6-metabolismus sacharidů

METABOLISMUS SACHARIDŮ
zdroj sacharidů:
autotrofní org. – produkty fotosyntézy
heterotrofní org. – příjem v potravě
důležitou roli hraje GLUKÓZA
ANABOLISMUS SACHARIDŮ
1. FOTOSYNTÉZA – autotrofní org.
2. GLUKONEOGENEZE – heterotrofní org.
1. FOTOSYNTÉZA
přeměna světelné E na chemickou
soubor reakcí, při kterých se za přítomnosti slunečního záření a chlorofylu mění:
anorganické látky – CO2 a H2O na organické látky – sacharidy
chlorofyl,UV
rovnice:
6 CO2 + 12 H2O →
C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2
hlavní producent O2
probíhá v chloroplastech
základní podmínka života na Zemi
2 fáze:
o primární = světelná fáze
kde: tylakoidy, zde fotosyntetické pigmenty tvořícípast na fotony = fotosystémy (= záchyt
fotonů), např. karotenoidy, chlorofyl a, b, c, d …
• PS I – P700 absorbuje záření o λmax = 700nm
• PS II – P680 absorbuje zářenío λmax = 680nm
postup:
• na PSII dopadne foton → excitace chlorofylu a = vymrštění e(molekula chlorofylu a je oxidována, má elektronový deficit)
• e- jsou přes přenašeče (plastochinon, cytochromy a plastocyanin) přenášeny z PSII do
PSI (aby doplnily e-deficit na PS I), při tom e-ztrácejí E, ta je fixována při necyklické
fosforylaci do ATP(ADP + P → ATP)
• rozkladem vody vzniká 2H++ O2 a uvolní se 2e- (ty doplní deficit na molekule chlorofylu
a z PSII)
• na PSI dopadne foton → excitace chlorofylu a = vymrštění e-, přenos e-přes přenašeče
(ferredoxin, NADP+ reduktáza) a uložení do molekuly NADPH
(NADP+ + 2H+→ NADPH + H+) nebo cyklická fosforylace a tvorba ATP
• NADPH je využit v temnostní fázi fotosyntézy jako redukční činidlo
reakce: H2O + NADP+ + ADP + P → O2 + NADPH + H+ + ATP
shrnutí: tvorba ATP – fotosyntetická fosforylace (díky světelné E)
• tvorba NADPH + H+
• fotolýza vody (Hillova reakce) = světelný rozklad molekul H2O vznik O2, 2e- a 2H+
o
sekundární = temnostní fáze
kde: stroma, ve dne i v noci
produkty primární fáze (NADPH a ATP) využity k redukci CO2 na sacharid
reakce: 6 CO2 + 12 NADPH + 12H+ + 18 ATP → C6H12O6 + 12NADP + 18 ADP + 18 P + 6H2O
CALVINŮV CYKLUS:
• navázáním CO2 na ribuloza-1,5-bisfosfát, vzniká nestabilní C6 meziprodukt, který se
okamžitě rozpadá na 2 molekuly C3→ C3 rostliny – 3-fosfoglycerát
• další fosforylací vzniká 1,3-bisfosfoglycerát, ten je redukován e-z NADPH na
glyceraldehyd-3-fosfát
• dalšími reakcemi pak vzniká C6cukr
• část těchto molekul se přemění zpět naribuloza-1,5-bisfosfát
HATCH – SLACKŮV CYKLUS:
• CO2 se navazuje v mezofylu na fosfoenolpyruváta vzniká C4 oxalacetát → C4 rostliny
• náročné na teplo → pouze u teplomilných rostlin (kukuřice,bambus, proso, třtina)
2. GLUKONEOGENEZE
syntéza glukosy z necukerných prekurzorů:
o laktát / AMK a glycerol
probíhá u obratlovců při vyčerpání zásob glukózy v buňkách
o dlouhodobá svalová činnost, hladovění (již po 1 dnu hladovění), diabetes
probíhá: v játrech, malé množství v ledvinách a v kosterních svalech, srdečním svalu a mozku
není opakem glykolýzy!
schéma:
cyklus glukoneogeneze při dlouhodobé svalové činnosti:
1. laktát a alanin tvořící se v kontraktilním svalstvu jsou zdrojem E pro jiné orgány
2. tvořící se pyruvát ve svalech při intenzivním cvičení se nestačí odbourat aerobně→ vzniká laktát
3. transport laktátu krví do jater
4. zde přeměna glukoneogenezí na glukózu
5. glukózaputuje zpět do svalů – zdroj E (opět nastává glykolýza → vzniká laktát a děj se opakuje)
6. alanin je druhým zdrojem uhlíku pro syntézu glukosy, v játrech deaminace (vznik močoviny) a vznik
pyruvátu
KATABOLISMUS SACHARIDŮ
ŽIVOT JE PRÁCE!
buňky neustále rostou, dělí se, udržují homeostázu, funkčnost... → energeticky náročné → příjem E
z vnějších zdrojů
☻ E ve formě slunečního záření – u autotrofních organismů (FOTOTROFNÍ ORGANISMY)
☻ E z potravy (rostlin / živočichů) – u heterotrofních organismů (CHEMOTROFNÍ ORGANISMY)
u rostlin dochází k rozkladu sacharidů vzniklých fotosyntézou, živočichové štěpí poly- a oligosacharidy
z potravy na monosacharidy → resorpce střevními klky do krve → transport do jater → přeměna na glukózu
oxidací glukózy se uvolňuje E vázaná v chemických vazbách – tento proces označujeme jako buněčné dýchání
C6H12O6 + 6 O2→ 6 CO2 + 6 H2O … ΔG0 = – 2872 kJ.mol‾1exergonická reakce E se fixuje do ATP
při nedostatku kyslíku v buňce probíhá fermentace (= kvašení), jehož výsledkem je také tvorba ATP
část E se využije k práci, část se ztratí jako teplo
klíčem k uvolnění E z vazeb jsou redoxní reakce – při přesunu elektronů z atomů s nízkou el.neg. na atomy
s vysokou el.neg. dochází ke ztrátě potenciální E těchto elektronů (a ta je následně fixována)
kroky k zisku E – BUNĚČNÉ DÝCHÁNÍ:
1. glykolýza – v cytosolu
2. Krebsův cyklus – oxidace substrátu v matrix mitochondrií
3. přesun elektronů do dýchacího řetězce – ve vnitřní membráně mitochondrií
glukóza je oxidována postupně, během klíčových kroků je zbavována atomů H, ty nejsou přeneseny přímo
na kyslík, ale nejprve jsou předány koenzymu NAD+ (ten působí jako oxidační činidlo)
o enzym dehydrogenáza zbaví glukózu 2 atomů vodíku (to jsou 2e- a 2 protony, tedy jádra H+)
o pak enzym předá 2e-a jeden proton H+koenzymu NAD+, který se redukuje na NADH + H+ má tedy
neutrální náboj
(NAD+ kladný přijal 2e-a jeden H+)
|
|
+
o H – C – OH + NAD → C = O + NADH + H+
|
|
o zbylý proton H+je uvolněn do okolního roztoku
o e-přenesené z glukózy na NAD+obsahují jen málo potenciální E, více E se uvolní po přesunu ez NADH na kyslík
o přesun e-se koná postupně v několika krocích dýchacího řetězce, na jehož konci je atom kyslíku.
Elektronegativita mezi jednotlivými přenašeči v dýchacím řetězci postupně vzrůstá, nejvyšší má
atom kyslíku, který je na konci
glukóza → NAD+ → NADH → přenašeče dýchacího řetězce → kyslík
BUNĚČNÉ DÝCHÁNÍ:
1. GLYKOLÝZA
= rozklad cukrů
C6 (glukóza) rozklad na 2C3(pyruvát)
soubor 10 reakcí, jejichž konečným produktem jsou 2molekuly pyruvátu a uvolněná
energie, která jevázána v ATPa NADH
některé kroky jsou redoxní reakce → tvorba NADH, e- fixované v NADH jsou předány do
dýchacího řetězce, kde jsou přenášeny z jedné molekuly na druhou a na konci sloučeny
s vodíkovými kationty a atomem kyslíku za vzniku vody
probíhá za přítomnosti i bez přítomnosti kyslíku
energetická bilance:
o spotřeba: 2 molekuly ATP (krok 1 a 3)
o vznik: 4 molekuly ATP (krok 6 a 9) a 2 molekuly NADH (krok 6)
o celkem vzniknou 2 molekuly ATP a 2 molekuly NADH z 1 molekuly glukózy
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
10 kroků glykolýzy:
glukóza je foforylována pomocí 1 molekuly ATP na glukóza-6-fosfát
ta podlehne izomeraci (přesmyk uvnitř molekuly) a vznikáfruktóza-6-fosfát
další molekulou ATP je fruktóza-6-fosfát fosforylována na fruktóza-1,6-bisfosfát
fruktóza-1,6-bisfosfát se štěpí na 2 triózy (=3uhlíkaté cukry) – glyceraldehyd-3-fosfát a
dihydroxyacetonfosfát
dihydroxyacetonfosfát se volně přetváří na fruktóza-1,6-bisfosfát
glyceraldehyd-3-fosfát se dehydrogenuje (2e- a 1H+se naváží na koenzym NAD+) a fosforyluje na 2
molekuly 1,3-bisfosfoglycerátu
odštěpením jednoho fosfátu z každé molekuly (ten se naváže na ADP → ATP) vzniká 3-fosfoglycerát
následuje přesmyknutí fosfátů a vzniká2-fosfoglycerát
dehydratací přechází 2-fosfoglycerát na fosfoenolpyruvát
odštěpením fosfátu (ten se naváže na ADP → ATP) z každé molekuly vzniká pyruvát
glykolýzou se uvolní méně než ¼ E, která je uložená v glukóze
odbourání pyruvátu na CO2 se získá většina E
za AEROBNÍCH PODMÍNEK – dostatek O2
o na transport pyruvátu do mitochondrie se spotřebují 2 molekuly ATP
o pyruvát vstupuje do matrix mitochondrie → přeměna na acetylCoA, který vstupuje do
Krebsova cyklu
karboxylová skupina je odstraněna jako CO2
zbývající část molekuly se 2 uhlíky je oxidována na acetát, odebrané e- jsou
přeneseny na NAD+, který se redukuje na NADH (uložení E)
na acetát je navázán CoA (derivát vit.B obsahující síru) → acetylCoA – vazba je
nestálá, sloučenina velmi reaktivní
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
2. KREBSŮV CYKLUS (= citrátový cyklus, cyklus kyseliny citronové)
název: Hans Krebs 1953 Nobelova cena za popsání těchto rekcí
o kys. citronová 1. produkt
v matrix mitochondrií
sled 8 reakcí, při kterých se odbourává acetyl-CoA na CO2a H2
vodíky obsahují e- s vysokým obsahem E a jsou přeneseny na nosiče NADHa
FADH2(redukované formy koenzymů), tyto nosiče dopraví e-do dýchacího řetězce
dochází 2x k dekarboxylaci – uvolněný CO2 spolu s tím, který vznikl přeměnou pyruvátu na
acetylCoA difunduje ven z mitochondrií a následně z buňky
vzniká 1 molekula ATP
energetická bilance: z 1 molekuly pyruvátu
o vznik: 1 molekuly ATP, 3 molekuly NADH a 1 molekula FADH2
8 rekcí Krebsova cyklu:
acetylCoA připojuje svou acetylovou skupinu na oxalacetát(C4) za vzniku citrátu (C6)
odnětím jedné molekuly vody a následným připojením jiné je citrát přeměněn na izomer izocitrát(C6)
izocitrát je dekarboxylován, zbytek molekuly je za redukce NAD+na NADH oxidován, vzniká α-oxoglutarát(C5)
následuje další dekarboxylace a zbytek molekuly je oxidován za další redukce NAD+na NADH. Vznikající
sloučenina je poté nestálou vazbou napojena na CoA, vzniká sukcinylCoA (C4)
CoA je vytlačen anorganickým fosfátem, který je pak jako fosfátová skupina přenesen na GDP za vzniku GTP a
z něj dále na ADP za vzniku ATP, vzniká sukcinát (C4)
FAD (flavinadenindinukleotid – odvozen od riboflavinu vit. B2) si odnáší 2 vodíkové atomy a redukuje se na
FADH2, vzniká fumarát (C4)
připojením molekuly vody se přeskupují vazby v molekule substrátu, vzniká malát (C4)
oxidací malátu za redukce NAD+na NADH se znovu obnovuje oxalacetát (C4)
3. DÝCHACÍ ŘETĚZEC = elektron-transportní řetězec
tvořen mnoha molekulami enzymů, které jsou zanořeny ve vnitřní membráně mitochondrií
enzymy fungují jako přenašeče e- – zachytí e- (jsou redukovány) a předají je (jsou
oxidovány) další molekule enzymu
molekuly NADH a FADH2 přinášejí do dýchacího řetězce e- s vysokým obsahem E
e- jsou předávány z 1 enzymu na druhý a při tom postupně uvolňují svou E
uvolněná E je použita k přenosu H+ z matrix do mezimembránového prostoru
na konci řetězce jsou e- předány kyslíku (ten se do matrix dostává difuzí) – kyslík je
redukován, reaguje s H+ za vzniku vody
½ O2 + 2 H+ + 2e- → H2O
tvorba ATP
o ve vnitřní membráně je také zabudován enzym ATP-syntáza, ten obsahuje kanálek
pro průchod H+ iontů z mezimembránového prostoru zpět do matrix po
koncentračním spádu
o po průchodu tří H+ se aktivuje ATP-syntáza a katalyzuje syntézu ATP fosforylací ADP
o
o
ADP +
Ⓟ
→
ATP
z 1 molekuly glukózy vznikne oxidační fosforylací 34 molekul ATP
při tvorbě ATP je nutná přítomnost O2 → oxidační fosforylace
celková energetická bilance ATP:
glykolýza
2 ATP
přesun do mitochondrie -2 ATP
Krebsův cyklus 2 ATP
dýchací řetězec 34 ATP
celkem vznikne 36 molekul ATP z 1 molekuly glukózy
za ANAEROBNÍCH PODMÍNEK se musí vyrábět ATP jiným způsobem, tzv. kvašením = FERMENTACÍ
FERMENTACE:
o
ATP vzniká pouze fosforylací během glykolýzy → cílem je neustále opakovat glykolýzu
glykolýza + obnova NAD+ přenesením e- z NADH na pyruvát nebo sloučeniny od něj odvozené
o
NAD+ opět umožňuje další glykolýzu
o
o
formy:
alkoholové kvašení
•
pyruvát je dekarboxylován na acetaldehyd, ten je redukován pomocí NADH na
ethanol
•
u hub kvasinek a některých bakterií – využití ve vinařství, pivovarnictví, výrobě
alkoholu
mléčné kvašení
•
pyruvát je redukován NADH za vzniku laktátu bez uvolnění CO2
•
u některých hub a bakterií– výroba sýrů, jogurtů (Lactobacillus bulgaricus)
u lidských svalových buněk při fyzické námaze vzniká kys. Mléčná, která je v játrech
•
odbourána zpět na pyruvát
srovnání BUNĚČNÉHO DÝCHÁNÍ a FERMENTACE: