METABOLICKÁ ENERGIA: TYPY, ZDROJE A TRANSFORMÁCIA - BIOLÓGIE - 2025

Metabolické energia je energia, ktorá všetky živé bytosti získanej z chemickej energie obsiahnutej v potrave (alebo živín). Táto energia je v podstate rovnaká pre všetky bunky; spôsob, ako to dosiahnuť, je však veľmi rozmanitý.

Potraviny sa skladajú zo série biomolekúl rôznych typov, ktoré majú chemickú energiu uloženú vo svojich väzbách. Týmto spôsobom môžu organizmy využiť energiu uloženú v potravinách a potom ju využiť v iných metabolických procesoch.

Všetky živé organizmy potrebujú energiu na rast a množenie, udržiavanie svojich štruktúr a reakciu na životné prostredie. Metabolizmus zahŕňa chemické procesy, ktoré udržujú život a ktoré organizmom umožňujú transformovať chemickú energiu na využiteľnú energiu pre bunky.

U zvierat metabolizmus štiepi uhľohydráty, lipidy, proteíny a nukleové kyseliny, aby poskytol chemickú energiu. Rastliny naopak premieňajú svetelnú energiu zo Slnka na chemickú energiu, aby syntetizovali ďalšie molekuly; robia to počas procesu fotosyntézy.

Druhy metabolických reakcií

Metabolizmus zahŕňa niekoľko typov reakcií, ktoré možno rozdeliť do dvoch širokých kategórií: degradačné reakcie organických molekúl a syntézne reakcie iných biomolekúl.

Reakcie metabolického rozkladu predstavujú bunkový katabolizmus (alebo katabolické reakcie). Patria sem oxidácia molekúl bohatých na energiu, ako je glukóza a ďalšie cukry (uhľohydráty). Pretože tieto reakcie uvoľňujú energiu, nazývajú sa exergonické.

Naopak, syntézne reakcie tvoria bunkový anabolizmus (alebo anabolické reakcie). Tieto uskutočňujú procesy redukcie molekúl za vzniku ďalších bohatých na uloženú energiu, ako je napríklad glykogén. Pretože tieto reakcie spotrebúvajú energiu, nazývajú sa endergonické.

Zdroje metabolickej energie

Hlavnými zdrojmi metabolickej energie sú glukózové molekuly a mastné kyseliny. Tieto tvoria skupinu biomolekúl, ktoré môžu byť rýchlo oxidované na energiu.

Molekuly glukózy pochádzajú väčšinou z uhľohydrátov konzumovaných v potrave, ako je ryža, chlieb, cestoviny, okrem iných derivátov zeleniny bohatej na škrob. Ak je v krvi málo glukózy, môže sa získať aj z glykogénových molekúl uložených v pečeni.

Počas dlhého pôstu alebo pri procesoch, ktoré vyžadujú ďalšie výdavky na energiu, je potrebné získať túto energiu z mastných kyselín, ktoré sú mobilizované z tukového tkaniva.

Tieto mastné kyseliny prechádzajú radom metabolických reakcií, ktoré ich aktivujú, a umožňujú ich transport do vnútra mitochondrií, kde budú oxidované. Tento proces sa nazýva β-oxidácia mastných kyselín a za týchto podmienok poskytuje až 80% dodatočnej energie.

Bielkoviny a tuky sú poslednou rezervou na syntézu nových molekúl glukózy, najmä v prípade extrémneho pôstu. Táto reakcia je anabolického typu a je známa ako glukoneogenéza.

Proces premeny chemickej energie na metabolickú energiu

Komplexné molekuly potravín, ako sú cukry, tuky a bielkoviny, sú bohatými zdrojmi energie pre bunky, pretože veľká časť energie používaná na výrobu týchto molekúl je doslova uložená v rámci chemických väzieb, ktoré ich držia pohromade.

Vedci dokážu zmerať množstvo energie uložené v potrave pomocou zariadenia nazývaného kalorimeter bomby. Pri tejto technike sa jedlo umiestni do kalorimetra a zohrieva sa, kým nespáli. Nadbytočné teplo uvoľňované reakciou je priamo úmerné množstvu energie obsiahnutej v potravine.

Realita je taká, že bunky nefungujú ako kalorimetre. Namiesto spaľovania energie pri jednej veľkej reakcii bunky uvoľňujú energiu uloženú v ich molekulách potravy pomaly prostredníctvom série oxidačných reakcií.

oxidácia

Oxidácia opisuje typ chemickej reakcie, pri ktorej sa elektróny prenášajú z jednej molekuly na druhú a menia zloženie a energetický obsah donorových a akceptorových molekúl. Molekuly v potravinách pôsobia ako donory elektrónov.

Počas každej oxidačnej reakcie, ktorá sa podieľa na rozklade potravy, má produkt reakcie nižší energetický obsah ako donorová molekula, ktorá mu predchádzala na ceste.

Zároveň molekuly elektrónového akceptora zachytávajú časť energie, ktorá sa stráca z molekuly potravín počas každej oxidačnej reakcie, a ukladajú ju na ďalšie použitie.

Keď sú atómy uhlíka v komplexnej organickej molekule úplne oxidované (na konci reakčného reťazca), uvoľňujú sa ako oxid uhličitý.

Bunky nevyužívajú energiu z oxidačných reakcií ihneď po uvoľnení. Stáva sa, že ju premieňajú na malé, energeticky bohaté molekuly, ako sú ATP a NADH, ktoré sa môžu použiť v celej bunke na podporu metabolizmu a budovanie nových bunkových komponentov.

Pohotovostný režim

Keď je energia bohatá, eukaryotické bunky vytvárajú väčšie molekuly bohaté na energiu na ukladanie tejto nadbytočnej energie.

Výsledné cukry a tuky sa uchovávajú v depozitoch v bunkách, z ktorých niektoré sú dostatočne veľké, aby boli viditeľné na elektrónových mikrografoch.

Živočíšne bunky môžu tiež syntetizovať rozvetvené polyméry glukózy (glykogén), ktoré sa zase agregujú do častíc, ktoré je možné pozorovať elektrónovou mikroskopiou. Bunka môže tieto častice rýchlo mobilizovať vždy, keď potrebuje rýchlu energiu.

Za normálnych okolností však ľudia ukladajú dostatok glykogénu, aby poskytli dennú energiu. Rastlinné bunky neprodukujú glykogén, ale namiesto toho vyrábajú rôzne glukózové polyméry známe ako škroby, ktoré sú uložené v granulách.

Rastlinné a živočíšne bunky navyše šetria energiu odkloňovaním glukózy v dráhach syntézy tukov. Jeden gram tuku obsahuje takmer šesťkrát viac energie ako rovnaké množstvo glykogénu, ale energia z tuku je menej dostupná ako energia z glykogénu.

Napriek tomu je každý mechanizmus ukladania dôležitý, pretože bunky potrebujú krátkodobé aj dlhodobé ukladanie energie.

Tuky sú uložené v kvapôčkach v cytoplazme buniek. Ľudia vo všeobecnosti ukladajú dostatok tuku na to, aby mohli svoje bunky napájať niekoľko týždňov.

Referencie

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Molecular Biology of Cell (6. vydanie). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biochemistry (8. vydanie). WH Freeman and Company
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biológia (2. vydanie) Pearson Education.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molecular Celí Biology (8. vydanie). WH Freeman and Company.
5. Purves, W., Sadava, D., Orians, G. & Heller, H. (2004). Život: veda o biológii (7. vydanie). Sinauer Associates a WH Freeman.
6. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biológia (7. vydanie) Cengage Learning.
7. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Základy biochémie: Život na molekulárnej úrovni (5. vydanie). Wiley.