Metabolismul intermediar

Metabolismul intermediar reprezintă totalitatea reacțiilor chimice la care participă produșii absorbiți la nivelul tubului digestiv, reacții care realizează fie înglobarea lor în edificiile macromoleculare ale organismului, fie degradarea acestora până la formele excretabile. Desfășurarea acestor reacții este posibilă datorită enzimelor, care au rol de biocatalizatori.

Metabolismul intermediar al glucidelor

Glucoza, fructoza și galactoza, absorbite la nivelul tubului digestiv, ajung pe calea venei porte la ficat. La acest nivel, galactoza în totalitate și cea mai mare parte a fructozei sunt transformate, printr-o serie de reacții, în glucoză, forma de utilizare preferențială a hexozelor de către toate celulele.

La nivelul ficatului, glucoza poate fi stocată sub formă de glicogen, prin glicogenogeneză, ori poate fi utilizată printr-o serie de reacții metabolice, glicoliza, ca principală sursă de energie.

Glicogenogeneza, numită în manual și glicogeneză, este procesul de formare a glicogenului, polimer al glucozei cu moleculă foarte mare. Are loc la nivelul diferitelor celule din organism, dar cu precădere în ficat și în mușchi. Glicogenul este o formă de depozit a glucozei, care poate fi mobilizată cu ușurință, la nevoie, printr-o serie de reacții de depolimerizare; procesul poartă denumirea de glicogenoliză și este activat de adrenalină și de glucagon.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Același proces are două nume: „glicogenogeneza”, forma lungă, și „glicogeneză”, forma scurtă. Nu sunt procese diferite și o grilă poate folosi oricare dintre ele. Ce nu se confundă însă este perechea: glicogenogeneza face glicogen, glicogenoliza îl desface.

Glicoliza reprezintă desfacerea moleculei de glucoză pentru a forma două molecule de acid piruvic. Procesul se desfășoară în zece trepte de reacții chimice succesive, fiecare treaptă fiind catalizată de câte o enzimă proteică specifică. Cele două molecule de acid piruvic pot fi transformate, în prezența oxigenului, în două molecule de acetil coenzimă A, care vor intra în ciclul acizilor tricarboxilici, ciclul Krebs, desfășurat în matricea mitocondrială. Rezultatul net per moleculă de glucoză la sfârșitul ciclului acizilor tricarboxilici este obținerea a două molecule de ATP, la fel ca și în cazul glicolizei anaerobe.

Cu toată complexitatea glicolizei și a ciclului Krebs, în timpul acestor procese se sintetizează cantități foarte mici de ATP. Cea mai mare parte a ATP-ului furnizat de o moleculă de glucoză, aproximativ 95 %, se sintetizează în timpul fosforilării oxidative, desfășurată în mitocondrii, care presupune oxidarea hidrogenului produs în timpul glicolizei și al ciclului Krebs. Procesul este posibil datorită prezenței la nivelul mitocondriilor a unor structuri speciale care, prin reacții controlate enzimatic, furnizează energie ce se va înmagazina sub formă de ATP. În timpul fosforilării oxidative se obțin 34 de molecule de ATP.

Astfel, eficiența transferului de energie prin catabolismul unui mol de glucoză este de 66 %, restul transformându-se în căldură.

Trebuie subliniat rolul pe care îl are ADP-ul în controlul glicolizei și al oxidării glucozei, deoarece el este necesar în diferite etape pentru a fi convertit la ATP. Absența lui duce la stoparea degradării moleculei de glucoză: odată ce tot ADP-ul din celulă a fost transformat în ATP, întregul proces glicolitic și oxidativ se oprește.

Eliberarea de energie în absența oxigenului

Uneori oxigenul devine fie indisponibil, fie insuficient. În aceste condiții, o cantitate mică de energie poate fi eliberată de către celule prin glicoliză, pentru că reacțiile de obținere a acidului piruvic nu necesită oxigen. Procesul, numit glicoliză anaerobă, are un randament extrem de mic, 3 %, dar este salvator pentru viața celulei în cele câteva minute în care oxigenul poate fi indisponibil.

În aceste condiții, cantități mari de acid piruvic sunt transformate în acid lactic, care difuzează în afara celulelor, permițând obținerea în continuare de acid piruvic prin glicoliză. Când oxigenul devine din nou disponibil, acidul lactic se transformă din nou în acid piruvic, care, eventual, va fi oxidat, pentru a asigura o cantitate suplimentară de energie.

Eliberarea de energie din glucoză mai poate fi făcută și pe o cale alternativă proceselor de mai sus, numită calea pentozo-fosfaților.

Gluconeogeneza. Atunci când glicemia scade, ca urmare a aportului insuficient de glucoză ori a utilizării ei excesive, are loc transformarea în glucoză a acizilor grași, proveniți din scindarea lipidelor, sau a aminoacizilor, proveniți din catabolizarea proteinelor. Procesul se numește gluconeogeneză.

În situația inversă, în care cantitatea de glucoză este crescută peste posibilitățile celulei de a o utiliza, are loc transformarea glucozei în trigliceride și depunerea acestora sub formă de lipide de rezervă în țesutul adipos. Acest fapt explică de ce scăderea consumului energetic, adică sedentarismul, ori aportul excesiv de glucide atrag creșterea cantității de țesut adipos.

Figura. Căile metabolismului glucozei.

CUM SE CITEȘTE FIGURA:

• Glucoza vine din două surse, aportul exogen și gluconeogeneza, adică refacerea ei din acizi grași și din aminoacizi atunci când glicemia scade.

• Glicogenoliza menține și ea glicemia, dar nu e trecută printre sursele de aici, fiindcă ea desface glicogenul depozitat, nu construiește glucoză din altceva.

• Glicoliza duce glucoza la acid piruvic, în zece trepte succesive, fiecare cu enzima ei, și dă două molecule de acid piruvic dintr-una de glucoză.

• Acidul piruvic e locul de ramificație: în anaerobioză devine acid lactic, iar în prezența oxigenului devine acetil coenzimă A.

• Acidul lactic e capătul căii anaerobe; reversibilitatea lui, adică întoarcerea la acid piruvic când oxigenul redevine disponibil, o afirmă textul, nu schema.

• Acetil coenzima A are o singură intrare, acidul piruvic, și o singură ieșire, ciclul Krebs.

• Hidrogenul e atribuit glicolizei ca întreg, nu doar pasului acidului piruvic, iar a doua contribuție vine din ciclul Krebs; fosforilarea oxidativă oxidează hidrogenul produs de amândouă.

• Glicoliza și ciclul Krebs nu ajung separat la fosforilarea oxidativă: amândouă varsă hidrogen în același colector, iar fosforilarea oxidativă pleacă abia din el.

• Ciclul Krebs nu ajunge niciodată direct la fosforilarea oxidativă: între ele stă obligatoriu hidrogenul.

• Fosforilarea oxidativă se desfășoară în mitocondrii și dă aproximativ 95 % din ATP-ul furnizat de o moleculă de glucoză, deși e alimentată numai cu hidrogen.

CAPCANĂ DE GRILĂ: În schemă glucoza are două surse, nu trei: aportul exogen și gluconeogeneza. Un enunț de tipul „conform schemei, glucoza provine din aport exogen, gluconeogeneză și glicogenoliză” este fals; glicogenoliza se adaugă separat.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Ciclul Krebs nu are săgeată directă spre fosforilarea oxidativă. Legătura trece obligatoriu prin veriga „H⁺”, iar scurtcircuitarea ei e greșeala obișnuită.

CAPCANĂ DE GRILĂ: În schemă, mențiunea „mitocondrii” stă pe fosforilarea oxidativă. Afirmația „ciclul Krebs se desfășoară în mitocondrii, conform schemei” nu are acoperire acolo; ciclul Krebs e pus în matricea mitocondrială în altă parte.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Acidul lactic pare fundătură în schemă: nicio săgeată nu iese din el. Reversibilitatea există totuși și se afirmă explicit, adică revenirea acidului lactic la acid piruvic când oxigenul redevine disponibil.

Mecanismele de reglare a glicemiei

Valorile glucozei în sânge, glicemia, variază relativ puțin și se mențin în limite relativ constante, între 65 și 110 mg la 100 mL de sânge, datorită unor mecanisme complexe de reglare care păstrează echilibrul între procesele de glicogenoliză, glicogenogeneză, glicoliză și gluconeogeneză.

Insulina, hormon secretat de pancreasul endocrin, mai exact de celulele β pancreatice, scade glicemia, prin facilitarea pătrunderii și utilizării ei celulare.

O serie de hormoni au însă o acțiune opusă insulinei:

• Glucagonul, un alt hormon secretat de pancreasul endocrin, stimulează glicogenoliza și gluconeogeneza, ceea ce explică acțiunea lui hiperglicemiantă.

• Adrenalina își exercită acțiunea hiperglicemiantă prin stimularea glicogenolizei, iar hormonii glucocorticoizi, adică cortizolul, stimulează gluconeogeneza.

Figura. Reglarea glicemiei prin insulină.

CUM SE CITEȘTE FIGURA:

• Lanțul merge într-un singur sens: glicemia crescută ajunge la celulele β pancreatice, ele cresc secreția de insulină, iar insulina crește preluarea celulară a glucozei.

• Insulina e secretată de celulele β pancreatice, nu de pancreasul endocrin luat la modul general.

• Insulina scade glicemia și e singurul hormon care o scade; glucagonul, adrenalina și cortizolul o cresc și niciunul nu intră în lanțul de aici.

• Glucoza preluată în celulă are exact două destinații, glicogenul și trigliceridele, iar lista e închisă: glicoliza nu e trecută printre ele.

• Cele două destinații sunt transformări, nu depozitări: glucoza devine glicogen și devine trigliceride, nu se strânge ca atare.

• Bucla de întoarcere e negativă, marcată cu semnul minus: scăderea glicemiei frânează chiar creșterea care a declanșat totul.

• Bucla se închide pe creșterea glicemiei, nu pe celula β și nu pe insulină, deci insulina nu își inhibă aici propria secreție.

• Scăderea glicemiei și preluarea celulară a glucozei pleacă amândouă din secreția de insulină, ca două ramuri paralele; textul manualului le pune în serie, cu preluarea drept mecanism al scăderii.

• Feedbackul negativ e aici în forma lui cea mai simplă: efectul anulează cauza, nu producătorul răspunsului.

• Tot lanțul e brațul hipoglicemiant al reglării, singurul pe care îl comandă insulina.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Feedbackul negativ se închide pe „↑ glicemia”, adică pe stimulul inițial. Un enunț de tipul „insulina își inhibă propria secreție, conform schemei” sau „scăderea glicemiei inhibă celulele β” nu are acoperire pe planșă.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Scăderea glicemiei și preluarea celulară sunt puse în două relații diferite. Într-o variantă insulina „scade glicemia, prin facilitarea pătrunderii și utilizării ei celulare”, deci preluarea vine înainte, ca mecanism. În cealaltă, cele două sunt ramuri paralele ale aceluiași pas. La grilă răspunde după varianta pe care o citează enunțul.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Destinațiile glucozei preluate în celulă sunt două, glicogenul și trigliceridele. Glicoliza nu e desenată ca destinație pe schema asta, deși e principala cale de utilizare a glucozei în restul subcapitolului.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Precizarea „celule β pancreatice” apare o singură dată în tot capitolul. În rest se spune doar „hormon secretat de pancreasul endocrin”, iar o grilă care cere sursa exactă a insulinei se rezolvă numai din ea.

Rolul glucidelor în organism

1. Rol energetic, primordial. Ca urmare a degradării complete a unui gram de glucoză, în cursul glicolizei și al oxidării, ia naștere un total de 4,1 kcal. Avantajul utilizării glucidelor ca sursă energetică este că sunt rapid degradate, fără obținerea unor produși reziduali, până la CO₂ și H₂O. Glicogenul, depozitat în special în ficat și în mușchi, constituie o rezervă energetică de aproximativ 3 000 kcal, mobilizabilă prioritar în condiții de solicitare de relativ scurtă durată, cum sunt efortul fizic moderat sau expunerea organismului la frig.

2. Rol plastic. Anumite structuri glucidice intră în alcătuirea unor țesuturi ori a membranelor celulare.

3. Rol funcțional. Pentozele, riboza și dezoxiriboza, intră în alcătuirea acizilor nucleici sau a unor enzime.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Glicogenul este depozitat în ficat și în mușchi, nu doar în ficat. Perechea se repetă în două locuri, la glicogenogeneză și la rolul energetic al glucidelor, iar mușchiul e termenul care se pierde cel mai des la reproducere.

Metabolismul intermediar al lipidelor

Chilomicronii formați în enterocite, ajunși apoi prin vasele chilifere în limfă și trecuți odată cu aceasta în sânge, sunt scindați sub influența unei enzime, lipoproteinlipaza, în proteine, acizi grași, glicerol, fosfolipide și colesterol, utilizabili la nivel tisular.

Acizii grași, în marea lor majoritate, pătrund în toate celulele, cu excepția celulelor nervoase, iar în cantitate mică rămân în plasmă, ca acizi grași liberi. O parte dintre acizii grași liberi vor pătrunde și ei în celule, aflându-se într-un permanent echilibru dinamic cu acizii grași din celule. La nivel celular, acizii grași pot trece printr-o secvență de reacții chimice de beta-oxidare, cu eliberare de energie, ori pot fi utilizați pentru resinteza diferiților compuși lipidici.

Mecanisme de reglare a metabolismului intermediar lipidic. Insulina, ca urmare a stimulării utilizării glucozei, atrage scăderea lipolizei și stimularea lipogenezei. Adrenalina și noradrenalina determină degradarea trigliceridelor și mobilizarea acizilor grași. Hormonii glucocorticoizi, adică cortizolul, precum și hormonul somatotrop, STH, au efecte lipolitice, contribuind la mobilizarea acizilor grași din depozite și la degradarea lor. Hormonii tiroidieni determină mobilizarea rapidă a grăsimilor, fapt determinat indirect, prin creșterea ratei metabolismului energetic în celulele corpului.

Rolul lipidelor în organism

1. Rol energetic. Lipidele reprezintă principalul rezervor energetic din organism. La o persoană cu o constituție fizică normală, lipidele aflate în organism reprezintă o rezervă energetică de aproximativ 50 000 kcal, iar degradarea unui singur gram de lipide eliberează 9,3 kcal.

2. Rol plastic. Lipidele intră în constituția tuturor sistemelor de citomembrane, de exemplu lecitina. Cantități importante de lipide se găsesc depozitate în jurul organelor, grăsimea din loja perirenală, din orbită, asigurând protecția mecanică a acestora, sau subcutanat, cu rol termoizolator.

3. Rol funcțional. Unele dintre substanțele lipidice reprezintă precursori ai unor hormoni: colesterolul este precursorul hormonilor glucocorticoizi, mineralocorticoizi și al hormonilor sexuali. Unele fosfolipide intervin în prima fază a procesului de coagulare.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Colesterolul este precursorul hormonilor glucocorticoizi, mineralocorticoizi și sexuali. Hormonii tiroidieni nu sunt pe listă, deși apar în paragraful vecin, la reglarea metabolismului lipidic, și de acolo se strecoară în răspunsuri.

Metabolismul intermediar al proteinelor

Proteinele reprezintă aproape un sfert din masa corporală. În procesul sintezei de proteine sunt folosiți aminoacizii de proveniență alimentară, cei formați în organism din precursori glucidici și lipidici și o bună parte dintre cei rezultați din procesele de catabolism al proteinelor.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Formularea cerută este „aproape un sfert”, nu „un sfert”. Aproximarea e dată ca atare, iar un enunț care o transformă în valoare exactă schimbă sensul frazei. Opoziția „exact contra aproximativ” e ieftin de exploatat tocmai aici.

Concentrația normală a aminoacizilor în sânge este între 35 și 65 mg la 100 mL de plasmă. Aproape toți aminoacizii au moleculele mult prea mari pentru a putea difuza prin porii membranei celulare, așa că traversează membrana celulară prin transport activ sau prin difuziune facilitată.

În afară de utilizarea în cursul procesului de sinteză a proteinelor, aminoacizii sunt implicați și într-o serie de reacții metabolice. Textul manualului se oprește aici; reacțiile la care se referă apar numai pe planșa capitolului, iar numele lor apare numai în lista de cuvinte cheie a subcapitolului.

O moleculă de aminoacid are patru destinații. Pierderea grupării amino, notată pe planșă „- NH₂”, adică dezaminarea, duce la un cetoacid. Schimbul cu un alt cetoacid, notat „+ Cetoacid 2”, adică transaminarea, duce la un al doilea aminoacid. Pierderea grupării carboxil, notată „- COOH”, adică decarboxilarea, duce la amine biogene. A patra ieșire, singura fără nume pe planșă, duce la amoniac, NH₃, din care se formează mai departe ureea.

Cetoacidul rezultat are, la rândul lui, trei destinații: ciclul Krebs, cu oxidare finală până la CO₂ și H₂O, gluconeogeneza și lipogeneza.

Figura. Catabolismul unui aminoacid.

CUM SE CITEȘTE FIGURA:

• Aminoacidul are patru ieșiri: amoniac, un al doilea aminoacid, un cetoacid și amine biogene.

• Dezaminarea, adică pierderea grupării amino, notată „- NH₂”, duce la cetoacid; ieșirea către amoniac e singura care nu poartă nicio grupare chimică.

• Transaminarea e un schimb, nu o pierdere: e notată „+ Cetoacid 2”, cu semnul plus, iar produsul ei e un al doilea aminoacid.

• Fiecare ieșire înseamnă altă pierdere: fără gruparea amino rămâne un cetoacid, fără gruparea carboxil iese o amină biogenă, iar prin schimb cu alt cetoacid iese un al doilea aminoacid; azotul desprins pleacă separat, ca amoniac, din care se formează ureea.

• Decarboxilarea, notată „- COOH”, scoate gruparea carboxil și dă amine biogene.

• Ureea nu se formează direct din aminoacid: între ele stă obligatoriu amoniacul, deci sunt doi pași, iar ureea nu mai are nicio continuare.

• Cetoacidul are trei destinații de rang egal: ciclul Krebs, gluconeogeneza și lipogeneza.

• Numai ruta ciclului Krebs continuă până la oxidarea completă, la CO₂ și H₂O; gluconeogeneza și lipogeneza se opresc acolo unde ajung.

• Ciclul Krebs e punctul comun al celor două catabolisme din capitol: acolo ajunge și acetil coenzima A venită din glucoză, și cetoacidul venit din aminoacid.

CAPCANĂ DE GRILĂ: „- NH₂” nu e pe săgeata către amoniac. Cine o leagă de NH₃ inversează schema și pierde faptul că pierderea grupării amino e desenată ca ruta către cetoacid.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Ureea nu e produs direct al aminoacidului. Între ele stă obligatoriu NH₃, deci sunt doi pași, nu unul.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Decarboxilarea, „- COOH”, dă amine biogene, nu cetoacid. Schimbarea celor două grupări schimbă automat și produsul.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Cetoacidul are trei destinații, nu una. „Cetoacidul intră doar în ciclul Krebs” e fals: gluconeogeneza și lipogeneza sunt desenate ca ieșiri de rang egal.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Dezaminarea, transaminarea și ureea sunt trecute în lista de cuvinte cheie a subcapitolului, dar nu se explică mai departe. Se dau doar grupările chimice, „- NH₂”, „+ Cetoacid 2”, „- COOH”. Numele proceselor sunt materie, dar trebuie legate singure de trasee.

Mecanisme de reglare a metabolismului intermediar proteic

Menținerea unui echilibru între procesele de anabolism și cele de catabolism se realizează în funcție de aportul alimentar și de cheltuiala energetică a organismului, sub controlul sistemului nervos și al glandelor cu secreție internă.

O serie de hormoni stimulează procesele de sinteză a proteinelor: hormonul de creștere, testosteronul și hormonii estrogeni. Alții favorizează predominanța proceselor catabolice: tiroxina și cortizolul.

Sistemul nervos poate interveni, de asemenea, în controlul echilibrului dintre procesele anabolice și cele catabolice. Stimularea sistemului nervos vegetativ simpatic antrenează predominanța proceselor catabolice, iar a celui vegetativ parasimpatic, predominanța celor anabolice.

Figura. Balanța anabolism-catabolism și hormonii ei.

CUM SE CITEȘTE FIGURA:

• Metabolismul are exact două brațe, anabolismul și catabolismul, iar cele trei rânduri de substanțe sunt comune amândurora.

• Cele trei perechi depozit și formă simplă sunt: glicogen și glucoză, trigliceridă și acizi grași, proteine și aminoacizi.

• Formele simple circulante pe care schema le consideră centrale sunt trei: glucoza, acizii grași și aminoacizii.

• Termenul de la un capăt al rândului e identic cu cel de la celălalt: depozitul desfăcut de catabolism e același cu depozitul refăcut de anabolism.

• Hormonul anabolic propriu al schemei e unul singur, insulina, la care se adaugă, în paranteză, STH și tiroxina.

• Hormonii catabolici proprii sunt trei, glucagonul, glucocorticoizii și adrenalina, plus aceeași paranteză cu STH și tiroxina.

• STH și tiroxina sunt trecute în amândouă taberele, deci schema le tratează ca hormoni cu dublu sens.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Lista hormonilor se dă în două variante care nu coincid. Una dă ca anabolizanți hormonul de creștere, testosteronul și estrogenii, iar ca favorizanți ai catabolismului tiroxina și cortizolul. Cealaltă dă insulina pentru anabolism și glucagon, glucocorticoizi, adrenalină pentru catabolism. O grilă care citează una și una care citează cealaltă nu se rezolvă la fel, deci răspunde după varianta din enunț.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Insulina apare ca hormon anabolic numai în una dintre liste. Invers, testosteronul și estrogenii apar numai în cealaltă. Cele două liste se completează, nu se substituie.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Cortizolul apare și sub numele de grup „glucocorticoizi”. Sunt același lucru, dar o grilă care cere termenul exact „conform schemei” cere numele grupului, nu al hormonului.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Toate cele șase săgeți merg în același sens, spre stânga. Nu există niciun rând cu săgeți convergente către termenul din mijloc, iar o schemă redesenată „Glicogen ← Glucoză → Glicogen” inversează sensul biologic al brațului catabolic.

Rolul proteinelor în organism

1. Rol plastic. Proteinele reprezintă scheletul pe care are loc constituirea ultrastructurii celulare. Intră, de asemenea, în alcătuirea macrostructurilor, a substanței fundamentale din structura țesutului osos, oseina, și a celui cartilaginos, condrina.

2. Rol funcțional. Majoritatea substanțelor active din organism, enzimele și unii hormoni, sunt de natură proteică. Proteinele joacă și rol de transportor al diferitelor substanțe prin sânge, prin lichidele interstițiale ori prin membranele celulare.

3. Rol energetic. Degradarea proteinelor în vederea acoperirii consumului energetic se face în cazuri extreme, când depozitele de glicogen și de lipide sunt epuizate. Arderea unui gram de proteine furnizează 4,1 kcal.