Buněčný metabolismus přeměna látek a energie 1

buněčný metabolismus • energie a atomy (stavební látky) • katabolismus = rozklad – získávání E a atomů • anabolismus = syntéza – ukládání E a atomů • katalyzátory – enzymy – umožnění a regulace průběhu reakcí – substrát → reakce → produkt – reakční dráhy 2

buněčný metabolismus • první a druhá věta termodynamiky – konstantní množství energie – přeměny – samovolné zvyšování entropie • uvolněná tepelná energie je nevyužitelná → spřažené reakce 3

buněčný metabolismus • energie je uchovávána a přenášena ve formě ATP = adenositrifosfát – energie uložena ve fosfátové vazbě – přechod mezi ATP a ADP, případně AMP 4

biochemické základy metabolismu • anaerobní metabolismus – bez přístupu vzdušného kyslíku - bakterie, kvasinky, endoparazité (druhotně) – E získávána kvašením (fermentací) → ethylalkohol, kyselina mléčná – využití méně než 5 % E, volně v cytoplazmě • aerobní metabolismus – za přístupu vzdušného kyslíku - ostatní org. – buněčné dýchání, β-oxidace mastných kyselin → CO 2 + H 2 O – využití až 50 % E, mitochondrie 5

buněčný metabolismus • chemotrofní organismy – energie chemických vazeb – chemoheterotrofní organismy • stavební látky získávají z okolí • fototrofní organismy – energie slunečního záření – fotoautotrofní organismy • stavební látky si sami vytváří → fotosyntéza 6

mezimembránový prostor stromatální thylakoid fotosyntéza thylakoid vnější obalová membrána chloroplastu granum = fixace světelné E do E chemické vazby, membrána vznik organických látek z anorg. látek stroma lumen vnitřní obalová stromatální granum membrána chloroplastu membrána • chloroplasty – thylakoidiální membrána • primární fáze = světelná • sekundární fáze = temnostní thylakoidu 7

primární fáze fotosyntézy • vznik ATP a NADPH → sekundární fáze • fotolýza vody → e-, H+, ½ O 2 • absorbce fotonů fotosyntetickými barvivy – anténní komplexy: chlorofyl a a b, karoten β • excitace e- barviv → přenos e- redoxními přenašeči – feofytin, plastochinon, plastocyanin, fylochinon, ferredoxin – 2 fotony na 1 e- • fotosystém II – absorbční maximum λ = 680 nm – zachycení fotonů – excitace e- • komplex cytochromů – přesun H+ → syntéza ATP • fotosystém I – absorbční maximum λ = 700 nm – zachycení fotonů – excitace e- 8

fotosyntetický aparát – strukturní komplexy a přenašeče stroma PSI fotosystém I Fd jádro LHCII feofytin PQ OEC lumen cyt b 6 (h) 4 Fe-4 S A 1 cyt b 6 (l) jádro PQH 2 P 680 RCII QN A 0 2 Fe-2 S PQ QP LHCI QA QB CF 1 membrána thylakoidu CK cytochromový komplex PSII fotosystém II ATP syntáza CF 0 P 700 cyt f RCI PC 9

10

stroma CK PSII H+ NADPHADP - PQ QN 2 e. PQH 2 feofytin e. P 680 PQH 2 2 H 2 O OEC 4 Mn H+ + Pi H+ PQ Tyr 161 ATP H+ H+ H+ cyt b 6 (h) e- 4 Fe-4 S A 1 cyt b 6 (l) e- A 0 2 Fe-2 S ecyt f QP H+ H+ H+ membrána thylakoidu QA QB Fd H+ H+ ATP syntáza PSI 2 e O 2 lumen H+ P 700 PC 11

sekundární fáze • temnostní fáze = Calvinův cyklus • fixace C z CO 2 do glukózy – 6 x vazba C na derivát ribulózy (C 5) • • 6 CO 2 + 6 H 2 O + E → C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 ve stromatu enzym Ru. Bis. Co, produkty primární fáze spotřeba ATP a NADPH 12

Calvinův cyklus • 6 x vazba → 6 x C → glukóza • energie z ATP a NADPH • obnova ribulózy 13

14

15

cytosol Rbsc CO 2 C 6 3 -P-glycerát H 2 O 2 x C 3 ATP ADP ribulóza-1, 5 -P 2 C 5 ribulóza-5 -P id C 2 Calvinův chloroplast CO 2 NADPH NADP+ pyruvát Pi C 3 C 5 NADH 3 -P-glyceraldehyd C 7 C 4 ATP 1, 3 -P 2 -glycerát thylako ADP ATP mitochondrie cyklus dihydroxyaceton-P C 6 fruktóza-1, 6 -P 2 glukóza-1 -P škrob glykolýza Pi hexózy sacharóza další sacharidy transport 16

C 3, C 4 a CAM rostliny • C 3 rostliny – produkt C 3 – glycerát • C 4 rostliny – produkt C 4 – oxalacetát – kukuřice, cukrová třtina, čirok, proso – prostorové oddělení fixace C a Calvinova cyklu – vazba C na fosfoenolpyruvát (C 3) → oxalacetát → úpravy, dekarboxylace → C pro Calvinův cyklus – různé metabolické dráhy – v evoluci několikrát – efektivnější, adaptace na sucho a ↑ ozářenost • CAM rostliny – Crassulacean acid metabolism – časové oddělení fixace C a Calvinova cyklu – šetření vodou – sukulenty 17

rychlost fotosynt. • výdej O 2 / spotřeba CO 2 • vnější a vnitřní faktory • světlo – spektrální složení – intenzita (!přehřátí! → mech. na odvod tepla) • koncentrace CO 2 - suchý led do skleníků • teplota – optimum 15 - 25 °C, extrémy -1 °C a 30 °C • voda - !uzavírání průduchů! • celkový fyziologický stav rostliny 18 – množství chlorofylu, stáří listů, minerál. výživa

19

katabolismus • uvolnění E chem. vazeb rozkladem molekul potravy – oxidace (postupná) • trávení – lysozomy, extracelulárně → monosacharidy, MK a glycerol, AK • rozklad menších jednotek, glykolýza – v cytoplazmě → pyruvát = kyselina pyrohroznová (→ acetyl-Co. A) • citrátový cyklus – v matrix mitochondrie → CO 2 + redukované přenašeče • oxidační fosforilace – na vnitřní membr. mitochondrie → ATP + H 2 O, spotřeba O 2 20 • cukr + O 2 → CO 2 + H 2 O + E

katabolismus • trávení – lysozomy, extracel. → monosacharidy, MK a glycerol, AK • rozklad menších jednotek, glykolýza – v cytoplazmě → pyruvát (acetyl-Co. A) • citrátový cyklus – v matrix m. → CO 2 + reduk. přenašeče • oxidační fosforilace – na vnitřní membr. mitoch. → ATP + H 2 O, spotřeba O 2 • cukr + O 2 → CO 2 + H 2 O + E 21

glykolýza • v cytoplazmě • anaerobně • oxidace glukózy → 2 x pyruvát, 2 x ATP, 2 x NADH • 10 reakcí – různé enzymy a meziprodukty • NAD+ pro vznik NADH regenerován oxidační fosforylací nebo fermentací 22

fermentace • kvašení • anaerobní pokračování glykolýzy • oxidace NADH na NAD+ • redukce pyruvátu na laktát • dekarboxylace pyruvátu na acetaldehyd (→ CO 2) a jeho redukce na ethanol • účinnost asi 10 % 23

rozklad menších jednotek • bílkoviny → AK → pyruvát, acetyl-Co A, meziprodukty citrátového cyklu • tuky → MK + glycerol • MK – β-oxidace = zkracování C řetězců → „odseknutí“ 2 C sloučeniny + koenzym A → acetyl-Co. A + redukované přenašeče – ER, peroxizomy → matrix mitochondrie • pyruvát → dekarboxylace + Co. A → CO 2 + acetyl-Co. A + 2 NADH 24

β-oxidace mastných kyselin • předchází jí aktivace MK = zkracování C řetězců → „odseknutí“ 2 C slouč. + koenzym A → acetyl-Co. A + reduk. přenašeče 25

citrátový cyklus = cyklus kyseliny citrónové = cyklus trikarboxylových kyselin = Krebsův cyklus • v matrix mitochondrie • O 2 nutný k regeneraci přenašečů e– acetyl-Co. A (2 C) + oxalacetát (4 C) → citrát (6 C) → isocitrát (6 C) → CO 2 + 2 -oxoglutarát (5 C) + NADH + H+ → CO 2 + sukcinyl (4 C) + NADH + H+ + GTP → fumarát (4 C) + FADH 2 → malát (4 C, spotřeba vody) → oxalacetát (4 C) + NADH + H+ → další cyklus 26

27

oxidační fosforylace = elektron-transportní řetězec = dýchací řeť. • komplex přenašečů na vnitřní membráně mitochondrie • postupné snižování energie e– z přenašečů → přenos H+ mimo matrix → H+ gradient → pohon ATP-syntázy • e– předány O 2 + H+ → H 2 O • aerobní 28

oxidační fosforylace 29

30

31

32

výtěžek z 1 molekuly glukózy • anaerobně: – glykolýza: 2 ATP – fermentace: 0 ATP – účinnost asi 10 % • aerobně: – glykolýza: 2 ATP + 2 NADH – vznik acetyl-Co. A: 2 x NADH – citrátový c. a dýchací ř. : 2 x 3 NADH, 2 x FADH 2, 2 x GTP → celkem (NADH → 3 ATP, FADH 2 → 2 ATP, GTP ~ ATP): 2 + 6 + 18 + 4 + 2 = 38 molekul ATP – několik ATP (6 – 8) využito na transport látek do mitoch. 33 – účinnost asi 40 %

dýchání • skladování rostlin → ekonomické ztráty! • faktory: teplota, vlhkost, (O 2, CO 2) – lednička, sušení, (aerenchym, mangrovy, sklady) • fotosyntéza vs. dýchání – organela (buňka) – světlo – CO 2 a H 2 O – O 2 – zásobní látky – hmotnost rostliny 34

• fotosyntéza vs. dýchání – organela (buňka) – světlo – CO 2 a H 2 O – O 2 – zásobní látky – hmotnost rostliny 35

pentózofosfátový cyklus • katabolismus • glukóza → pentózy + NADPH (→ nukleotidy, MK) • oxidativní fáze → ribulóza-5 -P, 2 NADPH • nonoxidativní fáze → ribóza-5 -P a další cukry 36

37

degradace AK • uhlíkatá kostra → prekurzory glukózy, meziprodukty citrátového cyklu 38

degradace AK • aminoskupina → močovinový cyklus • část v mitochondrii, část v cytosolu 39

vylučování dusíku amoniak močovina kyselina močová amonotelní o. ureotelní o. urikotelní o. 40

anabolismus • energie čerpána z ATP (hydrolýza, defosforylace) • kondenzace monomerů – 1000 druhů v buňce – 4 skupiny: sacharidy, MK, AK, nukleotidy – spojení dvou -OH skupin, uvolnění vody • katalýza enzymy, konkrétní sekvence 41

syntéza cukrů polysacharidy glykogen škrob disacharidy buněčné stěny volná glukosa ostatní monosacharidy glukosa-6 -P 3 -fosfoglycerát fosfoenolpyruvát ribulosadifosfát FOTOSYNTETIZUJÍCÍ ORGANISMY laktát AK intermediáty cyklus kys. citrónové HETEROTROFNÍ ORGANISMY 42

glukoneogeneze = syntéza glukózy • není reverzí glykolýzy • pyruvát karboxyláza, P –enolpyruvát karboxykináza, fosfatázy • v mitochondrii i v cytosolu 43

Coriho cyklus 44

glykoneogeneze = syntéza glykogenu (škrobu) • fosforylovaná glukóza → UDP–glukóza (ADP–g. ) → glykogen (škrob) * • větvící enzym * * * • je třeba už existující řetězec 45

syntéza MK • opačný proces k β-oxidaci MK • probíhá v cytoplazmě 46

syntéza AK • z meziroduktů glykolýzy a citrátového cyklu 47