Клетките са основните градивни елементи на живота, но атомите са основните градивни елементи на цялата материя, жива и нежива. Структурните елементи на атома са протони (положително заредени), неутрони (без заряд) и електрони (отрицателно заредени). Протоните и неутроните се съдържат в плътното ядро ​​на атома; по този начин ядрото има положителен заряд. Тъй като противоположностите се привличат, електроните се привличат към това ядро ​​и се движат около него в електронния облак.

Електроните съдържат енергия и тази енергия се съхранява в заряда и движението на електроните и връзките, които атомите свързват помежду си. Тази енергия обаче не винаги е стабилна, в зависимост от броя на електроните в атома. Атомите са по-стабилни, когато техните електрони орбитират по двойки. Атом с нечетен брой електрони трябва да има несдвоен електрон. В повечето случаи тези несдвоени електрони се използват за създаване на химически връзки. Химичната връзка е привлекателната сила между атомите и съдържа потенциална енергия. Чрез свързване електроните намират двойки и химикалите стават част от молекулата.

Образуването на връзки и разкъсването на връзките са химични реакции, които включват движението на електрони между атомите. Тези химични реакции протичат непрекъснато в тялото. Преди това разгледахме как глюкозата се разпада на вода и въглероден диоксид като част от клетъчното дишане. Енергията, освободена от разкъсването на тези връзки, се използва за образуване на молекули на аденозин трифосфат (АТФ). Спомнете си как по време на този процес електроните се извличат от глюкоза постепенно и се прехвърлят към други молекули. Понякога електроните „избягват“ и вместо да завършат цикъла на клетъчното дишане, се прехвърлят към кислородна молекула. Кислородът (молекула с два атома) с един несдвоен електрон е известен като супероксид (Фигура 8.2).

Атоми и молекули като супероксид, които имат несдвоени електрони, се наричат ​​свободни радикали; тези, съдържащи кислород, са по-конкретно посочени като реактивни кислородни видове. Несдвоеният електрон в свободните радикали ги дестабилизира, правейки ги силно реактивни. Други реактивни кислородни видове включват водороден прекис и хидроксилен радикал.

Фигура 8.2 Супероксид

необходимо
Изображение от DoSiDo/CC BY-SA 3.0

Молекула с един несдвоен електрон, което го прави свободен радикал.

Реактивността на свободните радикали е това, което представлява заплаха за макромолекулите като ДНК, РНК, протеини и мастни киселини. Свободните радикали могат да причинят верижни реакции, които в крайна сметка увреждат клетките. Например, супероксидна молекула може да реагира с мастна киселина и да открадне един от нейните електрони. След това мастната киселина се превръща в свободен радикал, който може да реагира с друга мастна киселина наблизо. Тъй като тази верижна реакция продължава, пропускливостта и течливостта на клетъчните мембрани се променят, протеините в клетъчните мембрани изпитват намалена активност и рецепторните протеини претърпяват промени в структурата, които или променят, или спират своята функция. Ако рецепторните протеини, предназначени да реагират на нивата на инсулин, претърпят структурна промяна, това може да повлияе отрицателно върху усвояването на глюкозата. Реакциите на свободните радикали могат да продължат без контрол, освен ако не бъдат спрени от защитен механизъм.

Общ преглед на метаболизма

За да се осигури клетъчна ефективност, метаболитните пътища, участващи в катаболизма и анаболизма, се регулират съгласувано от енергийния статус, хормоните и нивата на субстрата и крайния продукт. Съгласуваното регулиране на метаболитните пътища предпазва клетките от неефективно изграждане на молекула, когато тя вече е налична. Точно както би било неефективно да се изгради стена едновременно с разрушаването, така и метаболитно не е ефективно клетката да синтезира мастни киселини и да ги разгражда едновременно.

Катаболизмът на хранителните молекули започва, когато храната попадне в устата, тъй като ензимът слюнна амилаза инициира разграждането на нишестето в храните. Целият процес на храносмилане превръща големите полимери в храната в мономери, които могат да бъдат абсорбирани. Нишестето се разгражда до монозахариди, липидите се разграждат до мастни киселини, а протеините се разграждат до аминокиселини. Тези мономери се абсорбират в кръвния поток или директно, какъвто е случаят с монозахаридите и аминокиселините, или се препакетират в чревните клетки за транспортиране по непряк път през лимфните съдове, какъвто е случаят с повечето мастни киселини и други мастноразтворими молекули.

След като се абсорбират, водоразтворимите хранителни вещества първо пътуват до черния дроб, който контролира преминаването им в кръвта, което транспортира хранителните вещества до клетките в тялото. Мастноразтворимите хранителни вещества постепенно преминават от лимфните съдове в кръвта, която тече към клетките на тялото. Клетките, изискващи енергия или градивни елементи, поемат хранителните вещества от кръвта и ги обработват по катаболен или анаболен път. Органните системи на тялото се нуждаят от гориво и градивни елементи, за да изпълняват многобройните функции на тялото, като смилане, усвояване, дишане, изпомпване на кръв, транспортиране на хранителни вещества в и отпадъци, поддържане на телесната температура и създаване на нови клетки.

Фигура 8.3 Клетъчни метаболитни процеси

Енергийният метаболизъм се отнася по-конкретно до метаболитните пътища, които освобождават или съхраняват енергия. Някои от тях са катаболни пътища, като гликолиза (разделянето на глюкозата), β-окисление (разграждане на мастните киселини) и катаболизъм на аминокиселини. Други са анаболни пътища и включват тези, които участват в съхраняване на излишната енергия (като гликогенеза) и синтезиране на триглицериди (липогенеза). Таблица 8.1 „Метаболитни пътища“ обобщава някои от катаболните и анаболните пътища и техните функции в енергийния метаболизъм.

Таблица 8.1 Метаболитни пътища

Катаболни пътища Функция Анаболни пътища Функция
Гликолиза Разграждане на глюкозата Глюконеогенеза Синтезирайте глюкозата
Гликогенолиза Разграждане на гликоген Гликогенеза Синтезирайте гликоген
β-окисление Разграждане на мастни киселини Липогенеза Синтезирайте триглицеридите
Протеолиза Разграждане на протеини до аминокиселини Синтез на протеини Синтезирайте протеини

Катаболизъм: Разбивката

Всички клетки са в съответствие с техния енергиен баланс. Когато енергийните нива са високи, клетките изграждат молекули и когато енергийните нива са ниски, се инициират катаболни пътища за производство на енергия. Глюкозата е предпочитаният енергиен източник от повечето тъкани, но мастните киселини и аминокиселините също могат да се катаболизират, за да освободят енергия, която може да стимулира образуването на АТФ. АТФ е високоенергийна молекула, която може да предизвика химически реакции, които изискват енергия. Катаболизмът на хранителните вещества за освобождаване на енергия може да бъде разделен на три етапа, всеки от които съдържа отделни метаболитни пътища. Трите етапа на разграждане на хранителните вещества са следните:

  • Етап 1. Гликолиза за глюкоза, β-окисление за мастни киселини или аминокиселинен катаболизъм
  • Етап 2. Цикъл на лимонена киселина (или цикъл на Кребс)
  • Етап 3. Електронна транспортна верига и синтез на АТФ

Фигура 8.4 Производствен път на ATP

Разграждането на глюкозата започва с гликолиза, която е десетстепенен метаболитен път, даващ два АТФ на молекула глюкоза; гликолизата се извършва в цитозола и не се нуждае от кислород. В допълнение към АТФ, крайните продукти на гликолизата включват две тривъглеродни молекули, наречени пируват. Пируват може да бъде прехвърлен към цикъла на лимонената киселина, за да се получи повече АТФ, или да следва анаболен път. Ако клетката е в отрицателно-енергиен баланс, пируватът се транспортира до митохондриите, където за първи път се отрязва един от въглеродните атоми, като се получава ацетил-КоА. Разграждането на мастните киселини започва с катаболния път, известен като β-окисление, което се извършва в митохондриите. По този катаболен път четири ензимни стъпки последователно отстраняват двувъглеродни молекули от дълги вериги мастни киселини, като се получават ацетил-КоА молекули. В случай на аминокиселини, след като азотът бъде отстранен от аминокиселината, останалият въглероден скелет може да бъде ензимно преобразуван в ацетил-КоА или някакво друго междинно съединение от цикъла на лимонената киселина. Ацетил-КоА, двувъглеродна молекула, обща за глюкозния, липидния и протеиновия метаболизъм, влиза във втория етап на енергийния метаболизъм, цикъла на лимонената киселина.

Анаболизъм: Сградата

Енергията, освободена от катаболните пътища, задвижва анаболните пътища в изграждането на макромолекули като протеините РНК и ДНК и дори цели нови клетки и тъкани. Анаболните пътища са необходими за изграждане на нова тъкан, като мускулна, след продължително упражнение или ремоделиране на костната тъкан, процес, включващ както катаболни, така и анаболни пътища. Анаболните пътища също изграждат молекули за съхранение на енергия, като гликоген и триглицериди. Междинните продукти в катаболните пътища на енергийния метаболизъм понякога се отклоняват от производството на АТФ и вместо това се използват като градивни елементи. Това се случва, когато клетката е в положително-енергиен баланс. Например междинното съединение с лимонено-киселинен цикъл, а-кетоглутарат, може да бъде анаболно обработено до аминокиселините глутамат или глутамин, ако са необходими. Човешкото тяло е способно да синтезира единадесет от двадесетте аминокиселини, които изграждат протеини. Метаболитните пътища на синтеза на аминокиселини се инхибират от специфичната аминокиселина, която е крайният продукт на даден път. По този начин, ако клетката има достатъчно глутамин, тя изключва синтеза си.

Анаболните пътища се регулират от крайните им продукти, но още повече от енергийното състояние на клетката. Когато има достатъчно енергия, по-големи молекули, като протеин, РНК и ДНК, ще бъдат изградени според нуждите. Като алтернатива, когато енергията е недостатъчна, протеините и други молекули ще бъдат унищожени и катаболизирани, за да освободят енергия. Драматичен пример за това се наблюдава при деца с маразъм, форма на напреднал глад. Тези деца имат сериозни компрометирани телесни функции, често завършващи със смърт от инфекция. Децата с маразъм гладуват за калории и протеини, които са необходими за производството на енергия и изграждането на макромолекули. Отрицателният енергиен баланс при деца, които имат маразъм, води до разграждане на мускулната тъкан и тъканите на други органи в опита на тялото да оцелее. Голямото намаляване на мускулната тъкан кара децата с маразми да изглеждат отслабнали или „мускулно разхитени“.

Фигура 8.5 Метаболитен път на глюконеогенезата

В много по-малко тежък пример, човек също е в отрицателно-енергиен баланс между храненията. През това време нивата на кръвната захар започват да падат. За да се възстановят нивата на глюкоза в кръвта до нормалните им граници, се стимулира анаболния път, наречен глюконеогенеза. Глюконеогенезата е процес на изграждане на глюкозни молекули най-вече от определени аминокиселини и се среща предимно в черния дроб (Фигура 8.5 „Метаболитен път на глюконеогенезата“). Черният дроб изнася синтезираната глюкоза в кръвта за използване от други тъкани.

Енергиен запас

Разрешително

Храненето на човека [ОТКРИТО] от Университета на Хаваи в Mānoa Програмата за наука за храните и храненето на човека е лицензирано под Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License, освен ако не е посочено друго.