maturitní otázky, seminárky a referáty

Úvod
» Maturitní otázky
» Chemie
» Energie biochemických reakcí

Chemie - Energie biochemických reakcí

Autor: Přemysl Brada

Tip imaturita.cz: Zašlete svůj text a vyhrajte knížků z Nakladatelství Radek Veselý!

13) Energie biochemických reakcí

- živé soustavy získávají energii pro metabolické děje a pro životní projevy především oxidací

přijímaných živin na CO_{2 a H2O - probíhá v buněčných strukturách (mitochondriích)}

- každý živý organizmus potřebuje neustálý přísun energie ze svého okolí, nezbytný pro

uskutečňování životně důležitých procesů. Podstatou těchto procesů je z energetického hlediska

přeměna jednoho druhu energie na jinou. Tuto energii potřebuje pro práci:

a) chemickou – syntézu sloučenin s vyšším obsahem energie

- pro obnovu, růst a množení buněk

b) mechanickou – svalovou kontrakci a další pohyby buněk

c) osmotickou (koncentrační) – k aktivnímu transportu molekul a iontů

- k zpracování signálů (informací)

d) elektrickou – šíření vzruchů v nervové buňce

- přesun látek s elektrickými náboji přes membránu

e) strukturní – na vytvoření povrchů a fázových rozhraní

- na uspořádání molekul do biologických struktur

f) regulační – na regulační mechanismy

- volná (Gibbsova) energie (G) – energie využitelná na užitečnou práci

- získává se hydrolytickým štěpením makroergických sloučenin

makroergické látky – energeticky bohaté nízkomolekulární organické sloučeniny

- přenašeče chemické energie, mají schopnost:

1) ve spojení s procesy uvolňujícími energii ji zachytit a část uložit ve

své struktuře

2) rozpadem molekuly energii zachycenou ve struktuře uvolnit a

odevzdat ji v endergonickém ději

- některé estery kys. fosforečné, thioestery (např. acetylkoenzym A)

nejvýznamnější makroergickou sloučeninou je kyselina

adenosintrifosforečná - ATP

- exergonické reakce – nevyžadují volnou energii, exotermní reakce – poskytují energii

- např. odbourávací (katabolické) děje

endergonické reakce – endotermní reakce, vyžadují volnou energii ke tvorbě energeticky

bohatých látek (zbývající část volné energie se mění na teplo)

- např. biosyntézy, aktivní transporty, buněčné pohyby

- přenašeče atomů vodíku – NAD^{+ (nikotinamidadenindinukleotid) –součást enzymů,}

substrátům odebírá atomy vodíku, aktivuje je a přenáší je

na vhodné akceptory (např. O2)

- jeho redukovaná forma – NADH + H+

- FAD (flavinadenindinukleotid) - jeho redukovaná forma – FADH2

- NADP+ (nikotinamidadenindinukleotidfosfát) – přenáší aktivované

atomy vodíku z katabolických do anabolických dějů

- jeho redukovaná forma – NADPH (na energii bohaté

redukční činidlo)

Látkový metabolismus

- 2 základní úlohy metabolismu – zajištění energie a stavebního materiálu

- výroba složek organismů

- 2 typy procesů plnící dvě základní úlohy metabolismu:

a) katabolické děje (disimilace) – děje rozkladné

- mají exergonický charakter - produkují energii

b) anabolické děje (biosyntézy, asimilace) – vedou ke vzniku nových, chemicky složitějších

látek z látek jednodušších

- mají endergonický charakter – spotřebovávají energii

Katabolismus

- energeticky bohaté živiny (sacharidy, lipidy bílkoviny, atd.) jsou odbourávány převážně

oxidačními (dehydrogenačními) pochody na jednodušší sloučeniny (kyselinu pyrohroznovou,

octovou, atd.) a nakonec až na CO2, H2O, NH3, močovinu. Toto odbourávání je doprovázeno

stupňovitým uvolňováním energie.

- funkce – produkuje chemickou energii a ukládá ji do molekul ATP

- poskytuje stavební materiál pro biosyntetické reakce

- vyrábí energií bohaté redukční činidlo NADPH

- fáze – 1. fáze – z tisíců různých látek přijímaných organizmem vzniká několik desítek různých

nízkomolekulových sloučenin

- složité molekuly živin jsou štěpeny na své stavební jednotky (nebo jejich

fosfáty)

bílkoviny ® směs 20 druhů α-aminokyselin

nukleové kys. ® cukr, báze, kys. fosforečná

oligo- a polysacharidy ® glukóza a několik málo dalších sacharidů

lipidy ® mastné kys., glycerol a několik dalších látek

- biochemické reakce – hydrolýza nebo fosforolýza

- nezískává se žádná energie

- 2. fáze - několik desítek různých nízkomolekulových sloučenin je odbouráváno (za

současné dehydrogenace) na jedno- a dvouuhlíkové látky (CO2 a acetyl-CoA) a

několik dalších molekul

- zisk malého množství energie (získávájí se však „energeticky zhodnotitelné“

atomy vodíku) asi 60 % energie zůstává uloženo v molekule acetyl-CoA

- 3. fáze – acetyl-CoA vstupuje do univerzálního cyklického děje – citrátového cyklu, zde

je oxidován na konečný oxidační produkt – CO2

- z každé molekuly acetyl-CoA se za účasti molekul vody získají 4 dvojice atomů

vodíku bohatých na energii

- u aerobních organizmů jsou tyto atomy vodíku přenášeny na kyslík (přes

dýchací řetězec), přitom se uvolní značné množství energie, která se uloží do

molekul ATP

Anabolismus

- jednoduché molekuly prekurzorů (jednoduché látky, které jsou stavebním materiálem při

biosyntézách) dávají vznik složitějším molekulám (polysacharidům, lipidům, bílkovinám,

nukleovým kyselinám, aj.)

- anabolické reakce vyžadují energii ve formě ATP

- většinou děje redukční – proto vyžadují i energeticky bohaté redukovadlo (NADH + H+ nebo

NADPH)

Vzájemný vztah katabolizmu a anabolizmu

- protichůdný charakter

	^{_katabolismus}	^_anabolismus
^{_{charakter chemická povaha zahrnutých dějů energii vychází z vede k}}	^{_{degradační oxidační poskytuje široké škály látek několika málo konečným produktům}}	^{_{syntetický redukční potřebuje několika málo prekurzorů široké škále produktů}}

^{_{- vzájemně se doplňují – anabolizmus potřebuje produkty katabolizmu (energii, redukovadlo,
prekurzory), a naopak produkty anabolizmu jsou výchozími substráty
katabolizmu
- podobnosti – používají stejné chem. prostředky
oxidačně redukční děje katabolizmu – NAD+ a NADP+ (oxidované formy)
oxidačně redukční děje anabolizmu – NADH + H+ a NADPH (redukované
formy)
- společný přenašeč energie – ATP
- probíhají mezi stejnými výchozími a konečnými látkami, ale v opačných směrech
- probíhají odděleně v různých částech buňky a často i v různých orgánech

Citrátový cyklus
- představuje nejvýznamnější metabolickou dráhu, kterou buňky získávají oxidací látek velké
množství energeticky bohatých molekul ATP
- odbouráním D-glukózy, karboxylových kyselin a některých aminokyselin vzniká společný
produkt – aktivovaná forma kyseliny octové - acetylkoenzym A (acetyl-CoA)
- v mitochondriích se acetyl-CoA oxiduje až na CO2 několika následnými chemickými reakcemi,
které mají souhrnný název citrátový (Krebsův) cyklus
- odbouráním základních látek na acetyl-CoA se uvolní asi ¼ energie, ¾ jí zůstávají v acetyl-
CoA. Tato zbývající energie se uvolní jeho oxidací v citrátovém cyklu

- acetyl-CoA má hlavní funkci při úplné oxidaci všech hlavních druhů substrátů, současně s touto
oxidací probíhá redukce (hydrogenace) jednotlivých koenzymů zúčastněných enzymů –
oxidoreduktas (NAD+ a FAD)
- cyklus se skládá z dílčích reakcí, lze je rozdělit do tří etap:
1. Kondenzace C2- a C4-molekuly na C6-molekulu (acetylový zbytek uvolněný z acetyl-CoA se
kondenzuje s kyselinou oxaloctovou za vzniku kyseliny citronové – citrátu)
2. Přechod C6-molekuly na C5-molekulu za odštěpení CO2 (dehydrogenací a dekarboxylací –
odštěpením CO2 – citrátu vzniká kyselina 2-oxoglutarová)
3. Přechod C5-molekuly na C4-molekulu za odštěpení CO2 (dehydrogenací a dekarboxylací
kys. 2-oxoglutarové vzniká kys. oxaloctová – ta se může opět kondenzovat s další
molekulou acetyl-CoA, čímž je zajištěn neustálý průběh reakcí)
- v průběhu reakcí citrátového cyklu se jedna molekula acetylového zbytku acetyl-CoA, která má
dva uhlíkové atomy, oxiduje celkově na dvě molekuly CO2
vodíkové atomy, které se uvolňují při dehydrogenacích meziproduktů, se přenášejí
prostřednictvím zúčastněných koenzymů v mitochondriích, kde se složitým mechanismem
následných reakcí slučují s kyslíkem na vodu, uvolněná energie se využívá k tvorbě ATP

Dýchací (koncový oxidační) řetězec
- většina heterotrofů získává hlavní podíl energie (asi 90 %) procesem zvaným respirace
(dýchání) při tomto ději se předávají elektrony pocházející z atomů vodíku systémem
oxidoreduktáz na anorganické akceptory (O2, sloučeniny dusíku nebo síry), atomy vodíku byly
odebrány organickým nebo anorg. substrátům
- metabolický děj respirace se skládá z vlastního transportu elektronů – dýchacího (respiračního)

řetězce – a ze s ním spřaženého procesu – oxidační fosforylace (výroby ATP)
- dýchací řetězec je sledem redoxních dějů probíhajících na vnitřní membráně mitochondrií
- v dýchacím řetězci dochází k postupnému přenosu vodíkových atomů z redukovaných
koenzymů (dehydrogenaci) a v poslední fázi k přenosu elektronů na volný kyslík, který do
buněk transportuje hemoglobin. Vzniká kyslíkový anion, který se slučuje s kationty vodíku na
vodu. Soustava uvolňuje energii (G = - 237,4 kJ.mol-1).
H2 ® 2 H+ + 2 e-
½ O2 + 2 e-® O2-
2 H+ + O2- ® H2O
- postupným přenosem vodíkových atomů se koenzymy oxidují a mohou se pak znovu účastnit
látkové přeměny v citrátovém cyklu
- slučování vodíku s kyslíkem je silně exergonický děj, proto je přechod elektronů na kyslík
rozdělen do několika stupňů, tím se i energie uvolňuje postupně (je to řízený energetický
proces) a může být s vysokou účinností využita k syntéze ATP (kdyby se tato energie uvolnila
najednou – „explozivně“, buňka by ji nemohla využít k tvorbě ATP a energie by se
„znehodnotila“ na teplo)

Tvorba a význam ATP
- ATP je nejdůležitější makroergickou sloučeninou v živých soustavách, je hlavním přenašečem
chemické energie ve všech typech organismů
- energii uloženou do struktury ATP organismus využívá k realizaci endergonických reakcí, pro
mechanickou (svalovou) práci a pro další procesy, které vyžadují energii
- ATP vzniká při hydrolytickém štěpení některých makroergických sloučenin, avšak hlavní
množství se vytváří při oxidaci látek v koncovém oxidačním (dýchacím) řetězci – oxidační

fosforylace
- základem biologické funkce oxidační fosforylace je efektivní využívání energie, její
zabudování do struktur molekul ATP. Část energie se uvolňuje jako teplo.
- s přesunem elektronů v koncovém oxidačním řetězci dochází k jednosměrnému průchodu
vodíkových kationtů vnitřní membránou mitochondrií. Hromadění vodíkových kationtů na
jedné straně membrány vytváří protonový (koncentrační) gradient. S tím je spojen i vznik
koncentračního článku, který tvoří prostředí oddělená membránou. Tyto články jsou zdrojem
elektrické energie. Buňka tuto energii využívá k syntéze ATP z ADP (kys. adenosin-
difosforečná) a kyseliny fosforečné (neboli anorganického fosfátu, P) : ADP + P ↔ ATP
- během biosyntézy ATP se přeměňuje elektrická energie na energii chemickou, která se
„zabuduje“ do struktury makroergické sloučeniny. Vznik vazby mezi kys. fosforečnou a ADP
je katalyzován samostatným enzymovým systémem, který se také nachází ve vnitřní membráně
mitochondrií. Tento enzymový systém ke své činnosti využívá protonový gradient; k syntéze
jedné molekuly ATP se spotřebují dva protony. Tím se stále udržuje rovnováha mezi redoxními
ději koncového oxidačního řetězce a tvorbou ATP.

Aktivní transport
- kromě jednoduché difúze (samovolný přechod částic z míst s vyšší koncentrací na místa s nižší
koncentrací, tedy ve směru koncentračního spádu) se uplatňuje v živých soustavách i tzv.
usnadněný transport, který umožňuje pohyb částic pomocí přenašečů – látek schopných
usnadňovat difúzi biologickými membránami
- v buněčných membránách lze pozorovat pohyb částic i proti koncentračnímu spádu, který se
nazývá aktivní transport. Umožňuje jej složitá struktura biomembrán a účast specifických
enzymů. Aktivní transport směřuje proti směru difúze, proti přirozené tendenci
k rovnoměrnému rozdělení látek. K jeho uskutečňování je třeba dodávat energii, kterou organismus (buňka) získává při metabolických dějích.}}