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:

1. Aktivace glukózy a její přeměna na triosafosfáty
2. Dehydrogenace glyceraldehyd-3-fosfátu na 3-fosfoglycerát
3. Přeměna 3-fosfoglycerátu na pyruvát
4. 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
5. 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
6. 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
7. 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

1. Amonotelní živočichové – amoniak vylučují vodní živočichové – mohou ho vylučovat díky tomu, že amoniak naředí s vodou)
2. Urikotelní živočichové – přeměňují amoniak na kyselinu močovou (plazy, ptáci)
3. 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

1. Replikace začíná porušením vodíkových můstků mezi bázemi a rozevírá se vlákno DNA
2. K původním bázím se na základě principu komplementarity bází přiřazují báze nové (G-C, A-T)
3. 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

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

• Vzniká mRNA, rRNA, tRNA

 

Transkripce

• Přepis informace z RNA do bílkovin
• Na papíru

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