5. lekcija. Metabolisma pamati, molekulārā ģenētika.

1. Studiju kurssBioloģija laboratorijā BloksŠūnas bioloģija, bioķīmija, ģenētika 5. lekcija. Metabolisma pamati, molekulārā ģenētika. Māris Lazdiņš LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

2. Organisms / šūna - kā mašīna Enerģijas avots Oksidēšanās - reducēšanās procesi paveiktais Elektronu donors darbs (devējs) Elektronu akceptors (saņēmējs) Oglekļa avots oglekļa savienojumi LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

3. Enerģijas avots Hemotrofi – (gr. hemo – ķīmisks, trophe - barība) izmanto ķīmisko enerģiju, kas iegūstama pārveidojot ķīmiskos savienojumus. Var tikt izmantotas gan organiskas gan neorganiskas vielas. Fototrofi – (gr. photos – gaisma, trophe - barība) spēj uzņemt gaismas enerģiju un to pārveidot ķīmisko savienojumu enerģijā. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

4. Elektronu avots Enerģijas iegūšana un nodošana tālāk saistīta ar oksidēšanās / reducēšanās reakcijām. Tajās notiek elektronu pārnese. Savienojumus, kuri spēj oksidēties (atdot elektronus) sauc par elektronu donoriem. A B + e- Fe2+ Fe3+ + e- LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

5. Elektronu avots Litotrofiem (gr. lithos – akmens) elektronu donori ir neorganiskas vielas. Organotrofiem elektronu donori ir organiskas vielas. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

6. Elektronu avots Elektroni nepastāv brīvā veidā, tāpēc bioķīmisko pārvērtību laikā tie atrodas saistībā ar dažādiem starpproduktiem – elektronu nesējiem (koenzīmiem vai kofaktoriem). Beigās elektroni jāatdod galējam elektronu akceptoram - savienojumam, kurš procesā tiek reducēts. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

7. Elektronu akceptors Aerobi – akceptors - molekulārais skābeklis. Anaerobi – akceptors - kāds cits reducēties spējīgs savienojums. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

8. Elektronu akceptors Parasti organismi, izmantojot aerobo elpošanu, var iegūt vairāk ATP nekā anaerobos apstākļos. C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O (38 ATP) C6H12O6 2C2H5OH + 2 CO2 (2 ATP) glikoze etanols LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

9. Oglekļa avots Visi dzīvie organismi pamatā veidoti no oglekļa savienojumiem, tāpēc būtiski novērtēt, kādā veidā šūna pie tiem tiek. Autotrofi (gr. auto – pats, trophe - barība) – organiskos savienojumus sintezē paši no ogļskābās gāzes - CO2 (ogļskābes). Heterototrofi organismi izmanto oglekli no uzņemtajiem organiskajiem savienojumiem. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

10. Eksistences veidi Kombinējot šos bioķīmiskos raksturlielimus: Enerģijas avots ( hemo- / foto-) Elektronu avots ( lito- / organo-) Elektronu akceptors ( aero- / anaero-) Oglekļa avots (auto- / hetero-) LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

11. Eksistences veidi teorētiski iegūstamas 16 dažādas kombinācijas. Reāli piemēri zināmi 12 kombinācijām. 10 varianti no šīm kombinācijām pārstāvēti tikai mikroorganismu pasaulē. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

12. Eksistences veidi Plašāk pārstāvētas 4 grupas, pārējām grupām katrai pieder tikai daži vai daži desmiti eksotisku mikroorganismu sugu. Daži mikroorganismi, atkarībā no apstākļiem spēj pārslēgties no viena eksistences veida uz citu. Tādus sauc par miksotrofiem vai mezotrofiem organismiem. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

13. Eksistences veidi E avots –gaisma,e- donori – neorganiski (H2O), e- akceptors –(org. vielu sintēze) C avots – CO2 Foto-lito-( )-autotrofija Plaša organismu eksistences grupa - fotosintezējošās baktērijas (piemēram, ciānbaktērijas [zilaģes]), aļģes, zaļie augi. Viena no vecākajām eksistences grupām. Gaismu uztver ar membrānām saistīti fotosintēzes pigmenti – hlorofils, bakteriohlorofils, rodopsīns.. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

14. Foto-lito-autotrofi Elektronu donori – visbiežāk H2O, var būt arī H2S un citi. Pārsvarā izdala vidē O2, visi pārstāvji organiskos savienojumus sintezē paši. H2O-2e O + 2H+ Aptuveni pusi no primāri jaunsintezētām organiskajām vielām un brīvā skābekļa uz Zemes veido mikroorganismi. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

15. Foto-lito-autotrofi Pārstāvji: ciānbaktērijas (zilaļģes) – ap 1 500 sugu, daļa purpura un zaļo sēra baktēriju, dažas nesēra purpurbaktēriju sugas, aļģes, gandrīz visi augstākie augi. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

16. Hemo-organo-anaero-heterotrofi E avots – ķīmisks, e- donori – organiski, e- akceptors – organisks C avots – organisks Plaša organismu eksistences grupa. Spējas iegūt enerģiju stipri ierobežotas. Pārstāvji: pienskābās, sviestskābās, spirta un citas rūgšanas baktērijas. C6H12O6 2C2H5OH + 2 CO2 (2 ATF) LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

17. Hemo-organo-aero-heterotrofi E avots – ķīmisks, e- donori – organiski, e- akceptors – O2 C avots – organisks Ļoti liela organismu eksistences grupa. Pieder lielākā daļa īsto (ei-) -baktēriju, visi dzīvnieki un sēnes. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

18. Hemo-organo-aero-heterotrofi Parasti enerģijas un oglekļa avots ir viens un tas pats – - ogļhidrāti, - aminoskābes, - taukskābes, - aromātiskie savienojumi un citi. Var veikt fermentācijas (rūgšanas) procesus, bet tie neietver galējos elektronu akceptorus (piemēram, maizes raugs anerobos apstākļos veido etanolu). LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

19. Hemo-organo-aero-heterotrofi Organiskais ogleklis tiek oksidēts līdz CO2trikarbonskābju ciklā (TKC), elektronu akceptors – O2 tiek reducēts līdz H2O, iegūstot 38 vai nedaudz mazāk ATP molekulu no vienas glikozes molekulas. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

20. Hemo-organo-aero-heterotrofi 1. Glikolīze..Rakstūrīga gan aero- gan anaero- heterotrofiem organismiem un ir glikozes noārdīšanas pirmais etaps. 6C atomu glikozes molekula tiek sadalīta divās 3C pirovīnogskābes (piruvāta) molekulās, kuras aerobos apstākļos tālāk tiek noārdītas TKC. . Glikolīze notiek citoplazmā un speciālas membrānu struktūras tam nav vajadzīgas. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

21. Hemo-organo-aero-heterotrofi Glikolīze. Rezultātā tiek iegūtas 2 ATP molekulas un 2 NAD+ molekulas tiek reducēts par NADH+H+ . C6H12O6 + 2 NAD+ ==> 2 C3H4O3 +2 NADH+H+ 2 ADP + 2 P ==> 2 ATP + 2 H2O (ar P apzīmēta fosfātu grupa) - 140 kcal/mol LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

22. NAD+ - oksidētā forma H NAD+ Protonu un elektro- nu pārnesējs, koenzīms (kofak- tors) NAD+, ie- saistīts daudzās bioķīmiskās reakcijās Nikotīnamīda Adenīna Dinukleotīds LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

23. NADH +H+ - reducētā forma H H NADH + H+ Protonu un elektro- nu pārnesējs, koenzīms (kofak- tors), iesaistīts daudzās bioķīmis- kās reakcijās Nikotīnamīda Adenīna Dinukleotīds + H+ LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

24. Hemo-organo-aero-heterotrofi 2. Acetil CoA veidošana. Vairums noārdīto molekulu oglekļa skeleta daļu acetil grupas veidā TKC iekļūst ar acetilkoenzīma A (acetil-CoA) palīdzību. Pirovīnogskābes piesaistīšanu CoA veic vairāku enzīmu komplekss. Eikariotu šūnās tas raksturīgs mitohondrijiem. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

25. Acetil CoA Piesaistītā acetil grupa LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

26. KoenzīmsA H CoA LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

27. Acetil CoA veidošanās OH | C=OS –CoA |+HS-CoA ===>|+ CO2 C=O+ NAD+C=O+ NADH+H+ | | CH3CH3 pirovīnog- acetil-CoA skābe LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

28. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

29. Hemo-organo-aero-heterotrofi 3. TKC Trikarbonskābju-; Krebsa-; Citronskābes- -cikls, eikariotu šūnās notiek mitohondrijos. Ciklā notiek 9 dažādas enzimātiskas reakcijas. Ciklā tiek ievadīti 2 C atomi acetil grupas veidā (Acetil CoA zaudē iepriekš piesaistīto acetil grupu). Ciklā abi C atomi tiek oksidēti par divām CO2, ko dēvē par vienu „cikla apgriezienu“ LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

30. Hemo-organo-aero-heterotrofi TKC Lielākā ciklā iegūtās enerģijas daļa paliek kopā ar kofaktora - NAD reducēto formu lielas enerģijas elektronu veidā. Viena cikla apgrieziena laikā veidojas 3 NADH+H+ molekulas. Vienā no cikla oksidēšanās soļiem NAD funkciju veic cits koenzīms - FAD (flavīn adenīn dinukleotīds). LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

31. Hemo-organo-aero-heterotrofi FAD Protonu un elek- tronu pārnesējs, koenzīms (ko- faktors) FAD FlavīnaAdenīnaDinukleotīds LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

32. Hemo-organo-aero-heterotrofi TKC LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

33. Hemo-organo-aero-heterotrofi TKC Reducētā FAD forma - FADH2 līdzīgi NADH+H+ elektronus nodod oksidatīvās fosforilācijas elektronu pārneses ķēdei, lai hemoosmotiskā ceļā sintezētu jaunas ATP molekulas. TKC tiek veidota arī viena GTP (ATP analoga) molekula, izmantojot substrāta fosforilācijas procesu. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

34. Hemo-organo-aero-heterotrofi TKC TKC efektīvi noteik tikai aerobos apstākļos, lai gan pašā ciklā skābeklis netiek izmantots. Skābeklis nepieciešams, lai veiksmīgi oksidētu (reciklētu) TKC darbības gaitā izveidotās NAD un FAD reducētās formas. Skābekļa trūkuma gadījumā šūna piepildās ar NAD un FAD reducētajām formām un TKC vairs nevar notikt kā ciklisks process. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

35. Hemo-organo-aero-heterotrofi 4. Elektronu transporta ķēde. NAD un FAD reducētās formas tiek "reciklētas" (oksidētas) elektronu pārneses kaskādēs. To nodrošina īpašas, ar membrānām saistītas molekulas (eikariotiem - mitohondriju iekšējās membrānās). LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

36. Hemo-organo-aero-heterotrofi Elektronu transporta ķēde. Šīs molekulas enerģētiski bagātos elektronus novada līdz skābeklim. Kopā ar elektronu zaudēšanu NADH+H+ un FADH2 tiek atbrīvoti no nestajiem H+, kuri tiek izmantoti palielinātas H+ koncentrācijas veidošanai (mitohondriju) starpmembrānu telpā. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

37. Hemo-organo-aero-heterotrofi Elektronu transporta ķēde. Savukārt palielināto H+ koncentrāciju izmanto ATP-sintetāzes, lai veidotu ATP. ATP veidošanu, izmantojot elektronu pārneses kaskādēs radīto H+ koncentrāciju gradientu, sauc par oksidatīvo fosforilēšanu. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

38. Hemo-organo-aero-heterotrofi Elektronu transporta ķēde. Elektronu pārneses kaskādes veido proteīni ar prostētiskām grupām (kovalenti saistītiem kofaktoriem), kuras var viegli mainīt savu stāvokli no oksidētas uz reducētu un atpakaļ. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

39. Hemo-organo-aero-heterotrofi Elektronu pārneses kaskādesproteīni ietver sekojošas prostētiskās grupas: FMN – flavīnmononukleotīds, Q – ubikvinons, Citohromi: Cit b Cit c1 Cit c Cit a Cit a3 LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

40. Hemo-organo-aero-heterotrofi Elektronu pārneses kaskādes. Virknes pēdējais citohroms - Cit a3 elektronus nodod skābeklim, kurš no apkārtējās vides sev piesaista divus H+ jonus, un izveidojas ūdens molekula. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

41. oks oks oks oks oks oks Cit c Cit b Cit a3 Cit c1 FMN Cit a red red red red red red NADH + H+ 60 - NAD+ Elektronu pārneses kaskāde 50 - oks 40 - Q red Brīvā enerģija attiecībā pret O2 (kcal/mol) 30 - 20 - Elektronu plūsma H2O 0 - O2 LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

42. Hemo-organo-aero-heterotrofi Elektronu pārneses kaskādes Elektronu transportētāji apvienoti 3 kompleksos: 1. NADH dehidrogenāzes komplekss (FMN). 2. Cit b-c1 komplekss (Cit b, Cit c1). 3. Citohroma oksidāzes komplekss (Cit a, Cit a3). LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

43. NADH dehidrogenāzes komplekss Cit b-c1 komplekss 2H+ 2H+ Citohroma oksidāzes komplekss 2H+ Cit b Cit a FMN Q Cit c Cit c Cit a3 NAD+ NADH + H+ 2H+ 1/2 O2 H2O 2H+ 2H+ FADH2 FAD+ LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

44. Hemo-organo-aero-heterotrofi Elektronu pārneses kaskādes. Izveidoto H+koncentrāciju gradientu (starpību) izmanto ATP-sintetāzes. Diviem H+ joniem atgriežoties mitohondrija matriksā (iekšējā daļā)ADP tiek pārveidots par ATP molekulu. ADP +P => ATP LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

45. LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

46. Hemo-organo-aero-heterotrofi Grāmatvedība - 1 glikozes molekulas oksidēšana. Glikolīze - 2 ATP (glikozes aktivēšana, lai ierosinātu reakcijas) + 4 ATP 2 NADH+H+ 2 ATP 2 Acetil-CoA veidošana2 NADH +H+ TKC2 Acetil-CoA 2 ATP (GTP) 6 NADH +H+2 FADH2 kopā 4 ATP 10 NADH +H+ 2 FADH2 LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

47. Hemo-organo-aero-heterotrofi Grāmatvedība- oksidatīvā fosforilēšana 1 NADH+H+ - 6 H+ jonu transports = = 3 ATP 1 FADH2 - 4 H+ jonu transports = = 2 ATP LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

48. Hemo-organo-aero-heterotrofi Grāmatvedība- kopā ar oksidatīvo fosforilāciju. 4 ATP 10 NADH+H+ 2 FADH2 4 ATP + 30 ATP+ 4 ATP = = 38 ATP NADH transports mitohondrijā -1 ATF / NADH Eikariotiem = 36 ATF LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

49. Metabolisms Metabolisma ceļu shema Glikolīze TKC Oksidatīvā fosforilēšana Glikoze Provīnogskābe (piruvāts) Acetil-CoA LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML

50. Molekulārā ģenētika LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra ML