Metabolismus a trávení Energie je nutná k udržení organizovanosti a homeostázy. Nutná k životním pochodům – proteosyntéza, membránový transport, pohyb. Život na Zemi existuje díky Slunci (přímo i zprostředkovaně), ale i geotermální energie – závislost živočichů na autotrofech (chemo nebo fototrofech). Zisk energie z chemicky uložené energie je realizován zejména aerobně. Energie v chemických vazbách je uvolňována primárně oxidací, odstraňováním elektronů z molekul a jejich přenesením na jiné molekuly, které se tak redukují. Energie elektronů použita k fosforylaci ATP (GTP), což je její univerzální přenašeč. Spotřeba energie: Mechanická práce, Aktivní transport, Aktivace reakcí (biosyntézy) Teplo se ztrácí při všech přeměnách Pro srovnání se savci (žlutým písmem specificky savčí) Za standardních podmínek asi 90% ze savčí spotřeby kyslíku jsou odpovědné mitochondrie. Z toho asi 20% je využito na „odpojený“ průsak protonů v mitochondriích (využívá netřesová termogeneze) a 80% je spojeno se syntézou ATP. Z těch 80% jde asi 25-30% na syntézu proteinů 19-28% na činnost Na+- K+- ATPázy 4-8% na Ca2+- ATPázy 2-8% na aktinomyosin ATPázy (veškerý pohyb) 7-10% na glukoneogenezi 3% na syntézu močoviny mRNA syntéza Buněčný metabolický obrat kolísá a je řízen mnoha procesy podle poptávky energie a nabídky substrátů. Cellular Energy Utilization and Molecular Origin of Standard Metabolic Rate in Mammals. Rolfe & Brown, Physiological reviews, 1997 Způsoby výživy organizmů: Zdroj energie zdroj elektronů zdroj uhlíku Autotrofie a heterotrofie – zdroj C Metabolické dráhy: Vztah anabolismu, katabolismu a oxidativní fosforylace Jak se dostat k energii Slunce? Konzumací těl fotoautotrofů, symbiózou s fotoautotrofy. S fotoautotrofními řasami (obrněnky Dinoflagelata) žijí symbioticky koráli, některé houby, medúzy, sasanky, mlži a plži, ploštenci, houby, žahavci – od vajíčka, závislí na světle. Jak se dostat k energii geotermální? Je-li z chemických vazeb, symbiózou s chemoautotrofními bakteriemi. Od r.1977 1,5 m dlouzí červi rodu Riftia (riftie hlubinná, kroužkovci). Nemají ani ústa ani řiť ani gastrointenstinální trakt. Pětina jejich těl je tvořena trofozómy tkání bohatou na baktérie. Ty tvoří organické látky pro své hostitele. Krevní hemoglobin transportuje z žaber omývaných mořskou vodou nejen O2 ale i H2S a dodává ho symbiontům do trofozomů. Bakterie oxidují anorganické sulfidy S2- a na sírany a získávají tak energii k syntéze organických molekul, které zužitkuje . Energii dodá horko v puklinách zemské kůry. Mořská voda bohatá na sírany SO42- vstupuje do puklin, kde je teplota až 350°C. Sírany jsou horkem redukovány na H2S, který vystupuje s horkou vodou z puklin do otevřeného moře. Síra tady funguje jako kyvadlový transportér energie a baktérie využívají energie zemského jádra k životu. Klíčovou podmínkou pro tento způsob života je dobrá okysličenost hlubokých vod a H2S. Jak se dostat k energii geotermální? Je-li z chemických vazeb, symbiózou s chemoautotrofními bakteriemi. Od r.1977 Čím větší, tím více E potřebuje. …je to ale relativní Čím větší, tím je úspornější. Rubnerův zákon: Energetika je vázána na povrch. Velikost těla a metabolismus Na logaritmických osách se objeví přímka. Sklon přímky se blíží 3/4 Velikost těla a metabolismus Absolutní spotřeba kyslíku roste s objemem těla (hmotností). Zajímavé je, že roste podobně u různých skupin – 1b, poikilotermů i homoiotermů. To se ale neshoduje s Rubnerovým předpokladem, že jde o regulaci ztrát tepla povrchem těla. Kdyby metabolismus rostl přesně s povrchem těla, byl by sklon 0,67. Data to ale nepotvrzují. Regresní přímka má ve skutečnosti směrnici cca 0,75. (Hmyz, plícnatí plži spíše 1.) Obecné biologické pravidlo, které není snadné vysvětlit. Jde asi o povrchy i vnitřních rozhraní. Velikost těla a metabolismus Generování energie probíhá ve třech obecných stupních u zvířat. V prvním stupni velké molekuly potravy jsou konvertovány na menší v trávicím traktu. Během této fáze žádná energie není uvolňována, ve skutečnosti může být spíše spotřebovávána v procesech syntézy potřebných enzymů. Střevo Tvorba využitelného přenašeče energie. Generování energie probíhá ve třech obecných stupních u všech zvířat. Ve druhém stupni tyto jednodušší molekuly jsou dále rozkládány na dvouuhlíkaté molekuly, které jsou schopny vstoupit do citrátového cyklu. Tyto molekuly sestávají z kyseliny octové, která s KoA vytváří Ac KoA. Malé množství energie je v tomto stupni uvolněno anaerobně. Cytoplasma buněk – bez kyslíku Tvorba využitelného přenašeče energie. Generování energie probíhá ve třech obecných stupních u všech zvířat. Ve třetím stupni v cyklu kyseliny citrónové, kde jsou oxidovány na CO2, jejich elektrony jsou nakonec přeneseny na kyslík a vzniká voda. Oxidativní fosforylace tak uvolňuje nejvíc ATP. Mitochondrie - oxidativně Tvorba využitelného přenašeče energie. Energetický metabolizmus Lokalizace v buňce. Dýchací řetězec podrobněji. Energie elektronů využita k postupnému vytváření protonového gradientu … podle Atlasu Biochemie Glykolýza probíhá v cytoplasmě V případě Glc zisk pouze 2ATP. Pokračuje-li štěpení za přístupu kyslíku, zisk je 36 ATP C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) → 6 CO2 (g) + 6 H2O (l) + heat (36 ATP) (2C) + CO2 Tvorba využitelného přenašeče energie ATP v mitochondriích. Dýchací řetězec. ATP syntetáza na vnitřní membráně mitochondrie se otáčí a tvoří ATP Můžeš projít, ale vyrob ATP https://www.youtube.com/watch?v=LQmTKxI4Wn4 UCP – uncoupling proteiny nalezeny i u bezobratlých Úloha UCP bezobratlých zřejmě nebude v termoregulaci, ale v modulaci produkce ROS a zvládání oxidačního stresu. ROS jsou jedním z faktorů ovlivňujících stárnutí, a proto mohou UCP hrát roli v dlouhověkosti bezobratlých. Slocinska, M., Barylski, J., & Jarmuszkiewicz, W. (2016). Uncoupling proteins of invertebrates: A review. IUBMB life, 68(9), 691-699. Poměr mezi aerobním a anaerobním metabolismem je u různých živočichů různý a závislý na momentální aktivitě a podmínkách prostředí. Platí ovšem, že s rostoucími metabolickými nároky se víc a víc uplatňuje aerobní metabolismus na úkor anaerobního a například u hlavonožců je anaerobní omezen jen na období při rychlém nástupu svalové činnosti. Aerobní a anaerobní způsob získávání energie. U hmyzu, ačkoliv má ve srovnání s ostatními skupinami nejvyšší nárůst metabolismu při přechodu z klidu do letové aktivity a spotřeba O2 5ml min-1 g-1 je největší známá biologická respirace, avšak kyslíkový dluh a tedy i jen přechodná anaerobní fáze neexistuje. Anaerobní varianta – dočasný nebo trvalý nedostatek kyslíku. Aerobní dráha se zastaví nebo není dost rychlá a hromadí se meziprodukty, které nejsou odebírány. Nejčastěji kyselina mléčná. Elektrony z molekuly glukózy jsou předávány oxidačnímu činidlu NAD+, jež je redukováno na NADH. Aby glykolýza mohla pokračovat, redukované činidlo NADH se musí oxidovat zpět na NAD+ a laktát musí být odstraňován. To se děje buď glukoneogenezí nebo oxidací (pokud je už kyslík). Jiné produkty (kvašení) mohou být z těla bez využití odstraňovány. Návrat k aerobnímu dýchání. Anoxybióza – když dojde kyslík Molekulární kyslík (O2) hraje klíčovou roli v energetickém metabolismu. Je-li ho v prostředí dostatek, každá molekula glukózy může být v buňce přeměněna nejméně na 34 molekul ATP. Pokud ale kyslík chybí, je dýchací řetězec vyřazen z činnosti a anaerobní oxidace glukózy poskytne buňce pouze 2–6 molekul ATP. Žádný živočich (Metazoa) nedokáže trvale přežívat (prodělat kompletní vývojový cyklus) ve světě bez kyslíku. Mnozí jsou však přizpůsobeni životu v prostředí s velmi nízkou hladinou kyslíku. Například ve vysokých nadmořských výškách, v bahenních sedimentech na dně jezer a moří nebo v trávicím traktu. Trvá-li hypoxie jen krátkou chvíli, může anaerobní dodávka energie stačit i pro impozantní výkon. Jestliže se ovšem nedostatek kyslíku (nebo energie obecně) protahuje na delší dobu (minuty nebo hodiny), lze přežít jen při značně zpomaleném životním tempu. To je strategie hibernujících savců, diapauzního hmyzu, ryb přezimujících pod ledem nebo zaplavených bezobratlých živočichů v říční nivě. Vytvoření kyslíkového dluhu a jeho splácení. Nástup a odeznění intenzivní svalové práce se časově nekryje se spotřebou kyslíku. Spotřeba O2 má setrvačnost. Ponecháme-li švába Blatta orientalis 1/2 hodiny v dusíkové atmosféře, je třeba 1.5 až 2 hodiny k vyrovnání kyslíkového deficitu. Množství kyslíku přijímaného v této době odpovídá přibližně onomu množství O2 které nemohl spotřebovat během pobytu v dusíkové atmosféře a tento kyslík je použit k odbourání především kyseliny mléčné, glycerolfosfátu a dalších produktů. Obvykle klesá pH. U larev potemníka moučného T. molitor je kyslíkový dluh splácen po skončení anaerobních podmínek ze 150%, u švába Cryptorercus ještě ve větším měřítku. Odstraňování kys. mléčné resp. glycerolfosfátu a dalších produktů se tedy děje pravděpodobně méně ekonomicky než při normálním dýchání. Naproti tomu u některých všekazů je deficit O2 kryt pouze z 50%. Vytvoření kyslíkového dluhu při hypoxii a jeho splácení. Elektrony z molekuly glukózy jsou předávány oxidačnímu činidlu NAD+, jež je redukováno na NADH2. Aby glykolýza mohla pokračovat, redukované činidlo NADH2 se musí oxidovat zpět na NAD+. To zajišťují různé fermentační reakce, jejichž konečné produkty jsou ve fialových rámečcích. Laktátová fermentace je nejběžnější způsob získávání energie. Najdeme ji u většiny příležitostných i trvalých živočišných anaerobů. Hladiny aspartátu jsou vysoké u různých mlžů. Jeho konverzí na propionát je možné získat ATP. Malý podíl produkovaného pyruvátu je často přeměněn na aminokyselinu alanin. Někteří bezobratlí, zvláště kroužkovci žijící v hypoxickém bahně na dně moří, potom spojují alanin s pyruvátem za vzniku alanopinu (a přitom oxidují NADH). Podobné dráhy najdeme také u mlžů obývajících hypoxické mořské sedimenty. Finální produkty se liší v závislosti na použité aminokyselině (lysin → lysopin, arginin → oktopin u mlžů a hlavonožců). Etanol je koncovým produktem fermentace například u karasů, kteří jej uvolňují pomocí žaber do vody. Parazitičtí červi (tasemnice, hlístice, motolice) oxidují NADH2 při redukci oxalacetátu na malát, a ten potom vstupuje uvnitř mitochondrie do dalších reakcí, jež produkují další molekuly ATP Vesmír 88, 2009/7 Glykolýza za hypoxie Nejběžnějším produktem vodních anaerobních bezobratlých je kyselina octová, propionová, sukciniová nebo aminokyselina alanin. Tyto produkty svědčí o tom, že nejde o běžnou glykolýzu. Metabolické cesty jsou složité, často podobné segmentům Krebsovu cyklu nebo částem elektronového řetězce. Anaerobní cesty bezobratlých produkují na molekulu živin více ATP než jen glykolýza. Živočichové musejí exkretovat koncové produkty anaerobního metabolizmu, i když je to částečné plýtvání energií, dříve než by došlo k acidóze nebo k zastavení reakcí. Vedle relativně vysokého výtěžku ATP na molekulu mají anaerobní cesty bezobratlých ještě tyto výhody: 1. Anaerobně mohou být katabolizovány nejen sacharidy, ale i proteiny a AK. 2. Produkty jako sukciniová a propionová kyselina nezpůsobí takový pokles pH jako při produkci kyseliny mléčné. Glykolýza za hypoxie Bez kyslíku se dá žít jen omezenou dobu. Ačkoli někteří obratlovci dokážou velmi zpomalit svůj metabolismus, žádný ho nedokáže v anoxii zcela zastavit. Když navíc „odečteme“ přímý vliv nízké teploty, doba přežití se významně zkrátí. Například u přezimujících karasů nebo želv se ze 6 měsíců přežití v anoxii za teplot mírně nad nulou dostaneme na zhruba 2 týdny za teplot 15–20 °C nebo na pouhé 2 dny za teplot kolem 25 °C. Bezobratlí živočichové vydrží mnohem víc. Většina druhů suchozemských bezobratlých živočichů překonává nepříznivá období roku v dormantním stavu (v diapauze). Charakteristickým a především u hmyzu dobře zdokumentovaným znakem diapauzy je šetření energií a zpomalení metabolismu (na 1–20 % normálu). Za anoxických podmínek může být zpomalení metabolismu ještě hlubší. Metabolismus během diapauzy a quiescence (Vesmír 88, 2009/7) Plně hydratované buňky se za fyziologických teplot nacházejí ve stavu dynamické rovnováhy (homeostázy) a svoji integritu mohou udržet pouze při neustálém obratu chemické energie, tedy jedině s aktivním metabolismem. Důvodů je víc, ale jeden úplně stačí: stabilita globulárních proteinů je ve vodném prostředí limitována. Pokud by molekuly proteinů nebyly neustále odbourávány a nahrazovány novými, popřípadě opravovány (což obojí vyžaduje přístup k volné energii ve formě ATP), brzy by denaturovaly a buňku i celý organismus by čekala smrt. Žádný živočich (Metazoa) tedy nedokáže trvale přežívat bez energie. Tento axiom teoreticky vylučuje existenci skutečně anoxybiotického (ve smyslu „anenergobiotického“) stavu. V praxi se však někteří živočichové mohou tomuto stavu blížit. (Vesmír 88, 2009/7) Nejlépe prostudovaní jsou mlži. Někteří žijí v blátě slaných bažin - mohou až po 5 dní přežívat v atmosféře čistého dusíku. Jiní, žijící v hlubinách moří mohou být ve vodě bez kyslíku až 1-2 měsíce. Někteří kroužkovci rodu Tubifex (nitěnka) jsou zahrabání v bahně na dně jezer a mohou se krmit, rozmnožovat ve vodě zbavené kyslíku po 7 měsíců. Mezi ve vodě žijícími živočichy je řada těch, kteří přežívají dlouhá období bez kyslíku – anaerobové. Např. sasanka Bunodosoma, zahrabaná v písku pod skalami Texaského zálivu. Žije spolu s anaerobními sirnými bakteriemi bez přístupu kyslíku. Po 6 týdnů byly uzavřeny v mořské vodě s neměřitelným obsahem kyslíku. Po přenesení do normální vody se otevřou a jejich nervosvalové reakce jsou normální. Metabolismus během diapauzy a quiescence Nedostává-li se kyslík, musí se uskrovnit dva největší konzumenti buněčné energie: Obrat proteinů, jež za normálních podmínek spotřebovává až polovinu energie, klesá na méně než desetinu obvyklých hodnot. Aktivní transport iontů, který je nutný pro udržování membránového potenciálu a spotřebovává běžně třetinu energie buňky, klesá zhruba na čtvrtinu původní spotřeby. Dále se téměř zastaví biosyntéza glukózy, omezí se produkce močoviny a samozřejmě i spotřeba energie ve svalech Je potlačena aktivita genů, které kódují enzymy glukoneogeneze, Krebsova cyklu a dalších utlumených metabolických drah. Naopak je stimulována aktivita genů, které kódují enzymy glykogenolýzy a glykolýzy či třeba proteiny s chaperonovou funkcí. Fermentační procesy a následná spotřeba ATP za anoxie nevyhnutelně vedou k okyselení cytosolu buněk a krve (k metabolické acidóze). Do výbavy úspěšného anaeroba musí proto patřit i prostředky pro boj s acidózou. (Vesmír 88, 2009/7) Metabolismus během diapauzy a quiescence Žábronožky z rodu Artemia jsou korýši, kteří snad jako jediní živočichové trvale žijí v silně zasolené vodě jezer na všech kontinentech vyjma Antarktidy. Cysty artémií mají však ještě jednu fascinující schopnost. V laboratoři je lze za úplné anoxie udržet v diapauze až sedm let – a dokonce v plně hydratovaném stavu a za pokojové teploty. Nezastaví se tedy během diapauzy jejich metabolismus? Jestliže ano, jak se to slučuje s teoretickými základy biochemie? Měření extrémně pomalého metabolismu je samo o sobě technický oříšek. Když naměříme nulu, může to vypovídat jen o citlivosti použitých přístrojů. Navíc jedna cysta artémie je pro měření příliš malá, a proto se jich vždy měří mnoho najednou. Určité procento cyst však není v diapauze, neboť ji ukončily buď spontánně, nebo v důsledku manipulace. Jejich metabolismus je tudíž normální a narušuje přesnost měření. Připočtěme si ještě mikrobiální kontaminaci měřených vzorků a samovolné reakce v mrtvých cystách, máme problém. Jedno ale lze říci určitě: není-li metabolismus zcela zastaven, je minimálně 50 000× pomalejší (0,002 % původní hodnoty. (Vesmír 88, 2009/7) Aktivní metabolismus by se prozradil únikem tepla, který lze zachytit mikrokalorimetrem. Izotop uhlíku 14C dodávaný ve formě 14CO2 se nezabudovával do makromolekul proteinů a nukleových kyselin vůbec, nebo se zabudovával jen minimálně. To naznačuje, že proteosyntéza, buněčný cyklus a transkripce genů v cystě téměř neprobíhají. Kupodivu nelze pozorovat ani žádné známky denaturace a agregace proteinů. Po léta neměnné hladiny ATP a glykogenu ukazují na celkově ametabolický stav. Nehromadí se ani laktát nebo jiné zplodiny anaerobního metabolismu. Jestliže neběží procesy proteosyntézy, proteolýzy ani opravy proteinů, co tedy udržuje proteiny po léta ve správné konformaci? Cysty obsahují dost vysoké koncentrace trehalózy (až 17 % suché hmoty) a glycerolu (až 2,5 % suché hmoty). To může částečně vysvětlit stabilitu proteinů, ale možná jsou tyto metabolity přichystány spíše pro očekávanou eventualitu vyschnutí. V cystách je také velké množství malého šokového proteinu p26. Ten dokáže stabilizovat ostatní proteiny v buňce bez nároku na ATP. Není totiž jejich aktivním opravářem (to by stálo ATP), spíš interaguje s exponovanými hydrofobními doménami částečně denaturovaných proteinů a brání jejich vzájemné agregaci. Brání také rozpadu tubulinových polymerů a konzervuje tím jemné strukturování prostoru uvnitř buněk. (Vesmír 88, 2009/7) Protein p26 je asi klíčem k záhadě energetického stavu diapauzních cyst (a také hřebíček do rakve ametabolické teorie). Diapauzní cysty obsahují relativně velké množství guanozinových nukleotidů (až 2 % sušiny). Když se měřily změny koncentrací různých nukleotidů během šestileté anoxie, velmi pomalu ubýval di-guanozintetrafosfát. Patrně byl konvertován na guanozintrifosfát (GTP), který je s ATP zaměnitelný. Na co se ovšem energie z GTP či ATP spotřebovává? Dobrým kandidátem je právě protein p26. Ačkoli nepotřebuje ATP ani GTP k chaperonové funkci, potřebuje energii pro transport do jádra. Protein p26 skutečně váže GTP a pracuje jako GTPáza (odštěpuje fosfor od molekuly GTP za uvolnění energie). Ačkoli se velká část metabolismu anoxických diapauzních cyst artémií asi opravdu zastavuje, přece jen pozorujeme známky mobilizace energetických zásob a jejich konverze na GTP. Zatím chybí lepší představa o procesech, které by energii z GTP využívaly, ale je jisté, že spící cysty zůstávají malý krůček od úplné anoxybiózy. Můžeme tedy také klidně spát, neboť základní axiomy biochemie stále platí… (Vesmír 88, 2009/7) Metabolicky aktivní tkáně hmyzu Tukové těleso. V tukovém tělese probíhá syntéza trehalózy z glukózy, syntéza a ukládání glykogenu a tuků, jejich štěpení, deaminace a transaminace aminokyselin, syntéza specifických bílkovin (kutikulárních i vaječných), detoxikace, produkce kyseliny močové a jiných exkrečních produktů. Tyto procesy však neprobíhají pouze v tukovém tělese. Také epitel střevní stěny syntetizuje specifické bílkoviny a mohou zde být ukládány tuky, glykogen a bílkoviny. K dalším metabolicky významným tkáním patří hemocyty a perikardiální buňky. Dále epidermis a rostoucí buňky svalové tkáně odnímají potřebné látky z hemolymfy a samy uskutečňují velkou část syntetických procesů potřebných pro zajištění jejich funkce. Mohou také hrát roli při deaminaci a tvorbě dusíkatých exkrečních látek. Epidermis má hlavní podíl na intenzivní syntetické činnosti při vytváření kutikuly. Také malpigické trubice a svaly. Ačkoli ATP je univerzálním zdrojem energie pro kontrakce všech svalů, různé druhy užívají různé živiny pro jeho regeneraci. Bzučivky a včely například, oxidují sacharidy, zatímco sarančata a motýli užívají hlavně tuky a moucha tse-tse a někteří brouci užívají aminokyselinu prolin. Sacharidy jsou ve vodě rozpustné, jsou proto osmoticky aktivní, snadno se transportují hemolymfou, ale mají relativně malý energetický obsah (0,18 mol ATP/mol substrátu). Lipidy, na druhé straně jsou osmoticky neaktivní (nejsou v hemolymfě rozpustné), obtížněji se transportují, ale poskytují větší energetický přínos (0,65 molů ATP/mol substrátu). AKH při začátku letu saranče přepíná ze sacharidového metabolismu na lipidový. Prolin se zdá být kompromisem. Je rozpustný, může být konvertován z alaninu a má dobrý energetický obsah (0,52 molů ATP/mol substrátu). Jaký zdroj energie? Transportní formou sacharidů v hemolymfě je především neredukující disacharid trehalóza (2 molekuly glukózy), rezervním sacharidem v tukovém tělese ale i jiných tkáních je glykogen. Oba mohou být snadno konvertovány na glukózu. Zásoby glykogenu jsou ukládány v letových svalech, tukovém tělese a kolem trávicího traktu. Protože může být uskladňován uvnitř buněk, glykogen představuje bezprostřední zdroj energie pro rychlé létací svaly. Glykogen uložený v tukovém tělese může být bezprostředně konvertován na trehalózu pro uvolnění do hemolymfy. Mobilizace je hormonálně řízena hyperglykemickým hormonem z CC. Trehalóza je disacharid a je hlavním hemolymfovým cukrem u hmyzu, kde slouží jako cirkulující zdroj energie jako Glc u obratlovců. Avšak koncentrace Tr je u hmyzu mnohem vyšší – asi 10x proti 0,1g Glc na 100 ml. Vyšší koncentrace usnadňuje přechod do všech buněk. Je to disacharid, má větší molekulu než Glc a difunduje pomaleji. Jakmile je Glc absorbována střevem, hned se transformuje na Tre. To udržuje nízkou konc. Glc v hemolymfě a usnadňuje její difuzi ze střeva. Koncentrace bývá proměnlivá pro plnění funkcí trehalosy: (1) jako zásobárny energie, (2) jako kryoprotektoru u některých zmrznutí netolerujících; (3) jako stabilizátoru bílkovin během osmotického a tepelného stresu (4) jako součásti zpětnovazebního mechanismu regulujícího potravní chování. Metabolismus sacharidů Trehalóza Glycerol–3–P Shuttle (člunek) Specialita hmyzu, který pro let využívá sacharidy. Dopravuje H+ pomocí NADH2 z cytoplasmy do mitochondrií. Brání zbytečnému tvoření kys. mléčné při nedostatku kyslíku v letových svalech. Tato výměna je nejdůležitějším mechanismem reoxidace NADH2 vznikajícího během glykolýzy. To je v kontrastu k oxidaci NADH2 katalyzovanou laktátdehydrogenázou, která probíhá v jiných svalech, jako jsou např. svaly v nohách. Důležitost G-3-P výměny vyplývá z faktu, že mitochondrie jsou nepropustné pro NADH2 a NAD (a mnoho dalších látek). Avšak G-3-P vstupuje a je pohotově oxidován mitochondriální G-3-P dehydrogenázou aktivovanou Ca2+ lokalizovanou na vnějším povrchu vnitřní mitochondriální membrány. Během vytrvalého letu bzučivky mitochondriální oxidace pyruvátu a G-3-P probíhají stejnou rychlostí jako jsou tyto dvě látky produkovány. Proto nedochází k nehospodárnému kumulování koncových produktů glykolýzy jako je např. laktát v některých pracujících svalech obratlovců. Řízení rychlosti sacharidového metabolismu ve svalu po začátku letu. Meziprodukty blokují svou produkci. Okamžité zrychlení uvolňování energie po startu Během letu klesá koncentrace ATP, zatímco koncentrace ADP, AMP a Pi se zvyšují. Změny jsou rychlé a nového rovnovážného stavu je dosaženo brzy. Změny v distribuci Ca2+ uvnitř svalu mohou znamenat 100 násobné zvýšení koncentrace v cytoplasmě. Respirace vzroste 100x a produkce ATP 600x. Extrémní zrychlení metabolického toku během letu je umožněno vysokou koncentrací katabolických enzymů v letových svalech, vysokým obsahem mitochondrií, velkým povrchem vnitřní membrány na jednotku objemu mitochondrie a neobvykle vysokými rychlostmi toku elektronů mezi enzymy dýchacího řetězce. Negativní zpětná vazba řídí hladinu Glc pomocí CHH. Stejně jako obratlovci, mnoho bezobratlých dokáže regulovat extracelulární glukózu. Např. u korýšů (krabi, krevety, garnáti) neurohormon CHH – crustacean hyperglycemic hormone . CHH byl poprvé objeven když badatelé injikovali kraby extraktem tkáně z oční stopky jiných krabů a extrakty způsobily hyperglykémii – zvýšení hladiny Glc. CHH je syntetizován v tělech sekretorických neuronů, které jsou nahloučeny v oblasti zvané X orgán v oční stopce. Výběžky odtud vedou do oblasti zvané sinusová žláza (SG), která slouží jako skladovací a vylučovací orgán předávající CHH do cirkulace. Hormonální signál hyperglykemického hormonu (HGH) k zásobení létacích svalů hmyzu energií. U Drosophily může 1mg glukózy vystačit na let po dobu 6 minut. Celá zásoba glykogenu, kterou Drosophila má, může vystačit asi na 5 hodin letu. Metabolismus proteinů Stejných 20 AK jako u obratlovců také je využíváno hmyzem. Z těchto 9 (rovněž jako u obratlovců) nemůže být konvertováno z jiných – esenciální. Musejí být v potravě. Bílkoviny jsou především stavebními látkami svalů, žlaz a jiných tkání. Mohou být transportovány z jednoho orgánu do druhého. Např. u královny termitů nebo mravenců slouží bílkoviny létací svaloviny, která se již stala nepotřebnou, při zrání gonád na jejich výstavbu. Mimoto se část bílkovin ukládá v tukovém tělese, kde mohou být zčásti deaminovány a převedeny na sacharidy či tuky nebo využity k získání energie. Výrazný osmotický příspěvek hemolymfě, lipoforiny, vitelogeniny, imunitní, glutamát jako palivo Moucha Tse-tse Prolin jako palivo start, ale i pro trvalý let Prolinová dráha funguje jako shuttle dopravující 2 uhlíkaté jednotky z tukového tělesa do svalů k metabolizování. Zásobuje sval meziprodukty Krebsova cyklu. Alanin C3 Prolin C5 Metabolismus lipidů Fosfolipidy membrán, prekurzory hormonů, zdroje energie. Kutikulární lipidy, brání před vyschnutím. Pohlavní feromony odvozeny od MK, obranné sekrety, chinony, fenoly. Hlavně ve formě triacyglycerolů a většina je v tukovém tělese. Jsou velmi koncentrovanou zásobárnou energie. Ačkoliv jsou ukládány jako triacylglyceridy, dopravovány jsou hemolymfou jako diacylglyceridy. Na rozdíl od obratlovců, hmyz potřebuje externí zdroje sterolů. AKH řídí lipidový metabolismus u dlouhého letu sarančete - až přes 200 km po dobu 10 hodin. Trehalóza pro start, lipidy pro setrvalý let sarančete U většiny hmyzu (i u obratlovců) je mitochondriální membrána nepropustná pro acyl CoA. MK s CoA = fatty acid (acyl) CoA) Jak je tam dostat? Je to něco zvláštního pro bezobratlé? Vstup MK do mitochondrie umožňuje karnitin (karnitinový člunek). Karnitinový shuttle - člunek. Ten zajistí přenos mastných acyl jednotek (acyl-CoA) do mitochondrie za účelem betaoxidace a vstup acetyl-CoA do krebsova cyklu. Vstup MK do mitochondrie umožňuje karnitin (karnitinový člunek). Odbourání mastných kyselin - Beta oxidace MK se po vstupu do buňky aktivují a vzniká acyl-CoA. Po vstupu karnitinovým člunkem do mitochondrií se v matrix odbourávají B oxidací. Spirála, ze které postupně odchází aktivovaná k. octová (acetyl-CoA) a vstupuje do citrátového cyklu. Redukované koenzymy NADH vstupují do dýchacího ř. Vysoký energetický zisk. Shrnutí: Vstup 3 typů živin do Krebsova cyklu Generování energie probíhá ve třech obecných stupních u zvířat. V prvním stupni velké molekuly potravy jsou konvertovány na menší v trávicím traktu. Během této fáze žádná energie není uvolňována, ve skutečnosti může být spíše spotřebovávána v procesech syntézy potřebných enzymů. Střevo Trávení Trávení Jak se dostat k energii chemických vazeb a látkám. 4 hlavní fáze vstupu živin: přijímání a mechanické zpracování (rozmělnění), trávení, vstřebávání (resorpce) a odstranění zbytků (defekace). Jak se k potravě dostat: Proudění vody u filtrujících živočichů: svaly a řasinky Přechody mezi intra a extracelulárním trávením. Endocytóza a spolupráce s dalšími buňkami u hub, láčkovců. Zárodky extracelulárního trávení u nezmara (žlázové bb). Intracelulární trávení je fylogeneticky starší způsob štěpení živin a vyskytuje se u jednobuněčných i některých mnohobuněčných organizmů, kdy jsou drobné částice potravy fagocytovány buňkami. Vývojově pokročilejší je trávení extracelulární, kdy se do trávicí dutiny vylučují enzymy štěpící živiny na látky jednodušší, které se pak resorbují a dále zpracovávají. Tento způsob trávení nalézáme jako typický u vyšších bezobratlých a u obratlovců. Přechody mezi oběma typy jsou opět plynulé: už nezmar tráví do jisté míry extracelulárně a naopak u kopinatce ještě existuje i intracelulární trávení. Smíšené trávení (extra- a intracelulární) se vyskytuje např. u plžů, mlžů a ostnokožců. Těmto organizmům se vyvinula primitivní trávicí soustava, ve které žlázové buňky vylučují trávicí šťávy paralelně s buňkami specializovanými na fagocytování malých částeček (mlži tráví extracelulárně jenom polysacharidy, zatímco tuky a bílkoviny se u nich zpracovávají intracelulárně v buňkách hepatopankreatu). Celkově mají trávicí soustavy bezobratlých tyto charakteristické rysy: 1. Značně je rozšířeno intracelulární trávení. U plžů, mlžů zachováno intracelulární v hepatopankreasu za účasti fagocytů. U ostnokožců, hlavonožců a hmyzu je trávení extracelulární občas i extraintestinální. 2. Nejsou příliš zřetelně odděleny okrsky secernující od resorbujících. 3. Trávicí enzymy jsou většinou obsaženy v jediné šťávě produkované do jediného prostoru 4. Proteolytické enzymy mají pH optimum v alkalické až neutrální oblasti (tripsin, chymotripsin). 5. Obrovská různorodost podle typů potravy (parazitismus, specializace na typ potravy). 3 typy reaktorů: i) dávkový, ii) zásobníkový ( průtok substrátů a produktů – typ bachor), iii) průchozí reaktor. Optimální retenční čas – ani málo ani moc. Průtok pomocí svalových kontrakcí umožňuje přijímat i trávit zároveň. Umožňuje, aby se skupiny buněk nebo celé oddíly trávicího traktu specializovaly na dílčí trávicí funkce – zásobárna, sekrece, trávení, resorpce. Umožňuje prostorově oddělit různé pochody při trávení – kyselý proces štěpení proteinů v předním střevě od alkalického nebo neutrálního trávení – štěpení sacharidů a lipidů ve středním. Členitost a vyústění střeva souvisí se základním tělním plánem Ploutvenky – Chaetognatha Pravděpodobně nejpůvodnější střevo se dvěma otvory Od ostnokožců jsou živočichové druhoústí Mlži Filtrování suspenze žábrami. Posun potravy zajišťuje ještě i pohyb cilií spíše než svalové kontrakce. To je důležitý rozdíl, protože cilie jsou schopné třídit materiál podle velikosti a dalších vlastností. Trávení je stále hlavně intracelulární. V žaludku štíhlá želatinózní tyčinka zvaná krystalový čípek. Na jedné straně neustále obrušován, nový materiál musí vznikat v čípkovém váčku. V čípkovém váčku cilie, které udílí tyčince rotaci podél delší osy. Jednak táhne vlákno hlenu, na kterém jsou přichyceny částice potravy od úst do žaludku. Drtí částice potravy tam, kde tyčinka přiléhá a tlačí na vyztuženou žaludeční stěnu. Jak se zde materiál čípku obrušuje, uvolňují se enzymy trávící extracelulárně. Stěny žaludku jsou pokryty řasinkami, které třídí potravu a dopravují ji do různých částí žaludku, např. do slepých trávicích výběžků. Zde probíhají zásadní trávicí a resorpční procesy. Fagocytózou a pinocytózou jsou částice dopraveny do buněk výstelky a intracelulárně tráveny. Z buněk pak jdou do hemolymfy. Bizarní a nevysvětlenou zvláštností je to, že zadní střevo cestou do konečníku prochází přímo srdeční komorou! Trávicí trubice hmyzu 3 oddíly http://cronodon.com/BioTech/Insects_nutrition.html Primitivní předkové hmyzu měli 1 pár výrůstků pro chůzi na každém segmentu. Během evoluce se výrůstky ztratily nebo se modifikovaly do genitálií nebo smyslových cerků. Výrůstky na hlavě se modifikovaly, aby manipulovaly s potravou a jsou spojeny s ústy. Tak vzniká preorální dutina obklopená výrůstky ústního ústrojí. Cibarium, salivarium. U některých produkují hedvábí (bourec) a sliny jsou produkovány místo toho mandibulárními žlázami. Sliny zvlhčují ústní ústrojí a také rozpouštějí potravu. U mnoha druhů obsahují trávicí enzymy, které předtravují potravu, než je trávena ve střevě. Běžně je tu amyláza, která štěpí škrob a invertáza která konvertuje sacharózu na Glc a Frc. Karnivorní druhy mohou ve slinách produkovat proteázy a chitinázy. Mnoho predátorů vstřikuje sliny do jejich hostitelů a potom sají rozpuštěné tkáně – extraintenstinální tr. Sliny mohou také obsahovat toxiny, které působí na NS a paralyzují kořist. U krev sajících druhů obsahují antikoagulační substance. Sliny některých herbivorních hemipter tuhnou do obalu, který se vytváří kolem bodce a brání prosakování a úniku rostlinných šťáv. Pharynx je první částí předního střeva a může být modifikován dilatačními svaly a sajícího hmyzu – jako pumpa pro sání tekutin. Oesophagus - jednoduchá trubice, ale může být opatřena voletem na uskladnění potravy. Receptory mohou determinovat obsah a kam potrava odchází. Cukry zůstávají ve voleti (ingluvies), a pomalu posílány do střeva, zatímco proteiny jdou přímo. Kutikulární výstelka volete limituje jeho absorpci a funguje hlavně jako rezervoár, ale je permeabilní k některým tukům z potravy. Absorpce je malá, trávení tu ale je, protože působí sliny. Trávicí trubice hmyzu Detail volete Trávicí trubice hmyzu Variace podle typu potravy Hmyz je schopen se vyživovat prakticky jakýmkoliv způsobem na jakémkoliv substrátu. Je to asi jeden z hlavních faktorů jejich úspěchu. Je tedy mnoho typů trávicího aparátu – není a nemůže být typický trávicí trakt. Užitečné však může být rozdělení podle frekvence přijímání – jestli kontinuálně nebo nárazově. Predátoři nebo karnivorní, komáři, ploštice, mají dlouhé přestávky a jejich trávicí trakt je modifikován pro uskladňování. Mnoho fytofágních stádií a druhů jako jsou housenky se krmí kontinuálně a jejich střevo je uzpůsobeno pro absorpci a zpracování potravy. Puklice, cikády – filtrační aparát kvůli přebytku vody a cukrů, voda neředí hemolymfu http://www.cnsweb.org/extra/digestvertebrate s/WWWEdStevensCDEvolution.html Další modifikace - Fermentační komory střeva hmyzu V různých oddílech – endosymbionti doplňují chybějící enzymatickou výbavu, vitaminy. Střední střevo je místem trávení i resorpce zároveň. Řada trávicích enzymů je do něj vylučována a pH se udržuje kolem neutrální reakce. Céky pomáhají resorpci nebo také hostí mikrobiální symbionty. Malpigické trubice na rozhraní středního a zadního střeva spojují trávicí soustavu s vylučovací. Hlavní funkcí hepatopankreasu je produkovat enzymy, které vstupují do střeva. Také zde ale probíhá trávení a resorpce. Kromě toho jsou zde ukládány glykogen a lipidy, toxiny rozkládány. Střední střevo Hmyz a korýši Střední střevo Obsahuje nejméně 4 typy buněk v jednovrstevném epitelu. Všechny jsou entodermální a nemají kutikulární vrstvu. Nejpočetnější jsou cylindrické enterocyty a jejich povrch na straně lumen je opatřen mikrovilli a četnými záhyby, čímž zvětšují povrch pro sekreci a absorpci. Obsahují sít ER, která je nezbytná pro produkci trávicích enzymů. Mají limitovanou životnost a nové se tvoří z regenerativních bb. Pohárkové bb transportují K do lumen z hemolymfy. Tento pohyb iontů může být důležitý pro pohyb vody ve střevě, který je nezbytný pro absorpci živin. Zajišťuje také alkalické pH ve střevě (až pH 12 u housenek motýlů). Kromě toho je tu řada endokrinních buněk . Vyhodnocují složení potravy a posílají informaci dalším bb. endokrinní dráhy. Nalezen inzulín, somatostatin, glukagon, endorfin a další, význam ne zcela prozkoumaný. Střední střevo Epitel tvořen jednou vrstvou buněk: kmenové buňky střeva (ISC), enteroblasty (EB), enteroendokrinní buňky (EEC) a enterocyty (EE). Motilita - svalové vrstvy ve stěně. EEs na apikální membráně kartáčový okraj z mikrovilů, produkují a uvolňují trávicí enzymy, vstřebávají natrávené konečné produkty z lumen středního střeva. Střední střevo také syntetizuje peritrofickou membránu (PM). PM rozděluje střední střevo na endo- a ektoperitrofický prostor, čímž vzniká prostorové uspořádání trávení, kdy k počátečnímu trávení makroživin dochází v endoperitrofickém prostoru a k asimilaci konečných produktů trávení v ektoperitrofickém prostoru Céky a kompartmentalizované trávení. Na začátku ss mohou být spojeny s mechanismy detoxifikace potravy, které umožňují trávit rostlinné pletiva s metabolity a toxiny. Nemají výstelku. Je zde do lumen střeva produkována peritrofická membrána, tvořená ze sítě chitinových mikrovláken glykoproteinové matrix. Per. mem. má póry a je propustná pro některé enzymy a produkty trávení. Selektivní permeabilita vytváří kompartmentaci trávicího prostoru na: endoperitrofický prostor a ektoperitrofický prostor mezi střevní stěnou a pm. Tyto kompartmenty mohou také pomáhat cékám v udržování protiproudého vodního toku a oddělení trávicích enzymů na úseky. Tekutina nesoucí produkty trávení se pohybuje kraniálně jako výsledek resorpce, která běží v cékách. Pm může taky sloužit jako bariéra proti parazitům. Její nepropustnost brání hmyz proti toxinům. Circular muscle, secretory cells, stem cells, absorptive cells Koloběh vody a látek – spolupráce trávicích a vylučovacích pochodů Přední část středního střeva obsahuje výběžky – gastrické céky. Zvětšují povrch pro sekreci a absorpci a vytvářejí protiproudý tok vody ve střevě díky absorpci iontů (K+) vytvářející proud vody do hemolymfy. Voda teče kolem peritrofické membrány kraniálně, zatímco trávenina postupuje kaudálně. Trvalý gradient pro difúzi produktů trávení a pro resorbci, zatímco pevné, dosud nestrávené části jdou směrem dál – kaudálně. http://what-when-how.com/insects/digestive-system-insects/ Přijatá potrava smíšená se slinami prochází primárním trávením ve voleti a ve středním střevě je dále trávena a absorbována. Proteinové, lipidové i sacharidové trávení je ve ss, pH lehce kyselé až zásadité. Přední část zadního střeva je někdy adaptována jako fermentační komora, kde je alkalické pH, což zvýhodňuje přežívání populací mikroorganismů. Rektum odstraňuje vodu z výkalů a vznikají vysušené granule. Pevná potrava vyžaduje asi 20 hodin na průchod. Trávicí enzymy Podobné jako u obratlovců. U některých druhů hmyzu specializovaných na určitý druh potravy se setkáváme i s dalšími enzymy. Např. u larev Lucilia živících se masem se setkáváme s kolagenázou, která v alkalickém prostředí rozrušuje pojivovou tkáň obsahující kolagen. Mol šatní, Tineola bisselliella může trávit keratin, v jeho střevě existuje silný redukující systém, který umožňuje účinné rozštěpení S-S můstků, které spojují navzájem dlouhé polypeptidické řetězce. Za přístupu vzduchu nemůže štěpení keratinu probíhat. Vosk jako potrava: Galleria může trávit svými enzymy všechny složky včelího vosku kromě parafinů. Do značné míry štěpení vosku umožňují baktérie ve střevě. Pro savce je vosk nestravitelný, protože lipáza na něj nemá účinek. Výživa rostlinnou stravou je považována za pokročilejší specializaci. Hmyz žijící výhradně na rostlinách získává suboptimální hladiny živin a musí zpracovat obrovské objemy, aby získal dost nezbytných složek. Trávení až ve středním střevě – endoperitrofickém prostoru. Délka střeva větší než tělo, pH je vysoké. Alkalické podmínky chrání před toxiny v potravě. Dřevo: Enzymy, které by štěpily celulózu, nebyly u většiny fytofágů zjištěny, výjimkou jsou např. termiti – paradoxně, protože mají i symbionty (bičíkovci, nálevníci a i spirochéty). U termitů a některých švábů populace protozoí jsou usídleny v zadním střevě a tráví celulózu. Anaerobní fermentace glukózy na k. propionovou, máselnou, octovou atd. pak vede k nízkému pH. U Helix pomatia, krevet, šášně lodní není úplně jasné, jestli celuláza je ze symbiotických mikroorganismů nebo vlastní. Trávení lipidů Lipidy jsou absorbovány jako mastné kyseliny a diacylglyceridy v přední části středního střeva a v gastrických cékách. Většina lipidů u živočichů jsou triacyglyceroly, fosfolipidy a cholesterol. Ačkoliv jsou nerozpustné, musejí projít vodním prostředím. U obratlovců je to žluč z jater – činí je rozpustné ve střevě. Žádné takové emulgátory nebyly identifikovány u hmyzu. I tak jsou lipidy nejprve inkorporovány do polárních frakcí, které zvětšují jejich polárnost a možnost resorpce. Resorbují se jako monoacylglyceroly, volné MK, cholesterol aj. Proces rozložení ne moc známý. Fosfolipázy štěpí MK. Rozkládají membrány pozřených buněk a obsah je rozkládán jinými enzymy. Většina lipidických komponent v hemolymfě jsou diacylglyceroly. Jsou resyntetizovány buňkami stř. střeva z přijatých komponent před tím, než jsou uvolněny do hemolymfy. Nerozpustné ve vodě. DG jsou vázány na lipoforiny, které jim umožňují transport. AKH řídí lipidový metabolismus u dlouhého letu sarančete - až přes 200 km po dobu 10 hodin. Jak se dostat k látkám a energii organických vazeb, když ale chybí enzymatická výbava? Symbióza i s heterotrofními mikroorganismy. Některé druhy hmyzu jsou sice v produkci celuláz naprosto soběstační, ale běžněji spoléhají na mikrobiální štěpení celulózy. Nižší termiti mají v zadním střevě společenstva bičíkatých anaerobních prvoků, kteří konvertují celulózu na kyselinu octovou. Podobně chrobákovití brouci mají baktérie. Mravenci pěstují houby rozkládající listovou hmotu v jakýchsi zahrádkách využívají jejich enzymy pro trávení celulózy. Mikrobiální symbionti také produkují vitamín B, esenciální aminokyseliny nebo dokážou zabudovávat atmosferický dusík do aminokyselin. Členovci jsou výjimeční tím, že nedokážou syntetizovat prekurzory sterolů. Steroly jsou tedy pro ně esenciálními složkami potravy. Mikrobiální symbionti však steroly obstarávají. Podobně jako u krev sajících netopýrů, také členovcům sajícím krev produkty mikroorganizmů pomáhají krev trávit a brání jejímu nekontrolovanému rozkladu. Zadní střevo Zároveň s Malpigickými tubuly je primárně zaměstnáno osmoregulací Kloaka pavouků Ústí do ní malpighické trubice - propojuje vylučovací soustavu s trávicí trubicí.