Metabolismus buňky – maturitní otázka z chemie

Otázka: Metabolismus buňky

Předmět: Chemie

Přidal(a): Miru

Chemické složení a chemické děje v živých soustavách

Metabolismus – soubor všech reakcí, probíhajících v živých organismech, zahrnuje přeměnu látek a energie
Katabolismus – rozkladné reakce, za současného uvolnění energie se štěpí složitější látky na jednodušší, jde o děje exergonické, většinou probíhají jako oxidace substrátu
Anabolismus – syntetické reakce, za současného spotřebování energie vznikají z jednodušších látek látky složitější, jde o děje endergonické, probíhají většinou jako redukce substrátu
Energie získaná při katabolických dějích je uchována a posléze odevzdána při dějích anabolických, prostřednictvím tzv. makroergických sloučenin (ty obsahují velké množství energie vázané v makroergických vazbách)
ATP – adenosintrifosfát, tvoří se z ADP navázáním zbytku kyseliny fosforečné v procesu zvaném fosforylace
Bazální metabolismus – energie potřebná pro udržení základních životních funkcí

Metabolismus sacharidů

Sacharidy jsou základní složky všech živých organismů
Syntetizují se v autotrofních organismech, kde jsou produktem fotosyntézy
Heterotrofní organismy je přijímají v potravě a jsou pro ně důležitým zdrojem energie
Monosacharidy jsou střevní stěnou vstřebávány do krevního oběhu a transportovány do jater, glukóza je vyplavována zpět do krve a stává se zdrojem energie pro buňky, z nadbytečné glukózy se v játrech tvoří glykogen (zásobní zdroj glukózy) nebo zásobní tuk

Katabolismus sacharidů

Polysacharidy a oligosacharidy jsou v TS rozloženy na monosacharidy
Glukóza jako klíčová sloučenina metabolismu sacharidů je odbourávána v jednotlivých buňkách v procesu glykolýzy

Glykolýza

Děj, při němž je glukóza v buňce za anaerobních podmínek odbourávána na pyruvát (sůl kyseliny prohroznové) za uvolnění energie ve formě ATP
Probíhá v cytoplazmě
Hlavní fáze glykolýzy:

Aktivace glukózy a její přeměna na triosafosfáty
Dehydrogenace glyceraldehyd-3-fosfátu na 3-fosfoglycerát
Přeměna 3-fosfoglycerátu na pyruvát
Glukóza je fosforylována postupně pomocí 1 molekuly ATP nejprve na glukóza-6-fosfát, ta podlehne izomerační reakci a vzniká fruktóza-6-fosfát (z aldózy vznikla ketóza); druhou molekulou ATP je fruktóza-6-fosfát fosforylována na fruktózu-1,6-bifosfát
Fruktóza-1,6-bifosfát se štěpí na 2 triózy: glyceraldehyd-3-fosfát a dihydroxyacetonfosfát, obě tyto triózy se mohou vzájemně přeměňovat jedna v druhou, pro další průběh glykolýzy je však významný jen glyceraldehyd-3-fosfát
Glyceraldehyd-3-fosfát se dehydrogenuje (vodíky se váží na NAD⁺) a fosforyluje na 1,3-bisfosfoglycerát; odštěpením jednoho fosfátového zbytku z 1,3-bisfosfoglycerátu (naváže se na ADP a vzniká molekula ATP) vzniká 3-fosfoglycerát
Fosfátový zbytek mění polohz a tvoří se 2-fosfoglycerát, ten se dehydratuje na 2-fosfoenolpyruvát a přenosem fosfátového zbytku na ADP (vzniká opět ATP) vzniká pyruvát

Konečný zisk energie z glykolýzy představují 2 molekuly ATP z 1 molekuly glukózy (z celkových 4 molekul ATP se 2 spotřebují na fosforylaci glukózy)
Pro vznik ATP při glykolýze není potřeba O₂, a proto se jedná o tzv. anaerobní fosforylaci (substrátovou)
Pyruvát vstupuje do dalších reakcí:
Za anaerobních podmínek se pyruvát redukuje na laktát (kyselina mléčná => tzv. mléčné kvašení), který se tvoří ve svalech při intenzivní práci za nedostatku kyslíku (jakmile je dostatek kyslíku, mění se laktát zpět na pyruvát)
Za aerobních podmínek (při nedostatku kyslíku) podléhá pyruvát oxidační dekarboxylaci za vzniku acetylkoenzymu A (acetyl-CoA), který vstupuje do Krebsova cyklu

Krebsův cyklus

Citrátový cyklus, cyklus kyseliny citronové
Pokračování rozkladu cukru, navazuje na glykolýzu, kde vznikl acetylkoenzym A
Centrum aerobního metabolismu
Sled 8 reakcí, probíhá v matrixu (uvnitř hmoty mitochondrií)
Během Krebsova cyklu dochází k uvolnění 2 molekul z CO₂ (dekarboxylace)
Z 1 molekuly glukózy se ve finále odštěpí 4 mol CO₂ (2CO₂.2=4CO₂)
Vzniká:
1 ATP .2
3 NADH .2
1 FADH₂.2
8 H⁺ .2

Dýchací řetězec

Navazuje na KC
Probíhá na kristách mitochondrií
Zahrnuje velké množství reakcí, kdy elektrony jsou přenášeny redukčními činidly a jsou přenášeny z enzymu na enzym (enzymy jsou v membráně mitochondrií)
Posledním příjemcem elektronů je O₂

Celková bilance

34 + 2 (Krebsův cyklus) + 2 (glykolýzy) = 38 ATP – 2 ATP (ty jsou potřebné, aby došlo k přenosu kyseliny pyrohroznové z cytoplazmy na mitochondrie) = 36 molekul ATP

Kvašení (fermentace)

Rozklad glukózy bez přístupu kyslíku
Mléčné kvašení
Alkoholové kvašení

Anabolismus sacharidů

Fotosyntéza

Děj, kdy z látek anorganických se vytvářejí látky organické (sacharid, glukóza aj.)
Reakce, kdy se energie světelná přeměňuje na energii chemické vazby
Probíhá v chloroplastech
Co je k fotosyntéze potřeba? (fotosyntetický aparát):
Sluneční energie
CO₂
H₂O
Barviva – chlorofyl a, chlorofyl b, karotenoidy, xantofyly)
Redukční činidla, přenašeče elektronů
Dvě základní fáze:
- Světelná (primární) – probíhá pouze za přítomnosti světla
- Calvinův cyklus (sekundární) – není závislý na světle
Obecná rovnice fotosyntézy:

12H₂O + CO₂—-(chlorofyl,sluneční záření)—> C₆H₁₂0₆ + 6O₂ + 6H₂O

Primární fáze

Neboli světelná fáze
Probíhá na tylakoidech chloroplastů
V průběhu světelné fáze je energie světelného záření využita k tvorbě ATP – fotosyntetická fosforylace, NADH + H⁺a k fotolýze vody
Probíhá za účasti dvou fotosystémů:
Fotosystém I obsahuje formy chlorofylu absorbující sluneční záření a maximální vlnové délce 700 nm (P₇₀₀)
Fotosystém II obsahuje formy chlorofylu absorbující slunečné záření o maximální vlnové délce 680 nm (P₆₈₀)
Fotosystém I přijme světelné záření, přejde do excitovaného stavu a uvolní elektrony, které mohou:
- Buď redukovat NADP⁺ na NADPH + H⁺
- Nebo se vrátit zpět na P₇₀₀, přičemž část jejich energie je využita k tvorbě ATP v procesu zvaném cyklická fosforylace
Fotosystém II přijme světelné záření, přejde do excitovaného stavu a uvolní elektrony, které přecházejí do fotosystému I, nahradí z něho uvolněné elektrony a část jejich energie je využita k tvorbě ATP v procesu zvaném necyklická fosforylace
Oba fotosystémy doplňuje proces fotolýza vody, při kterém se voda rozkládá na kyslík (je uvolňován do okolí), vodík (váže se na NADP⁺) a elektrony (regenerují fotosystém II), výsledkem fotolýzy vody: vodíkové protony H⁺, elektrony a kyslík
- Rostlina má 2 fotosystémy: chlorofyl a bílkovina
NADP⁺ – nikotinamidadenindinukleotidfosfát funguje jako koenzym (nebílkovinná část enzymu) oxidoreduktáz (enzymů katalyzujících oxidačně-redukční procesy). NADPH + H⁺ je jeho redukovaná forma
Fotony světelného záření jsou zachycovány barvivy obsaženými v plastidech. Energie fotonů zachycená těmito barvivy je předávána molekulám chlorofylu a, tzv. reakčnímu centru fotosystému, kde způsobují excitaci
Zahrnuje tedy 3 procesy:
Fotolýza vody = rozklad vody světlem
Cyklická fotofosforylace => vznik ATP díky světlu
Acyklická (neboli necyklická) fotofosforylace

Výsledek:

O₂ – uniká do ovzduší
ATP – energie, která se spotřebuje při dalším ději
NADPH – redukční činidlo

Sekundární cyklus

Není závislá na světle, může probíhat i ve tmě
Probíhá mimo tylakoidy ve stromatu chloroplastů
V průběhu sekundární fáze dochází k redukci oxidu uhličitého za vzniku sacharidů při využití ATP a NADPH + H⁺ ze světelné fáze
Nejvýznamnější metabolickou cestou syntézy sacharidů je tzv. Calvinův cyklus, kdy je oxid uhličitý postupně začleňován do organické sloučeniny, konečným produktem je sacharid (hexóza)
Calvinův cyklus se označuje jako C₃ fotosyntéza => neboť prvním produktem asimilace je tříuhlíkatá sloučenina 3-fosfoglycerát, existuje také C₄ fotosyntéza – prvním produktem asimilace je čtyřuhlíkatá sloučenina oxalacetát
(napsat rovnici ze sešitu)

CO₂ je v Calvinově cyklu nejprve vázán na pětiuhlíkatý cukr (ribulózabisfosfát) za vzniku šestiuhlíkatého meziproduktu, ten se rozpadá na 2 tříuhlíkaté karboxylové kyseliny, které se redukují na 2 molekuly aldehydu, z nichž se kondenzací vytvoří 1 molekula hexózy. Z 6 molekul pentózy a 6 molekul CO₂ vznikne 6 molekul hexózy, z toho 1 molekula představuje určitý zisk a zbývajících 5 se opět přemění na 6 molekul pentózy (ribulózabisfosfátu)

Molekula CO₂ nejdříve zreaguje s ribulóza-1,5-bisfosfátem (pentóza) za vzniku nestabilního šestiuhlíkatého produktu, který se rozpadá na dvě molekuly 3-fosfoglycerátu (trióza)
3-fosfoglycerát je pomocí ATP fosforylován na 1,3-bisfosfoglycerát (trióza) a ten redukován pomocí NADPH + H⁺ na glyceraldehyd-3-fosfát (trióza)
Část glyceraldehyd-3-fosfátu kondenzuje za vzniku fruktóza-1,6-bisfosfátu (hexóza), který je defosforylován na fruktóza-6-fosfát (hexóza) a ten se mění na glukóza-6-fosfát (hexóza)
Část glyceraldehyd-3-fosfátu slouží k obnově ribulóza-1,5-bisfosfátu
Rubisco – enzym, který umožňuje navázání oxidu uhličitého na pětiuhlíkatý cukr
- ribulóza-1,5-bisfosfát
Probíhá u většiny rostlin mírného pásu

Význam fotosyntézy

Produkce kyslíku
Schopnost vázat dlouhodobě množství uhlíku v rostlinné biomase – zejména ve dřevě
Tvorba energeticky bohatých organických látek (cukrů) – tyto látky využívají heterotrofní organismy včetně člověka
Uchování energie v podobě fosilních paliv (uhlí a ropy), které vznikly z organismů, jejichž život v geologické minulosti umožnila existence fotosyntézy

Faktory ovlivňují intenzitu fotosyntézy

Světlo – nejintenzivněji probíhá fotosyntéza na červeném světle
Délka osvětlení – u nedostatečně dlouho osvětlených rostlin nastává blednutí listů
Teplota – nejintenzivněji probíhá fotosyntéza u většiny rostlin v rozmezí od 25 do 30
Dostatek vody a minerálních látek
Obsah CO₂ ve vzduchu

Metabolismus lipidů

Hlavní funkce: zásobní
V těle se rozkládají ve dvanáctníku, jsou rozkládány žlučí
Zdrojem energie
Součástí membrán
Katabolismu – rozklad lipidů
Anabolismus – syntéza (alkohol + kyselina) lipidů, probíhá v cytoplazmě
Lipidy (získané z potravy) se štěpí ve dvanáctníku, dochází k emulgaci (rozštěpení) tuků díky žluči, vzniká kapének tuků díky žluči, pak dojde k enzymatickému rozkladu na 2 složky
Alkohol (nejčastěji glycerol) a vyšší mastnou kyselinu (karboxylová kyselina s dlouhým uhlíkatým řetězcem)
Alkohol a VMK probíhají odděleně
Glycerol se rozkládá díky metabolismu sacharidů
VMK se odbourává v procesu zvaném β-oxidace

ß-oxidace

Sled reakcí probíhajících na mitochondriích
Sled reakcí, které zkrátí VMK a vždy o 2 uhlíky
Odbourávají se sudým počtem uhlíků (=> zkrátí se o 2C, vrátí se na začátek a jde to znovu => pouze u kyselin se sudým počtem uhlíku)
VMK R-CH₂-CH₂-COOH
Acyl R-CH₂-CH₂-CO

Anabolismus

Syntéza mastných kyselin má podobný charakter jako ß-oxidace (nejde ale o přesně protichůdné reakce)
Probíhá v cytoplazmě
Výchozí látkou je acetyl-CoA, nutný je přísun energie a redukovaných koenzymů

Metabolismus proteinů

Bílkoviny se skládají z aminokyselin (ty mohou být esenciální a neesenciální)
Katabolismus bílkovin se nazývá proteolýza
Anabolismus bílkovin se nazývá proteosyntéza

Proteolýza

Bílkoviny v potravě se rozkládají v žaludku (HCl), kde se denaturují (nevratně se jim poškodí bílkovinný řetězec) díky kyselině chlorovodíkové
K vlastnímu trávení dochází až v tenkém střevě (dvanáctník), kde se bílkoviny díky enzymu rozkládají na dipeptidy (2 aminokyseliny) až na aminokyseliny
Aminokyseliny tvoří v buňkách aminokyselinový pool (stálá hotovost aminokyselin v buňkách) => dále se spotřebovávají na tvorbu jiných dusíkatých látek nebo se mohou využít při hladovění jako zdroj energie
Aminokyseliny se štěpí (odbourávají) tak, že se rozdělí na aminoskupinu
Deaminace – odštěpení aminoskupiny
Aminokyselina se dále přeměňuje podle organismu, který ji potřebuje odbourat
V organismu se NH₂ přeměňuje na NH₃ (amoniak), ten je pro organismy velice toxický

Amonotelní živočichové – amoniak vylučují vodní živočichové – mohou ho vylučovat díky tomu, že amoniak naředí s vodou)
Urikotelní živočichové – přeměňují amoniak na kyselinu močovou (plazy, ptáci)
Ureotelní živočichové – přeměňují amoniak na močovinu (patříme sem i my J)

Ornitinový cyklus (malý krebsův cyklus) – přeměna na močovinu
Je biosyntetický (poslední fáze rozkladu bílkovin)
Močový cyklus probíhá nejintenzivněji v játrech

Anabolismus bílkovin

Probíhá na ribozomech (v buňce jsou volně nebo přisedlé na endoplazmatickém retikulu)
Pro proteosyntézu jsou nutné aminokyseliny, energie ve formě ATP, nukleové kyseliny (především tRNA, mRNA, rRNA), enzymy
Proto, aby mohla proběhnout syntéza bílkovin, je nutné, aby nejdříve proběhla replikace, transkripce, translace
Replikace, transkripce a translace = ústřední dogma molekulární biologie

Replikace DNA

Zdvojení DNA
Probíhá v jádře buňky
Jsou k tomu potřebné enzymy
DNA – 2 vlákna
Z vlákna mateřského (matrice) vzniká vlákno dceřiné (kopie)
Na papíru

Replikace začíná porušením vodíkových můstků mezi bázemi a rozevírá se vlákno DNA
K původním bázím se na základě principu komplementarity bází přiřazují báze nové (G-C, A-T)
Vnik nových vláken díky spojení bází přes cukr a kyselinu trihydrogenfosforečnou => nové vlákno, obě vlákna jsou stejná

Transkripce

Přepis informace z DNA na RNA proto, že se informace musí dostat z jádra do cytoplazmy

Obr. Na papíru

Rozevření vláken DNA, díky porušení vodíkových můstků mezi bázemi
Na základě principu komplementarity se připojí nové báze k matrici (původní vlákno) DNA
Báze se připojují přes cukr a kyselinu trihydrogenfosforečnou a vzniká nové vlákno RNA
Nové vlákno se odpojuje od původní matrice DNA
DNA se opět spojí do původního stavu

Vzniká mRNA, rRNA, tRNA

Transkripce

Přepis informace z RNA do bílkovin
Na papíru

Připojení mRNA na ribozom
Připojení aminokyseliny na tRNA
Spojení bází tRNA a mRNA na základě principu komplementarity (báze jsou vždy 3 – triplet, neboli kodon)
Spojení aminokyselin peptidickou vazbou
Připojení další aminokyseliny na mRNA
Odpojí se tRNA od aminokyseliny
Připojení další aminokyseliny

Další podobné materiály na webu: