ENERGIE BUNĚČNÁ RESPIRACE FOTOSYNTÉZA Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D.

Transkript

1 ENERGIE BUNĚČNÁ RESPIRACE FOTOSYNTÉZA 2013 Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D.

2 ZÍSKÁVÁNÍ a PŘENOS ENERGIE BUŇKOU 1. termodynamická věta - různé formy energie se mohou navzájem přeměňovat 2. termodynamická věta - část energie se uvolní jako teplo, část jako volná energie (Gibbsonova energie - schopna konat práci) ZDROJE ENERGIE: - FOTONY (sluneční světlo) - POTRAVA (organické molekuly) - ANORGANICKÉ MOLEKULY (u chemosyntetických bakterií)

3 Dělení organismů podle zdroje energie: FOTOTROFNÍ - světlo (fototrofní bakterie, zelené rostliny a řasy) CHEMOTROFNÍ - anorganické látky (chemolitotrofní bakterie) Dělení organismů podle zdroje C: AUTOTROFNÍ - CO 2 (rostliny) HETEROTROFNÍ - organické látky (živočichové, rostliny) Bakterie: - fotoautotrofní / fotoheterotrofní - chemoautotrofní / chemoheterotrofní Eukaryonta: - fotoautotrofní / fotoheterotrofní chemoheterotrofní MIXOTROFNÍ = autotrofně heterotrofní (masožravé rostliny, poloparazit - kokrhel, všivec..)

4 METABOLISMUS Katabolismus (katabolické dráhy) - odbourání živin, uvolnění Gibbsonovy energie a část se mění v teplo Anabolismus (anabolické dráhy) - syntéza molekul, využití energie potrava stavební molekuly - polymery katabolismus užitečná forma energie teplo anabolismus stavební molekuly - monomery Co jsou to anabolika?

5 KATALÝZA zrychlení chemických reakcí pomoci katalyzátoru, který se během reakce nespotřebovává zajišťuje alternativní reakce, snižuje aktivační energii katalýza energie vazba substrátu substrát aktivní místo po vazbě substrátu, mění enzym tvar produkt nekatalyzovaná reakce katalyzovaná reakce doba komplex enzym - substrát komplex enzym - produkt produkt opouští aktivní místo

6 Jak buňky získávají energii z potravy? - rostliny, živočichové RESPIRACE (buněčné dýchání) C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + volná energie - opačná rovnice fotosyntézy - energie je získávána z cukrů či jiných organ. molekul potravy postupnou oxidací (řízené spalování, respirace,dýchání) - energie se ukládá do chemických vazeb nosičových molekul

7 NOSIČOVÉ MOLEKULY (aktivované přenašeče, koenzymy) Nosičové molekuly ATP, GTP NADH, NADPH, FADH 2 acetyl CoA Přenášená skupina fosfátová skupina elektrony (H-) a proton (H+) acetylová skupina ATP (adenosin-5-trifosfát)-univerzální platidlo, energet. bohaté fosfátové vazby GTP (quanosintrifostát) NADH (redukovaný nikotinamidadenindinukleotid) NADPH (redukovaný nikotinamidadenindinukleotidfosfát) FADH 2 (redukovaný flavinadenindinukleotid)

8 Funkce cukrů energetický zdroj (glukóza) dlouhodová zásoba energie - glykogen (živočichové) - škrob (rostliny) mechanická podpora škrobová zrna - celulóza (polysach. glukózy, rostliny) - chitin (polymer N-acetylglukosaminu, kostra hmyzu, buněčná stěna hub) složka slizů, hlenu, chrupavek součást glykolipidů a glykoproteinů - v buněčné membráně

9

10 TRÁVENÍ - energie pro buňku pochází z chemických vazeb v molekulách potravy - energie se získává postupným odbouráváním CUKRŮ (LIPIDŮ, PROTEINŮ) v enzymových drahách - ve střevech (v organizmu) a v lysozomech (v buňce) - odbourání polymerů na malé molekuly Polysacharidy monosacharidy Proteiny AK Tuky MK a glycerol lysozom tenké střevo Umět lokalizovat (v rámci buňky), kde jednotlivé fáze buněčného dýchání probíhají

11 ROZKLAD MONOMERŮ - momomery vstupují do cytoplazmy buňky a dochází k jejich rozkladu Př. Glykolýza (štěpení cukrů) - sled 10 reakcí, každá vede ke tvorbě odlišných meziproduktů, katalyzováno odlišnými enzymy. 1 glukóza (6 C) 2 pyruváty (2x 3 C) Uvolněná energie je uložena do: 2 ATP, 2 NADH

12 VZNIK ACETYL-CoA - pyruvát přechází z cytosolu do matrix mitochondrií (u aerobních bakterií v cytosolu) 1 pyruvát (3C) CO 2 + acetyl (2C) acetyl + CoA acetyl CoA Oxidací jednoho pyruvátu vzniká 1 NADH, celkem 2NADH Umět nakreslit a popsat mitochondrii

13 ZPRACOVÁNÍ ACETYL-CoA - acetylová skupina je přenesena na oxalacetát za vzniku kyseliny citrónové, ta je oxidována na CO 2 a H 2 O (Krebsův cyklus - v matrich mitochondrie) acetyl CoA + O 2 CO 2 + H 2 O Energie z 1acetyl-CoA je uložena do: 3 NADH, 1 FADH 2, 1GTP Celkem 6NADH, 2FADH 2, 2ATP

14 ATP - hlavní chemicko-energetické platidlo v buňkách - malá část ATP se tvoří v cytosolu - většina ATP se tvoří při membránových dějích v: mitochondriích, chloroplastech, buněčné membráně bakterií Pyruvát z glykolýzy (2 molekuly pyruvátu z 1 molekuly glukózy) Krebsův cyklus

15 OXIDAČNÍ FOSFORYLACE Chemiosmotické spřažení v mitochondriích nosičové molekuly (NADH, FADH 2 ) poskytují elektrony, které jsou přenášeny elektrontransportním řetězcem (protonové pumpy - proteiny) elektrony + O 2 H 2 O + energie energie z vysokoenergetických elektronů je využita k čerpání H + protonů přes membránu do mezimembránového prostoru pomocí protonových pump: NADH-dehydrogenázový komplex komplex cytochromů b+c1 cytochromoxidázový komplex syntéza ATP je poháněna protonovým gradientem (průchod H + přes ATP-syntázu do matrix přes vnitřní membránu)

16 CHEMIOSMOTICKÉ SPŘAŽENÍ V MITOCHONDRIÍCH

17 SYNTÉZA ATP HYDROLÝZA ATP vnitřní mitochondriální membrána matrix Animace syntézy ATP: etabolism/atpsyn1.swf etabolism/atpsyn2.swf

18 Schéma respirace

19 Buňka získá oxidací 1 glukózy na CO 2 a H 2 O asi 30 ATP Fosforylace substrátu Teorie: NADH 3ATP, FADH 2 2 ATP Oxidace Glykolýza 2 ATP 2 NADH Oxidace pyruvátu - 2 NADH Krebsův cyklus 2 ATP (z GTP) 6 NADH + 2 FADH 2 Celkem 4 ATP 10 NADH + 2 FADH 2 Celkem ATP: (transport NADH z glykolýzy přes membránu mitochondrie) = 36 ATP Skutečnost: NADH 2,5 ATP, FADH 2 1,5 ATP Celkem ATP: = 30 ATP Asi 50 % energie glukózy se váže v ATP (k užitečné práci), zbytek teplo

20 30ATP aerobní podmínky anaerobní podmínky 2ATP

21 Jak získávají buňky energii ze slunce? rostliny, fotosyntetizující bakterie, řasy, někteří protista proces fotosyntézy Fotosyntéza sluneční záření voda CO 2 minerály kyslík cukry Umět napsat rovnici fotosyntézy (opačná rovnice buněčného dýchání)

22 FOTOSYNTÉZA probíhá v chloroplastech na membráně tylakoidů rostliny přijímají CO 2 ze vzduchu a vodu z půdy; za přítomnosti energie fotonů a chlorofylu produkují cukr (glukóza) a kyslík část cukru je využit rostlinou k životním procesům (růst, reprodukce); zbytek se ukládá v podobě škrobu sluneční záření 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Chlorofyl zelený pigment Fotosyntéza a buněčné dýchání zajišťuje na Zemi rovnováhu CO 2 a O 2 na zemi. Umět nakreslit a popsat chloroplast

23

24 cukr FOTOSYNTÉZA CO 2 světlo NADP NADPH ADP H + ATP H + membrána tylakoidů H 2 O + H + O 2 Fotosystém II H + e - Fotosystém I H H + + ATP syntáza

25 I. Fáze fotosyntézy (světelná): v tylakoidech chloroplastů dopad fotonů na asimilační barviva (chlorofyl a, chlorofyl b, karotenoidy ve fotosystémech I a II v thylakoidních membránách chloroplastů) a excitace elektronů energie je využita k čerpání H + protonů ze stromatu přes membránu do thylakoidů protonovou pumpou: komplex cytochromů b6 a f fotolýza vody H 2 O 2H ē + 1/2O 2 přenos elektronů redoxními systémy k redukci NADP na NADPH syntéza ATP, která je poháněna protonovým gradientem tj. průchodem H+ATP- syntázou do stromatu přes thylakoidní membránu

26 Chemiosmotické spřažení FOTOSYNTETICKÁ FOSFORYLACE

27 II. fáze fotosyntézy (temnostní, Kalvinův cyklus): pojmenované po Melvin Calvin reakce mohou probíhat bez přítomnosti světla navázání CO 2 a jeho redukce uvolněným vodíkem (z fotolýzy vody) za vzniku organických sloučenin (energii dodají přenašeče energie), ve stromatu chloroplastu k produkci 1 molekuly glukózy je třeba 6 Calvinových cyklů světlo světelná fáze Kalvinův cyklus Animace fotosyntézy: photosynthesis.swf fotosystém II fotosystém I chloroplast cukr

28 UKLÁDÁNÍ a ZUŽITKOVÁNÍ POTRAVY MK - jsou ukládány jako tukové kapénky v tukových buňkách Cukry - jsou ukládány jako glykogen (živočichové) škrobová zrna (rostliny) Oxidací 1 g tuku se uvolní 2 x více energie než z glykogenu V tuku je uložena energie na 1 měsíc V glykogenu je uložena energie na 1 den!!!

29 Jaké typy pohybů znáte? CYTOSKELET POHYB

30 Pohyb na buněčné úrovni: lokomoce buněk (řasinkový, bičíkový, améboidní pohyb) proudění cytoplazmy, vnitrobuněčný transport pohyb chromozomů při mitóze, cytokineze Pohyby na úrovni mnohobuněčného organismu: svalový pohyb

31 CYTOSKELETÁLNÍ PRINCIP (CYTOSKELET) intermediární filamenta (střední) (průměr 10 nm) mikrotubuly (25 nm) mikrofilamenta (aktinová vlákna) (7 nm) Funkce: tvar buňky, rozmístění organel (intermed. filamenta) pohyb buňky (mikrotubuly, mikrofilamenta) vnitrobuněčný transport (mikrotubuly) mitóza - dělící vřeténko, kontraktilní prstenec (mikrotubuly, mikrofilamenta)

32 střední filamenta mikrotubuly mikrofilamenta

33 INTERMEDIÁRNÍ FILAMENTA fibrilární bílkoviny (alfa šroubovice - dimer - tetramer - vlákno (8 tetramerů), spojují se do protofilament Třídy: keratiny (epitelie), vimentiny (pojiva, svaly, neuroglie), neurofilamenta, laminy (v jádrech) Funkce: zpevnění buňky - v místech desmosomů zpevnění jaderné membrány (laminy) determinace tvaru buněk rozmístění organel v buňce

34 MIKROTUBULY složeny z globulárních proteinů (tubuliny) polární dimer (α tubulin - a β tubulin + ) řetězec = protofilamentum mikrotubul (ze 13 řetězců) polarita: a + konec dynamická nestabilita (50 % aktinu v monomerech, 50 % v polymerech, růst a rozpad s využitím ATP)

35 Místa odkud mikrotubuly vyrůstají: centrosom vnitrobuněčný transport bazální tělísko bičíkový, řasinkový pohyb póly dělícího vřeténka mitóza Nakresli dělící vřeténko

36 MIKROFILAMENTA (AKTINOVÁ VLÁKNA) fibrilární provazce složené z globulárních molekul aktinu strukturální polarita (+, konec) dynamická nestabilita

37 Mechanismus pohybu: - transformace energie chemické v mechanickou Motorové proteiny = molek. motory, mechanochem. enzymy Složení motorů: Motorová doména - 1 polypeptidový řetězec, hlavička s ATPázovou aktivitou, kontaktuje mikrofilamenty nebo mikrotubuly po kterých se motor pohybuje. Koncová doména - jiný polypeptidový řetězec. Má vazebná místa pro molekuly či buněčné struktury (membránové váčky, plazmatická membrána). ATPázy uvolňují energii hydrolýzou ATP po kontaktu motorů s mikrotubuly (či mikrofilamenty)

38 Motory spolupracující s mikrotubuly: kineziny pohyb od k + konci (antegrální transport) dyneiny pohyb od + k konci (retrográdní transport) Jak se nazývají motory spolupracující s mikrofilamenty?

39 Motory spolupracující s mikrofilamenty: myoziny I - 1 motorová doména, ve všech typech buněk myoziny II - 2 motorové domény, svalový myozin myozin I myozin II motorová doména koncová doména myozin II (vlákno)

40 PRINCIP POHYBU MOTORŮ A) pohyb motoru po cytoskeletální struktuře, která je fixována - motorová doména se váže k cytoskeletální struktuře, dojde k hydrolýze ATP, změní se konformace motorové domény, posune se po mikrotubulu (mikrofilamentu), s motorem se posune i to co je na motor navázáno, konformace hlavičky se obnoví

41 B) pohyb mikrotubulu (mikrofilamentu) pomoci motoru, který je fixován

42 C) klouzání mikrotubulů (mikrofilament) - motory pevně vázány na jeden mikrotubulus (mikrofilamentum), motorovou doménou kontaktuje jiný mikrotubulus (mikrofilament), dochází k vzájemnému posunu cytoskeletálních struktur

43 SHRNUTÍ cytoskeletální vlákno mikrotubuly mikrofilamenty molekulový motor pohyb kineziny, dyneiny myozin I, II - vnitrobuněčný, - bičíkový, - řasinkový, - mitóza (dělící vřeténko) - améboidní, - svalový, - mitóza (kontraktilní prstenec u živočišné buňky) Nakresli nervovou buňku Animace pohybu molekulových motorů: *

44 VNITROBUNĚČNÝ TRANSPORT - transport váčků v sekreční dráze, v axonech nervových buněk, přemísťování pigmentu v melanoforech tělo nervové buňky Jaký je rozdíl mezi centrozomem, centrioly a centromerou?

45 motory se pohybují po mikrotubulech (v cytoplazmě), které vyrůstají z centrozomu a směřují k periferii buňky směr pohybu motorů je dán polaritou mikrotubulů centrozom

46 Centrioly ve dvojicích součást centrozomu živočišných buněk po obvodu je 9 trojic mikrotubulů vznikají z nich bazální tělíska CENTROSOM CENTRIOLY MIKROTUBULY

47 POHYB KINOCILIÍ (BIČÍKY A ŘASINKY) Kinocílie jsou pokryty plazmatickou membránou a zakotveny do bazálních tělísek (9 trojic mikrotubulů bez centrálních mikrotubulů).

48 Pohybová struktura kinocilií je axonema = svazek mikrotubulů spojených asociovanými proteiny. V ose axonemy jsou 2 centrální mikrotubuly a kolem nich je 9 zdvojených mikrotubulů = dublet (9+2 vzorec). Dublet má A a B podjednotku. Příčný průřez konocílií (A a B podjednotka)

49 Pohyb kinocilií je dán klouzáním mikrotubulů, poháněné dyneinem (koncovou doménou je připojen k A podjednotce a motorovou doménou kontaktuje B podjednotku) Při aktivaci motorové domény dojde ke konformační změně (ATP z cytosolu), vzájemný posun mikrotubulů je omezen, proto dojde k jejich ohýbání, ne k posunu.

50

51 Animace bičíkového a řasinkového pohybu: ege.edu/biology/biology1111 /animations/flagellum.html

52 BAKTERIÁLNÍ BIČÍK - umožňuje lokomoci bakterií ve vodném prostředí - polotuhé, šroubovité vlákno, tvořené jedním proteinem (flagelinem) v membráně buňky v ložisku, ve kterém jsou uváděna do točivého pohybu tokem protonů zvenčí do buňky (podle signálů z prostředí bakterie mění směr otáčení bičíku) kotva (universální spoj) vlákno Pouzdro (L a P prstenec) STAROR (čepy a C prstenec) ROTOR (S a M prstenec)

53 AMÉBOIDNÍ (měňavkovitý) POHYB améby (měňavky), hlenky, leukocyty a jiné krevní buňky, fibroblasty, princip fagocytózy Princip: 1. vysílání výběžků (aktinová vlákna) ve směru pohybu buňky, vytlačení cytoplazmy, klouzání mikrofilament poháněné myoziny 2. přichycení výběžků na podložku pomoci integrinů (transmembránové proteiny) 3. kontrakce zadní části buňky, interakce aktinových vláken s molek. motory - myozin I Typy výběžků: pseudopodie, lamelipodie tenké, plochý tvar filopodie vláknitý tvar

54

55 FAGOCYTÓZA princip améboidního pohybu Animace fagocytózy: imat/cellstructures/phagocitosis.swf

56 SVALOVÝ POHYB Pohybové činnosti (běh, chůze, plavání, let), kosterní svaly Nevolní pohyby (srdeční stahy, střevní peristaltika) srdeční a hladké svaly Kosterní sval - kosterní svalová buňka (mnohojaderná, jádra těsně pod plazmatickou membránou), cytoplazma vyplněna myofibrilami (průměr 1-2 μm), složeny z kontraktilních jednotek = sarkomera (délka 2,5 μm) Nakresli sarkomeru

57 Myosinová vlákna (silná) - uprostřed sarkomery, vznikají spojováním myozinu II (2 globulární domény - hlavička a konec) Aktinová vlákna (tenká) - vycházejí z obou konců sarkomery (ukotvena + konci k Z- diskům = Z linie), volnými konci se překrývají s myozinem

58 Příčně pruhovaný sval ve světelném mikroskopu Příčně pruhovaný sval v elektronovém mikroskopu

59 SVALOVÝ STAH 1) signál z nervové soustavy, elektrický vzruch se šíří pomoci příčných kanálků (T-systém, vzniká invaginací membrány) 2) předání signálu sarkoplazmatickému retikulu (specializované ER kolem myofibrily, obsahuje Ca 2+ ). Elektrický signál způsobí změnu potenciálu na membráně, otevření iontových kanálů membrán SR a uvolnění Ca 2+ do cytosolu.

60 3) Ca 2+ se váže na troponinový komplex (proteiny), který udržuje tropomyozin (protein) v poloze, kdy překrývá vazebná místa aktinu pro myozin. Troponin se posune a uvolní tato vazebná místa.

61 4) vazba hlaviček myozinu II na aktinová vlákna, paralelní pohyb dvou opačně orientovaných sad aktinových vláken

62 Sarkomery jsou spojeny speciální signalizační soustavou, která umožňuje okamžitý stah všech sarkomer (stah sarkomer z 3 μm do staženého stavu 2 μm trvá 0,1 sec). Svalové uvolnění: ukončení nervového vzruchu, Ca 2+ je vypumpován do SR pomoci Ca 2+ pump v jeho membráně. Molekuly troponinu a tropomyozinu se vrátí do klidových poloh. Animace svalové kontrakce: * Hladký sval (ve stěně žaludku, střev, dělohy, cév atd.) Myozin II je aktivován zvýšením hladiny Ca 2+, dojde k fosforylaci myozinu II, změně jeho konformace a reakce s aktinem. Stahy jsou pomalejší, méně specializované, řízeny různými signály (adrenalin, serotonin, prostaglandiny atd.).