Metabolismus - Základní pojmy

 

Výukové materiály ke kapitole Metabolismus

1. Kompletní výukový materiál - prezentace Trávení a metabolismus přírodních látek:

Trávení a metabolismus Prezentace

ve formě powerpointu (bez propojení na flash. animace): zde

ve formě powerpointu s propoj. na flash. animace: zde

2. Výukový materiál - prezentace Citrátový cyklus a dýchací řetězec

ve formě powerpointu: zde

ve formě pdf souboru: zde

2. Výukový materiál - Metabolismus sacharidů (flashová animace):

transkripce

ve formě swf souboru: zde

ve formě exe souboru: zde

ve formě html souboru: zde

3. Dílčí výukové materiály:
(flashové animace ve formátu swf):

ATP (adenosintrifosfát)

Schéma přenosu energie v soustavě ADP-ATP

Podstata biochemických oxidací

NADH

Vznik redukovaného koenzymu NADH + H+

FAD (flavinadenindinukleotid)

Vznik redukovaného koenzymu FADH2

Glykolýza

Odbourávání pyruvátu

Anaerobní odbourávání pyruvátu

Oxidační fosforylace

Koenzym A

Dýchací řetězec (schéma)

Substrátová fosforylace

 

Celkem

Kapitoly:

1. Jak se přeměňuje v lidském těle potrava?

2. Proč člověk vylučuje odpadní látky?

3. V jaké formě se z těla vylučují prvky jako je uhlík, kyslík, vodík a dusík?

4. Co je metabolismus?

5. Co znamená pojem látkový metabolismus?

6. Co znamená pojem energetický metabolismus?

7. Čím je ovlivněna rychlost metabolismu?

8. Co je bazální metabolismus?

9. Co je pracovní metabolismus?

10. Co je joule (J) a kalorie (cal)?

11. Jak využívá lidské tělo přebytečnou energii?

12. Kde uchovává organismus energii?

13. Jak dochází k přenosu energie z živin do ATP?

 

1. Jak se přeměňuje v lidském těle potrava?

Člověk přijímá v potravě látky, které jsou v průběhu procesu trávení rozkládány na jednodušší látky (monosacharidy, aminokyseliny, mastné kyseliny aj.). Ty mohou dále sloužit buď jako stavební jednotky pro výstavbu nových sloučenin, nebo mohou být v těle dále odbourávány až na oxid uhličitý, vodu a ostatní odpadní látky.

obr
Obr. 1: Schéma odbourávání látek přijatých v potravě.

2. Proč člověk vylučuje odpadní látky?

Je tomu tak proto, že lidské tělo je dynamickým systémem. Dochází v něm k neustálému obratu – některé buňky odumírají, jiné se musí nahrazovat.

3. V jaké formě se z těla vylučují prvky jako je uhlík, kyslík, vodík a dusík?

Uhlík, společně s kyslíkem, se vylučují ve formě oxidu uhličitého (CO2) v procesu dýchání (viz Dýchací řetězec). Vodík společně s kyslíkem se vylučují ve formě vody (H2O), kterou tělo může dále využívat, anebo ji z těla vyloučit. Dusíkaté látky se v lidském těle využijí buď na syntézu jiných potřebných látek (např. na dusíkaté heterocyklické báze) nebo dochází k jejich odbourávání na amoniak (NH3), který je pro lidský organismus jedovatý. V lidském těle je amoniak dále přeměňován na močovinu v močovinovém cyklu (viz Metabolismus bílkovin).

obr
Obr. 2: Vzorec močoviny.

4. Co je metabolismus?

Metabolismus je biochemická modifikace chemických sloučenin v buňkách a živých organismech. Jedná se o látkovou (látkový metabolismus) a energetickou (energetický metabolismus) výměnu, příjem a zpracování živin. Metabolismus v sobě zahrnuje přeměny produktů trávení (viz Trávení) na odpadní látky nebo výstavby nových, pro život důležitých sloučenin.

5. Co znamená pojem látkový metabolismus?

Látkový metabolismus zajišťuje stálý transport látek přes buněčnou membránu (viz Transport látek přes membrány), jejich rozklad, zisk stavebních látek či úplný rozklad na látky odpadní.

Látkový metabolismus zahrnuje dvě skupiny protichůdných procesů:

  • děje anabolické: tj. ta část metabolismu, při níž se vytvářejí chemicky složitější látky (např. z aminokyselin vznikají bílkoviny); tyto reakce obvykle využívají určitou část energie, neboť se jedná především o reakce endergonické;
  • děje katabolické: tj. ta část metabolismu, při níž jsou látky rozkládány na z chemického hlediska jednodušší látky (např. rozklad glukosy na vodu a oxid uhličitý); při těchto reakcí obvykle dochází k uvolnění energie, kterou tělo může využít pro reakce anabolické; jedná se především o reakce exergonické.

6. Co znamená pojem energetický metabolismus?

Energetický metabolismus zajišťuje uvolňování a spotřebu energie.

Rozkladem chemických sloučenin jako jsou bílkoviny, lipidy a sacharidy se uvolňuje určitá energie, kterou organismus využívá pro jiné reakce vyžadující energii (pro endergonické reakce). Dalším způsobem využití energie je konání mechanické práce či uvolňování tepla, popřípadě jiná práce (osmotická práce – přenos látek založený na mechanismu aktivního transportu a elektrická práce – energie vynakládaná na bioelektrické jevy, např. šíření vzruchů).

Celkový energetický metabolismus se rovná součtu energie vydané (práce, teplo) a energie získané (z potravy).

7. Čím je ovlivněna rychlost metabolismu?

Regulace metabolismu se děje změnami enzymové aktivity. Protože prakticky všechny metabolické reakce jsou katalyzovány enzymy, jde o velmi účinný proces, který umožňuje, aby určité metabolické reakce probíhaly rychleji (zvýšení enzymové aktivity) nebo pomaleji (snížení enzymové aktivity).

Rychlost metabolismu celkově ovlivňují hormony, které koordinují funkce tkání a orgánů (viz Hormony). Hormony jsou produkovány určitými tkáněmi a vyplavovány do krevního oběhu. Krví se dostávají k cílovým orgánům a způsobují tam fyziologické změny, jako je např. řízení metabolických pochodů.

Produkce hormonů a činnost enzymů závisí na řadě faktorů jako je věk a pohlaví. Dále záleží na celkovém stavu organismu – jak fyzickém, tak psychickém. Sami si můžeme všimnout, že při intenzivním cvičení (např. plavání) je náš tep značně rychlejší, též frekvence nádechu a výdechu. Při stresu je metabolismus rovněž zvýšen, proto se u stresovaných lidí zvýší rychlost vylučování odpadních látek.

8. Co je bazální metabolismus?

Bazální metabolismus (BM) je přeměna látek probíhající za úplného tělesného i psychického klidu.

Hodnota bazálního metabolismu se dá změřit a ukazuje, kolik tělo spotřebuje energie za určitou časovou jednotku pro své základní pochody (dýchání, srdeční činnost, činnost lidských orgánů atd.).

Tab. 1. Příklady hodnot bazálního metabolismu.(citace Burnie)
  BM v kJ/m2/h
čtrnáctiletý chlapec 184
čtyřicetileté žena 142

9. Co je pracovní metabolismus?

S každým výkonem organismu roste též energetická spotřeba, jenž se mění podle druhu činnosti a kolísá podle toho v širokých hranicích. Kromě termínu pracovní metabolismus se též používá termín celkový metabolismus.

10. Co je joule (J) a kalorie (cal)?

Jsou to jednotky energie, pro které platí vztah: 1 kcal = 4,184 kJ .(citace Voet 2006)

11. Jak využívá lidské tělo přebytečnou energii?

Při nadbytku energie (např. při větším příjmu potravy či nedostatku pohybu) musí tělo energii nějakým způsobem využít, aby se nepřehřálo. Energii organismus využije na tvorbu lipidů, které se ukládají do tukové tkáně, čímž může vzniknout nadváha (otylost).

Naopak při nedostatečném příjmu potravy, a tím i nedostatečném příjmu energie musí tělo energii někde získat. Nejdříve jsou použity rezervy glykogenu, které se vyčerpají během několika hodin. Při delším hladovění se organismus převážně orientuje na mastné kyseliny jako na dodavatele energie. Déletrvající hladovění může být příčinou podvýživy.

12. Kde uchovává organismus energii?

Je zřejmé, že živé organismy potřebují stále energii, kterou získávají rozkladem potravy. Tuto energii spotřebují na endergonické reakce.

Energii uchovávají v tzv. makroergických sloučeninách, jejichž rozkladem se získává velké množství energie. Typickým příkladem makroergické sloučeniny je tzv. adenosintrifosfát (ATP).

obr
Obr. 3: Vzorec ATP (adenosintrifosfát).

Adenosintrifosfát (ATP) Jak vzorec napovídá, skládá se ATP z ribosy a tří zbytků kyseliny trihydrogenfosforečné. Odtržením posledního zbytku kyseliny trihydrogenfosforečné vzniká adenosindifosfát (ADP) a anorganický fosfát (P, někdy též značeno jako Pi) za uvolnění energie:

obr
Obr. 4: Rozklad ATP na ADP a P za uvolnění energie.


Obr. 5: Anorganický fosfát (P) v závislosti na pH fyziologického roztoku.

Uvolněná energie se např. může spotřebovat na práci, kterou organismus vykonává (viz též Buňka).

Přebytečná energie z látkového metabolismu naopak umožňuje vznik ATP:

obr
Obr. 6: Syntéza ATP z ADP a P za spotřeby energie.

ATP patří mezi anhydridové makroergické sloučeniny. Vysoká hodnota energie této sloučeniny je dána elektrostatickými repulsemi mezi záporně nabitými kyslíkovými atomy.

adpatp
Obr. 7: Schéma přenosu energie v soustavě ADP-ATP.

13. Jak dochází k přenosu energie z živin do ATP?

Nejčastěji dochází k oxidační (aerobní) fosforylaci při níž je důležité, aby buňka byla dostatečně nasycená kyslíkem.

Přenos energie probíhá ve třech fázích:

1. fáze
Vodík (H = H+ + e-) je přenášen ze substrátu na koenzymy dehydrogenas, což jsou nikotinamidadenindinukleotid (NAD+) a flavinadenindinukleotid (FAD) – viz Dýchací řetězec. Substrát se oxiduje (viz dále glykolýza – Metabolismus sacharidů a β-oxidace – Metabolismus lipidů).

NAD+ + 2H → NADH + H+

FAD + 2H → FADH2

oxidace
Obr. 8: Podstata biochemických oxidací.

2. a 3. fáze (více viz Dýchací řetězec)
Elektrony z redukovaných koenzymů (NADH, FADH2) jsou přenášeny po sérii akceptorů v dýchacím řetězci až na molekulu kyslíku, kterou postupně redukují na oxidové ionty (O2- ). Oxidové ionty s protony z matrix reagují za vzniku molekuly vody a energie.

4 H+ + 4e- + O2 → 2H2O

Při přenosu elektronů vzniká energie, díky níž dochází k přečerpávání protonů z matrix mitochondrie i z redukovaných koenzymů (NADH, FADH2) do mezimembránového prostoru. Při přechodu protonů zpět do matrix vzniká energie, která pohání syntézu ATP z ADP a anorganického fosfátu.

ADP + P → ATP + H2O

odbouravanidr
Obr. 9 a 10: Zisk ATP (oxidační fosforylací). Vpravo je znázorněno celkové schéma aerobního odbourávání pyruvátu, vlevo je znázorněno schéma dýchacího řetězce.

 

Vedle oxidační fosforylace existuje substrátová fosforylace, při které dochází k přenosu fosfátové skupiny z makroergického meziproduktu metabolismu (M-P) na ADP. Rozpadem makroergického meziproduktu se uvolní dostatek energie pro realizaci endergonické fosforylace ADP anorganickým fosfátem.(citace Vodrážka)

M-P + ADP → ATP + H2O

Příklad substrátové fosforylace v průběhu glykolýzy viz (Metabolismus sacharidů):

obr
Obr. 11: Syntéza ATP z ADP a P za spotřeby energie.