Vznik látok použiteľných na tvorbu energie

Živiny, ktoré prijímame, telo využíva okrem iného na zisk energie. Prijaté látky najprv rozkladá na menšie jednotky a tie štiepi na ešte menšie častice, ktoré ďalej spracúva. Postupnému rozkladu látok hovoríme katabolizmus živín a rozlišujeme v ňom tri fázy.

1. fáza

Prvá fáza prebieha v tráviacej sústave. Potravou prijaté veľké molekuly sa (hydrolyticky) štiepia na menšie, resp. základné stavebné jednotky. Napríklad škrob sa rozkladá na glukózu, proteíny až na jednotlivé aminokyseliny, z lipidov vznikajú mastné kyseliny a (monoacyl) glycerol. 

Na to, aby toto štiepenie prebehlo, musia byť prítomné enzýmy katalyzujúce jednotlivé reakcie. Všeobecne tieto enzýmy označujeme ako tráviace enzýmy a ako príklady môžeme uviesť pankreatickú amylázu, pankreatickú lipázu, proteinázy (rozklad proteínov na peptidy), peptidázy (rozklad peptidov na aminokyseliny), alebo disacharidázy (rozklad disacharidov na sacharidy).

V tejto fáze bunky nezískavajú žiadnu energiu. Pripravujú sa však látky, z ktorých ju neskôr vyťažiť dokážu.

2. fáza

Druhá fáza prebieha v bunkách, hovoríme teda o intracelulárnom katabolizme, ktorý je katalyzovaný intracelulárnymi enzýmami.

V tomto kroku môžeme pozorovať rôzne dráhy. Glukóza sa mení na pyruvát, ktorý môže vzniknúť aj metabolizmom niektorých aminokyselín. Aminokyseliny slúžia aj na tvorbu acetylkoenzýmu A (acetyl-CoA), ktorý vzniká tiež rozkladom (β-oxidáciou) mastných kyselín.

Pyruvát a acetyl-CoA sú typickými produktami tejto fázy. Ide o zlúčeniny, ktoré sú medziproduktami dôležitých metabolických dráh.

V prípade vzniku pyruvátu z glukózy sa odohráva proces zvaný glykolýza. Zahŕňa množstvo reakcií, ktorých výsledkom je premena jednej glukózy na dva pyruváty. Počas tohto procesu vzniká malé množstvo energie uloženej vo forme ATP. Dôležitejší je však vznik redukovaných kofaktorov NADH+H+ a FADH2. Z nich sa energia získa v dýchacom reťazci. Počas tejto fázy už bunka teda získa malé množstvo energie.

3. fáza

Tretia fáza je z pohľadu výťažku energie najdôležitejšia. Zahŕňa citrátový cyklus, dýchací reťazec a aeróbnu fosforyláciu. Stále sa tieto deje odohrávajú v bunke, už však v špecializovaných organelách – v mitochondiách. Práve vďaka tomu dostali mitochondrie prezývky typu “elektráreň bunky”.

Citrátový cyklus

Citrátový cyklus, nazývaný tiež Krebsov cyklus, označuje sled reakcií, pri ktorých vzniká energia uložená vo forme GTP (analóg ATP) a redukované kofaktory NADH+H+ a FADH2. Keďže sa odohráva v mitochondriách, prebieha výlučne v bunkách, ktoré ich obsahujú. Čím viac mitochondrií bunka má, tým viac energie dokáže vyprodukovať. 

vysokoškolský bonus

Typickými bunkami, ktoré potrebujú veľa energie (a teda aj veľa mitochondrií) sú tie, kde sa odohráva aktívny transport látok – napr. bunky črevnej sliznice, alebo v proximálnych tubuloch obličiek. Pri aktívnom transporte sa spotrebuje energia na to, aby bunka cez svoju cytoplazmatickú membránu prijala/vylúčila („prepumpovala“) napríklad ióny. Túto energiu musí odniekiaľ získať, preto obsahuje množstvo mitochondrií. Tie sa zoskupujú na bazálnej strane bunky a spolu s cytoplazmatickou membránou, ktorá sa medzi nich vchlipuje, sa označujú ako bazálny labyrint.

Pre citrátový cyklus je potrebný acetyl-CoA, ktorý sme získali pri katabolizme živín. Ten sa postupne kompletne rozkladá (oxiduje) za vzniku dvoch molekúl CO2 (citrátový cyklus je najväčším producentom CO2 v tele – prebieha neustále, vo väčšine buniek, pri vyššej potrebe energie sa zrýchľuje). Pri tomto katabolizme acetyl-CoA sa uvoľní aj osem atómov vodíka, ktoré sa viažu na kofaktory NAD+ a FAD (oxidovaná forma kofaktorov). Výsledkom je vznik štyroch redukovaných kofaktorov – 3 NADH+H+ (naviazalo sa 6 vodíkov) a 1 FADH2 (naviazali sa 2 vodíky). Okrem toho, ako už bolo spomenuté, v každom cykle získame jednu molekulu GTP.

Počas cyklu teda vznikajú tri typy produktov:

  • CO2, ktorý prejde z buniek do krvi, tá ho privedie do pľúc a vydýchame ho

  • redukované kofaktory, ktoré dočasne uchovávajú energiu a vstupujú do dýchacieho reťazca

  • vysokoenergetická (makroergna) zlúčenina GTP, z ktorej môže jednoducho vzniknúť ATP

Reakcie citrátového cyklu

citrát

Acetyl-CoA reaguje s oxalacetátom za vzniku citrátu. Jedná sa o kondenzačnú reakciu katalyzovanú enzýmom citrátsyntháza. Kofaktorom je koenzým A, ktorý „prinesie“ acetyl a umožní jeho spojenie s oxalacetátom. Zo štvoruhlíkatej a dvojuhlíkatej zlúčeniny vzniká šesťuhlíkatý citrát.

Acetyl-CoA je zlúčenina bohatá na energiu, zatiaľ čo citrát je energeticky chudobný. Energia, ktorá sa uvoľní pri jeho vzniku má formu tepla, táto reakcia je preto exotermická a zároveň nevratná (teplo je nevyužiteľná forma energie, bunka ho nedokáže použiť na spätnú reakciu). Spätná reakcia – premena citrátu na acetyl-CoA a oxalacetát môže prebehnúť iba v cytosole (nie v mitochondrii) pri dodaní ATP.

Rýchlosť tejto reakcie závisí predovšetkým na koncentrácii substrátov a produktu. Ak máme veľa acetyl-CoA a oxalacetátu, reakcia bude prebiehať rýchlo, v prípade prebytku citrátu sa reakcia inhibuje (spomaľuje).

citratovy-krebsov-cyklus - izocitrát

Citrát sa mení na izocitrát. Ide o izomerizáciu, enzýmom je akonitáza (patrí do skupiny lyáz). V molekule citrátu sa nachádza terciárna hydroxylová skupina. To znamená, že OH je pripojené na uhlík, ktorý tvorí tri jednoduché väzby s ďalšími uhlíkmi. Pri tomto zoskupení nie je možná dehydrogenácia (odobratie 2H), hydroxylovú skupinu je preto nutné upraviť na sekundárnu – aby na uhlíku, na ktorý je napojená, bol atóm vodíka.

Tento presun OH skupiny má na starosti akonitáza. Citrát najprv dehydratuje (-H2O) a následne hydratuje (+H2O) tak, že OH skupina sa pripojí na špecifický uhlík, nie na pôvodné miesto. Medziproduktom pri premene citrátu na izocitrát je cis-akonitát, od ktorého je odvodený názov enzýmu.

citratovy-krebsov-cyklus - biochémia -2-oxoglutarat

Izocitrát už dokážeme dehydrogenovať, katalýzu zabezpečuje enzým izocitrátdehydrogenáza. Ten zároveň izocitrát aj dekarboxyluje. V jednom kroku tak prebehnú dve reakcie, dehydrogenácia, aj dekarboxylácia. Výsledným produktom je 2-oxoglutarát.

Pri dehydrogenácii sa uvoľnené vodíky viažu na oxidovaný kofaktor NAD+ a redukujú ho. Vzniká prvé NADH+H+ v priebehu cyklu.

CO2 je zlúčenina inertná, nereaktívna a obsahujúca minimum energie. Prakticky všetky dekarboxylačné reakcie sú preto nevratné. Nevratné reakcie sú miestom, kde je možné citrátový cyklus regulovať. 

V prípade prvej nevratnej reakcie (acetyl-CoA + oxalacetát → citrát) bola regulácia zabezpečená množstvom reaktantov a produktov. V tomto prípade je izocitrátdehydrogenáza aktivovaná nedostatkom energie (prevaha ADP nad ATP) a inhibovaná vysokým obsahom ATP a NADH+H+ (dostatkom energie).

Keď je reakcia inhibovaná, dochádza k akumulácii substrátu – izocitrátu. Priamym dôsledkom je hromadenie citrátu, vzhľadom na fakt, že izomerizácia citrátu na izocitrát je reakcia vratná. Pri nadbytku izocitrátu začne prebiehať opačným smerom, čím sa zvýši aj koncentrácia citrátu. Tento citrát vystupuje z mitochondrie do cytosolu, po dodaní energie sa rozkladá na acetyl-CoA a oxalacetát. Získaný acetyl-CoA sa pri dodaní energie využije na tvorbu mastných kyselín.

 

Tento postup popisuje hospodárenie s energiou v bunke. Ak má bunka energie málo, prebieha citrátový cyklus a jeho produkty sa podieľajú na vzniku ATP. V prípade, že bunka má ATP dostatok, dochádza k presunu acetyl-CoA z mitochondrie do cytosolu a následnej tvorbe mastných kyselín. Do nich bunka uloží energiu, ktorú momentálne nepotrebuje a v prípade nedostatku energie začne mastné kyseliny odbúravať β-oxidáciou na acetyl-CoA, ktorý prejde do mitochondrie a zapojí sa do citrátového cyklu (zisk energie).

biochemia - citratovy-krebsov-cyklus - 2_sukcynyl

2-oxoglutarát sa pomocou 2-oxoglutarátdehydrogenázy (komplex viacerých enzýmov) mení na sukcinyl-CoA. Pre priebeh reakcie je potrebných päť kofaktorov, pre nás je najpodstatnejší NAD+, ktorý sa bude redukovať na NADH+H+ a zapojí sa do dýchacieho reťazca – vyťažíme z neho teda energiu. Pri tejto reakcii podstupuje 2-oxoglutarát dehydrogenáciu.

Ďalším dôležitým kofaktorom je koenzým A, ktorý sa naviaže na molekulu a vznikne tak makroergna (vysokoenergetická) zlúčenina, sukcinyl-CoA. Zvyšnými kofaktormi reakcie sú lipoát, FAD a TDP.

Okrem dehydrogenácie dochádza aj k dekarboxylácii – reakcia je teda nevratná a je ďalším miestom, kde môžeme cyklus regulovať. Produkty reakcie, NADH+H+ a sukcinyl-CoA slúžia ako inhibítory.

biochemia - citratovy-krebsov-cyklus - 2-sukcinat

Energia uložená v sukcinyl-koenzýme A sa v ďalšej reakcii využije na substrátovú fosforyláciu: GDP + Pi + sukcinyl-CoA → GTP + sukcinát + HS-CoA (koenzým A). Reakcia je vratná a katalyzovaná pomocou sukcinyl-CoA-synthetázy (popisuje reakciu v opačnom smere, ako počas priebehu citrátového cyklu).

biochemia - citratovy-krebsov-cyklus - fumarat

Sukcinát sa transformuje na fumarát pomocou sukcinátdehydrogenázy (jediný enzým cyklu, ktorý je zabudovaný vo vnútornej mitochondriálnej membráne – tvorí súčasť dýchacieho reťazca)

Kofaktorom je FAD, ktoré prijme uvoľnené vodíky po dehydrogenácii sukcinátu a dostane sa do redukovanej formy FADH2, z ktorej sa vyťaží energia v dýchacom reťazci

Všimnite si

Doteraz sme používali kofaktor NAD+, v tejto reakcii je potrebný FAD. Podľa čoho si zapamätáte, ktorý treba použiť? 

NAD+ v prípade, že jeden vodík pochádza z uhlíku a druhý vodík napr. z –OH skupiny.

FAD v prípade, že vodíky sú z dvoch susedných atómov uhlíku.

citratovy - krebsov - cyklus - L_malat

Fumarát reaguje s vodou (hydratácia) za vzniku L-malátu. Enzýmom je fumaráthydratáza (fumaráza) a k adícii vody dochádza stereošpecificky – malát má chirálny uhlík a nie je jedno, ako sa OH skupina naviaže – produktom je L-malát, nie D-malát. 

citratovy krebsov cyklus - oxalacetat

L-malát ukončuje priebeh citrátového cyklu premenou na oxalacetát. Reakcia je dehydrogenáciou, vodíky prechádzajú na kofaktor NAD+. Okrem oxalacetátu, ktorý opäť vstupuje do prvej reakcie cyklu tak získame ďalší redukovaný kofaktor NADH+H+.

Celý citrátový cyklus

citratovy krebsov cyklus

Energetická bilancia citrátového cyklu

Keď si naštudujete jednotlivé reakcie a ich produkty, zistíte, že v priebehu jedného cyklu dôjde k zisku

  • 1x GTP

  • 1x FADH2

  • 3x NADH+H+

Najviac energie sa získa z redukovaných kofaktorov (dýchací reťazec). Podľa starších údajov:

  • FADH2 = 2ATP

  • NADH+H+ = 3 ATP

Z kofaktorov by sme tak získali 1×2 + 3×3 = 11 ATP. Keď k tomu pripočítame 1 GTP (= 1 ATP), počas jedného cyklu bunka vyprodukuje 12 molekúl ATP

Podľa novších informácií zodpovedá FADH2 nie dvom, ale 1,5 ATP a NADH+H+ = 2,5 ATP, nie tri. V tom prípade je výťažok 10 ATP na cyklus.

Zdroje:
Prezentácia Citrátový cyklus, dýchací řetězec, reaktivní formy kyslíku Ústavu biochémie Masarykovej univerzity v Brne
poznámky šprta z prednášok

Categories: BiochémiaChémia

0 Comments

Pridaj komentár

Vaša e-mailová adresa nebude zverejnená. Vyžadované polia sú označené *

Táto webová stránka používa Akismet na redukciu spamu. Získajte viac informácií o tom, ako sú vaše údaje z komentárov spracovávané.