Keďže ide o troška komplexnejšie javy, je potrebné zapojiť i predstavivosť, ktorá nás však uvedie na správnu strunu a pochopíme úžasné javy v našom tele! Článok, ako vždy opakujem, má charakter určitej zaujímavosti a preto sa budem snažiť vypustiť menej dôležité fakty, ktoré by len zbytočne komplikovali text.
Už na základných školách sme sa učili, že všetko živé- zvieratká, rastliny a aj my, pozostávame z buniek. Tie vykonávajú určité úkony a takto dokáže naše telo fungovať. Na stredných školách sme však pomaly začali chápať, že bunka nie je len taká malá zázračná guľôčka, ale obsahuje v sebe ďalšie organely, ktoré sú špecifické svojou vlastnosťou a bunka predstavuje doslova celý vesmír, či dokonca galaxiu, v ktorej všetko funguje od seba závisle a v dokonalej harmónii.
Vieme, že medzi základné bunkové organely patrí jadro s jadierkom. Avšak je to troška zložitejšie- ľudská bunka má okrem jadra cytosol, ktorý ako keby vypĺňal obsah bunky. V ňom možno nájsť drsné a hladké endoplazmatické retikulum, viazajúce sa na jadrovú membránu. Ďalej voľné ribozómy, Golgiho aparát, rôzne peroxizómy, lyzozómy, endozómy, semipermeabilnú plazmatickú membránu a čo je kľúčovým slovom tohto článku- mitochondrie.
Mitochondrie si možno predstaviť ako znova menšie bunky v bunke. V jedinej bunke sa ich nachádza viac ako 1700 a sú zodpovedné za syntézu adenozíntrifosfátu (ATP) a za oxidačnú fosforyláciu. Ide o organelu, ktorá tvarom a veľkosťou pripomína baktérie a podľa určitej teórie naozaj ide o baktérie, ktoré začali spolunažívať s bunkami človeka i zvierat ešte v čase evolúcie. Mitochondrie sú skutočne pohyblivými organelami, ktoré menia svoj tvar i polohu. Obsahujú vlastnú DNA a ribozómy, vedia sa teda množiť samostatne a (ne)závisle od bunky. Je potrebné si uvedomiť, že sa nachádzajú hlavne v mieste obrovskej spotreby energie.
Štruktúra mitochondrií nie je veľmi zložitá. Pozostáva z vonkajšej a vnútornej membrány a z matrixu (priestoru, ktorý tvorí vnútorná membrána). Veľmi dôležité je uvedomiť si, že vonkajšia membrána, je narozdiel od vnútornej veľmi vysoko priepustná. Vnútroná membrána tvorí určité záhyby, ktoré zväčšujú povrch (kristy). Táto membrána je nepriepustná pre ionty a malé molekuly. Medzi membránami je určitý priestor, ktorý má kyslý charakter. To je veľmi dôležité. Vnútorná membrána mitochondrií ďalej tvorý určitý priestor- matrix ktorý obsahuje ribozómy, DNA a rôzne enzýmy, ktoré sa zúčasťňujú bunkového dýchania.
Bunkové dýchanie- to správne kľúčové slovo
Bunkové dýchanie je vlastne odpoveď na našu otázku. Je zodpovedné za premenu chemickej energie vo forme potravy na energiu, ktorú bunka využije pre svoj metabolizmus. Pozostáva zo štyroch krokov:
Aeróbna glykolýza
Citrátový cyklus
Dýchací reťazec
Oxidatívna fosforylácia
Aeróbna glykolýza
U jednoduchých bunkách bez mitochondrií sa prijatá glukóza štiepi a premieňa. Za aeróbnych podmienok (prístup kyslíka) sa glukóza premieňa na kyselinu pyrohroznovú. Za anaeróbnych podmienok (bez prístupu kyslíka) dostávame kyselinu mliečnu a jediná molekula glukózy zodpovedá dvom molekulám adenozíntrifosfátu (ATP).
Citrátový cyklus
Citrátový cyklus predstavuje najdôležitejšiu metabolickú dráhu, ktorou bunky s mitochondriami získavajú obrovské množstvo ATP, ktoré stačí pre mechanickú energiu. Naše telo prijíma tri základné zložky- sacharidy, lipidy a proteíny. Citrátový cyklus začína práve premenou týchto základných zložiek. Sacharidy podliehajú oxidačnej dekarboxylácii pyruvátu, lipidy obsahujú mastné kyseliny, ktoré sa taktiež oxidujú a proteíny pozostávajú z aminokyselín, ktoré sa rozložia. Tieto tri hlavné zložky- sacharidy, lipidy a proteíny sa teda rozložia a upravia na spoločný produkt- Acetylkoenzým A. Tento produkt vstupuje do citrátovho cyklusu. Acetylkoenzým A sa zlučuje s látkou zvanou oxaloacetát. Takto vzniká citrát. Ten sa izomeruje za vzniku izocitrátu. Izocitrát odštiepuje CO2 a súčastne vzniká 2-oxoglutarát. 2-oxoglutarát sa mení na sukcinát (znova odštiepuje CO2) a vytvorí sa GTP, ktorý sa premieňa na ATP pomocou nukleozid-difosfatázy. Sukcinát sa dehydrogenuje, hydratuje a znova dehydrogenuje za vzniku oxaloacetátu. Oxalacetát je látka, ktorá znova vstupuje do tohto cyklusu. Počas tohto sledu reakcií vznikajú dve molekuly CO2, jedna molekula ATP, tri molekuly NADH+H+ a jedna molekula FADH2. Tieto posledné dve látky slúžia ako prenášače protónu vodíka, vstupujú do dýchacieho reťazca a ďalej sa premieňajú. Dokážu vytvoriť celkovo 12 molekul ATP.
Nosiče protónov
Spomenuli sme si dve veľmi dôležité látky- NAD+ (nikotínamidadenindinukleotid) a FAD (flavinadenindinukleotid). Tieto molekuly sú troška väčšie a ich štruktúra umožňuje prenášať protóny, resp. elektróny do dýchacieho reťazca, ktorý, ako sme si povedali, prebieha na vnútornej membráne mitochondrií.
Dýchací reťazec
Ide o najzaujímavejšiu časť celého cyklu premeny chemickej energie na mechanickú. Dýchací reťazec pozostávajú z vyše 40 proteínov, ktoré tvoria 3 základné komplexy:
NADH- dehydrogenázový komplex
Komplex cytochrómov b-c1
Cytochromoxidázový komplex
Okrem týchto komplexov sa medzi nimi nachádzajú dva pohyblivé prenášače elektrónov- ubichinón (Koenzým Q) a cytochrom c.
Ako sme si povedali, v mitochondriách sú dve membrány, medzi ktorými je kyslejšie prostredie, ako v okolí. Z chémie je nám jasné, že toto prostredie priťahuje záporne nabité častice- elektróny. Celý proces teda poháňa chémia. Prenášače NADH „pricestujú“ ku komplexu I (NADH dehydrogenázový komplex) a odovzdajú mu dva elektróny. Tie preletia cez komplex do medzimembránového priestoru, kde je kyslé prostredie. Štruktúra komplexu zaručí, že spolu s prenosom elektrónu prebieha prenos vodíka už do bez tak kyslého medzimembránového priestoru (proti spádu energií). Elektróny, ktoré sa snažia prejsť do medzimembránového priestoru však zachytí ubichinón a prenesie na druhý komplex, komplex cytochrómov b-c1. V tomto komplexe proteínov sa stane znova to isté- elektróny sa snažia prejsť do medzimembránového priestoru mitochondrie, spolu so sebou zachytia protón- protón preletí do kyslého medzimembránového priestoru a elektrón zachytí cytochrom c. Ten ho prenesie na posledný komplex- komplex cytochromoxidázy a znova zachytí vodík. Tu ako vedľajší produkt vzniká voda. Ako si šikovný čitateľ povšimol, v medzimembránovom priestore sa zvýšila kyslosť, kvôli vysokej koncentrácii protónov H+.
ATP syntáza
Obrovský energetický rozdiel medzi membránami mitochondrií využije šikovný proteínový systém, nazývaný ATP syntáza. Ten robí to, že prijme protón z medzimembránového priestoru a preženie ho po energeticky výhodnej ceste do matrixu. Tým, že sa cez neho preženie protón, celý komplex sa doslova roztočí ako vrtuľa a touto energiou premení adenozíndifosfát ADP a adenozínmonofosfát AMP na adenozintrifosfát ATP. Adenozíntrifosfát sa potom jednoducho presunie von z mitochondrií a presunie sa na miesto potrebnej energie.
Ako funguje ATP
Adenozíntrifosfát je zázračná látka, ktorá je zodpovedná za všetkú energiu. Ako však funguje? Je to jednoduchšie, ako si myslíte. Musíme si uvedomiť, že celý vesmír je postavený na jednoduchom zákone- existencia za čo najmenšej energie, podobne ako hovorí Occamova britva. Teda, systém sa vždy snaží nájsť čo najjednoduchšie riešenie a spotrebovať čo najmenej energie. Naše telo si vybralo Adenozintrifosfát a Adenozíndifosfát ako látky, ktoré udržuje vo veľmi odlišnej koncentracii. Energeticky výhodnejší je však adenozindifosfát a adenozinmonofosfát. Preto, ak sa v tele nachádza ATP, čaro chémie sa snaží ATP premeniť na ADP a AMP, aby sa koncentračné hladiny vyrovnali. Túto energiu uvoľnenú pri chemickej premene telo využije tak, že poženie energiu uvoľnenú pri reakcii vo svoj prospech.
Záverom...
Snažil som sa opísať skutočne len základy tohto nádherného javu, ktorý je však pomerne náročný. Avšak určite sa nájdu ľudia, ktorí tento článok ocenia a bude pre nich určitou formou obohatením. Nakoniec sa však môžeme zamyslieť, aké je to všetko dokonalé a ako dlho muselo trvať, kým prešli bunky takou evolúciou, aby si vytvorili systém premeny chemickej energie v mechanickú...
