Μεταβολισμός

Το σύνολο των χημικών αντιδράσεων αναβολισμού και καταβολισμού που συμβαίνουν σ’ έναν οργανισμό αποτελούν τον μεταβολισμό.

Οι χημικές αντιδράσεις βιοσύνθεσης μακρομορίων (πρωτεϊνών, λιπιδίων, υδατανθράκων και νουκλεινικων οξέων) από απλούστερα μόρια, αποτελούν τον αναβολισμό.
Η διάσπαση μακρομορίων σε απλούστερα μόρια (αμινοξέα, νουκλεοτίδια, μονοσακχαρίτες, λιπαρά οξέα) με ταυτόχρονη απελευθέρωση ενέργειας αποτελεί τον καταβολισμό. Ο καταβολισμός περιλαμβάνει την γλυκόλυση, τον καταβολισμό των τριγλυκεριδίων, των αμινοξέων και την αναπνοή (που αποτελείται από τον κύκλο του Krebs και την οξειδωτική φωσφορυλίωση). Στο ενδιάμεσο στάδιο του καταβολισμού των μακρομορίων, γίνεται η μετατροπή των απλούστερων μορίων σε ακόμα απλούστερες ενώσεις με κυριότερη την ακετυλο-ομάδα που μεταφέρεται στο ακετυλοσυνένζυμο Α και σε αυτό το στάδιο ρυθμίζεται ο αναβολισμός ή ο καταβολισμός ανάλογα την συγκέντρωση του τελικού προϊόντος που εξυπηρετεί το κάθε ένζυμο. Οι αντιδράσεις του αναβολισμού και του καταβολισμού είναι αλληλένδετες, υπάρχει όμως ανεξαρτησία στην ρύθμιση των 2 ειδών και το κύτταρο εξασφαλίζει την δυνατότητα ελέγχου και ρύθμισης του μεταβολισμού ανάλογα με τις ανάγκες. Η ρύθμιση επιτυγχάνεται μέσω μηχανισμών ρύθμισης των ενζύμων (κλειδιά) που εμπλέκονται στην αποικοδόμηση και την βιοσύνθεση (τα οποία διαφέρουν ανάλογα την πορεία), δηλαδή διαφορετικά ένζυμα χρειάζονται για τον αναβολισμό και διαφορετικά για τον καταβολισμό. Η ενεργότητα κάθε ενζύμου εξαρτάται από την συγκέντρωση του τελικού προϊόντος της οδού που εξυπηρετεί. Μεγάλη συγκέντρωση τελικού προϊόντος αναστέλλει την δράση του ενζύμου με την διαδικασία της ανάδρομης ρύθμσης. Τέλος, σε μια μεταβολική οδό πολλών σταδίων επιτυγχάνεται διασύνδεση αναβολισμού και καταβολισμού, εφόσον ενδιάμεσα προϊόντα του καταβολισμού χρησιμοποιούνται στις βιοσυνθετικές οδούς, όπως πχ ενδιάμεσα προϊόντα του κύκλου του Krebs αποτελούν πηγή βιοσύνθεσης λιπαρών οξέων και αμινοξέων.

Το τελευταίο στάδιο του καταβολισμού αποδίδει CO2, νερό και ενέργεια μέσω της πλήρους διάσπασης του ακετυλο-CoA και συμβαίνει μόνο στους αερόβιους οργανισμούς κάτω από αερόβιες συνθήκες. Η ρύθμιση του κύκλου του Krebs εναρμονίζεται με τις ενεργειακές ανάγκες του κυττάρου, αλλά και τις συγκεντρώσεις κάθε τελικού προϊόντος σε κάθε στάδιο του κυττάρου.

Η γλυκόλυση είναι η οδός που καταβολίζονται οι υδατάνθρακες και κυρίως η γλυκόζη. Το τελικό προϊόν της γλυκόλυσης είναι το πυροσταφιλικό, το οποίο σε αναερόβιες συνθήκες μετατρέπεται σε γαλακτικό, ενώ σε αερόβιες εισέρχεται στον κύκλο του Krebs. Η γλυκόζη είναι η κύρια πηγή κάλυψης των ενεργειακών αναγκών στους ζωντανούς οργανισμούς. Γι αυτό ο οργανισμός έχει αναπτύξει μηχανισμό βιοσύνθεσης της γλυκόζης από μη υδατανθρακικές πρόδρομες ενώσεις που ονομάζεται γλυκονεογένεση. Λαμβάνει χώρα στο συκώτι και σε μικρότερη έκταση στον φλοιό των νεφρών. Οι πρόδρομες ενώσεις από τις οποίες συντίθεται η γλυκόζη είναι το γαλακτικό οξύ, τα αμινοξέα και η γλυκερόλη που προέρχεται από τον καταβολισμό των τριγλυκεριδίων. Το τελικό προϊόν της γλυκονεογένεσης μπορεί να αποδώσει ελεύθερη γλυκόζη , μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σχηματίσει γλυκογόνο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δώσει κι άλλα προϊόντα όπως γλυκοπρωτείνες ή δισακχαρίτες. Η γλυκόζη μετατρέπεται στους μύες σε γαλακτικό, το οποίο μεταφέρεται στο συκώτι όπου μετατρέπεται σε πυροσταφυλικό και με την γλυκονεογένεση μετατρέπεται σε γλυκόζη, η οποία με την κυκλοφορία του αίματος επιστρέφει στους μύς. Η γλυκόλυση επιβραδύνεται όταν μειώνεται το PH.Αυτό προστατεύει τον οργανισμό από την υπερβολική παραγωγή γαλακτικού οξέος που μπορεί να παράγεται σε αναερόβιες συνθήκες, πχ έντονης μυϊκής δραστηριότητας και συνεπώς στην μείωση του PH του αίματος (οξέωση).

Τα τριγλυκερίδια είναι εστέρες γλυκερόλης με λιπαρά οξέα. Τα λιπαρά οξέα μπορούν να αποικοδομηθούν μέσω της β-οξείδωσης αποδίδοντας ενέργεια και η γλυκερόλη μετατρέπεται σ ένα ενδιάμεσο στάδιο της γλυκόλυσης και της γλυκονεογένεσης. Τα ένζυμα για τον καταβολισμό των λιπαρών οξέων βρίσκονται στην μήτρα του μιτοχονδρίου. Το ακυλο-CoA όμως που αποτελεί το πρώτο προϊόν καταβολισμού του λιπαρού οξέος δεν μπορεί να περάσει την εσωτερική μεμβράνη του μιτοχονδρίου, γι αυτό και η μεταφορά του επιτυγχάνεται μέσω μορίου καρνιτίνης, κι έτσι εισέρχεται στην μήτρα και ξανασυνδέεται με συνένζυμο Α. Στο τρίτο στάδιο αυτό το λιπαρό οξύ διασπάται και δίνει ακετυλο-CoA. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται β-οξείδωση. Το ακετυλο-CoA εισέρχεται στον κύκλο του Κrebs μόνο εφόσον υπάρχει στο ήπαρ διαθέσιμο οξαλοξικό, δηλαδή μόνο όταν υπάρχουν διαθέσιμοι υδατάνθρακες (πυροσταφιλικό -οξαλοξικό). ‘Οταν όμως η διάσπαση των λιπών υπερέχει της διάσπασης των υδατανθράκων, το ακετυλο-CoAδεν εισέρχεται στον κύκλο του Krebs και μετατρέπεται στο συκώτι σε ακετοξικό, D-3-υδροξυβουτυρικό και ακετόνη (κετονοσώματα). Φαινόμενο που παρατηρείται σε καταστάσεις νηστείας και σε διαβητικούς. Όταν τα επίπεδα γλυκόζης στο αίμα είναι χαμηλά, τα επίπεδα του πυροσταφυλικού από τα οποία μπορεί να παραχθεί το οξαλοξικό είναι χαμηλά κι έτσι το διαθέσιμο οξαλοξικό χρησιμοποιείται στην απαραίτητη για την επιβίωση γλυκονεογένεση(παραγωγή γλυκόζης από το ήπαρ). Απουσία ινσουλίνης (όπως σε ασθενείς με ινσουλινοεξαρτώμενο διαβήτη) οδηγεί στη γλυκονεογένεση στο ήπαρ, λιπόλυση στον λιπώδη ιστό, μεγάλη παραγωγή κετονοσωμάτων από τα λιπαρά οξέα, οπότε το PH του αίματος μειώνεται (οξέωση), φαινόμενο το οποίο οδηγεί σε κώμα και θάνατο.

Η βιοσύνθεση των λιπαρών οξέων γίνεται στο κυτταρόπλασμα σε αντίθεση με τον καταβολισμό τους ο οποίος παίρνει μέρος στην μήτρα του μιτοχονδρίου. Το ακετυλο-CoA όμως δεν μπορεί να διαπεράσει την μιτοχονδριακή μεμβράνη, γι αυτό μεταφέρεται μόνο η ακετυλο-ομάδα του μέσω του κιτρικού οξέος, το οποίο σχηματίζεται στο μιτοχόνδριο μέσω οξαλοξικού και ακετυλο-CoAστον κύκλο του Krebs. To κιτρικό οξύ μεταφέρεται στο κυτταρόπλασμα μέσω μηχανισμού μεταφοράς κιτρικού οξέος που βρίσκεται στην μεμβράνη του μιτοχονδρίου. Εκεί πραγματοποιείται η αντίστροφη αντίδραση, δηλαδή το κιτρικό αντιδρά με CoΑ δίνοντας ακετυλο-CoA και οξαλοξικό.

Το 75% των αμινοξέων χρησιμοποιούνται για την πρωτεινοσύνθεση, την σύνθεση μη απαραίτητων αμινοξέων και την σύνθεση μη πρωτεϊνικών αζωτούχων προϊόντων. Η περίσσεια τους δεν αποθηκεύεται, αλλά αποικοδομούνται για την παραγωγή ενέργειας. Κάθε ένα αμινοξύ ακολουθεί διαφορετική πορεία αποικοδόμησης. ‘Οσα καταβολίζονται σε ακετυλο-CoA ή ακετο-ακετυλο-CoA δίνουν κετονοσώματα και ονομάζονται κετογενετικά αμινοξέα (λευκίνη, ισολευκίνη, τρυπτοφάνη, θρεονίνη, λυσινη,τυροσίνη,φαινυλαλανίνη), ενώ όσα καταλήγουν σε πυροσταφυλικό ή ενδιάμεσα προιόντα του κύκλου του Krebs ονομάζονται γλυκογενετικά αμινοξέα (αλανίνη, γλυκίνη, κυστεινη, σερίνη, θρεονίνη, τρυπτοφάνη, λευκίνη, ισολευκίνη). Μερικά είναι και κετογενετικά και γλυκογενετικά.

Τον σπουδαιότερο ρόλο στην βιοσύνθεση των αμινοξέων παίζει το γλουταμινικό. Η αμινομάδα των περισσότερων αμινοξέων προέρχεται από την αμινομάδα του γλουταμινικού με τρανσαμίνωση. Ο ανθρακικός σκελετός προέρχεται από ενδιάμεσα της γλυκόλυσης, του κύκλου του krebs ή του κύκλου των φωσφορικών πεντοζών.

Βασικός μεταβολικός ρυθμός

Η βασική ενέργεια η οποία χρειάζεται για την κάλυψη των βασικών ενεργειακών αναγκών του σώματος (λειτουργία οργάνων, αναπνοή κοκ) όταν βρίσκεται σε πλήρη ηρεμία ονομάζεται βασικός μεταβολικός ρυθμός ή αλλιώς βασικός μεταβολισμός. Για τον υπολογισμό του συνόλου των ημερήσιων ενεργειακών μας αναγκών προστίθεται και η ενέργεια που απαιτείται για την φυσική μας δραστηριότητα.

Ποιοί παράγοντες επηρεάζουν τον βασικό μεταβολισμό;

Εξαρτάται από παράγοντες όπως το φύλο, η ηλικία, το βάρος, οι ορμόνες, το ποσοστό μυϊκής μάζας του σώματος και η θερμοκρασία και καλύπτει το μεγαλύτερο ποσοστό των ημερήσιων ενεργειακών μας αναγκών. Τέλος σε μετεγχειρητικές καταστάσεις και σε εγκαύματα αυξάνονται οι απαιτήσεις του βασικού μεταβολισμού για τις απαραίτητες αντιδράσεις αναβολισμού που χρειάζονται για την αποκατάσταση της βλάβης στους ιστούς.
Ο βασικός μας μεταβολισμός επηρεάζεται αρνητικά από παράγοντες όπως η ελλιπής σε θρεπτικά συστατικά διατροφή και οι βαριά υποθερμιδικές δίαιτες. Στην προσπάθειά του ο οργανισμός να διατηρήσει την ομοιόσταση προσαρμόζει τις ανάγκες του στο χαμηλότερο δυνατό κι αυτό οδηγεί σε πτώση του μεταβολισμού, αλλά μπορεί να προκληθεί και λόγω της μείωσης της μυικής μάζας η οποία προκαλείται από την εφαρμογή ακραίων προγραμμάτων διατροφής (ολιγοθερμιδικά) και ελλιπή σε θρεπτικά συστατικά.
Επηρεάζεται θετικά με την αύξηση της φυσικής δραστηριότητας και της μυικής μάζας του σώματος.

Κάποιες τροφές επηρεάζουν τον βασικό μεταβολισμό θετικά όπως τα καυτερά(λόγω καψαικίνης),ο καφές και το τσάι, αλλά η επίδρασή τους είναι αμελητέα και παροδική μόνο για το διάστημα που θα καταναλωθούν. Eπομένως, δεν δίνουμε βαρύτητα τόσο σ’ αυτές τις τροφές, όσο στην συνολική πρόσληψη μακροθρεπτικών και μικροθρεπτικών συστατικών που συμμετέχουν στις μεταβολικές οδούς, καθώς επίσης στην επαρκή ενυδάτωση.

Η ποικιλία πρώτης ύλης στα γεύματά μας εξασφαλίζει επάρκεια θρεπτικών συστατικών καθώς επίσης είναι καλό να τονιστεί πως η επαρκής κατανάλωση πρωτεΐνης βοηθάει τον μεταβολισμό γιατί συμβάλει στην διατήρηση της μυϊκής μάζας, καθώς επίσης απαιτείται περισσότερος χρόνος και ενέργεια για την πέψη της ενισχύοντας τον κορεσμό, περιορίζοντας τις λιγούρες. Η επαρκής αφομοίωση πρωτεΐνης απαιτεί την παρουσία υδατανθράκων άρα ένα γεύμα το οποίο καλύπτει επαρκώς τον οργανισμό σε πρωτεΐνες και υδατάνθρακες είναι πολύ προτιμότερο απ ότι ένα ελλιπές γεύμα.

Τέλος, είναι καλό να τονίσουμε πως η αερόβια καύση των λιπαρών οξέων απαιτεί την παρουσία υδατανθράκων ( τα λίπη καίγονται στην φλόγα των υδατανθράκων), η οποία , όταν είναι ανεπαρκής, οδηγείται ο οργανισμός στην σύνθεση γλυκόζης μέσω γλυκονεογένεσης (αναβολική διαδικασία που απαιτείται ενέργεια) και την παραγωγή κετονών (ουσίες υδατοδιαλυτές που χρησιμοποιούνται ως πρωτογενές καύσιμο των κυττάρων του μυοκαρδίου και του κυττάρου του νεφρικού φλοιού και δευτερογενές καύσιμο του εγκεφάλου μετά την γλυκόζη το οποίο όμως δεν μπορεί να καλύψει όλα τα κύτταρα του εγκεφάλου επαρκώς). Κετόνες (ακετοξικο, D-3 υδροξυβουτυρικό και ακετόνη) δημιουργούνται όταν η διάσπαση των λιπών υπερέχει της διάσπασης των υδατανθράκων, με τις λεγόμενες πρωτεϊνικές δίαιτες, με την ασιτία και σε μικρότερο βαθμό με τις υποθερμιδικές δίαιτες. Πρόκειται για ασθενή μεν οξέα, που όμως συσσωρευόμενα υπερβαίνουν τους αντιρροπιστικούς μηχανισμούς του συστήματος της οξεοβασικής ισορροπίας του οργανισμού, οδηγώντας σε μεταβολική οξέωση.
Αξίζει να σημειωθεί ότι η μακροχρόνια ασιτία ή η ανεπαρκής πρόσληψη υδατανθράκων (υπογλυκαιμία) για μακρύ χρονικό διάστημα μπορεί να οδηγήσει στο φαινόμενο της κετοξέωσης, η οποία διαφέρει από αυτήν της διαβητικής κετοξέωσης γιατί αναστρέφεται εύκολα, όμως δεν παύει να έχει ανεπιθύμητα συμπτώματα (κακοσμία στόματος, ναυτία, ζάλη, κόπωση).

Η διαβητική κετοξέωση μπορεί να εμφανιστεί σε ασθενείς με ινσουλινοεξαρτώμενο, αρρύθμιστο διαβήτη. Η μεγάλη παραγωγή κετονών σε συνδυασμό με την ανεπαρκή απορρόφηση γλυκόζης λόγω έλλειψης ινσουλίνης και την παραγωγή γλυκόζης μέσω γλυκονεογένεσης και γλυκογονόλυσης, οδηγεί στο λεγόμενο φαινόμενο της διαβητικής κετοξέωσης, όπου μειώνεται το PH του αίματος και αποτελεί κατάσταση ιδιαίτερα επικίνδυνη για τη ζωή.