ÄmnesomsättningenKemiB100427

Ämnesomsättningen
Handlar om flödet av materia och
energi i levande organismer.
Metabolismen




Ett annat namn för
ämnesomsättning.
Består av en nedbrytande och
en uppbyggande del.
Katabolism – nedbrytande.
Anabolism – uppbyggande.
Katabolismen




Här studerar vi hur näringsämnena
kolhydrater, proteiner och fetter bryts
ner.
Katabola (som anabola) processer
sker vid rumstemperatur och vid
normalt pH.
Vanligen sker inte reaktioner vid så
låga temperaturer.
Processen måste därför katalyseras
av enzymer.
Enzymer



Är alla proteiner, alltså
uppbyggda av aminosyror.
Är de verktyg som cellen
använder för att bestämma vilka
processer som ska ske.
En reaktion sker bara om det
rätta enzymet är närvarande
Verksamma organeller i cellen



Vid nedbrytning av ämnen är det
främst mitokondrien som är plats för
processen, även om vissa steg sker i
cytoplasman.
Dock föregås inträdet av ämnena i
cellen av både mekanisk ock kemisk
nedbrytning i större delar hos högre
stående organismer, som människor,
tex.
Detta sker i munhåla och mag-tarmkanalen.
Kolhydrat, protein och fett.



Kolhydrater bryts i munhåla och
tolvfingertarm ner till glukos mha
enzymet amylas.
Proteiner bryts ner i magsäck och
tolvfingertarm till aminosyror av
enzymerna pepsin och trypsin.
Fetter bryts ner till glycerol och
fettsyror i tolfingertarmen mha
gallsalter och enzymet lipas.


Dessa enkla beståndsdelar tas
upp av tarmslemhinnan till
blodet (glukos och aminosyror),
fettsyror tar omvägen via lymfan
först.
Transport in i cellerna sker
sedan med hjälp av olika
transportproteiner över
cellmembranet.
Energiutvinning?

Hittills har ännu ingen energi
utvunnits ur näringsämnena.
Snarare har energi gått förlorad
genom aktiva processer som tex
transport över cellmembranet
Cytoplasman


Här genomgår glukosmolekylerna
en process kallas glykolysen, en 10stegs reaktionsserie.
Stegvis bryts glukos ner till
pyruvatjoner, CH3COCOO-
(s. 260)
Nettoreaktionen av glykolysen är:
Glukos + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 fosfat →
2 NADH + 2 pyruvat + 2 ATP + 2 H2O + 2 H+.

NAD+/NADH + H+ och ADP/ATP är sk.
bärarmolekyler.
ATP
…tar upp, lagrar och
transporterar energi.
 Det är bindningen mellan
fosfatgrupp 2 och 3 som är
så energirik.
 När den tredje
fosfatgruppen spjälkas och
bindningen bryts, frigörs
energi.
ATP ↔ ADP + Pi
 Molekylen kan åter laddas
genom att koppla på
fosfatgruppen igen. För den
processen krävs energi.

Aminosyrorna…





Aminosyrornas nedbrytning är
komplicerad.
Detta beror på att aminosyrorna har
så olika sidokedjor.
En likhet finns dock, aminogruppen
sitter på α-kolatomen.
Denna aminogrupp kan tas bort på
samma sätt från alla aminosyror.
Det sker med två olika metoder.
Transaminering och
deaminering

Aminogruppen kan överföras till en ketosyra.
Aminosyra1 + ketosyra2 ↔ ketosyra1 + aminosyra2,
Ex:
alanin + α-ketoglutarsyra ↔ pyrodruvsyra + glutaminsyra


Genom transamineringar (där aminogruppen
flyttas) kan det bildas amino- och ketosyror
som kroppen just då bättre behöver.
Men om det finns överskott på aminosyror i
cellen, kan glutaminsyran ovan oxideras
vidare. Då bildas ammoniak och αketoglutarsyran återbildas.
Mitokondrien






Här sker vidare nedbrytning av fetter sk. βoxidationen
Fettsyrorna bryts ned stegvis via oxidation. I ett av
stegen är det β-kolatomen som oxideras, därav
namnet.
Efter fem steg har kolkedjan kortats med två
kolatomer. Dessa har bildat en acetygrupp.
Acetylgruppen binds till en bärarmolekyl, CoA och
bildar acetyl-CoA.
Produkter av ett varv är också FADH2 och NADH +
H+
Resten av kolkedjan går ett varv till och två
kolatomer spjälkas av…
I mitokondrien sker även citronsyracykeln eller
krebs cykel.
pyruvatjonen




.. Från glykolysen kan gå vidare tre vägar.
Den kan i vissa organismer jäsas till etanol och
koldioxid.
Den kan under syrefattiga förhållande bilda
mjölksyra.
Vanligen (hos människan) förs pyruvatjonen in i
mitokondrien via transportproteiner. Det spjälkas en
koldioxidmolekyl, samtidigt som en vätebärare, NAD+
”laddas” med väte till NADH+H+ , en acetylgrupp
bildas och sätts på en bärarmolekyl, CoA.

Acetyl-CoA bildas.
Citronsyracykeln

Här inträder nu karboxylsyror
från trans- och deamineringen,
acetyl-CoA från β-oxidationen
och glykolysen, in i
citronsyracykeln.
Citronsyracykeln är en serie av åtta reaktioner som alla
sker innerst i mitokondrien.
 Namnet kommer av citronsyra, som är en av
mellanprodukterna i reaktionsserien.
 Cykeln börjar med att acetyl-CoA kopplas till oxalättiksyra
och bildar citronsyra. Ett antal reaktioner följer dör olika
syror bildas och omvandlas.
 De första två syrorna har sex kolatomer.
 I steg tre oxideras isocitronsyra, en NAD+ laddas, en CO2
– molekyl spjälkas av och bildar α-ketoglutarsyra (samma
molekyl som bildas vid transamineringen. Det är alltså i
detta steg som α-ketoglutarsyra från proteinerna träder in
i citronsyracykeln).
 I steg tre oxideras α-ketoglutarsyra, en NAD+ laddas och
en CO2-molekyl spjälkas.
 Nu har syramolekylen bara 4 kolatomer kvar (2 har ju
avgetts i två CO2)
 Oxalättiksyra återbildas samtidigt som en NAD+ laddas
och vi är tillbaka där vi började.
 Ett fullständigt varv i citronsyracykeln (alltså för inträdet
av en acetyl-CoA) kan vi skriva sumaformeln:
Acetyl-CoA + 3NAD+ + FAD + ADP + Pi + 2H2O 
CoA + 2CO2 + 3NADH + 3 H+ + FADH2 + ATP
(Vatten krävs för att få syret i koldioxiden, de rosamarkerade
från steg jag inte nämnt ovan)

I mitokondriens innermembran




Här sker cellandningen, slutstationen
för näringsämnena
Det är först här som stora mängder
ATP skapas.
Kolatomerna i näringsämnena har
redan oxiderats så långt det är
möjligt, till CO2.
Här, i elektrontransportkedjan (eller
andingskedjan), ska väteatomerna,
som är bundna till alla de bärare som
laddats under vägen hit, oxideras till
vatten.





I mitokondriens inre membran sitter en
serie med enzymer som tar emot
elektroner från vätebärarna samtidigt som
H+ förflyttas över innermembranet till
utrymmet mellan yttre och inre membranet.
På så vis byggs en laddnings och
koncentrationsgradient upp.
I det sista enzymkomplexet överförs
elektronen till ½O2, som då kan förenas
med två H+ och skapa vatten.
I membranet sitter också ett enzym, ATPsyntas som låter vätejoner strömma tillbaka
till inre matrix, systemets energi minskar i
systemet (gradienten mellan de två
utrymmena) och används till att syntetisera
ATP från ADP och Pi.
För varje NADH + H+ som oxideras skapas
3 ATP.
Notera att för transport in av 1 mol NADH i mitokondrien (från
glykolysen) krävs 1 mol ATP, så netto av en NADH som kommer
från glykolysen blir egentligen bara 2 ATP



Electron transport chain
ATP synthase
Electron transport chain song
Anabola reaktioner
Nedbrytande och uppbyggande processer
kan inte ske samtidigt i cellen. Då blir det
”rundgång” och bara värme produceras.
Cellen styr detta genom att kopplas på eller
stänga av de enzymer som katalyserar
reaktionerna.
De nedbrytande och uppbyggande
reaktionerna sker ofta i olika delar av
cellen. Β-oxidationen och citronsyracykeln
sker i mitokondrien medan syntes av fetter,
aminosyror, proteiner, nukleotider och
kolhydrater sker i cytoplasman.
Bildande av kolhydrater

Glukos skapas i en
motsattsreaktion till glykolysen,
glykoneogenesen.
Utgångsmaterialet är pyruvat
och enzymerna som katalyserar
reaktionsstegen är de samma.
Fettsyrasyntes



Utgår från acetylgruppen i acetylCoA. Speciella enzym kopplar ihop
acetylgrupper till långa kolvätekedjor.
För detta krävs att acetylgrupperna
reduceras med hjälp av väteatomer
från vätebärare och energi. Det
kostar en hel del ATP att bygga en
fettsyramolekyl.
Största delen av fettsyrorna reagerar
med glycerol till fett och lagras som
energireserv.
Proteiner



Våra celler kan tillverka de flesta
aminosyrorna, exempelvis genom
transaminering. Karboxylsyror från
citronsyracykeln kan också amineras
till aminosyror.
Vissa aminosyror, de essentiella,
måste tillföra med proteiner i maten.
Hur aminosyrorna kopplas ihop till
proteiner tittar vi på i detalj i nästa
kapitel.
Fotosyntesen



Hur växter omvandlar icke
organiska föreningar, till
organiska.
Fotosyntesen sammanfattas
med formeln: CO2 + H2O 
C6H12O6 + O2
Ser hyfsat enkelt ut va? Jo, men
det ligger lite mer bakom
reaktionsformeln.


I kloroplasternas tylakoidmembran
bygger klorofyllmolekylerna upp sk
antennkomplex, vilka har många
delokaliserade och lättrörliga
elektroner.
Det är dessa elektroner som fångar
fotoner från ljuset och lyfts till högre
energitillstånd. Därmed blir de ännu
mer lättrörliga.
Fotosystem II och I






I tylakoidmembranet sitter också två
reaktionscentran (proteinkomplex), fotosystem II
och fotosystem I.
De energirika elektronerna som skapas i
antennerna i fotosystem II tas om hand av
vätebäraren plastokinon, Q, som bilad QH2
tillsammans med protoner från tylakoidens utsida.
Elektronerna som nu saknas i antennen tas från ett
mangankomplex, som då blir starkt elektropositivt.
Mangankomplexet tar istället elektroner från vatten.
Det är alltså fotosystem II som spjälkar vatten till
syrgas och protoner.
Protonerna som skapas hamnas på insidan av
tylakoidmembranet och en protongradient uppstår
(likt den i cellandingen).




I fotosystem I tas antennens elektroner upp
av proteinet ferredoxin, som sitter på
tylakoidmembranets utsida.
Där laddas vätebärare NADP+ av
elektronerna och vätejoner till NADPH+H.
De elektroner som nu fatts i fotosystem I
tas från de laddade QH2, som skapades i
fotosystem II. QH2 oxieras till Q + 2H+
Q ladddes från början med H+ från utsidan
och lämnar nu H+ på insidan, vilket
ytterligare ökar protongradienten mellan
tylakoidens in och utsida.


Precis som i elektrontransportkedan
används nu den uppbyggda
protongradienten att driva ett ATP –
syntas. (dock är detta ATP – syntas
något mindre effektivt än det vi har i
elektrontransportkedjan.
Som slutresultat har vi från
fotosystem II och I och från ATP –
syntas fått laddade NADPH, ATP
och avfallet, O2.
Mörkerreaktionen




Det är under denna delen av fotosyntesen
som glukos bildas.
Kolatomerna i glukos kommer från luftens
koldioxid och de skapade NADPH och ATP
från ljusreaktionerna använd för att ”fixera”
kolet.
Mörekerreaktionen är inte direkt beroende
av ljus och kan fortgå i mörker, så länge
det finns NADPH och ATP. (det sker
givetvis också under dagen, i ljus)
Glukosen används av växten som
byggnadsmaterial, då i form av cellulosa
och som energireserv i form av stärkelse.
CAM-växt, växt med
ett metaboliskt och
fysiologiskt system
som gör det möjligt
att utföra
fotosyntes om
dagen men ta upp
koldioxid om
natten, vilket
minskar
vattenförlusten.
Exempel på CAMväxter är
fetbladsväxter och
kaktusväxter.