Energetická výměna - jeden z hlavních procesů, které zajišťují životně důležitou činnost buňky. Umožňuje buňce přijímat energii potřebnou k provádění všech životně důležitých funkcí. Energetická výměna se skládá z několika fází, z nichž každá hraje důležitou roli v celkovém schématu výměny energie. Znalost základních fází energetické výměny umožňuje lépe porozumět principům fungování buňky a její roli v lidském těle.
První fáze energetické výměny se nazývá glykolýza. Vyskytuje se v cytoplazmě buňky a je to proces štěpení glukózy za vzniku pyruvátu. Glykolýza je anaerobní proces, to znamená, že nevyžaduje zapojení kyslíku. Produktem glykolýzy je malé množství energie ve formě ATP a určité množství NADH - speciálního nosiče elektronů.
Druhá fáze - Krebsův cyklus. Vyskytuje se v mitochondriích buňky a je aerobním procesem, to znamená, že vyžaduje zapojení kyslíku. Krebsův cyklus začíná oxidací pyruvátu získaného v předchozí fázi. Po oxidaci pyruvátu se tvoří energie ve formě ATP, NADH a FADN2. Krebsův cyklus je navíc zdrojem některých interdimenzionálních molekul používaných v jiných metabolických procesech.
Fáze glykolýzy: přeměna glukózy na pyruvát
První fáze glykolýzy se nazývá aktivační fáze. V této fázi je glukóza aktivována a přeměněna na fruktózu-1,6-difosfát. Tento proces je doprovázen výdejem energie ve formě ATP.
Druhým krokem glykolýzy je skutečné štěpení molekuly glukózy na dvě molekuly pyruvátu. Tento proces je doprovázen tvorbou ATP a NADH.
Výsledný pyruvát lze použít v různých biochemických procesech buňky, jako je Krebsův cyklus nebo proces aerobního dýchání. V případě nedostatku kyslíku lze pyruvát přeměnit na laktát nebo alkohol.
Fáze citrinového cyklu: uvolňování energie z pyrivátů
Fáze citrinového cyklu začíná připojením pyrivátů získaných glykolýzou k aktivovanému acetyl-koenzymu A (ACC). Tato přeměna pyrivátů na acetyl-CoA se provádí enzymem pyrivatdehydrogenázou.
Dále se acetyl-CoA připojí k oxaloacetátu a vytvoří citrát. Citrát pak prochází řadou reakcí, ve kterých se uvolňuje energie přeměněná na oxaloacetát. Tato energie bude později použita buňkou k syntéze ATP neboli adenosintrifosfátu, hlavního zdroje energie v buňce.
Dokončení citrinového cyklu má za následek tvorbu oxaloacetátu, který se může znovu zapojit do nového cyklu a vytvářet nepřetržitý tok energie v buňce.
Fáze respiračního řetězce: syntéza ATP v mitochondriích
Proces syntézy ATP v mitochondriích se nazývá oxidační fosforylace. Provádí se pomocí energetické vazby, která se tvoří mezi ADP a bezvodým zbytkem organické kyseliny, jako je kyselina fosforečná.
Tento proces probíhá na vnitřní membráně mitochondrií, která se nazývá vnitřní mitochondriální membrána. Obsahuje řadu proteinových komplexů, které se podílejí na oxidační fosforylaci. Jedním z hlavních komplexů je f0f1-ATP syntáza, která katalyzuje syntézu ATP.
Proces syntézy ATP probíhá prostřednictvím toku protonů vnitřní membránou. V průběhu dýchacího řetězce jsou elektrony získané v předchozím kroku přenášeny elektronovými transportními řetězci vnitřní membrány mitochondrií, což způsobuje přenos protonů z Matrix mitochondrií na vnější stranu membrány.
Tento transport protonů vytváří gradient protonů, který je základem pro práci f0f1-ATP syntázy. F0f1-ATP syntáza je rotační enzym, který odděluje ATP od ADP a kyseliny fosforečné pomocí energie získané z toku protonů.
Tímto způsobem v procesu dýchacího řetězce v mitochondriích v důsledku syntézy ATP získává buňka energii potřebnou k výkonu svých funkcí.
Fáze enzymatické dekarboxylace: oxidace zdrojů energie
Oxidace zdrojů energie probíhá pomocí enzymů, které katalyzují dekarboxylační reakce. Výsledkem reakce je odstranění skupiny oxidu uhličitého (CO2) z molekuly zdroje energie. To vede k tvorbě molekul obsahujících vyšší oktokyselé skupiny, jako jsou aktivní aldehydové nebo ketonové skupiny. Tyto molekuly mohou být později použity k výrobě energie.
V procesu enzymatické dekarboxylace dochází k tvorbě koenzymů, jako je nad+ a fad+, které slouží jako nosiče elektronů a vodíkových iontů. Koenzymy jsou aktivně zapojeny do oxidační reakce zdrojů energie tím, že přenášejí elektrony a vodíkové ionty na vnější akceptor, jako je kyslík nebo ferriový iont.
Fáze enzymatické dekarboxylace hraje klíčovou roli při výměně energie v buňce, protože v důsledku této fáze dochází k tvorbě vysokoenergetických sloučenin a dochází také k syntéze ATP - hlavního energetického nosiče buňky.