Współzależność procesów biochemicznych

Wszystkie procesy biochemiczne są ze sobą powiązane, produkt jednej reakcji jest substratem dla drugiej – realizowane są w obrębie szlaków i cykli metabolicznych. Szlaki metaboliczne zachodzą w komórkach, mogą mieć część wspólną w postaci jednej lub wielu reakcji czy też substancji łączącej reakcje.

Reakcje można podzielić na anaboliczne , prowadzące do syntezy złożonych związków z prostych, procesy te wymagają dostarczenia energii ( procesy endoenergetyczne) np. fotosynteza i kataboliczne polegające na rozkładzie związków złożonych na proste z wydzieleniem energii (egzoenergetyczne), która jest wykorzystywana do życia, do przeprowadzania procesów biochemicznych i przemian fizycznych.

Warunek jaki musi być spełniony do prawidłowego funkcjonowania komórki to równowaga pomiędzy procesami biosyntezy a procesami degradacji . procesy anaboliczne musza przeważać nad katabolicznymi. Większość reakcji występujących w reakcjach metabolicznych to hydroliza, estryfikacja, utlenianie i redukcja. Wszystkie procesy zachodzące w komórce stanowią pulę metaboliczną komórki – biomolekuły, bioenergetyka komórki, reakcje redoks, wszystkie szlaki metaboliczne.

Do najważniejszych substancji łączących procesy metaboliczne należy: ATP, , NADP- NADPH, glukozo-6-fosforan, pirogronian , acetylo-CoA.

Reakcje syntezy i rozkładu przeprowadzane są jednocześnie , choć w różnych częściach komórki, w związku z tym, że reakcje mają miejsce w różnych częściach komórki , energia uwalniana w procesach katabolicznych musi być przetransportowywana do miejsc procesów syntezy. Dzieje się to za pomocą związków wysokoenergetycznych adenozynotrójfosforanu ATP , który powstaje głównie w mitochondriach , a u roślin w chloroplastach . Synteza ATP polega na dołączaniu do adenozynodifosforanu ADP reszty fosforanowej w procesie fosforylacji substratowej i oksydacyjnej . w cyklu Krebsa wysokoenergetyczne wiązania tioestrowe bursztynylo-CoA jest rozrywane przy udziale syntetazy bursztynylo-CoA z wytworzeniem kwasu bursztynowego , w reakcji tej uwalnia się energia , która jest wiązana na drodze fosforylacji substratowej w postaci wysokoenergetycznego wiązania GTP, gdzie energia przemieszczana jest na cząsteczkę ADP z wytworzeniem ATP . cząsteczka kwasu palmitynowego podczas β-oksydacji dostarcza 106 cz ATP w komórkach dorosłego człowieka metabolizowane jest dziennie ok. 70 kg ATP .Wydatkowanie energii ATP jest spożyte na procesy biochemiczno fizjologiczne tj. podział komórek, biosyntezę, transport, ruch , przenoszenie ładunków , przekazywanie bodźców. Synteza ATP jest głównym zadaniem katabolizmu . Cykl ATP- ADP jest podstawowym sposobem wymiany energii.

Innym bardzo ważnym koenzymem oksydoreduktaz jest NADP fosforan dinukleodytu nikotyno adeninowego, jest akceptorem protonu i elektronów w reakcjach redukcji, w ten sposób powstaje NADPH wytwarzany przez reduktazę ferredoksyna-NADP⁺ w fazie jasnej fotosyntezy. Powstały NADPH wykorzystywany jest do syntezy cukrów w cyklu Calvina. NADP uczestniczy w powstawaniu czynnika redukcyjnego tj NADPH + H⁺ . największa jego ilość powstaje w czasie fotosyntezy, szlaku pentozo fosforanowego , gdzie w wyniku wielokrotnej przemiany 6- glukozo-6-fosforanu i 12 NADP⁺ powstaje m.in. 12NADPH i 12 H⁺ .

Łącznikiem wielu stojących na skrzyżowaniu dróg metabolicznych biomolekuł należą glukozo-6-fosforan, pirogronian, acetyloCoA.

Glukozo-6-fosforan powstaje w wyniku ufosforylowania glukozy , może być przekształcony w glukozę -1-fosforan i zapoczątkować syntezę glikogenu u zwierząt i skrobi u roślin, 6-fosfoglukuran jest uruchomiany gdy istnieje zapotrzebowanie na NADPH⁺ i H⁺ i pentozy (szlak pentozofosforanowy) , fruktozo-6-fosforan uruchamia szlak glikolityczny i występuje , gdy w komórce jest zapotrzebowanie na ATP , węgiel- niezbędny podczas biosyntez.

Pirogronian w warunkach tlenowych ulega oksydacyjnej dekarboksylacji do acetyloCoA przy użyciu dehydrogenazy pirogronianowej obecnej w matriks mitochondrialnej , po czym acetyloCoA wchodzi w cykl kwasu cytrynianowego lub wykorzystywany jest do syntezy np. kwasów tłuszczowych. W warunkach ograniczonego tlenu np. mięśnie w czasie wysiłku pirogronian przekształca się w mleczan , w tych warunkach NAD+ jest regenerowany przy udziale dehydrogenazy mleczanowej , jeśli warunki wracają do tlenowych powstaje acetyloCoA. Podczas szlaku glikogenezy pirogronian przekształca się w glukozę. Pirogronian może przekształcić się w alaninę w czasie wzmożonego zapotrzebowania na aminokwasy lub w glicerol w czasie biosyntezy glicerydów.

AcetyloCoA powstaje z pirogronianu , który powstaje w procesie hydrolizy i estryfikacji tłuszczowców, cukrowców i białek, może być przekształcany w CO₂ – gdy zapotrzebowanie jest na energię, 3hydroksy-3metyloglutaryloCoA HMG-CoA z którego jest syntetyzowany cholesterol (5 etapów biosyntezy). AletyloCoA może być przekształcony w kwasy tłuszczowe i aminokwasy ketogenne, które służą do syntezy białek. Wielokrotna kondesacja acetyloCoA tworzy pochodne octanu – szlak octanowy i stanowi źródło alkanów, aletylenu, terpentyno idów, steroidów ,karotenoidów, pochodne kwasów tłuszczowych.

Procesy biochemiczne są regulowane przez wewnętrzny system i ponad komórkowy mechanizm kontroli- hormony i enzymy. Enzymy regulują szybkość reakcji , biorą udział w reakcjach anabolicznych –syntezy białek, cukrów i tłuszczy, mogą obniżać energie aktywacji , są specyficzne . Na poziomie komórkowym występuje kontrola biosyntezy białek enzymatycznych – teoria operonu, gdzie na odcinku DNA zachodzi transkrypcja informacji genetycznych o enzymach, występują geny odpowiedzialne za biosyntezę białek enzymatycznych .Przed genami strukturalnymi występuje gen operator , który reguluje ich aktywność.

Prawie wszystkie produkty trawienne : węglowodany, tłuszcze, białka metabolizowane są do wspólnego metabolitu acetyloCoA zanim zostanie utleniony do CO₂ w cyklu kw. cytrynowego. AcetyloCoA jest substratem również do syntezy długołańcuchowych kw tłuszczowych i steroidów łącznie z cholesterolemi ciałami acetonowymi.

Glukoza dostarcza szkieletów węglowych aminokwasów , glicerolu w triacyloglicerolu.

Szalki metaboliczne zachodzą różnych przedziałach komórkowych np. w cytozolu: glikoliza . glikogeneza, szlak pentozo fosforowy, lipogeneza,glikogenogeneza, glukoneogeneza

W mitochodriach : cykl Krebsa ,β-oksydacja kw tłuszczowych, łańcuch oddechowy, synteza ATP.