Метаболизм определяется как совокупность биохимических реакций, которые происходят в клетках живых организмов и связаны с потоком материи, энергии и информации. Существует два основных направления метаболических изменений: анаболизм и катаболизм. Они происходят одновременно и взаимозависимы друг от друга. Во всех метаболических процессах участвуют ферменты, и на их интенсивность влияет множество факторов.
Метаболизм - это совокупность химических реакций, происходящих в живых организмах, которые позволяют им получать энергию, необходимую для жизнедеятельности и роста, синтезировать необходимые для функционирования вещества и избавляться от отходов.
Метаболизм включает два основных процесса: катаболизм и анаболизм. Катаболизм - это процесс разложения сложных молекул, таких как углеводы, белки и жиры, на более простые молекулы, с целью выделения энергии. Анаболизм - это процесс синтеза сложных молекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты и сложные углеводы, из более простых молекул с использованием энергии.
Метаболизм может быть разделен на несколько основных типов в зависимости от источника энергии, используемой для преобразования молекул. Например, аэробный метаболизм использует кислород для окисления глюкозы и других молекул, в то время как анаэробный метаболизм происходит без кислорода.
Метаболизм также может быть влиянут наследственностью, диетой и образом жизни. Некоторые люди могут иметь более быстрый или медленный метаболизм в зависимости от генетических факторов, что может влиять на их способность контролировать вес. Различные диеты и физические упражнения также могут повлиять на метаболизм и уровень потребления калорий, что может иметь важное значение для поддержания здоровья и формы тела.
Анаболизм
Анаболизм - это все реакции, которые приводят к образованию сложных органических соединений, таких как белки, углеводы и жиры. Эти процессы участвуют в построении тканей и органов и поэтому преобладают у молодых людей. Для своего протекания им требуется внешняя энергия, которая затем сохраняется в продуктах реакции. Таким образом, уровень энергии простых субстратов ниже, чем у вновь образованных соединений. Типичная анаболическая реакция - это процесс ассимиляции CO 2 в процессе фотосинтеза:
6CO 2 + 6H 2 O => C 6 H 12 O 6 + 6O 2.
Катаболизм
Катаболизм - это противоположность анаболизма. Он охватывает все реакции разложения сложных органических соединений и обычно преобладает у пожилых людей. Продукты реакции содержат меньший запас энергии, чем реагенты, используемые в ее ходе. Избыточная энергия обычно накапливается в аденозинтрифосфатных (АТФ) связях и затем используется клеткой во время механической (сокращение мышц), электрической (проведение импульса) и осмотической (перенос против градиента концентрации) работы. Примером катаболической реакции может быть клеточное дыхание, то есть биологическое окисление, как аэробное, так и анаэробное:
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 => 6CO 2 + 6H 2O + 2877 кДж
C 6 H 12 O 6 => 2CO 2 + 2C 2 H 5 OH + 93 кДж
Аденозинтрифосфат (АТФ)
АТФ - это нуклеотид, то есть органическое химическое соединение, состоящее из аденина, рибозы и трифосфата. В 1941 году Фриц Липманн и Хермаа Калькер обнаружили, что он используется клеткой в качестве универсального энергоносителя, необходимого для протекания многих биохимических эндоэргических реакций.
Энергия, накопленная в его высокоэнергетических фосфатных связях, высвобождается в процессе гидролиза в АДФ (аденозиндифосфат) и ортофосфат (Pi):
АТФ + H2O <=> АДФ + Pi + H + (-30,6 кДж / моль)
или в АМФ (аденозинмонофосфат) и пирофосфат (PPi):
АТФ + H2O <=> AMP + PPi + H + (-30,6 кДж / моль)
АТФ, АМФ и АДФ могут взаимно превращаться. Например, аденилаткиназа катализирует реакцию:
АТФ + АМФ <=> АДФ + АДФ
АТФ - это не долгосрочная форма хранения свободной энергии, а только ее прямой донор в биологических системах. И образование, и потребление АТФ - непрерывные процессы.
Уровни АТФ и других ключевых метаболитов можно проверить неинвазивно с помощью ядерного магнитного резонанса.
Синтез АТФ происходит в основном в митохондриях и включает фосфорилирование АДФ. Эти реакции требуют энергии, получаемой от света (фототропные организмы) или от окисления простых неорганических соединений (хемотропные организмы).
Существует три типа фосфорилирования:
- фотосинтетический (циклический и нециклический).- Синтез АТФ за счет энергии, обеспечиваемой квантами света, и фотосинтез, высвобождаемый в световой фазе в результате потока через ряд конвейеров:
АДФ + Pi + световая энергия => АТФ
- окислительный - синтез АТФ происходит с участием энергия, генерируемая в дыхательной цепи при транспортировке протонов и электронов для кислорода:
АДФ + Pi + НАДН 2 +1/2 O 2 => АТФ + НАД + + H 2 O
- субстрат - синтез АТФ из АДФ и Pi в результате прямого окисления субстрата, например, 3-фосфоглицериновой кислоты до пирувата в процессе гликолиза:
высокоэнергетический субстрат + Pi + ADP => низкоэнергетический продукт + ATP
НАДФН
Помимо АТФ, в клетках также необходима сила восстановления. Это НАДФН, который поставляет электроны, необходимые для большинства восстановительных биосинтезов, то есть образования клеточных компонентов из предшественников с более высокой степенью окисления. Как и АТФ, НАДФН создается и потребляется в непрерывном процессе.
Регуляция обменных процессов
Пути биосинтеза и деградации различаются и обычно происходят в отдельных клеточных компартментах, например, окисление жирных кислот происходит в митохондриях, а их синтез в цитозоле. Эти несоответствия необходимы по энергетическим причинам и позволяют контролировать вовлеченные процессы, например, регулируя доступность субстратов, количество ферментов (то есть скорость их синтеза и разложения) или их каталитическую активность (например, обратимый аллостерический контроль или обратимый ковалентная модификация).
Многие метаболические реакции также регулируются энергетическим состоянием клетки, которое зависит от соотношения между уровнями АТФ, АДФ и АМФ. Высокий энергетический заряд подавляет катаболические пути (производство АТФ) и стимулирует анаболические пути (с использованием АТФ).
