Nejmenší elektrárny

Zavalité a fazolovité nebo spíše protáhlé a uzounké. Tak i takhle můžou vypadat elektrárny. Ovšem nehledejte je na konci města či za lesem. Neoplývají ani svou monstrózností. Budete-li je chtít spatřit, je třeba se podívat mikroskopem až do nitra buněk.

Jak postuluje termodynamika, samovolně probíhají pouze děje vedoucí k neuspořádanosti systému, k chaosu. Avšak živé organizmy se vyznačují naopak tendencí utvářet hierarchické struktury, ať již jde o orgánové soustavy vyšších živočichů, tkáňové a buněčné komplexy nebo samotné molekulární soustrojí buňky. Každý takový mechanizmus jdoucí svou podstatou proti termodynamickým zákonitostem musí být zásoben energií pocházející ze zdrojů, které entropii (neuspořádanost) několikanásobně zvyšují a tím kompenzují vzniklý paradox.

NA SLUNEČNÍ POHON
Primárně pochází téměř všechna energie na Zemi ze Slunce. Následně je transformována do nepřeberného množství forem – od proměnlivosti klimatu a počasí až po fotosyntézu, kterou je rostlinami a některými bakteriemi ukládána energie fotonů do chemických vazeb. Touto elegantní reakcí je jí zajištěn dostatek, který mohou následně využít jiné organizmy bez toho, aby se musely spoléhat na Slunce. Jenže ono to není zas tak jednoduché, jak by se mohlo na první pohled zdát...
Organické molekuly bohaté na energii chemických vazeb je možno přirovnat k obrovským blokům skály. Pokud budeme chtít postavit kamenný dům, musíme nejprve rozsekat balvany na malé částečky, abychom získali zdroj pro stavbu opěrných zdí. Buňka přijímá energetické substráty ve formě podobné jakémusi velkému kusu kamene. Ovšem stejně jako zedník nemůže dostat cihly nejrozmanitějších tvarů jen úderem kladiva do kamene, tak i buňka musí štěpit organické molekuly přesně definovaným způsobem, čímž zamezí nadbytečným ztrátám.

NA CHEMICKÝ POHON
Jednotlivé atomy jsou v molekulách poutány chemickými vazbami, jejichž rozštěpením dojde k uvolnění části energie, která držela atomy při sobě. V analogii s kladivem a kamenem by šlo o zpětný ráz zachycený našimi pažemi a rozletění se kousků horniny. Buňka však postrádá mohutné svalstvo, které by utlumilo energický úder. Naopak potřebuje mechanizmy schopné uvolněnou energii převést do efektivně využitelné formy.
V buňkách probíhají děje katabolické neboli rozkladné a energie je při nich získávána. Protikladem jsou procesy anabolické, kdy jsou naopak tvořeny složité struktury a na jejich výstavbu a udržování je energie zpětně spotřebována. Jelikož jsou syntetické procesy velmi rychlé a mnohdy dochází k výstavbě složitých komplexů, musí být energie dodávána v malých balíčcích, které je možno okamžitě využít a které projdou i úzkými cestičkami bez toho, aniž by byly svou pozicí na obtíž unikátním tvarům různých bílkovin nebo DNA.

UŽITEČNÝ VETŘELEC
Tak a teď konečně k oněm slibovaným „mini“ elektrárnám. Je zřejmé, že na proces získávání energie z potravy, tj. třeba cukru (glukózy), tuku (mastných kyselin) apod., jsou kladeny docela vysoké požadavky. Existuje však mašinérie umožňující všechny tyto problémy vyřešit. Ústřední postavení v ní mají tzv. mitochondrie. Jde o fazolovité či spíše protáhlé (fazolovitý tvar na většině obrázků je experimentálním artefaktem) útvary uvnitř buněk. Jsou to jakési buňky uvnitř buněk. Obsahují totiž vlastní DNA, jsou obaleny dvěma membránami a mnoho dalších faktů svědčí o jejich původu. Totiž, dle dnes uznávané endosymbiotické teorie, byly mitochondrie původně bakterie, které v dávné minulosti osídlily vnitřní prostředí tzv. eukaryotických buněk, z nichž jsou složena těla všech organizmů mimo bakterií. Z původně parazitického vztahu se postupem doby vyvinula spolupráce natolik provázaná, že je již nemyslitelné představit si osamocenou mitochondrii nebo klasickou eukaryotickou buňku, která by tyto „parazity“ postrádala.
V čem tedy tkví pouto činící z mitochondrií neodbytnou součást buněčného aparátu? Ne že by to buňka neuměla jinak, ale díky jejich pomoci může získat mnohonásobně více energie uložené v chemických vazbách. Vezmeme-li například hroznový cukr glukózu, představující základní energetický pramen, tak po jeho vstupu do buňky dojde k jeho zpracování vcelku jednoduchým sledem několika reakcí souhrnně zvaných glykolýza. V rámci ní dojde k rozbití molekuly cukru na jednodušší látky, přičemž uvolněná energie je zabalena do dvou malých balíčků tzv. ATP, které pak dodávají energii pro průběh různých buněčných dějů. Mimoto se do jiných molekul uskladní vysokoenergetické elektrony.
Zdálo by se, že již energii máme, tak nač se snažit víc. Jenže molekuly vystupující z glykolýzy v sobě nesou ještě velký energetický potenciál a právě mitochondrie jsou schopné jeho nemalou část vytěžit. V samém nitru těchto organel jsou zbylé molekuly konečně opracovány v cyklu nazvaném dle biochemika Hanse Krebse. Výstupem jsou opět vysokoenergetické eletrony uložené v přenašečových molekulách označovaných zkratkou NADH.

MIKROPŘEČERPÁVAČKA
Unikátní struktura mitochondrií dovoluje průběh dějů, které by v buňce samotné jen stěží mohly pobíhat. Ústředním komplexem, kam směřují všechny molekuly nesoucí náklad vysokoenergetických elektronů, je soustava kanálů mezi prostory uvnitř mitochondrií oddělených tenkou blankou. Tento systém se v mnohém podobá přečerpávací elektrárně. Vzájemně izolované oblasti tvoří ony nádrže a přepážka je jakýmsi pomyslným kopcem. Jejich náplní ovšem není voda ale protony. Ve spodní nádrži jsou svázány společně v molekulách NADH s vysokoenergetickými elektrony, které poskytují energii k jejich pumpování přes bariéru, tedy v analogii s přečerpávací elektrárnou jde o nadbytečnou energii využitou k čerpání vody do horní nádrže. Výsledkem jsou pak prostředí o různém obsahu protonů. Nakonec, po naplnění horní nádrže, jsou lopatky turbíny obráceny a sytém běží nazpět, přičemž se energie potenciálu ukládá do dalších balíčků ATP, oproti prosté glykolýze jich zde ale vznikne na jednotku cukru asi 15× více. Speciální turbínou je obrovský molekulární komplex složený skutečně z rotující a statické části zvaný ATPáza.
Tento proces tvorby energie je běžně nazýván jako dýchání. Právě zde je využit kyslík, který vdechujeme. Váží se na něj totiž ony „vybité“ elektrony (předtím vysokoenergetické) a protony prošlé skrze molekulární turbínu. Jejich vzájemným sloučením vzniká notoricky známá sloučenina H2O.
Je až s podivem, co dokáže přinést soužití před tím navzájem si konkurujících organizmů. Nebýt mitochondrií, asi těžko bychom mohli spatřovat život na Zemi v takové formě, jak jej dnes známe. Bez nadsázky tak lze říct, že vstup dříve parazitických michondrií do pre-eukaryotických buněk byl jednou z největších historických událostí při vývoji živých organizmů.
Navíc hrají mitochondrie významné role v mnoha dalších dějích. Početím a dědičností počínaje a smrtí konče. Ale o tom zas někdy příště.