ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ: ο τρόπος παραγωγής ενέργειας από τις τροφές (ζώα, φυτά, και μονοκύτταροι μικροοργανισμοί ) και από τον ήλιο (φυτά και φύκη) και η χρήση της ενέργειας για τη σύνθεση των απαραίτητων ουσιών ΑΠΟ ΤΙΣ ΤΡΟΦΕΣ: Τελικό στάδιο: παραγωγή ΑΤΡ στα μιτοχόνδρια Αρχικό στάδιο: παραγωγή πυροσταφυλικού/γαλακτικού/προπιονικού/αιθανόλης/οξικού από τη γλυκόζη και άλλα σάκχαρα, στο κυτταρόπλασμα. ΑΠΟ ΤΟ ΗΛΙΑΚΟ ΦΩΣ Φωτοσύνθεση: αντίστροφη πορεία (με τη βοήθεια του ορατού φωτός του ήλιου παράγεται ΑΤΡ και μέρος της χρησιμοποιείται για τη σύνθεση σακχάρων), στους χλωροπλάστες.

Μεταβολισμός: γενικές έννοιες Από το μεταβάλλω = αλλάζω, μετατρέπω Η ενέργεια που υπάρχει στις τροφές και στο ηλιακό φως μετατρέπεται σε χημική ενέργεια, στη μορφή μορίων ΑΤΡ (τριφωσφορικής αδενοσίνης). ΑΤΡ: παγκόσμιο νόμισμα ενέργειας, από τα βακτήρια μέχρι τα ανώτερα φυτά και ζώα! Ο μηχανισμός παραγωγής της ΑΤΡ είναι ο ίδιος είτε αυτή θα προέλθει από τις τροφές (και λαμβάνει χώρα στα μιτοχόνδρια), είτε από τον ήλιο (και γίνεται στους χλωροπλάστες) Ο τρόπος μεταβολισμού των σακχάρων είναι ο κορμός των αντιδράσεων, και πάνω σε αυτό τον κορμό χτίζεται και ο μεταβολισμός των λιπιδίων, των πρωτεϊνών και των νουκλεϊκών οξέων

CAMPBELL – REECE, ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΜΟΣ Ι, ΠΕΚ 2010 Φωτοσύνθεση και κυτταρική αναπνοή (καύσεις): δύο όψεις του ιδίου νομίσματος Φωτοσύνθεση: Από CO2 και H2O παράγεται ενέργεια (ΑΤΡ) και σάκχαρα, χρησιμοποι-ώντας την ενέργεια του ηλιακού φωτός Κυτταρική αναπνοή: από σάκχαρα (και άλλα οργανικά μόρια) παράγεται ενέργεια (ΑΤΡ), CO2 και H2O. Και οι δύο διεργασίες χρειάζονται μεμβρανικά συστήματα (χλωροπλάστες και μιτοχόνδρια) για την παραγωγή ΑΤΡ. → ΑΤΡ

CAMPBELL – REECE, ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΜΟΣ Ι, ΠΕΚ 2010 Η καύση ουσιών είναι η αντίδρασή τους με αέριο οξυγόνο ώστε να προκύψουν πλήρως οξειδωμένες ενώσεις. Στη περίπτωση του μεθανίου (όπως και όλων των οργανικών ουσιών) προκύπτει CO2 και H2O. Όσο περισσότερο οξυγόνο διαθέτει μια ουσία τόσο πιο οξειδωμένη είναι. Τα σάκχαρα (CnH2nOn, όπου n = 3, 4,… πολύ μεγάλος ακέραιος αριθμός) είναι σε ημιοξειδωμένη κατάσταση. Ενώ τα λιπαρά οξέα (κύρια συνιστώσα των λιπών) με γενικό τύπο CnH2n+2O2, όπου n = 4, 5, 6,..24, είναι ελάχιστα οξειδωμένα, δηλ. σχεδόν πλήρως ανηγμένα.

CAMPBELL – REECE, ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΜΟΣ Ι, ΠΕΚ 2010 Το NAD+, παράγωγο της βιταμίνης νιασίνης, είναι από τα κύρια μόρια μεταφοράς ηλεκτρονίων και ιόντων υδρογόνου κατά τον μεταβολισμό

Απλή θεώρηση του μεταβολισμού Μεταβολισμός: καταβολισμός (αφομοίωση των τροφών) και παραγωγή ενέργειας, και αναβολισμός, χρήση απλών ουσιών, ενέργειας και NADPH για τη παραγωγή πολύπλοκων ουσιών που χρειάζεται ο οργανισμός. Για να κατανοήσουμε τον μεταβολισμό (καταβολισμό, σε αυτή τη περίπτωση) θα εστιαστούμε μόνο στο καθαρό αποτέλεσμα των αντιδράσεών του και σε λίγα πράγματα για τον μηχανισμό παραγωγής ΑΤΡ στα μιτοχόνδρια και τους χλωροπλάστες. Σε μεταγενέστερα μαθήματα βιοχημείας, και φυσιολογίας (φυτών ή ζώων, ανάλογα με τη κατεύθυνση) θα μάθετε περισσότερα πράγματα για κάποιες από τις πιο σημαντικές αντιδράσεις του μεταβολισμού (καταβολισμού και αναβολισμού).

CAMPBELL – REECE, ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΜΟΣ Ι, ΠΕΚ 2010 Θυμίζουμε από τη Γεωργική Χημεία ότι η τριφωσφορική αδενοσίνη (ΑΤΡ) είναι το παγκόσμιο νόμισμα ενέργειας για όλους τους ζωντανούς οργανισμούς, από τα βακτήρια μέχρι τα ανώτερα ζώα και φυτά

CAMPBELL – REECE, ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΜΟΣ Ι, ΠΕΚ 2010 Κατά τη κυτταρική αναπνοή, η μεγάλη πλειοψηφία των μορίων ΑΤΡ παράγεται στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων από μια διεργασία που λέγεται οξειδωτική φωσφορυλίωση 2 2 30

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Τα μιτοχόνδρια έχουν εκτεταμένη εσωτερική μεμβράνη με πολλές πτυχώσεις (ακρολοφίες)

Απλή θεώρηση του καταβολισμού/αναβολισμού σακχάρων Γλυκόζη (C6Η12Ο6) + 6 Ο2  6 CΟ2 + 6 Η2Ο + 30-34 ΑΤΡ (ενέργεια) «καύση» γλυκόζης, στο κυτταρόπλασμα (πρώτο μέρος) και μετά στα μιτοχόνδρια 6 CΟ2 +12 Η2Ο +~ΑΤΡ + ορατό φως  Γλυκόζη (C6Η12Ο6) + 6 Ο2 + 6 Η2Ο Φωτοσύνθεση 12 Η2Ο + ορατό φως  ~ΑΤΡ + 6 Ο2 + 24 e- + 24 Η+ (σε βαθμίδωση, αποθηκευμένη ενέργεια, όπως σε μια μπαταρία). Φωτεινή αντίδραση της φωτοσύνθεσης

CAMPBELL – REECE, ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΜΟΣ Ι, ΠΕΚ 2010 Πρότυπη σχηματική παράσταση του μεταβολισμού γλυκόζης Γλυκόζη → 2 Πυροσταφυλικό Στο κυτταρόπλασμα Πυροσταφυλικό → Ακετυλο-CoA → KKO → Οξειδωτική φωσφορυλίωση Στα μιτοχόνδρια Με αυτό το πρότυπο καταβολίζονται όλες οι τροφές: Σάκχαρα, με μετατροπή σε γλυκόζη ή ενδιάμεσο της γλυκόλυσης. Λιπαρά οξέα, με μετατροπή σε Ακετυλο-CoA. Αμινοξέα, με μετατροπή σε Ακετυλο-CoA, ή ενδιάμεσα της γλυκόλυσης, ή του ΚΚΟ. ΚΚΟ = κύκλος του κιτρικού οξέος

CAMPBELL – REECE, ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΜΟΣ Ι, ΠΕΚ 2010 Στον καταβολισμό της γλυκόζης το διοξείδιο του άνθρακα παράγεται από το πυροσταφυλικό και στον ΚΚΟ, ενώ το νερό στην οξειδωτική φωσφορυλίωση Πυροσταφυλικό → 3 CO2 + 4 NADH + 4 H+ + FADH2 Τα 4 NADH + 4 H+ + FADH2 θα χρησιμοποιηθούν από την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, που βρίσκεται στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων, για την παραγωγή ΑΤΡ και την τελική αντίδραση 4 H+ + 4 e- + O2 →2 H2O Οπότε, τα δύο τελικά προϊόντα του καταβολισμού της γλυκόζης, CO2 και H2O, προκύπτουν στα μιτοχόνδρια. (ΚΚΟ)

CAMPBELL – REECE, ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΜΟΣ Ι, ΠΕΚ 2010 Όποιος ενδιαφέρεται να δει πόσο πολύπλοκες είναι οι αντιδράσεις του ΚΚΟ, ιδού!! Δεν πρόκειται να εξεταστείτε πάνω σε αυτό, είναι μόνο για να συνειδητοποιήσετε την πολυπλοκότητα των πραγμάτων! Οπότε, αφού τρομάξετε λίγο, πηγαίνετε στην επόμενη διαφάνεια για να δείτε πώς λειτουργεί η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων.

TCA = κύκλος του κιτρικού οξέος, ΚΚΟ ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 TCA = κύκλος του κιτρικού οξέος, ΚΚΟ Μεμβράνη = εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη

CAMPBELL – REECE, ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΜΟΣ Ι, ΠΕΚ 2010 Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, μια μπαταρία ιόντων υδρογόνου Αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων: Μιτοχονδριακές πρωτεΐνες (όλες πλην μιας της εσωτερικής μεμβράνης) που δέχονται και δίνουν ηλεκτρόνια (μακρύ κίτρινο βέλος) μέχρι αυτά να αντιδράσουν με Η+ και Ο2 για την παραγωγή Η2Ο. Η μεταφορά ηλεκτρονίων από τα NADH και FADH2 στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων οδηγεί παράλληλα στην άντληση Η+ στον διαμεμβρανικό χώρο. Αυτό καθιστά τη μεμβράνη μια μπαταρία Η+ και η ροή των Η+ προς το εσωτερικό της μεμβράνης (εξώεργη διεργασία) οδηγεί στη σύνθεση ΑΤΡ.

Διάταξη της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Διάταξη της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων Διαβαθμισμένη σύμφωνα με την ικανότητα δωρεάς ή πρόσληψης ηλεκτρονίων. Όσο πιο πάνω (π.χ. Σύμπλοκο Ι) τόσο πιο εύκολα δίνει ηλεκτρόνια στα πιο κάτω σύμπλοκα. Το τελευταίο σύμπλοκο (IV) δέχεται ηλεκτρόνια από όλα τα άλλα σύμπλοκα και δεν δίνει ηλεκτρόνια σε κανένα από τα πιο πάνω του!! Fe3+ + e-  Fe2+  Fe3+ + e- διαρκής πρόσληψη και δωρεά ηλεκτρονίων από ιόντα σιδήρου, κατά μήκος της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

Τα μιτοχόνδρια ως μπαταρίες Η+ ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Τα μιτοχόνδρια ως μπαταρίες Η+

CAMPBELL – REECE, ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΜΟΣ Ι, ΠΕΚ 2010 Σε αναερόβιες συνθήκες το πυροσταφυλικό μετατρέπεται σε αιθανόλη (ζυμομύκητες, παραγωγή οίνου) ή γαλακτικό (γραμμωτοί μυς ζώων κατά τη διάρκεια έντονης άσκησης).

Συμπεράσματα Ο καταβολισμός σακχάρων είναι ο κύριος κορμός αντιδράσεων για όλες τις ουσίες που δίνουν ενέργεια (σάκχαρα, λίπη, πρωτεΐνες). Η κυτταρική αναπνοή (καύσεις) γίνεται στα μιτοχόνδρια των κυττάρων όπου παράγεται η μέγιστη ποσότητα της ΑΤΡ, του παγκόσμιου νομίσματος ενέργειας Συνεπώς, κύτταρα με πολλά μιτοχόνδρια (π.χ. μύες, κεντρικό νευρικό σύστημα) είναι κύτταρα με μεγάλες ενεργειακές ανάγκες Σε περίπτωση έλλειψης ή ανεπάρκειας οξυγόνου, το πυροσταφυλικό, προϊόν της γλυκόλυσης, μετατρέπεται σε αίθανόλη (μύκητες) ή γαλακτικό (γραμμωτοί μύες), ή προπιονικό (μικροοργανισμοί που μετατρέπουν το γάλα σε διάφορα είδη τυριών).

Ο μηχανισμός της παραγωγής ΑΤΡ (προαιρετικό) Ροή ηλεκτρονίων μέσω της αναπνευστικής αλυσίδας που βρίσκεται στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη (από NADH και FADH2 στο Ο2). Η ροή των ηλεκτρονίων οδηγεί στην άντληση πρωτονίων προς τον διαμεμβρανικό χώρο και την φόρτιση της μπαταρίας (διαφορά συγκεντρώσεων πρωτονίων στον διαμεμβρανικό χώρο, pH = 7,4, και στη μήτρα, pH = 8,4). Τα πρωτόνια επανεισέρχονται στη μήτρα (κλείνει το κύκλωμα) μέσω πόρων που είναι συνδεδεμένοι με τον μηχανισμό σύνθεσης ΑΤΡ, ώστε η είσοδος των πρωτονίων στη μήτρα να συνοδεύεται με παραγωγή ΑΤΡ. Τα καύσιμα μόρια έχουν γίνει CO2 και H2O, και η ενέργειά των ΑΤΡ!

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 23

Εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη Η ΜΗΧΑΝΗ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΑΤΡ Διαμεμβρανικός χώρος Εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη Μιτοχονδριακή μήτρα ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 24

CAMPBELL – REECE, ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΜΟΣ Ι, ΠΕΚ 2010 Άλλη μια θαυμαστή πολυπλοκότητα της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων Ο μηχανισμός παραγωγής ΑΤΡ από τη ροή Η+ επιτελείται διά μέσου ενός διαύλου H+ που διαπερνά την εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη. Η ροή ηλεκτρονίων μέσω της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων οδηγεί στην ενεργοποίηση του κλειστού κυκλώματος άντλησης Η+ προς τον διαμεμβρανικό χώρο και την επανεισδοχή των μέσω του διαύλου Η+ που διαθέτει ο μηχανισμός παραγωγής ΑΤΡ, κλείνοντας έτσι το κύκλωμα της μπαταρίας Η+ και επιτρέποντας την απρόσκοπτη παραγωγή ΑΤΡ. Όσο πιο γρήγορα ρέουν τα ηλεκτρόνια μέσω της αλυσίδας μεταφοράς e- τόσο πιο γρήγορα θα εισρέουν τα e- πίσω στο εσωτερικό των μιτοχονδρίων κλείνοντας το ηλεκτρικό κύκλωμα. Συνεπώς, η κυτταρική αναπνοή εξαρτάται από την ταχύτητα μεταφοράς e-.

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 26

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 27

ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014 Στον καστανό λιπώδη ιστό, στο δέρμα, υπάρχουν πολλά μιτοχόνδρια στα οποία η ροή ηλεκτρονίων οδηγεί μόνο σε παραγωγή θερμότητας (χρειάζεται και αυτή!) και όχι στη παραγωγή ΑΤΡ! 28