Reakcje chemiczne rozpoczynają się od jednej lub więcej substancji, które wchodzą w reakcję. Substancje w naszych komórkach i tkankach ciała, które biorą udział w reakcji, nazywane są substratami. Jedna lub więcej substancji wytworzonych w wyniku reakcji chemicznej nazywa się produktami.

Reakcje chemiczne są reprezentowane przez równania chemiczne poprzez umieszczenie substratu (ów) po lewej stronie, a produktu (ów) po prawej stronie. Substrat (y) i produkt (y) są oddzielone strzałką (\ (\ rightarrow \)), która wskazuje kierunek i typ reakcji. Na przykład laktoza, cukier znajdujący się w mleku, jest rozkładana przez nasz układ pokarmowy na dwa mniejsze cukry, glukozę i galaktozę. W tej reakcji substratem jest laktoza, a produktami glukoza i galaktoza. Równanie chemiczne tej reakcji to:

Laktoza \ (\ rightarrow \) Glukoza + Galaktoza

Metabolizm to suma wszystkich reakcji chemicznych zachodzących w żywym organizmie. Istnieją trzy główne typy reakcji chemicznych ważnych w fizjologii człowieka, syntezie (anabolicznej), rozkładzie (katabolicznym) i wymianie.

1. W reakcji syntezy (syn- = razem; -thesis = „włóż , miejsce, zestaw ”), dwie lub więcej cząsteczek substratów wiąże się kowalencyjnie, tworząc większą cząsteczkę produktu.
   Reakcje syntezy wymagają energii do utworzenia wiązania (wiązań). Reakcja syntezy jest
   często przedstawiana jako A + B \ (\ rightarrow \) AB, gdzie A i B to substraty, a AB to produkt. Reakcje syntezy można również nazwać działaniami anabolicznymi lub konstruktywnymi w komórce.
2. W reakcji rozkładu (odejmij , away = -composition = „łączenie,
   układanie”), wiązania kowalencyjne między komponentami większej cząsteczki substratu są rozbijane, tworząc mniejsze cząsteczki produktu. Reakcje rozkładu uwalniają energię, gdy wiązania kowalencyjne w podłożu ulegają rozpadowi. Reakcja rozkładu jest często symbolizowana jako AB \ (\ rightarrow \) A + B; gdzie AB to podłoże, a A i B to produkty. Różne typy reakcji rozkładu mogą być również określane jako reakcje trawienia, hydrolizy, rozkładu i degradacji. Reakcje rozkładu są podstawą wszystkich działań katabolicznych lub rozpadu w komórce.
3. W reakcji wymiany wiązania kowalencyjne są zarówno rozkładane, jak i przekształcane w taki sposób, że składniki substratów są przestawiane w celu różne produkty. Reakcja wymiany jest często symbolizowana jako AB + CD \ (\ rightarrow \) AC + BD. W tej reakcji wymiany wiązania kowalencyjne między A i B oraz między C i D zostały zerwane; i powstały nowe wiązania kowalencyjne między A i C oraz B i D.

Niektóre reakcje metaboliczne nazywamy reakcjami nieodwracalnymi. Oznacza to, że produktu (ów)
nie można zmienić ani „odwrócić” z powrotem na substraty. Reakcje te są
reprezentowane za pomocą pojedynczej strzałki, jak w A + B \ (\ rightarrow \) C.

Na przykład:

Glukoza + Tlen \ (\ rightarrow \) Dwutlenek węgla + Woda

Uwaga: jest to rodzaj reakcji katabolicznej (rozkładana jest większa cząsteczka glukozy mniejszych cząsteczek dwutlenku węgla) związanych z produkcją energii komórkowej. W komórkach zwierzęcych, takich jak ludzie, jest to nieodwracalna reakcja.

Inne reakcje metaboliczne nazywane są reakcjami odwracalnymi. Oznacza to, że reakcja może zachodzić z substratów do produktu (-ów) lub z produktu (-ów) z powrotem do substratów. Produkt (-y) można z powrotem zamienić lub „odwrócić” na podłoża. Są one reprezentowane podwójną strzałką, jak w A + B \ (\ leftrightarrow \) C + D.

Na przykład:

Glikogen + Woda \ (\ leftrightarrow \) Glukoza

Uwaga: Gdy komórki potrzebują energii, glikogen (większa cząsteczka używana jako energia w niektórych komórkach) mogą być katabolizowane do mniejszych cząsteczek glukozy, które następnie mogą być dalej katabolizowane, aby zapewnić energię potrzebną do funkcjonowania komórki. Kiedy komórki nie potrzebują tyle energii lub gdy poziom glukozy jest bardzo wysoki, glikogen jest syntetyzowany z mniejszych cząsteczek glukozy. Na przykład komórki mięśniowe syntetyzują glikogen podczas odpoczynku i katabolizują glikogen podczas skurczów. To, w jaki sposób przebiega ta odwracalna reakcja, zależy od potrzeb ciała.

W organizmie reakcje syntezy (mniejsze cząsteczki na większą cząsteczkę, wymagają energii) i reakcje rozkładu (większa cząsteczka na mniejsze cząsteczki, uwalnianie energii) są często związane z tworzenie i rozpad cząsteczek wody, odpowiednio. Reakcja syntezy odwodnienia jest rodzajem reakcji syntezy, w której woda jest produktem ubocznym. Reakcja hydrolizy to rodzaj reakcji rozkładu, w której wykorzystuje się wodę.

W syntezie odwodnienia (de- = „wyłącz, usuń”; hydrat = „woda”) pokazanej na rysunku \ (\ PageIndex {2} \), dwa monomery są kowalencyjnie związane w reakcji, w której jeden oddaje jon hydroksylowy (-OH-), a drugi jon wodorowy (-H +). Monomer 1 i monomer 2 to substraty po lewej stronie, a „monomery połączone wiązaniem kowalencyjnym” to produkt po prawej stronie. Pokazany tutaj produkt jest również nazywany dimerem (di- = dwa, mer = część). OH – i H + łączą się, tworząc cząsteczkę wody, która jest uwalniana jako produkt uboczny. Może to być mylące, ponieważ woda powstaje podczas syntezy odwodnienia. Większy produkt został odwodniony (stracił wodę).

Rysunek \ (\ PageIndex {2} \) Przykład syntezy odwodnienia: dwie cząsteczki glukozy (substraty po lewej stronie strzałki) tworzą wiązanie kowalencyjne, tworząc cząsteczkę maltozy (produkt po prawej stronie strzałki). OH- i H + pokazane na czerwono łączą się ze sobą tworząc H2O (również pokazane na czerwono)

W reakcji hydrolizy pokazanej na rysunku \ (\ PageIndex {3} \), (hydro- = „woda”; -lysis = „rozpad, rozluźnienie, rozpuszczenie”) wiązanie kowalencyjne między dwoma monomerami jest rozszczepione przez dodanie jonu wodorowego (H +) do jednego i jon hydroksylowy (OH-) do drugiego. Te dwa jony pochodzą z rozszczepienia cząsteczki wody, H2O, na H + i OH-. Dimer (monomery połączone wiązaniem kowalencyjnym po lewej stronie) to podłoże, a monomer 1 i monomer 2 po prawej stronie to produkty.

Duże cząsteczki złożone z setek lub tysięcy atomów nazywane są makrocząsteczkami. Wiele makrocząsteczek składa się z powtarzających się jednostek tego samego budulca, podobnie jak naszyjnik z pereł, który składa się z wielu pereł. Polimery (poly- = „wiele”; meros = „część”) to długie łańcuchy, duże cząsteczki organiczne (makrocząsteczki) złożone z wielu kowalencyjnie związanych mniejszych cząsteczek zwanych monomerami. Polimery składają się z wielu powtarzających się jednostek monomerowych w długich łańcuchach, czasem z rozgałęzieniami lub usieciowaniami między łańcuchami.

Trzy z czterech wcześniej zidentyfikowanych klas cząsteczek organicznych, tj. Węglowodany, lipidy, białka i kwasy nukleinowe są często polimerami zbudowanymi z mniejszych podjednostek monomeru (lipidy nie są). Na przykład białka są polimerami zbudowanymi z wielu kowalencyjnie związanych mniejszych cząsteczek, monomerów zwanych aminokwasami. Każdą z tych klas omówiono bardziej szczegółowo poniżej.

Rysunek \ (\ PageIndex {3} \) Dwuwymiarowy widok insuliny białkowej. Insulina jest polimerem zbudowanym z kowalencyjnie połączonych monomerów zwanych aminokwasami (pokazane jako zielone kulki).