Milada Teplá
KUDCH, PřF UK v Praze
email: milada.tepla@natur.cuni.cz
Buňka - úvod
Nukleové kyseliny a proteosyntéza
Přírodní látky
Trávení
Metabolismus
Další informace
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. 1: Schéma odbourávání látek přijatých v potravě.
Je tomu tak proto, že lidské tělo je dynamickým systémem. Dochází v něm k neustálému obratu – některé buňky odumírají, jiné se musí nahrazovat.
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. 2: Vzorec močoviny.
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.
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:
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).
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.
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.).
BM v kJ/m2/h | |
čtrnáctiletý chlapec | 184 |
čtyřicetileté žena | 142 |
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.
Jsou to jednotky energie, pro které platí vztah: 1 kcal = 4,184 kJ .(citace Voet 2006)
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.
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. 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. 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. 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.
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+
Obr. 7+8: Nikotinamidadenindinukleotid: vzorec + přechod mezi oxidovanou (NAD+) a redukovanou formou (NADH)
FAD + 2H → FADH2
Obr. 9+10: Flavinadenindinukleotid: vzorec + přechod mezi oxidovanou (FAD) a redukovanou formou (FADH2 )
Obr. 11: 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, jedná se o tzv. oxidační forsforylaci.
ADP + P → ATP + H2O
Obr. 12 a 13: 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. 14: Syntéza ATP z ADP a P za spotřeby energie.