5. Chemické reakce v metabolismu

Náplň podkapitoly:

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

 

Nejvýznamnější chemické reakce v metabolismu

Metabolické dráhy lidského organismu tvoří rozsáhlou síť více či méně propojených reakcí, které často sdílejí společné meziprodukty. Chemické přeměny jednotlivých látek, k nimž v rámci reakcí dochází, 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. V této kapitole uvedeme nejvýznamnější druhy chemických reakcí v metabolismu a jejich typické příklady.

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 jejího počtu v molekule mohou být alkoholy jedno-, dvou- nebo vícesytné. Dále je lze dělit podle toho, na jaký atom uhlíku se -OH skupina váže, a z tohoto hlediska pak rozlišujeme primární (R-CH2-OH), sekundární (R1-CH(OH)-R2) a terciární (C-R1R2R3(OH)) alkoholy.

Aldehydy společně s ketony tvoří skupinu karbonylových sloučenin. Funkční skupinou aldehydů je skupina –CHO, u ketonů C=O.

Z této skupiny jsou pro organismus pravděpodobně nejvýznamnějšími substráty reakcí karboxylové kyseliny charakterizované přítomností funkční skupiny -COOH, či jejich deriváty.

Mezi významné reakce alkoholů, aldehydů a karboxylových kyselin patří:

1) Tvorba aniontů a acylů odvozených od karboxylových kyselin

2) Dehydrogenace a hydrogenace (oxidace a redukce)

3) Esterifikace

1) 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 většinou mezi kyseliny slabé, což znamená, že jejich disociace je jen parciální. Z kyseliny tak vzniká aniont (skupina -COO).

Po odštěpení celé -OH skupiny z karboxylové skupiny vzniká její acyl.

2) Dehydrogenace a hydrogenace (oxidace a redukce)

Během chemické reakce zvané dehydrogenace dochází k odstranění -H z molekuly. Vodík, který tímto procesem získáme, 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 při:

a) Oxidacích jednoduchých vazeb na vazby dvojné

b) Vzájemných přeměnách alkoholů – aldehydů / ketonů – karboxylových kyselin

a) Oxidace jednoduchých vazeb na vazby dvojné

Obecné schéma reakce lze vyjádřit takto:

-CH2-CH2– ↔ -CH=CH- + 2H+ + 2e

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

b) Vzájemné přeměny alkoholů – aldehydů / ketonů – karboxylových kyselin

Trojice skupin organických sloučenin 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):

1. Primární alkohol ↔ aldehyd ↔ karboxylová kyselina

R-CH2-OH ↔ R-CHO ↔ R-COOH

2. Sekundární alkohol ↔ keton

R1-CH(OH)-R2 ↔ R1-CO-R2

3. Terciární alkohol – nelze zoxidovat

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.

3) Esterifikace

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

R1-OH + R-COOH → R1O-(C=O)-R + H2O

Nejvýznamnější karboxylové kyseliny, jejich anionty a acyly shrnují následující tabulky.

1) Nasycené monokarboxylové kyseliny

C

Systematický název

Triviální název

Latinský název

Acyl

Aniont

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
2) Nasycené dikarboxylové kyseliny

C

Systematický název

Triviální název

Latinský název

Acyl

Aniont

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
3) Nenasycené monokarboxylové kyseliny

C

Systematický název

Triviální název

Latinský název

Acyl

Aniont

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
4) Nenasycené dikarboxylové kyseliny

C

Systematický název

Triviální název

Latinský název

Acyl

Aniont

4 cis-butendiová maleinová ac. maleicum maleinyl maleinát
4 trans-butendiová fumarová ac. fumaricum fumaroyl fumarát
5) Deriváty karboxylových kyselin

C

Systematický název

Triviální název

Latinský název

Acyl

Aniont

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

Vzájemná přeměna hydroxykyselin (které mimo skupinu -COOH obsahují v řetězci i -OH skupinu nahrazující jeden -H) a ketokyselin (nazývaných také oxokyseliny, obsahují v řetězci mimo skupinu -COOH i skupinu =O nahrazující jeden -H) je v metabolických drahách relativně běžná. Příklady oxidací hydroxykyselin na ketokyseliny, či naopak redukcí ketokyselin na hydroxykyseliny zachycují následující schémata.

V metabolismu se vyskytuje i jev keto-enol tautomerie, kde do sebe vzájemně přecházejí dvě formy organických sloučenin: keto- (či také oxo- forma) – obsahující dvojnou vazbou vázaný kyslík jako skupinu =O a enol- forma, kde je dvojná vazba mezi uhlíky a na jeden z nich se pak váže -OH skupina (C=C-OH). Jejich vzájemná přeměna představuje migraci atomu vodíku či protonu, doplněnou prohozením jednoduché vazby a k ní přiléhající vazby dvojné.

Aminokyseliny a oxokyseliny

Aminokyseliny a oxokyseliny představují substituční deriváty karboxylových kyselin. Aminokyseliny obsahují v řetězci kromě -COOH skupiny i skupinu -NH2 , oxokyseliny skupinu =O. Jejich vzájemné přeměny jsou v organismu časté, dochází při nich ke změně -NH2 skupiny na skupinu =O a naopak. Tyto přeměny vykonávají dvě základní reakce:

1) Transaminace

2) Oxidační deaminace

1) Transaminace

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

AK1 + OxoK2 ↔ OxoK1 + AK2

2) Oxidační deaminace

Jedná se o reakci vzniku 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 vstupuje do procesu syntézy močoviny.

Uvedenou reakci katalyzuje glutamátdehydrogenáza.

Dekarboxylace a karboxylace

Během chemické reakce zvané dekarboxylace dochází k odstranění karboxylové skupiny, která se uvolní v podobě molekuly CO2 a je nahrazena protonem. V organismu probíhá jako součást:

1) Přeměny aminokyselin na biogenní aminy (např. při syntéze mnoha neurotransmiterů)

Synteza katecholaminu-01

2) 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:

1) Syntéze mastných kyselin

2) Glukoneogenezi

Základy regulace metabolických drah

Regulační reakce konkrétní metabolické dráhy je obvykle lokalizována na jejím začátku – typicky to bývá první irreverzibilní krok. Důvodem je snaha 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 (nižší, než je koncentrace jiných enzymů dráhy), která ho limituje. Obvykle se navíc jedná o allosterický enzym pracující na principu „všechno, nebo nic“. Pro regulaci je totiž výhodné, existuje-li 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 (jako i v jiných regulovaných dějích v organismu) uplatňuje princip zpětné vazby (feedback). Při něm dochází ke zpětnému ovlivnění průběhu reakce některým z vytvořených meziproduktů nebo konečným produktem. Rozlišujeme dva druhy zpětné vazby:

1) Negativní zpětná vazba

Odchylka od nastavené hodnoty (set point) vede k sledu reakcí, při nichž se systém vrátí k původní hodnotě. Toto je zdrojem stability systému (který se neustále zpětně vrací k hodnotě set pointu), a negativní zpětná vazba je proto součástí většiny drah.

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

2) Pozitivní zpětná vazba

Odchylka od nastavené hodnoty (set point) vede ke sledu reakcí, které ji ještě více prohloubí. Hrozí ovšem riziko vzniku bludného kruhu (circulus vitiosus), při němž každé další zvětšení odchylky její zvětšování ještě urychluje, až nakonec nestabilita systému způsobí jeho kolaps.

Nejtypičtější příklad pozitivní zpětné vazby v organismu najdeme v podobě oxytocinu. Jde o hormon 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, a 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:

1) Změna absolutní koncentrace enzymu (množství enzymu)

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

2) Modulace aktivity již existujícího enzymu (aktivita enzymu)

a) přítomnost aktivátorů / inhibitorů

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

_

Autor podkapitoly: Petra Lavríková

cc-by-sa