METABOLISMUS
Přeměna látek a energií
Souhrn všech procesů probíhajících v organismu s cílem získání
a zpracování energie a stavebních látek
Veškerou využitelnou energii získávají organismy z chemických vazeb v přijímané potravě
 Přesuny a transformace látek spojené s příslušnými energetickými toky
 Kvantifikace energetickými jednotkami
 Charakterizace posloupnostmi / řetězci látkových přeměn
Přeměna chemicky vázané energie látek je ve většině případech u organismů dvoustupňová
- prostředník => ATP– univerzální donor i akceptor energie vázané v chemické vazbě
=> uvolněná energie z chemických vazeb je uložena v ATP
=> energie uložená v ATP je z něj zpět uvolňována štěpením
(+) – univerzálnost; (-) - ztráty energie (v podobě tepla)
ATP nelze ukládat do zásoby -> nadbytečná energie je ukládána do nově syntetizovaných
zásobních na energii bohatých látek
Energie ATP je využívána na:
> Tvorba gradientů aktivním membránovým transportem (integrita buněk)
- nejvýznamnější antiport Na+/K+, export Ca2+
> Svalová kontrakce
> Proteosyntéza
> ….
(+ Produkce tepla – zbytková, ale i cíleně (endotermové, ale i někteří ektotermové))
Přijmutá chemická energie
(ChE)
Absorbovaná
chemická energie
Vyloučená chemická
energie (fecal)
ChE
vyloučená močí,
kůží, sekrety atd.
ChE
uložená do stavby/růstu
organismu
Provoz
cirkulace,
respirace,
peristaltika střev atd.
(Energie vnitřní práce)
Vnější práce
Teplo
Přeměna látek
Anabolické pochody – z jednodušších látek se vytváří složitější
- dominuje spotřeba energie
Katabolické pochody – ze složitějších látek se vytváří jednoduší
- dominuje tvorba energie
Anabolické i katabolické pochody jsou vzájemně propojeny, vznikají různé meziprodukty
metabolických drah => intermediární metabolity
Intermediární metabolismus
Dynamická rovnováha v přeměně látek a tvorby a výdeje energie při udržování jisté
zásoby množství látek a meziproduktů (metabolická hotovost – „pool“) zajištující celkově
plynulou přeměnu látek a zisk energie.
Intermediární metabolismus
- Schéma pro zisk energie
- Toky chemických reakcí, ale mohou
jít i opačně než je vyznačeno
- Směr toků je dle potřeby
Udržování POOLu
Anaerobní x aerobní metabolismus
- V závislosti na dostupnosti kyslíku
- Anaerobní je považována za primitivnější a má menší energetický zisk
(nižší živočichové, prostředí s nedostatkem kyslíku, někdy vázané jen
na určitá vývojová stadia, u obratlovců a hlavonožců jen krátkodobě
trvalý x dočasný anaerobní metabolismus)
- Aerobní, energeticky výhodnější
Intermediární metabolismus sacharidů
Nejběžnější sacharid – monosacharid glukósa (přítomná i v tělních tekutinách)
Glukósa <=> glykogen (zásobní polysacharid, játra 2-8%, kosterní svaly 0,5-2% hmotnosti)
glykogen
Glykogenosyntéza
(tvorba glykogenu)
Glukoneogeneze
(tvorba glukósy z nesacharidových zdrojů)
Glykémi => hypo- x hyperglykémie
(hladina krevní glukósy)
GLYKOLÝSA
(Embden-Meyerhofova dráha)
 substrát glukósa
 produkt pyruvát (~> laktát)
(laktát inhibuje glykolýzu) + 2x ATP
 nespotřebovává se kyslík
=> anaerobní proces
neprodukuje se CO2
1x glukósa + 2x ATP => 2x pyruvát (laktát) + 4x ATP + 2x NADH + 2x H+ (-2x NADH + 2x H+)
Glykolýsa (+ glykogenolýsa) a dýchací řetězec
(oxidativní fosforylace v mitochondriích)
Produkce na 1x pyruvát (1/2 glukósy)
 1x NADH + 1x CO2
1x Acetyl-CoA
 3x NADH + 1x FADH2
 1x ATP + 2x CO2
Krebsův (citrátový) cyklus
 Krebs. cyklus => dostatek NADH a FADH
pro tvorbu protonového gradientu
v mitochondriích jako pohonu ATPsyntetás
Coriho cyklus
Cyklus utilizace laktátu a glukósy
Pentózový cyklus
- Alternativní cesta glukózy
- Produkce ribóz
(základ nukleotidů)
- Produkce NADPH
(kofaktory redukčních pochodů)
Intermediální metabolismus lipidů
Lipémie – lipidy v membránách buněk a v mezibuněčném prostoru
Přijmuté lipidy jsou:
 Komplexně oxidovány v tkáních za uvolnění energie
 Ukládají se jako neutrální triacylglyceroly (tuk) v buňkách tukové tkáně
(také tuky z nadbytku sacharidů)
 V podobě fosfolipidů včleňovány do buněčných membrán
Lipidy jako substrát pro energetický metabolismus
triglyceridy
glycerol mastné kyseliny
glykolýza
b-oxidace
b-oxidace probíhá v mitochondriích,
vazba na děje elektornového transportu
na mitochondriální membráně
Opačným procesem vznikají mastné
kyseliny, které jsou esterifikovány
s glycerolem na lipidy (v játrech,
v tukové tkáni, střevě, plicích..)
Ketóza, ketolátky – kyselina acetooctová, aceton, kyselina hydroxymáselná (3-hydroxybutyrát)
Není-li dostatek cukrů je inhibován Krebsův cyklu (odčerpáváním oxaloacetátu na syntézu glukósy),
dvouuhlíkaté zbytky nejsou odčerpávány Krebs. cyklem (AcetylCoA) a tvoří ketolátky.
Vylučují se močí.
Cholesterol – prekurzor mnoha biologicky aktivních látek, zejména steroidních hormonů
 Syntéza v játrech, v sliznici tenkého střeva (v lumen bakteriemi na koprostanol), v nadledvinkách
(kortikoidy) , v ledvinách, v pohlavních a mléčných žlázách (steroidní hormony)
- vesměs orgány s produkcí steroidních látek.
 Přijímaný v potravě je
metabolizován zejména v játrech,
měněn na žlučové kyseliny
 Nedostatečný příjem zvyšuje
endogenní syntézu
Lipidy jsou obecně špatně rozpustné ve vodě, většina jich je nepolární, je potřeba přeměnit
na polární struktury. Využití proteinů a organizace molekul lipidů dle polarity => lipoproteiny
5 tříd lipoproteinů : chylomikrony, very low density lipoprotein (VLDL), intermediate DL (IDL),
Low DL (LDL), high DL (HDL).
Transport lipidů a cholesterolu - souhrn
LDL – cholesterol z jater do tkání HDL – cholesterol z tkání do jater
Intermediální metabolismus proteinů/bílkovin
Proteiny – regulační (enzymy, transkripční faktory, kofaktory, receptory, ligandy,...),
strukturní (cytoskelet,..)…
Proteiny  peptidy  aminokyseliny
Aminokyseliny
 Stavební kameny pro syntézu nových proteinů a peptidů
 Vstupují do mnohých metabolických dějů
 Katabolizují se za vzniku energie (nejvíce vstupem do Krebsova cyklu)
 Jsou prekurzory mnohých významných molekul
(hormony – katecholaminy, neurotransmitery..)
 …
(noradrenalin -> adrenalin)
Aminokyseliny v energetickém metabolismu
Amoniak (NH4
+ ) problematický produkt metabolismu aminokyselin
Utilizuje se
 Přeměnou na močovinu v ornitinovém cyklu (ureotelní živočichové - savci
 Přeměnou na kyselinu močovou (urikotelní živočichové – plazi, ptáci)
 Je ředěn v nadbytku vody (amonotelní živočichové - ryby)
 Alternativně - syntéza glutaminu z glutamátu, glukozový-alaninový cyklus
Ornitinový cyklus
mitochondrie
cytosol
2 glutamic acid + 2 formic acid + CO2 + aspartic acid + glycine + 6 ATP→
→ inosine + 2 glutamic acid + fumaric acid + 5 ADP + AMP + 5Pi + PPi
Syntéza
kyseliny močové
Přěměna kyseliny močové na močovinu
- kyselina močová je antioxidant
Regulace metabolismu
- Na úrovni organismu, orgánů a tkání – centrálně – hypotalamo-hypofyzární
neuroendokrinní systém, endokrinní žlázy a vegetativní nervstvo
- Na tkáňové a buněčné úrovni – endokrinní, parakrinní a autokrinní regulace
(mezi regulací na orgánové, tkáňové a buněčné úrovni nejsou vždy striktní hranice/rozdíly)
- Na nitrobuněnčné úrovni – nabídka produktů a substrátů, hladina látkové hotovosti,
hladiny ADP/ATP, ....
Energetický ekvivalent
Vychází z množství uvolněné energie při spotřebě 1L kyslíku (O2)
Q (energie v „J“) = C (termický koeficient O2) x VO2 (objem kyslíku v litrech)
sacharidy ~ 21 kJ; lipidy ~ 19 kJ; proteiny ~ 18 kJ, průměrně kolem 20,1 kJ / litr O2
Složení spalovaných živin lze dobře odhadnout pomocí tzv.
respiračního kvocientu (RQ); RQ = vydaný CO2 / spotřebovaný O2
RQ pro sacharidy ~ 1; lipidy až ~ 0,7; proteiny ~ 0,8 (potřeba zjistit uvolněný N2, 1g N2 ~ 6,25 protein)
RQ (sacharidy) = 1
V sacharidech je mezi O a H stejný poměr jako ve vodě:
C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H20
1:2
RQ (lipidy) ≥ 0,7
V lipidech je poměr mezi O a H nižší než ve vodě
2 C51H96O6 + 145 O2 = 102 CO2 + 98 H2O
1:16
SPALNÉ TEPLO – množství energie uvolněné po kompletním spálení dané živiny
(vázaná energie v dané živině)
Fyzikální spalné teplo: sacharidy ~17 kJ, lipidy ~38 kJ, proteiny ~23 kJ
Fyziologické spalné teplo: sacharidy a lipidy podobně jak fyzikální, proteiny ~16,7 kJ
Přímá kalorimetrie – množství uvolňovaného tepla
Nepřímá kalorimetrie – množství spotřebovaného kyslíku
(organismy závislé na aerobních podmínkách)
Klidový metabolismus – celková intenzita metabolismu ve stacionárním stavu
- Podíl jednotlivých orgánů se různí, nejvíce srdce, ledviny, játra, mozek,
celkově ale kosterní svalovina
Bazální metabolismu (homoiotermní endotermové)
- V tělesném klidu (stacionární stav), v zóně termoneutrality, na lačno.
METABOLISMUS A VELIKOST TĚLA (hmotnost, povrch)
(vhodně měřeno jako spotřeba kyslíku)
„mnohobuněční mají asi 10x větší intenzitu metabolismu jak stejně velcí jednobuněční“
jednobuněční (1m, pro krychli)
povrch – 6m2 ( 6 x 1 x 1)
mnohobuněční (1m, pro krychli, 1000 buněk)
povrch – 60m2 (1000 x (6 x 0,1 x 0,1))
=> ~ 10x (9,8x) vetší metabolismus
Celkově je intenzita metabolizmu lineárně
úměrná velikosti organismu
relativně, však menší organismy mají
intenzitu metabolismu vyšší.
Pro konstitutivně endotermní organismy jsou ~1.5 - 2g
pravděpodobně mezní hmotností pro zachování
homeostáze (netopýrek thajský, bělozubka nejmenší
a kolibřík (Mellisuga helenae)).
Změny v intenzitě metabolismu
a) Celková intenzita metabolismu roste
s rostoucí hmotností
b) Relativní intenzita metabolismu (kJ/kg)
klesá s rostoucí hmotností
c) Relativní intenzita metabolismu na
plochu povrchu těla(kJ/m2)
je konstatní i s rostoucí hmotností
REGULACE INTENZITY METABOLISMU
1) Teplota okolí
2) Specificko-dynamický účinek potravy (SDÚ)
- intenzita trávicích pochodů – spotřeba energie pro syntézy, přeměny,…
- nejvíce při příjmu a metabolismu (ornithinový cyklus) proteinů
3) Fyziologické a patofyziologické faktory
- Změny v průběhu ontogeneze, hladovění, gravidita, laktace,…
4) Svalová práce
- savci mají schopnost zvýšit metabolismus (spotřeba O2 při maximální
aktivitě oproti spotřebě O2 pro bazální metabolismus)
< 4 kg, ~ 8.3x; větší savci (pes, člověk, kůň) ~ 11.5x
- ektotermové mají schopnost zvýšit metabolismus
5 – 10x
Intenzita metabolismu u ropuchy Bufo boreas
v klidu a v průběhu aktivity v závislosti na její velikosti