Osnove biokemije – DEMO
KLJUČNE TOČKE
- Razumevanje osnovnih biokemijskih izrazov in njihove uporabe in pomembnosti v treningu ter uporabo v prehranskem vodenju
- Izboljšano razumevanje mehanizmov za produkcijo energije
- Bodite bolj domači z izrazi iz prehranskega in biokemijskega področja
Nekateri izmed vas boste vstopili v manj prijetno tematiko in se boste spraševali o dejanski potrebi in namenu poznavanja te tematike kot nutricisti.
Kemija nam omogoča boljše razumevanje osnovnih komponent iz katerih je sestavljena naša hrana in to razumevanje nam omogoča globje poznavanje sistemov, ki jih uporabljamo za pridobivanje energije iz hrane. Omogoča nam lažje razumevanje, kako človeška biokemija podpira znanost na področju prehrane in kako hranila in ne-hranila vplivajo na nas na celičnem nivoju.
Za večino izmed vas bo trenutno znanje iz prehrane zajemalo bolj kot ne šest glavnih kategorij hranil: ogljikove hidrate, maščobe, beljakovine, vitamin, minerale in vodo. Vsa našteta hranila bomo podrobneje obdelali skozi celoten tečaj prehranskega programiranja.
Zaenkrat je namen tega modula, da vam ponudi boljše razumevanje biokemije, ki stoji za temi hranili, kako je iz tega pridobljena celična energija in kako bo to podporno znanje igralo vlogo pri sprejemanju naših odločitev.
Človeški metabolizem
“Kemijski procesi, ki se odvijajo v živem organizmu za zagotavljanje življenja.”
Vsi živi organizmi potrebujejo energijo za preživetje in za nas kot človeška bitja to pomeni konzumiranje in prebavljanje hrane. Ta proces konzumacije in reakcije, ki sledijo temu, je to, kar imenujemo metabolizem.
Metabolizem lahko delimo v dve kategoriji: katabolizem, razgradnja organskih snovi in anabolizem, izgradnja celičnih komponent, kot so beljakovine in nukleinska kislina.
V praksi nam to omogoča razumevanje pojava vnosa energije v razmerju s porabo energije in kako je to povezano z doseganjem splošnih ciljev, ki jih zasledujemo. Proces izgube maščobe kot primer, ki zahteva katabolno stanje oz. stanje razgradnje in v kontrastu izgradnja puste mišične mase, ki zahteva anabolno stanje in s tem prisotnost presežka energije.
Ultimativno pridobivamo energijo skozi kemijsko in encimatsko razgradnjo hrane, ki jo zaužijemo, kar se zgodi skozi različne metabolne poti, ki so vse odvisne od encimov za kataliziranje posameznih korakov v teh poteh.
Primarna metabolna pot, ki nas mora kot človeška bitja zanimati, je t.i. glikoliza, torej razgradnja sladkorjev. To sovpada z vsem življenjskim ciklom in se prične pri rastlinah. Rastline ustvarjajo glukozo skozi proces fotosinteze. To vključuje pridobivanje energije iz sončne svetlobe, kombiniranje te z ogljikovim dioksidom (CO2) in vodo (H2O), s tem produkcijo glukoze (C6H1206) in kisika (O2). Brez tega procesa preprosti ne bi bili zmožni preživeti. Z uživanjem hrane, ki vsebuje energijo, smo sposobni shranjevati to energijo, ki jo lahko razgradimo glede na potrebe energijskih procesov.
Celično dihanje
Celično dihanje se nanaša na vrsto metabolnih reakcij in procesov, ki se odvijajo v naših celicah in konvertirajo biokemijsko energijo, pridobljeno iz hrane, ki jo uživamo, v ATP (Adenozin Trifosfat). ATP, kot menijo biologi, je naša valuta za energijo z upravičenim razlogom. ATP nam nudi energijo praktično za vse, kar počnemo.
Najprej bomo kot predhodnika energijskih poti in prav tako kot uporabno biokemijo spoznali poti, skozi katere je omogočeno oblikovanje teh energetskih elektrarn.
Prebava
Preden lahko celice uporabijo hrani, ki jo zaužijemo, jo moramo razgraditi v manjše molekule. Te manjše molekule so kasneje uporabljene kot vir energije ali služijo kot gradniki za druge molekule.
Encimatska razgradnja hrane je to, kar se zgodi v prebavni fazi.
Ta faza razgrajuje večje polimerne molekule hrane v njihove manjše in bolj uporabne monomerne podenote. Kot nutricist, je razumevanje tega kdaj in zakaj se to zgodi, esencialno in hkrati razumevanje, da se pri različnih stopnjah zamenja besednjak v določeni smeri.
- Ogljikovi hidrati se razgradijo v monosaharide,
- Beljakovine se razgradijo v amino kisline,
- Maščobe (lipidi) se razgradijo v maščobne kisline in glicerol; in nazadnje
- Nukleinska kislina se razgradi v nukleotide.
Monosaharidi
Ogljikovi hidrati imajo štiri kemijske skupine. Monosaharidi, disaharidi, oligosaharidi in polisaharidi.
Monosaharid je najbolj osnovna enota ogljikovih hidratov in nam pove, da je v svoji uporabni obliki in posledično monomerna podenota ogljikovih hidratov. Vse ostale kemijske skupine so zgrajene iz monosaharidov, povezanih skupaj preko kemijskih vezi, ki se morajo razgraditi, da lahko služijo kot energija. Daljša, kot je veriga podenot, ki tvori “tip” OH, počasnejša bo razgradnja za energijo.
Verjetno ste že slišali ali uporabili izraze za hrano, ki se “hitro” ali “počasi” sprošča. To temelji na kemijski strukturi hrane in igra vlogo, ko gre za apliakcijo v smeri zmogljivosti ali splošnega zdravja.
Ko so večje molekule hrane razgrajene v manjše organske molekule, lahko vstopijo v citosol celice (citoplazemska matrica), kjer se prične njihova postopna oksidacija.
Celično dihanje
Ko boste napredovali skozi prihajajoče lekcije in module, bomo pregledali tudi druge metabolne poti. Za zdaj, in za tiste manj izkušene v biokemiji, bomo pregledali celično dihanje in ga uporabili kot orodje za boljše razumevanje osnov biokemije. To bo poenostavljanje samega procesa, pa vendar posvetite pozornost ključnim točkam v tej metabolni poti.
Glikoliza je prvi korak pri pridobivanju energije (ATP) skozi razgradnjo monosaharidov v ogljikov dioksid in vodo. Glikoliza se odvija znotraj intracelične tekočine (citosol), ki je prisotna znotraj celice, in je deljena v fazo potrebne energije in fazo oddajanja energije.
Faza potrebna energije
V prvi fazi se glukoza (monosaharid) ponovno razporedi in dve fosfatni skupini sta vezani nanjo. Dodajanje teh skupin, fosforilacija, za to porabi eno enoto ATP.
To se potem nadaljuje v naslednji dve fazi, ki porabita drugo enoto ATP v procesu, dokler ni končno konvertirana v nestabilni sladkor, ki se imenuje fruktoza-1,6-bifosfat. Ta molekula se, ponovno skozi encimatske reakcije, razdvoji in tvori dva tri-ogljikova sladkorja, ki vežeta nase fosfat.
Na tej stopnji je proces porabil dve molekuli ATP.
Prehransko inducirana termogeneza (DIT – diet-induced thermogenesis) ali termični efekt hrane (TEF – thermic effect of food) je določen s tem, koliko energije je porabljene v fazi potrebne energije za razgradnjo te hrane.
Dve molekuli, ki nase vežeta fosfat, sta v tej fazi različni. Ena je gliceraldehid-3-fosfat, ki vstopi v končno fazo, medtem ko se mora manj ugodna molekula DHAP (Dihidroksiaceton fosfat) najprej konvertirati v gliceraldehid-3-fosfat, da lahko napreduje naprej po metabolni poti.
Faza oddajanja energije
V fazi oddajanja energije mora vsak od teh tri-ogljikovih sladkorjev skozi vrsto reakcij, da se konvertira v piruvat, tri-ogljikovo molekulo.
Te reakcije tvorijo dve ATP molekuli in eno molekulo NADH. Ker sta dva sladkorja, ki vežeta fosfat, se ta reakcija zgodi dvakrat.
Ena molekula glukoze tako proizvede štiri molekule ATP, dve molekuli NADH in dve piruvični molekuli skozi glikolizo, pri čemer je neto število pridobljenih ATP molekul zgolj dve ATP molekule zaradi dveh porabljenih molekul ATP v fazi potrebne energije znotraj glikolize. Če na tej stopnji v celici ni prisotne zadostne piruvat-kinaze (encim, ki katalizira končni korak glikolize), ne more razgraditi piruvičnih molekul ali proizvesti kakršnekoli nadaljnje energije skozi cikel citronske kisline (Krebsov cikel). Celica bo proizvedla zgolj dve molekuli ATP iz ene molekule glukoze, pri čemer indicira, da je piruvat-kinaza omejevalni faktor za glikolizo.
Naslednji korak, če predpostavljamo, da je na voljo dovolj piruvat-kinaze, je Krebsov cikel, ki je poznan tudi kot cikel citronske kisline ali cikel trikarboksilnih kislin (TCA).
Za aerobno celično dihanje piruvat potuje v mitohondrij in je konvertiran v acetil-CoA. Acetil-CoA vstopi v cikel citronske kisline, da ponovno proizvede glavnino ATP, ki ga potrebuje celica; Teoretično bo to prineslo 29-30 molekul ATP za vsako molekulo glukoze. Literatura bo velikokrat navajala, da se lahko proizvede 38 molekul ATP, pri čemer se bo, ob upoštevanju vseh aspektov, zajetih v delovanju celične mehanike, le redko dejansko proizvedlo toliko. 1
Biokemija združuje kemijo in biologijo, da nam omogoča razumevanje encimov, reakcij, celičnega sistema, molekularnega premikanja in ustvarja naše delovno razumevanje prebavnega sistema.
Tovrstno, bolj globoko poznavanje tako kemije kot biologije, vam bo omogočalo boljše razumevanje protokolov, ki jih uporabljate z vašimi strankami.
Atomi
Ne glede na to, da poznavanje atomov morda ni esencialno iz vidika uporabnega znanja za naše delo, bo grobo razumevanje atomov služilo za boljši vpogled v to, kako so oblikovane te strukture.
Atomi, poznani tudi kot elementi, so gradniki molekul, ki jih preučujemo v kemiji prehrane in so sestavljeni iz treh osnovnih delcev. Osrednji del atoma se imenuje jedro in vsebuje dva partikla, znana kot protoni in nevtroni. Ti so konstantni v vseh kemijskih elementih in bodo karakterizirani na molekularnem nivoju na osnovi različnega števila protonov in različne razporeditve elektronov. Za namene biokemije bo najlažje, če si te predstavljamo kot orbitalne ali plavajoče oblake, ki jih privlači pozitivno nabito jedro atoma.
Tabela periodnega sistema je referenčna točka, ki jo uporabljamo za vse te elemente in prikazuje vse pomembne informacije glede njihove strukture. Vse do vrstice (periode), v kateri je element pozicioniran in skupine (stolpca), ki nam pove v kateri orbiti so pozicionirani elektroni.
Če pogledamo zgornji prikaz Berilija, nam atomsko število pove, da se v jedru nahajajo 4 protoni in 4 elektroni, ki krožijo okoli tega jedra. Število protonov bo skoraj vedno enako številu elektronov, glede na to, da so atomi električno nevtralni. Proton ima pozitivni naboj +1 in elektron ima negativni naboj -1.
Ker je pozicioniran v drugem stolpcu periodnega sistema, nam to pove, da sta dva elektrona na zunanji lupini/ovojnici in posledično dva na notranji lupini/ovojnici.
Za kalkulacijo števila nevtronov, zaokrožite število atomske mase do najbližjega celega števila (v tem primeru 9.0121831) in od tega odštejte atomsko število (9-4=5).
Oblika periodnega sistema je posledica zgradbe elektronske ovojnice. Položaj elementa v periodnem sistemu je povezan z razporeditvijo elektronov po lupinah, podlupinah in orbitalah. Perioda periodnega sistema, v kateri je element, se ujema s številom lupin, ki jih zasedajo njegovi elektroni. Skupina periodnega sistema (po starejšem označevanju) pa se ujema s številom zunanjih (valenčnih) elektronov. Zunanji ali valenčni elektroni so elektroni v zunanji (zadnji) lupini.
Ti elementi imajo za nas smisel, ker tvorijo hrano, ki jo uživamo in osnovo za pripadajoče energijske reakcije, ki smo jih opisali zgoraj.
Makrohranila so vsa zgrajena iz teh elementov, makrohranila, ki jih bomo srečali, bodo imela različno strukturo in posledično bodo imela različen namen in bodo reagirala različno.
Ogljikovi hidrati, kot primer, so zgrajeni iz ogljika (C), kisika (O) in vodika (H). Kot smo že prej omenili, je tisto, kar določa tip ogljikovih hidratov, kako so ti elementi združeni in število vezi med njimi s katerimi tvorijo molekulo. To bomo podrobneje pregledali v prihajajočih lekcijah.
Kot nutricist verjetno tega znanja nikoli ne boste uporabili v polnem obsegu; kakorkoli že, to grobo poznavanje in razumevanje mehanizmov na celičnem nivoju, vam bo pomagalo sprejemati bolj znanstveno podprte in na dokazih temelječe odločitve v prehranskem programiranju.
REFERENCE
1. Rich, P. R. (2003). “The molecular machinery of Keilin’s respiratory chain”. Biochemical Society Transactions. 31 (Pt 6): 1095–1105. doi: 10.1042/BST0311095. PMID 14641005.