3 Energie, katalýza a biosyntéza

Transkript

1 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

2 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 Kapitola 3 : Energie, katalýza a biosyntéza

3 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). 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. (A) (B) (C) (D) (E) Katalýza a využití energie buňkami 79

4 "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 Kapitola 3 : Energie, katalýza a biosyntéza

5 zdviïená cihla obsahuje potenciální energii zpûsobenou pfiitaïlivostí potenciální energie daná polohou kinetická energie tepelná energie dvû molekuly plynného vodíku + molekula plynného kyslíku energie chemické vazby v H 2 a O 2 padající cihla obsahuje kinetickou energii rychlé rotace a vibrace novû vytvofien ch molekul vody rychl pohyb molekul H 2 O pfii dopadu cihly na podlahu se uvolàuje teplo teplo rozpt lené do okolí tepelná energie 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. baterie + motor ventilátoru + dráty ventilátor energie chemick ch vazeb elektrická energie kinetická energie sluneãní svûtlo molekula chlorofylu excitovaná molekula chlorofylu elektromagnetická (svûtelná) energie 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 obráz- Katalýza a využití energie buňkami 81

6 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 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. 82 Kapitola 3 : Energie, katalýza a biosyntéza

7 později.) V tomto prvním stadiu je jako vedlejší produkt rozpadu vody uvolňován molekulový kyslík (plynný O 2 ). 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 (CO 2 ) a vody (H 2 O). 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 + CO 2 + H 2 O Æ cukry + O 2 + 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 + CO 2 + H 2 O Æ cukry + O 2 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 CO 2 a nejstálejší formou vodíku H 2 O. 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 CO 2 ah 2 O. 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 CO 2, 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 O 2 k tvorbě CO 2 ze stejných atomů uhlíku, které byly přijaty jako CO 2 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 O 2 představuje asi 20 % zemské atmosféry.) Katalýza a využití energie buňkami 83

8 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 Fe 2+ se oxiduje, když ztratí elektron a změní se v Fe 3+, 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 CO 2 ah 2 O, získávají molekuly O 2 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 kova- 84 Kapitola 3 : Energie, katalýza a biosyntéza

9 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. CH 3 CH 2 OH ÆCH 3 CHO (ethanolæ acetaldehyd) D. CH 3 CHO ÆCH 3 COOH (acetaldehydæ octová kyselina) E. CH=CH ÆCH 3 CH 3 (ethenæ ethan) Enzymy obcházejí bariéry, které brání průběhu chemických reakcí Podívejme se na reakci papír + O 2 Æ kouř + popel + teplo + světlo + CO 2 + H 2 O 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 CO 2 ah 2 O, 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. Katalýza a využití energie buňkami 85

10 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 Enzymy patří mezi nejúčinnější známé katalyzátory; často urychlují reakce až krát, 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. 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. 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 Kapitola 3 : Energie, katalýza a biosyntéza

11 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 spotře- Obrázek 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. Katalýza a využití energie buňkami 87

12 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 10 5 molekul vody. Nehledě na to je aktivní místo enzymové molekuly, které tento substrát váže, během každé sekundy bombardováno asi náhodných srážek s molekulami substrátu. (Pro substrát s desetkrát nižší koncentrací tento počet srážek poklesne na /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. 2-28). 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 CO 2 na HCO 3 (CO 2 + H 2 O apple HCO 3 + H + ). Rychlá pfiemûna CO 2 na mnohem rozpustnûj í hydrogenkarbonátov ion (HCO 3 ) je velmi dûleïitá pro úãinn transport CO 2 v krevním fieãi ti - z tkání, kde CO 2 vzniká pfii d chání, do plic, odkud je vydechován. Karbonátdehydratáza urychluje reakci 10 7 krát a pfii své mezní rychlosti hydratuje 10 5 molekul CO 2 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 10 7 násobné urychlení reakce. 100 nm 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. 88 Kapitola 3 : Energie, katalýza a biosyntéza

13 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 ). Obrázek 3-18 Rozdíl mezi energeticky výhodnými a energeticky nevýhodnými reakcemi. Na DG má vliv koncentrace reaktantů Jak jsme právě popsali, bude reakce A apple 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. Katalýza a využití energie buňkami 89

14 90 Panel 3 1 Volná energie a biologické reakce

15 91

16 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 apple 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 -1 K -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). Tabulka 3 1 Vztah mezi změnou volné energie a rovnovážnou konstantou 92 Kapitola 3 : Energie, katalýza a biosyntéza

17 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) -DG /2,578 [B]/[A] = e 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 apple 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 Æ Y a YÆ Z pro které jsou hodnoty DG +20,9 a 54,4 kj/mol. (Vzpomeňte si, že mol je 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 CO 2 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. Katalýza a využití energie buňkami 93

18 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. ah 2 O, 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 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 Kapitola 3 : Energie, katalýza a biosyntéza

19 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 Obrázek 3-24 Mechanický model ilustrující příklad spřažených chemických reakcí. Samovolná reakce v části (A) by mohla sloužit jako analogie přímé oxidace glukosy na CO 2 ah 2 O, 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). Aktivované nosičové molekuly a biosyntéza 95

20 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 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 molekulo- Obrázek 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 (P i ). Tato hydrolýza koncového fosfátu ATP poskytne 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 (P i ) je stabilizován rezonancí a energeticky výhodnou tvorbou vodíkových můstků s molekulami vody. Tvorba ATP z ADP a P i představuje obrácenou hydrolýzu a vyžaduje spřažení této energeticky nevýhodné reakce s jinou reakcí, která je energeticky výhodnější. 96 Kapitola 3 : Energie, katalýza a biosyntéza