Většina buněk tvého těla nikdy nedýchá. Z asi třiceti bilionů lidských buněk připadá zhruba pětadvacet bilionů na červené krvinky a ty nemají jádro ani mitochondrie. Celý život roznášejí kyslík, ale samy ho k získávání energie nepoužijí. Jediným zdrojem energie je pro ně deset reakcí, které rozštípnou glukózu na dvě poloviny a vytěží z ní pár molekul ATP. Těm deseti reakcím se říká glykolýza.
V první kapitole, Jsi sloveso, jsme viděli, že buňka glukózu nespálí naráz jako zápalka, ale sestoupí s ní po schodišti zhruba dvaceti kroků. Glykolýza je jeho první rameno. Běží v cytoplazmě skoro každé buňky, od kvasinky po tvůj neuron, a kyslík k ní potřeba není. Učebnice připomíná, že první buňky žily v atmosféře, ve které kyslík skoro nebyl, a energii z paliv musely brát bez něj. Chemie glykolýzy se během evoluce zachovala beze změny: její enzymy jsou u obratlovců stavbou velmi podobné enzymům kvasinky i špenátu.
A hned na prvních schodech předvede trik, který zná každý podnikatel: aby vydělala, musí nejdřív investovat. Buňka do glukózy vloží dvě molekuly ATP a teprve pak z ní dostane čtyři. Kapitola jde po stejných krocích jako učebnice: dvě fáze dráhy, vklad, výplata, účetní bilance, přítoky z jiných cukrů, osud pyruvátu a nakonec tři ventily, kterými buňka celou dráhu řídí.
iDvě fáze
Glykolýza rozštípne jednu molekulu glukózy se šesti uhlíky na dvě molekuly pyruvátu se třemi uhlíky. Dělá to v deseti krocích a každý obstará jiný enzym. Byla to první metabolická dráha, kterou se podařilo celou rozluštit. Začalo to v roce 1897, kdy Eduard Buchner zjistil, že cukr dokáže zkvasit i pouhý výtažek z kvasinek, ve kterém už není jediná živá buňka. Do třicátých let dvacátého století pak biochemici složili celou dráhu krok za krokem, v kvasinkách i ve svalu. Podle tří z nich, Gustava Embdena, Otty Meyerhofa a Jakuba Parnase, se jí dodnes říká také dráha Embdenova–Meyerhofova–Parnasova. A ukázalo se, že se reakce života dají vysvětlit chemií, bez jakékoli tajemné životní síly.
Dráha má dvě fáze. V přípravné fázi (kroky 1 až 5) buňka glukózu dvakrát označí fosfátem z ATP, přestaví ji na fruktózu a rozlomí ji na dvě tříuhlíkové poloviny. Obě skončí jako stejná molekula, glyceraldehyd-3-fosfát. Ve výplatní fázi (kroky 6 až 10) projde každá polovina stejnými pěti kroky až k pyruvátu a buňka z ní cestou získá dvě ATP a jedno NADH. Poloviny jsou dvě, takže výplata vynese čtyři ATP a dvě NADH. Po odečtení vkladu zbydou na každou glukózu dvě ATP a dvě NADH.
Učebnice upozorňuje na tři druhy dějů, které v dráze stojí za pozornost. Uhlíková kostra glukózy se rozkládá na pyruvát. Meziprodukty s vysokým potenciálem přenosu fosfátu, které vzniknou cestou, předají fosfát na ADP a vznikne ATP. A v jednom kroku přejde na NAD⁺ hydridový iont, tedy vodík se dvěma elektrony, a NAD⁺ se tím změní na NADH.
Glykolýza přitom uvolní jen malý díl energie, kterou glukóza skrývá. Rozklad glukózy na dva pyruváty, i s předáním elektronů na NAD⁺, má standardní změnu volné energie −146 kJ/mol. Úplné spálení glukózy na oxid uhličitý a vodu má −2840 kJ/mol. Většinu energie si tedy pyruvát odnese s sebou a s kyslíkem si ji vyberou mitochondrie. Bez kyslíku ale zůstane buňce na výrobu ATP jen glykolýza.
Všech devět meziproduktů mezi glukózou a pyruvátem nese fosfátovou skupinu a Lehninger k tomu uvádí tři důvody. Zaprvé past: membrána nemá přenašeče pro fosforylované cukry, takže meziprodukty z buňky neutečou a buňka nemusí vydávat další energii, aby je v sobě udržela. Zadruhé úspory: z fosfátů navázaných na meziprodukty později vzniknou nové ATP. Zatřetí držadla: fosfátové skupiny se navážou do aktivních míst enzymů a energie té vazby pomáhá snížit aktivační energii a zvýšit specifičnost reakce. Většina enzymů glykolýzy k tomu potřebuje hořečnaté ionty.
Glykolýza není spalování. Je to přestavba: z jednoho šestiuhlíkového cukru dva tříuhlíkové zbytky a cestou dvě ATP navíc.
iiVklad
Že na začátku glykolýzy stojí fosfáty, se zjistilo náhodou. V roce 1906 přidali Arthur Harden a William Young do kvasničného výtažku krevní sérum. Čekali, že látky ze séra, které brzdí enzymy štěpící bílkoviny, ochrání kvasné enzymy, a kvašení se opravdu zrychlilo. Pak udělali kontrolní pokus: sérum převařili, aby ukázali, že po povaření účinek zmizí. Nezmizel. Převařené sérum kvašení zrychlilo stejně, protože to dělal obyčejný anorganický fosfát. Harden s Youngem pak našli ve výtažku hexózu se dvěma fosfáty, ze které se později vyklubal fruktóza-1,6-bisfosfát. Tím začalo dlouhé zkoumání toho, co v biochemii dělají fosfáty, a Harden za výzkum kvašení dostal v roce 1929 Nobelovu cenu.
Krok 1. Glukóza vstoupí do buňky přenašečem v membráně a hned za prahem ji hexokináza označí: přenese na její šestý uhlík koncovou fosfátovou skupinu z ATP. Vznikne glukóza-6-fosfát a v buňce je ta reakce nevratná. Hexokináza se přitom kolem glukózy sevře. Když naváže ATP, přiblíží se její dvě části asi o osm ångströmů, necelý nanometr. Tím přisune ATP ke glukóze a vytlačí z aktivního místa vodu, která by jinak mohla ATP rozštípnout naprázdno. Fosfát na glukóze pak funguje jako zámek: pro fosforylovaný cukr membrána přenašeč nemá, takže glukóza zůstane v buňce.
Krok 2. Fosfohexózaizomeráza přestaví glukóza-6-fosfát na fruktóza-6-fosfát: kruh se otevře, karbonylová skupina se přesune z prvního uhlíku na druhý a kruh se zase zavře. Vypadá to jako zbytečná práce, ale bez ní by nešel hlavně čtvrtý krok. Karbonylová skupina na druhém uhlíku je přesně to, co aldoláza potřebuje, aby molekulu rozlomila mezi třetím a čtvrtým uhlíkem, tedy v půli. Z glukózy by vznikly dva nestejně dlouhé kusy. Fruktóza navíc má na prvním uhlíku volnou hydroxylovou skupinu mimo kruh, na kterou ve třetím kroku přijde druhý fosfát.
Krok 3. Fosfofruktokináza-1 (PFK-1) přenese druhý fosfát z ATP, tentokrát na první uhlík. Vznikne fruktóza-1,6-bisfosfát. (Bis-, protože dva fosfáty sedí každý na jiném uhlíku. Difosfát by znamenal dva fosfáty spojené za sebou, jako v ADP.) Tohle je rozhodující krok: glukóza-6-fosfát i fruktóza-6-fosfát ještě můžou odbočit do jiných drah, fruktóza-1,6-bisfosfát už jen do glykolýzy. A v buňce je krok prakticky nevratný. Proto na něm buňka glykolýzu nejvíc řídí, jak uvidíme v poslední části.
Krok 4. Aldoláza rozlomí šestiuhlíkovou molekulu na dvě tříuhlíkové: dihydroxyacetonfosfát a glyceraldehyd-3-fosfát. Za standardních podmínek by reakce šla silně opačným směrem (ΔG′° = +23,8 kJ/mol). V buňce jsou ale koncentrace látek tak nízké, že skutečná změna volné energie je malá a reakce snadno běží oběma směry. Protože produkty pořád odtékají dál, běží v glykolýze dopředu.
Krok 5. Dál se hodí jen glyceraldehyd-3-fosfát. Triózafosfátizomeráza proto přestaví dihydroxyacetonfosfát na druhou molekulu glyceraldehyd-3-fosfátu. Svou reakci urychlí asi miliardkrát a pracuje tak rychle, že ho brzdí už jen to, jak rychle k němu molekuly doputují. Po pátém kroku má buňka místo jedné glukózy dvě stejné poloviny, každou s jedním fosfátem, a uhlíky z horní a dolní půlky glukózy už od sebe chemicky nerozeznáš.
Vklad není ztráta. Dva fosfáty z ATP chytí cukr do pasti a připraví ho k rozlomení.
iiiVýplata
Krok 6 je srdce celé dráhy. Glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza odebere aldehydové skupině dva elektrony s vodíkem a předá je NAD⁺, které se změní na NADH. Energie, kterou oxidace uvolní, se přitom neztratí jako teplo. Enzym ji použije na připojení fosfátu z roztoku, tedy fosfátu, za který buňka nezaplatila žádným ATP. Vznikne 1,3-bisfosfoglycerát, molekula s acylfosfátovou skupinou, ve které je fosfát vázaný velmi volně. NAD⁺ má buňka mnohem méně než glukózy, kterou za pár minut zpracuje. Kdyby NADH z tohohle kroku neměnila pořád zpátky na NAD⁺, glykolýza by se brzy zastavila. K tomu se vrátíme v šesté části.
Jak důležitý je ten fosfát z roztoku, ukazují dvě úlohy o arseničnanu na konci Lehningerovy kapitoly. Arseničnan se fosfátu podobá natolik, že ho enzym připojí místo fosfátu, jenže vzniklý acylarseničnan se hned sám rozpadne. Glykolýza pak běží dál, sedmý krok se ale přeskočí, ATP z něj nevznikne a čistý zisk bez kyslíku klesne na nulu.
Krok 7. Fosfoglycerátkináza přenese volně držený fosfát z 1,3-bisfosfoglycerátu na ADP. Vznikne první ATP z každé poloviny a 3-fosfoglycerát. Kroky 6 a 7 tak dohromady spřáhnou oxidaci aldehydu s výrobou ATP a jejich společná ΔG′° je asi −12 kJ/mol: silně z kopce jde sedmý krok a táhne za sebou šestý. Výrobě ATP přímo z meziproduktu se říká fosforylace na úrovni substrátu. Obstarávají ji rozpustné enzymy, v glykolýze v cytoplazmě. Většina ATP v mitochondriích naopak vzniká na membráně díky toku protonů.
Kroky 8 a 9. Fosfoglycerátmutáza přesune zbylý fosfát ze třetího uhlíku na druhý a enoláza z molekuly odebere vodu. Vznikne fosfoenolpyruvát (PEP). Na pohled se skoro nic nezměnilo: stejná tříuhlíková kostra, pořád jeden fosfát. Jenže odtržení fosfátu z 2-fosfoglycerátu uvolní 17,6 kJ/mol, z fosfoenolpyruvátu 61,9 kJ/mol a na výrobu ATP z ADP je potřeba 30,5 kJ/mol. Fosfát teď drží molekulu v podobě enolu, která by se ráda přeskupila na stabilnější tvar a nemůže. Enoláza nic nevyrobí, jen přerozdělí energii uvnitř molekuly tak, aby se dala vybrat.
Krok 10. Pyruvátkináza přenese fosfát z fosfoenolpyruvátu na ADP. Vznikne druhé ATP z každé poloviny a pyruvát, nejdřív v podobě enolu, která se hned sama přeskupí do stabilnější ketoformy. Zhruba polovina energie se uloží do ATP. Zbytek, −31,4 kJ/mol, žene reakci dopředu tak silně, že je v buňce nevratná.
Vyzkoušej si to. Vyber dárce a příjemce fosfátu a sleduj, kterým směrem by přenos šel sám.
ATP nevzniká z ničeho. Buňka nejdřív molekulu přestaví tak, aby fosfát držela co nejhůř, a pak ho nechá spadnout na ADP.
ivÚčetní kniha
Teď už můžeme sestavit účetní knihu. Lehninger v ní sleduje tři věci: kam se podějí uhlíky glukózy; kolik fosfátu a ADP vejde a kolik ATP vyjde; a kudy putují elektrony. Na levou stranu napíše všechno, co do dráhy vstoupí, na pravou všechno, co z ní vyjde, a škrtne, co je na obou stranách. Zbyde tohle:
glukóza + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 Pi → 2 pyruvát + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 ATP + 2 H2O
Jedna glukóza dá dva pyruváty: to je cesta uhlíku. Dvě ADP a dva fosfáty se změní na dvě ATP: cesta fosfátu. A čtyři elektrony, ve dvou hydridových iontech, přejdou ze dvou molekul glyceraldehyd-3-fosfátu na dvě NAD⁺: cesta elektronů. Celková standardní změna volné energie, i s výrobou dvou ATP, je asi −85 kJ/mol. Dráha je jako celek silně z kopce a běží jedním směrem.
Zajímavější je, jak vypadá schodiště uvnitř buňky. Hodnoty ΔG′° v tabulkách platí pro standardní podmínky, kdy je každé látky jeden mol na litr. V buňce jsou koncentrace úplně jiné a skutečná změna volné energie ΔG se od standardní liší, někdy i znaménkem. Lehninger se k tomu vrací v oddílu 14.4 a uvádí ΔG všech deseti kroků spočítané z koncentrací meziproduktů, které se naměřily v červených krvinkách. Výsledek je překvapivý. Sedm z deseti kroků má ΔG blízko nuly: jsou skoro v rovnováze a můžou běžet oběma směry podle toho, kam zrovna odtéká víc látky. Jen tři kroky, hexokináza, fosfofruktokináza-1 a pyruvátkináza, jsou daleko od rovnováhy a běží jen dopředu. Proto taky glukoneogeneze, která v játrech vyrábí glukózu z laktátu a jiných látek, projde sedm kroků glykolýzy pozpátku a obejde jen ty tři.
Vyzkoušej si to. Projdi dráhu krok za krokem a sleduj účet ATP a NADH. Pak přepni na standardní podmínky.
V buňce je schodiště skoro celé ploché. Strmé jsou jen tři schody a právě na nich se rozhoduje, jak rychle dráha poteče.
vPřítoky
Glukóza není jediný cukr, který do glykolýzy vtéká. Glykogen ve svalech a v játrech je rozvětvený řetězec glukóz a buňka ho nerozkládá vodou, ale fosfátem. Glykogenfosforyláza odštípne glukózu rovnou jako glukóza-1-fosfát a fosfoglukomutáza z něj udělá glukóza-6-fosfát. Hexokináza tak nemusí utratit ATP a glukóza z glykogenu dá místo dvou ATP tři.
Škrob z jídla má skoro stejnou stavbu jako glykogen, jenže v trávicí trubici ho štěpí voda. Začne s tím slinná amyláza v ústech, pokračuje amyláza ze slinivky v tenkém střevě a dvojcukry nakonec rozštěpí enzymy na povrchu střevní sliznice. Do těla se vstřebají jen jednotlivé cukry.
Mléčný cukr laktózu štěpí laktáza na glukózu a galaktózu. Po odstavení jí ale u většiny lidí ubude: zhruba dvě třetiny dospělých na světě tráví laktózu špatně. Laktázu si do dospělosti drží hlavně lidé ze severní Evropy a z některých částí Afriky. Ostatním laktóza projde do tlustého střeva, kde ji rozkládají bakterie, a nestrávený cukr navíc táhne do střeva vodu. Odtud křeče a průjem.
Galaktóza doputuje krví do jater a tam ji enzymy přes několik kroků přestaví na glukóza-1-fosfát, stejný jako z glykogenu. Když některý z těch enzymů chybí, vznikne galaktosemie. Při nejmírnější formě se v oční čočce ukládá galaktitol a už u kojenců se tvoří šedý zákal. Nejvážnější forma brzdí růst i vývoj řeči a rozumu a poškozuje játra, a to i když se galaktóza z jídla vyřadí.
Fruktóza z ovoce a ze sacharózy má dvě cesty. Ve svalech a ledvinách ji hexokináza fosforyluje na šestém uhlíku a vzniklý fruktóza-6-fosfát pokračuje glykolýzou. V játrech ji fruktokináza fosforyluje na prvním uhlíku. Fruktóza-1-fosfát se pak rozštěpí na dvě triózy a obě skončí jako glyceraldehyd-3-fosfát. Do glykolýzy tak vstoupí až za třetím krokem, tedy za fosfofruktokinázou-1, o které bude řeč v poslední části. Podobně vchází manóza: hexokináza z ní udělá manóza-6-fosfát a izomeráza ho přestaví na fruktóza-6-fosfát.
Do glykolýzy vede víc vchodů než jeden. Všechny ale ústí do stejného schodiště.
viKam s pyruvátem
Pyruvát má tři cesty. S kyslíkem jde do mitochondrií, kde z něj vznikne acetylkoenzym A a v citrátovém cyklu oxid uhličitý. Glykolýza je pak jen první rameno schodiště. Bez kyslíku ale nastane potíž, která s energií nesouvisí. Šestý krok spotřebovává NAD⁺ a buňka ho má tak málo, že by se glykolýza bez jeho vracení brzy zastavila. S kyslíkem odvezou elektrony z NADH mitochondrie. Bez něj je buňka musí uložit jinam a nejbližší místo je samotný pyruvát. Tomu se říká kvašení: buňka získá ATP, nespotřebuje kyslík a množství NAD⁺ ani NADH se nezmění.
Při mléčném kvašení předá laktátdehydrogenáza elektrony z NADH na pyruvát a vznikne laktát. NAD⁺ se vrátí do šestého kroku a glykolýza jede dál. Takhle žijí červené krvinky, které laktát vyrábějí i s kyslíkem, a takhle pracují svaly při sprintu, kdy krev nestihne kyslík dovézt dost rychle. Laktát pak krev odnese do jater, kde se z něj znovu stane glukóza. Tomu koloběhu se podle manželů Coriových říká Coriho cyklus. Vytrénovaný sportovec se ze stometrového sprintu vzpamatuje do půl hodiny. Aligátor, jinak líné zvíře, se umí bleskově vrhnout do útoku, ale pak potřebuje na odbourání laktátu a doplnění glykogenu mnoho hodin.
Výtěžek kvašení je skromný: dvě ATP na glukózu místo třiceti nebo dvaatřiceti s kyslíkem. Louis Pasteur si všiml, že kvasinky bez kyslíku spotřebují cukru mnohonásobně víc, a stejně se chová sval. Aby buňka bez kyslíku vyrobila stejné množství ATP, musí podle Lehningera zpracovat asi patnáctkrát víc glukózy. Tomu se říká Pasteurův efekt. Hned vedle něj popisuje Lehninger efekt Warburgův: nádory, ve kterých glykolýza běží rychle i s kyslíkem. Víc o něm v otázkách na konci kapitoly.
Při alkoholovém kvašení kvasinky pyruvát nejdřív zbaví oxidu uhličitého a vzniklý acetaldehyd teprve alkoholdehydrogenáza redukuje na ethanol. Enzym, který oxid uhličitý odštěpí, pyruvátdekarboxyláza, potřebuje thiaminpyrofosfát, koenzym vyrobený z vitaminu B1. Odtud bublinky v šampaňském i kynuté těsto. V tkáních obratlovců tenhle enzym chybí. Alkoholdehydrogenázu ale máme a v játrech s ní ethanol odbouráváme, stejnou reakcí obráceně.
Kvašení lidé využívají tisíce let. Bakterie mléčného kvašení dělají z mléka jogurt: kyselina mléčná sníží pH, bílkoviny mléka se vysrážejí a jogurt zhoustne a zkysne. Kyselé prostředí navíc jídlo konzervuje, protože většina mikrobů, které ho kazí, v něm neroste. Podobně vzniká kysané zelí, kvašené okurky nebo kimči.
Vyzkoušej si to. Vypínej kyslík a laktátdehydrogenázu a měň, jak tvrdě sval pracuje.
Bez kyslíku hrozí glykolýze dřív nedostatek NAD⁺ než nedostatek cukru. Kvašení je způsob, jak NAD⁺ vrátit.
viiTři ventily
Zbývá otázka, kterou otevřel Pasteur: jak buňka pozná, že má glykolýzu zrychlit? Odpověď leží na třech strmých schodech ze simulace Deset schodů. Jen kroky daleko od rovnováhy běží jedním směrem a jen na nich má smysl brzdit. Lehninger to rozebírá až v oddílu 14.5, spolu s glukoneogenezí, protože játra musí glykolýzu a výrobu glukózy řídit proti sobě.
Prvním ventilem je hexokináza. Člověk má čtyři její varianty, izoenzymy. Svalová hexokináza je napůl nasycená už při 0,1 mM glukózy, kdežto v krvi je glukózy 4 až 5 mM, takže pracuje skoro naplno. Brzdí ji ale její vlastní produkt: když se glukóza-6-fosfát hromadí, hexokináza zpomalí. Jaterní hexokináza IV, neboli glukokináza, je napůl nasycená až kolem 10 mM a glukóza-6-fosfát ji nebrzdí. Játra tak berou glukózu hlavně tehdy, když je jí v krvi hodně.
Hlavním ventilem je fosfofruktokináza-1. Je to alosterický enzym: kromě aktivního místa má další místa, na která sedají molekuly hlásící, jak na tom buňka je. ATP, konečný produkt dráhy, ji brzdí, protože snižuje její afinitu k substrátu, fruktóza-6-fosfátu. Citrát, meziprodukt spalování pyruvátu, tuků i aminokyselin, brzdu zesiluje: hlásí, že buňka má energie dost z jiných zdrojů. ADP a AMP, kterých přibývá, když se ATP spotřebovává rychleji, než vzniká, brzdu uvolňují. Je to plný sklad z první kapitoly: hotový výrobek sám brzdí výrobu.
Proč zrovna AMP? Protože je to citlivější ukazatel než samotné ATP. Když sval ATP spotřebovává, vzniká z něj nejdřív ADP a enzym adenylátkináza pak ze dvou ADP udělá ATP a AMP. Lehninger to ukazuje na příkladu: když ATP klesne o desetinu, z 5,0 na 4,5 mM, AMP stoupne šestkrát, z 0,1 na 0,6 mM. Malá změna zásoby se tak promění ve velký signál. AMP navíc zapne kinázu AMPK, která zrychlí příjem glukózy i glykolýzu a přibrzdí syntézy, které ATP spotřebovávají.
V játrech má fosfofruktokináza-1 ještě jeden, nejsilnější spínač: fruktóza-2,6-bisfosfát. Bez něj je enzym při běžných koncentracích substrátu i ostatních regulátorů skoro nečinný. Jeho množství řídí hormony. Když glukózy v krvi ubývá, glukagon ho v játrech sníží a játra přestanou glukózu rozkládat a začnou ji vyrábět. Když je jí dost, inzulin ho zvýší.
Třetím ventilem je pyruvátkináza. Brzdí ji ATP, acetylkoenzym A a mastné kyseliny s dlouhým řetězcem, tedy znamení, že energie je dost. Zrychluje ji fruktóza-1,6-bisfosfát, produkt třetího kroku, který jí dopředu ohlásí, co se k ní valí. Jaterní varianta se navíc dá vypnout fosforylací, když glukagon hlásí nedostatek glukózy.
Vyzkoušej si to. Zvyšuj spotřebu ATP, sleduj AMP a fosfofruktokinázu-1 a pak přidej fruktóza-2,6-bisfosfát.
Buňka nehlídá jen to, kolik má ATP. Hlídá, kolik ho právě ztrácí, a AMP jí to ohlásí nahlas.
Na co se lidé opravdu ptají
Otázky, které se kolem cukru a svalů pořád dokola objevují na Redditu, Quoře i ve studijních skupinách. Krátce a na rovinu.
Způsobuje kyselina mléčná svalovou horečku?
Podle dnešních poznatků ne. Hladina laktátu se po výkonu vrátí na klidovou zhruba do hodiny, kdežto svalová horečka se rozjíždí několik hodin a vrcholí zhruba za jeden až tři dny. Objevuje se hlavně po nezvyklé zátěži s brzdivými, takzvaně excentrickými pohyby, při kterých se sval pod zátěží natahuje, třeba při běhu z kopce. Proč přesně bolí, se pořád zkoumá. Mluví se o drobném poškození svalových vláken a pojivové tkáně, o zánětu a podle novější hypotézy i o mikropoškození nervových zakončení. Teorii, že za svalovou horečku může kyselina mléčná, přehledové práce převážně odmítají. Pálení přímo během sprintu má podle Voetovy učebnice na svědomí spíš kyselost, která glykolýzu provází, než laktát sám. A laktát není odpad: játra z něj vyrábějí zpátky glukózu a mnoho tkání ho spaluje jako palivo.
Proč se glykolýze říká anaerobní, když běží i s kyslíkem?
Anaerobní tu znamená jen to, že kyslík nepotřebuje, ne že s ním neběží. Glykolýza běží ve tvých buňkách pořád. S kyslíkem pokračuje pyruvát do mitochondrií a NADH předá elektrony dýchacímu řetězci. Bez kyslíku, nebo když mitochondrie nestíhají, skončí pyruvát jako laktát. Červené krvinky ho vyrábějí i s kyslíkem a dnes se ví, že laktát v těle vzniká nepřetržitě i za dostatku kyslíku. Dráha je v obou případech stejná, liší se jen to, co je za ní.
Kolik ATP dá jedna glukóza?
Glykolýza sama dvě. Když pyruvát i NADH dokončí cestu v mitochondriích, je to celkem 30 nebo 32. Záleží na tom, jakou cestou se elektrony z NADH v cytoplazmě dostanou do mitochondrií. Starší učebnice uváděly 38, protože počítaly s celými čísly: 3 ATP na každé NADH a 2 na FADH2. Přesnější měření dávají asi 2,5 a 1,5 a nic nenutí, aby to byla celá čísla. ATP totiž vzniká z toku protonů a počet protonů na jedno ATP celé číslo být nemusí.
Proč nádory spotřebují tolik glukózy?
V mnoha nádorech běží příjem glukózy a glykolýza asi desetkrát rychleji než ve zdravé tkáni a velká část pyruvátu skončí jako laktát. Část nádorových buněk má málo kyslíku, protože jsou daleko od vlásečnic, ale Otto Warburg si ve dvacátých letech všiml, že nádory jedou na glykolýzu i tam, kde kyslík mají. Lékaři toho využívají při vyšetření PET. Pacient dostane obdobu glukózy se značeným fluorem, fluorodeoxyglukózu. Hexokináza ji fosforyluje, ale další enzym si s ní neporadí, a tak se hromadí v buňkách, které hodně glukózy berou. Na snímku pak nádor svítí.
Je v ATP „vysokoenergetická vazba“?
Ne v tom smyslu, jak to zní, a Lehninger to označení rovnou nazývá nesprávným a zavádějícím. Přetrhnout jakoukoli vazbu energii stojí, neuvolní ji. Volná energie se při hydrolýze ATP uvolní proto, že produkty jsou stabilnější než ATP: záporné náboje se od sebe vzdálí, uvolněný fosfát má víc rezonančních forem a produkty se lépe obklopí vodou. U fosfoenolpyruvátu se k tomu přidá přeskupení pyruvátu z enolu na stabilnější ketoformu, a proto je na žebříčku úplně nahoře.
Tohle je první rameno schodiště v kostce. Dvě fáze, vklad a výplata. Dva fosfáty, které cukr chytí do pasti a připraví k rozlomení. Výplata, při které buňka molekulu přestaví tak, aby fosfát pustila na ADP. Účet se čtyřmi ATP na straně příjmů a dvěma na straně výdajů a schodiště, které je v buňce skoro celé ploché. Přítoky z glykogenu, škrobu, mléka i ovoce. Kolotoč NAD⁺, který se nesmí zastavit, a proto si buňka bez kyslíku pomůže laktátem nebo ethanolem. A tři ventily pod dohledem AMP a hormonů. Deset reakcí, které umí skoro každá buňka na Zemi a které tvým červeným krvinkám stačí na celý život.
Konec druhé kapitoly
Vidíš chybu, nebo ti tu něco nesedí? Napiš mi →
Kup mi kafeZdroje a další čtení
- Nelson D. L., Cox M. M., Hoskins A. A. Lehninger Principles of Biochemistry, 8. vyd. W. H. Freeman, 2021. Kostra kapitoly. Úvod kap. 14: úplné spálení glukózy −2840 kJ/mol. Kap. 14.1 (Glycolysis): první rozluštěná dráha, Buchner 1897, jediný zdroj energie červených krvinek, zachovaná chemie, dvě fáze (obr. 14-2), tři druhy dějů, −146 a −85 kJ/mol, energie zbylá v pyruvátu, tři úlohy fosfátů, pokus Hardena a Younga, kroky 1–10 s jejich ΔG′° (hexokináza a 8 Å, aldoláza, triózafosfátizomeráza a obr. 14-6, NAD⁺ a GAPDH, spřažení kroků 6 a 7, fosforylace na úrovni substrátu, 2-fosfoglycerát a PEP, pyruvátkináza), účetní bilance. Kap. 14.2 (Feeder Pathways): fosforolýza glykogenu a řešená úloha 14-1, trávení škrobu, laktózová intolerance, galaktóza a galaktosemie (obr. 14-10), fruktóza a manóza (obr. 14-9). Kap. 14.3 (Fates of Pyruvate): obr. 14-11, Pasteurův a Warburgův efekt, rámeček 14-1 (nádory a PET), mléčné kvašení a definice kvašení, rámeček 14-2 (sprint, kyslíkový dluh, Coriho cyklus, aligátoři), alkoholové kvašení a thiaminpyrofosfát, kvašené potraviny. Kap. 14.4: tři nevratné kroky a tab. 14-2 (ΔG v erytrocytech). Kap. 14.5: izoenzymy hexokinázy, regulace PFK-1 (obr. 14-22, 14-23), fruktóza-2,6-bisfosfát (obr. 14-24), regulace pyruvátkinázy. Kap. 14, úlohy 10 a 11 a jejich řešení (arseničnan). Dále kap. 13.3 (tab. 13-6, obr. 13-11, „vysokoenergetická vazba“, fosfokreatin), kap. 13.5 (tab. 13-10 a 13-11, AMPK), tab. 6-5 (zrychlení reakce triózafosfátizomerázou) a kap. 19.2–19.3 (P/O 2,5 a 1,5; 30 nebo 32 ATP na glukózu). E-kniha nemá tištěná čísla stran, citujeme proto oddíly, obrázky a tabulky.
- Voet D., Voet J. G. Biochemistry, 4. vyd. Wiley, 2011. Dráha Embdenova–Meyerhofova–Parnasova (s. 595); důvod izomerace ve druhém kroku (s. 600); triózafosfátizomeráza jako „dokonalý enzym“ (s. 606); kyselost, ne laktát, při únavě a pálení svalu (s. 615); ATP se mezi klidem a námahou mění o méně než 10 % a fosfofruktokináza zrychlí asi desetkrát (s. 627–628); glukóza-1-fosfát v tab. 16-3 (s. 579); 38 proti 32 ATP na glukózu (s. 832–833).
- Sender R., Fuchs S., Milo R. Revised estimates for the number of human and bacteria cells in the body. PLoS Biology 14(8): e1002533, 2016. Asi 3×1013 lidských buněk, z toho 2,5×1013 červených krvinek.
- Sonkodi B. Should we void lactate in the pathophysiology of delayed onset muscle soreness? Not so fast! Let’s see a neurocentric view! Metabolites 12(9): 857, 2022. Laktát se vrátí na klidovou hladinu do hodiny, excentrická zátěž, přehled vysvětlení a nervová hypotéza.
- Wilke J., Behringer M. Is „Delayed Onset Muscle Soreness“ a false friend? The potential implication of the fascial connective tissue in post-exercise discomfort. International Journal of Molecular Sciences 22(17): 9482, 2021. Teorie kyseliny mléčné je převážně odmítnutá, příznaky vrcholí za jeden až tři dny.
- Storhaug C. L., Fosse S. K., Fadnes L. T. Country, regional, and global estimates for lactose malabsorption in adults: a systematic review and meta-analysis. The Lancet Gastroenterology & Hepatology 2(10), 2017. Laktózu špatně tráví asi 68 % dospělých na světě.
- Brooks G. A. The science and translation of lactate shuttle theory. Cell Metabolism 27(4): 757–785, 2018. Laktát vzniká nepřetržitě i za dostatku kyslíku a je významným zdrojem energie i hlavní surovinou pro glukoneogenezi.
- Hinkle P. C. P/O ratios of mitochondrial oxidative phosphorylation. Biochimica et Biophysica Acta 1706: 1–11, 2005. Asi 2,5 ATP na NADH a 1,5 na sukcinát.
- Nobelova cena za chemii 1929, Arthur Harden a Hans von Euler-Chelpin, za výzkum kvašení cukru a kvasných enzymů (nobelprize.org).
- Simulace jsou zjednodušené modely. V simulaci 01 jsou standardní hodnoty z tabulek. V simulaci 02 jsou ΔG′° a ΔG z Lehningerovy tab. 14-2, kroky blízko rovnováhy kreslíme jako ploché a ΔG′° enolázy bereme z tab. 13-10. V simulaci 03 odpovídá 32 ATP na glukózu s kyslíkem Lehningerovi, ostatní rychlosti jsou ilustrační. V simulaci 04 jsou krajní hodnoty nukleotidů z tab. 13-11 a polohy křivek bez fruktóza-2,6-bisfosfátu a s ním z obr. 14-24; mezi krajními hodnotami interpolujeme, tvar křivek a velikost posunu vlivem ATP a AMP jsou ilustrační.