9.4.2010
Konsultační hodina – základy biochemie pro 1. ročník Přírodní látky Úvod do metabolismu Glykolysa Krebsův cyklus Dýchací řetězec Fotosynthesa
Přírodní látky
1
9.4.2010
Cukry (Sacharidy) • Co to je? – Organické látky, které obsahují karbonylovou skupinu (C=O) a hydroxylové skupiny (-OH) vázané na uhlících – Aldosy: karbonylová skupina na konci řetězce – Ketosy: karbonylová skupina uvnitř řetězce
Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?
2
9.4.2010
Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?
Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?
3
9.4.2010
Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?
Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?
4
9.4.2010
Cukry (Sacharidy) • K čemu je to dobré? – Monosacharidy: • Zdroj energie (glukosa, galaktosa) • Stavební částice DNA, RNA (ribosa, desoxyribosa) • Meziprodukty metabolických drah (glyceraldehyd, dihydroxyaceton)
– Oligosacharidy (2 – cca 25 jednotek): • • • •
Zdroj energie (laktosa) Součást proteinů, lipidů Stavební hmota pojiv Role v komunikaci buněk
– Polymerní sacharidy (více jednotek vázaných za sebou): • Stavební hmota (celulosa) • Úschova energie (škrob, glykogen)
Aminokyseliny • Co to je? – Organické látky – karboxylové kyseliny, které mají na sousedním uhlíku navázanou aminoskupinu
• Jak to vypadá?
• K čemu je to dobré? – AK jsou stavební kameny všech proteinů – Pro výstavbu všech proteinů je třeba pouze 20 AK (+1) – AK mohou být přídavnými látkami v potravinách (glutamát, aspartam), kosmetice (šampony)
5
9.4.2010
Aminokyseliny
Bílkoviny (Proteiny) • Co to je? – Polymery aminokyselin – Dlouhé řetězce na sebe poutaných AK (peptidová vazba)
• Jak to vypadá?
6
9.4.2010
Bílkoviny (Proteiny) – peptidová vazba
Bílkoviny (Proteiny) – Jak to vypadá?
7
9.4.2010
Bílkoviny (Proteiny) • K čemu je to dobré? – Stavební hmota vlasů, nehtů – Zdroj energie – Enzymy: • Přírodní katalysatory • Všechny chemické reakce v živých organismech jsou řízeny enzymy
Adenosinfosfáty • Hlavní energetické platidlo organismu • AMP • ADP • ATP
8
9.4.2010
Koenzym A • Aktivuje a přenáší organické kyseliny (acetát, mastné kyseliny, etc) pro metabolické procesy • Pro funkci je důležitá –SH skupina = váže se na karboxylovou skupinu kyselin • Celá struktura má za cíl zvýšit počet kontaktů s enzymem
NAD+
• Oxidačně-redukční činidlo v živých organismech • Rozpustný
9
9.4.2010
FAD • Oxidačně-redukční činidlo v živých organismech • Obvykle vázaný na enzym
Úvod do metabolismu
10
9.4.2010
Metabolismus • Metabolismus = soubor všech chemických dějů v organismu – Anabolismus = výstavbová část metabolismu – z jednoduchých výchozích látek se vystavují složité struktury • • • •
Spotřebovává energii Fotosynthesa Glukoneogenese Replikace, transkripce, translace
– Katabolismus = odbourávací část metabolismu – ze složitých struktur se stávají jednoduché, které jsou následně rozloženy • • • • •
Poskytuje energii Glykolysa β-oxidace Krebsův cyklus Dýchací řetězec
Glykolysa
11
9.4.2010
Co to je? • Způsob, jak postupně odbourat glukosu za zisku energie • Dvě části: – Přípravná – Zisková
• Konečným produktem je pyruvát • Probíhá v cytosolu buněk
Co je na tom zajímavé? Vstupující glukosa je fosforylována: - Fosfát funguje jako kotva - Brání úniku glukosy z buňky
Glukosa je přeměněna na fruktosu: -Přeměna zaručuje vznik dvou C3-fragmentů -Zjednodušuje to zpracování glukosy
Vznikající C3-fragmenty mezi sebou mohou přecházet Přípravná fáze buňku stojí 2 molekuly ATP
12
9.4.2010
Co je na tom zajímavé? Pro další průběh je třeba NAD+: -Pokud by v buňce došly zásoby NAD+, zastavil by se metabolismus glukosy -NAD+ je tedy nutné po glykolyse regenerovat
Při glykolyse vzniká ATP: -Každý C3-fragment vede ke vzniku 2 molekul ATP -Celý proces tak dává vzniknout 2 molekul ATP (po odečtení přípravné fáze)
K čemu je to dobré? • Glykolysou získávají energii anaerobní organismy, zatížené svaly a červené krvinky • Je to universální cesta odbourávání cukrů – všechny cukry jsou převedeny na glukosu a následně odbourány za zisku energie • Prakticky celý proces může běžet oběma směry, pokud je tedy nadbytek energie, je možné glykolysu obrátit a použít ji pro synthesu glukosy (proces se poté nazývá glukoneogenese).
13
9.4.2010
Jak to vyjádřit lidsky? • Glykolysa je proces, kdy organismus tráví glukosu a získává tím energii • Dá se vcelku vyjádřit jako: – Glukosa + 2 NAD+ + 2ADP + 2 Pi → 2 pyruvát + 2 NADH/H+ + 2 ATP
Problém – Jak regenerovat NAD+? • Dýchací řetězec • Mléčné kvašení • Alkoholové kvašení
14
9.4.2010
Problém – Co s pyruvátem?
Krebsův cyklus
15
9.4.2010
Co to je? • Centrální metabolická dráha • Křižovatka mezi anabolickými a katabolickými drahami • Katabolismus – odbourává dvouhlíkaté zbytky tuků, cukrů a aminokyselin na oxid uhličitý • Vodíkové ekvivalenty a elektrony jsou předávány dál do dýchacího řetězce • Probíhá v mitochondriích
Jak to probíhá?
16
9.4.2010
Co je na tom zajímavé? Vstupující C2-fragmetnt na CoA se během cyklu neodbourává Během Krebsova cyklu vzniká NADH/H+: -Podobně jako v glykolyse se spotřebovává NAD+ -Toto NAD+ se regeneruje v dýchacím řetězci Během Krebsova cyklu vzniká FADH2: -FAD má podobnou funkci jako NAD+ -Enzym, který katalysuje tuto reakci je přímo součástí dýchacího řetězce! Během Krebsova cyklu se získává energie ve formě GTP
K čemu je to dobré? • Meziprodukty Krebsova cyklu mohou sloužit jako zdroj látek pro jiné dráhy (synthesa aminokyselin) – nejedná se tak o čistě katabolickou dráhu (anaplerotická dráha) • Krebsovým cyklem je možné odbourat trávené látky až na CO2 • Krebsův cyklus je hlavním zdrojem elektronů pro dýchací řetězec
17
9.4.2010
Jak to vyjádřit lidsky? • Krebsův cyklus je nástroj organismu, jak odstranit živiny ve formě oxidu uhličitého a elektrony a vodíky použít pro získávání energie • Je to možné souhrnně napsat jako: CH3-CO-SCoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O 2 CO2 + 3
NADH/H+
→ + FADH2 + HSCoA + GTP
Dýchací řetězec
18
9.4.2010
Co to je? • Dýchací řetězec je poslední drahou v organismu při úplném odbourání živin • Během dýchacího řetězce „tečou“ elektrony mezi jednotlivými komplexy, které toho využívají pro čerpání kationtů vodíku přes membránu • Vznikající nerovnováha je využita pro získávání energie ve formě ATP • Po průchodu elektronů řetězcem se tyto přenáší na kyslík a vzniká voda
Co je na tom zajímavé? Je regenerováno NAD+: -Díky dýchacímu řetězci je obnovena hladina NAD+ -To udržuje organismus v chodu Jednotlivé komplexy si předávají elektrony a přitom pumpují H+ přes membránu Jeden z komplexů dýchacího řetězce je současně součástí Krebsova cyklu F0F1-ATPasa synthetisuje ATP: -Pomocí enzymu je využita nerovnováha v koncentracích H+ pro synthesu ATP -Celý proces funguje obdobně jako přečerpávací vodní elektrárna
19
9.4.2010
Co je na tom zajímavé?
Při průtoku protonů přes F0F1-ATPasu funguje enzym jako turbína v generátoru elektrárny – rotor se otáčí a ve startoru dochází k synthese ATP
K čemu je to dobré? • Pomocí dýchacího řetězce se vytváří největší podíl ATP v aerobních organismech • Největší zdroj energie
20
9.4.2010
Jak to vyjádřit lidsky? • Dýchací řetězec je nástroj organismu pro recyklaci NAD+ a získávání velkého množství energie • Funguje jako přečerpávací vodní elektrárna – komplexy I – IV pumpují protony přes membránu (nádrž) a ty posléze protékají turbínou F0F1-ATPasy (generátor) za tvorby ATP (elektřina)
Jak to vyjádřit lidsky?
21
9.4.2010
Fotosynthesa
Co to je? •
•
•
Proces, při kterém je v rostlinách a některých mikroorganismech využívána energie slunečního záření pro tvorbu cukrů V rostlinách probíhá ve specialisovaných organelách buněk zelených částí – chloroplastech Probíhá ve dvou fázích: – Světelné: energie světla je využita pro tvorbu ATP, NADPH a rozklad vody (konservování energie) – Temnotní: získané ATP a NADPH jsou využity pro tvorbu glukosy z oxidu uhličitého
22
9.4.2010
Světelná fáze • Světelná fáze slouží k přeměně svtelné energie na energii chemickou (ATP, NADPH) • Takto připravená energie je později využita pro synthesu glukosy • Součástí světelné fáze je i rozklad vody (Hillova reakce), kdy dochází k uvolnění kyslíku
Jak se chytá světlo? • • •
•
V chloroplastech jsou barviva, která umí „chytit“ světlo (absorbují ve viditelné oblasti) Hlavní podíl tvoří chlorofyly Vše je ve spojení s proteiny uspořádáno do lapacích komplexů – antén, které fungují jako „past na světlo“ Past funguje na principu energetického vybuzení elektronu a postupném předávání vzniklého vzruchu mezi anténami
23
9.4.2010
Jak se chytá světlo? • • •
Energie je pomocí elektronů předávána až do středu „pasti“, kde je umístněno reakční centrum Reakční centrum je molekula fotosystému Po doputování vzruchu do reakčního centra je proces fotosynthesy zahájen
Jak se ze světla získává energie? Při aktivaci fotosystémů dojde k uvolnění elektronů
Elektron z fotosystému II je použit pro pohon protonové pumpy a současně doplňuje elektron fotosystému I
Fotosystém II doplňuje svůj elektron rozkladem vody
Existují dva fotosystémy
Elektron z fotosystému I může být použit pro pohon protonové pumpy, nebo na synthesu NADPH
Vzniklá protonová nerovnováha (gradient) je použita pro synthesu ATP stejně jako v dýchacím řetězci
24
9.4.2010
Jak se ze světla získá energie?
Jak se rozkládá voda? • • •
Voda je rozkládána pomocí složitého komplexu v blízkosti fotosystému II Odpadním produktem rozkladu vody je kyslík Proces se nazývá Hillova reakce
25
9.4.2010
Temnotní fáze • Slouží k synthese glukosy • Jako výchozí materiál slouží ATP a NADPH ze světelné fáze a oxid uhličitý z atmosféry • Proces se nazývá Calvinův cyklus
Calvinův cyklus Regenerační fáze: -Výchozí ribosa musí být postupně regenerována -Spotřeba ATP ze světelné fáze
Asimilační fáze: -Váže se CO2 z ovzduší -Je třeba 3 molekuly CO2 pro synthesu glyceraldehydu-3fosfátu -Ten je posléze předán do glukoneogenese k synthese glukosy -Spotřeba ATP a NADPH ze světelné fáze
26
9.4.2010
Recyklace ribosy • Chemicky komplexní děj • Cílem je z glyceraldehydu-3fosfátu postupným spojováním a rozpojováním vazeb získat zpět molekulu ribosy • Pro funkci je potřeba ATP ze světelné fáze
C4-rostliny, aneb jak na to jdou kaktusy a kukuřice • V teplých krajích by rostliny ztrácely při fotosynthese mnoho vody díky pórům, kterými je vyměňován kyslík a oxid uhličitý • Aby se minimalisovaly ztráty, rostliny mají jinou anatomii listů a fotosynthesa je rozdělena jak časově, tak prostorově • V noci, když je okolní vzduch vlhký a studený, jsou póry otevřené a přijímají CO2, který je ukládán v hloubi listu • Ve dne probíhá světelné fáze, CO2 je uvolněn a fixován do glukosy
27
9.4.2010
Jak to vyjádřit lidsky? • Fotosynthesa je proces, kterým rostliny vyrábí za pomoci Slunce cukr a kyslík • Celková rovnice procesu: – 6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
28
