Základní principy metabolismu

Katabolismus je degradační fáze metabolismu, na energii bohaté molekuly živin (sacharidy, lipidy) jsou degradovány převážně oxidačními (dehydrogenačními) pochody na menší jednodušší sloučeniny. Při této degradaci je stupňovitě uvolňována energie.

Katabolismus:

produkuje chemickou energii a ukládá ji do molekul ATP
poskytuje prekurzory - stavební materiál pro biosyntetické procesy
produkuje energeticky bohaté redukční činidlo NADPH

Anabolismus je biosyntetická fáze metabolismu, jednoduché malé molekuly prekurzorů se sestavují v relativně velké molekulové složky buněk, jako jsou polysacharidy, lipidy, bílkoviny, nukleové kyseliny. Anabolické procesy vyžadují energii ve formě ATP, z chemického hlediska se jedná většinou o redukční děje, a proto vyžadují anabolické procesy i energií bohaté redukční činidlo NAD(P)H.

Vzájemný vztah katabolismu a anabolismu

1. protichůdný charakter

	Katabolismus	Anabolismus
Charakter	degradační	biosyntetický
Chemická povaha dějů	oxidační	redukční
Energie	uvolňování energie	spotřeba energie
Počáteční stav	široká škála látek	několik málo prekurzorů
Konečný stav	několik málo produktů	široká škála produktů

2. vzájemné doplňování

Produkty katabolismu (energie, prekurzory, redukční činidla) vstupují do anabolismu a naopak produkty anabolismu jsou výchozími substráty katabolismu.

3. podobné znaky

Katabolismus i anabolismus používají NADH, NADPH, společný přenašeč energie ATP a zároveň probíhají mezi stejnými výchozími a konečnými látkami, ale v opačných směrech. Přesto obvykle nemají identické meziprodukty ani katalyzátory.

4. nezávislé řízení katabolismu a anabolismu

Oba děje probíhají odděleně v různých částech buňky (i v různých kompartmentech), katabolické dráhy jsou regulovány především hladinou ATP a NADH v buňce, anabolismus řídí především množství produktů jeho drah.

Metabolická dráha	Substráty	Vnitrobuněčná lokalizace		Orgánová lokalizace (u člověka)
Katabolické dráhy
Beta-oxidace	Mastné kyseliny	Mitochondrie		všude (kromě mozku)
Cyklus citrátový	Acetyl-CoA	Mitochondrie		všude
Dýchací řetězec	NADH, FADH₂	Mitochondrie		všude
Glykolýza	glukóza-6-fosfát	Cytosol		všude
Anabolické dráhy
Biosyntéza sacharidů	pyruvát, laktát, oxalacetát, glycerol		cytozol, endoplazmatické retikulum	játra, ledviny
Cyklus pentózový	glukóza-6-fosfát		cytosol	játra, tukové tkáně aj.
Biosyntéza mastných kyselin	acetyl-CoA		cytosol	především játra a tukové tkáně
Biosyntéza cholesterolu	acetyl-CoA		cytosol, endoplazmatické retikulum	játra, střeva, nadledviny, gonády
Biosyntéza hemu	sukcinyl-CoA, glycin		cytosol, mitochondrie	játra, kostní dřeň
Cyklus močovinový	NH₃, CO₂		cytosol, mitochondrie	játra
Cyklus glyoxylátový	acetyl-CoA		glyoxyzómy	neprobíhá

Bioenergetika

Nejběžnější formou energie v živých systémech je chemická energie, tj. energie, která se uvolňuje při rozpadu molekul a kterou naopak je nutné vynaložit na jejich výstavbu. Velikost chemické energie je tedy nepřímou mírou stability dané struktury - molekuly s vysokou hladinou chemické energie jsou méně stabilní než molekuly energeticky chudé.

V bioenergetice se k posuzování energie biomolekul používá volná energie místo entalpie. Biochemické reakce probíhají v organismech při konstantním tlaku a teplotě, užíváme tedy Gibbsovu energii, která je definována za těchto podmínek. Gibbsova energie udává tu část energie uložené ve struktuře biomolekul, která je přeměnitelná (za daných podmínek v organismu) na užitečnou práci. Změny Gibbsovy energie při přeměnách látek vyjadřují množství energie, které může biologický systém využít pro konání různých forem práce nebo naopak, které musí na určitou práci vynaložit.

Biochemické reakce dělíme podle změny Gibbsovy energie na exergonické a endergonické. Exergonické reakce jsou procesy poskytující energii (především degradační děje), tedy procesy spojeny s poklesem Gibbsovy energie (∆G < 0) - probíhají většinou samovolně.

Endergonické reakce jsou procesy vyžadující energii (především biosyntézy, aktivní transporty, buněčné pohyby), tedy procesy spojeny naopak se vzrůstem Gibbsovy energie (∆G > 0). Endergonické reakce ke svému průběhu vyžadují vzrůst Gibbsovy energie výchozích látek, toho lze dosáhnout spřažením s vhodnou exergonickou reakcí. Podmínkou úspěšnosti tohoto spřažení je, aby absolutní hodnota ∆G exergonické reakce byla větší než reakce endergonické a aby obě reakce měly společný meziprodukt.

Přenašeče chemické energie

K přenosu energie používá živá buňka speciální skupinu molekul, které mají schopnost zachytit a ve své struktuře uložit energii, kterou jsou rozpadem své molekuly opět schopny uvolnit a odevzdat v endergonickém ději. Tyto molekuly se nazývají makroergické přenašeče.

Přenašeče energie v buňce jsou především některé organické fosforečné estery.

Univerzální přenašeč energie je ATP (adenozintrifosfát).

Další makroergické sloučeniny

Všechny purinové a pyrimidinové nukleozidtrifosfáty - GTP (guanozintrifosfát), CTP (cytidintrifosfát), UTP (uridintrifosfát), ITP (inozintrifosfát) mají velmi podobné hodnoty změn Gibbsovy energie jako ATP. Z termodynamického hlediska jsou tedy ekvivalentní, nemají však univerzální použití jako ATP - přejímají jeho úlohu v některých speciálních reakcích. GTP se účastní citrátového cyklu a poskytuje energii při biosyntéze bílkovin. UTP poskytuje energii při syntéze polysacharidů, CTP při stavbě fosfatidátů a ITP při některých energeticky náročných karboxylacích.

Literatura

Z.Vodrážka: Biochemie. Academia, Praha 1992.

Další informace:

Karolína Pešková

Metabolismus: základní principy