Katalýza, katalyzátor
Katalýza
Buňky se snaží udržovat jistý řád
Jedna zásadní vlastnost odlišuje živé buňky od okolního neživého prostředí. Zatímco v neživém světě vše směřuje ke zvyšování neuspořádanosti a k chaosu (ke zvyšování entropie), v živé buňce je tomu naopak. Aby mohl existovat život ve formě, jak je dnes chápán, musí v buňce probíhat všechny procesy a reakce v určité, na sebe navazující posloupnosti, musí zde tedy platit jakýsi řád. Na rozdíl od neživé hmoty má živá buňka tendenci ke zvyšování stavu uspořádanosti, snižuje tedy entropii systému. Aby toho buňka mohla dosáhnout, provádí v každém okamžiku obrovské množství reakcí, které vlastně skončí až okamžikem její smrti.
Během svého života vytváří buňka pořádek na účet vnějšího okolí, protože při biosyntéze molekul a jejich formování do složitých struktur uvolňuje tepelnou energii, kterou předává okolnímu prostředí. Teplo je nejneuspořádanější formou energie a projevuje se především náhodnými srážkami molekul. Čím vyšší teplota v systému je, tím je počet náhodných srážek vyšší. Za normálních okolností by buňka nemohla mít žádný užitek z tepelné energie, kterou uvolňuje do okolí. Ovšem pokud tento děj spřáhne s jiným, při kterém vzniká vyšší stupeň uspořádanosti, jde o zcela jinou situaci. Právě spřažení produkce tepla s růstem uspořádanosti odlišuje živou buňku od „neživého“ procesu hoření, tak jak jej známe např. při spalování dřeva. V tom je zásadní rozdíl mezi spalováním v neživém systému a biologickým spalováním v živé buňce.
Pro udržení své existence potřebuje mít buňka zajištěn přísun živin (určitých molekul) a také energie. Energie je nutná pro udržení pořádku na molekulární úrovni a od tohoto se odvíjí všechny další procesy potřebné pro život. Živé buňky tak nejen že udržují pořádek, ale samy jej cíleně i vytváří. Život je tedy možný jenom proto, že díky důmyslným buněčným mechanismům získává buňka energii z okolí, přetváří ji na formy pro ni použitelné a následně ji využívá k neustálému vytváření a udržování biologického pořádku.
Reakce v buňce by v neživém světě neprobíhaly
Většina reakcí probíhajících v buňce by za běžné teploty a tlaku v chemické kádince neprobíhala (kolem 37°C a 1 atm). V buňce tedy musí fungovat nějaký důmyslný systém, který průběh reakcí za těchto podmínek umožní. Proto buňka využívá principu reakční katalýzy, jinými slovy, využívá jakýchsi pomocných látek, které určí, kterou cestou se přeměna určité látky na jinou bude ubírat. Těmto pomocným látkám se v chemii říká katalyzátory. Jako katalyzátor může fungovat celá řada látek, od jednoduchých prvků až po složité sloučeniny. V živé buňce tuto roli plní složité molekuly proteinů (nebo modifikovaných proteinů) a používá se pro ně speciální označení enzymy.
Enzymy (nebo také enzymově) katalyzované reakce navazují jedna na druhou, takže produkt jedné reakce se stává výchozí látkou (substrátem) pro následující reakci a takto to může pokračovat, až vznikne reakční dráha, která může obsahovat až několik desítek na sebe navazujících dílčích reakcí. Příkladem může být třeba rozklad glukózy. Buňka přijme zvenčí molekulu glukózy (a kyslík) a zpět vrátí oxid uhličitý a vodu. Ve skutečnosti ale rozklad glukózy proběhne v několika na sebe navazujících reakcích (reakčních krocích) a každý z těchto kroků je důmyslně řízen a usměrňován nějakým enzymem. Buňka tedy prostřednictvím enzymů ovládá jednotlivé reakce, reguluje jejich směr i rychlost a vybírá v daném okamžiku tu nejoptimálnější cestu v celém labyrintu vzájemně propojených reakcí, aby si zajistila přežití, růst a rozmnožování.
V každé živé buňce probíhají dva základní typy reakcí. Jednak jsou to katabolické reakce (označují se také jako katabolické dráhy), jejichž hlavním úkolem je odbourávat přijaté živiny na menší molekuly a při tomto procesu získávat energii. Konečnými produkty těchto reakcí jsou metabolické zplodiny (voda, oxid uhličitý, čpavek aj.), které buňka vylučuje ven. Získanou energii ukládá ve zvláštních chemických sloučeninách (jakési zásobníky energie), aby ji mohla podle potřeby využívat. Některé menší molekuly si ponechává pro následnou výstavbu vlastního těla nebo tvorbu pomocných látek. Druhým typem reakcí jsou anabolické reakce (anabolické nebo také biosyntetické dráhy). Jejich úkolem je vytvářet z jednoduchých a malých molekul molekuly větší a složitější a při této syntéze buňka využívá energii získanou při katabolických reakcích.
Oba dva typy reakcí se souhrnně označují jako metabolismus buňky. Fascinující na buněčném metabolismu je to, že některé reakce buňka dokáže využívat jak při katabolismu, tak i při biosyntéze. Příkladem může být třeba přeměna glukóza-6-fosfátu (Glc-6-P) na fruktóza-6-fosfát (Fru-6-P). Potřebuje-li buňka energii, vytváří Fru-6-P. Má-li energie dostatek, jednoduše směr reakce obrátí a vytváří zpátky Glu-6-P a z něho pak zásobní glykogen. Reakci přitom katalyzuje stejný enzym a to, jak se tento enzym chová (jakým směrem reakci řídí), si určuje buňka podle toho, kolik má v zásobě energie (nebo zda v daném okamžiku buňka musí energii vydávat pro nějaký jiný proces).
Aktivační energie
Mnoho chemických reakcí neproběhne bez předchozí aktivace, i když energetická úroveň produktu reakce je nižší, než výchozího substrátu. Princip aktivace lze velice názorně ukázat na pohybu koule z kopce dolů, které je ale do cesty postavena překážka v podobě terénního převýšení. Pokud chceme kouli přemístit z pozice A do pozice C, musíme nejprve dodat jistou část energie na překonání terénní překážky. Je tedy nutné zvýšit energetickou úroveň koule z hodnoty E1 na hodnotu E2. Následuje samovolný pohyb, koule se zastaví v pozici C a její energetická úroveň je vyjádřena hodnotou E3.
Jak je z obrázku patrné, hodnota E3 je nižší, než hodnota E1 a proto je prakticky vyloučené, aby se koule samovolně vrátila do pozice A. Energie potřebná na překonání terénní překážky při pohybu koule ve směru vyznačených šipek (E2 - E1) je mnohem nižší, než energie potřebná k překonání terénní překážky při obráceném směru pohybu, tedy z C do A (E2 - E3). Je zcela zjevné, že uvedený systém bude mít snahu uskutečnit pohyb z kopce dolů.
K analogickému jevu dochází i při chemických reakcích. Na následujícím grafu je znázorněn energetický diagram pro reakci, kdy spolu reagují látky A a B za vzniku látek C a D. Reakce probíhá přes meziprodukt X a vyžaduje dodávku energie. Energetickou bilanci této rovnice je vhodné vyjádřit změnou Gibbsovy energie, která lépe vystihuje skutečné energetické poměry při probíhající chemické reakci. Jak je z diagramu patrné, změna volné energie (∆G1) při přechodu z výchozího stavu směrem k rovnovážnému stavu je větší, než při přechodu z konečného stavu k rovnovážnému stavu (∆G2), a proto bude reakce probíhat směrem k tvorbě látek C a D (analogicky předchozímu příkladu, bude probíhat „z kopce dolů“). Aby však reakce mohla proběhnout, musí dojít k předchozí aktivaci látek A a B. Nejméně stabilní je v tomto případě meziprodukt X (∆G3 je největší). Příkladem může být tvorba citrátu z oxalacetátu, meziproduktem je v tomto případě citroyl-CoA (viz Citrátový cyklus, krok 1).
Energii, kterou je nutné do systému dodat, aby reakce proběhla, lze vyjádřit rozdílem ∆G3 - ∆G1 a nazývá se aktivační energie. V předchozím příkladu by odpovídala energii, kterou by bylo nutné kouli dodat na překonání terénní překážky. Na následujícím obrázku je znázorněn příklad slučování vodíku s kyslíkem, a to jednak aktivací elektrickou jiskrou (A) kdy je potřeba vyšší aktivační energie a ve druhém případě za přítomnosti platinového katalyzátoru (B), v tomto případě přítomný katalyzátor významně sníží aktivační energii reakce.
Aktivační energii reakce lze v mnoha případech vypočítat ze získaných experimentálních dat. Čím je aktivační energie vyšší, tím méně ochotně reakce probíhá (směs látek je méně reaktivní). V přítomnosti katalyzátoru se snižuje aktivační energie reakce, avšak obsah volné energie se nemění (modrá šipka), a proto se nemění ani rovnovážný stav. Katalýza, která by vedla k překročení rovnovážného stavu, není možná.
Molekuly látek se rychle pohybují
Tepelná energie systému udržuje molekuly látek v neustálém pohybu. Tento pohyb je velice rychlý a označuje se jako difuze. Molekuly se však nepohybují přímočaře, neboť se neustále navzájem sráží a v důsledku toho mění směr svého pohybu. Pohyb se tak jeví jakoby po náhodné dráze. Průměrná vzdálenost každé molekuly od výchozího bodu je přímo úměrná druhé odmocnině času, který uběhne, než se molekula dostane na určitou pozici (měřeno ale přímo - tzv. vzdušnou čarou).
Tak například za 1 sekundu „urazí“ molekula běžného substrátu vzdálenost asi 1 µm, na překonání vzdálenosti 2 µm potřebuje zhruba 4 sekundy a na vzdálenost 10 µm potřebuje asi 10 sekund. Vezmeme-li jako příklad bakteriální buňku (Escherichia Coli), pak napříč buňkou se molekula dostane za necelou sekundu a podélně jí to trvá asi 4 sekundy. Čím je molekula menší, tím rychleji se přemisťuje. Malé organické molekuly typu glukózy nebo aminokyselin urazí v buňce za 1 sekundu vzdálenost asi 50 µm. Tato rychlost difuze je pro biochemické reakce mimořádně důležitá, stačí si jen uvědomit, že průměrný enzym přemění za 1 sekundu přibližně tisíc molekul substrátu. To znamená, že každou 1 milisekundu se na molekule enzymu musí uskutečnit proces připojení molekuly substrátu, jeho přeměna na produkt, uvolnění produktu z molekuly enzymu a úprava struktury molekuly enzymu na výchozí stav. Jsou známy i enzymy, které dokážou přeměnit až sto tisíc molekul substrátu za sekundu (enzym karbonátdehydratáza, která pracuje s velice malými molekulami vody a oxidu uhličitého).
Náhodné srážky molekul dodávají potřebnou energii
Náhodné srážky sousedních molekul mají obrovský význam pro uskutečnění chemických reakcí. I kdybychom předpokládali hypotetický roztok jen jedné rozpuštěné látky (soustava identických molekul), nemají všechny přítomné molekuly stejnou energii. Právě v důsledku náhodných srážek má každá molekula jinou energii a její rozložení je možné znázornit křivkou podle následujícího obrázku. Jak je z grafu patrné, převážná většina molekul je v určitém intervalu s průměrnou energii. Počet molekul obsahujících energii postačující k reakci bez katalýzy se prakticky blíží nule. Ovšem počet molekul obsahujících energii potřebnou ke katalyzované reakci je již poměrně významný.
V buňce se však vyskytuje celá řada molekul o různé velikosti a různých energiích. Všechny tyto molekuly se stávají terčem vzájemných srážek a tak se běžně stává, že malá molekula může získat srážkou s jinou větší molekulou (hlavně s vyšší energií) značný energetický impuls. Ten pak stačí k tomu, aby energie takové molekuly narostla natolik, že překročí potřebnou úroveň pro katalyzovanou reakci.
Koncentrace molekul většiny substrátů je ve srovnání s koncentrací molekul vody celkem zanedbatelná. Na každou takovou molekulu substrátu připadá průměrně deset až sto tisíc molekul vody. Molekuly substrátů se tedy v každém případě řídí zákonitostmi platnými pro zředěné vodné roztoky.
Enzymy jsou biologické katalyzátory
Jak již bylo zmíněno, v buňkách pomáhá molekulám reagujících látek k překonání energetické bariéry zvláštní skupina proteinů označovaných jako enzymy. Tyto složité molekuly dokážou vázat jednu nebo více molekul substrátů takovým způsobem, který umožní obejít energetickou bariéru (ve výše uvedeném příkladu terénní překážku). Tím mohou následně vázané substráty uskutečnit reakci, která by bez přítomnosti enzymu za obvyklých podmínek prakticky neproběhla.
Molekuly enzymu jsou v porovnání s molekulami substrátu mnohonásobně větší (při takovém srovnání jsou přímo obrovské), jsou proto velice málo pohyblivé. Lze je proto ve vztahu k molekulám substrátu považovat za prakticky nehybné. Proto se na průběh enzymově katalyzované reakce pohlíží jako „ostřelování“ nehybné molekuly enzymu vysoce pohyblivými malými molekulami substrátu.
Průměrně je každou sekundu aktivní centrum molekuly běžného enzymu vystaveno řádově 104 až 106 nárazům molekul substrátu. Ne každá molekula substrátu má však dostatečnou energii k tomu, aby se pevněji navázala na molekulu enzymu, a proto téměř okamžitě dojde k jejímu uvolnění. V takovém případě reakce přeměny substrátu na produkt obvykle neproběhne. Má-li však molekula substrátu energii dostatečnou a povrch aktivního centra enzymu je komplementární s povrchem molekuly substrátu, dojde k vytvoření celé řady více či méně silných chemických vazeb (od kovalentních až po vodíkové vazby). Následně se obvykle pozmění prostorové uspořádání aktivního centra enzymu. Díky této změně se začnou uplatňovat některé funkční skupiny aminokyselin tvořících molekulu enzymu a začnou působit na elektronové rozložení v molekule substrátu. Některé vazby uvnitř molekuly substrátu se oslabí, což vede k elektronovým přesmykům a tím se reakce přeměny substrátu na produkt dokončí. Produkt je pak vázán do aktivního centra enzymu mnohem slabšími silami a je snadno „vyražen“ další srážkou s jinou molekulou. Je třeba mít stále na paměti, že energie tepelného pohybu molekul je tou hybnou silou, která ovlivňuje dění v aktivním centru enzymu. Buď má atakující molekula dostatečnou energii k tomu, aby ovlivnila dění v aktivním centru enzymu (naváže se, udrží se tam, vyrazí jinou molekulu apod.) nebo je natolik „slabá“, že její srážku můžeme považovat jen za jakýsi neúspěšný pokus.
O průběhu reakce rozhoduje míra neuspořádanosti
Podle druhého termodynamického zákona může reakce proběhnout jedině tehdy, stane-li se soustava (buňka a její okolí) po proběhnuté reakci méně uspořádanou. Jinými slovy, je-li energie, která se při této reakci uvolní (a mohla by být použita pro vykonání užitečné práce) rozptýlena ve formě tepla do okolí. Měřítkem pro vzrůst neuspořádanosti je volná energie soustavy (Gibbsova energie) G. Hodnota G je pro posuzování chemických reakcí užitečná jen tehdy, probíhá-li reakce, tedy hodnota G se mění. Zajímavá je tedy změna Gibbsovy energie (značí se ∆G). Díky tomu, jak je ∆G definována, je energeticky výhodnou reakcí taková, která směřuje ke zvýšení neuspořádanosti soustavy (vzrůstá entropie), tedy se při ní snižuje volná energie soustavy.
Jak lze ∆G ovlivnit počtem molekul, si lze ukázat na následujícím příkladu. Vezmeme balíček 30 karet, v němž bude 29 karet obráceno obrázkem dolů a 1 karta obrázkem nahoru. Takto poskládané karty vyhodíme do vzduchu. Po jejich dopadu na stůl bude pravděpodobnost, že se všech 30 karet obrátí obrázkem dolů mnohem menší, než situace, kdy bude počet karet s obrázkem dolů podstatně nižší, než původních 29. Zvýšíme-li počet karet s obrázkem dolů v balíčku na 99 a zachováme jen 1 s obrázkem nahoru, pravděpodobnost seřazení všech 100 karet obrázkem dolů po výhozu je ještě menší.
Podobně lze uvažovat i při vratné chemické reakci, kdy se z látky A tvoří látka B (případně naopak). Čím více molekul látky A bude v roztoku, tím větší je počet srážek s enzymem, tím větší počet molekul bude mít dostatečnou energii pro uskutečnění reakce a tedy se vytvoří i více molekul látky B. Bude-li v roztoku 999 molekul látky A a pouze 1 molekula látky B, je velice malá pravděpodobnost, že by se jediná molekula látky B přeměnila na látku A a v roztoku by byly v daném okamžiku pouze molekuly látky A. Spíše je mnohem pravděpodobnější, že se určitá část molekul látky A přemění na látku B a v roztoku se ustaví rovnováha, např. 700 molekul látky A a 300 molekul látky B. Protože rovnovážný stav musí být pro danou reakci zachován, přidáme-li do roztoku dalších 100 molekul látky A, proces přeměny se opět rozběhne a konečný stav se ustálí na 770 molekulách látky A a 330 molekulách látky B.
Jak je z uvedeného příkladu patrné, počet molekul v roztoku (tedy koncentrace dané látky) je důležitým faktorem ovlivňujícím průběh reakce. A protože je hodnota ∆G závislá na poměru koncentrací substrátu a produktu, její hodnota se snižuje tím více, čím je méně molekul látky B a současně více molekul látky A (čím je menší poměr B/A). Například u reakce, jejíž ∆Go = -13,5 kJ/mol a poměr B/A je 10:1 je ∆G = -7,6 kJ/mol, ale při poměru 1:10 je ∆G = -19,4 kJ/mol (při 37°C). Následující obrázek ukazuje, do jaké míry je koncentrací substrátu (v tomto případě látky A) ovlivněna hodnota ∆Go reakce. Pokud reakce dospěje do rovnovážného stavu, je ∆G = 0 a pak ∆Go = - RTlnK.
Rovnice je sice zapsaná pro směr reakce zleva doprava, ale o tom, kterým směrem reakce skutečně bude probíhat, rozhodne až vypočítaná hodnota. Pokud bude vypočítaná hodnota ∆G záporná, bude probíhat reakce zleva doprava, pokud bude vypočítaná hodnota ∆G kladná, poběží reakce opačným směrem.
Enzymově katalyzované spřažené reakce
Při rovnováze je počet molekul látky A přeměňovaných na látku B stejný, jako počet přeměňovaných molekul látky B na látku A. Neznamená to tedy, že po dosažení rovnovážného stavu se reakce přeměny zastaví. Ve skutečnosti probíhají stále stejně intenzívně, pouze počet přeměn ze stavu A do B je stejný, jako ze stavu B do stavu A.
V systému chemických reakcí probíhajících v buňce hraje mimořádně důležitou roli mechanismus navazujících reakcí. Představme si dvě na sebe navazující reakce, kdy v první reakci vznikne z látky A látka B, ale hned na to je účinkem dalšího enzymu přeměňována látka B na látku C. Je třeba si uvědomit, že každá reakce je teoreticky vratná. Proto i při energeticky nevýhodné reakci vždy dochází k přeměně určitého počtu molekul a reakce směřuje k ustavení nějaké rovnováhy. Při této rovnováze je sice přítomno značné množství molekul látky A a jen malé množství molekul látky B, ale i tyto jsou v roztoku přítomné. Pokud jsou nějakým vhodným způsobem odčerpávány pryč, rovnováha se stále porušuje a tím dochází k dalším přeměnám látky A na látku B. Pokud je následující reakce energeticky natolik výhodná, že velice ochotně dochází k přeměně látky B na látku C, je podmínka rychlého odčerpávání látky B splněna.
Buňky mohou zcela cíleným způsobem spustit energeticky nepříznivou reakci (přeměnu A na B), pokud je doplněna navazující reakcí, která je naopak energeticky příznivá (přeměnu B na C). V takovém případě pracuje enzym E2 jako pohonná pumpa, která řídí v konečném důsledku přeměnu látky A až na látku C. Pro takto na sebe navazující a vzájemně se podmiňující reakce se používá označení spřažené reakce.
Související články
Odkazy
Při zpracovávání textů a grafické stránky článků byly využity podklady z odborné literatury a internetu. Převzaté obrázky byly graficky upraveny pro potřeby tohoto webu. Kreslené obrázky podléhají autorským právům. Seznam použité literatury naleznete zde.