Tvorba nukleových kyselin a metabolismus bílkovin v živých soustavách

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.
Na rozdíl od sacharidů a lipidů se bílkoviny nemohou ukládat do zásoby, proto se v těle
neustále přeměňují (odbourávají a syntetizují). Metabolismus bílkovin můžeme sledovat
podle tzv. dusíkové bilance, což je poměr mezi výdejem a příjmem dusíku. Normální zdravý
jedinec má dusíkovou bilanci v rovnováze, pozitivní dusíková bilance (větší příjem) je
charakteristická pro děti a duspívající (aminokyseliny se účastní tvorby nových tkání)
a negativní dusíková bilance (větší výdej) je charakteristická pro starší či vážně nemocné.
Anabolismus bílkovin
Bílkoviny jsou makromolekulární látky tvořené z mnoha kondenzovaně spojených
aminokyselin. Pořadí aminokyselin v bílkovině je dáno geneticky a přímo zakódované v DNA
každého jednotlivce. Tvorba bílkovin na ribozomech se nazývá proteosyntéza a účastní se jí
zjednodušeně řečeno 20 proteogenních aminokyselin. Pro různé organismy jsou různé
aminokyseliny esenciální (nepostradatelné, musí se přijímat potravou, u lidí jsou to valin,
leucin, izoleucin, threonin, lysin, methionin, fenylalanin, tryptofan) a jiné neesenciální
(dokáží je syntetizovat, ale jen
z organických sloučenin, především
z oxokyselin procesem
transaminace – přenosem
aminoskupiny z jedné
aminokyseliny na α-oxokyselinu za
vzniku jiné aminokyseliny).
Rostliny jakožto autotrofní organismy si vytváří patřičné aminokyseliny z dusíkatých
anorganických látek (především dusičnanů). Býložravci získávají aminokyseliny účinkem
činnosti mikroorganismů v jejich střevech.
Nadbytečné aminokyseliny jsou zpracovány a vyloučeny z těla jako odpadní produkty
(u člověka se mění na močovinu).
C
O OH
CH2
H2C
CH
C
O
HO
NH2
+
C
HO O
C
O CH3
C
O OH
CH2
H2C
C
C
O
HO
O
+
C
HO O
CH
H2N CH3
kys. glutamová + kys. pyrohroznová  kys. oxoglutarová + alanin
Proteosyntéza
Proteosyntéza probíhá na ribozomech (častěji na polyzomech – dlouhých řadách ribozómů) a
zahrnuje dvě fáze – transkripci a translaci. Důležité je také zmnožování genetické informace
– replikace DNA.
REPLIKACE DNA – Z jedné molekuly DNA vznikají při procesu zvaném
replikace dvě identické molekuly, které slouží pro přenos genetické
informace. K replikaci dochází během S-fáze buněčného cyklu.
Deoxyribonukleová kyselina má tvar dvoušroubovice (α-helixu).
Působením enzymu DNA-topoizomerázy se přeruší vazby stabilizující α-
helix a molekula DNA se narovná – připomíná žebřík. Pomocí DNAhelikázy
se přeruší vodíkové vazby mezi dusíkatými bázemi a vzniká
replikační oko skládající se ze dvou replikačních vidliček, v každé je DNAhelikáza
pokračující v rozevírání matriční DNA. Nová vlákna DNA vznikají
činností DNA-polymerázy. Jednotlivé nukleotidy (vstupují do reakce jako
deoxynukleosidtrifosfáty a dodávají syntéze energii) se na základě komplementarity bází (AT
a C-G) připojují nejdříve vodíkovými můstky k původním vláknům DNA a DNA-polymeráza
je pak připojuje k sobě. Připojuje nukleotidy však jen k volnému 3-konci rostoucího řetězce,
proto rozlišujeme vedoucí a opožďující se řetězec. Opožďující se řetězec vzniká po krátkých
úsecích nazývaných Okazakiho fragmenty. Okazakiho fragmenty jsou následně spojovány
DNA-ligázou. Aby mohlo tohle všechno proběhnout, jsou potřeba RNA-primery
syntetizované RNA-primázou, na kterých vlastně samotná replikace začíná (DNA-polymeráza
jen připojuje, ale nemůže začít).
TRANSKRIPCE – Syntéza bílkovin, proteosyntéza, začíná při procesu zvaném transkripce. Při
transkripci se přepisuje genetická informace z DNA do mRNA. Dochází k rozpletení vlákna
dvoušroubovice DNA (za pomoci RNA-polymerázy, jinak obdobně jako při replikaci), avšak
k bázím vlákna DNA (tzv. templátu) se napojují nukleotidy (ve formě ribonukleosidtrifosfátů)
na základě komplementarity tak, aby vznikal řetězec mRNA (tedy A-U, T-A a C-G). Jakmile se
spojí nukleotidy mRNA, začne se vlákno ribonukleové kyseliny odpojovat od DNA a její
rozpojené řetězce se opět spojí. mRNA odchází z jádra skrze jaderné póry.
U eukaryot je výsledkem transkripce pre-mRNA, která musí projít sestřihem (obsahuje
introny a exony, pouze exony mají translační funkci). K sestřihu dochází v spliceozómech.
U prokaryot vzniká rovnou zralá mRNA.
TRANSLACE – Překlad genetické informace z mRNA do pořadí aminokyselin v proteinu
probíhá při translaci. Vlákno mRNA se naváže na ribosomy, ve kterých se uskutečňuje
samotná tvorba proteinu. Tento proces probíhá čtením trojic bází v řetězci mRNA. Tyto
trojice (nukleotidové triplety) nazýváme kodony. Každý kodon kóduje určitou aminokyselinu
(trojice bází dle svého pořadí určí, kterou aminokyselinu k sobě naváží). Pravidlo určující
vztah mezi kodonem a aminokyselinou nazýváme genetický kód. Genetický kód je
univerzální, jednotný pro celý živý systém. Každému kodonu přísluší pouze jedna
aminokyselina, zatímco jedné aminokyselině může připadat více kodonů, protože
aminokyselin je 20 a možných trojic je 43 = 64.
Proteosyntéza se zahajuje u tzv. start kodonu (AUG). K tomuto kodonu se připojí
aminokyselina methionin (u některých organismů N-formylmethionin). K sousednímu
kodonu se napojí další aminokyselina, která se dále spojí s methioninem pomocí peptidové
vazby -CO-NH-. Další aminokyseliny se postupně napojují k patřičným kodonům a začlení se
pomocí peptidových vazeb do vznikajícího peptidového řetězce. Takto probíhá syntéza
proteinu. Jednotlivé aminokyseliny jsou vázány na nukleotidy tRNA, která obsahuje trojicí
bází komplementární ke kodonu mRNA. Trojice bází tRNA nazýváme antikodony. Tvorba
polypeptidu skončí, jakmile se objeví jeden ze stop kodonů, čili nukleotidového tripletu,
který nekóduje žádnou aminokyselinu. Stop kodony jsou UAA, UAG a UGA.
Katabolismus bílkovin
Bílkoviny se v trávicí soustavě
rozkládají na aminokyseliny
působením enzymů v žaludeční
šťávě – pepsin, šťávě slinivky
břišní – trypsin a střevní šťávě –
erepsin. Vzniklé aminokyseliny se
podílí na syntéze nových bílkovin
nebo jiných dusíkatých látek.
Aminokyseliny mohou také sloužit
jako zdroj energie, jsou
odbourávány deaminací, při níž
se od aminokyseliny oštěpuje
NH2
H C 2
CH2
CH2
HN
C
O
NH2
C HC
O
O
–
citrullin
NH3
CO2
ATP
ADP
H N 2
O
O PO3H2
karbamoylfosfát
NH2
H C 2
CH2
CH2
H N 2
C HC
O
O
–
ornithin
O
O
–
O
O
–
NH2
asparát
O O
–
O O
–
N
NH2
NH2
H C 2
CH2
CH2
HN
CH
C
O
O
–
argininosukcinát
NH
H N 2
NH2
H C 2
CH2
CH2
HN
C HC
O
O
–
O
O
–
O
O
–
fumarát arginin
H O 2
NH2
C
H N 2 O
močovina
aminoskupina ve formě toxického amoniaku. Amoniak vstupuje do ornithinového cyklu, kde je přeměněn na močovinu (u člověka a ostatních savců), která je jako odpadní produkt vyloučena močí z těla ven. Odpadní formou dusíku může být také přímo amoniak (u vodních živočichů) nebo sůl kyseliny močové (někteří plazi a ptáci). Uhlíkaté zbytky aminokyselin se začleňují do Krebsova cyklu.
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.