Reakce a procesy probíhající v organismu Metabolismus *Metabolismus – neustálá přeměna látek uvnitř organismu (časově a prostorově synchronizovaný soubor biochemických reakcí) *Synchronizace je zajištěna regulovanou katalýzou biochemických reakcí *Na úrovni buňky se jako katalyzátory uplatňují především enzymy *Na úrovni tkání, orgánů, organismu se kromě enzymů uplatňují také hormony a nervová regulace Typy biochemických reakcí (podle změny substrátu) * Výměnné (substituční) reakce – zásada nebo nukleofil na molekule substrátu je nahrazován jinou zásadou, či nukleofilem * Nukleofilní reaktant (zásada) vytvoří vazbu s elektronově deficitním atomem uhlíku nebo fosforu, přičemž nahradí jiný atom (obvykle N, O nebo S) * Nahrazený atom odnáší svůj vazebný elektronový pár i s případnými skupinami * K nahrazenému atomu se připojí H^+ z molekuly enzymu, či vody a rce se zkompletuje * Adiční – molekula reaktantu se váže na násobnou vazbu molekuly substrátu (zavádění kyslíku, dusíku, síry…, do molekul organických látek * Eliminační reakce – z molekuly substrátu se odděluje určitá skupina, přičemž vzniká násobná vazba (bývají hnací silou biosyntéz) * Izomerizační reakce – dochází k přeskupení molekuly substrátu * Reakce při kterých se tvoří, či štěpí vazba C−C Metabolické dráhy *Biochemické reakce, probíhají v organismu v řetězcích (metabolických drahách), kde produkt předcházející rce je substrátem pro následující rci *Metabolické dráhy – vznikají kombinacemi rcí různých typů, mohou se vzájemně podmiňovat, spojovat, větvit nebo křížit a podle charakteru změn molekuly substrátu a změny Gibbsovy energie rce je dělíme na: *Anabolické – jednodušší molekuly se mění na složitější (endergonické, syntetické, asimilační, redukční procesy) *Katabolické – složitější molekuly se mění na jednodušší (exergonické, degradační, disimilační, oxidační procesy) *Amfibolické – částečné úpravy molekuly substrátu bez výraznějšího energetického efektu *Fcí mnoha metabolických drah je doplňovat buněčné zásoby ATP a dalších makroergických sloučenin (dostatek energie pro biosyntézy) " katabolický rozklad živin *Živiny se musí nejdříve aktivovat, aby mohly vstoupit do metabolismu (postupné uvolňování substrátu do rce) *Aktivace se uskutečňuje dodáním aktivační energie a to formou energie chemické vazby reakcí (připojením) molekuly substrátu s molekulou makroergického substrátu (např. makroergického fosfátu z ATP na glukózu, anebo CoA na karboxylovou kyselinu) *Aktivované substráty se postupně oxidují v některé z příslušných drah (např. glukóza-6-fosfát při glykolýze nebo pentózovém cyklu, acyl-CoA β-oxidací v Lynenově spirále, přičemž se tvoří ATP) *Akumulovaná chemická energie z rozkladu živin se spotřebuje na biosyntézy *Tím, že slouží jako přepravci energie, plní molekuly aktivovaných přenašečů svou fci prostředníka, který spojuje reakce odbourávání molekul potravy a uvolňování energie (katabolismus) s biosyntézou malých a velkých biomolekul, která vyžaduje energii (anabolismus) *Primární metabolismus – procesy rozhodující pro získání energie (např. oxidace sacharidů a lipidů) a pro reprodukci základních stavebních složek buňky (např. replikace nukleových kyselin, proteosyntéza) *Sekundární metabolismus – procesy, navazující na primární metabolismus (např. metabolismus pigmentů, antibiotik apod.) Význam Gibbsovy energie biochemických reakcí *Jako všechny ostatní rce rovněž rce biochemické vykazují energetický efekt, jsou provázeny změnou energie systému a platí pro ně zákony termodynamiky *Z prvního termodynamického zákona vyplývá, že změna energie systému závisí pouze na výchozím a konečném stavu systému a nikoli na průběhu procesu: DE = E[B] – E[A] = Q – W *Některé biochemické rce mohou probíhat spontánně, i když DE má kladnou hodnotu " nutno brát v potaz DS *Podle druhého termodynamického zákona může proces probíhat spontánně pouze tehdy, když součet entropií systému a okolí bude mít kladnou hodnotu: (DS[systému] + DS[okolí]) > 0 *Ze vztahu plyne, že entropie systému se může během spontánního procesu snižovat, jestliže se zároveň entropie okolí zvýší natolik, aby byl součet obou změn kladný (např. tvorba vysoce organizované biologické struktury) *Kritériem určení spontánnosti procesu je změna Gibbsovy volné energie (při konstantním tlaku a teplotě): DG = H – TS *Změna entalpie systému: DH = E + PV *U biochemických rcí jsou obecně DV systému velmi malé, takže člen PV lze zanedbat (H = E) " odtud: DG = E – TS *DG systému tedy závisí na DE a S *Biochemická rce bude probíhat spontánně tehdy, jestliže hodnota G rce bude záporná *Jestliže G rce bude 0, dojde v systému k ustálení rovnováhy Spřažení exergonických a endergonických reakcí v živém organismu *Celková změna Gibbsovy volné energie série rcí je rovna součtu DG jednotlivých rcí: A D B + C DG^0 = +20 kJ/mol B  D DG^0 = -32 kJ/mol ---------------------------------------------------------------------- A  C + D DG^0 = -12 kJ/mol *Za normálních podmínek první rce spontánně neproběhne, protože DG rce má kladnou hodnotu (endergonická rce) *U druhé rce je hodnota G záporná a větší než G první rce *Protože jsou obě rce spřaženy látkou B, je možno je sčítat, přičemž výsledná hodnota DG vyjde záporná " celá soustava uvedených rcí může proběhnout samovolně *Druhá rce zde umožnila průběh první rce Makroergické sloučeniny *Ústřední postavení při propojení exergonických a endergonických rcí zaujímá ATP ^* ATP v aktivní formě vytváří komplex s Mg^2+ nebo Mn^2+ *Molekula ATP je energeticky bohatá^ (makroergická), její trifosfátová jednotka obsahuje 2 hydrolyzovatelné fosfoanhydridové vazby, jejichž hydrolýzou vzniká ADP a anorganický fosfát (P) nebo AMP a pyrofosfát (PP) *DG^0 těchto rcí (v závislosti na iontové síle prostředí, koncentraci Mg^2+ a Ca^2+) má hodnotu přibližně 30,51 kJ/mol ATP + H[2]O  ADP + P + H^+ DG^0 = -30,51kJ/mol ATP + H[2]O  AMP + PP + H^+ DG^0 = -30,51kJ/mol *Volná energie hydrolýzy anhydridových vazeb ATP se využívá na endergonické rce a naopak, ATP se tvoří z ADP a P při oxidaci molekul živin (u chemotrofů) nebo při zachycení světelné energie (u autotrofů) *Cyklus ATP – ADP je základním způsobem výměny energie v biologických systémech *V některých biosyntetických rcích se využívají podobným způsobem i analogy ATP (GTP, UTP, CTP) *Hydrolýza fosfoanhydridové vazby probíhá v živých systémech i v jiných fosforylovaných látkách, rozdíl je pouze v hodnotě standardní Gibbsovy volné energie: glycerol-3-fosfát + H[2]O D glycerol + P + H^+^ DG^0 = -9,19 kJ/mol ATP + H[2]O  ADP + P + H^+ DG^0 = -30,51 kJ/mol *Biologické systémy obsahují také látky, které mají pro fosfátovou skupinu vyšší transferový potenciál než ATP (např. fosfoenolpyruvát, acetylfosfát, kreatinfosfát) * Toto je rovněž jeden ze způsobu tvorby ATP v organismu " přenos fosforylové skupiny z fosforylovaných látek s vyšším transferovým potenciálem na ADP Získávání a přeměny metabolické energie v organismech *Heterotrofní organismy získávají energii na endergonické rce oxidací živin *Krebs rozdělil proces uvolňování energie z živin do 3 etap: * V první etapě se velké molekuly rozkládají na menší (proteiny " aminokyseliny, polysacharidy " monosacharidy, tuky " glycerol+karboxylové kyseliny) â zde se nezískává žádná využitelná energie * V druhé etapě probíhá degradace sacharidů, karboxykyselin, glycerolu, aminokyselin až na úplně jednoduché jednotky, které mají ústřední význam v metabolismu (např. až na acetyl  acetyl-CoA) * Třetí etapu tvoří citrátový cyklus (dokončení oxidace živin až na CO[2] + H[2]O) a oxidační fosforylace (tvorba ATP) *Biologická oxidace je hlavní proces uvolňování energie v organismu (bez přítomnosti 0[2] " anaerobní, za přítomnosti O[2] " aerobní) *Kyslík může vstupovat do molekuly substrátu " oxygenace nebo se neváže přímo na substrát " oxidace Dýchací řetězec *Biologická oxidace začíná zpravidla dehydrogenací substrátu – odtržením 2 atomů vodíku " jejich prvními akceptory jsou NAD^+, NADP^+ nebo FAD *Při aerobním způsobu se elektrony pocházející z vodíku odtrženého z oxidovaného substrátu přenášejí na kyslík v sérii enzymatických rcí zvaných DÝCHACÍ ŘETĚZEC *Enzymy dýchacího řetězce tvoří nadmolekulární komplexy a jsou uloženy na vnitřní membráně mitochondrií *Při anaerobním způsobu se vodík přenáší na jiný oxidovaný substrát (žádná využitelná energie) Schéma dýchacího řetězce živočišných buněk • Dehydrogenace – molekula substrátu ztratí 2 atomy vodíku â NADH + H^+^ (dehydrogenáza obsahující NAD^+) ^ • Oxidace NADH + H^+ účinkem NADH dehydrogenázy – flavoproteinu, který obsahuje jako prostetickou skupinu FNM) â FNMH[2] (tvorba ATP z ADP + P) [• ]Oxidace FMNH[2] účinkem CoQ (ubichinon-UQ) â UQH[2] [ ] • Oxidace UQH[2][ ]a přenos elektronů na kyslík (UQH[2 ]" 2H^+ + 2 e^- (tvorba ATP z ADP + P) • O + 2 e^- + 2H^+ " H[2]O (tvorba ATP z ADP + P) Oxidační fosforylace *Proces tvorby ATP při přenosu elektronů z NADH nebo FNMH[2] na kyslík v dýchacím řetězci (spojeno s aerobní oxidací substrátu *Při oxidaci NADH se tvoří 3 molekuly ATP (při oxidaci FNMH[2] pouze 2 molekuly ATP) *Každý pár H^+ umožní tvorbu 1 molekuly ATP, přičemž probíhá rce: ADP + P  ATP + H[2]O *Fototrofní organismy ke tvorbě ATP využívají energii světla *OF probíhá v mitochondriích, ale ATP se spotřebovává především v cytoplazmě (probíhá trvalý transport ATP z mitochondrií do cytoplazmy a ADP + P z cytoplazmy do mitochondrií (antiportové přenašeče) Rozpojení oxidace a fosforylace *V mitochondriích existuje speciální protein, který spojuje oba procesy v jeden celek (dýchací řetězec) *Působením některých látek (např. 2,4-dinitrofenol) lze rozpojit dýchání a oxidační fosforylaci (dýchání proběhne, fosforylace nikoli) *Rozpojení AO a OF má v organismu skutečné fyziologické uplatnění " jako způsob uvolňování tepla v tukové tkáni (rozpojovače – karboxylové kyseliny) *Rostlinné mitochondrie jsou vybaveny respiračním systémem, který dokáže „obejít“ fosforylaci a energii oxidace mohou využívat jako přímý zdroj tepla (tepelně nevhodné podmínky, lákání hmyzu) Fosforylace na substrátové úrovni *Oxidace substrátu spojená s vytvořením makroergické fosfátové vazby může probíhat přímo na molekule substrátu *Příslušný enzym se váže na molekulu substrátu svojí –SH skupinou a dehydrogenací tohoto komplexu enzym-substrát vznikne energeticky bohatá thioesterová vazba, která se v další fázi fosforolyticky štěpí a vznikne makroergická fosfátová vazba * Z této vazby se pak makroergický fosfát může přenést na ADP, přičemž vzniká ATP