Metabolismus - principy

Prezentace na téma: "Metabolismus - principy"— Transkript prezentace:

1 Metabolismus - principy
BUNĚČNÁ TEORIE Robert Hook (1667)  "buňka" Buňky tvoří veškerou živou hmotu (x viry). Veškeré buňky pocházejí z jiných buněk (x samoplození). Informace se předávají z generace na generaci. V buňkách látky podléhají chemickým přeměnám. Buňky reagují na vnější podněty. Otevřené systémy: tok látek, energie a informací dovnitř a ven dynamická rovnováha → ustálený stav Pravá rovnováha → smrt organismu

2 Metabolismus Obecné znaky metabolismu
Získání a využití energie - bioenergetika Buněčné dýchání (glykolysa + CKC + oxidativní fosforylace) Biosynthesa sacharidů + fotosynthesa Metabolismus lipidů Metabolismus dusíkatých látek

3 Dělení organismů z hlediska výživy
(trofika, trofé = výživa): zdroj energie: světelné záření → fototrofy chemické reakce (redox) → chemotrofy  Přenos vodíku (elektronů) na konečný akceptor Lithotrofy (líthos = kámen) organotrofy aerobní anaerobní Fermentace: „disproporcionace“ Např.: C6H12O6  2 CH3-CH(OH)-COOH C6H12O6  2 CH3-CH2-OH + 2CO2

4 Příjem látek (především uhlík): anorganické látky → autotrofy
organické látky → heterotrofy

5 Nejdůležitější metabolické typy
TYP METABOLISMU ZDROJ UHLÍKU ZDROJ VODÍKU OXIDAČNÍ ČINIDLO (akcept. H) PŘÍKLADY ORGA-NISMÙ fotolithotrofní (autotrofní) CO2 H2O zelené buňky rostlin (heterotrofní) organické látky (CO2) někt. fotos. bakterie fotoorganotrofní (heterotrofní) nìkteré řasy a bakterie chemoorganotrofní aerobní O2 živočich., aerob. org. chemoorganotrofní anaerobní respirující SO42- NO3- HCO3- půdní anaerobní mikroorg. chemoorganotrofní fermentační ---- kvasinky vinné, mléčné; škrkavky chemolithotrofní H2S, CH4, NH3, H2 O2 (téměř vždy) bakterie sirné, nitrifikaèní

6 Zisk energie Synthesa látek
Metabolické děje katabolické anabolické Zisk energie Synthesa látek Od složitějších molekul k jednodušším Od jednodušších molekul k složitějším Vzájemná koordinace a regulace + děje amfibolické a anaplerotické

7 Základní koncept metabolismu a bioenergetiky
Autotrofy heterotrofy

8 Hlavní metabolické dráhy

9 Katabolismus - chemoorganotrofní anaerobní
proteiny polysacharidy lipidy I. fáze aminokyseliny glukosa Glycerol + mastné kyseliny II. fáze III. fáze

10 výrobní fáze metabolismu - biosynthesa/biogenese
Anabolismus výrobní fáze metabolismu - biosynthesa/biogenese Vzrůst komplexity látek vyžaduje energii - ATP Celkově redukční charakter – redukční činidlo NADPH + H+ stupeň: intermediáty 2. a 3. fáze katabolismu (CKC)  prekursory stupeň: biosynthesa stavebních jednotek stupeň: biosynthesa polymerů z aktivovaných jednotek

11 Katabolismus versus anabolismus:
Protichůdný charakter degradační x syntetický oxidační x redukční energii poskytuje x spotřebovává konvergentní x divergentní B. Vzájemně se doplňují: produkty a meziprodukty katabolismu využívány v anabolických dějích (energie, redukční činidlo, prekursory), některé reakce jsou společné C. Stejné výchozí a konečné produkty D. Probíhají odděleně - kompartmentace

12 Metabolická dráha Sled reakcí probíhající od výchozího metabolitu ke konečnému produktu Skládají se z mnoha kroků při nichž dochází k malým změnám struktury – intermediáty (meziprodukty) Vstupující látky jsou obvykle v aktivní formě Průběh metabolických drah: lineární větvené (konvergentní a divergentní) cyklické, spirálové

13 ATP = společná měna ?

14 ATP = společná měna Fosfoanhydridové vazby 1. Elektrostatické síly
2. Resonanční stabilizace Enzyme “handle” O- HO P O- O

15 Bioenergetika V biochemii oblíbená Gibbsova volná energie -
Platí: I. věta termodynamická (zákon zachování energie) II. věta termodynamická (v uzavřeném systému roste entropie) Systémy: isolované - uzavřené - otevřené isolované a uzavřené: směřují k rovnováze otevřené: stacionární stav (minimum produkce entropie) kriteria rovnováhy: různá (H, G, S) definice: G =  H - TS V biochemii oblíbená Gibbsova volná energie - lze použít pro otevřený systém, T a p = konst.

16 Volná energie je mírou vzdálenosti reakce od rovnováhy
. D G = G - G r x n p r o d u ktů t s u b s t r átů t A + B P D G Volná energie rxn D G A + B P rxn A + B P D G > 0 D G < 0 D G = 0 Reakce endergonická Reakce exergonická Reakce v rovnováze

17 ( ) ∆ G = ∆ G + R Tln ∆ G = ∆ G vztah ∆G a ∆Go? [produkty] o
Závislost DG na koncentraci reaktantů: ( [produkty] ) o ∆ G = ∆ G + R Tln [substráty] Plynová konst. teplota (8.31 J · K-1 · mol-1 ) (K) o o Za standardních podmínek: Konc. 1M, 25°C, atm. tlak ∆ G = ∆ G

18 Bioenergetika V biochemii G0´ - standardní „biochemická“ změna volné energie G´ = G0´ + RT ln [produkty]/[reaktanty] Pro pH = [H+] = 10-7 O směru reakce rozhodují fyziologické koncentrace: Příklad: Dihydroxyaceton fosfát (M) Glyceraldehyd 3-fosfát Změna volné energie (kJ mol-1) 1,0 + 7,7 (G0) 2,0 x 10-1 9,0 x 10-3 0 (G) 1,0 x 10-1 1,0 x 10-4 - 9,5 (G) + 24,8 (G)

19 ? děj exergonický: G < 0 děj endergonický: G > 0
Pokračování……… děj exergonický: G < 0 - probíhá samovolně nepotřebuje dodávat energii - katabolismus (celkově) děj endergonický: G > 0 (pozor: neexistují!!) příklady: ligasy aktivní transport anabolismus (celkově) řízené polymerace ?

20 Řešení: spřažení reakcí
Příklad: vznik glukosa 6-fosfátu Podmínka: společný meziprodukt

21 Synthesa ATP v organismech
Substrátová fosforylace: S-P + ADP  S + ATP (transferasa) S1-S2 + ADP + Pi  S1 + S2 + ATP (+ H2O) (ligasa) G°’ADP = -30,5 kJ/mol

22 …. Synthesa ATP v organismech
Membránové fosforylace: ADP + Pi  ATP + H2O (hydrolasy) Oxidativní fosforylace (mitochondrie) Fotofosforylace (chloroplasty)

23 Využití ATP Chemická práce: transferasy a ligasy
Osmotická práce - primární aktivní transport látek proti koncentračnímu gradientu Mechanická práce: aktomyosin (kontrakce svalu), cytoskelet Regulační práce - přenos signálu do buněk apod.

24 ENERGETIKA ŠTĚPENÍ ATP
jednotka energie ATP: energie získaná reakcí ATP + H2O  ADP + Pi GADP  -50 kJ/mol, G°ADP = -30,5 kJ/mol (-29 až -35 kJ/mol) GADP = G°'ADP + RT ln ([ADP].[Pi]/[ATP].[H2O]) Jaká je energie štěpení: ATP + H2O  AMP + PPi? G°'AMP je stejné jako G°'ADP (asi -33 kJ/mol) GAMP = G°AMP + RT ln ([AMP].[PPi]/[ATP].[H2O]) GAMP = 2 GADP

25 Buněčná respirace aerobní chemoorganotrofní organismy
V cytoplasmě (1) V mitochondriích (2, 3 & 4)