buněčný metabolismus

replikace DNA základem je párování bazí dva řetězce – oba slouží jako předloha (templát) → semikonzervativní oddělení řetězců iniciační proteiny replikační počátky bohaté na A=T páry replikační vidličky oba směry vždy 5´ → 3´

replikace DNA

replikace DNA vedoucí a váznoucí řetězec, Okazakiho fragmenty

replikace DNA syntéza RNA primeru syntéza Okazakiho fragmentu odstranění starého RNA primeru ligace

replikace DNA

replikace DNA

replikace DNA proteiny replikační vidličky helikáza  rozvolnění DNA DNA-polymeráza  syntéza, oprava chyb (107 chyb na pb) svírací protein  váže DNA-pol. na templát primáza  tvoří primer (RNA úsek) nukleáza  odstaňuje primery DNA-ligáza  spojení SSB proteiny – chrání volný váznoucí řetězec

replikace DNA u prokaryot – jediný počátek, vícenásobná u eukaryot – více počátků, odděleně uzavření kruhu cirkularizace 5´

od DNA k proteinu

centrální dogma

transkripce = přepis gen. info z DNA do RNA RNA–polymeráza (krabí klepeto) promotor, transkripční faktory terminální sekvence, t. proteiny jen jeden gen, více RNA–pol. najednou

transkripce 2 genů

transkripce https://www.youtube.com/watch?v=WsofH466lqk http://www.dnalc.org/view/15510-Transcription-DNA-codes-for-messenger-RNA-mRNA-3D-animation-with-basic-narration.html

transkripce posttranskripční úpravy methylgunosinová čepička a poly-A konec

translace = překlad gen info z mRNA do sekvence AK probíhá na ribozomu velká a malá podjednotka proteiny a rRNA vazba mRNA vazebná místa pro tRNA vazba mRNA a tRNA triplety nukleotidů kodón a antikodón iniciace, elongace, terminace

translace start kodón AUG → methionin stop kodóny UAA, UAG, UGA

translace velká podjednotka ribozomu tři vazebná místa A (aminoacyl) P (peptidyl) E (end)

urychlení syntézy proteinů

ribozomy volné a vázané na membránu

organismy a energie organismus je otevřený systém → výměna látek a energie s okolím příjem světelné E, nebo E chemických vazeb přebytek odváděn ve formě tepelné energie 1. termodynamický zákon energie se neztrácí, ale přeměňuje z jedné formy na druhou (= práce) 2. termodynamický zákon o přechodu uspořádanosti v neuspořádanost

organismy a energie uspořádanost živých organismů je udržována na úkor zvyšování neuspořádanosti okolí - metabolismus volná energie využívána na práci chemická - biosyntéza osmotická - transport proti osmotickému tlaku mechanická - pohyb elektrická - elektrický potenciál na membránách světelná - bioluminiscence (světélkování)

přenos energie v buňkách energie uvolňovaná štěpením je uchovávána a přenášena ve formě ATP = adenositrifosfát energie uložena ve fosfátové vazbě přechod mezi ATP a ADP, případně AMP

biochemické základy metabolismu přeměny sloučenin → E, stavební látky sled reakcí → řetězce, cykly = metabolické dráhy v konkrétních místech b. obecně užívané i specif.

biochemické základy metabolismu fotosyntéza přeměna světelné E na E chemických vazeb vznik organických látek z anorganických a jejich následné štěpení za vzniku ATP

biochemické základy metabolismu katabolické dráhy → katabolismus štěpení složitějšího na jednodušší uvolnění energie (tvorba ATP) - exergonické r. buněčné dýchání: glykolýza, Krebsův cyklus, dýchací řetězec, oxidativní fosforylace β-oxidace mastných kyselin anabolické dráhy → anabolismus syntéza složitějších látek z jednodušších spotřeba energie (ATP) - endergonické reakce proteosyntéza, syntéza NK

biochemické základy metabolismu spřažené reakce využití E z katabolismu při anabolismu přenos ve formě ATP defosforylace a fosforylace

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 → CO2 + H2O využití až 50 % E, mitochondrie

enzymy a enzymové systémy ke změně látek dochází za běžných podmínek jen pozvolna k uvolnění energie je třeba vysoká aktivační energie - nebezpečné → aktivační energii je třeba snížit → zvýšit reaktivitu substrátu → enzymy - katalyzátory → komplex enzym-substrát E + S → ES → EP → E + P

enzymy a enzymové systémy

enzymy a enzymové systémy enzym = bílkovinná + nebílkovin. č. (kofaktor) spojeny trvale nebo oddělitelné aktivní místo – substrátová specifita (specifita účinku) rychlost reakce závisí i na koncentracích + efektory – vazba na enzym, inhibitory a aktivátory aktivita enzymu roste se zvyšující se teplotou rychlost reakce závisí i na pH

enzymy a enzymové systémy provázanost metabolických drah produkt jedné je substrátem druhé zpětná vazba neaktivní enzymy = zymogeny tvorba řízena geneticky signalizace do jádra k proteosyntéze podle substrátů v cytoplazmě a okolí buňky

enzymy a enzymové systémy všechny buňky obsahují stejnou DNA → mohou tvořit všechny enzymy, ale většinou je tvoří na konkrétní podnět (+ diferenciace b.) → indukované enzymy volné a vázané enzymy staré tradiční názvy ptyalin, pepsin odborné názvy podle specifity účinku i substr. koncovka -áza oxidoreduktáza, hydroláza, izomeráza, …

fotosyntéza anabolismus základní rovnice energie se ukládá syntéza organických látek z anorganických základní rovnice 6CO2 + 12H2O C6H12O6 + 6O2 + 6H2O dvě fáze: primární a sekundární světlo chlorofyl

primární fáze (světelná) přeměna energií: světlo → chemická vazba závislá na světle na thylakoidní membráně chloroplastu fotosynteticky účinné záření: 400 - 700 nm pohlcováno barvivy → odráží doplněk = zelená chlorofyl a chlorofyl b, c, karotenoidy

primární fáze fotolýza vody → H+ aktivace elektronů - vyšší energ. hladina → vytvoření přenašečů energie NADP+ + H+ + 2e- → NADPH (nikotinamid-adenin-dinukleotid-fosfát) → tvorba H+ gradientu pro syntézu ATP ATP-syntáza: ADP + P → ATP → uvolnění ½ O2 zásoba energie pro redukci CO2 při syntéze sacharidů v sekundární fázi

fotosystém II, komplex cytochromů, fotosystém I plastochinon, plastocyanin, feredoxin NADP-reduktáza, ATP-syntáza

sekundární fáze (temnostní) přeměna látek: fixace C z CO2 → glukóza může probíhat i ve tmě ve stromatu chloroplastů Calvinův cyklus vazba C na C5 derivát ribulózy katalýza enzymem Rubisko 6 x vazba → 6 x C → glukóza energie z ATP a NADPH obnova ribulózy

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

sekundární fáze C3 rostliny – 1. produkt je C3 (fosfoglycerát) vysoká fotorespirace (spotřeba vyrobeného) C4 rostliny – 1. produkt je C4 (oxalacetát) nižší fotorespirace CO2 se místo na ribulózu váže na C3 sloučeninu (fosfoenolpyruvát) jiné a složitější procesy, v evoluci vícekrát CAM rostliny časové oddělení fixace C a Calvinova cyklu C na fosfoenolpyruvát → malát (C4) → C pro Calvinův cyklus

K čemu je to dobré? primární produkce → každoročně 250 mld tun sacharidů složení dnešní atmosféry kyslík ozonová vrstva → směr vývoje organismů → rozmanitost vazba C v biomase snížení koncentrace CO2 (skleník. efekt)

dýchání (respirace) katabolická reakce uvolnění energie zdroj „stavebního materiálu“ pro syntézu v podstatě heterotrofní způsob výživy štěpení glukózy pomocí oxidace C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + E 2 fáze: anaerobní, aerobní

dýchání

anaerobní fáze = glykolýza v cytoplazmě oxidace → vznik NADH z NAD+, 2 ATP a 2 molekul kys. pyrohroznové (pyruvát) v anaerobních podmínkách pokračuje kvašením - alkoholové / mléčné C6H12O6 2 CH3CH2OH + CO2 + E uvolnění méně než 5 % energie

aerobní fáze = vznik acetyl–CoA, Krebsův cyklus a dýchací řetězec v mitochondrii dekarboxylace, dehydrogenace, oxidace vznik NAD+, NADP+, FAD+, ATP, CO2 a H2O z 1 molekuly glukózy celkem 36 molekul ATP uvolnění asi 50% energie (spalovací motor - asi 20%)

Krebsův cyklus = cyklus kys. citrónové = citrátový cyklus napřed: pyruvát → CO2 + acetyl-CoA + NADH acetyl-CoA + oxalacetát → citrát → C6 → C5 → C4 → C4 → malát → → oxalacetát → další cyklus → 3 NADH + FADH2 + GTP + 2 CO2

dýchací řetězec = oxidativní fosforylace membrána mitochondrie - komplex 3 proteinů dehydrogenace a oxidace NADH + ½ O2 + H+ NAD+ + H2O ADP + P ATP NADH → 3 ATP, FADH2 → 2 ATP

dýchací řetězec

výtěžek z 1 molekuly glukózy anaerobně: glykolýza: 2 ATP fermentace: 0 ATP účinnost asi 5 % aerobně: glykolýza: 2 ATP + 2 NADH vznik acetyl-CoA: 2 x NADH citrátový c. a dýchací ř.: 2 x 3 NADH, 2 x FADH2, 2 x GTP → celkem (NADH → 3 ATP, FADH2 → 2 ATP, GTP ~ ATP): 2 + 6 + 6 + 18 + 4 + 2 = 38 molekul ATP několik ATP (6 – 8) využito na transport látek do mitoch. celková účinnost asi 40 %

fotosyntéza X dýchání typ buňky světelné záření CO2 a H2O O2 zásobní látky hmotnost rostliny

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