Energetický metabolismus buňky

Energetický metabolismus běžné buňky lidského těla se dá v zásadě vztáhnout na energetický metabolismus celého organizmu. Je nicméně nutné brát v potaz, že ve využití energie existují určité rozdíly mezi jednotlivými tkáněmi.

Základním principem je fakt, že buňky našeho organizmu ke svému přežití potřebují energii. Jakou energii využívají? Chemickou. Existuje řada sloučenin, v nichž je uložena energie, tj. při jejich rozkladu se energie uvolní. Tyto sloučeniny označujeme jako makroergní a jejich nejdůležitějším zástupcem je molekula ATP (adenosintrifosfát). Buňky našeho těla neustále potřebují vyrábět molekuly ATP a zároveň je spotřebovávají. Molekuly ATP nejsou skladovány!

K čemu tuto energii buňky využívají? Prakticky ke všem procesům probíhajícím uvnitř buňky. Energeticky náročná je syntéza, rozklad a transport sloučenin po buňce, transport řady sloučenin a iontů přes buněčnou membránu, buněčná signalizace, udržování vnitřního prostředí buňky a tak podobně. Zkráceně řečeno bez ATP buňka zemře. Kromě toho existují tkáně, které mají na dodávky energie velmi vysoké nároky, typickým příkladem je příčně pruhovaná svalovina a mozek.

 

Zdroje ATP

Jak ATP buňka získává? Možností je více, ale základem je tzv. citrátový cyklus a s ním spřažený dýchací řetězec, v němž probíhá oxidativní fosforylace. Oba tyto chemické děje se odehrávají v mitochondriích. Na jejich začátku je sloučenina známá jako acetylkoenzym A (acetyl-CoA) a na konci je ATP. Během toho dochází ke spotřebě kyslíku (O₂) a tvorbě oxidu uhličitého (CO₂).

 

Zdroje acetyl-CoA

Odkud se acetyl-CoA bere? Jeho hlavní zdroje jsou v zásadě tři:

• Prvním zdrojem je glukóza, která se procesem glykolýzy (za zisku malého množství ATP) přemění na pyruvát a ten se nevratnou reakcí přemění na acetyl-CoA.

• Druhým zdrojem acetyl-CoA jsou mastné kyseliny, které se zpracovávají tzv. beta-oxidací.

• Třetím zdrojem acetyl-CoA jsou některé aminokyseliny (viz degradace aminokyselin). Z hlediska zisku energie to však není až tak významný zdroj.

Z toho plyne, že buňky našeho organizmu potřebují neustálý přísun glukózy nebo mastných kyselin, aby z nich mohly vyrábět acetyl-CoA a z něj pak vytvářet ATP. Jsou zde ovšem tři problémy. Za prvé: Aktivní přísun glukózy v potravě je nárazový. Za druhé: Acetylkoenzym A je nevyužitelný pro tvorbu glukózy. Za třetí: Mastné kyseliny jsou nevyužitelné pro mozkovou tkáň. Energetický metabolismus těla pak vychází z řešení těchto tří problémů.

Schéma - shrnutí výše uvedeného, tj. základní procesy vedoucí ke vzniku energie v buňce kromě ketogeneze (nejde o mozkovou buňku, protože ta nedokáže využít mastné kyseliny)

 

Problém číslo 1: Aktivní přísun glukózy je nárazový.

Glukózu přijímáme v potravě, velmi dobře se vstřebává a dostává do organizmu, kde je využívána. V tomto „období hojnosti“ je zároveň v játrech a svalech vytvářena zásobní forma glukózy známá jako glykogen. Jakmile je glukóza z potravy vyčerpána, začne být získávána glukóza rozkladem glykogenu (glykogenolýza). Jenže tento zdroj nevydrží dlouho, a proto musí být glukóza aktivně vyráběna (glukoneogeneze). Graf, který toto zobrazuje, najdete níže.

Původ glukózy jako zdroje energie po jídle a při hladovění.

 

Problém číslo 2: Acetylkoenzym A je nevyužitelný pro tvorbu glukózy

Tento problém nevyřešíme. Přeměna pyruvát na acetyl-CoA je jednosměrná a nevratná. Acetyl-CoA může vstoupit do citrátového cyklu a být zdrojem energie, ale neexistuje způsob, jak ho přeměnit na glukózu. Z tohoto problému vyplývá, že mastné kyseliny sice jsou velkým zdrojem energie v podobě acetyl-CoA, ale nemohou být přeměněny na molekuly glukózy.

 

Problém číslo 3: Mastné kyseliny jsou nevyužitelné pro mozkovou tkáň.

Toto je dosti zásadní problém. Mozek neumí využít mastné kyseliny, které do něj neprojdou přes hematoencefalickou bariéru. Mozek potřebuje glukózu, kteá do něj snadno proniká. Jenže glukoneogeneze nemusí při dlouhodobém hladovění stačit a z mastných kyselin glukózu nevyrobíme. Jak tento problém vyřešit? Pomocí ketolátek. V játrech se z acetyl-CoA začnou tvořit ketolátky (ketogeneze) a ty se mohou dostat do mozku, kde se přemění zpět na acetyl-CoA a ten se klasicky využije pro tvorbu energie. Takže graf zisku energie při hladovění vypadá o něco složitěji a podívat se na něj můžete níže.

Předchozí obrázek o trochu složitější - zahrnuje nejen glukózu, ale i mastné kyseliny a ketolátky.  

 

Hormonální řízení

Řízení energetického metabolismu organizmu je velice složité a více si o něm můžete přečíst u jednotlivých výše zmíněných metabolických procesů. Pro zjednodušení bych uvedl, že proti sobě stojí v zásadě dva systémy. První představuje inzulin, který má spíše tendenci vést k ukládání energie. Druhou skupinu představují glukagon a katecholaminy, které mají spíše tendenci uloženou energii využít. Klinický význam má fakt, že některé tkáně nezbytně potřebují inzulin, aby se do jejich buněk mohla glukóza dostat. Jde o příčně pruhovanou svalovinu a tukovou tkáň, které jsou vybavené GLUT 4 inzulin-dependentními receptory.

Kromě zmíněných dvou skupin se do energetického metabolismu dosti složitě a komplexně zapojují hormony štítné žlázy a méně známé hormony produkované tukovou tkání, jako jsou leptin, adiponektin, rezistin a další.

 

Zajímavosti a doplňky

• Z výše uvedeného vyplývá, že buňky k efektivní tvorbě energie potřebují acetyl-CoA, kyslík a mitochondrie. Z toho důvodu mají se ziskem energie problém například kosterní svaly při výrazné námaze (dochází O₂) a erytrocyty (nemají mitochondrie). V obou případech je to řešeno anaerobní glykolýzou, která ovšem vyrábí pouze malé množství ATP a navíc při ni vzniká laktát.

• Laktát vznikající v pracujících svalech způsobuje únavu, je ale postupně odstraňován a v játrech může být využit ke glukoneogenezi. Tomu se říká Coriho cyklus.

• Kyanid velice efektivně zablokuje dýchací řetězec (přesněji řečeno zablokuje přenos elektronů na molekulu kyslíku). Buňky v organizmu tak náhle ztratí schopnost vytvářet si energii a to vede k rychlé ztrátě vědomí a ke smrti.