Obsah
Energetika biochemických dějů
Na úvod problematiky energetiky biochemických dějů je dobré si zopakovat, cože to vlastně je oxidace a redukce. Při oxidaci dochází ke ztrátě elektronu, k dehydrogenaci, oxygenaci a k uvolňování energie. Oxidace jsou tedy reakce exergonické, protože se u nich uvolňuje energie, příkladem exergonické reakce je reakce exotermická. Redukce je přesný opak. Dochází při ní k příjmu elektronu, k hydrogenaci, deoxygenaci a do redukčních reakcí je nutné energii přidávat, mluvíme tedy o reakci endergonické. Příkladem endergonické reakce je reakce endotermní.
Příjem a přeměna energie je důvodem všech biochemických reakcí. Doslova slouží k udržování podmínek pro život. Z toho je jasné, že pro biochemii budou důležité makroergní sloučeniny, v čele s ATP, tedy adenosintrifosfátem. Přeměna živin a energie z nich na ATP může probíhat třemi způsoby:
1. Tvorbou redukovaných koenzymů při nichž se substráty oxidují. K těmto procesům patří glykolýza a β-oxidace. Vodíky při nich přechází na koenzymy.
2. Dýchacím (respiračním) řetězcem, což je sled reakcí, kdy se H z redukovaných koenzymů slučuje s kyslíkem za vzniku vody.
3. Oxidační (aerobní fosforylace), kdy se energie vzniklá při přenosu vodíku na kyslík využije k tvorbě ATP. Existuje i substrátová fosforylace, při nichž vzniká ATP rozpadem energeticky bohaté sloučeniny.
Přenašeče vodíku
Pro oxidačně-redukční, tedy redoxní, reakce jsou důležité přenašeče vodíku. Přenos vodíku vede k zisku energie. Můžeme je rozdělit na volné a vázané. Vázané přenašeče jsou třeba NAD+ , NADP+, FAD, nebo cytochromy. Všechny vázané přenašeče jsou koenzymy oxidoreduktáz (jeden druh enzymů). Volným přenašečem je třeba kyselina askorbová, čili vitamín C. Obecně vytváří každý přenašeč dvě formy, tu oxidovanou a redukovanou. U kyseliny askorbové se oxidace a redukce děje přeměnou hydroxy skupiny na skupinu karbonylovou.
NAD+
NAD+ je zkratka pro nikotinamidadenindinukleotid. Tento přenašeč se vyskytuje především v katabolických reakcích. NAD je oxidovaná forma, která se po reakci s redukovaným substrátem mění na redukovanou formu a z reakce odchází oxidovaný substrát.
NADP+
NADP+ je prakticky totožný jako NAD+, jen má na sobě navázán o jeden fosfát více, který je navázán na té ribóze, která je přes n-glykosidickou vazbu spojena s adeninem. Jeho celé jméno tedy zní nikotinamidadenindinukleotidfosfát. Tento přenašeč se vyskytuje spíše v anabolických reakcích.
FAD
FAD je celým jménem Flavinadenindinukleotid. Je to poměrně složitá sloučenina, zde je zobrazena jen ta část, na které dochází k redoxním dějům a zbytek přenašeče je označen klasicky R. Obsahuje adenosin, ribózu, 2 fosfáty a alkohol zvaný ribitol. fad.gif
Cytochromy
Cytochromy slouží pouze k přenosu elektronů. Jsou složené z proteinů s hemovým centrem a právě tam se uskutečňuje přenos elektronů. Podle toho, jestli se oxiduje nebo redukuje, mění se centrální atom z Fe2+ na Fe3+.
Makroergní sloučeniny
Energie, která se získá přenosem vodíku, se uchovává v makroergních sloučeninách. Z nich se pak energie může uvolňovat jejich hydrolýzou. Obecně se jedná o dost nestabilní sloučeniny, které se stabilizují rozpadem. Právě tímto rozpadem se uvolňuje poměrně velké množství energie.
Makroergní sloučeniny mohou být vícero typů. Nejčastěji to jsou estery kyseliny fosforečné jako ATP, ADP, fosfoenolpyruvát, glukóza-fosfát, kreatinfosfát, GTP nebo UTP. Další možností stavby makroergních sloučenin jsou thioestery. Takovouto strukturu má například acetyl koenzym A.
S fosfoenolpyruvátem se setkáváme při glykolýze. Je to obdoba pyruvátu. Fosforizovaná glukóza a keratinfosfát jsou trvalejší zdroje energie, které se začínají štěpit v momentě, kdy dojde ATP.
Tabulka uvolněné energie při rozpadu vazby:
| Sloučenina | DG°’ (kJ/mol) |
|---|---|
| fosfoenolpyruvát | –61,9 |
| 1,3-bisfosfoglycerát | –49,4 |
| acetylfosfát | –43,1 |
| kreatinfosfát | –43,1 |
| PPi | –33,5 |
| ATP (na AMP a PPi) | –32,2 |
| ATP (na ADP a Pi) | –30,5 |
| AMP ( na adenosin a Pi) | –22,9 |
| glukosa-6-fosfát | –13,8 |
| fruktosa-6-fosfát | –13,8 |
| glycerol-3-fosfát | –9,2 |
ATP
ATP, neboli adenosintrifosfát je látka, která je složena z jednoho nukleotidu, konkrétně adeninu, jedné ribózy a ze tří fosfátů. Energie se uvolňuje odštěpením fosfátu, čímž vzniká ADT, což je látka, ze které se může odštěpovat další fosfát, čímž se z ADP stane AMP, která již není makroergní sloučeninou, protože odštěpením posledního fosfátu již nezískám žádnou energii.
Na ATP se vyskytují tři fosfáty v řadě za sebou. Tyto se budou odpuzovat (několik záporně nabitých fosfátů vedle sebe), což vede k nestabilitě celé molekuly. Tato nestabilita se mírní pomocí rezonanční stabilizace elektronů na skupinách –OH a =O nacházejících se na fosfátu. Druhou možností stabilizace je snížení elektrostatického odpuzování fosfátů. Za fyziologického pH má ATP 4 negativní náboje, respektive kyselé vodíky na 4 OH skupinách. Tyto se navzájem odpuzují, což vede k destabilizaci. Když se tyto skupiny odštěpí, usnadňuje se solvatace vodou, přesněji hydratace.
ATP se spotřebovává třemi způsoby. Prvním z nich je spotřeba při chemické práci, tedy při syntéze sloučenin. Druhou možností spotřeby ATP je mechanická práce, která je využívána k pohybu. Zajišťují ji svalová kontrakce, pohyb bičíků jednobuněčných organismů atd. Třetím místem spotřeby je osmotická práce, neboli aktivní transport. Takto se šíří třeba nervový vzruch.
ATP se produkuje při katabolických dějích, které mají nejčastěji exergonický charakter. Rozkladem široké škály látek tak vzniká málo produktů. Rozdíl gibbsovy energie je při těchto reakcích větší než 0 (tedy kladný). Ke spotřebě ATP dochází při anabolických dějích, tedy při synthetických reakcích, které mají povětšinou endergonický charakter. Rozdíl gibbsovy energie je při těchto reakcích menší než 0. Člověk denně nasyntetizuje tolik ATP kolik sám váží. Dochází k neustálé výměně: ATP → ADP → ATP.
Thioestery
Thioestery jsou takové sloučeniny, které obsahují obdobu esterové vazby. Rozdílem oproti klasickému esteru je ten, že se na reakci nepodílí alkohol ale thiol.
Thioestery jsou jako makroergní sloučeniny mnohem méně rozmanité než estery kyseliny fosforečné. Nejznámější je koenzym A, který funguje jako přenašeč acetylu, jako Acetyl-koenzym A například v krebsově cyklu.
