Βιολογία Β’ Λυκείου Γενικής Παιδείας 3. Μεταβολισμός Βιολογία Β’ Λυκείου Γενικής Παιδείας

3.1 Ενέργεια & οργανισμοί Πώς; Ενέργεια από πού; Εξασφάλιση τροφής – Πώς;

3.1 Ενέργεια & οργανισμοί Φυτά; ΣΚΟΠΟΣ ΤΡΟΦΗΣ: Φωτοσύνθεση  Τροφή ΣΚΟΠΟΣ ΤΡΟΦΗΣ: Ενέργεια (=οξείδωση  ενέργεια) Υλικά (=πρώτη ύλη για νέα μόρια) Αντιδράσεις  Μεταβολισμός

Μεταβολισμός ΚΑΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΑΝΑΒΟΛΙΣΜΟΣ Αντιδράσεις διάσπασης πολύπλοκων ουσιών  απλούστερες Απόδοση ενέργειας Εξώθερμες Ενέργεια: αποθήκευση σε δεσμούς χημικών μορίων Αντιδράσεις σύνθεσης πολύπλοκων ουσιών  από απλούστερες Κατανάλωση ενέργειας Ενδόθερμες

Μεταφορά ενέργειας στα κύτταρα Παράγεται ενέργεια  Μεταφορά για χρησιμοποίηση Αποθήκευση σε δεσμούς χημικών μορίων

Μεταφορά ενέργειας στα κύτταρα Εξώθερμη αντίδραση  Ενέργεια -Μεταφορά- Ενέργεια  Ενδόθερμη αντίδραση Μόριο που αποθηκεύει στους δεσμούς του ενέργεια για μεταφορά  ΑΤΡ (τριφωσφορική αδενοσίνη)

Μεταφορά ενέργειας στα κύτταρα ADP Τριφωσφορική αδενοσίνη   Διφωσφορική αδενοσίνη + Ρ + Ενεργεια

Μεταφορά ενέργειας στα κύτταρα ΑΤΡ: ενεργειακό νόμισμα (δεν αποταμιεύεται!)

Μεταφορά ενέργειας στα κύτταρα

3.2 Ένζυμα – Βιολογικοί καταλύτες Όλες οι αντιδράσεις χρειάζονται αρχική ενέργεια για να πραγματοποιηθούν (ενδόθερμες – εξώθερμες)  ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗΣ

Ενέργεια & ένζυμα Προσφορά ενέργειας στο περιβάλλον; Θερμότητα Προσφορά ενέργειας στο κύτταρο; Θερμότητα  θα κατέστρεφε το κύτταρο! Χρόνος ΛΥΣΗ: ΕΝΖΥΜΑ Κατεβάζουν ενέργεια ενεργοποίησης Επιταχύνουν τις αντιδράσεις (μέχρι και 100.000.000!)

Ένζυμα Πρωτεΐνες Προσανατολίζουν τα αντιδρώντα μόρια (υπόστρωμα) Στο ενεργό κέντρο του ενζύμου (κλειδί – κλειδαριά)

Μηχανισμός δράσης ενζύμων Σύνδεση ενζύμου – υποστρώματος Ασταθείς δεσμοί αντιδρώντων  σπάνε Δημιουργία νέων δεσμών Απελευθέρωση προϊόντων

Ιδιότητες των ενζύμων Δράση καθορίζεται από τριτοταγή δομή (μετουσίωση αχρηστεύει το μόριο – δε γίνεται η αντίδραση) Πολύ γρήγορη δράση (1 μόριο καταλύει εκατομμύρια αντιδράσεις/λεπτό) Δε συμμετέχουν στην αντίδραση (αναλλοίωτα) Εξειδίκευση (ένζυμο – αντίδραση/συγγενείς αντιδράσεις) Δραστικότητα επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες (π.χ. pH, θερμοκρασία) Κατάληξη: -άση

Δράσεις των ενζύμων Μέσα στα κύτταρα  ενδοκυτταρικά Π.χ. καταλάση Έξω από τα κύτταρα  εξωκυτταρικά Π.χ. κοιλότητες, στομάχι

Παράγοντες που επηρεάζουν τη δράση των ενζύμων Θερμοκρασία pH Συγκέντρωση υποστρώματος Συγκέντρωση ενζύμου Αναστολείς ενζύμων Συμπαράγοντες ενζύμων

Αναστολείς δράσης ενζύμων Μη αντιστρεπτοί: μόνιμη σύνδεση με ένζυμο – χάνει για πάντα τη λειτουργικότητά του (Hg2+, Pb2+, Ag2+) Αντιστρεπτοί: παροδική σύνδεση με ένζυμο

Συμπαράγοντες ενζύμων Ορισμένα ένζυμα δραστικά με ουσίες μη πρωτεϊνικής φύσης  ΣΥΜΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ Ανόργανα ιόντα (Zn2+, Cu2+, Mn2+) Οργανικές ενώσεις (συνένζυμα) Βιταμίνες (συνένζυμα)

3.3 Φωτοσύνθεση ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ Αυτότροφοι Ετερότροφοι Παραγωγοί Ευκαρυωτικοί Φυτά Φύκη Προκαρυωτικοί Βακτήρια Κυανοφύκη (κυανοβακτήρια) Καταναλωτές 1ης τάξης 2ης τάξης … Αποικοδομητές Βακτήρια Μύκητες Νεκρή ύλη  ανόργανη Κύκλος ύλης (επαναχρησιμοποίηση από φυτά)

Το φύλλο ως όργανο φωτοσύνθεσης των φυτών ΚΥΡΙΩΣ η φωτοσύνθεση Φύλλο Πάνω εφυμενίδα Πάνω επιδερμίδα Μεσόφυλλο – Αγγεία Κάτω επιδερμίδα – Στόματα Κάτω εφυμενίδα Στόμα με καταφρακτικά κύτταρα

Το φύλλο ως όργανο φωτοσύνθεσης των φυτών CO2 (ατμοσφαιρικό) Από στόματα (διάχυση) H2O (+διαλυμένα θρεπτικά) Από ρίζες O2 C6H12O6 (γλυκόζη) Στο φυτό

Διαπνοή Άνοιγμα – κλείσιμο στομάτων  έλεγχος εξάτμισης νερού Διαθεσιμότητα νερού

Ορατό φως – φωτοσυνθετικές χρωστικές Απορρόφηση καροτενοειδών Απορρόφηση χλωροφύλλης Ορατό φως Ηλιακή ακτινοβολία

Φωτοσυνθετικές χρωστικές Χλωροφύλλες α & β Καροτενοειδή Στα grana των χώροπλαστών Κεντρικό άτομο Mg Απορροφούν; Μπλε Κόκκινη Αποδομούνται το φθινόπωρο στα φυλλοβόλα Στα grana των χλωροπλαστών Απορροφούν Μπλε Παραμένουν το φθινόπωρο στα φυλλοβόλα

Πορεία της φωτοσύνθεσης ΦΩΤΕΙΝΗ ΦΑΣΗ ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΦΑΣΗ Εξαρτώνται από το φως Στα grana των χλωροπλαστών Ενέργεια για: Σύνθεση ATP Δημιουργία Η+ Ανεξάρτητες του φωτός Στο στρώμα των χλωροπλαστών Τα ΑΤΡ και Η+ χρησιμοποιούνται: Για: CO2  γλυκόζη

Φωτεινή φάση Δέσμευση φωτεινής ενέργειας από χλωροφύλλη grana Διέγερση χλωροφύλλης (=μεταπήδηση ηλεκτρονίων) Αποδιέγερση χλωροφύλης (=επαναφορά ηλεκτρονίων) Ιονισμός άλλων μορίων χλωροφύλλης (=απώλεια ηλεκτρονίων) Ενέργεια για: Η2Ο  H + O2 O2  απελευθερώνεται H  δεσμεύεται από NADP (μετατρέπεται σε NADPH) ADP + P  ATP ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΦΑΣΗ

Σκοτεινή φάση Δέσμευση CO2 ατμόσφαιρας (από μία πεντόζη) Χρήση ΑΤΡ φωτεινής φάσης Χρήση NADPH φωτεινής φάσης Τελική παραγωγή: γλυκόζη, άλλες ουσίες, H2O Γλυκόζη: Χρησιμοποίηση Αποθήκευση σε μορφή αμύλου (ΠΟΥ;) Αμυλοπλάστες

Φωτεινή φάση Σκοτεινή φάση

Φωτοσύνθεση

Παράγοντες που επηρεάζουν τη φωτοσύνθεση Φωτοσύνθεση πάντα με τον ίδιο ρυθμό; Ρυθμός ανάπτυξης φυτών  ίδιος; Παράγοντες: Θερμοκρασία Φως Διοξείδιο του άνθρακα Νερό Ανόργανα άλατα

1. Θερμοκρασία Αύξηση θερμοκρασίας  αύξηση ταχύτητας φωτοσύνθεσης (οι υπόλοιπες συνθήκες σταθερές) > 30ºC  καταστροφή ενζύμων  μείωση απόδοσης

2. Φως Αύξηση έντασης φωτός  αύξηση απόδοσης φωτοσύνθεσης (οι υπόλοιπες συνθήκες σταθερές) Μέχρι σημείου  σταθερή

3. Διοξείδιο του άνθρακα Αύξηση συγκέντρωσης CO2  αύξηση απόδοσης φωτοσύνθεσης (οι υπόλοιπες συνθήκες σταθερές) Μέχρι ενός σημείου  σταθερή

4. Νερό Σε τι χρειάζεται για τη φωτοσύνθεση; Αντιδρών Μετακίνηση νερού (διαπνοή) Έλλειψη νερού  κλειστά στόματα  ; Απώλεια H2O Πρόσληψη CO2

5. Ανόργανα άλατα Απαραίτητα για αντίδραση φωτοσύνθεσης; CO2 & H2O Ανόργανα συστατικά ; Mg N … Έλλειψη  χλώρωση  μείωση απόδοσης φωτοσύνθεσης

3.4 Κυτταρική αναπνοή Γιατί τρώμε; Σταδιακή διάσπαση Ενέργεια Υλικά Σταδιακή διάσπαση Πεπτικό Κυκλοφορικό Κύτταρα SOS: Κατά την πέψη (πολυμερή  μονομερή) δεν παράγεται ATP!!!

3.4 Κυτταρική αναπνοή Πολυμερή  Μονομερή Χημική ενέργεια: Σύνθεση νέων μεγαλομορίων (1: συνήθως τα νέα) Εξασφάλιση ενέργειας (2: συνήθως τα ήδη χρησιμοποιημένα)  κυτταρική αναπνοή Με/χωρίς O2 (αερόβια/αναερόβια) Χημική ενέργεια: Θερμότητα («απώλεια») Υπόλοιπο: σε ATP  χρήση Ενέργεια από (;) Υδατάνθρακες Λίπη Πρωτεΐνες (σε ανάγκη)

Παραγωγή ενέργειας από διάσπαση υδατανθράκων (γλυκόζη) Γλυκόλυση Αναπνοή: Αερόβια αναπνοή (κύκλος Krebs – οξειδωτική φωσφορυλίωση) Αναερόβια αναπνοή (αλκοολική/γαλακτική ζύμωση)

Γλυκόλυση Κυτταρόπλασμα Χωρίς O2 Γλυκόζη (6C)  2x τριόζες (2x 3C)  2x πυροσταφυλικό οξύ (2x 3C) 2 ΑΤΡ Συνέχεια: Αερόβια αναπνοή (με O2): πλήρης οξείδωση CO2, μιτοχόνδριο Αναερόβια αναπνοή (χωρίς O2): οξείδωση αιθανόλη+CO2/γαλακτικό οξύ

1. Κύκλος του Krebs (του κιτρικού οξέος) Αερόβια αναπνοή 1. Κύκλος του Krebs (του κιτρικού οξέος) Στη μήτρα των μιτοχονδρίων Χωρίς O2 Πυροσταφυλικό οξύ  ακετυλο-συνένζυμο Α  Κύκλος Krebs + CO2 2x ATP (για κάθε μόριο γλυκόζης)

2. Οξειδωτική φωσφορυλίωση Αερόβια αναπνοή 2. Οξειδωτική φωσφορυλίωση Στις αναδιπλώσεις της εσωτερικής μεμβράνης των μιτοχονδρίων Με O2 32x ATP (για κάθε μόριο γλυκόζης) + H2O

Παραγωγή ενέργειας από διάσπαση γλυκόζης C6H12Ο6+6Ο2+6H2Ο →6CΟ2+12Η2Ο Πόσα μόρια ΑΤΡ;;; 36 (για κάθε μόριο γλυκόζης)

Έλεγχος αερόβιας κυτταρικής αναπνοής Ενεργειακές ανάγκες κυττάρου  παραγωγή ATP Ρύθμιση, αλλιώς θα τελείωναν πάντα τα αποθέματα! Μικρές ανάγκες  συσσώρευση ATP  OXI! ΜΠΛΟΚΑΡΙΣΜΑ ΕΝΖΥΜΟΥ γλυκόλυσης Μεγάλες ανάγκες  έλλειψη ΑΤΡ  ΟΧΙ! ΞΕΜΠΛΟΚΑΡΙΣΜΑ ΕΝΖΥΜΟΥ γλυκόλυσης Ελλείψει O2  Παρ’ όλο που μπορεί να ξεκινήσει η διαδικασία, εντούτοις δεν ξεκινά  συσσώρευση προϊόντων

Αναερόβια αναπνοή Αναερόβιοι μικροοργανισμοί Αναερόβιοι πολυκύτταροι (;) Κύτταρα που είναι αναγκασμένα (π.χ. τελειώνει O2 στους μύες  γαλακτική ζύμωση  γαλακτικό οξύ  πιάσιμο!) Αλκοολική ζύμωση (2ΑΤΡ): Γλυκόζη  πυροσταφυλικό οξύ  αιθανόλη + CO2 Γαλακτική ζύμωση (2ΑΤΡ): Γλυκόζη  πυροσταφυλικό οξύ  γαλακτικό οξύ

Αλκοολική ζύμωση Αναερόβιοι μικροοργανισμοί  ζύμες (μύκητες) Αναερόβιοι πολυκύτταροι (;) Κύτταρα που είναι αναγκασμένα (π.χ. στους κονδύλους της πατάτας που δε φτάνει το O2)

Αλκοολική ζύμωση - εφαρμογές Εκμετάλλευση για παραγωγή μπίρας/κρασιού… (γλυκόζη;) Π.χ. χυμός σταφυλιών Όταν η συγκέντρωση της αιθυλικής αλκοόλης > 12%  τοξική για τα κύτταρα  θάνατος Εκμετάλλευση για φούσκωμα ψωμιού Η μαγιά (ζυμομύκητες) απελευθερώνει CO2 προσπαθεί να διαφύγει από αρτόμαζα  φούσκωμα

Γαλακτική ζύμωση Αναερόβιοι μικροοργανισμοί Αναερόβιοι πολυκύτταροι (;) Κύτταρα που είναι αναγκασμένα (π.χ. τελειώνει O2 στους μύες  γαλακτική ζύμωση  γαλακτικό οξύ  πιάσιμο!) Εκμετάλλευση για παραγωγή γαλακτοκομικών: Γιαούρτι, τυρί…

Παραγωγή ενέργειας από διάσπαση λιπιδίων - πρωτεϊνών Ενεργειακές προτιμήσεις κυττάρων (κατά σειρά): Υδατάνθρακες Λιπίδια Πρωτεΐνες (γιατί;) Πολύ σημαντικές: δομικός & λειτουργικός ρόλος Πρωτεΐνες  αμινοξέα  απομάκρυνση αμινομάδας  τύχη οξείδωσης…

Σχέση φωτοσύνθεσης – κυτταρικής αναπνοής