MAKROERGICKÁ VAZBA NEEXISTUJE Jiří Wilhelm

Pojem chemická vazba je vyjádření sil, které drží atomy pohromadě. K jejímu přerušení musíme použít větší sílu, než jaká je poutá. Nemůžeme tedy očekávat energetický zisk při roztržení vazby. Existují sloučeniny, které při rozpadu vazeb uvolňují velké množství energie (nitroglycerin), ale zpětná resyntéza z produktů rozpadu vyžaduje násobně větší množství energie, takže používat tyto sloučeniny jako zdroj energie je neekonomické.

V roce 1941 navrhl Lipmann symbol  pro slabé vazby, které se relativně snadno rozpadají při substitučních reakcích, připojují skupinu, která snadno odchází. Aby zdůraznil tento typ aktivace v metabolické energetice, Lipmann mezi jinými navrhl pojem high energy bond, který se bohužel ujal a byl mylně interpretován jako makroergická vazba, tedy jakási vazba zvláštního typu, která obsahuje velké množství energie. Abychom si problém objasnili, musíme se obrátit k termodynamice.

Pro chemickou rovnici: můžeme vyjádřit rychlost zleva do prava: v 1 = k 1 * [A] * [B] a zprava do leva: v 2 = k 2 * [C] * [D] výrazy v hranatých závorkách představují koncentrace v molech na litr, k jsou odpovídající rychlostní konstanty

Za rovnováhy v 1 = v 2 a tedy: k 1* [A] * [B] = k 2* [C] * [D] pro poměr k 1 /k 2 dostáváme: Jelikož poměr dvou konstant je zase konstanta, označíme si ji K a nazýváme rovnovážná konstanta:

Pro popis změny energie při chemických reakcích používáme Gibbsovy funkce G, pro kterou v rovnovážném stavu za standardních podmínek platí: ΔG 0 = - RT ln K Index nula označuje podmínky standardního stavu (koncentrace reaktantů 1 M atd.) Jestliže chceme řešit reálnou situaci, musíme vzít v úvahu aktuální koncentrace reaktantů a produktů:

ΔG = ΔG 0 + RT ln ________ [C] [D] [A] [B] což si můžeme přepsat: ΔG = - RT lnK + RT lnQ ΔG = RT ln ____ Q K Q = K  ΔG = 0 Q  K  ΔG < 0 Q > K  ΔG > 0

Jaké termodynamické vlastnosti by mělo mít palivo? Třeba benzín je: termodynamicky nestabilní - jakmile se zahájí reakce s kyslíkem, proběhne rychle a rovnováha je zcela na straně produktů kineticky stabilní - benzín může být uskladněn na vzduchu, ale jestliže se neobjeví jiskra, k reakci nedojde

Víme, že zdroj energie pro buňku představuje ATP, je tedy jakýmsi „palivem“. Má požadované termodynamické vlastnosti? Energie se z ATP uvolňuje při reakci: ATP + H 2 O  ADP + P i která je posunuta výrazně doprava. Na druhé straně, jestliže nejsou přítomny specifické enzymy, reakce vpodstatě neprobíhá. Máme tedy obě podmínky splněny.

Množství energie uvolněné při hydrolýze ATP můžeme změřit např. v kalorimetru: ΔG 0 = -7,5 kcal/mol Odtud nám pro rovnovážné koncentrace plyne: [ATP] _________________ = 4 * M -1 [ADP] [P i ] Za intracelulární koncentrace fosfátu 10 mM dostáváme: [ATP] / [ADP] = 4*10 -8 Fziologický poměr [ATP] /[ADP] v buňce však je 4 - 6

To znamená, že buňka udržuje poměr [ATP] / [ADP] stomilionkrát větší, než odpovídá rovnovážné koncentraci Teď budeme uvažovat reakci: A + B   C + D [1] o které víme, že v buňce zleva do prava je ΔG 1 > 0, tedy tímto směrem neprobíhá. Když ji spřáhneme s hydrolýzou ATP: ATP + H 2 O  ADP + P i dostaneme rovnici: [2] A + B + ATP + H 2 O  C + D + ADP + P i [3]

Pro rovnici [3] dostáváme: ΔG 3 = ΔG 1 + ΔG 2 = ΔG 1 + ΔG RT ln K 2 * = ΔG 1 – 7,5 + 1,4 (6-8) Tedy, spřáhneme-li v buňce nějakou reakci s hydrolýzou ATP, výsledná změna ΔG bude většinou záporná a reakce proběhne. Energie tak není uložena v nějaké zvláštní makroergické vazbě, ale v poměru ATP/ADP, který se udržuje daleko od rovnováhy.

Používáním pojmu makroergická vazba se dostáváme do mnoha potíží. Tak např. ve svalu máme energetickou rezervu ve formě kreatinfosfátu. Ten vzniká fosforylací kreatinu pomocí ATP: kreatin + ATP   kreatin-P + ADP Jestliže reakce běží zleva do prava proto, že vazba v ATP je „makroergičtější“ než v kreatinfosfátu, jak vysvětlíme obrácený průběh reakce, když se koncentrace ATP ve svalu sníží?

Ještě větší problém představuje myokinasová reakce: ADP + ADP   ATP + AMP Zde nám makroergická vazba vzniká ze dvou molekul ADP, které o ni přišly. Myokinasová reakce nám slouží jako energetická rezerva v ischemické buňce, která nemůže syntetizovat ATP. Aby reakce mohla trvale probíhat zleva do prava, musí se odbourávat AMP. To nám pomáhá udržovat vitální poměr ATP/ADP za cenu snižování objemu adeninnukleotidového poolu, což představuje limit tohoto zdroje energie.

Daniel E. Atkinson: Cellular Energy Metabolism and its Regulation. Academic Press 1977