Zdroje energie pro buňku Biologie 1. ročník Akademický rok: 2024-2025 doc. RNDr. Milan Bartoš, Ph.D. Obsah dnešní přednášky 1. Chemické procesy v živých systémech 2. Funkce enzymů 3. Energeticky výhodné reakce, volná energie 4. Regulace enzymové aktivity 5. Aktivované přenašečové molekuly: ATP, NADH, NADPH 6. Princip získávání energie z potravy 7. Buněčná respirace 8. Fotosyntéza 1. Chemické procesy v živých systémech V živém organismu (v každé buňce) dochází k chemickým reakcím, které jsou důležité pro udržení vlastní existence. V každé buňce tisíce chemických reakcí během jediné sekundy. Naprostá většina probíhajících reakcí je řízena prostřednictvím enzymů. ENZYM ------------ katalyzuje = urychluje reakci SUBSTRÁT ------- látka, na kterou enzym působí Enzymově katalyzované reakce se spojují za sebe (produkt jedné reakce je substrátem pro reakci další) a vytvářejí reakční – metabolické dráhy. V buňce probíhají tisíce chemických reakcí ❖ KATABOLICKÉ DRÁHY ❖ ANABOLICKÉ = BIOSYNTETICKÉ DRÁHY Oba soubory reakcí se společně označují jako METABOLISMUS BUŇKY Odbourávají živiny na menší molekuly, využitelné jako stavební kameny. Při těchto dějích vzniká pro buňku využitelná energie. Dochází k syntéze molekul tvořících buňku. Při těchto dějích je energie spotřebována - využívána je energie z katabolických dějů. Dva typy metabolických drah Každý enzym katalyzuje jednu určitou reakci a sám ji opouští nezměněn ZKRÁCENĚ Metabolická dráha je sekvence reakcí 2. Funkce enzymů V živých buňkách pomáhají molekulám k překonání této energetické bariéry proteiny ENZYMY = katalyzátory. Aktivační energie pro reakci Y→ X Enzym snižuje aktivační energii reakce, kterou katalyzuje Průběh nekatalyzované reakce Průběh enzymem katalyzované reakce Celkováenergie Celkováenergie Sloučenina Y je ve stabilním stavu. K její přeměně na sloučeninu X je potřeba dodat energii- tzv. AKTIVAČNÍ ENERGII Aktivační energie Buňka (resp. organismus) je schopna vytvářet mnoho typů enzymů s jedinečným aktivním místem jen pro určitý substrát → enzymy jsou vysoce selektivní, katalyzují jen určitou reakci ❖ Enzymy urychlují reakce až 1014 krát ❖ Rychlá vazba substrátu na enzym (zlomek milisekundy) ❖ Umožňují, aby se reakce uskutečnila za normálních teplot Enzymy i substráty se nacházejí v buňce v nízkých koncentracích. Jedna molekula hojně se vyskytujícího substrátu (0,5mM) připadá na 105 molekul vody. Vlastnosti enzymů ZKRÁCENĚ Metabolické dráhy a jejich vzájemná propojení v typické buňce. Na schématu je cca 500 běžných metabolických reakcí. Černá tečka = jedna molekula Jedna konkrétní metabolická dráha molekula A (substrát) aktivní místo Komplex enzym – substrát Komplex enzym – produkt molekula B (produkt) KATALÝZA ❖ každý enzym má aktivní místo pro vazbu molekul(-y) substrátu ❖ vzniká komplex E-S , proběhne reakce a vznikne komplex E-P ❖ produkt se uvolní a enzym může vázat další molekuly substrátu Jak enzymy pracují Kovalentní vazba je pevnější než vazba nekovalentní Kovalentní a nekovalentní vazba Enzymy mohou sice reakci urychlit, ale nemohou spustit reakci, která je pro buňku energeticky nevýhodná (např. tečení vody do kopce) Enzymy mohou pouze obstarávat spřažení energeticky výhodných reakcí s energeticky nevýhodnými. Co je to energeticky výhodná reakce ?? Enzymy = urychlovače nikoli spouštěče 3. Energeticky výhodné reakce, volná energie ENERGETICKY VÝHODNÁ REAKCE je taková, která může probíhat samovolně → tj. vzrůstá při ní neuspořádanost vesmíru (systému). Měřítko vzrůstu neuspořádanosti = = VOLNÁ ENERGIE SYSTÉMU (ΔG). Samovolnost ENERGETICKY VÝHODNÁ REAKCE je taková, při níž se snižuje volná energie soustavy = mají negativní ΔG. (vzrůstá entropie) ENERGETICKY NEVÝHODNÁ REAKCE je taková, při níž se zvyšuje volná energie soustavy = mají kladnou ΔG. (klesá entropie) Proto musí BÝT SPŘAŽENÁ s energeticky výhodnou reakcí (ΔG se sčítají a výsledná hodnota musí být negativní). Dva typy reakcí Lze spřáhnout dvě reakce, pokud sdílejí alespoň jeden společný intermediát („mezičlen“) Spřažené reakce Podle DRUHÉ VĚTY TERMODYNAMICKÉ je ve vesmíru i v jakékoliv izolované soustavě přirozené, že postupně dochází ke zvyšování neuspořádanosti = ENTROPII. Pohyb k větší neuspořádanosti je samovolný děj (energeticky výhodná reakce), zatímco obrácení tohoto děje vyžaduje opakované úsilí = dodání energie (energeticky nevýhodná reakce). Zvítězí chaos? Biologické struktury jsou naopak vysoce uspořádané a to na všech svých úrovních. To je možné jedině díky tomu, že buňka získává energii z okolí a převádí ji na formu, kterou je schopna využívat k neustálému vytváření biologického pořádku (k uspořádanosti struktur). To, co není živé spěje do stavu chaosu, rozpadá se. ...proto hmotnost molekul potravy je mnohem větší Energie je uložená v chemických vazbách molekul potravy. Většina se rozptýlí jako teplo… ...než hmotnost molekul vytvořených při anabolických dějích ANABOLICKÉ DRÁHY KATABOLICKÉ DRÁHY molekuly potravy molekuly tvořící buňku užitečné formy energie ztracené teplo stavební bloky pro biosyntézu V průběhu chemických reakcí vedoucích k vyšší uspořádanosti buňky, se část energie mění v teplo. Toto teplo uniká do okolí buňky a zvyšuje zde neuspořádanost (entropii). = vyšší tepelný pohyb molekul PORUŠUJÍ tedy biologické struktury DRUHOU VĚTU TERMODYNAMIKY? Celková entropie BUŇKY + OKOLÍ se nemění, i když v buňce VZRŮSTÁ USPOŘÁDANOST NE ! PROČ? Zvýšení „nepořádku“ Zvýšení „pořádku“ moře látky buňka Jaké jsou formy energie? Energie může přecházet z jedné formy do jiné, nelze ji vytvořit ani zničit ❖ Energie kinetická ❖ Energie chemických vazeb ❖ Elektromagnetická (světelná) ❖ Tepelná energie Výsledkem chemických reakcí uvnitř buňky je změna různých forem energie. Velmi často to je TEPELNÁ ENERGIE Aby buňka měla užitek z tepla, které se při reakcích uvolňuje, musí spřáhnout děje při nichž dochází k produkci tepla s dalšími ději, které vedou k růstu „uspořádanosti“ Druhá věta termodynamická Všichni živočichové využívají energii uloženou v chemických vazbách molekul, které byly vytvořeny jinými organismy, jež požírají (uvolňuje se oxidací). Rostliny (a fotosyntetizující baktérie) zachycují a využívají energii slunečního záření v procesu fotosyntézy. Potřebné atomy pro stavbu těla získávají z anorganických zdrojů (atmosféra, půda) Potřebné atomy pro stavbu svého těla získávají z potravy (živočichové, rostliny) a Živočichové a rostliny Ale taky bakterie či viry Nějak se nám vytratily houby Fotosyntéza Respirace (dýchání) Dva nejdůležitější a vzájemně se doplňující děje pro existenci života Energie Uskladněna do chemických vazeb přenašečových molekul (ATP, NADPH) Uvolňuje se plynný O2 Energie v nich uložená pohání proces fixace uhlíku: z CO2 + H2O vznikají jednoduché cukry. Energie se získává oxidací organického produktu. Spotřebovává se plynný O2 a jednoduché cukry. Vzniká ENERGIE + CO2 + H2O Energetickynejstabilnější formaCaH Fotosyntéza Respirace ENERGIE O2 CO2 + H2O CUKRY spotřebována získána uvolňován vstupuje do reakce získány spotřebován vystupuje z reakce spotřebovány Fotosyntéza X Respirace Během respiračních a fotosyntetických dějů dochází k oxidoredukčním dějům Oxidace Redukce …při nichž dochází k přenosu elektronů Oxidoredukční děje Oxidace Redukce Je tak označovaná každá reakce, kdy jsou odstraňovány elektrony z atomu (zmenšuje se jejich počet!) Nemusí se jednat pouze o adici atomů kyslíku Je tak označovaná každá reakce, kdy jsou přidány elektrony do atomu (zvyšuje se jejich počet!) Fe2+ Fe3+ Oxidace Redukce 4. Regulace enzymové aktivity Typy regulací ❖ Kompetitivní a nekompetitivní (allosterická) inhibice ❖ Zpětnovazebná inhibice ❖ Kooperace ❖ Lokalizace enzymů ❖ Regulace genové exprese – bude probráno v molekulární biologii Jak buňka reguluje aktivitu enzymů? Bez inhibice Vazba inhibitoru do aktivního místa substrátu Vazba inhibitoru jinam – změna konformace enzymu KOMPETITIVNÍ INHIBICE NEKOMPETITIVNÍ (ALLOSTERICKÁ) INHIBICE Kompetitivní a nekompetitivní inhibice Metabolická dráha je inhibována svým vlastním produktem, který se naváže na enzym a tím zablokuje danou metabolickou dráhu. Zpětná vazba (negativní zpětná vazba, biofeedback) Izoleucin se naváže do allosterického místa enzymu a tím zabrání vazbě počátečního substrátu navázat se do aktivního místa. ZPĚTNOVAZEBNÁINHIBICE Konečný produkt - IZOLEUCIN Počáteční substrát THREONIN Zpětnovazebná inhibice Molekuly substrátu mohou stimulovat aktivitu enzymu substrát neaktivní enzym aktivní enzym Vazba molekuly substrátu k aktivnímu místu jedné z podjednotek enzymu způsobí přechod ostatních podjednotek do aktivní konformace Kooperace LOKALIZACE ENZYMŮ uvnitř buňky usnadňuje regulaci metabolismu ❖ Prostorová separace metabolických drah díky buněčné kompartmentalizaci (buněčné organely a jiné membránové struktury). Reakce soustředěna na konkrétní místo v buňce. Oddělena od jiných – i protichůdných reakcí. ❖ Uspořádání enzymů do multienzymových komplexů zajišťuje správný sled reakcí. ❖ Některé enzymy a multienzymové komplexy jsou pevně zabudovány do membrán, jiné jsou uzavřeny uvnitř organel…každá organela má vlastní chemické prostředí (lysozomy, mitochondrie,…) 5. Aktivované přenašečové molekuly Organismus hojně využívá spřažení reakcí energeticky výhodných a nevýhodných Nezbytnost přechodně uskladnit energii ve formě energie chemických vazeb k tomu slouží tzv. molekuly přenašečů ❖ skladují energii v chemické vazbě fosfátové skupiny, ochotné k přenosu (ATP). ❖ skladují energii jako elektrony s vysokým obsahem energie (NADH, NADPH). Základní koncept Nejvýznamnější aktivovaný přenašeč v buňce. Je to pohodlná energetická „měna“. Používá se k „pohonu“ řady chemických reakcí. ATP vzniká z ADP přidáním fosfátové skupiny ve fosforylační reakci. Je to reakce energeticky nevýhodná, proto musí být spřažená s reakcí energeticky výhodnou (např. oxidace molekul potravy). Hydrolýza ATP na ADP je naopak energeticky výhodná a uvolňuje se při ní energie, která bývá využívána u reakcí energeticky nevýhodných (např. ke kondenzačním reakcím = spojení dvou molekul → vznik biopolymerů – DNA, polysacharidy, proteiny…) ATP (adenosin 5´- trifosfát) NADH (NAD+) – nikotinamid adenin dinukleotid NADPH (NADP+) – nikotinamid adenin dinukleotid fosfát REDUKOVANÁ FORMA OXIDOVANÁ FORMA Jedná se o přenašeče elektronů s vysokou energií a atomů vodíku. V oxidačně-redukční reakci se oxidovaná forma redukuje, čímž molekula získává jeden vodíkový atom a jeden hydridový ion (proton a dva elektrony). FADH2 (FAD) – flavin adenin dinukleotid NADH/NADPH a FADH2 Acetyl-CoA je molekula přenášející acetylovou skupinu s vysoce energetickou THIOESTEROVOU VAZBOU Acetyl-CoA 1. Princip získávání energie z potravy 2. Buněčná respirace 3. Fotosyntéza 6. Princip získávání energie z potravy Živé organismy potřebují neustálý přísun energie, aby mohly udržovat uspořádanost systému (= děje energeticky náročné) Bez přísunu energie → → rozvrat organismu → → zvyšování entropie systému Energie je v chemických vazbách molekul potravy. Nejvýznamnější jsou cukry (škrob,…). Energie se uvolňuje postupnou oxidací. Proč přísun energie? Katabolické reakce Fáze 1 probíhá mimo buňku (v GITu) Fáze 2 probíhá v cytosolu buňky Fáze 3 probíhá v mitochondriích Fáze buněčného metabolismu Stavební jednotky pro nové proteiny Zdroj energie Acetyl-CoA Citrátový cyklus + oxidační fosforylace Glykolýza Oxidace mastných kyselin Fáze 1- trávení (střeva, lysozomy) Působením enzymů se velké polymerní molekuly odbourávají na menší podjednotky. Fáze 2 – glykolýza (cytosol všech buněk) Probíhá bez účasti O2 1 molekula glukózy se přeměňuje na 2 molekuly pyruvátu* (2 x3 uhlíky). *kyselina pyrohroznová 1 2x 2x ČISTÝ ZISK GLYKOLÝZY 2 ATP a 2 NADH Fáze 3 - citrátový cyklus + oxidativní fosforylace Tato fáze se odehrává v mitochondriích acetylová skupina z acetyl-CoA se přenáší na molekulu oxalacetátu (4C) OXIDATIVNÍ FOSFORYLACE Jednou otočkou cyklu (z 1molekuly acetyl-CoA) vzniká: 3 x NADH 1 x GTP 1 x FADH2 2 x CO2 Citrátový cyklus Cyklus kyseliny citrónové Krebsův cyklus 1 molekula glukózy  2 molekuly pyruvátu Z 2 molekul pyruvátu vznikají 2 molekuly acetyl-koA + CO2 za katalýzy pyruvát-dehydrogenázovým systémem Anaerobně FERMENTACE *laktátu * ethanolu a CO2 Glykolýza GTP GDP+ P Jednou otočkou cyklu (z 1molekuly acetyl-CoA) vzniká : 3 x NADH 1 x GTP 1 x FADH2 2 x CO2 Cyklus kyseliny citrónové Krebsův cyklus 1 molekula glukózy  2 molekuly pyruvátu  2 molekuly acetyl-CoA (=2 otočky cyklu) Zpyruvátuvznikáacetyl-koA+ CO2zakatalýzypyruvát- dehydrogenázovýmsystémem Citrátový cyklus ZA AEROBNÍCH PODMÍNEK GLU → glykolýza → vznik pyruvátu (cytosol) → přeměna pyruvátu na acetyl-CoA + CO2 za katalýzy komplexem tří enzymů = pyruvát-dehydrogenázový komplex (mitochondriální matrix) → cyklus kyseliny citrónové (mitochondriální matrix) → oxidativní fosforylace (vnitřní mitochondriální membrána) → úplná oxidace na CO2 a H2O ZA ANAEROBNÍCH PODMÍNEK GLU → glykolýza → vznik pyruvátu (cytosol) → fermentace vedoucí ke vzniku laktátu vedoucí ke vzniku ethanolu a CO2 nedostatek O2 Úplná absence O2 Po chemické stránce jsou tuky TRIACYGLYCEROLY Mají glycerolovou část, ke které jsou esterovými vazbami připojeny tři mastné kyseliny Jak je to s tuky? Tuky jsou nerozpustné ve vodě → velké lipidové kapénky ve specializovaných buňkách = ADIPOCYTECH Jak je to s tuky? V ADIPOCYTU: hydrolýza tuků na glycerol a mastné kyseliny V MYOCYTU: oxidace mastných kyselin. krevní řečiště Jak je to s tuky? ❖ je proces, při němž dochází k postupné oxidaci mastných kyselin (řetězec delší než 8 uhlíků) ….až na acetyl-CoA mastná kyselina se změní acyl-CoA-synthetázou na sloučeninu acyl-CoA (náhrada OH skupiny za ~S-CoA). Acyl-CoA prochází procesem beta-oxidace = dehydrogenace v β-poloze + adice vody ❖ Každá otáčka cyklu zkracuje uhlíkový řetězec mastné kyseliny o dva uhlíky a vytvoří se: 1 x acetyl-CoA 1 x NADH 1 x FADH2 ❖ Acetyl-CoA vstupuje do citrátového cyklu (Krebsův cyklus) ß-oxidace mastných kyselin na acetyl- ¨CoA V poslední fází odbourávání molekul potravy se uvolňuje největší část energie – v procesu zvaném oxidační (oxidativní) fosforylace (vnitřní mitochondriální membrána) Úplná oxidace 1 molekuly glukózy na CO2 a H2O vede k zisku 30 molekul ATP Jen glykolýza (za anaerobních podmínek) pouze k zisku 2 molekul ATP Oxidativní fosforylace Anabolické reakce Stavební bloky pro biosyntézu Větší jednotky buňky CUKRY (sacharidy) MASTNÉ KYSELINY AMINOKYSELINY POLYSACHARIDY NUKLEOTIDY Tuky, lipidy, membrány PROTEINY NUKLEOVÉ KYSELINY ENERGIE z potravy je využita pro syntézu makromolekul = biologických polymerů ❖ jsou tvořeny z podjednotek - monomerů KONDENZACÍ (odstraňována je vody, resp. OH a H). Vyžaduje přísun energie. ❖ odbourávání polymerů se děje přidáním (adicí) vodyHYDROLÝZOU. Je to energeticky výhodná reakce. Syntéza makromolekul Oxidací 1g tuku se uvolní asi 2,5x více energie než u 1g cukru. Tuky – triacylglyceroly - tukové kapénky v tukových buňkách = ADIPOCYTECH. Tuky hydrolyzují na triacylglycerol a mastné kyseliny. Ty se v „β-oxidaci“ odbourávají na acetyl-CoA a vstupují do Krebsova cyklu. Člověk má v tucích zásobu energie cca na1 měsíc. Cukry - glukózové jednotky spojené do polymeru glykogenu (polysacharid) do malých granulí umístěných v CYTOPLAZMĚ BUNĚK (hl. svalových a jaterních). Glykogen odbouráván na glukózo-1-fosfát , který vstupuje do glykolýzy. Člověk má v glykogenu zásobu energie cca na1 den. Větší zásoby glykogenu nemůže buňka vytvářet, protože na sebe váže velké množství vody. Ukládání molekul potravy u živočichů Při zvýšené fotosyntetické aktivitě za světla ukládají chloroplasty část vytvořených cukrů na TUKY a na ŠKROB Tuky – triacylglyceroly jako tukové kapénky Cukry jako škrob (polymer glukózy, obdoba glykogenu) Obojí se ukládá v chloroplastech Velké zásoby vytváří rostlina pro embrya uvnitř semen Ukládání molekul potravy u rostlin 7. Buněčná respirace V počátku života na Zemi nebyl v atmosféře kyslík. Buňky získávaly energii (ATP) odbouráváním organických molekul v procesu anaerobní fermentace. Později se vyvinul efektivnější způsob získávání energie a tvorby ATP založený na transportu elektronů v membránách mitochondrií* Tento princip využívají jak rostliny (fotosyntéza), tak i živočichové (buněčná respirace). * U bakterií, které nemají mitochondrie probíhá transport elektronů a tvorba ATP v plazmatické membráně. Mitochondrie Chloroplast Vznik respirace Obě organely mají v původ v baktériích pohlcených dávnou eukaryontní buňkou. Vznikl tak výhodný symbiotický vztah. Jak mitochondrie, tak chloroplasty mají vlastní genom i genetický aparát: DNA, RNA, ribozomy. Mitochondrie Chloroplast Novinky k endosymbiotické teorii vzniku eukaryotické buňky Obě energetické organely vznikly cestou endosymbiózy „Klasické“ znalosti A tím to skončilo? Spekulace Nové objevy v 21. století Paulinella a cyanely ➢ ➢ ➢ ➢ P A U L I N E L L A C H R O M A T O P H O R A – W I K I P E D I E ( W I K I P E D I A . O R G ) :: OSEL.CZ :: - ENDOSYMBIOTICKÁ UDÁLOST ONLINE Nitrogen-fixing organelle in marine algae ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ Další informace k nitroplastu ➢ ➢ ➢ Co taky můžete najít v literatuře! Fosforoplasty OBJEV NOVÉ ORGANELY ŽIVOČIŠNÝCH BUNĚK | KREACIONISMUS.CZ https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles /PMC10443203/pdf/nihms-1922834.pdf Kdy už můžeme mluvit o endosymbióze? 1) 2) 3) 4) 5) Fixace síry  Oxidace vodíku Metanogeneze Fosforoplasty ? Fáze 1 (vytvoření elektrochemického gradientu) Transport elektronů v membránách a získávání energie Fáze 2 (tvorba ATP) ❖ Elektrony s vysokým obsahem energie ve formě NADH a FADH2 (z glykolýzy, citrátového cyklu…) jsou přenášeny přenašeči elektron-transportního řetězce umístěném na vnitřní mitochondriální membráně ❖ Při předávání elektronů z jednoho přenašeče na druhý se uvolňuje energie, která je použita pro přenos H+ iontů (z vody) do mezimembránového prostoru, kde vzrůstá jejich koncentrace a vytváří se tak elektrochemický gradient H+ ❖ Na konci elektrontransportního řetězce jsou elektrony předány molekulám kyslíku a vzniká voda Vytvoření elektrochemického gradientu ❖ Dochází k toku H+ iontů po elektrochemickém gradientu zpátky z mezimembránového prostoru do matrix. ❖ To je spřaženo se vznikem ATP z ADP a Pi. Tento děj je katalyzován ATP- syntázou (ATP-ázová pumpa F-typu). Tvorba ATP Více snad ozřejmí následující obrázky Elektrontransportní řetězec (dýchací řetězec) je tvořen třemi multienzymovými systémy (tvořené transmembránovými proteiny vnořenými do membrány) MEZIMEMBRÁNOVÝ PROSTOR NADH- dehydrogenázový komplex Komplex cytochromů b - c1 Cytochrom oxidázový komplex ubichinon cytochrom c Pohyblivé přenašeče elektronů dopravují elektrony od jednoho komplexu k druhému MEZIMEMBRÁNOVÝ PROSTOR NADH- dehydrogenázový komplex Komplex cytochromů b - c1 Cytochrom oxidázový komplex ubichinon cytochrom c Elektrony začínají s velmi vysokou energií a postupně při každém kroku řetězcem tuto energii ztrácejí (tato energie pohání protonové pumpy, které jsou součástí komplexu). MEZIMEMBRÁNOVÝ PROSTOR Nakonec elektrony vstoupí do cytochromoxidázy, kde se spojí s molekulou O2 za vzniku vody. ... je zařízení pro vratně spřažený přenos. Je to přenašeč, který je schopen převádět energii gradientu elektrochemického potenciálu protonů na energii chemické vazby a opačně. ATP syntáza - struktura SYNTÉZA ATP HYDROLÝZA ATP ❖ buď vytváří ATP využívajíc energii gradientu protonů (H+ iontů) ❖ nebo čerpá protony (H+ ionty) proti elektrochemickému gradientu a k tomu spotřebovává energii uloženou v ATP jeho hydrolýzou Protony procházející transmembránovým přenašečem vyvolávají rychlé otáčení stopky v hlavě a tím přimějí hlavu k tvorbě ATP P-typF-typ ATP syntáza - funkce A jak to vypadá v mitochondriích? ATP-syntáza je na vnitřní mitochondriální membráně. H+ ionty jsou čerpány do mezimembránového prostoru MITOCHONDRIE CHLOROPLAST ATP-syntáza je na thylakoidní membráně. H+ ionty jsou čerpány do vnitřního thylakoidního prostoru Rozdílné umístění ATP-syntázy 8. Fotosyntéza Je to světlem poháněná reakce, při níž se vytváří organické molekuly (cukry) z atmosférického CO2. Fotosyntézy jsou schopné rostliny, řasy a některé bakterie. Využívají elektrony z vody energii ze slunce Fotosyntéza probíhá ve specializovaných organelách – CHLOROPLASTECH. Proces probíhající v chloroplastech se podobá procesu v mitochondriích (dochází k přenosu vysoce energetických elektronů). Co to je fotosyntéza? Fototrofní organismy ročně zachytí asi 1071 kJ energie a její pomocí vyrobí asi 14×1011 tun organické hmoty, uvolní 15×1011 tun O2 a fixují 20×1011 tun CO2 ze vzduchu a oceánů [VODRÁŽKA, Z. Biochemie 3. Praha : Academia, 1993. ISBN 80-200-0471-8. S. 55. ]. Na produktech fotosyntézy je závislý i dnešní průmysl, neboť uhlí, ropa a zemní plyn (tzv. fosilní paliva) jsou zbytky organismů, které žily v dávné minulosti a bez fotosyntézy by nevznikly Mohutná fotosyntéza 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 Základní rovnice fotosyntézy Tahle rovnice ukazuje, jak rostliny přeměňují oxid uhličitý a vodu na glukózu a kyslík za pomoci světelné energie Fascinující, že? zachycení světelné energie Tvorba cukrů Přenašeče energie ATP, NADPH teplo teplo Světelná fáze Temnostní fáze Dvě stádia fotosyntézy Fotosyntetické reakce probíhá celá v chloroplastu ❖ Energie ze slunečního světla se přenáší na elektron v molekule chlorofylu ❖ Elektron pak putuje elektron-transportním řetězcem v thylakoidní membráně ❖ Během přenosu elektronů jsou přes thylakoidní membránu čerpány H+ protony ❖ Vzniká tak elektrochemický gradient, jenž pohání ATPsyntázu ve stromatu ❖ Posledním krokem je přenos elektronů s vysokým obsahem energie + H+ iontů na molekulu NADP+ a vzniká NADPH Na konci této fáze vzniká: H+, ATP, NADPH a O2 Světelná fáze fotosyntézy Reakce fixace uhlíku – začínají ve stromatu chloroplastu, pak pokračují v cytosolu ❖ Vytvořené ATP, NADPH slouží k pohonu syntézy sacharidů z CO2 ❖ Sacharóza je pak přenášena do jiných buněk a tkání Na konci této fáze vzniká glyceraldehyd-3-P jako výchozí molekula pro tvorbu dalších organických molekul. Temnostní fáze fotosyntézy Sluneční světlo je absorbováno molekulami chlorofylu, kt. tvoří tzv. ANTÉNOVÝ komplex. Anténa sbírá elektrony (fotony), které byly excitovány světlem a předává je speciálnímu páru chlorofylových molekul v reakčním centru. RC tak získává vysokoenergetický elektron, který pak je předáván do elektrontransportního řetězce. Molekula A s nízkoenergetickým elektronem anténový komplex reakční centrum Oxidovaná molekula A Chlorofylové molekuly v anténovém komplexu Speciální pár chlorofylových molekul v reakčním centru Elektron-transport produkuje molekulu B s vysokoenerge- tickým elektronem plastochinon n plastochinon Vodu štěpící enzym plastocyanin ferredo- xin Komplex cytochromů b6 - f FOTOSYSTÉM II FOTOSYSTÉM I Ferredoxin – NADP reduktáza Pohyb protonů po jejich elektrochemi- ckém gradientu Jediné místo v řetězci, kdy dochází k aktivnímu čerpání H+ iontů. Tok elektronů v thylakoidní membráně ❖ C3 cyklus (Calvinův, Calvin-Bensonův cyklus) vznikají látky se 3 uhlíky ❖ C4 cyklus (Hatch-Slackův cyklus) vznikají látky se 4 uhlíky ❖ CAM cyklus obměna Hatch-Slackova cyklu Fixace vzdušného kyslíku probíhá v cyklické reakci ❖ C3 cyklus (Calvinův, Calvin-Bensonův cyklus) využívají především rostliny mírného a chladných pásů teplota v těchto oblastech není vysoká a respirace nepřevládá nad fotosyntézou ❖ C4 cyklus (Hatch-Slackův cyklus) využívají hl. teplomilné rostliny - při zvýšené teplotě se více uplatňuje fotorespirace, a tím klesá účinnost fotosyntézy, proto koncentrují CO2 (v buňkách mezofylu), než vejde do Calvinova cyklu ❖ CAM cyklus Obměna C4 cyklu, využívají ji pouštní rostliny (sukulenty) musí šetřit vodou, proto otevírají průduchy jenom v noci, kdy vážou CO2 do malátu. Během dne se malát štěpí na CO2, který vstupuje do cyklu fixace Komparmentalizace u C3 a C4 rostlin 3molekuly CO2 + 3 molekuly ribulosa 1,5-bis fosfát. Reakce je katalyzována enzymem: ribulosa bis fosfát karboxylázou (RUBISCO) a probíhá ve stromatu chloroplastu. Je velmi pomalá*. Molekul enzymu je proto v chloroplastech hodně ** . Je to cyklický děj, na konci se regeneruje výchozí látka. • 3 molekuly substrátu zpracuje za sekundu – jiné enzymy i 1000x rychleji • ** Tvoří až 50% celkové hmotnosti proteinů v chloroplastech. Fixují se 3 molekuly CO2 → vzniká 1 molekula glyceraldehyd 3-P. Spotřebuje se při tom 9 molekul ATP a 6 molekul NADPH Iniciační fixace uhlíku 1/2 Iniciační fixace uhlíku 2/2 Připojení CO2 k molekule ribulóza 1,5-bis-fosfátu (Calvinův cyklus = C3 cyklus) a vznik organických molekul z CO2 a H2 O Fixují se 3 mol. CO2 → vzniká 1 mol. glyceraldehyd 3-P. Spotřebuje se při tom 9 molekul ATP a 6 molekul NADPH Reakce katalyzována ribulosa bis fosfát karboxylázou (RUBISCO) a probíhá ve stromatu chloroplastu. Je velmi pomalá*, molekul enzymu je proto v chloroplastech hodně ** . Je to cyklický děj, na konci se regeneruje výchozí látka. • * 3 molekuly substrátu za sekundu – jiné enzymy i 1000x rychleji • ** Tvoří až 50% celkové hmotnosti proteinů v chloroplastech. Fixace uhlíku Glyceraldehyd 3-P je z chloroplastu přenesen do cytosolu. GLYKOLÝZA …mění se v pyruvát OXIDAČNÍ FOSFORYLACE Výchozí surovina pro řadu dalších metabolitů …především z něj vzniká disacharid SACHARÓZA (hlavní transportní forma cukru u rostlin) ten, co zůstane v chloroplastu je převeden na ŠKROB Co následuje SHRNUTÍ Buňky jsou schopny existence díky stálému přísunu energie pro růst, údržbu a reprodukci. Prvotním zdrojem energie pro všechny živé organismy je Slunce. Rostliny a fotosyntetizující bakterie používají k tvorbě organických molekul sluneční energii přímo. Živočichové získávají energii z potravy = pojídáním rostlin a jiných živočichů V buňce probíhají stovky reakcí. Většina z nich je specificky katalyzována enzymy. Tyto katalyzované reakce vytvářejí řetězce reakcí = metabolické dráhy. Katabolické reakce odbourávají molekuly potravy oxidací a uvolňují energii. Anabolické reakce vedou k tvorbě složitých molekul, které buňka potřebuje a vyžadují přísun energie. SHRNUTÍ Enzymy katalyzují reakce tak, že umožní molekulám substrátu snížit aktivační energii nutnou k vytvoření nebo odbourání specifických kovalentních vazeb Spontánně bez dodání energie probíhají pouze takové reakce, které zvyšují entropii (neuspořádanost) vesmíru, volná energie takové reakce je záporná. Energeticky nevýhodné reakce mohou proběhnout pouze tehdy, pokud jsou spřaženy s reakcemi energeticky výhodnými. V těchto spřažených reakcích hrají významnou roli tzv. přenašečové molekuly: ATP, NADH, NADPH, FADH2. ATP přenáší vysoce energetickou fosforylovou skupinu. NADH, NADPH, FADH2 vysokoenergetické elektrony. SHRNUTÍ Glukóza a další molekuly potravy jsou odbourávány postupnou oxidací. Uvolněná energie je ukládána do přenašečových molekul ATP a NADH. Odbourávání molekul potravy a vznik energie má tři základní fáze: glykolýza, cyklus kyseliny citrónové a oxidační fosforylace. Glykolýza probíhá v cytosolu a glukóza je odbourávána na dvě molekuly pyruvátu (kyseliny pyrohroznové). Vzniká při tom ATP a NADH – čistý zisk je 2 molekuly ATP a 2 molekuly NADH. Pyruvát je za přítomnosti kyslíku převáděn na acetyl-CoA a CO2. SHRNUTÍ Acetyl CoA je v citrátovém (Krebsově) cyklu převeden na CO2 a vodu. Při této oxidaci se uvolňuje energie, která je ukládána především do přenašečových molekul NADH a FADH2 v podobě vysoce energetických nabitých elektronů. (Vzniká 1 molekula GTP, 3 molekuly NADH a 1 molekula FADH2 ) V procesu oxidační fosforylace na vnitřní membráně mitochondrií jsou vysoce energetické elektrony přenašečových molekul využívány v elektron-transportním řetězci ke vzniku ATP = energetického platidla v buňce. Z tuků jsou hydrolýzou jsou z nich uvolněny mastné kyseliny. V mitochondriích jsou oxidovány na molekuly acetyl-CoA a dále využity v citrátovém cyklu i oxidační fosforylaci jako glukóza. SHRNUTÍ Molekuly potravy jsou v buňce uskladňovány ve speciálních zásobárnách. Tuky (v tukových buňkách - adipocytech) , glukózové podjednotky jako glykogen u živočichů nebo jako škrob u rostlin. Molekuly potravy neslouží pouze k zisku energie (uvolňuje se jejich postupnou oxidací), ale jsou i zdrojem základních stavebních jednotek pro biosyntetické (anabolické) reakce. SHRNUTÍ Většina ATP, která je produkována živočišnými buňkami vzniká v mitochondriích. Mitochondrie jsou ohraničeny dvěma membránami – vnitřní uzavírá mitochondriální matrix. Matrix obsahuje velké množství enzymů. Jsou zde také enzymy citrátového cyklu. Elektron-transportní řetězec buněčného dýchání (dýchací řetězec) je umístěn ve vnitřní mitochondriální membráně. Při přenosu vysokoenergetických elektronů přes tři multienzymové komplexy se postupně uvolňuje energie těchto elektronů a je využita pro čerpání protonových H+ iontů přes membránu do mezimembránového prostoru. SHRNUTÍ Tím vzniká elektrochemický gradient protonových iontů. Při pohybu iontů zpět po elektrochemickém spádu se uvolňuje energie, která je využívána k tvorbě ATP pomocí ATP- syntázy. Při fotosyntéze se v chloroplastech generují vysokoenergetické elektrony absorpcí slunečního světla (fotonů) molekulou chlorofylu. Elektron-transportní řetězec je umístěn v thylakoidní membráně. Na konci těchto fotosyntetických dějů vzniká energie v podobě ATP a NADPH. Tato energie je u rostlin použita k fixaci uhlíku v CO2 do molekul cukrů. Nejdůležitější molekulou je glyceraldehyd-3P. Molekuly jsou pak přenášeny do cytosolu.