Energetika biochemických procesů v živých soustavách

Metabolismus je souhrn veškerých dějů, které probíhají uvnitř organismu a které slouží k tvorbě využitelné energie a látek potřebných pro činnost organismu. Trvale probíhají pochody katabolické a anabolické v různé intenzitě. V organismu probíhají oba tyto pochody současně. Katabolické reakce vytvářejí energii nutnou pro děje anabolické.

Anabolismus je soubor syntetických reakcí (biosyntéza), kdy z látek jednodušších vznikají látky složitější (stavební látky – bílkoviny a zásobní látky – glykogen a triglyceridy) a vyžadují dodávání energie, která se při nich spotřebovává. Anabolické procesy převažují v buňce, která roste a rozmnožuje se a jsou často redukční povahy. Dochází tedy k syntéze a obnovování živé hmoty, k vytváření energetických zásob (pro mechanickou práci, transport membránou, atd.) a k vytváření látek potřebných k řízení (hormonů, enzymů nebo mediátorů). Intenzitu metabolických dějů v organismu, charakterizovanou výdejem energie v klidu za přesně stanovených podmínek (ráno vleže před opuštěním lůžka, na lačno, při fyziologické teplotě těla a neutrální teplotě okolí), označujeme termínem „bazální metabolismus“. Jeho hodnota závisí na věku, pohlaví a velikosti těla.

Katabolismus je rozklad látek složitějších (zásobních látek nebo přijatých živin) na látky jednodušší a energii. K nim patří například oxidativní procesy, uvolňující ze sloučenin volnou energii. Energie uvolněná katabolickými pochody se používá k udržení tělesných funkcí, ke štěpení a využití potravy, pro termoregulaci a pohybovou aktivitu. Souvisí s vyšší aktivitou sympatiku. Probíhá při zvýšení tělesné pohybové aktivity a při udržování životních funkcí.

Funkce katabolismu

1. Produkuje chemickou energii a ukládá ji do molekul ATP.
2. Poskytuje stavební materiál pro biosyntetické reakce.
3. Vyrábí energií bohaté redukční činidlo (NADPH, FADH2) – redukované koenzymy

Fáze katabolismu

1. Štěpení živin na jednoduché látky (glukóza, glycerol, VMK, aminokyseliny) účinkem trávicích enzymů.
2. Nízkomolekulární sloučeniny jsou dále odbourávány na CO2 a acetylkoenzym A, který vzniká

• různým odbouráváním aminokyselin ⇒ vzniká acetyl-Co-A, ale i jiné dvou- až pětiuhlíkaté látky, které se zapojují do Krebsova cyklu přímo (sukcinyl-CoA, fumarát, oxalacetát, 2-oxoglutarát).
• odbouráváním hexóz v procesu glykolýzy vzniká pyruvát ⇒ oxidační dekarboxylací vzniká acetyl-Co-A
• odbouráváním pentóz přes pentózový cyklus a glykolýzu (některé meziprodukty pentózového cyklu jsou stejné s meziprodukty glykolýzy – glukóza-6-fosfát, fruktóza-6-fosfát, glyceraldehyd-3-fosfát) ⇒ vzniká pyruvát  ⇒ oxidační dekarboxylací vzniká acetyl-Co-A
• β – oxidací mastných kyselin ⇒ vzniká acetyl-Co-A
• odbouráváním glycerolu přes glyceraldehyd-3-fosfát, který se dále zapojí do glykolýzy ⇒ dojde ke vzniku pyruvátu ⇒ oxidační dekarboxylací vzniká acetyl-Co-A

3. Acetylkoenzym A je klíčový meziprodukt při přeměně všech základních živin. Acetylkoenzym A vstupuje do univerzálního cyklického děje – CITRÁTOVÉHO CYKLU, který probíhá v mitochondriích buněk za aerobních podmínek. Zde je oxidován na konečný oxidační produkt – CO2.

Citrátový cyklus je zahájen kondenzací acetylkoenzymu A s oxalacetátem za vzniku citrátu. Zahrnuje 9 dílčích reakcí, které probíhají za účasti enzymů.

Význam acetylkoenzymu A v metabolismu živin

Je úplně oxidován v citrátovém cyklu a dýchacím řetězci na CO2 a H2O. Může být využit jako reaktivní meziprodukt k syntetickým reakcím (např. k syntéze steroidů, mezi něž patří mužské a ženské pohlavní hormony, hormony kůry nadledvin = kortikosteroidy, žlučové kyseliny, steroly, vitamíny D = kalciferoly).

Citrátový cyklus

Citrátový cyklus nemusí proběhnout celý, některé jeho meziprodukty mohou být substrátem pro jiné metabolické dráhy, naopak jiné dráhy končí v některé součásti cyklu. Citrátový cyklus plní funkci v oxidativních i syntetických pochodech, je tzv. amfibolický. Oxalacetát může být přeměněn na pyruvát a použit ke glukoneogenezi, tzn. pro syntézu sacharidů. Cyklus může sloužit také jako zdroj uhlíkových koster k syntéze postradatelných aminokyselin. Naopak po transaminaci a deaminaci mohou aminokyseliny do cyklu vstupovat:

Glycin, alanin, cystein, hydroxyprolin, serin, threonin a tryptofan tvoří pyruvát, ze kterého je syntetizován acetyl-CoA; arginin, histidin, glutamin a prolin jsou substrátem pro tvorbu α-ketoglutarátu, isoleucin, methionin a valin tvoří sukcinyl-CoA, tyrosin a fenylalanin tvoří fumarát.

Acetyl-CoA je hlavním substrátem pro syntézu mastných kyselin.

Citrátový cyklus se dá rozdělit do několika fází:

1. acetyl-CoA + oxalacetát + H20 → citrát + CoA-SH
Jedná se o kondenzační reakci, kterou katalyzuje enzym citrátsyntáza. Acetylový zbytek navázaný na CoA a čtyřuhlíkatý oxalacetát dávají vzniknout šestiuhlíkatému citroyl-CoA. Hydrolýza vazby mezi koenzymem A a citrátem uvolní značné množství energie jako teplo.

2. citrát ↔ cis-akonitát ↔ isocitrát
Citrát je přeměňován na isocitrát, reakce je katalyzována enzymem akonitázou. Akonitáza obsahuje nehemové železo ve stavu Fe2+ a síru. Citrát je nejprve dehydratován na cis-akonitát a pak rehydratován na isocitrát. Reakce je inhibována fluoracetátem, který kondenzuje jako fluoracetyl-CoA s oxalacetátem za vzniku fluorcitrátu, který působí na akonitázu inhibičně.

3. isocitrát + NAD+ ↔ oxalsukcinát ↔ α-ketoglutarát + CO2 + NADH+H+
Dehydrogenace isocitrátu za vzniku oxalsukcinátu je katalyzována isocitrátdehydrogenázou. Jsou známy tři různé isocitrátdehydrogenázy. NAD+ specifická dehydrogenasa je přítomna v mitochodriích, ostatní dvě, které jsou NADP+ specifické, se vyskytují v mitochondriích i v cytosolu. Oxidace isocitrátu pro dýchací řetězec je katalyzována výhradně NAD+ specifickou dehydrogenázou. Oxalsukcinát je následně dekarboxylován na α-ketoglutarát. Tuto reakci také katalyzuje isocitrátdehydrogenáza. Důležitými složkami dekarboxylační reakce je Mn2+ nebo Mg2+. Koenzym NAD+ se při reakci redukuje na NADH+H+. Protony nesené koenzymem jsou použity v dýchacím řetězci k syntéze 3 ATP.

4. α-ketoglutarát + NAD+ + CoA-SH → sukcinyl-CoA + CO2 + NADH+H+
V dalším kroku dochází k dekarboxylaci α-ketoglutarátu. Enzymy katalyzující reakci se sdružují do α-ketoglutarátdehydrogenázového komplexu. K reakci jsou potřebné kofaktory thiamindifosfát, kyselina lipoová, NAD+, FAD a koenzym A. Reakce je inhibována arsenitanem.

5. sukcinyl-CoA + Pi + ADP ↔ sukcinát + ATP + CoA-SH
Enzym sukcinátthiokinasa (sukcinyl-CoA-synthetasa) katalyzuje přeměnu sukcinyl-CoA na sukcinát. Uvolněná energie je použita k vytvoření makroergní vazby mezi fosfátem a GDP za vzniku jedné molekuly GTP. Díky GTP nakonec vzniká ATP. Reakci, při které vznikne ATP mimo dýchací řetězec, se říká substrátová fosforylace.

6. sukcinát + FAD ↔ fumarát + FADH2
Sukcinát je dehydrogenován na fumarát. Enzym sukcinátdehydrogenáza, který katalyzuje tuto reakci, je vázán na vnitřní povrch vnitřní membrány mitochondrie. Je to jediný enzym citrátového cyklu, který přenáší protony na flavoprotein, bez účasti NAD+.Malonát a oxalacetát kompetitivně inhibují sukcinádehydrogenázu. Redukovaný flavoprotein FADH2 přenáší redukční ekvivalenty do dýchacího řetězce. Na rozdíl od NADH ale vytvoří jen 2 molekuly ATP.

7. fumarát + H2O ↔ malát
Adicí vody na fumarát vznikne malát. Reakce je katalyzována enzymem fumarázou (fumaráthydratasa). Je specifická pro isomer malátu.

8. malát + NAD+ ↔ oxalacetát + NADH+H+
V poslední reakci je malát dehydrogenován enzymem malátdehydrogenázou zpět na oxalacetát.

Dýchací řetězec

Nachází se na vnitřní membráně mitochondrií. Hlavními dodavateli atomů vodíku jsou citrátový cyklus a β – oxidace mastných kyselin.

Z energetického hlediska jde o nejdůležitější děj aerobního katabolismu. Jeho podstatou je přenos vodíkových atomů z NADPH a FADH2 , na kyslík. Vzniká metabolická voda.

Z chemického hlediska jsou buněčné oxidace složité reakce katalyzované enzymy. Podstatou buněčného dýchání je přenos elektronů z organických látek na kyslík. Přenos elektronů zajišťují CYTOCHROMY, které ve své molekule obsahují železo. V oxidované formě obsahují Fe3+ (kation železitý), v redukované formě obsahují Fe2+ (kation železnatý).

Aktivace vodíku (odejmutí elektronů = oxidace)

• H2  – 2 e–  → 2 H+ 

Aktivace kyslíku (přesun elektronů na molekulární kyslík = redukce)

•  ½ O2  + 2 e– → O2-

Vznik vody

• 2 H+ + O2- → H2O + energie ve formě ATP

Vznik vody je nejdůležitější reakce uvolňování energie v metabolismu živin.

Vzniklá chemické energie se ukládá do makroergických vazeb ATP = chemické vazby bohaté na chemickou energii. Vznik ATP se nazývá oxidační fosforylace. Z celkového množství energie vzniklé při oxidaci vodíku se 40% energie uloží do ATP a 60% se spotřebuje na krytí ztrát tepla v organismu.

• 8 H + 8 Fe3+ → 8 H+ + 8 Fe2+
• 4 O + 8 Fe2+ → 4 O2- + 8 Fe3+
• 8 H+ + 4 O2- → 4 H2O + energie v ATP

Přenašeče chemické energie – ATP

Látky schopné přenosu energie musí nejprve ve spojení s exergonickými ději uvolněnou energii zachytit a uložit ve své struktuře. A dále rozpadem molekuly (hydrolýzou) energii uvolnit a předat endergonickému ději. Energie uvolněná při rozkladu jedné fosfodiesterové vazby je 13 kcal/mol = 33 kJ/mol.

ATP jako přenašeč vzniká v procesu fosforylace:

Oxidativní fosforylace

Během přesunu elektronů v dýchacím řetězci dochází k jednosměrnému průchodu H+ do mezimembránového prostoru mitochondrií. Hromadění protonů zde vytváří koncentrační gradient. Průchod vodíkových kationtů zpět do matrix mitochondrií je umožněn jen díky ATP-syntáze, jejíž turbína se roztáčí za pomocí 3 H+ a umožňuje tak syntézu jedné molekuly ATP:

• ADP + Pi → ATP

Fotofosforylace

Fotofosforylace je děj, při kterém se pomocí protonového gradientu (rozdílných koncentrací H+ mezi stromatem a thylakoidní dutinou) syntetizuje ATP. ATP vzniká z ADP a Pi pomocí ATP-syntázy. Jako pohonný motor funguje vyrovnávání koncentrací protonů mezi stromatem a thylakoidní dutinou. ATP i NADPH, které vznikají ve světelné fázi fotosyntézy, se využijí v temnostní fázi k tvorbě glukózy.

Substrátová fosforylace

Přenos fosfátové skupiny z jedné sloučeniny na druhou. Dochází k ní pomocí kináz. Příkladem budiž přenos fosfátu z fosfoenolpyruvátu na ADP za vzniku pyruvátu a ATP.

Energetika biochemických ději

Energetickou stránkou soustav a změnami v těchto soustavách, vyvolanými ať už změnou vnějších či vnitřních podmínek, se zabývá termodynamika.  Chemická energetika se zabývá zejména energetickou bilancí chemických dějů a jejich uskutečnitelností.

Chemická energetika se, jako součást chemické termodynamiky, opírá o termodynamické zákony. První termodynamický zákon zavádí do termodynamiky stavovou funkci – vnitřní energii U, pro kterou platí vztah: ΔU = Q + W. Vnitřní energie U je celková energie soustavy zmenšená o kinetickou a potenciální energie soustavy jako celku. Při izochorickém ději je ΔU = Q, tedy teplo dodané soustavě při konstantním objemu této soustavy se spotřebuje na zvýšení její vnitřní energie.

Avšak děje probíhající v otevřených nádobách jsou izobarické. Proto se zavádí další stavová funkce – entalpie H, která je definována vztahem: H = U + pV.

Při změně stavu soustavy se změní všechny veličiny v tomto vztahu: ΔH = ΔU + pΔV + VΔp. Protože při izobarickém ději je člen VΔp roven nule a ΔU = Q – pΔV, platí po dosazení do rovnice, že ΔH = Q, tedy teplo dodávané soustavě při konstantním tlaku v této soustavě se spotřebuje na zvýšení její entalpie.

Entalpie má tedy pro izobarické děje stejný význam, jako vnitřní energie pro děje izochorické.

První termodynamický zákon zavedl entalpii, druhý termodynamický zákon zavádí entropii S. Ale protože entropie svými hodnotami charakterizuje jen směr dějů v adiabatických soustavách, využívá se pro popis chemických reakcí

Gibbsova energie G = H – TS pro izobarické děje

Helmholtzova energie A = U – TS pro izochorické děje

Samovolný izotermicko-izobarický děj je provázen poklesem Gibbsovy energie a její minimum určuje rovnováhu. Analogicky platí i pro izotermicko-izochorický děj.

Podle tepelné bilance lze rozdělit reakce na exotermické (ΔH < 0), kdy soustava teplo uvolňuje a předává do okolí; aendotermické (ΔH > 0), kdy soustava teplo pohlcuje. Z hlediska bilance Gibbsovy energie hovoříme o reakcích exergonických (ΔG < 0), kdy se Gibbsova energie snižuje; a endergonických (ΔG > 0), kdy se Gibbsova energie zvyšuje. Při reakcích amfibolických (ΔG = 0) se energie neuvolňuje ani nespotřebovává. Změna Gibbsovy energie v sobě zahrnuje jak člen entalpický, tak člen entropický:

(ΔG)T,p = ΔH – TΔS.

a) exotermické rozkladné reakce (ΔH<0, ΔS>0). Probíhají vždy samovolně, neboť oba členy přispívají ke snížení ΔG.

b) exotermické skladné reakce (ΔH<0, ΔS<0). Samovolný průběh reakce závisí na hodnotách ΔH a TΔS. Při nízkých teplotách je člen TΔS malý a převažuje člen ΔH a reakce probíhá samovolně. S růstem teploty člen TΔS roste a tendence k samovolnému průběhu reakce se zmenšuje. Od určité teploty člen S převáží nad členem H (½ΔH½ <½TΔS½) a reakce již samovolně neprobíhá (ΔG>0).

c) endotermické rozkladné reakce (ΔH>0, ΔS>0). Rovněž u těchto reakcí závisí možnost samovolného průběhu na hodnotáchΔH a TΔS, avšak situace je opačná. Při nízkých teplotách reakce neprobíhá (ΔG>0). Od určité teploty však reakce samovolně probíhat může.

d) endotermické syntézy (ΔH>0, ΔS<0). Tyto reakce nejsou samovolné, protože oba členy vždy přispívají ke zvýšení ΔG.

Termochemické zákony

Ze skutečnosti, že teplo je rovno změně stavové funkce, plynou dva základní termochemické zákony.

Podle prvního termochemického zákona (Laplaceova-Lavoisierova) je reakční teplo určité reakce a reakční teplo téže reakce probíhající za stejných podmínek opačným směrem stejné. Lze ho vystihnout schématem:

A ↔ B                 ΔHA→B = ΔHB→A

Druhý termochemický zákon (Hessův) udává, že reakční teplo určité reakce je stejné jako součet reakčních tepel postupně prováděných reakcí, vycházejících ze stejných látek a končící stejnými produkty.

        A –→ C                ΔHA→C = ΔHA→B + ΔHB→C

        \→B→/

Teplo slučovací a spalné

Slučovací teplo sloučeniny je reakční teplo reakce, při níž z prvků ve standardních stavech vznikne jeden mol této sloučeniny ve standardním stavu. Slučovací tepla jsou stanovena a uváděna především pro anorganické sloučeniny. Reagující prvky i produkty musí být ve standardním stavu (T = 298,15 K, p = 101,325 kPa). Rozměr standardního slučovacího tepla jsou kJ/mol.

Standardní slučovací tepla prvků jsou nulová.

Spalné teplo sloučeniny je reakční teplo reakce, při níž se jeden mol této sloučeniny ve standardním stavu zoxiduje na nejstálejší oxidy (konečné oxidační produkty ve standardním stavu). Spalná tepla jsou stanovena především pro sloučeniny organické. Reagující prvky i produkty musí být ve standardním stavu (T = 298,15 K, p = 101,325 kPa). Rozměr standardního spalného tepla je kJ/mol. Standardní spalná tepla prvků nejsou nulová.

Výpočet reakčního tepla

ΔHsluč = Σ(ΔHsluč produktů) – Σ(ΔHsluč výchozích látek)

ΔHspal = Σ(ΔHspal produktů) – Σ(ΔHspal výchozích látek)

Reakční teplo je dáno součtem energie spotřebované na rozštěpení původních vazeb ve výchozích látkách a energie, která se uvolní při vzniku nových vazeb v molekulách produktů.