Existuje makroergická vazba ?

Pojem chemická vazba je vyjádření sil, které drží atomy pohromadě 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:   v1 = k1 *[A]*[B]   a zprava do leva:   v2 = k2 * [C]*[D] výrazy v hranatých závorkách představují koncentrace v molech na litr, k jsou odpovídající rychlostní konstanty

Za rovnováhy v1 = v2 a tedy: k1*[A]*[B] = k2*[C]*[D]   pro poměr k1/k2 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: ΔG0 = - 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 = - RT lnK + RT lnQ ΔG = RT ln ____ Q  K  ΔG < 0 ΔG = ΔG0 + 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 + H2O  ADP + Pi která je posunuta výrazně doprava. Na druhé straně, jestliže nejsou přítomny specifické enzymy, reakce vpodstatě neprobíhá. Máme tedy obě podmínky splněny.

ΔG0 = -7,5 kcal/mol = - 31,5 kJ/mol Množství energie uvolněné při hydrolýze ATP můžeme změřit např. v kalorimetru: ΔG0 = -7,5 kcal/mol = - 31,5 kJ/mol Odtud nám pro rovnovážné koncentrace plyne: [ATP] _____________ = 4 * 10-6 M-1 [ADP] [Pi] Za intracelulární koncentrace fosfátů 10 mM dostáváme: [ATP] / [ADP] = 4*10-8 Fyziologický poměr [ATP] /[ADP] v buňce však je 4 – 6.

tedy tímto směrem neprobíhá. Když ji spřáhneme s hydrolýzou ATP: 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 ΔG1 > 0, tedy tímto směrem neprobíhá. Když ji spřáhneme s hydrolýzou ATP: ATP + H2O  ADP + Pi dostaneme rovnici: [2] A + B + ATP + H2O  C + D + ADP + Pi [3]

Tedy, spřáhneme-li v buňce nějakou reakci Pro rovnici [3] dostáváme: ΔG3 = ΔG1 + ΔG2 = ΔG1 + ΔG20 + RT ln K2 * 10-8 = ΔG1 – 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 (bez kyslíku) 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 Daniel E. Atkinson: Cellular Energy Metabolism and its Regulation. Academic Press 1977

Průměrně pracující člověk má spotřebu energie asi 12 000 kJ/den Průměrně pracující člověk má spotřebu energie asi 12 000 kJ/den. Z toho hotovostí (poolem) ATP projde asi 40% tj. 4 800 kJ to odpovídá 145 molům ATP (4 800/33), což při molekulární hmotnosti ATP 507 g/mol = 74 kg ATP! Pro 70 kg člověka je to asi 0,73g ATP na kg tělesné hmotnosti za minutu. Rychlost tvorby ATP se ovšem může pohybovat podle zátěže organizmu, od asi 0,4 g v klidovém stavu do 9,0 g při extrémní námaze. Přitom stálá koncentrace ATP v buňkách různých tkání je udržována v úzkém rozmezí 2-15.10-6 mol/g tkáně. Organizmus v ustáleném stavu je charakterizován konstantní intenzitou metabolismu, produkce energie i její spotřeba jsou vyrovnávány a adenosinfosfáty (AMP, ADP, ATP) jsou proto v rovnováze. Kvantitativní vystižení energetického stavu buňky může přiblížit tzv. náboj energie (energy charge, EC) sestavený z koncentrací (hranaté závorky) ATP, ADP a AMP:

EC může nabývat hodnoty od 0 do 1 (0 znamená úplné energetické vyčerpání, 1 naopak maximální  energetické „nabití“). U většiny buněk se hodnoty pohybují v rozmezí 0,5 – 0,8.