Metabolismus sacharidů a lipidů v živých soustavách

Úvod
Neustálá přeměna látek a návaznost jednotlivých reakcí je jednou ze základních vlastností všech živých soustav. Produkt jedné reakce se stává substrátem reakce následující. Vytvářejí se tak různě dlouhé metabolické dráhy. Výchozí látka se postupně mění přes meziprodukty až na konečný produkt.
Metabolické dráhy mohou tedy mít různý charakter a různý směr. Rozlišujeme dvě hlavní metabolické dráhy: anabolické (syntetické, asimilační), kterými se z jednoduchých látek vytvářejí složitější molekuly za spotřeby energie, a katabolické (rozkladné, disimilační), kterými ze složitějších substrátů vznikají jednodušší produkty a které energii uvolňují.
Metabolismus sacharidů
Sacharidy jsou přírodní látky, které vznikají z glukosy vytvořené při procesu fotosyntézy u autotrofních organismů. Živočichové a lidé (heterotrofní organismy) přijímají sacharidy potravou. Organismus je schopen si jednotlivé sacharidy i syntetizovat z aminokyselin (z proteinů) či glycerolu (z lipidů), naopak nadbytek glukózy se v játrech mění na glykogen.
Anabolismus sacharidů
FOTOSYNTÉZA – Souhrnná rovnice fotosyntézy vypadá takto:
Probíhá v chloroplastech a má dvě základní fáze – světelnou (primární) a temnostní (sekundární). V průběhu světelné fáze je energie slunečního záření (pro fotosyntézu je nejdůležitější modré a červené světlo, to je pohlceno, kdežto zelené se odráží nebo prochází, a proto jsou listy zelené) využita k tvorbě ATP (fotosyntetická fosforylace), NADH+H+ a k fotolýze vody (Hillova reakce 2 H2O  2 H+ + 2 e- + ½ O2 + H2O).
V průběhu temnostní fáze dochází k redukci oxidu uhličitého během Calvinova cyklu za vzniku sacharidů při využití ATP a NADH+H+ ze světelné fáze: molekula CO2 nejdříve zreaguje s ribulóza-1,5-bisfosfátem (pentóza) za vzniku nestabilního šestiuhlíkatého produktu, který se rozpadá na dvě molekuly 3-fosfoglycerátu (trióza) 3-fosfoglycerát je pomocí ATP fosforylován na 1,3-bisfosfoglycerát a ten redukován pomocí NADH+H+ na glyceraldehyd-3-fosfát část glyceraldehyd-3-fosfátu kondenzuje za vzniku fruktóza-1,6-bisfosfátu (hexóza), který je defosforylován na fruktóza-6-fosfát a ten se mění na glukóza-6-fosfát část glyceraldehyd-3-fosfátu slouží k obnově ribulóza-1,5-bisfosfátu
GLUKONEOGENEZE – V játrech a méně často v ledvinách (při hladovění) se může syntetizovat glukóza procesem glukoneogeneze. Glukoneogeneze zdánlivě připomíná obrácenou glykolýzu, ale všechny její reakce nejsou přesně opačné od těch v glykolýze, poněvadž tomu brání termodynamické bariéry, konkrétně nepříznivé hodnoty Gibbsovy volné energie. Souhrnná rovnice glukoneogeneze:
2 pyruvát + 2 NADH + 4 H+ + 4 ATP + 2 GTP + 6 H2O  glukóza + 2 NAD+ + 4 ADP + 2 GDP + 6 Ph (viz. schéma vpravo)
Katabolismus sacharidů
GLYKOLÝZA – Glukosa se přeměňuje na molekuly kyseliny pyrohroznové (resp. jejího aniontu pyruvátu) při procesu zvaném glykolýza, která probíhá v cytoplasmě buněk za anaerobních podmínek (bez přístupu vzduchu) a to u všech živých organismů (od bakterií po člověka). Průběh glykolýzy je možné popsat jako sled následujících reakcí: Fosfát z adenosintrifosfátu (ATP) se váže na molekulu D-glukosy, a tak vzniká D-glukosa-6-fosfát a adenosindifosfát (ADP) Další fosfát z adenosintrifosfátu (ATP) se váže na monosacharid a vzniká opět adenosindifosfát (ADP). Monosacharid glukosa se izomeruje na fruktózu (oba monosacharidy mají stejný molekulový vzorec). Produktem tohoto kroku je D-fruktosa-1,6-bisfosfát. Šestiuhlíkatý D-fruktosa-1,6-bisfosfát se rozpadá na dvě tříuhlíkaté triózy – dihydroxyacetonfosfát a D-glyceraldehyd-3-fosfát. Každá z těchto trióz obsahuje 3 atomy uhlíku a 1 fosfát Mezi dihydroxyacetonfosfátem a D-glyceraldehydfosfátem se ustavuje chemická rovnováha, která je posunuta ve prospěch druhého
monosacharidu. Faktickým produktem rozpadu D-fruktosa-1,6-bisfosfátu (v kroku 3) jsou tedy 2 molekuly D-glyceraldehydfosfátu Sledem reakcí dochází k přechodu oxidované formy nikotinamidadenindinukleotidu NAD+ na redukovanou NADH+H+ (odštěpí se atomy vodíku) a navázání 2 fosfátů k monosacharidům. Všechny 4 fosfáty z obou trióz se následně odštěpí, a tak se 4 molekuly adenosindifosfátu ADP převedou na 4 molekuly adenosintrifosfátu ATP. Produktem těchto reakcí jsou 2 molekuly kyseliny pyrohroznové Pokud nemá organismus dostatečné množství kyslíku, dochází k anaerobnímu zpracování kyseliny pyrohroznové buď na kyselinu mléčnou (probíhá u živočichů, mléčné kvašení), či oxid uhličitý a acetaldehyd, který se dále přeměňuje na ethanol (probíhá u kvasinek, alkoholové kvašení). Tyto děje probíhají za současné oxidace nikotinamidadenindinukleotidu NADH na NAD+ (tento koenzym se regeneruje) Jakmile organismus začne hospodařit s dostatkem kyslíku, přemění se kyselina pyrohroznová na oxid uhličitý a acetylkoenzym A. Tento děj je doprovázen přechodem oxidované formy nikotinamidadenindinukleotidu NAD+ na redukovanou NADH
Metabolismus lipidů
Lipidy jsou z chemického hlediska estery vyšších karboxylových kyselin a alkoholu (nejčastěji glycerolu). Organismus je nejčastěji přijímá potravou. Vedle sacharidů jsou dalším významným zdrojem energie buněk a stavební složkou buněčných membrán. Pokud organismus přijímá více energie, než je její výdej, ukládá ji ve formě tukových zásob.
Anabolismus lipidů
Konkrétní organismus může požadovat specifické lipidy pro svoji činnost. K vytvoření těchto lipidů dochází navazováním 2-uhlíkatých zbytků k acetylkoenzymu A. Lidský a živočišný organismus však není schopen takto vytvořit lipidy tvořené zbytkem nenasycené karboxylové kyseliny. Proto musí být tyto mastné kyseliny přítomny v potravě, jsou esenciální. Z acetylkoenzymu A je schopen si organismus syntetizovat i nezmýditelné lipidy – steroidy. Z nich je významný například cholesterol, který je prekurzorem (výchozí látkou) pro syntézu žlučových kyselin či steroidních hormonů. Syntéza mastných kyselin probíhá v cytoplasmě.
Katabolismus lipidů
Katalytickou hydratací lipidů (za účasti enzymů lipáz) vznikají patřičné karboxylové kyseliny a alkohol. V této hydrolyzované formě pak vstupují do buněk. Buňky jsou schopné karboxylové kyseliny a alkohol oxidovat až na oxid uhličitý CO2 a vodu H2O za současného vzniku adenosintrifosfátu ATP. Alkohol se fosforyluje a ve formě glyceraldehyd-3-fosfátu
vstupuje do glykolýzy.
K oxidaci karboxylových kyselin dochází při β-oxidaci. Písmenné označení značí atom uhlíku, od kterého tento proces začíná (β uhlík je 2. atom uhlíku od karboxylu). Na začátku β-oxidace dojde k aktivaci molekuly karboxylové kyseliny vytvořením vazby mezi ní a koenzymem A. Při této syntéze vzniká acylkoenzym A (acyl- je zbytek karboxylové kyseliny R-CO-) a spotřebovává se molekula adenosintrifosfátu ATP. Od β-uhlíku se odštěpí 2-uhlíkatý zbytek a koenzym A se naváže na tento atom uhlíku (nyní se z původního β-uhlíku stal krajní atom uhlíku kyseliny). Tento proces dále pokračuje, dokud nedojde ke vzniku acetylkoenzymu A (koenzym A vázaný ke zbytku kyseliny octové, tj. 2-uhlíkatá kyselina). Vzniklý acetylkoenzym A vstupuje do Krebsova cyklu, společné metabolické dráhy sacharidů, lipidů a bílkovin.
Krebsův cyklus
Krebsův cyklus (též citrátový cyklus, cyklus kyseliny citronové) je společným vyústěním metabolických drah sacharidů, lipidů a proteinů. Má spíše katabolický (rozkladný) charakter (dochází při něm k odbourávání sloučenin s vyšším počtem atomů uhlíku až na oxid uhličitý, který je z organismu odváděn při dýchání), jsou mnohé jeho meziprodukty použity na syntézu jiných látek (např. aminokyselin). Probíhá v mitochondriální matrix.
Odbouráváním D-glukosy (ze sacharidů), karboxylových kyselin (z lipidů) a mnohých aminokyselin (z proteinů) vzniká acetylkoenzym A (acetyl-CoA, aktivovaná forma kyseliny octové). Z něho se uvolní acetylový zbytek (CH3CO-), jehož kondenzací s kyselinou oxaloctovou vzniká citrát (kyselina citronová). Následnou dehydrogenací (odštěpení vodíku) a dekarboxylací (odštěpení oxidu uhličitého) citrátu vzniká nejprve kyselina 2-oxoglutarová, poté kyselina oxaloctová. Kyselina oxaloctová může kondenzovat s dalším acetylem a celý cyklus se opakuje. Produktem Krebsova cyklu jsou molekuly oxidu uhličitého a vodíkové atomy, které jsou využity při slučování s kyslíkem na vodu.
Redukované koenzymy (3x NADPH+H+, 1x FADH2), které během cyklu také vznikají, následně vstupují do dýchacího řetězce.
Dýchací řetězec
Dýchací řetězec je složitý systém, při kterém buňky získávají rozhodující množství energie. Probíhá na vnitřní membráně mitochondrií. Vodík vázaný v redukovaných koenzymech se uvolňuje a zároveň ztrácí své elektrony. Elektrony dodávají energii protonovým pumpám (bílkovinným přenašečům pracujícím proti chemickému gradientu), H+ se hromadí ve vnitromembránovém prostoru a přes enzym ATP-syntetázu proudí zpět dovnitř. Energie v podobě kinetické energie protonů H+ se spotřebuje na vytvoření makroergických vazeb v molekulách ATP. Při dýchání se pak vodík oxiduje kyslíkem a spojuje s energeticky ochuzenými elektrony – vzniká metabolická voda (denně asi 0,5 l).
Zjednodušená souhrnná rovnice reakce probíhající na mitochondriích při oxidaci redukovaného koenzymu nikotinamidadenindinukleotidu NADH + H+ je:
NADH + H+ + ½ O2 + 3 ADP + 3 Pi → NAD+ + H2O + 3 ATP
Oxidací redukovaného koenzymu NADH + H+ získáme větší množství energie (konkrétně o 1 molekulu adenosintrifosfátu ATP více) než při oxidaci redukované formy koenzymu FADH2.