metabolizm

Metabolizm, przemiana materii – całokształt zachodzących w żywych organizmach reakcji chemicznych i związanych z nimi przemian energetycznych, które warunkują prawidłowy przebieg procesów życiowych tych organizmów, m.in. pobieranie i asymilację niezbędnych substancji odżywczych z otoczenia, oddychanie, wydalanie zbędnych produktów przemiany materii, utrzymywanie równowagi wewnętrznej organizmu (homeostazy), reakcje na zmiany zachodzące w środowisku zewnętrznym, poruszanie się, wzrost i rozmnażanie. Metabolizm obejmuje reakcje anaboliczne polegające na syntezie złożonych związków chemicznych ze związków prostych, wymagające dostarczenia energii z zewnątrz (tzw. reakcje endoergiczne) (m.in. synteza glukozy z dwutlenku węgla i wody w procesie fotosyntezy, biosynteza białek, biosynteza kwasów tłuszczowych) i reakcje kataboliczne polegające na rozpadzie złożonych związków chemicznych na związki proste, przebiegające z wydzieleniem energii do otoczenia (tzw. reakcje egzoergiczne) (np. oddychanie tlenowe, oddychanie beztlenowe, fermentacja, β-oksydacja kwasów tłuszczowych). Reakcje metaboliczne przebiegające w organizmach żywych powiązane są wzajemnie w określone szlaki bądź cykle metaboliczne, podlegające ścisłej kontroli (m.in. poprzez regulację aktywności enzymów). Zaburzenia przebiegu szlaków bądź cykli metabolicznych stanowią przyczynę chorób metabolicznych, uniemożliwiających prawidłowe funkcjonowanie organizmu (cukrzycy, osteoporozy, dny moczanowej, zespołu metabolicznego, alkaptonurii, fenyloketonurii, hipercholesterolemii i galaktozemii).

Szlaki i cykle metaboliczne

Metabolizm określany również mianem przemiany materii, stanowi całokształt zachodzących z żywych organizmach reakcji chemicznych oraz związanych z nimi przemian energetycznych, które warunkują prawidłowy przebieg procesów życiowych tych organizmów, jak pobieranie ze środowiska zewnętrznego otoczenia i przyswajanie (asymilacja) niezbędnych substancji pokarmowych (energetycznych i budulcowych), oddychanie (pobieranie tlenu ze środowiska zewnętrznego i usuwanie dwutlenku węgla), wydalanie zbędnych lub szkodliwych produktów przemiany materii (np. mocznika, kwasu moczowego, urobilinogenu), utrzymanie równowagi wewnętrznej (homeostazy), reagowanie na zmiany zachodzące w środowisku zewnętrznym, poruszanie się, wzrost i rozmnażanie. Metabolizm obejmuje reakcje anaboliczne (anabolizm) polegające na syntezie złożonych związków chemicznych ze związków prostych, wymagające dostarczenia energii z zewnątrz (reakcje endoergiczne) (m.in. fotosynteza, biosynteza białek, biosynteza kwasów tłuszczowych, wiązanie azotu atmosferycznego przez sinice i bakterie azotowe) i reakcje kataboliczne (katabolizm), polegające na rozpadzie złożonych związków chemicznych na związki proste przebiegającym z wydzieleniem energii do otoczenia (reakcje egzoergiczne) (m.in. oddychanie komórkowe, fermentacja, utlenianie kwasów tłuszczowych).

Reakcje metaboliczne zachodzące w organizmach żywych powiązane są wzajemnie w szlaki lub cykle metaboliczne. Szlak metaboliczny, prowadzący do powstania określonego produktu (metabolitu), stanowi ciąg zachodzących kolejno po sobie reakcji chemicznych, w których produkt jednej reakcji jest substratem dla następnej reakcji chemicznej. Cykl metaboliczny jest swoistym rodzajem przebiegającego cyklicznie szlaku metabolicznego, polegającego na odtworzeniu wyjściowego substratu tego szlaku w wyniku zachodzących kolejno po sobie reakcji chemicznych. Szlaki uwalniające energię podczas rozkładu cząsteczek złożonych do cząsteczek prostszych określane są mianem szlaków katabolicznych (szlaków rozpadu); szlaki wykorzystujące energię do syntezy cząsteczek złożonych z cząsteczek prostszych określane są mianem szlaków anabolicznych (szlaków syntezy). Szlaki kataboliczne są przeważnie szlakami o charakterze amfibolicznym; metabolity pośrednie i końcowe tych szlaków (m.in. glikolizy, cyklu Krebsa, szlaku pentozofosforanowego) są substratami dla szlaków anabolicznych. Szlaki i cykle metaboliczne przebiegające w organizmach żywych podlegają bardzo ścisłej kontroli poprzez regulację ilości i aktywności enzymów katalizujących określone reakcje chemiczne oraz przestrzenne rozmieszczenie procesów metabolicznych w komórce (w cytoplazmie bądź organellach komórkowych). Duże znaczenie w regulacji metabolizmu mają również hormony, substancje drobnocząsteczkowe (m.in. cykliczny AMP, jony wapnia) oraz czynniki zewnętrzne (np. światło, temperatura, zawartość tlenu i dwutlenku węgla w powietrzu atmosferycznym).

Reakcje anaboliczne (anabolizm)

Reakcje anaboliczne, określane również mianem anabolizmu, są reakcjami endoergicznymi wymagającymi dostarczenia energii z zewnątrz, głównie energii chemicznej zmagazynowanej w wysokoenergetycznych wiązaniach głównego przenośnika energii w komórkach żywych organizmów, czyli adenozynotrifosforanu (ATP) bądź przenośników o mniejszym znaczeniu biologicznym (m.in. guanozynotrifosforanu, GTP). Energia chemiczna wykorzystywana jest przez organizmy żywe do procesów syntezy cząsteczek złożonych związków organicznych z cząsteczek prostszych, takich jak:

• synteza glukozy z dwutlenku węgla i wody przy udziale energii świetlnej w procesie fotosyntezy (rośliny, fotosyntetyczne bakterie i protisty) bądź energii z utleniania prostych związków nieorganicznych (np. amoniaku, azotanów (III), siarkowodoru, siarki pierwiastkowej, tiosiarczanów, wodoru, soli żelaza) i związków organicznych (np. metanu) w procesie chemosyntezy (bakterie nitryfikacyjne, bakterie siarkowe, bakterie wodorowe, bakterie żelazowe, metanotrofy);
• biosynteza glukozy z prekursorów niewęglowodanowych (np. aminokwasów, glicerolu, mleczanów) (glukoneogeneza);
• biosynteza białek z aminokwasów;
• biosynteza lipidów z jednostek acetylokoenzymu A (acetylo-CoA);
• biosynteza kwasów nukleinowych z nukleotydów
• biosynteza alkaloidów z aminokwasów (rośliny);
• wiązanie azotu atmosferycznego z powietrza (sinice i bakterie azotowe).

 
Produkty reakcji anabolicznych (np. węglowodany, tłuszcze) wykorzystywane są przez organizmy żywe jako substraty energetyczne, dostarczające energii do podstawowych procesów życiowych (m.in. odżywiania się, oddychania, wydalania, poruszania się, wzrostu oraz rozmnażania). Związki te uczestniczą w licznych szlakach metabolicznych (np. glikolizie, cyklu kwasu cytrynowego, szlaku pentozofosforanowym, proteolizie, lipolizie, hydrolizie kwasów nukleinowych). Są kluczowymi związkami budulcowymi umożliwiającymi procesy wzrostu i rozwoju komórek i tkanek organizmów żywych. Metabolity szlaków anabolicznych odkładane są w komórkach roślinnych i zwierzęcych i wykorzystywane jako materiały zapasowe (np. skrobia w komórkach roślinnych, glikogen w komórkach zwierzęcych). 

Reakcje kataboliczne (katabolizm)

Reakcje kataboliczne, określane również mianem katabolizmu, są reakcjami egzoergicznymi przebiegającymi z uwolnieniem energii do otoczenia, której główna część magazynowana jest w wiązaniach wysokoenergetycznych adenozynotrifosforanu (ATP) i wykorzystywana jako źródło energii dla szlaków anabolicznych bądź pracy komórkowej (m.in. aktywnego transportu substancji przez błony komórkowe), a pozostała część energii ulega rozproszeniu w postaci ciepła. Reakcje kataboliczne, czyli reakcje rozpadu cząsteczek złożonych związków organicznych (substratów energetycznych, np. glukozy, kwasów tłuszczowych) na związki prostsze, obejmują następujące procesy:

• oddychanie tlenowe – rozkład glukozy do dwutlenku węgla i wody przy udziale tlenu, przebiegający z wydzieleniem energii (ATP); składa się z glikolizy (rozkładu glukozy), reakcji pomostowej (syntezy acetylo-CoA), cyklu kwasu cytrynowego i fosforylacji oksydacyjnej (łańcucha transportu elektronów i chemiosmozy – syntezy ATP), charakterystyczny dla organizmów tlenowych (aerobów
• oddychanie beztlenowe – rozkład glukozy do dwutlenku węgla i wody bez udziału tlenu, w którym powstaje energia magazynowana w ATP; tlen w łańcuchu transportu elektronów zastępują proste związki nieorganiczne (np. azotany, siarczany, związki żelaza lub manganu), charakterystyczny dla organizmów beztlenowych (anaerobów, np. bakterii, protistów, grzybów, i pasożytów wewnętrznych);
• fermentacja – proces rozkładu glukozy do dwutlenku węgla i złożonych związków organicznych, np. etanolu (fermentacja alkoholowa), kwasu mlekowego (fermentacja mlekowa) lub kwas masłowy (fermentacja masłowa) bez udziału tlenu, przebiegający z wydzieleniem energii (ATP), charakterystyczny dla bakterii i drożdży zasiedlających środowisko stale lub okresowo pozbawione tlenu.

Reakcje kataboliczne polegające na rozpadzie substratów energetycznych (węglowodanów, białek i lipidów), w wyniku którego do otoczenia uwalniana jest energia zmagazynowana w wysokoenergetycznych wiązaniach adenozynotrifosforanu (ATP) stanowią główne źródło energii napędzającej liczne reakcje anaboliczne (biosyntezę związków organicznych) oraz wszelkie procesy życiowe organizmów żywych. Metabolity pośrednie i końcowe szlaków katabolicznych o charakterze amfibolicznym (np. glikolizy, cyklu kwasu cytrynowego) są substratami wyjściowymi dla wielu szlaków anabolicznych (m.in. cyklu Calvina-Bensona, biosyntezy lipidów, biosyntezy aminokwasów).

Zaburzenia metabolizmu

Zakłócenia w przebiegu określonych szlaków bądź cykli metabolicznych stanowią przyczynę chorób metabolicznych, które uniemożliwiają prawidłowe funkcjonowanie organizmu bądź mogą (w niektórych jednostkach chorobowych) prowadzić do śmierci. Choroby metaboliczne spowodowane są głównie zaburzeniami ogółu przemian metabolicznych w organizmie bądź zaburzeniami poszczególnych etapów szlaków lub cykli metabolicznych, które wynikają z braku, niedoboru lub nieprawidłowej konformacji enzymów katalizujących określone reakcje chemiczne. Skutkiem zaburzeń jest odkładanie się nadmiernej ilości substratów wyjściowych, całkowity brak lub niedobór metabolitów pośrednich i końcowych bądź synteza produktów różniących się strukturalnie i funkcjonalnie od produktów prawidłowych. Choroby te mogą być związane z wadami genetycznymi (wrodzone choroby metaboliczne, np. alkaptonuria, fenyloketonuria, hipercholesterolemia, galaktozemia) bądź wynikać ze zmian chorobowych wywołujących zakłócenia prawidłowego przebiegu procesów przemiany materii (nabyte choroby metaboliczne, np. cukrzyca, dna moczanowa, osteoporoza, zespół metaboliczny).

Alkaptonuria, polegająca na gromadzeniu się w organizmie kwasu homogentyzynowego (alkaptonu) – produktu rozkładu fenyloalaniny i tyrozyny wskutek braku metabolizującego ten związek enzymu – oksygenazy homogentyzynianowej, prowadzi do ciemnienia moczu, zwyrodnienie stawów i ochronozy (gromadzenia się pigmentu w skórze i tkankach narządów wewnętrznych, przyczyniające się do ich uszkodzenia). Fenyloketonuria, spowodowana gromadzeniem się fenyloalaniny w organizmie wskutek braku enzymu przekształcającego ten aminokwas w tyrozynę – hydroksylazy fenyloalaninowej, prowadzi do uszkodzenia układu nerwowego. Hipercholesterolemia, cechująca się brakiem bądź upośledzeniem czynności receptorów dla cholesterolu LDL, zwiększa ryzyko miażdżycy i zawału serca poprzez znaczne podwyższenie stężenia tego sterolu we krwi. Galaktozemia, spowodowana brakiem enzymu metabolizującego galaktozę (galaktozo-1-fosforanourydylo-transferazy), przyczynia się do nadmiernego gromadzenia się tego cukru, prowadząc do zaćmy i zaburzeń neurologicznych.

Cukrzyca, zaburzenie przemiany węglowodanów wynikające z niedoboru lub całkowitego braku insuliny bądź utraty zdolności receptorów insulinowych komórek docelowych do wiązania insuliny, objawia się wzrostem stężenia glukozy we krwi. Cukrzyca prowadzi m.in. do chorób układu krążenia (zawału mięśnia sercowego, udaru mózgu, stopy cukrzycowej, retinopatii cukrzycowej), zaburzeń metabolicznych (np. kwasicy) oraz spadku odporności. Dna moczanowa, wynikająca z zaburzeń metabolizmu puryn, objawia się bólami stawowymi wywołanymi odkładaniem się nadmiernych ilości kwasu moczowego (produktu przemian metabolicznych tych zasad azotowych) w stawach i tkankach okołostawowych. Osteoporoza, związana z zaburzeniami metabolizmu jonów wapniowych, przyczynia się do osłabienia odporności mechanicznej kości i zwiększenia ich podatności na urazy. Zespół metaboliczny, wywołany zaburzeniami metabolizmu węglowodanów i lipidów, zwiększa ryzyko rozwoju chorób sercowo-naczyniowych (m.in. nadciśnienia tętniczego, miażdżycy i cukrzycy).