Az Atom

A sejtek az élet alapvető építőelemei, de az atomok az összes anyag, az élő és a nem élő, alapvető építőelemei. Az atom szerkezeti elemei a protonok (pozitív töltésű), a neutronok (töltés nélküli) és az elektronok (negatív töltésűek). A protonokat és a neutronokat az atom sűrű magja tartalmazza; a magnak tehát pozitív töltése van. Mivel az ellentétek vonzódnak, az elektronok vonzódnak ehhez a maghoz, és körülötte mozognak az elektronfelhőben.

Az elektronok energiát tartalmaznak, és ez az energia az elektronok töltésén és mozgásán belül tárolódik, és az atomok kötődnek egymással. Ez az energia azonban nem mindig stabil, az atomon belüli elektronok számától függően. Az atomok stabilabbak, ha elektronjaik párban keringenek. A páratlan elektronszámú atomnak párosítatlan elektronnak kell lennie. A legtöbb esetben ezeket a párosítatlan elektronokat használják kémiai kötések létrehozására. A kémiai kötés az atomok közötti vonzó erő és potenciális energiát tartalmaz. A kötés révén az elektronok párokat találnak, és a vegyi anyagok egy molekula részévé válnak.

A kötésképződés és a kötésszakadás kémiai reakciók, amelyek az elektronok atomok közötti mozgását jelentik. Ezek a kémiai reakciók folyamatosan fordulnak elő a testben. Korábban áttekintettük, hogyan bomlik le a glükóz vízre és szén-dioxidra a sejtlégzés részeként. A kötések megszakításával felszabaduló energiát adenozin-trifoszfát (ATP) molekulák előállítására használják fel. Emlékezzünk vissza arra, hogy ebben a folyamatban az elektronok hogyan lépnek ki a glükózból lépésenként és hogyan kerülnek át más molekulákba. Időnként az elektronok „elszöknek”, és a sejtlégzési ciklus befejezése helyett egy oxigénmolekulába kerülnek. Az oxigént (két atomú molekula) egy párosítatlan elektronnal szuperoxid néven ismerjük (8.2. Ábra).

Azokat az atomokat és molekulákat, például a szuperoxidot, amelyeknek nincs párja az elektronokkal, szabad gyököknek nevezzük; az oxigént tartalmazóakat reaktív oxigénfajoknak nevezzük. A szabad gyökökben lévő párosítatlan elektron destabilizálja őket, rendkívül reaktívvá téve őket. Egyéb reaktív oxigénfajok a hidrogén-peroxid és a hidroxilcsoport.

8.2. Ábra Szuperoxid

Kép: DoSiDo/CC BY-SA 3.0

Egy párosítatlan elektronnal rendelkező molekula, amely szabad gyökvé teszi.

A szabad gyökök reaktivitása veszélyezteti az olyan makromolekulákat, mint a DNS, az RNS, a fehérjék és a zsírsavak. A szabad gyökök olyan láncreakciókat okozhatnak, amelyek végső soron károsítják a sejteket. Például egy szuperoxid molekula reagálhat egy zsírsavval, és ellophatja annak egyik elektronját. Ezután a zsírsav szabad gyökökké válik, amelyek reagálni tudnak egy másik zsírsavval a közelben. Amint ez a láncreakció folytatódik, a sejtmembránok permeabilitása és folyékonysága megváltozik, a sejtmembránokban lévő fehérjék aktivitása csökken, a receptor fehérjék szerkezeti változásai pedig megváltoztatják vagy leállítják működésüket. Ha az inzulinszintre reagálni tervezett receptorfehérjék strukturális változáson mennek keresztül, az negatívan befolyásolhatja a glükózfelvételt. A szabad gyökök reakciói ellenőrizetlenül folytatódhatnak, hacsak egy védelmi mechanizmus nem állítja meg őket.

Az anyagcsere áttekintése

A sejtek hatékonyságának biztosítása érdekében a katabolizmusban és az anabolizmusban résztvevő anyagcsere útvonalakat az energiaállapot, a hormonok, valamint a szubsztrát és a végtermék szintje együttesen szabályozza. A metabolikus utak összehangolt szabályozása megakadályozza, hogy a sejtek nem hatékonyan építsenek fel egy molekulát, amikor az már rendelkezésre áll. Ahogy a fal lebontásával egyidejűleg nem lenne hatékony falat építeni, anyagcsere szempontjából sem hatékony egy sejt számára a zsírsavak szintetizálása és lebontása.

Az élelmiszer-molekulák katabolizálása akkor kezdődik, amikor az élelmiszer belép a szájba, mivel a nyálamiláz enzim elindítja az ételek keményítőjének lebomlását. Az emésztés teljes folyamata az élelmiszerben lévő nagy polimereket felszívódó monomerekké alakítja. A keményítőket monoszacharidokra, a lipideket zsírsavakra, a fehérjéket pedig aminosavakra bontják. Ezek a monomerek akár közvetlenül is felszívódnak a véráramba, mint a monoszacharidok és aminosavak, vagy pedig a bélsejtekbe csomagolva, közvetett úton, nyirokereken keresztül történő szállítás céljából, mint a legtöbb zsírsav és más zsírban oldódó molekula esetében.

Felszívódása után a vízben oldódó tápanyagok először a májba jutnak, amely ellenőrzi a vérbe jutásukat, amely a tápanyagokat a test sejtjeibe szállítja. A zsírban oldódó tápanyagok fokozatosan jutnak el a nyirokerekből a test sejtjeibe áramló vérbe. Az energiát vagy építőelemeket igénylő sejtek felveszik a tápanyagokat a vérből, és katabolikus vagy anabolikus úton is feldolgozzák azokat. A test szervrendszereihez üzemanyagra és építőelemekre van szükség a test számos funkciójának ellátásához, például emésztéshez, felszívódáshoz, légzéshez, vér pumpálásához, tápanyagok szállításához és elszállításához, a testhőmérséklet fenntartásához és új sejtek előállításához.

8.3. Ábra: Sejtes anyagcsere folyamatok

Az energia-anyagcsere konkrétabban azokra az anyagcsere-utakra vonatkozik, amelyek energiát szabadítanak fel vagy tárolnak. Ezek egy része katabolikus út, például glikolízis (a glükóz hasadása), β-oxidáció (zsírsavak lebontása) és aminosav katabolizmus. Mások anabolikus utak, és magukban foglalják azokat, amelyek részt vesznek a felesleges energia (például a glikogenezis) tárolásában és a trigliceridek szintetizálásában (lipogenezis). 8.1. Táblázat: „Metabolikus utak” összefoglalja a katabolikus és anabolikus útvonalakat és azok funkcióit az energia-anyagcserében.

8.1. Táblázat Metabolikus utak

Katabolikus utak	Funkció	Anabolikus utak	Funkció
Glikolízis	A glükóz lebontása	Glükoneogenezis	Szintetizálja a glükózt
Glikogenolízis	A glikogén lebomlása	Glikogenezis	Szintetizálja a glikogént
β-oxidáció	Zsírsav-bontás	Lipogenezis	Szintetizálja a triglicerideket
Proteolízis	A fehérje aminosavakra bontása	Protein szintézis	Szintetizálja a fehérjéket

Katabolizmus: A bontás

Minden sejt összhangban van az energiamérlegükkel. Ha az energiaszint magas, a sejtek molekulákat építenek, és ha alacsony az energiaszint, katabolikus utak indulnak az energia előállításához. A glükóz a legelőnyösebb energiaforrás a legtöbb szövetben, de a zsírsavak és az aminosavak is katabolizálhatók, hogy felszabadítsák az energiát, amely az ATP képződését előidézheti. Az ATP egy nagy energiájú molekula, amely képes kémiai reakciókat előidézni, amelyek energiát igényelnek. A tápanyagok katabolizmusa az energia felszabadítása érdekében három szakaszra bontható, amelyek mindegyike egyedi anyagcsere-utakat tartalmaz. A tápanyagok lebontásának három szakasza a következő:

1. szakasz. Glikolízis glükózhoz, β-oxidáció zsírsavakhoz vagy aminosav katabolizmus
2. szakasz. Citromsav-ciklus (vagy Krebs-ciklus)
3. szakasz. Elektrontranszport lánc és ATP szintézis

8.4. Ábra ATP gyártási útvonal

A glükóz lebontása a glikolízissel kezdődik, amely egy tízlépcsős metabolikus út, amely glükózmolekulánként két ATP-t eredményez; a glikolízis a citoszolban megy végbe, és nem igényel oxigént. Az ATP mellett a glikolízis végtermékei két három szénatomos molekulát tartalmaznak, az úgynevezett piruvátot. A piruvát vagy átkerülhet a citromsav ciklusba, hogy több ATP legyen, vagy anabolikus utat követ. Ha egy sejt negatív energiamérlegben van, akkor a piruvátot a mitokondriumba szállítják, ahol először levágja egyik szénatomját, így acetil-CoA-t kap. A zsírsavak lebomlása a katabolikus úton, az úgynevezett β-oxidációval kezdődik, amely a mitokondriumokban megy végbe. Ebben a katabolikus útban négy enzimatikus lépés egymás után eltávolítja a két szénatomot tartalmazó molekulákat a zsírsavak hosszú láncaiból, így acetil-CoA molekulákat kapunk. Az aminosavak esetében, ha a nitrogént eltávolítják az aminosavból, a fennmaradó szénváz enzimatikusan átalakulhat acetil-CoA-vá vagy a citromsav ciklusának valamilyen más közbenső részévé. Az acetil-CoA, egy két szénatomos molekula, amely közös a glükóz, a lipid és a fehérje anyagcseréjében, belép az energia-anyagcsere második szakaszába, a citromsav-ciklusba.

Anabolizmus: Az épület

A katabolikus utak által felszabadított energia az anabolikus utakat táplálja a makromolekulák, például az RNS és a DNS fehérjék, valamint akár teljesen új sejtek és szövetek felépítésében. Anabolikus utakra van szükség egy új szövet, például izom felépítéséhez hosszan tartó testmozgás vagy a csontszövet átalakítása után, amely folyamat katabolikus és anabolikus utakat egyaránt magában foglal. Az anabolikus utak energiatároló molekulákat is építenek, például glikogént és triglicerideket. Az energia-anyagcsere katabolikus útvonalaiban lévő köztes anyagokat néha elterelik az ATP-termelésről, és ehelyett építőelemként használják. Ez akkor történik, amikor egy sejt pozitív energia-egyensúlyban van. Például a citromsav-ciklusú köztitermék, az a-ketoglutarát anabolikusan feldolgozható glutamát vagy glutamin aminosavakká, ha szükséges. Az emberi test képes a fehérjéket alkotó húsz aminosavból tizenegyet szintetizálni. Az aminosav szintézis metabolikus útvonalait mind gátolja az a specifikus aminosav, amely egy adott út végterméke. Így, ha egy sejtben elegendő glutamin van, kikapcsolja a szintézisét.

Az anabolikus utakat végtermékeik, de még inkább a sejt energiaállapota szabályozza. Ha elegendő energia van, szükség esetén nagyobb molekulák, például fehérje, RNS és DNS épül fel. Alternatív megoldásként, ha az energia nem elegendő, a fehérjék és más molekulák megsemmisülnek és katabolizálódnak, hogy energiát szabadítsanak fel. Ennek drámai példája látható a marasmusban szenvedő gyermekeknél, amely az előrehaladott éhezés egyik formája. Ezeknek a gyermekeknek súlyosan sérült a testi funkcióik, gyakran fertőzés okozta haláleset. A marasmusos gyermekek éhezik a kalóriákat és a fehérjét, amelyek energiához és makromolekulák felépítéséhez szükségesek. A marasmusban szenvedő gyermekek negatív energiamérlege az izomszövet és más szervek szöveteinek lebomlását eredményezi a test túlélési kísérletében. Az izomszövet nagymértékű csökkenése miatt a marasmusos gyermekek lesoványodtak vagy „izomzavarosak”.

8.5. Ábra A glükoneogenezis metabolikus útja

Sokkal kevésbé súlyos példában az ember az étkezések között negatív energia-egyensúlyban is van. Ez idő alatt a vércukorszint kezd csökkenni. A vércukorszint normális tartományba való visszaállítása érdekében stimulálják az anabolikus utat, az úgynevezett glükoneogenezist. A glükoneogenezis a glükózmolekulák főleg bizonyos aminosavakból történő felépítésének folyamata, amely elsősorban a májban fordul elő (8.5. Ábra „A glükoneogenezis metabolikus útja”). A máj a szintetizált glükózt a vérbe exportálja, hogy más szövetek felhasználhassák.

Energia tároló

Engedély

Az emberi táplálkozás [MELLETT] a Hawaii Egyetem Mānoa Élelmiszertudományi és Emberi Táplálkozási Programjában Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 nemzetközi licenc alatt engedélyezett, hacsak másként nem jelezzük.