1

I. Metabolismus a bioenergetika

1. Buňky neustále přeměňují hmotu a energii z jedné formy na druhou, aby tak získaly vše, co

potřebují pro život. Příjem energie umožňuje buňkám udržet si svou organizaci a vytvářet nové

molekuly. Buňky si totiž dovedou energii zachytit z oxidačních reakcí a uskladňovat ve formě živin,

které v případě potřeby rozloží a získají si z nich energii nazpět.

V buňce enzymy katalyzují oxidaci cestou malých kroků, v nichž se volná energie přenáší

v přiměřeně velkých dávkách ve spřažených reakcích na přenašečové molekuly (NADH, ATP)

(V praxi dochází k rozložení vazeb C-C, oxidace atomů C, zachycení energie z postupné oxidace ve

formě ATP). Existuje několik chemických drah (sad reakcí) používaných pro komplexní oxidaci

glukózy na CO2 a H2O. Všechny jednotlivé reakce jsou katalyzovány (urychlovány) proteinovými

enzymy. O těchto reakcích budeme hovořit pouze velmi zjednodušeně.

Využitelnost energie z glukózy v buňce:

C6H12O6 + 6 O2 ============> 6 CO2 + 6 H2O

G’ = - 686 kcal/mol (2870 kJ/mol)

( Gzměna volné - Gibbsovy energie,)

ADP + Pi ===> ATP + H2O

G’ = + 7.3 kcal/mol (+ 30.5 kJ/mol)

– Při 100 % účinnosti, by mohla buňka vytvořit 94 molekul ATP, ale popíralo by to veškeré zákony, pracuje jen s účinností amaximálně 40 %, odpovídá to 38 molekulám ATP.

– Až 38 molekul ATP může vzniknout na 1 molekulu glukosy oxidované za podmínek ve většině buněk ca. 277 kcal/mol = 40%

– ATP z buňky jen tak neodchází, zůstává tam. Každá buňka si musí své ATP vytvořit sama, musí být soběstačná. Jakmile si buňka ATP jednou vytvoří, tak už jen tak nezmizí, protože má takovou strukturu a náboj že mu to zamezuje uniknutí z buňky. Trifosfát je energeticky mnohem bohatší než difosfát, protože jsou tam čtyři záporně nabité O- . Je to sice malá molekula, ale dost komplexní na to aby mohla fungovat s enzymem.

2

2. Oxidace a redukce - Oxidace se týká odstranění elektronů a redukce (obrácená oxidace) se týká

přidání elektronů. Protože počet elektronů je v chemické reakci zachován - k oxidaci a redukci

dochází vždy současně. V organismech probíhá oxidace vysoce energetických substrátů a jejich

rozkladu na CO2 a vodu, čímž se uvolní teplo nebo energie ve formě vzniku ATP. Buňky se pak

zbavují protonů.

3. Metabolismus je souhrn chemických reakcí udržujících životní pochody v organismech. Tři

hlavní účely metabolismu jsou: (a) přeměna potravy na energii ke spuštění buněčných procesů; (b)

přeměna potravy jako zdroje pro stavbu bílkovin, lipidů, nukleových kyselin a některých sacharidů;

(c) eliminaci metabolických odpadů.

4. Metabolické reakce mohou být spřaženy tak, že energie uvolněná z katabolické reakce může být

použita k pohonu reakce anabolické.

Na obrázku je znázorněno spřažení

dvou reakcí – kdy energie uvolněná

oxidací molekuly 1 je použita pro

redukci molekuly 2 prostřednictvím

přenašeče elektronů NADPH

5. Metabolické změny se skládají z malých dílčích krůčků, z nich každý je tvořen jednou

chemickou reakcí. Několik reakcí v sérii vytváří metabolickou dráhu. Metabolická dráha je tedy

uspořádaná série enzymaticky řízených reakcí, kdy produkt jedné reakce je substrátem pro reakci

další (A → B → C → D → E). Dráhy nemusí být vždy lineární, mohou se sbíhat, rozbíhat nebo

probíhat cyklicky:

Tři typy nelineárních metabolických drah: (a) Konvergující, katabolické; (b) rozbíhavé,

anabolické; a (c) cyklické, ve které se jeden z výchozích materiálů (v tomto případě oxalacetát)

regeneruje a vrátí se do dráhy. Acetyl-CoA, klíčový metabolický meziprodukt, (a) je produktem

rozkladu různých živin, (b) který slouží jako prekurzor pro řadu produktů a (c) je spotřebován v

katabolické dráze známé jako cyklus kyseliny citrónové.

3

6. Metabolické dráhy jsou obecně dvou typů: (a) Katabolické dráhy = Metabolické dráhy,

které uvolňují energii rozkladem komplexních molekul na jednodušší sloučeniny (např.

buněčné dýchání, které degraduje glukózu na oxid uhličitý a vodu a poskytuje energii pro

práci, kterou buňka vykonává). (b) Anabolické dráhy = Metabolické dráhy, které

spotřebovávají energii výstavbou složitých molekul z molekul jednodušších (např.

fotosyntéza, která syntetizuje glukózu z CO2 a H2O, případně jakákoliv syntéza

makromolekul z jejich monomerů). V buňce mohou zároveň probíhat stovky různých

katabolických a anabolických reakcí.

7. Enzymy - jsou molekuly bílkovin v buňkách, které fungují jako biologické katalyzátory. Enzymy

urychlují chemické reakce v těle, ale při procesu se nevyčerpávají, a proto je lze používat znovu a

znovu.

4

Enzym nemění změnu volné energie, ale mění pravděpodobnost,

že k reakci dojde (= aktivační energie)

- Snižuje aktivační energii

– Např. natočí substrát, takže, proběhne mnohem rychleji.

– Enzym má vysokou specifitu interakce se substrátem

Samotné enzymynemohou pohánět endergonické reakce

kupředu; enzym však může spojit skutečně endergonickou

reakci s reakcí exergonickou, aby také celková reakce byla

exergonická.

8. Studium základních reakčních procesů spojených s produkcí a použitím energie se nazývá

bioenergetika. V této oblasti studia byly vyvinuty bioenergetické principy, které umožňují vědcům

zkoumat energii na mikroskopické úrovni.

9. Podle druhé věty termodynamiky musí množství neuspořádanosti (= entropie) ve vesmíru

neustále vzrůstat. Tento zákon platí i pro živé systémy – viz obrázek dole:

Na obrázku buňka využila uskladněnou energii z živin, aby provedla nespontánní reakci a uvolnila

teplo, které, uspořádalo molekuly obsažené v buňce. V buňce se však zachytí jen část uvolněného

tepla, zbytek unikne, což zároveň zvyšuje neuspořádanost v okolí buňky (znázorněno klikatými

šipkami a deformovanými molekulami - tepelný pohyb), a tak dojde k celkovému zvýšení entropie.

Entropie ve vesmíru tedy pokračuje v růstu v souladu s druhou větou termodynamiky.

10. Můžeme zjišťovat, jestli bude chemická reakce probíhat samovolně nebo nesamovolně podle

změny volné (Gibbsovy) energie (ΔG), která vznikne při přeměně reaktantů na produkty. Je to

veličina, která dává do vztahu entropii a teplo a tím umožňuje hodnotit reakce podle druhého

zákona termodynamiky. Změnu volné energie (ΔG) dané reakce lze určit odečtením volné energie

reaktantů od volné energie produktů – informuje nás o tom, kterým směrem reakce poběží.

ΔG = Gproduktů – Greaktantů

5

11. Gibbsova energie (G) je tedy vnitřní energie přítomná v molekule. Reakce, které produkují

energii, mají hodnotu ΔG zápornou a jsou spontánní.

ΔG0 Produkty se samovolně měňí na substráty

ΔG=0 Reakce je v rovnováze, žádný čistý přírůstek produktů ani substrátů

Reakce, které vyžadují energii, mají kladnou hodnotu ΔG a nejsou samovolné

Samovolnost nesouvisí s rychlostí – samovolné reakce mohou být hodně rychlé i velmi pomalé.

Platí, že se (a) volné energie se sčítají, (b) násobí se počtem reakcí, (c) volné energie reakcí

v opačném směru mají stejnou hodnotu, ale opačné znaménko (d), změna volné energie reakcí v

cyklickém procesu se rovná 0.

12. Podmínky, ve kterých reakce probíhá, mohou hodnotu ΔG měnit („Ideální“ neboli standardní

ΔG se označuje jako ΔG°). Vztah mezi standardní ΔG a rovnovážnou konstantou:

13. Jak je zřejmé z předchozího vztahu

hodnotu ΔG silně ovlivňuje kromě

teploty i poměr koncentrací produktu

k substrátu.

ΔG° je taková změna volné energie,

která by provázela úplnou přeměnu

všech reaktantů, původně přítomných

ve svých standardních stavech na

produkty ve standardních stavech. ΔG

je volná energie pro ostatní

koncentrace a tlaky.

14. V rovnovážném stavu je ΔG = 0, takže systém nemůže vykonávat žádnou práci.

• Protože jsou mnohé metabolické reakce reverzibilní, mají potenciál dosáhnout rovnováhy.

• V buňce jsou tyto potenciálně reverzibilní reakce vychylovány od rovnováhy záměrně,

protože produkty jedněch reakcí jsou zároveň reaktanty pro další reakci v metabolické dráze.

• Metabolická nerovnováha je životní nutnost, buňka v rovnováze, je mrtvá buňka.

• Například, během buněčného dýchání probíhá stabilní přívod reaktantů s vysokou energií,

jako glukóza, a zároveň odstraňování produktů s nízkým obsahem energie, jako jsou CO2 a H2O.

Tím se udržuje nerovnováha nezbytná pro to, aby mohla pokračovat respirace.

ΔG = ΔG° - RT ln [B]

[A] = ΔG° - RT ln K

6

II. Energetická přeměna živin

Produkce ATP z metabolismu živin. Aminokyseliny, monosacharidy a mastné kyseliny se vyrábějí

z metabolismu bílkovin, sacharidů a tuků, ze kterých se získává pyruvát a / nebo acetyl-CoA, které

jsou zase obecně metabolizovány v Krebsově cyklu a oxidačním řetězci.

(A) Glykolýza a jejích 10 kroků

Glykolýza (z řeckého glykos, sladký a lysis, rozpad) je metabolická dráha přeměny glukózy na dvě

molekuly pyruvátu za čistého výtěžku dvou molekul ATP a dvou molekul NADH. Probíhá v

cytosolu buněk.

Skládá se z deseti kroků, každý z nich katalyzuje jiný enzym:

1. fosforylace glukózy v poloze 6 hexokinázou,

2. přeměnu glukóza-6-fosfátu na fruktosa-6-fosfát fosfogluko-isomerázou,

3. fosforylaci fruktózo-6-fosfátu na 1,6-bisfosfát fosfofruktokinázou,

4. štěpení fruktozo-l, 6-bisfosfátu aldolázou. Tak se získají dva tříuhlíkaté produkty,

dihydroxyaceton fosfát a glyceraldehyd-3-fosfát

5. izomerace dihydroxyaceton fosfátu na druhou molekulu glyceraldehyd-3-fosfátu pomocí

triozofosfát izomerázy, (odteď reakce probíhají zdvojeně)

6. dehydrogenace a doprovodná fosforylace glyceraldehyd-3-fosfátu na 1,3-bis-fosfoglycerát

glyceraldehyd-3-fosfát dehydrogenázou, za vzniku NADH z NAD+

7. přenos 1-fosfátové skupiny z 1,3-bis-fosfoglycerátu na ADP fosfoglycerátkinázou, která

poskytuje ATP a 3-fosfoglycerát,

8. izomerizace 3-fosfoglycerátu na 2-fosfoglycerát fosfoglycerátmutázou,

9. dehydrataci 2-fosfoglycerátu na fosfoenolpyruvát enolázou a nakonec

10. přenos fosfátové skupiny z fosfoenolpyruvátu na ADP pyruvátkinázou za vzniku druhé

molekuly ATP.

7

Jinými slovy U glykolýzy začínáme se 6 uhlíky, dojde ke 2 fosforylacím, štěpení na 2 trojuhlíkaté molekuly - čistý zisk na 6 uhlíků jsou 2 ATP, 1 NADH

Většina pyruvátu vyrobeného v kroku 10 podléhá oxidativní degradaci v mitochondriích. Jedenáctá

reakce, katalyzovaná laktátdehydrogenázou, se většinou vyskytuje za anaerobních podmínek, nebo

v buňkách, které nemají mitochondrie, a proto zcela postrádají schopnost oxidativně degradovat

pyruvát. To se týká červených krvinek a trombocytů. Lymfocyty, které mají mitochondrie, zřejmě

spoléhají také na anaerobní glykolýzu.

(B) Pyruvát (cesta do Krebsova cyklu) je konečný produkt glykolýzy, hlavní substrát pro oxidativní

metabolismus a bod větvení pro syntézu glukózy, laktátu, mastných kyselin a aminokyselin.

Mitochondriální enzymy, které metabolizují pyruvát, jsou fyzicky odděleny od cytosolických

pyruvátových poolů a spoléhají na membránový transportní systém pro kyvadlovou dopravu

pyruvátu přes nepropustnou vnitřní mitochondriální membránu (IMM).

Tvorba kyseliny mléčné Při tělesné námaze není čas oxidovat na AcetylCoA, takže vzniká laktát. Když se pak napijeme

z AcetylCoA jsme schopni vytvořit tuky - takže i z ethanolu se dá ztloustnout Fermentace Bez přístupu kyslíku nemůže mitochondrie využít energii NADH Buňka se musí NADH zbavit, jinak se systém inhibuje

➢ Pyruvát → Laktát u živočichů

➢ Pyruvát →Ethanol a CO2 u rostlin, kvasnic,

(C) Úloha mitochondrií

Kroky energetické přeměny živin. Glykolýza

probíhá v cytoplazmě, Krebsův cyklus v

mitochondriální matrix a elektronový transportní

řetězec (ETC) je umístěn ve vnitřní

mitochondriální membráně.

Pyruvát vstupuje do mitochondrií, kde je

dekarboxylován za vzniku acetyl-CoA a CO2

(ireverzibilní reakce). Acetyl-CoA pak vstupuje do KC.

8

(D) Krebsův cyklus (též citrátový cyklus, cyklus kyseliny citronové, cyklus trikarboxylových

kyselin) je společnou metabolickou dráhou sacharidů, lipidů a proteinů. Probíhá v mitochondriální

matrix eukaryot, nebo v cytoplazmě prokaryot. Zahrnuje několik dílčích reakcí, při nichž probíhají

hlavně dehydrogenace a dekarboxylace. Krebsův cyklus je spřažen s dýchacím řetězcem a probíhá

pouze ve spojení s tímto řetězcem. Krebsovým cyklem a následným dýchacím řetězcem se

produkuje cca 98 % v organismu využitelné energie.

V Krebsově cyklu proběhnou 4 oxidační kroky

pomocí enzymů dehydrogenáz – vždycky odnímají 2

elektrony, vytvářejí 3×NADH a jednou FADH2.

Taky se dvakrát zbavujeme CO2.

Krebsův cyklus je regulován svými vlastními

produkty. Citrát navíc rovněž brzdí glykolýzu inhibicí

PFK (6-fosfofrukto-1-kináza).

Rozklad glukózy glykolýzou a navazující Krebsův

cyklus tedy postupně zachycují energii získanou

katabolismem a vytvářejí redukované molekuly

NADH a FADH2 sloužící jako přenášeče elektronů.

Do Krebsova cyklu vstupují i produkty odbourávání dalších živin.

9

(E) Dýchací řetězec - je tvořen systémem oxidoreduktáz a mobilních přenašečů elektronů nebo

iontů vodíku na vnitřní membráně mitochondrie. V mitochondriální vnitřní membráně prochází

vysokoenergetické elektrony z NADH a FADH2 elektronovým transportním řetězcem na kyslík,

který je redukován na vodu. Transportní řetězec elektronů zahrnuje enzymatickou řadu dárců a

akceptorů elektronů. Každý dárce elektronů předá elektrony k elektronegativnějšímu akceptoru,

který zase tyto elektrony daruje jinému akceptoru, což je proces, který pokračuje v sérii, dokud

nejsou elektrony předány kyslíku, což je nejvíce elektronegativní a terminální elektronový akceptor

v řetězci. Průchod elektronů mezi dárcem a akceptorem uvolňuje energii, která se používá k

vytvoření protonového gradientu přes mitochondriální membránu aktivním „čerpáním“

protonů do intermembránového prostoru, čímž se vytváří termodynamický stav, který má potenciál

k práci. Celý tento proces se nazývá oxidativní fosforylace, protože ADP je fosforylován pomocí

protonového gradientu na ATP pomocí energie oxidace vodíku v mnoha krocích.

Tvorba ATP pak dále probíhá pomocí protonového gradientu a

dýchacího řetězce. Elektrony odvozené od NADH a FADH2 jsou

využívány pěti OXPHOS komplexy pro tvotbu ATP. Komplex I (CI,

NADH: ubiquinon oxidoreduktáza), komplex III (CIII, ubiquinol:

ferricytochrom c oxidoreduktáza) a komplex IV (CIV, cytochrom c

oxidáza) pumpují elektrony ven z mitochondriální matrix, čímž vytvářejí

membránový potenciál (ψm). Membránový potenciál pak řídí syntézu ATP

pomocí komplexu V (CV, FoF1-ATP syntetáza). CII, komplex II je

pomocný komplex využívající elektrony z FADH2 (sukcinát: ubiquinon

oxidoreduktáza).

10

(F) Tvorba ATP oxidativní

fosforylací: využívá protonový

gradient, jež pohání membránový

enzym F0F1-ATPázu a zdrojem fosfátu

je volný anorganický fosfát. Energie,

získaná oxidací kofaktorů NADH a

FADH2 v dýchacím řetězci, je nejdříve

využita k aktivnímu transportu

vodíkových iontů (H+) přes vnitřní

membránu mitochondrie do

mezimembránového prostoru. Matrix

mitochondrie se tak o ionty H+

ochuzuje a navíc vůči cytosolu získává

záporný potenciál. Vzniká tak

specifická forma energie, zvaná

proton-motivní síla.

Zpětný (exergonický, pasivní) transport H+ je umožněn membránovým enzymem F0F1-ATPázou,

(obrázek nahoře) která uvolněnou energii využívá k výše zmíněné syntéze ATP. Na základě tohoto

obecného mechanismu je ATP syntetizováno jak v aerobně pracujících mitochondriích, tak na

buněčných membránách aerobních a nefermentujících anaerobních mikroorganismů; proton-

motivní síla je generována i při fotosynthese na membráně thylakoidů, kde se též využívá k syntéze

ATP. Membrány převádějící energii obsahují dva typy protonových pump redoxní (z matrix ven) a

ATPáza (do matrix).

(G) Hypotéza evoluce používání protonového gradientu:

V pradávných dobách, kdy prostředí bylo plné organických látek a v prabuňkách běželo naplno

kvašení i fosforylace ADP na úrovni substrátu - bylo výhodné se zbavovat protonů pomocí ATP

pump (A). Později v průběhu evoluce prabuněk volně dostupných substátů ubývalo... Došlo k vývoji

protonového translokátoru, který přímo využívá energii z Red/Ox reakcí, což mohlo ATP pumpu

nahradit a poskytnout selekční výhodu (B). Nakonec mohlo u primární pumpy dojít k zpětnému

transportu H+ a k tvorbě ATP novou cestou (C).

11

(H) Celkové schéma základních katabolických drah v buňce

Odbourávání mastných kyselin

probíhá v matrix mitochondrie, před tím

ale aktivace MK v cytoplazmě:

ATP + MK + CoA = (acyl-CoA-

syntetáza) = acyl-CoA

následuje transport acyl-CoA do

mitochondriální matrix (karnitin acyl-

transferázy I a II):

acyl-CoA přenesen na karnitin,

odštěpen CoA – průchod skrz přenašeč

– acyl odstraněn z karnitinu, připojení

CoA = acyl-CoA

základní reakce β-oxidace:

uhlíkový skelet se zkracuje o dvouuhlíkaté acetyl-CoA, ty vstupují do Krebsova cyklu

Katabolismus aminokyselin

probíhá ve 3 hlavních krocích:

(1) deaminace: odstranění alfa-aminoskupiny (vzniká amoniak), enzymy aminotransferázy

2) vznik močoviny: močovinový (ornitinový) cyklus, viz dále

(3) zpracování uhlíkové kostry: postupná degradace skeletu na meziprodukty Krebsova cyklu

aa ketogenní: vzniká acetyl-CoA, acetoacetát (lysin, leucin)

aa keto- i glukogenní: isoleucin, tryptofan, tyrosin, fenylalanin, threonin

aa glukogenní: pyruvát, 2-oxo-glutarát, sukcinyl-CoA, fumarát, oxalacetát (zbylé aa)

každá aminokyselina/skupina podobných aminokyselin prochází odlišným sledem reakcí, na

jejichž konci je právě některá z výše uvedených sloučenin, která vstupuje do Krebsova cyklu.

12

(I) Shrnutí - dva způsoby výroby ATP, které jsme poznali

1. Fosforylace na úrovní substrátu - je to mechanismus tvorby ATP v enzymem-katalyzované

reakci přenosu fosfátové skupiny přímo na ADP z fosfát - obsahující sloučeniny (anaerobní). Pro

každou zpracovanou molekulu glukózy jsou tímto způsobem generované 4 molekuly ATP a další 2

v Krebsově cyklu.

2. Oxidativní fosforylace: využívá protonový gradient, jež pohání membránový enzym F0F1-

ATPázu a zdrojem fosfátu je volný anorganický fosfát.