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
  • Anabolismussyntetické 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 + CO—-(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






—————————————————————————

 Stáhnout práci v PDF  Upozornit na chybu

 Učebnice k maturitě  Maturitní kurzy

 Učebnice k VŠ přijímačkám  Kurzy na přijímačky

—————————————————————————

Další podobné materiály na webu: