Metabolismus – látková přeměna – je jedním ze základních procesů v živé hmotě. Zahrnuje všechny chemické děje probíhající v organismu. Skládá se z množství intermediárních vzájemně koordinovaných dějů, časově na sobě závislých.
Metabolické pochody se obecně dělí na tři typy:
- Anabolické děje, kdy se z jednoduchých vstřebaných látek syntetizují látky složitější (tzv. asimilace). Živá hmota se obnovuje a syntetizuje de novo, vytvářejí se energetické zásoby (pro mechanickou práci, transport přes membránu atd.) a vytvářejí se látky potřebné k řízení (hormony, mediátory, enzymy). Pro anabolické děje je potřeba energie (endergonické reakce), která vzniká při katabolických pochodech.
- Katabolické – rozkladné děje. Část vstřebaných látek se štěpí na jednodušší (tzv. disimilace) za uvolňování energie (exergonické reakce). Patří sem například hydrolýza.
- Amfibolické – představují „křižovatku“, na níž se katabolické a anabolické děje scházejí (např. cyklus kyseliny citronové – Krebsův cyklus).
5.1 Energetický metabolismus
Energetický metabolismus je metabolismus, ve kterém z chemické energie živin vzniká „biologická“ energie (makroergní fosfátové vazby v ATP a kreatinfosfátu), využitelná v organismu.
Zjednodušeně lze říci, že živiny procházejí třemi fázemi chemického zpracování:
- Potravou přijaté živiny se trávením ve střevě přemění hydrolytickými reakcemi na jednoduché vstřebatelné složky: jednoduché cukry, aminokyseliny, glycerol a mastné kyseliny.
- Po vstřebání (především do jater) probíhá v cytoplazmě buněk další degradace. Z glukózy vzniká pyruvát a z mastných kyselin a aminokyselin kyselina acetoctová. Nejsnáze a nejrychleji probíhají chemické reakce vycházející z přeměny glukózy.
- V mitochondriích buněk jsou pyruvát a kyselina acetoctová dále odbourávány na společný meziprodukt – acetylkoenzym A (Acetyl-CoA), který vstupuje do cyklu kyseliny citronové a dýchacího řetězce. V nich nastává úplná oxidace za vzniku energie, která je využita k syntéze adenozintrifosfátu (ATP) a konečných produktů (vody a oxidu uhličitého). Jedná se o sloučeninu obsahující vysoce energetické (makroergní) fosfátové vazby. Tyto vazby se snadno štěpí a energii uvolňují. Jestliže je jedna fosfátová vazba rozštěpena, přemění se adenozintrifosfát (ATP) na adenozindifosfát (ADP).
K tvorbě ATP je potřebný přísun kyslíku. V jeho nepřítomnosti (v anaerobních podmínkách) sice probíhá tvorba ATP také, ale jiným způsobem a pouze omezenou dobu.Tentokrát jsou zdrojem energie pouze cukry: Glukóza se v cytoplazmě buněk opět metabolizuje na pyruvát, ale pak se přeměňuje na kyselinu mléčnou (laktát). Tento mechanismus vzniku ATP je sice rychlejší, ale energeticky nevýhodnější: ze stejného množství substrátu vzniká menší množství využitelné energie.
Kyselinu mléčnou částečně využívají některé tkáně jako zdroj energie (srdce, svaly). Játra ji dokážou (za přítomnosti kyslíku) zpět přeměňovat na cukr, ale její hromadění v organismu posunuje pH tělesných tekutin na kyselou stranu a způsobuje svalovou únavu a bolest.
| Poznámka: Jestliže je snížený přísun kyslíku do tkáně, hromadí se ADP a další katabolity (draslík, CO2, laktát), a jejich vazodilatační efekt umožní zvýšit prokrvení. |
ATP je bezprostředním zdrojem energie, ale množství ATP ve svalu by vystačilo i u trénovaného atleta při maximální zátěži sotva na tři vteřiny. Proto musí být ATP v metabolismu vytvářeno neustále. Makroergní vazby ATP může snadno rekonstruovat kreatinfosfát, který také obsahuje makroergní vazbu, při jejímž rozštěpení na kreatin a fosfátový iont se uvolní dokonce větší množství energie než při rozštěpení vazby ATP. Celá reakce trvá zlomek sekundy, a protože ve svalu je kreatinfosfátu poměrně velké množství (asi pětkrát víc než ATP), může kreatinfosfát sloužit jako zásoba energie.
Dalšími zásobami energie pro buňku jsou glukóza a glykogen; méně pohotovými zdroji jsou mastné kyseliny a jako poslední, nejpomaleji využitelná rezerva slouží aminokyseliny.
5.2 Využití energie
Výroba a spotřeba energie nejsou stoprocentně účinné procesy a při každé přeměně se část energie ztrácí jako teplo. Proto se při zvýšení metabolismu zvyšuje teplota organismu. Během přeměny živin na ATP se v podobě tepla ztrácí 35 % energie, při dalších přeměnách dochází k dalším ztrátám. Za ideálních podmínek je v těle využito přibližně 27 % energie dodané živinami.
Jednotkami energie jsou jouly (J) a kilojouly (kJ). Další jednotky jsou kalorie (1 kalorie je množství tepla potřebné k ohřátí 1 gramu vody o 1 °C). Protože jsou příliš malé, používají se jejich tisícinásobky – kilokalorie. (Převod: 1 kJ = 0,239 kcal, 1 kcal = 4,19 kJ).
Vytvořená energie v podobě makroergních vazeb je určena pro všechny aktivní děje: na práci chemickou (funkci enzymů), mechanickou (svalové kontrakce hladkých i příčně pruhovaných svalů), na aktivní transport látek proti koncentračnímu gradientu (přes membrány buněk) atd. U člověka je nejvíce energie spotřebováno na udržování gradientů na buněčných membránách. Orgány, které spotřebují nejvíce energie jsou srdce, mozek a svaly.
Organismus využívá získanou energii pro:
- bazální metabolismus (základní přeměnu) – což je 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 a je přímo řízen hormonem štítné žlázy tyroxinem;
- trávení a vstřebávání (specificko-dynamický účinek potravy: energii potřebnou na trávení a vstřebávání živin);
- 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). 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 – aerobním metabolismem). Organismus se při tomto měření musí nacházet v bazálních podmínkách: nalačno, v klidu a v prostředí tepelně indiferentním. Hodnotu bazálního metabolismu lze také zjistit výpočtem podle Harris – Benedictovy rovnice. Výsledek závisí na pohlaví, věku, váze a výšce.