Chemische Reaktionen beginnen mit einer oder mehreren Substanzen, die in die Reaktion eingehen. Die Substanzen in unseren Zellen und Körpergeweben, die in die Reaktion eingehen, werden als Substrate bezeichnet. Die eine oder mehreren Substanzen, die durch eine chemische Reaktion erzeugt werden, werden als Produkte bezeichnet.

Chemische Reaktionen werden durch chemische Gleichungen dargestellt, indem das Substrat (die Substrate) links und das Produkt (die Produkte) rechts platziert werden. Substrat (e) und Produkt (e) sind durch einen Pfeil (\ (\ rightarrow \)) getrennt, der die Richtung und Art der Reaktion angibt. Zum Beispiel wird Laktose, der in Milch enthaltene Zucker, von unserem Verdauungssystem in zwei kleinere Zucker, Glukose und Galaktose, zerlegt. Bei dieser Reaktion ist Laktose das Substrat und Glukose und Galaktose sind die Produkte. Die chemische Gleichung für diese Reaktion lautet:

Lactose \ (\ rightarrow \) Glucose + Galactose

Der Stoffwechsel bezieht sich auf die Summe aller chemischen Reaktionen, die in einem lebenden Organismus stattfinden. Es gibt drei Haupttypen chemischer Reaktionen, die in der menschlichen Physiologie wichtig sind: Synthese (anabol), Zersetzung (katabol) und Austausch.

1. In einer Synthesereaktion (syn- = zusammen; -thesis = „put , place, set ”), zwei oder mehr Substratmoleküle binden kovalent, um ein größeres Produktmolekül zu bilden.
   Synthesereaktionen benötigen Energie, um die Bindung (en) zu bilden. Eine Synthesereaktion wird häufig als A + B \ symbolisiert (\ rightarrow \) AB, wobei A und B die Substrate und AB das Produkt sind. Synthesereaktionen können auch als anabole oder konstruktive Aktivitäten in einer Zelle bezeichnet werden.
2. Bei einer Zersetzungsreaktion (Abbau) , away = -composition = „Zusammensetzen, Ordnen“) werden kovalente Bindungen zwischen Komponenten eines größeren Substratmoleküls zerlegt, um kleinere Produktmoleküle zu bilden. Zersetzungsreaktionen setzen Energie frei, wenn kovalente Bindungen im Substrat abgebaut werden. Eine Zersetzungsreaktion wird oft als AB \ (\ rightarrow \) A + B symbolisiert; wobei AB das Substrat ist und A und B die Produkte sind. Verschiedene Arten von Zersetzungsreaktionen können auch als Aufschluss-, Hydrolyse-, Abbau- und Abbaureaktionen bezeichnet werden. Zersetzungsreaktionen sind die Grundlage aller katabolen oder Abbauaktivitäten in einer Zelle.
3. Bei einer Austauschreaktion werden kovalente Bindungen sowohl abgebaut als auch dann so reformiert, dass die Komponenten der Substrate neu angeordnet werden verschiedene Produkte. Eine Austauschreaktion wird oft als AB + CD \ (\ rightarrow \) AC + BD symbolisiert. Bei dieser Austauschreaktion wurden die kovalenten Bindungen zwischen A und B sowie zwischen C und D aufgebrochen; und neue kovalente Bindungen zwischen A und C und B und D wurden gebildet.

Einige Stoffwechselreaktionen werden als irreversible Reaktionen bezeichnet. Dies bedeutet, dass die
Produkte nicht in Substrate umgewandelt oder „umgekehrt“ werden können. Diese Reaktionen werden wie in A + B \ (\ rightarrow \) C

mit einem einzigen Pfeil dargestellt

Zum Beispiel:

Glukose + Sauerstoff \ (\ rightarrow \) Kohlendioxid + Wasser

Hinweis: Dies ist eine Art katabolischer Reaktion (das größere Glukosemolekül wird abgebaut in tierischen Zellen wie dem Menschen ist dies eine irreversible Reaktion.

Andere Stoffwechselreaktionen werden als reversible Reaktionen bezeichnet. Dies bedeutet, dass die Reaktion von Substraten ausgehen kann zu Produkt (en) oder von Produkt (en) zurück zu Substraten. Die Produkte können wieder in Substrate umgewandelt oder „umgekehrt“ werden. Sie werden mit einem Doppelpfeil wie in A + B \ (\ leftrightarrow \) C + D dargestellt.

Zum Beispiel:

Glykogen + Wasser \ (\ leftrightarrow \) Glukose

Hinweis: Wenn Zellen Energie benötigen, Glykogen (ein größeres Molekül, das als Energie verwendet wird Speicher in einigen Zellen) kann zu kleineren Glucosemolekülen katabolisiert werden, die dann weiter katabolisiert werden können, um Energie für Zellfunktionen bereitzustellen. Wenn Zellen nicht so viel Energie benötigen oder wenn der Glukosespiegel sehr hoch ist, wird Glykogen aus den kleineren Glukosemolekülen synthetisiert. Zum Beispiel synthetisieren Muskelzellen Glykogen, wenn sie sich ausruhen, und katabolisieren Glykogen, wenn sie sich zusammenziehen. Wie diese reversible Reaktion abläuft, hängt von den Bedürfnissen des Körpers ab.

Im Körper sind häufig Synthesereaktionen (kleinere Moleküle zu größeren Molekülen, benötigt Energie) und Zersetzungsreaktionen (größere Moleküle zu kleineren Molekülen, setzt Energie frei) verbunden die Bildung bzw. den Abbau von Wassermolekülen. Eine Dehydratisierungssynthesereaktion ist eine Art Synthesereaktion, bei der Wasser als Nebenprodukt entsteht. Eine Hydrolysereaktion ist eine Art von Zersetzungsreaktion, bei der Wasser verwendet wird.

Bei der in Abbildung \ (\ PageIndex {2} gezeigten Dehydratisierungssynthese (de = „off, remove“; hydrat = „water“) \) werden zwei Monomere in einer Reaktion kovalent gebunden, bei der eines ein Hydroxylion (-OH-) und das andere ein Wasserstoffion (-H +) abgibt. Monomer 1 und Monomer 2 sind die Substrate auf der linken Seite, und die „durch eine kovalente Bindung verbundenen Monomere“ ist das Produkt auf der rechten Seite. Das hier gezeigte Produkt wird auch als Dimer bezeichnet (di- = zwei, mer = Teil). OH – und H + bilden zusammen ein Wassermolekül, das als Nebenprodukt freigesetzt wird. Dies kann verwirrend sein, da während der Dehydratisierungssynthese Wasser entsteht. Das größere Produkt wurde dehydriert (Wasser verloren).

Abbildung \ (\ PageIndex {2} \) Beispiel für die Dehydratisierungssynthese: zwei Glucosemoleküle (Substrate) links vom Pfeil) bilden eine kovalente Bindung unter Bildung eines Maltosemoleküls (Produkt rechts vom Pfeil). Das rot dargestellte OH- und H + verbinden sich miteinander, um H2O zu bilden (auch rot dargestellt)

Bei der in Abbildung \ (\ PageIndex {3} \) gezeigten Hydrolysereaktion (Hydro- = „Wasser“; -lysis = „Abbau, Lockerung, Auflösung“) wird die kovalente Bindung zwischen zwei Monomeren aufgeteilt durch Zugabe eines Wasserstoffions (H +) zu einem und ein Hydroxylion (OH-) zu dem anderen. Diese beiden Ionen stammen aus der Aufspaltung eines Wassermoleküls H2O in H + und OH-. Das Dimer (Monomere, die links durch eine kovalente Bindung verbunden sind) ist das Substrat, und Monomer 1 und Monomer 2 rechts sind die Produkte.

Große Moleküle, die aus Hunderten oder Tausenden von Atomen bestehen, werden Makromoleküle genannt. Viele Makromoleküle bestehen aus sich wiederholenden Einheiten desselben Bausteins, ähnlich einer Perlenkette, die aus vielen Perlen besteht. Polymere (Poly- = „viele“; Meros = „Teil“) sind langkettige, große organische Moleküle (Makromoleküle), die aus vielen kovalent gebundenen kleineren Molekülen zusammengesetzt sind, die als Monomere bezeichnet werden. Polymere bestehen aus vielen sich wiederholenden Monomereinheiten in langen Ketten, manchmal mit Verzweigung oder Vernetzung zwischen den Ketten.

Drei der vier zuvor identifizierten Klassen organischer Moleküle, dh Kohlenhydrate, Lipide, Proteine und Nukleinsäuren sind oft Polymere aus kleineren Monomeruntereinheiten (Lipide nicht). Beispielsweise sind Proteine Polymere aus vielen kovalent gebundenen kleineren Molekülen, Monomeren, die als Aminosäuren bezeichnet werden. Jede dieser Klassen wird nachstehend ausführlicher betrachtet.

Abbildung \ (\ PageIndex {3} \) Zweidimensional Ansicht des Proteins Insulin. Insulin ist ein Polymer aus kovalent verknüpften Monomeren, die als Aminosäuren bezeichnet werden (als grüne Kugeln dargestellt).