Metabolizm – całokształt reakcji chemicznych i związanych z nimi przemian energii zachodzących w żywych komórkach, stanowiący podstawę wszelkich zjawisk biologicznych. Procesy te pozwalają komórce na wzrost i rozmnażania, zarządzanie swoją strukturą wewnętrzną oraz odpowiadanie na bodźce zewnętrzne.
Reakcje chemiczne składające się na metabolizm są zorganizowane w szlaki metaboliczne, w których substraty przekształcane są najczęściej za pomocą enzymów w serii reakcji w produkty – metabolity. Enzymy pozwalają na przeprowadzanie mniej prawdopodobnych termodynamicznie reakcji, poprzez łączenie ich z odpowiednimi innymi reakcjami. Pozwalają one również na regulację szybkości zachodzenia reakcji w zależności od zmian wewnątrz komórki lub sygnałów pochodzących spoza komórki.
Szlaki metaboliczne można podzielić na dwie duże klasy: przekształcające związki chemiczne z wytworzeniem energii w postaci użytecznej biologicznie oraz wymagające dostarczenia energii, aby mogły zachodzić. Pierwsze z nich, będące reakcjami egzoenergetycznymi, w czasie których następuje przekształcanie związków organicznych w energię, nazywa się reakcjami katabolicznymi lub bardziej ogólnie katabolizmem. Drugie natomiast, będące reakcjami endoenergetycznymi czyli wymagającymi dostarczenia energii, jak tworzenie glukozy, lipidów lub białek, nazywa się reakcjami anabolicznymi lub anabolizmem.
Tempo metabolizmu określa natomiast ilość pożywienia, jaka będzie niezbędna do prawidłowego funkcjonowania danego organizmu.
Szlaki metaboliczne wykazują duże podobieństwo nawet u gatunków o niezwykle dalekim pokrewieństwie.
Katabolizm stanowi grupa reakcji chemicznych, w których następuje rozkład lub utlenianie złożonych związków organicznych do związków prostszych z uwolnieniem energii. Ich wspólnym celem jest dostarczenie energii lub substratów niezbędnych do podtrzymania procesów życiowych organizmu. Szczegółowy charakter tych procesów jest różny dla poszczególnych grup organizmów. Jednak wszystkie te formy metabolizmu mają na celu utworzenie potencjału redoks pozwalającego na przenoszenie elektronów pomiędzy zredukowanymi cząstkami a akceptorami. W metabolizmie zwierząt reakcje te prowadzą do rozkładu cząstek organicznych do prostych związków, najczęściej dwutlenku węgla i wody, z uwolnieniem energii.
Najpowszechniejszy schemat reakcji katabolicznych w organizmach zwierząt można podzielić na trzy główne etapy. Podczas pierwszego z nich duże cząsteczki substancji organicznych – białek, polisacharydów czy lipidów są trawione w układzie pokarmowym do mniejszych cząsteczek. Następnie są one transportowane do komórek i rozkładane do jeszcze prostszych związków (najczęściej acetylo-CoA), podczas czego uwalniana jest energia. Wreszcie grupa acetylowa utleniana jest do dwutlenku węgla w cyklu Krebsa podczas którego energia przenoszona jest na NADH i GTP. Powstały NADH ulega utlenieniu w łańcuchu oddechowym, wyzwalając energię przechowywaną ostatecznie w ATP. Na tym etapie protony z NADH przenoszone są na tlen co prowadzi do wytworzenia drugiego produktu pełnego utlenienia związków organicznych – wody.
Wspólną cechą szlaków katabolicznych jest rozkładanie związków organicznych do mniejszych cząsteczek, w wyniku czego uwolniona zostaje energia, w formie użytecznej dla komórki. Powstające małe cząsteczki chemiczne mogą być wykorzystane w komórce lub wydalane z niej.
Katabolizm węglowodanów polega głównie na rozkładaniu ich na mniejsze cząsteczki. Są one transportowane do komórek wkrótce po rozłożeniu do monosacharydów. Kolejnym etapem katabolicznego szlaku glukozy jest glikoliza, podczas której, z cukrów takich jak glukoza czy fruktoza powstaje kwas pirogronowy oraz energia, wiązana w ATP. Kwas pirogronowy jest elementem występującym w kilku szlakach metabolicznych, jednak zdecydowana większość jego cząsteczek jest przekształcana w acetylo-CoA i włączana w cykl kwasu cytrynowego. Mimo że podczas samego cyklu powstaje również kilka cząsteczek ATP, jego najważniejszym produktem jest NADH powstałe z NAD+ w chwili utleniania acetylo-CoA. Produktami końcowymi procesu utlenienia glukozy są cząsteczki CO2, H2O oraz energia.
Alternatywną drogą rozkładu glukozy jest szlak pentozofosforanowy, podczas którego następuje redukcja koenzymu NADPH i produkcja cukrów z grupy pentoz takich jak ryboza – cukrowy komponent kwasu nukleinowego.
W warunkach beztlenowych pirogronian redukowany jest do kwasu mlekowego za pomocą enzymu dehydrogenazy mleczanowej, utleniającej ponownie NADH do NAD+, który może być ponownie użyty w glikolizie. Drugim sposobem odtworzenia NAD+ jest dekarboksylacja pirogronianu do aldehydu octowego, a następnie jego redukcja do etanolu przez dehydrogenazę alkoholową. Oba procesy nazywane są fermentacjami.
Katabolizm tłuszczów odbywa się poprzez proces lipolizy, podczas którego uwalniane są kwasy tłuszczowe i glicerol. Glicerol przechodzi glikolizę, zaś kwasy tłuszczowe rozpadają się podczas beta-oksydacji z wytworzeniem Acetylo-CoA, wchodzącego następnie w cykl kwasu cytrynowego. Utlenianie grama kwasów tłuszczowych wyzwala więcej energii niż utlenianie tej samej ilości glukozy, ponieważ węglowodany zawierają w swych strukturach więcej tlenu.
Aminokwasy mogą być użyte jako materiał do budowania białek i innych cząsteczek, lub też – po utlenieniu do mocznika, wody i dwutlenku węgla – jako źródło energii. Proces oksydacji zaczyna się od usunięcia grupy aminowej podczas transaminacji. Wchodzi ona w cykl mocznikowy, pozostawiając szkielet węglowy w postaci ketokwasu. Niektóre z tych kwasów pełnią później różne role w cyklu kwasu cytrynowego, na przykład deaminują glutaminian – kwas alfa-ketoglutarowy]. Aminokwasy glukogenne mogą również przekształcić się w glukozę w procesie glukoneogenezy.
Anabolizm – grupa reakcji chemicznych, w wyniku których z prostych substratów powstają związki złożone, gromadzące energię. Jest to ta część metabolizmu, która związana jest ze wzrostem tkanek organizmu. Często procesy metaboliczne dzieli się na anaboliczne (wzrostowe) i kataboliczne (związane z rozkładem i zanikaniem materii organicznej).
Anabolizm to reakcje syntez związków bardziej złożonych z prostszych, wymagające dostarczenia energii. Energia ta umożliwia podniesienie poziomu energetycznego związków w czasie procesu chemicznego. Powstający w ten sposób produkt rekcji zawiera większą ilość energii, niż substraty. Dostarczona energia zostaje zmagazynowana w postaci wiązań chemicznych.
Procesy anaboliczne prowadzą do tworzenia i wzrostu organów i tkanek, są więc związane z ogólnym wzrostem masy i rozmiarów ciała. Typowymi przykładami tego rodzaju procesów jest wzrost siły i masy mięśni, rozrost szkieletu, rośnięcie włosów i paznokci. Jest to przeciwieństwo katabolizmu.
Zazwyczaj oba procesy pozostają z sobą w dynamicznej równowadze. W okresie wzrostu młodych organizmów stałą przewagę mają procesy anaboliczne, natomiast w sytuacji niedożywienia, ostrego stresu czy nadmiernego wysiłku fizycznego górę mogą okresowo wziąć procesy kataboliczne.
Ze względu na to, że pojedyncze komórki tworzące tkanki nie mogą jednocześnie realizować procesów anabolicznych i katabolicznych, w organizmach ludzi występują specjalne hormony (anaboliczne i kataboliczne), które sterują tymi procesami, poprzez "przełączanie" komórek w tryb anaboliczny lub kataboliczny, za pomocą interakcji ze specjalnymi receptorami rozsianymi na powierzchni ich błon komórkowych. Do hormonów anabolicznych zaliczają się m.in.:
Do hormonów katabolicznych zaliczają się natomiast:
Węglowodany i glikany
W anabolizmie węglowodanów proste kwasy organiczne mogą być przekształcane w monosacharydy takie jak glukoza, a następnie łączone w polisacharydy – na przykład skrobię. Synteza glukozy ze związków takich jak kwas pirogronowy, kwas mlekowy, glicerol, aldehyd 3-fosfoglicerynowy i aminokwasy zwana jest glukogenezą. Podczas tego procesu, w niektórych etapach powiązanego z glikolizą, kwas pirogronowy przekształcany jest do glukozo-6–fosforanu za pomocą szeregu reakcji. Jakkolwiek, nie jest to zwykłe odwrócenie procesu glikolizy, ponieważ pewne reakcje katalizowane są przez enzymy nieglikolityczne. Jest to ważne, ponieważ tworzy rozdział między tworzeniem i rozpadem glukozy oraz nie dopuszcza do jednoczesnego przebiegu obu tych procesów.
Mimo że tłuszcze są typowym związkiem magazynującym energię, u kręgowców takich jak człowiek kwasy tłuszczowe nie mogą być przetworzone na glukozę w procesie glukogenezy, ponieważ organizmy te nie potrafią przekształcać acetylo-CoA do kwasu pirogronowego. W związku z tym długotrwały głód zmusza organizmy kręgowców do produkcji ciał ketonowych zastępujących glukozę w organach takich jak mózg, które nie potrafią metabolizować kwasów tłuszczowych.
Polisacharydy i glikany powstają w wyniku sekwencyjnego dołączania monosacharydów przez enzym – glikozylotransferazę – od reaktywnego donora (np. urydynodifosforanu) do akceptora grup hydroksylowych na powstającym polisacharydzie. Jako że każda z grup hydroksylowych pierścienia monosacharydu może być akceptorem, łańcuchy polisacharydów mają często rozgałęzioną strukturę.
Kwasy tłuszczowe, izoprenoidy i steroidy
Kwasy tłuszczowe powstają dzięki syntazie kwasów tłuszczowych, enzymowi polimeryzującemu i redukującemu jednostki acetylo-CoA. Ich łańcuchy acylowe są przedłużane w toku reakcji dołączania grup acylowych, redukowania ich do alkoholu, dehydratacji do grupy alkenowej i ponownej redukcji do alkanu.
Terpeny i izoprenoidy stanowią liczną grupę lipidów, w skład której wchodzą m.in. karotenoidy; tworzą one najliczniejszą klasę naturalnych produktów roślinnych. Związki te powstają w procesie łączenia i modyfikowania jednostek izoprenowych dostarczanych przez pirofosforan izopentylu i pirofosforan dimetylallilu[75]. Owe pirofosforany mogą powstawać na różne sposóby. U zwierząt i archeobakterii są syntezowane w szlaku kwasu mewalonowego z cząsteczek acetylo-CoA[76], podczas gdy u roślin i bakterii szlak niemewalanowy używa jako substratów kwasu pirogronowego i aldehydu 3-fosfoglicerynowego[77][75]. Jedną z ważniejszych reakcji jakim ulegają owe donory izoprenu jest reakcja biosyntezy steroidów. Jednostki izoprenowe łączą się tu tworząc skwalen, a następnie są przekształcane w grupę pierścieni lanosterolu[78]. Ten może następnie być przekształcony w inne steroidy, np. cholesterol czy ergosterol[79][78].
Białka
Poszczególne organizmy mogą różnić się pod względem umiejętności syntezy 20 podstawowych aminokwasów. Większość bakterii i rośliny może syntezować wszystkie z nich, jednak ssaki posiadają zdolność syntezy jedynie 10. Pozostałe 10 aminokwasów, niezbędnych dla funkcjonowania organizmu, musi być dostarczane wraz z pożywieniem. Wszystkie one powstają dzięki procesom glikolizy, cyklu kwasu cytrynowego lub szlaku pentozofosforanowego. Azot dostarczany jest przez kwas glutaminowy i glutaminę. Synteza aminokwasów uzależniona jest od uformowania się odpowiednich cząsteczek alfa-ketokwasów, przechodzących w aminokwasy po transaminacji.
Aminokwasy przechodzą w białka w procesie łączenia ich wiązaniami peptydowymi w łańcuchy. Każde białko posiada unikalną sekwencję aminokwasów. Aminokwasy przed połączeniem muszą zostać aktywowane poprzez połączenie z cząsteczką tRNA za pomocą wiązania estrowego. Aminoacyl-tRNA powstaje w zależnej od ATP reakcji katalizowanej przez enzym – syntazę aminoacylu tRNA[81]. Ten aminoacyl-tRNA jest następnie włączany do powstającego łańcucha białkowego według informacji zawartej w mRNA[82].
Synteza i utylizacja nukleotydów.
Nukleotydy powstają z aminokwasów, dwutlenku węgla i kwasu mrówkowego w procesach wymagających dużej ilości energii metabolicznej[83]. Z tego powodu większość organizmów wykształciła mechanizmy powtórnego wykorzystywania nukleotydów[83][84]. Puryny syntezowane są tak jak nukleozydy. Zarówno adenina, jak i guanina powstają z pierwotnego nukleozydu inozyny, tworzonego z aminokwasów glicyny i glutaminy oraz kwasu asparaginowego i jonów mrówczanowych pochodzących z koenzymu tetrahydrofolianu. Pirymidyny zaś syntezowane są z kwasu orotowego, który powstaje z glutaminy i kwasu asparaginowego[85].
Ponieważ środowisko większości organizmów podlega nieustannym zmianom, reakcje metaboliczne muszą być dokładnie regulowane dla utrzymania w komórce stanu stałości warunków zwanego homeostazą[98][99]. Regulacja metaboliczna pozwala również organizmom na odpowiadanie na bodźce zewnętrzne oraz warunkuje interakcję ze środowiskiem[100]. Dla zrozumienia mechanizmów regulacji szlaków metabolicznych niezbędne są definicje dwóch kluczowych pojęć. Po pierwsze, "regulacja" szlaku przez enzym to sposób, w jaki tempo jego przebiegu wzrasta lub spada w odpowiedzi na bodźce. Po drugie, "kontrola" sprawowana przez enzym to efekt, jaki zmiany te wywierają na ogólny przebieg szlaku[101]. Dla przykładu, enzym wykazujący zdolność znacznej modyfikacji aktywności nie będzie uwzględniony jako enzym kontrolujący dany szlak, jeśli ta modyfikacja aktywności wywierać będzie niewielki wpływ na ciąg procesów w tym szlaku[102].
Regulacja metabolizmu zachodzi na wiele sposobów. Podstawowa regulacja szlaku metabolicznego jest polega na automatycznej odpowiedzi na zmianę stężenia substratów; przykładowo, zmniejszenie ilości produktów może – dla równowagi – przyspieszyć przebieg reakcji[101]. Często w ten sposób zachodzi regulacja allosteryczna aktywności poszczególnych enzymów szlaku[103]. Regulacja zewnętrzna wywołuje zmiany w metabolizmie komórki za pomocą sygnałów pochodzących z innych komórek; sygnały te mają zwykle postać rozpuszczalnych w wodzie substancji, takich jak hormony i czynniki wzrostu i są odbierane przez określone receptory na powierzchni komórki[104]. Są one następnie przekazywane do wnętrza komórki przez wewnętrzny łańcuch przekazywania sygnału, m.in. za pośrednictwem fosforylacji białek[105].
Przykładem bardzo dobrze poznanego mechanizmu regulacji zewnętrznej jest wpływ insuliny na metabolizm glukozy[106]. Insulina jest hormonem produkowanym w odpowiedzi na podwyższenie poziomu glukozy w organizmie. Łączenie się hormonu zreceptorem insulinowym aktywuje grupę kinaz białkowych, które pobudzają komórki do pobierania glukozy z krwi i przekształcania jej w substancje zapasowe (na przykład kwasy tłuszczowe i glikogen[107]. Metabolizm glikogenu jest z kolei kontrolowany przezfosforylazę, enzym rozbijający glikogen, oraz tworzącą go syntazę glikogenu. Enzymy te są regulowane w sposób obustronny – fosforylacja dezaktywują syntazę glikogenu, aktywując jednocześnie fosforylazę. Insulina wywołuje syntezę glikogenu poprzez aktywację fosfatazy białkowej i hamowanie fosforylacji wymienionych enzymów[108].
Szlak metaboliczny – szereg następujących po sobie reakcji biochemicznych, w których produkt jednej reakcji jest substratem kolejnej. Reakcje szlaków są zwykle katalizowane przezenzymy, oraz podlegają ścisłej kontroli. W skali całego organizmu reakcje metaboliczne regulowane są przez hormony.
W komórkach organizmów żywych istnieje wiele szlaków metabolicznych:
część z nich przekształcaniu związków bardziej złożonych do mniej złożonych z jednoczesnym wytworzeniem energii użytecznej metabolicznie; szlaki dostarczające energii określa się jako szlaki kataboliczne
zestawy reakcji, które prowadzą do wytworzenia bardziej złożonych związków chemicznych, wymagające jednocześnie dostarczenia energii określa się jako szlaki anaboliczne
pewne szlaki metaboliczne mogą prowadzić do wytworzenia cząsteczek prostszych lub związków chemicznych bardziej złożonych zależnie od stanu energetycznego komórki; tego rodzaju szlaki określa się jako szlaki amfiboliczne
Szlaki metaboliczne zachodzące w komórce mogą posiadać część wspólną w postaci jednej lub wielu reakcji, a zachodzenie jednego ze szlaków metabolicznych jest zwykle uzależnione od zachodzenia pozostałych. Dlatego często przedstawianie metabolizmu komórki lub organizmu ma postać mapy metabolicznej.
Zachodzenie obok siebie wielu reakcji biochemicznych, często o zupełnie odwrotnych skutkach jest możliwe tylko dzięki ścisłej kontroli metabolizmu w każdej żywej komórce. Reakcje biochemiczne zachodzą w obecności szczególnych katalizatorów – enzymów. Metabolizm komórki podlega kontroli poprzez:
regulowanie ilości enzymów
regulowanie ich katalitycznej aktywności
oraz przestrzenne udzielenie zachodzących reakcji.
Regulowanie ilości enzymów odbywa się dzięki zmianom szybkości transkrypcji genów kodujących poszczególne enzymy.
Regulacja aktywności enzymów odbywa się poprzez ich modyfikację kowalencyjną, polegającą najczęściej na odwracalnej fosforylacji, która może zwiększać lub zmniejszać aktywność enzymu.
Innym sposobem zmian aktywność jest kontrola allosteryczna polegająca na zmianie aktywności przez związki chemiczne, najczęściej biorące udział w cyklu reakcji składających się na szlak metaboliczny.
Ostatnim sposobem na regulację jest podział komórki na wiele izolowanych przedziałów – tzw. kompartmentacja komórki. Kompartmenty utworzone są przez system błon białkowo-lipidowych w komórce eukariotycznej wyraźnie oddzielone pozostają mitochondria, chloroplasty, czy jądro komórkowe; jednak cytoplazma także podzielona jest przez siateczkę śródplazmatyczną na wiele przedziałów o ograniczonej możliwości przemieszczania substancji. Kompartmentacja komórki umożliwia kontrolę zachodzących w niej reakcji biochemiczny w najprostszy sposób – poprzez limitowanie dostępności substratów dla zachodzących w odpowiednich przedziałach komórki szlaków metabolicznych.
Reakcje chemiczne mogą zachodzić spontanicznie jedynie, gdy zmiana energii swobodnej ma wartość ujemną. Prościej podczas zachodzenia reakcji musi być uwalniana energia.
Reakcja:
A + B → D
dla której zmiana energii swobodnej wyniesie ΔG°'= -23 kJ mol-1 zajdzie.
A reakcja:
D + E → F
dla której zmiana energii swobodnej wyniesie ΔG°'= +23 kJ mol-1 nie zajdzie.
W reakcjach składających się na szlaki anaboliczne występują jednak reakcje które przy uwzględnianiu zmian energii swobodnej podstawowych produktów i substratów nie powinny zachodzić. Przykładem reakcji termodynamicznie niekorzystnej jest:
1. pirogronian + CO2 → szczawiooctan
Reakcja taka jednak w organizmach zachodzi. Jest to możliwe dzięki połączeniu reakcji termodynamicznie niekorzystnej z reakcją termodynamiczne korzystną tak aby całkowita zmiana energii swobodnej była ujemna. W komórkach obecny jest uniwersalny nośnik energii, który przenosząc energię pomiędzy reakcjami umożliwia zajście dowolnej reakcji. Nośnikiem energii w komórkach jest ATP. Hydroliza tego związku wg reakcji
2. ATP + H2O → ADP + Pi + H+
prowadzi do uwolnienia energii ΔG°'= -30,5 kJ mol-1. Dzięki temu połączenie reakcji 1. i 2. daje w efekcie reakcję korzystną termodynamicznie.
pirogronian + ATP + H2O → szczawiooctan + ADP + Pi + H+
Energia uwolniona podczas hydrolizy ATP umożliwia zajście wielu reakcji w szlakach anabolicznych. Jest też często wykorzystywana na początku szlaków katabolicznych, gdy pierwotny substrat stosunkowo niechętnie uczestniczy w reakcji dołączana jest do niego reszta fosforanowa. Powstały fosforan związku organicznego może wchodzić w wiele reakcji biochemicznych z uwolnieniem energii a więc spontanicznie zachodzących.