Până la sfârșitul acestei secțiuni, veți putea:

  • Descrieți procesul prin care polimerii sunt descompuși în monomeri
  • Descrieți procesul prin care monomerii sunt combinați în polimeri
  • Discutați despre rolul ATP în metabolism
  • Explicați reacțiile de oxidare-reducere
  • Descrieți hormonii care reglează reacțiile anabolice și catabolice

Procesele metabolice au loc în mod constant în organism. Metabolism este suma tuturor reacțiilor chimice care sunt implicate în catabolism și anabolism. Reacțiile care guvernează defalcarea alimentelor pentru a obține energie se numesc reacții catabolice. În schimb, reacțiile anabolice utilizează energia produsă de reacțiile catabolice pentru a sintetiza molecule mai mari din cele mai mici, cum ar fi atunci când corpul formează proteine ​​prin înșirarea aminoacizilor. Ambele seturi de reacții sunt esențiale pentru menținerea vieții.

Deoarece reacțiile catabolice produc energie, iar reacțiile anabolice folosesc energie, în mod ideal, utilizarea energiei ar echilibra energia produsă. Dacă schimbarea energiei nete este pozitivă (reacțiile catabolice eliberează mai multă energie decât folosesc reacțiile anabolice), atunci corpul stochează excesul de energie construind molecule de grăsime pentru stocare pe termen lung. Pe de altă parte, dacă schimbarea energiei nete este negativă (reacțiile catabolice eliberează mai puțină energie decât folosesc reacțiile anabolice), organismul folosește energia stocată pentru a compensa deficiența energiei eliberate de catabolism.

Reacții catabolice

Reacții catabolice descompune moleculele organice mari în molecule mai mici, eliberând energia conținută în legăturile chimice. Aceste degajări de energie (conversii) nu sunt 100% eficiente. Cantitatea de energie eliberată este mai mică decât cantitatea totală conținută în moleculă. Aproximativ 40% din energia obținută din reacțiile catabolice este transferată direct la molecula cu energie ridicată adenozin trifosfat (ATP). ATP, moneda energetică a celulelor, poate fi utilizată imediat pentru alimentarea mașinilor moleculare care susțin funcția celulelor, a țesuturilor și a organelor. Aceasta include construirea de țesut nou și repararea țesutului deteriorat. ATP poate fi, de asemenea, stocat pentru a satisface cerințele de energie viitoare. Restul de 60 la sută din energia eliberată de reacțiile catabolice se degajă sub formă de căldură, pe care țesuturile și fluidele corporale o absorb.

Structural, moleculele ATP constau dintr-o adenină, o riboză și trei grupări fosfat. Legătura chimică dintre a doua și a treia grupare fosfat, denumită o legătură cu energie ridicată, reprezintă cea mai mare sursă de energie dintr-o celulă. Este prima legătură pe care enzimele catabolice se rup atunci când celulele necesită energie pentru a lucra. Produsele acestei reacții sunt o moleculă de adenozin difosfat (ADP) și o grupă de fosfat singuratic (Pi). ATP, ADP și Pi sunt în mod constant ciclate prin reacții care construiesc ATP și stochează energie și reacții care descompun ATP și eliberează energie.

prezentare

Figura 1. Adenozin trifosfatul (ATP) este molecula de energie a celulei. În timpul reacțiilor catabolice, ATP este creat și energia este stocată până când este nevoie în timpul reacțiilor anabolice.

Energia din ATP conduce toate funcțiile corpului, cum ar fi contractarea mușchilor, menținerea potențialului electric al celulelor nervoase și absorbția alimentelor în tractul gastro-intestinal. Reacțiile metabolice care produc ATP provin din diverse surse.

Figura 2. În timpul reacțiilor catabolice, proteinele sunt descompuse în aminoacizi, lipidele sunt descompuse în acizi grași, iar polizaharidele sunt descompuse în monozaharide. Aceste elemente de bază sunt apoi utilizate pentru sinteza moleculelor în reacțiile anabolice.

Dintre cele patru grupuri macromoleculare majore (carbohidrați, lipide, proteine ​​și acizi nucleici) care sunt procesate prin digestie, glucidele sunt considerate cea mai comună sursă de energie pentru alimentarea organismului. Acestea iau forma fie a glucidelor complexe, a polizaharidelor, cum ar fi amidonul și glicogenului, fie a zaharurilor simple (monozaharide), cum ar fi glucoza și fructoza. Catabolismul zahărului descompune polizaharidele în monozaharidele lor individuale. Dintre monozaharide, glucoza este cel mai frecvent combustibil pentru producerea de ATP în celule și, ca atare, există o serie de mecanisme de control endocrin pentru a regla concentrația de glucoză în fluxul sanguin. Excesul de glucoză este fie stocat ca rezervă energetică în ficat și mușchii scheletici ca polimer glicogen complex, fie este transformat în grăsimi (trigliceride) în celulele adipoase (adipocite).

Dintre lipide (grăsimi), trigliceridele sunt cel mai des utilizate pentru energie printr-un proces metabolic numit β-oxidare. Aproximativ jumătate din excesul de grăsime este depozitat în adipocite care se acumulează în țesutul subcutanat sub piele, în timp ce restul este depozitat în adipocite în alte țesuturi și organe.

Proteinele, care sunt polimeri, pot fi descompuse în monomeri, aminoacizi individuali. Aminoacizii pot fi folosiți ca blocuri de proteine ​​noi sau defalcați în continuare pentru producerea de ATP. Când cineva este înfometat cronic, această utilizare a aminoacizilor pentru producerea de energie poate duce la o irosire a corpului, deoarece tot mai multe proteine ​​sunt descompuse.

Acizii nucleici sunt prezenți în majoritatea alimentelor pe care le consumați. În timpul digestiei, acizii nucleici, inclusiv ADN-ul și diferiți ARN-uri, sunt descompuși în nucleotidele lor constitutive. Aceste nucleotide sunt ușor absorbite și transportate pe tot corpul pentru a fi utilizate de celule individuale în timpul metabolismului acidului nucleic.

Reacții anabolice

Spre deosebire de reacțiile catabolice, reacții anabolice implică îmbinarea moleculelor mai mici în cele mai mari. Reacțiile anabolice combină monozaharidele pentru a forma polizaharide, acizii grași pentru a forma trigliceride, aminoacizii pentru a forma proteine ​​și nucleotidele pentru a forma acizi nucleici. Aceste procese necesită energie sub formă de molecule de ATP generate de reacțiile catabolice. Reacții anabolice, numite și reacții de biosinteză, creează noi molecule care formează celule și țesuturi noi și revitalizează organele.

Reglarea hormonală a metabolismului

Hormonii catabolici și anabolizanți din organism ajută la reglarea proceselor metabolice. Hormoni catabolici stimulează descompunerea moleculelor și producerea de energie. Acestea includ cortizol, glucagon, adrenalină/epinefrină și citokine. Toți acești hormoni sunt mobilizați în momente specifice pentru a satisface nevoile organismului. Hormoni anabolici sunt necesare pentru sinteza moleculelor și includ hormonul de creștere, factorul de creștere asemănător insulinei, insulina, testosteronul și estrogenul. Tabelul următor sintetizează funcția fiecărui hormon catabolic, iar tabelul următor sintetizează funcțiile hormonilor anabolizanți.

Tulburări ale proceselor metabolice: sindromul Cushing și boala Addison

Așa cum ar fi de așteptat pentru un proces fiziologic fundamental, cum ar fi metabolismul, erorile sau defecțiunile în procesarea metabolică duc la o fiziopatologie sau - dacă sunt necorectate - la o stare de boală. Bolile metabolice sunt cel mai frecvent rezultatul unor proteine ​​sau enzime care funcționează defectuos, care sunt critice pentru una sau mai multe căi metabolice. Defecțiunea proteinei sau a enzimei poate fi consecința unei modificări genetice sau a unei mutații. Cu toate acestea, proteinele și enzimele care funcționează în mod normal pot avea, de asemenea, efecte dăunătoare dacă disponibilitatea lor nu este potrivită în mod corespunzător cu nevoile metabolice. De exemplu, producția excesivă de hormon cortizol dă naștere sindromului Cushing. Din punct de vedere clinic, sindromul Cushing se caracterizează prin creșterea rapidă în greutate, în special în regiunea trunchiului și a feței, depresie și anxietate. Merită menționat faptul că tumorile hipofizei care produc hormon adrenocorticotrop (ACTH), care ulterior stimulează cortexul suprarenal să elibereze cortizol excesiv, produc efecte similare. Acest mecanism indirect al supraproducției de cortizol este denumit boala Cushing.

Pacienții cu sindrom Cushing pot prezenta niveluri ridicate de glucoză în sânge și prezintă un risc crescut de a deveni obezi. De asemenea, prezintă o creștere lentă, acumularea de grăsime între umeri, mușchi slabi, dureri osoase (deoarece cortizolul determină descompunerea proteinelor pentru a produce glucoza prin gluconeogeneză) și oboseală. Alte simptome includ transpirația excesivă (hiperhidroză), dilatarea capilară și subțierea pielii, ceea ce poate duce la vânătăi ușoare. Tratamentele pentru sindromul Cushing sunt concentrate pe reducerea nivelurilor excesive de cortizol. În funcție de cauza excesului, tratamentul poate fi la fel de simplu ca întreruperea utilizării unguentelor cu cortizol. În cazurile de tumori, intervenția chirurgicală este adesea utilizată pentru a îndepărta tumora ofensatoare. În cazul în care intervenția chirurgicală este inadecvată, radioterapia poate fi utilizată pentru a reduce dimensiunea unei tumori sau ablarea porțiunilor cortexului suprarenal. În cele din urmă, sunt disponibile medicamente care pot ajuta la reglarea cantităților de cortizol.

Producția insuficientă de cortizol este la fel de problematică. Insuficiența suprarenală sau boala Addison se caracterizează prin producția redusă de cortizol din glanda suprarenală. Poate rezulta din funcționarea defectuoasă a glandelor suprarenale - acestea nu produc suficient cortizol - sau poate fi o consecință a disponibilității scăzute de ACTH din hipofiză. Pacienții cu boala Addison pot avea tensiune arterială scăzută, paloare, slăbiciune extremă, oboseală, mișcări lente sau lente, senzație de amețeală și pofte de sare din cauza pierderii de sodiu și a nivelurilor ridicate de potasiu din sânge (hiperkaliemie). Victimele pot suferi, de asemenea, de pierderea poftei de mâncare, diaree cronică, vărsături, leziuni ale gurii și o culoare a pielii neuniformă. Diagnosticul implică de obicei teste de sânge și teste imagistice ale glandelor suprarenale și pituitare. Tratamentul implică terapia de substituție cu cortizol, care de obicei trebuie continuată pe viață.

Reacții de oxidare-reducere

Reacțiile chimice care stau la baza metabolismului implică transferul de electroni de la un compus la altul prin procese catalizate de enzime. Electronii din aceste reacții provin de obicei din atomii de hidrogen, care constau dintr-un electron și un proton. O moleculă renunță la un atom de hidrogen, sub forma unui ion de hidrogen (H +) și a unui electron, rupând molecula în părți mai mici. Pierderea unui electron sau oxidare, eliberează o cantitate mică de energie; atât electronul cât și energia sunt apoi transmise unei alte molecule în procesul de reducere, sau câștigarea unui electron. Aceste două reacții se întâmplă întotdeauna împreună într-un reacție de oxidare-reducere (numită și reacție redox) - când un electron este trecut între molecule, donatorul este oxidat și receptorul este redus. Reacțiile de oxidare-reducere apar adesea într-o serie, astfel încât o moleculă care este redusă este oxidată ulterior, trecând nu numai electronul pe care tocmai l-a primit, ci și energia pe care a primit-o. Pe măsură ce seria reacțiilor progresează, se acumulează energie care este utilizată pentru a combina Pi și ADP pentru a forma ATP, molecula cu energie ridicată pe care corpul o folosește pentru combustibil.

Reacțiile de oxidare-reducere sunt catalizate de enzime care declanșează îndepărtarea atomilor de hidrogen. Coenzimele funcționează cu enzime și acceptă atomi de hidrogen. Cele mai comune două coenzime ale reacțiilor de oxidare-reducere sunt nicotinamidă adenină dinucleotidă (NAD) și flavin adenină dinucleotidă (FAD). Coenzimele lor reduse sunt NADH și FADH2, care sunt molecule care conțin energie folosite pentru a transfera energie în timpul creării ATP.

Revizuirea capitolului

Metabolismul este suma tuturor reacțiilor catabolice (descompuse) și anabolice (sinteze) din organism. Rata metabolică măsoară cantitatea de energie utilizată pentru menținerea vieții. Un organism trebuie să ingereze o cantitate suficientă de alimente pentru a-și menține rata metabolică, dacă organismul trebuie să rămână în viață pentru o perioadă foarte lungă de timp.

Reacțiile catabolice descompun molecule mai mari, cum ar fi carbohidrații, lipidele și proteinele din alimentele ingerate, în părțile lor constitutive mai mici. Acestea includ, de asemenea, defalcarea ATP, care eliberează energia necesară proceselor metabolice în toate celulele din corp.

Reacțiile anabolice sau reacțiile biosintetice sintetizează molecule mai mari din părți constitutive mai mici, folosind ATP ca sursă de energie pentru aceste reacții. Reacțiile anabolice creează masa osoasă, musculară și noi proteine, grăsimi și acizi nucleici. Reacțiile de oxidare-reducere transferă electroni peste molecule prin oxidarea unei molecule și reducerea alteia și colectarea energiei eliberate pentru a converti Pi și ADP în ATP. Erorile în metabolism modifică procesarea glucidelor, lipidelor, proteinelor și acizilor nucleici și pot duce la o serie de stări de boală.

Verificare personală

Răspundeți la întrebările de mai jos pentru a vedea cât de bine înțelegeți subiectele tratate în secțiunea anterioară.

Întrebări de gândire critică

  1. Descrieți modul în care metabolismul poate fi modificat.
  2. Descrieți cum poate fi tratată boala Addison.
  1. O creștere sau scădere a masei musculare slabe va duce la o creștere sau scădere a metabolismului.
  2. Boala Addison se caracterizează prin niveluri scăzute de cortizol. O modalitate de a trata boala este prin administrarea de cortizol pacientului.

Glosar

hormoni anabolici: hormoni care stimulează sinteza unor molecule noi, mai mari

reacții anabolice: reacții care construiesc molecule mai mici în molecule mai mari

reacții de biosinteză: reacții care creează noi molecule, numite și reacții anabolice

hormoni catabolici: hormoni care stimulează descompunerea moleculelor mai mari

reacții catabolice: reacții care descompun molecule mai mari în părțile lor constitutive

FADH2: moleculă de mare energie necesară pentru glicoliză

flavin adenină dinucleotidă (FAD): coenzima folosită pentru a produce FADH2

metabolism: suma tuturor reacțiilor catabolice și anabolice care au loc în organism

NADH: moleculă de mare energie necesară pentru glicoliză

nicotinamidă adenină dinucleotidă (NAD): coenzima folosită pentru a produce NADH

oxidare: pierderea unui electron

reacție de oxidare-reducere: (de asemenea, reacție redox) pereche de reacții în care un electron este trecut de la o moleculă la alta, oxidând una și reducând cealaltă

reducere: câștigarea unui electron