METABOLICKÉ CESTY: TYPY A HLAVNÍ TRASY - BIOLOGIE - 2025

Metabolická cesta je soubor chemických reakcí, katalyzovaných enzymy. V tomto procesu je molekula X transformována na molekulu Y pomocí metabolitů meziproduktu. Metabolické dráhy probíhají v buněčném prostředí.

Mimo buňku by tyto reakce trvalo příliš dlouho a některé by se nemusely vyskytnout. Proto každý krok vyžaduje přítomnost katalyzátorových proteinů nazývaných enzymy. Úlohou těchto molekul je urychlit rychlost každé reakce v rámci cesty o několik řádů.

Hlavní metabolické cesty

Zdroj: Chakazul (diskuse · přispívá), přes Wikimedia Commons.

Fyziologicky jsou metabolické cesty navzájem spojeny. To znamená, že nejsou izolovány uvnitř buňky. Mnoho z nejdůležitějších cest sdílí metabolity společně.

V důsledku toho se soubor všech chemických reakcí, které se vyskytují v buňkách, nazývá metabolismus. Každá buňka se vyznačuje specifickým metabolickým výkonem, který je definován obsahem enzymů uvnitř, což je zase geneticky určeno.

Obecná charakteristika metabolických drah

V buněčném prostředí dochází k velkému počtu chemických reakcí. Soubor těchto reakcí je metabolismus a hlavní funkcí tohoto procesu je udržování homeostázy těla za normálních podmínek a také za stresových podmínek.

Musí tedy existovat rovnováha toků těchto metabolitů. Mezi hlavní charakteristiky metabolických drah máme následující:

Reakce jsou katalyzovány enzymy

Reakce katalyzovaná enzymy cyklooxygenázy (Zdroj: Pancrat přes Wikimedia Commons)

Protagonisté metabolických drah jsou enzymy. Jsou zodpovědné za integraci a analýzu informací o metabolickém stavu a jsou schopni modulovat svou aktivitu na základě aktuálních buněčných požadavků.

Metabolismus je regulován hormony

Metabolismus je řízen řadou hormonů, které jsou schopny koordinovat metabolické reakce s ohledem na potřeby a výkon těla.

Kompartmentalizace

Tam je kompartmentalizace metabolických cest. To znamená, že každá cesta se odehrává ve specifickém subcelulárním kompartmentu, mimo jiné se nazývá cytoplazma, mitochondrie. Jiné trasy se mohou vyskytovat současně v několika oddílech.

Rozdělení cest pomáhá při regulaci anabolických a katabolických drah (viz níže).

Koordinace metabolického toku

Koordinace metabolismu je dosažena prostřednictvím stability aktivity zúčastněných enzymů. Je třeba poznamenat, že anabolické dráhy a jejich katabolické protějšky nejsou zcela nezávislé. Oproti tomu jsou koordinované.

V metabolických drahách jsou klíčové enzymatické body. S rychlostí přeměny těchto enzymů je regulován celý tok dráhy.

Druhy metabolických drah

V biochemii se rozlišují tři hlavní typy metabolických drah. Toto dělení se provádí podle bioenergetických kritérií: katabolické, anabolické a amfibolové cesty.

Katabolické cesty

Katabolické dráhy zahrnují oxidační degradační reakce. Jsou prováděny za účelem získání energie a snížení energie, kterou bude buňka později využívat při jiných reakcích.

Většina organických molekul není v těle syntetizována. Naproti tomu to musíme konzumovat prostřednictvím jídla. Při katabolických reakcích se tyto molekuly rozkládají na monomery, které je tvoří, které mohou být použity buňkami.

Anabolické cesty

Anabolické dráhy zahrnují chemické reakce syntézy, přičemž malé, jednoduché molekuly a transformují je na větší, složitější prvky.

Aby tyto reakce proběhly, musí být k dispozici energie. Odkud tato energie pochází? Z katabolických drah, především ve formě ATP.

Tímto způsobem mohou být metabolity produkované katabolickými cestami (které se globálně nazývají „fond metabolitů“) použity v anabolických drahách, aby syntetizovaly složitější molekuly, které tělo v té době potřebuje.

Mezi touto zásobou metabolitů jsou tři klíčové molekuly procesu: pyruvát, acetyl koenzym A a glycerol. Tyto metabolity jsou zodpovědné za propojení metabolismu různých biomolekul, mezi jinými lipidů, uhlohydrátů.

Obojživelné trasy

Amfibolová stezka funguje jako anabolická nebo katabolická stezka. To znamená, že jde o smíšenou trasu.

Nejznámější amfibolovou cestou je Krebsův cyklus. Tato cesta má zásadní roli při degradaci uhlohydrátů, lipidů a aminokyselin. Podílí se však také na výrobě prekurzorů syntetických cest.

Například metabolity Krebsova cyklu jsou prekurzory poloviny aminokyselin, které se používají k tvorbě proteinů.

Hlavní metabolické cesty

Ve všech buňkách, které jsou součástí živých bytostí, se provádí řada metabolických cest. Některé z nich sdílí většina organismů.

Tyto metabolické cesty zahrnují syntézu, degradaci a přeměnu životně důležitých metabolitů. Celý tento proces je známý jako přechodný metabolismus.

Buňky trvale potřebují organické a anorganické sloučeniny a také chemickou energii, která se získává hlavně z molekuly ATP.

ATP (adenosintrifosfát) je nejdůležitější formou ukládání energie ve všech buňkách. A energetické zisky a investice metabolických drah jsou často vyjádřeny pomocí molekul ATP.

Nejdůležitější cesty, které se vyskytují v naprosté většině živých organismů, budou popsány níže.

Glykolýza nebo glykolýza

Obrázek 1: glykolýza vs. glukoneogeneze. Zúčastněné reakce a enzymy.

Glykolýza je cesta, která zahrnuje degradaci glukózy až na dvě molekuly kyseliny pyruvové a získává jako čistý zisk dvě molekuly ATP. Je přítomen prakticky ve všech živých organismech a je považován za rychlý způsob, jak získat energii.

Obecně se dělí na dvě fáze. První zahrnuje průchod molekuly glukózy do dvou molekul glyceraldehydu, invertování dvou molekul ATP. Ve druhé fázi se vytvoří vysoce energetické sloučeniny a jako konečné produkty se získají 4 molekuly ATP a 2 molekuly pyruvátu.

Trasa může pokračovat dvěma různými způsoby. Pokud je kyslík, molekuly dokončí svou oxidaci v dýchacím řetězci. Nebo, pokud tomu tak není, dochází k fermentaci.

Glukoneogeneze

AngelHerraez / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Glukoneogeneze je cesta pro syntézu glukózy, počínaje aminokyselinami (s výjimkou leucinu a lysinu), laktátem, glycerolem nebo jakýmkoli meziproduktem Krebsova cyklu.

Glukóza je nezbytným substrátem pro určité tkáně, jako je mozek, červené krvinky a svaly. Dodávka glukózy může být získána prostřednictvím zásob glykogenu.

Když jsou však vyčerpány, musí tělo zahájit syntézu glukózy, aby vyhovělo požadavkům tkání - především nervové tkáně.

Tato cesta se vyskytuje hlavně v játrech. Je to nezbytné, protože v půstu může tělo i nadále získávat glukózu.

Aktivace nebo nepřítomnost dráhy je spojena s krmením organismu. Zvířata, která konzumují diety s vysokým obsahem uhlohydrátů, mají nízkou glukoneogenní rychlost, zatímco diety s nízkým obsahem glukózy vyžadují významnou glukoneogenní aktivitu.

Glyoxylátový cyklus

Převzato a upraveno z: Původním nahrávačem byl Adenosine na anglické Wikipedii. / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)

Tento cyklus je jedinečný pro rostliny a určité typy bakterií. Touto cestou se dosáhne přeměny dvou-acetylových acetylových jednotek na čtyři-uhlíkové jednotky - známé jako sukcinát. Tato poslední sloučenina může produkovat energii a může být také použita pro syntézu glukózy.

Například u lidí by nebylo možné přežít pouze s acetátem. V našem metabolismu nelze acetyl koenzym A převést na pyruvát, který je předchůdcem glukoneogenní dráhy, protože reakce enzymu pyruvátdehydrogenázy je nevratná.

Biochemická logika cyklu je podobná logice cyklu kyseliny citronové, s výjimkou dvou dekarboxylačních stupňů. Vyskytuje se ve velmi specifických organelách rostlin zvaných glyoxysomy a je zvláště důležitá v semenech některých rostlin, jako jsou slunečnice.

Krebsův cyklus

Cyklus trikarboxylové kyseliny (Krebsův cyklus). Převzato a upraveno z: Narayanese, WikiUserPedia, YassineMrabet, TotoBaggins (přeloženo do španělštiny Alejandro Porto).

Je to jedna z cest považovaných za ústřední v metabolismu organických bytostí, protože sjednocuje metabolismus nejdůležitějších molekul, včetně proteinů, tuků a uhlohydrátů.

Je součástí buněčného dýchání a jeho cílem je uvolnit energii uloženou v molekule acetyl koenzymu A - hlavní předchůdce Krebsova cyklu. Skládá se z deseti enzymatických kroků a jak jsme již zmínili, cyklus funguje jak v anabolické, tak v katabolické dráze.

U eukaryotických organismů probíhá cyklus v matrici mitochondrie. V prokaryotoch, kterým chybí skutečné subcelulární kompartmenty, probíhá cyklus v cytoplazmatické oblasti.

Elektronový dopravní řetězec

Uživatel: Rozzychan / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)

Dopravní řetězec elektronů je tvořen řadou transportérů ukotvených v membráně. Cílem řetězce je vyrábět energii ve formě ATP.

Řetězy jsou schopné vytvářet elektrochemický gradient díky toku elektronů, což je rozhodující proces pro syntézu energie.

Syntéza mastných kyselin

Mastné kyseliny jsou molekuly, které hrají velmi důležitou roli v buňkách, vyskytují se hlavně jako strukturální složky všech biologických membrán. Z tohoto důvodu je nezbytná syntéza mastných kyselin.

Celý proces syntézy probíhá v cytosolu buňky. Centrální molekula procesu se nazývá malonylový koenzym A. Je odpovědná za poskytnutí atomů, které budou tvořit uhlíkovou kostru mastné kyseliny.

Beta oxidace mastných kyselin

Beta oxidace je proces degradace mastných kyselin. Toho se dosáhne čtyřmi kroky: oxidací FAD, hydratací, oxidací NAD + a thiolyzí. Dříve musí být mastná kyselina aktivována integrací koenzymu A.

Produktem uvedených reakcí jsou jednotky tvořené párem uhlíků ve formě acetyl koenzymu A. Tato molekula může vstoupit do Krebsova cyklu.

Energetická účinnost této dráhy závisí na délce řetězce mastných kyselin. Například pro kyselinu palmitovou, která má 16 atomů uhlíku, je čistý výtěžek 106 ATP molekul.

Tato cesta se odehrává v mitochondriích eukaryot. V kompartmentu je také jiná alternativní cesta zvaná peroxizom.

Protože většina mastných kyselin je umístěna v buněčném cytosolu, musí být transportovány do kompartmentu, kde budou oxidovány. Transport je závislý na kartinitanu a umožňuje těmto molekulám vstoupit do mitochondrií.

Metabolismus nukleotidů

Syntéza nukleotidů je klíčovou událostí v buněčném metabolismu, protože se jedná o prekurzory molekul, které tvoří část genetického materiálu, DNA a RNA, a důležitých energetických molekul, jako jsou ATP a GTP.

Prekurzory nukleotidové syntézy zahrnovat různé aminokyseliny, ribóza 5 fosfát, oxid uhličitý a NH ₃. Cesty obnovy jsou zodpovědné za recyklaci volných bází a nukleosidů uvolněných z rozkladu nukleových kyselin.

Purinový kruh se tvoří z fosfosy ribózy 5, stává se purinovým jádrem a nakonec se získá nukleotid.

Pyrimidinový kruh je syntetizován jako kyselina orotová. Po navázání na fosforečnan ribosy 5 se transformuje na pyrimidinové nukleotidy.

Kvašení

Autorem původní verze je Uživatel: Norro. / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Fermentace jsou na kyslíku nezávislé metabolické procesy. Jsou katabolického typu a konečným produktem procesu je metabolit, který má stále oxidační potenciál. Existují různé typy kvašení, ale v našem těle dochází k mléčnému kvašení.

V buněčné cytoplazmě probíhá fermentace mlékem. Spočívá v částečné degradaci glukózy za účelem získání metabolické energie. Jako odpadní látka vzniká kyselina mléčná.

Po intenzivním sezení anaerobních cvičení není sval s dostatečnou koncentrací kyslíku a dochází k mléčné fermentaci.

Některé buňky v těle jsou nuceny fermentovat, protože jim chybí mitochondrie, jako je tomu u červených krvinek.

V průmyslu se fermentační procesy využívají s vysokou frekvencí k výrobě řady produktů pro lidskou spotřebu, jako jsou mimo jiné chléb, alkoholické nápoje, jogurt.

Reference

1. Baechle, TR a Earle, RW (Eds.). (2007). Zásady silového tréninku a fyzické kondice. Panamerican Medical Ed.
2. Berg, JM, Stryer, L., & Tymoczko, JL (2007). Biochemie. Obrátil jsem se.
3. Campbell, MK, & Farrell, SO (2011). Biochemie. Šesté vydání. Thomson. Brooks / Cole.
4. Devlin, TM (2011). Učebnice biochemie. John Wiley a synové.
5. Koolman, J., & Röhm, KH (2005). Biochemie: text a atlas. Panamerican Medical Ed.
6. Mougios, V. (2006). Cvičení biochemie. Lidská kinetika.
7. Müller-Esterl, W. (2008). Biochemie. Základy medicíny a biologických věd. Obrátil jsem se.
8. Poortmans, JR (2004). Základy biochemie cvičení. 3 ^rd, přepracované vydání. Karger.
9. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biochemie. Panamerican Medical Ed.