Aineenvaihdunnalla tarkoitetaan kaikkia elimistössä tapahtuvia kemiallisia reaktioita, joissa monimutkaisia molekyylejä hajotetaan energian tuottamiseksi ja joissa energiaa käytetään monimutkaisten molekyylien rakentamiseen. Esimerkki aineenvaihduntareaktiosta on se, joka tapahtuu, kun ihminen syö lusikallisen sokeria. Kun sokerimolekyylit ovat elimistössä, ne hajoavat yksinkertaisemmiksi molekyyleiksi, jolloin vapautuu energiaa. Tämän jälkeen elimistö käyttää energiaa erilaisiin tarkoituksiin, kuten kehon lämmittämiseen ja uusien molekyylien rakentamiseen elimistössä.
Kaikki aineenvaihduntareaktiot voidaan jakaa kahteen yleiseen luokkaan: katabolisiin ja anabolisiin reaktioihin. Katabolia on prosessi, jossa suuret molekyylit hajotetaan pienemmiksi energian vapautumisen myötä. Anabolismi on prosessi, jossa energiaa käytetään monimutkaisten molekyylien rakentamiseen, joita elimistö tarvitsee ylläpitääkseen itseään ja kehittyäkseen.
Ruuansulatusprosessi
Yksi tapa ymmärtää aineenvaihduntaprosessia on seurata tyypillisen ravintoaineen matkaa sen kulkiessa elimistön läpi. Ravintoaine on mikä tahansa aine, joka auttaa organismia pysymään hengissä, pysymään terveenä ja kasvamaan. Ravintoaineiden kolme suurta ryhmää ovat hiilihydraatit, proteiinit ja rasvat.
Words to know
Anabolismi: Prosessi, jossa energiaa käytetään monimutkaisten molekyylien rakentamiseen.
ATP (adenosiinitrifosfaatti): Molekyyli, jota solut käyttävät energian varastointiin.
Hiilihydraatti: Hiilestä, vedystä ja hapesta koostuva yhdiste, jota esiintyy kasveissa ja jota ihmiset ja muut eläimet käyttävät ravintona.
Katabolia: Prosessi, jossa suuret molekyylit hajotetaan pienemmiksi energian vapautumisen myötä.
Kemiallinen sidos: Kahden atomin välinen vetovoima.
Entsyymi: Kemialliset yhdisteet, jotka toimivat katalyytteinä ja lisäävät reaktioiden nopeutta elävässä organismissa.
Metabolinen allas: Ravintoaineiden hajottamisessa muodostuvien yksinkertaisten molekyylien kokonaismäärä.
Ravintoaine: Aine, joka auttaa organismia pysymään hengissä, pysymään terveenä ja kasvamaan.
Proteiini: Suuret molekyylit, jotka ovat välttämättömiä kaikkien elävien solujen rakenteelle ja toiminnalle.
Oletetaan esimerkiksi, että henkilö on juuri syönyt palan leipää. Tärkeä ravintoaine tuossa leivässä on tärkkelys, monimutkainen hiilihydraatti. Heti kun leipä joutuu ihmisen suuhun, alkaa ruoansulatus. Suussa olevat entsyymit alkavat hajottaa tärkkelysmolekyylejä ja muuttaa ne pienemmiksi molekyyleiksi yksinkertaisempia aineita: sokereiksi. Tämä prosessi on helposti havaittavissa, sillä jokainen, joka pitää leipäpalaa suussaan jonkin aikaa, alkaa tunnistaa makean maun, tärkkelyksen hajoamisesta muodostuvan sokerin maun.
Ruuansulatus on kaikkien elintarvikkeiden välttämätön ensimmäinen vaihe. Molekyylit, joista elintarvikkeet koostuvat, ovat liian suuria kulkeutuakseen ruoansulatuskanavan limakalvon läpi. Ruuansulatuksen tuloksena muodostuu pienempiä molekyylejä, jotka pystyvät kulkemaan tuon limakalvon läpi ja pääsemään ihmisen verenkiertoon. Tärkkelyksen ruoansulatuksessa muodostuvat sokerimolekyylit pääsevät verenkiertoon. Sitten ne kulkeutuvat yksittäisiin soluihin koko elimistössä.
Pienemmät molekyylit, joihin ravintoaineet hajoavat, muodostavat aineenvaihduntavaraston. Metabolinen allas koostuu yksinkertaisemmista aineista, jotka muodostuvat ravintoaineiden hajotessa. Siihen kuuluvat yksinkertaiset sokerit (muodostuvat monimutkaisten hiilihydraattien hajoamisesta), glyseroli ja rasvahapot (muodostuvat lipidien hajoamisesta) ja aminohapot (muodostuvat proteiinien hajoamisesta). Solut käyttävät aineenvaihdunta-altaan aineita rakennusmateriaaleina, aivan kuten kirvesmies käyttää puuta, nauloja, liimaa, niittejä ja muita materiaaleja talon rakentamiseen. Erona on tietenkin se, että solut rakentavat ruumiinosia, eivät taloja, niistä materiaaleista, joilla ne joutuvat työskentelemään.
)
Solujen aineenvaihdunta
Aineet, jotka muodostavat aineenvaihduntavaraston, kulkeutuvat yksittäisiin soluihin verenkierron kautta. Ne kulkevat solukalvojen läpi ja pääsevät solun sisälle. Solun sisälle päästyään yhdiste käy läpi jatkoaineenvaihduntaa, yleensä kemiallisissa reaktioissa. Esimerkiksi sokerimolekyyli hajoaa solun sisällä hiilidioksidiksi ja vedeksi, jolloin vapautuu energiaa. Tämä prosessi ei kuitenkaan tapahdu yhdessä vaiheessa. Sen sijaan tarvitaan noin kaksi tusinaa erillistä kemiallista reaktiota, jotta sokerimolekyyli muuttuu lopputuotteeksi. Jokaisessa kemiallisessa reaktiossa sokerimolekyylissä tapahtuu suhteellisen pieni muutos, esimerkiksi yhden happiatomin tai yhden vetyatomin poistuminen.
Näiden reaktioiden tarkoituksena on vapauttaa sokerimolekyyliin varastoitunutta energiaa. Tämän prosessin selittämiseksi on tiedettävä, että sokerimolekyyli koostuu hiili-, vety- ja happiatomeista, joita kemialliset sidokset pitävät yhdessä. Kemiallinen sidos on kahden atomin välinen vetovoima. Tämä vetovoima on eräs energian muoto. Sokerimolekyylin, jossa on kaksi tusinaa kemiallista sidosta, voidaan ajatella sisältävän kaksi tusinaa pientä energiayksikköä. Aina kun kemiallinen sidos katkeaa, vapautuu yksi energiayksikkö.
Solut ovat kehittäneet huomattavia menetelmiä katabolisissa reaktioissa vapautuvan energian talteenottoon ja varastointiin. Näissä menetelmissä käytetään hyvin erityisiä kemiallisia yhdisteitä, joita kutsutaan energiankantajiksi. Esimerkki tällaisista yhdisteistä on adenosiinitrifosfaatti, joka tunnetaan yleisesti nimellä ATP. ATP muodostuu, kun yksinkertaisempi yhdiste, adenosiinidifosfaatti (ADP), yhdistyy fosfaattiryhmän kanssa. Seuraava yhtälö kuvaa tätä muutosta:
ADP + P → ATP
ADP yhdistyy fosfaattiryhmän kanssa, kuten tässä on esitetty, vain jos siihen lisätään energiaa. Soluissa tämä energia tulee aineenvaihduntavarastossa olevien yhdisteiden, kuten sokerien, glyserolin ja rasvahappojen, kataboliasta. Toisin sanoen:
katabolia: sokeri → hiilidioksidi + vesi + energia;
kataboliasta saatu energia + ADP + P → ATP
Näin muodostunut ATP-molekyyli on siis ottanut käyttöönsä sokerimolekyyliin aiemmin varastoituneen energian. Aina kun solu tarvitsee energiaa johonkin prosessiin, se voi saada sitä ATP-molekyylistä.
Solujen sisällä tapahtuu myös edellä esitetyn prosessin kääntöpuoli. Toisin sanoen ATP-molekyylin energiaa voidaan käyttää yksinkertaisempien molekyylien yhdistämiseen monimutkaisemmiksi molekyyleiksi. Oletetaan esimerkiksi, että solun on korjattava soluseinässään oleva murtuma. Sitä varten sen on tuotettava uusia proteiinimolekyylejä. Näitä proteiinimolekyylejä voidaan valmistaa aineenvaihdunnan aminohapoista. Proteiinimolekyyli koostuu sadoista tai tuhansista toisiinsa liittyneistä aminohappomolekyyleistä:
Aminohappo 1 + aminohappo 2 + aminohappo 3 + (ja niin edelleen) → proteiini
Energia, jota tarvitaan kaikkien uusien kemiallisten sidosten muodostamiseen, joita tarvitaan pitämään aminohappoyksiköt yhdessä, tulee ATP-molekyyleistä. Toisin sanoen:
energiaa ATP:stä + monta aminohappoa → proteiinimolekyyli
Reaktiot, joiden avulla yhdiste metaboloituu, vaihtelevat eri ravintoaineiden välillä. Myös muita energiankantajia kuin ATP:tä voi olla mukana. Esimerkiksi nikotiiniamidiadeniinidinukleotidifosfaattina (NADPH) tunnettu yhdiste osallistuu myös eri aineiden kataboliaan ja anaboliaan. Edellä esitetty yleiskuvaus pätee kuitenkin kaikkiin aineenvaihduntareaktioihin.