Konsultační hodina – základy biochemie pro 1. ročník Přírodní látky Úvod do metabolismu Glykolysa Krebsův cyklus Dýchací 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? Jak to vypadá? K čemu je to dobré? 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? Jak to vypadá? 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 b-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 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

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? Elektron z fotosystému I může být použit pro pohon protonové pumpy, nebo na synthesu NADPH Při aktivaci fotosystémů dojde k uvolnění elektronů Existují dva fotosystémy Elektron z fotosystému II je použit pro pohon protonové pumpy a současně doplňuje elektron fotosystému I Vzniklá protonová nerovnováha (gradient) je použita pro synthesu ATP stejně jako v dýchacím řetězci Fotosystém II doplňuje svůj elektron rozkladem vody

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: Regenerační 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