Metabolismus látek, energetika biochemických reakcí

DYNAMICKÁ BIOCHEMIE = studuje látkové a energetické přeměny uvnitř živých soustav a vztah těchto přeměn k okolí

• veškeré látkové a energetické přeměny jsou součástí metabolismu živé soustavy

METABOLISMUS

= všechny děje probíhající v organismu a katalyzované enzymy Õ tzn.:

• příjem látek z okolí
• přeměna těchto látek na životně důležité sloučeniny
• zisk energie z těchto látek
• výdej nepotřebných (odpadních) látek zpět do okolí

• metabolická dráha = reakce/sled reakcí vedoucích od substrátu k produktu

1. katabolické dráhy (disimilační, rozkladné, katabolismus, odbourávání)

• látky složitější (energeticky bohatší) se štěpí (jsou odbourávány) na jednodušší za stupňovitého uvolňování energie î exergonické reakce
• většina katabolických reakcí probíhá jako oxidace = dehydrofenace

2. anabolické dráhy (asimilační, skladné, anabolismus, biosyntézy)

• z látek jednodušších vznikají látky složitější za současné spotřeby energie î endergonické reakce
• většina anabolických reakcí probíhá jako redukce

3. amfibolické dráhy

• plní funkci katabolismu i anabolismu

• 2 typy metabolismů O úzce spolu souvisí:

I látkový metabolismus = látková přeměna

I energetický metabolismus = energetika látkových přeměn

ENERGETICKÝ METABOLISMUS .

• zahrnuje procesy: příjem energie

uchování energie

přenos energie

využití energie

výdej energie

• energie v průběhu těchto dějů nemizí, může být pouze přeměněna z jedné formy na jinou
• dělení dějů spojených s energetickým metabolismem O podle změny Gibbsovy (volné) energie (DG):

1. GIBBSOVA ENERGIE … DG (tzv. volná energie)

• stavová veličina, u níž nedokážeme určit její absolutní hodnotu, pouze její změnu
• charakterizuje vztah mezi entalpií (DH) a entropií (DS)

• vyjadřuje samovolnost reakcí probíhajících za konstantní teploty a tlaku
• samovolný děj … ?G < 0
• nesamovolný děj … ?G > 0
• pokud ?G = 0 î rovnovážný děj
• u většiny reakcí o jejich samovolnosti rozhoduje DH
• ?H < 0 … samovolný děj
• ?H > 0 … nesamovolný děj

EXERGONICKÉ (exergonní)

• výchozí látky mají vyšší volnou energii, než produkty î při reakci se energie uvolňuje (protože byla „přebytečná“)
• ?G = ?H – T.?S

z látek energeticky bohatších vznikají látky energeticky chudší Õ jde o samovolný děj î DG < 0 … při reakci došlo celkově ke snížení volné energie

• jde o katabolické procesy (např. dýchání)
• vysvětlení: energie potřebná na rozštěpení vazeb u výchozích látek je menší než energie, která se uvolní při vzniku nových vazeb u produktů O celkově se uvolňuje více energie než spotřebuje î energie se uvolňuje

2. ENDERGONICKÉ (endergonní)

• výchozí látky mají nižší volnou energii, než produkty î reakci se energie musí dodat (protože „chyběla“)
• z látek energeticky chudých vznikají látky energeticky bohaté O děj nemůže probíhat samovolně î DG > 0 … při reakci došlo celkově ke zvýšení volné E
• jde o anabolické procesy (např. fotosyntéza)
• vysvětlení: energie potřebná na rozštěpení vazeb u výchozích látek je větší než energie, která se uvolní při vzniku nových vazeb u produktů O celkově se uvolňuje méně energie než spotřebuje î energie se musí dodat

MAKROERGICKÉ SLOUČENINY

• sloučeniny obsahující velké množství energie

Õ tato energie je zabudována v jejich makroergických vazbách ~

• vazby, jejichž rozštěpením se uvolní více energie, než rozštěpením kovalentních vazeb
• sloučeniny se schopností: zachytit energii při exergonických procesech a zabudovat ji do své struktury (vytvořením makroergických va­zeb)

uvolnit energii ze své struktury (rozštěpením makroergických vazeb) a odevzdat ji endergonickému procesu

• nejvýznamnější makroergická sloučeniny: ATP = adenosintrifosfát

• jakýsi „akumulátor“ (zásobárna) energie pro všechny živé organismy
• vznik ATP O FOSFORYLACE
• z ADP (adenosindifosfát) a zbytku kyseliny fosforečné při exergonických dě­jích
• např. odbourávání sacharidů

lipidů

proteinů

• typy fosforylace: substrátová O při glykolýze sacharidů

oxidativní Õ v koncovém dýchacím řetězci Krebsova cyklu

fotosyntetická Õ v primární fázi fotosyntézy (cykl. i necykl.)

• z ADP (adenosindifosfát) a zbytku kyseliny fosforečné

• štěpení ATP O HYDROLÝZA
• může být přerušena jedna nebo dvě makroergické vazby
• uvolněná energie se vyjadřuje prostřednictvím standardní změny Gibbsovy energie (DG0)

ATP + H2O ® ADP + ] + 2H+ … DG0 = –33 kJ. mol?1

ATP + 2H2O ® AMP + 2] + 4H+ … DG0 = –66 kJ. mol?1

• pokles hladiny ATP způsobený spotřebou energie, vyvová metabolické procesy zajišťující uvolňování energie a tvorbu nového ATP

• další makroergické sloučeniny: GTP = guanosintrifosfát

METABOLISMUS SACHARIDŮ

Stručná charakteristika sacharidů

• jedny z nejvýznamnějších a současně nejrozšířenější přírodní organické sloučeniny
• rostlinného původu; součástí většiny živých organismů
• pohotový zdroj energie
• součást potravy O jsou zde ve formě:

Y monosacharidů (např. glukóza, fruktóza, …)

• skupina enzymů štěpící sacharidy = glykosidázy

vstřebávány přímo střevní stěnou do krve î nejsou před odbouráváním štěpeny

Y disacharidů (např. sacharóza, maltóza, laktóza)

Y polysacharidů (např. škrob, glykogen, celulóza)

• celulóza – štěpitelná pouze býložravci působením střevní mikroflóry a celulázy
• glykogen – zásobní polysacharid savců; tvoří se v játrech při nadbytku glukózy
• hladinu cukru v krvi regulují hormony slinivky břišní – insulin & glukagon

Vznik

• primární proces: FOTOSYNTÉZA î vznik nejjednodušších sacharidů

6 CO2 + 12 H2O —————— C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

• princip fotosyntézy: učebnice CHEMIE pro čtyřletá gymnázia – III. díl (autoři: Aleš Mareček, Jaroslav Honza) O str. 185 – 193

Katabolismus (odbourávání) sacharidů

• monosacharidy přijaté v potravě nebo vzniklé enzymatickým štěpením disacharidů a polysacharidů se střevní sliznicí vstřebávají do krve
• krevním oběhem (přesněji vrátnicovou žilou) jsou dopraveny do jater O zde jsou enzymaticky přeměněny na glukózu
• glukóza je: a) v játrech zesyntetizována na glykogen

2. vrácena zpět do krve a krevním oběhem dopravena k jednotlivým buň­kám

• v buňkách glukóza podléhá odbourávání
• úplná oxidace glukózy:

C6H12O6 + 6 H2 ® 6 CO2 + 6 H2O … DG0 = – 2872 kJ.mol?1

Odbourávání glukózy = GLYKOLÝZA

• dvě části:

î anaerobní glykolýza O probíhá v cytoplazmě buněk za nepřístupu vzduchu

î aerobní glykolýza O probíhá na vnitřní biomembráně mitochondrií za přístupu vzduchu

• v podstatě jde o Krebsův cyklus