Biochemie:Metabolické dráhy

Krebsův cyklus

V organismech jsou při rozkladu živin tři možnosti, jak z živin uvolnit energii, tedy je rozložit. Lipidy se rozkládají na glycerol a mastné kyseliny. Glycerol se napojuje do aerobní glykolýzy, mastné kyseliny se přes β oxidaci dostává do reakcí, které vedou ke tvorbě Acetyl CoA a následně do krebsova cyklu. Při rozkladu sacharidů dochází ke tvorbě pyruvátu a posléze ke tvorbě Acetyl CoA, který pak, jako produkt aerobní glykolýzy vstupuje do krebsova cyklu.

aminokyseliny odbourávání

Rozklad bílkovin probíhá nejdříve jejich rozložením na aminokyseliny, a poté jsou aminokyseliny transaminací přeměněny a následně vstupují buď do aerobní glykolýzy, nebo vstupují do krebsova cyklu nějaké přeměněné podobě (př. Jako acetyl CoA). Některé aminokyseliny se připojují k pyruvátu a následně pak slouží k obnovám oxalacetátu, nebo na tvorbu Acetyl CoA. Mezi tyto aminokyseliny patří Ala, Cys, Gly, Ile, Ser, Thr, Trp. Jsou ale i aminokyseliny, které se podílí výhradně na tvorbě oxalacetátu, jsou to Asn a Asp. Aminokyseliny, které napomáhají tvorbě Acetyl CoA přímo, nikoli přes pyruvát jsou tyto: Leu, Lys, Phe, Thr, Trp, Tyr. I do ostatních částí krebsova cyklu se připojují některé aminokyseliny. Například Phe a Tyr se napojují do reakcí vedoucí ke tvorbě fumarátu. Ile, Met, Thr a Val se napojují k SukcinoylCoA. Arg, Glu, Gln, His, Pro se napojuje k 2 oxoglutarátu. Tímto „napojením se do cyklu“ máme na mysli chemickou přeměnu dané aminokyseliny, která se takto změní na jednu z látek, která se v cyklu účastní. Příkladem nechť je přeměna Asp na sukcinát.

Z tohoto lze usoudit, že Krebsův cyklus hraje poměrně zásadní roli v celém metabolismu. Z něj se pak odvádí produkty do koncového dýchacího řetězce, kde se přeměňují na ATP.
Krebsův cyklus má vzhledem ke své důležitosti celou řadu názvů. Jiným názvem může být například citrátový cyklus, cyklus kyseliny citronové, cyklus trikarboxylových kyselin. Citrátový cyklus se mu říká, protože je citrát prvním produktem celého cyklu.
Krebsův cyklus objevil překvapivě Hans Adolf Krebs, což byl německý biochemik, který se po uchopení moci přestěhoval do Anglie. Především tam studovat metabolismus a jeho vedlejší produkty. Spoluobjevil 1. známou cyklickou metabolickou dráhu a to močovinový cyklus, který je někdy také nazýván malý Krebsův cyklus. Za samotný objev Krebsova cyklu mu byla udělena Nobelova cena.
Krebsův cyklus je cyklický děj, který je běžný u aerobních organismů, probíhá tedy pouze aerobně, ačkoli v něm nikdy nevystupuje kyslík jako takový. Slouží k odbourávání Acetyl CoA, tedy látky vzniklé v metabolismu sacharidů, tuků a bílkovin. Dochází při něm k následujícímu sledu reakcí: přeměna Acetyl CoA na oxid uhličitý a vznik NADH, FADH₂ redukcí a tvorba GTP. Krebsův cyklus je hlavním zdrojem CO₂, za den vyprodukuje asi 13 molů, tj. 570 gramů, tento se pak uvolňuje respirací. Krebsův cyklus probíhá v mitochondriální matrix eukaryot, nebo v cytoplazmě prokaryot. Zahrnuje několik dílčích reakcí, při nichž probíhají hlavně dehydrogenace a dekarboxylace.
Citrátový 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.

Průběh Krebsova cyklu

Citrátový cyklus neboli cyklus kyseliny citronové je označení pro sled reakcí, při nichž se acetylkoenzym A mění na oxid uhličitý za současného uvolnění energie, CO₂ a dalších látek. Je to cyklický děj a proto se citrát poté musí regenerovat. V citrátovém cyklu jsou vznikající meziprodukty popisovány někdy jako ionty a někdy jako celé kyseliny.
První látkou která do krebsova cyklu vstupuje je oxalacetát. Ten neustále krouží v cyklu a mění sr následujícími reakcemi. Je-li ho ale nedostatek, musí se nějak doplnit. K tomu se používá reakce pyruvátu s CO₂. Tato reakce musí být katalyovaná a to biotinem, tedy vitamínem H.

Krok 1 – aldolová kondenzace

Při prvním kroku, tedy při aldolové kondenzaci dochází k odštěpení protonu z methylové skupiny na Acetyl CoA. Tato záporně nabytá skupina CH₂^- se pak váže na karbonylový uhlík oxalacetátu. Vzniklý meziprodukt se hydroliticky štěpí za uvolnění CoA.

Krok 2 – izomerace

Vzniklá molekula se snaží vytvořit poněkud nestabilní b-ketokyselinu, jenže citrát nelze oxidovat, protože je to terciární alkohol. Proto je nutné citrát za enzymatické katalýzy izomerizovat na isocitrát, která má hydroxyskupinu skutečně již v poloze β, čímž se z citrátu stane senudární alkohol, který již oxidovat můžeme. Při izomeraci dochází nejprve k odstranění a následně k přidání vody.

Krok 3 – oxidace a dekarboxylace

Prvním z kroků oxidačních je oxidace hydroxy skupiny na β uhlíku na oxoskupinu. U toho se uvolňuje proton, který je navázán přenašečem vodíku NAD. Takto vzniklý meziprodukt je vzhledem k nakumulovaným oxoskupinám poměrně dost nestálý a uvolňuje se z něj proto CO₂, proběhne tedy dekarboxylace.

Krok 4 – oxidace a dekarboxylace II

Druhá oxidace a dekarboxylace, navázání zbytku kyseliny jantarové na koenzym A. Komplex enzymů, který tuto reakci umožňuje je velmi podobný pyruvátdehydrogenáze, tedy enzymu, který přeměňuje pyruvát na Acetyl CoA.

Krok 5 – substrátová fosforilace

Probíhající dekarboxylace i dehydrogenace ve 4. kroku je pochopitelně provázena uvolněním energie, která se použije na navázání CoA na sukcinyl. Sukcinyl-CoA tak můžeme považovat za makroergní sloučeninu. Její energie se použije k syntéze GTP, která probíhá analogicky se syntézou ATP, tedy navázáním fosfátu na GDP. Touto reakcí zvanou substrátová fosforilace vzniká kromě GTP i sukcinát, tedy kyselina jantarová. V rostlinách a bakteriích nedochází k navazování fosfátu, ale pouze ke změně báze, z guaninu se stává adenin, a tím se tvoří ADP.

Krok 6 – oxidace III

Při třetí oxidaci dochází k redukci vodíkového přenašeče FAD vodíkem, čímž vzniká FADH₂. Díky této redukci dochází k oxidaci sukcinátu, kdy vzniká fumarát.

Krok 7 – elektrofilní adice vody

Elektrofilní adicí vody se fumarát obohacuje jak o vodík, ale zároveň také o hydroxy skupinu. Malát, tedy zbytek po kyselině jablečné je opticky aktivní látka, zde se vyskytuje ve formě L malátu.

Krok 8 – Regenerace oxalacetátu a oxidace IV

Poslední oxidací se uvolňují další dva protony a za enzymatického působení dochází k oxidaci. Tímto se regeneruje původní látka, která na začátku reagovala s acetyl CoA, a krebsův cyklus tedy může probíhat znovu.

Navazující reakce a cykly

Na krebsův cyklus navazuje tvorba aminokyselin, porfyrinů, bází nukleových kyselin. Mimo to na něj navazuje malý krebsův, tedy močovinový cyklus. Dalším navazujícím cyklem je glyoxylátový cyklus, ten nastává při nadbytku acetyl CoA, dochází při něm k rozkladu zásobních olejů a k syntéze C4 látek (sukcinát, oxalacetát). Toto probíhá ve specializovaných organelách zvaných glyoxyzómy. Tento cyklus ale probíhá pouze u některých rostlin. Příkladem je řepka, mák a nebo slunečnice.

Celková bilance Krebsova cyklu

Z jedné molekuly acetylCoA vzniká 3x NADH+H⁺, což vede ke vzniku 3x 3 molekul ATP. Dále je uvolňován 1x FADH₂, který dává vzniknout 1x 2 ATP a také vzniká GTP, který poskytuje další jednu molekulu ATP. Teoreticky tedy vzniká 12 ATP, prakticky vzniká pouze ±10 ATP. Hlavní úlohou krebsova cyklu ale není „výroba“ ATP, ale vytvoření redukovaných koenzymů, které se pak použijí v dýchacím řetězci.

Dýchací řetězec

I dýchací řetězec je v metabolických procesech extrémně důležitým procesem a proto se mu také velmi rozdílně říká. Jeho hlavní funkcí je získávání ATP pro všechny energetické procesy v těle. Synonymum pro dýchací řetězec je například respirační, oxidační nebo elektrontransportní řetězec.
Dýchací řetězec je koncová část aerobního katabolismu. Vyskytuje se u všech organismů! Jeho význam spočívá v zisku energie, který je spojen s oxidační fosforylací (a tedy i vznikem ATP). Tato energie se získává postupným přenosem H dýchacím řetězcem z redukovaných koenzymů NADH a FADH₂ na kyslík, což zajišťují dýchací barviva. Tímto vzniká voda, zatímco redukované koenzymy se oxidují. U některých bakterií je konečným akceptorem vodíku síranový nebo dusičnanový anion, nemusí to být vždy voda. Jelikož je reakce, kterou vzniká voda z kyslíku a vodíku poměrně explozivní, musí se rozdělovat do dílčích reakcí. Energeticky se H a O postupně přibližují, jejich energie se postupně uvolňuje a organismus ji dokáže využít.

Detailní popis dýchacího řetězce

Dýchací řetězec probíhá na vnitřní membráně mitochondrií. Jejich vnitřní membrána je tvořená kristy, čímž se jí zvětšuje aktivní povrch. Vnější membrána žádné kristy nemá, zato se na ní vyskytují ale póry. Uvnitř mitochondrií je nitrobuněčná hmota matrix, odkud se kationty vodíku přemísťují do mezimembránového prostoru. U prokaryotních buněk dýchací řetězec probíhá na vnitřní membráně cytoplasmatické membrány.

Dýchací řetězec je sled redoxních dějů, při kterých dochází ke slučování H s O. Tento děj probíhá postupně, je to exergonický děj, uvolňuje se při něm tedy energie. Ta je využita na transport kationtu vodíku z matrix do mezimembránového prostoru. K přesunu dochází samovolně díky tomu, že je v matrix vyšší pH. Protony se ale transportují i opačným směrem, ale to již běží proti gradientu pH, a musí se k tomuto přesunu použít ATP. Enzymové komplexy jsou stroje čerpající protony při přenosu elektronů (analogie s elektromotory). Takto nějak zní teorie, která zatím sice není potvrzená, ale jeví se poměrně věrohodně. Rozdíl v koncentracích protonu se nazývá chemiosmotická teorie.
Složky respiračního řetězce transportují elektrony z NADH a FADH₂ pomocí série redoxních reakcí z přenašeče na přenašeč (uspořádány dle rostoucí afinity k elektronům), přičemž konečným akceptorem těchto elektronů je O₂ na konci řetězce.

Redoxní přenašeče

Respirační řetězec se skládá ze 4 proteinových komplexů označených římskými číslicemi (komplexy I, II, III a IV), které jsou integrálními součástmi vnitřní mitochondriální membrány a dále se zde uplatňují dva mobilní přenašeče elektronů: ubichinon (=koenzym Q) a cytochrom c.
Celá reakce spočívá ve způsobu odštěpování vodíku z přenašečů. Dochází totiž k odštěpení nejen protonu H⁺, ale i elektronu, což je tedy redoxní reakce, u které můžeme určit redoxní potenciál redukčních či oxidačních činidel. Víme, že oxidační činidla elektrony přijímají a mají tedy positivní redoxní potenciál, zatímco činidla redukční elektrony poskytují a mají tedy potenciál negativní. Redoxní potenciál v příslušné redoxní poloreakci charakterizuje sílu oxidačních, redukčních činidel. Redoxní potenciál přenašečů vodíku je v záporných číslech, konkrétně -0,32 V, redoxní potenciál se ale postupně v rámci dýchacího řetězce zvyšuje do kladných čísel, na kyslíku již dosahuje 0,82 V. Rozdíl těchto potencionálů v rámci uspořádaných komplexů na membráně mitochondrií je energetickým spádem, který je využitelný pro tvorbu ATP.

Je tedy jasné, že jsou jednotlivé vodíkové přenašeče uspořádány v řadě za sebou tak, aby začínali nejslabším oxidačním činidlem a jejich síla se postupně zvyšovala, tak aby byla reakce s kyslíkem umožněna opravdu postupně.

Komplex I se jmenuje NADH-CoQ oxidoreduktasa a přijímá protony a elektrony z NADH + H⁺ a přenáší je na ubichinon (koenzym Q).

Komplex II se jmenuje Sukcinát-CoQ oxidoreduktasa a přijímá redukční ekvivalenty FADH₂ a přenáší je také na ubichinon.
Ubichinon se redukuje na ubichinol a transportuje elektrony z komplexů I a II na komplex III.

Koenzym Q (=ubichinon) je vysoce lipofilní molekula a rychle se pohybuje v mitochondriální membráně.
Komplex III, neboli CoQH₂^– cytochrom c oxidoreduktasa, přijímá elektrony a transportuje je do komplexu IV.
Komplex IV, tedy cytochrom c oxidasa katalyzuje přenos elektronů na O₂ za vzniku silně bazického iontu O^2-, který se okamžitě váže s H⁺ za tvorby molekuly vody. Jako komplex V bývá někdy označována ATP-syntháza.
4e- + O₂ → 2 O^2- + 4H⁺→2H₂O
Protony vytvářejí napříč vnitřní mitochonriální membránou tzv. elektrochemický gradient. Tím jak elektrony prochází postupně celým řetězcem komplexů, kde dochází k navyšováním jejich počtu tím, že se rozpadají další redukované koenzymy a protony z nich jsou transportovány díky těmto komplexům do mezimembránového prostoru.
Elektrony, která vznikly při redoxních reakcích jsou přenášeny až na komplex IV, kde umožňují vzniknout molekuly vody z kyslíku a protonů.

dýchací řetězec, převzato z http://www.teplamilada.wz.cz/materialy.html

Oxidační fosforylace

Oxidační fosforilace je proces spojený s dýchacím řetězcem. Dochází k němu k syntéze ATP a to tím, že se na ADP naváže fosfát. Celá reakce je katalyzovaná ATP – synthasou, která pro svoji funkci využívá gradient protonů. Proces oxidační fosforilace byl vysvětlen Peterem Mitchellem (Nobelova cena 1972), mechanismus ovlivňování vysvětlili Boyer + Walker ( NC 1997). Při oxidativní fosforilaci se využívá energie uvolňěná při redoxních pochodech přes membránové komplexy. Platí pravidlo, že oxidací 1 NADH vznikají 3 ATP a oxidací 1 FADH2 vznikají 2 ATP.
ADP + P → ATP + H₂O

Energie gradientu je použita k pohonu ATP-synthasy. ATP synthasa obsahuje ve své struktuře protonový kanál, přes který se protony vrací z mezimembránového prostoru do matrix. Energie tohoto gradientu je použita k pohonu ATP-synthasy. Funkci ATP-synthásy si můžeme připodobnit k funkci vodní elektrárny. ATP syntázu tvoří tři části F₀, která je zapuštěna do fosfolipidové membrány F₁, která naopak „trčí do matrix a krček nebo stonek. Ten je složen z rotoru a statoru, což naznačuje, že se bude ATP syntáza otáčet. Jejím postupným otáčením, ke kterému dochází díky proudu H⁺ dochází k tvorbě energie, která se pak využije na tvorbu makroergní vazby, tedy na navázání fosfátu na ADP.
Některé organismy jsou schopné modifikovat gradient pH tak, že produkují pouze teplo a nikoli ATP. Tuto modifikaci umožňují odpřahující proteiny (termogenin), které znemožní dokončení cyklu na ATPáze. Toto se děje například v hnědé tukové tkáni, jejíž zabarvení je dáno právě díky velkému množství cytochromu v mitochondriích. Vyskytuje se u novorozeňat (mezi scapulami, u ledvin a okolo scapul) ale i u zimních spáčů, kterým umožňuje netřesovou termogenezi.