Огляд анатомії та фізіології метаболічних реакцій II

Наприкінці цього розділу ви зможете:

Опишіть процес розщеплення полімерів на мономери
Опишіть процес, за допомогою якого мономери об’єднують у полімери
Обговоріть роль АТФ у метаболізмі
Поясніть реакції окислення-відновлення
Опишіть гормони, що регулюють анаболічні та катаболічні реакції

В організмі постійно відбуваються обмінні процеси. Обмін речовин - це сума всіх хімічних реакцій, які беруть участь у катаболізмі та анаболізмі. Реакції, що регулюють розщеплення їжі для отримання енергії, називаються катаболічними реакціями. І навпаки, анаболічні реакції використовують енергію, що виробляється катаболічними реакціями, для синтезу більших молекул з менших, наприклад, коли організм утворює білки, пов’язуючи амінокислоти. Обидва набори реакцій є критично важливими для збереження життя.

Оскільки катаболічні реакції виробляють енергію, а анаболічні реакції використовують енергію, в ідеалі використання енергії врівноважує вироблену енергію. Якщо зміна чистої енергії позитивне (катаболічні реакції виділяють більше енергії, ніж використовують анаболічні реакції), тоді організм накопичує надлишок енергії, будуючи молекули жиру для тривалого зберігання. З іншого боку, якщо зміна чистої енергії є негативною (катаболічні реакції виділяють менше енергії, ніж анаболічні реакції), організм використовує накопичену енергію, щоб компенсувати дефіцит енергії, що виділяється катаболізмом.

Катаболічні реакції

Катаболічні реакції розщеплюють великі органічні молекули на менші молекули, виділяючи енергію, що міститься в хімічних зв’язках. Ці викиди енергії (перетворення) не є на 100 відсотків ефективними. Кількість виділеної енергії менше загальної кількості, що міститься в молекулі. Приблизно 40 відсотків енергії, отриманої внаслідок катаболічних реакцій, безпосередньо передається молекулі високої енергії аденозинтрифосфату (АТФ). АТФ, енергетична валюта клітин, може бути негайно використана для живлення молекулярних машин, що підтримують функцію клітин, тканин та органів. Це включає побудову нової тканини та відновлення пошкодженої тканини. АТФ також можна зберігати для задоволення майбутніх потреб у енергії. Решта 60 відсотків енергії, що виділяється внаслідок катаболічних реакцій, віддається у вигляді тепла, яке тканини та рідини організму поглинають.

Структурно молекули АТФ складаються з аденіну, рибози та трьох фосфатних груп. Хімічний зв’язок між другою та третьою фосфатними групами, який називають високоенергетичним зв’язком, є найбільшим джерелом енергії в клітині. Це перший зв’язок, який катаболічні ферменти розриваються, коли клітинам для роботи потрібна енергія. Продуктами цієї реакції є молекула аденозиндифосфату (АДФ) та одинока фосфатна група (Пі). АТФ, АДФ та Пі постійно циклічні через реакції, що створюють АТФ та накопичують енергію, та реакції, що розщеплюють АТФ та виділяють енергію.

Малюнок 1. Аденозинтрифосфат (АТФ) є енергетичною молекулою клітини. Під час катаболічних реакцій створюється АТФ і енергія накопичується до тих пір, поки не буде необхідна анаболічна реакція.

Енергія АТФ керує усіма функціями організму, такими як скорочення м’язів, підтримка електричного потенціалу нервових клітин та поглинання їжі в шлунково-кишковому тракті. Метаболічні реакції, що продукують АТФ, походять з різних джерел.

Малюнок 2. Під час катаболічних реакцій білки розщеплюються на амінокислоти, ліпіди - на жирні кислоти, а полісахариди - на моносахариди. Потім ці будівельні блоки використовуються для синтезу молекул в анаболічних реакціях.

З чотирьох основних високомолекулярних груп (вуглеводи, ліпіди, білки та нуклеїнові кислоти), які переробляються травленням, вуглеводи вважаються найпоширенішим джерелом енергії для живлення організму. Вони набувають форми або складних вуглеводів, полісахаридів, таких як крохмаль та глікоген, або простих цукрів (моносахаридів), таких як глюкоза та фруктоза. Катаболізм цукру розщеплює полісахариди на окремі моносахариди. Серед моносахаридів глюкоза є найпоширенішим паливом для вироблення АТФ у клітинах, і як такий існує ряд ендокринних механізмів контролю для регулювання концентрації глюкози в крові. Надлишок глюкози або зберігається як запас енергії в печінці та скелетних м’язах як складний полімерний глікоген, або він перетворюється в жир (тригліцерид) в жирових клітинах (адипоцитах).

Серед ліпідів (жирів) тригліцериди найчастіше використовуються для отримання енергії через метаболічний процес, який називається β-окисленням. Приблизно половина надлишку жиру зберігається в адипоцитах, які накопичуються в підшкірній клітковині під шкірою, тоді як решта зберігається в адипоцитах в інших тканинах та органах.

Білки, які є полімерами, можуть розщеплюватися на їх мономери, окремі амінокислоти. Амінокислоти можуть бути використані як будівельні блоки нових білків або розщеплені далі для виробництва АТФ. Коли хтось хронічно голодує, це використання амінокислот для виробництва енергії може призвести до втрати організму, оскільки все більше і більше білків розщеплюються.

Нуклеїнові кислоти присутні в більшості продуктів, які ви їсте. Під час травлення нуклеїнові кислоти, включаючи ДНК та різні РНК, розщеплюються на складові їх нуклеотиди. Ці нуклеотиди легко поглинаються і транспортуються по всьому тілу для використання окремими клітинами під час метаболізму нуклеїнових кислот.

Анаболічні реакції

На відміну від катаболічних реакцій, анаболічні реакції передбачають з’єднання менших молекул у більші. Анаболічні реакції поєднують моносахариди з полісахаридами, жирні кислоти - тригліцериди, амінокислоти - білки, нуклеотиди - нуклеїнові кислоти. Ці процеси вимагають енергії у вигляді молекул АТФ, що утворюються внаслідок катаболічних реакцій. Анаболічні реакції, також звані реакції біосинтезу, створюють нові молекули, які утворюють нові клітини та тканини, та оживляють органи.