Metabolisme: wat is eenvoudige taal

Metabolisme of metabolisme is een combinatie van chemische reacties waardoor het lichaam in leven kan blijven. Ons interne laboratorium werkt de hele tijd hard en zelfs de eenvoudigste actie wordt verzekerd door het gecoördineerde werk van interne systemen. Om te beginnen parseert het lichaam de macronutriënten die we eten - eiwitten, vetten en koolhydraten - in eenvoudigere stoffen. Tegelijkertijd wordt er wat energie gemeten, gemeten in kilocalorieën, en met zijn hulp bouwt het lichaam nieuwe moleculen op.

Moleculen worden gebouwd afhankelijk van het doel: mentale activiteit, fysieke activiteit, haargroei, hormoonsynthese. Wanneer u na een stevig diner niet alle energie die verscheen, kon besteden, worden de stoffen naar de opslagruimtes gestuurd - meestal naar de heupen, billen, buik. Maar deze hele theorie brengt ons helemaal niet op het pad van begrip - waarom sommigen eten en niet dik worden, terwijl anderen letterlijk uit de lucht zwellen?

Elke stofwisseling is uniek

De kwaliteit van het metabolisme hangt af van vele factoren: gewicht, leeftijd, de verhouding tussen vet en spierweefsel, de toestand van de microflora van het maagdarmkanaal. Maar de belangrijkste factor zijn genen. Mensen op genetisch niveau zijn voor 99,9% identiek aan elkaar, maar de resterende tiende verandert gewoon alles. Er zijn geen mensen met hetzelfde metabolisme in de wereld.

Nu zijn er methoden waarmee het mogelijk is om precies die genen te analyseren die verantwoordelijk zijn voor het gedrag van enzymen en energieverbruik, en op basis van deze gegevens om voeding op te bouwen. Bij een slechte versie van het FABP2-gen zal het vetgehalte van de producten moeten worden beperkt. En het lichaam van de ander verteert geen koolhydraten - hij zal zijn inname moeten beperken.

Dezelfde genetische analyse helpt om te begrijpen wat voor soort fysieke activiteit geschikt is voor een persoon. Er zijn receptoren in het lichaam die verantwoordelijk zijn voor het efficiënt gebruik van reserves als reactie op stress veroorzaakt door fysieke activiteit. Mensen gebruiken hun vetreserves anders. Een voor de beste vetverbranding vereist training met hoge intensiteit - snel op lange termijn. En anderen vallen af ​​door te lopen.

Metabolisme kan beter zijn

De moderne wereld heeft ook invloed op het menselijk lichaam. In de afgelopen 50-100 jaar is het menselijk lichaam gedwongen te wennen aan volledig nieuwe producten: snelle koolhydraten, ingeblikt voedsel, fastfood, GGO's, enz. Mensen begonnen meer te eten en minder te bewegen. En het genoom weet helaas niet zo snel te veranderen.

Het lichaam is gericht op het opslaan van vet, wat simpelweg niet compatibel is met moderne voeding, die voor bijna 70% uit vet bestaat. Daarom is er een echte epidemie van obesitas, diabetes en hart- en vaatziekten. Maar je kunt het metabolisme normaliseren. Het enige wat je nodig hebt, is beter eten en meer bewegen. De basis is hetzelfde: je moet fractioneel en volledig eten, met aandacht voor elk van de drie macronutriënten.

10 regels voor een uitstekende stofwisseling

  1. Eet rationeel. 'S Morgens worden vetten beter opgenomen,' s middags - eiwitten, 's avonds - complexe koolhydraten die een gevoel van verzadiging ondersteunen. Eet 's ochtends 70% van de calorie-inname. Eet voldoende eiwitten - minimaal 1,2 - 1,5 g per kilogram van je ideale gewicht. Eiwit heeft een thermogeen effect: het kost meer energie om te verteren dan om koolhydraten en vetten te verwerken. Eiwitten moeten met groenten worden gegeten.
  2. Meer fysieke activiteit. Hoe meer spiermassa, hoe meer energie er wordt besteed aan metabole processen..
  3. Controleer de schildklier met een endocrinoloog. Het is een goede schildklierfunctie die de stofwisseling zal verbeteren..
  4. Vitamines innemen. Chroom reguleert het metabolisme van vetten en koolhydraten, evenals de uniformiteit van de suikerinname in het bloed. Foliumzuur, ijzer, calcium, B-vitamines verbeteren de stofwisseling.
  5. Meer kruiden - ze versnellen de stofwisseling.
  6. Meer slaap: bij gebrek aan slaap maakt het lichaam meer reserves aan.
  7. Vetten branden in een vlam van koolhydraten. Eet vet met langzame koolhydraten.
  8. Geef suiker op, eet meer vezels.
  9. Drink meer water - dit is een universeel oplosmiddel, zonder welke geen chemische reacties mogelijk zijn.
  10. Eet fractioneel, 5-6 keer per dag. Ontbijten direct na het ontwaken om je lichaam sneller wakker te maken.

Slecht metabolisme: mythe of realiteit?

Een slecht metabolisme komt niet voor, het kan alleen worden verminderd bij mensen met ernstige schildklieraandoeningen. De stofwisseling kan traag zijn en alleen om een ​​of andere reden vertragen. Metabole processen vertragen met een ernstig gebrek aan wat vitamine of onevenwichtige inname van eiwit-vet-koolhydraten. De snelheid keert terug naar het vorige niveau wanneer de omstandigheden zijn hersteld. Het is niet nodig om uw inactiviteit en liefde voor voedsel te rechtvaardigen door een slecht metabolisme.

Met de leeftijd vertraagt ​​het metabolisme. Het is een feit. Na 35 jaar is het noodzakelijk om de fysieke activiteit te vergroten en de portiegroottes te verkleinen. Goed opgeleide mensen eten veel en worden niet dik. Het onderhouden van spierweefsel vergt meer energie dan vet. Een persoon met ontwikkelde spieren geeft meer calorieën uit dan een persoon met vet..

Zonder goede voeding en sport zullen er geen wonderen zijn. Noch een glas warm water 's ochtends, noch kruiden in voedsel zullen helpen. Ja, peper kan je metabolisme met 50% verhogen door je hartslag te versnellen en extra energieverbruik te veroorzaken. Maar deze methoden alleen zullen je niet slanker maken. Je moet goed trainen en eten.

Gezondheidsmetabolisme:
Waarheid en drogredenen
over metabolisme

Waarom is de stofwisseling voor iedereen anders en hoe kan deze normaal worden gehouden?

Tekst: Olga Lukinskaya

HET WOORD "METABOLISME" WORDT VEEL GEBRUIKT OM TE PLAATSEN EN NIET TE PLAATSEN, maar niet iedereen begrijpt volledig wat metabolisme is en door welke wetten het functioneert. Om dit te begrijpen, vroegen we sportvoedingsdeskundige, lid van de International Association of Sports Sciences (ISSA) Leonid Ostapenko en klinisch psycholoog, oprichter van de kliniek voor eetstoornissen Anna Nazarenko, wat te weten over het metabolisme en hoe je je lichaam niet kunt schaden om het te veranderen.

Wat is metabolisme?

Metabolisme of metabolisme combineert alle chemische reacties in het lichaam. Ze komen continu voor en omvatten katabolisme - de vernietiging van eiwitten, vetten en koolhydraten voor energie en "bouwmaterialen" - en anabolisme, dat wil zeggen de aanmaak van cellen of de synthese van hormonen en enzymen. Onze huid, nagels en haren en alle andere weefsels worden regelmatig bijgewerkt: om ze op te bouwen en te herstellen van verwondingen (bijvoorbeeld om wonden te helen) hebben we "stenen" nodig - voornamelijk eiwitten en vetten - en "arbeid" - energie. Dit alles wordt metabolisme genoemd..

Met metabolisme wordt de circulatie van energie bedoeld die nodig is voor dergelijke processen. De kosten bij de belangrijkste uitwisseling zijn calorieën die worden gebruikt om de lichaamstemperatuur, het werk van het hart, de nieren, de longen en het zenuwstelsel te handhaven. Trouwens, met de belangrijkste uitwisseling van 1.300 calorieën, zijn er 220 hersenwerk. Het metabolisme kan worden onderverdeeld in de hoofd- (of basale), die constant voorkomt, ook in een droom, en aanvullend, geassocieerd met elke andere activiteit dan rust. Alle levende organismen, inclusief planten, hebben een stofwisseling: men gelooft dat de kolibrie de snelste stofwisseling heeft en de luiaard de langzaamste.

Wat beïnvloedt de stofwisseling

We horen vaak de uitdrukkingen "langzame stofwisseling" of "snelle stofwisseling": ze bedoelen vaak het vermogen om harmonie te behouden zonder beperking in voedsel en fysieke activiteit, of, omgekeerd, de neiging om gemakkelijk aan te komen. Maar het metabolisme wordt niet alleen weerspiegeld in uiterlijk. Bij mensen met een snelle stofwisseling wordt meer energie besteed aan vitale functies, zoals het werk van het hart en de hersenen, tegelijkertijd bij mensen met een langzame stofwisseling. Bij gelijke belading kan de ene persoon ontbijten en lunchen met croissants, waardoor alle ontvangen calorieën onmiddellijk worden verbrand en de ander snel aankomt - dit betekent dat ze verschillende basale stofwisselingssnelheden hebben. Het hangt van veel factoren af, waarvan er vele niet beïnvloedbaar zijn..

Metabole factoren die niet kunnen worden gecorrigeerd, worden statisch genoemd: erfelijkheid, geslacht, lichaamstype, leeftijd. Er zijn echter voorwaarden die kunnen worden beïnvloed. Dergelijke dynamische parameters zijn onder meer lichaamsgewicht, psycho-emotionele toestand, organisatie van het dieet, het niveau van hormoonproductie, fysieke activiteit. De wisselkoers is afhankelijk van de interactie van al het bovenstaande. Als u de factoren van de tweede groep correct aanpast, kunt u de stofwisseling tot op zekere hoogte versnellen of vertragen. Het resultaat hangt af van de kenmerken van de genetica en de stabiliteit van het hele metabolische systeem..

Het internet staat vol met rekenmachines waarmee u de snelheid van uw basaal metabolisme kunt berekenen op basis van alleen geslacht, leeftijd en body mass index, maar wat het werkelijk is, is niet zo eenvoudig te achterhalen. Een normaal metabolisme is een stofwisseling die voorziet in alle behoeften van het lichaam aan energie en voedingsstoffen zonder symptomen van gezondheidsproblemen; met de juiste uitwisseling worden alle weefsels op normale snelheid bijgewerkt. Tegen de achtergrond van schadelijke schoonheidsnormen, die de nadruk leggen op harmonie, wordt aangenomen dat een langzame stofwisseling slecht is en een snelle stofwisseling goed is. Te snel wisselen kan echter ook schadelijk zijn..

← Hoe de schildklierfunctie de stofwisseling beïnvloedt

Soms treedt een versneld metabolisme op met hormonale statusstoornissen en kan dit leiden tot problemen bij de vorming van botten en spieren bij kinderen en adolescenten, verzwakte immuniteit, groeiachterstand, menstruele onregelmatigheden, tachycardie en bloedarmoede. Sommige ziekten, zoals ichthyosis, gaan ook gepaard met een versneld metabolisme: onze heldin sprak over de moeilijkheden die daarmee gepaard gaan. Een te traag metabolisme leidt op zijn beurt tot overmatige ophoping van lichaamsvet en obesitas, wat het risico op hartaandoeningen, hoge bloeddruk en diabetes kan verhogen.

Het metabolisme vertraagt ​​met de leeftijd: volgens Leonid Ostapenko leefde gemiddeld 5% per tien jaar na 30-40 (dit zijn echter zeer benaderende, gemiddelde schattingen). De belangrijkste redenen zijn veranderingen in hormonale status, evenals verminderde mobiliteit en verminderde spiermassa. Een stressvolle situatie zoals zwangerschap en bevalling kan ook leiden tot veranderingen in het basaal metabolisme. Artsen noemen de vroege stadia van de zwangerschap een anabole toestand: het moederlichaam slaat voedingsreserves op voor verdere behoeften - zowel de eigen als de foetus. En in de latere stadia wordt een katabole toestand opgenomen: om de foetus normaal te laten ontwikkelen, stijgt het niveau van glucose en vetzuren in het bloed.

Sommigen kunnen na de bevalling niet zo gemakkelijk een paar kilo afvallen als voorheen, terwijl anderen juist mager worden. In het ideale geval zou het lichaam bij een perfect gezond persoon in een gunstige omgeving na de zwangerschap moeten terugkeren naar zijn vorige evenwicht. In werkelijkheid gebeurt dit niet altijd - het endocriene systeem ervaart vaak stress, vergelijkbaar met een hamer op de klok: alsof alle versnellingen op hun plaats zitten, maar de klok heeft haast of loopt achter. Hormonale veranderingen na de bevalling kunnen optreden in de vorm van thyroïditis (ontsteking van de schildklier), oestrogeendominantiesyndroom, wanneer er te veel in het lichaam zijn, of adrenaline-vermoeidheidssyndroom, waarbij de bijnieren te veel adrenaline en weinig cortisol produceren. Dit alles wordt weerspiegeld in de stemming en op de neiging om gemakkelijk te herstellen of af te vallen. Helaas is het onmogelijk om nauwkeurig te voorspellen hoe de hormonale balans en het metabolisme na de bevalling zullen veranderen..

Is het mogelijk om de stofwisseling onafhankelijk te veranderen

Invloed op het metabolisme is alleen met zijn schendingen. Bijvoorbeeld bij disfunctie van de schildklier, die thyroxine aanmaakt, het zogenaamde metabolismehormoon. Wanneer de schildklier hypofunctioneel is - een aandoening waarbij onvoldoende hormonen worden geproduceerd - vertraagt ​​het metabolisme en wordt thyroxine in tabletten voorgeschreven voor behandeling. Dit doen endocrinologen, die de diagnose stellen. Helaas is het niet altijd duidelijk, zelfs niet met toegang tot de beste klinieken: alleen de vijfde arts stelde hypothyreoïdie vast bij de beroemde tv-presentator Oprah Winfrey, tot wie ze zich wendde.

Gezonde mensen willen vaak hun stofwisseling versnellen, zodat ze gemakkelijk kunnen eten wat ze lekker vinden, zonder na te denken over overgewicht of dagen en nachten in de sportschool door te brengen: zoals we ons herinneren, worden met een snelle stofwisseling in rust meer calorieën verbrand. Je kunt het versnellen, maar de methoden zijn niet altijd veilig of zelfs legaal. Op steroïde hormonen gebaseerde medicijnen en sommige medicijnen hebben een snel effect, maar het gebruik ervan gaat gepaard met hoge medische risico's en het overtreden van de wet. Hoe het metabolisme versnellen zonder uw gezondheid te schaden? Allereerst om de algehele dagelijkse activiteit te vergroten en de spiermassa te vergroten. Hoe meer energie er overdag wordt verbruikt, hoe meer calorieën het lichaam in een droom zal verbranden om zijn reserves te herstellen; hoe groter de spiermassa, hoe meer energie er nodig is om hun vitale functies te behouden.

De Wereldgezondheidsorganisatie beveelt per week 75–150 minuten intensieve (of 150–300 minuten matige) aerobics aan, wat overeenkomt met 7 tot 8.000 stappen per dag. Onder de aanbevelingen en de uitvoering van krachtoefeningen tweemaal per week of vaker. Leonid Ostapenko neemt in de lijst ook een methode op om het metabolisme te versnellen, zoals het beheersen van de dagelijkse calorie-inname. Natuurlijk, om een ​​nieuw evenwicht in het metabolisme te bereiken en te consolideren, moet fysieke activiteit regelmatig worden gemaakt en moet een nieuw dieet stabiel worden gehouden..

Hoe het metabolisme niet te schaden

Om de stofwisseling niet te beschadigen, zijn slechts twee dingen nodig: een uitgebalanceerd dieet en optimale fysieke activiteit. Extremen zoals slopende trainingen, extreme diëten of verhongering kunnen tot het tegenovergestelde resultaat leiden. Het lichaam neemt een 'overlevingsreactie' op en begint de stofwisseling te vertragen, omdat het de binnenkomende energie mist. Volgens Anna Nazarenko begint een persoon na langdurige hongersnood in de eerste plaats te veel te eten om een ​​psychologische reden: het onderbewustzijn 'eist' om tien keer zoveel terug te geven als de hoeveelheid die al zo lang schaars is. Als we hier een vertraging van het metabolisme aan toevoegen (en tijdens verhongering vertragen bijna alle metabole processen), wordt duidelijk waarom na radicale diëten het gewicht zo gemakkelijk terugkeert en zelfs meer wordt dan voorheen.

Van het ene uiterste naar het andere gaan is ondervoeding of te veel eten - de meest ongunstige optie. Het kan de gebalanceerde werking van de alvleeskliereilandjes die insuline produceren, verstoren. Omdat endocriene processen complex met elkaar verbonden zijn en een toename van het niveau van sommige hormonen leidt tot een toename of afname bij andere, wordt het hele endocriene systeem aangevallen. Dit verstoort uiteindelijk de wisselkoers, vaak in een onvoorspelbare richting. Het is een feit dat hormonen van bijna alle klieren, inclusief de hypofyse, bijnieren en geslachtsorganen, de stofwisseling beïnvloeden; ze beïnvloeden elkaar ook, dus zelftoediening van anabole steroïden of insuline kan tot onvoorspelbare gevolgen leiden.

U hoeft dus alleen in het metabolisme in te grijpen als de endocrinoloog de stoornissen heeft vastgesteld en een behandelingsregime heeft voorgeschreven waaraan u zich zorgvuldig zult houden. Zelfs bij gezonde mensen is de stofwisseling anders en ieder van ons kan een individuele norm handhaven met behulp van onze favoriete sport en een uitgebalanceerd dieet. Loop meer, eet groenten en kruiden, rook niet en misbruik geen alcohol - dit zijn standaardaanbevelingen voor de preventie van een breed scala aan aandoeningen, waaronder stofwisselingsstoornissen. Het is de moeite waard eraan te denken dat schoonheid en de voorwaardelijke 'ideale figuur' geen synoniemen zijn en dat de race voor opgelegde normen de gezondheid kan schaden.

Metabolisme is dat

Organische stoffen waaruit alle levende wezens bestaan ​​(dieren, planten, schimmels en micro-organismen) worden voornamelijk vertegenwoordigd door aminozuren, koolhydraten, lipiden (vaak vetten genoemd) en nucleïnezuren. Omdat deze moleculen essentieel zijn voor het leven, zijn metabole reacties gericht op het creëren van deze moleculen bij het bouwen van cellen en weefsels of het vernietigen ervan om als energiebron te worden gebruikt. Veel belangrijke biochemische reacties combineren om DNA en eiwitten te synthetiseren..

Type molecuulMonomeer formuliernaamDe naam van de polymeervormVoorbeelden van polymeervormen
AminozurenAminozurenEiwitten (polypeptiden)Fibrillaire en bolvormige eiwitten
KoolhydratenMonosaccharidenPolysaccharidenZetmeel, glycogeen, cellulose
NucleïnezurenNucleotidenPolynucleotidenDNA en RNA

Aminozuren en eiwitten

Eiwitten zijn lineaire biopolymeren en bestaan ​​uit aminozuurresiduen verbonden door peptidebindingen. Sommige eiwitten zijn enzymen en katalyseren chemische reacties. Andere eiwitten vervullen een structurele of mechanische functie (vormen bijvoorbeeld een cytoskelet). [6] Eiwitten spelen ook een belangrijke rol bij signaaloverdracht in cellen, immuunreacties, celaggregatie, actief transport over membranen en celcyclusregulatie. [7]

Lipiden

Lipiden maken deel uit van biologische membranen, bijvoorbeeld plasmamembranen, zijn componenten van co-enzymen en energiebronnen. [7] Lipiden zijn hydrofobe of amfifiele biologische moleculen die oplosbaar zijn in organische oplosmiddelen zoals benzeen of chloroform. [8] Vetten zijn een grote groep verbindingen die vetzuren en glycerine bevatten. Het glycerol-trihydrische alcoholmolecuul, dat drie complexe esterbindingen vormt met drie vetzuurmoleculen, wordt triglyceride genoemd. [9] Naast vetzuurresten kunnen complexe lipiden bijvoorbeeld sfingosine (sfingolipiden), hydrofiele fosfaatgroepen (in fosfolipiden) omvatten. Steroïden, zoals cholesterol, zijn een andere grote klasse van lipiden. [10]

Koolhydraten

Suikers kunnen in een cirkelvormige of lineaire vorm voorkomen in de vorm van aldehyden of ketonen, ze hebben verschillende hydroxylgroepen. Koolhydraten zijn de meest voorkomende biologische moleculen. Koolhydraten vervullen de volgende functies: energieopslag en transport (zetmeel, glycogeen), structureel (plantaardige cellulose, chitine uit dieren). [7] De meest voorkomende suikermonomeren zijn hexosen - glucose, fructose en galactose. Monosacchariden maken deel uit van complexere lineaire of vertakte polysacchariden. [elf]

Nucleotiden

Polymere DNA- en RNA-moleculen zijn lange, onvertakte ketens van nucleotiden. Nucleïnezuren vervullen de functie van het opslaan en implementeren van genetische informatie die wordt uitgevoerd tijdens de processen van replicatie, transcriptie, vertaling en biosynthese van eiwitten. [7] Informatie gecodeerd in nucleïnezuren wordt beschermd tegen veranderingen door reparatiesystemen en wordt vermenigvuldigd door DNA-replicatie.

Sommige virussen hebben een RNA-bevattend genoom. Het humaan immunodeficiëntievirus gebruikt bijvoorbeeld reverse transcriptie om een ​​DNA-sjabloon te maken van zijn eigen RNA-bevattende genoom. [12] Sommige RNA-moleculen hebben katalytische eigenschappen (ribozymen) en maken deel uit van spliceosomen en ribosomen.

Nucleosiden zijn producten van de toevoeging van stikstofbasen aan ribosesuiker. Voorbeelden van stikstofbasen zijn heterocyclische stikstofhoudende verbindingen - derivaten van purines en pyrimidines. Sommige nucleotiden werken ook als co-enzymen bij overdrachtsreacties van functionele groepen. [dertien]

Co-enzymen

Metabolisme omvat een breed scala aan chemische reacties, waarvan de meeste verband houden met verschillende hoofdtypen van reacties op de overdracht van functionele groepen. [14] Co-enzymen worden gebruikt om functionele groepen over te dragen tussen enzymen die chemische reacties katalyseren. [13] Elke klasse van chemische reacties van de overdracht van functionele groepen wordt gekatalyseerd door individuele enzymen en hun cofactoren. [vijftien]

Adenosinetrifosfaat (ATP) is een van de centrale co-enzymen, een universele bron van celenergie. Dit nucleotide wordt gebruikt om chemische energie die is opgeslagen in macroergische bindingen over te dragen tussen verschillende chemische reacties. Er zit een kleine hoeveelheid ATP in de cellen, die constant wordt geregenereerd uit ADP en AMP. Het menselijk lichaam verbruikt ATP-massa per dag gelijk aan de massa van zijn eigen lichaam. [15] ATP fungeert als een link tussen katabolisme en anabolisme: ATP vormt zich tijdens katabole reacties en energie wordt verbruikt tijdens anabole reacties. ATP fungeert ook als donor van de fosfaatgroep bij fosforyleringsreacties.

Vitaminen zijn organische stoffen met een laag molecuulgewicht die in kleine hoeveelheden nodig zijn en de meeste vitamines worden bijvoorbeeld niet bij mensen gesynthetiseerd, maar worden verkregen met voedsel of via microflora van CT. In het menselijk lichaam zijn de meeste vitamines co-factoren van enzymen. De meeste vitamines krijgen een veranderde biologische activiteit, zo worden bijvoorbeeld alle in water oplosbare vitamines in cellen gefosforyleerd of gecombineerd met nucleotiden. [16] Nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) is een derivaat van vitamine B3 (niacine), en is een belangrijk co-enzym - waterstofacceptor. Honderden verschillende dehydrogenase-enzymen halen elektronen weg uit de moleculen van de substraten en brengen deze over naar de NAD + -moleculen, waardoor het wordt gereduceerd tot NADH. De geoxideerde vorm van co-enzym is een substraat voor verschillende reductasen in de cel. [17] NAD in de cel bestaat in twee verwante vormen van NADH en NADPH. NAD + / NADH is belangrijker voor katabole reacties en NADP + / NADPH wordt vaker gebruikt bij anabole reacties.

Mineralen en co-factoren

Anorganische elementen spelen een cruciale rol bij de stofwisseling. Ongeveer 99% van de massa van een zoogdier bestaat uit koolstof, stikstof, calcium, natrium, magnesium, chloor, kalium, waterstof, fosfor, zuurstof en zwavel. [18] Biologisch significante organische verbindingen (eiwitten, vetten, koolhydraten en nucleïnezuren) bevatten grote hoeveelheden koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof en fosfor. [achttien]

Veel anorganische verbindingen zijn ionische elektrolyten. De belangrijkste ionen voor het lichaam zijn natrium, kalium, calcium, magnesium, chloriden, fosfaten en bicarbonaten. De balans van deze ionen in de cel in het extracellulaire medium bepaalt de osmotische druk en pH. [19] Ionenconcentraties spelen ook een belangrijke rol bij het functioneren van zenuw- en spiercellen. Het actiepotentiaal in exciteerbare weefsels komt voort uit de uitwisseling van ionen tussen het extracellulaire vocht en het cytoplasma. [20] Elektrolyten komen de cel binnen en verlaten deze via ionenkanalen in het plasmamembraan. Tijdens spiercontractie bewegen calcium-, natrium- en kaliumionen bijvoorbeeld in het plasmamembraan, het cytoplasma en de T-buizen. [21]

Overgangsmetalen in het lichaam zijn sporenelementen, zink en ijzer komen het meest voor. [22] [23] Deze metalen worden door sommige eiwitten gebruikt (bijvoorbeeld enzymen als cofactoren) en zijn belangrijk voor het reguleren van de activiteit van enzymen en transporteiwitten. [24] Cofactoren van enzymen zijn meestal sterk gebonden aan een specifiek eiwit, maar ze kunnen tijdens de katalyse worden gemodificeerd en na afloop van de katalyse keren ze altijd terug naar hun oorspronkelijke staat (worden niet geconsumeerd). Spoormetalen worden door het lichaam geabsorbeerd met behulp van speciale transporteiwitten en worden niet in vrije toestand in het lichaam aangetroffen, omdat ze worden geassocieerd met specifieke dragereiwitten (bijvoorbeeld ferritine of metallothioneïnen). [25] [26]

Katabolisme

Metabolisme wordt metabolische processen genoemd waarbij relatief grote organische moleculen van suikers, vetten en aminozuren afbreken. Tijdens katabolisme worden eenvoudigere organische moleculen gevormd die nodig zijn voor anabolisme (biosynthese) reacties. Vaak is het tijdens katabolisme-reacties dat het lichaam energie mobiliseert, waarbij het de energie van de chemische bindingen van organische moleculen die worden verkregen tijdens de vertering van voedsel, omzet in beschikbare vormen: in de vorm van ATP, verminderde co-enzymen en transmembraan elektrochemisch potentieel. De term katabolisme is niet synoniem met "energiemetabolisme": in veel organismen (bijvoorbeeld fototrofen) zijn de belangrijkste processen van energieopslag niet direct gerelateerd aan de afbraak van organische moleculen. De classificatie van organismen naar type metabolisme kan worden gebaseerd op de energie- en koolstofbron, wat wordt weergegeven in de onderstaande tabel. Organische moleculen worden gebruikt als energiebron door organotrofen, lithotrofen gebruiken anorganische substraten en fototrofen verbruiken de energie van zonlicht. Al deze verschillende vormen van metabolisme zijn echter afhankelijk van redoxreacties die verband houden met de overdracht van elektronen van gereduceerde donoren van moleculen, zoals organische moleculen, water, ammoniak, waterstofsulfide, naar acceptormoleculen zoals zuurstof, nitraten of sulfaat. [27] Bij dieren omvatten deze reacties de afbraak van complexe organische moleculen tot eenvoudigere, zoals kooldioxide en water. In fotosynthetische organismen - planten en cyanobacteriën - geven elektronenoverdrachtsreacties geen energie vrij, maar worden ze gebruikt om energie op te slaan die wordt geabsorbeerd door zonlicht. [28]

Classificatie van organismen op basis van hun metabolisme
Bron van energiezonlichtfototrofen
Primaire moleculenchemotrofen
Electron donorOrganische verbindingorganotrofen
Anorganische verbindinglithotrofen
KoolstofbronOrganische verbindingheterotrofen
Anorganische verbindingautotrofen

Katabolisme bij dieren kan worden onderverdeeld in drie hoofdfasen. Ten eerste breken grote organische moleculen zoals eiwitten, polysacchariden en lipiden af ​​tot kleinere componenten buiten de cellen. Verder komen deze kleine moleculen de cellen binnen en veranderen in nog kleinere moleculen, bijvoorbeeld acetyl-CoA. Op zijn beurt oxideert de acetylgroep van co-enzym A in water en kooldioxide in de Krebs-cyclus en de ademhalingsketen, terwijl energie vrijkomt die wordt opgeslagen in de vorm van ATP.

Spijsvertering

Macromoleculen zoals zetmeel, cellulose of eiwitten moeten worden afgebroken tot kleinere eenheden voordat ze door cellen kunnen worden gebruikt. Bij afbraak zijn verschillende klassen enzymen betrokken: proteasen die eiwitten afbreken tot peptiden en aminozuren, glycosidasen die polysacchariden afbreken tot oligo- en monosacchariden.

Micro-organismen scheiden hydrolytische enzymen af ​​in de ruimte eromheen, [29] [30] hoe ze verschillen van dieren die dergelijke enzymen alleen afscheiden van gespecialiseerde kliercellen. [31] Aminozuren en monosacchariden, die het resultaat zijn van de activiteit van extracellulaire enzymen, komen dan via actief transport de cellen binnen. [32] [33]

Energie krijgen

Tijdens het koolhydraat-katabolisme breken complexe suikers af tot monosacchariden, die door cellen worden opgenomen. [34] Eenmaal binnen worden suikers (bijvoorbeeld glucose en fructose) tijdens de glycolyse omgezet in pyruvaat en wordt een bepaalde hoeveelheid ATP geproduceerd. [35] Pyruvinezuur (pyruvaat) is een tussenproduct in verschillende metabole routes. De belangrijkste route van het pyruvaatmetabolisme is de omzetting in acetyl-CoA en vervolgens in de tricarbonzuurcyclus. Tegelijkertijd wordt een deel van de energie opgeslagen in de Krebs-cyclus in de vorm van ATP, en worden ook NADH- en FAD-moleculen hersteld. Tijdens glycolyse en de tricarbonzuurcyclus wordt kooldioxide gevormd, wat een bijproduct van het leven is. Onder anaerobe omstandigheden, als gevolg van glycolyse uit pyruvaat met deelname van het enzym lactaatdehydrogenase, wordt lactaat gevormd en wordt NADH geoxideerd tot NAD +, dat opnieuw wordt gebruikt in glycolysereacties. Er is ook een alternatieve route voor het metabolisme van monosacchariden - de pentosefosfaatroute, waarbij de energie wordt opgeslagen in de vorm van verlaagd co-enzym NADPH en pentosen worden gevormd, bijvoorbeeld ribose, wat nodig is voor de synthese van nucleïnezuren.

Vetten in de eerste fase van katabolisme worden gehydrolyseerd tot vrije vetzuren en glycerine. Vetzuren worden afgebroken tijdens bèta-oxidatie om acetyl-CoA te vormen, dat op zijn beurt verder wordt afgebroken in de Krebs-cyclus, of naar de synthese van nieuwe vetzuren gaat. Vetzuren geven meer energie af dan koolhydraten, omdat vetten specifiek meer waterstofatomen in hun structuur bevatten..

Aminozuren worden gebruikt om eiwitten en andere biomoleculen te synthetiseren, of worden geoxideerd tot ureum, kooldioxide en dienen als energiebron. [36] De oxidatieve route van aminozuurkatabolisme begint met de verwijdering van de aminogroep door transaminase-enzymen. Aminogroepen worden gebruikt in de ureumcyclus; aminozuren zonder aminogroepen worden ketozuren genoemd. Sommige ketozuren zijn tussenproducten in de Krebs-cyclus. Deaminering van glutamaat produceert bijvoorbeeld alfa-ketoglutaarzuur. [37] Glycogene aminozuren kunnen ook worden omgezet in glucose in gluconeogenese-reacties. [38]

Energie-transformaties

Oxidatieve fosforylering

Bij oxidatieve fosforylering worden elektronen die zijn verwijderd uit voedselmoleculen in de metabole routes (bijvoorbeeld in de Krebs-cyclus) overgebracht naar zuurstof en de vrijgekomen energie wordt gebruikt om ATP te synthetiseren. Bij eukaryoten wordt dit proces uitgevoerd met deelname van een aantal eiwitten die zijn gefixeerd in mitochondriale membranen, de ademhalingsketen van elektronenoverdracht genoemd. Bij prokaryoten zijn deze eiwitten aanwezig in het binnenmembraan van de celwand. [39] Eiwitten van de elektronenoverdrachtsketen gebruiken de energie die wordt verkregen door elektronen over te dragen van gereduceerde moleculen (bijv. NADH) naar zuurstof om protonen door het membraan te pompen. [40]

Bij het verpompen van protonen ontstaat er een verschil in de concentratie van waterstofionen en ontstaat er een elektrochemische gradiënt. [41] Deze kracht brengt protonen terug naar mitochondriën via de basis van ATP-synthase. De stroom van protonen zorgt ervoor dat de ring van c-subeenheden van het enzym roteert, waardoor het actieve centrum van synthase van vorm verandert en adenosinedifosfaat fosforyleert en in ATP verandert. [vijftien]

Energie uit anorganische verbindingen

Hemolithotrofen worden prokaryoten genoemd, die een speciaal type metabolisme hebben, waarbij energie wordt gevormd als gevolg van de oxidatie van anorganische verbindingen. Chemolithotrofen kunnen moleculaire waterstof, [42] zwavelverbindingen (bijvoorbeeld sulfiden, waterstofsulfide en thiosulfaat), [1] ijzer (II) oxide [43] of ammoniak oxideren. [44] In dit geval wordt de energie uit de oxidatie van deze verbindingen opgewekt door elektronenacceptoren, zoals zuurstof of nitrieten. [45] De processen voor het verkrijgen van energie uit anorganische stoffen spelen een belangrijke rol in biogeochemische cycli zoals acetogenese, nitrificatie en denitrificatie. [46] [47]

Energie van het zonlicht

De energie van zonlicht wordt geabsorbeerd door planten, cyanobacteriën, paarse bacteriën, groene zwavelbacteriën en sommige protozoa. Dit proces wordt vaak gecombineerd met de omzetting van kooldioxide in organische verbindingen als onderdeel van het fotosyntheseproces (zie hieronder). De systemen van energieopvang en koolstofbinding in sommige prokaryoten kunnen afzonderlijk werken (bijvoorbeeld in paarse en groene zwavelbacteriën). [48] ​​[49]

Voor veel organismen is de opname van zonne-energie in principe vergelijkbaar met oxidatieve fosforylering, omdat in dit geval de energie wordt opgeslagen in de vorm van een protonconcentratiegradiënt en de aandrijfkracht van de protonen leidt tot de synthese van ATP. [15] De elektronen die nodig zijn voor deze overdrachtsketen zijn afkomstig van licht-oogstende eiwitten die fotosynthetische reactiecentra worden genoemd (bijvoorbeeld rhodopsins). Afhankelijk van het type fotosynthetische pigmenten worden twee soorten reactiecentra geclassificeerd; op dit moment hebben de meeste fotosynthetische bacteriën slechts één type, terwijl planten en cyanobacteriën er twee zijn. [vijftig]

In planten, algen en cyanobacteriën gebruikt fotosysteem II de energie van licht om elektronen uit water te verwijderen, waarbij moleculaire zuurstof vrijkomt als bijproduct van de reactie. De elektronen komen vervolgens in het b6f cytochroomcomplex, dat energie gebruikt om protonen door het thylakoïde membraan in chloroplasten te pompen. [7] Onder invloed van de elektrochemische gradiënt bewegen protonen terug door het membraan en activeren ATP-synthase. De elektronen gaan vervolgens door fotosysteem I en kunnen worden gebruikt om het NADP + -co-enzym te oxideren, voor gebruik in de Calvin-cyclus of voor recycling om extra ATP-moleculen te vormen. [51]

Anabolisme

Anabolisme is een reeks metabolische processen van biosynthese van complexe moleculen met het verbruik van energie. De complexe moleculen waaruit de cellulaire structuren bestaan, worden opeenvolgend gesynthetiseerd uit eenvoudigere voorlopers. Anabolisme omvat drie hoofdfasen, die elk worden gekatalyseerd door een gespecialiseerd enzym. In de eerste fase worden voorlopermoleculen gesynthetiseerd, bijvoorbeeld aminozuren, monosacchariden, terpenoïden en nucleotiden. In de tweede fase worden de voorlopers met het verbruik van ATP-energie omgezet in geactiveerde vormen. In de derde stap worden de geactiveerde monomeren gecombineerd tot complexere moleculen, bijvoorbeeld eiwitten, polysacchariden, lipiden en nucleïnezuren.

Niet alle levende organismen kunnen alle biologisch actieve moleculen synthetiseren. Autotrofen (bijvoorbeeld planten) kunnen complexe organische moleculen synthetiseren uit eenvoudige anorganische laagmoleculaire stoffen zoals koolstofdioxide en water. Heterotrofen hebben een bron van complexere stoffen nodig, zoals monosacchariden en aminozuren, om complexere moleculen te maken. Organismen worden geclassificeerd op basis van hun belangrijkste energiebronnen: fotoautotrofen en fotoheterotrofen ontvangen energie van zonlicht, terwijl chemoautotrofen en chemoheterotrofen energie ontvangen van anorganische oxidatiereacties.

Carbon binding

Fotosynthese is het biosyntheseproces van suikers uit kooldioxide, waarbij de benodigde energie uit zonlicht wordt geabsorbeerd. In planten, cyanobacteriën en algen treedt fotolyse van water op tijdens fotosynthese van zuurstof, terwijl zuurstof als bijproduct vrijkomt. CO omzetten2 3-fosfoglyceraat gebruikt ATP- en NADPH-energie die is opgeslagen in fotosystemen. De koolstofbindingsreactie wordt uitgevoerd met het enzym ribulosebisfosfaatcarboxylase en maakt deel uit van de Calvin-cyclus. [52] Drie soorten fotosynthese worden geclassificeerd in planten - langs het pad van moleculen met drie koolstofatomen, langs het pad van moleculen met vier koolstofatomen (C4) en CAM-fotosynthese. Drie soorten fotosynthese verschillen in de manier waarop koolstofdioxide bindt en de Calvin-cyclus binnengaat; in C3-planten, CO-bindend2 komt direct voor in de Calvin-cyclus, en bij C4 en CAM CO2 eerder opgenomen in andere verbindingen. Verschillende vormen van fotosynthese zijn aanpassingen aan de intense stroom van zonlicht en aan droge omstandigheden. [53]

In fotosynthetische prokaryoten zijn de mechanismen van koolstofbinding diverser. Kooldioxide kan worden gefixeerd in de Calvin-cyclus, in de omgekeerde Krebs-cyclus [54] of in acetyl-CoA-carboxyleringsreacties. [55] [56] Prokaryoten - chemoautotrofen binden ook CO2 door de Calvin-cyclus, maar energie van anorganische verbindingen wordt gebruikt om de reactie uit te voeren. [57]

Koolhydraten en glycanen

Tijdens het anabolisme van suiker kunnen eenvoudige organische zuren worden omgezet in monosacchariden, bijvoorbeeld glucose, en vervolgens worden gebruikt om polysacchariden te synthetiseren, zoals zetmeel. De vorming van glucose uit verbindingen zoals pyruvaat, lactaat, glycerine, 3-fosfoglyceraat en aminozuren wordt gluconeogenese genoemd. Tijdens gluconeogenese wordt pyruvaat omgezet in glucose-6-fosfaat via een reeks tussenverbindingen, waarvan er vele ook worden gevormd tijdens glycolyse. [35] Gluconeogenese is echter niet alleen glycolyse in de tegenovergestelde richting, aangezien verschillende chemische reacties speciale enzymen katalyseren, die het mogelijk maken om de processen van glucose-vorming en afbraak onafhankelijk te reguleren. [58] [59]

Veel organismen slaan voedingsstoffen op in de vorm van lipiden en vetten, maar gewervelde dieren hebben geen enzymen die de omzetting van acetyl-CoA (een product van het vetzuurmetabolisme) in pyruvaat (een substraat van gluconeogenese) katalyseren. [60] Na langdurige hongersnood beginnen vertebraten ketonlichamen te synthetiseren uit vetzuren, die glucose in weefsels zoals de hersenen kunnen vervangen. [61] In planten en bacteriën wordt dit metabole probleem opgelost door gebruik te maken van de glyoxylaatcyclus, die de decarboxyleringsstap in de citroenzuurcyclus omzeilt en de omzetting van acetyl-CoA in oxaloacetaat mogelijk maakt en vervolgens wordt gebruikt voor glucosesynthese. [60] [62]

Polysacchariden vervullen structurele en metabole functies en kunnen ook worden gecombineerd met lipiden (glycolipiden) en eiwitten (glycoproteïnen) met behulp van oligosaccharide-transferase-enzymen. [63] [64]

Vetzuren, isoprenoïden en steroïden

Vetzuren worden gevormd door vetzuursynthasen uit acetyl-CoA. Het koolstofskelet van vetzuren wordt verlengd in de cyclus van reacties waarin de acetylgroep eerst samenkomt, vervolgens wordt de carbonylgroep gereduceerd tot de hydroxylgroep, dan treedt uitdroging en vervolgens herstel op. Vetzuurbiosynthese-enzymen worden in twee groepen ingedeeld: bij dieren en schimmels worden alle vetzuursynthesereacties uitgevoerd door één multifunctioneel type I-eiwit [65] in plantenplastiden en in bacteriën, elk type wordt gekatalyseerd door individuele type II-enzymen. [66] [67]

Terpenen en terpenoïden zijn vertegenwoordigers van de grootste klasse van natuurlijke kruidenproducten. [68] Vertegenwoordigers van deze groep stoffen zijn derivaten van isopreen en worden gevormd uit geactiveerde voorlopers van isopentylpyrofosfaat en dimethylallylpyrofosfaat, die op hun beurt worden gevormd in verschillende metabole reacties. [69] Bij dieren en archaea worden isopentylpyrofosfaat en dimethylallylpyrofosfaat gesynthetiseerd uit acetyl-CoA in de mevalonaatroute [70], terwijl in planten en bacteriën pyruvaat en glyceraldehyde-3-fosfaat substraten zijn van de niet-mevalonaatroute. [69] [71] Bij steroïde biosynthesereacties combineren isopreenmoleculen squaleen, dat vervolgens cyclische structuren vormt met de vorming van lanosterol. [72] Lanosterol kan worden omgezet in andere steroïden, zoals cholesterol en ergosterol. [72] [73]

Eekhoorns

Organismen verschillen in hun vermogen om 20 gemeenschappelijke aminozuren te synthetiseren. De meeste bacteriën en planten kunnen ze alle 20 aanmaken, maar zoogdieren kunnen maar 11 essentiële aminozuren aanmaken. [7] In het geval van zoogdieren moeten dus 9 essentiële aminozuren worden verkregen uit voedsel. Alle aminozuren worden gesynthetiseerd uit glycolyse-tussenproducten, een citroenzuurcyclus of een pentose-monofosfaatroute. De overdracht van aminogroepen van aminozuren naar alfa-ketozuren wordt transaminatie genoemd. Donoren van de aminogroep zijn glutamaat en glutamine. [74]

Aminozuren verbonden door peptidebindingen vormen eiwitten. Elk eiwit heeft een unieke sequentie van aminozuurresiduen (primaire eiwitstructuur). Net zoals de letters van het alfabet kunnen worden gecombineerd met de vorming van bijna eindeloze woordvariaties, kunnen aminozuren in een of andere volgorde binden en een verscheidenheid aan eiwitten vormen. Het aminoacyl-tRNA-synthetase-enzym katalyseert ATP-afhankelijke toevoeging van aminozuren aan tRNA met esterbindingen, en aminoacyl-tRNA's worden gevormd. [75] Aminoacyl-tRNA's zijn substraten voor ribosomen die aminozuren combineren tot lange polypeptideketens met behulp van een mRNA-matrix. [76]

Nucleotiden

Nucleotiden worden gevormd uit aminozuren, kooldioxide en mierenzuur in een reeks reacties die veel energie nodig hebben om te stromen. [77] [78] Dat is waarom de meeste organismen effectieve conserveringssystemen hebben voor eerder gesynthetiseerde nucleotiden en stikstofbasen. [77] [79] Purines worden gesynthetiseerd als nucleosiden (voornamelijk geassocieerd met ribose). Adenine en guanine worden gevormd uit inosinemonofosfaat, dat wordt gesynthetiseerd uit glycine, glutamine en aspartaat met deelname van methenyltetrahydrofolaat. Pyrimidines worden gesynthetiseerd uit orotaat, dat wordt gevormd uit glutamine en aspartaat. [80]

Xenobiotica en oxidatieve stofwisseling

Alle organismen worden constant blootgesteld aan verbindingen waarvan de ophoping schadelijk kan zijn voor cellen. Dergelijke potentieel gevaarlijke vreemde stoffen worden xenobiotica genoemd. [81] Xenobiotica, zoals synthetische drugs en natuurlijk voorkomende vergiften, worden ontgift door gespecialiseerde enzymen. Bij mensen worden dergelijke enzymen bijvoorbeeld vertegenwoordigd door cytochroomoxidasen, [82] glucuronyltransferase, [83] en glutathion S-transferase. [84] Dit enzymsysteem werkt in drie fasen: in de eerste fase worden xenobiotica geoxideerd, vervolgens worden in water oplosbare groepen geconjugeerd aan moleculen en vervolgens kunnen gemodificeerde in water oplosbare xenobiotica uit de cellen worden verwijderd en vóór uitscheiding worden gemetaboliseerd. De beschreven reacties spelen een belangrijke rol bij de afbraak van verontreinigingen door microben en de bioremediatie van vervuilde gronden en olielozingen. [85] Veel van dergelijke reacties treden op met de deelname van meercellige organismen, maar vanwege hun ongelooflijke diversiteit zijn micro-organismen bestand tegen een veel breder spectrum van xenobiotica dan meercellige organismen, en kunnen ze zelfs persistente organische verontreinigende stoffen, zoals organochloorverbindingen, vernietigen. [86]

Een gerelateerd probleem voor aerobe organismen is oxidatieve stress. [87] In het proces van oxidatieve fosforylering en de vorming van disulfidebindingen tijdens het vouwen van eiwitten, worden reactieve zuurstofsoorten gevormd, zoals waterstofperoxide. [88] Deze schadelijke oxidanten worden verwijderd door antioxidanten, zoals glutathion- en catalase- en peroxidase-enzymen. [89] [90]

Thermodynamica van levende organismen

Levende organismen volgen de principes van de thermodynamica, die de transformatie van warmte en werk beschrijven. De tweede wet van de thermodynamica stelt dat entropie in geen enkel geïsoleerd systeem afneemt. Hoewel de ongelooflijke complexiteit van levende organismen duidelijk in tegenspraak is met deze wet, is leven mogelijk, omdat alle organismen open systemen zijn die materie en energie uitwisselen met de omgeving. Levende systemen bevinden zich dus niet in thermodynamisch evenwicht, maar werken in plaats daarvan als een dissipatief systeem dat hun staat van complexe organisatie in stand houdt, waardoor de entropie door de omgeving groter wordt. [91] In celmetabolisme wordt dit bereikt door het combineren van spontane processen van katabolisme met niet-spontane processen van anabolisme. Onder thermodynamische omstandigheden handhaaft het metabolisme de orde door wanorde te creëren. [92]

Regulering en controle

Homeostase wordt de standvastigheid van de interne omgeving van het lichaam genoemd. Aangezien de externe omgeving die de meeste organismen omringt voortdurend verandert, moeten om metabolische reacties nauwkeurig te reguleren, om constante omstandigheden in de cellen te behouden. [93] [94] De regulering van het metabolisme stelt organismen in staat om op signalen te reageren en actief met de omgeving om te gaan. [95] In het geval van een enzym omvat regulering het verhogen en verlagen van zijn activiteit als reactie op signalen. Aan de andere kant oefent het enzym enige controle uit over de metabole route, die wordt gedefinieerd als het effect van een verandering in enzymactiviteit op een bepaalde metabole route. [96]

Er worden verschillende niveaus van metabole regulatie onderscheiden. In de metabole route vindt zelfregulatie plaats op het niveau van het substraat of product; een afname van de hoeveelheid product kan bijvoorbeeld compenseren om de stroom van het reactiesubstraat langs dit pad te vergroten. [97] Dit type regulering omvat vaak allostere regulering van de activiteit van bepaalde enzymen in de metabole routes. [98] Externe controle omvat een cel van een meercellig organisme dat zijn metabolisme verandert als reactie op signalen van andere cellen. Deze signalen, meestal in de vorm van oplosbare boodschappers, zoals hormonen en groeifactoren, worden bepaald door specifieke receptoren op het celoppervlak. [99] Vervolgens worden deze signalen naar de cel gestuurd door een systeem van secundaire boodschappers, die vaak worden geassocieerd met eiwitfosforylering. [100]

Een goed bestudeerd voorbeeld van externe controle is de regulering van het glucosemetabolisme door insuline. [101] Insuline wordt geproduceerd als reactie op een stijging van de bloedglucose. Het hormoon bindt zich aan de insulinereceptor op het celoppervlak, waarna een cascade van proteïnekinasen wordt geactiveerd, die de opname van glucosemoleculen door cellen verzekeren en deze omzetten in vetzuur- en glycogeenmoleculen. [102] Het metabolisme van glycogeen wordt gereguleerd door de activiteit van fosforylase (het enzym dat glycogeen afbreekt) en glycogeensynthase (het enzym dat het vormt). Deze enzymen zijn onderling verbonden; fosforylering wordt geremd door glycogeensynthase maar geactiveerd door fosforylase. Insuline veroorzaakt glycogeensynthese door eiwitfosfatasen te activeren en vermindert de fosforylering van deze enzymen. [103]

Evolutie

De hierboven beschreven belangrijkste metabole routes, bijvoorbeeld glycolyse en de Krebs-cyclus, zijn aanwezig in alle drie domeinen van levende wezens en worden gevonden in de laatste universele gemeenschappelijke voorouder. [3] [104] Deze universele voorouder was een prokaryoot en waarschijnlijk een methanogeen met aminozuur-, nucleotide-, koolhydraat- en lipidenmetabolisme. [105] [106] Het behoud van deze oude metabole routes in evolutie kan het gevolg zijn van het feit dat deze reacties optimaal zijn voor het oplossen van specifieke metabole problemen. Zo worden de eindproducten van glycolyse en de Krebs-cyclus gevormd met een hoog rendement en met een minimumaantal trappen. [4] [5] De eerste op enzymen gebaseerde metabole routes kunnen delen zijn van het purinemetabolisme van nucleotiden, waarbij de eerdere metabole routes deel uitmaken van de oude wereld van RNA. [107]

Er zijn veel modellen voorgesteld om de mechanismen te beschrijven waarmee nieuwe metabole routes evolueerden. Deze omvatten de opeenvolgende toevoeging van nieuwe enzymen aan de korte voorouderlijke route, duplicatie en vervolgens divergentie van alle paden, evenals de selectie van bestaande enzymen en hun assemblage in een nieuwe reactieroute. [108] Het relatieve belang van deze mechanismen is onduidelijk, maar genomische studies hebben aangetoond dat enzymen in de metabole route hoogstwaarschijnlijk een gemeenschappelijke oorsprong hebben, wat suggereert dat veel pathways stap voor stap evolueerden met nieuwe functies die werden gecreëerd op basis van bestaande pathway-stappen. [109] Een alternatief model is gebaseerd op studies die de evolutie van de structuur van eiwitten in metabole bindingen volgen; er wordt gesuggereerd dat enzymen werden geassembleerd om vergelijkbare functies uit te voeren in verschillende metabole routes [110]. Deze assemblageprocessen leidden tot de evolutie van het enzymatische mozaïek. [111] Sommige delen van het metabolisme bestonden mogelijk als "modules" die op verschillende manieren kunnen worden hergebruikt om vergelijkbare functies uit te voeren. [112]

Evolutie kan ook leiden tot verlies van metabole functies. Bij sommige parasieten gaan bijvoorbeeld metabolische processen die niet belangrijk zijn om te overleven verloren en worden kant-en-klare aminozuren, nucleotiden en koolhydraten verkregen van de gastheer. [113] Soortgelijke vereenvoudigingen van het metabole potentieel worden waargenomen bij endosymbiotische organismen. [114]

Onderzoeksmethoden

Klassiek wordt het metabolisme bestudeerd door een vereenvoudigde benadering die zich richt op één metabole route. Bijzonder waardevol is het gebruik van gelabelde atomen op het lichaam, weefsel en cellulaire niveaus, die het pad van voorlopers naar eindproducten bepalen door radioactief gelabelde tussenproducten te identificeren. [115] Enzymen die deze chemische reacties katalyseren, kunnen vervolgens worden geïsoleerd om hun kinetiek en respons op remmers te bestuderen. Een parallelle benadering is het identificeren van kleine moleculen in cellen of weefsels; een complete set van deze moleculen wordt een metabolol genoemd. Over het algemeen geven deze onderzoeken een goed idee van de structuur en functies van eenvoudige metabole routes, maar zijn onvoldoende in toepassing op complexere systemen, bijvoorbeeld het volledige celmetabolisme. [116]

Het idee van de complexiteit van metabole netwerken in cellen die duizenden verschillende enzymen bevatten, wordt weerspiegeld in de afbeelding rechts en toont interacties tussen slechts 43 eiwitten en 40 metabolieten, die worden gereguleerd door 45.000 genen. [117] Het is nu echter mogelijk om dergelijke gegevens over genomen te gebruiken om een ​​compleet netwerk van biochemische reacties te creëren en meer holistische wiskundige modellen te vormen die hun gedrag kunnen verklaren en voorspellen. [118] Deze modellen zijn bijzonder sterk wanneer ze worden gebruikt om gegevens over routes en metabolieten die zijn afgeleid van klassieke methoden te integreren met gegevens over genexpressie uit proteoom- en DNA-microarray-onderzoeken. [119] Met behulp van deze methoden wordt een model van menselijk metabolisme gecreëerd dat als richtlijn zal dienen voor toekomstig geneesmiddelenonderzoek en biochemisch onderzoek. [120] Deze modellen worden momenteel gebruikt in netwerkanalyses om ziekten bij de mens te classificeren in groepen die verschillen in gewone eiwitten of metabolieten. [121] [122]

Een opvallend voorbeeld van bacteriële metabole netwerken is het ontwerp van een vlinderdas [123] [124] [125], waarvan de structuur de introductie van een breed scala aan voedingsstoffen en de productie van een grote verscheidenheid aan producten en complexe macromoleculen met relatief weinig gemeenschappelijke tussenproducten mogelijk maakt..

De belangrijkste technologische basis van deze informatie is metabole engineering. Hier worden organismen, zoals gist, planten of bacteriën, genetisch gemodificeerd om ze effectiever te maken in de biotechnologie en te helpen bij de vervaardiging van medicijnen, zoals antibiotica of industriële chemicaliën zoals 1,3-propaandiol en shikiminezuur. [126] Deze genetische modificaties zijn meestal gericht op het verminderen van de hoeveelheid energie die wordt gebruikt om producten te produceren, het verhogen van de opbrengsten en het verminderen van productieafval. [127]

Verhaal

De geschiedenis van de studie van het metabolisme beslaat meerdere eeuwen. Studies begonnen met de studie van dierlijke organismen, in de moderne biochemie bestuderen ze individuele metabole reacties. Het concept van metabolisme werd voor het eerst aangetroffen in de werken van Ibn al-Nafis (1213-1288), die schreef dat 'het lichaam en zijn delen in een constante staat van verval en voeding verkeren, zodat het onvermijdelijk constante veranderingen ondergaat'. [128] De eerste gecontroleerde experimenten op het menselijk metabolisme werden in 1614 door Santorio Santorio gepubliceerd in een Italiaans boek. Ars de statica medicina. [129] Hij beschreef hoe hij zichzelf woog voor en na het eten, slapen, werken, vrijen, op een lege maag, na het drinken en het uitscheiden van urine. Hij ontdekte dat het meeste voedsel dat hij had ingenomen verloren was gegaan als gevolg van een proces dat "onzichtbare verdamping" wordt genoemd.

In vroege studies werden geen metabole reactiemechanismen gedetecteerd en werd aangenomen dat de levende kracht werd beheerst door levend weefsel. [130] In een 19e-eeuws onderzoek naar alcoholfermentatie van alcohol door gist concludeerde Louis Pasteur dat fermentatie wordt gekatalyseerd door stoffen uit gistcellen, die hij enzymen noemde. Pasteur schreef dat "alcoholische fermentatie - een actie die geassocieerd wordt met leven en georganiseerd wordt door gistcellen, niet geassocieerd is met de dood of ontbinding van cellen." [131] Deze ontdekking, samen met de publicatie van Friedrich Wöhler in 1828 over de chemische synthese van ureum, [132] bewees dat organische verbindingen en chemische reacties die in cellen worden aangetroffen in principe niet verschillen, zoals bij alle andere secties van de chemie.

De ontdekking van enzymen aan het begin van de 20e eeuw door Eduard Buchner scheidde de studie van metabole reacties van de studie van cellen en leidde tot de ontwikkeling van biochemie als wetenschap. [133] Een van de succesvolle biochemici van het begin van de twintigste eeuw was Hans Adolf Krebs, die een enorme bijdrage leverde aan de studie van het metabolisme. [134] Krebs beschreef de ureumcyclus en later, in samenwerking met Hans Kornberg, de citroenzuurcyclus en de glyoxylaatcyclus. [135] [62] In moderne biochemische studies worden nieuwe methoden op grote schaal gebruikt, zoals chromatografie, röntgendiffractieanalyse, NMR-spectroscopie, elektronenmicroscopie en de klassieke moleculaire dynamica-methode. Met deze methoden kunt u veel moleculen en metabole routes in cellen ontdekken en in detail bestuderen..

Lees Meer Over Diabetes Risicofactoren