17. Metabolismul

17.1. Procese metabolice

Metabolismul cumulează toate reacțiile biochimice de sinteză sau de degradare, care implică consum energetic sau producere de energie și care se desfășoară în organismele vii. Toate aceste procese intervin în menținerea vieții organismelor și adaptarea lor la condițiile mediului înconjurător cu care întreține un schimb permanent de substanțe și energie.

Rata metabolismului este un parametru ce face referire la rata utilizării energiei în organism, cuantificată în calorii sau kilocalorii. Creșterea activității celulare duce implicit la creșterea ratei metabolice și se manifestă sub acțiunea: hormonilor tiroidieni, stimulării simpatice, efortului fizic sau tipului de activitate din profesiunile dinamice care pot crește consumul energetic până la 5000-6000 kcal/ 24 ore, comparativ cu profesiile predominant statice a căror consum energetic nu este mai mare de 3000 kcal pe zi.

Raportat la sensul biologic al reacțiilor biochimice, procesele metabolice se împart în anabolice sau catabolice, care se pot potența sau inhiba reciproc. În mod normal, procesele anabolice se mențin în echilibru dinamic cu cele catabolice, dar pot prezenta variații în intensitate în funcție de anumite perioade ale vieții.

Procesele de tip catabolic (catabolismul) se caracterizează prin:

• sunt reacții chimice de descompunere a substanțelor macromoleculare cu proveniență alimentară (exogene) sau din structurile celulare (endogene) până la stadiu de constituenți simpli;
• rezultatul proceselor constă în producție de energie;
• 55% din energia rezultată din procesele catabolice se pierde sub formă de căldură;
• 45% din energia rezultată este depozitată în compuși ce înmagazinează o calitate mare de energie, denumiți compuși macroergici; de exemplu ATP - adenozin trifosfat;
• predominanța proceselor catabolice se întâlnește la vârstnici, precum și în perioadele de efort intens.

Procesele de tip anabolic (anabolismul) se caracterizează prin:

• sunt reacții biochimice care utilizează moleculele absorbite în tubul digestiv sau care au rezultat din procese catabolice și cu consum de energie și astfel reconstituie moleculele folosite din structurile celulare;
• sunt reacții care asigură creșterea, dezvoltarea și realizarea funcțiilor organismului;
• predominanța proceselor anabolice este întâlnită la persoanele tinere, perioadă caracterizată de diviziune și diferențiere celulară accelerate, precum și în perioadele de convalescență.

Metabolismul intermediar (MI) – cuprinde toate reacțiile chimice în care sunt implicați produșii absorbiți din tubul digestiv și prin care se realizează, fie includerea lor în depozitele macromoleculare ale organismului, fie degradarea lor până la o formă de excreție. Buna desfășurare a acestor reacții este susținută de activitatea enzimatică (au rol de biocatalizatori).

17.2. Metabolismul intermediar al glucidelor

Glucoza, fructoza și galactoza se absorb la nivelul tubului digestiv și de aici sunt transportate la ficat prin vena portă. În ficat, întreaga cantitate de galactoză și cea mai mare parte din fructoză sunt transformate în glucoză, prin variate reacții. Sub această formă preferă să utilizeze celulele hexozele. Însă, la nivelul ficatului, glucoza poate fi stocată sub formă de glicogen (prin proces de glicogenogeneză) sau poate fi utilizată prin reacții metabolice (prin proces de glicoliză) ca sursă principală de energie.

Glicogenogeneza (glicogeneză) – proces prin care se formează glicogen. Procesul se desfășoară în special în ficat și mușchi, dar poate fi extins și în alte celule din organism. Glicogenul este un polimer al glucozei cu moleculă foarte mare și constituie forma de depozit a acesteia. Prin reacții de depolimerizarea poate fi mobilizat facil la nevoie, iar atunci procesul se numește glicogenoliză. Activarea acestuia se face în prezență de adrenalină și glucagon.

Glicoliza – procesul de desfacere a moleculei de glucoză în două molecule de acid piruvic. Procesul este unul succesiv, care cuprinde 10 reacții chimice catalizate fiecare de câte o enzimă specifică cu structură proteică. În prezență de oxigen, cele două molecule de acid piruvic rezultate, se transformă în două molecule de acetil coenzima A ce vor intra în ciclul Krebs (ciclul acizilor tricarboxilici), care se desfășoară în matricea mitocondrială. Similar glicolizei anaerobe, rezultatul final net al ciclului Krebs constă în formarea a două molecule de ATP per moleculă de glucoză.

Deși procesul de glicoliză și ciclul Krebs au un caracter complex, în cursul acestora sunt sintetizate cantități reduse de ATP. 95% din cantitatea de ATP furnizată de o moleculă de glucoză se sintetizează în cursul fosforilării oxidative (desfășurată în mitocondrii). Procesul are loc datorită prezenței unor structuri speciale mitocondriale care pe calea unor reacții aflate sub control enzimatic, se furnizează energie înmagazinată sub formă de ATP. Procesul este foarte complex și constă în oxidarea hidrogenului produs în timpul glicolizei și al ciclului Krebs (H+), în urma căruia de obțin 34 de molecule de ATP.

Oxidarea completă a unei molecule de glucoză produce 38 de molecule de ATP.

Eficiența transferului de energie prin catabolismul unui mol de glucoză este de 66%. Restul de 34% se transformă în căldură.

Prezența ADP-ului este primordială în controlul glicolizei și al oxidării glucozei deoarece în absența sa, degradarea moleculei de glucoză se blochează. Astfel, prin transformarea întregii cantități de ADP din celulă în ATP, procesele glicolitic și oxidativ se opresc.

Glicoliza anaerobă – eliberarea de energie în absența oxigenului – În condiții de insuficiență sau absență a oxigenului, celulele pot elibera prin glicoliză o mică cantitate de energie. Acest proces este posibil deoarece reacțiile de obținere a acidului piruvic nu folosesc oxigen. Este un proces cu un randament foarte mic (de 3%) dar care este vital pentru celulă preț de câteva minute, în absența oxigenului. Astfel, rezultă cantități mari de acid lactic din acid piruvic care va difuza în exteriorul celulelor, permițând obținerea în continuare de acid piruvic prin glicoliză. Când oxigenul redevine disponibil, acidul lactic se transformă în acid piruvic care poate fi oxidat cu scopul asigurării unei cantități suplimentare de energie.

O cale alternativă de eliberare a energiei din glucoză o reprezintă calea pentozo-fosfaților.

Gluconeogeneza – proces prin care se formează molecule noi de glucoză din anumiți compuși și în anumite condiții. Scăderea glicemiei pe fondul unui aport insuficient de glucoză sau ca urmare a utilizării ei excesive, se declanșează procese de obținere de glucoză din acizi grași (care provin din scindarea lipidelor) sau din aminoacizi (care provin din catabolismul proteic). La procesul de gluconeogeneză pot participa și rinichii.

În cazul în care cantitatea de glucoză de la nivel celular depășește necesarul util, se produce transformarea acestei hexoze în trigliceride, cu depunerea lor sub formă de lipide de rezervă în țestul adipos. Astfel se justifică cum odată cu scăderea consumului energetic (sedentarismul) sau prin creșterea excesivă a aportului glucidic, cantitatea de țesut adipos crește (individul se îngrașă).

Mecanismele de reglare a glicemiei sunt complexe și au rolul de a menține un echilibru între procesele de glicogenoliză, glicogenogeneză, glicoliză și gluconeogeneză. Glicemia reprezintă valoarea glucozei din sânge, care prezintă variații mici și care se menține în limite relativ constante: 65-110 mg/100 mL sânge.

Compușii și mecanismele care intervin în reglarea glicemiei, sunt:

• insulina (hormon secretat de către celulele β ale pancreasului endocrin) – scade glicemia (efect hipoglicemiant) prin facilitarea intrării și utilizării celulare a glucozei;
• glucagonul (hormon secretat de către pancreasul endocrin) – crește glicemia (are efect hiperglicemiant) prin stimularea glicogenolizei și gluconeogenezei;
• adrenalina – crește glicemia prin stimularea glicogenolizei;
• hormonii glucocorticoizi (cortizolul) – crește glicemia prin stimularea gluconeogenezei.

Printre rolurile multiple ale glucidelor în organism se numără:

• rolul energetic – primordial. Prin degradarea completă a 1 g glucoză prin glicoliză și oxidare se obțin 4,1 kcal. Un avantaj al folosirii glucidelor ca sursă de energie este de dat de degradarea rapidă a lor până la dioxid de carbon și apă, în urma căreia nu se obțin produși reziduali. Glicogenul – rezervă energetică ce însumează aproximativ 3000 kcal, este depozitat în special în ficat și este mobilizat cu precădere pentru perioade scurte, cum ar fi în efort fizic moderat sau când organismul este expus la frig.
• rolul plastic – manifestat de anumiți compuși glucidici care sunt componenți ai unor țesuturi sau membrane celulare. 
• rolul funcțional – pentozele (riboza și dezoxiriboza) intră în alcătuirea acizilor nucleici sau a unor enzime.

17.3. Metabolismul intermediar al lipidelor

Chilomicronii formați în enterocite, pe calea vaselor chilifere ajung apoi în limfă și împreună cu aceasta trec în sânge. La acest nivel, sub acțiunea unei enzime – lipoproteinlipaza – chilomicronii sunt scindați în:

• proteine;
• acizi grași;
• glicerol;
• fosfolipide;
• colesterol (colesterol total: <200mg/dL).

Acești compuși rezultați sunt utilizați în țesturi. Cea mai mare parte din acizii grași pătrunde în toate celulele (fac excepție celulele nervoase), iar o cantitate mică rămâne în plasmă sub formă de acizi grași liberi (în plasmă au concentrația de: 0,19 – 0,9 mEq/L). O parte dintre aceștia din urmă vor intra și ei în celule, menținând un permanent echilibru dinamic cu acizii grași din celule. La acest nivel, acizii grași pot intra în reacții de beta-oxidare cu eliberare de energie sau pot fi folosiți în resintetizarea variaților compuși lipidici.

Compușii și mecanismele de reglare a metabolismului intermediar lipidic, sunt:

• insulina – secundar stimulării utilizării de glucoză, acest hormon scade lipoliza și stimulează lipogeneza;
• adrenalina și noradrenalina (catecolaminele) – stimulează degradarea trigliceridelor și mobilizarea acizilor grași;
• hormonii glucocorticoizi (cortizolul) – efect lipolitic; stimulează mobilizarea acizilor grași din depozite și degradarea lor;
• hormonul somatotrop (de creștere sau STH) – efect lipolitic; stimulează mobilizarea acizilor grași din depozite și degradarea lor;
• hormonii tiroidieni – crește metabolismul energetic celular și determină indirect mobilizarea rapidă a grăsimilor.

Rolurile lipidelor în organism, sunt:

• rol energetic – lipidele constituie principalul rezervor energetic din organism. Pentru un individ cu o constituție fizică normală, rezerva energetică lipidică din organism însumează aproximativ 50.000 kcal. 1 g de lipide degradate eliberează 9,3 kcal.
• rol plastic – lipidele intră în alcătuirea tuturor sistemelor de citomembrane (de exemplu: lecitina). Depozite importante de lipide se mai află și în jurul organelor (de exemplu, grăsimea din loja perirenală, din orbită). Prezența lor asigură o protecție mecanică a organelor. Dispunerea lipidelor subcutanat manifestă un rol termoizolator.
• rol funcțional – unii compuși lipidici constituie precursori ai unor hormoni. De exemplu, colesterolul este precursorul hormonilor glucocorticoizi, mineralocorticoizi și sexuali. Unele fosfolipide intervin în prima fază a procesului de coagulare.

17.4. Metabolismul intermediar al proteinelor

Proteinele constituie o pătrime (un sfert) din masa corporală. Pentru sinteza proteinelor se folosesc aminoacizi care provin din:

• alimente;
• formați în organism: din precursori glucidici și lipidici;
• formați în organism: o mare parte din cei rezultați din catabolismul proteic.

Concentrația normală de aminoacizi din sânge: 35 – 65 mg/100 mL plasmă.

Aminoacizii traversează membrana celulară prin mecanisme de transport activ și difuziune facilitată. Moleculele lor prea mari nu le permit să difuzeze prin porii membranari. Pe lângă rolul lor în sinteza proteică, aminoacizii au implicații și în unele reacții metabolice.

O moleculă de aminoacid poate suferi mai multe procese:

• poate pierde gruparea amino (-NH2), rezultând un cetoacid, substrat folosit de celule în lipogeneză sau gluconeogeneză sau poate intra în ciclul Krebs, cu producție de CO2 și H2O;
• poate elimina gruparea amino (-NH2) sub formă de amoniac (NH3), care este convertit în uree și excretat ulterior. Aceasta constituie o metodă de detoxifiere;
• prin pierderea grupării carboxi (-COOH), aminoacidul se convertește în amină biogenă;
• poate interacționa cu o nouă moleculă de cetoacid, reacție din care se obține aminoacidul derivat din acesta (transaminare).

Menținerea constantă a unui echilibru între procesele anabolice și catabolice se face în funcție de aportul alimentar, consumul energetic al organismului, aflate sub control nervos și endocrin.

Compușii și mecanismele de reglare a metabolismului intermediar proteic, sunt:

• hormonul de creștere (somatotrop sau STH), testosteronul, hormonii estrogeni – stimulează procesele de sinteză a proteinelor (anabolism proteic); insulina stimulează anabolismul proteic în mușchii scheletici;
• tiroxina, cortizolul – favorizează o predominanță a procesele catabolice proteice (în mușchii scheletici);
• cortizolul - stimulează anabolismul proteic în ficat;
• sistemul nervos intervine în controlul echilibrului dintre procesele catabolice și anabolice, astfel: stimularea simpatică instalează o predominanță a catabolismului, iar o stimulare parasimpatică o predominanță a anabolismului.

Rolurile proteinelor în organism, sunt:

• rol plastic – proteinele constituie așa-numitul schelet pe care se va construi ultrastructura celulară. Proteinele se găsesc și în alcătuirea macrostructurilor, a substanței fundamentale din structura țesutului osos (oseina), cartilaginos (condrina).
• rol funcțional – cea mai mare parte a compușilor „activi” ai organismului sunt de natură proteică (enzimele, unii hormoni). Mai au și rol de transport al variatelor substanțe prin sânge, lichide interstițiale, membrane celulare.
• rol energetic – manifestat doar în cazuri extreme, atunci când s-au epuizat depozitele de glicogen și lipide. Arderea a 1 g de proteine eliberează 4,1 kcal.

17.5. Metabolismul energetic

Metabolismul energetic constă în modificările energetice dintre organism și mediu, care țin cont de întreaga cantitate de energie obținută din metabolismul intermediar și energia folosită de organism.

Organismul folosește energie pentru:

• susținerea proceselor vitale;
• îndeplinirea unor reacții de adaptare ale principalelor sisteme funcționale ale organismului.

Celulele folosesc glucide, lipide și proteine cu scopul de a obține ATP, însă acesta poate fi utilizat în alte funcții celulare, ca sursă de energie pentru: sinteză și creștere, absorbție activă, contracție musculară, secreție glandulară, conducere nervoasă. Motivul pentru care molecula de ATP are o largă aplicabilitate în procesele energetice este dat de marea cantitate de energie liberă (12.000 calorii/mol, în condiții fiziologice) înmagazinată la nivelul fiecăreia dintre cele două legături fosfat macroergice ale sale. În ciuda importanței ATP-ului ca agent de legătură pentru transferul de energie, fosfocreatina (PC) este mult mai abundentă în organism, iar legătura sa macroergică cumulează 13.000 calorii/mol. Dar cu toate acestea, fosfocreatina nu poate funcționa ca agent de legătură pentru transferul de energie între principiile alimentare și sistemele funcționale celulare, dar poate transfera energie prin schimb cu ATP-ul. Când celula deține cantități crescute de ATP, acestea pot fi folosite în sinteza de fosfocreatină. Apoi, când se utilizează ATP-ul, energia din fosfocreatină poate fi transferată rapid ATP-ului și de la acest nivel, în sistemele celulare. Interrelațiile biochimice stabilite între fosfocreatină și acizi adenozinmono-, di- și trifosforic sunt mediate pe care enzimatică prin intermediul creatinkinazei, adenilatkinazei, conform schemei:

PC + ADP ↔ creatină + ATP

2 ADP ↔ ATP + AMP

Măsurarea metabolismului energetic se poate face prin:

• metode indirecte – măsoară O2 consumat în cursul unei activități;
• metode directe – măsoară cantitatea de căldură degajată de organism. Aceasta constituie echivalentul consumului energetic în situația în care energia nu este consumată sub formă de lucru mecanic.

17.6. Metabolismul bazal (MB)

Rata metabolismului bazal reprezintă consumul energetic fix al organismului pentru susținerea funcțiilor vitale. Determinarea acesteia se face în condiții speciale, prin calorimetrie indirectă.

Exprimarea se poate face în funcție de masa corporală: 1kcal/kg/oră sau mai corect, în funcție de suprafața corporală: 40 kcal/m2/oră. Acestea sunt valori medii care pot varia în funcție de:

• sex – MB este mai crescut la bărbați;
• vârsta – MB este mai crescut la tineri;
• tipul de activitate – MB crește în cursul unei activități fizice susținute.

MB mai poate fi exprimat și procentual. În acest caz, valoarea MB se raportează la valori standard ale acestuia indexate în tabele speciale și care se stabilesc în funcție de: vârstă, sex, talie. În această situație este permisă o abatere de ± 10% față de valoarea medie.

17.7. Rolul și valoarea energetică a nutrimentelor

Nutrimentele (principiile alimentare) principale sunt: glucidele, lipidele și proteinele.

Conținutul în nutrimente precum și valoarea energetică a 100 g de produs comestibil, sunt redate în tabelul de mai jos:

17.8. Rația alimentară

O alimentație corespunzătoare constă într-un aport de alimente pliate pe nevoie organismului, care se diferențiază în funcție:

• vârstă;
• tipul de activități întreprinse;
• anotimp;
• condiții climaterice.

O alimentație corespunzătoare nu este justificată de un aport alimentar excesiv și neselectiv care să dea doar senzația de plenitudine gastrică.

Printr-o alimentație echilibrată se asigură:

• suportul energetic organismului pentru supraviețuire (substanțele energetice);
• elemente necesare pentru crearea de structuri noi sau refacerea celor degradate (substanțe plastice);
  
• aportul de biocatalizatori exogeni a căror sinteză nu poate fi realizată în organism (vitamine, substanțe minerale).

Conținutul energetic al alimentelor reprezintă energia eliberată prin oxidarea a 1 gram de principiu alimentar, până la stadiul de CO2 și H2O. Reamintim:

• 1 g glucoză = 4,1 kcal;
• 1 g lipid = 9,3 kcal;
  
• 1 g proteină = 4,1 kcal.
  

O compoziție aproximativă a dietei ar include:

• 50% glucide; 250-800 g/zi;
• 35% lipide; 25-160 g/zi;
  
• 15% proteine; 0,5-0,7g/kg corp.
  

Coeficientul respirator reprezintă raportul dintre CO2 eliberat și O2 consumat pentru oxidarea a 1 g de principiu alimentar. Valorile sunt variate și specifice fiecărei substanțe. De exemplu, glucoza are un coeficientul respirator 1, iar aminoacidul alanină 0,83.

17.9. Reglarea aportului alimentar

În reglarea aportului alimentar contribuie:

• foamea – dorința de a ingera alimente. Senzația de foame se asociază cu anumite reacții cu caracter obiectiv, cum ar fi contracțiile de foame de la nivelul stomacului. Centrul nervos al foamei este în hipotalamusul lateral;
• apetitul – dorința resimțită față de consumul unui anumit tip de aliment;
• sațietatea – senzație de împlinire a ingestiei alimentare (este opusul foamei). Centrul nervos al sațietății este în hipotalamusul ventro-medial;
• alți centri nervoși – cei din partea inferioară a trunchiului cerebral (controlează mișcările propriu-zise din timpul alimentației); amigdala; câteva arii corticale ale sistemului limbic strâns corelate cu hipotalamusul;
• anumiți stimuli fiziologici pe termen scurt – plenitudinea gastrointestinală; înregistrarea alimentelor de către receptorii din cavitatea bucală.

Reglarea aportului alimentar se clasifică în:

• reglare nutritivă – constă în menținerea în cantități normale a depozitelor nutritive din organism. Scăderea lor sub normal, activează centrul foamei din hipotalamus și declanșează senzația de foame. Rolul cel mai important îl au produșii metabolismului lipidic (mecanism necunoscut).
• reglare a alimentației/ reglare periferică/ reglare pe termen scurt – metodă de reglare care se află în legătură directă cu efectele imediate ale alimentării asupra tractului digestiv. Intensitatea senzației de foame poate fi temporar scăzută sau crescută prin obișnuință: pentru o persoană obișnuită să servească 3 mese/ zi, în cazul în care va omite una, senzația de foame va apărea la momentul respectiv.

Recomandările privind aportul alimentar includ:

• să fie rațional;
• să se desfășoare într-un ritm la care tractul gastrointestinal să se poată acomoda – ritm reglat prin mecanisme pe termen scurt, dar modulat de sistemele de reglare pe termen lung.

Obezitatea – în fază incipientă, apare ca urmare a unui aport de energie în exces care depășește cu mult consumul. După instalarea ei, aportul și consumul sunt echivalente. Secundar obezității, se manifestă și alte tulburări majore care o transformă într-o patologie metabolică cu urmări grave.    

Inaniția – favorizează consumul depozitelor nutritive de la nivelul țesturilor organismului, din care depozitele de glucide sunt primele golite. Excesul de lipide se elimină constant. Proteinele cuprind 3 faze de epuizare (depleție) a depozitelor: rapidă, lentă și rapidă din nou, la scurt timp înainte de deces. Orice etapă a inaniției este marcată de modificări metabolice semnificative și semne directe sau indirecte ale carențelor instalate.    

17.10. Principalele vitamine și importanța lor

Principalele vitamine și importanța lor: