Post on 19-Jan-2016
description
transcript
Konsultační hodina –
základy biochemie pro 1. ročníkPřírodní látky
Úvod do metabolismuGlykolysa
Krebsův cyklusDýchací řetězec
Fotosynthesa
Přírodní látky
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?
Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?
Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?
Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?
Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?
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)
Aminokyseliny
Bílkoviny (Proteiny)
• Co to je?– Polymery aminokyselin– Dlouhé řetězce na sebe poutaných AK (peptidová vazba)
• Jak to vypadá?
Bílkoviny (Proteiny) – peptidová vazba
Bílkoviny (Proteiny) – Jak to vypadá?
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
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
FAD
• Oxidačně-redukční činidlo v živých organismech
• Obvykle vázaný na enzym
Úvod do metabolismu
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• -oxidace• Krebsův cyklus• Dýchací řetězec
Glykolysa
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
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).
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
Problém – Co s pyruvátem?
Krebsův cyklus
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?
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
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
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
F0F1-ATPasa synthetisuje ATP:-Pomocí enzymu je využita nerovnováha v koncentracích H+ pro synthesu ATP-Celý proces funguje obdobně jako přečerpávací vodní elektrárna
Jednotlivé komplexy si předávají elektrony a přitom pumpují H+ přes membránu
Jeden z komplexů dýchacího řetězce je současně součástí Krebsova cyklu
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
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?
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
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
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 I může být použit pro pohon protonové pumpy, nebo na synthesu NADPH
Elektron z fotosystému II je použit pro pohon protonové pumpy a současně doplňuje elektron fotosystému I
Existují dva fotosystémy
Fotosystém II doplňuje svůj elektron rozkladem vody
Vzniklá protonová nerovnováha (gradient) je použita pro synthesu ATP stejně jako v dýchacím řetězci
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
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
Asimilační fáze:-Váže se CO2 z ovzduší-Je třeba 3 molekuly CO2 pro synthesu glyceraldehydu-3-fosfátu-Ten je posléze předán do glukoneogenese k synthese glukosy-Spotřeba ATP a NADPH ze světelné fáze
Regenerační fáze:-Výchozí ribosa musí být postupně regenerována-Spotřeba ATP ze světelné fáze
Recyklace ribosy
• Chemicky komplexní děj
• Cílem je z glyceraldehydu-3-fosfátu 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
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