Metabolism avser alla de kemiska reaktioner som äger rum i en organism genom vilka komplexa molekyler bryts ner för att producera energi och genom vilka energi används för att bygga upp komplexa molekyler. Ett exempel på en metabolisk reaktion är den som äger rum när en person äter en sked socker. Väl inne i kroppen bryts sockermolekylerna ner till enklare molekyler med frigörande av energi. Denna energi används sedan av kroppen för en rad olika ändamål, t.ex. för att hålla kroppen varm och bygga upp nya molekyler i kroppen.
Alla metaboliska reaktioner kan delas in i en av två allmänna kategorier: katabola och anabola reaktioner. Katabolism är den process genom vilken stora molekyler bryts ner till mindre molekyler med frigörelse av energi. Anabolism är den process genom vilken energi används för att bygga upp komplexa molekyler som kroppen behöver för att upprätthålla sig själv och utvecklas.
Matsmältningsprocessen
Ett sätt att förstå ämnesomsättningsprocessen är att följa vägen för ett typiskt näringsämne när det passerar genom kroppen. Ett näringsämne är ett ämne som hjälper en organism att hålla sig vid liv, förbli frisk och växa. Tre stora kategorier av näringsämnen är kolhydrater, proteiner och fetter.
Ord att känna till
Anabolism: Den process genom vilken energi används för att bygga upp komplexa molekyler.
ATP (adenosintrifosfat): En molekyl som används av cellerna för att lagra energi.
Kolhydrater: En förening bestående av kol, väte och syre som finns i växter och används som föda av människor och andra djur.
Katabolism: Den process genom vilken stora molekyler bryts ner till mindre molekyler med frigörelse av energi.
Kemisk bindning: En attraktionskraft mellan två atomer.
enzym: Kemiska föreningar som fungerar som katalysatorer och ökar hastigheten med vilken reaktioner äger rum i en levande organism.
Metabolisk pool: Den totala mängden enkla molekyler som bildas genom nedbrytning av näringsämnen.
Näringsämne: Ett ämne som hjälper en organism att hålla sig vid liv, vara frisk och växa.
Protein: Stora molekyler som är viktiga för alla levande cellers struktur och funktion.
Anta till exempel att en person just har ätit en bit bröd. Ett viktigt näringsämne i brödet är stärkelse, en komplex kolhydrat. Så snart brödet kommer in i en persons mun börjar matsmältningen att ske. Enzymer i munnen börjar bryta ner molekyler av stärkelse och omvandla dem till mindre molekyler av enklare ämnen: sockerarter. Denna process kan lätt observeras, eftersom alla som håller en brödbit i munnen under en viss tid börjar känna igen en söt smak, smaken av det socker som bildas genom nedbrytning av stärkelse.
Matsmältningen är ett nödvändigt första steg för alla livsmedel. De molekyler som livsmedel består av är för stora för att passera genom slemhinnan i matsmältningssystemet. Matsmältningen resulterar i bildandet av mindre molekyler som kan passera genom denna slemhinna och komma in i personens blodomlopp. Sockermolekyler som bildas genom matsmältning av stärkelse kommer in i blodomloppet. Därefter transporteras de till enskilda celler i hela personens kropp.
De mindre molekyler som näringsämnena bryts ner till utgör den metaboliska poolen. Den metaboliska poolen består av de enklare ämnen som bildas genom nedbrytning av näringsämnen. Den omfattar enkla sockerarter (som bildas genom nedbrytning av komplexa kolhydrater), glycerol och fettsyror (som bildas genom nedbrytning av lipider) och aminosyror (som bildas genom nedbrytning av proteiner). Cellerna använder ämnen i den metaboliska poolen som byggmaterial, på samma sätt som en snickare använder trä, spik, lim, häftklamrar och andra material för att bygga ett hus. Skillnaden är naturligtvis att cellerna bygger kroppsdelar, inte hus, av de material som de måste arbeta med.
)
Cellulär ämnesomsättning
Ämnen som ingår i ämnesomsättningspoolen transporteras till de enskilda cellerna via blodomloppet. De passerar genom cellmembranen och kommer in i cellens inre. Väl inne i en cell genomgår en förening ytterligare metabolism, vanligtvis i en serie kemiska reaktioner. Till exempel bryts en sockermolekyl ner inuti en cell till koldioxid och vatten, varvid energi frigörs. Men den processen sker inte i ett enda steg. I stället krävs det ungefär två dussin separata kemiska reaktioner för att omvandla sockermolekylen till sina slutprodukter. Varje kemisk reaktion innebär en relativt blygsam förändring av sockermolekylen, till exempel avlägsnande av en enda syreatom eller en enda väteatom.
Syftet med dessa reaktioner är att frigöra energi som finns lagrad i sockermolekylen. För att förklara denna process måste man veta att en sockermolekyl består av kol-, väte- och syreatomer som hålls samman med hjälp av kemiska bindningar. En kemisk bindning är en attraktionskraft mellan två atomer. Denna attraktionskraft är en form av energi. En sockermolekyl med två dussin kemiska bindningar kan betraktas som att den innehåller två dussin små energienheter. Varje gång en kemisk bindning bryts frigörs en energienhet.
Celler har utvecklat anmärkningsvärda metoder för att fånga upp och lagra den energi som frigörs i kataboliska reaktioner. Dessa metoder använder sig av mycket speciella kemiska föreningar, så kallade energibärare. Ett exempel på sådana föreningar är adenosintrifosfat, allmänt känt som ATP. ATP bildas när en enklare förening, adenosindifosfat (ADP), kombineras med en fosfatgrupp. Följande ekvation representerar denna förändring:
ADP + P → ATP
ADP kombineras med en fosfatgrupp, som visas här, endast om det tillförs energi. I cellerna kommer denna energi från katabolismen av föreningar i den metaboliska poolen, t.ex. sockerarter, glycerol och fettsyror. Med andra ord:
katabolism: socker → koldioxid + vatten + energi;
energi från katabolism + ADP + P → ATP
Den ATP-molekyl som bildas på detta sätt har alltså tagit upp den energi som tidigare lagrats i sockermolekylen. När en cell behöver energi för någon process kan den få den från en ATP-molekyl.
Den omvända processen som visas ovan äger också rum inuti cellerna. Det vill säga, energi från en ATP-molekyl kan användas för att sätta ihop enklare molekyler till mer komplexa molekyler. Anta till exempel att en cell behöver reparera ett brott i sin cellvägg. För att göra det måste den producera nya proteinmolekyler. Dessa proteinmolekyler kan tillverkas av aminosyror i den metaboliska poolen. En proteinmolekyl består av hundratals eller tusentals aminosyramolekyler som är sammanfogade med varandra:
Aminosyra 1 + aminosyra 2 + aminosyra 3 + (och så vidare) → ett protein
Den energi som behövs för att bilda alla de nya kemiska bindningar som behövs för att hålla ihop aminosyreenheterna kommer från ATP-molekyler. Med andra ord:
energi från ATP + många aminosyror → proteinmolekyl
De reaktioner genom vilka en förening metaboliseras skiljer sig åt för olika näringsämnen. Dessutom kan andra energibärare än ATP vara inblandade. Till exempel är den förening som kallas nikotinamidadenin-dinukleotidfosfat (NADPH) också inblandad i katabolism och anabolism av olika ämnen. Den allmänna översikt som visas ovan gäller dock för alla metaboliska reaktioner.