Dýchanie je jednou z esenciálnych fyziologických funkcií organizmu, pričom je závislé v prvom rade od prístupu ku kyslíku. Nie každému je však známe, akú rolu kyslík v organizme zohráva, a to predovšetkým na bunkovej úrovni.
Úloha kyslíka v bunkovom dýchaní
Objem spotrebovaného kyslíka je charakteristický pre každého jednotlivca a závisí od zdravotného stavu, genetickej výbavy, ale aj od fyzickej zdatnosti. Vysoko výkonní športovci, dokonca aj pravidelne fyzicky aktívny ľudia dokážu efektívnejšie využiť vdýchnutý kyslík, ktorý sa na proteínových nosičoch dostane z pľúc cez krv do buniek. Takmer všetky bunky tela, až na pár výnimiek, obsahujú vo svojom vnútri ďalšie štruktúry ako jadro, proteosyntetický aparát alebo mitochondrie. Práve mitochondrie sú zodpovedné za spotrebu kyslíka v bunke a možno ich označiť za energetické továrne. V bunke sa energia vytvára (premieňa) najmä v mitochondriách, v procese, ktorý zahŕňa aj dýchanie. Sled týchto reakcii sa odohráva na vnútornej membráne mitochondrií (Obr. 1) a sú zaň zodpovedné rôzne membránové enzýmy – komplexy proteínov, ktoré katalyzujú biochemické reakcie. Samotný kyslík však v tejto dráhe zohráva až druhotnú úlohu.
Obr. 1: Mitochondria v bunke – na vnútornej membráne mitochondrie prebieha oxidatív
na fosforylácia, ktorej súčasťou je aj bunkový dýchací reťazec.
Po rozklade substrátov na ich jednoduchšie formy sa energia do dýchacieho reťazca prenáša pomocou koenzýmov – zjednodušene povedané, energia z jedla zachytená po jeho zjedení a natrávení, prípadne z energetických zásob tela, je určená najmä pre mitochondrie. Ak teda koenzýmy poskytnú dostatok energie pre dýchací reťazec, môže fungovať aj premena energie z „jedla“ do bunkou využiteľnej energetickej formy. Tu prichádza na rad kyslík, ktorý je zodpovedný za obnovu týchto koenzýmov. Vďaka kyslíku môžu koenzýmy odovzdať energiu a byť využité ďalej na prenos energie, pričom sa z kyslíka vytvára voda.
Meranie respirácie (dýchania) kostrového svalu
Lekárska fakulta Univerzity Komenského v Bratislave, ako jediná na Slovensku, vlastní unikátny prístroj, ktorý zmeria spotrebu kyslíka len v 2 až 3 mg svalových vlákien. Zariadenie bolo zostrojené rakúskou firmou Oroboros Instruments, ktorá oxygraf (Obr.4) postupne zdokonaľuje. Techniku vysoko rozlišovacej respirometrie (High-Resolution Respirometry) ho možno používať nielen vo výskume, ale aj v diagnostike.
V prvom rade všetko začína svalovou biopsiou, kedy sa zo stehna (m. vastus lateralis) pomocou dutej ihly, pod lokálnou anestéziou odoberie kúsok svalu, približne 5 – 10 mg (Obr. 2). Sval v miske potom už rozdelíme na jednotlivé vlákenká (Obr. 3). Takto pripravené svalové vlákenka sú dostupnejšie pre látky (substráty), ktoré slúžia ako zdroj energie pre mitochondrie. Ide o rovnaké chemické zlúčeniny, aké nájdeme aj v dráhach metabolizmu glukózy (cukrov) alebo triacylglycerolov (tukov). Následne je sval pripravený na meranie, pričom spotrebu kyslíka v mitochondriách dokážeme sledovať tak, že pridávaním substrátov napodobňujeme prísun energie z jedla alebo energetických zásob
Obr. 2: Kúsok kostrového svalu po svalovej biopsii (m. vastus lateralis)
Obr. 3: Sval pripravený pre meranie na oxygrafe – rozdelenie svalu na jednotlivé vlákna, ktoré sú tak dostupnejšie pre pridané substráty
Ako funguje meranie respirácie svalu
Ako už bolo spomenuté, počas práce mitochondrií sa spotrebúva kyslík. Prístroj kontinuálne meria jeho množstvo v izolovanej komôrke so svalovým vláknom. Po pridaní substrátov sa prinesie energia pre mitochondrie a ich dýchací reťazec, čo následne vedie k spotrebe kyslíka. Správnym množstvom a poradím substrátov dokážeme merať rôzny stav mitochondrií, kedy sú zapojené jednotlivé enzýmové komplexy alebo kapacita premeny energie na bunkou využiteľnú formu. Rozsah spotrebovaného kyslíka po pridaní substrátu potom odráža fakt s akou efektivitou vie dýchací reťazec využiť ponúknutý zdroj energie, resp. jej objem, či už po zjedení cukrov alebo tukov. Práve pridanie vždy presného množstva substrátu nám umožní porovnať dýchanie mitochondrií medzi zdravým alebo chorým pacientom či jedincom so sedavým spôsobom života a fyzicky zdatným človekom. Zdravotné riziká ako inzulínová rezistencia, porucha glukózového metabolizmu (pre-diabetes) či obezita majú úzky súvis s mitochondriálnou respiráciou, pričom pravidelné cvičenie zlepšuje oboje – aj dýchanie mitochondrií aj metabolické komplikácie, čo poukazuje na ich úzky súvis.
Informácie a foto poskytol: Michal Nemec, Biomedicínske centrum SAV
——————————————————————-
Autor článku študoval na Gymnáziu F. V. Sasinka v Skalici, odkiaľ jeho kroky viedli na Prírodovedeckú fakultu UK v Bratislave, kde úspešne absolvoval bakalársky aj magisterský stupeň štúdia v odbore Biochémia. Momentálne je PhD. študentom na Ústave experimentálnej endokrinológie Biomedicínskeho centra SAV. Jeho práca sa tu zameriava na štúdium kostrového svalstva (najmä jeho mitochondrií) v spojení s fyzickou ne/aktivitou či rôznymi ochoreniami metabolizmu alebo neurokognície. Vo voľnom čase sa venuje futbalu, gitare či turistike.
Redigovali: ZVČ a MI
Uverejnila: Mária Izakovičová, NCP VaT pri CVTI SR