Struktura a funkce buňky (buněčná biologie)

Otázka: Struktura a funkce buňky

Předmět: Biologie

Přidal(a): Krispinka

METABOLISMUS A ENERGETIKA ŽIVÝCH SYSTÉMŮ

Metabolismus = vysoce organizovaný a integrovaný soubor chemických reakcí a s nimi spojených energetických přeměn, které probíhají v živých organismech a mezi živými organismy a jejich okolím

Probíhá neustále ve všech buňkách.

látková a energetická přeměna zahrnující příjem a zpracování živin
Je jedním ze základních procesů v živé hmotě
Buněčný metabolismus zahrnuje všechny chemické procesy v buňce

Tři typy procesů (podle směru probíhající změny):

1) anabolické = asimilační = biosyntetické = endergonické
- Vedou ke vzniku nových, chemicky složitějších látek, spotřebovává se energie → exergonické děje (spotřeba ATP)
- Z jednoduchých vstřebaných látek se syntetizují látky tělu vlastní → stavební (potřebné pro růst těla a obnovování buněk) a látky biologicky významné (enzymy, hormony, nukleové kyseliny, krevní barvivo..)
2) katabolické = rozkladné = disimilační = exergonické
- z látek složitějších vznikají látky jednodušší a energie se uvolňuje →exergonické děje (produkce ATP), umožňuje veškeré životní děje
3) amfibolické – plní obě základní funkce metabolismu
Anabolické a katabolické reakce jsou ve zdravém organismu v rovnováze
- Látková přeměna je řízena hormonálně a nervově
- Aby mohli probíhat metabolické děje, musí bát přítomny katalyzátory, které snižují aktivační energii, reakce usměrní a řídí jejich rychlost
- Katalyzátory = enzymy, které umožňují živému organismu efektivně a rychle řídit systém navzájem napojených termodynamických reakcí

Reakce přeměn látek na sebe navazují, produkt jedné reakce tvoří substrát druhé reakce à tak se vytváří tzv. metabolické dráhy, kde je jedna chemická látka transformována do jiné

Metabolické děje jsou jako celek jednosměrné, protože se při nich část energie přemění na energii tepelnou, kterou nelze zcela převést na jiné formy energie
Metabolické dráhy – řetězce nebo cykly enzymaticky řízených reakcí, vznikají prostřednictvím meziproduktů, díky kterým na sebe navazují metabolické reakce (ty tedy neprobíhají izolovaně)

ENERGIE V BUŇCE

živé organismy potřebují energii neustále, přijímají ji ze svého okolí jako energii chemických vazeb nebo jako energii světelnou.
Energetický metabolismu – dochází k přeměně jedné formy energie na jinou = transdukce
Energetika buňky – získávání, přenos, skladování a využití energie

Energii buňka potřebuje pro následující procesy:

Chemická práce – biosyntéza sloučenin, obnovování, růst a rozmnožování buněk
Mechanická práce – pohybové funkce buňky a jejích struktur
Osmotická práce – všechny mechanismy přenosu látek založené na principu aktivního transportu
Elektrická práce – energie vykládaná na bioelektrické jevy – vznik rozdílných elektrických potenciálů na buněčných membránách – vznik a šíření vzruchů
Teplo
+ Další aktivity, které nejsou běžné pro všechny buňky = pro udržování stálé tělesné teploty, pro transformaci chemické energie na světelnou, pro transformaci chemické energie na elektrickou
- Zdrojem energie v buňce je energie chemicky vázaná – uvolňuje se při štěpení chemických vazeb, je schopná konat práci = volná energie = Gibbsova
- Energie fotonů (světelná energie) – využívají ji buňky s chlorofylem
- Jiná forma energie není pro buňky použitelná

Energetický metabolismus buňky se neobejde bez ztrát → část uvolněné energie je vydávána ve formě tepla

K uvolnění energie z chemických vazeb dochází štěpením uhlíkového skeletu organických látek nebo odebíráním vodíků vázaných na tomto skeletu a jejich oxidací.

Energie uvolňovaná štěpením živin není využita přímo, ale prostřednictvím přenašečů → speciální skupina látek, které uvolněnou energii zachytí a uloží ve své struktuře. Rozpadem molekuly energii uvolňují. Jsou to sloučeniny o vysoké energii – makroergické sloučeniny.

Nejvýznamnějším přenašečem je adenozintrifosfát – ATP

Fosforylace

= tvorba ATP z ADP a anorganického fosfátu (P), součástí přeměn všech buněk
ADP + P + energie ↔ ATP + H₂O (P – fosfát, ne fosfor)
Fosforylace se může uskutečňovat několika způsoby
- Oxidativní fosforylace – související s transportem elektronů a oxidací kyslíkem, v mitochondriích
- Substrátová fosforylace – děje se na základě přímého odebírání energie substrátu (reakce z glykolýzy)
- Fotosyntetická fosforylace = fotofosforylace – v chloroplastech při přeměně energie světelné na energii chemickou

Molekuly ATP jsou pohotovostní zdroje energie určené k okamžitému použití v rámci buňky, jsou malé a mohou rychle difundovat uvnitř buňky, nemohou procházet plazmatickou membránou do sousedních buněk (přechod přes membrány organel jim umožňují přenašeče – translokázy)

Buňky si nemohou navzájem poskytovat energii ve formě ATP, ale jen ve formě živin. Energie okamžitě nepoužitá se převádí do skladišť energie = polysacharidy (glykogen u živočichů, škrob a inulín u rostin)

Při spotřebování ATP čerpají organismy energii z těchto rezervních látek jejich odbouráváním a převádějí ji opět do ATP

Energetika živých systémů

Přeměna chemické energie v pohybovou a tepelnou
Molekulové motory
- Aktivní pohyb = lokomoce
- Pohyb je založen na funkci molekulových motorů = komplexů molekul bílkovin
- Energie se uvolňuje při hydrolytickém štěpení ATP
- Stavba motoru: motorová doměna (štěpí ATP, posunuje se), koncová doména
Přeměna chemické energie na mechanickou
- Motory pomocí enzymů spustí hydrolýzu ATP, jejím rozštěpením se uvolní energie
- Změní se tvar motoru a ten se posune
- Motory se pohybují po cytoskeletu
- Ten je tvořen Mikrotubyly (trubičky s tubulinem) a MIKROFILAMENTY (tenká vlákna tvořená aktinem) – aktivují hydrolýzu
Typy motorů
- Vázané namikrotubuly – KINEZINY – pohyb k okraji, DYNEINY – pohyb do středu buňky
- Vázané na mikrofilamenta – MYOZINY – myozinové hlavičky se posouvají po aktinových filamentech, filamenta jsou tvořena aktinem, tropomyozinem a troponinem

FYZIOLOGIE PROKARYOT

Podle zdroje energie

Fototrofní – zdrojem energie jsou fotony viditelné části slunečního spektra
Chemotrofní – zdrojem energie je oxidace redukované látky
- Chemolitotrofní – redukovanou látkou je anorganická látka
- Chemoorganotrofní – redukovanou látkou je organická sloučenina (glukóza, lipid, protein), výživou se shodují s eukaryotní buňkou živočišnou, na rozdíl od ní k oxidaci organické látky nepotřebují kyslík

Podle zdroje uhlíku (potřebného pro syntézu asimilátů)

Autotrofní – zdrojem uhlíku je oxid uhličitý, energie → ze světelné energie a oxidací anorg. látek
Heterotrofní – zdrojem uhlíku je jednoduchá organická látka – glukóza, methan, kyselina mléčná

→ tyto dvojice fyziologických variant se u prokaryot volně kombinují

Rozdělení vzhledem ke kyslíku

Bakterie aerobní – kyslík je nepostradatelný (např. nitrifikační bakterie)
Bakterie anaerobní – kyslík je pro ně toxický (např. denitrifikační bakterie)
Bakterie fakultativně anaerobní – v přítomnosti kyslíku ho dýchají, v jeho nepřítomnosti využívají k dýchání náhradní anorganické látky (dusičnany, sírany, uhličitany) nebo fermentují (např. Escherichia coli)

Fiziologické zvláštnosti prokaryot

Schopnost fixace vzdušného dusíku – prokázána asi u 50 druhů bakterií a 50 druhů sinic
Některé bakterie dokáží žít v extrémně nepříznivých podmínkách, kde jiné formy života nemohou existovat (termální bakterie – žijí v horkých pramenech a horkých vodách poblíž podmořských vulkánů, acidofilní bakterie – žijí v kyselých vodách, jejichž pH je menší než 2, halofilní bakterie – žijí v solných jezerech)

Fotoautotrofie – existuje u prokaryot ve dvojím uspořádání

Sinice a prochlorofyty stejně jako chloroplasty eukaryotních rostlin užívají k redukci oxidu uhličitého na asimiláty molekuly vody a jejich fotosyntetický aparát obsahuje dva fotosystémy. Vedlejším produktem je kyslík
Fotosyntetizující bakterie používají k redukci oxidu uhličitého na asimiláty molekuly sulfanu, jednoduché organické látky nebo vodík. Obsahují jeden fotosystém a neprodukují jako vedlejší produkt kyslík

Patogenita – stálá schopnost některých baterií vyvolávat za určitých podmínek onemočnění, mikroorganismy mohou vyvolávat onemocnění dvěma základními způsoby

Invazivitou – mikroorganismus pronikne do tkáně, pomnoží se a poškozuje strukturu a funkce
Toxicitou – některé mikroorganismy produkují jedovaté (toxické) látky, které mohou poškozovat hostitelský organismus
- Omezený počet mikroorganismů tvoří toxiny i mimo hostitelský organismus a toxiny působí intoxikaci (např. při použití kontaminovaných potravin)
- Botulotoxin – klobásový jed, produkovaný Clostridium botulinum
- Enterotoxin – stafylokokový, produkovaný Staphylococcus aureus
- Inkubační doba – charakteristická pro patogenní organismus od jeho vniknutí do těla až po jeho projev v podobě onemocnění
- Epidemie – hromadný výskyt infekčního onemocnění v určitém místě a časovém omezení
- Pandemie – lavinovité šíření epidemie po kontinentu
- Endemie – stálý výskyt infekční choroby v určité oblasti bez časového omezení

Výskyt

všudypřítomné, půda, sliny, stolice, kůže
příroda: destruenti, vliv na úrodnost půdy, složka samočistící schopnosti vod
v ostatních organismech: mikroflóra, zdroj cenných látek, patogenní

Význam

modelové objekty výzkumu, čištění odpadních vod, biotechnologie

Původci vážných onemocnění jsou také riketsie a mykoplazmata:

Ryketsie – bakterie malých rozměrů, žijící jen v živočišných buňkách, nejsou samostatné, ale mají buněčnou stěnu, jsou přenášeny hlodavci a hmyzem (Rickettsia prowazekii – původce skvrnitého fyfu)
Mykoplazmata – nejmenší a nejjednodušší volně žijící prokaryota z oddělení bakterií, schopné samostatného množení, nemají buněčnou stěnu, mají trojvrstevnou cytoplazmatickou membránu, napadají dýchací, močové, pohlaví ústrojí člověka (Mycoplasma pneumoniae – vyvolává zánět plic – pneumonii)

Genetika prokaryot

Prokaryoty jsou organismy haploidní
Každá změna v genomu se projeví změnou vlastností buňky
Ke změně genetické informace může dojít dvěma způsoby:
- Mutací
- Přijetím části cizí molekuly DNA – chromozomální nebo plazmidové
  - Nová DNA buď zůstává v cytoplazmě (plazmid) nebo se začleňuje do chromozomů navíc (episomální plazmid), nebo je na místo homologického úseku původního chromozomu včleněna procesem crossing-over)

Evoluce prokaryot

Domény – bakterie a archea

Znaky bakterií
- Jednobuněčné organismy, jaderná hmota není ohraničena vůči cytoplazmě biomembránou a nedělí se mioticky
- Jaderná hmota se označuje nukleoid
- Mají buněčnou stěnu (kromě mykoplazmat) jejíž hlavní stavební látkou je peptidoglykan (murein)
- Fotosyntetizující purpurové bakterie a zelené bakterie, grampozitivní bakterie, sinice a prochlorofyty
Znaky archeí
- Jednobuněčné organismy, jejich buněčná stěna neobsahuje murein (peptidoglykan)
- Žijí v prostředí, která se podobají těm, která existovala na Zemi na počátku vývoje organismů
- Methanové bakterie – žijí v močálech bohatých na tlející organické látky a které produkují methan, anaerobně chemosytetizující bakterie
- Součástí trávicího traktu zvířat a člověka
- Halofilní bakterie – žijí v silně koncentrovaných slaných vodách
- Termoacidofilní bakterie – žijí v horkých pramenech

EUKARYOTNÍ ORGANISMY

Těla složená z buněk s diferencovaným jádrem a s biomembránovými strukturami
Oproti prokaryontním jsou řádově větší a mnohem složitější
Existují jako samostatné jednobuněčné organismy (prvoci, jednobuněčné řasy a houby), jednak jako součást tkání mnohobuněčných organismů

JEDNOBUNĚČNÉ ORGANISMY

Netvoří systematicky uzavřenou skupinu, vyznačují se velkou tvarovou a funkční rozmanitostí (nejen rozdíly mezi druhy ale i jedinci téhož druhu mají někdy formy tvarově a fyziologicky odlišné)
V průběhu životního cyklu mají různé formy téhož organismu stejnocenná jádra jako nositele genetické informace → v průběhu životního cyklu se střídavě uplatňují různé skupiny genů

MNOHOBUNĚČNÉ ORGANISMY

Velká tvarová a funkční diferenciace buněk
Jsou vystavěny z eukaryotních buněk
(prokaryota jsou evolučně mnohem staršími organismy, ale mnohobuněčné organismy se u nich nevyvinuly)
Život celku je řízen souhrou činností specializovaných buněk, souhru zajišťují fyziologické regulační mechanismy (hormonální a nervové)
Kromě odumřelých buněk si všechny tkáňové buňky udržují relativní samostatnost → důsledkem je schopnost reagovat na jednoduché signály z řídících center
Funkční nadřazenost mnohobuněčných eukaryot nad jednobuněčnými spočívá v tom, že mnohobuněční pracují se dvěma úrovněmi regulací:
- Nižší buněčnou – je nadřazená vyšší organismální
Celek z relativně autonomních prvků je schopen mnohem složitějších výkonů než celek s jedinou regulační úrovní

Buňky mnohobuněčných eukaryot jsou diferenciovány (v řadu typů, specialisovaných na různé fce)

Charakteristickým tvarem
Vytvořením určitých struktur nebo zmnožením struktur potřebných pro výkon určité funkce
Někdy základní struktury v buňce vymizí (buňky přeměněné na cévy a cévice u rostlin, bezjaderné červené krvinky savců)

ROZMNOŽOVÁNÍ BUNĚK, BUNĚČNÝ CYKLUS

Eukaryotické buňky se rozmnožují mitoticky – mateřská buňka se dělí na dvě buňky dceřiné (ve vlastnostech shodné s buňkou mateřskou)
Aby se mohla buňka dělit – musí přijmout z okolí dostatečné množství látek a energie (aby mohla nesyntetizovat dostatečné množství bílkovin, nukleových kyselin a vytvořit dvojnásobný počet buněčných organel)
Existence dceřiných buněk začíná uvnitř mateřské buňky a její rozdělení je dokončením takto započatého reprodukčního procesu → nově vzniklé dceřiné buňky ihned započnou znovu přípravné procesy pro další dělení

Buněčný cyklus:

Cyklus ohraničený dvěma děleními, skládá se z několika fází:

Předsyntetická fáze = G₁ fáze
- Může být velmi rychlá (lze tvrdit, že ani neexistuje – buňky embryla)
- Některé buňky v této fázi zůstanou trvale a nikdy se znovu nedělí (nervové buňky)
- Součástí je kontrolní uzel (bod) celého buněčného cyklu, rozhodující o jeho průměru
- Doba této fáze je průměrně 1/3 trvání celého cyklu
Syntetická = S fáze
- Doba této fáze je průměrně 1/3 trvání celého cyklu
- Probíhá vní replikace jaderné DNA a dochází ke zdvojení jaderných chromozomů → zůstávají stále spojeny v místě centromery a od sebe se oddělí až v anafázi mitózy (později)
Postsyntetická = G2 fáze
- Buňka dále roste, přibývá buněčných struktur
- Doba této fáze je průměrně 1/4 trvání celého cyklu
- Buňky mohou v této fázi zůstat trvale – replikují svou DNA, ale nedělí se (srdce dospělého člověka)
Mitotická = M fáze
- Vytváří se dělící (mitotický) aparát, mizí jaderná membrána a začíná mitóza (4 mitotické fáze = profáze, metafáze, anafáze a telofáze)
- Končí rozdělením jádra
- Trvá průměrně 1/10 doby buněčného cyklu

U většiny eukaryotických buněk je rozdělení jádra (karyokinéza) spojeno s vlastním rozdělením buňky (cytokinéza).

Vyskytují se i případy kdy se jádro rozdělí, ale buňka se nerozdělí – vznikají tak dvoujaderné i vícejaderné buňky → mechanismy kontrolující rozdělení jádra, nejsou totožné mechanismy kontrolujícími vlastní dělení buněk.

Generační doba buňky

Dána trváním buněčného cyklu, podmíněna geneticky a je u různých buněk různá
Geneticky naprogramovaná doba se realizuje pouze v optimálních podmínkách – za zhoršených podmínek se doba prodlužuje, při úplném nedostatku živin v prostředí se buněčný cyklus zastavuje

Regulace buněčného cyklu

Fáze jsou řízeny chemickými látkami (mitogenetickými faktory) – podněcují dělení (stimulátory) či zastavují (inhibitory). (rostliny – fytohormony)
Člověk – látky typu polypeptidů nebo malých bílkovin obsažených v krevním séru
Regulace může být působením některých látek či virů narušena – pak se buňky nekoordinovaně dělí a vznikají nádory

DIFERENCIACE TKÁŇOVÝCH BUNĚK

Nerealizuje celý obsah genetické informace, ale jen její část – v každém typu buněk se aktivuje určitý soubor genů, zatímco jiné geny zůstávají blokovány

Příčiny, které vyvolávají diferenční genovou aktivitu (nejsou úplně objasněny)

1. Vzájemné působení cytoplazmy a jádra
2. Vzájemné působení různých částí embrya na sebe

→ U embrya obratlovců se z části ektodermu zakládá nervová trubice tam, kde se k ektodermu zevnitř přiloží mezoderm. Transplantací mezodermu lze vyvolat vznik nervové trubice i v jiných částech ektodermu.

PROGRAMOVANÁ BUNĚČNÁ SMRT (APOPTÓZA)

Vyvolána aktivací specifických genů – buňka se rozpadá na váčky obalené biomembránou a její DNA je nevratně rozštěpena eudonukleózami → tento způsob smrti není spojen s aktivací imunitního systému a nedochází k zánětu
Násilné poškození buněk vede k nekróze, rozpadu, vylití obsahu buňky a ke vzniku zánětu

NÁDOROVÉ BUŇKY

Vyskytují se častěji u starších lidí
Buňky, které se vymkly regulačním mechanismům organismu, ztratili částečně nebo úplně vlastnosti diferencovaných buněk, mají odlišný metabolismus, trvale se dělí a vzniká nádor.
Jednotlivé buňky se z nádoru uvolňují a krví jsou zanášena na jiná místa – zde vznikají další nádory = metastázy
Maligní transformace – přeměna normálních buněk na buňky zhoubných nádorů (pokusně lze vyvolat účinkem ionizujícího záření nebo působením chemikálií = karcinogenů), mohou ji vyvolávat i viry
Příčinou maligní transformace buňky je nadměrná aktivace určitých genů– onkogenů, které jsou pravděpodobně normální součástí genetického vybavení buňky, v normální buňce jsou pod kontrolou
Rakovinná buňka nemusí nezbytně tvořit nádor, většina z nich je zničena imunologickými reakcemi
Proč ojediněle unikne rakovinová buňka „imunologickému dozoru“ není objasněno

FOTOSYNTÉZA

fotosyntéza = fotosyntetická asimilace – přeměna jednoduchých minerálních látek (H₂O, CO₂) na složitější organické látky = syntéza, zelené rostliny k tomu využívají energie fotonů viditelné části slunečního spektra (fotonů vlnových délek 400-700 nm)
Tyto fotony zachycují asimilační barviva plastidů:
- chlorofyl a, b – zachycují fotony modrofialové a červené části spektra
- fykocyan a fykoerytrin – zachycují fotony zelené a žluté části spektra
- xantofyly a karotenoidy – zachycují fotony modrozelené části spektra

→ energie fotonů, zachycených těmito asimilačními barvivy, je předávána molekulám chlorofylu a, který se zachyceným fotonem excituje – uvolní energeticky bohatý elektron

jeden z nejdůležitějších dějů v živé přírodě
hlavním producentem kyslíku na naší planetě
syntetizované organické látky jsou potravou chemotrofních organismů, kyslík je nepostradatelný pro aerobní organismy
fotosyntéza je přeměna energie světelné na chemickou (z fyzikálního hlediska)
chemické hledisko – jde o převedení uhlíku z nejvíce oxidované formy o nízké energii (CO₂) na redukovanou formu o vysoké energii (sacharidy)
silně endorgonický redukční děj
schopnost fotosyntézy mají prokaryotní org. (sinice, zelené a purpurové bakterie) a eukaryotní org. (rostliny) – je lokalizována v chloroplastech

Průběh fotosyntézy

> Skládá se ze dvou fází:

1) primární procesy = světlá fáze – probíhá za přítomnosti světla, energie fotonů je využito:
- chemické děje spojené s absorpcí světelné energie a její přeměny na energii chemické vazby (ATP)
- a) absorpce světelné energie
  - fungují dva fotosystémy
  - fotosystém I: karoteny → karotenoidy → chlorofyl b → různé druhy chlorofylu a → chlorofyl a1 (l = 700 nm)
  - fotosystém II: xantofyly → karotenoidy → chlorofyl b → různé druhy chlorofylu a → chlorofyl a2 (l = 680 nm)
- b) přenos elektronů
  - chlorofyl a absorbuje energii 2 fotonů (= excitace) > obohacené elektrony se uvolní a jsou přenášeny redox systémy
  - z elektropozitivní soustavy voda-kyslík (+0,8 V) na elektronegativní soustavu koenzymu (–0,4 V)
  - redoxní soustavy: příjem elektronů – redukují se (akceptor), odevzdání elektronů – oxidují se (donor), fotosystémy jsou zabudované v tylakoidech
- c) ke štěpení molekul vody (fotolýza vody) na protony, elektrony a jako vedlejší produkt vzniká kyslík
  - voda je autoprotolýzou disociována, pracuje fotosystém II
- d) fotofosforylace cyklická a necyklická
  - (K tvorbě molekul ATP, které dále energeticky zabezpečují reakce probíhající v tmavé fázi)

2) sekundární procesy = Tmavá fáze (Calvinův cykl) – průběh nevyžaduje přítomnost světla
- Řadou enzymatických reakcí je redukován vzdušný oxid uhličitý na cukr vodíkem, vznikajícím při fotolýze vody
- Vznikající cukr je dalšími enzymatickými reakcemi přeměněn na stálé produkty fotosyntézy – asimiláty (škrob, bílkoviny, tuky a jiné org. látky)

Význam fotosyntézy:

Zabezpečuje život na Zemi
Veškerá biomasa vzniká fotosyntézou ze vzdušného oxidu uhličitého, ročně se přemění přibližně 2 ¹¹ tun
Jediný děj na Zemi, při kterém se uvolňuje kyslík → jednosměrný tok energie
Ze sluneční energie vyzařované Sluncem zachytí planeta jednu miliardtinu, z ní se 40 % odrazí zpět do vesmíru (albedo), zbytek energie stačí k udržení veškerého života, k ohřívání atmosféry a zemského povrchu
Ze světla dopadajícího na rostliny jsou jen 3 % využity na tvorbu asimilátů

Faktory ovlivňující fotosyntézu:

Vnější faktory
- Světlo – intenzita a kvalita (nejintenzívněji probíhá fotosyntéza na červeném světle)
- Délka osvětlení – u nedostatečně dlouho osvětlených rostlin nastává blednutí listů
- Teplota – nejintenzivněji probíhá při teplotách 25–30 °C
- Obsah CO₂ ve vzduchu – vysoký nebo nízký obsah fotosyntézu snižuje, až zastaví
- Dostatek vody a minerálních látek
Vnitřní faktory
- Množství chloroplastů v buňkách, celkový fyziologický stav rostliny a její stáří

Zelené rostliny = fotoautotrofní → uhlík potřebný k syntéze asimilátů získávají z oxidu uhličitého a energii potřebnou k těmto syntézám dodávají fotony slunečního záření, energie světelná se přeměňuje na energii chemickou, skladovanou v chemických vazbách asimilátů

Hatch-Slachův cyklus – ckylus C4 rosltlin

Cyklus CAM – u sukulentních rostlin, přes den mají zavřené průduchy

CALVINŮV CYKLUS

Metabolická dráha fixace a redukce oxidu uhličitého probíhající vtmavé fázi fotosyntézy za vzniku sacharidů
Bývá nazýván také C₃-cyklu à prvním stabilním meziproduktem je tříuhlíkatý 3-fosfoglycerát

Průběh:

1. Karboxylace neboli fixace CO₂ na výchozí substrát – ribulóza-1,5-biofosfát
2. Redukce vzniklého tříuhlíkatého meziproduktu na triózu glyceraldehyd-2-fosfát
3. Regenerace akceptoru ribulóza-1,5-biofosfátu z trióz

DÝCHÁNÍ

Katabolický proces opačný k fotosyntéze, rozklad složitých látek + uvolnění energie
Probíhá neustále – den i noc
Dýchají všechny buňky kromě anaerobních
Asimiláty vzniklé v rostlinných buňkách fotosyntézou mají různé funkce – stavební, zásobní…
Zásobní látky jsou v případě potřeby využívány – energie v nich uložená je uvolňována
Rostliny tedy mohou po určitou dobu žít bez fotosyntézy (v noci, při klíčení semen, neosvětlené části)
Získávají energii pro své životní funkce rozkladem zásobních látek na látky jednodušší = disimilace
Uvolnění této energie z glukózy je spojeno s oxidací
Uvolněná energie je skladována v molekulách ATP, které souží jako její přenašeči na místa spotřeby

Buněčné dýchání probíhá po etapách:

Glykolýza – odbourání glukózy (6C) na kyselinu pyrohroznovou, probíhá za nepřístupu kyslíku = anaerobně, získávají se 2 ATP
- Glykolýza se odbourává v cytoplazmě, zbytek probíhá v mitochondriích
Anaerobní odbourání zásobních látek – vzniklá kyselina pyrohroznová je řadou enzymatických reakcí (Krebsův cyklus = cyklus kyseliny citronové), odbourána na oxid uhličitý a jsou jí odňaty vodíky (dehydrogenována),
Dýchací řetězec (oxidativní fosforylace) – odebrané vodíky jsou oxidovány v dýchacím řetězci vzdušným kyslíkem na vodu, uvolní se značné množství energie, ta se ukládá do molekul ATP (může být využita k zabezpečení životních funkcí buňky), část se uvolňuje jako teplo, reakce probíhají za přístupu kyslíku = aerobní, získá se 36 ATP – je mnohem energeticky výhodnější

Přenos 12 H v dýchacím řetězci je spojen s vytvořením 36 molekul ATP

Faktory ovlivňující intenzitu buněčného dýchání

Vnější faktory
- Teplota prostředí – optimální je mezi 25–35 °C, vyšší a nižší teploty intenzitu dýchání snižují, až zastaví
- Obsah kyslíku v prostředí
- Přítomnost některých látek, které působí jako jedy buněčného dýchání (kyanid, oxid uhelnatý, oxid siřičitý)
Vnitřní faktory
- Fyziologický stav rostliny a její stáří, obsah vody v pletivech, množství zásobních látek schopných oxidace

KVAŠENÍ

Za nepřístupu vzduchu (anaerobně)
Nejznámější alkoholové a mléčné
Zisk energie je však malý (2 ATP) na jednu přeměněnou molekulu glukózy
Stačí k zabezpečení životních funkcí u malých organismů
Nejspíše tak získávaly potřebnou energii praorganismy v době, když praatmosféra ještě neobsahovala kyslík (před 3 až 4 mil. let)

ATP

Z dusíkaté báze – adenosintrifosfát, sumární vzorec àC₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃
syntéza ATP se děje v procesech buněčného dýchání a fotosyntézy -> fotofosforylace
v místě potřeby je rozložen na adenosindifosfát a samotný fosfát a energie uložená ve vazbě mezi nimi se uvolní
oxidací svých vazeb se mění na ADP (adenosindifosfát) + P
úplnou oxidací na AMP (adenosinmonofosfát) + P + P
Když se z ATP odštěpí jeden koncový zbytek kyseliny fosforečné, vzniká kyselina adenozindifosforečná (ADP) a uvolní se energie
Rozvádí energii v buňce
Hromadění molekul ATP v buňce vytváří také zásobu okamžitě použitelné energie

PŘEMĚNA CHEMICKÉ ENERGIE V POHYBOVOU

MOLEKULOVÉ MOTORY – bílkoviny

Pohyb je všude kolem nás, i uvnitř buňky je neustálý pohyb
Uvnitř buňky proudí cytoplazma, buněčné organely se organizovaně přemisťují z místa na místo, pomocí pohybu měchýřků přijímá buňka rozpuštěné látky z prostředí (pinocytóza), pohlcuje větší částečky (fagocytóza) a vydává látky do okolí (exostóza), při dělení buňky se putují chromozomy do dceřiných buněk

→pohyb je založen na funkci molekulových motorů

Z biologického hlediska dochází k přeměně chemické energie na energii kinetickou (pohybovou) – chemická energie se uvolňuje při hydrolytickém štěpení kyseliny adenosinfosforečné (ATP)
Z chemického hlediska je molekulový motor komplex několika molekul bílkovin velikosti asi 20nm

Struktura molekulových motorů:

Molekulová doména – polypeptid s enzymovou aktivitou (štěpí ATP), posunuje se po podložce
Na motorovou doménu je připojeno několik dalších polypeptidů, na ně je připojen koncový polypeptid – koncová doména (má specifickou afinitu k některým jiným molekulám a buněčným strukturám)

Přeměna chemické energie na energii mechanickou – umožněna enzymovou aktivitou motorů

Motory katalyzují hydrolýzu kyseliny adenosinfosforečné (ATP-ázy)
Rozštěpením vazby ATP se uvolní energie → změní tvar motoru → v prostoru se posune po podložce
Při každé další hydrolýze molekuly ATP se posune stejným směrem
Motory se pohybují po strukturách cytoskeletu (tvoří ho mikrotubuly a mikrofilamenta)

Mikrotubuly – tenké trubičky, mající v průměru 25 nm, tvořené bílkovinou tubulinem

Mikrofilamenta – tenká vlákna (7 nm v průměru), tvořená bílkovinou aktinem

Oboje jsou v cytoplazmě každé buňky (kromě prokaryontních) a ve všech buněčných strukturách specializovaných na pohybové funkce (bičík, řasinky, panožky, myofibrily sval. Buněk)
Hydrolýzu ATP spustí motor jedině kontaktem s mikrotubulem nebo mikrofilamentem
Motory jsou ATP-ázy aktivované tubulinem nebo aktinem

Typy molekulových motorů:

Mikrotubuly a mikrofilamenta jsou polarizovány – jeden konec označen + plus konec a druhý –minus konec
Motory ovlivněné tubulinem se pohybují podél mikrotubulů
Motory aktivované aktinem se pohybují podél mikrofilament
Kinezy (Dyneiny) – motory vázané na mikrotubuly
- Kinezy – pohybují se od minus-konce k plus-konci → přemisťují náklad od středu k okraji
- Dyniny – pohybují se od plus-konce k minus-konci → přemisťují naopak
Myoziny – motory vázané na mikrofilamenta
- Myozinové „hlavičky“ (motorové jednotky) se posouvají po aktinových filamentech
- Tenká filamenta tvoří bílkoviny – aktin, tropomyozin, troponin

Složitější pohybové funkce motorů:

Motory jsou buď volné (pohybují se v prostoru po mikrotubulu, který je upevněn) → motory přenášejí něco někam
- Uplatňuje se při transportu uvnitř buňky
jsou někde upevněny (pohybují mikrotubulem) → motory posouvají mikrotubuly či mikrofilamenta vůči sobě, nejčastěji jsou vázány na jiný mikrotubulus
- uplatňuje se při pohybu svalovém (podstatou je vzájemný posun mikrofilament poháněný molekulovým motorem myozinem)

př. miofybrila – je vlastním pohybovým aparátem svalové buňky, leží v ní aktinová mikrofilamenta a myozinová vlákna paralelně vedle sebe, při hydrolýze ATP se aktinová a myozinová vlákna navzájem posunují, a tím působí smrštění myofibrily

PŘEMĚNY ENERGIE V BUŇKÁCH

Energii pro život dodává Slunce, část této energie pohlcená zelenými rostlinami je přeměněna na volnou energii živin
Účinné fotony jsou absorbovány molekulami chlorofylu ve struktuře chloroplastů → v nich je zářivá energie přeměněna na tok elektronů a z něho na tvorbu molekul ATP (dále je zářivá energie využita na rozklad molekul vody za vzniku kyslíku, elektronů a protonů = fotolýza vody)
uvolněný kyslík se zapojuje do koloběhu v biosféře a nahrazuje kyslík spotřebovaný aerobními procesy
elektrony a protony jsou využity k redukci oxidu uhličitého na cukry, v nichž je energie akumulována

→ zářivá energie je přeměněna na energii chemickou

Reakce exergonické – vznikají při nich produkty energeticky bohatší (asimiláty) než reaktanty (voda a oxid uhličitý)

Reakce exergonické – když je energie zpět uvolněna odbouráním energeticky bohatých produktů (asimilátů) na látky jednoduché, energie je užita pro pohon jiných endergonických reakcí

probíhají samovolně (spontánně), soustavy při nich přecházejí ze stavu méně pravděpodobného (s vyšší organizovaností) do stavu více pravděpodobného (s nižší organizovaností)

Život je ustavičná práce, která je v podstatě jakési „uklízení nepořádku“, který se tvoří při všech dějích v přírodě. Pro tuto činnost potřebuje organismus energii, což není nic jiného než schopnost pracovat

Univerzálními přenašeči energie v buňce jsou molekuly ATP

molekula ATP rychle difunduje po celé buňce a její energie je k dispozici pro všechny děje, které energii spotřebovávají, ale nemůže projít plazmatickou membránou a používá se jen v buňce, kde je syntetizována

→ veškerou ATP, kterou buňka spotřebuje, si musí buňka sama vyrobit

Energie pro tvorbu ATP je získávána dvěma odlišnými způsoby:

anaerobní glykolýzou – procesem anaerobní oxidace cukrů, tzv. substrátovou fosforylací
fotofosforylací v tylakoidech chloroplastů nebo oxidativní fosforylací v biomembránách mitochondrií

Buňky si mohou poskytovat energii ve formě živin (z tukových tkání se uvolňují do krve mastné kyseliny a glycerol, z jaterních buněk glukóza) → tyto substráty jsou krví zaneseny do jiných tkání, kde jsou v jejich buňkách štěpeny a získaná energie je využita na tvorbu ATP. Krevní plazma tedy ATP nepřenáší.

METABOLISMUS SACHARIDŮ

zásadní význam má glukóza (je přítomná ve všech tělních tekutinách, v krevní plazmě je stálá koncentrace, zvyšuje se po požití potravy)
nadbytečná glukóza se přeměňuje na glykogen – ten se ukládá v jaterních buňkách a kosterním svalstvu
glykogen se podle potřeby rozkládá zpět na glukózu a ta na jednodušší látky
konečným produktem oxidace glukózy je oxid uhličitý a voda, uvolní se energie → ta se váže do molekul ATP
glukóza se může přeměňovat na tuky

METABOLISMUS TUKŮ (LIPIDŮ)

zdravější jsou rostlinné nebo mastné nenasycené
jsou základní stavební složkou biomembrán, ukládají se do zásoby v buňkách tukové tkáně
stálé množství tuků je v krevní plazmě, při trávení se štěpí na glycerol a mastné kyseliny
při odbourání na jednodušší látky se glycerol začleňuje do anaerobní glykolýzy, mastné kyseliny jsou začleněny do Krebsova cyklu

METABOLISMUS BÍLKOVIN

bílkoviny – základní stavební složky organismu, uplatňují se jako enzymy a hormony
tráví se na aminokyseliny
v krvi je stálá hladina aminokyselin
zdrojem jsou bílkoviny z potravy, opotřebované bílkoviny z tkání, malé množství vzniká při přeměně sacharidů
jsou potřebné k syntéze stavebních bílkovin těla, k syntéze enzymů a hormonů, k syntéze plazmatických bílkovin, k přeměně na sacharidy
část se odbourává na jednodušší látky a tím se získává energie
neukládají se do zásoby
aminové skupiny se odštěpují ve formě toxického amoniaku, který je v jaterních buňkách v tzv. ornitinovém cyklu přeměněn na močovinu, jež je krví zanesena do ledvin a vyloučena močí z těla
uhlíkaté zbytky aminokyselin se začleňují do Krebsova cyklu
Bazální metabolismus – látková přeměna potřebná k udržení života, a to při úplném tělesném i duševním klidu

Energetika živých systémů

Přeměna chemické energie v pohybovou a tepelnou
Molekulové motory
Aktivní pohyb = lokomoce
Pohyb je založen na funkci molekulových motorů = komplexů molekul bílkovin
Energie se uvolňuje při hydrolytickém stěpení ATP
Stavba motoru: motorová doměna (štěpí ATP, posunuje se), koncová doména
Přeměna chemické energie na mechanickou
Motory pomocí enzymů spustí hydrolýzu ATP, jejím rozštěpením se uvolní energie
Změní se tvar motoru a ten se posune
Motory se pohybují po cytoskeletu
Ten je tvořen Mikrotubyly (trubičky s tubulinem) a MIKROFILAMENTY (tenká vlákna tvořená aktinem) – aktivují hydrolýzu
Typy motorů
- Vázané namikrotubuly – KINEZINY – pohyb k okraji, DYNEINY – pohyb do středu buňky
- Vázané na mikrofilamenta – MYOZINY – myozinové hlavičky se posouvají po aktinových filamentech, filamenta jsou tvořena aktinem, tropomyozinem a troponinem