Chemické reakce v metabolismu

Náplň podkapitoly

1. Nejvýznamnější chemické reakce v metabolismu
2. Základy regulace metabolických drah

Nejvýznamnější chemické reakce v metabolismu

[ ✎ upravit vložený článek ]

Metabolické dráhy lidského organismu tvoří rozsáhlou síť propojených reakcí, které často sdílejí společné meziprodukty. Chemické přeměny jednotlivých látek obvykle třídíme podle určitého obecného mechanismu společného pro všechny látky podstupující danou reakci. Například u dekarboxylace se jedná o odštěpení CO₂ z karboxylové skupiny, přičemž substrátem mohou být různé karboxylové kyseliny.

Alkoholy, karbonylové sloučeniny a karboxylové kyseliny

Alkoholy, karbonylové sloučeniny a karboxylové kyseliny patří mezi významné substráty mnoha reakcí metabolických drah organismů.

Alkoholy obsahují funkční skupinu −OH. Podle počtu OH skupin v molekule mohou být alkoholy jedno-, dvou- nebo vícesytné. Dále podle toho, na jaký atom uhlíku se −OH skupina váže, rozlišujeme primární, sekundární a terciární alkoholy.

Aldehydy s ketony tvoří skupinu karbonylových sloučenin. Funkční skupinou aldehydů je skupina −CHO, u ketonů −C=O. Z této skupiny látek jsou pravděpodobně nejvýznamnějšími substráty reakcí karboxylové kyseliny, charakterizované přítomností funkční skupiny −COOH, a jejich deriváty.

• 

  aldehydová skupina

• 

  ketonová skupina

• 

  karboxylová skupina

Významné reakce alkoholů, aldehydů a karboxylových kyselin

1. Tvorba aniontů a acylů odvozených od karboxylových kyselin
2. Dehydrogenace a hydrogenace (oxidace a redukce)
3. Esterifikace

Acyl

Tvorba aniontů a acylů odvozených od karboxylových kyselin

Karboxylová skupina je schopna disociace, přičemž míru disociace pro jednotlivé kyseliny udává disociační konstanta. Karboxylové kyseliny patří mezi kyseliny slabé, což znamená, že jejich disociace je jen parciální. Z kyseliny tak vzniká anion (skupina −COO⁻). Po odštěpení celé −OH skupiny z karboxylové skupiny vzniká její acyl.

Dehydrogenace a hydrogenace (oxidace a redukce)

Během chemické reakce, dehydrogenace, dochází k odstranění −H z molekuly. Získaný vodík, můžeme následně využít při tvorbě protonového gradientu v mitochondriích a k zisku energie (ATP). Vnesení vodíku do molekuly se nazývá hydrogenace. V organismu se dehydrogenace a hydrogenace vyskytují například v těchto pochodech:

Oxidace jednoduchých vazeb na vazby dvojné

−CH₂−CH₂− $\rightleftharpoons$ −CH=CH− + 2 H⁺ + 2 e⁻

Tyto reakce se vyskytují například v Krebsově cyklu, při β-oxidaci mastných kyselin či desaturačních reakcích, které mají za cíl syntézu nenasycených MK.

Vzájemné přeměny alkoholů, aldehydů / ketonů a karboxylových kyselin

Alkoholy, karbonylové sloučeniny a karboxylové kyseliny tvoří řadu vzájemně se lišící stupněm oxidace / redukce.

Obecné schéma jejich vzájemné přeměny je následující (směrem ke karbonylové sloučenině a karboxylové kyselině probíhá oxidace, směrem opačným redukce):

• Primární alkohol $\rightleftharpoons$ aldehyd $\rightleftharpoons$ karboxylová kyselina

R−CH₂−OH $\rightleftharpoons$ R−CHO $\rightleftharpoons$ R−COOH

• Sekundární alkohol $\rightleftharpoons$ keton

R¹−CH(OH)−R²$\rightleftharpoons$ R¹−CO−R²

• Terciární alkohol

„Mírná“ oxidace neprobíhá (lze oxidovat až za současného štěpení uhlíkového řetězce).

Jako příklad oxidace nám může posloužit vznik dihydroxyacetonfosfátu (DHA-P) z glycerol-3-fosfátu (kofaktorem je FAD), přes který vstupuje glycerol dle aktuálních potřeb organismu do glykolýzy či do glukoneogeneze.

Esterifikace

Esterifikace je reakce karboxylové kyseliny s alkoholem, při které vzniká ester a voda:

Nejvýznamnější karboxylové kyseliny, jejich anionty a acyly

Nasycené monokarboxylové kyseliny

C	Systematický název	Triviální název	Latinský název	Acyl	Anion
1	metanová	mravenčí	ac. formicum	formyl	formiát
2	etanová	octová	ac. aceticum	acetyl	acetát
3	propanová	propionová	ac. propionicum	propionyl	propionát
4	butanová	máselná	ac. butyricum	butyryl	butyrát
5	pentanová	valérová	ac. valericum	valeryl	valerát
12	dodekanová	laurová	ac. lauricum	lauryl	laurát
16	hexadekanová	palmitová	ac. palmiticum	palmitoyl	palmitát
18	oktadekanová	stearová	ac. stearicum	stearoyl	stearát

Nasycené dikarboxylové kyseliny

C	Systematický název	Triviální název	Latinský název	Acyl	Anion
2	etandiová	štavelová	ac. oxalicum	oxalyl	oxalát
3	propandiová	malonová	ac. malonicum	malonyl	malonát
4	butandiová	jantarová	ac. succinicum	sukcinyl	sukcinát
5	pentandiová	glutarová	ac. glutaricum	glutaryl	glutarát
6	hexandiová	adipová	ac. adipicum	adipoyl	adipát

Nenasycené monokarboxylové kyseliny

C	Systematický název	Triviální název	Latinský název	Acyl	Anion
18:1	cis-oktadec-9-enová	olejová	ac. oleicum	oleoyl	oleát
18:2 (ω−6)	cis,cis-oktadeka-9,12-dienová	linolová	ac. linoleicum	linoloyl	linolát
18:3 (ω−3)	cis,cis,cis-oktadeka-9,12,15-trienová	linolenová	ac. linolenicum	linolenoyl	linolenát
20:4 (ω−6)	cis,cis,cis,cis-eikosa-5,8,11,14-tetraenová	arachidonová	ac. arachidonicum	arachidonyl	arachidonát

Nenasycené dikarboxylové kyseliny

C	Systematický název	Triviální název	Latinský název	Acyl	Anion
4	cis-butendiová	maleinová	ac. maleicum	maleinyl	maleinát
4	trans-butendiová	fumarová	ac. fumaricum	fumaroyl	fumarát

Deriváty karboxylových kyselin

C	Systematický název	Triviální název	Latinský název	Acyl	Anion
3	2-oxopropanová	pyrohroznová	ac. pyruvicum	pyruvyl	pyruvát
3	2-hydroxypropanová	mléčná	ac. lacticum	laktoyl	laktát
4	3-oxobutanová	acetooctová		acetoacetyl	acetoacetát
4	3-hydroxybutanová	β-hydroxymáselná			β-hydroxybutyrát
4	2-hydroxybutandiová	jablečná	ac. malicum	maloyl	malát
4	2-oxobutandiová	oxaloctová			oxalacetát
5	2-oxopentandiová	α-ketoglutarová		α-ketoglutaryl	α-ketoglutarát
6	2-hydroxypropan-1,2,3-trikarboxylová	citrónová	ac. citricum		citrát

Hydroxykyseliny a ketokyseliny

Hydroxykyseliny kromě skupiny −COOH obsahují i −OH skupinu nahrazující jeden −H. Ketokyseliny čili oxokyseliny obsahují v molekule kromě skupiny −COOH i skupinu =O nahrazující jeden −H. Jejich vzájemná přeměna je v metabolických drahách relativně běžná.

Jako příklad poslouží v metabolismu relativně častá keto-enol tautomerie. Dochází při ní k přeměně dvou forem organických sloučenin:

• ketoforma (či také oxoforma) obsahuje dvojnou vazbou vázaný kyslík jako skupinu =O,
• enolforma, která obsahuje dvojnou vazbu mezi uhlíky a na jeden z nich se váže −OH skupina (tj. obsahuje strukturu R¹−CH=C(OH)−R²).

Vzájemná přeměna obou forem představuje migraci atomu vodíku či protonu, provázenou prohozením jednoduché vazby a k ní přiléhající vazby dvojné.

Aminokyseliny a oxokyseliny

Aminokyseliny a oxokyseliny představují substituční deriváty karboxylových kyselin. Aminokyseliny obsahují v molekule kromě −COOH skupiny i skupinu −NH₂, oxokyseliny skupinu =O. Jejich vzájemné přeměny jsou v organismu časté, dochází při nich např. k záměně −NH₂ skupiny za skupinu =O a naopak.

K těmto přeměnám dochází především při dvou dějích:

Transaminace

Při této reakci je aminokyselina donorem −NH₂ skupiny pro oxokyselinu. Z příslušné oxokyseliny vzniká aminokyselina a původní aminokyselina se stává oxokyselinou:

AK1 + OxoK2 $\rightleftharpoons$ OxoK1 + AK2

Oxidační deaminace

Jedná se o vznik oxokyseliny z aminokyseliny odstraněním −NH₂ skupiny, jež se uvolňuje jako amoniak (NH₃). Oxidační deaminace patří k významným reakcím, skrze které zahajují aminokyseliny proces svého odbourávání. V lidském těle probíhají zejména v játrech a uvolněný amoniak se odbourává při syntéze močoviny.

Uvedenou reakci katalyzuje především glutamátdehydrogenáza.

Dekarboxylace a karboxylace

Při dekarboxylaci dochází k odstranění karboxylové skupiny, která se uvolní v podobě molekuly CO₂ a je nahrazena protonem. Jsou významné např. pro

• přeměny aminokyselin na biogenní aminy (např. při syntéze mnoha neurotransmiterů),
• dehydrogenace 2-ketokyselin – pyruvátdehydrogenázová reakce a dvě reakce Krebsova cyklu.

Karboxylace je reakce opačná, dochází při ní k vnesení −COOH skupiny do molekuly. Vyskytuje se například při

• syntéze mastných kyselin,
• glukoneogenezi.

Základy regulace metabolických drah

[ ✎ upravit vložený článek ]

Regulační reakce konkrétní metabolické dráhy je obvykle lokalizována na jejím začátku – typicky to bývá první ireverzibilní krok. Důvodem je omezit plýtvání zdrojů a zbytečnou produkci meziproduktů, k níž by docházelo, kdyby se dráha zastavila až uprostřed, nikoli na svém začátku.

Regulační enzym bývá přítomný v nízké koncentraci, která ho limituje. Jedná se o allosterický enzym pracující na principu „všechno, nebo nic“. Pro regulaci je výhodné, když existuje jakýsi koncentrační limit, nad kterým se reakce nastartuje a rychle dosáhne maximální rychlosti, a naopak pod nímž reakce téměř neprobíhá.

V regulaci metabolických drah se uplatňuje princip zpětné vazby (feedback). Jde o zpětné ovlivnění průběhu reakce z vytvořených meziproduktů nebo konečným produktem. Rozlišujeme dva druhy zpětné vazby:

• negativní zpětní vazba,
• pozitivní zpětní vazba.

Negativní zpětná vazba

Vede k sledu reakcí, při které se systém vrací k původní hodnotě. To je zdrojem stability systému, který se neustále zpětně vrací k hodnotě set pointu, nastavené hodnoty. Negativní zpětná vazba je proto součástí většiny drah.

Například enzym ALA-syntáza I (regulační enzym syntézy hemu lokalizovaný v játrech), který je přes negativní feedback zpětně inhibován produktem celé dráhy – hemem.

Negativní zpětná vazba

Pozitivní zpětná vazba

Vede k sledu reakcí, které ji ještě více prohloubí. Hrozí ovšem riziko vzniku bludného kruhu (circulus vitiosus). Každé další zvětšení odchylky její zvětšování ještě urychluje, až nakonec nestabilita systému způsobí jeho kolaps.

Například oxytocin. Jde o hormon produkovaný v jádrech hypotalamu, který (kromě jiného) vyvolává kontrakce hladké svaloviny dělohy a umožňuje tím průběh porodu. Každá kontrakce prostřednictvím aktivace mechanoreceptorů děložní stěny působí jako stimul pro další sekreci oxytocinu. Jeho efekt tak neustále narůstá až do doby, kdy jsou dítě a následně i placenta porozeny a tlak na děložní stěnu opět klesne.

Regulační krok ovlivňuje

Změna absolutní koncentrace enzymu (množství enzymu)

Ovlivňuje se proces transkripce a translace, a to indukce (aktivace) nebo represe (inhibice) exprese genu kódujícího daný enzym. Příkladem je substrátová indukce, kdy přítomnost substrátu indukuje syntézu enzymu.

Modulace aktivity již existujícího enzymu (aktivita enzymu)

• přítomnost aktivátorů / inhibitorů,

• kovalentní modifikace molekuly enzymu (fosforylace / defosforylace, tvorba aktivních enzymů z proenzymů, …).

Zdroj

• SVAČINA, Štěpán. Poruchy metabolismu a výživy. 1. vydání. Praha : Galén, 2010. 505 s. ISBN 978-80-7262-676-2.

• MATOUŠ, Bohuslav, et al. Základy lékařské chemie a biochemie. 1. vydání. Praha : Galén, 2010. 540 s. ISBN 978-80-7262-702-8.

• MURRAY, Robert Kincaid, David A BENDER a Kathleen M BOTHAM, et al. Harperova ilustrovaná biochemie. 5. vydání. Praha : Galén, 2012. 730 s. ISBN 978-80-7262-907-7.

• LEDVINA, Miroslav, et al. Biochemie pro studující medicíny. 2. vydání. Praha : Karolinum, 2009. 548 s. ISBN 978-80-246-1414-4.

• VELÍŠEK, Jan a Jana HAJŠLOVÁ. Chemie potravin. 2. 3. vydání. Tábor : OSSIS, 2009. ISBN 978-80-86659-17-6.