Prečo potrebujeme dýchať?

19. aug. 2019 • Prírodné vedy

Prečo potrebujeme dýchať?

Zamysleli ste sa niekedy nad otázkou, prečo potrebujeme dýchať? Jednoducho by sa dalo povedať, že dýchame preto, aby sme sa nezadusili. Čo to však znamená? Prečo nemôžeme bez dýchania žiť? Prečo sa nesmieme zadusiť? Skutočný dôvod by sme mohli zhrnúť nasledovne: Pre svoj život potrebujeme energiu a energiu získavame chemickými reakciami, v ktorých sa spotrebúva kyslík. Preto musíme dýchať.

Čo je energia a prečo ju potrebujeme

S pojmom energia sa stretávame často, avšak nie vždy vieme vysvetliť čo to je. Prírodovedci pod pojmom energia rozumejú schopnosť nejakej sústavy konať prácu. Čím viac energie sústava má, tým väčšiu prácu dokáže konať, a to dokážeme spočítať a číselne vyjadriť. Modernou jednotkou energie je jeden Joule (J), rovnaká jednotka akú používame pre vyjadrenie množstva práce. Často sa používa aj staršia jednotka – kalória (cal).

Energia môže mať viaceré formy. Jednoduchý príklad je polohová energia telesa, ktorá závisí od jeho hmotnosti a výšky nad zemou, v ktorej je umiestnené. Čím je teleso ťažšie a čím je vyššie, tým viac práce dokáže konať. Napríklad, keď ho zavesíme na kladku, umožní nám zdvihnúť iné teleso tak, že sa pritom samo spustí nižšie. Stratí tak časť svojej polohovej energie a vykoná prácu – zdvíhanie bremena.

Tým, že sme bremeno zdvihli, zvýšili sme jeho polohovú energiu práve o toľko, koľko práce naša sústava vykonala. Časť energie závažia sa premenila na iné nevyužiteľné formy energie, napríklad deformáciu závažia alebo uvoľnenie tepla pri náraze na zem. Celková energia sústavy, teda súčet polohových energií oboch telies  spolu s touto nevyužiteľnou zložkou, sa však zachovala. Dostávame k dôležitému fyzikálnemu zákonu, ktorý nazývame Zákon zachovania energie alebo Prvá veta termodynamiky. Ten  znamená, že v každej izolovanej sústave (to je taká, ktorá si nevymieňa energiu s okolím), sa celková energia zachováva. Môže prechádzať z jednej časti sústavy na inú alebo sa meniť z jednej formy na druhú, ale súčet je vždy rovnaký.


Doc. Mgr. Peter Polčic, PhD.

Inou formou energie je energia chemická, ktorá je skrytá v chemických väzbách medzi atómami v molekulách. Pri chemických reakciách, keď dochádza ku zmenám chemických väzieb, dochádza aj ku zmenám energie jednotlivých molekúl. Takáto energia, podľa toho o akú reakciu sa jedná, môže byť využitá na tvorbu nových chemických väzieb, na konanie práce alebo na tvorbu tepla.

Na to aby sme mohli žiť, potrebujeme neustály prísun energie. Ak sa chceme hýbať, napríklad športovať, potrebujeme energiu, ktorú premeníme na mechanickú prácu – pohyb nášho tela. Dosť energie však potrebujeme aj keď nič nerobíme a ležíme na gauči. Potrebujeme poháňať svaly, ktoré nás udržujú pri živote, napríklad srdce. Potrebujeme poháňať mozog a nervy, ktoré pracujú aj keď o tom nevieme. Potrebujeme, aby naše bunky udržiavali chemické reakcie, v ktorých sa tvoria zlúčeniny, potrebné pre všetky biologické funkcie nášho tela. Tieto reakcie obvykle energiu potrebujú.

Ako naše telo získava energiu 

Ako je to v našom tele zariadené? Ak si situáciu trochu zjednodušíme, môžeme chemické reakcie v našich bunkách rozdeliť na také, v ktorých sa rozkladajú živiny prijímané potravou, napríklad cukry a tuky. Z týchto reakcií získavame energiu – nazývame ich katabolické reakcie. Energiu, ktorú takto získame, potom potrebujeme pre anabolické reakcie, teda také, v ktorých z jednoduchých látok tvoríme zložitejšie látky, napríklad látky, z ktorých sú zložené naše bunky.

Okrem tvorby chemických látok túto energiu využívame na poháňanie rôznych telesných funkcií, napríklad činnosti mozgu, všetkých orgánov a pohyb. Na to, aby energia získaná z katabolických reakcií mohla byť použitá na ktorýkoľvek z týchto účelov, využívajú bunky veľmi dobrú stratégiu. Pri katabolických reakciách energiu investujú do tvorby špeciálnej chemickej zlúčeniny – adenozíntrifosfátu (ATP). Tvoria ho z adenozíndifosfátu (ADP) pripojením jedného zvyšku kyseliny fosforečnej. Na poháňanie prakticky všetkých procesov, ktoré energiu spotrebovávajú, využíva ATP ako „palivo“. Toto „palivo“ procesom odovzdá energiu a samo sa pritom vyčerpá – rozloží sa naspäť na ADP a zvyšok kyseliny fosforečnej.

Doc. Mgr. Peter Polčic, PhD., prednášal na DUK 2019

Doc. Mgr. Peter Polčic, PhD., prednášal na DUK 2019

Denne človek spotrebuje približne toľko ATP koľko sám váži. Pochopiteľne, naše telá nemôžu nosiť takú obrovskú zásobu ATP. V skutočnosti ho máme, podľa toho akí sme veľkí, asi 100 – 200 g. Teda ani nie toľko, čo priemerne spotrebujeme za 3 minúty. Znamená to, že ho musíme neustále obnovovať a používať dokola. Preto potrebujeme odbúravať živiny a obnovovať zásobu ATP.

Akú úlohu v tom hrá dýchanie a kyslík

Čo to má spoločné s dýchaním? Veľa. Na to, aby sme z potravy získali čo najviac energie, rozkladáme ju v chemických reakciách, ktoré spotrebovávajú kyslík. Takto z nich dokážeme získať toľko energie, ako keby sme ich spálili v ohni. Kým pri spaľovaní v ohni by sme energiu z týchto látok uvoľnili ako teplo, v katabolických reakciách v našich bunkách sú premieňané postupne v slede chemických reakcií, ktoré nám túto energiu umožnia využiť na tvorbu ATP. Ak ich budete spaľovať v ohni, a zabránite prístupu kyslíka, napríklad tak, že ich zakryjete, oheň udusíte, reakcia neprebehne a žiadne teplo sa neuvoľní.

Podobne tomu bude aj v našich bunkách. Ak zjete Horalku, ktorej energetická hodnota je, podľa obalu, 1128 kJ alebo 270 kcal, na to, aby ste túto energiu získali odbúraním v bunkách, potrebujete okrem Horalky aj kyslík. Za prítomnosti kyslíka sa cukry a tuky v Horalke chemicky premenia na oxid uhličitý, ktorý vydychujeme.

Ako to funguje na prípade odbúrania cukru? Cukor sa v cytoplazme v našich bunkách postupnosťou chemických reakcií premení na kyselinu pyrohroznovú. Pre získavanie energie, teda tvorbu ATP, sú dôležité hlavne tie chemické reakcie, pri ktorých si látky vymieňajú elektróny – nazývame ich oxidačno-redukčné reakcie. Takýchto reakcií pri premene cukru na kyselinu pyrohroznovú nie je veľa. Z jednej spotrebovanej molekuly cukru glukózy v tomto procese získame iba 2 molekuly ATP. Táto časť odbúrania glukózy zatiaľ nevyžaduje kyslík. Preto odbúranie cukru takto prebieha v bunkách našich svalov, keď sa namáhame, zadýchame a nestíhame sval zásobovať kyslíkom. Kyselina pyrohroznová nemôže vstúpiť do ďalšej fázy odbúrania, ktorá už kyslík vyžaduje, a premení sa na kyselinu mliečnu. Sval sa vtedy unaví a nemôže pokračovať v námahe, lebo nestíha tvoriť dostatok ATP, ktorý potrebuje pre svoju činnosť.

V prípade, že kyslíka máme dosť, kyselina pyrohroznová prechádza do mitochondrií. Mitochondrie sú bunkové organely, ktorých dôležitou úlohou je práve premena energie a tvorba ATP. Preto ich niekedy prirovnávame k bunkovým elektrárňam. V mitochondriách chemické premeny pokračujú, až kým sa kyselina pyrohroznová nepremení na oxid uhličitý. Tu je oxidačno-redukčných reakcií viac. Elektróny sa pri nich postupne prenášajú na kyslík, preto bez neho tieto reakcie prebiehať nemôžu. Prenos elektrónov na kyslík, z ktorého takto vzniká voda, zabezpečuje sústava enzýmov – zložitých bielkovinových komplexov, ktoré sa nachádzajú v membráne mitochondrií a spolu ich nazývame dýchací reťazec.

Doc. Peter Polčic podpisuje indexy poslucháčom DUK 2019

Doc. Peter Polčic podpisuje indexy poslucháčom DUK 2019

Prenos elektrónov dýchacím reťazcom poháňa tvorbu ATP, ktorú zabezpečuje ďalší enzýmový komplex uložený v rovnakej membráne – ATP syntáza. Spôsob akým dýchací reťazec a ATP syntáza spolupracujú na tvorbe ATP je veľmi zaujímavý a pripomína stroje, aké v rôznych situáciách používajú ľudia. Aj komplexy dýchacieho reťazca aj ATP syntáza sa nachádzajú v membráne mitochondrií. Dýchací reťazec funguje ako sústava púmp, ktoré, ak prenášajú elektróny na kyslík, zároveň pumpujú protóny cez membránu. Premieňajú tým energiu chemickej reakcie – prenosu elektrónov, na potenciálnu energiu, podobne ako keby sme vynášali bremeno do výšky.

Membrána je pre protóny nepriepustná, nachádza sa v nej však ATP syntáza, ktorá je konštruovaná tak, že protóny cez ňu môžu pretekať naspäť. Ako keď bremeno kladkou spúšťame. Roztáčajú pritom časť ATP syntázy a tým poháňajú tvorbu ATP. Takýmto spôsobom sa pri odbúraní jednej molekuly glukózy získa až 38 molekúl ATP. To je oveľa viac ako 2 molekuly, ktoré získame bez kyslíka. A to už je aj dosť na to, aby sme mohli poháňať všetky funkcie, ktoré potrebujeme pre život.

Zhrnutie

Na zabezpečenie všetkých životných funkcií potrebujeme energiu. Jednou z hlavných foriem energie, ktorú dokážeme využiť na poháňanie týchto funkcií je energia v chemických väzbách molekúl adenozíntrifosfátu (ATP). Energiu na tvorbu adenozíntrifosfátu získavame odbúraním živín, hlavne cukrov a tukov. Pre ich účinné odbúranie, ktoré nám umožňuje vyťažiť z nich čo najviac energie, potrebujeme kyslík. To je dôvod, prečo potrebujeme dýchať.

S prednáškou na tému „Prečo potrebujeme dýchať?" vystúpil doc. Mgr. Peter Polčic, PhD., z Prírodovedeckej fakulty Univerzity Komenského v Bratislave, na Detskej Univerzite Komenského 2019.

Doc. Mgr. Peter Polčic, PhD. Doc. Mgr. Peter Polčic, PhD. (1973), je vysokoškolský pedagóg na Katedre biochémie Prírodovedeckej fakulty Univerzity Komenského v Bratislave. Narodil sa v Bratislave. Po absolvovaní Strednej priemyselnej školy chemickej v Bratislave (1988 – 1991) pokračoval v magisterskom štúdiu (1991 – 1996) a neskôr v doktorandskom štúdiu (1996 – 2001) biochémie na Prírodovedeckej fakulte UK. Po ukončení štúdia absolvoval postdoktorandský pobyt na Vollum Institute, Oregon Health & Science University, Portland, OR, USA (2001 – 2004), kde sa venoval modelovaniu niektorých krokov cicavčej programovanej bunkovej smrti v kvasinkových bunkách. Od svojho návratu na Slovensko pôsobí na Katedre biochémie Prírodovedeckej fakulty UK v Bratislave. V súčasnosti sa odborne zaujíma o transport látok cez membrány mitochondrií a o úlohu mitochondrií v procese programovanej bunkovej smrti.

V poradí 6. prednáška na tohoročnej Detskej Univerzite Komenského sa uskutočnila dňa 7. augusta 2019 v Divadle Aréna v Bratislave.

 

Redigovala a uverejnila: Marta Bartošovičová, NCP VaT pri CVTI SR

Zdroj: http://www.dukonline.sk/2019_prednaska_6

Fotozdroj: https://duk.sk/sk/fotogaleria

Súvisiace:

Hore
Prechod VK na VND - jeseň
výtvarná súťaž TVT 2019
Veda v Centre
Publikácie Veda v CENTRE
kúpa časopisov jún 2016
fotografická súťaž TVT 2019
Noc výskumníkov 2019
QUARK
Aurelium - centrum vedy
TVT 2019
TAG Slovenská veda
banner záhrady
Agrofilm 2019
Zaujímavosti vo vede
Šálku čaju je možné uvariť aj šliapaním na bicykli
Zistite viac