Buněčná respirace

1. 2009 Buněčná respirace

2. Průtok energie ekosystémem Mitochondrie používají organické produkty fotosyntézy jako paliva pro buněčnou respiraci; rovněž přitom spotřebovávají kyslík vytvořený fotosyntézou. Respirace mění energii organických látek na energii ATP. Odpadní produkty respirace, oxid uhličitý a voda, jsou výchozími látkami pro fotosyntézu, která probíhá v chloroplastech.

3. Průtok energie ekosystémem Hmota cirkuluje, energie disipuje

4. Průchod energie v ekosystému Chemické látky jsou tak v přírodě stále recyklovány. Avšak energie nikoli: do systému proudí jako sluneční energie a opouští jej jako teplo.

5. Redoxní reakce • ze všech možností, jak získat energii se buňky soustřeďují na redoxní reakce – při těchto reakcích se energie uvolňuje nebo spotřebovává při toku elektronů z jistých sloučenin na sloučeniny jiné • je zvláštní, že buňka neumí postavit tepelný stroj, jaderný reaktor ani sluneční baterii

6. Redoxní reakce • U mnoha chemických reakcí dochází k přenosu elektronů (e-) z jednoho reaktantu na druhý • tyto reakce se nazývají oxidačně - redukční reakce, neboli redoxní reakce. • Ztráta elektronů z jedné substance se nazývá oxidace • přidání elektronů jiné substanci se nazývá redukce • poněvadž pro přenos elektronů je požadován jak donor tak i akceptor, oxidace a redukce probíhají vždy spolu

7. Redoxní reakce • Redukční činidlo = látka elektrony poskytující • Oxidační činidlo = látka elektrony přijímající • Oxidace = odevzdávání elektronů • Redukce = příjímání elektronů

8. Redoxní reakce oxidace Na + Cl Na+ + Cl- redukce

9. Spalování metanu jako příklad redoxní reakce Ne u všech redoxních reakcí se jedná o kompletní přenos elektronů z jedné substance na druhou. Elektrony jsou u metanu i u O2 rozloženy rovnoměrně; protože však kyslík má větší elektronegativitu, metan je oxidován, kyslík je redukován a elektrony jsou blíže kyslíku.

10. Spalování metanu jako příklad redoxní reakce • K tomu, aby se elektron mohl odtrhnout od atomu, je potřeba dodat energii. Čím má atom větší elektronegativitu, tím více energie je třeba k odtržení elektronu. • Elektron ztrácí svou energii, pokud je odtržen od méně elektronegativního atomu k elektronegativnějšímu. • Redoxní reakce, jako je například spalování metanu, uvolňují chemickou energii, která může být využita k práci.

11. Energie potenciální a kinetická

12. Exergonické reakce= energie se uvolňujeElektrony „padají“ z organických molekul na kyslík během buněčné respirace oxidace C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O redukce Podobně jako při hoření metanu nebo spalování benzínu v autě, palivo, benzín, je oxidováno a kyslík se redukuje, a během těchto reakcí elektrony ztrácí svou potenciální energii.

13. Exergonické reakce= energie se uvolňujeElektrony „padají“ z organických molekul na kyslík během buněčné respirace oxidace C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O redukce Organické molekuly s mnoha atomy vodíku jsou obecně výborným „palivem“, neboť obsahují mnoho vysokoenergických elektronů. Sumární reakce respirace neukazuje, jak se statut elektronů mění, když je vodík přenášen na kyslík.

14. Aktivační energie Bariéra aktivační energie zabraňuje, aby se glukóza spontánně nespálila na vzduchu na oxid uhličitý a vodu.

15. Enzymy snižují aktivační energii

17. Exergonické reakce= energie se uvolňuje Štěpení glukózy je velmi exergonická reakce, ΔG = - 686 kcal (= - 2870 kJ) na 1 mol glukózy (asi 180g). Tato čísla platí pro laboratorní podmínky, v prostředí buňky je ΔG = - 720 kcal (= - 3012 kJ) na 1 mol glukózy Negativní ΔG znamená, že v produktech je méně energie než v reaktantech

18. Endergonické reakceenergie se spotřebovává

19. NAD+ působí jako přenašeč elektronů

20. NAD+ působí jako přenašeč elektronů Výbuch benzínové nádrže by nepřemístil auto příliš daleko. Ani buněčná respirace neoxiduje glukózu v jednom explozivním kroku, kde by se všechny vodíky přenesly na kyslík zároveň v stejné chvíli. Vodíky z glukózy nepřechází přímo na kyslík, ale na látku zvanou NAD+. NAD+ tedy působí jako oxidační činidlo.

21. NAD+ působí jako přenašeč elektronů Enzym dehydrogenáza přenese vždy dva vodíkové atomy z organické molekuly. Na NAD+ se ovšem přenesou sice oba elektrony, ale pouze jeden proton. Tím vznikne elektricky neutrální NADH. Když jsou elektrony přeneseny z cukru na NAD+, ztrácí jen velmi málo své energie.

22. Buněčná respirace spaluje organické látky v mnoha krocích De facto není příliš velký rozdíl mezi aerobní respirací a hořením klád v krbu… Reaktanty jsou totiž vždy různé cukry a kyslík a produktem je oxid uhličitý a voda, přičemž se uvolňuje energie

23. Buněčná respirace spaluje organické látky v mnoha krocích • Přenos elektronů z NADH na kyslík je exergonická reakce, při které je změna volné energie -53 kcal/mol (-222 kJ/mol) • místo toho, aby se tato energie uvolnila v jednom explozivním kroku, elektrony postupují z jedné přenašečové molekuly na druhou • v každém kroku ztrácí část své potenciální energie • posledním akceptorem elektronů je kyslík

24. Buněčná respirace spaluje organické látky v mnoha krocích Přenos elektronů v buněčné respiraci je možno zapsat takto: potrava NADH elektrontransportní řetězec kyslík

25. ATP je univerzální buněčné platidlo

26. ATP

27. Hydrolýza ATP Pracující svalová buňka spotřebuje každou vteřinu 10 000 000 molekul ATP.

28. Metabolismus=souhrn všech chemických reakcí v těle • Anabolismus = chemické reakce zajišťující výstavbu organismu, tvorbu jeho součástí • Katabolismus = chemické reakce zajišťující energii rozkladem komplexních molekul na jednodušší složky (tvorba ATP)

29. Metabolismus • Energie = schopnost (kapacita) konat práci • 1 Kcal = ohřev 1 l vody o 1 stupeň C

30. ATP

31. RespiraceC6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + ATP + teplo oxidace redukce

33. Etapy buněčné respirace 1. Glykolýza 2. Krebsův cyklus 3. Elektron – transportní řetězec a oxidativní fosforylace

34. Etapy buněčné respirace

35. Celkový výtěžek aerobní respirace

36. ATP může vzniknout dvěma způsoby:oxidační fosforylací a substrátovou fosforylací • Oxidační fosforylace odpovídá za vznik 90% ATP během procesů buněčné respirace • Substrátová fosforylace probíhá, když enzymy přenáší na ADP fosfátovou skupinu z jiné látky, tzv. substrátové molekuly • substrátovou molekulou může být např. organická molekuly vzniklá v katabolismu glukózy

37. Substrátová fosforylace

38. Glykolýza(= štěpení cukru) • Probíhá v cytoplazmě • rozštěpením šestiuhlíkaté glukózy vznikají dvě molekuly kyseliny pyrohroznové; nedochází k uvolnění oxidu uhličitého • glykolýza je sled deseti reakcí, katalyzovaných deseti enzymy

39. Glykolýza(= štěpení cukru) • glykolýza se dělí na dvě fáze: při prvních pěti krocích se spotřebují 2 molekuly ATP • při druhých pěti krocích vznikají 4 molekuly ATP a dvě molekuly NADH • celkový výtěžek glykolýza je tedy 2 molekuly ATP a dvě molekuly NADH • ATP vzniká substrátovou fosforylací • glykolýza probíhá bez ohledu na přítomnost nebo nepřítomnost kyslíku

40. Glykolýza probíhá v cytoplazmě

41. Celkový přehled glykolýzy

42. Glykolýza

47. Energetický výtěžek glykolýzy

48. Mitochondrie

49. Krebsův cyklus • Glykolýza uvolní méně než čtvrtinu energie obsažené v glukóze; většina energie zůstane v molekulách pyruvátu • za přítomnosti kyslíku může pyruvát proniknout do mitochondrií, kde je spálen až na oxid uhličitý

50. Konverze pyruvátu na acetyl CoA, spojení mezi glykolýzou a Krebsovým cyklem