Gymnzium Praha 10 Vodradsk 2 Projekt OBZORY Metabolismus

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 1. 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). 2. Vznik ATP v dýchacím řetězci na membráně mitochondrie (nebo bakterie) - oxidativní fosforylace. 3. 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 1. Světlo = fototrofní organismy 2. Oxidace chemických látek = chemotrofní organismy Zdroj organických látek 1. Organismus si je sám vyrábí z anorganických látek = autotrofní organismy 2. Organismus je získává v potravě a upravuje je pro svou potřebu = heterotrofní organismy

Hlavní varianty metabolismu • 1. 2. 3. 4. 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 buněčné dýchání / kvašení ATP výsledný produkt ATP

Tři nejdůležitější energetické procesy v buňkách 1. Buněčné dýchání – rozklad glukózy (nebo jiných látek) a tvorba ATP za aerobních podmínek 2. Kvašení – rozklad glukózy nebo jiných látek a tvorba ATP za anaerobních podmínek 3. 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 1. Anaerobní glykolýza – rozklad molekuly glukózy (C 6) za vzniku dvou molekul pyruvátu (2 x C 3) – 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 (C 3) se přeměňuje na aktivovanou kyselinu octovou (C 2; kyselina octová vázaná na látku nazývanou koenzym-A) vzniká acetyl Co-A – přitom se odštěpuje molekula CO 2 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 (C 2) vstupuje do Krebsova cyklu navázáním na oxalacetát (C 4) vznikne tak citrát (kyselina citronová; C 6) citrát se postupně přeměňuje na oxalacetát, v průběhu těchto přeměn se uvolní: • • – 2 molekuly CO 2 jedna molekula ATP 3 molekuly přenašeče NADH + H+ 1 molekula přenašeče FADH 2 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. FADH 2) vodík H 2 se rozkládá na 2 elektrony e- a 2 protony H+, na konci dýchacího řetězce se pak slučuje s O 2 na H 2 O 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 FADH 2 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 • • • 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: 1. Mléčné kvašení – vzniká kyselina mléčná (laktát) – např. ve svalech člověka, u některých bakterií, anaerobních živočichů 2. Alkoholové kvašení – uvolňuje se CO 2 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 • v Krebsově cyklu se dále vytvoří 2 molekuly přenašeče FADH 2 • v dýchacím řetězci vznikne uvolněním vodíku z 10 molekul NADH + H+ celkem 30 molekul ATP, další 4 molekuly ATP vzniknou pomocí přenašeče FADH 2 Celkový součet: 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 1. 2. • Primární pochody fotosyntézy Sekundární pochody fotosyntézy Celková „rovnice“ fotosyntézy: 6 CO 2 + 12 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O + 6 O 2

Fotosyntéza 1. 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 2 H+, 2 e , ½ O 2, uvolněné elektrony vstupují do necyklické fosforylace 2. Sekundární pochody fotosyntézy – – základem je Calvinův cyklus – soubor reakcí, do kterého vstupuje CO 2 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

Dýchací řetězec na membráně mitochondrie

Chloroplast

Absorpce světla chlorofylem a a dalšími barvivy

Primární pochody fotosyntézy Cyklická fosforylace modře Necyklická fosforylace 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%20 photo – http: //vydavatelstvi. vscht. cz/knihy/uid_es-002_v 1/hesla/mitochondrie. html – http: //www. wellesley. edu/Biology/Courses/Plant/chloro. html

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