2009 Buněčná respirace

Průtok energie ekosystémem Mitochondrie používají organické produkty fotosyntézy jako paliva pro buněčnou respiraci; rovněž přitom spotřebovávají kyslík vytvořený fotosyntézou. Respirace mění energii organických látek na energii ATP. Odpadní produkty respirace, oxid uhličitý a voda, jsou výchozími látkami pro fotosyntézu, která probíhá v chloroplastech.

Průtok energie ekosystémem Hmota cirkuluje, energie disipuje

Průchod energie v ekosystému Chemické látky jsou tak v přírodě stále recyklovány. Avšak energie nikoli: do systému proudí jako sluneční energie a opouští jej jako teplo.

Redoxní reakce ze všech možností, jak získat energii se buňky soustřeďují na redoxní reakce – při těchto reakcích se energie uvolňuje nebo spotřebovává při toku elektronů z jistých sloučenin na sloučeniny jiné je zvláštní, že buňka neumí postavit tepelný stroj, jaderný reaktor ani sluneční baterii

Redoxní reakce U mnoha chemických reakcí dochází k přenosu elektronů (e-) z jednoho reaktantu na druhý tyto reakce se nazývají oxidačně - redukční reakce, neboli redoxní reakce. Ztráta elektronů z jedné substance se nazývá oxidace přidání elektronů jiné substanci se nazývá redukce poněvadž pro přenos elektronů je požadován jak donor tak i akceptor, oxidace a redukce probíhají vždy spolu

Redoxní reakce Redukční činidlo = látka elektrony poskytující Oxidační činidlo = látka elektrony přijímající Oxidace = odevzdávání elektronů Redukce = příjímání elektronů

Redoxní reakce oxidace Na + Cl Na+ + Cl- redukce

Spalování metanu jako příklad redoxní reakce Ne u všech redoxních reakcí se jedná o kompletní přenos elektronů z jedné substance na druhou. Elektrony jsou u metanu i u O2 rozloženy rovnoměrně; protože však kyslík má větší elektronegativitu, metan je oxidován, kyslík je redukován a elektrony jsou blíže kyslíku.

Spalování metanu jako příklad redoxní reakce K tomu, aby se elektron mohl odtrhnout od atomu, je potřeba dodat energii. Čím má atom větší elektronegativitu, tím více energie je třeba k odtržení elektronu. Elektron ztrácí svou energii, pokud je odtržen od méně elektronegativního atomu k elektronegativnějšímu. Redoxní reakce, jako je například spalování metanu, uvolňují chemickou energii, která může být využita k práci.

Energie potenciální a kinetická

Exergonické reakce = energie se uvolňuje Elektrony „padají“ z organických molekul na kyslík během buněčné respirace oxidace C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O redukce Podobně jako při hoření metanu nebo spalování benzínu v autě, palivo, benzín, je oxidováno a kyslík se redukuje, a během těchto reakcí elektrony ztrácí svou potenciální energii.

Exergonické reakce = energie se uvolňuje Elektrony „padají“ z organických molekul na kyslík během buněčné respirace oxidace C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O redukce Organické molekuly s mnoha atomy vodíku jsou obecně výborným „palivem“, neboť obsahují mnoho vysokoenergických elektronů. Sumární reakce respirace neukazuje, jak se statut elektronů mění, když je vodík přenášen na kyslík.

Aktivační energie Bariéra aktivační energie zabraňuje, aby se glukóza spontánně nespálila na vzduchu na oxid uhličitý a vodu.

Enzymy snižují aktivační energii

Exergonické reakce = energie se uvolňuje Štěpení glukózy je velmi exergonická reakce, ΔG = - 686 kcal (= - 2870 kJ) na 1 mol glukózy (asi 180g). Tato čísla platí pro laboratorní podmínky, v prostředí buňky je ΔG = - 720 kcal (= - 3012 kJ) na 1 mol glukózy Negativní ΔG znamená, že v produktech je méně energie než v reaktantech

Endergonické reakce energie se spotřebovává

NAD+ působí jako přenašeč elektronů

NAD+ působí jako přenašeč elektronů Výbuch benzínové nádrže by nepřemístil auto příliš daleko. Ani buněčná respirace neoxiduje glukózu v jednom explozivním kroku, kde by se všechny vodíky přenesly na kyslík zároveň v stejné chvíli. Vodíky z glukózy nepřechází přímo na kyslík, ale na látku zvanou NAD+. NAD+ tedy působí jako oxidační činidlo.

NAD+ působí jako přenašeč elektronů Enzym dehydrogenáza přenese vždy dva vodíkové atomy z organické molekuly. Na NAD+ se ovšem přenesou sice oba elektrony, ale pouze jeden proton. Tím vznikne elektricky neutrální NADH. Když jsou elektrony přeneseny z cukru na NAD+, ztrácí jen velmi málo své energie.

Buněčná respirace spaluje organické látky v mnoha krocích De facto není příliš velký rozdíl mezi aerobní respirací a hořením klád v krbu… Reaktanty jsou totiž vždy různé cukry a kyslík a produktem je oxid uhličitý a voda, přičemž se uvolňuje energie

Buněčná respirace spaluje organické látky v mnoha krocích Přenos elektronů z NADH na kyslík je exergonická reakce, při které je změna volné energie -53 kcal/mol (-222 kJ/mol) místo toho, aby se tato energie uvolnila v jednom explozivním kroku, elektrony postupují z jedné přenašečové molekuly na druhou v každém kroku ztrácí část své potenciální energie posledním akceptorem elektronů je kyslík

Buněčná respirace spaluje organické látky v mnoha krocích Přenos elektronů v buněčné respiraci je možno zapsat takto: potrava NADH elektrontransportní řetězec kyslík

ATP je univerzální buněčné platidlo

ATP

Hydrolýza ATP Pracující svalová buňka spotřebuje každou vteřinu 10 000 000 molekul ATP.

Metabolismus =souhrn všech chemických reakcí v těle Anabolismus = chemické reakce zajišťující výstavbu organismu, tvorbu jeho součástí Katabolismus = chemické reakce zajišťující energii rozkladem komplexních molekul na jednodušší složky (tvorba ATP)

Metabolismus Energie = schopnost (kapacita) konat práci 1 Kcal = ohřev 1 l vody o 1 stupeň C

ATP

Respirace C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + ATP + teplo oxidace redukce

Etapy buněčné respirace 1. Glykolýza 2. Krebsův cyklus 3. Elektron – transportní řetězec a oxidativní fosforylace

Etapy buněčné respirace

Celkový výtěžek aerobní respirace

ATP může vzniknout dvěma způsoby: oxidační fosforylací a substrátovou fosforylací Oxidační fosforylace odpovídá za vznik 90% ATP během procesů buněčné respirace Substrátová fosforylace probíhá, když enzymy přenáší na ADP fosfátovou skupinu z jiné látky, tzv. substrátové molekuly substrátovou molekulou může být např. organická molekuly vzniklá v katabolismu glukózy

Substrátová fosforylace

Glykolýza (= štěpení cukru) Probíhá v cytoplazmě rozštěpením šestiuhlíkaté glukózy vznikají dvě molekuly kyseliny pyrohroznové; nedochází k uvolnění oxidu uhličitého glykolýza je sled deseti reakcí, katalyzovaných deseti enzymy

Glykolýza (= štěpení cukru) glykolýza se dělí na dvě fáze: při prvních pěti krocích se spotřebují 2 molekuly ATP při druhých pěti krocích vznikají 4 molekuly ATP a dvě molekuly NADH celkový výtěžek glykolýza je tedy 2 molekuly ATP a dvě molekuly NADH ATP vzniká substrátovou fosforylací glykolýza probíhá bez ohledu na přítomnost nebo nepřítomnost kyslíku

Glykolýza probíhá v cytoplazmě

Celkový přehled glykolýzy

Glykolýza

Energetický výtěžek glykolýzy

Mitochondrie

Krebsův cyklus Glykolýza uvolní méně než čtvrtinu energie obsažené v glukóze; většina energie zůstane v molekulách pyruvátu za přítomnosti kyslíku může pyruvát proniknout do mitochondrií, kde je spálen až na oxid uhličitý

Konverze pyruvátu na acetyl CoA, spojení mezi glykolýzou a Krebsovým cyklem

Konverze pyruvátu na acetyl CoA, spojení mezi glykolýzou a Krebsovým cyklem Před vstupem do mitochondrie je pyruvát navázán na koenzym A za vzniku acetylkoenzymu A Tento krok spočívá ve třech reakcích: 1. Karboxylová skupina pyruvátu je odstraněna jakožto CO2 2. dvouuhlíkatý zbytek je přeměněn na acetát. Elektrony tohoto přenosu jsou uchovány v NADH 3. Koenzym A je navázán na acetát za vzniku nestabilní vazby .

Konverze pyruvátu na acetyl CoA, spojení mezi glykolýzou a Krebsovým cyklem Enzym, který z pyruvátu odštěpí molekulu oxidu uhličitého se jmenuje pyruvát dehydrogenáza a patří mezi největší enzymy vůbec: skládá se z 60-ti podjednotek! Acetyl-CoA se používá nejenom v metabolismus glukosy, nýbrž i v odbourávání tuků, proteinů a víceméně každé látky, která je rozkládána za účelem zisku energie Acetyl-CoA může být použit naopak i k syntéze lipidů, podle požadavků buňky

Acetyl koenzym A

Acetyl-CoA pokud má buňka dostatek ATP a není třeba jej dále vyrábět, acetyl-CoA se přepne a místo Krebsova cyklu se využije k syntéze zásobních tuků. u mnoho savců (včetně člověka) tak příjem většího množství potravin než je zrovna potřeba ústí v syntézu zásobních tuků pokud je hladina ATP nízká, nastává opačný proces: tuky jsou odbourávány

Energetický výtěžek konverze pyruvátu na acetyl CoA a Krebsova cyklu

Hans Krebs 1900-1981

Krebsův cyklus Má celkem 8 kroků, každý katalyzován vlastním enzymem v každém kole vstupuje do cyklu dvouuhlíkatý acetát (z koenzymu A) a cyklus opouští odlišné dvě molekuly CO2 acetát se navazuje na oxalacetátu za vzniku citrátu z citrátu se během cyklu uvolní dvě molekuly CO2 a stlává se z něj opět oxalacetát celý cyklus probíhá v mitochondriální matrix s výjimkou kroku 6 (sukcinát - fumarát), který probíhá na vnitřní membráně mitochondrií

Krebsův cyklus Na každý acetát vstupující do cyklu se tři molekuly NAD+ mění na NADH (kroky 3,4 a 8) v kroku 6 se elektrony nepřenáší na NAD+, nýbrž na FAD za vzniku FADH2 rovněž vzniká jedna molekula ATP substrátovou fosforylací

Výtěžek Krebsova cyklu

Krebsův cyklus

Výtěžek Krebsova cyklu Doposud vznikaly všechny molekuly ATP substrátovou fosforylací Doposud vznikly 4 ATP: - dvě z glykolýzy - dvě z Krebsova cyklu (z jedné molekuly glukózy jsou dva acetáty)

Elektron-transportní řetězec

Elektrontransportní řetězec Je skupina molekul umístěných ve vnitřní membráně mitochondrií kristy vytváří prostor pro tisíce takovýchto řetězců v každé mitochondrii většina těchto molekul jsou proteiny prostetická skupina těchto přenašečů je úzce spojena s katalytickými vlastnostmi molekuly

Elektrontransportní řetězec Elektrony z glukózy jsou navázány na NADH NADH předává elektrony první molekuly elektrontransportního řetězce, kterou je flavoprotein (prostetickou skupinou je flavin) v následujícím kroku se flavoprotein vrací ke své redukované podobě, když elektrony předá proteinu obsahujícímu železo a síru (Fe.S protein)

Elektrontransportní řetězec Fe.S pak předá elektrony ubichinonu ubichinon je lipid, jediný nebílkovinný přenašeč mezi ubichinonem a kyslíkem je několik cytochromů. Prostetickou skupinou cytochromů je hem, velmi podobný hemové skupině hemoglobinu. Zde ovšem hem přenáší elektrony, nikoli kyslík poslední cytochrom, cytochrom a3 předává elektrony kyslíku, který spolu s volnými protony z okolního prostředí dává vznik vodě

Elektrontransportní řetězec Elektrony přenáší rovněž FADH2. FADH2 ovšem přenáší elektrony nižší energetické hladiny než NADH elektrony z FADH2 jsou schopny dát vznik asi o třetinu menšímu zisku ATP než elektrony z NADH

Elektron-transportní řetězec … z novějšího vydání učebnice

Elektron-transportní řetězec

Elektron-transportní řetězec

Syntéza ATP Ve vnitřní membráně mitochondrií je mnoho molekul enzymu zvaných ATP syntáza. Tento enzym je schopen vyrobit z ADP a fosfátu ATP. ATP syntáza pracuje jako iontová pumpa. Využívá energii protonového gradientu pro výrobu ATP hnací silou výroby ATP je tedy různá pH v intermembránovém prostoru a v matrix jak ale tento protonový gradient vzniká?

Syntéza ATP Elektrotransportní řetězec využívá energii elektronů k pumpování protonů z matrix do intermembránového prostoru jediným místem, kde se mohou protony dostat zpět do matrix je ATP syntáza tento protonový tok je využit k oxidativní fosforylaci ADP protonový gradient tak využívá redoxních reakcí elektrontransportního řetězce pro syntézu ATP tomuto spojení se říká chemiosmóza

Chemiosmóza Některé molekuly elektrontransportního řetězce přijímají s elektrony i protony, které jsou přeneseny do intermembránového prostoru

Chemiosmóza Tři nepohyblivé komplexy v membráně spojují dvě pohyblivé molekuly: ubichinon a cytochrom c

Syntéza ATP ATP syntáza má v membráně nepohyblivý stator. Je zde rovněž pohyblivý rotor, který se otáčí po směru hodinových ručiček

Syntéza ATP

Syntéza ATP Peter Mitchell

Syntéza ATP

Celkový přehled a umístění reakcí

Celkový výtěžek buněčné respirace je 36 - 38 molekul ATP

Celkový výtěžek Z každé molekuly NADH mohou vzniknout až 3 molekuly ATP z každé molekuly FADH2 mohou vzniknout až dvě molekuly ATP z jedné molekuly glukózy vznikne 10 molekul NADH a 2 molekuly FADH2 10x3 = 30 a 2x2 = 4 oxidativní fosforylací se tedy získá až 34 molekul ATP dále se získají substrátovou fosforylací v glykolýze 2 ATP a 2 ATP v Krebsově cyklu

Celkový výtěžek Celkem tedy vznikne až 38 molekul ATP fosforylace ADP na ATP uchová 7,3 kcal 7,3 x 38 (=maximální zisk ATP z jedné molekuly glukózy) je 277,4 kcal. 277,4 kcal děleno 686 kcal (=oxidace molu glukózy ΔG = -686) je 0,404 výtěžek tedy je 40%, zbytek energie je ztracen ve formě tepla; část z ní se užívá k udržení stálé tělesné teploty automobily spalují benzín s účinností asi 25%

Celkový výtěžek v realitě …je asi 30 ATP na 1 molekulu glukosy, což je asi 32 % účinnost vnitřní membrána mitochondrie není zcela nepropustná pro protony, které“prosakují“ i mimo ATP-syntázu NADH, která vznikla v glykolýzou se musí dostat do matrix přes mitochondriální membrány, což stojí 1 ATP na každou molekulu NADH mitochondrie používají protonový gradient i k jiným účelům než je tvorba ATP: např. k tomu, aby dostaly pyruvát do matrix v realitě se na 1 NADH vytvoří 2,5 ATP a z 1 FADH2 1,5 ATP

Celkový výtěžek buněčné respirace

Kontrolní body glykolýza Krebsův cyklus enzym fosfofruktokináza, která katalyzuje třetí krok (fruktosa 6 fosfát na fruktosa 1,6 bis fosfát) vysoká koncentrace ADP stimulují fosfofruktokinázu tím pádem se začíná spalovat více cukrů podobný účinek má i nízká koncentrace kyseliny citronové Krebsův cyklus vysoká koncentrace NADH inhibuje pyruvát dekarboxylázu vysoká hladina ATP inhibuje citrát syntetázu (první krok Krebsova cyklu)

Sdružené metabolické procesy: alkoholové a mléčné kvašení

Alkoholové kvašení

Alkoholové kvašení Při glykolýze by anaerobní organismy brzy vyčerpaly zásobu NAD+ a glykolýza by se zastavila při kvašení NADH předává své elektrony pyruvátu za vzniku etanolu. Rovněž dojde k uvolnění jedné molekuly oxidu uhličitého alkoholové kvašení kvasinek a hub se využívá pro výrobu piva a vína

Alkoholové kvašení při výrobě vína se užívají kvasinky, které konvertují glukosu až na etanol… tak se děje, dokud nestoupne koncentrace etanolu až k 12 %, pak je koncentrace etanolu již natolik vysoká, že začne působit na kvasinky toxicky, kvasinky vymřou… … a co zbude je víno

Mléčné kvašení

Mléčné kvašení Pyruvát se přímo mění v laktát, aniž by vznikal oxid uhličitý reakce se využívá pro výrobu sýrů jogurtů (bakterie a houby) pokud při usilovné svalové práci člověka jsou požadavky na ATP větší než dostupné množství kyslíku, svaly člověka přepnou na anaerobní glykolýzu za vzniku kyseliny mléčné hromadění laktátu ve svalech způsobuje křeče a bolesti postupně se ovšem laktát dopravuje krví do jater, kde se mění v pyruvát

Srovnání fermentace a respirace Fakultativně anaerobní bakterie mohou podle dostatku kyslíku přepnout na aerobní nebo anaerobní způsob zisku energie

Glykolýza je evoluční relikt Nejstarší známé bakterie jsou z doby 3,5 miliardy let. Kyslík se začíná akumulovat v atmosféře až před 2,7 miliardami let. první prokaryota tak musely získávat ATP pouze z glykolýzy starobylost glykolýzy potvrzuje rovněž to, že k ní není potřeba žádný membránový systém - glykolýzy probíhá přímo v cytosolu

Glykolýza a Krebsův cyklus se napojují na řadu dalších metabolických drah

Zpětná vazba kontroluje buněčnou respiraci

Celkový výtěžek aerobní respirace

Celkový přehled

Příště: fotosyntéza