Maturitní okruhy z chemie

Metabolismus sacharidů

Odbourávání sacharidů

• 
  nejdůležitějším dodavatelem energie pro heterotrofy jsou sacharidy - jejich oxidací až na oxid uhličitý a vodu se u aerobů získává energie ve formě ATP
  
• 
  úplnou reakci glukosy vystihuje rovnice: C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ CO₂ + 6 H₂O
  
• 
  v aerobních buňkách lze tyto reakce rozdělit do tří stupňů
  

1. 
   Glykolýza - glukosa (C₆) pyruvát (C₃)
   
2. 
   Aerobní oxidace pyruvátu - pyruvát se oxiduje na acetylkoenzym A
   
3. 
   Citrátový cyklus - acetylkoenzym A se dále aerobně oxiduje až na oxid uhličitý a vodu
   

Glykolýza

• 
  enzymy, které katalyzují reakce glykolýzy, jsou lokalizovány v cytoplazmě buněk
  
• 
  glykolýza začíná fosforylací molekuly glukosy (polysacharidy se na glukosu nejprve štěpí postupně až na difosfohexosu - na to se spotřebují dvě molekuly ATP
  
• 
  difosfohexosa se štěpí na dvě molekuly triofosfátu - při jejich přeměně na molekuly pyruvátu se uvolněným fosfátem fosforylují dvě molekuly ADP na ATP a uvolní se dva atomy vodíku, které redukují dvě molekuly NAD⁺
  
• 
  má-li buňka dostatek kyslíku, pyruvát přechází z cytoplazmy do mitochondrie a oxiduje se na acetylkoenzym A - katalyzováno komplexem enzymů - dekarboxylace pyruvátu
  

pyruvát koenzym A acetylkoenzym A

Citrátový (Krebsův) cyklus

• 
  označení pro sled reakcí, jimiž se acetyl CoA (který vznikl např. z glukosy mění na oxid uhličitý a vodu
  
• 
  enzymy, které katalyzují reakce citrátového cyklu, jsou lokalizovány v mitochondriích, současně se tvoří ATP a redukované koenzymy
  

1. 
   acetylkoenzym A (C₂) a oxalacetát (C₄) spolu reagují za vzniku citrátu (C₆)
   
2. 
   molekula citrátu se zkrátí o dva atomy uhlíku a ty jsou oxidovány až na oxid uhličitý
   
3. 
   nakonec se opět obnoví oxalacetát (C₄) a do cyklu může vstoupit další molekula acetyl koenzymu A (C₂)
   

• 
  oxidací jedné molekuly acetylkoenzymu A tedy vzniknou dvě molekuly CO₂
  
• 
  současně se tvoří jedna molekula ATP a čtyři molekuly redukovaných koenzymů (3 NADH a 1 FADH)
  
• 
  redukované koenzymy mohou být reodixovány v dýchacím řetězci, který je také lokalizován v mitochondriích, a tak poskytnout další molekuly ATP
  
• 
  celkem se odbouráním jedné molekuly glukosy glykolýzou a citrátovým cyklem získá 38 molekul ATP
  

Kvašení (fermentace)

• 
  nemá-li buňka přísun kyslíku, nemohou být redukované koenzymy (NADH, FADH) oxidovány reakcemi dýchacího řetězce, protože chybí konečný akceptor elektronů - kyslík
  
• 
  za těchto podmínek se zcela zastaví reakce respiračního řetězce, hromadí se redukované koenzymy a zastaví se i reakce citrátového cyklu, protože i ty potřebují koenzym v oxidovaném stavu
  
• 
  jediný způsob, jak může za nedostatku kyslíku vznikat ATP, je glykolýza, při níž je glukosa odbourávána anaerobně na pyruvát, obnovu oxidovaného NAD⁺ zajišťuje reakce: CH₃COCOO^- + NADH + H⁺ CH₃CHOHCOO^- + NAD⁺
  

pyruvát laktát

• 
  tento děj, ve kterém se glukosa odbourává na laktát (kyselinu mléčnou) se nazývá mléčné kvašení
  
• 
  reakce zajišťuje reoxidaci redukovaných koenzymů, oxidované koenzymy jsou potřebné pro reakce glykolýzy
  
• 
  z glukosy přitom vzniká tříuhlíkatá sloučenina, která obsahuje ještě značnou část za těchto podmínek nevyužitelné energie
  
• 
  zatímco za přístupu kyslíku při odbourání jedné molekuly glukosy vznikne 38 molekul ATP, při mléčném kvašení připadají na jednu molekulu glukosy pouze 2 molekuly ATP
  
• 
  konečným produktem štěpení glukosy bez přístupu kyslíku nemusí být vždy laktát, např. kvasinky za anaerobních podmínek nejprve odštěpují CO₂ z pyruvátu, tak vznikne acetaldehyd a ten je teprve redukován NADH, konečným produktem těchto reakcí je ethanol - ethanolové kvašení:
  

pyruvát acetaldehyd ethanol

glukosa nebo jiné sacharidy, které nejsou okamžitě využity jako zdroj energie, se v organismu ukládají ve formě polysacharidů - glykogenu u živočichů a škrobu u rostlin

Regulace metabolismu

• 
  regulace metabolismu = vzájemná vyváženost rychlostí biochemických reakcí v závislosti na podmínkách vnitřního a vnějšího prostředí
  
• 
  regulátory chem. procesů v buňkách vyšších organismů jsou hormony - když hormon dospěje k cílové buňce, váže se na specifické bílkoviny na jejím povrchu - receptory
  
• 
  např. komplex receptor-hormon aktivuje enzym adenylátcyklasu, který je na vnitřní straně buněčné membrány, tento enzym katalyzuje tvorbu cyklického adenosinmonofosfátu (cAMP) z ATP, cyklický AMP pak funguje jako alosterický efektor (aktivátor nebo inhibitor) některých enzymů, které se již přímo účastní metabolismu uvnitř buňky
  
• 
  hormon je v tomto smyslu označován jako první zprostředkovatel (messenger) a cAMP jako druhý zprostředkovatel
  

Metabolismus lipidů

Funkce lipidů

• 
  lipidy tvoří základní stavební jednotky buněčných membrán, jsou i vydatným zdrojem energie
  
• 
  podle funkce v organismu se dělí na dvě skupiny:
  
  • 
    zásobní (depotní) lipidy - hromadí se v tukových tkáních, obklopují některé důležité orgány - mají tedy navíc i funkci ochrannou - ochrana proti nárazu nebo proti chladu, chemicky to jsou acylglyceroly, většinou triacylglyceroly, v menší míře diacylglyceroly nebo monoacylglyceroly (glyceridy)
    
  • 
    tkáňové (pracovní) lipidy - jsou stavební složkou buněčných membrán, chemicky jde většinou o lipidy složené, především fosfolipidy a glykolipidy
    

Mobilizace lipidů

• 
  potřebuje-li organismus energii, vždy využije nejprve sacharidy - mozek nebo svaly
  
• 
  ještě dříve, než je glykogen úplně vyčerpán, začnou se v některých orgánech (zvláště v játrech nebo klidových svalech) štěpit lipidy
  
• 
  zbytek glykogenu je rezervován pro nervovou tkáň, která vyžaduje konstantní přísun glukosy
  
• 
  štěpení lipidů podobně jako štěpení glukosy je stimulováno hormonem adrenalinem z dřeně nadledvinek (první zprostředkovatel) - ten v tukových tkáních stimuluje (podněcuje) tvorbu cAMP (druhý zprostředkovatel), který funguje jako alosterický aktivátor enzymu lipasy
  
• 
  lipasa - enzym katalyzující štěpení tuků na mastné kyseliny a glycerol
  

triacylglycerol glycerol mastné kyseliny

Oxidace mastných kyselin

• 
  mastné kyseliny jsou oxidovány v mitochondriích, dostanou se tam je vázané na koenzym A - ve formě acylkoenzymu A (reakce vyžaduje jednu molekulu ATP):
  

R-COOH + HS-CoA R-CO-S-CoA + H₂O

• 
  v mitochondriích jsou mastné kyseliny odbourávány aerobním procesem - β-oxidace
  
• 
  dvěma postupnými oxidacemi (dehydrogenacemi) je z acylkoenzymu A odštěpena molekula acetylkoenzymu A (C₂) a zbude acylkoenzym A, jehož acyl je o dva uhlíkové atomy kratší, ten opět vstoupí do cyklu
  
• 
  cyklus β-oxidace se opakuje tak dlouho, dokud není molekula mastné kyseliny úplně rozštěpena na dvouuhlíkaté štěpy - acetyl-CoA
  
• 
  proces odbourávání mastných kyselin se nazývá Lynenova spirála
  
• 
  kromě molekul acetyl-CoA vznikají odbouráváním mastné kyseliny redukované koenzymy
  
• 
  za aerobních podmínek je acetyl-CoA oxidován dále v citrátovém cyklu na CO₂ a H₂O stejně jako acetyl-CoA vzniklý degradací sacharidů
  
• 
  redukované koenzymy pak ještě předají vodík reakcemi respir. řetězce až na kyslík
  
• 
  například rozštěpením jedné molekuly kys. palmitové (C₁₆) na oxid uhličitý a vodu se uvolní 129 molekul ATP
  

Syntéza mastných kyselin

• 
  odbourávání i syntéza mastných kyselin probíhají spirálovitě, ale nejde o protichůdné procesy, jsou katalyzovány různými enzymy a lokalizovány na různých místech v buňce - syntéza v cytoplazmě, oxidace v mitochondriích
  
• 
  syntéza vyžaduje značný přísun energie ve formě ATP a redukovaných koenzymů
  
• 
  syntézu kys. palmitové lze vyjádřit celkovou rovnicí:
  

8 CH₃CO-S-CoA + 7 ATP + 14 NADPH + H₂O H₃(CH₂)₁₄COOH + 8 CoA-SH + 14 NADP⁺ + 7 P

• 
  vznikající mastné kys. jsou vestavěny do tuků a olejů (acylglycerolů) a skladují se v tukových tkáních
  
• 
  lipidy jsou „koncentrovanější“ formou skladování energie ve srovnání se sacharidy
  

Vztah metabolismu lipidů a sacharidů

• 
  lipidy i sacharidy jsou odbourávány na acetyl-CoA, který je klíčovou sloučeninou v metabolismu těchto látek
  
• 
  vzniklý acetyl-CoA může být dále metabolizován několika cestami - v citrátovém cyklu a dýchacím řetězci může být oxidován na CO₂ a H₂O když buňka potřebuje energii
  
• 
  acetyl-CoA může být využit též jako stavební jednotka pro syntézu mastných kyselin
  
• 
  jestliže má organismus dostatek sacharidů i energie, mohou se ze sach. tvořit i lipidy