Bioenergetika bunky

Metabolizmus je súbor reakcií prebiehajúcich v bunke (organizme) zabezpečujúci premenu látok pri (i.) získavaní energie, (ii.) tvorbe potrebných látok a (iii.) odbúravaní nepotrebných látok, (iv.) výmene látok s okolím, (v.) raste a (vi.) rozmnožovaní. Nie je chaotický a náhodný proces, ale časovo a priestorovo zosúladený sled reakcií. Podstatou metabolizmu je regulovaná vysoko-špecifická katalýza biochemických reakcií. Druh katalyzátora a priebeh katalýzy závisí od úrovne organizácie živej hmoty a od druhu organizmu: úroveň bunky = enzýmy, vyššia úroveň = hormóny, nervová a imunitná regulácia.

Rozlišujeme dva základné stupne metabolizmu:

  1. Primárny metabolizmus je súbor metabolických procesov rozhodujúcich pri získavaní energie (oxidácia sacharidov a lipidov) a pri reprodukcii základných stavebných zložiek bunky (replikácia nukleových kyselín, proteosyntéza, biosyntéza bunkovej steny).
  2. Sekundárny metabolizmus je súbor metabolických procesov, ktoré nadväzujú na primárny metabolizmus (metabolizmus antibiotík, pigmentov, alkaloidov).

Podľa toho, či pri metabolizme dochádza k rozkladným alebo syntetickým reakciám, rozlišujeme dva deje:

  1. Katabolizmus (disimilácia) zahŕňa reakcie, pri ktorých dochádza k štiepeniu látok. Pri tomto procese prebiehajú exergonické reakcie, pri ktorých sa energia uvoľňuje. Patrí sem napr. trávenie (rozklad zložitých látok na jednoduchšie) a dýchanie.
  2. Anabolizmus (asimilácia) zahŕňa reakcie, pri ktorých sa tvoria zložitejšie látky z látok jednoduchších. Tieto procesy vyžadujú prísun energie, jedná sa teda o endergonické reakcie. Patria sem deje spojené s fotosyntézou (tvorba cukru z CO2), proteosyntézou (tvorba bielkovín z aminokyselín).

Každý organizmus a každá bunka uskutočňuje dva základné druhy metabolizmu:

  1. Látkový metabolizmus zahŕňa príjem, premenu a výdaj látok. Z tohto hľadiska je najdôležitejšie, aký zdroj živín, resp. uhlíka organizmus využíva pre svoj život.
  2. Energetický metabolizmus zahŕňa príjem energie, jej spracovanie na využiteľnú formu a výdaj nespotrebovanej energie. Bunka vie pre svoje potreby využívať iba chemickú energiu, ktorú vie transformovať na iné formy energie (napr. teplo, kinetickú energiu, svetelnú energiu - bioluminiscencia).

Na základe nárokov na zdroje živín a energie z prihliadnutím na uvedené druhy metabolizmu môžeme organizmy rozdeliť na štyri hlavné skupiny:

Tab. Základné rozdelenie organizmov podľa nárokov na zdroje živín a energie
zdroj uhlíkasvetlo
(zdroj energie)
anorg. látky
(zdroj energie)
CO2fotoautotrofné
(sinice, riasy, vyššie rastliny)
chemoautotrofné
(niektoré skupiny baktérií)
organické látkyfotoheterotrofné
(niektoré baktérie a riasy)
chemoheterotrofné
(väčšina baktérií, huby, prvoky, živočíchy)

Základy energetického metabolizmu

Získaná energia sa akumuluje v makroergických väzbách (označujú sa vlnovkou), najčastejšie fosfátových väzbách v niektorých látkách (makroergické substráty). Najbežnejší je ATP (adenozíntrifosfát, adenozín-3P) a jeho analógy GTP (guanozín-3P), CTP (cytidín-3P), TTP (tymidín-3P) a UTP (uridín-3P). Skladajú sa z troch zložiek: dusíkatej bázy (A, G, C, T alebo U), ribózy a troch zvyškov kyseliny trihydrogénfosforečnej. Takže môžeme napísať:

NTP = N – Ribóza – P ~ P ~ P

ATP sa nazýva aj "energetická konzerva" alebo "univerzálne energetické platidlo". Tvorí sa v mitochondriách, kde prebieha citrátový cyklus (cyklus kyseliny octovej, Krebsov cyklus) a oxidácia mastných kyselín. Spotrebúva sa na rôznych miestach bunky. ATP nemôže prechádzať z bunky do bunky. Na dlhodobé uskladnenie energie slúžia tuky a cukry (škrob u rastlín, glykogén u živočíchov).

Energia sa z ATP uvoľňuje hydrolytickým štiepením.

ATP + H2O = ADP + H3PO4 + 50 kJ (energia)

Chemickou reakciou fosforyláciou dochádza opačnému procesu - zvyšovaniu počtu zvyškov kys. trihydrogénfosforečnej. Zásoby ATP sa dopĺňajú substrátovou a oxidatívnou fosforyláciou (spojené s dýchaním) alebo fotofosforyláciou (fotosyntéza).

Časť chemickej energie, ktorá sa pri premene ATP uvoľní a bunka je schopná ju využiť (konať prácu) sa nazýva voľná energia. Pri každej premene sa časť premení na teplo, ktoré bunka vyžaruje do prostredia.