Metabolisme verwijst naar alle chemische reacties die in een organisme plaatsvinden waarbij complexe moleculen worden afgebroken om energie te produceren en waarbij energie wordt gebruikt om complexe moleculen op te bouwen. Een voorbeeld van een metabolische reactie is de reactie die plaatsvindt wanneer iemand een lepel suiker eet. Eenmaal in het lichaam worden de suikermoleculen afgebroken tot eenvoudiger moleculen waarbij energie vrijkomt. Die energie wordt vervolgens door het lichaam gebruikt voor verschillende doeleinden, zoals het warm houden van het lichaam en het opbouwen van nieuwe moleculen in het lichaam.
Alle stofwisselingsreacties kunnen worden onderverdeeld in een van de twee algemene categorieën: katabole en anabole reacties. Katabolisme is het proces waarbij grote moleculen worden afgebroken tot kleinere moleculen waarbij energie vrijkomt. Anabolisme is het proces waarbij energie wordt gebruikt om complexe moleculen op te bouwen die het lichaam nodig heeft om zichzelf in stand te houden en zich te ontwikkelen.
Het proces van de spijsvertering
Een manier om het proces van de stofwisseling te begrijpen is het volgen van het pad van een typische voedingsstof als het door het lichaam gaat. Een voedingsstof is een stof die een organisme helpt in leven te blijven, gezond te blijven en te groeien. Drie grote categorieën voedingsstoffen zijn koolhydraten, eiwitten en vetten.
Woorden om te weten
Anabolisme: Het proces waarbij energie wordt gebruikt om complexe moleculen op te bouwen.
ATP (adenosine trifosfaat): Een molecuul dat door cellen wordt gebruikt om energie op te slaan.
Koolhydraten: Een verbinding bestaande uit koolstof, waterstof, en zuurstof gevonden in planten en gebruikt als voedsel door mensen en andere dieren.
Katabolisme: Het proces waarbij grote moleculen worden afgebroken tot kleinere moleculen waarbij energie vrijkomt.
Chemische binding: Een aantrekkingskracht tussen twee atomen.
Enzym: Chemische verbinding die als katalysator fungeert en de reactiesnelheid in een levend organisme verhoogt.
Metabolische pool: De totale hoeveelheid eenvoudige moleculen gevormd door de afbraak van voedingsstoffen.
Voedingsstof: Een stof die een organisme helpt in leven te blijven, gezond te blijven en te groeien.
Eiwit: Grote moleculen die essentieel zijn voor de structuur en het functioneren van alle levende cellen.
Stel, bijvoorbeeld, dat iemand zojuist een stuk brood heeft gegeten. Een belangrijke voedingsstof in dat brood is zetmeel, een complex koolhydraat. Zodra het brood in iemands mond komt, begint de spijsvertering. Enzymen in de mond beginnen moleculen van zetmeel af te breken en om te zetten in kleinere moleculen van eenvoudiger stoffen: suikers. Dit proces kan gemakkelijk worden waargenomen, want wie een stuk brood een tijdlang in de mond houdt, begint een zoete smaak te herkennen, de smaak van de suiker die ontstaat door de afbraak van zetmeel.
Spijsvertering is een noodzakelijke eerste stap voor alle voedingsmiddelen. De moleculen waaruit voedingsmiddelen zijn opgebouwd, zijn te groot om door de bekleding van het spijsverteringsstelsel te gaan. De spijsvertering leidt tot de vorming van kleinere moleculen die wel door dat slijmvlies heen kunnen en in de bloedbaan van de mens terechtkomen. Suikermoleculen die door de vertering van zetmeel worden gevormd, komen in de bloedbaan terecht. Vervolgens worden zij naar individuele cellen in het lichaam van een persoon gebracht.
De kleinere moleculen waarin voedingsstoffen worden afgebroken, vormen de metabolische pool. De metabolische pool bestaat uit de eenvoudigere stoffen die worden gevormd door de afbraak van voedingsstoffen. Hij omvat eenvoudige suikers (gevormd door de afbraak van complexe koolhydraten), glycerol en vetzuren (gevormd door de afbraak van lipiden), en aminozuren (gevormd door de afbraak van eiwitten). Cellen gebruiken stoffen in de stofwisselingspool als bouwmateriaal, net zoals een timmerman hout, spijkers, lijm, nietjes en andere materialen gebruikt voor de bouw van een huis. Het verschil is natuurlijk dat cellen lichaamsdelen bouwen, geen huizen, van de materialen waarmee zij moeten werken.
)
Celstofwisseling
Stoffen die de stofwisselingspool vormen, worden door de bloedbaan naar de afzonderlijke cellen getransporteerd. Zij passeren de celmembranen en komen de cel binnen. Eenmaal in een cel, ondergaat een verbinding verder metabolisme, meestal in een reeks chemische reacties. Zo wordt bijvoorbeeld een suikermolecuul in een cel afgebroken tot kooldioxide en water, waarbij energie vrijkomt. Maar dat proces voltrekt zich niet in één enkele stap. In plaats daarvan zijn er ongeveer twee dozijn afzonderlijke chemische reacties nodig om de suikermolecule om te zetten in zijn eindproducten. Elke chemische reactie omvat een relatief bescheiden verandering in de suikermolecule, de verwijdering van een enkel zuurstofatoom of een enkel waterstofatoom, bijvoorbeeld.
Het doel van deze reacties is energie vrij te maken die in het suikermolecuul is opgeslagen. Om dat proces te verklaren, moet men weten dat een suikermolecuul bestaat uit koolstof-, waterstof- en zuurstofatomen die door middel van chemische bindingen bij elkaar worden gehouden. Een chemische binding is een aantrekkingskracht tussen twee atomen. Die aantrekkingskracht is een vorm van energie. Een suikermolecuul met twee dozijn chemische bindingen kan worden gezien als een molecuul dat twee dozijn kleine eenheden energie bevat. Elke keer dat een chemische binding wordt verbroken, komt er een energie-eenheid vrij.
Cellen hebben opmerkelijke methoden ontwikkeld voor het opvangen en opslaan van de energie die vrijkomt bij katabole reacties. Deze methoden maken gebruik van zeer speciale chemische verbindingen, bekend als energiedragers. Een voorbeeld van een dergelijke verbinding is adenosinetrifosfaat, algemeen bekend als ATP. ATP wordt gevormd wanneer een eenvoudiger verbinding, adenosinedifosfaat (ADP), zich verbindt met een fosfaatgroep. De volgende vergelijking geeft die verandering weer:
ADP + P → ATP
ADP zal zich alleen met een fosfaatgroep verbinden, zoals hier wordt getoond, als er energie aan wordt toegevoegd. In cellen is die energie afkomstig van het katabolisme van verbindingen in de metabolische pool, zoals suikers, glycerol, en vetzuren. Met andere woorden:
katabolisme: suiker → koolstofdioxide + water + energie;
energie uit katabolisme + ADP + P → ATP
Het zo gevormde ATP-molecuul heeft dus de energie opgenomen die eerder in het suikermolecuul was opgeslagen. Telkens wanneer een cel energie nodig heeft voor een of ander proces, kan zij die verkrijgen uit een ATP-molecule.
Het omgekeerde van het hierboven getoonde proces vindt ook in de cellen plaats. Dat wil zeggen, energie van een ATP-molecuul kan worden gebruikt om eenvoudiger moleculen samen te voegen tot complexere moleculen. Stel bijvoorbeeld dat een cel een breuk in zijn celwand moet repareren. Daartoe zal hij nieuwe eiwitmoleculen moeten produceren. Die eiwitmoleculen kunnen worden gemaakt van aminozuren in de metabolische pool. Een eiwitmolecuul bestaat uit honderden of duizenden aminozuurmoleculen die met elkaar verbonden zijn:
Aminozuur 1 + aminozuur 2 + aminozuur 3 + (enzovoort) → een eiwit
De energie die nodig is om alle nieuwe chemische bindingen te vormen die nodig zijn om de aminozuureenheden bij elkaar te houden, komt van ATP-moleculen. Met andere woorden:
energie uit ATP + veel aminozuren → eiwitmolecuul
De reacties waarmee een verbinding wordt gemetaboliseerd, verschillen voor verschillende voedingsstoffen. Ook kunnen er andere energiedragers dan ATP bij betrokken zijn. Zo is bijvoorbeeld de verbinding nicotinezuuramide-adenine-dinucleotidefosfaat (NADPH) ook betrokken bij het katabolisme en anabolisme van diverse stoffen. Het hierboven geschetste algemene schema geldt echter voor alle stofwisselingsreacties.