Metabolismus je soubor chemických reakcí, které probíhají v živých organismech a zajišťují přeměnu látek a energie. Tyto procesy jsou nezbytné pro život, růst, obnovu tkání a udržování tělesné teploty. V tomto článku se zaměříme na metabolismus tří hlavních živin: sacharidů, tuků a bílkovin.

Trávení a vstřebávání živin

Při trávení jsou složité živiny rozkládány na jednodušší látky, které mohou být vstřebány do krevního oběhu a využity buňkami. Sacharidy, tuky a bílkoviny jsou rozkládány specifickými trávicími enzymy v trávicím traktu.

Trávení sacharidů

V běžné stravě je nejvíce zastoupen polysacharid škrob, dále disacharidy laktóza a sacharóza. Trávení škrobu začíná v ústech působením slinné α-amylázy, která štěpí škrob na maltózu a α-dextrin. V žaludku je aktivita α-amylázy zastavena kyselým prostředím. V tenkém střevě pak pankreatická α-amyláza pokračuje ve štěpení škrobu na maltózu a α-dextrin. Disacharidy (sacharóza, laktóza) a produkty štěpení škrobu jsou štěpeny disacharidázami na kartáčovém lemu enterocytů na monosacharidy (glukóza, fruktóza, galaktóza). Vstřebávají se pouze monosacharidy, a to zejména v proximální části tenkého střeva. Glukóza a galaktóza jsou resorbovány sekundárně aktivním transportem, který využívá koncentračního spádu sodíku do buňky. Fruktóza je vstřebávána facilitovanou difúzí. V enterocytu je většina fruktózy konvertována na glukózu. Monosacharidy přecházejí přes bazolaterální membránu facilitovanou difúzí.

Trávení bílkovin

Trávení bílkovin začíná v žaludku působením pepsinu, který je vylučován hlavními buňkami žaludeční sliznice jako pepsinogen. Nízké pH žaludeční šťávy aktivuje pepsinogen na pepsin. V duodenu je pepsin inaktivován zásaditým prostředím. Bílkoviny a peptidy jsou dále štěpeny proteolytickými enzymy pankreatické šťávy (trypsin, chymotrypsin, karboxypeptidáza, elastáza). Tyto enzymy jsou vylučovány v neaktivní formě a aktivovány v tenkém střevě. Endopeptidázy (trypsin, chymotrypsin, elastáza) štěpí peptidické vazby uvnitř bílkovinného řetězce, čímž vznikají oligopeptidy. Karboxypeptidáza je exopeptidáza, která odštěpuje jednotlivé aminokyseliny od konce bílkovinného řetězce. Bílkoviny se vstřebávají jako jednotlivé aminokyseliny, méně jako oligopeptidy (di- nebo tripeptidy). Na luminální straně enterocytu jsou aminokyseliny přenášeny sekundárně aktivním kotransportem se sodíkem nebo pomocí facilitované difúze. Oligopeptidy jsou vstřebávány kotransportem s H+ a intracelulárně štěpeny peptidázami na aminokyseliny. Přes basolaterální stranu přestupují aminokyseliny difúzí nebo facilitovanou difúzí.

Trávení tuků

V běžné stravě jsou nejvíce zastoupeny triacylglyceroly (TAG), dále fosfolipidy a cholesterol. Nejdůležitějším enzymem pro trávení TAG je pankreatická lipáza, jejíž účinek je potencován koenzymem kolipázou. Předchozí emulgace tuků, na které se podílí soli žlučových kyselin a lecitin, je nezbytným krokem v procesu trávení tuků. Konečnými produkty trávení lipidů jsou volné mastné kyseliny, glyceroly, mono a diacylglyceroly. Estery cholesterolu jsou štěpeny pankreatickou cholesterolesterázou na cholesterol a volné mastné kyseliny. Natrávené tuky jsou zabudovány do micel a transportovány na povrch kartáčového lemu. Lipofilní látky se z micel uvolňují a difundují do enterocytu. Soli žlučových kyselin se v rámci enterohepatálního oběhu zužitkují k tvorbě žluči. Uvnitř enterocytu je většina vstřebaných tuků reesterifikována na TAG, estery cholesterolu a fosfolipidy a zabudována do chylomikronů. Chylomikrony umožňují transport lipofilních látek nejprve lymfatickým systémem a později krevním řečištěm. Tam se působením lipoproteinové lipázy mastné kyseliny uvolňují a ve vazbě na albumin cirkulují krevním řečištěm. Do krve se přímo vstřebávají pouze mastné kyseliny s kratším řetězcem (SCT, MCT).

Čtěte také: Jak přibrat s rychlým metabolismem

Intermediární metabolismus

Po vstřebání jsou nejjednodušší látky (glukóza, aminokyseliny, mastné kyseliny) dále zpracovávány v buňkách v procesu postupné degradace a sjednocování. Produkty trávení podléhají intracelulárně štěpení na složky citrátového cyklu. Za aerobních podmínek jsou glukóza v reakcích glykolýzy a mastné kyseliny beta-oxidací degradovány na acetyl-CoA. Aminokyseliny obsahují aminoskupinu, která je uvolněna ve formě amoniaku, a v ornithinovém cyklu zpracována na netoxickou močovinu a vyloučena z těla ven. Zbylé uhlíkaté kostry aminokyselin se transaminačními a deaminačními reakcemi přeměňují na intermediáty citrátového cyklu. Následná degradace acetyl-CoA (2 uhlíky) již probíhá v mitochondriích v citrátovém cyklu. V různých fázích cyklu do něj vstupují i odbourané aminokyseliny. V reakcích cyklu vznikají 2 molekuly CO2 a uvolňuje se vodík vázaný na oxidoredukční enzymy. Tyto dehydrogenázy vstupují do dýchacího řetězce, spřaženého procesu s citrátovým cyklem, kde ztrácejí elektrony za vzniku H+ a uvolňuje se energie. Elektrony se postupně přenášejí na kyslík, získaný z oxygenovaného hemoglobinu a společně s H+ se tvoří voda. Uvolněná energie se transformuje oxidativní fosforylací do molekuly ATP. Výsledkem kompletní degradace živin jsou konečné produkty metabolismu čtyř základních biogenních prvků - CO2, H2O, NH3, ATP.

Metabolické dráhy

V buňkách existují metabolické dráhy - jakési křižovatky vzájemné přeměny živin. Patří sem pyruvátdehydrogenázová reakce (PDH), Krebsův cyklus (KC) a dýchací řetězec (DŘ). Jaterní buňky (hepatocyty) mají zásadní roli při udržení homeostázy, při syntéze molekul, při vzájemné přeměně živin i při regulaci skladování a uvolňování energie. V metabolismu sacharidů je důležitá jejich funkce krátkodobé, v rozsahu hodin, i dlouhodobé, v rozsahu dnů až týdnů, regulace glykémie - glukostatická funkce jater. Při vysoké hladině glukózy ve vena portae po jídle se v játrech nastartuje syntéza glykogenu, která spotřebovává glukózu vychytanou z krve. Některé dráhy metabolismu lipidů jsou pro játra unikátní - syntéza ketolátek. Většina drah probíhá i jinde, ale v játrech jsou kvantitativně nejvýznamnější. Dochází zde k oxidaci mastných kyselin. Při hladovění probíhá tato dráha v rozsahu větším, než játra potřebují k produkci energie pro vlastní spotřebu. Ze vzniklého acetyl-CoA se následně tvoří ketolátky, které játra sama zpracovat neumí, a tak je uvolňují do oběhu, kde slouží jako alternativní zdroj energie. V metabolismu proteinů a aminokyselin jsou opět některé reakce pro játra specifické - syntéza močoviny. Jiné reakce, například deaminace a transaminace aminokyselin či syntéza neesenciálních aminokyselin, probíhají i v jiných orgánech. Játra také syntetizují (kromě imunoglobulinů) všechny plazmatické proteiny. Z metabolických drah tu probíhá také glukoneogeneze, zejména při hladovění. Jejím hlavním substrátem jsou uhlíkaté kostry aminokyselin - hlavně glutaminu. Kosterní svaly spotřebují při své činnosti velké množství energie. Zásadní je role kosterního svalu v metabolismu aminokyselin, převážně větvených (valin, leucin a izoleucin). Jejich uhlíkaté kostry slouží k tvorbě energie a jejich aminoskupiny se využívají pro syntézu alaninu, glutaminu a glutamátu, jež uvolňuje kosterní sval ve velkém množství do oběhu. Z alaninu pak játra mohou regenerovat glukózu - tzv. Tuková tkáň je postprandiálně - tedy po jídle, kdy převažuje vliv inzulinu, využívána jako sklad triacylglycerolů. Ukládá jak lipidy přijaté v potravě, tak vytvořené játry. Glukóza je hlavní energetický substrát mozku, denní spotřeba činí 120 g.

Regulace metabolismu

Směr a rychlost metabolismu řídí několik hormonů endokrinního systému. Klíčovou roli při určování rychlosti chemických reakcí metabolismus v těle hraje tyroxin. Je to hormon vytvářený a uvolňovaný štítnou žlázou. Slinivka jakožto další žláza, vylučuje hormony. Ty pomáhají určit, jestli je hlavní metabolická aktivita v těle v určitém okamžiku anabolická nebo katabolická. K větší anabolické aktivitě většinou dochází po jídle, protože jídlo zvyšuje hladinu glukózy v krvi. Zvýšenou hladinu cukru zaznamená slinivka a uvolní inzulín. Právě strava má zásadní vliv na metabolismus v těle. Samozřejmě hrají roli také další faktory jako jsou emoce, stres nebo životní prostředí. Ty však nemůžeme tolik ovlivnit.

Energetický metabolismus a jeho fáze

Uvedené reakce generující ATP jsou významně ovlivněny tím, zda převažuje nabídka substrátů, či se mobilizují endogenní pohotovostní zdroje energie. Organismus disponuje endogenními (zásoby TAG, glykogenu nebo metabolismus laktátu a ketolátek) a exogenními (příjem potravou) zdroji energie. Představíme-li si příjem potravy jako zdroj energetických substrátů, můžeme s ohledem na variabilitu příjmu v čase definovat různá stadia metabolismu člověka. Změny indukované příjmem potravy (postprandiální), metabolismus živin a nalačno (postresorpční) a metabolismus živin při hladovění (katabolismus) a změny vyvolané pohybovým zatížením. Charakteristika všech uvedených situací by byla nad rámec práce a zaměříme se proto pouze na charakteristiku postprandiálního období. V postprandiálním období jsou živiny v organismu utilizovány charakteristickým způsobem. Ten je určen zejména nabídkou endogenních a exogenních substrátů. Rychlost resorpce základních nutrientů - glukózy, aminokyselin a mastných kyselin se velmi liší. Charakteristické pro postprandiální fázi, kdy převažují anabolické děje, je utilizace exogenních zdrojů glukózy prakticky všemi orgány. Přes výraznou utilizaci glukózy a aminokyselin v játrech dochází během 30 min. po příjmu potravy k výraznému nárůstu u koncentrací těchto látek v krevním řečišti. Přebytek glukózy je polymerizován na zásobní glykogen, popř. využit k syntéze TAG. Organismus disponuje omezenou kapacitou pro ukládání glykogenu (~ 350 g u dospělého člověka) a pro bílkoviny zásobní podoba v organismu neexistuje. Aminokyselinová hotovost je využívána pro biosyntézu proteinů, hormonů, nukleových kyselin atd. Řada buněk v tomto období využívá glukózu obligatorně, např. CNS, erytrocyty, trombocyty, ledviny, myokard, kosterní svalstvo. V anabolické fázi je inzulínem inhibovaná jaterní produkce glukózy a stimulována nejprve glykogeneze (30-40 % je utilizováno játry a 50-60 % svaly) a poté lipogeneze. Paralelně je v játrech utilizován produkovaný laktát (tvořený např. enterocyty, erytrocyty a buňkami CNS) a prostřednictvím glukoneogeneze (nepřímo) rovněž přispívá k syntéze glykogenu. Většina vstřebaných aminokyselin je v játrech využita k syntéze proteinů, lipoproteinů, glukózy a jako zdroj energie. Výjimku tvoří větvené aminokyseliny (BCAA) . Hlavním místem jejich utilizace je kosterní sval, kde podporují proteosyntézu a slouží jako zdroj energie. Po příjmu 30 g aminokyselin je přibližně 20 g katabolizováno (glutamin v enterocytech, část BCAA kosterním svalstvem a zbytek játry). Několik hodin po posledním příjmu potravy nastává postresorpční období ve kterém je organismus závislý na zásobních zdrojích energie (zejména glykogenu pro zisk glukozy). Rozvíjí se rovněž glukoneogeneze. Část glukózy vytvořené v játrech z laktátu je ve svalech přeměněna na laktát, který je uvolněn do krve a následně opět použit pro syntézu glukózy (uzavřený cyklus). Protože pro pracující sval je hlavním zdrojem glukózy svalový glykogen, představuje Coriho cyklus možnost jak využít glukózu získanou štěpením svalového glykogenu přo jiné tkáně. Glykogen je tak možné využít jako zdroj glukózy pro potřeby celého organismu, přestože ve svalech není přítomna glukoza-6-fosfatáza. Mezi glukogenní látky patří také řada aminokyselin (alanin, arginin, glutamin kys.asparagová, cystin, fenylalanin…). Nejvýznamnější glukoplastickou aminokyselinou je alanin. Vzniká v kosterním svalstvu z pyruvátu (katabolismem glykogenu) a zbytků větvených aminokyselin (aminoskupina BCAA). Cyklus, který probíhá mezi kosterním svalstvem a játry a uplatňuje se u většiny zátěžových stavů (hladovění, fyzická aktivita) se nazývá alaninový cyklus. Ve svalech vzniká alanin a v játrech je z něj syntetizována glukóza, aby byla následně svaly opět použita a prostřednictvím pyruvátu transaminací vznikl alanin. Takto uvolněná glukóza je využita řadou tkání, zejména obligatorně závislých na glukóze.

Klidový a bazální metabolismus

Metabolismus můžeme rozdělit na celkový a bazální metabolismus. Hovořit můžeme také o primárním a sekundárním metabolismu. Primární metabolismus zahrnuje základní chemické procesy. Na těchto procesech přímo závisí náš život a také růst organismu. Procesy, o kterých hovoříme, jsou pro všechny živé organismy podobné. Patří sem zejména metabolismus tuků, sacharidů, aminokyselin a nukleových kyselin. Sekundární metabolismus oproti tomu zahrnuje chemické procesy, které syntetizují a odbourávají nebílkovinové chemické látky. Bazální metabolismus je množství energie, které organismus získá z potravy na udržení energetických požadavků člověka, který je v klidu. Jeho hodnota závisí na věku, pohlaví, výšce a tělesné hmotnosti, hormonálních faktorech, diurnálním rytmu (střídání dne a noci), svalové a duševní práci, na teplotě okolí.

Čtěte také: Metabolismus a zdravý život

Vliv stravy, spánku a pohybu na metabolismus

Strava poskytuje tělu potřebnou energii a živiny. Spánek je velmi důležitý pro správný metabolismus. Nedostatek spánku nebo nekvalitní spánek může narušit hormonální rovnováhu, což zhoršuje schopnost těla zpracovávat cukry a tuky. Naopak kvalitní spánek pomáhá tělu efektivně pracovat a zpracovávat energii. Pohyb zvyšuje energetický výdej a buduje svalovou hmotu, která spaluje více kalorií v klidu. Tyto faktory spolu zajišťují optimální funkci metabolismu, zlepšují energetickou úroveň a přispívají k celkovému zdraví.

Čtěte také: Efektivní hubnutí: Průvodce