Metabolismus. Fotosyntéza a buněčné dýchání

Metabolismus
autotrofní (litotrofní) C z CO2 dělení z hlediska způsobu získávání E: fotolitotrofní
o foto = světlo  E světla
o purpurové sirné a zelené sirné bakterie, sinice  rozdíly ve fotosyntéze: sinice (jako u rostlin) bakterie
donor H2: voda
donor H2: H2S, H2
barvivo: chlorofyl a
barvivo: bakteriochlorofyl
uvolňuje se O2
neuvolňuje se O2 chemolitotrofní
o objevil je Vinogradskij
o E získávají oxidací některých anorganických l. organickým O2
o nitrifikační bakterie:
 koloběh N v přírodě
 NH4+  NO2-  NO3-
o sirné bakterie:
 oxidují sirovodík n. S n. siřičitany na sírany
o vodíkové bakterie:
 H2  H2O
o methanové bakterie:
 oxidují CH4  CO2 + H2O
o železité bakterie:
 Fe2+  Fe3+
heterotrofní (organotrofní prokaryota) fotoorganotrofní (fotoheterotrofní)
o E ze slunečního záření
o C z jednoduchých org. látek (acetát,
pyruvát)
o purpurové sirné a zelené sirné bakterie chemoorganotrofní
o většina bakterií
o E oxidací org. látek
o kvašení
 odjímaní H2 bez přístupu O2
 mléčné, propionové, máselné, ethanolové
o anaerobní dýchání
 bez O2 (oxidace org. l. kyslíkem vázaným v anorg. sloučenině)
 denitrifikační bakterie NO3-  NO2-  N2
o aerobní dýchání
Prokaryota a jejich způsob výživy bakterie, sinice, archea příjem 2 důležitých látek
oodkud si berou C
ojakým způsobem
Maturitní témata z biologie
 O2 z atmosféry
 akceptorem O2 je H2  H2O
Fotosyntéza
=obrácený děj vůči biologické oxidaci (vzniká glukóza)
6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2
světlo, energie a chlorofyl
fotosyntetický aparát = chloroplast (palisádový a houbový
parenchym)
granum (grana) = sloupec tylakoidů
stroma=matečná hmota
granální X agranální chloroplast (s a bez gran)
pro fotosyntézu je nejdůležitější modré a červené světlo –
je pohlceno (zelené se odráží nebo prochází) → proto jsou
listy zelené
Barviva:
o chlorofyly (porfyrin a Mg) – zelená barviva
a) chlorofyl a – na 3C je CH3 skupina
b) chlorofyl b – na 3C je CHO skupina
o vyšší rostliny, zelené řasy: chlorofyly a, b
o hnědé řasy: chlorofyly a, c
o červené řasy: chlorofyly a, d
o bakterie: bakteriochlorofyly a, b
o jedině chlorofyl a transformuje světelnou energii na
chemickou
o ostatní pigmenty fotony
usměrňují k chlorofylu a
o další barviva:
o karotenoidy – žlutooranžové
o xantofyly
o karoteny
o fykobiliny
o fykoerytrin –
červenofialový
o fykocyanin – modrozelený
fotosystémy = jsou to jednotky v tylakoidní membráně, které „loví“ světlo (fotony)
Fotosystém I. (F. I.)
o foton je veden od
molekuly k molekule, až se
dostane na aktivní molekulu
chlorofylu, který je schopen
přijmout energii fotonu a
vybudit e- do excitovaného
stavu
o P700 = 700 → vlnová
délka do 700 nm
Fotosystém II. (F. II.)
1. fáze (světelná)
o primární procesy fotosyntézy, probíhá v tylakoidech
2. fáze (temnostní)
Maturitní témata z biologie
o sekundární procesy, probíhá ve stromatech chloroplastů
Primární procesy fotosyntézy:
1) Světelná reakce fotosystému I.
2 fotony → chlorofyl a I. → 2 e- → feredoxin → NAD+ → NADPH + H+ (první meziprodukt)
o cyklický děj, díky doplnění e- z chlorofylu a II.
2) Světelná reakce fotosystému II.
2 fotony → chlorofyl a II. → 2 e- → ADP + P → ATP (druhý meziprodukt)  2e- → chlorofyl a I. (doplní počet e-)
o vznik ATP = necyklická fotofosforylace
a) když je málo ATP
chlorofyl a I. → 2 e- → plastochinon →ATP
o cyklická fotofosforylace
b) fotolýza vody (Hillova reakce)
o rozklad vody účinkem světla
o je zdrojem uvolňovaného kyslíku
o poskytuje vodíkové ionty pro tvorbu redukčního činidla
o poskytuje elektrony pro fotosystém II
o rovnice reakcí:
 2 H2O 2 H+ + 2 OH-
 2 OH- – 2 e- H2O + ½ O2
Sekundární procesy fotosyntézy:
Calvinův cyklus neboli C3-cyklus (první stálé produkty, které při něm vznikají, obsahují 3 atomy uhlíku) se skládá ze 3 fází.
Karboxylace neboli fixace CO2, redukce a regenerace ribulóza-1,5-bisfosfátu. Navázání CO2 na ribulóza-1,5-bisfosfát je
katalyzováno enzymem Rubisco (ribulóza-1,5-bisfosfát-karboxyláza/oxygenáza). Touto reakcí vzniklý adiční produkt se štěpí na 2
molekuly 3-fosfoglycerátu. Ten se pomocí enzymu a NADPH redukuje na glyceraldehyd-3-fosfát. Vždy jedna molekula
glyceraldehyd-3-fosfátu ze 6 opouští cyklus a syntetizují se z ní další látky (sacharidy, škrob, bílkoviny atd.). Ze zbývajících pěti
molekul glyceraldehyd-3-fosfátu v regenerační fázi vznikají opět 3 molekuly ribulóza-5-fosfátu a jejich následnou fosforylací ATP
vznikají 3 molekuly ribulóza-1,5-bisfosfátu. Calvinův cyklus se tak uzavírá. Ze tří molekul ribulóza-1,5-bisfosfátu a tří molekul CO2,
vzniknou tři molekuly ribulóza-1,5-bisfosfátu a jedna molekula glyceraldehyd-3-fosfátu. C3-cyklus využívají především rostliny
mírného a chladných pásů, protože teplota v těchto oblastech není vysoká a fotorespirace nepřevládá nad fotosyntézou.
Rostliny, v nichž probíhá Hatch-Slackův cyklus neboli
C4-cyklus (vznikají látky se 4 atomy uhlíku), se
vyznačují charakteristickou anatomickou stavbou.
Obsahují mezofylové buňky (fixace CO2) a buňky
pochvy cévního svazku (uvolnění CO2 do Calvinova
cyklu). V chloroplastech mezofylových buněk chybí
enzym Rubisco a CO2 se váže tak, že HCO3
− reaguje
s fosfoenolpyruátem za vzniku oxalacetátu.
Oxalacetát je za pomoci enzymu
malátdehydrogenázy a NADPH redukován na
malát. Malát přechází do buněk pochvy cévního
svazku, kde je pomocí NADP+ oxidován na pyruát a
současně se uvolní CO2. Ten pokračuje do
Calvinova cyklu. Pyruvát se vrací do buněk
mezofylu, kde je za spotřeby ATP fosforylován na fosfoenolpyruát. C4
cyklus využívají především teplomilné rostliny, protože při zvýšené
teplotě se více uplatňuje fotorespirace, a tím klesá účinnost
fotosyntézy, proto koncentrují CO2 před tím, než vejde do Calvinova
cyklu.
Maturitní témata z biologie
CAM cyklus neboli Crassulacean Acid Metabolism (metabolismus kyselin u tučnolistých rostlin, u kterých byl tento cyklus
poprvé pozorován), je obměnou Hatch-Slackova cyklu. CO2 je v noci ukládán jako zásoba do vakuol a ve dne opětovně zpracován
Calvinovým cyklem. Tento cyklus využívají pouštní rostliny (např. sukulenty), které musí velmi šetřit vodou, a proto otevírají
průduchy jenom v noci, kdy vážou CO2 do malátu. Pro uložení zásoby CO2 potřebují velké množství fosfoenolpyruátu, který
získávají glykolytickým štěpením škrobu. Během dne se malát štěpí na CO2, který vstupuje do Calvinova cyklu, a na pyruát, ze
kterého se opět syntetizuje škrob. Takto provádějí CAM rostliny fotosyntézu s minimálními ztrátami vody.
Maturitní témata z biologie
Maturitní témata z biologie
Biologická oxidace (buněčné dýchání)
– dochází k oxidaci, při které vznikají chemické látky – organismus z ní bere en. (ATP)
– základem je glukóza, C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 2820 kJ
– 4 ETAPY:
1. GLYKOLÝZA
rozklad glukózy
anaerobní (bez přístupu vzduchu), v cytoplazmě buněk
složitý děj (12 meziproduktů)
2. AEROBNÍ DEKARBOXYLACE KYSELINY PYROHROZNOVÉ
(ODEBÍRÁNÍ CO2)
kys. pyrohroznová→ CO2 + acetyl-CoA + 2 NADH + H+ (3C
 1C + aktivovaná kys. octová (2C))
v mitochondriálním matrix
3. KREBSŮV CYKLUS (CYKLUS KYS. CITRONOVÉ, CITRÁTOVÝ CYKLUS)
Maturitní témata z biologie
v mitochondriálním matrix
4. OXIDACE V DÝCHACÍM ŘETĚZCI
řetězec přenašečů elektronů, kteří jsou umístěny u eukaryot na vnitřní membráně mitochondrií (u prokaryot
na cytoplazmatické membráně)
FADH2 → FAD (-
2H), NADH + H+ →
NAD+ (-2H)
vodík napojený na
koenzym se
odpojí a vstoupí do
dýchacího
řetězce
2H → 2H+ + 2e-
elektrony
přecházejí přes přenašeče „směrem dolů“, dochází
k uvolnění energie, která se naváže do ATP (oxidativní
fosforylace)
na konci oxidace se vodík oxiduje na vodu
2H+ + 2e- + ½ O2 → H2O
PŘEHLED CELKOVÉHO ENERGETICKÉHO VÝTĚŽKU
BIOLOGICKÉ OXIDACE