Οι μεταβολικές διεργασίες είναι αλληλουχίες βιοχημικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα μέσα στα ζωντανά κύτταρα για να διατηρηθεί η ζωή. Μπορούν να χωριστούν σε δύο βασικούς τύπους. Οι καταβολικές διεργασίες ή μονοπάτια περιλαμβάνουν τη διάσπαση πολύπλοκων μορίων από τα τρόφιμα σε μικρότερες μονάδες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δομικά στοιχεία για νέα μόρια ή για παροχή ενέργειας. Τα αναβολικά μονοπάτια περιλαμβάνουν τη χρήση ενέργειας για την κατασκευή νέων χημικών ουσιών που γίνονται συστατικά των κυττάρων. Αυτές οι αντιδράσεις γίνονται δυνατές από έναν αριθμό οργανικών καταλυτών γνωστών ως ένζυμα.
Μαζί, οι δύο τύποι μεταβολικών διεργασιών επιτρέπουν τη μετατροπή των πρώτων υλών, ή των θρεπτικών ουσιών, που προσλαμβάνονται από έναν οργανισμό σε ιστό. Μία ένωση, κοινή σε όλη την κυτταρική ζωή, είναι απαραίτητη για αυτούς τους μετασχηματισμούς. Η τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP) χρησιμοποιείται για την αποθήκευση ενέργειας που λαμβάνεται από θρεπτικά συστατικά, όπως οι υδατάνθρακες, και για την απελευθέρωση ενέργειας όταν απαιτείται για την κατασκευή νέων μορίων.
Καταβολικές Διεργασίες
Μερικοί οργανισμοί, όπως τα πράσινα φυτά, φτιάχνουν τη δική τους τροφή από ανόργανα υλικά, ενώ άλλοι, όπως τα ζώα, καταναλώνουν οργανικά υλικά για να λάβουν τη διατροφή τους. Η τροφή που καταναλώνεται από τα ζώα μπορεί να χωριστεί σε τρεις κύριους τύπους – υδατάνθρακες, λιπίδια (λίπη και έλαια) και πρωτεΐνες. Η πέψη περιλαμβάνει καταβολικές διεργασίες που τις διασπούν σε απλούστερα συστατικά. Για παράδειγμα, οι σχετικά σύνθετοι υδατάνθρακες, όπως οι πολυσακχαρίτες και οι δισακχαρίτες, διασπώνται σε γλυκόζη και οι πρωτεΐνες διασπώνται σε αμινοξέα. Αυτές οι απλούστερες ενώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν με αναβολικές διαδικασίες για την κατασκευή νέων υλικών ή μπορεί να διασπαστούν περαιτέρω για να παρέχουν ενέργεια.
Η κυτταρική αναπνοή είναι η διαδικασία με την οποία η γλυκόζη των υδατανθράκων (C6H12O6) διασπάται σε διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και νερό (H2O), παράγοντας ενέργεια που αποθηκεύεται στο ATP. Η διαδικασία περιλαμβάνει οξείδωση και όπου υπάρχει διαθέσιμο ατμοσφαιρικό οξυγόνο χρησιμοποιείται σε αυτό που είναι γνωστό ως αερόβια αναπνοή. Αυτή είναι η διαδικασία που λαμβάνει χώρα σε ζώα, φυτά και ορισμένους μικροοργανισμούς. Η συνολική αντίδραση μπορεί να συνοψιστεί ως
C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O
αλλά η διαδικασία λαμβάνει χώρα σε διάφορα στάδια, και οι λεπτομέρειες είναι αρκετά περίπλοκες.
Σε συνθήκες όπου δεν υπάρχει ελεύθερο οξυγόνο, πραγματοποιείται αναερόβια αναπνοή. Αυτό απαντάται μόνο σε ορισμένους μικροοργανισμούς που ζουν στο έδαφος, σε οργανική ύλη σε αποσύνθεση, κάτω από τη θάλασσα, βαθιά στο έδαφος και στα έντερα των ζώων. Αυτοί οι οργανισμοί χρησιμοποιούν εναλλακτικές λύσεις όπως νιτρικά άλατα, θειικά άλατα, φουμαρικά, ακόμη και θείο στη θέση του ελεύθερου οξυγόνου. Η αναερόβια αναπνοή είναι πολύ λιγότερο αποτελεσματική από την αερόβια διαδικασία και παράγει πολύ λιγότερο ATP, αλλά νωρίς στην ιστορία της Γης – πριν υπήρχε ελεύθερο οξυγόνο στην ατμόσφαιρα – αυτή ήταν η μόνη δυνατή μορφή αναπνοής.
Στα ζώα, τα λιπίδια οξειδώνονται επίσης σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό, αλλά τα πρώτα βήματα είναι διαφορετικά. Η χημεία των οργανισμών λαμβάνει χώρα σε περιβάλλον με βάση το νερό, αλλά τα λίπη και τα έλαια δεν αναμειγνύονται με το νερό. Το πρώτο βήμα είναι η γαλακτωματοποίηση αυτών των ουσιών, που σημαίνει τη μετατροπή τους σε μια μορφή που θα αναμιγνύεται με το νερό, με τον ίδιο τρόπο που τα απορρυπαντικά μπορούν να βοηθήσουν στον καθαρισμό των πετρελαιοκηλίδων. Αυτό γίνεται από ουσίες που μοιάζουν με σαπούνι που περιέχονται στη χολή που απελευθερώνεται από τη χοληδόχο κύστη στο λεπτό έντερο. Τα λιπίδια στη συνέχεια διασπώνται σε λιπαρά οξέα και γλυκερίνη, τα οποία μπορούν να απορροφηθούν μέσω των εντέρων, και τα οποία μπορούν στη συνέχεια να υποστούν αντιδράσεις οξείδωσης παρόμοιες με αυτές που πραγματοποιούνται στους υδατάνθρακες.
Οι πρωτεΐνες είναι πολύ μεγάλα, πολύπλοκα μόρια, που αποτελούνται από δομικά στοιχεία γνωστά ως αμινοξέα. Μεταβολίζονται από διάφορες αντιδράσεις που τα χωρίζουν στα αμινοξέα τους, τα οποία μπορούν να απορροφηθούν και στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν μέσα στα κύτταρα. Γενικά, οι πρωτεΐνες δεν χρησιμοποιούνται για την παροχή ενέργειας, αλλά αντ’ αυτού τα αμινοξέα χρησιμοποιούνται για την παραγωγή νέων πρωτεϊνών για την κατασκευή ιστών και μυών. Σε περιπτώσεις όπου δεν υπάρχουν διαθέσιμοι υδατάνθρακες ή λίπος στη διατροφή και το σώμα έχει εξαντλήσει τα αποθέματα λίπους του, οι πρωτεΐνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ενέργειας, με οξείδωση των αμινοξέων τους. Σε αυτές τις περιπτώσεις, το σώμα μπορεί να αρχίσει να διασπά τις μυϊκές πρωτεΐνες.
Αναβολικές Διεργασίες
Γνωστές και ως βιοσύνθεση, αυτές είναι αντιδράσεις που καταναλώνουν την ενέργεια που αποθηκεύεται στο ATP μέσω καταβολικών διεργασιών. Περιλαμβάνουν την κατασκευή πρωτεϊνών από αμινοξέα και την κατασκευή DNA από νουκλεοτίδια. Στα ζώα, οι μυϊκές συσπάσεις που προκαλούν την κίνηση μπορούν επίσης να συμπεριληφθούν, καθώς αυτές απαιτούν τη χρήση αποθηκευμένης ενέργειας. Στα φυτά, η σύνθεση της γλυκόζης από το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό μέσω της φωτοσύνθεσης είναι μια άλλη αναβολική οδός.
Μεταβολικές διεργασίες και σωματικό βάρος
Η ενέργεια που λαμβάνεται από τα τρόφιμα με τον καταβολισμό μπορεί να χρησιμοποιηθεί αμέσως, με αναβολικές διαδικασίες, αλλά αν δεν χρησιμοποιηθεί, μεγάλο μέρος της αποθηκεύεται ως λίπος. Η ποσότητα ενέργειας που μπορεί να εξαχθεί από ένα τρόφιμο μπορεί να μετρηθεί σε θερμίδες. Ομοίως, η ποσότητα που καταναλώνεται από διάφορες μορφές άσκησης μπορεί επίσης να μετρηθεί με αυτόν τον τρόπο. Εάν καταναλώνονται συνεχώς περισσότερες θερμίδες από αυτές που χρησιμοποιούνται, το λίπος θα συσσωρευτεί, με αποτέλεσμα την αύξηση βάρους. Αντίθετα, εάν καταναλωθούν περισσότερες θερμίδες από αυτές που καταναλώνονται, το σώμα θα αποκτήσει ενέργεια χρησιμοποιώντας τα αποθέματα λίπους του, χάνοντας βάρος.