Palivo-energetický biochemie komplex

Živými bytostmi protéká energie. Musíme zde zdůraznit sloveso protéká, nikoli propadává. Energie blesku je jistě ohromná, ale co z toho, když neumíme postavit přijímač, který by ji ve zlomku sekundy zachytil a sám zůstal celý. Z těchto důvodů patrně život nevsadil na záchyt energie jaderného rozpadu, i když v době zrodu života byla okolní radioaktivita daleko vyšší, než je dnes. Je nutné najít takový druh energie, který se dá zachytit a dělit do zvládnutelných balíčků. S parním či jiným tepelným strojem by to také nešlo, i když nás, obyvatele civilizace spalovačů mrtvol (zejména fosilních) tato možnost pohonu napadne asi jako první. A tak zbývá – elektrifikace. Proud elektronů lze velmi jemně nastavit a dávkovat v míře příhodné dané potřebě a zvládnutelné pro přijímač – ať velkorypadlo nebo mikroprocesor. Elektrifikace pomocí drátů má však podobnou nevýhodu jako tepelné stroje: buď jste připojeni ke zdroji, který musí stále běžet, anebo se taháte s těžkými bateriemi.

Zdrojem proudu elektronů však mohou být také oxidoredukční reakce. Chemické reakce se dají podřídit velmi citlivé kontrole, lze je dle potřeby spouštět a zastavovat, nastavovat jejich rychlost i intenzitu, a pohonné látky bez problémů nesete s sebou. Článek sestavený z oxidační a redukční reakce takové, že elektrony budou samovolně téct z jedné látky na druhou, nám poskytne tok elektronů, který může konat práci, postaví-li se mu do cesty vhodné zařízení. Oxidoredukční reakce (s jedinou zanedbatelnou výjimkou) poskytují pohon celé biosféře.

Na třaskavou směs si jistě pamatujete ze školy: dva díly vodíku, jeden díl kyslíku, jiskra – a už to bouchá. Zapsáno

2H₂ + O₂ → 2H₂O + slušné množství energie [1]

Rozepišme na dva články oxidoredukční „baterie“. Vodík se oxiduje na kationy H+ a zbaví se elektronu:

H → H⁺ + elektron [2]

Kyslík se redukuje na kyslíkové aniony tím, že ty elektrony přijme:

2 elektrony + O → O^2– [3]

Nově vzniklé ionty pak spolu reagují na vodu. Kyslíko-vodíkový článek je exergonický, což znamená, že tok elektronů mezi komponentami článku je doprovázen uvolněním energie – jen je nutno ji zachytit dřív, než se rozplyne formou tepla. Biologické oxidace ve svém úhrnu musí vždy být exergonické, protože právě ony pohánějí veškeré procesy probíhající v buňkách.

Procesy v tělech, jakým je to naše, jsou poháněny právě reakcí [1] – jen ten „náš“ vodík je uložen v organických látkách. V principu tedy spalujeme vázaný vodík na vodu a uhlík jako nepotřebný odpad vylučujeme ve formě oxidu uhličitého. Energetický výtěžek je srovnatelný se spalováním vodíku.

organická látka + O₂ → CO₂ + H₂O [4]

Běžně může organická látka ztrácet elektrony v podstatě čtyřmi způsoby (srovnej s reakcí [2]):

(a) oxidací jednoduché vazby v uhlovodíkovém řetězci na dvojnou

–CH₂–CH₂– → –CH=CH– + elektrony + H⁺ [4a]

(b) oxidací alkoholů na aldehydy nebo ketony

–CH₂(OH) → –CHO + elektrony + H⁺ [4b]

(c) oxidací aldehydu nebo ketonu na karboxylovou kyselinu

–CHO → –COOH + elektrony [4c]

(d) rozpadem karboxylové kyseliny

–CO–COOH → –CHO + CO₂ + elektrony (+ H⁺) [4d]

Molekula organické látky tedy může být podrobena celé kaskádě oxidačních reakcí, až se definitivně rozpadne na oxid uhličitý.

Když dýcháme my, oxidují se v našich mitochondriích organické látky a uvolněné elektrony redukují kyslík na vodu. Chybí-li však něco z toho, musí se oxidoredukční článek sestavit z toho, co je zrovna k dispozici. Naše buňky většinou nedostatkem organických látek netrpí, může se však stát, že schází druhá polovina článku – kyslík. V tom případě mohou využít jinou oxidoredukční reakci – kvašení. O tom níže.

Nakonec to zobecníme: donorem elektronů nemusí být vždy organická látka, akceptorem nemusí být kyslík. Vynalézavosti, jak sestavit funkční oxidoredukční článek, který by poskytoval energii, se meze nekladou.

Dělba práce

Tok elektronů mezi donorem a akceptorem elektronů lze usměrnit tak, aby nebyl explozivní a dal se rozumně využít. Co vlastně v biosféře jako celku probíhá, nám pomůže pochopit analogie krajiny. Představte si vysoký kopec a na něm plno různých zařízení. Obrazu dominuje kaskáda mlýnů různé velikosti, ale jsou tam vidět i jiné budovy, včetně monumentální banky. Na vrcholu kopce se nachází rezervoár organických látek, na úpatí je zásobník kyslíku chtivého elektrony pojmout; elektrony tedy mají tendenci stékat z kopce. Vypuštění rezervoáru v jednom kroku – nějakou kolmou strouhou nebo vodopádem – by znamenalo jen bouřlivé uvolnění tepla. Buňka však tomuto toku nastrkala do cesty různá zařízení („mlýny“ nebo aspoň kafemlejnky). Elektrony tudíž netečou přímo na kyslík, ale většinou protékají celou kaskádou mezičlánků se stále nižším a nižším energetickým potenciálem: reakce [1] je rozkouskována na několik stupňů (například [4a–d]). Jednotlivé skoky nesmějí být příliš malé – to by se stroje neroztočily –, ale nesmějí být ani příliš velké – náhon musí být přizpůsoben mlýnu. Až když elektrony udělaly svou práci, mohou reagovat úplně dole s kyslíkem.

Mlýny melou a mlynáři za práci obdrží peníze – buď v hotovosti, nebo se jim ukládají na konto v bance. Obě formy peněz jsou přes bankomaty nebo přepážky volně převoditelné jedna v druhou, snadno se přenášejí na jiná místa v krajině a „pohánějí“ její ekonomiku. Vraťme se ale zatím k naší „kaskádě“.

My živočichové máme energetický monopol: vlastníme celou kaskádu i s rozvody a také celý finanční profit z ní plynoucí. Vskutku: oxidoredukční baterie kyslík-vodík (v podobě organických látek) je to nejlepší, co se dá v současné biosféře sehnat. Kyslík se vyskytuje všude v okolí, a tak v těle potřebujeme jen zásobu oxidovatelných organických látek.

Baterie však potřebuje dobíjet, a zde do vyprávění vstupují rostliny a naše hvězda. Úkolem je za pomoci světelné energie obrátit reakci [1]: rozštěpit molekulu vody na kyslík, elektrony a protony, a elektrony pak nejlépe až nad samý vrchol našeho „kopce“.

H₂O + foton → 2H⁺ + 2 elektrony + ½O₂ [5]

Roztrhnout molekulu vody není snadný úkol – a navíc se to nedá dělat na několikrát jako v případě našich „mlýnů“, musí se tak stát v jediném kroku. Energií nabitý foton se tedy musí zachytit systémem antén a nasměrovat do katalytického centra, kde koná svou vodorozkladnou práci. Další foton pak dodá elektronu dost energie k tomu, aby vyletěl až nad vrchol našeho kopce. Tam se vznáší „mrak“ v podobě proteinu ferredoxinu (Fd), který se elektrony redukuje a zachytí je i s jejich energií:

Fd (ox) + elektron + foton → Fd (red) [6]

Z ferredoxinu pak mohou elektrony „pršet“ na vrchol kopce. Tento déšť elektronů pohání zařízení, jež redukuje molekulu CO₂ a zabuduje ji do organické látky:

CO₂ + organická látka + Fd (red) + energie → organická látka o jeden uhlík delší + Fd (ox) [7]

Povšimněte si, že reakci nepíšeme, jak to často bývá, formou CO₂ + H₂O → cukr; takhle to neprobíhá nikde, vždy musí být přítomno zařízení a také speciální organická látka, např. fosforylovaný cukr, na kterou se CO₂ váže. Poté se dalšími porcemi elektronů (z ferredoxinu či odjinud) tato nově vzniklá látka dál redukuje obrácením reakcí [4a–d].

My jsme tedy energetický monopol a rostliny nám dodávají palivo… Jsou však i jiní účastníci této ekonomiky, a někteří vlastní třeba jen jediný mlýn; jejich území navíc bývá chudé na organické látky, a jsou tedy nuceni spalovat něco jiného. Může se také stát, že oxidovatelných látek je spousta, dokonce i těch organických, ale – chybí zase kyslík. Vynalézavosti se meze nekladou, pokud se mezi oba články oxidoredukční baterie vejde alespoň jediný mlýn a namele aspoň trochu něčeho, co se dá zpeněžit v bance. Uveďme si několik řešení. Kyslík může být nahrazen dusičnanem:

organická látka + NO₃^– → CO₂ + dusitan nebo dusík nebo amoniak + energie [8]

Když nebudou dusičnany, zkusíme to třeba se sírany nebo sírou:

organická látka + SO₄^2– → CO₂ + siřičitan nebo tiosulfát nebo síra nebo sulfan + energie [9]

organická látka + S → CO₂ + H₂S nebo sulfidy kovů + energie [10]

Akceptorem elektronů mohou být i oxidované minerály jako magnetit, hematit, burel, uranyl. Například:

organická látka + Fe³⁺ → CO₂ + Fe²⁺ + energie [11]

Některé organismy dokážou dokonce vyrábět vodík:

organická látka + H⁺ → CO₂ + H₂ + energie [12]

Výtěžek energie je nevalný, ale lepší než nic.

Pak jsou zde tvorové žijící v trvalém nedostatku organické látky. Chemolitotrofové si musí vyrábět organické látky sami; podobně jako rostliny začínají tím, že redukují ferredoxin, ale nemají možnost fotosyntézy jako ony. S organickými látkami proto pečlivě hospodaří a nespalují je. Palivem jsou jim elektrony těžené z anorganických látek. (Uvolněná energie se používá mj. i k vynesení elektronů do ferredoxinového „mračna“.) Příkladem je baterie železnatá sůl – kyslík:

Fe²⁺ + O₂ → Fe₂O₃, Fe₃O₄, Fe(OH)₃ apod. + H₂O + energie [13]

nebo manganaté soli:

Mn²⁺ + O₂ → MnO₂ + H₂O + energie [14]

To je ten neřád ve vodovodech: bezkyslíkaté spodní vody obsahují často železnaté a manganaté soli, ve studni se přimíchá kyslík a kdekdo na tom pak v trubkách vesele žije a vyrábí ony nechutně vypadající sraženiny.

Jiné organismy se zachytily u smrdutého pramene a oxidují tam sulfan:

H₂S + O₂ → SO₂ + H₂O + energie [15]

a podobně se dají v kyslíkatém prostředí využít i jiné formy síry, obrácením reakce [9].

Mimochodem, reakce [13–15] a jim podobné pohánějí oázy života v poušti oceánského dna – tzv. černé kuřáky. Často se uvádí, že tyto formy života jsou zcela izolované od zbytku biosféry. Inu – a co ten kyslík v okolní vodě?

A poslední bizarní příklad: někteří přeborníci z řad archeí – metanogeni – redukují dokonce oxid uhličitý, pro většinu obyvatel biosféry odpad:

organická látka + CO₂ → CH₄ + H₂O + energie [16]

Dýchání

Všechny doposud popsané přenosy elektronů mezi dvěma články oxidoredukční baterie nazvěme dýcháním a „zařízení“ usměrňující tok elektronů od donoru k akceptoru souborným názvem dýchací řetězec:

dárce elektronů → dýchací řetězec → příjemce elektronů [17]

Poznámka terminologická: Kdysi v pravěku biochemie bylo třeba odlišit pohyby hrudníku od dýchání na úrovni molekulární. O dýchacím řetězci se nic nevědělo, a proto „buněčné dýchání“ bylo definováno jako alternativa ke kvašení, tedy jako „spalování cukrů na vodu a CO₂“. Tato nesmyslná definice zapleveluje dodnes učebnice a zkouší se na přijímačkách. Výše jsme si ukázali, že se spaluje kdeco, a nejen kyslíkem; o co však jde, je onen usměrněný proud elektronů v dýchacím řetězci.

Teď ještě k fotosyntéze: Vychází nám, že fotosyntéza je vlastně jakousi nástavbou dýchání. Produkuje vysokoenergetické elektrony, které vylétnou až nad vrchol našeho „kopce“ a pak tečou do dýchacího řetězce a používají se k nejrůznější práci. Ani fotosyntetická reakce nemusí vždy vytrhávat elektrony z molekuly vody. Některé bakterie si elektrony neberou z vody, ale ze sulfanu nebo jiných sloučenin síry, někdy také z dvojmocného železa. Z uvedeného proto plyne, že učebnicová definice fotosyntézy jako „syntézy organických látek z CO₂ za pomoci světla“ je zavádějící. Fotochemická reakce vynáší elektrony na vysokou energetickou úroveň (jinými slovy redukuje ferredoxin), s fixací CO₂ nemá nic společného. Viděli jsme už, že chemolitotrofové zvládnou fixaci i bez světla. Dokonce i náš organismus má ferredoxin a umí ho redukovat (a zvládá i asimilaci CO₂ v některých speciálních syntézách).

Banka, platidlo a bankomat

Je-li produkce ATP tištěním bankovek, pak dýchací řetězec přirovnáme k navyšování konta v bance. Úspory jako virtuální potenciál mohou vykonávat práce všeho druhu – buď přímým převodem, anebo záměnou za bankovky. Výše konta i sloupek bankovek jsou rovnocenné a vzájemně převoditelné univerzální zdroje energie – v ekonomice i v buňce. Bankovky kolují tam, kde jsou třeba, zatímco kapitál (konto) je spravován na jistém místě. Rozveďme si tuto metaforu na buněčné poměry.

Hotovostí jsou molekuly adenosintrifosfátu – ATP. Energie se uvolní, když se tato molekula rozštěpí na dvě – na adenozindifosfát (ADP) a fosfátovou molekulu:

ATP → ADP + fosfát + slušné množství energie [20]

Když se vše děje pod dohledem enzymů a buněčných struktur, využije se uvolněná energie k nejrůznějším pracím, jako je svalový stah, fosforescence světlušek nebo nejrůznější chemické syntézy. Hotovost je přenositelná, kamkoli se nám (tedy ne nám, ale buňce) zamane.

Kapitálem je elektrochemický potenciál; nelekejte se, hned to slovo vysvětlíme. Elektrický potenciál vzniká mezi dvěma místy, která se liší počtem elektronů – nábojem. Pokud je elektronům dovoleno téct po spádu potenciálu, budou to činit, a přitom mohou konat práci. To už známe, takto fungují elektrospotřebiče na stejnosměrný proud. Chemický potenciál vzniká mezi dvěma místy, která se liší koncentrací nějaké látky. Vhodíte- li do sklenice s vodou kostku cukru, ustaví se mezi kostkou na dně a hladinou chemický potenciál, který se postupně vybíjí s tím, jak molekuly cukru putují k hladině a rozdíl ruší. Spojme to: kdyby byly molekuly cukru na víc elektricky nabité, vytvořily by potenciál elektrochemický.

Dýchací řetězec je vždy lokalizován v membráně (u bakterií a archeí v membráně buněčné, u eukaryot ve vnitřní mitochondriální membráně a jeho varianta v membráně chloroplastových tylakoidů). Energii odebranou protékajícím elektronům soustrojí dýchacího řetězce využije tak, že pumpuje protony z buňky přes membránu ven. Membrána je obecně pro ionty nepropustná, a tak se protony nemohou vrátit zpět: přes membránu se tudíž vytvoří elektrochemický potenciál protonů. Tento potenciál („konto“) je směnitelný za práce různého druhu na samotné membráně: jsou v ní různé molekulární stroje, které jsou poháněny protony navracejícími se zpět, po spádu elektrochemického potenciálu protonů.

Může třeba pohánět rotaci bakteriálního bičíku či strhávat různé naředěné živiny z prostředí a koncentrovat je uvnitř. Může se také proměnit na oběživo, které pak lze přesouvat do jiných míst buňky a dokonce tam zakládat jiná „konta“ (např. elektrochemický potenciál sodných a draselných iontů na plasmatické membráně našich buněk). „Bankomatem“ je turbínka známá jako ATPsyntáza (blíže viz Vesmír 77, 23, 1998/1).

Teď to zobecníme. Na úrovni membrán se různorodé oxidoredukční práce převedou na společného jmenovatele – elektrochemický potenciál protonů. Vlastností kapitálu je, že je pěkně v bance a už není poznat, jak byl nastřádán. K jeho generování bylo třeba značně různorodého počtu elektronů, podle výkonnosti použitého oxidoredukčního systému. A všechny zúčastněné membrány mají také zabudovanou ATPsyntázu, protože k pohonu některých reakcí v buňce se lépe hodí ATP než potenciál. Housku na krámě nebo noviny v trafice si obvykle kupujete za hotové, málokdo to v trafice zkouší s kartou. Ke kvašení není třeba žádná membrána a vzniká při něm přímo ATP. Často je to výhodné, neboť není třeba stavět složitý systém dýchacích membrán a odtud transportovat ATP na místo spotřeby – vyrobí se hned na místě.

Někdy se však stane, že bakterie sice dýchat umějí (je jen málo těch, které to nedovedou za žádných okolností), nenajdou však vhodný akceptor elektronů k dýchání a musí spoléhat na kvašení (například bakterie žijící v tlustém střevě). Membránové funkce ovšem potřebují i ony. Nevadí: když nefunguje dýchání, ale máme dost ATP odjinud, vyrobíme si elektrochemický potenciál protonů pomocí naší ATPsyntázy, která ale teď bude pracovat obráceně: bude štěpit ATP a získanou energii použije k pumpování vodíkových iontů přes membránu, čímž vytvoří či udrží elektrochemický potenciál. Obě formy energetického platidla tedy jsou opravdu navzájem převoditelné. Funguje to jako ty speciální bankomaty se dvěma okénky: jedním můžete vybírat z konta hotovost a druhým naopak hotovost ukládat.

Jaké jsou představy o evoluci toho všeho, o tom už literatura, třeba ta doporučená.

Věnováno památce mého učitele Václava Kubišty (1925–2011), který nás tyto věci učil už v době, kdy o nich autoři dobových učebnic neměli ještě ani zdání.