Chemické deje v živých sústavach a základy metabolizmu

Živé sústavy sú zložené z rovnakých prvkov ako neživé. Rozdiel je však v ich zastúpení.
Prvky nevyhnutné pre stavbu a funkciu živých sústav sa volajú biogénne. Základné biogénne prvky sú uhlík, dusík, kyslík, vodík a fosfor. Všetky sa nachádzajú takmer výlučne v zlúčeninách. Chemické deje prebiehajúce v živých sústavach sa riadia rovnakými chem. zákonmi ako v neživých- rozdiel medzi živými a neživými sústavami je v zložitej organizovanosti živých sústav v priestore a čase.
Základné spoločné charakteristiky živých sústav:
1. rovnaký chem. základ z prír. látok: lipidy, sacharidy, proteíny, nukleové kyseliny, minerály a voda
2. enzýmový charakter prebiehajúcich dejov.
3. neustála výmena látok s prostredím (organizmy sú zložité otvorené sústavy).
4. neustála premena látok.
5. dráždivosť
6. rozmnožovanie. Metabolické dráhy.

Medzi charakteristiky živých sústav patrí aj neustála premena látok. Zahŕňa syntézu zložitých látok a ich rozklad chem. reakciami. Všetky chem. reakcie organizmu tvoria jeho metabolizmus. Tieto reakcie často na seba nadväzujú a vytvárajú metabolické dráhy, u kt. je produkt jednej substrátom pre ďalšiu. Rozlišujeme 3 druhy metabolických dráh:

1. Anabolické (syntetické, asimilačné)- zahŕňajú syntézu zložitých látok z látok jednoduchých, pričom sa spotrebúva energia- majú endergonický charakter.
2. Katabolické (rozkladné, disimilačné)- rozklad zložitých látok na látky jednoduché, pričom sa uvoľňuje energia a majú exergonický charakter. Z tohto hľadiska sú dôležité predovšetkým oxidačno- redukčné reakcie.
3. Amfibolické- zahŕňajú aj syntézu aj rozklad.

Oxidačno- redukčné reakcie.

Oxidačno- redukčné reakcie prebiehajú u živých sústav s rovnakým princípom ako u neživých, narozdiel od nich sú však katalyzované enzýmami triedy oxidoreduktáz. V podstate ide o hydrogenáciu a dehydrogenáciu substrátov. Oxidoreduktázy su špecifické enzýmy, ktoré majú okrem bielkovinovej zložky aj zložku nebielkovinovú, ktorá plní funkciu prenášača protónov a elektrónov. Najčastejšie sú prenášačmi kofaktory NAD+ (nikotínamidadeníndinukleotid) a FAD (flavínadeníndinukleotid). Pri oxidácii substrátov substrát oxidujú, pričom sa samy redukujú. Oxidácia môže prebiehať buď aeróbne (za prít. kyslíka), alebo anaeróbne (za neprít. kyslíka).

Energetika organizmu.

Organizmus získava energiu oxidačným štiepením živín (potravy). Tento proces sa rozdeľuje do štyroch stupňov:

1.

V žalúdku a v tenkom čreve sa živiny rozložia na jednoduché molekuly: aminokyseliny, sacharidy, glycerol, mastné kyseliny.
2. V bunke sa tieto molekuly ďalej štiepia na jednoduché zlúčeniny s acetylovými skupinami
CH3-CO-. Acetylové skupiny sa viažu na tzv. koenzým A a vzniká komplex acetylkoenzým A (AcKoA). 3. V tzv. Krebbsovom (citrátovom) cykle sa viacerými následnými reakciami acetylové skupiny z AcKoA oxidujú na 2 molekuly CO2. Zároveň dochádza k redukcii kofaktorov NAD+ a FAD na NADH a FADH2.
4. Redukované kofaktory vstupujú do dýchacieho reťazca, kde odovzdávajú elektróny. Energia, ktorá sa pritom uvoľní, sa uloží do ATP (kys. adenosyntrifosforečná, adenosyntrifosfát- energeticky veľmi bohatá zlúčenina, ktorá slúži ako akútny zdroj a uchovávateľ energie, má tzv. makroergické väzby s potenciálnou energiou až 50 kJ).

Tretí a štvrtý stupeň prebiehajú v mitochondriách.

Mitochondrie.

Sú to organely u eukaryotických buniek. Sú obalené dvoma membránami. Vonkajšia membrána je hladká, vnútorná vytvára smerom dovnútra nepravidelné výbežky, zvané kristy.
Vnútro mitochondrií vypĺňa tzv. matrix, medzi membránami sa nachádza tzv. medzimembránový priestor.

Krebbsov (citrátový) cyklus.

(Veľmi zjednodušene, číslo určuje poradie reakcie.)


kys. oxáloctová + acetyly z AcKoA (1)>> kys. citrónová (2)>> kys. izocitrónová (redukcia

NAD+ na NADH) (3) >> kys. 2-oxo-glutárová (redukcia NAD+ na NADH) (4) >> sukcinylkoenzým A

(fosforylácia GDP- guanosyndifosfátu na GTP- guanosyntrifosfát) (5) >> kys. jantárová

(redukcia FAD na FADH2) (6) >> kys. fumárová (trans- izomér kys. maleínovej) (7) >> kys. jablčná (redukcia NAD+ na NADH) (8) >> kys. oxáloctová.


Krebbsov cyklus je spoločnou metabolickou dráhou pre rozklad všetkých živín. Je priamo spojený s dýchacím reťazcom a tvorbou ATP. Pozostáva z 8 po sebe idúcich reakcií, pričom produkt poslednej reakcie (kys. oxaloctová) je zároveň substrátom pre štartujúcu reakciu.
Acetylové skupiny sa v jeho priebehu dehydrogenujú a menia na oxid uhličitý. Citrátový cyklus delíme na 2 fázy:

1. Dekarboxylácia a dehydrogenácia kys. citrónovej na kys. 2- oxo- glutárovú. 2. Dekarboxylácia a dehydrogenácia kys. 2- oxo- glutárovej na kys. oxáloctovú. Druhou fázou sa cyklus uzavrie a kys. oxáloctová sa stáva substrátom pre štart. reakciu.
Energia získaná Krebbsovým cyklom sa nevyužíva na tvorbu ATP, ale na redukciu kofaktorov.

Dýchací reťazec.

Dýchací reťazec umožňuje oxidáciu redukovaných kofaktorov.

Elektróny z redukovaných kofaktorov sú prenášané na kyslík, prijímaný dýchaním a prenášaný hemoglobínom v krvi.
Kyslík sa mení na anión a vodík na katión, pričom tieto dva ióny sa zlúčia a vznikne voda. Pritom sa uvoľní energia porebná na tvorbu ATP.
Kebyže sa preniesli elektróny na kyslík rýchlo, v bunke by vzniklo v krátkom okamihu veľa energie, ktorú by nedokázala zachytiť a zužitkovať. Prenos elektrónov sa preto delí na niekoľko stupňov.
Stupňovitý priebeh zlučovania vodíka s kyslíkom je zabezp. prechodom elektrónov cez systém oxidoreduktáz, ktoré sú zoradené podľa stúpajúceho redox- potenciálu. V tomto systéme je systém redukovaný predchádzajúcim systémom a zároveň redukuje nasledujúci systém, čiže sa sám oxiduje.
Oxidoreduktázy dýchacieho reťazca živočíchov sa delia do štyroch enzýmových komplexov (NADH-Q-oxidoredukáza, FADH-oxidoreduktáza, cytochrómreduktáza a cytochrómoxidáza) a pohyblivých prenášačov (cytochróm c a ubichinón).

Oxidačná fosforylácia.

Je to proces, pri ktorom sa tvorí ATP presunom elektrónov z red. kofaktorov na kyslík.
Oxidáciou NADH získame 3 mol. ATP, FADH2 získame 2 mol. ATP.

Chemiosmotická teória- hovorí, že vnútorná membrána mitochondrií je pre elektróny nepriepustná. Preto pri oxidácii kofaktorov dochádza k hromadeniu elektrónov v medzimembránovom priestore a dochádza presunu elektrónov z mitochondrií do cytoplazmy.
Následne vzniká tzv. koncentračný gradient protónov, kt. je zdrojom pre tvorbu ATP.