فرآیند های سوخت و سازی

فرآیند های سوخت و سازی (متابولیسم)

سوخت و ساز به واکنش های شیمیایی مسیرهای آنابولیکی و کاتابولیکی سلول گویند. این واکنش ها معمولاً با آنزیم ها – پروتئین هایی که کاتالیز می شوند که سرعت واکنش های خاصی را تعدیل می کنند. بسیاری از مسیر های سوخت و سازی با آنزیم هایی کنترل می شوند که مراحل اولیه مسیر را کاتالیز می کنند. بدین ترتیب، از تولید مقدار زیاد میانجی های مسیرهای سوخت و سازی جلوگیری می کنند. آنابولیسم فرایند های ساختاری مسئول بیوسنتز مولکولها به ویژه ماکرومولکول هایی است که در ذخیره انرژی استفاده می شوند؛ در حالیکه کاتالیز فرایندی تجزیه ای است که معمولاً ماکرومولکولها را به منظور تولید انرژی تجزیه می کند. انرژی فرایند های سوخت و سازی از اکسایش مولکول های سوختی شامل گلوکز،  اسیدهای چرب و اسید آمینه ها به دست می آید. اکسایش واکنشی گرمازاست و سلول مقداری از انرژی آزاد شده در فرآیند اکسایش را که انرژی پیوند شیمیایی به شکل ATP است به دام می اندازد.

فرآیند های سوخت و سازی

کاتابولیسم کربوهیدرات

گلوگز عمدتا به شکل گلیکوژن در کبد و عضلات اسکلتی ذخیره می شود. در نبود آنزیم کلیدی گلوگز ۶ -فسفاتاز، عضله نمی تواند گلوگز آزاد را به درون خون رها کند تا در سایر بافت‌ها استفاده شود. گلیکوژن عضله که ذخیره گلوکز به شمار می‌رود، تنها در خود عضله استفاده می شود. گلیکوژن در عضله و کبد با دخالت آنزیم گلیکوژن فسفوریلاز به گلوکز ۱- فسفات تبدیل می شود( گلیکوژنولیز). گلوکز ۱-فسفات ایزومر گلوکز ۶-فسفات از و در هر دو مسیر گلیکولیز و پنتوز فسفات سوبسترا محسوب می شود. در شرایط هوازی گلیکولیز باعث میشود گلوکز ۶- فسفات به پیروات تبدیل شود که با تولیدATP  از راه فسفر دار شدن سوبسترا در دو مرحله در مسیر همراه است (گلوکز ۶- فسفات /ATP 4 ). زمانی که تأمین اکسیژن با محدودیت همراه باشد پیروات به لاکتات تبدیل می شود.  بدین ترتیب، ادامه فرایند گلیکولیز میسر میشود.

لاکتات سوبسترای فرآیند گلوکونئوژنز است. با وجود این زمانی که اکسیژن کافی در دسترس باشد، پیروات وارد میتوکندری می‌شود و به دی اکسید کربن و آب اکسید می شود. سپس، مقداری از انرژی آزاد شده بر اثر اکسایش در سنتزATP در فرایند فسفر دار شدن اکسایشی استفاده می شود. همچنین، سوخت و ساز گلوکز در فرآیند گلیکولیز، میانجی های مورد نیاز دیگر مسیر های سوخت و سازی را تأمین می‌کند.

محصول نهایی مسیر پنتوز فسفات، نوکلئوتید پیریدین NADPH احیا  شده ( نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید احیا شده) و قندهای ۵ کربنی است‌. پنتوز های مشتق از مسیر پنتوز فسفات عبارت اند از ترکیبات نو کلئوزیدها و در نتیجه DNA، کوفاکتورهای گوناگون از جمله  )FAD  , NAD⁺فلاوین آدنین دی نوکلئوتید)، و کوآنزیم آ.

‏گلوکونئوژنز

با وجود آنکه گلوکونئوژنز(GNG) فرایندی سنتزی است (سنتز گلوکز از پیش سازهای غیر کربوهیدراتی) زمانی رخ می‌دهد که بدن حالت کاتابولیکی دارد. گلوکونئوژنز، گلوکز بافت های وابسته به گلوکز را در مواقعی که تامین گلوکز و دشواری‌های روبروست تامین می‌کند. همچنین در دوره هایی که مقاومت محیطی به انسولین وجود دارد مانند مرحله پرسوخت و سازی ناشی از آسیب و در دیابت کنترل شده نوع ۲ نیز رخ می دهد. حداقل نیاز ساختاری سوبسترای GNG مولکولی سه کربنی است. سوبسترا های اصلی عبارتند از لاکتات حاصل از گلیکولیز، گلیسرول حاصل از سوخت و ساز تری گلیسیرید و اسید آمینه‌ های گلوکوژنی (در اصل از هیدرولیز پروتئین های عضلات اسکلتی). GNG تحت کنترل هورمونی است، و به هورمون های آنابولیکی (انسولین) مهار و با هورمون های کاتابولیکی (گلوکاگون، کورتیزول) تحریک می شود.

فرآیند های سوخت و سازی

کاتابولیسم چربی

چربی عمدتاً به شکل تری گلیسیرید در بافت چربی ذخیره میشود ( تری گلیسیرید مولکولی است متشکل از اسیدهای چرب آزاد و یک گلیسرول).  در بافت چربی،  هیدرولیز تری گلیسیرید (لیپولیز) به کمک آنزیم لیپاز حساس به هورمون انجام می‌شود که پیامد آن رهایش اسیدهای چرب آزاد به درون خون است و از آنجا با آلبومین به بافتها منتقل میشود. در بین وعده های غذایی و هنگام ناشتایی، در همه بافت ها- به جز مغز، گلبول های قرمز و بافت عصبی- اسیدهای چرب منبع اصلی انرژی محسوب می‌شوند‌. اسیدهای چرب وارد بافت می شوند و قبل از عبور از میان رشته های میتوکندریایی، با مشتق کوآنزیم آ در سیتوزول فعال می‌شوند. در ماتریکس میتوکندریایی، قبل از سوخت و ساز در فرایند بتا اکسایش که باعث تولید استیل کوآنزیم آ می شود، مجدداً به مشتق کوآنزیم آ تبدیل می‌شود. استیل کوآنزیم آ وارد چرخه اسیدسیتریک می‌شود و به CO² و آب اکسید می گردد. مقداری از انرژی آزاد شده در فرایند برای سنتز ATP در فرایند فسفردارشدن اکسایشی استفاده میشود. محصول دیگر لیپولیز، گلیسرول است که اتم های  ۳ کربنه دارد به طوری سوبسترای GNG محسوب می‌شود. اسیدهای چرب اشباع نشده، قبل از سوخت و ساز به میانجی های مسیر بتا اکسایش تبدیل می شوند. در دور نهایی اکسایش، اسیدهای چرب فرد کربنه، استیل کوآنزیم آ و مولکول پروپیونیل کوآنزیم آ تولید می‌کنند. در بافت ها، فرایند اکسایش اسیدهای چرب با غلظت خونی اسیدهای چرب آزاد ارتباط دارد. این موضوع به نوبه خود وضعیت کاتابولیکی بدن را نشان می‌دهد. لیپولیز بافت چربی را هورمون‌های کاتابولیکی به ویژه گلوکاگن و کورتیزول تحریک میکنند.

سنتز اجسام کتونی

در کبد اجسام کتونی یعنی استیل استات  و ۳- هیدروکسی بوتیرات از استیل کوآنزیم آ ی مشتق از بتا اکسایش اسید های چرب تولید می شوند. این فرایند زمانی رخ می دهد که میزان تولید استیل کوآنزیم آ  از میزان اکسایش ان در چرخه اسید سیتریک بیشتر باشد. بنابراین، در موقعیتهای فوق‌العاده کاتابولیکی، زمانی که غلظت انسولین پایین است، مانند ناشتایی طولانی مدت و دیابت کنترل نشده نوع یک، مقادیر زیادی از اسیدهای چرب ناشی از لیپولیز تری گلیسیرید بافت چربی به کبد منتقل و در میتوکندری های کبد به وارد فرایند بتا اکسایش می شوند. برای سنتز ۳- هیدروکسی ۳ -متیل گلوتاریل کوآنزیم آ (HMGCoA) سه مولکول استیل کوآنزیم آ لازم است. در تشکیل استو استات HMGCoA میانجی کلیدی است که یک مولکول استیل کوآنزیم آ از دست می‌دهد. استو استات در واکنشی که به NADH(  متین آمید آدنین دی نوکلئوتید احیا شده) نیاز دارد، به ۳ -هیدروکسی بوتیرات احیا می‌شود که بر اثر آن NAD موردنیاز تداوم فرآیند بتا اکسایش مجدداً تولید می شود. ۳-هیدروکسی بوتیرات جسم کتونی اصلی است که به درون خون آزاد میشود قبل از گرسنگی های شدید، یعنی زمانی که تامین گلوکز با محدودیت هایی همراه می شود، مهمترین منبع سوخت و ساز قلب و مهمتر از آن مغز است و باید برای تبدیل به استو استات دوباره اکسیده شود.

فرآیند های سوخت و سازی

کاتابولیسم پروتئین و اسید آمینه ها

پروتئین با عمل پروتئاز به اسید آمینه تجزیه می شود. این عمل را در عضلات کورتیزول تحریک میکند. با برداشتن گروه آمینی آلفای اسید آمینه‌های گلیکوژنی، اسکلت کربنی تولید می‌شود که در سنتز گلوکز به کار می‌رود، در حالی که اسکلت کربنی اسیدهای آمینه های کتوژنی برای تولید اجسام کتونی استفاده میشود. نیتروژن موجود در پروتئین ها معمولاً بر اثر فرآیند ترانس آمینه شدن برداشته می شود؛  فرایندی که به ویتامین B_⁶ نیاز دارد. در نهایت، نیتروژن از راه کلیه ها به شکل اوره دفع می شود. پروتئین های رژیم غذایی در روده به اسید آمینه ها و زنجیره های دوپپتیدی و سه پپتیدی تجزیه میشوند. این عمل را پروتئازهای انجام می‌دهند که از پانکراس ترشح می شوند.

ذخیره گلوکز

در اصل، گلوکز به شکل گلیکوژن در کبد و عضلات اسکلتی ذخیره می شود. این فرآیند( گلیکوژنز) با دخالت انسولین تقویت می‌شود. ابتدا گلوکز به یوریدین دی فسفات (UDP)- گلوکز فعال می شود و در هر زمان یک مولکول گلوکز به گلیکوژن در حال تشکیل اضافه می شود. این واکنش را آنزیم گلیکوژن سنتتاز کاتالیز می کند. مقدار گلوکز تامی که به شکل گلیکوژن ذخیره میشود در عضلات بیشتر از کبد است، هرچند غلظت نسبی آن در کبد بیشتر از عضلات است.

لیپوژنز

مسیر لیپوژنز در غدد پستانی فعال، کبد و بافت چربی بسیار فعال است. همه کربن های مورد نیاز سنتز اسیدهای چرب از استیل کوآنزیم آ مشتق می شوند و در هر زمان دو کربن به زنجیره  اسیدهای چرب به افزوده می شود. با کاهش CO²،  یک جفت کربن به مالونیل کوآی ۳ کربنی اهدا می شوند. تولید مالونیل کو آ از کربوکسیله شدن استیل کوآنزیم آ با دخالت استیل کوآنزیم آ کربوکسیلاز انجام می‌شود که به این مرحله محدود کننده بیوسنتز اسیدهای چرب آزاد است. تری گلیسیرید با استری شدن سه اسید چرب به گلیسرول تشکیل می‌شود که عمدتاً در بافت چربی ذخیره می گردد. سنتز تری گلیسیرید عمدتاً در کبد، اریتروسیت ها، بافت چربی و غدد پستانی فعال انجام می‌شود. به طور کلی، انسولین فرایند لیپوژنز، سنتز تری گلیسیرید و ذخیره چربی را تقویت می کند. چنین شرایطی را در حالت تغذیه مطلوب مشاهده می کنیم.

سنتز پروتئین

سنتز پروتئین بخشی از فرایند نوسازی پروتئین های بدن است که دائما  رخ می دهد. برداشت اسید آمینه ها در کبد و عضله و متعاقب آن سنتز پروتئین با انسولین تقویت میشود.