energetika a metabolismus bb Flashcards
(22 cards)
TERMODYNAMIKA
TERMODYNAMIKA
- Klasická termodynamika tvrdí, že hmota směřuje nutně a automaticky ke stále většímu
nepořádku – k nárůstu neuspořádanosti, tzv. entropie (2. termodynamická věta)
- Živá hmota se odlišuje od neživé hmoty především tím, že se sama rozmnožuje, pohybuje,
roste, organizuje se – čili že čerpá energii z okolí a využívá ji k vytváření určitého pořádku
- Pro živé systémy daleko od rovnováhy, kde chemické reakce nekončí tím, že proběhnou, ale
probíhají stále dokola platí, že jsou schopny snižovat entropii a vytvářet vysoce
organizovaný řád, a to v souladu s 2. termodynamickou větou (vznik tepla)
CHEMICKÁ ENERGIE
CHEMICKÁ ENERGIE
- V přírodě běžně probíhají různé přeměny energie z jedné formy do forem jiných, avšak
přeměna energie z okolí v chemickou energii je podstatou života
- Z chemické energie se „platí“ pohyb, teplo, náklady na rozmnožování atd.
- Chemická energie spočívá v rozdílu Gibbsových energií reaktantů a produktů (ΔG)
GIBBSOVA („VOLNÁ“) ENERGIE
GIBBSOVA („VOLNÁ“) ENERGIE
- Stav před chemickou reakcí (jenom reaktanty) a po chemické reakci se liší jak změnou
entalpie (H), tak entropie (S) – celková změna energie se nazývá Gibbsova či „volná“
energie (ΔG = ΔH – TΔS)
- S růstem entropie nabývá ΔG záporné hodnoty (snižuje se volná energie soustavy), čili reakce
uvolňuje energii do okolí – energeticky výhodné reakce
- Při reakcích s kladnou ΔG se energie spotřebovává a uspořádanost systému se zvyšuje –
energeticky nevýhodné reakce
- Když má chemická reakce dané ΔG, tak reakce opačná má opačné znaménko ΔG
ZÁKLAD ENERGETIKY ŽIVOTA
ZÁKLAD ENERGETIKY ŽIVOTA
- Chemická reakce může skončit buď uvolněním energie do okolí – exergonická reakce, nebo
odebráním energie z okolí – endergonická reakce
- Všechny reakce, odebírající energii z okolí, jsou v buňce umožněny tím, že jiné reakce energii
naopak uvolňují – spřažené reakce
- Pomocí Gibbsovy energie lze vysvětlit energetickou bilanci celých souborů chemických reakcí,
které následují jedna po druhé (spřažené reakce): pouhým součtem ΔG jednotlivých reakcí
dostaneme celkovou bilanci (např. citrátového cyklu)
AKTIVAČNÍ ENERGIE
AKTIVAČNÍ ENERGIE
- I když reakce energii uvolňuje a probíhá samovolně, bez potřeby energické dotace zvnějšku,
vyžaduje na začátku určité množství energie, tzv. aktivační energii (různé reakce mají různou
aktivační energii)
- Příkladem může být hoření papíru: tato exergonická reakce neprobíhá, i když je papír a kyslík
přítomen, dokud se nedodá (např. zahřátím) aktivační energie – pak proběhne a uvolní energii
(např. ve formě tepla)
- Schopnost snížit hodnotu aktivační energie dané chemické reakce je základem katalýzy (tj.
vhodný katalyzátor by umožnil papíru hořet za normální teploty bez počátečního zahřátí – snížil
by aktivační energii hoření papíru)
KATALYZÁTORY
KATALYZÁTORY
- Katalyzátory snižují aktivační energii chemické reakce
- Katalyzátory zvyšují rychlost chemické reakce
- Katalyzátory nemění energetickou bilanci chemické reakce (tj. zda je reakce exergonická či
endergonická)
- Katalyzátory nemění rovnovážnou konstantu chemické reakce
- Enzymy jsou vysoce selektivní katalyzátory, jež umožňují průběh chemických reakcí v
buňce/organismu, které by za fyziologických podmínek normálně nemohly probíhat (např. by
potřebovaly vyšší teplotu)
- Enzymy urychlují chemické reakce až 1014krát
ENZYMOVÁ KATALÝZA
ENZYMOVÁ KATALÝZA
- Schopnost enzymů snižovat aktivační energii lze vysvětlit tím, že fixují molekuly v určité pozici
a vazbou na ně ovlivňují jejich chemické vlastnosti
DIFUZE A ENZYMY
DIFUZE A ENZYMY
- Přesto že je koncentrace enzymů a jejich substrátů v buňce nízká, typický enzym katalyzuje
každou sekundu přibližně 1000 reakcí
- Kinetická teorie hmoty – hmota se skládá z částic, které se neustále pohybují (tzv. tepelný
pohyb) a narážejí do sebe – při vhodné orientaci a síle nárazu může dojít k proměně těchto
částic v částice jiné, tedy k chemické reakci
- Enzymy se takto náhodně setkávají se svými substráty a fixují je v aktivním místě (princip
zámek a klíč) v takové orientaci, aby došlo k dané chemické reakci
- Čím je molekula větší, tím se pohybuje tepelným pohybem pomaleji – enzymy proto ve
srovnání s malými substráty „stojí“ a frekvence setkání enzymu se substrátem závisí na
koncentraci molekul substrátu
BUŇKA „SE DĚJE“
BUŇKA „SE DĚJE“
- Buňka není statický systém, každou vteřinu v ní probíhají tisíce chemických reakcí – proto je
buňka spíše děj než objekt
- Chemické reakce v buňce by většinou vůbec nemohly probíhat za daných podmínek (např.
teplota), kdyby nebyly katalyzovány pomocí enzymů
- Enzymy katalyzované reakce jsou většinou spřažené čili produkt jedné reakce je reaktantem v
druhé reakci a produkt druhé reakce je reaktantem v třetí reakci atd.
- Každý enzym katalyzuje jednu určitou reakci a sám ji opouští nezměněn
- Soubor enzymově katalyzovaných reakcí následujících za sebou vytváří metabolickou dráhu
BUNĚČNÝ METABOLISMUS
BUNĚČNÝ METABOLISMUS
- V buňce existují dva základní a opačné proudy chemických reakcí, které se spojují v jeden
dokola probíhající obří proces – metabolismus
- Prvním z proudů metabolismu je systém katabolických drah, který odbourává živiny na menší
molekuly, a přitom uvolňuje energii a základní stavební kameny buňky (např. aminokyseliny,
monosacharidy, nukleotidy atd.)
- Anabolické dráhy naopak využívají energii z katabolismu k tomu, aby syntetizovaly složité
molekuly nutné pro různé buněčné funkce (syntéza polysacharidů, mastných kyselin, bílkovin
atd.)
TYPICKÝ ANABOLICKÝ DĚJ
TYPICKÝ KATABOLICKÝ
TYPICKÝ ANABOLICKÝ DĚJ = FOTOSYNTÉZA
TYPICKÝ KATABOLICKÝ DĚJ = DÝCHÁNÍ
ENERGATICKÁ „PLATIDLA“ V BUŇCE
ENERGATICKÁ „PLATIDLA“ V BUŇCE
- Energii lze v buňce uchovávat buď dlouhodobě (např. škrob, tuk), nebo krátkodobě, aby byla
hned k dispozici a mohla být použita v chemických reakcích
- K druhému účelu slouží aktivované nosičové molekuly, mezi nimiž nejběžnější jsou:
o Adenosintrifosfát se zkratkou ATP
o Nikotinamid adenin dinukleotid se zkratkou NAD(H)
o Nikotinamid adenin dinukleotid fosfát se zkratkou NADP(H)
- Tyto molekuly obsahují energii, která se z nich při chemických reakcích uvolňuje a umožňuje
průběh jiných chemických reakcí, které energii naopak potřebují
TVORBA AKTIVOVANÉHO NOSIČE
TVORBA AKTIVOVANÉHO NOSIČE
- Prostřednictvím spřažené reakce, v níž se energeticky výhodná reakce využívá na aktivaci
nosičové molekuly (energeticky nevýhodná reakce)
PŘEHLED ODBOURÁVÁNÍ CUKRŮ A TUKŮ
PŘEHLED ODBOURÁVÁNÍ CUKRŮ A TUKŮ
- 1. fáze: pomocí hydrolytických enzymů se cukry rozštěpí v lyzosomech na monomery a tuky na
glycerol a mastné kyseliny (trávení)
- 2. fáze: začíná v cytoplazmě, kde monosacharidy (glukóza) podléhají glykolýze, ve které jsou
převedeny na pyruvát za uvolnění ATP a NADH, který následně vstupuje do mitochondrie
o Pyruvát je v mitochondrii dekarboxylován za vzniku CO2 a acetyl-koenzymu A
(acetyl-CoA)
o Pomocí oxidace mastných kyselin (β-oxidace) vzniká acetyl-CoA v mitochondriích
také z mastných kyselin
- 3. fáze: probíhá výlučně v mitochondriích, kde acetyl-CoA vstupuje do citrátového (Krebsova)
cyklu a je odbourán na CO2 , GTP, NADH+H+ a FADH2
o S pomocí elektronových nosičů NADH+H+ a FADH2 se elektrony přenášejí do řetězce
enzymů fungujících v transportu elektronů a podílejí se na transportu H+ přes
membránu, čímž vzniká jejich koncentrační gradient
o Gradient je zdrojem energie pro vznik ATP a konečným akceptorem elektronů je
molekulární kyslík (O2)
o Tento proces se nazývá oxidativní fosforylace a vzniká tak drtivá většina ATP
GLYKOLÝZA
GLYKOLÝZA
- Metabolická dráha přeměny glukózy na dvě molekuly pyruvátu za čistého výtěžku dvou
molekul ATP a dvou molekul NADH
- Probíhá v cytosolu buněk
PŘEMĚNA PYRUVÁTU NA ACETYL-CoA
- Pyruvátdehydrogenasový komplex
β-OXIDACE MASTNÝCH KYSELIN
CITRÁTOVÝ (KREBSŮV) CYKLUS
CITRÁTOVÝ (KREBSŮV) CYKLUS
- Postupnou dekarboxylací a oxidací šestiuhlíkaté kyseliny citrónové uvolňuje redukční
ekvivalenty, které jsou použity při oxidativní fosforylaci k syntéze ATP, hlavního energetického
zdroje buňky.
OXIDATIVNÍ FOSFORYLACE
OXIDATIVNÍ FOSFORYLACE
- Vnitřní membrána mitochondrií je pro vodíkové ionty neprostupná. Díky činnosti protonových
pump dýchacího řetězce se na membráně tvoří gradient, ionty mají snahu vyrovnat
koncentrace na obou stranách membrány. Jediný způsob, jak se mohou vodíkové ionty dostat
na druhou stranu membrány, je projít skrze ATP-syntházu, enzym, který je zakotvený v
membráně a tvoří kanál pro průchod iontů. Zároveň využívá jejich energie k syntéze ATP.
UKLÁDÁNÍ A ZUŽITKOVÁNÍ POTRAVY
UKLÁDÁNÍ A ZUŽITKOVÁNÍ POTRAVY
- Buňky, obsahující chloroplasty, nemusí cukry přijímat zvnějšku, ale přijímají je zevnitř, z
produkce chloroplastů, které převádějí sluneční energii na cukry – fotosyntéza
- Nadbytek vyrobených cukrů rostliny potom ukládají ve formě škrobu (živočichové zase
nadbytek přijatého cukru ukládají ve formě glykogenu)
- Zásobní formou lipidů jsou triacylglyceroly nacházející se v cytoplazmě ve formě tukových
kapek
CITRÁTOVÝ CYKLUS A BIOSYNTÉZA
CITRÁTOVÝ CYKLUS A BIOSYNTÉZA
- Citrátový cyklus neslouží pouze k výrobě energie a degradaci cukrů a tuků na oxid uhličitý a
vodu, jeho meziprodukty naopak často slouží k biosyntéze nových molekul
