INTRODUCERE ÎN METABOLISM

Metabolismul reprezintă ansamblul transformărilor chimice ale moleculelor şi

transferul de energie care se derulează de manieră neîntreruptă în celulă, respectiv

în organismul viu.

În cadrul metabolismului au loc două procese esenţiale :

- producerea de energie necesară funcţiilor vitale → producerea de ATP

- sinteza de macromolecule (proteine, glycogen, acizi nucleici etc) → consum

de ATP

Reacţiile de degradare eliberează energie (catabolism) iar reacţiile de

biosinteză (anabolism) consumă energie.

CATABOLISMUL reprezintă ansamblul reacţiilor de degradare a

moleculelor (provenite din alimentaţie sau din rezervele organismului) în molecule

mici. Aceste reacţii sunt catalizate de enzime specifice. In urma desfăşurării

acestor reacţii se eliberează energie din care o parte este stocată sub formă de ATP

1

şi o parte se regăseşte în formele reduse ale transportorilor de electroni (ex.

NADH, NADPH, FADH2).

Aceste reacţii sunt :

- glicoliza

- Ciclul Krebs

- fosforilarea oxidativă

- calea pentozo-fosfaţilor

- beta-oxidarea acizilor graşi

- transaminarea/dezaminarea aminoacizilor

ANABOLISMUL reprezintă ansamblul reacţiilor de biosinteză a

macromoleculelor sau a precursorilor lor plecând de la molecule simple din

alimente sau intermediari metabolici. Aceste reacţii sunt catalizate de enzime

specifice. Aceste reacţii necesită energie care este furnizată prin hidroliza ATP sau

de puterea reducătoare a NADH, NADPH, FADH2.

Reacţiile care constituie anabolismul sunt :

- gluconeogeneza

- glicogenogeneza

- sinteza de acizi graşi

- sinteza aminoacizilor

Deci reacţiile catabolice sunt reacţii exoterme (exergonice) – ele produc

energie chimică înmagazinată în molecule organice iar reacţiile anabolice sunt

endotermice (endergonice) – consumă energie.

Molecula care participă cel mai des la schimbul de energie în celula vie este

ATP care cuplează reacţiile catabolice cu reacţiile anabolice Aşa cum se observă în

figura de mai jos.

2

Rezervele energetice ale organismului sunt :

rezerve glucidice

- glicogenul hepatic

- glicogenul muscular

- glucoza sanguină

trigliceridele din ţesutul adipos

proteinele musculare

Stare post-prandială sau stare absobrtivă = starea în care se află organismul în

orele care urmează după masă. La om vorbim de starea post-prandială până la

aproximativ 5 ore după masă. În această perioadă au loc creşteri tranzitorii ale

glicemiei, concentraţiei aminoacizilor din sânge, a trigliceridelor din sânge.

Această perioadă se caracterizează prin creşterea secreţiei de insulină şi o scădere a

eliberării glucagonului (raportul insulună/glucagon este supraunitar).

3

Stare post-absorbtivă sau perioadă interalimentară = starea în care se află

organismul la interval mare după masă, peste 5 ore până la aproximativ 12 ore

(starea de peste noapte înaintea micului dejun) . Se caracterizează prin scăderea

secreţiei de insulină şi creşterea secreţiei de glucagon (raportul insulină/glucagon

este subunitar).

Starea “a jeun” începe la om după 12 – 18 ore după masă.

Căile metabolice au fiecare o localizare specifică în celulă

Mitocondrii: ciclul acidului citric, fosforilarea oxidativă,

Citosol: glicoliza, calea pentozofosfaţilor, biosinteza acizilor graşi,

Sinteza şi degradarea glicogenului.

lizozomi: digestia materialului fagocitat.

Nucleu: Replicarea şi transcripţia ADN, modificarea ARN.

Golgi: modificarea proteinelor, sinteza membranelor, sinteza glucidelor complexe

RER: sinteza proteinelor membranare şi secretorii.

REL: sinteza de lipide şi steroli.

Transformările biochimice ale substanţelor nutritive din alimente se pot

împărţi în 4 etape în funcţie de sediul unde se desfăşoară aceste procese :

1. Etapa digestiei intestinale

Alimentele digerate la nivelul intestinului sunt transformate în elemente nutritive

(monozaharide, aminoacizi, acizi graşi etc) care sunt absorbite (lumenul intestinal

– enterocite – sânge). Lipidele sunt transformate în chilomicroni, forma sub care

circulă în sânge.

2. Etapa transportului sanguin

Substanţele nutritive sunt transportate de către sânge spre organe (ficat, rinichi

etc.) şi ţesuturi (muscular, adipos etc.) unde pătrund în interiorul celulelor. Fiecare

4

organ sau ţesut prezintă particularităţi metabolice. Ficatul deţine un rol

fundamental pentru metabolismul tuturor substanţelor nutritive.

3. Etapa reacţiilor metabolice citoplasmatice

Citoplasma este sediul principal al metabolismului intermediar care constă în

degradarea progresivă a substanţelor nutritive în molecule mai mici, numite

intermediari metabolici.

4. Etapa mitocondrială a producerii de energie (are loc numai în

ţesuturile aerobe, prevăzute cu mitocondrii şi intens vascularizate)

Ultimul stadiu al metabolismului substanţelor nutritive este eliberarea

energiei necesare îndeplinirii funcţiilor vitale. Aceste procese se desfăşoară în

mitocondrii care deţin rol fundamental în metabolismul energetic.

Intermediarii metabolici formaţi în citoplasmă sunt transportaţi în

mitocondrii unde continuă degradarea lor până la o moleculă cheie (acetil-CoA).

Procesele prin care rezultă energie sunt Ciclul Krebs şi Lanţul respirator

mitocondrial. În urma acestor procese, carbonul este eliminat sub formă de CO2,

hidrogenul sub formă de apă iar energia rezultată va fi recuperată şi utilizată pentru

sinteza de ATP. ATP reprezintă principalul echivalent energetic al celulelor.

5

Transformările metabolice variază foarte mult în funcţie de alimentaţie :

- în perioadele post-prandiale, organismul sintetizează rezervele energetice

- în perioadele interalimentare aceste rezerve sunt consumate

Această alternanţă a proceselor metabolice este strict controlată de anumite enzime

(enzime cheie) a căror activitate este reglată prin intermediul hormonilor şi a

mediatorilor chimici.

Reglarea căilor metabolice este un proces complex şi are ca scop ajustarea

fluxului metabolic al diferitelor procese biochimice în funcţie de necesităţile

tisulare variabile. La baza acestor mecanisme de reglare stau următoarele principii

generale:

reglarea căilor metabolice survine în general la nivelul etapelor limitante de

viteză, reprezentate de transformările cele mai lente dintr-o succesiune de

reacţii.

6

reglarea survine la nivelul reacţiilor ireversibile

enzimele asupra cărora acţionează semnalele reglatoare catalizează în

general etapele iniţiale a unei căi metabolice. Acest fapt evită acumularea

intermediarilor în cazul în care fluxul unei căi metabolice este încetinit.

căile metabolice de sinteză sunt reglate prin feed-back, care constă în

inhibarea unei căi metabolice de către produsul final.

reglarea unei căi metabolice este influenţată de funcţia acesteia. De exemplu

căile metabolice care produc energie sunt influenţate de nivelul energetic al

celulei.

intervenţia izoenzimelor specifice pentru diverse ţesuturi asigură reglarea

diferenţiată a metabolismului tisular.

compartimentalizarea intra-tisulară sau intra-mitocondrială este alt

mecanism de reglare metabolică deoarece asigură accesul diferenţiat al

substanţelor şi semnalelor de activare sau inhibare.

modificarea secreţiei hormonilor reglatori şi cascada de evenimente

intracelulare declanşate de legarea acestora pe receptorii specifice este unul

dintre cele mai importante mecanisme de reglare a metabolismului.

Fluxul intermediarilor biochimici în diferite căi metabolice este controlat de

enzimele cheie a căror activitate este reglată prin mecanismele următoare:

o reglarea la nivelul transcrierii are loc prin controlul transcrierii genelor care

codifică sinteza enzimelor implicate în cataliza unei reacţii metabolice

o reglarea prin modificare covalentă corespunde unor mecanisme de

fosforilare şi defosforilare ale enzimelor cheie sub acţiunea protein-kinazelor

şi respectiv protein-fosfatazelor. Unele enzime sunt active în formă

fosforilată iar altele sub formă defosforilată.

o reglarea alosterică

o interacţiunea cu proteinele modulatoare; de exemplu interacţiunea calciu-

calmodulină.

7

Ultimele mecanisme reprezintă mijloace de reglare rapidă a căilor

metabolice (câteva minute) în timp ce reglarea la nivelul transcrierii necesită un

interval mai îndelungat (câteva ore sau zile).

Interconexiunea acestor mecanisme permite adaptare fluxului diferitelor căi

metabolice la particularităţile fiziologice ale organismului în funcţie de:

- starea de nutriţie: perioadele post-prandiale sau perioadele interalimentare

- particularităţile metabolice tisulare

- necesităţile variate ale organismului: efort fizic, activităţi moderate sau

repaus.

PARTICULARITĂŢI METABOLICE TISULARE

Metabolismul substanţelor nutritive nu se desfăşoară identic în toate

ţesuturile. Ţesuturile prezintă anumite specializări care impun derularea

diferenţiată a reacţiilor metabolice.

Perioadele post-prandiale sunt caracterizate prin amplificarea proceselor de

sinteză a rezervelor energetice: glicogenogeneza, lipogeneza, sinteza proteinelor.

În condiţiile unei diete echilibrate, aportul alimentar egalează cheltuielile

energetice ale organismului (echilibru caloric).

Greutatea normală este exprimată sub forma INDICELUI DE MASĂ

CORPORALĂ (BMI) care reprezintă raportul dintre greutatea (kg) şi înălţimea2

(m2). Valorile normale sunt 20-25.

Valoarea calorică a elementelor nutritive alimentare:

- glucide 4kcal/mol

- proteinele 4 kcal/mol

- lipidele 9 kcal/mol

- alcoolul 7 kcal/mol

Insulina este hormonul reglator în perioadele post-prandiale – hormon

anabolizant.

8

Perioadele post-prandiale se caracterizează prin creşterea raportului

insulină/glucagon.

Perioadele interalimentare sunt caracterizate prin degradarea rezervelor

energetice: glicogenoliza, lipoliza, proteoliza precum şi cetogeneza şi

gluconeogeneza.

Glucagonul este hormonul reglator în perioadele interalimentare –

predomină catabolismul.

Perioadele inetralimentare se caracterizează prin scăderea raportului

insulină/glucagon.

FICATUL reprezintă organul central în biochimia metabolică.

Perioada post-prandială

captează o mare parte din glucoza aflată în circulaţie asigurând menţinerea

constantă a glicemiei. Sunt activate căile: glicogenogeneza, formarea acetil-

CoA, biosinteza acizilor graşi, calea pentozo-fosfaţilor (sinteza de NADPH

+ H+)

aminoacizii sunt utilizaţi pentru sinteza proteinelor sau convertiţi în

precursori ai acizilor graşi

formarea de trigliceride

Perioada interalimentară

glicogenoliza – rezultă glucoza care este eliberată în circulaţie

gluconeogeneza – sinteza de glucoză din substanţe neglucidice

ŢESUTUL ADIPOS

Perioada post-prandială

lipogeneza adipocitară

Perioada interalimentară

lipoliza adipocitară

ŢESUTUL MUSCULAR

Perioada post-prandială

9

glicogenogeneza

glicoliza

sinteza proteinelor musculare

miocardul captează atât glucoza cât şi acizii graşi proveniţi din hidroliza

chilomicronilor şi a VLDL pe care îi utilizează ca sursă de energie

Perioada interalimentară

glicoliza

glicogenoliza

proteoliza în perioade de ianiţie prelungită

CREIERUL

Perioada post-prandială

glicoliza; glucoza este captată rapid din circulaţie pentru acoperirea

necesitaţilor energetice

Perioada interalimentară

glicoliza

dacă perioadele interalimentare se prelungesc şi glicemia scade foarte mult

sunt utilizaţi corpii cetonici (cetogeneza hepatică) ca sursă de energie

ERITROCITELE

Perioada post-prandială

glicoliza anaerobă – se formează acid lactic. Nu dispun de mitocondrii.

Perioada interalimentară

glicoliza anaerobă – se formează acid lactic. Nu dispun de mitocondrii.

10

ACŢIUNEA HORMONILOR

INSULINA

este secretată de celulele β din pancreasul endocrin ca răspuns la

hiperglicemie

determină pătrunderea glucozei în celule (musculară, adipocite)

determină sinteza glicogenului în ficat şi muşchi

activează glicoliza şi sinteza acizilor graşi în ficat

determină captarea acizilor graşi şi sinteza de trigliceride în ţesutul adipos

determină captarea aminoacizilor şi sinteza proteinelor în ţesutul muscular.

GLUCAGONUL

este secretat de celulele α ale pancreasului endocrin ca răspuns la scăderea

glicemiei

acţionează mai ales în ficat

favorizează glicogenoliza şi gluconeogeneza hepatică şi inhibă glicoliza→

creşte producţia hepatică de glucoză

inhibă lipogeneza

ADRENALINA ŞI NORADRENALINA

sunt secretate de medulosuprarenala (adrenalina) şi sistemul simpatic

(noradrenalina) ca răspuns la scăderea glicemiei, stres, exerciţiu muscular

stimulează secreţia de glucagon şi inhibă secreţia de insulină

activează glicogenoliza şi glicoliza musculară

activează producţia hepatică de glucoză

stimulează lipoliza în ţesutul adipos

11

12