19 .

Metabolism și nutriție

mins

4 subcapitole

Adenozin-trifosfatul

Metabolismul reprezintă totalitatea proceselor fizice și chimice care au loc în celulă. Principalele componente sau căi ale metabolismului sunt anabolismul, sinteza moleculelor complexe, și catabolismul, degradarea moleculelor complexe. Reacțiile anabolice necesită de obicei energie, în timp ce reacțiile catabolice produc energie. Energia produsă este stocată în molecula cu nivel energetic ridicat, adenozin-trifosfatul sau ATP.

Catabolism	Anabolism
Degradează molecule mari	Sintetizează molecule mari
Eliberează energie	Necesită energie
Rezultă molecule mici	Rezultă molecule mari
Glicoliză, ciclul Krebs, transport de electroni	Sinteză de glicogen, trigliceride și proteine
Mediat de enzime	Mediat de enzime
Reacțiile converg spre căile metabolice principale	Reacțiile diverg de la căile metabolice principale

Tabelul nr. 19.1. Comparație între cele două componente ale metabolismului celular.

Calea metabolică și reacțiile de oxido-reducere

Reacțiile metabolice se desfășoară în general de-a lungul unei căi metabolice, care este o succesiune de reacții chimice prin care substraturile sunt descompuse în produși finali, prin intermediul activității enzimelor. Multe dintre reacții sunt de oxidare sau de reducere.

Reacția de oxidare este acea reacție în care substratul cedează electroni și devine oxidat, iar reacția de reducere constă în acceptarea de electroni, substratul devenind astfel redus. Fiecare reacție de oxidare este însoțită de una de reducere, pentru că electronii nu pot exista în stare liberă. Oxidarea poate implica și eliminarea unui atom de hidrogen, în timp ce reducerea poate însemna și acceptarea unui atom de hidrogen.

Figura nr. 19.1. Oxido-reducerea și ATP-ul. (a) Compusul A cedează doi electroni compusului B; A devine oxidat, B devine redus. (b) Structura adenozin-trifosfatului, sursa de energie imediată a organismului.

CUM SE CITEȘTE FIGURA: Din cele trei legături ale lanțului de fosfați, doar două sunt macroergice, cele dintre fosfați; legătura dintre primul fosfat și riboză e o legătură simplă.
Electronii se transferă în perechi, nu câte unul, iar numărul lor se conservă: forma redusă a acceptorului primește exact cei doi electroni pierduți de donor.
Oxidarea donorului și reducerea acceptorului sunt un singur eveniment simultan, nu două reacții succesive.
Fosfatul terminal, cel desprins de ATP-ază, e cel mai depărtat de riboză.
AMP e conținut în ADP, iar ADP în ATP: adenină plus riboză plus unul, două, respectiv trei grupări fosfat.
Adenozina nu e o piesă unică, ci adenină plus riboză; riboza se leagă de fosfat printr-un CH₂ și de adenină printr-un atom de azot.

Biochimia metabolismului este centrată pe sinteza și degradarea glucidelor, lipidelor, proteinelor și acizilor nucleici. Capitolul de față se axează pe degradarea glucidelor ca proces generator de energie și pe metabolismul lipidelor și al aminoacizilor.

Molecula de ATP

Când o celulă are nevoie de energie, aceasta utilizează o moleculă de adenozin-trifosfat (ATP). Molecula constă dintr-un rest de adenozină și trei grupări fosfat. Când grupul fosfat terminal este atașat de molecula ATP, aceasta conține 7,3 kcalorii/mol, adică pentru 6x10²³ molecule.

Pentru a elibera energia, enzima adenozin-trifosfatază scindează grupul fosfat terminal și îl eliberează ca ion fosfat. Pe lângă energie, în urma scindării ATP rezultă astfel adenozin-difosfat (ADP) și un ion fosfat.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Trei detalii pe care grila le atinge separat:
7,3 kcalorii/mol, nu pe moleculă. Un mol înseamnă 6x10²³ molecule, cifră pe care manualul o scrie explicit.
Enzima care desface ATP-ul este adenozin-trifosfataza; cea care îl construiește este ATP-sintetaza. Numele seamănă, funcțiile sunt opuse.
Se scindează fosfatul terminal, unul singur, și rezultă ADP, nu AMP.

Adenozin-difosfatul și ionul fosfat se pot lega pentru a reforma ATP-ul, la fel cum o baterie se reîncarcă. Pentru această sinteză este însă nevoie de energie, iar energia este obținută de celulă prin procesul de respirație celulară.

Coenzimele și citocromii

Respirația celulară este un proces intracelular complex, care utilizează un grup de molecule organice denumite coenzime. Coenzimele sunt porțiuni non-proteice ale enzimelor, esențiale pentru activitatea acestora. Două coenzime importante pentru celulele umane sunt nicotinamid-adenin-dinucleotidul (NAD⁺) și flavin-adenin-dinucleotidul (FAD). Ambele molecule au structură asemănătoare cu ATP-ul.

Pentru producerea NAD⁺ este nevoie de o vitamină B numită niacină. FAD conține un grup flavin, care este porțiunea chimic activă; pentru producerea grupului flavin este necesară vitamina B numită riboflavină.

Coenzimele acceptă electroni și îi cedează altor coenzime sau altor molecule; reacțiile sunt de oxido-reducere. Alte molecule care participă la aceste reacții sunt pigmenții ce conțin fier, numiți citocromi. Coenzimele și citocromii acceptă și cedează electronii în cadrul lanțului transportor de electroni. Trecerea electronilor bogați în energie printre citocromi și coenzime adună energie din molecule, iar această energie este folosită pentru recombinarea moleculelor de ADP cu ionii fosfat și formarea moleculelor de ATP.

Chemiosmoza

Sinteza ATP-ului folosind energie din transportul electronilor implică un proces complex denumit chemiosmoză. Prin chemiosmoză se realizează un gradient protonic puternic între compartimentele delimitate de membrana dublă a mitocondriilor. Acest gradient se formează atunci când un număr mare de protoni (ioni de H⁺) sunt pompați între compartimentele membranare mitocondriale, folosind energia eliberată din electroni în cursul activității sistemului de transport al electronilor.

Acceptorul final de electroni, în lanțul transportor de electroni, este molecula de oxigen. Enzima citocrom-oxidază combină electronii, protonii din vecinătate și oxigenul pentru a produce apă.

După acumularea protonilor în compartimentele mitocondriale, aceștia se întorc în alt compartiment prin intermediul enzimei membranare ATP-sintetază, furnizând energia pentru a uni ADP-ul cu ionii fosfat și a forma ATP. Mișcarea protonilor este numită chemiosmoză pentru că implică o mișcare a unor compuși chimici (protoni) printr-o membrană semipermeabilă.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Etimologia e materie de grilă: „chemio” vine de la compușii chimici (protonii), iar „osmoza” de la trecerea printr-o membrană semipermeabilă. Grila oferă frecvent explicația falsă „pentru că transportă apa”.
Tot aici, cele trei enzime ale capitolului nu se confundă: adenozin-trifosfataza desface ATP-ul, ATP-sintetaza îl formează pe seama fluxului de protoni, citocrom-oxidaza face apa la capătul lanțului.

Metabolismul glucidelor

Glucoza este principala glucidă disponibilă ca sursă de energie în corpul uman. Alte glucide consumate de om sunt fructoza, galactoza, zaharoza, lactoza, maltoza și amidonul, toate fiind transformate în glucoză sau într-un compus înrudit, pentru a fi folosite în metabolismul energetic.

În procesul respirației celulare, glucidele sunt preluate de către celulă în citoplasmă și mitocondrii pentru a le descompune și a elibera energie. În urma acestui proces, dioxidul de carbon și apa sunt eliminate ca produși reziduali. Procesul cuprinde patru etape:

Glicoliza, prin care moleculele de glucoză sunt transformate în acid piruvic.
Ciclul Krebs, în care moleculele de acid piruvic sunt degradate în continuare, iar energia din molecule este folosită pentru a forma compuși cu potențial energetic ridicat, cum este NADH.
Lanțul transportor de electroni, prin care electronii sunt transportați între citocromi și coenzime, eliberându-și energia.
Chemiosmoza, prin care energia este folosită pentru pomparea transmembranară a protonilor și pentru a furniza energia necesară sintezei ATP-ului.

Figura nr. 19.2. O privire de ansamblu asupra metabolismului glucidelor, ilustrând relația între cele patru mari subdiviziuni ale respirației celulare.

CUM SE CITEȘTE FIGURA: În citoplasmă au loc două procese, glicoliza și formarea acetil-CoA, iar în mitocondrie trei: ciclul Krebs, lanțul transportor de electroni și chemiosmoza.
Cele patru etape numerotate sunt glicoliza, ciclul Krebs, lanțul transportor și chemiosmoza; formarea acetil-CoA e veriga de legătură dintre ele, fără număr propriu.
Gradientul protonic e veriga obligatorie între ciclul Krebs și ATP, nu un proces paralel.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Localizarea formării acetil-CoA nu se poate învăța din acest capitol. Patru locuri din același capitol dau răspunsuri incompatibile: proza spune „înainte de a intra în mitocondrie”, Figura 19.2 o pune sub acolada „În citoplasmă”, Tabelul 19.2 o dă la „Localizare: Mitocondrie”, iar Figura 19.4 o desenează integral în interiorul mitocondriei. Manualul nu tranșează, deci nu tranșăm nici noi. Dacă la examen apare o astfel de întrebare, singura strategie este să citești pe ce sursă se sprijină enunțul.

Glicoliza

În procesul glicolizei, o moleculă de glucoză este metabolizată printr-o cale cu mai multe etape, pentru a produce două molecule de acid piruvic. Acest proces are loc în citoplasma celulei. În această cale metabolică acționează cel puțin nouă enzime.

În etapele 1 și 3 ale căii glicolitice este folosită câte o moleculă de ATP pentru a furniza energia necesară acestor reacții chimice. În continuare, molecula de glucoză cu 6 atomi de carbon este convertită într-un produs intermediar, care se rupe în doi compuși cu câte 3 atomi de carbon. Aceștia suferă transformări suplimentare și, în cele din urmă, formează două molecule de acid piruvic.

Spre sfârșitul procesului de glicoliză se sintetizează patru molecule de ATP, în reacțiile 6 și 9, fiecare petrecută de două ori. Câștigul net al glicolizei este de două molecule de ATP, deoarece din cele patru sintetizate două au fost folosite în reacțiile chimice ale procesului.

Tot în procesul glicolizei, o altă reacție chimică, reacția 5, produce electroni cu nivel energetic ridicat și ioni de hidrogen (H⁺). Aceștia sunt transferați coenzimei NAD⁺ și astfel o transformă în NADH, care va fi folosit mai târziu în lanțul transportor de electroni. În cursul glicolizei se produc două molecule de NADH. Glicoliza nu necesită oxigen, deci este considerată un proces anaerob.

Figura nr. 19.3. Glicoliza. Molecula de glucoză este convertită în două molecule de acid piruvic; se consumă 2 ATP în reacțiile 1 și 3 și se produc 4 ATP în reacțiile 6 și 9, fiecare petrecută de două ori.

CUM SE CITEȘTE FIGURA: Ramificarea are loc după reacția a patra: primele patru reacții se produc o singură dată, iar reacțiile cinci-nouă rulează identic pe ambele ramuri. De aici bilanțul: 2 ATP consumați, 4 produși.
Toată calea, de la glucoză la acid piruvic, e reversibilă pas cu pas, la toate cele nouă reacții.
Cei nouă intermediari: glucozo-6-fosfat, fructozo-6-fosfat, fructozo-1,6-difosfat, 3-fosfogliceraldehidă, dihidroxiaceton fosfat, acid 1,3-difosfogliceric, acid 3-fosfogliceric, acid 2-fosfogliceric, acid fosfoenolpiruvic.
Formulele moleculare date sunt doar două: glucoza C₆H₁₂O₆ și acidul piruvic C₃H₄O₃; intermediarii nu au formule.
Scindarea nu dă direct două molecule identice: o ramură primește 3-fosfogliceraldehidă, cealaltă primește dihidroxiaceton fosfat, care abia apoi se transformă în a doua moleculă de 3-fosfogliceraldehidă.
Al doilea fosfat al acidului 1,3-difosfogliceric vine din fosfat anorganic, nu din ATP, iar fosfatul anorganic intră numai la reacția a cincea.
NAD⁺ intervine o singură dată în glicoliză, la reacția a cincea, cu unitatea transferată notată „2H”.
Doar patru reacții ating ATP-ul: prima și a treia consumă câte unul, a șasea și a noua produc câte unul. Cele două consumatoare nu sunt consecutive.
Ordinea izomerilor fosfoglicerici e cu poziția în scădere: acidul 3-fosfogliceric înaintea celui 2-fosfogliceric, apoi acidul fosfoenolpiruvic.

În condiții anaerobe, în celulele musculare apare transformarea enzimatică a acidului piruvic în acid lactic. Această reacție chimică eliberează NAD⁺ pentru a fi refolosit în glicoliză și, în același timp, furnizează celulei două molecule de ATP. În cele din urmă, acidul lactic acumulat în mușchi produce „febra musculară” și celulele musculare nu se mai contractă.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Trei precizări pe care grila le taie:
Transformarea în acid lactic apare în celulele musculare, nu în orice celulă, și doar în condiții anaerobe.
Rolul ei principal este să elibereze NAD⁺ pentru reluarea glicolizei, nu să producă energie; cele 2 ATP furnizate sunt un beneficiu secundar.
Manualul numește procesul fermentație în Tabelul 19.2, deși în corpul textului nu folosește cuvântul.

Ciclul Krebs

După glicoliză, respirația celulară implică un alt proces realizat în etape, numit ciclul Krebs, ciclul acidului citric sau ciclul acizilor tricarboxilici (CAT). Ciclul Krebs utilizează cele două molecule de acid piruvic formate prin glicoliză și produce molecule cu nivel energetic ridicat de NADH și FADH₂, precum și GTP. Ciclul Krebs are loc în mitocondria celulei și produce două molecule de CO₂ ca produși reziduali.

Mitocondria posedă o membrană internă și una externă, care o compartimentează. Membrana internă este plicaturată și formează criste. De-a lungul acestor criste se află enzimele importante pentru pompa de protoni și formarea de ATP.

Înainte de a intra în mitocondrie, moleculele de acid piruvic sunt procesate. O enzimă acționează asupra moleculei de acid piruvic pentru a elibera un atom de carbon sub forma unei molecule de dioxid de carbon. Ceilalți 2 atomi de carbon rămași, grupul acetil, se combină cu o coenzimă numită coenzima A și formează acetil-CoA. În timpul acestui proces sunt transferați la NAD⁺ electroni și un ion de hidrogen, pentru a forma NADH cu nivel energetic ridicat. Acetil-CoA este transportată în compartimentul mitocondrial intern, matricea.

Figura nr. 19.4. Formarea acetil-CoA. Acidul piruvic pierde un atom de carbon pentru a forma CO₂ și se combină cu CoA, rezultând acetil-CoA, care este transportată în matricea mitocondrială; se formează și o moleculă de NADH.

CUM SE CITEȘTE FIGURA: Carbonul pierdut ca CO₂ e cel din gruparea carboxil a acidului piruvic, iar grupul acetil rămas are doi atomi de carbon.
Reacția are trei componente simultane: degajarea CO₂, trecerea NAD⁺ în NADH+H⁺ și atașarea coenzimei A.
Coenzima A se leagă de gruparea acetil prin atomul de sulf, nu printr-un carbon sau un oxigen.
Pe această figură conversia are loc după intrarea acidului piruvic în mitocondrie, dincolo de ambele membrane.
Mitocondria are membrană dublă: spațiul intermembranar e banda dintre cele două membrane, matricea e interiorul.
Cristele sunt pliuri ale membranei interne care pătrund în matrice fără să o traverseze.

Acetil-CoA se unește cu un acid cu 4 atomi de carbon, numit acid oxaloacetic, și rezultă un acid cu 6 atomi de carbon, numit acid citric. Acidul citric suferă o serie de transformări catalizate enzimatic. În reacțiile 4, 5 și 9 se eliberează electroni cu nivel energetic ridicat către moleculele NAD⁺, care primesc și protoni și devin NADH. În reacția 7, FAD servește ca acceptor de electroni și acceptă doi atomi de hidrogen, devenind FADH₂. În reacția 6 se eliberează suficientă energie pentru a sintetiza o moleculă de ATP. Pentru că sunt două molecule de acid piruvic care intră în ciclul Krebs, rezultă două molecule de ATP formate dintr-o moleculă de glucoză.

În reacțiile ciclului Krebs se eliberează cei doi atomi de carbon ai acetil-CoA, fiecare folosit pentru a forma câte o moleculă de CO₂. Deoarece în ciclul Krebs intră două molecule de acetil-CoA și fiecare are doi atomi de C, rezultă patru molecule de CO₂. Adăugate celor două molecule de CO₂ formate în urma conversiei acidului piruvic în acetil-CoA, rezultă în total 6 molecule de CO₂ ca gaz rezidual. Aceste 6 molecule reprezintă cei 6 atomi de carbon ai glucozei care a intrat inițial în glicoliză. Moleculele de CO₂ difuzează în afara celulei și sunt transportate la plămâni pentru a fi înlăturate din organism.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Manualul spune la început că ciclul Krebs „produce două molecule de CO₂”, iar mai jos că rezultă patru. Nu e contradicție: 2 CO₂ la o singură rotire a ciclului, 4 CO₂ pentru cele două rotiri pornite de la o moleculă de glucoză. Cifra 6 apare doar când adaugi cele 2 CO₂ din formarea acetil-CoA, iar acele 6 sunt exact cei 6 carboni ai glucozei. Citește întotdeauna dacă enunțul se referă la un ciclu sau la o glucoză.

La sfârșitul ciclului Krebs, ultimul compus chimic format este acidul oxaloacetic, identic cu cel care inițiază ciclul. El este gata acum să accepte o nouă moleculă de acetil-CoA. De notat că, pentru două molecule de acid piruvic metabolizate în ciclul Krebs, s-au format două molecule de ATP, plus șase molecule NADH și două molecule FADH₂. Moleculele NADH și FADH₂ vor fi utilizate în sistemul transportor de electroni.

Figura nr. 19.5. Ciclul Krebs. Set complex de reacții biochimice din mitocondrie; NADH se formează în reacțiile 4, 5 și 9, FADH₂ în reacția 7, ATP în reacția 6, iar CO₂ în reacțiile 4 și 5.

CUM SE CITEȘTE FIGURA: Numărul de carboni scade doar de două ori pe tot ciclul, exact la cele două reacții care degajă CO₂: C₆ la C₅ și C₅ la C₄. De acolo încolo toți compușii rămân C₄.
Ordinea compușilor: acetil-CoA (C₂) intră peste acidul oxaloacetic (C₄), apoi acid citric (C₆), acid cis-aconitic (C₆), acid izocitric (C₆), acid α-cetoglutaric (C₅), succinil-CoA, acid succinic (C₄), acid fumaric (C₄), acid malic (C₄), înapoi la acidul oxaloacetic.
Cei trei compuși cu șase carboni sunt singurii cu trei grupări COOH; toți ceilalți au două. De aici numele de ciclu al acizilor tricarboxilici.
Acidul citric e singurul compus cu o grupare OH pe carbonul central și trei COOH simultan.
Apa intră la prima reacție, iese la a doua și intră din nou la a treia și la a opta: a doua și a treia formează o pereche deshidratare-hidratare care nu schimbă numărul de carboni.
Gruparea OH a acidului malic vine din apa adăugată peste dubla legătură C=C a acidului fumaric.
Coenzima A e eliberată de două ori și consumată o singură dată, la formarea succinil-CoA.
ATP-ul ciclului nu se formează direct: energia trece obligatoriu prin GTP, iar GTP cedează fosfatul lui ADP, regenerând GDP.
Unitatea transferată la toate cele patru reacții redox e „2H”; FAD e folosit o singură dată, NAD⁺ de trei ori.
Acetil-CoA intră în ciclu, dar nu e membru al lui; acidul oxaloacetic, care îl primește, este.

Lanțul transportor de electroni

Transportul electronilor are loc de-a lungul cristelor mitocondriei, unde sunt localizate coenzimele și citocromii implicați în acest proces. În lanțul transportor de electroni sunt folosite moleculele de NADH și FADH₂, rezultate din ciclul Krebs și glicoliză. Aceste molecule cedează electronii lor unei serii de pigmenți ce conțin fier, citocromii, și altor coenzime. Citocromii și coenzimele își transferă electronii unul altuia, iar energia din electroni se pierde treptat, dar nu se risipește în mediul înconjurător.

În schimb, energia rezultată din transferul electronilor este folosită pentru a pompa protoni prin membrana mitocondriei din compartimentul extern, numit spațiu intermembranar, în compartimentul intern, numit matrice. Fiecare moleculă de NADH are suficientă energie pentru a transporta trei protoni în compartimentul extern, iar fiecare moleculă de FADH₂ are suficientă energie pentru a transporta doi protoni.

COMPLETARE: Cei 10 NADH care intră în lanț au trei surse, nu două: 2 din glicoliză + 2 din formarea acetil-CoA + 6 din ciclul Krebs. A treia sursă, formarea acetil-CoA, nu e nici glicoliză, nici ciclu Krebs, și e exact confuzia pe care o exploatează grila. Cei 2 FADH₂ vin toți din ciclul Krebs.
Din raportul de protoni se poate deduce randamentul: 3 ATP pentru fiecare NADH și 2 ATP pentru fiecare FADH₂, adică 10x3 + 2x2 = 34 ATP, exact cifra din Tabelul 19.2. Cifrele 3 și 2 nu sunt scrise ca atare în manual; sunt o deducție aritmetică din datele lui.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Manualul se contrazice în aceeași frază despre sensul pompei. Mai întâi spune că protonii sunt pompați „din compartimentul extern, numit spațiu intermembranar, în compartimentul intern, numit matrice”, apoi imediat că NADH transportă trei protoni „în compartimentul extern”. Figura 19.7 desenează pomparea dinspre spațiul intermembranar spre matrice, la fel ca prima variantă. Reține numerele, 3 protoni pentru NADH și 2 pentru FADH₂, pentru că ele sunt constante în tot manualul, și tratează sensul cu prudență.

Electronii transportați de citocromi și coenzime sunt în final preluați de oxigen, printr-o reacție catalizată de enzima citocrom-oxidază. Primind doi electroni, atomii de oxigen devin încărcați electric negativ. Pentru a-și echilibra încărcătura electrică, oxigenul va prelua doi protoni din soluție, formând astfel o moleculă de apă (H₂O). Așadar, apa este un produs rezidual important al metabolismului.

Figura nr. 19.6. Transportul electronilor. Electronii eliberați din glicoliză și din ciclul Krebs sunt transferați pe NAD⁺, FAD și citocromi, își pierd treptat energia, iar aceasta este folosită pentru sinteza ATP-ului prin chemiosmoză.

CUM SE CITEȘTE FIGURA: Sinteza de ATP are exact trei situsuri pe lanț, la NAD, la citocromii B și la citocromii A₃; între ele rămân trepte fără sinteză de ATP.
Ordinea purtătorilor, de la nivelul energetic cel mai înalt spre cel mai scăzut: NAD, FAD, citocromii Q, B, C, A, A₃, citocromoxidaza, oxigenul.
Electronii veniți pe FADH₂ intră în lanț mai jos, la un nivel energetic mai scăzut, decât cei veniți pe NADH.
Energia electronilor scade progresiv de-a lungul lanțului, nu în salturi egale.
Un proton se desparte de perechea lui chiar la prima treaptă și pleacă în spațiul intermembranar.
Citocromoxidaza e enzima care duce electronii la oxigen, nu o treaptă de sine stătătoare a lanțului.
La capăt, cei doi electroni ajung la oxigen, se adaugă doi protoni și rezultă apa.
Aceeași pereche de electroni parcurge tot lanțul, de la intrare până la oxigen.

Ca acceptor final de electroni, oxigenul este responsabil de eliminarea electronilor din sistem. Dacă oxigenul nu ar fi disponibil în etapa finală, electronii nu ar putea fi eliberați din coenzime și citocromi, acestea nu ar mai putea funcționa, energia din electroni nu ar mai putea fi eliberată, pompa de protoni nu ar putea funcționa și ATP-ul nu s-ar mai putea produce. Astfel, respirația este un proces esențial, cu rolul de a introduce oxigenul în corp și de a-l distribui celulelor pentru realizarea respirației celulare.

Chemiosmoza

Producerea efectivă de ATP în respirația celulară are loc prin procesul de chemiosmoză, la nivelul cristelor mitocondriale. Chemiosmoza implică pomparea protonilor prin membrana mitocondriei pentru stabilirea unui gradient de protoni. Odată ce gradientul este obținut, protonii trec conform gradientului cu ajutorul enzimei ATP-sintetază. Această enzimă folosește energia protonilor pentru a genera ATP, utilizând ca substrat ADP și ioni fosfat.

Figura nr. 19.7. Chemiosmoza. Electronii eliberați din coenzime trec printr-o serie de citocromi, energia este folosită pentru pomparea protonilor prin membrana mitocondrială, iar fluxul de protoni de întoarcere alimentează sinteza ATP-ului.

CUM SE CITEȘTE FIGURA: Canalul prin care protonii reintră e ATP sintetaza: ADP și fosfatul intră la canal, iar ATP-ul apare de partea cealaltă a membranei.
Patru transportori de electroni stau încastrați în membrană, iar perechea de electroni trece de la unul la altul.
De la fiecare transportor e pompat câte un proton dintr-un compartiment în celălalt: pomparea creează gradientul.
Prima coenzimă care aduce perechea de electroni din ciclul Krebs plutește liberă, în afara membranei; citocromii sunt numai purtătorii încastrați în membrană.

Energia produsă în timpul respirației celulare prin chemiosmoză este substanțială. Astfel, în timpul respirației celulare, dintr-o singură moleculă de glucoză se pot produce în total 34 de molecule de ATP. Două molecule de ATP rezultă din ciclul Krebs și două sunt produse prin glicoliză, deci în total se formează 38 molecule de ATP. Aceste molecule de ATP pot fi apoi folosite de celulă pentru necesitățile ei energetice. Ele nu pot fi depozitate pentru o perioadă lungă de timp, iar respirația celulară trebuie să continue pentru a regenera moleculele de ATP pe măsură ce ele sunt folosite.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Manualul dă 34 și 38 în aceeași frază, fără să spună explicit că sunt lucruri diferite. Citirea care le împacă e singura consistentă cu Tabelul 19.2:
34 ATP = produsul lanțului transportor de electroni și al chemiosmozei, din cei 10 NADH și 2 FADH₂.
38 ATP = totalul pe glucoză, adică 34 + 2 din glicoliză + 2 din ciclul Krebs.
La grilă, verifică întotdeauna dacă enunțul cere ATP-ul din chemiosmoză sau total pe molecula de glucoză. Ambele cifre sunt „corecte” în manual, dar la întrebări diferite.

Proces	Cale	Localizare	Reactanți	Produși
Glicoliza	Glicoliza	Citoplasmă	Glucoza	2 acid piruvic, 2 NADH, 2 ATP
Fermentația	Sinteza acidului lactic	Citoplasmă	Acid piruvic	Acid lactic
Respirația aerobă și chemiosmoza	Formarea acetil-CoA (2 molecule)	Mitocondrie	Acid piruvic	2 NADH, 2 CO₂, 2 acetil-CoA
Respirația aerobă și chemiosmoza	Ciclul Krebs (2 cicluri)	Mitocondrie	Acetil-CoA	2 ATP, 6 NADH, 4 CO₂, 2 FADH₂
Respirația aerobă și chemiosmoza	Transportul electronilor	Membrană mitocondrială	10 NADH, 2 FADH₂	34 ATP

Tabelul nr. 19.2. Caracteristicile căilor celulare metabolice.

Fiziologia metabolismului glucozei

Moleculele de glucoză folosite în respirația celulară sunt absorbite din intestinul subțire în fluxul sanguin. Glucoza și alte monozaharide, ca fructoza și galactoza, sunt transportate la ficat prin vena portă. În ficat, fructoza și galactoza sunt transformate tot în glucoză, moleculele acesteia putând fi apoi transportate la toate celulele corpului pentru a fi utilizate în respirația celulară.

La nivelul membranei plasmatice celulare, hormonul insulină facilitează trecerea moleculelor de glucoză prin membrana celulelor, prin creșterea afinității transportorului membranar pentru moleculele de glucoză. În absența insulinei, pacienții dezvoltă tipul I de diabet zaharat sau insulino-dependent. În tipul II de diabet, celulele nu răspund la stimulul insulinic.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Insulina nu deschide un canal și nu transportă ea însăși glucoza: ea crește afinitatea transportorului membranar pentru glucoză. Formularea exactă e frecvent testată.
Tipul I înseamnă absența insulinei, tipul II înseamnă celule care nu răspund la ea. Grila inversează cele două mecanisme.

Moleculele de glucoză sunt stocate în ficat sub formă de glicogen, atunci când nivelul glucozei sanguine, glicemia, este ridicat. Procesul de formare a glicogenului se numește glicogenogeneză. Când nivelul glicemiei este scăzut, glicogenul este scindat și glucoza este eliberată în fluxul sanguin; acest proces se numește glicogenoliză. Hormonii glucagon și epinefrină (adrenalină) accelerează glicogenoliza și produc hiperglicemie.

Moleculele de glucoză pot fi, de asemenea, sintetizate în ficat din surse neglucidice. De exemplu, unii aminoacizi pot fi folosiți pentru sinteza glucozei printr-un proces complex, numit gluconeogeneză. De asemenea, moleculele de glicerol și de acid lactic pot fi transformate în glucoză prin gluconeogeneză, iar materia primă mai poate veni și din lipidele obținute din celulele adipoase, transportate împreună cu aminoacizii la ficat.

Figura nr. 19.8. Gluconeogeneza. Proteinele din celulele țesuturilor sunt descompuse în aminoacizi, lipidele sunt obținute din celulele adipoase, iar transformarea lor complexă în glucoză are loc în ficat.

CUM SE CITEȘTE FIGURA: Cele două materii prime converg spre același produs: atât aminoacizii, cât și lipidele intră în hepatocit pe căi separate și dau glucoză. Gluconeogeneza e deci hepatică, din două surse.
Trei tipuri de celule sunt legate de aceeași rețea capilară: celulele țesuturilor, adipocitele și hepatocitele.
Adipocitul e aproape complet ocupat de picătura lipidică, cu nucleul împins la periferie; celula de țesut și hepatocitul au nucleul central.
Celula de țesut descompune întâi proteinele în aminoacizi; în sânge ies aminoacizii, niciodată proteina.
Adipocitul nu prelucrează, doar eliberează lipidele.
Fluxul spre hepatocit e într-un singur sens, dinspre sânge spre celulă.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Caseta de reținut a manualului reduce gluconeogeneza la „producerea de glucoză din aminoacizi”, dar tot manualul adaugă glicerolul, acidul lactic și, în figură, lipidele din adipocite. Dacă grila cere sursele gluconeogenezei, lista lungă este cea corectă; dacă cere definiția din caseta manualului, este cea scurtă.

Metabolismul lipidelor și al proteinelor

În procesul digestiei, trigliceridele sunt descompuse în molecule de acizi grași și glicerol. În mucoasa intestinală, lipidele și proteinele formează chilomicroni, care sunt picături microscopice de materie grăsoasă ce intră în capilarele limfatice și în cele din urmă în circulația sanguină. Chilomicronii sunt compuși din trigliceride, colesterol și fosfolipide.

Majoritatea chilomicronilor sunt captați din sânge de către ficat și țesutul adipos. Enzimele numite lipaze descompun trigliceridele și eliberează moleculele de acizi grași liberi și glicerol. Unele dintre aceste molecule sunt recombinate pentru a fi depozitate în țesutul adipos, iar altele sunt metabolizate în ficat, în funcție de cantitatea de lipide ingerată prin dietă.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Chilomicronii intră întâi în capilarele limfatice, nu direct în sânge. Traseul complet este mucoasă intestinală -> limfă -> circulație sanguină -> ficat și țesut adipos.

Pentru a fi transportați la celule, mulți acizi grași sunt legați de molecule de albumină în plasma sanguină. Moleculele de lipide sunt transportate, de asemenea, și ca mici particule ce conțin proteine, numite lipoproteine. Lipoproteinele sunt împărțite în trei clase în funcție de densitatea lor:

Lipoproteinele cu densitate foarte mică (VLDL) conțin aproximativ 60% trigliceride și 15% colesterol.
Lipoproteinele cu densitate mică (LDL) au aproape 50% colesterol, în funcție de consumul alimentar de colesterol și lipide saturate. Un nivel ridicat de LDL semnifică mult colesterol în sânge și un risc crescut de boli coronariene.
Lipoproteinele cu densitate mare (HDL) conțin aproximativ 20% colesterol, circa 5% trigliceride și circa 50% proteine. Ele transportă colesterolul la ficat pentru a fi metabolizat și elimină trigliceridele și colesterolul din sânge. O concentrație mare de HDL este asociată cu un risc mai scăzut de boală coronariană.

Catabolismul lipidelor

Lipidele sunt descompuse la nivel celular și folosite ca o sursă importantă de energie. În procesul de degradare, molecula de glicerol este separată de acizii grași. În citoplasma celulei, enzimele convertesc glicerolul în dihidroxi-aceton-fosfat (DHAP). DHAP este un compus intermediar în procesul glicolizei, iar metabolizarea lui continuă până la acid piruvic. Alternativ, molecula de DHAP poate urma o cale care va duce retrograd căii glicolizei, înapoi la glucoză; în acest mod, glicerolul poate fi folosit pentru a sintetiza molecule de glucoză.

Acizii grași sunt metabolizați în mitocondria celulei. Aici ei sunt convertiți în fragmente de câte 2 unități de carbon (acetil-CoA), printr-un proces cunoscut ca beta-oxidare. O singură moleculă de acid gras conținând 16 atomi de carbon va duce la formarea a opt molecule de acetil-CoA. Fiecare moleculă de acetil-CoA intră apoi în ciclul Krebs, ca și cum ar fi provenit din acid piruvic, și este metabolizată pentru a-și elibera energia. Astfel, energia produsă prin metabolizarea unui acid gras cu 16 atomi de carbon este considerabilă, de circa 129 de molecule de ATP.

În timpul catabolismului lipidelor, unele molecule de acetil-CoA se pot combina între ele formând acidul acetoacetic. Această substanță este apoi convertită în molecule de acetonă și molecule de acid beta-hidroxi-butiric. Aceste molecule poartă numele de corpi cetonici, sau cetone, deoarece conțin grupări „ceto” (-C=O).

În condiții normale, nivelul corpilor cetonici rezultați din catabolismul lipidelor este scăzut, deoarece aceștia sunt rapid convertiți înapoi în acetil-CoA. Însă, atunci când catabolismul lipidelor este accelerat, ca de exemplu la o persoană cu diabet zaharat, se formează o cantitate mare de corpi cetonici, situație cunoscută sub numele de cetoacidoză. Acetona din corpii cetonici produce mirosul caracteristic, de diluant de lac de unghii, al respirației pacientului. Excesul de corpi cetonici crește aciditatea corpului, condiție ce poate determina coma diabetică. Cetoacidoza apare, de asemenea, în situații de înfometare, când aportul de glucoză este mult redus, iar o dietă bogată în lipide și săracă în glucide poate, la rândul ei, să cauzeze cetoacidoză.

Anabolismul lipidelor

Sinteza lipidelor în cadrul anabolismului se produce din moleculele de acetil-CoA. Moleculele de acetil-CoA folosite în sinteză sunt în general obținute din molecule de glucoză, asigurând astfel un mecanism de conversie a glucozei în acizi grași. Enzimele hepatice sunt capabile să transforme un acid gras în altul și să formeze trigliceridele din lipide.

Organismul nu poate sintetiza trei acizi grași nesaturați: acidul linolenic, linoleic și arahidonic. Acești acizi grași trebuie obținuți prin dietă și se numesc acizi grași esențiali.

Când dieta este bogată în glucide, glucoza este convertită în lipide prin procesul numit lipogeneză. Unii aminoacizi pot fi, de asemenea, convertiți în lipide prin intermediarii respirației celulare. În acest mod, lipidele din organism pot proveni fie din glucide, fie din proteine.

Un reglator important al metabolismului lipidic este insulina, care previne degradarea lipidelor prin inhibarea lipazelor. Această inhibiție este anulată în condițiile deficitului de insulină, cum este cazul persoanelor cu diabet zaharat. Alți hormoni stimulează eliberarea acizilor grași din țesutul adipos: epinefrina (adrenalina), hormonul de creștere, glucagonul, ACTH-ul și tiroxina. Impulsurile nervoase ale sistemului nervos simpatic accelerează degradarea lipidelor în țesutul adipos, în timp ce impulsurile parasimpatice cresc depunerea lipidelor.

Figura nr. 19.9. Unele aspecte ale metabolismului glucozei și lipidelor. Schema arată cum un aport abundent de glucoză poate duce la creșterea rezervelor de glicogen și de lipide ale corpului.

CUM SE CITEȘTE FIGURA: Acizii grași intră în căile centrale exact la acetil-CoA și în niciun alt punct: nu trec prin niciun intermediar glicolitic. Lipidele se descompun în exact două fracțiuni, glicerol și acizi grași.
Glucozo-1-fosfatul nu e pe traseul glicolizei: glucoza intră la glucozo-6-fosfat, iar glucozo-1-fosfatul e ramura laterală spre glicogen, parcursă în ambele sensuri, sinteză și degradare.
Calea e reversibilă pe toată lungimea, de la acetil-CoA înapoi până la glucoză și glicogen.
Un CO₂ se degajă între acidul piruvic și acetil-CoA; alte două, în ciclul Krebs.
Nodurile de depozitare și convergență ale schemei sunt patru: glicogenul, glucoza, lipidele și acetil-CoA.
Glicerolul intră în glicoliză sub formă de dihidroxiaceton fosfat.
Acidul oxaloacetic are patru atomi de carbon (C₄).

CAPCANĂ DE GRILĂ: Eroare a manualului, confirmată pe scan. În Figura 19.9, cercul ciclului Krebs este etichetat „C6 Acid oxaloacetic”. Este greșit: în Figura 19.5, din același capitol, acidul oxaloacetic este etichetat corect C₄, iar tot textul subcapitolului 19.2 îl numește „un acid cu 4 atomi de carbon”. Valoarea de referință rămâne C₄; C₆ îl are doar acidul citric. La autorare și la răspuns se folosește Figura 19.5.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Aceeași moleculă, două nume și două destinații, în același capitol.
Numele: figura o scrie „gliceraldehid 3-fosfat”, iar Figura 19.3 o scrie „3-fosfogliceraldehidă”. E același compus.
Destinația glicerolului: proza subcapitolului 19.3 spune că glicerolul devine dihidroxi-aceton-fosfat (DHAP), iar Figura 19.9 îl trimite direct la gliceraldehid 3-fosfat. Ambele sunt intermediari ai glicolizei și se interconvertesc, dar enunțul de grilă va urma una dintre cele două surse; verifică pe care.

Metabolismul proteinelor

În organism, proteinele sunt degradate în tractul gastrointestinal în aminoacizii lor componenți. Aminoacizii sunt apoi absorbiți din intestin prin mecanismele de transport activ sau difuziune facilitată și sunt transportați la ficat. Aici ei pot fi integrați în molecule de proteine sau eliberați în circulație pentru a fi transportați la alte celule. În celule, aminoacizii sunt legați împreună într-o anumită secvență, care reflectă codul genetic din ADN-ul celulei.

Organismul poate utiliza unii aminoacizi ca surse de energie. Transformarea aminoacizilor în compuși energetici are loc în ficat, mai ales atunci când dieta este bogată în proteine. Procesul începe cu o etapă numită dezaminare: gruparea amino (-NH₂) este desprinsă din aminoacid de către enzima dezaminază și este folosită pentru a forma o moleculă de amoniac. Molecula de amoniac trece apoi printr-o serie ciclică de reacții enzimatice numite ciclul ureei, cunoscut și ca ciclul ornitinei, unde se unește cu molecule de dioxid de carbon pentru a forma ureea. Ureea ajunge în sânge și este eliminată de către rinichi.

COMPLETARE: Manualul folosește două denumiri pentru același proces: corpul textului spune „ciclul ureei”, iar legenda Figurii 19.10 spune „ciclul ornitinei”. Sunt sinonime perfecte, și un enunț de grilă poate folosi oricare dintre ele. Reține ambele nume, pentru că un distractor construit pe „ciclul ornitinei” prezentat ca proces diferit este gata făcut.

După ce gruparea amino a fost înlăturată prin dezaminare, în locul acesteia este adăugat un atom de oxigen. Rezultatul este un compus care în mod normal se regăsește undeva în secvența metabolică a glicolizei sau a ciclului Krebs, un cetoacid. Această moleculă poate fi utilizată pentru a obține energie în procesul respirației celulare. Alternativ, ea poate fi utilizată pentru a forma molecule de acetil-CoA, care pot fi folosite pentru sinteza de acizi grași în procesul lipogenezei. De obicei, proteinele sunt folosite ca surse de energie numai după ce s-au epuizat glucidele și lipidele.

Există anumiți aminoacizi pe care organismul îi poate sintetiza prin transformarea unui aminoacid în altul, în ficat, prin procesul de transaminare. Aceștia sunt aminoacizii ne-esențiali și sunt în număr de unsprezece. Aminoacizii esențiali sunt aceia care trebuie obținuți din dietă; manualul îi enumeră astfel: triptofanul, valina, lizina, leucina, izoleucina, metionina și histidina. Proteinele animale pot conține acești aminoacizi și sunt considerate proteine complete. Din proteinele vegetale lipsesc frecvent unii dintre acești aminoacizi, aceste proteine numindu-se proteine incomplete.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Aritmetica manualului nu se închide. Capitolul 19 spune că 11 aminoacizi sunt ne-esențiali și listează 7 esențiali, adică 18 în total; capitolul 2.2 al aceluiași manual spune însă că există 20 de tipuri diferite de aminoacizi. Din scădere ar trebui să rezulte 9 esențiali, deci doi aminoacizi esențiali lipsesc din manual și nu apar nicăieri în el. Sursa concurentă folosită de mulți candidați reproduce eroarea identic, cu aceleași șapte nume.
Consecința practică: reține lista de șapte ca răspuns de referință al manualului, dar tratează cu suspiciune orice grilă de tipul „care dintre următorii nu este aminoacid esențial”, pentru că manualul nu are cum să o susțină corect.

Metabolismul proteinelor este reglat de o serie de hormoni:

Hormonul de creștere stimulează transportul activ al aminoacizilor în celule și folosirea lor în sinteza proteinelor. Hormonul sexual masculin, testosteronul, și cei feminini, estrogenii, stimulează de asemenea sinteza proteică și produc creșterea depozitelor de proteine din țesuturi.
Tiroxina crește rata metabolismului celular și influențează sinteza proteinelor, iar glucocorticoizii favorizează degradarea proteinelor în celule.

Figura nr. 19.10. Secvențe ale metabolismului proteic. (a) Dezaminarea unui aminoacid, cu formarea unui cetoacid și a ureei prin ciclul ornitinei. (b) Punctele de intrare ale aminoacizilor în căile metabolice centrale.

CUM SE CITEȘTE FIGURA: Dezaminarea e o reacție de oxidare: consumă H₂O și NAD⁺ și produce NADH+H⁺ pe lângă cetoacid și amoniac, deci alimentează și ea lanțul transportor de electroni.
Aminoacidul luat ca exemplu e acidul glutamic: cinci atomi de carbon și două grupări COOH, deci un aminoacid dicarboxilic.
Modificarea e strict pe carbonul α: pierde NH₂ și H și capătă dubla legătură cu O, iar restul scheletului rămâne neatins.
Cetoacidul rezultat din acidul glutamic e acidul α-cetoglutaric, intermediar direct al ciclului Krebs.
În ciclul ureei intră NH₃ și CO₂, iar ureea iese; ureea poartă două grupări amino pe un singur atom de carbon.
Punctele de intrare ale aminoacizilor în căile centrale sunt șase: 6 aminoacizi la acidul piruvic, 8 la acetil-CoA, 2 la acidul oxaloacetic, 4 la acidul α-cetoglutaric, 3 la acidul succinic, 2 la acidul fumaric. În total 25.
Acetil-CoA primește grupul cel mai mare, iar acidul citric nu primește niciun aminoacid.
Fiecare dintre cele șase grupuri generează uree separat, prin propria dezaminare.
Acidul piruvic nu e membru al ciclului Krebs: stă în afara lui, legat de acetil-CoA.

Alte aspecte ale metabolismului

Stări metabolice

Organismul uman se poate afla în două stări metabolice diferite. După consumul unui prânz, organismul este în stare de absorbție (postprandială), când substanțele nutritive sunt absorbite din tractul gastrointestinal în circulația sanguină. Când aceste procese de absorbție s-au încheiat, organismul intră în stare postabsorbtivă (de post). În această fază, necesitățile organismului sunt acoperite doar din substanțele prezente în corp.

În starea de absorbție, nivelul de insulină este ridicat, iar raportul insulină/glucagon crește; organismul transportă moleculele de glucoză în celule și le utilizează ca sursă principală de energie. Organismul depozitează excesul de glucide ca lipide și glicogen. Ficatul convertește excesul de glucide în grăsime sau glicogen și eliberează cea mai mare parte a lipidelor în circulația sanguină, pentru a fi transportată la celulele țesutului adipos. De asemenea, organismul folosește aminoacizi pentru sinteza proteinelor și stochează excesul de aminoacizi tot sub formă de lipide, în timp ce o parte din exces îl transformă în glucide.

În timpul stării postabsorbtive, nivelul glucagonului este ridicat, raportul insulină/glucagon scade, iar organismul menține nivelul glucozei sanguine în homeostazie. Sursele de glucoză sunt suplimentate prin hidroliza glicogenului, a lipidelor și a proteinelor, precum și prin gluconeogeneză și lipogeneză. Catabolismul lipidelor și al aminoacizilor aduce, de asemenea, aport de compuși energetici. În perioadele de post prelungit, organismul folosește în scop energetic proteinele musculare care nu sunt esențiale pentru funcționarea celulară.

În cursul acestei stări, aproape toate țesuturile și organele depind în primul rând de lipide ca sursă de energie. Acest lucru economisește glucoza, pentru ca ea să fie folosită cu predilecție de către sistemul nervos, care în mod normal utilizează glucoza ca principală sursă de energie. Ficatul folosește, de asemenea, acizi grași, economisind astfel aminoacizii săi pentru a-i folosi în sinteza glucozei. Ca rezultat al acestor adaptări, o persoană poate supraviețui fără aport alimentar multe zile, în condițiile unei hidratări corespunzătoare.

Figura nr. 19.11. Comparație a nivelului de nutrienți din sânge în timpul stării de absorbție (postprandiale) și a stării postabsorbtive (de post).

CUM SE CITEȘTE FIGURA: Insulina și glucagonul se mișcă întotdeauna în sens opus.
În starea de absorbție insulina crește și glucagonul scade; în cea postabsorbtivă, invers.
Fracția insulină/glucagon e crescută în starea de absorbție și scăzută în cea postabsorbtivă.
Procesul dominant în starea de absorbție: formare de glicogen, lipide și proteine. În cea postabsorbtivă: hidroliza glicogenului, lipidelor și proteinelor, plus gluconeogeneza.
Compoziția sângelui în starea de absorbție: glucoza, aminoacizii și acizii grași scad, corpii cetonici cresc. În starea postabsorbtivă: toate patru cresc.
Corpii cetonici sunt singurul nutrient cu nivelul crescut în ambele stări; ceilalți trei se inversează de la o stare la alta.
Starea de absorbție pornește de la glicemie crescută și se termină cu glicemie scăzută în sânge: nivelurile din final descriu sângele după ce nutrienții au fost consumați și depozitați, nu în momentul absorbției.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Corpii cetonici cresc în ambele stări, și în cea de absorbție, și în cea postabsorbtivă. Săgeata în sus din caseta „sânge” a stării de absorbție a fost verificată pe scanul manualului. O sursă concurentă folosită de candidați scrie că ei scad în starea de absorbție și recunoaște, într-o notă proprie, că Barron's spune contrariul. Pentru admitere se învață varianta din manual: cresc.

Conceptul vast al metabolismului include și utilizarea de către organism a vitaminelor și a mineralelor, precum și mecanismul prin care este reglată temperatura corporală.

Metabolismul mineralelor

Pe lângă compușii organici, organismul are nevoie și de câteva elemente anorganice cunoscute sub numele de minerale. Ele constituie aproximativ 5% din greutatea corporală și pot avea funcții importante, cum sunt reglarea diferitelor procese în organism și rolul de a asista activitatea unor enzime. Mineralele mențin, de asemenea, presiunea osmotică a fluidelor corpului; ele sunt frecvent regăsite în combinație cu compuși organici, cum este, de exemplu, fierul în molecula de hemoglobină.

Calciul este important pentru formarea dinților și a oaselor. Este cel mai des întâlnit element mineral din organism și este necesar pentru coagularea sângelui și pentru activitatea musculară și nervoasă normală.
Sodiul este cel mai des întâlnit cation din fluidele extracelulare. Este important pentru balanța hidrică și are rol în excitabilitatea mușchilor, nervilor și a țesutului cardiac.
Potasiul este cel mai des întâlnit cation intracelular și influențează transmiterea impulsurilor nervoase și contracția celulelor musculare.
Fosforul este folosit în formarea oaselor și a dinților și ca un component al ATP-ului și al acizilor nucleici.
Magneziul este folosit pentru funcția nervilor și a celulelor musculare și în formarea osului; este de asemenea component al multor enzime.
Fierul este un component al mioglobinei, al hemoglobinei și al citocromilor folosiți în transportul electronilor.
Iodul este folosit de glanda tiroidă pentru producția tiroxinei și a altor hormoni implicați în controlul metabolic.
Sulful face parte din structura anumitor aminoacizi și este găsit în diverse vitamine, precum și în citocromi.
Cuprul este utilizat în producția hemoglobinei și a pigmentului melanină.
Zincul este constituentul mai multor enzime și este esențial pentru creșterea normală.
Manganul participă la formarea ureei în ciclul ureei și este un activator enzimatic.
Cobaltul este un component al vitaminei B₁₂ și are rol în procesul maturării eritrocitelor.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Trei minerale apar și în citocromi, deci în lanțul transportor de electroni, și sunt ușor de confundat:
Fierul este în mioglobină, hemoglobină și citocromi.
Sulful este în aminoacizi, vitamine și citocromi.
Cuprul este în hemoglobină și melanină, dar nu în citocromi.
Tot aici: manganul e singurul mineral legat de ciclul ureei, cobaltul singurul component al vitaminei B₁₂, iodul singurul legat de tiroxină.

Metabolismul vitaminelor

Pe lângă glucide, lipide, proteine și minerale, organismul necesită și cantități minime de alți nutrienți cunoscuți sub numele de vitamine. Vitaminele acționează, de obicei, ca coenzime și participă astfel în numeroase procese fiziologice. Ele nu pot fi sintetizate de către organism și trebuie să fie obținute din surse externe, precum alimentele; ele constituie o componentă vitală a dietei.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Eroare a manualului, contrazisă de manualul însuși. Afirmația „vitaminele nu pot fi sintetizate de către organism” este absolută și falsă în două puncte, ambele scrise tot de Barron's:
Vitamina D se sintetizează în piele, sub acțiunea razelor ultraviolete, iar sinteza se finalizează în rinichi (capitolul 5.1, funcția metabolică a tegumentului).
Vitamina K este produsă de bacteriile din porțiunea terminală a tractului gastrointestinal, afirmație aflată la două paragrafe distanță, în același subcapitol 19.4.
Sursa concurentă folosită de candidați reproduce eroarea identic, fără să o semnaleze. Pentru examen, enunțul rămâne cel din manual, deci „vitaminele nu pot fi sintetizate de organism” este un distractor excelent și un răspuns fals verificabil. Fii atent la ce sursă se sprijină enunțul.

Vitaminele sunt împărțite în două mari grupe: hidrosolubile și liposolubile. Vitaminele hidrosolubile sunt absorbite împreună cu apa din tractul gastrointestinal, în timp ce vitaminele liposolubile sunt absorbite odată cu lipidele din alimente. Organismul depozitează cantități minime de vitamine hidrosolubile, dar stochează cantități mari de vitamine liposolubile, în special vitamina A și D în ficat.

Dintre vitaminele hidrosolubile face parte vitamina B₁, cunoscută cu numele de tiamină. Această vitamină este o coenzimă importantă în metabolismul glucidelor și este folosită la sinteza acetilcolinei pentru funcția nervoasă. Deficiența ei produce boala beri-beri, caracterizată prin tulburări digestive, slăbiciune și atrofie musculară și unele paralizii.

Vitamina	Rolul metabolic	Simptomele deficienței
Tiamina (B₁)	Coenzimă în metabolismul glucidelor	Beri-beri, inapetență, slăbiciune musculară
Riboflavina (B₂)	Componentă a FAD, coenzimă în respirația celulară și metabolismul proteinelor	Inflamație, descuamarea pielii
Piridoxina (B₆)	Coenzimă în metabolismul aminoacizilor și lipidelor	Anemie, tulburări nervoase
Ciancobalamina (B₁₂)	Coenzimă în formarea eritrocitelor și a acizilor nucleici	Anemie pernicioasă
Niacina (B₃)	Componentă a NAD⁺, coenzimă în metabolismul energetic	Pelagra, fatigabilitate
Acidul ascorbic (C)	Participă la sinteza colagenului în țesutul conjunctiv	Scorbut, anemie, vindecare lentă a rănilor
Acidul pantotenic	Componentă a coenzimei A, folosit în metabolismul glucidelor și lipidelor	Similar altor vitamine B
Biotina	Coenzimă în reacția de carboxilare (adiție de grupări carboxil)	Rare; sunt necesare cantități mici
Acidul folic	Coenzimă în formarea nucleotidelor și a hemoglobinei	Unele tipuri de anemie

Tabelul nr. 19.3. Vitaminele hidrosolubile și rolul lor.

Vitamina B₂, riboflavina, este o coenzimă folosită în metabolismul glucidelor și al proteinelor; este utilizată în sinteza coenzimei FAD, iar deficiența ei produce inflamația pielii:

Vitamina B₃, niacina, cunoscută și sub numele de nicotinamidă, este utilizată la formarea coenzimei NAD⁺; deficiența ei duce la pelagră, caracterizată prin slăbiciune musculară, diaree și tulburări mentale.
Vitamina B₆, piridoxina, este utilizată ca coenzimă în metabolismul aminoacizilor și lipidelor, iar deficiența ei poate duce la anemie, probleme nervoase, dermatită și tulburări gastrointestinale.
Vitamina B₁₂, ciancobalamina, este necesară pentru maturarea eritrocitelor și pentru utilizarea unor aminoacizi; deficiența ei duce la anemie pernicioasă.

Acidul pantotenic servește ca componentă esențială a moleculei de coenzimă A și este implicat în intrarea acidului piruvic în ciclul Krebs; deficiența lui duce la slăbiciune musculară, spasme și degenerescență neuro-musculară:

Acidul folic participă la sinteza acizilor nucleici și a hemoglobinei și intervine în formarea eritrocitelor și a leucocitelor; deficiența lui poate duce la anemie.
Biotina este folosită ca coenzimă pentru atașarea grupărilor organice în timpul sintezei acizilor grași și pentru metabolismul acizilor nucleici.
Vitamina C, acidul ascorbic, este implicată în metabolismul proteinelor și este necesară pentru sinteza colagenului; deficiența ei duce la scorbut, alterarea formării țesutului conjunctiv, întârzierea vindecării rănilor și chiar la fracturi osoase.

Vitaminele liposolubile includ vitamina A, cunoscută sub numele de retinol, utilizată în formarea pigmentului vizual rodopsină; deficitul ei duce la alterarea vederii în lumină slabă, sau nictalopie. Este folosită, de asemenea, la creșterea osoasă și a dinților și la întreținerea celulelor epiteliale:

Vitamina D (calciferolul) este folosită în absorbția calciului și a fosforului din tractul gastrointestinal; la copii, deficiența ei conduce la sinteză osoasă deficitară, afecțiune cunoscută sub denumirea de rahitism.
Vitamina E, sau tocoferolul, este folosită la formarea eritrocitelor, deficiența ei putând duce la anemie însoțită de liză eritrocitară.
Vitamina K este folosită de organism ca și coenzimă și este necesară pentru sinteza protrombinei în ficat; deficiența ei duce la probleme de coagulare și sângerare excesivă.
Bacteriile găsite în mod normal în partea terminală a tractului gastrointestinal sintetizează această vitamină.

Vitamina	Rolul fiziologic	Simptomele deficienței
A (Retinol)	Contribuie la refacerea pigmenților vizuali de la nivelul ochilor	Nictalopie, uscăciunea mucoaselor corpului
D (Calciferol)	Absorbția calciului și fosforului; formarea oaselor și a dinților	Rahitism, în special la copii
E (Tocoferol)	Protejează celulele sanguine de liză	Liza celulelor roșii sanguine, anemie
K	Folosită în sinteza protrombinei, necesară în coagulare	Sângerare excesivă, mai ales la nou-născuți; coagulare deficitară

Tabelul nr. 19.4. Vitaminele liposolubile și rolul lor.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Perechile pe care grila le rotește între ele: nictalopia este a vitaminei A, nu a lui D; rahitismul este al vitaminei D, nu al calciului ca mineral; scorbutul este al vitaminei C, singura hidrosolubilă din lista bolilor „mari”; anemia pernicioasă este a B₁₂, în timp ce anemia din deficitul de E vine prin liza hematiilor, mecanism diferit.

Rata metabolică

Rata metabolică reprezintă măsurarea energiei cheltuite de organism într-o perioadă de timp. Ea se măsoară în general când organismul este în repaus și nemâncat. În aceste condiții nu se stochează energie, iar singura activitate efectuată de organism este activitatea internă. Consumul energetic al organismului este proporțional cu căldura produsă.

Producția de căldură a corpului poate fi măsurată direct sau indirect. Pentru măsurarea directă se folosește un dispozitiv numit calorimetru, o cameră izolată în care este plasat subiectul; căldura produsă de subiect încălzește aerul din cameră și se măsoară rata creșterii temperaturii. Metoda indirectă constă în măsurarea ratei consumului de oxigen de către organism.

În scopuri comparative, ratele metabolice se măsoară adesea în condiții postabsorbtive, în condiții standard concepute pentru a elimina cele mai multe variabile. În aceste condiții, rata metabolismului bazal (RMB) este consumul de energie pe unitate de timp și pe kilogram corp în condiții bazale. RMB reprezintă energia minimă necesară pentru respirație, circulație, digestie și alte activități ale corpului în stare de veghe. RMB este influențată de:

Hormoni, de exemplu hormonii tiroidieni, care cresc metabolismul celular.
Dimensiunea și suprafața corporală: dimensiune corporală mai mare, RMB scăzută.
Vârstă: RMB crescută în copilărie.
Sex: bărbații au o RMB ușor mai crescută decât femeile.
Temperatura corporală: RMB crescută în caz de temperatură crescută.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Factorul contraintuitiv este mărimea: manualul spune explicit dimensiune corporală mai mare -> RMB scăzută, pentru că RMB se raportează pe kilogram corp. Grila mizează pe reflexul „mai mare, deci consumă mai mult”.
Atenție și la definiție: RMB este energia minimă în stare de veghe, nu în somn, și include digestia printre funcțiile acoperite, deși măsurarea se face pe nemâncate.

După ingerarea unui prânz tipic, metabolismul crește cu 10-20 de procente. Această accelerare se numește efect termic al alimentelor. Efectul proteinelor este mai mare decât al glucidelor sau lipidelor, de aceea un prânz bogat proteic crește ușor rata metabolică, din cauza procesării mai intense a acestor nutrienți.

Când valoarea energetică a alimentelor ingerate este egală cu energia cheltuită în decursul activității organismului, greutatea corporală rămâne constantă. Valoarea energetică a alimentelor se măsoară în kilocalorii/gram. O kilocalorie este cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura unui gram de apă cu 1 °C.

Reglarea temperaturii corporale

Corpul uman produce propria cantitate de căldură și își menține constantă temperatura. Temperatura normală, măsurată matinal, în condiții standard, în cavitatea orală, este de aproximativ 36,7 °C sau 98,6 °F. Poate varia în funcție de activitatea persoanei, perioada din zi și locul unde se măsoară.

Temperatura corporală este rezultatul producerii de căldură în decursul metabolismului și al pierderii de căldură. Patru mecanisme contribuie la pierderea de căldură a corpului înspre mediul înconjurător:

Radiația, proces prin care căldura este pierdută sub forma radiațiilor infraroșii.
Evaporarea, din timpul transpirației și perspirației.
Conducția, procesul prin care energia este transferată de la atom la atom, în urma contactului direct dintre două obiecte; apare între suprafața corpului și obiecte din mediu, cum ar fi aerul sau apa.
Convecția, care apare când moleculele de aer ating corpul și primesc căldura prin conducție, apoi sunt îndepărtate și înlocuite de alte molecule; curenții de aer, cum este vântul, accentuează acest proces.

Reglarea temperaturii corporale depinde în mare parte de activitatea centrului termoreglator din hipotalamus. Neuronii din hipotalamus funcționează ca un termostat. Când temperatura corpului scade sub o anumită valoare setată, centrul hipotalamic transmite impulsuri pentru conservarea căldurii; când temperatura se ridică peste valoarea setată, centrul trimite impulsuri pentru a facilita pierderile de căldură.

Stimulii aferenți către centrul hipotalamic sunt generați de receptorii de temperatură din piele și unele mucoase, numiți receptori termici periferici. Alți receptori, din hipotalamus, numiți receptori termici centrali, detectează modificări ale temperaturii sângelui. Receptori termici centrali se găsesc și în măduva spinării, organele abdominale și alte structuri interne.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Numele înșală: receptorii termici centrali nu sunt doar în hipotalamus. Manualul îi pune și în măduva spinării, în organele abdominale și în alte structuri interne. Criteriul nu e poziția în creier, ci faptul că măsoară temperatura internă, a sângelui, față de cei periferici, din piele și mucoase.

Febra este o creștere a temperaturii corporale peste nivelul normal, rezultat al unui stres fiziologic, cum este reacția alergică sau inflamația. Substanțele numite pirogene acționează asupra hipotalamusului și setează termostatul la temperaturi mai înalte. Tremurăturile, vasoconstricția și frisoanele reflectă încercarea organismului de a atinge acele temperaturi înalte, prin conservarea căldurii. Când substanțele pirogene nu își mai exercită efectul, febra dispare, iar transpirația și vasodilatația produc pierdere de căldură, temperatura revenind la nivelul normal.