PCzEB/Zasadnicze szlaki metaboliczne organizmow zywych

Fotosynteza

Jest to złożony, wieloetapowy proces redukcji dwutlenku węgla do substancji zawierających atomy węgla na niższych stopniach utlenienia. Proces ten zachodzi w roślinach, a energia potrzebna do jego przebiegu pochodzi ze światła widzialnego (słonecznego), które pochłaniane jest przez zespoły barwników asymilacyjnych (np. chlorofilu a — rysunek poniżej) i zamieniane na energię chemiczną wiązań w cząsteczkach ATP i NADPH (faza jasna). Substratem w tej reakcji fotolizy jest woda, a produktem ubocznym tlen.

Cząsteczka NADP+ (forma utleniona)	Cząsteczka ATP

Schemat fotosyntezy

Budowa chlorofilu a

Dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (w formie NADPH) jest czynnikiem redukującym w tzw. fazie ciemnej fotosyntezy. Nośnikiem energii w tej fazie jest inny nukleotyd — ATP, w którym hydroliza (i towarzysząca jej hydratacja) bezwodnikowych wiązań P-O-P jest procesem egzoenergetycznym. Faza ciemna zwana jest też cyklem Calvina (Melvin Calvin, 1911-1997, nagroda Nobla 1967). W tym niezwykle złożonym cyklu enzymatycznym odbywa się redukcja dwutlenku węgla i stopniowa konstrukcja układów cukrowych.

Schemat cyklu Calvina

Produktami cyklu Calvina są węglowodany, przede wszystkim popularny monocukier — glukoza.

Przebieg fotosyntezy

Wykorzystanie energii świetlnej przez liść.

Cały proces fotosyntezy zapisuje się zatem w sposób uproszczony jako:

[math] 6\ H_2O + 6\ CO_2 + h\nu \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6\ O_2; \Delta E = -2872 \frac{kJ}{mol} (-687 \frac{kcal}{mol}) [/math]

[math]h\nu[/math] oznacza energię świetlną. Wydajność kwantowa fotosyntezy wynosi ok. 5%

WĘGLOWODANY

Glukoza jest przedstawicielem obszernej grupy związków naturalnych zwanych sacharydami (węglowodanami, cukrami)

Ze względu na liczbę jednostek cukrowych w cząsteczce, węglowodany dzielą się na:

• cukry proste, inaczej monosacharydy (jednocukry),
• dwucukry, inaczej disacharydy,
• trójcukry, inaczej trisacharydy,
• penta-, heksa-, hepta- itd. sacharydy: oligosacharydy,
• wielocukry czyli polisacharydy (glikogen, skrobia, celuloza).

Cukry proste ze względu na ilość atomów węgla w pojedynczej cząsteczce dzielimy na:

• triozy o 3 atomach węgla, np. aldehyd glicerynowy;
• tetrozy o 4 atomach węgla, np. treoza;
• pentozy o 5 atomach węgla, np. ryboza, rybuloza;
• heksozy o 6 atomach węgla, np. glukoza, galaktoza i fruktoza.

[math]\alpha[/math]–D–glukoza	[math]\beta[/math]–D–galaktoza	[math]\beta[/math]–D–fruktoza

Tabela powyżej zawiera struktury popularnych monocukrów heksoz.

200px
D-glukoza	D-mannoza

[math]\alpha[/math]–D–glukoza	[math]\beta[/math]–D–glukoza	[math]\alpha[/math]–D–mannoza	[math]\beta[/math]–D–mannoza

Większość cukrów naturalnych należy do enancjomerów szeregu D–. Powyższe aldoheksozy (glukoza i mannoza), jak wiele innych cukrów, występują głównie w formie cyklicznej (hemiacetalowej). Atom węgla C–1 podstawiony jest grupą hydroksylową na dwa sposoby, co zaznacza się odpowiednio na wzorze taflowym: do dołu (α), albo do góry (β).

Ważnymi monocukrami są także ryboza i deoksyryboza, które zawierają pięć atomów węgla (pentozy).

D-ryboza	D-deoksyryboza

D–Ryboza wchodzi w skład rybonukleozydów, nukleotydów (np. AMP, ADP, ATP, GTP, CTP, UTP), dinukleotydów (np. NAD, NADP, FAD), kwasu rybonukleinowego (RNA), niektórych koenzymów (koenzym A) i witamin (witamina B2 i B12). D–Dezoksyryboza stanowi ważny element struktury DNA.

Węglowodany spełniają w organizmach wielorakie funkcje:

• zapasowe — podczas wieloetapowego spalania 1g glukozy w komórkach wyzwala się 17,2 kJ energii. U roślin magazynem energii jest głównie skrobia i inulina, a u zwierząt oraz ludzi glikogen;
• transportowa — u roślin transportową formą cukru jest sacharoza, a u zwierząt oraz ludzi glukoza;
• budulcowa (celuloza, hemiceluloza),
• wchodzą w skład DNA i RNA,
• stanowią modyfikację niektórych białek. Wchodzą w skład licznych receptorów komórkowych (jako np. glokoproteiny),
• hamują krzepnięcie krwi — heparyna,
• są materiałem energetycznym (fruktoza) i odżywczym (maltoza, laktoza, rafinoza).

Cykl Krebsa

Cykl Krebsa (cykl kwasu cytrynowego) to przemiany metaboliczne, przebiegające w komórkach organizmów oddychających tlenem, służący do pozyskiwania energii z rozpadu np. cukrów, czy tłuszczów.

W cyklu Krebsa utleniany jest acetylokoenzym A (acetylo-CoA) do dwóch cząsteczek dwutlenku węgla (CO₂). Wydzielona energia magazynowana jest w chemicznych nośnikach energii: GTP, NADH i FADH₂.

Sumaryczny wzór cyklu Krebsa to:

acetylo-CoA + GDP + P_i + 3NAD+ + FAD + 2H₂0 → koenzym-A + GTP + 3NADH + 3H⁺ + FADH₂ + 2CO₂

W wyniku utleniania z jednej reszty Acetylo-CoA redukują się 3 cząsteczki NAD i jedna FAD, powstaje też cząsteczka guanozynotrifosforanu (GTP, równoważnik ATP), sumarycznie daje to 12 cząsteczek ATP zysku z jednej cząsteczki Acetylo-CoA. Niezbędnym uczestnikiem łańcucha oddechowego jest tlen.

Schemat cyklu Krebsa

Acetylokoenzym A

jest tu cząsteczką centralną.

Budowa Acetylo-CoA

Zawiera on dwuwęglową resztę kwasu octowego (acetyl), przyłączoną do atomu siarki dość słabym wiązaniem, co czyni tę grupę łatwo migrującą.

Acetylo-CoA jest kluczową cząsteczką wiążącą metabolizm cukrów i tłuszczów. Z jednej strony glukoza może służyć jako łatwo dostępne źródło energii chemicznej w komórkach.

D-[Glukoza]				[Kwas pirogronowy]
	+ 2 [NAD]- - 2 [ADP] - 2 [P]i	Plik:Biochem reaction arrow foward NNNN horiz med.png	2		+ 2 [NADH] + 2 H+ + 2 [ATP] + 2 H2O

Jedna cząsteczka glukozy daje w wyniku glikolizy dwie cząsteczki pirogronianu (ang. pyruvate), który wchodzi następnie do cyklu Krebsa.

Alternatywnie, w warunkach sprzyjających magazynowaniu energii, Ac-CoA wchodzi w zakres anabolizmu kwasów tłuszczowych, jako form molekularnych pozwalających na odkładanie w organizmie energetycznych materiałów zapasowych.

Schemat działania enzymu zwanego syntazą kwasów tłuszczowych.

Rysunek powyżej przedstawia schemat działania enzymu zwanego syntazą kwasów tłuszczowych.

Kolejno następujące po sobie ośmiokrotne przyłączenie cząsteczek acetylo-CoA daje w rezultacie pierwotny produkt tego procesu: kwas palmitynowy.

Kwas palmitynowy

Inny szlak metabolizmu prowadzi poprzez przemianę acetylo-CoA w pirofosforan izopentenylu (IPP), który następnie staje się prekursorem licznych terpenoidów.

Uproszczony schemat syntezy lanosterolu

W świecie roślinnym należą do nich monoterpeny — składniki olejków eterycznych (mentol, kamfora), lub skomplikowane układy, jak alkaloid diterpenowy taksol — związek występujący w korze cisu i będący bezcennym lekiem antynowotworowym.

Mentol	Kamfora	Taksol

Z kolei w świecie zwierzęcym, lanosterol jest etapem pośrednim w syntezie cholesterolu oraz wszystkich steroidowych hormonów, kwasów żółciowych i witaminy D.