Metabolismus – obecné rysy – maturitní otázka z biologie

 

   Otázka: Obecné rysy metabolismu

   Předmět: Chemie

   Přidal(a): Bára V.

 

 

 

 

ZÁKLADY LÁTKOVÉHO A ENERGETICKÉHO METABOLISMU

– metabolismus – soubor chemických reakcí probíhajících v živých organismech a mezi organismy a jejich životním prostředím

– 2 hlavní úlohy – zajištění energie a stavebního materiálu organismu

– děje rozdělujeme na 2 typy procesů:

1. Katabolismus – část metabolických drah, při kterých jsou látky štěpeny na jednodušší, jedná se o rozkladné (analytické) reakce – oxidace, dehydrogenace – v průběhu dochází k uvolňování energie

 

2. Anabolismus – část metabolických drah, při kterých z látek jednodušších vznikají složitější molekuly, syntetické reakce – redukce, hydrogenace

– děj spotřebovávající energii

Srovnání: mají protichůdný charakter (probíhají mezi stejnými výchozími a konečnými látkami v opačných směrech), vzájemně se doplňují (anabolismus využívá produkty katabolismu a naopak), probíhají odděleně v různých částech buňky (často i v různých orgánech). Katabolismus probíhá především v mitochondriích, anabolické děje v cytoplazmě (oddělené děje umožňují nezávislou regulaci).

 

3. Amfibolické metabolické dráhy – část metabolických drah, která není doprovázena výraznou změnou energie, např. citrátový (krebsův) cyklus

 

Společné rysy metabolismu organismů

1. počet probíhajících typů reakcí v organismu je malý (6 tříd enzymů)
2. centrální úlohu v metabolismu nehraje více jak 100 druhů molekul
3. biochemické děje neprobíhají jednotlivě, ale jsou spojeny do řetězců nebo cyklu´ů, které se navzájem prolínají (doplňují) do tkzv. metabolických drah
4. mnohé metabolické dráhy jsou společné všem živým organismů

 

Třídění organismů s metabolického hlediska

1. podle zdroje přijímané energie:

• fototrofy – sluneční energie
• chemotrofy – energie z oxidace chemických látek

2. podle zdroje uhlíku (stavebního materiálu):

• autotrofní organismy – syntetizují organické sl. z organických zdrojů
• heterotrofní organismy – jako stav. materiál přijímají organické sloučeniny v potravě

3. podle zdroje (donoru) elektronů (atomů H):
   • litotrofní organismy – zdrojem e- jsou jednoduché anorganické sloučeniny (dusík, sulfa, amoniak, voda);
   • organotrofní organismy – zdrojem e- jsou dehydrogenace organických látek (glukóza, vyšší MK v tucích)
4. podle konečného akceptoru (příjemce) elektronů:
   • aerobní organismy – konečným akceptorem je kyslík
   • anaerobní organismy – jiná jednoduchá molekula než kyslík

 

GIBBSOVA (volná) ENERGIE ΔG

– používá se pro popis chemických reakcí, které probíhají za stálého tlaku a teploty, vyjadřuje samovolnost reakcí za stálého tlaku a teploty, [G] kJ.mol^-1

– část chemické energie biomolekul, která se za podmínek v organismu může přeměnit na užitečnou práci

 

Tříděni biochemických dějů podle ΔG

1. exergonické – poskytují energii, ΔG<0, všechny katalytické děje
2. endergonické děje – vyžadují dodání energie, všechny biosyntetické děje, ΔG>0, buněčné pohyby, aktivní transporty

 

Spojení exergonické a endergonické reakce zprostředkovává společný meziprodukt.

A + X  -> B + X_a

 

X_a – aktivovaná forma meziproduktu s vysokým obsahem energie, ΔG<0, vstupuje do vhodného endergonického děje kde dodává ději energii

C + X_a -> D + X

 

Makroenergické přenašeče – sloučeniny, které využívají energii uvolněnou v katabolismu k přeměně na aktivovanou formu s vysokým obsahem energie (ATP, acetylkoenzym A, GTP, UTP, organofosfáty, thioestery)

 

ADENOSINTRIFOSFÁT – ATP

– makroskopická sloučenina s velkým obsahem energie -> univerzální makroenerergický přenašeč využívaný všemi buňkami

– má strukturu nukleotidu

 

UVOLŇOVÁNÍ ENERGIE – hydrolýza při 37°C a v neutrálním prostředí

a) ATP + H₂O <-> ADP + Pi + 2H⁺ nebo ATP + H2O <-> AMP + PPi + 2H⁺…ΔG= -33 kJ.mol^-1

(štěpí se všechny fosfoanhydridové vazby nebo jen prostřední a tím pádem zůstává jedna)

ADP – adenosinfosfát; AMP – adenosinmonofosfát

Pi = HPO₄^2- – anorganický fosfát, PPi – difosfát

 

sumární rovnice:

ATP + H₂O <-> AMP + 2Pi + 4H⁺    …ΔG= -66 kJ.mol^-1

 

!! Energie vzniká při rozkladu ATP, ne při rozpadu vazby.

 

SYNTÉZA ATP V ORGANISMU:

1. substrátová fosforylace

• fosforylačním činidlem je makroergický metabolit povahy organického fosfátu (produkt metabolismu s vysokým obsahem E, ve struktuře vázaný fosfát)

M-P + ADP  -> ATP + M

…M-P – metabolit

• fosforylačním činidlem je anorganický fosfát a energie využitá při syntéze ATP se uvolní rozpadem makroergické sloučeniny

M-X + ADP + Pi -> ATP + M + X

 

2. tvorba ATP spojená s přenosem e^– – fosforylačním činidlem je anorganický fosfát, energie potřebná k tvorbě ATP se získává transportem e^– na jejich konečné akceptory (aerobní – kyslík)

ADP + Pi + 2H⁺ <-> ATP + H₂O    …Pi – fosforylační činidlo

1. oxidací chemických sloučenin – OXIDAČNÍ FOSFORYLACE
2. elektrony se uvolní excitací molekul chlorofylu vlivem slunečního záření – fotofosforylace; energie uložená ve struktuře ATP se okamžitě spotřebovává v anabolických dějích

Přebytečná energie se v organismu využívá k biosyntéze zásobních látek (polysacharidy nebo tuky).

 

Dalším příkladem přenosu energie je AKTIVACE A PŘENOS ATOMŮ H₂.

Atomy H₂ se účastní redoxních dějů v organismu – v buňce se nenacházejí volné, ale jsou vázané na kofaktory oxidoreduktas. Označují se jako aktivní vodík [H]. Patří mezi ně nikotinamidové koenzymy – aktivní částí koenzymu je nikotinamid (derivát pyridinu).

oxidovaná forma (NAD⁺, NADP⁺)     <- Oxidace    —    Redukce ->    redukovaná forma (NADH+H⁺, NADPH+H⁺)

 

-> nikotinamidadenindinukleotid NAD⁺ (NADH – H⁺) – slouží k přenosu atomů H odebraných substrátům v katabolismu na konečné akceptory např. O₂– molekulový kyslík, uvolněná energie při přenosu atomu H se ukládá do molekul ATP

-> nikotinamidadenindinukleotidfosfát NADP⁺ (NADPH – H⁺) – slouží k přenosu atomů H z katabolických dějů do dějů biosyntetických (z katabolismu do anabolismu), v organismu vystupuje jako silné redukční činidlo o vysoké energii

-> flavinadenindiukleotid FAD (FADH₂) – prostetická skupina oxidoreduktas (kofaktor oxidoreduktas) přenášející v organismu atomy H

 

RESPIRACE (DÝCHÁNÍ)

= metabolická dráha, kterou většina chemotrofních organismů získává hlavní podíl energie uložené ve struktuře živin (asi 90%)

– skládá se ze dvou vzájemně propojených procesů:

1. DÝCHACÍ (respirační) ŘETĚZEC
2. OXIDAČNÍ FOSFORYLACE

 

DÝCHACÍ ŘETĚZEC je posloupnost biochemických dějů, které probíhají na vnitřní membráně mitochondrií.

Vodíkové atomy odebrané substrátům v průběhu katabolických dějů se vážou na kofaktory oxidoreduktas – vznikají jejich redukované formy, které vstupují do dýchacího řetězce, kde jsou oxidovány a kde předávají e^– konečným akceptorům (O₂) za vzniku vody a uvolnění energie.

Z en. hlediska je dýchací řetězec konečnou fází aerobního katabolismu (živočichové, mikroorganismy). Účinné využití energie umožňuje vícestupňový přechod e^– systémem oxidoreduktas zabudovaných ve vnitřní membráně mitochondrie. Enzymové komplexy jsou seřazeny podle stoupající afinity k elektronům (postupně stoupá síla oxidačního činidla – částice, která přijímá elektrony a tím se redukuje a zároveň způsobuje oxidaci jiné částice).

 

Každý článek řetězce oxidoreduktas je redukován předchozím a redukuje následující článek. Při transportu elektronů systémem oxydoreduktas se postupně uvolňuje energie, která je zdrojem energie pro syntézu ATP.

 

OXIDAČNÍ FOSFORYLACE

Transport e^– a syntéza ATP jsou navzájem spojeny. Systémem oxidoreduktas se přenášejí pouze e^– atomu H. H⁺ jsou uvolňovány do mitochondriální matrix. Energie uvolněná při transportu e^– umožňuje přechod H⁺ z vnitřního prostředí mitochondrie do cytoplazmy – dochází tak k okyselení cytoplazmového prostoru a vzniká gradient pH – protonmotivní síla. Koncentrační rozdíl je vyrovnáván návratem H⁺ do vnitřního prostředí mitochondrie. Přechod H⁺ přes vnitřní membránu mitochondrie umožňuje enzymový komplex – adenosintrifostatasa (ATP-ASA), která se nachází na vnitřní membráně v blízkosti dýchacího řetězce. Skládá se ze dvou dýchacích částí: hlavice (F₁) – vyčnívá do vnitřního prostředí mitochondrie a enzymový komplex označovaný jako ATP – SYNTHETASA

 

H⁺ nezůstávají v cytoplazmě – vrací se zpět protonovým kanálem. Je uvolněna energie, která se využívá k fosforylaci ADP + Pi na ATP. ATP je malá a není vázána na membránu – může se v buňce snadno pohybovat a je využívána při různých funkcí jako zdroj okamžité energie.

 

CITRÁTOVÝ CYKLUS (Krebsův)

– metabolická dráha ve které je acetlykoenzym A odbouráván na CO₂ a redukované formy kofaktorů (FADH₂ a 3NADH+H⁺, které dále vstupují do respirace)

– soubor osmi dílčích reakcí, které probíhají v matrixu mitochondrií

 

1. Acetylkoenzym A se kondenzuje oxalacetátem za současného hydrolitického štěpení vazby acetylkoenzymu. Vzniká citrát (anion šestiuhíké trikarboxylové kyseliny) a odštěpuje se koenzym A.
2. Citrát se izomeruje na isocitrát.
3. Isocitrát podléhá oxidační dekarboxylaci za vzniku 2-oxoglutarátu, uvolnění CO₂ a NADH+H⁺.
4. 2-oxoglutarát podléhá oxidační dekarboxylaci (uvolnění CO₂ a NADH+H⁺). Vznikající produkt se naváže na koenzym A a vzniká sukcinylkoenzym A.
5. Hydrolitické štěpení vazby sukcinylkoenzymu A za vzniku koenzymu A a GTP (makroenergetický přenašeč do kterého se ukládá energie, substrátová fosforylace).
6. Sukcinát podléhá dehydrogenaci za vzniku fumarátu a odštěpení FADH₂.
7. Fumarát podléhá hydrataci (adice vody na dvojnou vazbu) a vzniká L-malát.
8. L-malát podléhá dekarboxylaci za obnovení molekuly oxalacetátu.

 

FOTOSYNTÉZA (Biosyntéza sacharidů)

– metabolická dráha, při které za účasti slunečního záření a chlorofylu dochází k přeměně vody a CO₂ na molekulu glukosy C₃H₁₂O₆

6CO₂ + 12H₂O    –>    6O₂ + C₆H₁₂O₂ + 6H₂O

– provádějí ji fotosyntetizující autotrofní organismy (rostliny, zelené řasy, sinice), u eukaryotních fototrofních organismů probíhá v chloroplastech

– silně exotermní děj

 

– probíhá ve dvou spojených fázích:

1. PRIMÁRNÍ FÁZE – probíhá pouze za slunečního záření na membránách tylakoidů, en. slunečního záření se mění na energii excitovaných e^–, které se přenáší systémem oxidoreduktas za tvorby molekul ATP a vzniku redukovaného koenzymu NADPH+H⁺

– u vyšších rostlin se skládá ze 4 dějů:

• fotochemická exitace fotoreceptorů

– fyzikální děj, při kterém dochází k zachycení slunečního záření molekulami fotoreceptorů (org. sloučeniny vázané na proteiny, které mají schopnost absorvovat slunečního záření – umožněno systémem konjugovaných vazeb)

– florofyty, karotenoidy

– uplatňují se 2 fotosystémy:

Fotosystém I – reakční centrum s absorpčním maximem 700 nm

Fotosystém II – absorpční maximum 680 nm

– po absorpci vznikají excitované e^– (přechází do vyšších mag. vrstev)

• fotooxidace vody (fotolýza)

P₆₈₀    ->     P₆₈₀    ->    e^– + P₆₈₀⁺ (ox. činidlo)

– reakční centrum fotosystému 680 předává exitované e^– systému oxidoreduktas a získává tak kladný náboj -> vzniká silné oxidační činidlo, které může přijímat H₂O

H₂O   ->  2H⁺ + 2e^– + ½ O₂

2e^– + P₆₈₀⁺    ->    P₆₈₀

• fotoredukce NADP⁺

P₇₀₀    ->   P₇₀₀^*  ->  e^– + P₇₀₀⁺

– uvolněné e^– mohou vstupovat do dvou dějů:

Redukce NADP⁺

NADP⁺ + 2e^– + 2H⁺    ->   NADPH+H⁺ (red. činidlo s vysokým obsahem energie)

Cyklická fosforylace

– e^– přecházejí přes systém oxidoreduktas a navrací se zpět do reakčního centra fotosystému, které se dostaví do původního stavu

P₇₀₀⁺ + e^–  ->   P₇₀₀

• fotofosforylace

– uvolněné e^– procházejí systémem oxidoreduktas a dochází ke stupňovitému uvolňování energie, která slouží k přenosu H⁺ z kapalné výplně chloroplastu do cytoplazmy -> vzniká gradient pH – koncentrační rozdíl -> postupně dochází k jeho snížení a návratu H⁺ do vnitřní tekuté náplně chromoplastu prostřednictvím     ATP-ASY

– uvolněná energie se používá při fosforylaci ADP anorganickým fosfátem

– > produkty: ATP, NADP+H⁺, ½ O₂

 

2. SEKUNDÁRNÍ FÁZE (temnostní) – nezávislá na světle, probíhá v kap. výplni chloroplastů

– v průběhu metabolické dráhy jsou molekuly CO₂ postupně začleňovány do organické sloučeniny za účasti redukčního činidla NADPH+H⁺ a ATP

– nejčastěji probíhá jako cyklický děj, jeho metabolickou dráhu lze rozdělit do třech fází:

• fixace CO₂ v organické molekule

 

• redukce 3-fosfoglycerátu aktivovaného CO₂

 

– část vznikajících trifosfátů přechází přes membránu chloroplastu do cytoplazmy a dochází k aldolové kondenzace trios a fosfátů za vzniku fruktosa-1,6-disfosfátu

– dochází k odštěpení anorganického fosfátua izomerací vzniká glukosa-6-fosfát (obrázená glykolýza s jinými enzymy), která slouží k biosyntéze stavebních a zásobních polysacharidů

– meziprodukty mohou být přeměněny na pyruvát a acetylkoenzym A v přítomnosti anorganických zdrojů dusíku, vznikají amk, vyšší MK a ostatní přírodní org. látky

• regenerace akceptoru CO₂ (ribulosy-1,5-difosfátu)

– z části molekul glyceraldehyd-3-fosfátu je ve složitém metabolickém ději za spotřeby ATP obnovena ribulosa-1,5-difosfát