Metabolizam

Metabolizam se deli na anabolizam odnosno biosintezu (stvaranje) kompleksnih organskih molekula i na katabolizam koji je obrnuti proces od anabolizma, a to je razdvajanje kompleksnih organskih jedinjenja u jednostavnija jedinjenja. Sveukupni biohemijski procesi u jednom organizmu se jednom rečju nazivaju metabolizam. Bez metabolizma mi ne bismo mogli da preživimo.

Metabolizam je set hemijskih transformacija kojima se održava život u ćelijama. Ove reakcije su katalizovane enzimima. One omogućavaju organizmima da rastu i da se reprodukuju, održe svoje strukture, i odgovore na stimulust iz okoline. Reč metabolizam se isto takom može odnositi na sve hemijske reakcije koje se odvijaju u živim organizmima, uključujuću varenje i transport supstanci u i između različith ćelija, u kom slučaju se set reakcija unutar ćelija naziva intermedijarni metabolizam.

Hemijske reakcije metabolizma su organizovane u metaboličke puteve, u kojima se jedna hemikalija transformiše putem serije koraka u drugu hemikaliju, posredstvom sekvence enzima. Enzimi su od presudnog značaja za metabolizam, zato što oni omogućavaju organizmima odvijanje željenih reakcija sa visokom energijom aktivacije koje se ne bi spontano odvijale. To se obično ostvaruje putem sprezanja tih reakcija sa spontanim reakcijama u kojima se otpušta energija. Enzimi deluju kao katalizatori koji omogućavaju reakcijama da brže teku. Enzimi isto tako omogućavaju regulaciju metaboličkih puteva u odgovoru na promene u ćelijskom okruženju ili na signale iz drugih ćelija.

Metabolički sistem datog organizma određuje koje supstance će biti hranljive, a koje će biti otrovne. Na primer, neke prokariote koriste vodonik sulfid kao nutrijent, dok je taj gas otrovan za životinje. Brzina metabolizma, metabolička stopa, utiče na količinu hrane koja je neophodna organizmu, a isto tako utiče i na način na koji organizam dolazi do hrane.

Upadljiva odlika metabolizma je sličnost osnovnih metaboličkih puteva i njihovih komponenti, čak i između veoma različitih vrsta. Na primer, grupa karboksilnih kiselina koje su najbolje poznate kao intermedijeri ciklusa limunske kiseline je prisutna u svim poznatim organizmima, od jednoćelijske bakterije Escherichia coli do ogromnih višećelijskih organizama, kao što su slonovi. Te upadljive sličnosti metaboličkih puteva su verovatno posledica njihove rane pojave tokom evolucione istorije, i zadržavanja zvog njihove efikasnosti.

 

Većina struktura od kojih se sastoje životinje, biljke i mikrobi su napravljene od tri osnovne klase molekula: aminokiselina, ugljeni hidrati i lipidi (koji se često nazivaju mastima). Pošto su ti molekuli vitalni za život, metaboličke reakcije su usredsređene bilo na pravljenje tih molekula tokom konstrukcije ćelija i tkiva, ili na njihovo razlaganje, pri čemu se oni koriste kao izvori energije, putem varenja. Te biohemikalije mogu da budu spojene u polimere kao što su DNK i proteini, esencijalni makromolekuli života.

Aminokiseline i proteini

Proteini se sastoje od aminokiselina uređenih u linearne lance spojene peptidnim vezama. Mnogi proteini su enzimi koji katalizuju hemijske reakcije metabolizma. Drugi proteini imaju strukturne i mehaničke funkcije, kao što su oni koji formiraju citoskeleton, sistem kojim se održava ćelijski oblik. Proteini su isto tako važni u ćelijskoj signalizaciji, imunskom responsu, ćelijskoj adheziji, aktivnom transportu kroz membrane, i ćelijskom ciklusu. Aminokiseline isto tako doprinose ćelijskom energetskom metabolizmu tako što služe kao izvor ugljenika za ulaz u cilus limunske kiseline (Krebsov ciklus), što je posebno značajno kad su primarni izvori energije, kao što je glukoza oskudni, ili kad ćelije podležu metaboličkom stresu.

Lipidi

Lipidi su najraznovrsnija grupa biohemikalija. Njihova glavna strukturna ulaga je kao komponenta bioloških membrana, unutrašnjih i spoljašnjih, kao što je ćelijska membrana, ili kao izvor energije. Lipidi se obično definišu kao hidrofobni ili amfifilni biološki molekuli, mada se rastvaraju u organskim rastvaračima kao što je benzen ili hloroform. Masti su grupa velikih jedinjenja koja sadrže masne kiseline i glicerol; molekul glicerola vezan za tri masne kiseline je estar koji se zove triacilglicerid. Postoji nekoliko varijacija ove bazne strukture, uključujući alternativne osnove kao što je sfingozin u sfingolipidima, i hidrofilne grupe kao što su fosfati u fosfolipidima. Steroidi kao što je holesterol su još jedna važna klasa lipida.

Ugljeni hidrati

 

Ugljeni hidrati su aldehidu ili ketoni, sa nekoliko vezanih hidroksilnih grupa, koji mogu da postoje kao otvoreni lanci ili prstenovi. Ugljeni hidrati su najrasprostranjeniji biološki molekuli. Oni vrše brojne uloge, kao što je skladištenje i transport energije (skrob, glikogen) i kao strukturne komponente (celuloza u biljkama, hitin kod životinja). Osnovne ugljeno hidratne jedinice se nazivaju monosaharidima i obuhvataju galaktozu, fruktozu, i glukozu. Monosaharidi mogu da budu povezani u polisaharide na skoro neograničen broj načina.

Nukleotidi

Dve nukleinske kiseline, DNK i RNK, su polimeri nukleotida. Svaki nukleotid se sastoji od fosfata vezanog za riboznu ili deoksiribozni šećernu grupu, koja je vezana za azotnu bazu. Nukleinske kiseline su kritične za čuvanje i upotrebu genetičke informacije, i njenu interpretaciju putem procesa transkripcije i biosinteze proteina. Ta informacija je zaštićena putem mehanizma za popravku DNK i propagira se putem DNK replikacije. Mnogi virusi imaju RNK genome, na primer HIV. Oni koriste reverznu transkripciju za kreiranje DNK šablona iz svog viralnog RNK genoma. RNK u ribozimima kao što su splajseozomi i ribozomi je slična sa enzimama u smislu toga da može da katalizuje hemijske reakcije. Individualni nukleotidi su formirani vezivanjem nukleobaze za ribozni šećer. Te baze su heterociklični prstenovi koji sadrže azot, klasikovani kao purini ili pirimidini. Nukleotidi isto tako deluju kao koenzimi u reakcijama transfera metaboličkih grupa.

Koenzimi

 

Glavni članak: Koenzim

Metabolizam obuhvata širok niz hemijskih reakcija. Većina njih se može grupisati u nekoliko osnovnih tipova reakcija koje obuhvataju transfer funkcionalnih grupa atoma i njihovih veza unutar molekula. Ta zajednička hemija omogućava ćelijama da koriste malu grupu metaboličkih intermedijera da prenose hemijske grupe između različitih reakcija. Ti intermedijari koji prenose grupe se nazivaju koenzimima. Svaka klasa reakcija prenosa grupa se izvodi posredstvom specifičnog koenzima, koji je supstrat za grupu enzima koji ga proizvode, i za grupu enzima koji ga konzumiraju. Ti koenzimi se stoga stalno formiraju, konzumiraju i zatim recikliraju.

Jedan centralni koenzim je adenozin trifosfat (ATP), univerzalna energijska valuta u ćelijama. Taj nukleotid se koristi za transfer hemijske energije između različitih hemijskih reakcija. Postoji relativno mala količina ATP molekula u ćelijama, ali se oni konstantno regenerišu, ljudsko telo može da upotrebi ekvivalent svoje težine ATP molekula na dan. ATP deluje kao most između katabolizma i anabolizma. Katabolizmom se razlažu molekuli, a anabolizmom se formiraju. Kataboličke reakcije generišu ATP, a anaboličke reakcije ga konzumiraju. ATP takođe služi kao prenosnik fosfatne grupe u reakcijama fosforilacije.

 

Vitamin je organsko jedinjenje koje je neophodno u malim količinama i koje se ne može formirati u ćelijama datog organizma. U ljudskoj ishrani, većina vitamina funkcionišu kao koenzimi nakoni modifikacije; na primer, svi u vodi rastvorni vitamini su fosforilisani ili su spregnuti sa nukleotidima kad se koriste u ćelijama. Nikotinamid adenin dinukleotid (NAD⁺), derivat vitamina B₃ (niacina), je važan koenzim koji deluje kao akceptor vodonika. Stotine različitih tipova dehidrogenaza uklanjaju elektrone sa svojih substrata i redukuju NAD⁺ do NADH. Tom redukcijom se formira koenzim je zatim supstrat za bilo koju od reduktaza u ćeliji koje redujukuju svoje supstrate. Nikotinamid adenin dinukleotid postoji u dve srodne forme u ćeliji, NADH i NADPH. NAD⁺/NADH forma je važnija u kataboličkim reakcijama, dok se NADP⁺/NADPH koristi u anaboličkim reakcijama.

Minerali i kofaktori

Neorganski elementi igraju kritične uloge u metabolizmu; neki su izobilni (e.g. natrijum i kalijum), dok drugi funkcionišu u veoma malim koncentracijama. Oko 99% mase sisara se sastoji od elemenata ugljenik, azot, kalcijum, natrijum, hlor, kalijum, vodonik, fosfor, kiseonik i sumpor. Organska jedinjenja (proteini, lipidi i ugljeni hidrati) sadrže najveći deo ugljenika i azota; najveći deo kiseonika i vodonika je prisutan u obliku vode.

Izobilni neorganski elementi deluju kao jonski elektroliti. Najvažniji joni su natrijum, kalijum, kalcijum, magnezijum, hlor, fosfor i organski jon bikarbonat. Održavanjem preciznih jonskih gradijenata kroz ćelijske membrane održava se osmotski pritisak i pH. Joni su takođe kritični za funkciju nerva i mišića, pošto se akcioni potencijali u tim tkivima proizvode razmenom elektrolita između ekstracelularnog fluida i ćelijskog fluida, citozola. Elektroliti ulaze i napuštaju žive ćelije posredstvom proteina u ćelijskoj membrani zvanih jonski kanali. Na primer, kontrakcija mišića je zavisna od kretanja kalcijuma, natrijuma i kalijuma kroz jonske kanale u ćelijskoj membrani i T-tubulama.

Prelazni metali su obično prisutni kao mikroelementi organizmima, pri čemu su cink i gvožđe najzastupljeniji među njima. Ti metali se koriste u pojedinim proteinima kao kofaktori i esencijalni su za aktivnost enzima kao što su katalaze i proteina koji prenose kiseonik kao što je hemoglobin. Metalni kofaktori su snažno vezani za specifična mesta u proteinima; mada enzimski kofaktori mogu da budu modifikovani tokom katalize, oni se uvek vraćaju u svoje početno stanje na kraju katalitičke reakcije. Metalni mikronutrienti se unose u organizme posredstvom specifičnih transportera i vezuju se za skladišne proteine, kao što je feritin ili metalotionein, kad se ne koriste.

Metabolički procesi omogućuju organizmu da raste, da se razmnožava, da održava svoju strukturu i reagira na okolinu. Prema metaboličkim reakcijama, metabolizam se dijeli u dvije kategorije:

• Katabolizam kojim se razgrađuje organska tvar (npr. nakupljanje energije staničnim disanjem)
• Anabolizam koji koristi energiju za izgradnju staničnih dijelova (biosinteza organske tvari) kao što su npr. proteini i nukleinske kiseline.

Kemijske reakcije metabolizma su podijeljene u metaboličke puteve u kojima se određeni kemijski spoj pretvara u neki drugi uz pomoć enzima. Enzimi su ključni u metabolizmu zato što omogućuju organizmu da brzo i efikasno izvodi biološki poželjne, ali termodinamički nepovoljne kemijske reakcije, u kojemu enzimi djeluju kao katalizatori. Enzimi omogućuju i kontrolu metaboličkih puteva, kao odgovor na promjene u staničnoj okolini ili neki drugi podražaj.

Neki od osnovnih metaboličkih puteva u organizmu čovjeka su:

• Metabolizam vode
• Metabolizam aminokiselina koje se međusobno povezuju peptidnom vezom i oblikuju polipeptide tj. proteine
• Metabolizam ugljikohidrata
• Metabolizam masti

Metabolizam pojedinog organizma određuje koji će kemijski spojevi se koristiti kao hranjive tvari, a koji kao otrovi. Tako na primjer, neki prokarioti koriste vodikov-sulfid, kao hranjivu tvar dok je većini životinja otrov. Iznenađujuća je sličnost osnovnih metaboličkih puteva među velikim brojem vrsta. Tako na primjer karboksilna kiselina, međuprodukta u ciklusu limunske kiseline, je prisutna u svim organizmima, od bakterija kao što je Escherichia coli pa do velikih višestaničnih organizama, npr. slon.

Bazalni metabolizam je naziv za količinu energije koja je potrebna za održavanje osnovnih životnih funkcija organizma.

Katabolizam

Katabolizam je skupina metaboličkih procesa koji razgrađuju velike složene molekule. Glavna svrha razgradnje složenih molekule je dobivanje manjih molekula koje kasnije služe kao "materijal" za izgradnju složenih spojeva za potrebe organizma (anaboličke reakcije), a procesi se koristi i za dobivanje energije.

Kataboličke reakcije se razlikuju od organizma do organizma, pa se prema načinu na koji organizmi dobivaju energiju i ugljik mogu i podijeliti. Organizmi koji koriste organske molekule kao izvor energije nazivaju se organotrofni organizmi, dok litotrofni organizmi koriste anorganske spojeve, a fototrofni organizmi sunčevu svjetlost koriste kao potencijalni izvor kemijske energije. Svi ovi različiti oblici metabolizma ovise o redoks reakcijama koje uključuju prijenos elektrona s reducirane molekule donora (npr. organske molekule, voda, amonijak, vodikov sulfid ili ion željeza), na molekulu akceptor elektrona (npr. kisik, nitrat ili sulfat).

Klasifikacija organizama prema njihovom metabolizmu

Anabolizam

Anabolizam je proces stvaranja kompleksnih jedinjenja od jednostavnih organskih molekula:

Anabolizam je niz metaboličkih proces izgradnje složenih molekula, za koje se troše prekursori i energija nastala katabolizmom. Složene molekule koje uglavnom čine stanične strukture, nastaju postupno, korak po korak iz malih jednostavnih molekula. Anabolizam se odvija u tri osnovna koraka. U prvom koraku nastaju prekursori složenih molekula kao što su aminokiseline, monosaharidi, isoprenoidi i nukleotidi. U drugom koraku prekursori se aktiviraju, vezanjem energije iz ATPa, a u trećem koraku se prekurosri spajaju u složene spojeve kao što su proteini, polisaharidi, lipidi i nukleinske kiseline.

Organizmi se međusobno razlikuju prema tome koliko molekula mogu izgraditi u svojim stanicama. Autotrofni organizmi kao što su biljke mogu izgraditi složene molekule kao što su polisaharidi i proteini iz jednostavnih molekula poput ugljikov dioksid i voda (fotosinteza). Za razliku od njih, heterotrofnim organizmima potrebni su izvori složenijih molekula kao što su aminokiseline i monosaharidi, kako bi izgradile svoje složene molekule. Organizmi se mogu dalje podijeliti na fotoautotrofne i fotoheterotrofne čiji je izvor energije sunce, i na kemoautotrofne i kemoheterotrofne čiji je izvor energije reakcija oksidacije anorganskih tvari.

Metabolizam lekova

Metabolizam lekova je modifikacija ili degradacija lekova i drugih ksenobiotičkih jedinjenja putem sledećih sistema:

• Citohrom P450 oksidazni sistem
• Monooksigenazni sistem koji sadrži flavin
• Metabolizam alkohola

Azotni metabolizam podrazumeva procese u kojima se sintetiše i u kojima dolazi do ispuštanja azota iz organizama, kao i biološki proces azotnog ciklusa:

• Urea ciklus, važan proces u kome dolazi do ispuštanja azota iz organizma u obliku uree
• Biološka azotofiksacija
• Azotna asimilacija
• Nitrifikacija
• Denitrifikacija

Oksidacijska fosforilacija

U procesu oksidativne fosforilacije elektroni nastali u metaboličkim putevima kao što je npr. krebsova ciklusa prenose se na molekulu kisik pri čemu se nastala energija koristi za sintezu ATP-a. U eukariota prijenos elektrona obavlja niz proteinskih kompleksa na unutrašnjoj membrani mitohondrija. Taj niz proteina koriste energiju nastalu prijenosom elektrona za izpumpavanje protona izvan mitohondrija i čini respiratorni lanac. Proteinski kompleksi djeluju tako da prenose elektron iz jednog aktivnog mjesta u kompleksu na drugo, pri čemu u svakoj reakciji elektron gubi malu količinu energija, koje se na taj način vrlo efikasno koristi za ispumpavanje protona izvan mitohondrija. Izpumpavanjem protona nastaje na membrani mitohondrija elektrokemijski gradijent, zbog razlike u koncetraciji protona. Izpumpani protoni se vraćaju unutar mitohondrija pomoću enzima ATP sintaza koji koristi njihov protok niz gradijent sa sintezu ATP-a iz ADP-a. Taj protok se može koristiti i za drug procese u stanici.

Energija iz sunčeve svjetlosti

Energiju iz sunčeve svjetlosti biljke, određene skupine bakterija i protista, pretvaraju kemijsku energiju uz stvaranje oeganskih spojeva iz anorganske tvari u procesu fotosinteze.

Energija iz anorganskih spojeva

Kemolitotrofni organizmi su određeni prokarioti koji energiju dobivaju oksidacijom anorganskih spojeva. Ovi organizmi mogu koristiti vodik, spojeve koje sadrže reducirani sumpor (sulfid, vodikov sulfid, tiosulfat), željezo(II)-oksid ili amonijak kao elektron donore. Elektroni se u respiratornom lancu iskorištavaju za dobivanje ATP-a, dok su elektron akceptori molekule kao npr. kisik ili nitriti. Ovi procesi koji se odvijaju u mikroorganizmima mogu biti od velike važnosti kao što je npr. nitrifikacija tla.

Istorija istraživanja metabolizma proteže se kroz nekoliko stoljeća. Prvi koncept metabolizma seže iz 13. stoljeća od Ibn al-Nafisa (1213-1288), koji je ustanovi da tijelo i njegovi dijelovi su u stalnom stanju rješavanja i hranjenja, pa se stoga u tijelu odvijaju stalne promjene. Prvi kontrolirani pokus objavio je Santorio Santorio 1614.g. u svojoj knjizi Ars de statica medecina, gdje je opisao promjene svoje težine prije i poslije jela, spavanja, rada, spolnog odnosa, posta, pijenja, naprezanja. Otkrio je da većina pojedene hrane je izgubljena u procesu koji je on nazvao "insenzibilna perspiracija". U ranim istraživanjima metabolički procesi nisu otkriveni, te je živo tkivo pokretala "vitalna sila".

U 19. stoljeću je istraživanjem alkoholnog vrenja, pretvaranja šečera u alkohol pomoći gljivica, Louis Pasteur zaključio da vrenje katalizira tvar unutar gljivica koju je nazva "ferment". Dalje je zaključio da je alkoholno vrenje proces povezan za životom stanica gljivica, a ne sa smrću stanica. To otkriće, zajedno s radom Friedricha Wöhlera iz 1828.g. o kemijskoj sintezi ureje, dokazalo je da se organski spojevi i kemijske reakcije iz stanica ne razlikuju u svojim načelima od ostale kemije.

Otkriće enzima na početku 20. stoljeća (Eduard Buchner) odvojilo je istraćivanje kemijskih reakcija metabolizma od biološkog istraživanja stanice i označilo nastanak biokemije. U brojnim otkrićimaa na području biokemije u prvoj plovici 20. stoljeća, posebno se ističe ono Hansa Krebsa, otkriće ciklusa limunske kiseline.

Moderna biokemijska istraživanja danas su značajno napredovala upotrebom novih tehnika kromatografije, difrakcije x-zraka, NMR spektroskopije, radioizotopnog označavanja i elektronske mikroskopije.

• Bartov sindrom

 

Metabolizam na Wikimedijinoj ostavi

• Metabolism, Cellular Respiration and Photosynthesis Arhivirano 2005-03-16 na Wayback Machine-u The Virtual Library of Biochemistry and Cell Biology at biochemweb.org
• The Biochemistry of Metabolism Arhivirano 2013-11-22 na Wayback Machine-u
• Advanced Animal Metabolism Calculators/ Interactive Learning Tools Arhivirano 2008-06-17 na Wayback Machine-u
• Microbial metabolism Arhivirano 2013-05-24 na Wayback Machine-u Simple overview. School level.
• Metabolic Pathways of Biochemistry Arhivirano 2000-08-16 na Wayback Machine-u Graphical representations of major metabolic pathways.
• Chemistry for biologists Introduction to the chemistry of metabolism. School level.
• Sparknotes SAT biochemistry Overview of biochemistry. School level.
• MIT Biology Hypertextbook Arhivirano 2016-05-19 na Portuguese Web Archive-u Undergraduate-level guide to molecular biology.

Ljudski metabolizam

• Topics in Medical Biochemistry Guide to human metabolic pathways. School level.
• The Medical Biochemistry Page - Comprehensive resource on human metabolism.

Baze podataka

• Flow Chart of Metabolic Pathways at ExPASy
• IUBMB-Nicholson Metabolic Pathways Chart Arhivirano 2008-09-10 na Wayback Machine-u
• SuperCYP: Database for Drug-Cytochrome-Metabolism Arhivirano 2011-11-03 na Wayback Machine-u

Metabolički putevi

• Interactive Flow Chart of the Major Metabolic Pathways Arhivirano 2006-02-18 na Wayback Machine-u
• Metabolism reference Pathway Arhivirano 2009-02-23 na Wayback Machine-u
• Guide to Glycolysis Arhivirano 1999-05-08 na Wayback Machine-u School level.
• The Nitrogen cycle and Nitrogen fixation na sajtu Wayback Machine
• Downloadable guide to photosynthesis Arhivirano 2008-05-10 na Wayback Machine-u School level.
• What is Photosynthesis? Arhivirano 2007-03-31 na Wayback Machine-u Collection of photosynthesis articles and resources.