ENERGIE BUNĚČNÁ RESPIRACE FOTOSYNTÉZA
©2013 Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D.
ZÍSKÁVÁNÍ a PŘENOS ENERGIE BUŇKOU 1. termodynamická věta - různé formy energie se mohou navzájem přeměňovat 2. termodynamická věta - část energie se uvolní jako teplo, část jako volná energie (Gibbsonova energie - schopna konat práci) ------------------------------------------------------------------------------------ZDROJE ENERGIE: - FOTONY (sluneční světlo) - POTRAVA (organické molekuly) - ANORGANICKÉ MOLEKULY (u chemosyntetických bakterií)
Dělení organismů podle zdroje energie: FOTOTROFNÍ - světlo (fototrofní bakterie, zelené rostliny a řasy) CHEMOTROFNÍ - anorganické látky (chemolitotrofní bakterie) Dělení organismů podle zdroje C: AUTOTROFNÍ - CO2 (rostliny) HETEROTROFNÍ - organické látky (živočichové, rostliny) - fotoautotrofní / fotoheterotrofní - chemoautotrofní / chemoheterotrofní Eukaryonta: - fotoautotrofní / fotoheterotrofní chemoheterotrofní MIXOTROFNÍ = autotrofně heterotrofní (masožravé rostliny, poloparazit - kokrhel, všivec..) Bakterie:
METABOLISMUS Katabolismus (katabolické dráhy) - odbourání živin, uvolnění Gibbsonovy energie a část se mění v teplo Anabolismus (anabolické dráhy) - syntéza molekul, využití energie stavební molekuly potrava
katabolismus
polymery
užitečná forma energie
anabolismus
teplo
stavební molekuly - monomery Co jsou to anabolika?
KATALÝZA zrychlení chemických reakcí pomoci katalyzátoru, který se během reakce nespotřebovává zajišťuje alternativní reakce, snižuje aktivační energii katalýza energie
vazba substrátu
substrát
po vazbě substrátu, mění enzym tvar
produkt
aktivní místo nekatalyzovaná reakce katalyzovaná reakce doba
komplex enzym substrát
komplex enzym produkt
produkt opouští aktivní místo
Jak buňky získávají energii z potravy? - rostliny, živočichové
RESPIRACE (buněčné dýchání) C6H12O6 + 6O2
6CO2 + 6H2O + volná energie
- opačná rovnice fotosyntézy - energie je získávána z cukrů či jiných organ. molekul potravy postupnou oxidací (řízené spalování, respirace,dýchání) - energie se ukládá do chemických vazeb nosičových molekul
NOSIČOVÉ MOLEKULY (aktivované přenašeče, koenzymy) Nosičové molekuly ATP, GTP
Přenášená skupina fosfátová skupina
NADH, NADPH, FADH2 acetyl CoA
elektrony (H-) a proton (H+) acetylová skupina
ATP (adenosin-5-trifosfát)-univerzální platidlo, energet. bohaté fosfátové vazby GTP (quanosintrifostát) NADH (redukovaný nikotinamidadenindinukleotid) NADPH (redukovaný nikotinamidadenindinukleotidfosfát) FADH2 (redukovaný flavinadenindinukleotid)
Funkce cukrů energetický zdroj (glukóza) dlouhodová zásoba energie - glykogen (živočichové) - škrob (rostliny) mechanická podpora škrobová zrna - celulóza (polysach. glukózy, rostliny) - chitin (polymer N-acetylglukosaminu, kostra hmyzu, buněčná stěna hub) složka slizů, hlenu, chrupavek součást glykolipidů a glykoproteinů - v buněčné membráně
TRÁVENÍ - energie pro buňku pochází z chemických vazeb v molekulách potravy - energie se získává postupným odbouráváním CUKRŮ (LIPIDŮ, PROTEINŮ) v enzymových drahách - ve střevech (v organizmu) a v lysozomech (v buňce) - odbourání polymerů na malé molekuly Polysacharidy monosacharidy Proteiny AK Tuky MK a glycerol
lysozom tenké střevo Umět lokalizovat (v rámci buňky), kde jednotlivé fáze buněčného dýchání probíhají
ROZKLAD MONOMERŮ - momomery vstupují do cytoplazmy buňky a dochází k jejich rozkladu Př. Glykolýza (štěpení cukrů) - sled 10 reakcí, každá vede ke tvorbě odlišných meziproduktů, katalyzováno odlišnými enzymy. 1 glukóza (6 C) 2 pyruváty (2x 3 C) Uvolněná energie je uložena do: 2 ATP, 2 NADH
VZNIK ACETYL-CoA - pyruvát přechází z cytosolu do matrix mitochondrií (u aerobních bakterií v cytosolu) 1 pyruvát (3C) CO2 + acetyl (2C) acetyl + CoA acetyl CoA Oxidací jednoho pyruvátu vzniká 1 NADH, celkem 2NADH
Umět nakreslit a popsat mitochondrii
ZPRACOVÁNÍ ACETYL-CoA - acetylová skupina je přenesena na oxalacetát za vzniku kyseliny citrónové, ta je oxidována na CO2 a H2O (Krebsův cyklus - v matrich mitochondrie) acetyl CoA + O2
CO2 + H2O
Energie z 1acetyl-CoA je uložena do: 3 NADH, 1 FADH2, 1GTP
Celkem 6NADH, 2FADH2, 2ATP
ATP - hlavní chemicko-energetické „platidlo“ v buňkách - malá část ATP se tvoří v cytosolu - většina ATP se tvoří při membránových dějích v: mitochondriích, chloroplastech, buněčné membráně bakterií Pyruvát z glykolýzy (2 molekuly pyruvátu z 1 molekuly glukózy)
Krebsův cyklus
OXIDAČNÍ FOSFORYLACE Chemiosmotické spřažení v mitochondriích nosičové molekuly (NADH, FADH2) poskytují elektrony, které jsou přenášeny elektrontransportním řetězcem (protonové pumpy - proteiny) elektrony + O2 H2O + energie energie z vysokoenergetických elektronů je využita k čerpání H+ protonů přes membránu do mezimembránového prostoru pomocí protonových pump: NADH-dehydrogenázový komplex komplex cytochromů b+c1 cytochromoxidázový komplex syntéza ATP je poháněna protonovým gradientem (průchod H+ přes ATP-syntázu do matrix přes vnitřní membránu)
CHEMIOSMOTICKÉ SPŘAŽENÍ V MITOCHONDRIÍCH
SYNTÉZA ATP
HYDROLÝZA ATP
vnitřní mitochondriální membrána
matrix
Animace syntézy ATP: http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/m etabolism/atpsyn1.swf http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/m etabolism/atpsyn2.swf
Schéma respirace
Buňka získá oxidací 1 glukózy na CO2 a H2O asi 30 ATP Fosforylace substrátu
Oxidace
2 ATP
2 NADH
-
2 NADH
2 ATP (z GTP)
6 NADH + 2 FADH2
4 ATP
10 NADH + 2 FADH2
Glykolýza Oxidace pyruvátu Krebsův cyklus Celkem
Teorie: NADH
3ATP, FADH2
2 ATP
Celkem ATP: 4 + 30 + 4 – 2 (transport NADH z glykolýzy přes membránu mitochondrie) = 36 ATP
Skutečnost: NADH
2,5 ATP, FADH2
Celkem ATP: 4 + 25 + 3 – 2 =
1,5 ATP
30 ATP
Asi 50 % energie glukózy se váže v ATP (k užitečné práci), zbytek teplo
30ATP aerobní podmínky anaerobní podmínky
2ATP
Jak získávají buňky energii ze slunce? rostliny, fotosyntetizující bakterie, řasy, někteří protista proces fotosyntézy
Fotosyntéza
sluneční záření CO2 kyslík voda minerály
cukry
Umět napsat rovnici fotosyntézy (opačná rovnice buněčného dýchání)
FOTOSYNTÉZA probíhá v chloroplastech na membráně tylakoidů rostliny přijímají CO2 ze vzduchu a vodu z půdy; za přítomnosti energie fotonů a chlorofylu produkují cukr (glukóza) a kyslík část cukru je využit rostlinou k životním procesům (růst, reprodukce); zbytek se ukládá v podobě škrobu sluneční záření
6CO2 + 6H2O
C6H12O6 + 6O2
Chlorofyl – zelený pigment Fotosyntéza a buněčné dýchání zajišťuje na Zemi rovnováhu CO2 a O2 na zemi.
Umět nakreslit a popsat chloroplast
FOTOSYNTÉZA
cukr
CO2
ATP NADPH
světlo
ADP H+
NADP
H+
membrána tylakoidů eH2O
O2 + H + Fotosystém II
H+
Fotosystém I
H+ + H
ATP syntáza
I. Fáze fotosyntézy (světelná): v tylakoidech chloroplastů dopad fotonů na asimilační barviva (chlorofyl a, chlorofyl b, karotenoidy ve fotosystémech I a II v thylakoidních membránách chloroplastů) a excitace elektronů energie je využita k čerpání H+protonů ze stromatu přes membránu do thylakoidů protonovou pumpou: komplex cytochromů b6 a f fotolýza vody H2O 2H+ + 2 ē + 1/2O2 přenos elektronů redoxními systémy k redukci NADP na NADPH syntéza ATP, která je poháněna protonovým gradientem tj. průchodem H+ATP- syntázou do stromatu přes thylakoidní membránu
Chemiosmotické spřažení FOTOSYNTETICKÁ FOSFORYLACE
II. fáze fotosyntézy (temnostní, Kalvinův cyklus): pojmenované po Melvin Calvin reakce mohou probíhat bez přítomnosti světla navázání CO2 a jeho redukce uvolněným vodíkem (z fotolýzy vody) za vzniku organických sloučenin (energii dodají přenašeče energie), ve stromatu chloroplastu k produkci 1 molekuly glukózy je třeba 6 Calvinových cyklů světelná fáze
Kalvinův cyklus
světlo
fotosystém II fotosystém I
chloroplast cukr
Animace fotosyntézy: http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/metabolism/ photosynthesis.swf
UKLÁDÁNÍ a ZUŽITKOVÁNÍ POTRAVY MK - jsou ukládány jako tukové kapénky v tukových buňkách Cukry - jsou ukládány jako glykogen (živočichové) škrobová zrna (rostliny)
Oxidací 1 g tuku se uvolní 2 x více energie než z glykogenu V tuku je uložena energie na 1 měsíc V glykogenu je uložena energie na 1 den !!!
CYTOSKELET POHYB
Jaké typy pohybů znáte?
Pohyb na buněčné úrovni: lokomoce buněk (řasinkový, bičíkový, améboidní pohyb) proudění cytoplazmy, vnitrobuněčný transport pohyb chromozomů při mitóze, cytokineze
Pohyby na úrovni mnohobuněčného organismu: svalový pohyb
CYTOSKELETÁLNÍ PRINCIP (CYTOSKELET) intermediární filamenta (střední) (průměr 10 nm) mikrotubuly (25 nm) mikrofilamenta (aktinová vlákna) (7 nm)
Funkce: tvar buňky, rozmístění organel (intermed. filamenta) pohyb buňky (mikrotubuly, mikrofilamenta) vnitrobuněčný transport (mikrotubuly) mitóza - dělící vřeténko, kontraktilní prstenec (mikrotubuly, mikrofilamenta)
střední filamenta
mikrotubuly
mikrofilamenta
INTERMEDIÁRNÍ FILAMENTA fibrilární bílkoviny (alfa šroubovice - dimer tetramer - vlákno (8 tetramerů), spojují se do protofilament Třídy: keratiny (epitelie), vimentiny (pojiva, svaly, neuroglie), neurofilamenta, laminy (v jádrech) Funkce: zpevnění buňky - v místech desmosomů zpevnění jaderné membrány (laminy) determinace tvaru buněk rozmístění organel v buňce
MIKROTUBULY složeny z globulárních proteinů (tubuliny) polární dimer (α tubulin- a β tubulin+) řetězec = protofilamentum mikrotubul (ze 13 řetězců) polarita: – a + konec dynamická nestabilita (50 % aktinu v monomerech, 50 % v polymerech, růst a rozpad s využitím ATP)
Místa odkud mikrotubuly vyrůstají: centrosom vnitrobuněčný transport bazální tělísko bičíkový, řasinkový pohyb póly dělícího vřeténka mitóza
Nakresli dělící vřeténko
MIKROFILAMENTA (AKTINOVÁ VLÁKNA) fibrilární provazce složené z globulárních molekul aktinu strukturální polarita (+, – konec) dynamická nestabilita
Mechanismus pohybu: - transformace energie chemické v mechanickou Motorové proteiny = molek. motory, mechanochem. enzymy Složení motorů: Motorová doména - 1 polypeptidový řetězec, hlavička s ATPázovou aktivitou, kontaktuje mikrofilamenty nebo mikrotubuly po kterých se motor pohybuje. Koncová doména - jiný polypeptidový řetězec. Má vazebná místa pro molekuly či buněčné struktury (membránové váčky, plazmatická membrána). ATPázy uvolňují energii hydrolýzou ATP po kontaktu motorů s mikrotubuly (či mikrofilamenty)
Motory spolupracující s mikrotubuly: kineziny – pohyb od – k + konci (antegrální transport) dyneiny – pohyb od + k – konci (retrográdní transport)
Jak se nazývají motory spolupracující s mikrofilamenty?
Motory spolupracující s mikrofilamenty: myoziny I - 1 motorová doména, ve všech typech buněk myoziny II - 2 motorové domény, svalový myozin
myozin I
myozin II koncová doména
motorová doména myozin II (vlákno)
PRINCIP POHYBU MOTORŮ A) pohyb motoru po cytoskeletální struktuře, která je fixována - motorová doména se váže k cytoskeletální struktuře, dojde k hydrolýze ATP, změní se konformace motorové domény, posune se po mikrotubulu (mikrofilamentu), s motorem se posune i to co je na motor navázáno, konformace hlavičky se obnoví
B) pohyb mikrotubulu (mikrofilamentu) pomoci motoru, který je fixován
C) klouzání mikrotubulů (mikrofilament) - motory pevně vázány na jeden mikrotubulus (mikrofilamentum), motorovou doménou kontaktuje jiný mikrotubulus (mikrofilament), dochází k vzájemnému posunu cytoskeletálních struktur
SHRNUTÍ cytoskeletální mikrotubuly vlákno
mikrofilamenty
molekulový motor
kineziny, dyneiny myozin I, II
pohyb
- vnitrobuněčný, - bičíkový, - řasinkový, - mitóza (dělící vřeténko)
Nakresli nervovou buňku
- améboidní, - svalový, - mitóza (kontraktilní prstenec u živočišné buňky) Animace pohybu molekulových motorů: *http://home.earthlink.net/~shalpine/anim/Life/kinesin.htm http://faculty.plattsburgh.edu/donald.slish/Motors.html
VNITROBUNĚČNÝ TRANSPORT - transport váčků v sekreční dráze, v axonech nervových buněk, přemísťování pigmentu v melanoforech tělo nervové buňky
Jaký je rozdíl mezi centrozomem, centrioly a centromerou?
motory se pohybují po mikrotubulech (v cytoplazmě), které vyrůstají z centrozomu a směřují k periferii buňky směr pohybu motorů je dán polaritou mikrotubulů
centrozom
Centrioly ve dvojicích součást centrozomu živočišných buněk po obvodu je 9 trojic mikrotubulů vznikají z nich bazální tělíska
CENTROSOM
CENTRIOLY
MIKROTUBULY
POHYB KINOCILIÍ (BIČÍKY A ŘASINKY) Kinocílie jsou pokryty plazmatickou membránou a zakotveny do bazálních tělísek (9 trojic mikrotubulů bez centrálních mikrotubulů).
Pohybová struktura kinocilií je axonema = svazek mikrotubulů spojených asociovanými proteiny. V ose axonemy jsou 2 centrální mikrotubuly a kolem nich je 9 zdvojených mikrotubulů = dublet (9+2 vzorec). Dublet má A a B podjednotku. Příčný průřez konocílií
(A a B podjednotka)
Pohyb kinocilií je dán klouzáním mikrotubulů, poháněné dyneinem (koncovou doménou je připojen k A podjednotce a motorovou doménou kontaktuje B podjednotku)
Při aktivaci motorové domény dojde ke konformační změně (ATP z cytosolu), vzájemný posun mikrotubulů je omezen, proto dojde k jejich ohýbání, ne k posunu.
Animace bičíkového a řasinkového pohybu: http://programs.northlandcoll ege.edu/biology/Biology1111 /animations/flagellum.html
BAKTERIÁLNÍ BIČÍK - umožňuje lokomoci bakterií ve vodném prostředí - polotuhé, šroubovité vlákno, tvořené jedním proteinem (flagelinem) v membráně buňky v ložisku, ve kterém jsou uváděna do točivého pohybu tokem protonů zvenčí do buňky (podle signálů z prostředí bakterie mění směr otáčení bičíku)
kotva (universální spoj)
vlákno Pouzdro (L a P prstenec)
STAROR (čepy a C prstenec)
ROTOR (S a M prstenec)
AMÉBOIDNÍ (měňavkovitý) POHYB améby (měňavky), hlenky, leukocyty a jiné krevní buňky, fibroblasty, princip fagocytózy
Princip: 1. vysílání výběžků (aktinová vlákna) ve směru pohybu buňky, vytlačení cytoplazmy, klouzání mikrofilament poháněné myoziny 2. přichycení výběžků na podložku pomoci integrinů (transmembránové proteiny) 3. kontrakce zadní části buňky, interakce aktinových vláken s molek. motory - myozin I Typy výběžků: pseudopodie, lamelipodie – tenké, plochý tvar filopodie – vláknitý tvar
FAGOCYTÓZA – princip améboidního pohybu
Animace fagocytózy: http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashan imat/cellstructures/phagocitosis.swf
SVALOVÝ POHYB Pohybové činnosti (běh, chůze, plavání, let), kosterní svaly Nevolní pohyby (srdeční stahy, střevní peristaltika) srdeční a hladké svaly
Kosterní sval - kosterní svalová buňka (mnohojaderná, jádra těsně pod plazmatickou membránou), cytoplazma vyplněna myofibrilami (průměr 1-2 μm), složeny z kontraktilních jednotek = sarkomera (délka 2,5 μm) Nakresli sarkomeru
Myosinová vlákna (silná) - uprostřed sarkomery, vznikají spojováním myozinu II (2 globulární domény - hlavička a konec)
Aktinová vlákna (tenká) - vycházejí z obou konců sarkomery (ukotvena + konci k Zdiskům = Z linie), volnými konci se překrývají s myozinem
Příčně pruhovaný sval ve světelném mikroskopu
Příčně pruhovaný sval v elektronovém mikroskopu
SVALOVÝ STAH 1) signál z nervové soustavy, elektrický vzruch se šíří pomoci příčných kanálků (T-systém, vzniká invaginací membrány)
2) předání signálu sarkoplazmatickému retikulu (specializované ER kolem myofibrily, obsahuje Ca2+). Elektrický signál způsobí změnu potenciálu na membráně, otevření iontových kanálů membrán SR a uvolnění Ca2+ do cytosolu.
3) Ca2+ se váže na troponinový komplex (proteiny), který udržuje tropomyozin (protein) v poloze, kdy překrývá vazebná místa aktinu pro myozin. Troponin se posune a uvolní tato vazebná místa.
4) vazba hlaviček myozinu II na aktinová vlákna, paralelní pohyb dvou opačně orientovaných sad aktinových vláken
Sarkomery jsou spojeny speciální signalizační soustavou, která umožňuje okamžitý stah všech sarkomer (stah sarkomer z 3 μm do staženého stavu 2 μm trvá 0,1 sec). Svalové uvolnění: ukončení nervového vzruchu, Ca2+ je vypumpován do SR pomoci Ca2+ pump v jeho membráně. Molekuly troponinu a tropomyozinu se vrátí do klidových poloh. Animace svalové kontrakce: *http://entochem.tamu.edu/MuscleStrucContractswf/index.html http://bcs.whfreeman.com/thelifewire/content/chp47/4702001.html
Hladký sval (ve stěně žaludku, střev, dělohy, cév atd.) Myozin II je aktivován zvýšením hladiny Ca2+, dojde k fosforylaci myozinu II, změně jeho konformace a reakce s aktinem. Stahy jsou pomalejší, méně specializované, řízeny různými signály (adrenalin, serotonin, prostaglandiny atd.).
