Konsultační hodina – základy biochemie pro 1. ročník

1. Konsultační hodina – základy biochemie pro 1. ročník Přírodní látky Úvod do metabolismu Glykolysa Krebsův cyklus Dýchací řetězec Fotosynthesa

2. Přírodní látky

3. 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

4. Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?

5. Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?

6. Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?

7. Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?

8. Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?

9. 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)

10. 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)

11. Aminokyseliny

12. Bílkoviny (Proteiny) • Co to je? • Polymery aminokyselin • Dlouhé řetězce na sebe poutaných AK (peptidová vazba) • Jak to vypadá?

13. Bílkoviny (Proteiny) – peptidová vazba

14. Bílkoviny (Proteiny) – Jak to vypadá?

15. 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

16. Adenosinfosfáty • Hlavní energetické platidlo organismu • AMP • ADP • ATP

17. 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

18. NAD+ • Oxidačně-redukční činidlo v živých organismech • Rozpustný

19. FAD • Oxidačně-redukční činidlo v živých organismech • Obvykle vázaný na enzym

20. Úvod do metabolismu

21. 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 • b-oxidace • Krebsův cyklus • Dýchací řetězec

22. Glykolysa

23. Co to je? • Způsob, jak postupně odbourat glukosu za zisku energie • Dvě části: • Přípravná • Zisková • Konečným produktem je pyruvát • Probíhá v cytosolu buněk

24. 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

25. 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)

26. 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).

27. 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

28. Problém – Jak regenerovat NAD+? • Dýchací řetězec • Mléčné kvašení • Alkoholové kvašení

29. Problém – Co s pyruvátem?

30. Krebsův cyklus

31. 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

32. Jak to probíhá?

33. 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

34. 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

35. 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

36. Dýchací řetězec

37. 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

38. Co je na tom zajímavé? • Je regenerováno NAD+: • Díky dýchacímu řetězci je obnovena hladina NAD+ • To udržuje organismus v chodu Jednotlivé komplexy si předávají elektrony a přitom pumpují H+ přes membránu Jeden z komplexů dýchacího řetězce je současně součástí Krebsova cyklu • F0F1-ATPasa synthetisuje ATP: • Pomocí enzymu je využita nerovnováha v koncentracích H+ pro synthesu ATP • Celý proces funguje obdobně jako přečerpávací vodní elektrárna

39. 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

40. K čemu je to dobré? • Pomocí dýchacího řetězce se vytváří největší podíl ATP v aerobních organismech • Největší zdroj energie

41. 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)

42. Jak to vyjádřit lidsky?

43. Fotosynthesa

44. 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

45. 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

46. 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

47. 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

48. Jak se ze světla získává energie? Elektron z fotosystému I může být použit pro pohon protonové pumpy, nebo na synthesu NADPH Při aktivaci fotosystémů dojde k uvolnění elektronů Existují dva fotosystémy Elektron z fotosystému II je použit pro pohon protonové pumpy a současně doplňuje elektron fotosystému I Vzniklá protonová nerovnováha (gradient) je použita pro synthesu ATP stejně jako v dýchacím řetězci Fotosystém II doplňuje svůj elektron rozkladem vody

49. Jak se ze světla získá energie?

50. 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