Maturitní okruhy z chemie

Energetika biochemických procesů

Rozdělení organismů podle typu metabolismu

• 
  organismy se dělí podle druhu dodávané energie na fototrofní organismy - fototrofy (využívají světlo) a chemotrofní organismy - chemotrofy (získávají energii oxidací makroergických substrátů - živin)
  
• 
  chemotrofi se dále dělí podle povahy oxidovaných látek
  
• 
  chemoorganotrofi vyžadují organické látky (např. glukosu) jako donory elektronů
  
• 
  chemolitotrofi využívají jednoduché anorganické donory H₂, H₂S, NH₃, nebo síru
  
• 
  jiným kritériem dělení organismů je forma uhlíku, ve které ho organismus získává z okolí
  
• 
  autotrofi využívají jako jediný zdroj uhlíku CO₂, heterotrofi vyžadují uhlík ve formě složitých sloučenin
  
• 
  zelené buňky rostlin na světle jsou představitelem autotrofů, fotolitotrofů, zatímco živočichové, mikroorganismy nebo rostlinné buňky ve tmě jsou reprezentantem heterotrofů, chemoorganotrofů
  

Fotosyntéza

• 
  CO₂ v zemské atmosféře je jediným zdrojem pro tvorbu ostatních uhlíkatých sloučenin, je to sloučenina energeticky chudá, která nemůže být dále oxidována (aerobní buňky, tj. buňky dobře zásobené kyslíkem, CO₂ vylučují jako odpad)
  
• 
  pouze organismy obsahující v buňkách chlorofyl (zelené barvivo) jsou schopny na světle (tj. s využitím energie slunečního záření) přeměňovat CO₂ na energeticky bohaté sloučeniny
  
• 
  CO₂ přitom podléhá hydrogenaci vodíkem vzniklým fotolýzou vody, zjednodušeně lze fotosyntézu vyjádřit rovnicí:
  

6 CO₂ + 12 H₂O _světlo C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O

• 
  fotosyntéza probíhá v chloroplastech, obsahujících chlorofyl, má dvě fáze: světelnou (probíhá jen na světle) a temnostní (nepotřebuje světlo)
  

1. 
   světelná fáze - v této fázi je zachycena energie fotonů a využita k tvorbě ATP a k fotolýze vody, tj. k jejímu rozkladu na kyslík a vodík, kyslík se jako vedlejší produkt fotosyntézy uvolňuje do okolí a vodík se váže ve formě redukovaného nikotinamidadenindikleotidfosfátu NADPH, světelnou fázi fotosyntézy vystihuje schéma: H₂O + NADP⁺ + P + ADP ^světlo O₂ + NADPH + ATP + H⁺
   
2. 
   temnostní fáze - v této fázi jsou produkty světelné fáze (ATP + NADPH) využity k hydrogenaci (redukci) CO₂ na glukosu, souhrnně tento proces vystihuje rovnice: 6 CO₂ + 12 NADPH + 12 H⁺ + 18 ATP C₆H₁₂O₆ + 12 NADP + 18 ADP + 18 P + 6 H₂O
   

sluneční záření zachycované fotosyntézou poskytovalo donedávna veškerou energii užívanou člověkem, neboť i fosilní suroviny - uhlí, ropa nebo zemní plyn - vznikly přímo nebo nepřímo z rostlinného materiálu

Energetika heterotrofních buněk

• 
  heterotrofi získávají energii potřebnou k životu oxidací živin, tj. specifických substrátů - sacharidů, tuků, bílkovin
  
• 
  energie uvolněná oxidačním štěpením není využívána přímo, ale slouží nejprve k syntéze molekul bohatých energií (jakýchsi energetických konzerv), jimiž jsou především molekuly adenosintrifosfátu (ATP), vznikající fosforylací adenosindifosfátu (ADP)
  
• 
  fosfátové vazby v ATP (tzv. makroergické vazby) se mohou snadno hydrolyzovat, čímž se vázaná energie opět uvolňuje (průměrně 20,3 kJ ^. mol^-1), energie konzervovaná v těchto vazbách je využívána v anabolických procesech
  
• 
  buňka musí zachovávat rovnováhu mezi tvorbou ATP a jeho spotřebou, je¨li produkce ATP vysoká, je jeho přebytek použit pro anabolické - syntetické reakce (tvoří se látky potřebné pro růst a dělení buňky
  
• 
  při nedostatečné výživě je všechen vytvořený ATP použit k zachování života, za této situace syntetické reakce neprobíhají, buňky nerostou a nemnoží se
  
• 
  katabolismus ATP produkuje, anabolismus spotřebovává
  
• 
  proces přenosu energie z živin do ATP za předpokladu, že má buňka dostatečný přísun kyslíku, má tři fáze:
  

1. 
   v první fázi se vodík ze substrátu přenáší na koenzymy dehydrogenas, vznikají NADH a FADH a substráty se oxidují, cesta, kterou se anaerobně oxidují sacharidy, se nazývá glykolýza, tuky se aerobně oxidují tzv. β-oxidací
   
2. 
   ve druhé fázi se vodík z redukovaných koenzymů přenáší na kyslík a vzniká voda, tento aerobní proces se nazývá respirační (dýchací) řetězec
   
3. 
   třetí fázi tvorby ATP je tzv. oxidační (aerobní) fosforylace, při přenosu vodíku z redukovaných koenzymů až na kyslík se uvolňuje energie, která je využita k fosforylaci ADP na ATP
   

Respirační řetězec

• 
  přenos vodíku z redukovaných koenzymů na elementární kyslík probíhá stupňovitě „štafetou“ několika přenašečů v respiračním (dýchacím) řetězci
  
• 
  složky tohoto řetězce jsou uspořádány na mitochondriálních membránách buněk podle zvyšující se afinity k elektronům
  
• 
  prvním článkem je nikotinamidadenindinukleotid, v jeho struktuře je v této souvislosti důležitá nikotinamidová část, která vystupuje v oxidované (NAD⁺) i redukované formě (NADH)
  

• 
  flavoprotein (FAD) je enzym s prostetickou skupinou flavinového typu
  

oxidovaná forma FAD redukovaná forma FADH

• 
  cytochromy jsou hemoproteiny, které přinášejí elektrony, v neproteinové části jejich molekul je hemově vázané železo
  
• 
  jednotlivými složkami respiračního řetězce jsou proteiny, zabudované v membráně mitochondrie, nesoucí neproteinovou složku, která funguje jako přenašeč elektronů nebo vodíku
  
• 
  NAD⁺ přenáší atomy vodíku, na úrovni flavoproteinu se atomy vodíku odebrané substrátu štěpí na protony a elektrony
  
• 
  na úrovni konečného článku řetězce - cytochromoxidasy - se opět protony spojí s redukovaným kyslíkem na molekuly vody
  

Oxidační (aerobní) fosforylace

• 
  přenosem vodíku z redukovaných koenzymů až na kyslík respiračním řetězcem se uvolní energie
  
• 
  na každý pár elektronů, který projde respiračním řetězcem, tzn. na každou molekulu NADH, se uvolní tolik energie, že na třech místech může být fosforylováno ADP na ATP - oxidační (aerobní) fosforylace
  
• 
  resp. řetězec a oxidační fosf. jsou spojené (spřažené) procesy, probíhají na membráně mitochondrie, kde je lokalizován enzym katalyzující fosforylaci ADP na ATP
  
• 
  energie uvolněná přenosem vodíku a elektronů v respiračním řetězci je právě využita k tvorbě ATP: ADP + P ATP
  
• 
  energie „konzervovaná“ v molekulách ATP „pohání“ buněčné procesy, ATP se spotřebovává k práci chemické (syntéza látek), popř. osmotické (transport látek membránami) i k práci mechanické (stah svalů,…)