Metabolizmus: nepretržitá výmena látok medzi organizmom a prostredím a premena látok vo vnútri organizmu spojená s tvorbou a uvoľňovaním energie.
V organizmoch prebieha neustála premena látok: rozklad a syntéza
Cieľom týchto premien je:
- získanie chemickej energie zachytením slnečnej energie alebo rozkladom energeticky bohatých živín
- premena molekúl živín na molekuly bunke vlastné
- polymerizácia monomérnych prekurzorov na makromolekuly
- syntéza a degradácia biomolekúl potrebných na špecializované funkcie(membránové lipidy, pigmenty a pod.)
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:
- 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).
- Sekundárny metabolizmus je súbor metabolických procesov, ktoré nadväzujú na primárny metabolizmus (metabolizmus antibiotík, pigmentov, alkaloidov).
Primárny metabolizmus je definovaný ako súhrn vzájomných vzťahov enzýmovokatalyzovaných reakcií (anabolických aj katabolických), ktoré poskytujú organizmu energiu, biosyntetické intermediáty a kľúčové makromolekuly, ako sú proteíny a DNA.
Naproti tomu sekundárny metabolizmus zahŕňa hlavne biosyntetické procesy, ktorých koncové produkty, sekundárne metabolity, zohrávajú zreteľnú úlohu v ekonomike organizmu. Tieto látky totiž slúžia napríklad ako ochrana proti predátorom a parazitom, pri medzidruhovej súťaži, alelopatii a zároveň zvyšujú úspešnosť rozmnožovania (pigmenty, vône).
Primárny metabolizmus je základom pre všetky živé systémy, sekundárny metabolizmus sa väčšinou obmedzuje na nižšie formy života a je často špecifický pre jednotlivé druhy a kmene.
Metabolické procesy prebiehajú v metabolických dráhach.
Metabolické dráhy delíme na:
a) Anabolické (asimilačné, endergonické): premena jednoduchých látok na zložitejšie za spotreby energie.Patria sem deje spojené s fotosyntézou (tvorba cukru z CO2), proteosyntézou (tvorba bielkovín z aminokyselín).
b) Katabolické (disimilačné, exergonické): premena zložitejších látok na jednoduchšie, pričom sa energia uvoľňuje (trávenie, dýchanie)
1. metabolické dráhy sú nevratné
- nemožnosť existencie tej istej metabolickej dráhy v oboch smeroch
- musia existovať 2 rôzne cesty vzájomne premeniteľných metabolitov, aby mohli byť regulovateľné
2. každá metabolická dráha obsahuje „včasný (skorý)“ určujúci stupeň
- nevratná (spravidla exergonická) reakcia na počiatku metabolickej dráhy, ktorá určuje jej smer
3. všetky metabolické dráhy sú regulované
- väčšina metabolických dráh reguluje enzým, ktorý katalyzuje určujúci stupeň metaboĺickej dráhy = zvyčajne najpomalší stupeň
4. metabolické dráhy pre eukaryotické bunky prebiehajú na špecifických miestach
- rôzne met. procesy prebiehajú v rôznych oddelených častiach bunky oddelenie
- biologické membrány – selektívne priepustné
Metabolické procesy sú podmienené prítomnosťou enzýmov, ktoré sú funkčne aj substrátovo špecifické.
VÝŽIVA RASTLÍN
Podľa spôsobu získavania energie na životné procesy organizmy delíme na autotrofné (samy si vytvárajú organické látky) a heterotrofné (nemajú schopnosť vytvárať si organické látky, nie sú schopné premeniť slnečnú energiu na chemickú energiu, preto sú odkázané na prísun hotových organických látok)
(1) AUTOTROFNÉ RASTLINY
Z prostredia prijímajú AL a premieňajú ich na OL, ktoré sú energeticky bohaté. Sú producenty organickej hmoty.
a) Fotoautotrofné: majú chlorofyl, vďaka ktorému sú schopné fotosyntézy, pri ktorej premenia svetelnú energiu na energiu chemických väzieb, vytvoria OL (glukózu) a uvoľnia 02.
b) Chemoautotrofné: nemajú chlorofyl, na syntézu OL používajú energiu chemických väzieb, ktorú získavajú oxidáciou anorganického substrátu a pomocou nej syntetizujú OL.
(2) HETEROTROFNÉ RASTLINY
Hetero = iný, trofos = výživa. Sú závislé od prísunu energie z vonku. Rastliny žijúce heterotrofným spôsobom získavajú živiny ako:
a) Saprofyty: výživu získavajú z odumretých a rozkladajúcich sa rastlín a živočíchov. Môžu byť úplné saprofyty = nezelené rastliny bez chlorofylu (hniezdovka hlistova), alebo polosaprofyty = fotosyntetizujúce rastliny, ktoré si príležitostne dopĺňajú potravu saprofyticky (vstavačovité)
b) Parazity: žijú vo vzťahu s tzv. hostiteľskou rastlinou, do ktorej vnikajú premenenými koreňmi haustóriami a odoberajp jej OL a minerály. Žijú na úkor hostiteľskej rastliny. Napr. záraza (parazituje na koreňoch lúčnych rastlín).
c) Poloparazity: patria tu zelené rastliny, ktoré si OL tvoria fotosyntézou, ale okrem toho haustóriami prenikajú do drevnej časti cievneho zväzku hostiteľskej rastliny odkiaľ odoberajú vodu a AL. Napr. imelo biele.
(3) MIXOTROFNÉ RASTLINY
Tvoria prechod medzi auto a heterotrofnými rastlinami. Sú autoheterotrofné (tvoria si OL, ale aj ich prijímajú hotové). Napr. mäsožravé rastliny (sú schopné fotosyntézy, ale dusík získavajú z OL živočícha. Majú buď lepkavé žľazy tentakuly, alebo trichómy, na ktoré sa korisť chytí a potom rozštiepi enzýmami, alebo korisť chytia do tzv. pasci, ktorá sa po dotyku hmyzu otvorí, hmyz do nej uviazne a potom sa enzymaticky rozštiepi – zvyšky nestráveného hmyzu sa po odstránení pasce odstránia vetrom, napr. rosička, bublinatka, krčiažniky, tučnica)
MINERÁLNA VÝŽIVA RASTLÍN
Zahŕňa procesy príjmu, vedenia a využitie minerálnych látok – iónov anorganických solí, ktoré sú potrebné pre život rastliny. Hlavným zdrojom minerálnych látok je pôda.
Každý organizmus a každá bunka uskutočňuje dva základné druhy metabolizmu:
- Látkový metabolizmus zahŕňa príjem, premenu a výdaj látok. Z tohto hľadiska je najdôležitejšie, aký zdroj živín, resp. uhlíka organizmus využíva pre svoj život.
- 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:
zdroj uhlíka |
svetlo (zdroj energie) |
anorg. látky (zdroj energie) |
|---|---|---|
CO2 |
1. fotoautotrofné (sinice, riasy, vyššie rastliny) |
2. chemoautotrofné (niektoré skupiny baktérií) |
organické látky |
3. fotoheterotrofné (niektoré baktérie a riasy) |
4. 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.
