisline, lipidi, membrane, celična stena,......

aminokisline, nukleotidi, sladkorji, maščobne kisline

produktiproteini, maščobe,

ogljikovihidrati

acetil-CoA piruvat PEP, in ostali ključni intermediati

CO2

NTP

NDP

ADP

ATP

Mikroorganizmi glede na potrebe po energiji

fototrofi (uporaba elektromagnetnega valovanja)

kemotrofi (uporaba kemijske energije)

kemoorganotrofi

uporaba organskih spojin

kemolitotrofi

uporaba anorganskih spojin

Mikroorganizmi glede na potrebe po ogljiku

avtotrofi uporaba CO2

heterotrofi uporaba organskih spojin

Ogljik je pri heterotrofih v funkciji donorja elektronov in gradnika

celičnih komponent. Pri avtotrofih je samo gradnik celičnih komponent.

Pri fotoheterotrofih je svetloba vir energije, organska spojina pa je

gradnik celičnih komponent.

Asimilacija ogljika

• asimilacija sladkornih monomerov in dimerov

• asimilacija oligosaharidov

• asimilacija polisaharidov

• asimilacija proteinov in peptidov

• asimilacija nukleinskih kislin

• asimilacija triacilglicerolov in fosfolipidov

• asimilacija aromatskih spojin

Asimilacija ogljika in njegov metabolizem

Glukoza

glukoza-6-P 6-P-glokozalakton 6-fosfoglukonat 2-keto-3-deoksi-6-fosfoglukonat

ksiluloza-5-P eritroza-4-P sedoheptuloza-7-P riboza-5-P

fruktoza-6-P ribuloza-5-P

gliceraldehid-3-P fruktoza-6-P gliceraldehid-3-P ksiluloza-5-P

gliceralaldehid-3-P + dihidroksiacetonfosfat gliceraldehid-3-P gliceraldehid-3-P

+ acetil-P + piruvat

fosfoenolpiruvat

formiat + acetat acetaldehid

piruvat laktat

acetaldehid etanol

acetil-CoA

OAA citrtat 2acetil-CoA α-acetolaktat

malat izocitrat acetoacetat acetoin

acetil-CoA aceton butirat diacetil 2,3-butanediol

fumarat glioksilat oksalsukcinat izopropanol butanol

sukcinat α-ketoglutarat

Asimilacija ogljika in ključni intermediati metabolizma

Vse celične komponente so lahko sintetizirane iz 12 ključnih intermediatov:

glukoza-6-fosfat fosfoenolpiruvat

fruktoza-6-fosfat piruvat

riboza-5-fosfat acetil-CoA

eritroza-4-fosfat α-ketoglutarat

dihidroksiaceton fosfat oksalocetna kislina

gliceraldehid-3-fosfat sukcinil-CoA

Ključni intermediati glikolize pri katabolizmu in anabolizmu

G6P

F6P

FDP

PGALD DHAP

DPGA

3-PGA

2-PGA

PEP

piruvat

amino sladkorji

polisaharidi, pentoze fosfati, aromatske aminokisline

fosfolipidi

serin, glicin, cistein

aromatske aminokisline, muramična kislina

Asimilacija pentoznih sladkorjev

Pred vstopom v centralni metabolizem morajo biti pentoze predhodno

spremenjene do D-ksiluloze-5-P, D-ribuloze-5-P ali D-riboze-5-P.

L-arabinoza L-ribuloza L-ribuloza-5-P

D-ksiloza D-ksiluloza D-ksiluloza-5-P

D-riboza D-riboza-5-P D-ribuloza-5-P

ribitol D-ribuloza

D-arabitol D-ksiluloza

Asimilacija manitola in ostalih heksatiolnih sladkorjev

sorboza

D-glucitol

D-fruktoza

manitol fruktoza-6-P

manitol-1-P

manoza

manoza-6-P

N-acetilglukozamin

glukozaminmanonat-6-P

2-ketoglukonat

ribuloza-5-P

Ti sladkorji so v celico transportirani s pomočjo PEP-PTS sistema. V centralni metabolizem so asimilirani preko fruktoze-6-P ali ribuloze-5-P.

Asimilacija L-fukoze in L-ramnoze

Asimilacija L-fukoze in L-ramnoze zahteva indukcijo več encimov, ki

kodirajo zapis za specifične permeaze, kinaze, izomeraze in aldolaze.

L-fukoza

L-fukuloza

L-fukuloza-1-P L-1,2-propandiol (anaerobno)

dihidroksiaceton-P + laktoaldehid

L-ramnuloza-1-P L-laktat (aerobno)

L-ramnoza piruvat

Asimilacija laktoze

Laktoza je dimer iz D-galaktoze in D-glukoze. D-glukoza je uporabljena po

običajnih poteh, medtem ko mora biti D-galaktoza predhodno spremenjena.

D-galaktoza

galaktoza-6-P galaktoza-1-P

tagatoza-6-P glukoza-1-P

tagatoza-1,6-P glukoza-6-P

dihidroksiaceton-P gliceraldehid-3-P

Asimilacija melobioze, rafinoze, stahiloze

Vsi ti sladkorji imajo monomere večinsko povezane z α-(1-6) glikozidno

vezjo in so enostavno asimilirani.

melobioza: D-galaktoza + D-glukoza

rafinoza: D-galaktoza + D-glukoza + D-fruktoza

stahiloza: D-galaktoza + D-galaktoza + D-glukoza + D-fruktoza

Asimilacija pektina

pektin

poligalakturonat

nenasičen oligogalakturonat nasičen oligogalkturonat

nenasičen digalakturonat nasičen digalakturonat

4- deoksil-L-treo-5-heksuloze uronat D-galakturonat

3-deoksil-D-glicero-2,5-heksodiulozonat D-tagaturonat

D-altronat

2-keto-3-deoksi-D-glukonat

2-keto-3-deoksi-6-fosfoglukonat

piruvat + gliceraldehid-3-P

Asimilacija celuloze

Celuloza je polimer izgrajen iz glukoze povezane z β-1-4 glikozidno vezjo.

Celuloza je razgrajena s pomočjo endo-β-1-4-glukanaze, exo-β-1-4-

glukanaze in β-glukozidaze. Ti encmi so ekstracelularni

celuloza

oligosharidi

celobioza

glukoza-6-P

Celulosom

celicaceluloza

EPS

Celulosom je ekstracelularna modularna poliencimska struktura za razgradnjo celuloze.

Vsebuje celulaze, mananaze, ksilanaze, hitinaze, lihenaze, laminarinaze in druge glukanaze.

CELULOSOM

Asimilacija škroba in glikogena

Škrob je polimer sestavljen iz α-amiloze in amilopektina. α-amiloza je

sestavljena iz glukoze, ki je povezana z α-(1-4) glikozidno vezjo. Amilopektin

ima α-(1-4) in α-(1-6) glikozidne vezi. Amilopektin je po svoji sestavi

podoben glikogenu, le da ima manj α-(1-6) glikozidnih vezi. Razgradnja

poteka zunaj celice.

amiloza amilopektin

glukoza maltoza glukoza maltoza

dekstrin (visoko razvejan škrob)

glukoza maltoza

Asimilacija maltoze

Maltoza je izgrajena iz dveh glukoznih ostankov. Za transport

potrebujemo maltoza permeazo in encim amilomaltazo.

maltoza

maltodekstrin D-glukoza

glukoza1-P glukoza-6-P

Glikoliza in sinteza sladkorjev

G6P

F6P

FDP

PGALD DHAP

DPGA

3-PGA

2-PGA

PEP

piruvat

Glavni sladkorji v celici so heksoze (npr.

glukoza, galaktoza) in pentoze (npr.

riboze, deoksiriboze), ki nastanejo z

dekarboksilacijo heksoz. Sintezi

sladkorjev pravimo tudi glukoneogeneza.

2 piruvat + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2H+ + 4 H2O glukoza

oksalacetat

Biosinteza polisaharidov

Za sintezo polisaharidov je potrebno glukozo aktivirati UDP-glukoza.

Asimilacija proteinov

protein

polipeptidi

aminokisline

oksidativna ali reduktivna deaminacija

ogljikov skelet aminokislin

20 različnih katabolnih poti

H2O CO2

NH4+

intermediati glikolize in krebsovega cikla

sinteza proteinov

proteaze

peptidaze

Asimilacija ogljikovih skeletov aminokislin

alanin

treonin

glicin

serin

cistein

arginin

histidin

glutamin

prolin

fenilalanin

tirozin

leucin

lizin

triptofan

aspartatasparagin fenilalanin

tirozin

izolevcin

metionin

valin

piruvat

acetil-CoA

acetoacetil-CoA

citrat

izocitratα-ketoglutarat

sukcinil-CoA

sukcinat

fumaratmalat

oksalacetat

glutamat

Biosinteza aminokislin I

piruvat

3-fosfoglicerat

serin

glicin

cistein

fenilalanin

tirozin

triptofan

fosfoenolpiruvat

alaninvalinleucin

glikoliza

riboza-5-P histidin

Biosinteza aminokislin II

Krebsov cikel

α-ketoglutarat

oksalacetat

glutamat

prolin

glutamin

arginin

aspartat

asparigin

metionin

treonin

izolevcin

Biosinteza proteinov I

Za peptidno vez sta potrebna: 2 ATP (aktivacija tRNA) 2GTP (inciacija, elongacija)

Biointeza proteinov II

Biosinteza proteinov III

Asimilacija nukleinskih baz

guanin uracil

NH4+

DNA ali RNA

mononukleotidi

deoksiriboza riboza

adenin

hipoksantin

ksantin

urična kislina

alantoin

glioksilat urea

citozin

barbiturat

urea malonat alanin

CO2

ureidopropionat

sinteza DNA in RNAnukleaze

Biosinteza purinov

Purinski nukleotidi:

- adenin

- guanin

Ogljikov skelet nastane it CO2, glicina in folne kisline

Biosinteza pirimidinov

Pirimidinski nukleotidi so:

- timin

- citozin

- uracil

Sinteza DNA

Asimilacija triacilgliceridov in fosfolipidov

lipid

glicerolmaščobne kisline

glicerol-3-Pmaščobna kislina-CoA

trans-enoil-CoA

L-3-hidroksiacil-CoA

3-ketoacil-CoA

acetil-CoAacil-CoA

lipaze

Biosinteza maščobnih kislin

acetil- SACP malonil- SACP

ketoacil-SACP

Na začetku pride do združitve malonila

in acetila, ki sta vezana na nosilni

protein ACP. Vsak naslednji par C

atomov je dodan z malonilom. Za

sintezo malonila je potreben ATP.

2 NADPH

acil-SACP

6C

8C

10C

16C 2C2C

2C2C

2C14C

2C

12C

SACP - acil nosilni protein

Biosinteza fosfolipidov

dihidroksi aceton fosfat

glicerol-3-P

fosfatidna kislina

2 maščobni kislini

CDP-diacilglicerol

CTP

NADH

fosfatidil glicerol fosfat (PGP)

glicerol fosfat

fosfatidil glicerol (PG)

Pi

kardiolipin (CL)

fosfatidil glicerol

CMPfosfatidil serin (PS)

serin

fosfatidil etanol amin (PE)

CO2

CMP

Aktivacija monomerov z ATP pri sintezi makromolekul

polisaharidiUTP

ATP ATPUTPGTPCTP

dATPdUTPdGTPdCTP

CTP lipidi

GTP proteini

RNA

DNA

Cena metabolnih intermediatov (ATP ekvivalenti)

intermediat cena intermediat cena

glukoza-6-P 39 (42) acetil-CoA 12

fruktoza-6-P 39 (42) citrat 28

1,6-fruktoza bifosfat 40 (40) izocitrat 28

3-P-gliceraldehid 20 (21) α-ketoglutarat 25

dihidroksiacetonfosfat 20 (21) sukcinil-CoA 22

1,3 difosfogliceraldehid 17 (18) sukcinat 21

3-P-glicerat 16 (17) fumarat 19

2-fosfoglicerat 16 (17) malat 19

fosfoenolpiruvat 16 (17) oksalacetat 16

piruvat 15

kata

boliz

em

kata

boliz

em

anab

oliz

em

Cena sinteze nukleotidov (ATP ekvivalenti)

Cena RNA tetranukleotida AGCU = 241

Cena DNA tetranukleotida AGCT = 263

nukleotid cena

ATP 64

GTP 61

CTP 59

UTP 57

dATP 68

dGTP 65

dCTP 63

dTTP 67

intermediat cena

ADP ATP 1

AMP ATP 2

FADH ATP 2

NADH ATP 3

NADPH ATP 4

Cena sinteze aminokislin (ATP ekvivalenti)

aminokislina cena

glicin 12

serin 18

cistein 19

alanin 20

aspartat 21

asparagin 22

glutamat 30

glutamin 31

treonin 31

valin 39

aminokislina cena

prolin 39

histidin 42

arginin 44

metionin 44

leucin 47

lizin 50

izolevcin 55

tirozin 62

fenilalanin 65

triptofan 78

Cena sinteze peptida

izgrajenega iz vseh 20

različnih aminokislin bi bila

847 ATP.

V kolikor so aminokisline že

pripravljene, potem stane

sinteza istega peptida

(19*4)+2 = 78 ATP.

Aerobna asimilacija aromatskih spojin

OH

OH

OH

COOHCHO

OH

COOHCHOH

O

COOHCHOH

O

COOH

O

COOH

HO

piruvat + acetaldehid

COOH

COOH

COOH

C=HO

COOH

C=HO

COOH

COOH

O

sukcinat + acetat

katehol

Monooksigenacija reduciranih organskih spojin

En kisik je vgrajen v reducirano

spojino, pri tem nastane hidroksilna

skupina, drugi kisik je reduciran v

vodo. Monooksigenaze uporabljajo

kot kosubstrat NAD, NADP, FMN, FAD

ali α-ketoglutarat. Med najbolj

poznanimi monooksigenazami je P-

450, ki je pri evkariontih v

endoplazmatskem retikulumu in služi

za detoksifikacijo reduciranih

organskih spojin.

Dioksigenacija reduciranih organskih spojin

Pri dioksigenazah sta oba kisika

vgrajena v reducirano organsko

spojino. Dioksigenaze so

pomembne pri odpiranju

benzenskih obročev.

Anaerobna asimilacija aromatskih spojin

O OHC

O SCoAC

O SCoAC

O SCoAC

OH

O SCoAC

O SCoAC

OO SCoA

C SCoA

C = O

Anaerobna razgradnja

aromatske spojine poteka

reduktivno, tako da

mikrorganizem reduktivno

saturira aromatsko jedro.

acetil-CoA

Asimilacija C1 skupin

Veliko prokariontov raste na C1 spojinah, kot edinem viru ogljika. Med

pomembnejše C1 skupine za rast mikrobov spadajo:

CO2

CH4

CH3OH (metanol)

HCHO (formaldehid)

HCOOH (format)

CH3NH2 (metilamin), (CH3)3N (trimetilamin),

(CH3)2O (dimetileter), CH3OCOOCH3 (dimetilkarbonat)

Fiksacija CO2

Fiksacija CO2 lahko poteka na različne načine:

• Kalvinov cikel

• acetil-CoA pot

• hidroksipropionatna pot

• reduktivni cikel trikarbonskih kislin

Kalvinov cikel je najbolj pogost in ga najdemo pri fotosintetskih organizmih,

cijanobakterijah in kemoautotrofih. Ne najdemo ga pri arhejah, kjer običajno

najdemo acetil-CoA, hidroksipropionatno pot ali pa reduktivni cikel trikarbonskih

kislin. Slednjega najdemo tudi pri zelenih fotosintetskih bakterijah.

Fiksacija CO2 - Kalvinov cikel

6 CO212 glicerat-3-P

12 ATP

6 ribuloza-1,5-P 12 glicerat-1,3-P

12 NADPH

12 gliceraldehid-3-P

fruktoza-6-P

biosinteza

10 gliceraldehid-3-P

6 ribuloza-5-P

6 ATP

Fiksacija CO2 - acetil-CoA pot (acetogeneza)

H2

CO2

CHO-THF2H2

CH3-THFB12

CH3-B12

THF

CoA

Na+ elektrokemijskipotencial, nastanek ATP

CO2

ATP

H2

Fe

Ni

COFe

Ni -CH3

COFe

Ni

CH3-C~SCoA

OCH3-C-OH

O

CO dehidrogenaza

ATPacetat

biosinteza

Fiksacija CO2 - hidroksipropionatna pot

biosinteza

CH3-C~SCoA

O

CH2O-CH2-C~SCoA

O

CH3-CH2-C~SCoA

O

COOH-C-C~SCoA

O

CH3

H

glioksilatCHO-CH2-C~SCoA

O

malil-CoA

CO2

CO2

2H+ATPATP

ATPpropionil CoA

hidroksipropionil CoA2H+

2H+

2H+

metilmalonil CoA

Fiksacija CO2 - reverzni TCA cikel

Biogeni nastanek metana

Metan lahko nastane na več različnih načinov:

• avtotrofno iz CO2 in H2

• heterotrofno s fermentacijo

acetat metanol

Metanogeneza iz CO2 in H2

CO2 MF - metanofuran

MP - metanopterin

CoM - koencim M

F420 - koencim F420

CoB- koencim B

Te koencime najdemo izključno pri metanogencih.

MF-C-H

O

MP-C-H

O

MP-CH3

CoM-S-CH3

CH4

MP CH2

MF

MP

F420

F420

CoM-SH

HS-CoB

biosinteza

2H

H2

2H

H2O

H2O

Metanogeneza na acetatu

CH3COOHVečina metana nastane iz

acetata ~ 2/3, pri tem je

acetat vir energije in

ogljika.

CoA + ATP

CoA - koencim A

Corr - korinoidin

Codh - CO dehidrogenaza

CoM - koencim M

CH3CO-S-CoA

CH3CO-Codh

CH3-Corr

CH3-CoM

CH4

CO-Codh

CO2

H2O 2e- + 2H+CoM

Coor

Codh

ATP

biosinteza

Metanogeneza na metanolu

CH3OH

CH3-Corr

CH3-CoMCH3-MP 2H+

ATPCH4 COH-MF

Redukcijska moč (2H+), ki nastane pri oksidaciji

metanola do CO2 se porabi pri nastanku metana.CO2

CO-Codh

biosinteza

Metanotrofija - oksidacija metana

biosinteza

O2 H2O

CO2CH3OH CH2O HCOO-CH4

metan monooksigenaza

NADHH+ H+

dihalna veriga

ATP

Asimilacija dušika

• asimilacija NO3-

• asimilacija NH4+

• fiksacija dušika

• asimilacija organskega dušika (npr. aminokisline, purini,

pirimidini, amini)

Asimilacija NO3-

Reduktivna asimilacija nitrata poteka preko nitrata in

hidroksil amina do amonija, ki se potem vgradi v

organsko snov. Energetsko je bolj potratna od

asimilacije amonija.

NO3-

NO2-

NOH

NH2OH

NH4+

organska snov

Asimilacija NH4+

α-ketoglutarat + NH4+ + NADH glutamat + NAD+

glutamat + NH4+ + ATP glutamin

piruvat + NH4+ + NADH + H+ alanin + NAD+

fumarat + NH4+ aspartat

Transaminacije

α-keto kislina + L-glutamat L-amino kislina + α-ketoglutarat

Npr.

piruvat + L-glutamat L-alanin + α-ketoglutarat

oksalacetat + L-glutamat L-aspartat + α-ketoglutarat

α-ketoizokaproat + L-glutamat L-levcin + α-ketoglutarat

p-hidroksifenilpiruvat + L-glutamt L-tirozin + α-ketoglutarat

Asimilacija dušika pri biosintezi purinov

Purinska nukleotida sta:

- adenin

- guanin

Asimilacija dušika pri biosintezi pirimidinov

Pirimidinski nukleotidi so:

- timin

- citozin

- uracil

Disimilativna izraba dušika

NO3-

NO2-

NO

N2O

N2

Disimilativni izrabi dušika pravimo tudi denitrifikacija. Pri

disimilativni izrabi dušika se dušik ne vgradi v celični material

temveč zapušča celico v obliki plina. Pri tem imajo NO3-, NO2

-,

NO in N2O vlogo terminalnih akceptorjev elektronov. Nekateri

organizmi lahko izkoriščajo vse omenjene akceptorje, drugi

pa samo nekatere.

Fiksacija dušika

Ločimo simbiontske in prostoživeče fiksatorje dušika.

Pomembnejši simbiontski mikroorganizmi so:Rhizobium trifoli detelja

Bradyrhizobium japonicum soja

Rhizobium meliloti lucerna

Frankia spp. jelša

Azospirillum brasilense tropske trave

Richelia intracellularis morske diatomeje

Pomembnejši prostoživeči fiksatorji dušika so: Azotobacter, Derxia, Azomonas,

Beijerinkia, Nocardia, Pseudomonas, Anabena, Caotothrix, Nostoc, Gleotheca,

Methanobacterium , Methylococus, Methanococcus, Rhodospirilum, Chromatium,

Rhodomicrobium

Fiksacija dušika

Fiksacija dušika poteka z nitrogenazo. Glavni komponenti nitrogenaze sta:

- dinitrogenaza (Mo-Fe protein, občutljiv na kisik)

- dinitrogenazna reduktaza (4Fe-4S protein, občutljiv na kisik)

N N

HN = NH

H2N - NH2

H3N NH3 +H2

2e- + 2H+

2e- + 2H+

2e- + 2H+

Skupna reakcija za fiksacijo dušika je

8H+ + 8e- + N2 2NH3 + H2

18-24 ATP 18-24 ADP + 18 - 24 Pi

Fiksacija dušika - zaščita nitrogenaze pred kisikom

Pri striktnih anaerobih ni potrebna zaščita. Fakultativni anerobi fiksirajo

samo v anaerobnem. Striktni aerobi imajo bodisi povečano respiracijo,

ali modificirane celice (npr. bakteroide ali heterociste).

nitrogenaza

fotosistem I in II

ATP(CH2O)n NADPH O2

N2

NH3

glutamin glutaminPS I

ATP

(CH2O)n

e-

vegetativna celica vegetativna celicaheterocista

Asimilacija žvepla

• asimilacija sulfata

• asimilacija ostalih anorganskih oblik (npr. sulfid, elementarno žveplo,

hiposulfit, sulfoksilat, tiosulfat, persulfat, sulfit, tetrationat, tiocianat)

• asimilacija organskih oblik žvepla (npr. cistein, cistin,

metionin, taurin)

Asimilacija sulfata

SO42-

APS

ATP

ATP

PAPS

SO32-

H2S

organska snov

Pri asimilativni redukciji sulfata sta potrebna dva

ATP in 8 elektronov. Produkt H2S je asimiliran v

organsko snov.

APS adenozin 5-fosfosulfat

PAPS fosfoadenozin 5-fosfoslufat

Disimilativna redukcija sulfata

SO42-

Pri disimilativni redukciji sulfata je potreben en

ATP in 8 elektronov. Produkt H2S je izločen iz

celice.APS

ATP

SO32-

H2S

Asimilacija fosfata

Fosfat je v obliki fosfatne skupine lahko asimiliran v:

• fosfolipide (prekurzor dihidroksiaceton fosfat)

• fosforilirane sladkorje (npr. glukoza-6-P)

• fosforilirane kisline (npr. fosfoenolpiruvična kislina)

• acilne fosfate

• acetilne fosfate (npr. acetil-CoA, sukcinil-CoA)

• nukleotide (npr. ATP)

Fermentacije

• fermentacija je anaerobna oksido-redukcijska metabolna pot, kjer ATP

nastane s substratno fosforilacijo, višek elektronov pa je porabljen z

akceptorji, ki nastanejo med procesom fermentacije.

• končni produkti fermentacije so lahko porabljeni kot substrati za druge

fermentacijske organizme (anaerobni prehranski spleti).

Temeljna problema pri fermentaciji

1. Pridobivanje energije (substratna fosforilacija)

2. Odstranjevanje viškov elektronov (reducirani fermentacijski produkti)

oksidirana organska spojina(donor elektronov)

reducirana organska spojina(akceptor elektronov)

intermediat

intermediat-P

intermediat

Pi

ATP

NADH

NAD

Bioenergetika v citosolu

Visokoenergijske spojine, ki nastajajo pri metabolizmu v citosolu, se

uporabljajo za:

• sintezo nukleinskih kislin, proteinov, lipidov in polisaharidov

• transport topljencev skozi membrano

• aktivno gibanje

Bioenergetika v citosolu

Visokoenergijske spojine v citosolu so:

ATP, fosfoenolpiruvat, fosforilirani sladkorji, acetil fosfati,

acetil-CoA derivati

-O-P~O-P~O-P-O-CH2

OH OH

NH2

N

NN

N

O-

O OO

OO-O-

ATP

CH3-C-O~P-O-

O

O

O

acetil fosfat

-O-P-O-

O

O

CH2=C-COO-

fosfoenolpiruvat

~

Bioenergetika v citosolu

Poleg fosfoesterskih vezi so visokoenergijske tudi tioesterske vezi: acetil-

CoA, butiril-CoA, sukcinil-CoA, propionil-CoA, alkil-acetil-CoA, aril-acetil-

CoA.

CoAacetil -

Potencial za prenos skupin

• visokoenergijske molekule so molekule z visoko verjetnostjo za hidrolizo.

• pri hidrolizi visokoenergijske molekule se energija porablja. Skupina

nastala pri hidrolizi se prenese na akceptor. Nastane nova vez, pri čemer

se energija sprošča.

• sproščanje energije mora biti večje od porabljene energije.

Prenos visokoenergetskih skupin omogoča nastanek stabilnih esterskih, amidnih,

glikozidnih ali eterskih vezi, kar omogoča sintezo fosfolipidov, nukleotidov,

proteinov, DNA, maščobnih kislin.

Potencial za prenos visokoenergijskih skupin

R1-COOH + R2-OH R1-CO-O-R2

kislina alkohol ester

adenin-riboza-P+~P+~P+ + R1-COO-H

ATP

nukleofilni napad kisline

R1-C+O-AMP + 2Pi

R1-C+O-AMP + R2-O-H

nukleofilni napad alkohola

R1-CO-O-R2 + AMP

Potencial za prenos visokoenergijskih skupin

R1-CO-CH2-NH2 + R2-CO-CH2-NH2 R1-CO-NH-CH2-CO-R2

aminokislina aminokislina dipeptid

adenin-riboza-P+~P+~P+ + R1-COO-H

R1-C+O-AMP + tRNA-O-H

nukleofilni napad aminokisline

R1-C+O-AMP + 2Pi

nukleofilni napad tRNA

R1-C+OO-tRNA + AMP

R1-C+OO-tRNA + R2-CO-CH2-N-H2

nukleofilni napad aminokisline

R1-CO-NH-CH2-CO-R2 + tRNA

ATP in prenos visokoenergijskih skupin

adenin-riboza-O-P~P~Pα β γ

AMP

ADP

prenešena skupina odhajajoča skupina

AMP + P~P (sinteza proteinov)

ADP + P (sinteza polisaharidov)

P + ADP (kinaze)

Acetilni derivati in prenos visokoenergijskih spojin

acil acetil-fosfat acetil-CoA

R- C+-P

O-

R- C+-S-CoAO-

R- C+-O-

prenešena skupina odhajajoča skupina

acil + R (sinteza lipidov)

P + acetil (sinteza ATP)

S-CoA + acetil (fermentacije)

Substratna fosforilacija

Za substratno fosforilacijo potrebujemo encim kinazo, ADP in donor

fosfatne skupine. Donorji so lahko:

• 1,3-bifosfoglicerat

• fosfoenol piruvat

• sukcinil-fosfat

• acetil-fosfat

donor fosfata

ADP + ATPP

encim: kinaza

Acetil fosfati in substratna fosforilacija

Pri fermentacijah nastane s piruvat dehidrogenazo acetil-CoA.

piruvat + CoASH + NAD+ acetil-CoA + CO2 + NADH + H+

Iz acetil-CoA nastane s fosfotransacetilazo acetil fosfat.

acetil-CoA + Pi acetil-P + CoASH

Acetil kinaza prenese fosfatno skupino iz acetil-fosfata na ADP, pri tem

nastane ATP.

acetil-P + ADP acetat + ATP

Uravnoteženost fermentacije

Uravnoteženost ogljika:

Uravnoteženost C1 in C2 spojin:

Uravnoteženost redoks stanja:

Uravnoteženost redoks stanja je uravnana s produkcijo vodika. Če je

produkcija vodika inhibirana so produkti bolj reducirani.

mol Cprodukti

mol Csubstrat

mol C1

mol C2

oksidirani produkti

reducirani produkti

Primer izračuna uravnoteženosti fermentacije glukoze z Lactobacillus pentoaceticus

spojina mmol mmolC redoks oksidirani reducirani C1 C2 stanje produkti produkti spojine

glukoza 100 600 0

laktat 96 288 0

glicerol 7 21 -1 7

etanol 86 172 -2 2 x 86 86

acetat 7 14 0 7

CO2 89 89 +2 2 x 89 89

uravnoteženost ogljika 584/600 =0.97

uravnoteženost C1 spojin 89/93 = 0.96

uravoteženost redoks stanja 178/179 = 0.99

Piruvat-ključni intermediat pri fermentacijah

Večina fermentacijskih produktov nastane iz piruvata. Pri tem vedno

velja, da:

• piruvat ni končni produkt

• pri redukciji piruvata nastane fermentacijski produkt

• NADH se pri tem reoksidira

Glavne fermentacijske poti od stopnje piruvata

oksalacetat

malat

fumarat

sukcinat

propionat

NADH

butiraldehid

butiril-CoA

butiril-P

butanol butirat

NADH

izopropanol

acetonNADH

NADH

NADH

ATP

format

acetil-P

acetatetanol

acetalaldehid

acetil-CoA

acetoacetil-CoANADH

NADH

ATP

NADHlaktat piruvat NADH

acetalaldehid etanol

2,3 butandiol diacetil

acetoinNADH

α-acetolaktat

Kako nastane piruvat

Obstaja več metabolnih poti, ki vodijo do nastanka piruvata:

• Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) metabolna pot

• fosfoketolazna metabolna pot

• oksidativna pentoza fosfat metabolna pot

• Entner-Doudoroff metabolna pot

Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) metabolna pot

glukoza-1-P + ATP

glukoza-6-P

fruktoza-6-P + ATP

fruktoza-1,6-P

gliceraldehid-3-P dihidroksiaceton-P

1,3-difosfoglicerat glicerol-3-P

3-fosfoglicerat glicerol

2-fosfoglicerat

fosfoenolpiruvat

piruvat

ATP

ATP

NADH

(ozmoregulator)

+ NADH

Oksidativna pentoza fosfat (PPT) metabolna pot

+

riboza-5-P ksiluloza-5-P

sedoheptuloza-7-P gliceraldehid-3-P

fruktoza-6-P eritroza-4-P

gliceraldehid-3-P ksiluloza-5-P

1,3-difosfoglicerat

3-fosfoglicerat

2-fosfoglicerat

fosfoenolpiruvat

piruvat

fruktoza-1,6-P

NADPHNADPH

glukoza-6-P 6-P-glukonolakton

6-P-glukonat

3-keto-6-P-glukonat

ribuloza-5-P

NADH

ATP

ATP

Fosfoketolazna (FK) metabolna pot

ksiluloza-5-P

gliceraldehid-3-P acetil-fosfat

1,3-difosfoglicerat acetil-CoA

3-fosfoglicerat acetaldehid

2-fosfoglicerat etanol

PEP

piruvat

6-P-glukonolaktonglukoza-6-P

NADPH

NADPH

6-P-glukonat

3-keto-6-P-glukonat

ribuloza-5-P

NADH

ATP

ATP

NAD

NAD

Entner-Doudoroff (ED) metabolna pot

glukoza-6-P

6-P-glukonolakton

6-P-glukonat

2-keto-3-deoksi-6-P-glukonat

piruvat gliceraldehid-3-P

1,3-difosfoglicerat

3-fosfoglicerat

2-fosfoglicerat

fosfoenolpiruvat

piruvat* To metabolno pot najdemo samo pri G- bakterijah.

NADPH

NADH

ATP

ATP

Povezave med različnimi ogljikohidratnimi potmi

6-P-glukonatG6P

F6P

FDP

DHAP PGALD

DPGA

3-PGA

2-PGA

PEP

piruvat

PPP FK ED

PPP pentoza fosfatna pot

FK fosfoketolazna pot

ED Entner-Doudoroff pot

Mlečno kislinska fermentacija - homofermentativna

Laktoza = glukoza + galaktoza

1. Homofermentativna: glukoza glukoza-6-P fruktoza-6-P

fruktoza-1,6-P 3-fosfogliceraldehid 1,3-difosfoglicerat

3-fosfoglicerat 2-fosfoglicerat fosfoenolpiruvat piruvat laktat

(mlečna kislina)

Mlečno kislinska fermentacija - heterofermentativna

fruktoza-6-P

6-P-glukonolakton

6-fosfoglukonat

ribuloza-5-P

ksiluloza-5-P

gliceraldehid-3-P acetil-P

1,3-difosfoglicerat3-fosfoglicerat

2-fosfoglicerat

fosfoenolpiruvat

piruvat

mlečna kislina

acetil-CoA

acetaldehid

etanol

ocetna kislina

glukoza-6-PATPglukozafruktoza

manitol

NADPH

ATP

fruktozasorbitol

ATP

ATP

NADPH

3-keto-6-P-glukonatNADPH

NADH

NAD

NADfosfoketolazna pot

Mlečnokislinska fermentacija - pentoz

ksiloza arabinoza

ksiloza-5-P

gliceraldehid-3-P acetil-P

1,3-difosfoglicerat

3-fosfoglicerat

2-fosfoglicerat

fosfoenolpiruvat

piruvat

mlečna kislina

ocetna kislina

Mlečnokislinska fermentacija - oksidacije ostalih substratov

Nekatere mlečnokislinske bakterije lahko v anaerobnem okolju izrabljajo:

organske kisline (jabolčna, citronska) mlečna k., ocetna k.

arginin, serin amonijak, ornitin, acetoin

Nekatere mlečnokislinske bakterije lahko v aerobnih razmerah izrabljajo:

glicerol, manitol, sorbitol ocetna k., mravljična k., acetoin

Propionatna fermentacija Clostridijev

laktat piruvat acetil-CoA acetil-P acetat + ATP + 4H+

Višek protonov in elektronov se porabi v naslednjih rakcijah, kjer se porabita 2H+.

laktat lactil-CoA acril-CoA + 2H+ propionil-CoA propionat

Za delovanje cikla so potrebni 3 laktati, 2 za produkcijo propionata, eden za

nastanek acetata, pri tem se sprostita 2 ATP.

Propionatna fermentacija Propinobakterij

laktat piruvat acetil-CoA acetil-P acetat + ATP

pri tem se ustvari višek 8 H+, ki se porabijo v naslednjih reakcijah

piruvat oksalacetat malat fumarat sukcinat

sukcinil-CoA malonil-CoA propionil-CoA propionat

Acetogeneza (nastanek acetata)

acetil-CoA acetil-P acetat +ATP

Nastane 8 elektronov, ki jih je potrebno porabiti, 6 elektronov se porabi za redukcijo

CO2 do CH3 s ATP. Ostala elektrona se porabita za redukcijo CO2 do CO

nato pride do naslednjih reakcij

CO + CH3 acetil-CoA acetil-P acetat + ATP

glukoza glukoza-6-P fruktoza-6-P fruktoza-1,6-P 3-fosfogliceraldehid

1,3-difosfoglicerat 3-fosfoglicerat 2-fosfoglicerat PEP piruvat

pomočjo

Za omenjeni sklop reakcij potrebujemo 4 piruvate, pri tem se sprosti 8 ATP. Drugi

del acetogeneze uporabljajo tudi metanogenci in nekatere sulfat-reducirajoče

bakterije za biosintezo.

Butandiolska fermentacija

glukoza glukoza-6-P fruktoza-6-P fruktoza-1,6-P 3-fosfogliceraldehid1,3-difosfoglicerat 3-fosfoglicerat 2-fosfoglicerat PEP piruvat

1. piruvat mravljična kislina + CO2 + H2

2. piruvat acetil-CoA acetaldehid etanol

3. piruvat aktivni acetaldehid α-acetolaktat acetoin

2,3-butandiol

Fermentacija različnih sladkorjev z Enterobacter cloacae NRRL B-23289a

substrat čas butandiol etanol acetoin(50 g/L) (h) (g/L) (g/L) (g/L)

glukoza 63 18.6 0 3.1ksiluloza 63 18.9 0 3.7arabinoza 39 21.7 2.0 0.6mešanica A 48 19.6 1.5 3.5 (Glu:Xyl:Ara, 1:1:1)mešanica B 48 19.5 1.7 4.1(Glu:Xyl:Ara, 1:2:1)manoza 72 18.6 0 0galaktoza 63 18.9 0 3.7fruktoza 39 21.7 2.0 0.6saharoza 48 17.7 1.6 2.4

pri pH 5.0, 30o C , 200 rpm

Fermentacja hidrolizata koruzne vlaknine zEnterobacter cloacae NRRL B-23289

substrat čas butandiol acetoin(50 g/L) (h) (g/L) (g/L)

kislinski hidrolizat 24 5.2 2.5

kislinska hidroliza 24 9.1 2.7 In saharifikacija

kislinska hidroliza 24 12.0 2.0ter sočasna Saharifikacija In fermentacija

Mešano kislinska fermentacija

glukoza glukoza-6-P fruktoza-6-P fruktoza-1,6-P 3-fosfogliceraldehid1,3-difosfoglicerat 3-fosfoglicerat 2-fosfoglicerat PEP piruvat

1. PEP oksalacetat malat fumarat sukcinat

2. piruvat laktat

3. piruvat acetil-CoA + format acetil-P acetat

4. piruvat acetil-CoA + format acetaldehid etanol

Med glikolizo nastanejo 4H+, pri nastanku sukcinata se porabijo 4H+, pri nastanku

etanola 4H+, laktata 2H+, acetata 0 in formata 0. Posledično so možne samo

nekatere kombinacije produktov.

Masleno kislinska in butanol-acetonska fermentacija Clostridium acetobutylicum

glukoza glukoza-6-P fruktoza-6-P fruktoza-1,6-P 3-fosfogliceraldehid1,3-difosfoglicerat 3-fosfoglicerat 2-fosfoglicerat PEP piruvat

1. piruvat acetil-CoA acetoacetily-CoA hidroksibutiril-CoA krotonil-CoA butiril-CoA butiril-P maslena k.

2. piruvat acetil-CoA acetil-P acetat

3. piruvat acetatoacetil-CoA + acetat acetil-CoA acetoacetil-CoA acetoacetat aceton + CO2

4. piruvat acetoacetil-CoA + butirat butiril-CoA butiraldehid butanol

5. piruvat acetil-CoA acetaldehid etanol

Fermentacija Clostridijev na aminokislinah

deaminacije aminokislin NH3 + org. kisline (ocetna, piruvična,

glutaminska) maslena kislina, propionat

dekarboksilacije aminokislin CO2 + amin (putrescin, histamin,

kadaverin)

oksidacija/redukcija aminokislin CO2 + NH3 + org. kisline

(ocetna, izovalerianska, izomaslena) maslena kislina,

propionat

Pregled običajnih fermentacij

vrsta reakcija

alkoholna heksoze 2etanol + 2CO2

homolaktična heksoze 2laktat + 2 H+

heterolaktična heksoze laktat + etanol + CO2 + H+

propionska laktat propionat + acetat + CO2

mešana heksoze etanol + 2,3-butandiol + sukcinat + laktat + acetat + format +H2 + CO2

maslena heksoze butirat + acetat + H2 + CO2

butanolska heksoze butanol + acetat + aceton + etanol + H2 + CO2

kaproatna etanol + acetat kaproat + butirat + H2

homoacetogena heksoze 3 acetat + 3H+

metanogena acetat CH4 + HCO3-

Pregled neobičajnih fermentacij

vrsta reakcija

acetilenska 2C2H2 + 3H2O etanol + acetat + H+

glicerolna 4glicerol + 2HCO3- acetat + 5H+ + 4H2O

cinamatna 2C9H7O2- + 2H2O C9H9O2 + benzoat + acetat + H+

putrescinska 10C4H12N2 + 26H2O 6 acetat + 7 butirat

citratna citrat + 2H2O format + 2 acetata + H+

akonitatna akonitat + H+ + 2H2O 2 acetata + 2CO2 + H+

glioksilatna 4 glioksilat + 3H+ + 3H2O glikolat + 6CO2 + 5H2

sukcinatna sukcinat + H2O propionat + HCO3-

oksalatna oksalat + H2O format + HCO3-

malonatna malonat + H2O acetat + HCO3-

Sintrofija

4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O ∆Go = -130.7 kJ/mol

metanogeneza

2 CH3CH2OH + 2 H2O 4 H2 + 2 CH3COO- + 2 H+

etanolna fermentacija

∆Go = 19.4 kJ/mol

2 CH3CH2OH + CO2 CH4 + 2 CH3COO- + 2 H+ ∆Go = -111.3 kJ/molsintrofna reakcija

Sintrofija

• Syntropherbacter (anaerob) pretvori maščobno kislino do vodika

propionat acetat + CO2 + H2

• Methanospirillum (anaerob)

4H2 + CO2 CH4 + 2H2O

• Methanospirillum kontinuirano odstranjuje vodik in s tem omogoča

nadaljno fermentacijo in produkcijo vodika, povečana produkcija

vodika poveča rast obeh organizmov.

Sintrofija

butirat

butiril-CoA

krotonil-CoA

3-hidroksibutiril-CoA

acetoacetil-CoA

acetil-CoA

acetat

acetil-CoA

acetil-P

acetat

CoA

FADH

NADH

ATP

CoA

metanogenec

Običajni fermentacijski metabolni spleti

heksoze, pentoze, nekatere amino in organske kisline

butiratetanol

laktat

acetat

H2

propionat

butanol sukcinatbutandiol

format

CO2 fermentacije

sintrofije

metan

metanogeneza

Respiracija

Respiracija omogoča boljši izkoristek energije iz organske snovi (več

ATP) kot fermentacija. To je predvsem posledica dejstva, da so pri

fermentaciji organske snovi samo delno oksidirane. Glede na vlogo kisika

pri respiraciji ločimo:

• aerobne respiracije

• anaerobne respiracije

Aerobna respiracija

organska spojina

dihalna veriga

biosintezaNADH

O2

intermediati

ATP

ATPsubstratna

fosforilacija

oksidativna

fosforilacija

Membrana kot kondenzator

Membrana je nepropustna za nabite delce in lahko na površini shrani naboj.

Do separacije naboja v membrani prihaja aktivno z encimi (H2 molekula

razpade na 2H+ in 2e-), protoni potujejo na zunanjo stran, elektroni pa na

notranjo stran citoplazmatske membrane.

∆V = Q/C

kjer je Q količina naboja, C je kapacitanca membrane in V je napetost

Običajna kapacitanca biološke membrane je 1 µF/cm2.

Elektrokemijski potencial preko membrane

Napolnjena baterija; polarizirana

membrana, energija je spravljena v

električnem in kemijskem potencialu.

+

++

+++++++

++

+

++

++

++ +

- ---- - ----

-- -- --

Prazna baterija; nepolarizirana

membrana.

Samo membrana, ki je polarizirana in ima protonski potencial

je sposobna opravljati delo in pridobivati energijo v obliki ATP.

+

+

+

+++

+++

+

+

+ ++ ++

++

---

---- -

ADP + Pi

ATP

Elektrokemijski potencial

∆µH+ = µin - µout razlika kemijskih potencialov protonov preko membrane

∆µH+ = F∆Ψ + RT ln[H+in] / [H+out] elektrokemijski potencial

električni potencial kemijski potencial

∆µH+ / F = ∆Ψ - 60 ∆pH = ∆p protonska gonilna sila

Nastanek električnega potenciala

Večina protonov po prehodu membrane

ostane v bližini membrane, kar ustvarja

električni potencial. Ker je pH vrednost

smiselna le v vodni raztopini se zaradi

vezave protonov na membrano pH

raztopine ne zniža.

H+ B- A+

H+ A+ B-

B-

H+ A+ B-

H+ A+

H+

OH-

OH-

OH-

OH-

H+

H+

Komponente električnega potenciala

∆Ψ = ∆Ψin - ∆Ψout

∆G = -nF∆Ψ

F (Faraday) je definiran kot količina naboja, ki ga ima 1 mol protonov, n je število molov protonov.

Dogovorno je membranski potencijal negativen, kadar je notranja

membrana negativno nabita. Električna energija potrebna za prenos

protonov skozi membrano je enaka:

Nastanek kemijskega potenciala

Zaradi kotransporta kationov v

citoplazmo nekaj protonov odide v

raztopino, da ohrani elektronevtralnost.

Posledica je nastanek kemijskega

potenciala (∆pH).

Transport protona preko membrane ne

more sočasno razviti električni potencial

in kemijski potencial. Kemijski potencial

se razvije po desorbciji protona s

površine membrane.

B- A+

H+ B-

B-

H+

H+ B-

H+

OH-

A+

OH-

A+

A+

OH-

OH-

H+

A+

Komponente kemijskega potenciala

Energija potrebna za prenos protonov skozi membrano je podana kot

∆G = RT ln[H+in] - RT ln [H+

out]

∆G / F = RT/F ln[H+in] / [H+

out]

oziroma

∆G/F = - 60 ∆pH

pri tem je ∆pH = [H+in]- [H+

out]

Podobno kot električni lahko izrazimo kemijski potencijal v mV

Mehanizmi nastanka elektrokemijskega potenciala

Elektrokemijski potencijal na biološki membrani lahko nastane zaradi:

• redoks rekacij

• hidrolize ATP

• nastanka Na+ gradienta

• nastanka protonskega gradineta pri kotransportu produktov iz celice

• absorpcija svetlobe

Nastanek ∆p z redoks reakcijami

Sklopitev redoks reakcij (transport elektrona) s translokacijo protonov

preko membrane v dihalni verigi omogoča nastanek elektrokemijskega

potenciala.

∆G = -nEF∆E transport elektrona (redoks reakcije)

∆G = nH+ RT ln[H+in] - RT ln [H+

out] = nH+F∆p transport protona

Ti dve reakciji sta sklopljeni in ena ne more potekati brez druge

∆p = -nE∆E / nH+

Redoks reakcije

Večina spojin je lahko donor ali akceptor elektronov. Oksidant je spojina, ki

druge oksidira sebe pa reducira. Spojina, ki druge reducira sebe pa oksidira,

je reducent. Redoks par vedno pišemo tako, da je oksidirana oblika spojine

na levi, reducirana oblika pa na desni (npr. H2 +1/2O2 H20).

redoks par zapišemo kot 1/2 O2/H2O

oksidirana oblika reducirana oblika

H2 2 e- + 2H+

1/2 O2 + 2e- O2-

Redoks reakcije: elektronski stolp

redoks par potencial (V) št. udeleženih elektronov

CO2 / glukoza -0.43 24

2H+ / H2 -0.42 2

NAD+ / NADH -0.32 2

So / H2S -0.28 2

SO42- / H2S -0.22 8

fumarat / sukcinat +0.03 2

ubikinon ox/red +0.11 2

citokrom c ox/red +0.25 1

NO3- / NO2

- +0.42 2

Fe3+ / Fe2+ +0.76 1

1/2 O2 / H2O +0.82 2

Prenašalci dveh elektronov v dihalni verigi

Sistemi, ki v dihalni verigi prenašajo po dva elektrona in dva protona

(imenovani tudi prenašalci vodika) so:

• nikotinamid adenin dinukleotid, NAD+

• nikotinamid adenin diunukleotid fosfat, NADP+

• flavin mononukleotid, FMN

• flavin adenin dinukleotid, FAD

• kinoni, Q

Prenašalci elektronov (NAD+, NADP+)

NAD+ in NADP+ imata Eo’= -0.32V, kar

pomeni, da sta dobra donorja elektronov.

Preneseta dva elektrona in en proton,

drugi proton se sprosti v raztopino.

NADH se uporablja v predvsem v

katabolnih, NADPH pa v anabolnih

reakcijah

Ubikinoni

So lipidni elektronski prenašalci.

Topnost v lipidih je vezana na

izoprensko enote. Poznamo dve vrsti

kinonov: ubikinon Q in menakinon.

Menakinoni imajo dodaten benzenov

obroč in precej nižji redoks potencial

(uporabni predvsem pri anaerobnem

metabolizmu). Prenašajo dva protona

in dva elektrona.

Flavin mononukleotid (FMN)

Sintetizirani so iz riboflavina (vitamin

B2). Prenesejo dva protona in dva

elektrona. Njihov redoks potencial je

odvisen od proteina na katerega so

pripeti.

Prenašalci enega elektrona v dihalni verigi

Sistemi, ki prenašajo po en elektron v dihalni verigi so:

• citokromi

• železo-žveplovi proteini Fe-S

Citokrom c

Prostetična skupina citokromov je

hem. Ločimo več vrst citokromov:

a, b, c, o in d. Redoks potencial

citokroma je predvsem odvisen od

stranske verige vezane na pirolov

obroč. Prenesejo en elektron

zaradi spremembe redoks stanja

Fe2+ v Fe3+.

Fe-S proteini

Obstaja več Fe-S klastrov, ki imajo

različen redoks potencial od -400 mV

do + 350 mV. Prenesejo samo en

elektron, neglede na število Fe atomov

v klastru.

Potovanje elektrona po dihalni verigi (redoks reakcije)

• elektron potuje od donorja do akceptorja elektronov

• potovanje elektrona je modularno organizirano, kar omogoča fleksibilnost

in hitro prilagajanje razmeram v okolju.

• glavni moduli dihalne verige so:

substrat specifične dehidrogenaze, ki sprostijo protone in elektrone

kinoni, ki prenašajo elektrone od dehidrogenaz do terminalnih akceptorjev

terminalne oksidoreduktaze, ki so končni porabnik elektronov

Potovanje elektrona po dihalni verigi

NADH FAD FeS UQ b c1 c aa3 O2

klasična aerobna

dihalna veriga

Sklopitev transporta elektrona in translokacije protonas protonsko črpalko

+ 1/2O2 H2O

2e-

2H+

2e-QH2

4H+/2e- = 22H+

2H+

2H+

cyt bo3

2e-

NADH dehidrogenaza-I

4H+/2e- = 2

NADH

Q

NAD+ + H+

4H+

4H+

2H+

2e- 2e-

2H+/2e- = 1

QH2

2H+

2H+H2O

cyt bd 1/2O2

2e-

H+/e- = 0

Qe-

sukcinatdehidrogenaza

fumarat + 2H+

Sklopitev transporta elektrona in translokacije protona z ubikinonsko zanko

periplazmacitoplazma FAD

FeS

NADH

Q QH2

2[H]

citokrom2 x [e-]

2[e-]

citokrom oksidaza

+ 1/2O2

H2O

2H+

2H+

2H+

2H+

2H+

2H+

Sklopitev transporta elektrona in translokacije protona z ubikinonskim ciklom

c1Fe/s

cyt b

Pri transportu 2e- se prenesejo 4H+

UQH2

2H+

2H+

UQH2

e-

UQ=

2 del cikla

e-

2H+

UQH2

e-

e-

UQH2

UQ

UQ

UQUQ-

UQ- 1 del cikla

Dihalne poti

NADH FAD FeS UQ b c1 c aa3 O2

Klasična aerobna dihalna veriga

2H+

2H+

4H+

4H+

2H+

2H+

Anaerobne dihalne verige (pri bakterijah)

dehidrogenaze Q reduktaze alternativni akceptorji elektronov

o O2

dehidrogenaze Q bc1 c aa3 O2

dehidrogenaze Q b c aa3 O2

o O2

Aerobna dihalna veriga (pri bakterijah)

Modularnost respiracije

vodik dehidrogenaza

NADH dehidrogenaza

laktat dehidrogenaza

format dehidrogenaza

glicerol 3-P dehidrogenaza

metilamin dehidrogenaza

sukcinat dehidrogenaza

metanol dehidrogenaza

piruvat dehidrogenaza

kinoni

nitrat reduktaza

fumarat reduktaza

kisik oksidoreduktaza

DMSO reduktaza

TMAO reduktaza

nitrit reduktaza

Anaerobna respiracija

organska spojina

dihalna veriga

alternativni akceptorji elektronov

intermediati

ATP

biosinteza ATPNADH

substratna

fosforilacija

oksidativna

fosforilacija

Primer različnih respiracij pri Paracoccus denitrificans

aerobna:

cyt o O2

dehidrogenaza UQ bc1 c cyt aa3 O2

dehidrogenaza

nitrat reduktaza

dehidrogenaze UQ bc1 c nitrit reduktaza

NO reduktaza

N2O reduktaza

NO3-

NO2-

NO

1/2 N2O

1/2 N2

anaerobna:

Denitrifikacija

periplazma

citoplazma

citoplazmatska membrana Nar

NO3- NO2

-

Nir

NO2- NO

NONO2-

Nor

N2O

N2O

Nos

N2

N2

zunanja membrana

Redukcija sulfatov

membrana periplazmacitoplazma

8H+8e-

cyt c2e-

6e-

HMC

Fe-S

2 laktat

2 piruvat

2 acetil-CoA

2 acetil-P

2 acetatATP

4e- + 4H+

4H24e- + 4H+

4H2

ATPSO4

2-

APS

SO32-

H2SHMC citokromski kompleks

Ostali alternativni akceptorji elektronov

akceptor reakcija produkt

kloratni ion ClO3- + 6e- + 6H+ Cl- +H20 klorid

Mn4+ Mn4+ + 2e- Mn2+ Mn2+

Fe3+ Fe3+ + e- Fe2+ Fe2+

Se6+ SeO42- +2e- +2H+ SeO3

2- + H2O Se4+

DMSO (CH3)2SO + 2e- + 2H+ (CH3)2S +H2O DMS

As5+ AsO43- + 2e- + 2H+ AsO3

- + H2O As3+

TMAO (CH3)3NO + 2e- + 2H+ (CH3)3)N +H2O TMA

fumarat C4H2O42- +2e- +2H+ C4H4O4

2- sukcinat

Mehanizmi nastanka elektrokemijskega potenciala

Elektrokemijski potencial na biološki membrani lahko nastane zaradi:

• redoks rekacij

• hidrolize ATP

• nastanka Na+ gradienta

• nastanka protonskega gradineta pri kotransportu produktov iz celice

• absorpcija svetlobe

Nastanek ∆p s hidrolizo ATP

Pri fermentativcih je glavni način pridobivanja ∆p hidroliza ATP, ki je

sklopljena s translokacijo protonov skozi ATP sintetazo.

ATP + H2O ADP + Pi

3H+in 3H+out

ADP + P

ATP

3H+ 3H+

periplazma citoplazma

Nastanek ∆Na+ s transportom Na+ skozi membrano

Pri halofilnih bakterijah vlogo H+ pri transportu, rotaciji flagel in ATP sintezi

nadomesti Na+. Gradient Na+ lahko nastane z:

• H+/Na+ antiportom

• transportom elektronov

• sklapljanje dekarboksilacije organskih kislin s transportom Na+ (npr.

malonil-CoA, glutakonil-CoA, oksalacetat dekarboksilaza)

Nastanek ∆p z uporabo oksalat : format izmenjevalca

citoplazma

CO2 + format1-

++++

----

oksalat2- + H+

format1- CO2

ADP + P

ATP

H+ H+

oksalat2-

Nastanek ∆p s simportom H+ s produktom fermentacije

V primerih, ko je zunanja koncentracija fermentacijskega produkta zelo

nizka lahko pride do iznosa ferementacijskaga produkta ob sočasnem

kotransportu H+ ali Na+. Posledica je nastanek elektrokemijskega

potenciala.

Takšen transport je možen pri produkciji mlečne kisline, sukcinata ali

drugih organskih kislin.

Ionski tokovi pri Klebsiela pneumoniae

3Na+

citrat

Na+

2H+

piruvatacetat

oksalacetat

2Na+

CO2

H+ H+

format acetat

Nastanek ∆p z absorpcijo svetlobe

Nekatere arheje lahko generirajo elektrokemijski potencial s pomočjo

absorpcije svetlobe.

Npr. bakterorodopsin je protonska črpalka halofilnih mikroorganizmov, ki

prenaša protone, skozi membrano. Bakterorodopsin služi halofilnim bakterijam

predvsem v anaerobnih pogojih, ko je zaustavljen transport elektronov in je na

voljo dovolj svetlobe.

Mehanizem črpanja protonov pri bakteriorodospinu.

Retinal je vezan na G heliks preko

lizina. Fotoni svetlobe izomerizirajo

retinal iz trans v cis izomero, kar

povzroči prenos protona iz retinala na

Asp85. Od tu proton potuje preko

vodikovih vezi in vodnih molekul mimo

Arg82 v okolico. Deprotoniran retinal

se izravna in potisne F-heliks, kar

odpre kanalček na citoplazmatski

strani in omogoči reprotonacijo Asp96

in posledično retinala.

Nastanek elektrokemijskega potenciala fermentativcev

Za transport snovi skozi membrano in gibanje celica potrebuje

elektrokemijski gradient. Zaradi odsotnosti respiracije lahko fermentativni

organizmi ustvarijo elektrokemijski potencial z:

ATPazo (poraba ATP za nastanek gradienta protonov)

redukcijo fumarata

periplazmatska oksidacija H2 in fumarata

simport produktov fermentacije in protonov

Relativna deleža električnega in kemijskega potenciala

Relativna deleža sta odvisna od pH in slanosti v okolju v katerem se nahaja organizem.

Nevtralne bakterije: ∆Ψ ~ 70 %

∆pH ~ 30 %

acidofilne bakterije: ∆Ψ ~ 0 % (zaradi višjega pH znotraj celice)

∆pH ~ 100 %

alkalofilne bakterije ∆Ψ ~ 100 %

∆pH ~ 0%

(zaradi nižjega pH znotraj celice)

Uporaba ∆p za opravljanje dela

Elektrokemijski potencial lahko celica uporabi za:

• nastanek ATP

• reverzni transport elektronov

• kotransport topljencev v celico

• gibanje bička

Uporaba ∆p za nastanek ATP

Uporaba ∆p za reverzni transport elektronov

Na mestih, kjer pri respiraciji pride do sklopitve transporta elektrona in

translokacije protona, lahko v določenih primerih potovanje protona vzdolž

njegovega gradienta poganja tok elektronov od bolj pozitivnega proti bolj

negativnemu potencialu.

Reverzni transport elektronov je predvsem pomemben pri kemolitotrofih, kjer je

običajno potencial anorganske spojine bolj pozitivern od potenciala NAD+. Brez

reverznega transporta ni možna redukcija NAD+ ali NADPH in posledično rast.

Uporaba ∆p za kotransport topljencev

Običajno je koncentracija topljencev v celici višja kot zunaj celice. Potovanje

topljenca proti gradientu lahko dosežemo s kotransportom z vodikom.

Skupen elektrokemijski potencial je:

∆GH+ + ∆GS = - nH+∆pH+ + nS∆pS

pri ravnotežnih pogojih velja ∆GH+ = -∆GS oziroma

(nH+/nS) ∆pH+ = - 60 log[Sin]/[Sout]

Npr. če je razmerje prenosa (nH+/nS) enako ena, potem je lahko pri

elektrokemijskem potencialu -180 mV do 1000 x več substrata v celici kot zunaj. Če

je razmerje H+/S enako dva, imamo lahko do 1000000 x več substrata v celici, kot

zunaj celice.

Uničenje elektrokemijskega potenciala

Elektrokemijski potencial lahko uničimo z ionofori. Ionofori lahko selektivno uničijo:

+

+

+

+

+

+ + ++

+

++

++

-

---

- -

- -K+

H+ nigericin

• kemijski potencial (npr. nigericin)

H+

gramicidin

• elektrokemijski potencial (gramicidin)K+

valinomicin

• električni potencial (npr. valinomicin)

Respiracijska raznolikost mikroorganizmov

Za večino mikroorganizmov velja, da lahko izkoriščajo:

• različne elektronske donorje

• različne elektronske akceptorje

Takšna metabolna gibkost omogoča mikroorganizmom, da se lahko hitro

prilagodijo spremembam.

Respiracija E. coli na različnih organskih virih

maščobne k.

acetat

propionat

butirat

kaprat

polimeri

želatin

DNA

celobioza

pepton

kvasni ekstrakt

alkoholi

D-manitol

D-sorbitol

glicerol

amino k.

L-serin

L-glutamat

L-prolin

L-asparta

organske k.

sukcinat

DL-malat

DL-laktat

citrat

α-ketoglutarat

piruvat

sladkorji

glukoza

D-fruktoza

D-manoza

maltoza

D-ksiloza

saharoza

trehaloza

L-arabinoza

D-galaktoza

D-riboza

Primer različnih oblik respiracije pri E. coli

aerobna:

bo O2

dehidrogenaze UQ

bd O2

b FeS FAD fumarat

b FeS Mo DMSO (dimetilsulfoksid)

dehidrogenaze MQ/UQ

b FeS Mo TMANO (trimetilamin N-oksid)

b FeS Mo NO3-

(visok delež kisika)

(nizek delež kisika)

anaerobna:

Fototrofija

svetloba

tok elektronov

ATPCO2

biosinteza

tok ogljika

NADPH

Glede na sproščanje oziroma

nesproščanje kisika pri svetlobnih

reakcijah ločimo oksigeno in

anoksigeno fotosintezo.

Fototrofni prokarionti

vrsta pigment donor e- vir C

cijanobakterije Chl a, fikobilin H2O CO2

Proclorococcus Chl a, Chl b H2O CO2

škrlatne žveplove Bchl a, Bchl b H2S, So, S2O3, H2, org CO2, org

škrlatne nežveplove Bchl a, Bchl b H2, org CO2, org

zelene žveplove Bchl a, c, d, e H2S, So, S2O3, H2 CO2, org

zelene nežveplove Bchl a, c, d H2S, H2, org CO2, org

Heliobacter Bchl g org org

Struktura bakterioklorofilov

Anoksigene bakterije (zelene in škrlatne)

imajo namesto klorofila strukturno soroden

bakterioklorofil. Obstaja več vrst

bakterioklorofilov odvisno od substituent

R, ki so vezane na porfirinski obroč.

Substituente omogočajo absorpcijo

svetlobe pri različnih valovnih dolžinah.

Karoteni in fikobilini

Karoteni imajo fotoprotektivno funkcijo in odstranjujejo radikale pri

fotosintezi. Barva organizma je odvisna predvsem od prisotnih karotenov.

Fikobilini so glavni fotosintetski pigmenti cijanobakterij in rdečih alg. Antena

fotosintetskega aparata teh organizmov je sestavljena iz alofikocijanina,

fikocijanina in fikoeritrina, reakcijski center pa iz klorofila a.

Antenski sistem fotosistema I

Sistem je sestavljen iz 89 do 96

klorofilnih molekul in je preko

proteinov povezan z reakcijskim

centrom fotosistema I.

Povezanost antene in reakcijskega centra

rdeči krogci RC

rumeni in zeleni

antenski kompleks

Strukturni elementi fotosistema I

Fotosinteza škrlatnih bakterij

-1.25

-1.00

-0.75

-0.50

-0.25

0.0

+0.25

+0.50

+0.75

+1.00

Eo’

(V)

H+H+ nastanek ∆p

P870*

P870

hν

Fp

NADPHreverzni transport

NECIKLIČNI TOK ELEKTRONOV

H2S

S2 + H+

Bpho bakteriofeofitin

Q kinon

bc1 citokrom

c2 citokrom

Fp flavoprotein

BPho

bc1

c2

Q

CIKLIČNI TOK ELEKTRONOV

Anoksigena fotosinteza škrlatnih bakterij

H2S, S2O32-, So, H2, Fe2+

Metabolne možnosti škrlatnih bakterij

• fotoautotrofna rast

• fotoheterotrofna rast (uporabljajo maščobne in amino kisline,

sladkorje, alkohole in aromatske spojine kot vir ogljika, svetlobo

uporabljajo kot vir energije - ciklična fosforilacija)

• heterotrofna (fermentacija ali anaerobna respiracija)

• kemolitotrofna rast na donorju elektronov

Fotosinteza zelenih žveplovih bakterij

Pri zelenih žveplovih in zelenih

nežveplovih bakterijah namesto

antene najdemo klorosom, ki

skrbi za učinkovito absorpcijo

svetlobe pri nizkih intenzitetah.

Klorosom vsebuje bakterioklorofil a, c, d, e, karotenoide in paličaste

proteinske strukture. Preko bazalne plošče je klorosom pritrjen na

reakcijski center za fotosintezo.

Fotosinteza zelenih žveplovih bakterij

P840

P840*

hν

H+

H+ nastanek ∆p

Chl a

Q

bc1

c2

FeSCIKLIČNI TOK ELEKTRONOV

Chl a klorofil

Q kinon

bc1 citokrom

c2 citokrom

Fd feredoksin

NADPHfd

H2S

S2 + H+

NECIKLIČNI TOK ELEKTRONOV

Eo’

(V)

-1.25

-1.00

-0.75

-0.50

-0.25

0.0

+0.25

+0.50

+0.75

+1.00

Oksigena fotosinteza

H+

H+

nastanek ∆p

P680*

P700

P700*

Chl ao

FeS

Fd

H20

e- 1/O2 + H2P680

hν

hν

FpNADPH

Ph

PQ

b6fPC

Ph feofitin, PQ plastokinonPC plastocianin, b6c

-1.25

-1.00

-0.75

-0.50

-0.25

0.0

+0.25

+0.50

+0.75

+1.00

Eo’

(V)

Strukturni elementi elektronskega transporta

Litotrofija - rast na anorganskih spojinah

Večina litotrofov je aerobnih in

avtotrofnih (kemolitoavtotrofi). Razen

vodikovih bakterij in karboksidobakterij

imajo vsi donorji elektronov, ki jih

uporabljajo litotrofi višji potencial od

NAD+/NADH, kar pomeni, da morajo

uporabljati reverzni transport

elektronov.

anorganska spojina

tok elektronov

ATPCO2

biosinteza

tok ogljika

NADPH

Litotrofija

bakterije redoks par E’o(V)

karboksidobakterije CO2 / CO -0.54

vodikove bakterije H+ / H2 -0.41

NAD+ / NADP -0.32

žveplove bakterije SO42- / SO3

2- -0.28

S / H2S -0.25

SO32- / S +0.05

nitratatorji NO3- / NO2

- +0.42

nitritatorji NO2- / NH4

+ +0.44

železove bakterije Fe3+ / Fe2+ +0.78

1/2 O2 / H2O +0.82

Vodik oksidirajoče bakterije

Ključni encim je hidrogenaza.

Večina vodik oksidirajočih bakterij

je mikroaerofilnih fakultativnih

heterotrofov.

hidrogenaza

Q

bc1c

hidrogenaza

NADP+

NADPH

biosinteza

CO2

aa3

citoplazma

ADP + P

H+ H+

ATP

2H+ + 1/2O2

H2O

2H+ 2H+

H2

2H+

2H+2H+

Karboksidotrofne bakterije

Oksidacijo CO do CO2 vrši CO dehidrogenaza. Elektroni iz oksidacije CO

vstopajo v dihalno verigo in generirajo ATP.

Karboksidotrofne bakterije rastejo autotrofno tako, da uporabljajo

Calvinov cikel fiksacije CO2. Podobno kot vodikove bakterije, lahko večina

izolatov raste kemoorganotrofno na organskih substratih.

Biološka oksidacija reduciranih žveplovih spojindo sulfata

S2O3-

So

SO32-

SO42-

2e-

2e-

citoplazma

Q

FMN

cyt c

cyt b

cyt aa3

NADreduktaza

H2S

HS-

2H+2H+

e-

H2O2H+ 2H+

2H+ + 1/2O2

NADPHreverznitransport e-

NADP+ + H+periplazma

Oksidatorji amonija - nitritatorji

amonij monooksigenaza

Q

c

aa3

citoplazma

NH2OH oksidaza

4H+ + HNO2NH2OH NH2OH

NH3 + O2 + 2H+

ADP + P

H+ H+

ATP

4e-

2H+ 2H+

2e-

2H+ + 1/2O2

H2O2e-

2H+2H+

Oksidacija nitrita do nitrata - nitratatorji

caa3

citoplazma

Q

nitrit oksidaza

H+

ADP + P

H+

ATP

bc1

NADH-Qoksidoreduktaze

2H+2H+

2e-

2H+ + 1/2O2

H2O

NO2-

NO3- + 2H+

Citokrom c ima E=270 mV

nitrat/nitrit pa E=420 mV.

Zaradi različnega električnega

potenciala membrane na

citoplazemski in periplazemski

strani elektron, sproščen pri

oksidaciji nitrita, potuje preko

membrane.

2H+ 2H+

NADP+ + H+

NADPH

reverznitransport elektronov

Anammox - anaerobna oksidacija amonija

Anamoks bakterije lahko opravijo oksidacijo amonija do N2. Za uspešno

oksidacijo amonija v anaerobnem okolju, anammox bakterije potrebujejo

nitrat.

Anammox bakterije omogočajo pretvorbo viškov amonija v odpadnih

vodah direktno v okljevarstveno neškodljiv dušik.

Biološka oksidacija železa

ca1

citoplazma

Q

bc1

NADH-Qoksidoreduktaze

Fe3+

oksidaza

zunanja

membrana

notranja

membrana

periplazma

porin

2H+ + 1/2O2

H2OFe3+

Fe2+

2H+ 2H+

NADP+ + H+

NADPHreverzni t. elektronov

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

ADP + P

H+

ATP

Pregled glavnih mikrobnih metabolnih strategij

energija vir C proces donor e- akceptor e-

fermentacija org. spojine

kemijska

radiacijaCO2

aerobna respiracija

O2

NO3-, NO2

-, NO, N2O, SO4

2-

O2

CO2

bakteriorodopsin

NADP

NADP

org. spojine

org. spojine

anaerobna respiracija

fotosinteza

CO2 kemolitotrofijaH2, NH4

+, NO2, H2S, S

H2

H2S, S

H2O

org. spojine

org. spojine

org. spojine

org. spojine fotosinteza