Metabolismus označuje všechny chemické reakce, které probíhají v organismu a kterými se rozkládají složité molekuly za účelem získání energie a kterými se energie využívá k tvorbě složitých molekul. Příkladem metabolické reakce je reakce, která probíhá, když člověk sní lžíci cukru. Po vstupu do těla se molekuly cukru rozkládají na jednodušší molekuly, přičemž se uvolňuje energie. Tělo pak tuto energii využívá k různým účelům, například k udržování tělesného tepla a výstavbě nových molekul v těle.
Všechny metabolické reakce lze rozdělit do jedné ze dvou obecných kategorií: katabolické a anabolické reakce. Katabolismus je proces, při kterém se velké molekuly rozkládají na menší s uvolněním energie. Anabolismus je proces, při kterém se energie využívá k tvorbě složitých molekul, které tělo potřebuje ke svému udržení a rozvoji.
Proces trávení
Jedním ze způsobů, jak pochopit proces metabolismu, je sledovat cestu typické živiny při jejím průchodu tělem. Živina je jakákoli látka, která pomáhá organismu zůstat naživu, zůstat zdravý a růst. Tři velké kategorie živin jsou sacharidy, bílkoviny a tuky.
Slova, která je třeba znát
Anabolismus: Anabolizmus: proces, při kterém se energie využívá ke stavbě složitých molekul.
ATP (adenosintrifosfát): Molekula, kterou buňky používají k ukládání energie.
Sacharid: Sloučenina složená z uhlíku, vodíku a kyslíku, která se nachází v rostlinách a kterou lidé a další živočichové používají jako potravu.
Katabolismus: Proces, při kterém se velké molekuly rozkládají na menší, přičemž se uvolňuje energie.
Chemická vazba: Přitažlivá síla mezi dvěma atomy.
Enzym: Chemické sloučeniny, které působí jako katalyzátory a zvyšují rychlost reakcí probíhajících v živém organismu.
Metabolický pool: Složka, která je součástí metabolismu: Celkový objem jednoduchých molekul, které vznikají rozkladem živin.
Živina: Látka, která pomáhá organismu zůstat naživu, zůstat zdravý a růst.
Bílkoviny: Velké molekuly, které jsou nezbytné pro strukturu a fungování všech živých buněk.
Předpokládejme například, že člověk právě snědl kus chleba. Důležitou živinou v tomto chlebu je škrob, složitý sacharid. Jakmile se chléb dostane do úst člověka, začne probíhat trávení. Enzymy v ústech začnou rozkládat molekuly škrobu a přeměňovat je na menší molekuly jednodušších látek: cukrů. Tento proces lze snadno pozorovat, protože každý, kdo drží kousek chleba v ústech po určitou dobu, začne rozeznávat sladkou chuť, chuť cukru vzniklého rozkladem škrobu.
Trávení je nezbytným prvním krokem pro všechny potraviny. Molekuly, z nichž se potraviny skládají, jsou příliš velké na to, aby prošly sliznicí trávicí soustavy. Výsledkem trávení je tvorba menších molekul, které jsou schopny projít touto výstelkou a dostat se do krevního oběhu člověka. Molekuly cukru vzniklé trávením škrobu se dostávají do krevního oběhu. Poté jsou přenášeny do jednotlivých buněk v celém těle člověka.
Menší molekuly, na které se rozkládají živiny, tvoří metabolický fond. Metabolický pool tvoří jednodušší látky vzniklé rozkladem živin. Zahrnuje jednoduché cukry (vznikající rozkladem složitých sacharidů), glycerol a mastné kyseliny (vznikající rozkladem lipidů) a aminokyseliny (vznikající rozkladem bílkovin). Buňky používají látky z metabolického fondu jako stavební materiál, podobně jako tesař používá dřevo, hřebíky, lepidlo, skoby a další materiály pro stavbu domu. Rozdíl je ovšem v tom, že buňky z materiálů, s nimiž musí pracovat, staví části těla, nikoli domy.
)
Buněčný metabolismus
Látky, které tvoří metabolický fond, jsou do jednotlivých buněk dopravovány krevním oběhem. Procházejí buněčnými membránami a dostávají se do nitra buňky. Po vstupu do buňky prochází látka dalším metabolismem, obvykle v řadě chemických reakcí. Například molekula cukru se uvnitř buňky rozkládá na oxid uhličitý a vodu, přičemž se uvolňuje energie. Tento proces však neprobíhá v jediném kroku. Místo toho je zapotřebí asi dvou desítek samostatných chemických reakcí, aby se molekula cukru přeměnila na konečné produkty. Každá chemická reakce zahrnuje relativně malou změnu v molekule cukru, například odstranění jednoho atomu kyslíku nebo jednoho atomu vodíku.
Účelem těchto reakcí je uvolnit energii uloženou v molekule cukru. Abychom mohli tento proces vysvětlit, musíme vědět, že molekula cukru se skládá z atomů uhlíku, vodíku a kyslíku držených pohromadě pomocí chemických vazeb. Chemická vazba je přitažlivá síla mezi dvěma atomy. Tato přitažlivá síla je formou energie. Molekulu cukru se dvěma tucty chemických vazeb si lze představit jako molekulu obsahující dva tucty malých jednotek energie. Při každém porušení chemické vazby se uvolní jedna jednotka energie.
Buňky si vyvinuly pozoruhodné metody, jak zachycovat a uchovávat energii uvolněnou při katabolických reakcích. Tyto metody využívají velmi speciální chemické sloučeniny, známé jako nosiče energie. Příkladem takových sloučenin je adenosintrifosfát, obecně známý jako ATP. ATP vzniká spojením jednodušší sloučeniny, adenosindifosfátu (ADP), s fosfátovou skupinou. Tuto změnu představuje následující rovnice:
ADP + P → ATP
ADP se spojí s fosfátovou skupinou, jak je znázorněno na obrázku, pouze tehdy, je-li mu přidána energie. V buňkách tato energie pochází z katabolismu sloučenin v metabolickém fondu, jako jsou cukry, glycerol a mastné kyseliny. Jinými slovy:
katabolismus: cukr → oxid uhličitý + voda + energie;
energie z katabolismu + ADP + P → ATP
Takto vzniklá molekula ATP tedy převzala energii dříve uloženou v molekule cukru. Kdykoli buňka potřebuje energii pro nějaký proces, může ji získat z molekuly ATP.
Uvnitř buněk probíhá také opačný proces, než je uveden výše. To znamená, že energie z molekuly ATP může být použita ke spojení jednodušších molekul na složitější molekuly. Předpokládejme například, že buňka potřebuje opravit trhlinu ve své buněčné stěně. K tomu bude potřebovat vyrobit nové molekuly bílkovin. Tyto bílkovinné molekuly lze vyrobit z aminokyselin v metabolickém fondu. Molekula bílkoviny se skládá ze stovek nebo tisíců navzájem spojených molekul aminokyselin:
Aminokyselina 1 + aminokyselina 2 + aminokyselina 3 + (a tak dále) → protein
Energie potřebná k vytvoření všech nových chemických vazeb nutných k udržení jednotek aminokyselin pohromadě pochází z molekul ATP. Jinými slovy:
energie z ATP + mnoho aminokyselin → molekula bílkoviny
Reakce, kterými je sloučenina metabolizována, se u různých živin liší. Mohou se zapojit i jiné nosiče energie než ATP. Například sloučenina známá jako nikotinamidadenindinukleotidfosfát (NADPH) se také podílí na katabolismu a anabolismu různých látek. Výše uvedená obecná osnova však platí pro všechny metabolické reakce.