Procesy przemiany to inaczej metabolizm, obejmuje procesy zachodzące w organizmie w tkankach i komórkach organizmu.
Wyróżniamy:
- przemiany anaboliczne dotyczące procesów, w których ze związków prostych następuje synteza do związków złożonych lub innych związków prostych.
- przemiany kataboliczne obejmujące procesy, w których następuje degradacja związków złożonych do związków prostych w celu wykorzystania ich energii lub do ich neutralizacji i usunięcia (wydalenia) z organizmu
Początek przemian rozpoczyna się w treści przewodu pokarmowego, jakkolwiek „poza organizmem”, ale z jego aktywnym udziałem. Następuje trawienie węglowodanów, białek i tłuszczu- odpowiednio do cukrów, aminokwasów i kwasów tłuszczowych oraz triacylogliceroli- związków, które mogą być wchłaniane z przewodu pokarmowego. W organizmie zachodzą procesy pozwalające na wykorzystanie energii niezbędnej do pracy mięśni (np. odżywianie się, praca serca) oraz syntezy związków koniecznych do budowy tkanek i komórek ciała oraz do produkcji mleka lub jaj.
Przemiany węglowodanów
Są głównym źródłem energii dla zwierząt. Źródłem są także aminokwasy, tłuszcze paszy lub LKT (lotne kwasy tłuszczowe). Najwięcej energii organizm zwierzęcy czerpie z glukozy w wyniku jej przemian katabolicznych. Proces fotosyntezy jest energochłonny- energia świetlna zamienia się w energię chemiczną potrzebną do wytworzenia ATP (adenozyno trójfosforan), który jest nośnikiem energii oraz, aby powstał NADP czyli system oksydacyjno- redukcyjny do tego momentu jest to proces świetlny
6CO2+18ATP + 12NADPH+12H2O→
→C6H12O6+18ADP + 12NADP + 18P + 6H(+9O2)
Energia słoneczna dostarczona w postaci kwantów światła przekształcona jest w energie chemiczną. Jest ona potrzebna zarówno do wytworzenia ATP jak i NADP. Jest to faza świetlna procesu fotosyntezy. Reakcje przekształcenia CO2 w cząsteczkę cukru mogą przebiegać w ciemności, jeżeli jest nagromadzona energia, jest to faza nie wymagająca światła.
ATP- jest produktem wytwarzania energii w reakcjach utleniania tkankowego jest bezpośrednim dawcą w różnych reakcjach anabolicznych i katabolicznych jest związkiem nietrwałym- nie może służyć do nagromadzenia energii.
Nie ma procesu metabolicznego bez udziału ATP. Aby zgromadzić energię z przemian utleniania biologicznego ADP przyłącza nieorganiczny ortofosforan.
ADP+P=ATP
Przebieg tej reakcji poprzedza szereg skąp likowanych przemian. Dla utleniania substratu przez dehydrogenazę (której koenzymem jest NAD) oznacza, że przemiana 2 atomów wodoru z utlenianego substratu na atom tlenu powoduje fosforylację trzech cząsteczek ADP do ATP.
Żeby funkcjonował układ nerwowy musi być pobierana energia.
W jelicie cienkim glukoza jest wchłaniana do krwi.
Proces powstawania glukozy to GLUKOGENEZA. Proces ten wymaga dostarczenia energii (ATP).
Rozkład glukozy do pirogronianu
Wejście glukozy do komórek może następować tylko w obecności hormonu trzustki- insuliny. W braku insuliny glukoza pozostaje we krwi, wywołując objawy cukrzycy.
Glikoliza- rozkład glukozy w komórkach. Należy do najważniejszych i najoszczędniejszych procesów dostarczających energii. Podstawowym etapem przemiany glikoli tycznej jest rozkład glukozy (lub fruktozy) poprzez glukozo-6-fosforan do pirogronianu. W procesie glikolizy do wytworzenia pirogronianu zużywane są 2 cząsteczki ATP do ufosforylowania cząsteczki glukozy, a w dalszej przemianie powstają 4 cząsteczki ATP. Daje to zysk energetyczny 2 cząsteczek ATP. Można to ująć w reakcji sumarycznej:
glukoza + 2P + 2ADP + 2NAD → 2czasteczki pirogronianu + 2ATP + 2NADH + 2H
Pirogronian stanowi centrum przemian szkieletu węglowego większości związków organicznych. W warunkach tlenowych, po dekarboksylacji oksydacyjnej, pirogronian ulega rozkładowi w cyklu kwasów trikarboksylowych, zwanym też cyklem Krebsa lub cyklem kwasu cytrynowego. W warunkach beztlenowych, jak np. w mięśniach podczas dużego wysiłku, z pirogronianu w obecności enzymu dehydrogenazy mleczanowej i NADH powstaje kwas mlekowy. W wątrobie jest on włączany poprzez pirogronian do glukogenezy, stanowiąc podstawowy substrat tego procesu. Szybkość produkcji pirogronianu podczas pracy mięśni często przekracza możliwość jego dalszego utleniania w cyklu kwasów tri karboksylowych. Także szybkość tworzenia NADH przekracza możliwość jego utleniania w łańcuchu oddechowym. Tymczasem wydajność procesu glikolizy zależy od dostarczenia utlenionego NAD, koniecznego do utleniania aldehydu 3-fosfoglicerynowego. NAD jest dostarczany wówczas w wyniku działania dehydrogenazy mleczanowej (powstawanie mleczanu).
Mleczan jest produktem, którego wykorzystanie w organizmie zachodzi poprzez pirogronian. Zarówno pirogronian jak i kwas mlekowy łatwo przechodzą przez błony większości komórek do krwi i są przenoszone do komórek wątroby. Jeżeli w pracującym mięśniu jest dużo NADH (intensywna glikoliza) w stosunku do NAD, to więcej mleczanu opuszcza tę tkankę, a w wątrobie na wskutek małego stosunku NADH do NAD następuje przekształcenie kwasu mlekowego poprzez pirogronian i glukoneogenezę do glukozy. Ta z kolei dostarczana jest tkankom mięśniowym do wytwarzania ATP w procesie glikolizy. Proces ten nazwano cyklem Corich.
Dalsze spalanie pirogronianu w procesach omawianych niżej dostarczy w sumie z 1mol glukozy spalonej (utlenionej) do CO2 i H2O 38mol ATP w reakcjach:
-1 mol glukozy do 2 mol pirogronianu- 8 mol ATP
-2 mol pirogronianu do 2 mol acetylo-CoA- 6 mol ATP
-2 mol acetylo-CoA do CO2 i H2O- 24 mol ATP
Cykl Krebsa- kwasu cytrynowego- kwasów trikarboksylowych
Jest końcowym wspólnym etapem utleniania węglowodanów, aminokwasów i kwasów tłuszczowych, z wytworzeniem związków wysokoenergetycznych. Zespół enzymów katalizujących przemiany cyklu kwasów trikarboksylowych (a także i przemiany kwasów tłuszczowych) umiejscowiony jest w mitochondriach, w przeciwieństwie do enzymów glikolitycznych biorących udział w procesie glikolizy- umiejscowionych w cytozolu.
Kwas pirogronowy (pirogronian) łączy glikolizę z cyklem Krebsa. Pirogronian wchodzi do mitochondriów poprzez błony mitochondrialne za pomocą permeazy (układu transportującego). W matriks mitochondrialnej następuje oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu z udziałem dehydrogenazy pirogronianowej (kompleks wieloenzymatyczny). Reakcja katalizowana przez ten kompleks jest następująca:
pirogronian+ CoA+ NAD acetylo-S-CoA+ CO2+ NADH
Acetylo-CoA (aktywny octan, acetylo-S-CoA, jednostka dwuwęglowa) jest związkiem uczestniczącym w wielu ważnych szlakach metabolicznych. Rozkład (katabolizm) węglowodanów i tłuszczów, a także wielu aminokwasów po rozkładzie białka następuje zwykle poprzez ten związek. Acetylo-CoA bierze udział w procesach acetylacji, w biosyntezie długołańcuchowych kwasów tłuszczowych, cholesterolu i innych steroidów, a w roślinach karotenoidów i innych związków.
Acetylo-CoA, jednostka dwuwęglowa, w reakcji z czterowęglowym szczawiooctanem daje sześciowęglowy kwas cytrynowy (cytrynian). Po przekształceniach cytrynianu do izocytynianu następuje oksydacyjna dekarboksylacja i powstaje pięciowęglowy ketoglutaran, który po ponownej oksydacyjnej dekarboksylacji daje czterowęgowy bursztynian przekształcający się poprzez fumaran i jabłczan w szczawiooctan zamykający cykl Krebsa. Cykl ten działa wyłącznie w warunkach tlenowych. Szybkość przemian zależy od zapotrzebowania komórki na energię (ATP).
Zysk energetyczny z utleniania dwuwęglowej cząsteczki acetylowej (acetylo-CoA) wynosi razem 12 cząstek ATP. Wydajność energetyczna około 45%.
Laktoza powstaje z glukozy (β- glukoza i α- glukoza). Glukoza jest dostarczana do gruczołu mlekowego we krwi, natomiast galaktoza musi być syntetyzowana w gruczole mlekowym. Laktoza występuje wyłącznie w mleku i jest syntetyzowana w gruczole mlekowym z glukozy
Wydajność energetyczna
Lotne kwasy tłuszczowe są głównym składnikiem energetycznym dla przeżuwaczy, pokrywającym do 80% zapotrzebowania zwierzęcia na energię.
Tylko około 20% kwasu octowego dostającego się do wątroby podlega przemianie do acetylo-CoA z udziałem syntetazy acetylo-CoA. Pozostałe 80% unika utleniania i przedostaje się do tkanek ciała.
β- oksydacja- proces utleniania kwasów tłuszczowych (cykl spiralny).
Kwas propionowy- głównym substratem, z którego powstaje glukoza jest kwas propionowy (50-60% glukozy powstaje z niego). Większość kwasu propionowego dostającego się do wątroby podlega utlenianiu lub przemienia się w glukozę (istotną rolę odgrywa tu biotyna).
Pewne ilości glukozy powstają także z przemian aminokwasów (ok. 15% z wyjątkiem lizyny, leucyny i tauryny), kwasu mlekowego (ok. 20%) oraz glicerolu (ok. 5%).
Największe ilości glukozy wykorzystywane są w syntezie laktozy w gruczole mlekowym 60-80% oraz na potrzeby płodu. Znacznych ilości potrzebuje też układ nerwowy ok 15-20% sumy glukozy.
PRZEMIANY TŁUSZCZOWCÓW-
przemiana kwasów tłuszczowych w wyniku, której powstaje energia
β- oksydacja
odszczepiane są po 2 atomy węgla, procesy te przebiegają przy udziale CoA i trwają aż z cząsteczki utlenionego kwasu tłuszczowego pozostaną wyłącznie dwuwęglowe cząsteczki acetylo-CoA (aktywny kwas octowy).
Acetylo-CoA (aktywny kwas octowy) wchodzi w reakcję z kwasem szczawiooctowym, tworząc kwas cytrynowy, a następnie jest utleniany do CO2 i H2O w cyklu kwasu cytrynowego oraz utlenia się do CoA „spalanie” 1 cząsteczka acetylo-CoA w cyklu Krebsa dostarcza 12ATP.