Mitohondriji i kloroplastiStanično disanje

Fotosinteza

Evolucija metaboličkih reakcija

Endosimbiotska teorija o postanku eukariota s organelama stanične energetike

Prije 1.7-2.0 mlrd. god.Rickettsialesalfa-proteobakterija

Prije 1 mlrd. god.cijanobakterije

Dokazi endosimbiotske teorije

• Kloroplasti i mitohondriji su slične veličine kao i bakterije (prokarioti)

• Oboje imaju dvostruku membranu – ostatak endosimbioze

• Oboje imaju kružnu DNA, genetski sličnu bakterijama• Imaju vlastite ribosome, ali manje veličine od eukariota• Slična biokemijska organizacija

Postoji li koja druga teorija???

MITOHONDRIJI

-u svim eukariotskim stanicama

-njihov broj ovisi o metaboličkoj aktivnosti stanice (nekoliko stotina do nekoliko tisuća)

-pokretljivi, mijenjaju oblik, dijele se i stapaju

-otkriveni u 19. stoljeću →vidljivi svjetlosnim mikroskopom

-1948. izolirani iz stanica jetre→upoznavanje biokemije i fiziologije

-ovojnica – dvije membrane; vanjska glatka i unutarnja nabrana (kriste)

-membrane razdvajaju mitohondrij u dva odjeljka; međumembranski prostor i mitohondrijski matriks

Vanjska membrana

- prijenos malih molekula - porini; velike molekule -transporteri

Međumembranski prostor

- obzirom na sadržaj malih molekula sličan citosoluali se razlikuje u sadržaju proteina

Matriks

- odvijanje različitih metaboličkih koraka u procesu staničnog disanja; sadrži različite enzime

Unutarnja membrana

- Specifični lipid kardiolipin, proteini koji sudjeluju u staničnom disanju uključujući enzim odgovoran za sintezu ATP-a

- 75% unutarnje membrane čine proteini

-nabori povećavaju površinu unutarnje membrane –učinkovitost staničnog disanja

Mitohondriji se dijele binarnom fisijom – sinkrono sa stanicom, alii ovisno o fiziološkoj potrebi stanice.

Fuzija mitohondrija – popravak DNA i ojačavanje organela

Životni ciklus mitohondrija

MITOHONDRIJI –

• To su organeli koji pretvaraju energiju u oblik koji stanica može koristiti za obavljanje različitih funkcija

• inicijalizacija stanične smrti (apoptoza)

• Proizvodnja topline (smeđe masno tkivo) – kod beba i hibernirajućih životinja

• Mitochondria-associated ER membrane (MAM)

• Poveznica ER i mitohondrija

• Sinteza nekih lipida za potrebe mithondrija

• Stanična signalizacija Ca2+

Pretvaraju energiju u oblik koji stanica može koristiti za obavljanje različitih funkcija

MITOHONDRIJI – stanično disanje; kataboličkim procesima stvara se ATP izdvajanjem energije iz šećera, masti i drugih spojeva pomoću kisika

KLOROPLASTI – pretvaraju sunčevu energiju u kemijsku apsorpcijom sunčeve svjetlosti; biljke i alge koriste energiju za sintezu organskih tvari (šećer) iz ugljikovog dioksida i vode -anabolizam

-ne pripadaju sustavu endomembrana – proteini u membrani nisu nastali kao produkt ER, već su nastali na ribosomima koji se nalaze u samom mitohondriju i kloroplastu i/ili citosolu

-imaju vlastitu DNA – sinteza vlastitih proteina

-većina proteina dolazi iz citosola i njihova sinteza je kontrolirana jezgrinomDNA – poluautonomni organeli – rastu i dijele se

Kemijske reakcije - oksidacija i redukcija

oksidacija – gubitak elektrona sa ili bez vodika iz molekule; oksidativnareakcija razgrađuje složene molekule u jednostavnije – kataboličkiproces – oslobađa se energija

redukcija – dodavanje elektrona sa ili bez vodika nekoj molekuli –mijenja se sastav molekule ali ne nužno i veličina; npr. sinteza lipida obično uključuje sintezu složenijih molekula i predstavlja primjer anabolizma

živi organizmi – oksidacija i redukcija ugljika; reducirani ugljik ima više energije nego oksidirani, npr. metan CH4 je eksplozivan dok CO2 nije

➢ energiju pohranjenu u kemijskim spojevima stanica koristi za rad; ostatak odlazi u toplinu

➢ šećeri kao glavno gorivo – visoka energetska vrijednost (istodobno oslobađanje energije pohranjene u svim kemijskim vezama u obliku topline - letalno visoka temperatura)

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energija

G0 = -686 kcal mol-1

➢ izdvajanje energije iz šećera i drugih organskih spojeva sporom oksidacijom molekula tijekom niza kemijskih reakcija

➢ enzimi – proteini pomoću kojih stanica razgrađuje složene organske spojeve bogate energijom na jednostavne produkte manje energetske vrijednosti

Usporedba biološke kontrolirane i kemijske nekontrolirane reakcije

Fermentacijom i staničnim disanjem nastaje molekula adenozin trifosfat (ATP) - pohranjena energija koju stanica koristi za rad i povezivanje reakcija metabolizma

Energija oslobođena pri reakciji dvostruko je veća od energije potrebne za odvijanje neke reakcije u stanici –ostatak se pretvara u toplinu

Energija iz ATP-a oslobađa se hidrolizom molekuleATP-a i odvajanjem terminalne fosfatne skupine;

ATP + H2O ADP + Pi + energija

G0 = -7,3 kcal mol-1

[ATP]=10mM, [ADP]=1mM and [Pi]=10mM.

Fosforilacija - proces odvajanja fosfatne skupine iz molekuleATP-a i njeno vezanje za drugu molekulu – omogućujenastavljanje reakcije

Nove molekule ATP-a dobivaju se iz ADP-a dodavanjemfosfatne skupine

ADP + Pi + energija ATP

G0 = 7,3 kcal mol-1

• Stanice najviše koriste ATP za pohranjivanje energije

• U tijelu imamo oko 250 g ATPa

• Dnevna količina potrebnog ATP-a >160 kg – nedostupna količina – neprestana sinteza novih molekula ATP-a iz ADP-a

Drugi pomoćni spojevi uključeni u proizvodnju energije

• Anorganski pomagači – kofaktori-ioni: Mn2+, Mg2+, Na+ (prijenos fosfatnih skupina)

• Organski pomagači – koenzimi• PRIJENOS ELEKTRONA• količina pohranjene energije ovisi o njihovom oksidativnom stanju ili

prisutnosti/odsutnosti određene fosfatne veze

Nikotinamid-adenin-dinukleotid - NAD+

-aktivni dio je nikotinamid (prsten koji sadrži dušik), derivat nikotinske kiseline(B3 vitamin)-reducirani oblik je NADH

-NAD+ + 2H+ + 2 e- NADH + H+

Nikotinamid-adenin-dinukleotid fosfat– NADP+

-slične strukture kao i NAD s dodatkom fosfatne skupine

-reducirani oblik - NADPH

-u fotosintezi (anaboličke reakcije)

Flavin-adenin-dinukleotid – FAD

- koenzimski oblik riboflavina (vit. B) – sudjeluje u staničnom disanju

- FAD + 2 e- + 2 H+ -> FADH2

Citokromi i drugi enzimi

-proteini koji sadrže metale; prenose elektrone; kada željezo u citokromu

oksidira nalazi se u obliku Fe3+, a kada primi e- ono se reducira u Fe2+

-globularni proteini kataliziraju reakcije smanjenjem energije aktivacije

neke reakcije

Drugi pomoćni spojevi uključeni u proizvodnju energije

1. Glikoliza

2. Krebsov ciklus – ciklus limunske kiseline

3. Transportni lanac elektrona i oksidativna fosforilacija

Glikoliza

• odvija se u citosolu; započinje razgradnjom glukoze na dvijemolekule pirogrožđane kiseline

Krebsov ciklus

• odvija se u matriksu mitohondriju; razgradnja derivatapirogrožđane kiseline na ugljikov dioksid

Stanično disanje – kumulativna funkcija triju metaboličkih procesa

Glikoliza i Krebsov ciklus – sinteza male količine ATP-a

Glikoliza i Krebsov ciklus u funkciji proizvodnje energijom nabijenih elektrona za odvijanje oksidativne fosforilacije – nastaje najviše ATP-a

Oksidativna fosforilacija

• transportni lanac elektrona – skupina proteinskih kompleksa u unutarnjoj membrani mitohondrija

• energetska vrijednost elektrona, odvojenih od visoko energiziranih molekula nastalih tijekom glikolize i Krebsovog ciklusa, u transportnom lancu elektrona obara se pomoću kisika do nižeg energetskog stupnja

• proces završava oksidativnom fosforilacijom – vezanje egzergonog klizanja protona sa sintezom ATP-a

Stanično disanje – kumulativna funkcija triju metaboličkih procesa

Stanično disanje – kumulativna funkcija triju metaboličkih procesa

-pregled-

Glikoliza, sumarno

Faza ulaganja energije

Faza isplate energije

Neto

Glikoliza – ATP-a nastaje npr. prenošenjem fosfata na ADP iz organskog spoja fosfoenolpiruvat (PEP) koji nastaje razgradnjom glukoze i ima visokoenergetsku fosfatnu vezu koja je nestabilnija od one u ATP-u

PEP je supstrat za enzim koji ga povezuje s ADP-om

Fosfatna skupina se oslobađa iz PEP-a kada se PEP i ADP vežu za aktivno mjesto na enzimu, a zatim se veže za ADP i nastaje ATP

Direktan nastanak ATP-a - Fosforilacija na razini supstrata

Krebsov ciklus – ciklus limunske kiseline

1. korak – oksidacijska dekarboksilacija pirogrožđane kiseline kojom sestvara acetil-koenzim A (acetil-CoA); aktivirani acetil se tada potpunooksidira do CO2 u ciklusu limunske kiseline

9.10, Campbell 5th, Stvaranje acetil-CoA

1. Razgradnja pirogrožđane kiseline u matriksu mitohondrija odvajanjem karboksilne skupine (nizak energetski potencijal) i spajanje acetila s CoA uacetil-CoA (visokoenergetska nestabilna veza) koji ulazi u Krebsov ciklus; NAD+

reducira se u NADH.

2. U svakom krugu Krebsovog ciklusa ulaze 2 ugljika u relativno reduciranom obliku acetilne skupine, a dva ugljika u oksidiranom obliku molekule CO2

napuštaju Krebsov ciklus

3. Energija nastala tijekom oksidativnih reakcija u Krebsovom ciklusu pohranjena je u elektronima visokog potencijala molekula NADH i FADH2. Za svaku acetilnu skupinu koja ulazi u ciklus tri mokelule NAD+ i jedna molekula FAD+ se reduciraju u NADH i FADH2. U jednom koraku stvara se ATP fosforilacijom na razini supstrata.

Oksidativna fosforilacija i transportni lanac elektrona

Oksidatvna fosforilacija je proces u kojem nastaje ATP kada se elektroni prenose sa NADH i FADH2 na molekulski kisik putem niza nosača elektrona.

•Oksidativnom fosforilacijom nastaje najveća količina ATP-a putem kemiosmotskog mehanizma

•Od 30-32 molekula ATP koje nastaju potpunom oksidacijom glukoze na CO2 i H2O, njih 26-28 nastaje oksidativnom fosforilacijom

•U ovoj fazi staničnog disanja kisik je nužan

•U nizu redoks reakcija transportni lanac prevodi elektrone od NADH i FADH2 do kisika

•Transportni lanac koristi protok elektrona za crpljenje protona kroz unutarnju membranu mitohondrija, a energiju pohranjuje u obliku protonskog gradijenta

Gradijent protona stvara se na tri mjesta (proteinska kompleksa) transportnog lanca – neki proteini crpe protone dok drugi prenose elektrone

Sinteza ATP tijekom difuzije protona kroz enzim ATP-aza

Transportni lanac elektrona

Svaki član lanca (prvi član flavoprotein, zatim slijedi željezo-sumporni protein, citokromi) oscilira između reduciranog i oksidiranog stanja

Reducirano stanje kada prihvaćaju elektrone, a oksidirano kad ih otpuštaju

Prijenos elektrona nizvodno do kisika koji ima veliki afinitet prema elektronima

Kisik prihvaća dva vodikova iona i stvara vodu. Za svake dvije molekule NADH reducira se jedna molekula kisika i dvije molekule vode9.13. Campbell 5th

Gradijent protona povezuje oksidaciju s fosforilacijom

Egzergoni proces u kojem elektroni teku od NADH do O2 povezan je sa sintezom ATP-a

Gradijent protona koji prolaze kroz membranu koristi se za sintezu ATP-a; ioni se nastoje vratiti difuzijom

ATP-aza proteinski kompleks – pumpa, smješten u unutarnjoj membrani dopušta prolaz protona difuzijom niz gradijent

ATP-aza fosforilira ADP kada protoni prolaze kroz protein

Stvaranje protonskog gradijenta potaknuto je sunčevim svjetlom u slučaju fotosinteze ili energijom od organskih spojeva tijekom staničnog disanja

https://www.youtube.com/watch?v=3y1dO4nNaKY

Summa summarum energetike stanične respiracije/disanja

Integracija katabolizma molekula koje daju energiju

Što raditi s pirogrožđanom kiselinom ako kisika nema ili nam ne treba?

bakterije i kvasci: pivo i vino mliječna industrija i „muskulfiber”

Oksidativna fosforilacija

http://www.youtube.com/watch?v=xbJ0nbzt5Kw

http://www.youtube.com/watch?v=jRdJB7ID5lY&feature=related

http://www.youtube.com/watch?v=LTIg9I3N-JM&feature=relmfu

http://www.youtube.com/watch?v=XJiYpa3hwEA&NR=1&featur

e=endscreen

Izračunajte efikasnost staničnog disanja:

Hidroliza ATP u ADP u stanici je ΔG = -50 kJ mol−1

C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) → 6 CO2 (g) + 6 H2O (l) + toplina

ΔG = −2880 kJ mol−1 C6H12O6