Az anyagcsere azon kémiai reakciók összességét jelenti, amelyek egy szervezetben zajlanak, és amelyek során összetett molekulákat bontanak le energia előállítása céljából, illetve amelyek során az energiát összetett molekulák felépítésére használják fel. Az anyagcsere-reakcióra példa az a reakció, amely akkor játszódik le, amikor valaki megeszik egy kanál cukrot. A szervezetben a cukormolekulák energia felszabadulásával egyszerűbb molekulákra bomlanak le. Ezt az energiát aztán a szervezet különböző célokra használja fel, például a test melegen tartására és új molekulák felépítésére a testben.
Minden anyagcsere-reakció két általános kategória egyikébe sorolható: katabolikus és anabolikus reakciók. A katabolizmus az a folyamat, amelynek során a nagy molekulák kisebbekre bomlanak le energia felszabadulásával. Az anabolizmus az a folyamat, amelynek során az energiát a szervezet által az önfenntartáshoz és a fejlődéshez szükséges összetett molekulák felépítésére használjuk fel.
Az emésztés folyamata
Az anyagcsere folyamatának megértésének egyik módja, ha követjük egy tipikus tápanyag útját, ahogy az áthalad a szervezeten. A tápanyag minden olyan anyag, amely segít egy szervezetnek életben maradni, egészségesnek maradni és növekedni. A tápanyagok három nagy kategóriája a szénhidrátok, a fehérjék és a zsírok.
Ismertető szavak
Anabolizmus: Az a folyamat, amelynek során az energia felhasználásával összetett molekulák épülnek fel.
ATP (adenozin-trifoszfát): A sejtek által az energia tárolására használt molekula.
Szénhidrát: Szénből, hidrogénből és oxigénből álló vegyület, amely a növényekben található, és amelyet az emberek és más állatok táplálékként használnak.
Katabolizmus: Az a folyamat, amelynek során a nagy molekulák kisebbekre bomlanak le energia felszabadításával.
Kémiai kötés: Két atom közötti vonzóerő.
Enzim: Kémiai vegyületek, amelyek katalizátorként működnek, és növelik a reakciók sebességét az élő szervezetben.
Metabolikus medence: A tápanyagok lebontása során keletkező egyszerű molekulák összmennyisége.
Tápanyag: Olyan anyag, amely segít egy szervezetnek életben maradni, egészségesnek maradni és növekedni.
Fehérje: Nagy molekulák, amelyek nélkülözhetetlenek minden élő sejt szerkezetéhez és működéséhez.
Tegyük fel például, hogy egy ember éppen most evett egy szelet kenyeret. A kenyér egyik fontos tápanyaga a keményítő, egy összetett szénhidrát. Amint a kenyér az ember szájába kerül, megkezdődik az emésztés. A szájban lévő enzimek elkezdik lebontani a keményítő molekuláit, és egyszerűbb anyagok kisebb molekuláivá, cukrokká alakítják őket. Ez a folyamat könnyen megfigyelhető, hiszen bárki, aki egy darab kenyeret hosszabb ideig a szájában tart, elkezdi felismerni az édes ízt, a keményítő lebontásából keletkező cukor ízét.
Az emésztés minden élelmiszer esetében szükséges első lépés. Azok a molekulák, amelyekből az élelmiszerek készülnek, túl nagyok ahhoz, hogy áthatoljanak az emésztőrendszer nyálkahártyáján. Az emésztés eredményeként kisebb molekulák képződnek, amelyek képesek áthatolni ezen a bélésen, és bejutni az ember véráramába. A keményítő emésztése során képződő cukormolekulák a véráramba jutnak. Ezután eljutnak az egyes sejtekhez az ember testében.
A kisebb molekulák, amelyekre a tápanyagok lebomlanak, alkotják az anyagcsere-állományt. A metabolikus pool a tápanyagok lebontása során keletkező egyszerűbb anyagokból áll. Ide tartoznak az egyszerű cukrok (az összetett szénhidrátok lebontásával keletkeznek), a glicerin és a zsírsavak (a lipidek lebontásával keletkeznek), valamint az aminosavak (a fehérjék lebontásával keletkeznek). A sejtek az anyagcsere-medencében lévő anyagokat építőanyagként használják, ahogyan az ács is fát, szögeket, ragasztót, kapcsokat és más anyagokat használ egy ház építéséhez. A különbség természetesen az, hogy a sejtek nem házakat, hanem testrészeket építenek azokból az anyagokból, amelyekkel dolgozniuk kell.
)
Sejtanyagcsere
Az anyagcsere-állományt alkotó anyagokat a véráram szállítja az egyes sejtekhez. Áthaladnak a sejtmembránokon és bejutnak a sejt belsejébe. A sejt belsejében a vegyület további anyagcserén megy keresztül, általában kémiai reakciók sorozatában. Például egy cukormolekula a sejt belsejében szén-dioxidra és vízre bomlik, miközben energia szabadul fel. Ez a folyamat azonban nem egyetlen lépésben megy végbe. Ehelyett körülbelül két tucat különálló kémiai reakcióra van szükség ahhoz, hogy a cukormolekula a végtermékké alakuljon. Minden egyes kémiai reakció a cukormolekula viszonylag szerény változásával jár, például egyetlen oxigénatom vagy egyetlen hidrogénatom eltávolításával.
Ezeknek a reakcióknak a célja a cukormolekulában tárolt energia felszabadítása. Ahhoz, hogy ezt a folyamatot megmagyarázzuk, tudnunk kell, hogy a cukormolekula szén-, hidrogén- és oxigénatomokból áll, amelyeket kémiai kötések tartanak össze. A kémiai kötés két atom közötti vonzóerő. Ez a vonzóerő az energia egy formája. A két tucat kémiai kötéssel rendelkező cukormolekuláról úgy gondolhatunk, hogy két tucat apró energiaegységet tartalmaz. Minden egyes alkalommal, amikor egy kémiai kötés megszakad, egy energiaegység szabadul fel.
A sejtek figyelemre méltó módszereket fejlesztettek ki a katabolikus reakciók során felszabaduló energia megkötésére és tárolására. Ezek a módszerek nagyon különleges kémiai vegyületeket, úgynevezett energiahordozókat használnak. Ilyen vegyület például az adenozin-trifoszfát, általánosan ismert nevén ATP. Az ATP akkor keletkezik, amikor egy egyszerűbb vegyület, az adenozin-difoszfát (ADP) egy foszfátcsoporttal egyesül. A következő egyenlet ezt a változást mutatja be:
ADP + P → ATP
Az ADP csak akkor egyesül egy foszfátcsoporttal, ahogy itt látható, ha energiát adunk hozzá. A sejtekben ez az energia az anyagcsere-állományban lévő vegyületek, például cukrok, glicerin és zsírsavak katabolizmusából származik. Más szavakkal:
katabolizmus: cukor → szén-dioxid + víz + energia;
katabolizmusból származó energia + ADP + P → ATP
Az így keletkezett ATP-molekula tehát a korábban a cukormolekulában tárolt energiát vette fel. Amikor a sejtnek valamilyen folyamathoz energiára van szüksége, azt egy ATP-molekulából nyerheti.
A fenti folyamat fordítottja is lejátszódik a sejtek belsejében. Vagyis az ATP-molekulából származó energia felhasználható egyszerűbb molekulák összeillesztésére, hogy összetettebb molekulákat hozzanak létre. Tegyük fel például, hogy egy sejtnek meg kell javítania egy törést a sejtfalában. Ehhez új fehérjemolekulákat kell előállítania. Ezeket a fehérjemolekulákat az anyagcsere-állományban lévő aminosavakból lehet előállítani. Egy fehérjemolekula több száz vagy ezer egymáshoz kapcsolódó aminosavmolekulából áll:
1. aminosav + 2. aminosav + 3. aminosav + (és így tovább) → fehérje
Az aminosavegységek összetartásához szükséges összes új kémiai kötés kialakításához szükséges energia ATP-molekulákból származik. Más szavakkal:
energia ATP-ből + sok aminosav → fehérjemolekula
A reakciók, amelyekkel egy vegyület metabolizálódik, különböznek a különböző tápanyagok esetében. Az ATP-n kívül más energiahordozók is részt vehetnek. Például a nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát (NADPH) nevű vegyület is részt vesz különböző anyagok katabolizmusában és anabolizmusában. A fent bemutatott általános vázlat azonban minden anyagcsere-reakcióra érvényes.