Metabolizm

We wszystkich komórkach zachodzą niezliczone reakcje chemiczne, dzięki którym możliwe jest utrzymanie aktywności życiowej komórek, przejawiającej się wzrostem, ruchem, przetrwaniem, regeneracją, rozmnażaniem i reagowaniem na bodźce. Wszystkie te procesy składają się na metabolizm organizmu.

R3AWsyzehNfpK

Schemat ilustruje hierarchię w budowie organizmu człowieka, na którą składają się kolejno: atomy (przedstawione jako sześć kolorowych kulek), cząsteczki (cząsteczkę przedstawiono jako strukturę złożoną z wielu kuleczek), komórki (rysunek przedstawia komórkę mięśnia sercowego), tkanki (rysunek przedstawia tkankę mięśniową serca, złożonych z komórek takich, jak na poprzednim rysunku), narządy (rysunek serca człowieka), układy narządów (rysunek przedstawiający układ krwionośny człowieka), organizm człowieka (rysunek przedstawiający sylwetkę chłopca).

1. Metabolizm, czyli przemiana

Metabolizm to ogół przekształceń chemicznych i energetycznych zachodzących w organizmie. Termin ten pochodzi od greckiego słowa μmuεepsilonτtauαalfaβbetaοomicronλlambdaή, co oznacza przemiana. Reakcje chemiczne, to przemiana jednych substancji, zwanych substratami, w inne substancje, zwane produktami. Istotą tego procesu jest przemiana substancji o określonych właściwościach w inne substancje o nowych właściwościach.

Podczas reakcji energia jest uwalniana lub pochłaniana. Energia jest potrzebna do budowy wiązań chemicznych. Podczas ich rozrywania uwalnia się taka ilość energii, jaka była potrzebna do ich utworzenia.

Na metabolizm składają się dwie przeciwstawne grupy przemian metabolicznych:

• AnabolizmanabolizmAnabolizm - reakcja syntezy związków złożonych z prostych związków, np. białek (z aminokwasów), celulozy, skrobi i glikogenu (z glukozy). Warunkiem przebiegu tych reakcji jest stałe pochłanianie energii, gdyż związki o małych zasobach energetycznych przekształcane są w związki bogatsze w energię — przechodzą na wyższy poziom energetyczny. Wskazuje na to sam termin anabolizm, który pochodzi od greckiego słowa ἀνnuαalfaβbetaοomicronλlambdaή oznaczającego narzucenie, nałożenie. Reakcje anaboliczne wymagają dostarczenia energii, np. w postaci energii świetlnej czy  chemicznej, są więc przykładem reakcji endoergicznychreakcja endoergicznareakcji endoergicznych. Produkty takich reakcji mają większą energię niż ich substraty.

• KatabolizmkatabolizmKatabolizm - polega na rozkładzie związków organicznych, prowadzącym do powstania prostych produktów o mniejszych zasobach energetycznych. Termin „katabolizm” pochodzi od greckiego słowa κkappaαalfaτtauαalfaβbetaοomicronλlambdaή i oznacza 'odrzucam'. W ich trakcie następuje uwalnianie energii, są to reakcje egzoergicznereakcja egzoergicznareakcje egzoergiczne. W tego typu reakcjach produkty znajdują się na niższym poziomie energetycznym niż substraty. Energia uzyskana w przemianach katabolicznych jest wykorzystywana do syntezy związków organicznych w reakcjach anabolicznych oraz do wykonywania różnych rodzajów pracy, np. ruchu. Przykładem przemiany katabolicznej jest rozkład substancji organicznych w procesie oddychania komórkowego.

RNmggR91fWJMJ

Schemat przedstawia różnice między anabolizmem a katabolizmem. U góry widnieje hasło "metabolizm". Odchodzi od niego jedna strzałka w lewo: "anabolizm" i jedna w prawo: "katabolizm". Pod napisem "anabolizm" znajduje się działanie "A plus B" podpisane jako "niskoenergetyczne substraty", a także strzałka prowadząca do litery "C", podpisanej jako "wysokoenergetyczny produkt". Pod reakcją znajduje się tekst: "reakcja syntezy, reakcja wymaga nakładu energii, substrat - proste cząsteczki, produkt - złożona cząsteczka, przykład: fotosynteza, biosynteza białek". Pod napisem "katabolizm" znajduje się litera "C", podpisana jako "wysokoenergetyczny substrat". Odchodzi od niej strzałka w kierunku działania "A plus B" podpisanego jako "niskoenergetyczne produkty". Pod reakcją znajduje się tekst: "reakcja rozpadu, wydzielana jest energia, substrat - złożona cząsteczka, produkt - proste cząsteczki, przykład: oddychanie komórkowe, degradacja białek".

2. Enzymy

Rozpoczęcie każdej przemiany metabolicznej wymaga określonego nakładu energii. Energia ta określana jest mianem energii aktywacjienergia aktywacjienergii aktywacji. Podstawowa rola enzymów polega na obniżeniu energii aktywacji reakcji biochemicznej. Enzymy nie biorą udziału w reakcji, ale mogą ją przyśpieszyć przez obniżenie jej energii aktywacji, dlatego w komórkach pełnią rolę katalizatorówkatalizatorkatalizatorów biologicznych. Enzymy to białka, najczęściej złożone. Niebiałkowe elementy enzymów koenzymykoenzymkoenzymy lub grupy prostetyczne. Enzymy mają charakterystyczną budowę: na ich powierzchni znajduje się zagłębienie zwane centrum aktywnym. W obrębie centrum aktywnego występuje koenzym lub grupa prostetyczna, nadająca mu specyficzny kształt.

Ry0ZiohxM4Bm9

Schemat przedstawia budowę enzymu. Duże żółte koło oznacza enzym. Wycięty z koła fragment w kształcie kwadratu podpisany jest jako "centrum aktywne". Wewnątrz centrum aktywnego znajduje się mniejszy, fioletowy kwadrat podpisany "koenzym".

Zasada działania enzymu polega na tym, że do centrum aktywnego przyłączają się substraty. Tworzy się wówczas kompleks enzym‑substrat. Po zakończeniu reakcji od enzymu oddzielają się produkty.

Właściwości enzymów:

• Enzymy są specyficzne – warunkiem utworzenia kompleksu enzym‑substrat jest dopasowanie kształtu centrum aktywnego do kształtu cząsteczki substratu. Jeden enzym pasuje tylko do jednego substratu, podobnie jak klucz do zamka.

• Enzymy nie zużywają się – po uwolnieniu produktu jednej reakcji enzym łączy się ponownie z substratem i przeprowadza kolejną reakcję. Dlatego taki cykl może powtarzać się wielokrotnie.

• Enzym może zostać zablokowany – może się zdarzyć, że kształt cząsteczki danego związku przypomina kształtem wybrany substrat. W rezultacie cząsteczka taka może wejść do centrum aktywnego i zablokować jego funkcjonowanie. Cząsteczkę taką nazywamy inhibitoreminhibitorinhibitorem.

• Enzym może ulec zniszczeniu – enzymy są białkami, dlatego wszystkie czynniki wywołujące denaturację białka, takie jak temperatura, alkohol czy kwasy zagrażają enzymom.

3. Cykle i szlaki metaboliczne

Przemiany metaboliczne nie są pojedynczymi reakcjami, ale całym szeregiem procesów, w których produkt jednej reakcji jest jednocześnie substratem następnej. Każda przemiana katalizowana jest przez enzym. Do najbardziej typowych przemian zaliczamy szlaki metaboliczne i cykle metaboliczne.

• 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.

• 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.

R1LiSUW6YvhfM

Schemat przedstawia szlak metaboliczny. Z substratu odchodzi strzałka w prawo do literki A, od niej odchodzi strzałka do literki B, z B do literki C i z C do literki P. Nad strzałkami są zapisy, kolejno: E1, E2, E3 i E4. Literki A, B i C oznaczają produkty pośrednie, literka P oznacza produkt, symbole E1, E2, E3, E4 oznaczają enzymy katalizujące przemiany.

4. Nośnik energii – ATP

Energia, która jest uwalniana w procesach katabolicznych, częściowo może też zostać wykorzystana przez komórkę do przeprowadzenia procesów anabolicznych. Taka energia musi być łatwo dostępna, co gwarantuje magazynowanie jej w postaci związku wysokoenergetycznego o nazwie ATPATPATP - adenozynotrifosforanu. Jest on uniwersalnym nośnikiem energii biologicznie użytecznej.

ATP zbudowany jest z:

• adeniny – zasady azotowej;

• rybozy – pięciowęglowego cukru;

• trzech reszt fosforanowych.

Między resztami fosforowymi są tzw. wiązania wysokoenergetyczne. Energia chemiczna zawarta w tych wiązaniach jest uwalniana podczas reakcji rozkładu ATP. Następuje wówczas rozpad najczęściej jednego z wiązań wysokoenergetycznych, w wyniku czego ATP przekształca się w ADP (adenozynodifosforan). Odtworzenie ATP polega na przyłączeniu brakujących reszt fosforanowych z utworzeniem wiązań wysokoenergetycznych. Energia uwolniona podczas rozkładu ATP wykorzystywana jest do wielu zachodzących w komórce przemian wymagających dostarczenia energii,  np. pracy mechanicznej, transportu przez błony biologiczne, wytwarzania ciepła.

• W przemianach anabolicznych od cząsteczki ATP oddziela się jedna reszta fosforanowa, czego efektem jest uwolnienie energii oraz powstanie ADP (adenozynodifosforanu).

• W przemianach katabolicznych do ADP dołączana jest reszta fosforanowa, a w powstającym wiązaniu chemicznym gromadzona jest energia.

Proces przyłączania reszty fosforanowej i tworzenia wiązania wysokoenergetycznego określany jest mianem fosforylacji.

Podsumowanie

• Na metabolizm składają się reakcje kataboliczne i anaboliczne.

• Reakcje metaboliczne zachodzą z udziałem katalizatorów biologicznych – enzymów.

• Podstawowym przenośnikiem energii swobodnej jest ATP.

• Źródłem energii metabolicznej jest oddychanie komórkowe.

Słownik

Zadania