Metabolismus

Souhrn všech enzymově katalyzovaných reakcí v organismu, které přeměňují základní živiny, probíhají organizovaně, integrovaně, s přesnou lokalizací, transportem a jsou regulovány.

Souhrnné schéma metabolických pochodů

Procesy, jimiž živé soustavy získávají volnou energii.

Soubor katabolických (rozkladných, degradačních) a anabolických (skladných, syntetických) procesů. Objevují se zde i amfibolické cesty, které mají charakter jak anabolický, tak katabolický. Zvláštním typem jsou reakce anaplerotické, které doplňují meziprodukty do hlavních metabolických procesů.

K syntetickým procesům je potřeba energie, která se získá při zpracování živin z potravy (př. uložené zásoby vlastního těla); nejdůležitější energií je ta, kterou organismus získá oxidací živin. Organismus postupně unifikuje rozmanitost sloučenin potravy, až z každého druhu živiny zůstane jen několik málo látek, nebo jen jediná.

Základní funkce

Energetická a Látková

Zajišťuje energii a stavební materiál na výrobu složek organismu a tyto složky také vyrábí. Na jeho konci vznikají odpadní produkty, což jsou pozměněné látky pro snadné vyloučení z organismu.

1. fáze: Polysacharidy se v GIT štěpí na monosacharidy

2. fáze: Buňka převede všechny monosacharidy na D-glukózu → glykolýza → pyruvát → acetyl-CoA. Převodem na acetyl-CoA vzniká potřebná unifikace (MK i AMK → acetyl-CoA), ale zisk volné energie ΔG v podobě ATP není tak veliký, aby stačil potřebám těla (jen tvorba tepla) => vysoký energetický zisk nutný pro endergonní (endotermické) reakce a pro práci se dosáhne úplnou oxidací (spálením) zbytku kyseliny octové (acetylu) na CO₂ a H₂O, což jsou konečné produkty metabolismu.

3. fáze: Látky se spalují prostřednictvím acetylkoenzymu A v citrátovém cyklu:

• při dekarboxylaci vzniká CO₂
• při redoxních reakcích se tvoří redukované kofaktory NADH a FADH₂

Strategie metabolismu

• Udržování ustáleného stavu – tok intermediátů metabolickou dráhou je konstantní (štěpení – syntéza)
• Získávání energie (tvorba ATP) – oxidací energeticky bohatých molekul / živin→ vznik NADH, FADH₂ → dýchací řetězec → oxidativní fosforylace
• Tvorba NADH a NADPH – Hlavní donory elektronů v redukční biosyntéze
• Zisk prekurzorů pro syntézu makromolekul
• Zisk speciálních molekul – neuromediátorů, hormonů a různých faktorů
• Oddělené biosyntetické a degradační dráhy – obě dráhy musí být po celý čas termodynamicky výhodné
• Rychlost metabolických drah je ovlivněna spíše aktivitou klíčových enzymů

Zdroje volné energie pro tělo

• Oxidace NADH nebo FADH₂ vytvořených v citrátovém cyklu
• Přenos H⁺ pocházejícího z živin a elektronů + molekulární kyslík → voda (koncový metabolický produkt všech organických látek)
• Přenos elektronů z redukovaných kofaktorů → koncový dýchací řetězec
• Energie uvolněná v průběhu řetězce vázána do ATP (adenosintrifosfát) prostřednictvím aerobní fosforylace

– Metabolismus AMK se liší, jelikož se z nich uvolní dusík ve formě toxického amoniaku, který se zpracovává v močovinovém cyklu na konečný netoxický produkt, kterým je močovina. Většina AMK se přemění na acetyl-CoA, nebo poměrně složitými cestami na složky citrátového cyklu (ketogenní AMK na acetoacetát)

– Konečným produktem purinů (nukleové kyseliny z potravy, těla) je kyselina močová

Vlastnosti metabolických drah

• Jsou nevratné
• Jsou regulované
• Probíhají na specifických místech = kompartmentace.
• Obsahují častý určující stupeň

Katabolické reakce

Zjednodušené schéma katabolismu

1. Přeměna vysokomolekulárních látek z potravy na štěpy – štěpění látek uložených v těle
2. Unifikace těchto fragmentů na jednoduché základní produkty (hlavně acetyl-CoA)
3. Využití základních meziproduktů v citrátovém cyklu za vzniku CO₂, NADH, FADH₂
4. Sled redox. reakcí; protony z hydrogenačních kofaktorů NADH a FADH₂ se přenesou na O₂ za vzniku H₂O a značného množství použitelné energie v podobě ATP → koncový dýchací řetězec

Anabolické reakce

1. Využití nízkomolekulárních struktur k tvorbě látek o vyšší molekulové hmotnosti
2. K syntéze je nutno dodat energii
3. Jako substrát se často využívá acetyl-CoA

Amfibolické reakce

Mají charakter jak anabolický, tak katabolický. Např. Krebsův cyklus – dochází k odbourávání acetylkoenzymu A a zároveň poskytuje vstupní produkty pro syntézu aminokyselin, hemu a jiných sloučenin

Anaplerotické reakce

Doplňují produkty do hlavních metabolických procesů. Např. syntéza oxalacetátu z puryvátu, meziprodukty citrátového cyklu

Základní způsoby regulace

Regulace množstvím enzymu

• Množství enzymu závisí na rychlosti jeho syntézy (proteosyntéza) nebo degradace
• Nastavení hladiny enzymů – indukce nebo represe

Katalytická aktivita enzymů

1. Reverzibilní allosterická kontrola
   1. Allosterické enzymy mají více podjednotek
   2. Aktivní a neaktivní forma enzymu se liší ve 3D struktuře
   3. Navázání substrátu = aktivní forma
   4. Navázání inhibitoru = neaktivní forma
   5. Inhibitor = negativní efektor
   6. Aktivátor = pozitivní efektor
   7. Allosterickým regulátorem může být substrát reakce, metabolit, vzdálenější či konečný produkt řetězce.
   8. První reakce v mnoha syntetických drahách je inhibována koncovým produktem dané dráhy.
2. Reverzibilní kovalentní modifikace
   1. Modulace fosforylací nebo defosforylací
      1. Připojení (kinázy) nebo odpojení (fosfatázy) fosfátu.
      2. Místa pro fosforylaci obsahují volnou —OH skupinu (důležité pro přijetí fosfátu).
      3. Př. Serin, Tyrosin, Threonin
      4. 50% fosforylací = aktivace
      5. 50% fosforylací = deaktivace
   2. Modulace adenylací
      1. Připojení AMP k molekule enzymu
   3. Aktivace zymogenů
      1. NEvratná
      2. Typické pro enzymy trávení bílkovin.
      3. Z neaktivního proenzymu vzniká aktivní enzym – odkrytí aktivního místa sestřihem.
      4. Důležité jako ochrana produkujících buněk – působí až v lumen GIT
      5. Proteolytické štěpení enteropeptidázami
      6. Přeměna chymotripsinogenu na chymotripsin
      7. Aktivace systému hemokoagulace

Dostupnost substrátu

• Buněčná membrána:

Není stejně propustná pro všechny molekuly (např. Glc-6-P nemůže projít). Některé molekuly mají speciální transportní systémy vestavěné v membráně.

• Membrány organel uvnitř buňky:

Rozdílné typy mají rozdílnou propustnost. I zde se objevují speciální transportní systémy (př. při degradaci MK musí být MK transportována do mitochondrie prostřednictvím specifické transportní molekuly karnitinu)

Hormonální regulace

• Steroidní hormony způsobují expresi genu
• "První poslové" působí extracelulárně vazbou na membránový receptor. Odezvou je syntéza "druhého posla"

Další kontrolní mechanismy

• Oddělení metabolických drah
• Kompartmentace
• Orgánová specializace
• Inhibice enzymů

Termodynamika metabolických pochodů

• Je-li ΔG záporná, mají rekce spontánní průběh.

• ΔG < 0 reakce je exergonická (zvýšení neuspořádanosti vesmíru) → Volná energie výchozí látky je větší než volná energie produktu.

• ΔG > 0 reakce je endergonická (systému dodáme energii). Kdyby reakce Produkt → Výchozí látka proběhla, ΔG by byla větší než 0 a vesmír by se stal uspořádanějším. Proto tato reakce může proběhnout s jinou energeticky výhodnější reakcí.

Vysvětlivky

• NK = nukleové kyseliny (DNA, RNA)
• MK = mastné kyseliny
• AMK = aminokyseliny

Odkazy

Související články

• Metabolismus glykogenu
• Metabolismus aminokyselin
• Pentózový cyklus, metabolismus fruktózy, galaktózy a kyseliny glukuronové
• Metabolimus lipidů a lipoproteinů
• Hepatogenní diabetes a metabolizmus sacharidů

Externí odkazy

• Metabolism

Zdroj

• WSÓL, Vladimír. Termodynamika biochemických reakcí [přednáška k předmětu Obecná biochemie, obor Farmacie, Farmaceutická fakulta UK]. Hradec Králové. 2011-03-08. 

• WSÓL, Vladimír. Úvod do metabolismu [přednáška k předmětu Obecná biochemie, obor Farmacie, Farmaceutická fakulta UK]. Hradec Králové. 2011-03-09. 

• WSÓL, Vladimír. Regulace metabolických dějů [přednáška k předmětu Obecná biochemie, obor Farmacie, Farmaceutická fakulta UK]. Hradec Králové. 2011-05-03. 

			Článek neobsahuje vše, co by měl.
			Můžete se přidat k jeho autorům a doplnit jej.
			O vhodných změnách se lze poradit v diskusi.