ATP a buněčné dýchání

Zdravím! Jsem v posilovně, nevím, proč jste tu vy, ale já si jdu udělat pár kliků. Můžete se ke mně připojit na zemi, jestli chcete. Nechci se předvádět, dělám to pro vědu. Uah! Viděli jste to? Pohly se moje paže, moje ramena. Hýbaly se moje zádové a břišní svaly. Srdce mi tam všude napumpovalo krev. Pěkné, že? Ukazuje se, že to, jak tvoříme a spotřebováváme energii, je podobné sportu a cvičení. Může to být náročné a komplikované, ale když to děláte správně, dostaví se kýžená odměna. Ale na rozdíl od trefování se tyčí do míčku je to tak složité a úžasné, že stále odhalujeme tajemství toho, jak to celé funguje. Všechno to začíná úžasnou molekulou, která je jednou z vašich nejlepších přátel, ATP (adenosintrifosfát). (veselá znělka) Dnes budu hovořit o energii a o procesu, kterým procházejí naše a jiné živočišné buňky, aby si zajistily energii. Buněčným dýcháním získáme energii z jídla, které pozřeme, především z glukózy, protože většina toho, co sníme, skončí jako glukóza. Toto je chemický vzorec jedné molekuly glukózy. Abychom přeměnili glukózu na energii, potřebujeme přidat kyslík. Konkrétně šest molekul kyslíku. Buněčným dýcháním přeměníme glukózu a kyslík na šest molekul oxidu uhličitého, šest molekul vody a energii, která se nám bude hodit na všechny ty kliky. Je to všechno pěkné, ale problém je v tom, že tu energii nemůžeme využít k tomu, abychom třeba uběhli maraton. Nejprve musí naše těla tuto energii přeměnit na speciální formu uložené energie zvané ATP, neboli adenosintrifosfát. Už jsem o něm dříve mluvil. Většinou je ATP označován jako biologické energetické platidlo. Něco jako je americký dolar. Potřebujete to, abyste mohli obchodovat v USA. Nemůžete jen tak vejít do samoobsluhy s plnýma rukama čínských yenů nebo indickými rupiemi a očekávat, že si za ně budete moct něco koupit, ačkoliv to jsou stále peníze. Stejné je to s energií. Aby ji mohly použít, naše buňky potřebují energii ve formě ATP, aby mohly růst, hýbat se, tvořit elektrické impulsy v našich nervech a mozku, k čemukoliv. Dříve jsme například mluvili o tom, jak buňky používají ATP k přenosu některých látek přes svou membránu. Pokud si to chcete zopakovat, podívejte se na tuto epizodu. Než se koukneme, jak ATP vlastně vzniká, pojďme zjistit, jak buňky mohou profitovat z energie, která je v něm schovaná. ATP tvoří dusíkatá báze adenin, dále cukr ribóza a tři fosfátové skupiny na ni navázané. Co potřebujete vědět o této trojici fosfátů je, že jsou velmi nestabilní navázané takto za sebou, jako tři děti, které se nesnášejí a v autobuse sedí vedle sebe. Takže protože fosfáty si jsou vzájemně špatnou společností, ATP umí mazaný trik, kdy odpálí jednu z fosfátových skupin ze sedadla, čímž vytvoří ADP, čili adenosindifosfát, protože teď jsou na sedačce děti už pouze dvě. A touto reakcí, kdy je ten třetí otrapa vyhozen z místa, se uvolní energie. A poněvadž je v blízkém okolí spousta molekul vody, OH skupina, čili hydroxidová skupina, se z jedné z molekul vody oddělí a zaujme uvolněné místo po třetím fosfátu a všichni jsou hned šťastnější. Mimochodem když používáte vodu pro rozložení sloučeniny, říká se tomu hydrolýza. "Hydro" jako voda a "lýza" z řeckého slova pro rozdělení. Teď víte, jak se ATP spotřebovává, tak pojďme zjistit, jak se tvoří nové buněčným dýcháním. Jak jsem řekl, všechno začíná kyslíkem a glukózou. Učebnice tvrdí, že během buněčného dýchání jedna molekula glukózy dokáže vynést trochu tepla a 38 molekul ATP. Je třeba zmínit, že tohle číslo je z těch nejlepších scénářů. Většinou je to spíš 29 nebo 30 molekul ATP, ale co. Lidé se to takhle stále učí, tak budeme pracovat s číslem 38. Buněčné dýchání není nic, co by se rázem jen tak stalo. Glukóza je přeměněna na ATP ve třech různých stádiích: glykolýze, Krebsově cyklu a elektronovém transportním řetězci. Běžně se uvádí, že tato stádia navazují jedno na druhé, ale v buňce se vlastně dějí všechna zároveň. Začněme s prvním krokem, glykolýzou, neboli rozložením glukózy. Glukóza je cukr, což poznáte podle toho, že má na konci -óza. A glykolýza je jen rozbití glukózového šestiuhlíkového cyklu na dvě tříuhlíkaté molekuly, kterým se říká kyselina pyrohroznová nebo taky pyruvát. Kdybych měl přesně vysvětlovat, jak glykolýza probíhá, potřeboval bych hodinu vašeho času a ohromné množství malých loutek, kdy by každá zastupovala jiný enzym, a ač by mě to mrzelo, musel bych užívat slova jako fosfoglukoizomerasa, ale zjednodušeně se dá vysvětlit takto: když chcete vydělat peníze, musíte nějaké peníze utratit. Glykolýza potřebuje investici dvou ATP, aby mohla proběhnout, a nakonec vyprodukuje čtyři ATP. Ziskem jsou tedy dvě molekuly ATP. Navíc k těmto čtyřem ATP glykolýza vyprodukuje také dva pyruváty a dvě energeticky velmi bohaté ňamky zvané NADH, což jsou jakési děti vitaminu B nazvaného NAD⁺ s energií nabitými elektrony a vodíkem, čímž tvoří zásobárnu energie, která bude později využita k tvorbě ATP. Abychom sledovali to úžasné, co tu tvoříme, budeme si zaznamenávat skóre. Zatím jsme vytvořili dvě molekuly ATP a dvě molekuly NADH, které budou zapotřebí na další produkci ATP. Teď pár slov o kyslíku. Jak jsem zmínil, kyslík je nezbytný pro celkový proces buněčného dýchání, ale ne pro každé jeho stádium. Glykolýza, například, může proběhnout bez přítomnosti kyslíku, což z ní dělá anaerobní proces. Díky absenci kyslíku se pyruváty vytvořené během glykolýzy přesměrují do procesu zvaného fermentace (kvašení). V buňce není žádný kyslík, potřebuje tedy více NAD⁺, aby glykolýza dále probíhala. Takže fermentací se uvolní trochu NAD⁺, což uvolňuje některé zajímavé meziprodukty. V některých organismech, jako jsou třeba kvasinky (droždí), je produktem fermentace ethanol, což je totéž jako tohle všechno! Ale naštěstí pro naši produktivitu naše svaly alkohol netvoří, když jim dojde kyslík. Kdyby ano, posilování by nás opíjelo, což by nebylo tak špatné. Namísto ethanolu však tvoří kyselinu mléčnou. Ta zapříčiňuje, že po tréninku, který vás zničil, cítíte bolest. Vaše svaly spotřebovaly všechen kyslík a musely přepnout na anaerobní dýchání, aby doplnily energii, kterou potřebovaly. A tak se vám kyselina mléčná ukládá ve svalové tkáni. Ha! Ah! Ah! Zpátky ke skóre. Vytvořili jsme dvě molekuly ATP glykolýzou, ale vaše buňky opravdu potřebují kyslík, aby vytvořily dalších třicet-něco molekul, které potřebují. A to proto, že další dvě stádia buněčného dýchání, Krebsův cyklus a elektronový transportní řetězec, jsou procesy aerobní, což znamená, že kyslík nutně potřebují. Nacházíme se tedy v druhé fázi buněčného dýchání. Po glykolýze přichází Krebsův cyklus. Zatímco glykolýza probíhá v cytoplasmě, tekutém mediu, v němž jsou všechny organely buňky, Krebsův cyklus probíhá na vnitřní membráně mitochondrií, což jsou vlastně energetická centra buňky. Krebsův cyklus využívá produkty glykolýzy. Pyruváty přemění na další dvě ATP z každé molekuly glukózy, energii a pár dalších věcí, o kterých se zmíním za chvíli. Probíhá takto: nejprve jeden z pyruvátů oxiduje, to znamená, že se sloučí s kyslíkem. Jeden z uhlíků z tříuhlíkatého řetězce naváže kyslík a buňku opouští jako oxid uhličitý. Zůstává dvouuhlíkatá sloučenina acetylkoenzym A neboli acetyl-CoA. Potom další NAD⁺ naváže vodík a stává se NADH. Takže dva pyruváty vytvoří další dvě molekuly NADH, které se použijí později. Jako v glykolýze a vlastně v životě vůbec, jsou tu nezbytné enzymy. Jsou to proteiny, které spojují látky, jež spolu mají reagovat a dělají to s naprostou přesností. Enzymy spojují například fosfát s ADP, čímž vytvoří další ATP z každého pyruvátu. Také pomáhají připojení acetylu-CoA a čtyřuhlíkatou molekulu oxalacetát (kyselina oxaloctová). Dohromady tak vytvoří šestiuhlíkatou molekulu zvanou kyselina citronová, kterou dobře známe, protože, ano, to je to, co je v pomerančovém džusu. (piano) Zábavná fakta! Krebsův cyklus je také znám jako citrátový cyklus díky svému meziproduktu. Nicméně je pojmenován po člověku, který ho objevil. Hanz Krebs, ušní, nosní a krční chirurg, který uprchl z nacistického Německa, aby učil biochemii na univerzitě v Cambridge, kde objevil tento neuvěřitelně složitý cyklus v roce 1937. Za to, že byl tak neuvěřitelně geniální, získal Nobelovu cenu za medicínu v roce 1953. Kyselina citronová oxiduje během několika spletitých kroků odbourávajíc uhlíky zprava zleva, aby se nakonec stala znovu oxalacetátem, což činí Krebsův cyklus cyklem. Jak se uhlíky odštěpují z citrátu, zůstávají ve formě CO₂ (oxidu uhličitého), který buňka vydechne a nakonec i vy. Vy a já, poněvadž jsme lidé, vydechujeme produkty Krebsova cyklu právě teď. Dobrá práce. (výdech) Mimochodem při natáčení tohoto videa spotřebovávám spoustu ATP. S každým uvolněným uhlíkem z citrátu se vytvoří nějaká energie, ale není to ATP. Je uložená v naprosto odlišných molekulách. Tady se vracíme k NAD⁺ a jeho kolegovi FAD. NAD⁺ a FAD jsou přátelské enzymy vztahující se k vitaminům B. Deriváty niacinu (B3) a riboflavinu (B2), které jste mohli zahlédnout v lékárně. Tyto B vitaminy dobře drží elektrony s velkou energií a udržují tuto energii, dokud není uvolněna později v elektronovém transportním řetězci. Vlastně jsou v tom tak dobří, že se objevují v mnoha energetických vitaminových prášcích, které dnešní děti užívají. NAD⁺ a FAD jsou jako baterky, velké, nemotorné baterky, které vážou vodík a elektrony z každého pyruvátu, čímž se dobíjejí. Přidáním vodíku se změní na NADH a FADH₂. Každý pyruvát vytvoří tři NADH a jeden FADH₂ v každém cyklu, a protože glukóza se štěpí na dva pyruváty, znamená to, že každá molekula glukózy vyprodukuje šest NADH a dva FADH₂. Hlavním účelem Krebsova cyklu je vytvořit tyto zásobárny energie pro poslední fázi, elektronový transportní řetězec. A teď přichází ten čas, kdy říkáte: "Sladké pyruvátové sendviče, Hanku, nemáme spíše tvořit ATP? Ať už to je, co nás zdržuje?" Nuže, přátelé, vaše trpělivost se konečně vyplácí, protože když jde o ATP, elektronový transportní řetězec je opravdová mašina na výdělek. Ve velmi efektivní buňce dokáže vytvořit ohromných 34 ATP. Pamatujete na NADH a FADH₂ z Krebsova cyklu? Jejich elektrony poskytnou energii, která bude fungovat jako pumpa podél kanálových proteinů přes vnitřní membránu mitochondrie, kde probíhá Krebsův cyklus. Tyto proteiny vymění elektrony s vodíkovými protony, aby je poslaly z úplného centra mitochondrie přes její vnitřní membránu do její vnější části. Ale jakmile jsou jednou venku, chtějí se protony vrátit zpět na druhou stranu vnitřní membrány, protože venku je spousta protonů a, jak jsme se naučili, příroda se snaží najít ideální rovnováhu mezi oběma stranami membrány. Tak jsou všechny proteiny zase vpuštěny zpět přes speciální protein zvaný ATPáza. A energie tohoto protonového toku pohání celý tenhle točící se mechanismus, který smáčkne několik ADP a několik fosfátů a vytvoří ATP. Každý z elektronů pocházejících z 10 NADH z Krebsova cyklu, má dost energie, aby vytvořil zhruba tři ATP. Nesmíme však zapomenout na naše přátele FADH₂. Máme dva a každý vytvoří dva ATP. A voila! Takhle živočišné buňky na celém světě vytvářejí ATP buněčným dýcháním. Teď pro kontrolu resetujeme naše ATP počítadlo a spočítáme výnos z jedné molekuly glukózy ještě jednou. Vytvořili jsme dva ATP každým pyruvátem v glykolýze. Dva během Krebsova cyklu a nakonec v elektronovém transportním řetězci jsme jich vyrobili asi 34. A to jen z jedné molekuly glukózy. Představte si, kolik energie vaše tělo vyrobí a spotřebuje každý den.