Zellen sind die kleinsten Einheiten von Lebewesen, die alle Eigenschaften des Lebens aufweisen. Eines dieser bestimmenden Merkmale ist Stoffwechsel, oder die Verwendung von Molekülen oder Energie, die aus der Umwelt gewonnen werden, um die biochemischen Reaktionen durchzuführen, die erforderlich sind, um am Leben zu bleiben und sich schließlich zu reproduzieren.
Stoffwechselprozesse, die oft als Stoffwechselwege bezeichnet werden, können in solche unterteilt werden, die anabol, oder die die Synthese neuer Moleküle beinhalten, und solche, die katabolisch, die den Abbau vorhandener Moleküle beinhalten.
Umgangssprachlich geht es bei anabolen Prozessen darum, ein Haus zu bauen und Dinge wie Fenster zu ersetzen und Dachrinnen nach Bedarf, und bei katabolen Prozessen geht es darum, abgenutzte oder zerbrochene Teile des Hauses zu Randstein. Wenn diese im richtigen Tempo gemeinsam durchgeführt werden, existiert das Haus in einem möglichst stabilen Zustand, aber niemals passiv.
Übersicht über den Stoffwechsel
Zellen und die von ihnen gebildeten Gewebe unterliegen einer ständigen "bidirektionalen" Stoffwechsel, was bedeutet, dass während einige Dinge in eine anabole Richtung fließen, andere in die entgegengesetzte Richtung gehen.
Dies wird vielleicht auf der Ebene ganzer Organismen deutlicher: Wenn Sie sich durchbrennen Glucose während Sie sprinten, um Ihren Hund einzuholen (kataboler Prozess), heilt der Papierschnitt an Ihrer Hand vom Vortag weiter (anaboler Prozess). Aber die gleiche Dichotomie ist in einzelnen Zellen am Werk.
Zelluläre Reaktionen werden durch spezielle globuläre Proteinmoleküle namens. katalysiert Enzyme, die per definitionem an chemischen Reaktionen teilnehmen, ohne am Ende selbst verändert zu werden. Sie beschleunigen Reaktionen stark – teilweise um den Faktor weit über das Tausendfache – und fungieren damit als Katalysatoren.
Anabole Reaktionen benötigen in der Regel einen Energieeinsatz und sind daher endothermisch (frei übersetzt "Wärme nach innen"). Das macht Sinn; Sie können keine Muskeln wachsen oder aufbauen, es sei denn, Sie essen, wobei Ihre Nahrungsaufnahme normalerweise der Intensität und Dauer einer bestimmten Aktivität entspricht.
Katabolische Reaktionen sind normalerweise exotherm ("Wärme nach außen") und setzen Energie frei, von der die Zelle einen Großteil in Form von Adenosintriphosphat (ATP) und für andere Stoffwechselprozesse verwendet.
Substrate des Stoffwechsels
Die wichtigsten Strukturelemente des Körpers und die Moleküle, die er für die Energieversorgung sowie das Wachstum und den Ersatz von Gewebe benötigt, bestehen aus Monomere, oder kleine sich wiederholende Einheiten innerhalb eines größeren Ganzen, genannt a Polymer.
Diese Einheiten können identisch sein, wie bei den Glukosemolekülen, die in langen Ketten des Speicherbrennstoffs angeordnet sind Glykogen, oder sie können ähnlich sein und in "Geschmacksrichtungen" kommen, wie bei Nukleinsäuren und die Nukleotide, aus denen sie bestehen.
Die drei großen Makronährstoff Klassen von Makromoleküle in der menschlichen Ernährung, genannt Kohlenhydrate, Proteine und Fette, bestehen jeweils aus einem eigenen Monomertyp.
Glukose ist das grundlegende Substrat allen Lebens auf der Erde, wobei jede lebende Zelle in der Lage ist, sie in Energie umzuwandeln. Wie bereits erwähnt, können Glukosemoleküle zu "Ketten" verknüpft werden, um Glykogen zu bilden, das beim Menschen hauptsächlich in Muskeln und Leber vorkommt. Proteine bestehen aus Monomeren, die aus einer Packung mit 20 verschiedenen Aminosäuren.
Fette sind keine Polymere, denn sie bestehen aus drei Fettsäuren verbunden mit einem "Rückgrat" des Drei-Kohlenstoff-Moleküls Glycerin. Wenn sie wachsen oder schrumpfen, geschieht dies durch Anlagerung oder Entfernung von Atomen an die Enden der Fettsäureketten, eher wie ein großes "E", wobei der vertikale Teil die gleiche Größe hat, aber die horizontalen Balken variieren in Länge.
Was ist anaboler Stoffwechsel?
Erwägen Sie, eine Schachtel mit Spielzeugbausteinen unbegrenzter Größe zu erhalten. Viele sind bis auf ihre Farbe identisch; andere sind unterschiedlich groß, können aber zusammengefügt werden; wieder andere sind nicht dazu gedacht, eine Verbindung herzustellen, egal welche Konfiguration Sie auswählen. Sie können identische Konstrukte erstellen, die beispielsweise aus drei bis fünf Teilen bestehen, und diese so miteinander verbinden, dass auch die Verbindungen dieser Konstrukte identisch sind.
Dies ist im Wesentlichen der anabole Stoffwechsel in Aktion. Die einzelnen Gruppen von drei bis fünf Spielzeugteilen stellen "Monomere" dar und das fertige Produkt ist analog zu "Polymer." Und in Zellen, anstatt Ihre Hände die Arbeit zu erledigen, die Teile zusammenzusetzen, leiten Enzyme die Prozess. In beiden Fällen ist der Schlüsselaspekt ein Energieeintrag, um Moleküle höherer Komplexität (und normalerweise auch größerer Größe) zu erzeugen.
Beispiele für anabole Prozesse sind neben der Proteinsynthese, Glukoneogenese (die Synthese von Glucose aus verschiedenen vorgelagerten Substraten), die Synthese von Fettsäuren, Lipogenese (die Synthese von Fetten aus Fettsäuren und Glycerin) und die Bildung von Harnstoff und Ketonkörper.
Was ist kataboler Stoffwechsel?
Meist sind katabole Prozesse auf der Ebene einzelner Reaktionen nicht einfach die entsprechenden anabolen Reaktionen, die umgekehrt ablaufen, obwohl viele von ihnen gleich sind. Meist sind verschiedene Enzyme beteiligt.
Zum Beispiel der erste Schritt in Glykolyse (der Abbau von Glukose) ist die Anlagerung einer Phosphatgruppe an Glukose mit freundlicher Genehmigung des Enzyms Hexokinase, um Glucose-6-phosphat zu bilden. Aber der letzte Schritt der Gluconeogenese, die Entfernung des Phosphats aus Glucose-6-Phosphat, um Glucose zu bilden, wird durch Glucose-6-Phosphatase katalysiert.
Andere lebenswichtige katabole Prozesse, die in Ihrem Körper ablaufen, sind Glykogenolyse (der Abbau von Glykogen in Muskeln oder Leber), Lipolyse (die Entfernung von Fettsäuren aus Glycerin), Beta-Oxidation (das "Verbrennen" von Fettsäuren) und den Abbau von Ketonen, Proteinen oder einzelnen Aminosäuren.
Ein Gleichgewicht zwischen anabolem und katabolem Stoffwechsel halten
Den Körper in Echtzeit auf seine Bedürfnisse einzustellen, erfordert ein hohes Maß an Reaktionsfähigkeit und Koordination. Die Geschwindigkeiten der anabolen und katabolen Reaktionen können durch Variieren der Menge an Enzym oder Substrat, die in einem bestimmten Teil der Zelle mobilisiert wird, oder durch Rückkopplungshemmung, bei der die Anreicherung eines Produkts der vorgeschalteten Reaktion signalisiert, dass sie langsamer abläuft.
Außerdem, und das ist vom Standpunkt der ganzheitlichen Visualisierung des Stoffwechsels wichtig, können Substrate von einem Makronährstoffweg nach Bedarf in den anderen umgeleitet werden.
Ein Beispiel für diese Integration von Stoffwechselwegen ist, dass die Aminosäuren Alanin und Glutamin nicht nur als Bausteine von Proteinen dienen, sondern auch in die Gluconeogenese eintreten können. Dazu müssen sie ihren Stickstoff abgeben, der von Enzymen namens. verarbeitet wird Transaminasen.
- Glycerin, ein Produkt der Lipolyse, kann auch in den Glukoneogenese-Weg eintreten, der eine Möglichkeit ist, Zucker aus Fett zu gewinnen. Bis heute gibt es jedoch keine Hinweise darauf, dass Produkte der Fettsäureoxidation in die Gluconeogenese eintreten können.
Körperliche Bewegung: Muskelwachstum und Fettabbau
Körperliche Fitness ist ein wichtiges öffentliches Anliegen in Ländern, in denen die Menschen oft den Luxus genießen, sich freiwillig zu bewegen.
Viele der gängigen Modalitäten zielen stark auf den einen oder anderen Prozess ab, wie zum Beispiel das Heben von Gewichten zum Aufbau von Muskelmasse (anabole Übungen) oder die Verwendung eines Ellipsentrainers oder Laufbandes für "Cardio" und Abbau von magerer oder fettiger Körpermasse (oder Körpergewicht) zur Gewichtsreduktion (katabole Übungen).
Ein Beispiel für beide Systeme im Einsatz ist ein Marathonläufer, der sich auf ein 42,2 km langes Rennen vorbereitet und dieses läutet. In der Woche zuvor laden viele Menschen absichtlich kohlenhydratreiche Lebensmittel zu, während sie sich für die Anstrengung ausruhen.
Aufgrund ihres täglichen Lauftrainings und der ständigen Notwendigkeit, katabolisierten Kraftstoff zu ersetzen, haben diese Athleten ein hohes Niveau Aktivität des Enzyms Glykogensynthase, das es ihren Muskeln und ihrer Leber ermöglicht, Glykogen mit ungewöhnlichen Begierde.
Während des Marathons wird dieses Glykogen in Glukose umgewandelt, um den Läufer stundenlang antreiben zu können, obwohl diese Athleten nehmen normalerweise während des gesamten Wettkampfs auch Glukosequellen (z. B. Sportgetränke) zu sich, um zu verhindern, dass die Wand."
- Die Unfähigkeit des Körpers, aus Fettsäuren Glukose zu bilden, ist der Grund, warum Kohlenhydrate als kritisch angesehen werden hochintensives, anhaltendes Training, da die Beta-Oxidation von Fettsäuren nicht genügend ATP ergibt, um mitzuhalten Stoffwechselbedarf.