Totalitatea proceselor fizice și chimice ce au loc în celulă alcătuiesc metabolismul. Anabolismul (sinteza moleculelor complexe) și catabolismul (degradarea moleculelor complexe) sunt principalele componente sau căi ale metabolismului. Producerea de energie se realizează în timpul reacțiilor catabolice, iar consumarea de energie se face în timpul reacțiilor anabolice. Adenozin-trifosfatul sau ATP este energia produsă și stocată în moleculă atunci când există un nivel energetic ridicat.
Calea metabolică reprezintă o succesiune de reacții chimice în care substraturile sunt descopuse în produși finali, prin intermediul activității enzimelor. Reacțiile metabolice se desfășoară în general de-a lungul unei astfel de căi metabolice. Foarte multe dintre reacții sunt de oxidare sau de reducere.
Reacția de oxidare duce la formarea oxidatului prin cedare de electroni a substratului, iar reacția de reducere constă în acceptare de electroni cu reducerea substratului. Electronii nu pot exista în stare liberă, astfel că fiecare reacție de oxidare este însoțită de una de reducere. Reacția de oxidare poate să implice și eliminarea unui atom de hidrogen, totodată reacția de reducere poate implica acceptarea unui atom de hidrogen.
Biochimia metabolismului se bazează pe sinteza și degradarea:
Comparație între cele două componente ale metabolismului celular
Adenozin-trifosfatul (ATP) este utilizat în raport de o moleculă la o celulă atunci când cea din urmă are nevoie de energie. Această moleculă este formată din:
La momentul atașării grupului fosfat terminal de molecula ATP, aceasta conține 7,3 Kcalorii/mol (6×1023molecule). Enzima adenozin-trifosfatază scindează grupul fosfat terminal pentru eliberarea de energie și eliberează un ion fosfat. Adenozin-difosfatul (ADP) și ionul fosfat rezultă în urma scindării ATP, pe lângă eliberarea de energie.
Așa cum se încarcă o baterie, ATP-ul se poate reforma prin legarea adenozin-difosfatului și a ionului fosfat. Totuși este nevoie de energie pentru această sinteză. Respirația celulară reprezintă procesul prin care este obținută această energie de către celulă. Așadar, ATP-ul este produs prin această respirație celulară și reprezintă materia primă energetică.
Coenzimele sunt un grup de molecule organice ce sunt utilizate de către un proces intracelular complet – respirația celulară. Coenzimele reprezintă porțiuni non-proteice ale enzimelor și sunt esențiale pentru activitatea acestora. Pentru celulele umane sunt importante două coenzime:
Acestea prezintă structură asemănătoare cu ATP-ul. Producerea NAD+ necesită vitamina B3 sau niacina. Porțiunea chimic activă este reprezentată de un grup flavin conținut de FAD. Riboflavina sau vitamina B2 este necesară pentru producerea grupului flavin.
Coenzimele au proprietatea de a accepta electronii și de a îi ceda altor coenzime sau altor molecule. Reacțiile care participă sunt de oxido-reducere. Citocromii sunt pigmenți ce conțin fier și participă la aceste reacții. În cadrul lanțului transportor de electroni, coenzimele și citocromii acceptă și cedează electronii. Energia din molecule este adunată la trecerea electronilor bogați în energie printre citocromi și coenzime, aceasta fiind folosită pentru a recombina moleculele de ADP cu ionii fosfat și pentru a forma moleculele de ATP.
Chemiosmoza reprezintă un proces complex implicat în sinteza de ATP folosind energie din transportul electronilor. Între compartimentele delimitate de membrana dublă a mitocondriilor se realizează un gradient protonic puternic prin chemiosmoză. Pentru formarea acestui gradient este nevoie de un număr mare de protoni (ioni de H+) care să fie pompați între compartimentele membranare mitocondriale. Pentru pomparea protonilor se folosește energia eliberată din electroni în cursul activității sistemului de transport al electronilor. Molecula de oxigen este acceptorul final de electoni din lanțul transportor de electroni. Enzima citocrom-oxidază combină următoarele elemente pentru producerea apei:
Prin intermediul enzimei membranare ATP-sintetază, protonii se întorc în alt comportament după acumularea lor în cele mitocondriale, furnizând energia pentru a uni ADP-ul cu ionii fosfat și a forma ATP. Deoarece implică mișcarea unor compuși chimici(protoni) printr-o membrană semipermeabilă, aceasta este numită chemosmioză.
Principala glucidă disponibilă pentru a fi sursă de energie la om este glucoza. Omul mai consumă și următoarele glucide:
Toate acestea sunt transformate în glucoză sau într-un compus înrudit cu scopul de a fi folosite în metabolismul energetic. Pentru a realiza funcția de respirație celulară și a elibera energie, glucidele sunt preluate de către celulă în citoplasmă și mitocondrii și sunt descompuse. Produșii reziduali din urma acestui proces sunt dioxidul de carbon și apa. Cele patru etape ale procesului sunt:
Glicoliza transformă moleculele de glucoză în acid piruvic. Ciclul Krebs transformă moleculele de acid piruvic în continuare, rezultând energie folosită pentru formarea unor compuși cu potențial energetic ridicat așa cum este NADH. Lanțul transportor de electroni are rolul de a transporta electroni între citocromi și coenzime cu eliberare de energie, iar chemiosmoza folosește energia pentru pomparea transmembranară a protonilor și pentru furnizarea de energie pentru sinteza ATP-ului.
Fiind metabolizată printr-o cale cu mai multe etape, o moleculă de glucoză produce două molecule de acid piruvic în procesul glicolizei. Citoplasma celulei este locul în care are loc acest proces. Cel puțin nouă enzime acționează în această cale metabolică.
Folosind câte o moleculă de ATP în etapele 1 și 3 ale căii glicolitice rezultă energia necesară acestor reacții chimice. Având 6 atomi de carbon, molecula de glucoză este convertită într-un produs intermediar, rupându-se în doi compuși cu câte 3 atomi de carbon. Acidul piruvic este rezultatul transformărilor suplimentare ale celor 3 atomi de carbon și constă în două molecule de acid piruvic.
Patru molecule de ATP sunt sintetizate spre sfârșitul procesului de glicoliză folosind energia eliberată în cursul reacțiilor chimice. În urma glicolizei rezultă două molecule de ATP din cele patru sintetizate, fiindcă două au fost folosite în reacțiile chimice ale procesului.
O altă reacție chimică din procesul glicolizei produce electroni cu nivel energetic ridicat și ioni de hidrogen (H+). NADH (două molecule) este rezultatul transformării dintre transferul de ioni de hidrogen și coenzima NAD+. Mai târziu, în lanțul transportor de electroni, va fi folosită enzima redusă de NADH. Fiincă glicoliza nu necesită oxigen este considerată un proces anaerob.
În celulele musculare, în condiții anaerobe, începe transformarea enzimatică a acidului piruvic în acid lactic. NAD+ este eliberat în urma acestei reacții cu rolul de a fi refolosit în glicoliză și totodată sunt furnizate celulei două molecule de ATP. Ulterior „febra musculară” este produsă de acumularea de acid lactic în mușchi unde celulele musculare nu se mai contractă.
Ciclul Krebs, ciclul acidului citric sau ciclul acizilor tricarboxilici (CAT) este un alt proces realizat în etape implicat în respirația celulară, după glicoliză. Cele două molecule de acid piruvic rezultate în urma glicolizei sunt utilizate de către ciclul Krebs. Totodată, acesta produce molecule cu nivel energetic ridicat de NADH și FADH2, precum și GTP. Locul ciclului Krebs este în mitocondria celulei, acesta producând două molecule de CO2 ca produși reziduali.
O membrană internă și una externă intră în formarea mitocondriei, compartimentând-o. Cristele sunt formate de către membrana internă prin plicaturarea acesteia. Enzime importante pentru pompa de protoni și pentru formarea de ATP sunt localizate de-a lungul acestor criste.
Moleculele de acid piruvic sunt procesate înainte de a intra în mitocondrie. Asupra moleculei de acid piruvic acționează o enzimă cu scopul de a elibera un atom de carbon sub forma unei molecule de dioxid de carbon. Combinându-se cu o coenzimă numită coenzima A, ceilalți atomi de carbon rămași (grupul acetil) formează acetil-CoA. Electronii și un ion de hidrogen sunt transferați la NAD+ în timpul acestui proces și formează NADH cu nivel energetic ridicat. Matricea reprezintă compartimentul mitocondrial intern unde este transportată Acetil-CoA.
Pentru intrarea în ciclul Krebs este pregătită și acetil-CoA. Aceasta se unește cu acidul oxaloacetic, un acid cu 4 atomi de carbon și rezultă acidul citric care este un acid cu 6 atomi de carbon. Acesta din urmă trece printr-o serie de transformări catalizate enzimatic. Numeroase reacții chimice produce sub acțiunea enzimelor stau la baza acestor transformări. Electroni cu nivel energetic ridicat către moleculele NAD+ sunt eliberați în multe dintre etape ale ciclului. De asemenea, aceste molecule de NAD+ primesc protoni și devin molecule de NADH.
Servind ca acceptor de electroni într-una din etape, FAD acceptă doi atomi de hidrogen și devine FADH2. Suficientă energie pentru sintetizarea unei molecule de ATP este eliberată într-una din reacții. În acest stadiu al respirației celulare sunt două molecule de acid piruvic ce intră în ciclul Krebs, deci rezultă două molecule de ATP formate dintr-o moleculă de glucoză.
Cei doi atomi de carbon ai acetil-CoA se eliberează în reacțiile ciclului Krebs. Pentru a forma câte o moleculă de CO2 se folosește fiecare atom. Fiindcă două molecule de acetil-CoA intră în ciclul Krebs iar fiecare are doi atomi de C, rezultă patru molecule de CO2. În urma conversiei acidului piruvic în acetil-CoA din ciclul Krebs se formează două molecule de CO2 care se adaugă celorlalte și formează un total de 6 molecule de CO2 și gaz rezidual.
Cele 6 molecule de CO2 sunt, de fapt, atomii de carbon ai glucozei care au participat inițial în reacția de glicoliză. Difuzând în afara celulei, moleculele de CO2 sunt transportate la plămâni pentru a fi eliminate din organism.
Acidul oxaloacetic este ultimul compus chimic format la sfârșitul ciclului Krebs. Acidul oxaloacetic ce inițiază ciclul Krebs este identic cu acest ultim compus. Așadar, ultimul compus este prgătit să accepte o nouă moleculă de acetil-CoA care să parcurgă un nou ciclu Krebs. S-au format două molecule de ATP, șase molecule de NADH și două de FADH2 pentru două molecule de acid piruvic metabolizate în ciclul Krebs. În sistemul transportor de electroni sunt acum utilizate moleculele de NADH și FADH2.
De-a lungul cristelor mitocondriei are loc transportul electronilor, acolo fiind localizate coenzimele și citocromii implicați în proces. Moleculele de NADH și FADH2 rezultate din ciclul Krebs și glicoliză sunt folosite în lanțul transportor de electroni. Electronii acestor molecule sunt cedați unei serii de pigmenți ce conțin fier (citocromi) și altor coenzime. Electronii citocromilor și coenzimelor sunt transferați de la unul la altul, iar energia din aceștia se pierde treptat dar nu se risipește în mediul înconjurător.
Spațiul intermediar este compartimentul extern din membrana mitocondriei prin care sunt pompați protoni cu ajutorul energiei rezultate din transferul electronilor. Matricea este compartimentul intern unde ajung acești protoni. Pentru a transporta trei protoni în compartimentul extern se găsește suficientă energie în fiecare moleculă de NADH, iar pentru a transporta doi protoni există suficientă energie în fiecare moleculă de FADH2.
Enzima citocrom-oxidază catalizează o reacție care are rolul de a prelua electronii transportați de citocromi și coenzime de oxigen. Atomii de oxigen devin încărcați negativ prin primirea a doi electroni. O moleculă de apă (H2O) este formată prin preluarea a doi protoni din soluție de către oxigen astfel încât să își echilibreze încărcătura electrică. Prin urmare apa reprezintă un produs rezidual important al metabolismului.
Fiind un acceptor final de electroni, oxigenul elimină electronii din sistem. Dacă nu ar mai exista disponibilitatea oxigenului în etapa finală a transportului de electroni, ei nu ar mai putea să fie eliberați din coenzime și citocromi iar ulterior nu vor mai putea funcționa mai departe. Așadar, nu ar mai putea fi eliberată energia din electroni, nu ar mai funcționa pompa de protoni și nu s-ar mai putea produce ATP-ul.
Prin urmare, respirația reprezintă un proces esențial, având funcția de a introduce oxigenul în corp și de a îl distribui celulelor pentru realizarea respirației acestora.
La nivelul cristelor mitocondriale are loc procesul de chemiosmoză unde se produce ATP-ul din respirația celulară. Pentru stabilirea unui gradient de protoni, chemiosmoza implică pomparea protonilor prin membrana mitocondriei. Enzima ATP-sintetază ajută protonii să treacă conform gradientului, după obținerea acestuia. Totodată, acesta generează ATP folosind energia protonilor și utilizează ca substrat ADP și ioni fosfat.
Prin chemiosmoză, în timpul respirației celulare se produce energie substanțială. Așadar, se pot produce în timpul respirației celulare un total de 34 de molecule de ATP dintr-o singură moleculă de glucoză. Din ciclul Krebs rezultă două molecule de ATP, iar prin glicoliză alte două molecule, având un final de 38 de molecule de ATP.
Ulterior, aceste molecule de ATP se pot utiliza de către celulă pentru necesitățile ei energetice. Aceste molecule nu se pot depozita o perioadă lungă de timp, prin urmare respirația celulară le folosește și se continuă cu regenerarea moleculelor de ATP.
Caracteristicile căilor celulare metabolice
Fiind folosite în respirația celulară, moleculele de glucoză sunt absorbite din intestinul subțire în fluxul sanguin. La ficat prin vena portă sunt transportate glucoza și alte monozaharide, cum ar fi fructoza și galactoza. Acestea sunt transformate la nivelul ficatului tot în glucoză, iar ulterior aceste molecule pot fi transportate la toate celulele corpului pentru folosirea lor în respirația celulară.
Insulina este un hormon ce facilitează trecerea moleculelor de glucoză prin membrana celulară de la nivelul membranei plasmatice celulare și totodată crește afinitatea transportului membranar pentru moleculele de glucoză. Pacienții dezvoltă tipul I de diabet zaharat sau insulino-dependent în absența insulinei. Pentru tipul II de diabet, noninsulino-dependent, celulele nu răspund la stimulul insulinic.
Glicogenul este forma sub care sunt stocate moleculele de glucoză în ficat în momentul în care nivelul de glucoză din sânge (glicemia) este ridicată. Glicogenogeneză este numele procesului de formare al glicogenului.
La valori scăzute ale glicemiei, glicogenul este scindat iar glucoza este eliberată în fluxul sanguin. Glicogenoliză este numele acestui proces metabolic și este accelerat de hormonii glucagon și epinefrină (adrenalină), aceștia producând hiperglicemie.
De asemenea, moleculele de glucoză pot fi sintetizate în ficat din surse neglucidice, altele decât glucide. Ca exemplu, pentru sinteza glucozei printr-un proces complex se pot folosi unii aminoacizi. Gluconeogeneză este numele procesului de sinteză a glucozei din anumiți aminoacizi. Prin acest proces pot fi transformate moleculele de glicerol și acid lactic în glucoză.
Trigliceridele (lipide), în procesul digestiei, sunt descompuse în molecule de acizi grași și glicerol. Chilomicronii sunt picături microscopice de materie grăsoasă care intră în capilarele limfatice, iar ulterior în circulația sanguină și sunt formate din lipide și proteine în mucoasa intestinală. Totodată, aceștia sunt alcătuiți din trigliceride, colesterol și fosfolipide.
Ficatul și țesutul adipos captează din sânge majoritatea chilomicronilor. Lipazele sunt enzime ce au rolul de a descompune trigliceridele și de a elibera moleculele de acizi grași liberi și glicerol. Pentru a fi depozitate în țesutul adipos, unele dintre aceste molecule sunt recombinate, iar altele sunt metabolizate în ficat, în funcție de cantitatea de lipide ce sunt ingerate prin dietă.
De moleculele de albumină din plasma sanguină se leagă mulți acizi grași cu scopul de a fi transportați la celule. Lipoproteinele sunt o altă formă de transport al lipidelor ca și mici particule ce conțin proteine. Acestea se împart în trei clase în funcție de densitate. Lipoproteinele cu densitate foarte mica (very low density lipoproteins VLDL) prezintă un conținut de aproximativ 60% trigliceride și 15% colesterol.
Lipoproteinele cu densitate mică (low density lipoproteins LDL) conțin aproximativ 50% colesterol, în funcție de consumul alimentar de lipide saturate și colesterol. Valori ridicate ale LDL prezintă colesterol crescut în sânge și risc ridicat de boli coronariene.
Lipoproteinele cu densitate mare (high density lipoproteins HDL) au un conținut aproximativ de 50% proteine, 20% colesterol și 5% trigliceride. Acestea au rolul de a transporta colesterolul la ficat pentru metabolizare și elimină colesterolul și trigliceridele din sânge. Un risc mai scăzut de boală coronariană se asociază cu o concentrație mai mare de HDL.
Fiind descompuse la nivel celular, lipidele sunt folosite ca sursă importantă de energie. Molecula de glicerol, în procesul de degradare, este separată de acizii grași. Acesta este conversat de enzime la nivelul citoplasmei celulei în dihidroxi-aceton-fosfar (DHAP). DHAP reprezintă un compus intermediar în procesul glicolizei, ulterior fiind metabolizat până la acid piruvic. Totodată, o cale alternativă a moleculei de DHAP este retrogradă căii glucozei, până la glucoză. Astfel glicerolul poate fi utilizat pentru sintetizarea moleculei de glucoză.
Acizii grași sunt metabolizați la nivelul mitocondriei celului. Beta-oxidarea este procesul prin care acizii grași sunt convertiți în fragmente de 2 unități de carbon (acetil-CoA). Având 16 atomi de carbon, o moleculă de acid gras formează opt molecule de acetil-CoA. Intrând ulterior în ciclul Krebs (ca și cum ar fi provenit din acid piruvic), fiecare moleculă de acetil-CoA este metabolizată pentru a-și elibera energia. Așadar, prin metabolizarea unui acid gras cu 16 atomi de carbon se produce o energie considerabilă, de circa 129 molecule de ATP.
Acidul acetoacetic se formează prin combinarea moleculelor de acetil-CoA între ele, în timpul catabolismului lipidelor. Ulterior, acest acid acetoacetic este transformat în molecule de acetonă și molecule de acid beta-hidroxi-butiric. Corpii cetonici sunt aceste molecule care conțin grupări „ceto” (-C=O). Fiindcă sunt rapid convertiți în acetil-CoA, nivelul corpilor cetonici rezultați din catabolismul lipidelor în condiții normale este scăzut. Cetoacidoza este o situație ce apare în momentul în care catabolismul lipidelor este accelerat, cum ar fi la o persoană cu diabet zaharat, unde se formează o cantitate mare de corpi cetonici.
Mirosul caracteristic de diluant de lac de unghii este produs de acetona din corpii cetonici, la nivelul respirației pacientului. Aciditatea corpului este crescută de excesul de corpi cetonici și poate determina coma diabetică. În situații de înfometare poate apărea această cetoacidoză, când aportul de glucoză este mult redus. Cetoacidoza mai poate fi cauzată de o dietă bogată în lipide și săracă în glucide.
În cadrul anabolismului, sinteza lipidelor se realizează din moleculele de acetil-CoA. Acestea sunt obținute din moleculele de glucoză, realizând așadar un mecanism de conversie a moleculelor de glucoză în acizi grași. Enzimele hepatice au proprietatea de a transforma un acid gras în altul și să formeze trigliceridele din lipide. Trei acizi grași nesaturați nu pot fi sintetizați de organism: acidul linolenic, linoleic și arahidonic. Acizii grași esențiali sunt acești acizi care trebuie obținuți prin dietă.
Lipogeneza este procesul prin care glucoza este convertită în lipide atunci când dieta este bogată în glucide. Prin intermediarii respirației celulare, unii aminoacizi pot fi convertiți în lipide. Așadar, lipidele în organism pot avea ca sursă glucidele și proteinele.
Insulina este un reglator important al metabolismului lipidic, acesta prevenind degradarea lipidelor prin inhibarea enzimelor numite lipaze. În condiția deficitului de insulină, adică în cazul persoanelor cu diabet zaharat, această inhibiție este anulată.
Eliberarea acizilor grași din țesutul adipos este stimulată de către hormonii:
Sistemul nervos simpatic determină impulsuri nervoase ce accelerează degradarea lipidelor în țesutul adipos, iar impulsurile parasimpatice cresc depunerea lipidelor.
La nivelul tractului gastrointestinal al organismului uman, proteinele sunt degradate în aminoacizii lor componenți. Prin mecanisme de transport activ sau difuziune facilitată, aminoacizii sunt absorbiți din intestin și transportați la ficat. Prin intermediul proteinelor aceștia pot fi integrați în molecule sau eliberați în circulație pentru a putea fi transportați la alte celule. Aminoacizii sunt legați împreună la nivel celular pentru a forma o anumită secvență astfel încât să reflecte codul genetic din ADN-ul celulei.
Unii aminoacizi pot fi folosiți de către organism ca surse de energie. În ficat are loc transformarea aminoacizilor în compuși energetici, în special când există o dietă bogată în proteine. Dezaminarea este prima etapă al acestui proces de transformare. Enzima dezaminază desprinde gruparea amino (-NH2) din această reacție chimică din aminoacid și este folosită pentru formarea unei molecule de amoniac.
Ciclul ureei reprezintă o serie ciclică de reacții enzimatice prin care molecula de amoniac trece apoi, unindu-se cu molecule de dioxid de carbon pentru formarea ureei. Aceasta ajunge în sânge și ulterior este eliminată din organism de către rinichi.
Prin dezaminare se înlătură gruparea amino, iar în locul acesteia este adăugat un atom de oxigen. Compusul rezultat se găsește de obicei în secvența metabolică a glicolizei sau a ciclului Krebs. Pentru obținerea energiei în procesul respirației celulare se poate utiliza această moleculă. Pentru formarea moleculelor de acetil-CoA se poate utiliza această moleculă în scop alternativ, iar ulterior moleculele de acetil-CoA se pot folosi pentru sinteza de acizi grași în procesul lipogenezei. Uzual, folosirea proteinelor ca surse de energie se face numai după ce glucidele și lipidele s-au epuizat.
Prin procesul de transaminare, anumiți acizi sunt sintetizați de organism prin transformarea unui aminoacid în altul în ficat. Aminoacizii ne-esențiali sunt acești acizi speciali și sunt în total unsprezece. Aminoacizii esențiali sunt cei care trebuie obținuți prin dietă și includ:
Proteinele complete sunt proteine de origine animală ce pot conține acești aminoacizi. Proteinele incomplete sunt proteine de origine vegetală din care lipsesc frecvent unii dintre acești aminoacizi. O serie de hormoni reglează metabolismul proteinelor, printre care și hormonul de creștere ce stimulează transportul activ al aminoacizilor în celule și folosirea lor de către celule în sinteza proteinelor. Testosteronul sau hormonul sexual masculin și estrogenii sau hormonii sexuali feminini au rolul de a stimula sinteza proteică și de a produce creșterea depozitelor de proteine din țesuturi.
Rolul tiroxinei este de a crește rata metabolismului celular și de a influența sinteza proteinelor, iar rolul glucocorticoizilor este de a favoriza degradarea proteinelor în celule.
Două stări metabolice pot defini organismul uman. Organismul este în starea de absorbție (postprandială) după consumul unui prânz, atunci când sunt absorbite substanțele nutritive din tractul gastrointestinal în circulația sanguină. Starea postabsorbtivă (de post) apare la nivelul organismului atunci când aceste procese de absorbție s-au încheiat. Substanțele prezente în corp acoperă, în această fază, necesitățile organismului.
Nivelul de insulină este ridicat în starea de absorbție, iar organismul transportă moleculele de glucoză și le utilizează ca sursă principală de energie. Excesul de glucide este depozitat de către organism ca și lipide și glicogen. Excesul de glucide este convertit de ficat în grăsime sau glicogen și tot ficatul are rolul de a elibera majoritatea lipidelor în circulația sanguină pentru a fi transportate la celulele din țesutul adipos.
Aminoacizii sunt folosiți de organism pentru sinteza proteinelor și excesul lor este stocat tot sub formă de lipide, în timp ce o parte este transformată în glucide.
Nivelul glucagonului este ridicat în timpul stării postabsorbtive, iar organismul menține nivelul de glucoză din sânge în homeostazie. Degradarea lipidelor și a glicogenului la nivelul ficatului sunt implicate în căi metabolice pentru surse de glucoză suplimentare. Un aport de compuși energetici este adus, de asemenea, prin catabolismul lipidelor și al aminoacizilor. Proteinele musculare care nu sunt esențiale sunt folosite în scop energetic în perioadele de post prelungit ale organismului în funcționarea celulară.
Aroape toate organele și țesuturile depind în cursul acestei stări de lipide ca sursă de energie. Sistemul nervos folosește cu predilecție glucoza economisită prin consumarea lipidelor pentru că în mod normal glucoza este principala sursă de energie. Acizii grași sunt folosiți de asemenea de către ficat, realizându-se economisirea aminoacizilor săi pentru a-i folosi în sinteza glucozei. În condițiile unei hidratări corespunzătoare, o persoană poate supraviețui fără aport alimentar mai multe zile, ca rezultat al acestor adaptări.
Utilizarea vitaminelor și mineralelor de către organism sunt incluse în conceptul vast al metabolismului, precum și mecanismul de reglare a temperaturii corpului.
Mineralele sunt elemente anorganice de care are nevoie organismul, pe lângă compușii organici. Acestea constituie cam 5% din greutatea corporală și prezintă funcții importante, cum ar fi reglarea diferitelor procese în organism și asistarea activității unor enzime. Presiunea osmotică a fluidelor corpului este menținută, de asemenea, de către minerale și sunt frecvent regăsite în combinație cu compuși organici, cum ar fi fierul în molecula de hemoglobină.
Calciul are un rol important în formarea dinților și oaselor, fiind cel mai des întâlnit element mineral din organism. Totodată, acesta este esențial în coagularea sângelui și în activitatea musculară și nervoasă normală.
Sodiul reprezintă cel mai des întâlnit ion pozitiv (cation) din fluidele extracelulare și are un rol important în balanța hidrică a organismului. Totodată, funcția lui este în excitabilitatea mușchilor, nervilor și a țesutului cardiac.
Potasiul reprezintă cel mai des întâlnit cation intracelular și intervine în transmiterea impulsurilor nervoase și în contracția celulelor musculare.
Fosforul este un component al ATP-ului și al acizilor nucleici și este utilizat în formarea oaselor și a dinților.
Magneziul este un alt mineral ce se folosește atât pentru funcția nervilor și a celulelor musculare, cât și pentru formarea osului. Magneziul este component al multor enzime.
Fierul este alt mineral component al mioglobinei, hemoglobinei și citocromilor ce sunt folosiți în transportul electronilor.
Iodul este utilizat în producția tiroxinei de către glanda tiroidă și a altor hormoni ce sunt implicați în controlul metabolic.
Sulful se găsește în diverse vitamine și în citocromi, făcând totodată parte din structura anumitor aminoacizi.
Cuprul are rol în producția hemoglobinei și a pigmentului melanină.
Zincul este esențial pentru o creștere normală și face parte din mai multe enzime.
Manganul are un rol important în formarea ureei și în ciclul acesteia, fiind totodată un activator enzimatic.
Cobaltul reprezintă un component al vitaminei B12 și intervine în procesul maturării eritrocitelor.
Organismul necesită pe lângă glucide, lipide, proteine și minerale, cantități minime de alți nutrienți cunoscuți sub numele de vitamine. Vitaminele participă la numeroase procese fiziologice prin acțiunea lor ca și coenzime. Organismul nu poate sintetiza vitaminele, astfel că ele trebuie obținute din surse externe, precum alimentele.
Vitaminele reprezintă o componentă vitală a dietei. Două mari grupe împart vitaminele: vitamine hidrosolubile și vitamine liposolubile. Vitaminele hidrosolubile sunt cele care, împreună cu apa (hidro), sunt absorbite din tractul gastrointestinal, iar vitaminele liposolubile sunt absorbite din alimente odată cu lipidele (lipo). Vitaminele hidrosolubile sunt depozitate de organism în cantități minime, iar vitaminele liposolubile sunt stocate în cantități mari, în special vitamina A și D în ficat.
Vitamina B1 sau cum mai este cunoscută, tiamina, face parte dintre vitaminele hidrosolubile. Aceasta este utilizată la sinteza acetilcolinei pentru funcția nervoasă, fiind o coenzimă importantă în metabolismul glucidelor. Boala beri-beri apare în caz de deficientă a vitaminei și se caracterizează prin tulburări digestive, slăbiciune, atrofie musculară și unele paralizii.
Vitaminele hidrosolubile și rolul lor
Vitamina B2 se folosește în metabolismul glucidelor și al proteinelor și este o coenzimă, mai având denumirea de riboflavină. Aceasta se utilizează în sinteza coenzimei FAD, deficiența eu producând inflamația pielii.
Vitamina B3 sau niacina este o altă vitamină hidrosolubilă și se utilizează în formarea coenzimei NAD+. Totodată, aceasta mai este cunoscută sub denumirea de nicotinamidă. Pelagra este boala care apare în cazul deficienței de vitamină B3 și se caracterizează prin slăbiciune musculară, tulburări mentale și diaree.
Vitamina B6 sau piridoxina se folosește în metabolismul aminoacizilor și lipidelor ca și coenzimă. În cazul deficienței se pot produce:
Vitamina B12, cunoscută sub numele de ciancobalamină se folosește în maturarea eritrocitelor și pentru unii aminoacizi. Anemia pernicioasă apare în cazul deficienței.
Acidul pantotenic sau vitamina B5 este o componentă esențială a moleculei de coenzimă A. În ciclul Krebs, acesta este implicat în intrarea acidului piruvic. În cazul deficienței apar spasmele, slăbiciunea musculară și degenerescența neuro-musculară.
Acidul folic sau vitamina B9 intervine împreună cu alte enzime în sinteza acizilor nucleici și a hemoglobinei. Totodată, are rol în formarea eritrocitelor și a leucocitelor, iar deficiența de acid folic poate duce la anemie.
Biotina sau vitamina B7 este utilizată în metabolismul acizilor nucleici și pentru atașarea grupărilor organice în timpul sintezei acizilor grași ca fiind coenzimă.
Vitamina C sau acidul ascorbic are rol în metabolismul proteinelor, fiind necesară în sinteza colagenului în timpul formării țesutului conjunctiv. Scorbutul apare în cazul deficienței acesteia, împreună cu alterarea formării de țesut conjunctiv și întârzierea vindecării rănilor și chiar al fracturilor osoase.
Vitamina A sau retinolul face parte din vitaminele liposolubile și este folosită în formarea pigmentului vizual rodopsină. Deficiența de vitamină A poate produce nictalopie sau alterarea vederii în lumină slabă. Aceasta mai este utilizată în creșterea osoasă a dinților și în întreținerea celulelor epiteliale.
Vitamina D (calciferolul) face parte tot din vitaminele liposolubile și este utilizată în absorbția calciului și a fosforului din tractul gastrointestinal. Deficiența de vitamină D produce la copii rahitismul, adică sinteză osoasă deficitară.
Vitamina E sau tocoferolul se utilizează în formarea eritrocitelor, iar deficiența ei produce anemie ce este însoțită de liză eritrocitară.
Vitamina K este necesară pentru sinteza protrombinei în ficat și este utilizată de organism ca și coenzimă. Deficitul de vitamina K produce probleme de coagulare și sângerare excesivă. Această vitamină mai este sintetizată de către bacteriile ce se găsesc în mod normal în partea terminală a tractului gastrointestinal.
Vitaminele liposolubile și rolul lor
Rata metabolică este energia consumată de organism și măsurată dintr-o perioadă de timp. Aceasta se măsoară de obicei atunci când organismul se află în repaus și nemâncat. Așadar, activitatea internă este singura activitate efectuată de organism în aceste condiții și nu se stochează energie. Este o relație direct proporțională între consumul energetic al organismului și căldura produsă de acesta.
Măsurarea producției de căldură a corpului poate fi făcută direct sau indirect. Calorimetrul este un dispozitiv ce se utilizează în măsurarea directă. El constă într-o cameră izolată în care este plasat subiectul. Se măsoară rata creșterii temperaturii prin căldura emanată de subiect care încălzește aerul din cameră. Măsurarea producției de căldură prin metoda indirectă constă în măsurarea ratei de consum a oxigenului de către organism.
De obicei, pentru comparație, ratele metabolice se măsoară în condiții postabsorbtive (de post) și în condiții standard ce sunt concepute pentru eliminarea celor mai multe variabile. Rata metabolismului bazal (RMB) reprezintă în aceste condițiie, energia minimă ce este necesară pentru respirație, digestie, circulație și alte activități ale corpului în stare de veghe. RMB este influențată de:
Metabolismul crește cu 10-20% după ingerarea unui prânz tipic. Efectul termic al alimentelor este numele pentru această accelerare a metabolismului. Față de glucide și lipide, efectul proteinelor este mai mare, astfel încât un prânz bogat proteic crește ușor rata metabolică datorită procesării ceva mai intense a nutrienților de către organism.
În momentul în care energia consumată în decursul activității organismului esste egală cu valoarea energetică a alimentelor ingerate, greutatea corporală rămâne constantă. Măsurarea valorii energetice a alimentelor se face în kilocalorii/gram. O kilocalorie reprezintă cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura unui gram de apă cu 1ºC.
Corpul uman produce propria cantitate de căldură și totodată menține temperatura constantă. Măsurată matinal și în condiții standard în cavitatea orală, temperatura normală este de aproximativ 36,7º C sau 98,6º F. Aceasta poate varia în funcție de următoarele:
Producerea de căldură în decursul metabolismului și pierderea de căldură sunt rezultatul temperaturii corpului. La pierderea de căldură a corpului înspre mediul înconjurător contribuie câteva mecanisme. Radiația este unul dintre aceste mecanisme și constă într-un proces unde căldura este pierdută sub forma radiațiilor infraroșii. Evaporarea este alt mecanism ce se realizează în timpul transpirației și perspirației. Conducția reprezintă cel de-al treilea mecanism și este un proces prin care energia este transferată de la atom la atom în urma contactului direct dintre două obiecte.
Transferul acesta apare între diferitele obiecte din mediul înconjurător, de exemplu aerul sau apa și suprafața corpului uman. Convecția este cel de-al patrulea mecanism și apare când moleculele de aer ating corpul, primind căldura prin conducție. Ulterior, moleculele respective sunt îndepărtate și înlocuite cu alte molecule care la rândul lor primesc căldură de la suprafața corpului. Acest proces aduce constant molecule de apă sau de aer în contact cu corpul. Acest proces este accentuat de curenții de aer, cum ar fi vântul.
Hipotalamusul include activitatea centrului reglator; reglarea temperaturii corporale depinzând de acesta. Neuronii din hipotalamus au rol de termostat. Atunci când temperatura corpului atinge o valoare mai mică decât cea setată (ce reprezintă temperatura normală), există impulsuri ce sunt transmise de către centrul hipotalamic pentru a conserva căldura în corp, iar atunci când temperatura corpului atinge o valoare mai mare decât cea setată, centrul trimite impulsuri pentru facilitarea pierderilor de căldură.
Receptorii de temperatură din piele și unele mucoase generează stimulii aferenți către centrul hipotalamic și poartă numele de receptori termici periferici. Receptorii termici centrali sunt alți receptori din hipotalamus ce detectează modificări ale temperaturii sângelui. Aceștia se găsesc și în organele abdominale, măduva spinării și alte structuri interne.
Febra este rezultatul unui stress fiziologic, cum ar fi reacția alergică sau inflamația și reprezintă creșterea temperaturii corporale peste nivelul normal. Pirogenele sunt substanțe care acționează asupra hipotalamusului, setând termostatul la temperaturi mai înalte. Încercarea organismului de a atinge acele temperaturi înalte prin conservarea căldurii este reflectată prin tremurături, vasoconstricție și frisoane. Pierderea de căldură și revenirea temperaturii corpului la nivelul normal se fac atunci când substanțele pirogene și își exercită efectul, febra dispărând și se realizează transpirația și vasodilatația.
Acest text nu poate fi copiat.
