Buněčná energie - proč je důležitá pro výkon a kondici, díl 1.
Hlavním důvodem, proč jíme, je kromě chuťového prožitku získání energie a stavebních látek. Během metabolismu naše tělo rozkládá molekuly potravin a uvolněnou energii zachycuje v molekulách buněčné energie ATP – adenosintrifosfátu. Problémem je, pokud se produkce buněčné energie začne zpomalovat. Dochází k poklesu kondice, zhoršení výkonu a přichází únava, která může mít vážný vliv na kvalitu života. Při výrazném a dlouhodobém narušení produkce buněčné energie se pak zvyšuje riziko vzniku vážných onemocnění jako je diabetes, onemocnění srdce a cév, choroby ledvin i deprese. V našem seriálu se proto podíváme na to, co to vůbec buněčná energie je, jak funguje, a jak efektivně podpořit její tvorbu.
ATP, jednotka buněčné energie
Během fyzické aktivity dochází ke kontrakci svalů, které zajišťují pohyb. Tento proces vyžaduje energii. Pro udržení nervové činnosti spotřebovává energii také mozek. Zdrojem pro tyto i další životně důležité procesy je molekula ATP. Ta obsahuje energii uvolňovanou při hydrolýze neboli reakci s vodou. Při ní se přeruší vazba s koncovou fosfátovou skupinou (v obrázku označena červeně), ATP se přemění na ADP (adenosindifosfát) a uvolní se 7,3 kcal energie. Ta může být použita k činnosti buněk, například svalové kontrakci.
Energetické nároky se mohou značně lišit v závislosti na vykonávané aktivitě. Během velké námahy se zejména u svalů spotřeba výrazně zvyšuje. Zásoba ATP ve svalech však postačuje k výkonu intenzivní činnosti pouze po dobu jedné až dvou vteřin.
Když se ATP ve svalech vyčerpá, může být znovu syntetizována z ADP třemi způsoby:
- fosforylací pomocí kreatinfosfátu
- prostřednictvím anaerobního metabolismu
- skrze aerobní metabolismus
Kreatinfosfát
Kreatinfosfát poskytuje sekundární zásobu energie umožňující rychlou obnovu ATP z ADP. Při této reakci se fosfátová skupina (v obrázku červeně) z kreatinfosfátu přenáší na ADP a vzniká ATP, což umožňuje svalovou kontrakci po dobu dalších přibližně 10 vteřin. Jakmile jsou vyčerpány zásoby kreatinfosfátu, musí svaly pro další aktivitu získat energii prostřednictvím metabolismu ze stravy.
Zásobní zdroje energie
Ze stravy, kterou konzumujeme, tělo využívá energii okamžitě nebo vytváří zásobní zdroje především ve formě tuků a sacharidů. Součástí naší stravy jsou také bílkoviny, ty běžně využitelné zásoby nevytvářejí.
Sacharidy
Živočichové ukládají sacharidy ve formě glykogenu, polysacharidu, který se skládá z tisíců spojených jednotek glukózy. Zásoby glykogenu představují rychle dostupnou formu energie a nachází se ve svalech a játrech. Glykogen se v případě potřeby rozkládá na glukózu využitelnou jako zdroj energie za aerobních i anaerobních podmínek.
Tuky
Tuky se ukládají jako triglyceridy, molekuly obsahující glycerol spojený se třemi jednotkami mastných kyselin. Většina tukových zásob se nachází v tukové tkáni, ale malou část sloužící jako palivo pro jejich průběžné potřeby, mají i jiné orgány včetně svalů. Triglyceridy, které u průměrného jedince tvoří přibližně 84 % všech celkových zásob energie, se rozkládají na mastné kyseliny (a glycerol) a jsou dále využívány pouze v rámci aerobního metabolismu.
Bílkoviny
Přestože bílkoviny ze stravy mohou být využity jako zdroj energie, tělo za běžných okolností disponibilní zásoby této energie nemá. Za extrémních okolností jako je například prudký pokles krevního cukru, však může dojít k rozkladu kosterního svalstva. Dochází k tomu pro zajištění energie ve formě glukózy nezbytné pro činnost mozku. Neexistuje totiž metabolická cesta, která by umožňovala výrobu glukózy z tuků, ale většina aminokyselin na glukózu přeměněna být může.
Mobilizace paliva
Když svaly vyčerpají své zásoby ATP a kreatinfosfátu, dalším dostupným palivem je glukóza. A to buď z krevního cukru, nebo ze zásobního glykogenu. Aby mohla aktivita nepřerušovaně pokračovat, dochází k mobilizaci glukózy za účelem produkce ATP velmi rychle. Konečný produkt rozkladu glukózy a množství vyprodukované energie se může lišit v závislosti na tom, jestli se jedná o aerobní nebo anaerobní aktivitu.
Glykolýza
První fází odbourávání glukózy za vzniku ATP je glykolýza (z řeckých slov glykys, což znamená "sladký", a lysis, což znamená "štěpení"). Během glykolýzy prochází glukóza obsahující šest uhlíkatých sloučenin sérií přeměn, na jejímž konci je rozdělena na dvě molekuly pyruvátu (každá obsahuje tři uhlíkaté sloučeniny). Tento proces spotřebuje dvě molekuly ATP, ale nakonec vzniknou čtyři, čistý zisk jsou tedy dvě molekuly ATP.
Během glykolýzy vznikají oxidací glukózy elektrony zachycené ve dvou molekulách NADH. NADH se vytváří z vitamínu B3 a je jedním ze dvou základních přenašečů elektronů v metabolismu. Vyskytuje se v oxidované (NAD+) nebo redukované formě (NADH). Tuto molekulu si můžeme představit jako taxi pro elektrony, které přebírá z glukózy a jiných látek a následně je odváží do dalších metabolických drah.
Dvě molekuly pyruvátu vznikající během glykolýzy obsahují stále ještě velkou část původní chemické energie glukózy. Pyruvát proto může být podroben dalšímu rozkladu, aby vzniklo více ATP. Jeho osud ve svalu během cvičení však závisí na dostupnosti kyslíku.
Aerobní metabolismus: Buněčné dýchání
Pokud je ve svalech dostatek dostupného kyslíku, může pyruvát prostřednictvím procesu označovaného jako buněčné dýchání procházet úplnou oxidací, na jejímž konci zůstane oxid uhličitý a voda. Buněčné dýchání se skládá ze tří fází a probíhá v mitochondriích, což jsou pomyslné elektrárny buněk. Tato metabolická dráha využívá maximální množství energie uložené v molekule glukózy a ve spojení s glykolýzou produkuje celkem 30 molekul ATP. O první fázi, tedy glykolýze jsme již hovořili. Nyní se podívejme na druhou (Krebsův cyklus) a třetí fázi (elektronový transportní řetězec).
Krebsův cyklus
Krebsův cyklus (známý také jako citrátový cyklus) probíhá v mitochondriích a oxidací pyruvátu vytváří chemickou energii (ATP, NADH a FADH2 – další přenašeč elektronů). Pyruvát je transportován do mitochondrií, ztrácí oxid uhličitý a vzniká acetylkoenzym A (Acetyl-CoA). Ten je následně v rámci Krebsova cyklu oxidován na oxid uhličitý, přičemž vzniká chemická energie ve formě 3 molekul NADH, 1 molekuly FADH2 a 1 molekuly ATP.
Elektronový transportní řetězec
NADH a FADH2 vzniklé v rámci Krebsova cyklu předávají elektrony do elektronového transportního řetězce, závěrečné fáze buněčného dýchání. Elektronový transportní řetězec se skládá z různých bílkovin zabudovaných v mitochondriální membráně (complex I-IV) a mobilních přenašečů elektronů (ubichinon a cytochrom c). Když elektrony prochází řetězcem, vzniká energie, která je využita k přenosu vodíkových iontů (H+) z mitochondrie. Výsledkem je, že prostředí mimo mitochondrii je kyselejší a obsahuje větší koncentraci vodíkových iontů. Ty následně proudí zpět do mitochondrie přes další membránový protein, ATP syntázu, a při tom se uvolňuje energie, která je dále využita pro tvorbu ATP.
Elektronový transportní řetězec je součástí aerobního metabolismu a vyžaduje přítomnost kyslíku. Krebsův cyklus ani glykolýza kyslík přímo nevyužívají, ale pokud v rámci elektronového transportního řetězce nemůže docházet k reoxidaci NADH na NAD+, nemůže tato dráha pokračovat.
Další důležitou informací je, že ATP syntáza je největším producentem ATP v buňce. Během glykolýzy vznikají 2 molekuly ATP, v Krebsově cyklu 1 molekula ATP a v rámci elektronového transportního řetězce 27 molekul ATP.
Anaerobní metabolismus: Fermentace
Za nepřítomnosti kyslíku se v buňce hromadí NADH. Pokud nemůže dojít k jeho reoxidaci, dochází k zastavení všech drah, které vyžadují odvádění elektronů. Většina buněk však alespoň po krátkou dobu může pokračovat v glykolýze, protože mají schopnost oxidovat NADH prostřednictvím fermentace, což je alternativní cesta, která nevyžaduje kyslík.
Fermentace doplňuje glykolýzu a umožňuje produkci ATP i za nepřítomnosti kyslíku. Během glykolýzy vzniká NADH, prostřednictvím fermentace dochází k jeho oxidaci na NAD+, které se znovu může účastnit glykolýzy pro další produkci ATP. V rámci anaerobního metabolismu vzniká z pyruvátu kyselina mléčná, postrach mnoha sportovců. Produkce kyseliny mléčné je během fyzické aktivity spojena s bolestí a svalovou únavou. Kyselina mléčná omezuje délku anaerobní aktivity, protože způsobuje pokles pH, který inhibuje činnost enzymů důležitých pro glykolýzu. Proto nelze anaerobní metabolismus udržet déle než minutu nebo dvě než se glykolýza zastaví.
Kyselina mléčná produkovaná ve svalech obvykle putuje krevním řečištěm do jater, kde se během odpočinku může přeměňovat zpět na glukózu. Tento energeticky náročný recyklační proces se nazývá Coriho cyklus. Množství kyslíku, které je potřeba pro produkci ATP potřebného pro Coriho cyklus, se označuje jako kyslíkový dluh. Vyznačuje se typickým těžkým dýcháním po anaerobní aktivitě.
Pokud je k dispozici dostatek kyslíku, může kyselina mléčná kompletně oxidovat zpět na pyruvát. Právě proto může lehký výklus po náročném tréninku urychlit regeneraci. Pomůže z těla odstranit kyselinu mléčnou a sníží tak bolestivost svalů po výkonu. Při své činnosti velmi dobře dokáže využít kyselinu mléčnou i srdce, čímž pomáhá s jejím odstraněním ze svalů a krevního oběhu.
Metabolismus tuků
Průměrný člověk má v těle uloženo tolik tuku, že mu vystačí na zhruba dva měsíce bez jídla. Tuky se ukládají především v tukových buňkách (adipocytech), které uvolňují mastné kyseliny. Děje se tak v momentě, kdy dostanou hormonální signál, že buď klesla hladina krevního cukru v těle (hormon glukagon), nebo kdy tělo potřebuje energii pro boj nebo útěk (hormon adrenalin). Během cvičení trvá asi 20 minut, než se tuky z adipocytů dostanou do kosterního svalstva a srdce. Jakmile se mastné kyseliny dostanou do cílových buněk, musí se dostat do mitochondrie, aby se rozložily na energii. Transport mastných kyselin pak zajišťuje karnitinový kyvadlový systém. V mitochondriích se mastné kyseliny štěpí na dvouuhlíkaté fragmenty, které se váží na koenzym A a vzniká acetylkoenzym A. Acetylkoenzym A pak může vstoupit do Krebsova cyklu a projít kompletní oxidací. Krebsův cyklus je závislý na elektronovém transportním řetězci a oba tyto mechanismy jsou závislé na přítomnosti kyslíku. Aby tedy mohly být tuky využity jako palivo, je nezbytná přítomnost kyslíku, nemohou být metabolizovány anaerobně.
Metabolismus bílkovin
Poté, co se bílkoviny rozloží na aminokyseliny, mohou být za určitých okolností svaly nebo játry využity jako palivo. Aminokyseliny se mohou rozkládat na meziprodukty Krebsova cyklu a podobně jako tuky musí být aminokyseliny metabolizovány z aerobních podmínek. Dříve než aminokyseliny do Krebsova cyklu vstoupí, musí z nich být odstraněna aminoskupina NH3. K tomu dochází v játrech, kde je NH3 konvertována na močovinu následně odbourávánou z těla.
Závěrem
Dnes jsme si ukázali, jak dochází k produkci a obnově buněčné energie. V následujících článcích se zaměříme na možné problémy, které mohou při produkci a obnově buněčné energie nastat, i vybrané doplňky výživy, které podporují produkci ATP i obnovu buněk.
Autor článku: Mgr. Tomáš Pavelek
Zdroje:
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24473982/
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26770107/
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Biology/atp.html
https://www.nature.com/scitable/topicpage/cell-energy-and-cell-functions-14024533