Konsultační hodina –

základy biochemie pro 1. ročníkPřírodní látky

Úvod do metabolismuGlykolysa

Krebsův cyklusDýchací 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?

– 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?– 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• -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

F0F1-ATPasa synthetisuje ATP:-Pomocí enzymu je využita nerovnováha v koncentracích H+ pro synthesu ATP-Celý proces funguje obdobně jako přečerpávací vodní elektrárna

Jednotlivé komplexy si předávají elektrony a přitom pumpují H+ přes membránu

Jeden z komplexů dýchacího řetězce je současně součástí Krebsova cyklu

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?

Při aktivaci fotosystémů dojde k uvolnění elektronů

Elektron z fotosystému I může být použit pro pohon protonové pumpy, nebo na synthesu NADPH

Elektron z fotosystému II je použit pro pohon protonové pumpy a současně doplňuje elektron fotosystému I

Existují dva fotosystémy

Fotosystém II doplňuje svůj elektron rozkladem vody

Vzniklá protonová nerovnováha (gradient) je použita pro synthesu ATP stejně jako v dýchacím řetězci

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:-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