Metabolismus buňky Projekt OBZORY Gymnázium, Praha 10, Voděradská 2 Projekt OBZORY Metabolismus buňky Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Evropský sociální fond

Úvod V buňce probíhá nepřetržitě přeměna látek a energie = metabolismus Živá buňka, kde neprobíhá metabolismus, neexistuje. V některých případech může být metabolismus dočasně zastaven (spory, organismy v anabióze, semena rostlin) U virů je metabolismus vázán na hostitelskou buňku Metabolické procesy v buňce jsou řízeny enzymy, skupiny enzymů tvoří metabolické dráhy (např. metabolická dráha glykolýzy)

Katabolismus a anabolismus Metabolismus může probíhat ve dvou směrech Katabolismus rozklad složitějších látek na jednodušší energie se uvolňuje např. buněčné dýchání, trávení Anabolismus syntéza složitějších látek z jednodušších energie se spotřebovává např. fotosyntéza, syntéza bílkovin

ATP - hlavní přenašeč energie v buňce

Význam ATP ATP = adenozintrifosfát Odštěpením jednoho fosfátu vznikne ADP (adenozindifosfát) a uvolní se určité množství energie Tato uvolněná energie je využita jako zdroj energie pro anabolické reakce, pohyb, apod. ATP není možné transportovat mezi buňkami a ukládat do dlouhodobé zásoby, proto musí každá buňka umět vytvořit ATP

Vznik ATP v buňce ATP může v buňkách vznikat v zásadě třemi způsoby Substrátová fosforylace – látka bohatá na energii se rozkládá na jednodušší látky, přitom se uvolní určité množství energie, které dá vzniknout ATP (např. vznik ATP při glykolýze). Vznik ATP v dýchacím řetězci na membráně mitochondrie (nebo bakterie) - oxidativní fosforylace. Vznik ATP na membráně chloroplastu (nebo bakterie) při fotosyntéze - fotosyntetická fosforylace.

Hlavní varianty metabolismu Varianty metabolismu organismů se rozlišují zejména z hlediska zdroje energie a stavebních organických látek Zdroj energie Světlo = fototrofní organismy Oxidace chemických látek = chemotrofní organismy Zdroj organických látek Organismus si je sám vyrábí z anorganických látek = autotrofní organismy Organismus je získává v potravě a upravuje je pro svou potřebu = heterotrofní organismy

Hlavní varianty metabolismu Zmíněné typy se mohou všemi způsoby kombinovat, takže existují čtyři výsledné varianty: Fotoautotrofní organismy = rostliny, sinice, některé bakterie Fotoheterotrofní organismy = některé bakterie Chemoautotrofní organismy = některé bakterie Chemoheterotrofní organismy = většina bakterií, živočichové, houby, prvoci

Přehled zpracování energie fotoautotrofní organismy typ chemoheterotrofní organismy rostliny příklad živočichové světlo zdroj energie organické látky v potravě fotosyntéza zpracování trávení glukóza produkt zpracování glukóza (glycerol, mastné kyseliny, aminokyseliny) buněčné dýchání / kvašení uvolňování energie ATP výsledný produkt

Tři nejdůležitější energetické procesy v buňkách Buněčné dýchání – rozklad glukózy (nebo jiných látek) a tvorba ATP za aerobních podmínek Kvašení – rozklad glukózy nebo jiných látek a tvorba ATP za anaerobních podmínek Fotosyntéza – získávání energie ze světla, syntéza sacharidů (glukózy) za využití světelné energie

Buněčné dýchání Čtyři fáze, první je společná pro dýchání a některé druhy kvašení Anaerobní glykolýza rozklad molekuly glukózy (C6) za vzniku dvou molekul pyruvátu (2 x C3) na jednu molekulu glukózy se uvolní ve výsledku 2 molekuly ATP a zachytí se 4 atomy vodíku na 2 molekuly přenašeče NADH + H+ probíhá za anaerobních podmínek v cytoplazmě

Buněčné dýchání 2. Aerobní dekarboxylace pyruvátu pyruvát (C3) se přeměňuje na aktivovanou kyselinu octovou (C2; kyselina octová vázaná na látku nazývanou koenzym-A)  vzniká acetyl Co-A přitom se odštěpuje molekula CO2 a vzniká 1 molekula přenašeče NADH + H+ probíhá za aerobních podmínek v cytoplazmě prokaryotní buňky nebo v matrix mitochondrie u eukaryot

Buněčné dýchání 3. Krebsův (citrátový) cyklus acetyl Co-A (C2) vstupuje do Krebsova cyklu navázáním na oxalacetát (C4) vznikne tak citrát (kyselina citronová; C6) citrát se postupně přeměňuje na oxalacetát, v průběhu těchto přeměn se uvolní: 2 molekuly CO2 jedna molekula ATP 3 molekuly přenašeče NADH + H+ 1 molekula přenašeče FADH2 probíhá za aerobních podmínek v cytoplazmě prokaryotní buňky nebo v matrix mitochondrie u eukaryot

Buněčné dýchání 4. Dýchací řetězec dýchací řetězec je založen na transportu elektronů po membránových přenašečích na základě energetického spádu mezi vodíkem a kyslíkem do dýchacího řetězce vstupuje vodík transportovaný přenašečem NADH + H+ (resp. FADH2) vodík H2 se rozkládá na 2 elektrony e- a 2 protony H+, na konci dýchacího řetězce se pak slučuje s O2 na H2O při transportu elektronů po membráně uvolňuje energie, která je nakonec využita pro vznik ATP tak, že vodík transportovaný NADH + H+ dodá energii na vznik 3 molekul ATP vodík transportovaný FADH2 dodá energii na vznik 2 molekul ATP dýchací řetězec probíhá za aerobních podmínek na záhybech plazmatické membrány prokaryotních buněk a na kristách mitochondrie u eukaryot

Kvašení nejběžnější varianty kvašení jsou v tomto případě: první krok (anaerobní glykolýza) je shodný s buněčným dýcháním pokud trvají anaerobní podmínky a jsou přítomny příslušné enzymy, dochází ke zpětné hydrogenaci pyruvátu (vodíkem z NADH + H+) nejběžnější varianty kvašení jsou v tomto případě: Mléčné kvašení – vzniká kyselina mléčná (laktát) – např. ve svalech člověka, u některých bakterií, anaerobních živočichů Alkoholové kvašení – uvolňuje se CO2 a vzniká etanol – např. u kvasinek nebo některých bakterií kromě výše uvedených existuje řada dalších typů kvašení, kde substrátem není glukóza, ale jiné látky (např. octové kvašení, máselné kvašení, atd.)

Srovnání dýchání a kvašení první krok (anaerobní glykolýza) je společný oběma procesům a probíhá za anaerobních podmínek dýchání dále probíhá v aerobních podmínkách, kvašení v anaerobních dýchání je mnohonásobně energeticky účinnější než kvašení; na jednu molekulu zpracované glukózy se při dýchání vytvoří x molekul ATP a při kvašení y molekul ATP sami vypočtěte x a y

Srovnání dýchání a kvašení Výpočet x a y Dýchání: na jednu molekulu glukózy se uvolňují 2 ATP při glykolýze a 2 ATP v Krebsově cyklu celkem se na jednu molekulu glukózy vytvoří 10 molekul přenašeče NADH + H+ (2 při glykolýze, 2 při tvorbě acetyl Co-A a 2 x 3 = 6 v Krebsově cyklu se dále vytvoří 2 molekuly přenašeče FADH2 v dýchacím řetězci vznikne uvolněním vodíku z 10 molekul NADH + H+ celkem 30 molekul ATP, další 4 molekuly ATP vzniknou pomocí přenašeče FADH2 Celkový součet: 2 + 2 + 30 + 4 = 38 ATP Kvašení: na jednu molekulu glukózy se uvolňují 2 ATP při glykolýze, žádné další ATP při kvašení nevzniká Celkový součet: 2 ATP

Fotosyntéza Principem je využití světelné energie ke vzniku energeticky bohaté látky – sacharidu (glukózy) Využívá fotosynteticky aktivní záření (380 – 750 nm, zhruba se překrývá s viditelným zářením), nejvyšší účinnost v modré (kolem 400 nm) a v červené (kolem 700 nm) části spektra Probíhá v buňkách sinic, fototrofních bakterií, v eukaryotních buňkách s chloroplasty (buňky vyšších rostlin, řas) Dvě na sebe navazující fáze Primární pochody fotosyntézy Sekundární pochody fotosyntézy Celková „rovnice“ fotosyntézy: 6CO2 + 12H2O  C6H12O6 + 6H2O + 6O2

Fotosyntéza Primární pochody fotosyntézy – probíhají za přítomnosti světla na vnitřních membránách chloroplastu nebo prokaryotních buněk (na thylakoidech) cyklická fosforylace – cyklický transport elektronů, vstupuje energie světla, vystupuje energie vázaná na ATP necyklická fosforylace – necyklický transport elektronů, vstupuje energie světla a elektrony uvolněné z vodíku, vystupuje energie vázaná na ATP, transportované elektrony se spojují s protony a vzniklé atomy vodíku jsou zachyceny přenašečem NADPH + H+ fotolýza vody – rozklad molekuly vody na 2H+, 2e-, ½ O2, uvolněné elektrony vstupují do necyklické fosforylace 2. Sekundární pochody fotosyntézy základem je Calvinův cyklus – soubor reakcí, do kterého vstupuje CO2 a vystupuje z něho glukóza během Calvinova cyklu se využije vodík na přenašeči NADPH + H+ a energie na ATP, které přicházejí z primárních pochodů fotosyntézy

Srovnání fotosyntézy a dýchání Fotosyntéza Dýchání anabolismus katabolismus glukóza vzniká glukóza se rozkládá ATP je meziprodukt propojující primární a sekundární pochody ATP je konečný produkt probíhá v buňkách s chlorofylem probíhá ve všech (aerobních) buňkách v eukaryotních buňkách probíhá v chloroplastech v eukaryotních buňkách probíhá v mitochondriích

Obrazová příloha

NAD(P)+ - přenašeč vodíku

Mitochondrie

Glykolýza

Vstupy a výstupy glykolýzy

Mléčné kvašení

Alkoholové kvašení

Krebsův cyklus

Krebsův cyklus

Dýchací řetězec na membráně mitochondrie

Dýchací řetězec na membráně mitochondrie

Chloroplast

Absorpce světla chlorofylem a a dalšími barvivy

Primární pochody fotosyntézy Cyklická fosforylace modře Necyklická červeně

Sekundární pochody fotosyntézy Calvinův cyklus

Použité zdroje a literatura ALBERTS, B. a kol.: Základy buněčné biologie. 1. vyd., Ústí nad Labem: Espero publishing. ISBN 80-902906-0-4 Obrázky převzaty z anglického vydání uvedené publikace a z webových stránek: http://bealbio.wikispaces.com/Period%203%20photo http://vydavatelstvi.vscht.cz/knihy/uid_es-002_v1/hesla/mitochondrie.html http://www.wellesley.edu/Biology/Courses/Plant/chloro.html

Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu OBZORY Gymnázium, Praha 10, Voděradská 2 Projekt OBZORY Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu OBZORY Autor: Vít Růžička Předmět: Seminář a cvičení z biologie Datum: 25. 3. 2011 Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Evropský sociální fond