Photo by: Lev Olkha

Metabolizm odnosi się do wszystkich reakcji chemicznych zachodzących w organizmie, przez które złożone cząsteczki są rozkładane w celu wytworzenia energii i przez które energia jest wykorzystywana do budowy złożonych cząsteczek. Przykładem reakcji metabolicznej jest ta, która zachodzi, gdy człowiek zjada łyżkę cukru. Po dostaniu się do organizmu, cząsteczki cukru są rozkładane na prostsze cząsteczki z uwolnieniem energii. Energia ta jest następnie wykorzystywana przez organizm do różnych celów, takich jak utrzymywanie ciepła i budowanie nowych cząsteczek w organizmie.

Wszystkie reakcje metaboliczne mogą być podzielone na jedną z dwóch ogólnych kategorii: reakcje kataboliczne i anaboliczne. Katabolizm jest procesem, w którym duże cząsteczki są rozbijane na mniejsze z uwolnieniem energii. Anabolizm jest procesem, w którym energia jest wykorzystywana do budowania złożonych cząsteczek potrzebnych organizmowi do utrzymania się i rozwoju.

Proces trawienia

Jednym ze sposobów zrozumienia procesu metabolizmu jest śledzenie drogi typowego składnika odżywczego, jak przechodzi przez ciało. Składnik odżywczy to każda substancja, która pomaga organizmowi pozostać przy życiu, zachować zdrowie i rosnąć. Trzy duże kategorie składników odżywczych to węglowodany, białka i tłuszcze.

Załóżmy, na przykład, że osoba właśnie zjadła kawałek chleba. Ważnym składnikiem odżywczym w tym chlebie jest skrobia, węglowodan złożony. Jak tylko chleb trafi do ust danej osoby, rozpoczyna się proces trawienia. Enzymy w jamie ustnej zaczynają rozkładać cząsteczki skrobi i przekształcać je w mniejsze cząsteczki prostszych substancji: cukrów. Proces ten można łatwo zaobserwować, ponieważ każdy, kto trzyma kawałek chleba w ustach przez pewien czas, zaczyna rozpoznawać słodki smak, smak cukru powstałego w wyniku rozkładu skrobi.

Trawienie jest niezbędnym pierwszym krokiem dla wszystkich pokarmów. Cząsteczki, z których wykonane są pokarmy, są zbyt duże, aby przejść przez wyściółkę układu pokarmowego. Trawienie powoduje powstawanie mniejszych cząsteczek, które są w stanie przejść przez tę wyściółkę i dostać się do krwiobiegu. Cząsteczki cukru powstałe w wyniku trawienia skrobi dostają się do krwiobiegu. Następnie są one przenoszone do poszczególnych komórek w całym ciele człowieka.

Mniejsze cząsteczki, na które rozkładane są składniki odżywcze, tworzą pulę metaboliczną. Pula metaboliczna składa się z prostszych substancji powstałych w wyniku rozkładu składników odżywczych. Obejmuje on cukry proste (powstałe w wyniku rozpadu węglowodanów złożonych), glicerol i kwasy tłuszczowe (powstałe w wyniku rozpadu lipidów) oraz aminokwasy (powstałe w wyniku rozpadu białek). Komórki używają substancji z puli metabolicznej jako materiałów budowlanych, podobnie jak stolarz używa drewna, gwoździ, kleju, zszywek i innych materiałów do budowy domu. Różnica polega oczywiście na tym, że komórki budują części ciała, a nie domy, z materiałów, z którymi muszą pracować.

Grafika komputerowa aminokwasu. (Reproduced by permission of

Photo Researchers, Inc.

)

Metabolizm komórkowy

Substancje tworzące pulę metaboliczną są transportowane do poszczególnych komórek przez krwiobieg. Przechodzą one przez błony komórkowe i dostają się do wnętrza komórki. Po dostaniu się do wnętrza komórki związek ulega dalszemu metabolizmowi, zwykle w serii reakcji chemicznych. Na przykład, cząsteczka cukru jest rozkładana wewnątrz komórki na dwutlenek węgla i wodę, z uwolnieniem energii. Ale ten proces nie zachodzi w jednym kroku. Zamiast tego, potrzeba około dwóch tuzinów oddzielnych reakcji chemicznych, aby przekształcić cząsteczkę cukru w produkt końcowy. Każda reakcja chemiczna obejmuje stosunkowo niewielką zmianę w cząsteczce cukru, usunięcie jednego atomu tlenu lub jednego atomu wodoru, na przykład.

Celem tych reakcji jest uwolnienie energii zmagazynowanej w cząsteczce cukru. Aby wyjaśnić ten proces, trzeba wiedzieć, że cząsteczka cukru składa się z atomów węgla, wodoru i tlenu utrzymywanych razem za pomocą wiązań chemicznych. Wiązanie chemiczne to siła przyciągania pomiędzy dwoma atomami. Ta siła przyciągania jest formą energii. Cząsteczka cukru z dwoma tuzinami wiązań chemicznych może być postrzegana jako zawierająca dwa tuziny maleńkich jednostek energii. Za każdym razem, gdy wiązanie chemiczne zostaje przerwane, jedna jednostka energii zostaje uwolniona.

Komórki rozwinęły niezwykłe metody przechwytywania i przechowywania energii uwalnianej w reakcjach katabolicznych. Metody te wykorzystują bardzo specjalne związki chemiczne, znane jako nośniki energii. Przykładem takiego związku jest trójfosforan adenozyny, ogólnie znany jako ATP. ATP powstaje, gdy prostszy związek, difosforan adenozyny (ADP), połączy się z grupą fosforanową. Przemianę tę przedstawia poniższe równanie:

ADP + P → ATP

ADP połączy się z grupą fosforanową, jak pokazano tutaj, tylko wtedy, gdy zostanie do niego dodana energia. W komórkach energia ta pochodzi z katabolizmu związków znajdujących się w puli metabolicznej, takich jak cukry, glicerol i kwasy tłuszczowe. Innymi słowy:

katabolizm: cukier → dwutlenek węgla + woda + energia;
energia z katabolizmu + ADP + P → ATP

Powstała w ten sposób cząsteczka ATP pobrała więc energię zmagazynowaną wcześniej w cząsteczce cukru. Ilekroć komórka potrzebuje energii do jakiegoś procesu, może ją uzyskać z cząsteczki ATP.

Odwrotność procesu przedstawionego powyżej również ma miejsce wewnątrz komórek. To znaczy, energia z cząsteczki ATP może być użyta do złożenia prostszych cząsteczek razem, aby stworzyć bardziej złożone cząsteczki. Na przykład, załóżmy, że komórka musi naprawić pęknięcie w swojej ścianie komórkowej. Aby to zrobić, będzie musiała wytworzyć nowe cząsteczki białka. Te cząsteczki białka mogą być wytworzone z aminokwasów znajdujących się w puli metabolicznej. Cząsteczka białka składa się z setek lub tysięcy cząsteczek aminokwasów połączonych ze sobą:

Aminokwas 1 + aminokwas 2 + aminokwas 3 + (i tak dalej) → białko

Energia potrzebna do utworzenia wszystkich nowych wiązań chemicznych potrzebnych do utrzymania jednostek aminokwasów razem pochodzi z cząsteczek ATP. Innymi słowy:

energia z ATP + wiele aminokwasów → cząsteczka białka

Reakcje, dzięki którym dany związek jest metabolizowany, różnią się dla różnych składników pokarmowych. Również nośniki energii inne niż ATP mogą być zaangażowane. Na przykład, związek znany jako fosforan dinukleotydu nikotynamido-adeninowego (NADPH) jest również zaangażowany w katabolizm i anabolizm różnych substancji. Ogólny zarys przedstawiony powyżej odnosi się jednak do wszystkich reakcji metabolicznych.