Le reazioni chimiche iniziano con una o più sostanze che entrano nella reazione. Le sostanze nelle nostre cellule e nei tessuti del corpo che entrano nella reazione sono chiamate substrati. Le una o più sostanze prodotte da una reazione chimica sono chiamate prodotti.

Le reazioni chimiche sono rappresentate da equazioni chimiche posizionando il / i substrato / i a sinistra e il / i prodotto / i a destra. Substrato (i) e prodotto (i) sono separati da una freccia (\ (\ rightarrow \)) che indica la direzione e il tipo di reazione. Ad esempio, il lattosio, lo zucchero che si trova nel latte, viene scomposto dal nostro sistema digestivo in due zuccheri più piccoli, glucosio e galattosio. In questa reazione, il lattosio è il substrato e il glucosio e il galattosio sono i prodotti. L’equazione chimica per questa reazione è:

Lattosio \ (\ rightarrow \) Glucosio + Galattosio

Il metabolismo si riferisce alla somma di tutte le reazioni chimiche che avvengono in un organismo vivente. Esistono tre tipi principali di reazioni chimiche importanti nella fisiologia umana, sintesi (anabolica), decomposizione (catabolica) e scambio.

1. In una reazione di sintesi (syn- = insieme; -thesis = “put , place, set “), due o più molecole di substrati si legano in modo covalente per formare una molecola di prodotto più grande.
   Le reazioni di sintesi richiedono energia per formare i legami. Una reazione di sintesi è
   spesso simbolizzata come A + B \ (\ rightarrow \) AB, dove A e B sono i substrati e AB è il prodotto. Le reazioni di sintesi possono anche essere chiamate attività anaboliche o costruttive in una cellula.
2. In una reazione di decomposizione (de-off , away = -composition = “mettere insieme,
   disporre”), i legami covalenti tra i componenti di una molecola di substrato più grande vengono scomposti per formare molecole di prodotto più piccole. Le reazioni di decomposizione rilasciano energia quando i legami covalenti nel substrato vengono rotti. Una reazione di decomposizione è spesso simbolizzata come AB \ (\ rightarrow \) A + B; dove AB è il substrato e A e B sono i prodotti. Diversi tipi di reazioni di decomposizione possono anche essere indicate come reazioni di digestione, idrolisi, rottura e degradazione. Le reazioni di decomposizione sono la base di tutte le attività cataboliche o di degradazione in una cellula.
3. In una reazione di scambio, i legami covalenti vengono entrambi scomposti e poi riformati in modo che i componenti dei substrati siano riorganizzati per formare prodotti diversi. Una reazione di scambio è spesso simboleggiata come AB + CD \ (\ rightarrow \) AC + BD. In questa reazione di scambio, i legami covalenti tra A e B e tra C e D furono rotti; e si formarono nuovi legami covalenti tra A e C e B e D.

Alcune reazioni metaboliche sono chiamate reazioni irreversibili. Ciò significa che i prodotti
non possono essere modificati o “invertiti” in substrati. Queste reazioni sono
rappresentate con una singola freccia come in A + B \ (\ rightarrow \) C.

Ad esempio:

Glucosio + Ossigeno \ (\ rightarrow \) Anidride carbonica + Acqua

Nota: questo è un tipo di reazione catabolica (la molecola di glucosio più grande viene scomposta a molecole di anidride carbonica più piccole) relative alla produzione di energia cellulare. Nelle cellule animali, come gli esseri umani, questa è una reazione irreversibile.

Altre reazioni metaboliche sono chiamate reazioni reversibili. Ciò significa che la reazione può provenire da substrati al prodotto (i) o dal prodotto (i) di nuovo ai substrati.Il prodotto (i) può essere cambiato di nuovo in o “invertito” in substrati. Sono rappresentati con una doppia freccia come in A + B \ (\ leftrightarrow \) C + D.

Ad esempio:

Glicogeno + Acqua \ (\ leftrightarrow \) Glucosio

Nota: quando le cellule hanno bisogno di energia, il glicogeno (una molecola più grande usata come energia immagazzinati in alcune cellule) possono essere catabolizzati in molecole di glucosio più piccole, che possono quindi essere ulteriormente catabolizzate per fornire energia per le funzioni cellulari. Quando le cellule non hanno bisogno di tanta energia, o quando i livelli di glucosio sono molto alti, il glicogeno viene sintetizzato dalle molecole di glucosio più piccole. Ad esempio, le cellule muscolari sintetizzano il glicogeno durante il riposo e catabolizzano il glicogeno quando si contraggono. Il modo in cui procede questa reazione reversibile dipende dai bisogni del corpo.

Nel corpo, le reazioni di sintesi (da molecole più piccole a molecole più grandi, richiede energia) e le reazioni di decomposizione (da molecole più grandi a molecole più piccole, rilascia energia) sono spesso associate a rispettivamente la formazione e la scomposizione delle molecole d’acqua. Una reazione di sintesi di disidratazione è un tipo di reazione di sintesi che rende l’acqua come sottoprodotto. Una reazione di idrolisi è un tipo di reazione di decomposizione che utilizza l’acqua.

Nella sintesi di disidratazione (de- = “off, remove”; hydrate = “water”) mostrata in figura \ (\ PageIndex {2} \), due monomeri sono legati in modo covalente in una reazione in cui uno cede uno ione idrossile (-OH-) e l’altro uno ione idrogeno (-H +). Il monomero 1 e il monomero 2 sono i substrati a sinistra, e i “monomeri legati da un legame covalente” è il prodotto a destra. Il prodotto mostrato qui è anche chiamato dimero (di- = due, mer = parte). OH – e H + si combinano per formare una molecola di acqua, che viene rilasciata come sottoprodotto. Questo può creare confusione perché l’acqua viene prodotta durante la sintesi della disidratazione. Il prodotto più grande è stato disidratato (ha perso l’acqua).

Figura \ (\ PageIndex {2} \) Esempio di sintesi della disidratazione: due molecole di glucosio (substrati a sinistra della freccia) formano un legame covalente per formare una molecola di maltosio (prodotto a destra della freccia). OH- e H + mostrati in rosso si combinano tra loro per formare H2O (mostrato anche in rosso)

Nella reazione di idrolisi mostrata in figura \ (\ PageIndex {3} \), (hydro- = “water”; -lysis = “rottura, allentamento, dissoluzione”) il legame covalente tra due monomeri viene scisso mediante l’aggiunta di uno ione idrogeno (H +) a uno e uno ione idrossile (OH-) all’altro. Questi due ioni derivano dalla scissione di una molecola d’acqua, H2O, in H + e OH-. Il dimero (monomeri legati da un legame covalente a sinistra) è il substrato e il monomero 1 e il monomero 2 a destra sono i prodotti.

Le grandi molecole composte da centinaia o migliaia di atomi sono chiamate macromolecole. Molte macromolecole sono composte da unità ripetitive dello stesso blocco costitutivo, simile a una collana di perle composta da molte perle. I polimeri (poly- = “many”; meros = “part”) sono molecole organiche di grandi dimensioni a catena lunga (macromolecole) assemblate da molte molecole più piccole legate in modo covalente chiamate monomeri. I polimeri sono costituiti da molte unità monomeriche ripetute in lunghe catene, a volte con ramificazione o reticolazione tra le catene.

Tre delle quattro classi di molecole organiche precedentemente identificate, ovvero carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici sono spesso polimeri costituiti da subunità monomeriche più piccole (i lipidi no). Ad esempio, le proteine sono polimeri costituiti da molte molecole più piccole legate in modo covalente, monomeri, chiamate amminoacidi. Ciascuna di queste classi viene considerata più in dettaglio di seguito.

Figura \ (\ PageIndex {3} \) bidimensionale vista della proteina insulina. L’insulina è un polimero costituito da monomeri legati covalentemente chiamati amminoacidi (mostrati come palline verdi).