METABOLICKÁ ENERGIE: TYPY, ZDROJE A TRANSFORMACE - BIOLOGIE - 2025

Metabolické energie je energie, která všechny živé bytosti získané z chemické energie obsažené v potravě (nebo živin). Tato energie je v podstatě stejná pro všechny buňky; způsob, jak jej získat, je však velmi rozmanitý.

Jídlo se skládá z řady biomolekul různých typů, které mají ve svých vazbách uloženou chemickou energii. Tímto způsobem mohou organismy využít energii uloženou v potravě a poté ji využít v jiných metabolických procesech.

Všechny živé organismy potřebují energii, aby rostly a množily se, udržovaly své struktury a reagovaly na životní prostředí. Metabolismus zahrnuje chemické procesy, které udržují život a které umožňují organismům transformovat chemickou energii na užitečnou energii pro buňky.

U zvířat metabolismus rozkládá uhlohydráty, lipidy, proteiny a nukleové kyseliny, čímž poskytuje chemickou energii. Rostliny zase přeměňují světelnou energii ze slunce na chemickou energii, aby syntetizovaly jiné molekuly; dělají to během procesu fotosyntézy.

Druhy metabolických reakcí

Metabolismus zahrnuje několik typů reakcí, které lze rozdělit do dvou širokých kategorií: degradační reakce organických molekul a syntézní reakce jiných biomolekul.

Metabolické degradační reakce představují buněčný katabolismus (nebo katabolické reakce). Jedná se o oxidaci energeticky bohatých molekul, jako je glukóza a další cukry (uhlohydráty). Protože tyto reakce uvolňují energii, nazývají se exergonické.

Naopak syntézní reakce tvoří buněčný anabolismus (nebo anabolické reakce). Tyto provádějí procesy redukce molekul za vzniku dalších bohatých na uloženou energii, jako je glykogen. Protože tyto reakce spotřebovávají energii, nazývají se endergonické.

Zdroje metabolické energie

Hlavními zdroji metabolické energie jsou glukózové molekuly a mastné kyseliny. Ty tvoří skupinu biomolekul, které mohou být rychle oxidovány na energii.

Molekuly glukózy pocházejí většinou z uhlohydrátů požívaných ve stravě, jako je rýže, chléb, těstoviny, mimo jiné deriváty zeleniny bohaté na škrob. Pokud je v krvi málo glukózy, lze ji získat také z glykogenových molekul uložených v játrech.

Během dlouhodobého půstu nebo při procesech, které vyžadují další výdaje na energii, je nutné získat tuto energii z mastných kyselin, které jsou mobilizovány z tukové tkáně.

Tyto mastné kyseliny procházejí řadou metabolických reakcí, které je aktivují, a umožňují jejich transport do nitra mitochondrií, kde budou oxidovány. Tento proces se nazývá β-oxidace mastných kyselin a za těchto podmínek poskytuje až 80% další energie.

Proteiny a tuky jsou poslední rezervou pro syntézu nových molekul glukózy, zejména v případech extrémního půstu. Tato reakce je anabolického typu a je známá jako glukoneogeneze.

Proces přeměny chemické energie na metabolickou energii

Složité potravinové molekuly, jako jsou cukry, tuky a bílkoviny, jsou bohatými zdroji energie pro buňky, protože velká část energie použité k jejich výrobě je doslova uložena v chemických vazbách, které je drží pohromadě.

Vědci mohou měřit množství energie uložené v potravě pomocí zařízení zvaného kalorimetr bomby. S touto technikou je jídlo umístěno uvnitř kalorimetru a zahříváno, dokud nespálí. Přebytečné teplo uvolňované reakcí je přímo úměrné množství energie obsažené v potravě.

Skutečností je, že buňky nefungují jako kalorimetry. Místo spalování energie v jedné velké reakci uvolňují buňky energii uloženou v jejich molekulách potravy pomalu prostřednictvím řady oxidačních reakcí.

Oxidace

Oxidace popisuje typ chemické reakce, při které jsou elektrony přenášeny z jedné molekuly na druhou a mění složení a energetický obsah donorových a akceptorových molekul. Molekuly v potravě fungují jako dárci elektronů.

Během každé oxidační reakce, která se podílí na rozkladu potravin, má produkt reakce nižší energetický obsah než donorová molekula, která mu předcházela na cestě.

Současně molekuly akceptoru elektronů zachycují část energie, která se ztratí z molekuly jídla během každé oxidační reakce, a ukládají ji pro pozdější použití.

Nakonec, když jsou atomy uhlíku v komplexní organické molekule úplně oxidovány (na konci reakčního řetězce), uvolňují se jako oxid uhličitý.

Buňky nevyužívají energii z oxidačních reakcí, jakmile je uvolněna. Stává se, že ji převádějí na malé, energeticky bohaté molekuly, jako ATP a NADH, které lze použít v celé buňce k posílení metabolismu a vytváření nových buněčných komponent.

Pohotovostní režim

Když je energie hojná, eukaryotické buňky vytvářejí větší molekuly bohaté na energii, aby tuto nadbytečnou energii uložily.

Výsledné cukry a tuky jsou uloženy v depozitech uvnitř buněk, z nichž některé jsou dostatečně velké, aby byly viditelné na elektronových mikrofotografie.

Živočišné buňky mohou také syntetizovat rozvětvené polymery glukózy (glykogenu), které se zase agregují do částic, které lze pozorovat elektronovou mikroskopií. Buňka může rychle mobilizovat tyto částice, kdykoli to potřebuje rychlou energii.

Za normálních okolností však lidé ukládají dostatek glykogenu, aby poskytli denní energii. Rostlinné buňky neprodukují glykogen, ale místo toho vyrábějí různé glukózové polymery známé jako škroby, které jsou uloženy v granulích.

Rostlinné i živočišné buňky navíc šetří energii tím, že odvádějí glukózu do cest syntézy tuků. Jeden gram tuku obsahuje téměř šestkrát energii stejného množství glykogenu, ale energie z tuku je méně dostupná než energie z glykogenu.

Přesto je každý mechanismus ukládání důležitý, protože buňky potřebují krátkodobé i dlouhodobé skladování energie.

Tuky jsou uloženy v kapičkách v cytoplazmě buněk. Lidé obvykle ukládají dostatek tuku, aby své buňky napájeli několik týdnů.

Reference

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Molekulární biologie buňky (6. vydání). Věnec věnec.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biochemistry (8. ed.). WH Freeman and Company
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biology (2nd ed.) Pearson Education.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molecular Cell Biology (8. ed.). WH Freeman and Company.
5. Purves, W., Sadava, D., Orians, G. & Heller, H. (2004). Život: věda o biologii (7. vydání). Sinauer Associates a WH Freeman.
6. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biologie (7. vydání) Cengage Learning.
7. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Základy biochemie: Život na molekulární úrovni (5. vydání). Wiley.