Metabolizm (przemiana materii) to ogół reakcji chemicznych i towarzyszących im przemian energetycznych zachodzących w każdej komórce. Wyróżniamy dwa kierunki tych przemian: anabolizmanabolizmanabolizm i katabolizmkatabolizmkatabolizm.

Reakcje anaboliczne, czyli tzw. syntezy, prowadzą do powstawania złożonych związków (np. białek z aminokwasów), w których wiązaniach chemicznych magazynowana jest energia. W wyniku reakcji katabolicznych, wysokoenergetyczne substancje (np. białka, skrobia) ulegają degradacji do związków prostszych (np. aminokwasów, monosacharydów), co umożliwia uwolnienie energii zmagazynowanej w tych substancjach.

W szeregu przemian metabolicznych produkt jednej z reakcji często jest substratem następnej, przy czym poszczególne przemiany katalizowane są przez swoiste enzymy. Szlaki i cykle metaboliczne są najczęściej spotykanymi typami ciągów przemian.

Szlak metabolicznyszlak metabolicznySzlak metaboliczny to szereg następujących po sobie reakcji metabolicznych, w których produkt jednej jest substratem kolejnej. Reakcje są katalizowane (przyspieszane) przez enzymy, przebiegają w jednym kierunku i kończą się powstaniem określonego produktu. Przykładem szlaku metabolicznego jest glikoliza.

RBf3uGUah7Nj0

Schemat przedstawia szlak metaboliczny. Zapis w szeregu jest następujący: S strzałka w prawo, nad strzałką E1. A strzałka w prawo, nad strzałką E2. B strzałka w prawo, nad strzałką E3. C strzałka w prawo, nad strzałką E4. D strzałka w prawo, nad strzałką E5. E strzałka w prawo, nad strzałką E6. P.

Cykl metabolicznycykl metabolicznyCykl metaboliczny różni się od szlaku tym, że podczas ostatniej reakcji odtwarzany jest substrat wyjściowy cyklu, dzięki czemu może on przebiegać od nowa.

RT3qim6gPLaQs

Schemat przedstawia cykl metaboliczny. Zapis jest następujący. E strzałka w prawo, nad strzałką E1, dodatkowo nad strzałką S. A strzałka w prawo, nad strzałką E2. B strzałka w prawo, nad strzałką E4. Od B w bok strzałka w prawo do P, nad strzałką E3. Od B dalej w cyklu strzałka w prawo do C, nad strzałką E4. C strzałka w prawo, nad strzałką E5. D strzałka w prawo, nad strzałką E6. E, cykl powtarza się.

Anabolizm to całość reakcji, w których dochodzi do syntezy złożonych związków organicznych z prostszych związków. W wyniku przemian anabolicznych powstają podstawowe elementy składowe komórki, np. tłuszcze, aminokwasy, białka czy – jak w fotosyntezie – cukry. Reakcjami anabolicznymi są także reakcje tworzenia polimerów tych cząsteczek, np. synteza celulozy z glukozy.

Przemiany anaboliczne wymagają dostarczenia energii (chemicznej lub – w przypadku fotosyntezy – świetlnej), są to więc reakcje endoergiczne. Dostarczona energia zostaje zmagazynowana w wiązaniach chemicznych powstających związków złożonych. Produkty reakcji anabolicznych zawierają więc większą ilość energii niż ich substraty.

Katabolizm to wszystkie reakcje, w wyniku których złożone cząsteczki (takie jak cukry, białka czy kwasy tłuszczowe) są rozkładane do prostszych związków. Wiąże się to z uwalnianiem energii, czyli mamy w tym przypadku do czynienia z reakcjami egzoergicznymi. Znaczy to, że produkty reakcji katabolicznych zawierają mniej energii niż ich substraty.

Energia uzyskana w przemianach katabolicznych jest wykorzystywana do syntezy związków organicznych w reakcjach anabolicznych, a także do wykonywania różnych rodzajów pracy, np. ruchu. Przykładem przemiany katabolicznej jest rozkład substancji organicznych w procesie oddychania komórkowego. Reakcją kataboliczną jest również hydroliza ATP.

Intensywność przemian anabolicznych i katabolicznych jest ściśle kontrolowana i dostosowywana do warunków środowiskowych, co stanowi warunek utrzymania równowagi wewnątrzustrojowej (homeostazy).

Natężenie przemian metabolicznych zmienia się również wraz z wiekiem – u młodych organizmów przeważają reakcje anaboliczne, w okresie dojrzewania intensywność obu typów reakcji wyrównuje się, natomiast w okresie starzenia przeważają reakcje kataboliczne.

Energia swobodnaenergia swobodnaEnergia swobodna to część energii całkowitej układu fizycznego, która może zostać przekształcona w pracę. Energia swobodna uwolniona w procesach katabolicznych może zostać wykorzystana w procesach anabolicznych. Ponieważ jednak procesy te zachodzą w różnych częściach komórki, energia musi zostać przeniesiona. Funkcję najważniejszego nośnika energii w komórce pełni ATP.

ATPATPATP, czyli adenozynotrifosforan, to nukleotyd zbudowany z zasady azotowej adeniny, pięciowęglowego cukru rybozy oraz trzech reszt fosforanowych. Między resztami fosforanowymi znajdują się wysokoenergetyczne wiązania. Energia chemiczna w nich zawarta, uwalniana w procesie hydrolizyhydrolizahydrolizy, jest wykorzystywana w większości przemian wymagających dostarczenia energii w komórce.

W wyniku hydrolizy ATP powstaje adenozynodifosforan (ADP), a w przypadku hydrolizy kolejnego wiązania – adenozynomonofosforan (AMP). Na skutek przyłączenia brakujących reszt fosforanowych w procesie fosforylacjifosforylacjafosforylacji następuje odtworzenie cząsteczki ATP, która może zostać wykorzystana ponownie.

Wiele reakcji metabolicznych wiąże się z przeniesieniem elektronów z jednej cząsteczki na drugą. Reakcje, w których elektrony są przyjmowane, nazywamy reakcjami redukcji, a takie, w których są one oddawane – reakcjami utleniania.

Utlenienie jednej cząsteczki zawsze wiąże się z redukcją innej. Reakcje, w których do tego dochodzi (czyli następuje przepływ elektronów między cząsteczkami), nazywamy reakcjami oksydoredukcyjnymi lub krócej – reakcjami redoks. Energia powstająca podczas transportu elektronów może zostać wykorzystana np. w reakcjach syntezy.

W przenoszeniu elektronów w komórce uczestniczą wyspecjalizowane cząsteczki, takie jak NADIndeks górny +⁺ (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy), FAD (dinukleotyd flawinoadeninowy), NADPIndeks górny +⁺ (ester fosforanowy dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego) czy FMN (mononukleotyd flawinowy). W postaci zredukowanej (odpowiednio NADH + HIndeks górny +⁺, FADHIndeks dolny 2₂, NADPH + HIndeks górny +⁺ i FMNHIndeks dolny 2₂) stają się one nośnikami elektronów.

Zapoczątkowanie każdej reakcji chemicznej wymaga dostarczenia odpowiedniej ilości energii zwanej energią aktywacji. Jednym ze sposobów dostarczenia tej energii jest ogrzanie, co jednak nie jest możliwe w przypadku reakcji metabolicznych, które przebiegają wewnątrz żywych komórek.

Zajście reakcji we względnie niskich temperaturach, takich jak panujące wewnątrz organizmów, można ułatwić, stosując katalizator, czyli substancję, która obniża energię aktywacji. W przemianach metabolicznych funkcję katalizatorów pełnią enzymy. Są to najczęściej białkowe cząsteczki, które przyspieszają (katalizują) przebieg reakcji, dzięki czemu mogą one przebiegać w bezpiecznym dla organizmu zakresie temperatur.

Słownik