3 Energie, katalýza a biosyntéza

3 Energie, katalýza a biosyntéza

Živé tvory téměř zázračně odlišuje od neživé hmoty především jedna vlastnost: vytvářejí a udržují pořádek ve světě, který spěje k čím dál většímu chaosu. Při tvorbě tohoto pořádku musí buňky v živém organismu provádět nikdy nekončící proud chemických reakcí. V některých z těchto reakcí se dělí či pozměňují malé organické molekuly jako aminokyseliny, cukry, nukleotidy a lipidy, aby poskytly celou řadu dalších malých molekul, jež buňka potřebuje. V jiných reakcích se tyto malé molekuly používají při výstavbě nesmírně rozmanité škály proteinů, nukleových kyselin a dalších makromolekul, které obdařují živé systémy jejich rozdílnými vlastnostmi. Na každou buňku se můžeme dívat jako na malou chemickou továrnu, kde se každou sekundu odehrává mnoho tisíc chemických reakcí. K provádění chemických reakcí pro udržení své vlastní existence potřebuje živý organismus nejen zdroj atomů ve formě molekul živin, ale také zdroj energie. Jak atomy tak energie musí nakonec pocházet z neživého prostředí. V této kapitole probereme, jak buňky získávají energii a jak tuto energii a atomy ze svého okolí používají k vytváření pořádku na molekulární úrovni, který umožňuje život. Chemické reakce prováděné buňkou by normálně probíhaly jen při teplotách značně vyšších než uvnitř buňky. Proto každá reakce vyžaduje specifické zvýšení chemické reaktivity. Tento požadavek má zásadní význam, neboť umožňuje buňce ovládat každou chemickou reakci. Buňka ovládá reakce prostřednictvím enzymů, z nichž každý urychluje (katalyzuje) jen jednu určitou reakci z mnoha možných cest, které reagující molekula může nastoupit. Enzymově katalyzované reakce jsou spojeny za sebou, takže produkt jedné reakce může být výchozí látkou neboli substrátem pro reakci následující (obr. 3-1). Tyto dlouhé lineární reakční dráhy se navzájem spojují a vytvářejí labyrint vzájemně propojených reakcí, které buňce umožňují přežít, růst a rozmnožovat se (obr. 3-2).

KATALÝZA A VYUŽITÍ ENERGIE BUŇKAMI • Biologický pořádek je umožňován uvolňováním tepelné energie z buněk • Fotosyntetické organismy využívají sluneční světlo k syntéze organických molekul • Buňky získávají energii oxidací organických molekul • Oxidace a redukce zahrnuje přenosy elektronů • Enzymy obcházejí bariéry, které brání průběhu chemických reakcí • Jak enzymy nacházejí své substráty: důležitost rychlé difuze • Změna volné energie při reakci určuje, zda reakce může proběhnout • Na DG má vliv koncentrace reaktantů • Pro následné reakce se hodnoty DG° sčítají

AKTIVOVANÉ NOSIČOVÉ MOLEKULY A BIOSYNTÉZA • Tvorba aktivovaného nosiče je spřažena s energeticky výhodnou reakcí • ATP je nejčastěji užívanou nosičovou molekulou • Energie uložená v ATP se často využívá ke spojení dvou molekul • NADH a NADPH jsou důležité přenašeče elektronů • V buňkách existuje mnoho dalších aktivovaných přenašečových molekul • Syntéza biologických polymerů vyžaduje přísun energie

77

V buňkách se vyskytují dva opačné proudy chemických reakcí. (1) Katabolické dráhy odbourávají živiny na menší molekuly a při tom vytvářejí užitečnou formu energie pro buňku a některé z malých molekul, které buňka potřebuje jako stavební kameny. (2) Anabolické čili biosyntetické dráhy používají energii získanou organismem v katabolismu k pohonu syntézy mnoha jiných malých molekul, které tvoří buňku. Společně se oba soubory reakcí označují jako metabolismus buňky (obr. 3-3). Mnoho z těchto reakcí spadá do předmětu biochemie a my se jimi nemusíme zabývat. Obecné principy, podle nichž buňky získávají energii ze svého okolí a používají ji k vytváření pořádku, jsou však v buněčné biologii ústředním tématem. V této kapitole jsou tyto principy vyloženy, přičemž na jejím počátku probereme, proč je k udržování živých organismů zapotřebí neustálý přísun energie.

Obrázek 3-1 Jak soubor enzymově katalyzovaných reakcí vytváří metabolickou dráhu. Každý enzym katalyzuje jednu určitou reakci a sám ji opouští nezměněn. V tomto příkladu soubor enzymů působících za sebou mění molekulu A v molekulu F a vytváří metabolickou dráhu.

Obrázek 3-2 Některé z metabolických drah a jejich vzájemná propojení v typické buňce. Na schématu je ukázáno asi 500 běžných metabolických reakcí; každá molekula je v metabolické dráze znázorněna plným kroužkem podobně jako ve žlutém poli na obrázku 3-1.

78

Kapitola 3 : Energie, katalýza a biosyntéza

Obrázek 3-3 Schematické znázornění vztahu mezi katabolickými a anabolickými drahami v metabolismu. Protože se velká část energie uložené v chemických vazbách rozptýlí jako teplo, je hmotnost potravy, kterou potřebuje každý organismus čerpající všechnu svou energii z katabolismu, mnohem větší než hmotnost molekul, které mohou být vytvořeny v anabolismu.

Katalýza a využití energie buňkami Neživé věci dříve či později dopustí vlastní přechod do stavu chaosu: stavba se rozpadá a mrtvé organismy se rozkládají. Naproti tomu živé buňky nejenže udržují pořádek na každé úrovni, ale dokonce ho samy vytvářejí: od makroskopické stavby motýla či květiny až po uspořádání atomů v molekulách, z nichž se tyto organismy skládají (obr. 3-4). Život může mít tuto vlastnost díky důmyslným buněčným mechanismům, které získávají energii z okolí a převádějí ji na formy, které může buňka využívat k neustálému vytváření biologického pořádku.

Biologický pořádek je umožňován uvolňováním tepelné energie z buněk Všeobecná snaha věcí směřovat k chaosu je vyjádřena v jednom ze základních zákonů fyziky. Tím je druhá věta termodynamiky, která říká, že ve vesmíru nebo jakékoli izolované soustavě (soustava látky či látek, která je zcela izolována od okolního vesmíru) může neuspořádanost jen vzrůstat. Tento zákon má tak hluboké důsledky pro všechny živé tvory, že stojí za to si ho formulovat několika různými způsoby. Druhou větu termodynamiky si můžeme představit například v pojmech pravděpodobnosti a prohlásit, že soustavy se budou samovolně měnit směrem k nejpravděpodobnějšímu uspořádání. Když vezmeme krabici se 100 mincemi, které všechny leží na téže straně, povede řada jevů působících změnu uspořádání těchto mincí postupně ke stavu „hlava“ u 50 mincí a „orel“ u dalších 50 mincí. Důvod je prostý: existuje obrovské množství uspořádání jednotlivých mincí ve směsi s poměrem 50:50, ale jen jedno možné uspořádání, při kterém zůstává u všech mincí „hlava“. Směs 50:50 je proto pravděpodobnější a my říkáme, že je více „neuspořádaná“. Ze stejného důvodu pozorujeme, že v našem životním prostoru vzrůstá neuspořádanost bez toho, abychom na to záměrně vynaložili nějaké úsilí. Pohyb soustavy směrem k větší neuspořádanosti je samovolný děj, k jehož obrácení je třeba opakovaného úsilí (obr. 3-5).

(A)

(B)

Katalýza a využití energie buňkami

(C)

(D)

Obrázek 3-4 Uspořádanost v biologických strukturách. Na všech úrovních organizace v živých organismech lze najít dobře definované a krásné prostorové vzory. Podle rostoucí velikosti: (A) molekuly proteinu v plášti viru, (B) pravidelné uspořádání mikrotubulů pozorované v příčném řezu ocáskem spermie, (C) povrchové kontury pylového zrna, (D) křídlo motýla fotografované z bezprostřední blízkosti. Vzorek je tvořen šupinkami, přičemž každá šupinka je produktem jedné buňky. (E) spirálovité pole semen, utvořené milióny buněk, v květu slunečnice.

(E)

79

"SPONTÁNNÍ REAKCE" v ãase

Obrázek 3-5 Každodenní ukázka samovolného vzniku nepořádku. Zvrácení tohoto pohybu směrem k nepořádku vyžaduje záměrné úsilí a dodání energie; rozhodně není spontánní. Podle druhého zákona termodynamiky si můžeme být jisti, že potřebný lidský zákrok uvolní do okolí dost tepelné energie, která více než vyrovná opětné uspořádání věcí v místnosti.

ORGANIZOVANÁ SNAHA VYÎADUJÍCÍ DODÁNÍ ENERGIE

Množství nepořádku v soustavě lze měřit. Veličinou, kterou používáme k měření této neuspořádanosti, je entropie soustavy: čím větší je neuspořádanost soustavy, tím větší je její entropie. Třetí možností, jak vyjádřit druhou větu termodynamiky, je rčení, že soustavy se samovolně mění směrem k vyšší entropii. Živé buňky při své snaze přežít a při svém rozmnožování a utváření složitých organismů vytvářejí pořádek, a tak by se mohlo zdát, že vzdorují druhému zákonu termodynamiky. Jak je to možné? Odpověď je prostá: buňka není izolovanou soustavou. Bere si energii z okolí v podobě potravy nebo fotonů slunečního světla, případně – jako některé chemosyntetické bakterie – ze samotných anorganických molekul, a potom používá tuto energii k vytváření pořádku uvnitř sebe samé. V průběhu chemických reakcí vedoucích k vyšší uspořádanosti se část energie používané buňkou mění v teplo. Toto teplo se rozptyluje do okolí buňky a zvyšuje v něm neuspořádanost, takže celková entropie buňky a okolí vzrůstá přesně tak, jak to vyžadují zákony fyziky. Obrázek 3-6 Jednoduchá termodynamická analýza živé buňky. Na obrázku vlevo jsou molekuly v buňce i v okolním vesmíru (moře hmoty) nakresleny v poměrně neuspořádaném stavu. Na obrázku vpravo buňka přijala energii z molekul potravy a uvolnila teplo reakcí, která uspořádá molekuly obsažené v buňce. Protože teplo zvyšuje neuspořádanost v okolí buňky (znázorněna klikatými šipkami a deformovanými molekulami, které ilustrují tepelný pohyb), je růstem a dělením buňky splněna druhá věta termodynamiky, která říká, že množství neuspořádanosti ve vesmíru musí neustále vzrůstat.

80


padající cihla obsahuje kinetickou energii

zdviÏená cihla obsahuje potenciální energii zpÛsobenou pfiitaÏlivostí

pfii dopadu cihly na podlahu se uvolÀuje teplo

potenciální energie daná polohou

kinetická energie

tepelná energie

+ dvû molekuly plynného vodíku

molekula plynného kyslíku

rychlé rotace a vibrace novû vytvofien˘ch molekul vody rychl˘ pohyb molekul H2O

energie chemické vazby v H2 a O2

baterie –

teplo rozpt˘lené do okolí

Obrázek 3-7 Několik vzájemných přeměn známých forem energie. Všechny formy energie lze v podstatě převádět jednu v druhou. Při těchto dějích se celkové množství energie zachovává; můžeme tedy například z hmotnosti cihly v první části obrázku a z výšky, ve které se nachází, přesně předpovědět, kolik tepla se uvolní při jejím nárazu na podlahu. Ve druhém příkladu si všimněte, že velké množství chemické energie uvolněné při vzniku vody se na počátku přemění na velmi rychlý tepelný pohyb obou nových vodných molekul; srážkami s ostatními molekulami se však tato energie téměř okamžitě rovnoměrně rozptýlí do okolí (přenos tepla) a nové molekuly se tak stanou neodlišitelné od ostatních.

tepelná energie

motor ventilátoru

–

+

+ dráty

ventilátor energie chemick˘ch vazeb

sluneãní svûtlo

elektromagnetická (svûtelná) energie

elektrická energie

molekula chlorofylu

kinetická energie

excitovaná molekula chlorofylu energie chemické vazby

Abyste pochopili principy, jimiž se tyto změny energie řídí, představte si buňku v moři látky představující okolní svět. Během svého života a růstu buňka vytváří vnitřní pořádek na účet moře, neboť při své výrobě molekul a jejich skládání do buněčných struktur uvolňuje tepelnou energii. Teplo je nejneuspořádanější formou energie – náhodnými srážkami molekul. Když buňka uvolní teplo do moře, vzroste intenzita pohybů molekul v moři (tepelný pohyb), a tak se zvýší náhodnost neboli neuspořádanost moře. Druhý zákon termodynamiky je tak splněn, neboť vzrůst uspořádanosti uvnitř buňky je více než vyrovnán větším poklesem uspořádanosti (vzrůstem entropie) v okolním moři látky (obr. 3-6). Odkud pochází teplo uvolněné buňkou? Tady se setkáváme s dalším důležitým zákonem termodynamiky. První věta termodynamiky říká, že energie může přecházet z jedné formy do jiné, ale nelze ji vytvořit ani zničit. Některé formy energie jsou znázorněny na obrázKatalýza a využití energie buňkami

81

ku 3-7. Výsledkem chemických reakcí uvnitř buňky je změna rozložení energie do různých forem, ale – jak nám říká první zákon termodynamiky – celkové množství energie musí být stále stejné. Buňka nemůže mít žádný užitek z tepelné energie, kterou uvolní, pokud nespřáhne reakce uvolňující teplo s ději, při kterých vzniká vyšší uspořádanost. Právě spřažení produkce tepla a růstu uspořádanosti je to, co odlišuje metabolismus buňky od nehospodárného spalování paliva v ohni. Později si v této kapitole ukážeme, jak takové spřažení reakcí funguje. Prozatím postačí, když si uvědomíme, že spřažení „spalování“ potravy a vytváření biologického pořádku je nezbytné, mají-li být buňky schopné vytvářet a udržovat ostrůvek pořádku uprostřed světa, který směřuje k čím dál většímu chaosu.

Fotosyntetické organismy využívají sluneční světlo k syntéze organických molekul Všichni živočichové využívají k životu energii uloženou v chemických vazbách vytvořených jinými organismy, které pojídají. Molekuly potravy živočichům poskytují také atomy, které potřebují k tvorbě nové živé hmoty. Někteří živočichové svou potravu získávají pozřením jiných. Na konci živočišného potravního řetězce jsou však takoví, kteří se živí rostlinami; ty zachycují energii přímo ze slunečního světla. Výsledkem je, že energie užívaná živočišnými buňkami je odvozena přímo ze Slunce (obr. 3-8). Sluneční energie vstupuje do živého světa prostřednictvím fotosyntézy v rostlinách a ve fotosyntetických bakteriích. Fotosyntéza umožňuje elektromagnetické energii slunečního světla změnit se v energii chemických vazeb v buňce. Rostliny mohou získávat všechny potřebné atomy z anorganických zdrojů: uhlík z atmosférického oxidu uhličitého, dusík z amoniaku a dusičnanů v půdě, další potřebné prvky v malých množstvích z anorganických solí v půdě. Rostliny používají energii získanou ze slunečního světla k zabudování těchto atomů do cukrů, aminokyselin, nukleotidů a mastných kyselin. Tyto malé molekuly jsou potom začleňovány do proteinů, nukleových kyselin, polysacharidů a lipidů, které tvoří rostliny. Všechny tyto látky slouží jako molekuly potravy v případě, že jsou rostliny později pozřeny. Reakce fotosyntézy se odehrávají ve dvou fázích (obr. 3-9). V první fázi je energie ze slunečního světla zachycena a přechodně uskladněna jako energie chemických vazeb ve speciálních malých molekulách, které slouží jako přenašeče energie a reaktivních chemických skupin. (Tyto aktivované nosičové molekuly probereme

82


Obrázek 3-8 Zářivá energie slunečního světla. Světlo zachycené v rostlinách a některých organismech fotosyntézou je prvotním zdrojem veškeré energie pro lidské bytosti a ostatní živočichy.

Obrázek 3-9 Fotosyntéza Dvě fáze fotosyntézy. Nosiči energie vytvořenými v první fázi jsou dvě molekuly, které brzy probereme podrobněji: ATP a NADPH.

později.) V tomto prvním stadiu je jako vedlejší produkt rozpadu vody uvolňován molekulový kyslík (plynný O2). Ve druhém stadiu jsou využívány molekuly, které slouží jako nosiče energie – pomáhají pohánět proces fixace uhlíku, při kterém jsou vyráběny cukry z plynného oxidu uhličitého (CO2) a vody (H2O). Přitom skýtají užitečný zdroj uložené energie chemických vazeb a materiálů – jak pro samotné rostliny tak pro živočichy, kteří se jimi budou živit. Elegantní mechanismy, na kterých spočívají tyto dvě fáze fotosyntézy, popíšeme v Kapitole 13. Čistý výsledek celé fotosyntézy, alespoň u zelených rostlin, může být jednoduše shrnut v rovnici světelná energie + CO2 + H2O Æ cukry + O2 + tepelná energie Vyrobených cukrů se potom použije jako zdroje energie chemických vazeb a zdroje materiálů pro přípravu mnoha jiných malých organických molekul, které jsou pro rostlinnou buňku nepostradatelné.

Otázka 3-1 Zamyslete se nad rovnicí svûtelná energie + CO2 + H2O Æ cukry + O2 Oãekávali byste, Ïe tuto reakci bude provádût jedin˘ enzym? Proã se pfii této reakci vytváfií také teplo? Vysvûtlete své odpovûdi.

Buňky získávají energii oxidací organických molekul Všechny živočišné a rostlinné buňky jsou poháněny chemickou energií uloženou v chemických vazbách organických molekul, ať už jsou to cukry syntetizované rostlinami jako živina pro rostliny samotné nebo směs velkých a malých molekul potravy, kterou pozřel živočich. V tělech rostlin i živočichů je energie z molekul potravy získávána postupnou oxidací neboli řízeným spalováním. Zemská atmosféra obsahuje velký podíl kyslíku, v jehož přítomnosti je energeticky nejstálejší formou uhlíku CO2 a nejstálejší formou vodíku H2O. Buňka je proto schopna získávat energii z cukrů či jiných organických molekul tak, že umožní slučování jejich atomů uhlíku a vodíku s kyslíkem za vzniku CO2 a H2O. Tomuto ději se říká respirace (dýchání). Fotosyntéza a respirace jsou komplementární (vzájemně se doplňující) děje (obr. 3-10). To znamená, že ne všechny výměny mezi rostlinami a živočichy jsou jednosměrné. Rostliny, živočichové a bakterie na této planetě existovali vedle sebe tak dlouho, že se někteří z nich stali přirozenou součástí životního prostředí jiných organismů. A některé molekuly CO2 , jež jsou dnes fixovány do organických molekul při fotosyntéze v zeleném listu, byly včera uvolněny do atmosféry při dýchání živočicha nebo houby či bakterie rozkládající mrtvou organickou látku. Vidíme tedy, že využití uhlíku tvoří obrovský cyklus,


Obrázek 3-10 Fotosyntéza a dýchání jako komplementární děje v živém světě. Fotosyntéza využívá slunečního světla k tvorbě cukrů a jiných organických molekul. Tyto molekuly naopak slouží jako potrava pro jiné organismy. Mnoho z těchto organismů dýchá; při dýchání se využívá O2 k tvorbě CO2 ze stejných atomů uhlíku, které byly přijaty jako CO2 a přeměněny fotosyntézou v cukry. Dýchající organismy přitom získávají chemickou energii, kterou potřebují k životu. První buňky na Zemi zřejmě nebyly schopny fotosyntézy ani dýchání. Fotosyntéza však na Zemi musela dýchání předcházet, neboť existují přesvědčivé důkazy, že k obohacení atmosféry kyslíkem v míře dostatečné k dýchání bylo zapotřebí několika miliard let. (Dnes O2 představuje asi 20 % zemské atmosféry.)

83

Obrázek 3-11 Oxidace a redukce. (A) Principy tvorby kovalentní vazby jsme probrali v kapitole 2. Když dva atomy utvoří polární kovalentní vazbu, je atom, u něhož zůstane větší podíl elektronů, redukovaný, zatímco druhý atom získá menší část elektronů a označuje se jako oxidovaný. Redukovaný atom získal částečný záporný náboj (d-), neboť kladný náboj jádra je nyní převážen celkovým nábojem okolních elektronů; naopak oxidovaný atom získal částečný kladný náboj (d+). (B) Jediný uhlíkový atom methanu se může změnit v uhlíkový atom oxidu uhličitého postupným nahrazením kovalentně vázaných vodíků atomy kyslíku. V každém kroku se elektrony posouvají směrem pryč od uhlíku, který se tak stává stále více oxidovaným. Každý z těchto kroků je za podmínek uvnitř buňky energeticky výhodný.

který zahrnuje biosféru (všechny živé organismy na Zemi) jako celek a překračuje hranice mezi jednotlivými organismy. Podobně se pohybují mezi živým a neživým světem atomy dusíku, fosforu a síry v cyklech, které postihují rostliny, živočichy, houby a bakterie.

Oxidace a redukce zahrnuje přenosy elektronů Buňka neoxiduje organické molekuly v jednom kroku, jak se to děje při spalování organického materiálu v ohni. S využitím enzymových katalyzátorů nechává metabolismus molekuly procházet velkým počtem reakcí, které jen zřídka zahrnují přímou adici kyslíku. Dříve než probereme některé z těchto reakcí a jejich účel, musíme si vysvětlit, co přesně znamená proces oxidace. Oxidace ve výše užitém smyslu slova neznamená pouze adici atomů kyslíku. Obecněji se toto označení vztahuje na každou reakci, ve které jsou elektrony přenášeny od jednoho atomu k druhému. Oxidace se tedy týká odstranění elektronů, zatímco redukce, která je opakem oxidace, se vztahuje na jejich adici. Tak například kation Fe2+ se oxiduje, když ztratí elektron a změní se v Fe3+, a atom chloru se redukuje, pokud získá elektron navíc a stane se aniontem Cl–. Protože se celkový počet elektronů během chemické reakce nemění (neztrácí se ani nepřibývají), probíhají oxidace a redukce vždy současně: získá-li v reakci jedna molekula elektron (redukce), druhá molekula elektron ztratí (oxidace). Je-li například molekula cukru oxidována na CO2 a H2O, získávají molekuly O2 zúčastněné v reakci při tvorbě vody elektrony, a proto se říká, že dochází k jejich redukci. Termíny „oxidace“ a „redukce“ se používají, i pokud dochází jen k částečnému posunu elektronů mezi atomy spojenými kovalentní vazbou (obr. 3-11A). Když je například atom uhlíku kovalentně vázán k atomu se silnou elektronovou afinitou, třeba ke kyslíku, chloru či síře, vzdává se více než „polovičního“ podílu elektronů a tvoří polární kova84


lentní vazbu. Kladný náboj uhlíkového jádra je o něco větší než záporný náboj jeho elektronů; atom proto získává částečně kladný náboj a říká se, že je oxidovaný. Naopak atom uhlíku ve vazbě C-H má o něco více než „poloviční podíl elektronů“, a proto se říká, že je redukovaný (obr. 3-11B). Pokud molekula v buňce získá elektron (e–), často získá současně i proton (H+) (protony jsou volně dostupné ve vodě). Čistým výsledkem je v tomto případě adice vodíkového atomu k molekule A + e– + H+ Æ AH Ačkoli v ději figuruje proton plus elektron (místo samotného elektronu), jsou hydrogenační reakce považovány za redukce, a naopak, dehydrogenační reakce jsou oxidacemi. Je zvláště snadné určit, zda u organické molekuly dochází k oxidaci či redukci: pokud počet vazeb C-H vzrůstá, jde o redukci, zatímco při snižování počtu vazeb C-H jde o oxidaci. Buňky využívají enzymů ke katalýze oxidace organických molekul v malých krocích v řadě reakcí, což umožňuje získat co nejvíce využitelné energie. Nyní si potřebujeme vysvětlit, jak enzymy pracují a některá omezení týkající se jejich činnosti.

Otázka 3-2 V kter˘ch z následujících reakcí podstupuje ãerven˘ atom oxidaci? A. NaÆ Na+ (atom Na Æ ion Na+) B. Cl ÆCl– (atom Cl Æ ion Cl–) C. CH3CH2OH ÆCH3CHO (ethanolÆ acetaldehyd) D. CH3CHO ÆCH3COOH (acetaldehydÆ octová kyselina) E. CH=CH ÆCH3CH3 (ethenÆ ethan)

Enzymy obcházejí bariéry, které brání průběhu chemických reakcí Podívejme se na reakci papír + O2 Æ kouř + popel + teplo + světlo + CO2 + H2O Papír ochotně shoří a uvolní do atmosféry energii ve formě tepla a světla, vodní páru a plynný oxid uhličitý, ale kouř a popel se nikdy samovolně nesloučí s těmito molekulami z ohřáté atmosféry a nesloží se zpět do papíru. Když papír shoří, jeho chemická energie se rozptýlí jako teplo – neztratí se z vesmíru, protože energie nemůže být vytvořena nebo zničena, ale nenávratně se rozptýlí do chaotických náhodných tepelných pohybů molekul. Za stejný čas se atomy a molekuly papíru rozptýlí a zavládne mezi nimi značný chaos. Řečeno slovy termodynamiky, dojde ke ztrátě volné energie, tj. energie, kterou lze získat a využít k práci či pohonu chemických reakcí. Tato ztráta odráží ztrátu pořádku ve způsobu, jakým byly energie a molekuly uloženy v papíru. Volnou energii si zakrátko probereme podrobně, ale základní princip je dostatečně jasný intuitivně: chemické reakce probíhají jen tím směrem, který vede ke ztrátě volné energie. Jinými slovy: samovolným směrem je pro každou reakci směr „z kopce“. Reakce směrem „z kopce“ se často označuje jako energeticky výhodná“. Ačkoli jsou za normálních podmínek energeticky téměř nejvýhodnějšími formami uhlíku a vodíku CO2 a H2O, nemizí živý organismus v obláčku kouře a z knihy ve vašich rukou nevyšlehnou plameny. Je tomu tak proto, že jak molekuly v živém organismu tak molekuly v knize jsou v poměrně stálém stavu a nemohou přejít do stavu o nižší energii bez toho, aby jim byla nějaká energie nejprve dodána. Jinými slovy, k chemické reakci vedoucí k ještě stálejšímu stavu potřebuje molekula aktivační energii – „výkop“ přes energetickou bariéru (obr. 3-12). Má-li hořet kniha, je k tomu zapotřebí aktivační energie v podobě tepla zapálené sirky. Molekulám ve vodném roztoku uvnitř buňky je obvykle tento


Obrázek 3-12 Princip aktivační energie. Sloučenina X je ve stabilním stavu a k její přeměně ve sloučeninu Y je zapotřebí energie, ačkoli se Y nachází na nižší energetické úrovni než X. Proto se tato přeměna neuskuteční, dokud sloučenina X nezíská dostatečné množství aktivační energie (energie a minus energie b) ze svého okolí, aby mohla podstoupit přeměnu ve sloučeninu Y. Tato energie může být získána z neobvykle energické srážky s jinými molekulami. Pro obrácenou reakci YÆ X musí být aktivační energie mnohem větší (energie a minus energie c); proto bude tato zpětná reakce probíhat mnohem méně často. Aktivační energie jsou vždy kladné, avšak všimněte si, že celková změna energie pro energeticky výhodnou reakci XÆY je energie c minus energie b, tedy záporné číslo.

85

Obrázek 3-13 Snížení aktivační energie značně zvyšuje pravděpodobnost reakce. V populaci identických molekul substrátu budou mít tyto molekuly různou energii, která je v každém okamžiku rozložena tak, jak je ukázáno v grafu. Změny energie pocházejí ze srážek s okolními molekulami; díky těmto srážkám se molekuly substrátu otřásají, vibrují a otáčejí se. U molekuly, která má podstoupit chemickou reakci, musí její energie přesáhnout aktivační energii této reakce. U biologických molekul se to téměř nikdy nestává bez enzymové katalýzy. Dokonce i když reakci katalyzuje enzym, musí molekuly substrátu přimět k reakci zvláště energická srážka.

„výkop“ uštědřen neobvykle energickými náhodnými srážkami s okolními molekulami – srážkami, jejichž prudkost vzrůstá s rostoucí teplotou prostředí. V živých buňkách pomáhá molekulám v překonání energetické bariéry zvláštní třída proteinů, tzv. enzymy. Každý enzym pevně váže jednu nebo dvě molekuly substrátu a drží je způsobem, kterým je jakoby možno obejít energetickou bariéru určité chemické reakce, kterou mohou vázané substráty podstoupit. Látka, která je toho schopna, se nazývá katalyzátor. Katalyzátory zvyšují rychlost chemických reakcí, neboť díky jim představuje mnohem větší podíl náhodných srážek s okolními molekulami dostatečný impuls pro substráty k překonání energetické bariéry, jak je vidět na obrázku 3-13. Enzymy patří mezi nejúčinnější známé katalyzátory; často urychlují reakce až 1014krát, a tak umožňují děje, které by jinak za normálních teplot vůbec neprobíhaly. Enzymy jsou také vysoce selektivní. Každý enzym obvykle katalyzuje jen jednu určitou reakci – jinými slovy, selektivně snižuje aktivační energii jen jedné z několika možných chemických reakcí, které by mohly vázané molekuly substrátu podstoupit. Tímto způsobem enzymy vedou každou z mnoha různých molekul v buňce podél její specifické reakční dráhy (obr. 3-14). Úspěch živých organismů tkví ve schopnosti buňky vytvářet enzymy mnoha typů, každý s přesně určenými vlastnostmi. Každý enzym má jedinečný tvar s aktivním místem – kapsou či žlábkem v enzymu, kam se hodí jen určité substráty (obr. 3-15). Jako jiné katalyzátory zůstávají i enzymy po reakci nezměněny a mohou opět plnit svou funkci. Až podrobně prozkoumáme strukturu molekul proteinů, probereme v Kapitole 5 obšírněji, jak enzymy pracují.

Jak enzymy nacházejí své substráty: důležitost rychlé difuze Typický enzym každou sekundu katalyzuje reakci asi tisíce molekul substrátu; to znamená, že musí být schopen navázat novou molekulu substrátu ve zlomku milisekundy. Ale jak enzymy tak jejich substráty jsou v buňce přítomny v poměrně malých množstvích. Jak se mohou tak rychle najít? Rychlé navázání je možné díky nesmírně rychlým pohybům na úrovni molekul. Tepelná energie soustavy udržuje molekuly ve stálém pohybu, a proto velmi důkladně „propátrají“ a procestují prostor

86


Obrázek 3-14 Analogie plovoucího míče pro enzymovou katalýzu. (A) Snížená hráz představuje enzymovou katalýzu. Každý zelený míček představuje možný substrát enzymu (sloučenina X), který poskakuje nahoru a dolů po hladině energie díky neustálým vlnám (analogie k bombardování substrátu tepelnými srážkami s okolními molekulami vody). Podstatné snížení hráze (aktivační energie) umožní energeticky výhodný pohyb míčku (substrátu) z kopce. (B) Čtyři stěny krabice představují bariéry aktivační energie pro čtyři různé chemické reakce, které jsou všechny energeticky výhodné, neboť jejich produkty leží na nižší energetické úrovni než substráty. U skříňky vlevo neprobíhá žádná reakce, protože ani největší vlny nejsou s to překonat některou z energetických bariér. U skříňky vpravo snižuje enzymová katalýza aktivační energii jen pro reakci číslo 1; nárazy vln umožní průchod molekuly jen přes tuto energetickou bariéru, což vyvolá reakci číslo 1. (C) Rozvětvená řeka s řadou hrází (žluté rámečky) slouží k ilustraci toho, jak série enzymově katalyzovaných reakcí určuje přesnou reakční dráhu, kterou sleduje každá molekula uvnitř buňky.

uvnitř buňky; tomuto jevu se říká difuze. Takto se každá molekula v buňce každou sekundu sráží s obrovským počtem jiných molekul. Jak se molekuly v kapalině srážejí a odrážejí, pohybuje se jednotlivá molekula nejprve jedním směrem a potom jiným, z vnějšího pohledu po náhodné dráze (obr. 3-16). Při takové „procházce“ je průměrná vzdálenost každé molekuly od startu přímo úměrná druhé odmocnině spotřeObrázek 3-15 Jak enzymy pracují. Každý enzym má aktivní místo, ke kterému se váže jedna nebo dvě molekuly substrátu a vzniká komplex enzymsubstrát. Reakce probíhá v aktivním místě za vzniku komplexu enzym-produkt. Produkt je potom uvolněn a enzym může vázat další molekuly substrátu.


87

bovaného času: molekule tedy zabere průměrně 1 sekundu, než se dostane 1 mm od startu (vzdušnou čarou), čtyři sekundy potřebuje molekula k „odcestování“ do vzdálenosti 2 mm od startu, 10 sekund k tomu, aby se dostala 10 mm od startu atd. Uvnitř buňky je skutečně pořádná tlačenice (obr. 3-17). Pokusy s fluorescenčními barvivy a dalšími značenými molekulami vstříknutými do buňky však ukázaly, že malé organické molekuly difundují vodným gelem téměř tak rychle jako ve vodě. Malé organické molekule zabere difuze do vzdálenosti 10 mm v průměru jen jednu pětinu sekundy. Difuze proto pro malé molekuly představuje účinný způsob pohybu na krátké vzdálenosti v buňce. Protože se enzymy ve srovnání se substráty pohybují mnohem pomaleji, můžeme je v prvním přiblížení považovat za nehybné. Frekvence setkání každé molekuly enzymu se svým substrátem bude záviset na koncentraci molekul substrátu. Například některé hojné substráty se vyskytují v koncentracích 0,5 mM. Protože čistá voda má koncentraci 55,5 M, vyskytuje se v buňce jen jedna molekula takového substrátu na asi 105 molekul vody. Nehledě na to je aktivní místo enzymové molekuly, které tento substrát váže, během každé sekundy bombardováno asi 500 000 náhodných srážek s molekulami substrátu. (Pro substrát s desetkrát nižší koncentrací tento počet srážek poklesne na 50 000/s atd.) Náhodné setkání vhodného povrchu enzymu s molekulou substrátu vede ihned k utvoření reaktivního komplexu enzym-substrát. Nyní může dojít velmi rychle k reakci s přerušením kovalentní vazby či vytvořením vazby nové. Při nadšení, které v nás zanechává rychlost pohybu molekul a jejich reakcí, se už rychlosti enzymové katalýzy tak obdivuhodné nezdají. Jakmile se substrát srazí s enzymem a správně se přimkne k jeho aktivnímu místu, utvoří mezi sebou mnoho slabých vazeb, které přetrvají až do chvíle, kdy náhodné tepelné pohyby přimějí molekuly opět disociovat. Obecně lze říci, že čím pevnější je vazba substrátu k enzymu, tím pomaleji obě molekuly opět disociují. Nemají-li však srazivší se molekuly dostatečně komplementární povrchy, vytvoří se jen málo nekovalentních vazeb a jejich celková energie je zanedbatelná ve srovnání s energií tepelného pohybu. V tomto případě molekuly od sebe disociují stejně rychle, jako asociovaly (viz obr. 228). To brání nesprávným a nechtěným asociacím náhodných molekul, např. enzymu a nevhodného substrátu.

Obrázek 3-16 Náhodný pohyb. Molekuly v roztoku se pohybují náhodným způsobem díky neustálým srážkám s okolními molekulami. Tento pohyb umožňuje malým molekulám rychle difundovat z jednoho místa buňky do druhého.

Otázka 3-3 Enzym karbonátdehydratáza je jedním z nejrychlej‰ích znám˘ch enzymÛ. Katalyzuje hydrataci CO2 na HCO3– (CO2 + H2O  HCO3– + H+). Rychlá pfiemûna CO2 na mnohem rozpustnûj‰í hydrogenkarbonátov˘ ion (HCO3–) je velmi dÛleÏitá pro úãinn˘ transport CO2 v krevním fieãi‰ti - z tkání, kde CO2 vzniká pfii d˘chání, do plic, odkud je vydechován. Karbonátdehydratáza urychluje reakci 107krát a pfii své mezní rychlosti hydratuje 105 molekul CO2 za sekundu. âím je podle vás ohraniãena rychlost enzymu? Naãrtnûte podobn˘ diagram, jako je na obrázku 3-13, a ukaÏte, které ãásti va‰eho diagramu bylo pfiipsáno 107násobné urychlení reakce.

Obrázek 3-17 Struktura cytoplasmy. Kresba je přibližná podle skutečných poměrů velikosti a zdůrazňuje přeplněnost cytoplasmy. Jsou ukázány jen makromolekuly: ribonukleové kyseliny jsou znázorněny modře, ribosomy zeleně a proteiny červeně. Enzymy a jiné makromolekuly difundují v cytoplasmě poměrně pomalu hlavně kvůli interakcím s mnoha dalšími makromolekulami; naopak malé molekuly difundují téměř tak rychle jako ve vodě. 100 nm

88


Změna volné energie při reakci určuje, zda reakce může proběhnout Nyní musíme učinit krátkou odbočku do základů chemie. Buňky jsou chemické soustavy, které se musí řídit všemi chemickými a fyzikálními zákony. Ačkoli enzymy reakce urychlují, nemohou samy o sobě způsobit průběh reakcí, které jsou energeticky nevýhodné. Přirovnáme-li chemickou reakci k vodnímu toku, nemohou enzymy samy o sobě přimět vodu, aby tekla do kopce. Buňky však právě tohle musí dělat při svém růstu a dělení: musí stavět vysoce uspořádané a energeticky bohaté molekuly z molekul malých a jednoduchých. Uvidíme, že tato věc se daří díky enzymům, které obstarávají spřažení energeticky výhodných reakcí, při nichž se uvolňuje energie a teplo, s energeticky nevýhodnými reakcemi, které budují biologický pořádek. Dříve než prozkoumáme, jak se takového spřažení dosahuje, musíme věnovat větší pozornost termínu „energeticky výhodné“. Podle druhé věty termodynamiky může chemická reakce probíhat samovolně, jen pokud je jejím výsledkem čistý vzrůst neuspořádanosti vesmíru (viz obr. 3-6). Neuspořádanost vzrůstá, je-li užitečná energie, kterou lze získat a využít k práci, rozptýlena ve formě tepla. Měřítko pro takový vzrůst neuspořádanosti může být pohodlněji vyjádřeno jako veličina zvaná volná energie soustavy, G. Hodnota G je pro nás zajímavá jen pokud se soustava mění, takže lze určit změnu G označovanou jako DG (delta G). Předpokládejme, že předmětem našeho zájmu je soustava molekul. Díky způsobu kterým je DG definována, vyjadřuje změna volné energie neuspořádanost, která ve vesmíru vznikla při reakci těchto molekul. Energeticky výhodné reakce jsou podle definice ty, při nichž se snižuje volná energie soustavy, neboli jinými slovy, které mají negativní DG a zvyšují neuspořádanost vesmíru (obr. 3-18). Známým příkladem energeticky výhodného děje v makroskopickém měřítku je „reakce“, při níž se uvolní stlačená pružina, která přitom předá svou elastickou energii do okolí; mikroskopickým příkladem je rozpouštění soli ve vodě. Naopak energeticky nevýhodnými reakcemi s kladnou DG jsou takové reakce, při nichž se například dvě aminokyseliny spojují dohromady za vzniku peptidové vazby, a tak zvyšují uspořádanost vesmíru. Proto tyto reakce probíhají jen tehdy, jsou-li spřaženy s druhou reakcí s tak velkou zápornou DG, že DG celkového děje je záporná (obr. 3-19). Tyto pojmy s příklady jsou shrnuty v panelu 3-1 (str. 90-91).

Obrázek 3-18 Rozdíl mezi energeticky výhodnými a energeticky nevýhodnými reakcemi.

Na DG má vliv koncentrace reaktantů Jak jsme právě popsali, bude reakce A  B probíhat ve směru A Æ B, pokud je s tím spojená negativní DG, právě tak jako se stlačená pružina po odstranění tlaku uvolní a odevzdá svou uloženou energii do okolí jako teplo. Při chemické reakci však DG závisí nejen na energii uložené v každé jednotlivé molekule, ale také na koncentraci molekul v reakční směsi. Vzpomeňte si, že DG ukazuje, o kolik neuspořádanější – čili pravděpodobnější – bude stav vesmíru po reakci. Vzpomeneme-li si na náš příklad s mincemi, je velmi pravděpodobné, že se při otřásání krabicí s mincemi jedna mince obrátí z „hlavy“ na „orla“, pokud


Obrázek 3-19 Jak spřažení reakcí může ovládat energeticky nepříznivou reakci.

89

90

Panel 3–1 Volná energie a biologické reakce

91

Obrázek 3-20 Chemická rovnováha. Když reakce dosáhne rovnováhy, jsou toky reagujících molekul jedním i druhým směrem stejně velké.

krabice obsahuje 90 „hlav“ a 10 „orlů“, ale je to méně pravděpodobné, pokud krabice obsahuje 10 „hlav“ a 90 „orlů“. Ze zcela stejného důvodu bude při vratné (reversibilní) reakci A  B velký přebytek A oproti B podporovat průběh reakce ve směru A Æ B; bude tedy existovat více molekul A podstupujících reakci A Æ B než molekul B podstupujících reakci B Æ A. Proto se DG stává tím zápornější pro přechod A Æ B (a tím kladnější pro přechod B Æ A), čím více vzrůstá poměr A k B. Jak velký rozdíl koncentrace je třeba k vyrovnání daného poklesu energie chemické vazby (a současného uvolnění tepla)? Odpověď není jasná intuitivně, ale lze ji zjistit z termodynamické analýzy, která umožní oddělit část změny volné energie závislou na koncentraci od části DG, která na koncentraci nezávisí. DG dané reakce lze přitom psát jako součet dvou částí: první část, zvaná standardní změna volné energie, DG° , závisí na vnitřních vlastnostech reagujících molekul, zatímco druhá část závisí na jejich koncentracích. Pro jednoduchou reakci A Æ B při 37°C platí: DG = DG° + RT ln ([B]/[A]) kde DG je v kilojoulech na mol, [A] a [B] označují koncentrace látek A a B a ln je přirozený logaritmus; je třeba připomenout, že ln A = 2,303 log A. R je plynová konstanta rovná 8,3145 J mol-1K-1 a T je absolutní teplota v kelvinech. Všimněte si, že při stejné molární koncentraci A a B je DG = DG° (protože ln 1=0). Jak asi správně tušíte, DG je tím zápornější, čím je poměr B ku A menší (přirozený logaritmus čísel menších než 1 je záporný). 92


Tabulka 3–1 Vztah mezi změnou volné energie a rovnovážnou konstantou

Když koncentrační efekt právě vyrovnává impuls, který reakci uděluje DG° , je dosaženo chemické rovnováhy. V takovém případě nedochází k žádné výsledné změně volné energie, která by reakci poháněla v tom či onom směru (obr. 3-20) Platí zde, že DG = 0, a z předchozí rovnice dostáváme pro [A] a [B] vztah –RT ln ([B]/[A])= DG° . což znamená, že při 37 °C nastává chemická rovnováha, když (vyjádřeno v kJ/mol) [B]/[A] = e-DG° /2,578 Tabulka 3-1 ukazuje, jak rovnovážný poměr A ku B (vyjádřený jako rovnovážná konstanta K) závisí na hodnotě DG° . Je důležité si uvědomit, že když enzym (nebo jakýkoli katalyzátor) snižuje potřebnou aktivační energii pro reakci A Æ B, snižuje stejným způsobem také aktivační energii pro reakci B Æ A (viz obr. 3-12). Enzym tedy urychlí reakce směrem doprava i doleva stejně a rovnovážný bod reakce a DG° zůstanou nedotčeny (obr. 3-21).

Otázka 3-4 Zamyslete se nad analogií otfiásající se krabice s mincemi, která je popsána v textu. Reakce pfieklápûní mincí, pfii které padnû hlava (H) nebo orel (O), je popsána rovnicí H  O. A. Jaké jsou DG a DG° v této analogii? B. Co odpovídá teplotû, pfii které reakce probíhá? Co odpovídá aktivaãní energii reakce? Pfiedstavte si, Ïe máte „enzym” zvan˘ otfiasáza, kter˘ tuto reakci katalyzuje. Jak˘ by mohl b˘t úãinek otfiasázy a co by, mechanicky vzato, mohla otfiasáza dûlat v této analogii?

Pro následné reakce se hodnoty DG° sčítají Průběh většiny reakcí může být předpovězen kvantitativně. Byla vytvořena velká sbírka termodynamických údajů, které umožňují vypočítat standardní změny volné energie DG° pro většinu důležitých metabolických reakcí v buňce. Celková změna volné energie v metabolické dráze je potom součtem změn volné energie pro každý z dílčích kroků této dráhy. Podívejte se například na dvě následné reakce X ÆY

a

YÆZ

pro které jsou hodnoty DG° +20,9 a –54,4 kJ/mol. (Vzpomeňte si, že mol je 6 ¥ 1023 molekul látky.) Pokud tyto dvě reakce poběží za sebou, bude DG° celkové reakce 33,5 kJ/mol. Energeticky nevýhodná reakce X Æ Y, která nepoběží spontánně, může být poháněna energeticky výhodnou reakcí Y Æ Z za předpokladu, že tato reakce bude následovat po reakci první. Je třeba si uvědomit, že určité množství Y vznikne z X i v energeticky nevýhodné reakci a je okamžitě použito pro reakci Y Æ Z. Buňky tedy mohou vyvolat energeticky nepříznivou reakci X Æ Y, pokud je enzym katalyzující tuto reakci doplněn druhým enzymem, který katalyzuje energeticky výhodnou reakci Y Æ Z. Ve výsledném efektu bude reakce Y Æ Z působit jako „čerpadlo“, které řídí přeměnu všech molekul X v molekuly Y a z nich v molekuly Z (obr. 3-22). Například několik z reakcí dlouhé dráhy, ve které se mění cukry v CO2

Obrázek 3-21 Enzymy nemohou posouvat chemickou rovnováhu reakcí. Enzymy, podobně jako jiné katalyzátory, urychlují reakci stejně v obou směrech. Proto je u katalyzované i nekatalyzované reakce počet molekul podstupujících změnu XÆY stejný jako počet molekul reagujících ve směru YÆX, když je poměr počtu molekul Y k počtu molekul X 3,5:1. Jinými slovy, obě reakce dosahují rovnováhy v témže bodě.


93

Obrázek 3-22 Jak může být energeticky nevýhodná reakce poháněna následující druhou reakcí. (A) V rovnováze se vyskytují molekuly X v dvakrát větším počtu než molekuly Y, neboť stavu X přísluší nižší energie než stavu Y. (B) V rovnováze existuje 25krát více molekul Z než Y, protože molekuly Z mají mnohem menší energii než molekuly Y. (C) Jsou-li reakce v (A) a (B) spřaženy, budou se téměř všechny molekuly X měnit na molekuly Z.

a H2O, je energeticky nevýhodných. Reaktanty však přesto spějí po této dráze ke svému cíli, neboť celková DG ° pro sled po sobě jdoucích reakcí má značně zápornou hodnotu. Vytvoření řady následných reakcí se však často z mnoha důvodů nehodí. Často je požadovanou drahou pouhá reakce X Æ Y bez další přeměny Y v nějaký jiný produkt. Naštěstí existují další obecné způsoby, jak využít enzymy ke spřažení reakcí. Tyto způsoby jsou hlavním námětem další části textu.

Otázka 3-5 Podívejte se pozornû na obrázek 3-22. Naãrtnûte energetick˘ diagram podobn˘ grafu na obrázku 3-12 pro obû jednotlivé reakce a pro spojené reakce. UkaÏte v grafu standardní zmûny energie pro reakce XÆY, YÆZ a XÆZ. UkaÏte, jak by diagram zmûnily enzymy katalyzující tyto reakce.

Aktivované nosičové molekuly a biosyntéza Energie uvolněná při oxidaci molekul potravy musí být přechodně uskladněna do doby, než může být odeslána do místa výroby jiných malých organických molekul nebo větších a složitějších molekul, které buňka potřebuje. Ve většině případů se uchovává jako energie chemické vazby v malém souboru aktivovaných „nosičových molekul“, které Obrázek 3-23 Přenos energie a úloha aktivovaných přenašečů v metabolismu. Tím, že slouží jako přepravci energie, plní molekuly aktivovaných přenašečů svou funkci prostředníka, který spojuje reakce odbourávání molekul potravy a uvolňování energie (katabolismus) s biosyntézou malých a velkých organických molekul, která vyžaduje energii (anabolismus).

94


obsahují jednu či více energeticky bohatých vazeb. Tyto molekuly rychle difundují buňkou a přitom přenášejí svou vazebnou energii z místa jejího vytvoření do oblastí, kde je tato energie využita pro biosyntézu a další nezbytné aktivity buňky (obr. 3-23). Aktivované přenašeče skladují energii ve snadno směnitelné formě: buď jako chemickou skupinu, která se ochotně přenáší, nebo jako elektrony s vysokým obsahem energie. Mohou tak být v biosyntetických reakcích zároveň zdrojem energie i chemických skupin. Z historických důvodů se tyto molekuly někdy uvádějí jako koenzymy. Nejdůležitější z aktivovaných molekul jsou ATP a dvě blízce příbuzné molekuly NADH a NADPH. Uvidíme, že buňky používají aktivované nosičové molekuly jako peníze, jimiž platí za reakce, které by jinak neproběhly.

Tvorba aktivovaného nosiče je spřažena s energeticky výhodnou reakcí Při oxidaci paliva (např. glukosy) v buňce enzymově katalyzované reakce zajistí, že se velká část volné energie uvolněné během oxidace zachytí v chemicky užitečné formě a nerozptýlí se v podobě tepla. Toho se dosahuje prostřednictvím spřažené reakce, v níž se energeticky výhodné reakce užívá k pohonu reakce energeticky nevýhodné, která vytvoří aktivovanou nosičovou molekulu nebo zajistí jiné užitečné uložení energie. Mechanismy spřažení vyžadují enzymy a jsou nepostradatelné pro všechny energetické transakce v buňce. Podstata spřažených reakcí je ilustrována mechanickou analogií na obr. 3-24, ve které je příznivá chemická reakce představována kusy horniny padajícími ze skály. Energie padajících kamenů by se normálně rozptýlila jako teplo, které by vzniklo třením při dopadech kamenů na zem (podívejte se na situaci s padající cihlou na obr. 3-7). Při pečlivém návrhu by však část této energie mohla pohánět lopatkové kolo, které by zdvihalo vědro vody (obr. 3-24B). Protože kameny mohou dopadnout na zem až poté, co uvedou do pohybu lopatkové kolo, říkáme, že energeticky výhodná reakce padání kamenů byla přímo spřažena s energeticky nevýhodnou reakcí zdvihání vědra s vodou. Všimněte

Aktivované nosičové molekuly a biosyntéza

Obrázek 3-24 Mechanický model ilustrující příklad spřažených chemických reakcí. Samovolná reakce v části (A) by mohla sloužit jako analogie přímé oxidace glukosy na CO2 a H2O, která produkuje jen teplo. V (B) je tatáž reakce spřažena s druhou reakcí; tato druhá reakce by mohla sloužit jako analogie pro syntézu molekul aktivovaných přenašečů. Energie produkovaná v (B) je v mnohem užitečnější formě a může být použita k pohonu jinak energeticky nevýhodných reakcí (C).

95

si, že díky tomu, že se část energie v (B) využije k práci, dopadají kameny na zem menší rychlostí než v (A) a jen méně energie se rozptýlí v podobě tepla. Přesně stejný děj probíhá v buňkách, kde enzymy hrají roli analogickou našemu lopatkovému kolu. Mechanismy, probírané v Kapitole 4, spřahují energeticky výhodnou reakci, třeba oxidaci potravy, s energeticky nevýhodnou reakcí, například s tvorbou aktivované nosičové molekuly. V důsledku toho se množství tepla uvolněné při oxidaci sníží přesně o energii, která je uložena v energeticky bohatých kovalentních vazbách aktivované nosičové molekuly. Aktivovaná nosičová molekula naopak získává příděl energie v množství, které stačí k pohonu chemické reakce na jiném místě v buňce.

Otázka 3-6 PouÏijte obrázku 3-24B k ilustraci následující reakce pohánûné hydrol˘zou ATP: X + ATP Æ Y + ADP + P A. Která molekula ãi molekuly by mohly b˘t v tomto pfiípadû analogické (a) horninû na vrcholu skály, (b) úlomkÛm rozbité horniny na úpatí skály (c) vûdru v jeho nejvy‰‰ím bodû, (d) vûdru na zemi? B. Co by mohlo b˘t analogické (a) kusÛm horniny dopadajícím na zem bez lopatkového kola na obrázku 3-24A a (b) hydraulickému stroji na obrázku 3-24C?

ATP je nejčastěji užívanou nosičovou molekulou Nejdůležitějším a nejvšestrannějším aktivovaným nosičem v buňce je ATP (adenosin-5-trifosfát). Podobně jako může být energie zvednutého vědra vody na obrázku 3-24B použita k pohonu celé řady hydraulických strojů, slouží ATP jako pohodlná a všestranná energetické rezerva či měna k pohonu mnoha chemických reakcí v buňkách. Jak je ukázáno na obrázku 3-25, vzniká ATP v energeticky nevýhodné fosforylační reakci, ve které je k ADP přidána fosfátová skupina. Je-li třeba, odevzdá ATP svůj energetický balíček při energeticky výhodné hydrolýze na ADP. Znovu vzniklý ADP je potom dostupný pro další kolo fosforylační reakce, v níž vzniká ATP. Energeticky výhodná reakce hydrolýzy ATP je spřažena s mnoha jinak nevýhodnými reakcemi, v nichž se syntetizují další molekuly. S několika takovými reakcemi se setkáme později v této kapitole. Mnoho z nich zahrnuje přenos terminální fosfo-skupiny v ATP na jinou molekulu, jak nám ilustruje fosforylační reakce na obrázku 3-26. ATP je nejhojnějším aktivním nosičem v buňkách. Jedním z mnoha příkladů jeho využití je dodávka energie pumpám, které přepravují látky do buňky i z buňky (Kapitola 12). Pohání také molekuloObrázek 3-25 Vzájemná přeměna ATP a ADP. Poslední dvě fosforylové skupiny drží se zbytkem molekuly pohromadě fosfoanhydridovými vazbami s vysokým obsahem energie a ochotně se přenášejí. Po přidání vody k ATP může vzniknout ADP a (Pi). Tato hydrolýza koncového fosfátu ATP poskytne 46-54 kJ využitelné energie na mol reagujícího ATP. Značně záporná DG° této reakce má několik příčin. Uvolnění koncové fosfátové skupiny odstraní energeticky nevýhodné odpuzování mezi sousedními zápornými náboji a uvolněný ion anorganického fosfátu (Pi) je stabilizován rezonancí a energeticky výhodnou tvorbou vodíkových můstků s molekulami vody. Tvorba ATP z ADP a Pi představuje obrácenou hydrolýzu a vyžaduje spřažení této energeticky nevýhodné reakce s jinou reakcí, která je energeticky výhodnější.

96


Obrázek 3-26 Příklad reakce přenosu fosfoskupiny. Protože se energeticky bohatá fosfoanhydridová vazba v ATP převádí na vazbu fosfoesterovou, je tato reakce energeticky výhodná a má značně zápornou DG°. Reakce tohoto typu jsou zahrnuty v syntéze fosfolipidů a v prvních krocích odbourávání cukrů.

vé motory, které umožňují stahování svalových buněk a transport materiálů z jednoho konce dlouhého axonu nervové buňky na druhý (Kapitola 16).

Otázka 3-7 Fosfoanhydridová vazba s vysok˘m obsahem energie, která v ATP vznikla pfii kondenzaci dvou fosfátov˘ch skupin, má DG° 30,5 kJ/mol. Hydrol˘za této vazby uvolní 46-54 kJ vyuÏitelné energie na 1 mol ATP. Jak je to moÏné? Proã je podle vás místo pfiesné hodnoty DG° udáno rozmezí energií?

Energie uložená v ATP se často využívá ke spojení dvou molekul Už jsme si všimli jednoho způsobu, kterým lze energeticky výhodnou reakci spřáhnout s energeticky nevýhodnou reakcí X Æ Y a umožnit tak její průběh. V tomto schématu druhý enzym katalyzuje energeticky výhodnou reakci Y Æ Z a vtahuje do děje reakci přeměny X na Y (viz obr. 3-22). Je-li však požadovaným produktem Y a nikoli Z, nelze tento mechanismus využít. Častým typem reakce potřebné pro biosyntézu je spojení dvou molekul A a B za vzniku A-B v energeticky nevýhodné kondenzační reakci A-H + B-OH Æ A-B + H2O Pro vznik A-B z A-H a B-OH existuje nepřímá dráha spřažená s hydrolýzou ATP, která reakci pohání. V tomto případě se energie z hydrolýzy ATP použije nejprve k přeměně B-OH na meziprodukt s vysokým obsahem energie. Tato sloučenina potom reaguje přímo s A-H za vzniku A-B. Nejjednodušší možný mechanismus zahrnuje přenos fosforylu z ATP na B-OH za vzniku B-OPO3, přičemž se reakce skládá z pouhých dvou kroků: 1. B-OH + ATP Æ B-O-PO3 + ADP 2. A-H + B-O-PO3 Æ A-B + Pi Čistý výsledek: B-OH + ATP + A-H Æ A-B + ADP + Pi Kondenzační reakce, která je sama o sobě energeticky nepříznivá, je v enzymově katalyzované reakční dráze poháněna přímým spřažením s hydrolýzou ATP (obrázek 3-27A).


97

Obrázek 3-27 Příklad energeticky nevýhodné biosyntetické reakce, kterou pohání hydrolýza ATP. (A) Schematické znázornění tvorby A-B v kondenzační reakci popsané v textu. (B) Biosyntéza glutaminu. Kyselina glutamová je nejprve převedena na fosforylovaný meziprodukt s vysokým obsahem energie (který odpovídá sloučenině B-O-PO3 popsané v textu). Tento meziprodukt potom reaguje s amoniakem (odpovídajícím sloučenině A-H) za vzniku glutaminu. V tomto případě se oba kroky odehrávají na povrchu stejného enzymu glutaminsyntázy. Všimněte si, že aminokyseliny jsou pro větší názornost uvedeny ve svých neiontových formách.

Biosyntetická reakce přesně tohoto typu se uplatňuje při syntéze aminokyseliny glutaminu, jak je ukázáno na obrázku 3-27B. Brzy uvidíme, že velmi podobné (ale složitější) mechanismy jsou využívány k produkci téměř všech velkých molekul v buňce.

NADH a NADPH jsou důležité přenašeče elektronů Další molekuly aktivovaných přenašečů se účastní oxidačně-redukčních reakcí a jsou obecně částí spřažených reakcí v buňkách. Tyto aktivované přenašeče se zaměřují na vysokoenergetické elektrony a atomy vodíku. Nejdůležitějšími z nich jsou NAD+ (nikotinamidadenindinukleotid) a blízce příbuzný NADP+ (nikotinamidadenindinukleotidfosfát). Později prozkoumáme některé reakce, jichž se tyto látky účastní. NAD+ a NADP+ získávají při své přeměně na NADH (redukovaný nikotinamidadenindinukleotid) a NADPH (redukovaný nikotinamidadenindinukleotidfosfát) každý po „balíčku energie“, který odpovídá dvěma vysokoenergetickým elektronům a protonu (H+). Na tyto molekuly lze tedy pohlížet i jako na přenašeče vodíkových iontů (H+ a dva elektrony, neboli H–). 98


Obrázek 3-28 NADPH, důležitý přenašeč elektronů. (A) NADPH se tvoří v reakcích obecného typu ukázaných vlevo, ve kterých se ze substrátu odstraní dva vodíkové atomy. Oxidovaná forma nosičové molekuly, NADP+, získá jeden vodíkový atom a jeden elektron (hydridový ion), zatímco proton (H+) z druhého atomu H je uvolněn do roztoku. Protože NADPH drží svůj hydridový ion vysokoenergetickou vazbou, může se tento přidaný hydridový ion snadno přenést na jiné molekuly, jak je ukázáno vpravo. (B) Struktura NADP+ a NADPH. Část molekuly NADP+, známá jako nikotinamidový kruh, přijímá dva elektrony společně s protonem (ekvivalent hydridového iontu H-) a vytváří NADPH. Molekuly NAD+ a NADH mají stejnou strukturu jako NADP+ a NADPH, jen s tím rozdílem, že oběma z nich chybí ukázaná fosfátová skupina.

Podobně jako ATP je i NADPH aktivovaným nosičem, jenž se účastní mnoha důležitých biosyntetických reakcí, které by jinak byly energeticky nevýhodné. NADPH je produkován podle obecného schematu ukázaného na obrázku 3-28. Ve zvláštní sadě energeticky výhodných katabolických reakcí se z molekuly substrátu odstraní vodíkový atom H a dva elektrony a přidají se k nikotinamidovému kruhu NADP+; tak vznikne NADPH. Jde o typickou oxidačně-redukční reakci: substrát je oxidován a NADP+ je redukován. NADPH ochotně odevzdává získaný hydridový ion v následných oxidačně-redukčních reakcích, neboť kruh může bez tohoto iontu dosáhnout stabilnějšího uspořádání elektronů. V této následné reakci, vytvářející NADP+, je to NADPH, který se oxiduje, zatímco substrát je redukován. NADPH ochotně odevzdává svůj hydridový ion jiným molekulám ze stejného důvodu jako ATP ochotně přenáší zbytek kyseliny fosforečné: v obou případech je přenos doprovázen uvolněním velkého Obrázek 3-29 Závěrečná fáze jedné z biochemických cest vedoucích k cholesterolu. Jako u mnoha jiných biosyntetických reakcí se redukce vazby C=C dosahuje přenosem hydridového iontu z nosičové molekuly NADPH a protonu (H+) z roztoku.


99

Tabulka 3-2

Některé aktivované přenašečové molekuly s širokým uplatněním v metabolismu

Aktivovaný přenašeč

Přenášená skupina

ATP

fosfátová skupina

NADH, NADPH, FADH2

elektrony a atomy vodíku

acetyl CoA

acetylová skupina

karboxylovaný biotin

karboxylová skupina

S-adenosylmethionin

methylová skupina

uridindifosfoglukosa

glukosa

množství volné energie. Příklad využití NADPH v biosyntéze je ukázán na obrázku 3-29. Rozdíl jednoho zbytku kyseliny fosforečné nemá podstatný vliv na schopnosti přenosu elektronů u NADPH ve srovnání s NADH, ale je velmi důležitý při jejich rozdílných rolích. Fosfátová skupina, kterou má NADPH navíc, je daleko od oblasti účastnící se přenosu elektronů (viz obr. 3-28B) a nemá žádný vliv na reakci přenosu. Dává však molekule NADPH ve srovnání s NADH poněkud odlišný tvar, a proto se NADH a NADPH vážou k odlišným skupinám enzymů. Tyto dva různé typy nosičů se tedy používají k přenosu elektronů (nebo hydridových iontů) do různých míst určení. K čemu je dobrá taková dělba práce? Odpověď spočívá v potřebě regulovat nezávisle dva typy reakcí s přenosem elektronu. NADPH spolupracuje především s enzymy, které katalyzují anabolické reakce, a dodává elektrony s vysokým obsahem energie pro syntézu energeticky bohatých biologických molekul. Naopak NADH hraje zvláštní úlohu jako intermediát v katabolickém systému reakcí, které vytvářejí ATP oxidací molekul potravy, jak se probírá v Kapitole 4. Tvorba NADH z NAD+ a NADPH z NADP+ probíhá různými cestami,které jsou nezávisle regulovány, takže buňka může nastavit dodávání elektronů pro oba protichůdné účely. Uvnitř buňky je udržován vysoký poměr NAD+ k NADH, zatímco poměr NADP+ k NADPH je udržován nízký. To poskytuje velké množství NAD+ jako oxidačního činidla a velké množství NADPH jako činidla redukčního – přesně tak, jak to vyžadují jejich zvláštní úlohy v katabolismu a anabolismu.

V buňkách existuje mnoho dalších aktivovaných přenašečových molekul Existuje celá řada dalších aktivovaných přenašečů, které přebírají a přenášejí chemickou skupinu v reaktivní energeticky bohaté vazbě (tabulka 3-2). Například koenzym A přenáší ve vysoce reaktivní vazbě acetylovou skupinu a je v této formě znám jako acetyl-CoA (acetylkoenzym A). Struktura acetylkoenzymu A je ukázána na obrázku 3-30; při biosyntéze větších molekul přidává acetyl-CoA dvě uhlíkové jednotky. V acetyl-CoA a v dalších přenašečových molekulách v tabulce 3-2 představuje přenášená skupina jen malou část molekuly. Zbytek je tvořen velkou organickou částí, která slouží jako pohodlná „rukojeť“, která 100


acetylová skupina

specifickému enzymu usnadňuje nalezení nosičové molekuly. Stejně jako u acetyl-CoA obsahuje tato rukojeťová část velmi často nukleotid; tato zvláštní skutečnost je možná evolučním pozůstatkem. Má se za to, že hlavními katalyzátory pro první formy života na Zemi byly molekuly RNA (nebo jejich blízké příbuzné) a že proteiny vznikly až v dalším stadiu evoluce (viz Kapitola 7). To svádí k závěru, že mnoho dnes známých přenašečových molekul má svůj původ v raném světě ribonukleových kyselin, kde mohla být jejich nukleotidová část užitečná pro vazbu těchto molekul k enzymům na bázi RNA.


Obrázek 3-30 Struktura molekuly důležitého aktivovaného nosiče acetylCoA. Nad strukturou je ukázaný prostorový model. Atom síry (žlutě) tvoří thioesterový můstek k acetátu. Protože se jedná o vazbu s vysokým obsahem energie, která velké množství této energie uvolňuje při hydrolýze, přenáší se acetylová skupina ochotně na jiné molekuly.

Obrázek 3-31 Přenos karboxylové skupiny za použití aktivované přenašečové molekuly. Karboxylovaného biotinu používá enzym pyruvátkarboxyláza k přenosu karboxylové skupiny při tvorbě oxalacetátu, molekuly potřebné pro cyklus kyseliny citronové. Karboxylovou skupinu v této reakci přijímá pyruvát; jiné enzymy využívají biotin k přenosu karboxylové skupiny na jiné akceptorové molekuly. Všimněte si, že syntéza karboxylovaného biotinu vyžaduje energii pocházející z ATP – to je obecnou vlastností mnoha aktivovaných nosičů.

101

Obrázek 3-32 Kondenzace a hydrolýza jako opačné reakce. Makromolekuly v buňce jsou polymery, které vznikají z podjednotek (neboli monomerů) kondenzační reakcí a odbourávají se hydrolýzou. Všechny kondenzační reakce jsou energeticky nevýhodné.

Příklady typu přenosových reakcí katalyzovaných aktivovanými nosičovými molekulami ATP (přenos fosfátové skupiny) a NADPH (přenos elektronů a vodíku) byly ukázány na obrázcích 3-26 a 3-29. Další reakce mohou zahrnovat přenos methylu, karboxylu a glukosového zbytku pro účely biosyntézy. Aktivované nosiče obvykle vznikají v reakcích spřažených s hydrolýzou ATP (obrázek 3-31). Proto energie, která jejich skupinám umožňuje použití v biosyntéze, nakonec pochází z katabolických reakcí, které vytvářejí ATP. Podobné děje probíhají při syntéze makromolekul v buňce – nukleových kyselin, proteinů a polysacharidů, které probereme později.

Obrázek 3-33 Syntéza polysacharidů, proteinů a nukleových kyselin. Syntéza každého druhu biologického polymeru zahrnuje ztrátu vody při kondenzační reakci. Není ukázána spotřeba vysokoenergetických nukleosidtrifosfátů, které jsou zapotřebí k aktivaci každého monomeru před jeho adicí. Naproti tomu obrácená reakce – odbourání všech tří typů polymerů – probíhá už při pouhém přidání vody (hydrolýza).

102


Obrázek 3-34 Alternativní dráha pro hydrolýzu ATP, v níž se nejprve utvoří difosfát, který posléze hydrolyzuje. Tato dráha uvolňuje dvakrát více energie než reakce ukázaná dříve na obrázku 3-25. (A) Ve dvou následných hydrolytických reakcích zůstanou kyslíkové atomy ze zúčastnivších se molekul vody vázány v produktech, ale vodíkové atomy disociují za vzniku volných vodíkových iontů H+. (B) Celková reakce ukázána v souhrnné podobě.

Syntéza biologických polymerů vyžaduje přísun energie Makromolekuly buňky tvoří naprostou většinu její suché hmotnosti, tedy hmotnosti, do níž se nepočítá voda. Tyto molekuly jsou vytvořeny z podjednotek (monomerů), spojených v kondenzační reakci, v níž byly ze dvou reagujících látek odstraněny části molekuly vody OH a H. Z toho plyne, že obrácená reakce – odbourání všech tří typů polymerů, se děje enzymově katalyzovanou adicí vody (hydrolýza). Tato hydrolytická reakce je energeticky výhodná, zatímco biosyntetické reakce vyžadují přísun energie a jsou mnohem složitější (obr. 3-32). Nukleové kyseliny (DNA a RNA), proteiny a polysacharidy jsou polymery vzniklé opakovanou adicí podjednotek (zvaných také monomery) k jednomu konci rostoucího řetězce. Způsob syntézy každého z těchto typů molekul je načrtnut na obrázku 3-33. Jak je vidět, závisí kondenzační krok v každém z těchto případů na energii z hydrolýzy nukleosidtrifosfátu. S výjimkou nukleových kyselin nezůstávají ve výsledných molekulách žádné fosfátové skupiny. Které reakce uvolňují energii z hydrolýzy ATP spřažené se syntézou polymerů? Pro každý typ makromolekuly existuje enzymově katalyzovaná dráha, která připomíná dříve probíranou dráhu syntézy aminokyseliny glutaminu (viz obr. 3-27). Princip je zcela shodný, neboť skupina OH určená k odstranění se nejprve aktivuje zapojením do vysokoe-


103

Obrázek 3-35 Syntéza polynukleotidu, RNA nebo DNA, je mnohastupňovým dějem poháněným hydrolýzou ATP. V prvním kroku je nukleosidmonofosfát aktivován postupným přenosem koncových fosforylových skupin z molekul ATP. Vysokoenergetický meziprodukt nukleosidtrifosfát - existuje volný v roztoku, dokud nezreaguje s rostoucím koncem řetězce RNA nebo DNA za uvolnění difosfátu.Hydrolýza poslední sloučeniny na anorganický fosfát je energeticky velmi výhodná a podporuje celkovou reakci ve směru syntézy polynukleotidu.

nergetické vazby s druhou molekulou. Skutečné mechanismy používané ke spřažení hydrolýzy ATP se syntézou proteinů a polysacharidů jsou však složitější než mechanismy spřažení použité u syntézy glutaminu; konečnou vysokoenergetickou vazbu, která je v kondenzačním kroku přerušena, vytváří řada intermediátů s vysokým obsahem energie (jak se probírá v Kapitole 7 u syntézy proteinů). Pro to, do jaké míry může daný aktivovaný nosič řídit biosyntézu, existují určitá omezení. DG hydrolýzy ATP na ADP a anorganický fosfát (Pi) závisí na koncentracích všech reaktantů, avšak za obvyklých podmínek v buňce činí -45 až -55 kJ/mol.Tato hydrolytická reakce se dá v zásadě použít k pohonu energeticky nevýhodné reakce s DG řekněme +42 kJ/mol za předpokladu, že je dostupná vhodná reakční dráha. Pro některé biosyntetické reakce však ani -55 kJ/mol nemusí stačit.V tomto případě může být dráha hydrolýzy ATP změněna, takže nejprve vzniká AMP a difosfát (PPi), který potom sám v dalším kroku hydrolyzuje (obr. 3-34). Celkový děj umožňuje úhrnnou změnu volné energie asi -110 kJ/mol. Na obrázku 3-35 je ukázána důležitá biosyntetická reakce poháněná tímto způsobem – syntéza nukleové kyseliny (polynukleotidu).

104


Otázka 3-8 Která z následujících reakcí bude probíhat jen ve spfiaÏení s druhou, energeticky v˘hodnou reakcí? A. glukosa + O2 Æ CO2 + H2O B. CO2 + H2O Æ glukosa + O2 C. nukleosidtrifosfáty Æ DNA D. nukleotidové báze Æ nukleosidtrifosfáty E. ADP + P Æ ATP

je aktivační energii potřebnou k vytvoření a odbourání specifických kovalentních vazeb.

Základní shrnutí • Buňky jsou schopny existence díky stálému přísunu energie. Část této energie se využívá k provádění základních funkcí, jakými jsou údržba, růst a reprodukce, a zbytek se ztratí v podobě tepla.

• Mohou probíhat jen takové chemické reakce, které zvyšují celkové množství neuspořádanosti ve vesmíru. Změna volné energie při reakci DG je měřítkem této neuspořádanosti a musí být menší než nula, aby reakce proběhla.

• Prvotním zdrojem energie pro většinu živých organismů je Slunce. Rostliny a fotosyntetické bakterie používají sluneční energii k vytváření organických molekul z oxidu uhličitého. Živočichové získávají potravu pojídáním rostlin nebo jiných živočichů, kteří se živí rostlinami.

• Změna volné energie DG při chemické reakci závisí na koncentracích reagujících molekul a lze ji z těchto koncentrací vypočítat, pokud je známa rovnovážná konstanta reakce (K) nebo pokud jsou známy standardní změny volné energie DG° reaktantů.

• Velká většina z mnoha stovek chemických reakcí probíhajících v buňce je specificky katalyzována enzymem. Různé enzymy pracují ve velkých počtech za sebou a utvářejí reakční řetězce zvané metabolické dráhy. Každá z těchto drah plní v buňce svou specifickou funkci.

• Vytvořením reakční dráhy, která spřahuje energeticky výhodnou reakci s energeticky nevýhodnou, umožní enzymy průběh jinak nemožných reakcí.

• Katabolické reakce odbourávají molekuly potravy v oxidačních drahách a uvolňují energii. Anabolické reakce vytvářejí mnoho složitých molekul, které buňka potřebuje, a vyžadují přísun energie. Stavební bloky i energie potřebná pro anabolické reakce se v živočišných buňkách získávají při katabolismu. • Enzymy katalyzují reakce tak, že se vážou k určitým molekulám substrátu způsobem, který snižu-

Klíčové pojmy acetylkoenzym A ADP, ATP aktivační energie aktivovaný nosič difuze

dýchání entropie enzymy fotosyntéza DG, DG° katalyzátor

• Molekuly potravy poskytují uhlíkaté kostry k tvorbě větších molekul. Kovalentní vazby těchto větších molekul obvykle vznikají v reakcích spřažených s energeticky výhodnými změnami vazeb v molekulách aktivovaných přenašečů jako ATP a NADPH.

metabolismus NAD+, NADH NADP+, NADPH oxidace redukce respirace

rovnováha spřažená reakce substrát volná energie

D. âásteãnû oxidovan˘ atom uhlíku má men‰í prÛmûr neÏ tent˘Ï atom atom více redukovan˘.

Otázky Otázka 3–9

• V těchto případech spřažení hraje ústřední roli malá skupina molekul aktivovaných nosičů, zvláště ATP, NADH a NADPH. ATP přenáší vysokoenergeticky vázané fosforylové skupiny, zatímco NADH a NADPH přenášejí vysokoenergetické elektrony.

E. Molekuly nûkter˘ch aktivovan˘ch pfiena‰eãÛ mohou pfiená‰et jak energii tak chemické skupiny Které z následujících v˘rokÛ jsou správ-

né? Vysvûtlete svou odpovûì. A. Nûkteré enzymovû katalyzované reakce v nepfiítomnosti enzymu zcela ustanou.

F. Pravidlo, Ïe pfii oxidaci se uvolÀuje energie, zatímco pfii redukci se spotfiebovává, platí pro v‰echny chemické dûje - nejen pro reakce v buÀkách.

B. Elektrony s vysok˘m obsahem energie (napfi. ty, které se nacházejí v aktivovan˘ch pfiena‰eãích NADH a NADPH) se pohybují okolo atomového jádra rychleji.

G. Studenokrevní Ïivoãichové jsou energeticky znev˘hodnûni, protoÏe odevzdávají do okolí ménû tepla neÏ teplokrevní Ïivoãichové. To zmen‰uje jejich schopnost vytváfiet uspofiádané makromolekuly.

C. Hydrol˘za ATP za vzniku AMP mÛÏe poskytnout témûfi dvakrát více energie neÏ hydrol˘za ATP za vzniku ADP.

H. Spojení reakce X Æ Y s druhou, energeticky v˘hodnou reakcí Y Æ Z posune rovnováÏnou konstantu první reakce.

Otázky

105

Otázka 3–10

Zamyslete se nad pfiechodem A Æ B na obrázku 3-20. Molekuly B se od molekul A li‰í pfiítomností nekovalentních vazeb. Pfiedpokládejte, Ïe jedin˘m rozdílem mezi A a B je pfiítomnost tfií vodíkov˘ch mÛstkÛ v B. Jak˘ je pomûr A ku B, kdyÏ reakce dospûje do rovnováhy? Naleznûte odpovûì s pouÏitím tabulky 3-1 (str. 92) s energií kaÏdého vodíkového mÛstku 17 kJ/mol. Pfiedpokládejte, Ïe se B od A neli‰í jen tfiemi vodíkov˘mi mÛstky, ale je‰tû dal‰ími tfiemi, tedy celkem ‰esti. Jak by se zmûnil pomûr A ku B?

Otázka 3–11

Prodiskutujte následující v˘rok: „To, zda je DG reakce vût‰í ãi men‰í neÏ DG° nebo stejná, záleÏí na koncentraci látek, které se úãastní reakce.“

Otázka 3–12

Otázka 3–13

Pfiední vûdec tvrdí, Ïe izoloval mutantní buÀky, které mohou pfievádût 1 molekulu glukosy na 57 molekul ATP. Má se tento objev oslavovat, nebo není nûco v pofiádku? Vysvûtlete svou odpovûì.

Otázka 3–14

Reakce v biosyntetické dráze o jediném kroku, která pfievádí metabolit na zvlá‰tû nebezpeãn˘ jed (metabolit Æ jed), je energeticky velmi nev˘hodná. Reakce je normálnû pohánûna hydrol˘zou ATP. Pfiedpokládejte, Ïe do‰lo k mutaci, která enzymu brání vyuÏívat ATP, ale pfiesto ATP umoÏÀuje katalyzovat reakci.

A. Kolik molekul ATP by mohlo maximálnû vzniknout z jedné molekuly glukosy, pokud úplná oxidace 1 molu glukosy na CO2 a H2O pfiinese 2,87 MJ a uÏiteãná energie dostupná ve vysokoenergetick˘ch fosfátov˘ch vazbách 1 molu ATP je 50 kJ?

A. Je podle vás bezpeãné sníst takov˘ zmutovan˘ organismus? ZaloÏte svou odpovûì na odhadu, o kolik ménû jedu organismus produkuje, kdyÏ je reakce v rovnováze a vût‰ina energie uloÏená v ATP je pouÏita k pohonu energeticky nev˘hodné reakce.

B. Respirace vytváfií z 1 molu glukosy 30 molÛ ATP. Srovnejte tento poãet se svou odpovûdí na pfiedchozí otázku. Jaká je celková úãinnost produkce ATP z glukosy?

B. Odpovûdûli byste odli‰nû u jiného mutantního enzymu, kter˘ spfiahuje reakci s hydrol˘zou ATP, ale pracuje 100krát pomaleji?

C. Pokud buÀky va‰eho tûla oxidují 1 mol glukosy, jak by vzrostla teplota va‰eho tûla, kdyby nedo‰lo k rozptylu tepla do okolí? (Pfiedpokládejte, Ïe va‰e tûlo se skládá ze 75 kg vody.) VzpomeÀte si, Ïe kilokalorie (kcal = 4,18 kJ) je definována jako mnoÏství energie, které ohfieje 1 kg vody o 1 °C. D. Pokud by buÀky ve va‰em tûle pfievádûly energii z látek v potravû s úãinností pouh˘ch 20 %, jaké by to mûlo následky? Rozhodnûte, zda by se va‰e tûlo – tak jak je sestaveno dnes – (a) pfiizpÛsobilo a fungovalo by normálnû, (b) pfiehfiálo, (c) podchladilo? E. âlovûk v klidové poloze hydrolyzuje kaÏd˘ch 24 hodin asi 40 kg ATP . Z jak velkého mnoÏství glukosy by se dala stejná energie získat oxidací? (Nápovûda: Podívejte se na strukturu ATP na

106

obrázku 2-21 a vypoãítejte jeho molekulovou hmotnost. Atomové hmotnosti jsou následující: H: 1, C: 12, N: 14, O: 16, P: 32.)


Otázka 3–15

Molekulu nelze pfievádût z jedné formy na druhou v jednoduché reakci A Æ A*; tyto formy se li‰í ve své standardní volné energii o 18 kJ/mol, pfiiãemÏ vy‰‰í energii má A*. (A) S pouÏítím tabulky 3-1 (str. 92) zjistûte, kolikrát více molekul ve srovnání se stavem A bude ve stavu A*, kdyÏ se ustaví rovnováha. (B) Jak by se zmûnil pomûr A ku A*, pokud by enzym sníÏil aktivaãní energii reakce o 12 kJ/mol, ?

Otázka 3–16

Zamyslete se nad úãinky dvou enzymÛ. Enzym A katalyzuje reakci ATP + GDP  ADP + GTP, zatímco enzym B katalyzuje reakci NADH + NADP+  NAD+ + NADPH Proberte, zda jsou tyto enzymy buÀce uÏiteãné ãi ‰kodlivé.

3 Energie, katalýza a biosyntéza

Recommend Documents