Transcript Osnove metabolizma mikroorganizama Metabolički diverzitet

Osnove metabolizma
mikroorganizama
Metabolički diverzitet
• Metabolizam - obuhvata sve hemijske procese koji se
dešavaju u ćeliji
- anabolički (zahtevaju energiju)
- katabolički (otpuštaju energiju)
• Energija neophodna za biosinteze, transport, kretanje itd.
• Slobodna energija – energija raspoloživa za koristan rad
• ΔG0' – promena energije u toku hemijske reakcije
• Konzervacija E u ćeliji uključuje oksidaciono-redukcione
(redox) reakcije
• Oksidacija – oduzimanje elektrona supstanci
• Redukcija – dodavanje elektrona supstanci
• Prenos samih elektrona ili elektrona i protona
• Donor e- se oksiduje a akceptor se redukuje
• Redukcioni potencijal, E0' – težnja supstance da bude
oksidovana ili redukovana
• veća razlika u redukcionom potencijalu = više energije
Metabolički tipovi mikroorganizama
prema izvoru ugljenika
• Autotrofi – dobijaju ugljenik redukcijom CO2 iz vazduha
• Heterotrofi (organotrofi) – dobijaju ugljenik iz organskih
jedinjenja
Metabolički tipovi mikroorganizama prema izvoru
energije
• Fototrofi – dobijaju energiju transformacijom svetlosne energije
• Hemotrofi – dobijaju energiju oksidacijom hemijskih jedinjenja
- hemoorganotrofi oksiduju organska jedinjenja
- hemolitotrofi oksiduju neorganska jedinjenja
Metabolička raznovrsnost
Jedinjenja sa visokom energijom
• Energija dobijena u toku procesa
okidoredukcije mora biti sačuvana
za različite potrebe.
• Energija se u živim sistemima
primarno konzervira u formi
fosforilisanih jedinjenja (npr. ATP)
= jedinjenja bogata energijom
Jedinjenja sa visokom energijom
Adenozin trifosfat ATP
• Energija ATP koja se može
iskoristiti za biohemijske
procese nalazi se u dve
terminalne visoko energetske
fosfatne veze.
Jedinjenja sa visokom energijom
Dugotrajno čuvanje energije
• Prokariotski mikroorganizmi:
- glikogen
- lipid poli-β-hidroksibutirat
- elementarni sumpor u granulama
• Eukariotski mikroorganizmi:
- skrob
- jednostavne masti
Biološke oksidoredukcije i konzervacija energije
Dva mehanizma konzervacije energije kod hemoorganotrofa
• Fermentacija - redoks proces se odvija u odsustvu spoljnog
akceptora elektrona
- Fosforilacija na nivou supstrata
• Respiracija, disanje - postoji spoljni akceptor elektrona
- aerobna - akceptor elektrona je molekularni kiseonik
- anaerobna - akceptor elektrona je neko drugo, obično
neorgansko jedinjenje
- Oksidativna fosforilacija
Sinteza ATP tokom fermentacije
Fosforilacija na nivou supstrata
• ATP se sintetiše u toku katabolizma
organskog supstrata
• Neorganski fosfat se vezuje za
intermedijer u kataboličkom putu
• Sa fosforilisanog intermedijera fosfatna
grupa se prenosi na ADP
• Nastaju ATP i fermentacioni produkt
• Oslobađa se mala količina potencijalne
energije
Sinteza ATP tokom disanja
Oksidativna fosforilacija
• ATP se sintetiše u toku katabolizma:
- organskog supstrata (hemoorganotrofi)
- neorganskog supstrata (hemolitotrofi)
• Sinteza ATP na račun protonske
motorne sile koja se generiše u toku
prenosa elektrona kroz respiratorni
lanac
Putevi razgradnje glukoze kod prokariota
• Glikoliza
• Heksozomonofosfatni put
• Entner-Doudoroff-ov put
(Pseudomonas, Rhisobium,
Zymomonas, Agrobacterium)
Razgradnja glukoze u fermentaciji
Glikoliza
Tri faze
- I Pripremne reakcije
produkuju se 2 molekula ključnog
intermedijera, gliceraldehid 3 fosfata
- II Glikoliza
OR, produkuju se fosfatne veze bogate
energijom (ATP) i formiraju se 2
piruvata
- III Sinteza fermentacionog
produkta
etanol, mlečna kiselina, sirćetna
kiselina....
NADH za redukciju piruvata iz faze II
Neto: 2 ATP/1 glukoza
• U toku procesa fermentacije oslobađa se malo energije:
- Atomi ugljenika početnog supstrata se samo delimično oksiduju,
- Razlika u redukcionim potencijalima primarnog donora elektrona
i terminalnog akceptora elektrona je mala.
Oksidativna fosforilacija
“Proton motive force” PMF: Hemiosmoza
• Sinteza ATP vezana za “proton
motive force” kroz membranu
• Elektrohemijski potencijal membrane
- unutrašnja strana negativna i alkalna
- spoljašnja pozitivna i kisela
- membrana naelektrisana i energizovana
• Energija se koristiti:
- transport jona
- pokretanje flagela
- formiranje fosfatne veze bogate energijom u
ATP, enzimom ATP-sintetaza (ATP-aza )
Prenosioci elektrona u elektron-transportnom lancu
• Energizovano stanje membrane (PMF) uspostavlja transport elektrona
• O-R reakcije se mogu podeliti na 3 etape:
- uklanjanje elektrona sa primarnog donora
- transfer elektrona preko jednog ili serije prenosioca
- predavanje elektrona terminalnom akceptoru
• Transfer elektrona preko intermedijera prenosioca elektrona uključuje
seriju OR reakcija
• Prenosioci elektrona se mogu podeliti na 2 klase:
- slobodni
- vezani (membrane-asociated)
Respiratorni lanac Paracoccus denitrificans
Komponente za prenos elektrona
Slobodni prenosioci
1. NADH dehidrogenaza (na unutrašnjoj
strani membrane)
- prenosi 2e- + 2H+ sa NADH (nastalog u
toku različitih procesa) do flavoproteina.
NAD+ (nikotinamid adenin dinukleotid)
- primarno u kataboličkim procesima
NADP+ (NAD fosfat)
- primarno u anaboličkim procesima
NAD omogućuje da hemijski različiti molekuli budu inicijalni
donori elektrona
Komponente za prenos elektrona
2. Flavoproteini, sadrže derivate
riboflavina (vit B2) kao čvrsto
vezane koenzime
• Flavin mononukleotid, FMN
• Flavin adenin dinukleotid, FAD
• Primaju 2e- + 2H+ ali predaju samo eFMN
Komponente za prenos elektrona
3. Fe-S proteini
- sadrže gvožđe vezano za S
• primaju i predaju samo e• Najčešće konfiguracije
- Fe2S2 (feredoksin)
- Fe4S4
Komponente za prenos elektrona
4. Citohromi
• cyt a, cyt b, cyt c, cyt d, cyt o, itd.
• proteini koji sadrže hem kao
prostetičnu grupu
• mogu biti međusobno u kompleksu ili
sa Fe-S proteinima
• Primaju i predaju samo 1 e-
Citohrom-Fe2+  Citohrom-Fe3+ + e-
Komponente za prenos elektrona
5. Kinoni, mali vrlo hidrofobni molekuli
• rastvorljivi su u mastima,
• slobodno difunduju kroz membranu
• generalno prenose e- od FeS proteina
do citohroma
• ubikinoni (koenzim Q)
• naftokinoni, derivati vit K
• Kao flavoproteini primaju 2e- + 2H+
ali predaju samo e-
Respiratorni lanac Paracoccus denitrificans
Formiranje ATP-a
ATP-sintetaza (kompleks V)
• F0 – membranski ab2c12 kompleks, H+ kanal
• F1 – 33γεδ kompleks okrenut ka
citoplazmi, katalizuje reakciju
ADP + Pi → ATP
• 3-4 H+ za 1 ATP
• Enzim katalizuje reverzibilne reakcije
između ATP i ADP + Pi
• ATP-aza dopušta kontrolisani ulazak protona
kroz naelektrisanu membranu
Agensi koji utiču na lanac transporta elektrona
• “Uncouplers”
• Inhibitori
- sprečavaju kuplovanje
- blokiraju protok elektrona i
ATP sintetazu:
procesa)
- CO sprečava redukciju O2
- dinitrofenol i dikumarol
(nastanak H2O)
- rastvorljivi u mastima i
- cijanid (CN-), vodonik sulfid
povećavaju propustljivost
(H2S) ili azid (N3-) se vezuju
za citohrome i blokiraju
membrane i prolaz protona
transport elektrona.
(gubi se “PMF”).
Protok C u respiraciji
Ciklus trikarbonskih kiselina (CTK ciklus)
• ima važnu ulogu u
procesu potpune
razgradnje organskih
materija u toku
respiracije.
Neto:
8 ATP iz glikolize
30 ATP iz CTK
38 ATP/1glukoza
NADH i FADH ulaze u
elektron transportni lanac
RESPIRACIJA- aerobna i anaerobna
AEROBNA RESPIRACIJA
- krajnji akceptor elektrona kiseonik
ANAEROBNA RESPIRACIJA
– drugo neorgansko ili organsko
jedinjenje krajnji akceptor elektrona
- nitrati, NO3-,, feri joni, Fe3+, sulfati
SO42-, karbonati CO32- i neke
organske komponente.
Kataboličke alternative
Anaerobno disanje
• Korišćenjem alternativnih akceptora elektrona mikroorganizmi
mogu da respirišu i u sredinama bez kiseonika
• Veliki ekološki i industrijski značaj
• Generalno, bakterije sa anaerobnom respiracijom imaju
transportni sistem elektrona kao i aerobni organizmi.
Anaerobno disanje
• Akceptori elektrona u anaerobnoj respiraciji:
- nitrati (NO3-),
- feri joni (Fe3+),
- sulfati (SO42-),
- karbonati (CO32-) i
- neke organska jedinjenja
• Usled mesta ovih jedinjena u nizu elektrona
(ni jedno nije elektropozitivno kao O2/H2O
par), manje se energije oslobađa kada su oni
krajnji akceptori elektrona.
Organski akceptori elektrona
• Mnoga organska jedinjenja
nastala u toku metabolizma
hemoorganotrofa mogu biti
akceptori elektrona.
Kataboličke alternative
Hemolitotrofni (hemoautotrofni) metabolizam
Kataboličke alternative
Fototrofni metabolizam
Fotosinteza
• Fototrofija – korišćenje svetlosti kao izvora energije
-fotoautotrofi (izvor ugljenika za biosinteze - CO2 )
-fotoheterotrofi (izvor ugljenika za biosinteze – organska
jedinjenja)
• Redukujuća snaga za redukciju NAD(P)H kod različitih MO iz
različitih izvora
Tipovi fotosinteze
• anaerobna fotosinteza
• fotosintetičke bakterije
- redukujuća snaga za
redukciju NAD(P)H =
redukovane forme sumpora
(H2S, S0, S2O32-) ili H2
Tipovi fotosinteze
• aerobna fotosinteza
• cijanobakterije, alge i biljke
• redukujuća snaga za
redukciju NAD(P)H = H2O
Fotosintetički pigmenti
Raznovrsnost fotosintetičkih pigmenata
• različiti apsorpcioni spektri – strategija za bolju iskorišćenost EM spekta
• ekološki značaj
Fotosintetičke membrane
• Zelene biljke – hloroplasti
• kod prokariota – sistem unutarćelijskih membrana
1. invaginacije citoplazmatične membrane (purpurne bakterije)
2. sama citoplazmatična membrana (heliobakterija)
3. sama citoplazmatična membrana i hlorozom (zelene bakterije)
4. tilakoidne membrane (cijanobakterije)
• reakcioni centar i antenski pigmenti
• pomoćni pigmenti:
– karotenoidi (fotoprotektivna uloga)
– fikobilini (prikupljanje svetlosti)
Hlorozom zelenih sumpornih i zelenih nesumpornih
bakterija
BP proteini povezuju hlorozom sa cit. membranom
hlorozomi
Chlorobium tepidum (zelena sumporna bakterija), strukura hlorozoma
- mogu da rastu na najnižem intenzitetu svetlosti
Fotofosforilacija
• treći način sinteze ATP
• u toku svetle faze fotosinteze, kada svetlost generiše
protonsku motornu silu
• ciklična i neciklična
Ciklična fotofosforilacija kod bakterija
• elektroni se kreću unutar zatvorene petlje
• slično respiraciji, PMF se formira tokom protoka elektrona
kroz membranu ALI
• nema inputa ni outputa elektrona
• redukujuća snaga (NADH) za redukciju CO2?
- purpurne – povratni tok elektrona (na račun PMF)
- zelene i heliobakterije – direktni proizvod svetlosnih
reakcija, kao i ATP
Ciklična fotofosforilacija i protok elektrona kod
fototrofnih bakterija
BChl bakteriohlorofil, BPh bakteriofeofitin, Chl a hlorofil a
Neciklična fotofosforilacija
• Cyanobacteria, alge, biljke
• Kooperacija fotosistema I i II
• Samo fotosistem I neke alge i
bakterije koristeći neki drugi
izvor redukujuće snage, ne
vodu-ciklična fotofosforilacija
Bakteriorodopsin zavisna fotofosforilacija
(Halobacterium salinarium)
• Bakteriorodopsin strukturno i funkcionalno sličan pigmentu u oku rodopsinu.
• Za bakteriorodopsin je povezan retinal (daje mu purpurnu boju), molekul
sličan karotenoidu koji apsorbuje svetlosnu energiju i formira PMF.
• Svetlošću stimulisana protonska pumpa
• U uslovima ograničene količine O2
Autotrofna fiksacija CO2
Najrašireniji put – Kalvinov ciklus
- ATP, NAD(P)H i serija enzima
Alternativni putevi
Obrnuti CTK
- kod zelene sumporne Chlorobium
- kod nekih nefototrofnih arhea i kod Aquifex
- možda rašireniji nego što se pretpostavljalo
- rani oblik autotrofije tokom evolucje
Hidroksipropionatni put
- zelena nesumporna Chloroflexus
- nefototrofne hipertermofilne arhee
- možda prvi pokušaj autotrofije u evoluciji
Zahvaljujući velikoj metaboličkoj raznovrsnosti
mikroorganizmi igraju ključnu ulogu u recikliranju
biogenih elemenata u prirodi
Kruženje azota
Oksidacija amonijaka i nitrita, nitrifikacija
• nitrifikujuće bakterije, aerobni uslovi
• Nitrosomonas i Nitrobacter
• kompletna oksidacija – transfer 8 elektrona
• anammox – anaerobna oksidacija amonijaka, nitrit akceptor-nastaje N2
Redukcija nitrata, denitrifikacija
Respiratorni lanac E. coli u aerobnim i anaerobnim uslovima
• azotna jedinjenja kao akceptori elektrona
• nitrat koji se redukuje do gasovitih oblika azota
• nepovoljno za poljoprivredu
Denitrifikacija kod Pseudomonas stutzeri
Slobodni azotofiksatori
Simbiotski azotofiksatori
Azotofiksacija
Nitrogenaza
• Dinitrogenaza
• Dinitrogenazna reduktaza
• Dinitrogenaza sadrži dva FeMokofaktora
• Ireverzibilno inhibirana O2
• Protekcija kod aeroba uključuje
više mehanizama (brza
respiracija, heterociste,
vezivanje enzima za zaštitni
protein, itd)
Fe7S8
Homocitrat
Određivanje aktivnosti nitrogenaze
• Nitrogenaza nije potpuno
specifična za N2, već može
redukovati i druge molekule
sa trogubom vezom
(acetilen, cijanid)
• Metoda redukcije acetilena