Metabolismus

Přeměna živin po strávení a vstřebání v organismu představuje děje, kterým říkáme intermediární metabolismus. Metabolismus – látková přeměna – je jedním ze základních procesů v živé hmotě. Jsou to všechny chemické děje probíhající v organismu.

Metabolické pochody je možno rozdělit do tří kategorií:

1. anabolické, vedoucí ke vzniku nových sloučenin (biosyntéza). Dochází k syntéze a obnovování živé hmoty, vytváření energetických zásob (pro mechanickou práci, transport membránou atd.) a k vytváření látek potřebných k řízení (hormonů, enzymů, mediátorů). Je k tomu třeba energie, která vzniká při pochodech další kategorie:

2. katabolické pochody – rozkladné. K nim patří například oxidativní procesy, uvolňující ze sloučenin volnou energii.

3. amfibolické děje– představují „křižovatku“, na které se katabolické a anabolické děje scházejí (např. cyklus kyseliny citronové – Krebsův cyklus).

Látková přeměna se skládá z množství intermediárních metabolismů, vzájemně koordinovaných a na sobě časově závislých.

Energetický metabolismus je metabolismus, ve kterém z chemické energie živin vzniká biologická energie (makroergních fosfátových vazeb – ATP, viz dále) využitelná v organismu. Zjednodušeně lze říci, že živiny procházejí třemi obecnými fázemi chemického zpracování:

1. Ve střevě při trávení přemění hydrolytické reakce složité živiny na jednoduché vstřebatelné složky: jednoduché cukry, aminokyseliny, glycerol a mastné kyseliny.
2. V cytoplazmě buněk tkání nastává další degradace. Z glukózy vzniká pyruvát a z mastných kyselin a aminokyselin kyselina acetoctová. Nejsnáze a nejrychleji probíhají chemické reakce vycházející z přeměny glukózy, navíc už při těchto reakcích cukrů vzniká volná energie.
3. V mitochondriích jsou pyruvát a kyselina acetoctová dále odbourávány na společný meziprodukt – acetyl koenzym A (Acetyl-CoA), který pak vstupuje do cyklu kyseliny citronové a dýchacího řetězce. Dochází v něm k úplné oxidaci za vzniku energie ve formě adenositrifosfátu (ATP) a konečných produktů (vody a kysličníku uhličitého).

ATP (adenosintrifosfát) se tvoří v mitochondriální matrix za přítomnosti enzymů a kyslíku (proto se tomuto procesu říká dýchací řetězec). Je to sloučenina obsahující vazby s vysokým obsahem využitelné energie, které se snadno štěpí a energii uvolňují. Zjednodušené schéma molekuly ATP:

adenosin – PO₃ ~ PO₃ ~ PO₃^–

Vazby označené vlnovkou (~) jsou vysoce energetické (makroergní) fosfátové vazby. Každá z nich váže za standardních podmínek 7300 kalorií (30,6 kJ). Jestliže je jedna fosfátová vazba rozštěpena, přemění se adenosintrifosfát (ATP) na adenosindifosfát (ADP) a uvolní se 7300 cal, které mohou být využity například ke svalové kontrakci. ADP může být dále štěpeno na AMP (adenosinmonofosfát) za dalšího uvolnění energie.

ATP je bezprostředním zdrojem energie, ale množství ATP ve svalu by vystačilo dokonce i u trénovaného atleta při maximální zátěži sotva na tři vteřiny. Z toho vyplývá, že molekuly ATP musí být v metabolismu neustále vytvářeny.

Kreatinfosfát (CP), je další molekulou, obsahující makroergní vazbu:

kreatin ~ PO₃^–

Při rozštěpení na kreatin a fosfátový iont se uvolní dokonce větší množství energie než při rozštěpení vazby ATP (10 300 cal). Kreatinfosfát může proto snadno rekonstruovat makroergní vazby ATP. Když k tomu přidáme fakt, že ve svalu je kreatinfosfátu poměrně velké množství (asi pětkrát víc než ATP) a že celá reakce trvá zlomek vteřiny, je jasné, že kreatinfosfát slouží jako zásoba energie.

Při spotřebě ATP rozštěpením vazby a uvolněním energie vzniká ADP, jehož koncentrace je přímo úměrná aktivitě buňky. Část se přemění na AMP a dále na cAMP (cyklický adenosinmonofosfát), který aktivuje enzym fosforylázu a ta začne štěpit glykogen na glukózu (glykogenolýza). Glukóza se degraduje na pyruvát, vstupuje do mitochondrií a začíná nový cyklus výroby energie. Hladina ADP tak řídí intenzitu metabolismu živin.

Při nadbytku ATP se glykogen buď neštěpí vůbec, nebo se štěpí pomaleji a ATP se přechodně ukládá ve forměkreatinfosfátu. Dalo by se říci, že kreatinfosfát působí jako nárazník (pufr) ATP: v nadbytku ho ukládá a v nedostatku uvolňuje.

Dalšími zásobami energie pro buňku jsou glykogen a glukóza, mastné kyseliny z tuků jsou méně pohotovými a jako poslední, nejpomaleji využitelná rezerva, slouží aminokyseliny z bílkovin. Mastné kyseliny a aminokyseliny musí být před použitím v energetickém metabolismu přeměněny na glukózu (glukoneogeneze).

V době mezi jídly, po ukončení absorpce živin střevem, se dostávají živiny (cukry, mastné kyseliny a aminokyseliny) do krve ze zásobních zdrojů.

Zatím jsme mluvili pouze o metabolismu za normálních podmínek, to znamená za přítomnosti dostatečného množství kyslíku (aerobní podmínky). V jeho nepřítomnosti (v anaerobních podmínkách) probíhá tvorba ATP také, ale jiným způsobem a pouze omezenou dobu. Přeměňují se pouze cukry. Glukóza se sice v cytoplazmě buněk metabolizuje na pyruvát, ale nevstoupí do mitochondrií a dále se přeměňuje na kyselinu mléčnou. Tento mechanismus vzniku ATP je sice rychlejší, ale energeticky nevýhodnější: ze stejného množství substrátu vzniká menší množství využitelné energie. Kyselinu mléčnou sice částečně využívá jako zdroj energie srdce, ale její hromadění v organismu posunuje pH tělesných tekutin na kyselou stranu a způsobuje svalovou únavu a bolest.

Výroba a spotřeba energie však nejsou stoprocentně účinné a při každé přeměně se část energie ztrácí v podobě tepla. Proto se při zvýšení metabolismu zvyšuje teplota

Během přeměny živin na ATP se ztrácí 35% energie v podobě tepla, při dalších přeměnách dochází k dalším ztrátám. Za ideálních podmínek je v těle nakonec využito přibližně 27% energie dodané živinami.

Množství energie, kterou tělu poskytují různé živiny, se dá vyjádřit několika způsoby:

1. Spalné teplo je množství tepla, které vznikne při úplné oxidaci živin. Měří se přímou kalorimetrií (zjišťuje se množství tepla, které se uvolní při spálení 1g živiny).

2. Energetický ekvivalent (dříve kalorický ekvivalent) je množství tepla, které se uvolní, když se k oxidaci jednotlivých živin spotřebuje 1 litr kyslíku.

3. Respirační kvocient (RQ) je poměr objemu vyloučeného oxidu uhličitého k objemu spotřebovaného kyslíku během přeměny určité živiny.

Organismus využívá získanou energii na

• bazální metabolismus (základní přeměnu) Je to množství energie potřebné k udržení základních, pro život nezbytných funkcí (srdeční akce, dýchání, činnost mozku atd.) za bazálních podmínek, to znamená v klidu, nalačno a v přiměřeně teplém prostředí. Jeho hodnota je přibližně 300 kJ/hod. Bazální metabolismus je závislý na pohlaví a věku. Je přímo řízen hormonem štítné žlázy tyroxinem.

• trávení a vstřebávání – (specifickodynamický účinek potravy)

• svalovou práci

• termoregulaci

Bazální energetický výdej organismu (bazální metabolismus) se dá za určitých podmínek měřit přímou kalorimetrií (zjišťuje se množství tepla, vydaného organismem za časovou jednotku). Subjekt je umístěn na izolovaném místě (v kalorimetru), odkud není možný únik tepla. Svojí tělesnou teplotou ohřívá vzduch, přičemž teplo je odebíráno do vodní lázně, aby se zachovala konstantní teplota v místnosti. Přesnými teploměry se měří teplota vody, která je přímo úměrná velikosti bazálního metabolismu subjektu.Druhá možnost je měření nepřímou kalorimetrií (zjišťuje se množství spotřebovaného kyslíku za časovou jednotku, protože více než 95% energie v těle je uvolňováno za přítomnosti kyslíku). Organismus se při tomto měření musí nacházet v bazálních podmínkách: nalačno, v klidu a v prostředí tepelně indiferentním.