Chemische reacties beginnen met een of meer stoffen die in de reactie komen. De stoffen in onze cellen en lichaamsweefsels die de reactie aangaan, worden substraten genoemd. De een of meer stoffen die door een chemische reactie worden geproduceerd, worden producten genoemd.

Chemische reacties worden weergegeven door chemische vergelijkingen door het substraat / de substraten aan de linkerkant en het / de product (en) aan de rechterkant te plaatsen. Substraat (en) en product (en) worden gescheiden door een pijl (\ (\ rightarrow \)) die de richting en het type van de reactie aangeeft. Lactose, de suiker die in melk wordt aangetroffen, wordt bijvoorbeeld door ons spijsverteringsstelsel afgebroken tot twee kleinere suikers, glucose en galactose. Bij deze reactie is lactose het substraat en zijn glucose en galactose de producten. De chemische vergelijking voor deze reactie is:

Lactose \ (\ rightarrow \) glucose + galactose

Metabolisme verwijst naar de som van alle chemische reacties die plaatsvinden in een levend organisme. Er zijn drie hoofdtypen chemische reacties die belangrijk zijn in de menselijke fysiologie: synthese (anabool), ontleding (katabool) en uitwisseling.

1. In een synthesereactie (syn- = samen; -thesis = “put , place, set ‘), binden twee of meer substratenmoleculen covalent om een groter productmolecuul te vormen.
   Synthesereacties vereisen energie om de binding (en) te vormen. Een synthesereactie wordt
   vaak gesymboliseerd als A + B \ (\ rightarrow \) AB, waarbij A en B de substraten zijn en AB het product. Synthesereacties kunnen ook anabole of constructieve activiteiten in een cel worden genoemd.
2. Bij een ontledingsreactie (ontledingsreactie , away = -composition = “samenstellen,
   rangschikken”), worden covalente bindingen tussen componenten van een groter substraatmolecuul afgebroken om kleinere productmoleculen te vormen. Bij ontledingsreacties komt energie vrij wanneer covalente bindingen in het substraat worden afgebroken. Een ontledingsreactie wordt vaak gesymboliseerd als AB \ (\ rightarrow \) A + B; waarbij AB het substraat is en A en B de producten. Verschillende soorten ontledingsreacties worden ook wel verterings-, hydrolyse-, afbraak- en afbraakreacties genoemd. Ontledingsreacties vormen de basis van alle katabolische of afbraakactiviteiten in een cel.
3. Bij een uitwisselingsreactie worden covalente bindingen beide afgebroken en vervolgens opnieuw gevormd op een manier dat de componenten van de substraten opnieuw worden gerangschikt om verschillende producten. Een uitwisselingsreactie wordt vaak gesymboliseerd als AB + CD \ (\ rightarrow \) AC + BD. Bij deze uitwisselingsreactie werden de covalente bindingen tussen A en B en tussen C en D verbroken; en nieuwe covalente bindingen tussen A en C, en B en D werden gevormd.

Sommige metabolische reacties worden onomkeerbare reacties genoemd. Dit betekent dat de
product (en) niet veranderd of “omgekeerd” kunnen worden in substraten. Deze reacties worden
weergegeven met een enkele pijl zoals in A + B \ (\ rightarrow \) C.

Bijvoorbeeld:

Glucose + Zuurstof \ (\ rightarrow \) Koolstofdioxide + Water

Opmerking: dit is een soort katabole reactie (het grotere glucosemolecuul wordt afgebroken tot kleinere koolstofdioxidemoleculen) gerelateerd aan cellulaire energieproductie. In dierlijke cellen, zoals mensen, is dit een onomkeerbare reactie.

Andere metabolische reacties worden omkeerbare reacties genoemd. Dit betekent dat de reactie kan plaatsvinden vanaf substraten naar product (en) of van product (en) terug naar substraten Het (de) product (en) kunnen weer veranderd worden in of “omgekeerd” in substraten. Ze worden weergegeven met een dubbele pijl zoals in A + B \ (\ leftrightarrow \) C + D.

Bijvoorbeeld:

Glycogeen + Water \ (\ leftrightarrow \) Glucose

Opmerking: wanneer cellen energie nodig hebben, wordt glycogeen (een grotere molecule gebruikt als opgeslagen in sommige cellen) kunnen worden gekataboliseerd tot kleinere glucosemoleculen, die vervolgens verder kunnen worden gekataboliseerd om energie te leveren voor celfuncties. Wanneer cellen niet zoveel energie nodig hebben, of wanneer de glucosespiegels erg hoog zijn, wordt glycogeen gesynthetiseerd uit de kleinere glucosemoleculen. Spiercellen synthetiseren bijvoorbeeld glycogeen in rust en kataboliseren glycogeen bij samentrekking. De manier waarop deze omkeerbare reactie verloopt, hangt af van de lichaamsbehoeften.

In het lichaam worden synthesereacties (kleinere moleculen naar grotere moleculen, vereist energie) en ontledingsreacties (grotere moleculen naar kleinere moleculen, geeft energie vrij) vaak geassocieerd met de vorming en afbraak van respectievelijk watermoleculen. Een dehydratiesynthesereactie is een soort synthesereactie waarbij water als bijproduct wordt gemaakt. Een hydrolysereactie is een soort ontledingsreactie waarbij water wordt gebruikt.

Bij de dehydratatiesynthese (de- = “off, remove”; hydrate = “water”) weergegeven in figuur \ (\ PageIndex {2} \), worden twee monomeren covalent gebonden in een reactie waarbij de ene een hydroxylion (-OH-) opgeeft en de andere een waterstofion (-H +). Monomeer 1 en monomeer 2 zijn de substraten aan de linkerkant, en de “monomeren verbonden door een covalente binding” is het product aan de rechterkant. Het hier getoonde product wordt ook wel een dimeer genoemd (di- = twee, mer = deel). OH – en H + combineren om een molecuul water te vormen, dat vrijkomt als bijproduct. Dit kan verwarrend zijn omdat water wordt gemaakt tijdens dehydratatiesynthese. Het grotere product is gedehydrateerd (heeft het water verloren).

Figuur \ (\ PageIndex {2} \) Voorbeeld van dehydratatiesynthese: twee glucosemoleculen (substraten links van de pijl) vormen een covalente binding om een maltosemolecuul te vormen (product rechts van de pijl). De in rood weergegeven OH- en H + combineren met elkaar om H2O te vormen (ook in rood weergegeven)

In de hydrolysereactie getoond in figuur \ (\ PageIndex {3} \), (hydro- = “water”; -lysis = “afbraak, een loslating, een oplossing”) wordt de covalente binding tussen twee monomeren gesplitst door toevoeging van een waterstofion (H +) aan de ene en een hydroxylion (OH-) aan de andere. Deze twee ionen zijn afkomstig van het splitsen van een watermolecuul, H2O, in H + en OH-. Het dimeer (monomeren verbonden door een covalente binding aan de linkerkant) is het substraat, en monomeer 1 en monomeer 2 aan de rechterkant zijn de producten.

Grote moleculen die uit honderden of duizenden atomen bestaan, worden macromoleculen genoemd. Veel macromoleculen zijn samengesteld uit repetitieve eenheden van dezelfde bouwsteen, vergelijkbaar met een parelketting die uit veel parels bestaat. Polymeren (poly- = “veel”; meros = “deel”) zijn grote organische moleculen met een lange keten (macromoleculen) die zijn samengesteld uit vele covalent gebonden kleinere moleculen die monomeren worden genoemd. Polymeren bestaan uit veel herhalende monomeereenheden in lange ketens, soms met vertakking of verknoping tussen de ketens.

Drie van de vier klassen van organische moleculen die eerder zijn geïdentificeerd, namelijk koolhydraten, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren zijn vaak polymeren gemaakt van kleinere monomeersubeenheden (lipiden zijn dat niet). Eiwitten zijn bijvoorbeeld polymeren gemaakt van veel covalent gebonden kleinere moleculen, monomeren, aminozuren genaamd. Elk van deze klassen wordt hieronder in meer detail besproken.

Figuur \ (\ PageIndex {3} \) Tweedimensionaal zicht op het eiwit insuline. Insuline is een polymeer gemaakt van covalent gekoppelde monomeren, aminozuren genaamd (weergegeven als groene ballen).