Metabolizm

Struktura adenozynotrifosforanu, głównego elementu metabolizmu energii

Metabolizm (z gr. μεταβολή 'zmiana' od μετά 'ponad, poza' i βάλλειν 'rzut') – 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 rozmnażanie, zarządzanie swoją strukturą wewnętrzną oraz odpowiadanie na bodźce zewnętrzne.

Reakcje chemiczne składające się na metabolizm są zorganizowane w szlaki metaboliczne. Są to szeregi reakcji, w których produkty jednej reakcji (nazywane tu metabolitami) są używane jako substraty kolejnej reakcji, a w przekształceniach tych zwykle udział biorą enzymy. Enzymy pozwalają na przeprowadzenie reakcji, które w praktyce nie zaszłyby bez ich udziału, ponieważ byłyby termodynamicznie niekorzystne. Ich działanie polega na obniżaniu energii aktywacji i zwiększaniu szybkości reakcji, sprzęganiu ich z reakcjami spontanicznymi wyzwalającymi energię (korzystnymi termodynamicznie). Enzymy pozwalają na regulację szlaków metabolicznych w odpowiedzi na zmiany warunków wewnątrz komórki lub sygnały pochodzące 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.

Genetycznie uwarunkowane możliwości metaboliczne danego organizmu decydują o zakwalifikowaniu danej substancji jako „przydatnej” lub „nieprzydatnej” (lub nawet „trującej”), jej użyciu i przetworzeniu. Dla przykładu, niektóre organizmy prokariotyczne (np. bakterie z rodzaju Beggiatoa) używają siarkowodoru jako źródła energii, włączając go w swoje szlaki metaboliczne, podczas gdy m.in. dla zwierząt gaz ten jest trujący (H₂S blokuje oksydazę cytochromową). Tempo metabolizmu wpływa natomiast na ilość pożywienia, jaka będzie niezbędna do prawidłowego funkcjonowania danego organizmu.

Szlaki metaboliczne wykazują duże podobieństwo nawet u gatunków o niezwykle dalekim pokrewieństwie. Przykładowo zestaw enzymów, tożsamych w funkcji i niezwykle podobnych w strukturze, biorących udział w cyklu kwasu cytrynowego można znaleźć zarówno u bakterii Escherichia coli, jak i u organizmów wielokomórkowych. Ta uniwersalność szlaków metabolicznych jest prawdopodobnie efektem ich dużej wydajności, a więc istniejącej, dodatniej presji ewolucyjnej do ich podtrzymania, a także wczesnego pojawienia się w ewolucyjnej historii życia.

Podstawowe substancje

Struktura lipidu triacyloglicerolowego

Większość struktur tworzących ciała zwierząt, roślin i innych żywych organizmów zbudowana jest z trzech podstawowych typów związków: aminokwasów, węglowodanów oraz lipidów. Podstawowe związki (np. aminokwasy) mogą łączyć się w polimery kondensacyjne, tworząc wyżej zorganizowane cząsteczki (np. białka). Polimerami kondensacyjnymi są także kwasy nukleinowe, jednak cząsteczki budujące je – nukleotydy składają się z kilku prostszych związków chemicznych. Jako że wymienione podstawowe typy związków są niezbędne dla życia, w procesach anabolicznych organizm zajmuje się ich syntezą podczas budowy swoich komórek oraz – w przypadku pożywienia – katabolicznym rozkładem i wykorzystaniem uwolnionej energii lub ewentualnie pozyskiwaniem prostszych związków na drodze rozkładu bardziej złożonych. Makrocząsteczki te stanowią składnik każdego żywego organizmu. Niektóre z nich przedstawione są w poniższej tabeli.

Typ cząsteczki	Nazwa formy monomerycznej	Nazwa formy polimerycznej	Przykłady form polimerycznych
Aminokwasy	Aminokwasy	Białka (lub polipeptydy)	Białka fibrylarne i globuliny
Węglowodany	Monosacharydy	Polisacharydy	Skrobia, glikogen i celuloza
Kwasy nukleinowe	Nukleotydy	Polinukleotydy	DNA i RNA

Aminokwasy i białka

Białka zbudowane są z aminokwasów, połączonych liniowo wiązaniami peptydowymi. Wiele białek to enzymy katalizujące reakcje chemiczne metabolizmu. Inne pełnią funkcje strukturalne i mechaniczne, na przykład budują cytoszkielet warunkujący kształt komórki. Są również ważnym elementem procesów takich, jak sygnalizacja komórkowa, odpowiedź immunologiczna, adhezja komórkowa, transport aktywny przez błony, cykl komórkowy i wiele innych. Przebieg większości procesów komórkowych regulowany jest przez białka.

Lipidy

Lipidy to bardzo zróżnicowana grupa substancji biochemicznych. Definiowane są jako hydrofobowe lub amfifilowe cząsteczki o znaczeniu biologicznym, rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych (na przykład benzenie czy chloroformie). Lipidy (u eukariota głównie fosfolipidy) budują błony biologiczne oraz są jednym ze związków magazynujących energię. Grupę lipidów stanowiąca związki zapasowe zwyczajowo określa się nazwą tłuszcze, są one zbudowanych z kwasów tłuszczowych oraz glicerolu. Cząsteczka glicerolu może być połączona z trzema cząsteczkami kwasów tłuszczowych. W praktyce istnieje kilka wersji tej podstawowej struktury, zawierających na przykład dodatkowe grupy funkcyjne, takie jak fosforany w fosfolipidach. Inna klasą lipidów, do których należy m.in. cholesterol czy estrogen są steroidy, stanowiące kolejną dużą grupę lipidów produkowanych przez komórkę.

Węglowodany

Glukoza może występować zarówno w formie liniowej, jak i pierścieniowej

Węglowodany to nierozgałęzione ketony lub aldehydy podstawione wieloma grupami hydroksylowymi i występujące w postaci liniowej lub pierścieniowej. Należą do najbardziej rozpowszechnionych substancji organicznych i spełniają w organizmach wiele funkcji, m.in. przechowywania i transportu energii (skrobia i glikogen), budowy struktur komórkowych (celuloza u roślin, chityna u zwierząt). Podstawowe monomery węglowodanowe, takie jak galaktoza, fruktoza i – najpopularniejsza – glukoza nazywane są monosacharydami. Mogą one łączyć się ze sobą na wyjątkowo wiele sposobów, tworząc polisacharydy.

Nukleotydy

Polimery kondensacyjne zwane DNA i RNA to długie łańcuchy zbudowane z nukleotydów. Cząsteczki te są niezbędne dla przechowywania i wykorzystywania informacji genetycznych, dzięki procesom transkrypcji i biosyntezy białek. Informacje te są chronione przez mechanizmy naprawy DNA i powielane w procesie replikacji. Genom większości organizmów zapisany jest w postaci cząsteczek DNA, jednak niektóre wirusy zwane retrowirusami przechowują informację genetyczną w nici RNA. Przykładem retrowirusa jest wirus HIV, który używa enzymu odwrotnej transkryptazy, aby utworzyć kopię DNA ze swojego genomu RNA. RNA, podobnie jak enzymy, może posiadać właściwości katalityczne i wtedy określa się je jako rybozymy, które wchodzą w skład spliceosomów czy rybosomów. Poszczególne nukleozydy powstają podczas dołączania cukru rybozy do właściwej zasady heterocyklicznej. Zasady te to związki zwane purynami i pirymidynami. W skład nukleotydów budujących RNA wchodzą adenina (A), uracyl (U), cytozyna (C) i guanina (G). W cząsteczkach DNA zamiast uracylu występuje tymina – T. Nukleotydy często pełnią też rolę koenzymów w reakcjach przenoszenia grup funkcyjnych.

Koenzymy

Struktura koenzymu acetylo-CoA. Ruchoma grupa acetylowa związana jest z atomem siarki po lewej stronie

Metabolizm składa się z reakcji różnego typu, większość z nich jednak można zakwalifikować do kilku podstawowych grup ze względu na rodzaj przenoszonej grupy funkcyjnej. Pozwoliło to komórkom na wykształcenie odpowiednich elementów metabolizmu odpowiedzialnych właśnie za przenoszenie tych grup pomiędzy różnymi związkami. Są one zwane koenzymami. Każdemu rodzajowi reakcji enzymatycznej przyporządkowany jest określony koenzym; w komórce trwa nieprzerwanie proces tworzenia ich, więc po pewnym czasie są one rozkładane i wykorzystywane ponownie przez odpowiednie enzymy.

Przykładowym koenzymem jest adenozyno-5′-trifosforan (ATP), główny nośnik energii chemicznej w komórkach (oprócz niego w pewnych reakcjach zadanie to wypełniają analogiczne nukleotydy: GTP, UTP, CTP). Nukleotyd ten używany jest do przenoszenia energii chemicznej pomiędzy poszczególnymi reakcjami. Komórki zawierają stosunkowo niewielką ilość ATP, ale zapasy tego związku są nieprzerwanie odnawiane, toteż organizm ludzki zużywa w ciągu doby ilość ATP odpowiadającą masie jego ciała. ATP stanowi łącznik pomiędzy katabolizmem i anabolizmem, jako że reakcje kataboliczne generują jego cząsteczki, zaś reakcje anaboliczne rozkładają je do adenozynodifosforanu (ADP). Związek ten pełni także funkcję nośnika reszt fosforanowych w reakcjach fosforylacji.

Witaminy to związki organiczne potrzebne organizmowi do prawidłowego funkcjonowania, jednak niemożliwe do wytworzenia w komórkach. U człowieka większość witamin funkcjonuje jako zmodyfikowane koenzymy; dla przykładu, wszystkie witaminy rozpuszczalne w wodzie występują w komórkach w postaci ufosforylowanej lub są połączone z nukleotydami. Dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (NADH), pochodna witaminy B₃ (niacyny), jest ważnym koenzymem pełniącym funkcję akceptora wodoru. Setki różnych typów dehydrogenaz odbierają elektrony substratom reakcji (utleniają i redukują NAD⁺ do NADH. Ta zredukowana postać koenzymu staje się następnie substratem przy tworzeniu różnych reduktaz, enzymów zajmujących się redukcją związków chemicznych. Dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy występuje w komórce w dwóch powiązanych ze sobą formach, NADH i NADPH. Formy NAD⁺/NADH są częściej wykorzystywane w reakcjach katabolicznych, podczas gdy NADP⁺/NADPH mają duże znaczenie dla przebiegu reakcji anabolicznych.

Związki nieorganiczne i kofaktory

Struktura hemoglobiny. Czerwone i niebieskie elementy to podjednostki białkowe, zielone to grupy hemowe zawierające żelazo

Na około 99% masy przeciętnego ssaka składa się dziewięć pierwiastków: węgiel, wodór, tlen, azot, siarka, wapń, chlor, sód i potas. Związki organiczne (białka, lipidy i węglowodany) skupiają większość węgla i azotu, podczas gdy największa część tlenu i wodoru zawarta jest w wodzie. Wapń, chlor, sód i potas oraz pozostałe pierwiastki występujące w organizmach żywych są z kolei głównymi komponentami nieorganicznych związków chemicznych, z których część występuje w dużej ilości, natomiast inne potrzebne są w ilościach śladowych.

U większości organizmów główną część występujących w nich związków nieorganicznych stanowią jonowe elektrolity, takie jak jony sodu, potasu, wapnia, magnezu, chlorki, fosforany oraz wodorowęglany. Dokładne wartości stężeń poszczególnych jonów regulują mechanizmy ciśnienia osmotycznego i pH. Związki nieorganiczne stanowią główny składnik struktur takich jak szkielet i muszle u tych organizmów, które je posiadają. Jony są również niezbędne do prawidłowego funkcjonowania komórek nerwowych i mięśni, jako że potencjał czynnościowy, pobudzający je do działania, powstaje podczas wymiany elektrolitów pomiędzy płynem pozakomórkowym a cytozolem. Elektrolity dostają się do komórek i wydostają z nich poprzez kanały tworzone przez białka błony komórkowej zwane kanałami jonowymi. Przykładowo napięcie mięśniowe zależne jest od przepływu jonów wapnia, sodu i potasu przez owe kanały i tubule T (wpuklenia w błonie komórkowej włókien mięśniowych przyspieszające rozprzestrzenianie się impulsów elektrycznych).

Metale przejściowe występują w organizmach w ilościach śladowych, z których najbardziej rozpowszechnione to cynk i żelazo. Metale te są składnikami niektórych białek i kofaktorów, są również niezbędne dla funkcjonowania takich enzymów jak katalaza oraz białek transportujących tlen, na przykład hemoglobiny. Kofaktory te związane są trwale z jednym typem białka, mimo że kofaktory enzymów mogą podczas katalizy ulegać modyfikacjom, po przeprowadzeniu reakcji zawsze wracają do postaci pierwotnej. Metale będące mikroelementami są przenoszone do komórek organizmu za pomocą specyficznych przenośników i wiązane z białkami przechowującymi je, np. ferrytyną czy metalotioneiną.

Katabolizm

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 (takimi jak np. materia organiczna, amoniak, siarkowodór, jony żelaza) a akceptorami (na przykład tlenem, azotanami i siarczanami). 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.

Trawienie

Makrocząsteczki takie jak skrobia, celuloza czy białka nie mogą być bezpośrednio wchłonięte przez komórki, muszą więc zostać wcześniej rozłożone do mniejszych cząsteczek. Głównymi grupami enzymów trawiennych są: proteazy rozkładające białka na aminokwasy, glukozydazy depolimeryzujące polisacharydy czy lipazy rozkładające lipidy do kwasów tłuszczowych. Mikroorganizmy wydzielają enzymy trawienne do swojego otoczenia, podczas gdy zwierzęta produkują je w odpowiednio wyspecjalizowanych komórkach w przewodzie pokarmowym. Aminokwasy i cukry uwolnione przez te pozakomórkowe enzymy są następnie transportowane do wnętrza komórek za pomocą specjalnych białek w procesie transportu aktywnego.

Katabolizm związków organicznych

Uproszczony schemat katabolizmu białek, węglowodanów oraz tłuszczów

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. W świecie mikroorganizmów zachodzi wiele innych fermentacji, poza opisanymi powyżej.

Katabolizm tłuszczów odbywa się poprzez proces hydrolizy, 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 ornitynowy, pozostawiając szkielet węglowy w postaci ketokwasu. Niektóre z tych kwasów pełnią później różne role w cyklu kwasu cytrynowego, na przykład deaminują glutaminian – kwas α-ketoglutarowy. Aminokwasy glukogenne mogą również przekształcić się w glukozę w procesie glukoneogenezy (patrz poniżej).

Przemiana energii

Uporządkowanie struktur komórkowych i cząsteczek związków organicznych jest możliwe tylko dzięki stałemu dostarczaniu do komórki energii. Organizmy heterotroficzne zdolne są jedynie do pozyskiwania energii ze związków organicznych. Kluczowym elementem wytwarzania energii przydatnej dla komórki jest fosforylacja oksydacyjna. Organizmy określane nazwą fotoautotrofy zdolne są do wykorzystania energii światła i zamiany energii fal elektromagnetycznych na energię wiązań chemicznych. Niezbyt liczna grupa organizmów należących do prokariontów – chemoautotrofy posiada zdolność do wykorzystania energii pochodzącej z utleniania związków nieorganicznych w procesie chemosyntezy.

Fosforylacja oksydacyjna

W procesie fosforylacji oksydacyjnej, elektrony pobrane z cząsteczek związków organicznych w drodze m.in. cyklu kwasu cytrynowego przekazywane są na tlen, a uwolniona energia używana jest do tworzenia ATP. U eukariotów dzieje się to za pośrednictwem grupy białek występujących w błonie mitochondriów, zwanych łańcuchem oddechowym. U prokariotów białka te znajdują się w błonie wewnętrznej komórki. Białka te używają energii wytworzonej podczas przemieszczania elektronów z cząsteczek zredukowanych (na przykład NADH) na cząsteczkę tlenu, aby przenosić protony poprzez wewnętrzną błonę komórkową. Akceptorem elektronów u prokariontów mogą być, także inne związki niż tlen np. azotany, związki siarki.

Przeniesienie protonów z macierzy mitochondrialnej do przestrzeni międzybłonowej wytwarza różnicę stężeń i potencjałów pomiędzy obiema stronami błony i generuje potencjał elektrochemiczny. Protony mogą powracać do macierzy mitochondrialnej poprzez kanał jonowy enzymu zwanego syntazą ATP. Przepływ ładunków dodatnich wywołuje rotację osi enzymu, dzięki czemu centrum aktywne syntazy zmienia kształt i fosforyluje ADP do ATP.

Energia ze związków nieorganicznych

Chemolitotrofia to rodzaj metabolizmu charakterystyczny dla niektórych organizmów prokariotycznych; pozyskują one energię z utleniania związków nieorganicznych. Mogą one używać wodoru, zredukowanych związków siarki (jonów S^2-, siarkowodoru i tiosiarczanów S₂O₃^2-), jonów żelaza (II) Fe²⁺ lub amoniaku jako źródła potencjału redukcyjnego i czerpać energię z utleniania tych związków kosztem akceptorów takich jak tlen czy azotyny. Te mikrobiologiczne procesy mają ogromne znaczenie w globalnych cyklach biogeochemicznych, takich jak acetogeneza, nitryfikacja i denitryfikacja; od ich przebiegu zależy także żyzność gleb.

Wiązanie energii słonecznej

U organizmów fotosyntetyzujących, takich jak rośliny i sinice, transfer elektronów nie jest efektem utleniania związków organicznych, lecz zachodzi dzięki pochłanianiu kwantów energii światła.

Energia słoneczna może być wiązana przez fotoautotrofy: rośliny, cyjanobakterie, bakterie purpurowe, zielone bakterie siarkowe i niektóre protisty. Proces ten jest często utożsamiany z wiązaniem dwutlenku węgla do związków organicznych w toku fotosyntezy. Jednak te dwa mechanizmy mogą u prokariotów funkcjonować niezależnie – przykładowo bakterie purpurowe i zielone siarkowe mogą używać światła jako źródła energii, przeprowadzając równocześnie proces wiązania węgla i fermentacji związków organicznych.

Wiązanie energii słonecznej to proces stosunkowo podobny do fosforylacji oksydacyjnej, jako że w jego toku powstaje gradient stężenia protonów, których przepływ przez syntazę ATP powoduje wytwarzanie adenozynotrójfosforanu. Fotosyntetyczny łańcuch transportu elektronów napędzany jest przez światłoczułe kompleksy białkowe zwane fotosyntetycznym centrum reakcji. Kompleksy te dzielą się na dwa podstawowe rodzaje w zależności od długości fali przy której wykazują maksimum absorpcji, przy czym u większości fotosyntetyzujących bakterii wyróżnia się jeden typ centrum reakcji, a u roślin i cyjanobakterii – dwa.

U roślin fotosystem II wykorzystuje energię słoneczną do odbierania elektronów wodzie, co prowadzi do uwolnienia tlenu jako produktu ubocznego reakcji. Elektrony te następnie przechodzą do kompleksu cytochromów b6f, używającego ich energii do przenoszenia protonów przez błoną tylakoidową w chloroplaście. Protony te wracając przez kanał jonowy syntazy ATP napędzają syntezę ATP, podobnie jak miało to miejsce w mitochondriach. Z kolei elektrony przechodzą do fotosystemu I, skąd po wybiciu kolejnym kwantem energii mogą być przeniesione na koenzym NADP⁺ (który jest niezbędny do przebiegu cyklu Calvina) lub wykorzystane do przenoszenia kolejnych protonów przez błonę tylakoidu.

Anabolizm

Anabolizm to grupa procesów metabolicznych, w których energia zużywana jest do syntezy złożonych cząsteczek. Te cząsteczki, stanowiące budulec wszystkich żywych komórek, są tworzone krok po kroku z prostych związków o stosunkowo niewielkich rozmiarach. Można wyróżnić trzy podstawowe etapy anabolizmu: pierwszy obejmuje produkcję aminokwasów, monosacharydów, izoprenoidów i nukleotydów, czyli podstawowych elementów biomolekuł. W drugim etapie cząsteczki te są aktywowane do form reaktywnych energią pochodzącą z ATP, zaś etap trzeci to łączenie wytworzonych cząsteczek w cząsteczki złożone – białka, polisacharydy, lipidy i kwasy nukleinowe.

Poszczególne organizmy różnią się liczbą typów wytwarzanych cząsteczek. Autotrofy, na przykład rośliny, budują w swych komórkach złożone cząsteczki z prostych cząstek, takich jak dwutlenek węgla i woda. Heterotrofy z kolei potrzebują do ich produkcji substancji bardziej złożonych – monosacharydów czy aminokwasów. Typ źródła energii może posłużyć za kryterium klasyfikacji organizmów: fotoautotrofy i fotoheterotrofy pozyskują energię ze światła słonecznego, a chemoautotrofy i chemoheterotrofy – z reakcji utleniania związków nieorganicznych.

Wiązanie węgla

Komórki roślinne (otoczone wybarwioną na fioletowo ścianą komórkową), będące miejscem przebiegu fotosyntezy

Zielony kolor komórek zawierających chlorofil

Model cząsteczki chlorofilu. Bez chlorofilu niemożliwa byłaby fotosynteza

Niemal wszystkie związki organiczne występujące obecnie na Ziemi powstały w procesie fotosyntezy. Fotosynteza to złożony proces podczas którego ze związków nieorganicznych, takich jak dwutlenek węgla (CO₂) i woda, wytwarzane są związki organiczne. Do przeprowadzenia tego procesu wykorzystywana jest energia światła słonecznego, a produktem ubocznym jest zwykle tlen. W pierwszym etapie fotosyntezy wyprodukowane jest ATP i NADPH przez opisane powyżej fotosyntetyczne centra reakcji. Następnie oba związki zużywane są do syntezy aldehydu 3-fosfoglicerynowego przekształcanego stosunkowo prosto w glukozę. Reakcja wiązania węgla zachodzi dzięki obecności enzymu RuBisCO w cyklu Calvina-Bensona. Rośliny przeprowadzają trzy typy fotosyntezy: C₃, C₄ i CAM. Zróżnicowanie to wynika z drogi, jaką CO₂ dostaje się do cyklu Calvina: w fotosyntezie C₃ jest on wiązany bezpośrednio, podczas gdy w C₄ i CAM jest najpierw przekształcany do związków zawierających 4 atomy węgla; Dwa ostatnie typy fotosyntezy wykształciły się jako reakcja adaptacyjna na zmienne warunki oświetleniowe i wodne.

U fotosyntetyzujących organizmów prokariotycznych mechanizmy wiązania węgla są bardziej zróżnicowane. Proces ten może zachodzić w cyklu Calvina-Bensona, odwrotnym cyklu Krebsa lub podczas karboksylacji acetylo-CoA. Prokariotyczne chemoautotrofy również wiążą CO₂ poprzez cykl Calvina-Bensona, do napędzania reakcji używają jednak energii pochodzącej z utleniania związków nieorganicznych.

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 glukoneogenezą. 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. Inne organizmy, na przykład rośliny i bakterie, rozwiązały ten problem wprowadzając do swego metabolizmu cykl glioksylanowy. Omija on etap dekarboksylacji w cyklu Krebsa i transformuje acetyl-CoA do kwasu szczawiooctowego, który może być wykorzystany do produkcji glukozy.

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. Wyprodukowane polisacharydy mogą samodzielnie pełnić funkcje metaboliczne; mogą też być przekształcone do lipidów lub białek przez enzymy nazywane oligosacharyltransferazami.

Kwasy tłuszczowe, izoprenoidy i steroidy

Uproszczony schemat szlaku syntezy steroidu przy pomocy pirofosforanu izopentylu (IPP), pirofosforanu dimetylallilu (DMAPP), pirofosforanu geranylu (GPP) i skwalenu

Kwasy tłuszczowe powstają dzięki syntezie 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. Enzymy biosyntezy kwasów tłuszczowych dzielą się na dwie grupy: u zwierząt i grzybów wszystkie te reakcje przeprowadzane są przez pojedyncze, multifunkcyjne białko typu I, podczas gdy w plastydach roślin i u bakterii poszczególne enzymy typu II przeprowadzają każdą reakcję z osobna.

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. Owe pirofosforany mogą powstawać na różne sposoby. U zwierząt i archeobakterii są syntezowane w szlaku kwasu mewalonowego z cząsteczek acetylo-CoA, podczas gdy u roślin i bakterii szlak niemewalanowy używa jako substratów kwasu pirogronowego i aldehydu 3-fosfoglicerynowego. 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. Ten może następnie być przekształcony w inne steroidy, np. cholesterol czy ergosterol.

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, w dodatku 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. Tak jak litery alfabetu mogą być łączone w niemal nieskończoną ilość kombinacji zwanych słowami, aminokwasy łączą się w sekwencje tworząc ogromne zróżnicowanie białek. 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. Ten aminoacyl-tRNA jest następnie włączany do powstającego łańcucha białkowego według informacji zawartej w mRNA.

Synteza i utylizacja nukleotydów

Nukleotydy powstają z aminokwasów, dwutlenku węgla i kwasu mrówkowego w procesach wymagających dużej ilości energii metabolicznej. Z tego powodu większość organizmów wykształciła mechanizmy powtórnego wykorzystywania nukleotydów. 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. Piramidyny zaś syntezowane są z kwasu orotowego, który powstaje z glutaminy i kwasu asparaginowego.

Porównanie strategii metabolicznych

Organizmy żywe potrzebują do życia następujących substratów:

• strukturalnych, z których są zbudowane, przede wszystkim pierwiastki C, H, O, N, S, z czego najważniejsze jest źródło węgla.
• donora elektronów, który dostarczy energii poprzez utlenienie się lub umożliwi zredukowanie utlenionych substratów (CO
  2) w celu wytworzenia związków organicznych.
• akceptora elektronów (utleniacza), który uwolni energię w reakcji z substratem energetycznym.

Ten sam związek może pełnić różne role. Wśród źródeł węgla można wyróżnić związki organiczne (z węglem na niskim stopniu utlenienia, u heterotrofów) bądź CO
2 wymagający energochłonnej redukcji (u autotrofów). Głównymi źródłami energii jest promieniowanie słoneczne i utlenianie związków chemicznych. Donory elektronów można podzielić na związki nieorganiczne i związki organiczne, a wśród akceptorów elektronów można dodatkowo wyróżnić tlen. U organizmów żywych można znaleźć większość z możliwych kombinacji szlaków metabolicznych, jednak największe znaczenie mają fotolitroautotrofy, chemolitoautotrofy oraz tlenowe i beztlenowe chemoorganoheterotrofy.

Klasyfikacja organizmów ze względu na rodzaj metabolizmu

Źródło energii	światło słoneczne	foto-			-trof
	związki chemiczne	chemo-
Źródło elektronów	związki organiczne		organo-
	związki nieorganiczne		lito-
Źródło węgla	związki organiczne			hetero-
	związki nieorganiczne			auto-

Porównanie strategii metabolicznych

	Fotosynteza	Fotosynteza anoksygeniczna	Chemosynteza	Oddychanie beztlenowe	Oddychanie tlenowe	Fermentacja
Źródło węgla	asymilacja CO2	asymilacja CO2 (poza halobakteriami); niektóre wykorzystują również inne związki organiczne (wówczas nie uznaje się je za autotrofy)	asymilacja CO2	związki organiczne	związki organiczne	związki organiczne
Źródło energii	energia świetlna	energia świetlna	utlenianie prostych związków nieorganicznych (siarczki, sole amonowe, azotyny, siarka rodzima, soli żelazawe, wodór) lub metanu	utlenianie związków organicznych, wytworzenie gradientu elektrochemicznego, krótki łańcuch oddechowy	utlenianie związków organicznych (glikoliza, cykl Krebsa); wytworzenie gradientu elektrochemicznego, łańcuch oddechowy	utlenianie związków organicznych przebiegające przez glikolizę (np. fermentacja alkoholowa) lub bez (np. heterofermentacja mlekowa)
Źródło elektronów	woda (fotoliza wody przebiegająca z uwolnieniem tlenu)	zredukowane związki nieorganiczne (zwłaszcza związki siarki, wodór: H2S, H2, S), rzadziej związki organiczne (jabłczan, mleczan u heliobakterii) lub zredukowane żelazo Fe2+	proste związki nieorganiczne lub metan	związki organiczne	związki organiczne	związki organiczne (zwykle brak zewnętrznego akceptora elektronów, więc przenoszony jest on wprost na związek organiczny – substrat, aby odtworzyć NAD+)
Akceptor elektronów	NADP+ (w fazie jasnej fotosyntezy)	cykliczny transport elektronów (cykliczna fosforylacja)	tlen (w przypadku organizmów tlenowych) lub utlenione substancje mineralne (siarczany, azotany, węglany)	utlenione związki mineralne (np. siarczany, azotany), CO 2 lub rzadziej niektóre związki organiczne (np. fumaran)	tlen	związki organiczne; ten sam substrat daje jeden produkt utleniony, drugi zredukowany (reakcja dysmutacji); brak etapów pośrednich przenoszenia elektronów
Przykłady organizmów	rośliny, sinice	bakterie purpurowe siarkowe i bezsiarkowe, bakterie zielone	bakterie nitryfikacyjne, bakterie wodorowe, bakterie żelazowe, bezbarwne bakterie siarkowe, metanotrofy	bakterie denitryfikacyjne, bakterie desulfurykacyjne, metanogeny	rośliny, grzyby, ssaki	drożdże Saccharomyces – fermentacja alkoholowa, bakterie kwasu mlekowego – fermentacja mlekowa

Ksenobiotyki i metabolizm reakcji redoks

Wszystkie organizmy są nieustannie wystawione na działanie związków chemicznych, których nie mogą użyć jako pożywienia i które mogłyby być szkodliwe w wypadku ich dostania się do komórek, ponieważ nie pełnią one żadnych funkcji metabolicznych. Te potencjalnie niebezpieczne substancje zwane są ksenobiotykami. Ksenobiotyki takie jak leki, narkotyki, trucizny naturalne i antybiotyki są detoksyfikowane za pomocą określonych enzymów ksenobiotyczno-metabolicznych. U człowieka są to m.in. oksydaza cytochromu P450s, UDP–glukuronosyltransferaza i S-transferaza glutationu. Enzymy te działają w trzech etapach: utleniania ksenobiotyku (faza I), dołączania do jego cząsteczki grup hydrofilowych (faza II) i usuwania go z komórki wraz z wodą (u organizmów wielokomórkowych umożliwia to późniejsze strawienie), co stanowi fazę III. Reakcje te mają duże znaczenie dla sozologii, gdzie są podstawą biodegradacji substancji niebezpiecznych i bioremediacji skażonych gleb i wód. Niezwykła różnorodność mikroorganizmów sprawia, że są one w stanie poradzić sobie z wszelkimi niemal typami ksenobiotyków.

Podobnym problemem dla organizmów tlenowych jest stres oksydacyjny. Procesy takie jak fosforylacja oksydacyjna czy tworzenie wiązań disulfidowych podczas budowy białek powodują powstawanie reaktywnych form tlenu, np. nadtlenku wodoru. Oksydanty te, powodujące zniszczenia w strukturach m.in. protein i kwasów nukleinowych, są neutralizowane przez przeciwutleniacze i enzymy: katalazy i peroksydazy.

Termodynamika w organizmach żywych

Reakcje zachodzące w organizmach żywych, podobnie jak wszystkie inne reakcje chemiczne, podlegają zasadom termodynamiki, opisującym przepływ energii cieplnej i pracy.

Zmiana entalpii swobodnej (ΔG) stanowi tę część energii całkowitej układu (a właściwie entalpii układu), którą można wykorzystać do wykonania pracy, jest energią użyteczną, odpowiednikiem potencjału chemicznego. Entropia to stopień nieuporządkowania układu) i zgodnie z drugą zasadą termodynamiki całkowita wartość entropii wykazuje tendencję wzrostową w procesach zachodzących samorzutnie, przybiera wartości maksymalne, gdy układ osiąga równowagę. Zależność między zmianą entalpii swobodnej (ΔG) w układzie a zmianą entropii (ΔS) w warunkach stałej temperatury i ciśnienia wyraża następujące równanie:

$\Delta G=\Delta H-T\Delta S$

gdzie: ΔH – zmiana entalpii (ciepło), T – temperatura bezwzględna

W warunkach, w jakich zachodzą reakcje biochemiczne, zmiana entalpii jest w przybliżeniu równa zmianie energii wewnętrznej reakcji (ΔE):

$\Delta G=\Delta E-T\Delta S=\Delta F$

gdzie: ΔF – energia swobodna reakcji

Jeśli ΔG jest ujemna, to reakcja zachodzi samorzutnie, następuje utrata entalpii swobodnej (reakcja jest egzoenergetyczna), a przy dużych wartościach reakcja praktycznie przebiega tylko w jednym kierunku i jest zasadniczo nieodwracalna. Jeśli ΔG jest dodatnia, to reakcja zachodzi tylko wówczas, gdy dostarczona zostanie z zewnątrz energia (entalpia swobodna; reakcja jest endoenergetyczna). Przy dużych dodatnich wartościach można uznać, ze układ jest stabilny i wykazuje brak lub niewielkie skłonności do reagowania. Gdy ΔG równe jest zeru, wówczas układ znajduje się w stanie równowagi i nie zachodzi w nim żadna wypadkowa zmiana.

ATP jest głównym przenośnikiem energii w komórkach. Energia swobodna uwolniona podczas hydrolizy ATP wykorzystywana jest do przeprowadzania reakcji wymagających jej dostarczenia (endoenergetycznych). Dzięki sprzężeniu takiej niekorzystnej termodynamicznie reakcji z reakcją wyzwalającą energię (rozkład ATP) następuje przesunięcie równowagi reakcji i możliwe zajście tej pierwszej.

Przykładowo pierwsza reakcja w glikolizie katalizowana przez enzym heksokinazę:

glukoza + P_i → glukozo-6-fosforan + H₂O (ΔGº = +13,8 kJ/mol)

ATP → ADP + P_i (ΔGº = –30,5 kJ/mol)

po sprzężeniu:

glukoza + ATP → glukozo-6-fosforan + ADP + H⁺ (ΔGº = –16,7 kJ/mol = –30,5 kJ/mol + 13,8 kJ/mol)

Ponieważ układ dąży do osiągnięcia stanu równowagi, energia swobodna reakcji ΔF (mogąca służyć do wykonania pracy) ma tendencję do obniżania się, a entropia – do zwiększania się. Im bardziej reakcja jest oddalona od stanu równowagi, tym mniej potencjału do wykonania pracy ulega utracie na rzecz wzrostu entropii. Dla metabolizmu komórkowego charakterystyczne jest, że stosunek ilości substratów i produktów pewnych reakcji nie znajduje się w stanie równowagi. O ile pewne reakcje w szlaku metabolicznym znajdują się jednak w stanie lub blisko stanu równowagi, to zawsze co najmniej jedna, a zwykle kilka znajduje się w stanie dalekim od równowagi, przez co są zasadniczo nieodwracalne i zachodzą w jednym kierunku. Podlegają one równocześnie mechanizmom regulacji poprzez stymulowanie lub hamowanie aktywności enzymów, które katalizują te reakcje. Przykładowo gdyby zmierzyć ΔG w reakcjach glikolizy, okazałoby się, że wszystkie reakcje są bliskie stanu równowagi poza tymi, które katalizuje heksokinaza, fosfofruktokinaza I i kinaza pirogronianowa. Są one zasadniczo nieodwracalne, wiążą się z dużymi różnicami energii swobodnej, podczas gdy inne etapy charakteryzuje niewielki jej spadek.

Podstawowe zasady termodynamiki zostały sformułowane dla układów zamkniętych, nieożywionych Mimo że wyjątkowa złożoność komórek zdaje się przeczyć drugiej zasadzie termodynamiki, faktem jest, że wszystkie żywe organizmy są tak naprawdę układami otwartymi wymieniającymi nieustannie materię i energię z otoczeniem. Nie pozostają one wprawdzie w stanie równowagi termodynamicznej, są jednak systemami dyssypatywnymi, utrzymującymi stan wysokiej złożoności dzięki zwiększaniu entropii swego otoczenia (np. przez wymianę substancji i energii z krwiobiegiem bądź podłożem hodowlanym). Jest to osiągane dzięki łączeniu spontanicznych (niewymagających doprowadzenia energii) reakcji katabolicznych z niespontanicznymi procesami anabolizmu. Druga zasada termodynamiki pozostaje spełniona, ponieważ wzrost stopnia uporządkowania wewnątrz organizmu, jest kompensowany obniżeniem stopnia uporządkowania w środowisku otaczającym. Tym samym entropia całego układu stale wzrasta. Można powiedzieć, że metabolizm utrzymuje porządek, tworząc nieporządek.

Stały przepływ tlenu oraz innych substancji do komórek i poza komórki pozwala na to, by jej metabolizm znajdował się w stanie ustalonym. Wówczas stężenia substratów i produktów różnych reakcji pozostają na względnie stałym poziomie, choć pojedyncze reakcje niekoniecznie znajdują się w stanie równowagi i niekoniecznie nie zmienia się poziom metabolitów. Komórki są zdolne do nieustannego dopasowywania stężenia kluczowych związków w zależności od zmieniających się warunków.

Regulacja i kontrola

Ponieważ środowisko większości organizmów podlega nieustannym zmianom, reakcje metaboliczne muszą być dokładnie regulowane dla utrzymania w komórce stanu stałości warunków zwanego homeostazą. Regulacja metaboliczna pozwala również organizmom na odpowiadanie na bodźce zewnętrzne oraz warunkuje interakcję ze środowiskiem. 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. 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.

Efekt wywierany przez insulinę na poziom stężenia glukozy w organizmie: Insulina łączy się z receptorem (1) rozpoczynającym kolejno całą serię reakcji aktywacji białek (2). Są to m.in. translokacja transportera Glut-4 do błony komórkowej i dopływ glukozy (3), synteza glikogenu (4), glikoliza (5) i synteza kwasów tłuszczowych (6)

Regulacja metabolizmu zachodzi na wiele sposobów. Podstawowa regulacja szlaku metabolicznego polega na automatycznej odpowiedzi na zmianę stężenia substratów; przykładowo, zmniejszenie ilości produktów może – dla równowagi – przyspieszyć przebieg reakcji. Często w ten sposób zachodzi regulacja allosteryczna aktywności poszczególnych enzymów szlaku. 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. Są one następnie przekazywane do wnętrza komórki przez wewnętrzny łańcuch przekazywania sygnału, m.in. za pośrednictwem fosforylacji białek.

Przykładem bardzo dobrze poznanego mechanizmu regulacji zewnętrznej jest wpływ insuliny na metabolizm glukozy. Insulina jest hormonem produkowanym w odpowiedzi na podwyższenie poziomu glukozy w organizmie. Łączenie się hormonu z receptorem 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. Metabolizm glikogenu jest z kolei kontrolowany przez fosforylazę, 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.

Ewolucja

Drzewo filogenetyczne pokazujące wspólne pochodzenie organizmów wszystkich trzech domen. Bakterie są oznaczone kolorem niebieskim, eukariota czerwonym, a archaea – zielonym. Względne umiejscowienie niektórych typów ukazane jest dookoła drzewa

Najważniejsze z opisanych wyżej szlaków metabolicznych, na przykład glikoliza czy cykl kwasu cytrynowego, występują u organizmów wszystkich trzech domen i musiały pojawić się już u ich ostatniego wspólnego przodka. Był to organizm prokariotyczny, zapewne metanogen o zewnętrznym metabolizmie aminokwasów, węglowodanów, nukleotydów i kwasów tłuszczowych. Zatrzymanie dalszego rozwoju wymienionych szlaków podczas ewolucji może być wynikiem ich optymalnej wydajności, minimalnej złożoności i zaspokajaniu podstawowych potrzeb metabolicznych. Przypuszcza się, że pierwsze szlaki metabolizmu oparte na działaniu enzymów mogły wchodzić w skład nukleotydowego metabolizmu puryn, wraz z wcześniejszym szlakami metabolicznymi tworzącymi część hipotetycznego świata RNA.

Powstało wiele hipotez tłumaczących mechanizm powstawania i ewolucji nowych szlaków metabolicznych. Zakładały one m.in. kolejne dodawanie nowych enzymów do krótkiego szlaku pierwotnego, duplikację i różnicowanie poszczególnych cykli, a także włączanie istniejących wcześniej enzymów do nowo powstających szlaków. Wprawdzie względny udział tych mechanizmów w ewolucji nie został określony, badania genetyczne ujawniły jednak, że większość enzymów w obrębie danego szlaku ma zwykle wspólne pochodzenie, co wykazuje, że ich rozwój następował stopniowo i nowe funkcje powstawały na bazie już istniejących. Inną możliwość stanowi istnienie uniwersalnych „modułów”, które – używane w różnych szlakach – wywierają podobny wpływ na różne substancje.

Ewolucja organizmów może również skutkować zanikaniem szlaków metabolicznych. Dla przykładu, u niektórych pasożytów pewne procesy metaboliczne przestają być niezbędne do życia, jako że gotowe aminokwasy, nukleotydy i węglowodany mogą być wchłaniane bezpośrednio od żywiciela. Podobnie zredukowany metabolizm obserwowany jest u form endosymbiotycznych.

Metody badawcze

Sieć metaboliczna cyklu Krebsa Arabidopsis thaliana. Enzymy i metabolity są przedstawione w postaci czerwonych kwadratów, a interakcje między nimi – za pomocą czarnych linii. Sieć ilustruje interakcje pomiędzy 43 białkami i 40 metabolitami, podczas gdy w sekwencji genomu wyróżnić można nawet do 45000 genów

Metabolizm jest zazwyczaj badany za pomocą metod redukcjonistycznych, skupiających się na analizie poszczególnych szlaków metabolicznych i ich elementów. Jednym ze sposobów takiej analizy jest badanie drogi podanej substancji radioaktywnej w organizmie, od momentu jej podania do powstania końcowych produktów metabolizmu. Enzymy katalizujące reakcje metaboliczne mogą zostać wyizolowane, co pozwala na zbadanie ich kinetyki i reakcji na inhibitory w warunkach in vitro. Jednocześnie możliwa jest identyfikacja mniejszych cząsteczek biorących udział w procesach metabolizmu; zbiór wszystkich takich substancji nazywany jest metabolomem. Ogólnie rzecz biorąc metoda ta jest skuteczna w przypadku badania struktury i funkcji prostych szlaków metabolicznych, zawodzi jednak przy procesach bardziej złożonych, np. całości metabolizmu komórki.

Sieci metaboliczne, ze względu na możliwą ilość interakcji pomiędzy substancjami oraz ilość samych substancji, są zazwyczaj bardzo skomplikowane. Stosowane techniki badawcze pozwalają jednak na rekonstruowanie całych sieci reakcji biochemicznych na podstawie informacji zawartych w genomie, co umożliwia budowanie holistycznych modeli matematycznych mogących wyjaśnić i przewidzieć ich przebieg. Największą dokładność takich modeli uzyskuje się łącząc klasyczne metody badania metabolizmu z pochodzącą z badań nad proteomiką i sekwencją DNA wiedzą o ekspresji genu.

Informacje te znajdują zastosowanie przede wszystkim w inżynierii genetycznej. Organizmy takie jak drożdże, rośliny i bakterie są modyfikowane genetycznie w celu wykorzystania ich do produkcji różnych substancji: antybiotyków, insuliny czy witamin. Modyfikacje genetyczne zazwyczaj mają na celu zmniejszenie kosztów i zwiększenie wydajności procesu wytwarzania produktu oraz redukcję ilości produktów ubocznych.

Historia badań nad metabolizmem

Santorio Santorio w wadze dźwigniowej własnej konstrukcji, ilustracja z opublikowanej w 1614 książki Ars de statica medecina

Termin „metabolizm” wywodzi się z greckiego słowa Μεταβολισμός – „Metabolismos” określającego zmianę, obalenie (np. rządu). Historia naukowych badań procesów metabolicznych obejmuje 400 lat, od początkowych badań nad zwierzętami do mikroskopowej analizy poszczególnych reakcji w nowoczesnej biochemii. Pierwsze eksperymenty mające na celu zbadanie ludzkiego metabolizmu wykonał i przedstawił w książce Ars de statica medecina Santorio Santorio. Ważył on się przed i po jedzeniu, piciu, śnie, pracy, stosunku płciowym, poście i defekacji. Zauważył, że większość przyjmowanego pokarmu tracił poprzez – jak to określił – „nieświadomą perspirację”.

Podczas tych wczesnych badań nie utożsamiano jeszcze procesów życiowych z funkcjami metabolicznymi; za czynnik ożywiający uznawano wówczas nieznaną siłę życiową. W XIX wieku, podczas badań nad fermentacją alkoholową przeprowadzaną przez drożdże, Louis Pasteur zauważył, że proces ten katalizowany jest przez substancje zawarte w komórkach drożdży, które nazwał „fermentami”. Z jego zapisków czytamy, że „fermentacja alkoholowa jest powiązana z procesami życiowymi i organizacją komórek drożdży, nie zaś z ich śmiercią czy rozkładem”. Odkrycie to, które zbiegło się w czasie z pierwszą udaną syntezą związku organicznego (mocznika) z substancji nieorganicznych przeprowadzoną w 1828 r. przez Friedricha Wöhlera, udowodniło, że związki organiczne i reakcje zachodzące w komórkach nie różnią się ogólnym charakterem od innych zjawisk i substancji chemicznych.

Oddzielenie badań nad chemicznymi reakcjami metabolicznymi od nauki o biologii komórki nastąpiło wraz z odkryciem enzymów przez Eduarda Buchnera na początku XX wieku; chwila ta wyznacza umowny moment narodzin biochemii. XX wiek przyniósł gwałtowny rozwój wiedzy z tej dziedziny, co w dużej mierze świat nauki zawdzięcza Hansowi Krebsowi. Odkrył on istnienie cykli: ornitynowego, kwasu cytrynowego i glioksylanowego (2 ostatnie wraz z Hansem Kornbergiem). Ogromny wpływ na tempo rozwoju biochemii wywarły takie technologie, jak chromatografia, rentgenografia strukturalna, spektroskopia NMR, mikroskopia elektronowa i symulacje dynamiki molekularnej. Pozwoliły one na identyfikację i szczegółową analizę wielu cząsteczek i przebiegających w komórkach szlaków metabolicznych.

Zobacz też

• wrodzone błędy metabolizmu
• blok metaboliczny

Bibliografia

• Jeremy Mark Berg, John L Tymoczko, Lubert Stryer, Neil D Clarke, Zofia Szweykowska-Kulińska, Artur Jarmołowski, Halina Augustyniak: Biochemia. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2007. ISBN 978-83-01-14379-4.brak strony w książce
• B Hames, Nigel M Hooper, Lilla Hryniewiecka, Kazimierz Ziemnicki, Halina Augustyniak: Biochemia. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2007. ISBN 978-83-01-13872-1.brak strony w książce
• Władysław J. H. Kunicki-Goldfinger: Życie bakterii. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1994. ISBN 83-01-11323-5.
• Nicholls, D. G. i Ferguson, S. J., Bioenergetyka 2 Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1995. ISBN 978-83-01-11661-3
• Lansing M. Prescott: Microbiology. McGraw Hill Higher Education, 2002. ISBN 978-0072485226.
• January Weiner: Życie i ewolucja biosfery. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2005. ISBN 83-01-14174-3.

Linki zewnętrzne

Informacje ogólne

• Metabolism, Cellular Respiration and Photosynthesis. BioChemWeb.org. [dostęp 2009-02-06]. [zarchiwizowane z tego adresu (2014-07-02)]. (ang.). (Metabolizm, oddychanie komórkowe i fotosynteza)
• Biochemistry of Metabolism. Instructional materials for a studio-format course. Rensselaer Polytechnic Institute. [dostęp 2008-11-01]. [zarchiwizowane z tego adresu (22 listopada 2013)]. (ang.). (Biochemia metabolizmu)
• Steyermark A., Njoku R.: Physiology at its best. [dostęp 2008-11-01]. [zarchiwizowane z tego adresu (17 czerwca 2008)]. (ang.). (Zaawansowany kalkulator metabolizmu zwierząt. Interaktywna strona do nauki)
• Hurlbert E.: Microbial metabolism. 1999. [dostęp 2008-11-01]. [zarchiwizowane z tego adresu (24 maja 2013)]. (ang.). (Metabolizm mikroorganizmów)
• Karl J. Miller: Metabolic Pathways of Biochemistry. 1998. [dostęp 2009-02-06]. [zarchiwizowane z tego adresu (2000-08-16)]. (ang.). (Biochemiczne szlaki metaboliczne)
• Chemistry for Biologists. Royal Society of Chemistry, Biochemical Society. [dostęp 2009-02-06]. [zarchiwizowane z tego adresu (2006-04-26)]. (ang.). (Chemia dla biologów)
• Sparknotes: SAT Biology. SparkNotes LLC. [dostęp 2009-02-06]. [zarchiwizowane z tego adresu (2019-03-17)]. (ang.).
• metabolism, [w:] Encyclopædia Britannica [dostęp 2009-02-06]  (ang.).

Metabolizm człowieka

• James Baggott, Sharon E. Dennis: NetBiochem Topics. 1994-95. [dostęp 2009-02-06]. (ang.). (przewodnik nt. szlaków metabolicznych człowieka, poziom szkolny)
• Michael W. King: The Medical Biochemistry Page. [dostęp 2009-02-06]. (ang.). (zasób materiałów nt. metabolizmu człowieka)

Bazy danych

• The BioCyc Collection of Pathway/Genome Databases (en)
• Flow Chart of Metabolic Pathways (en) (baza danych szlaków metabolicznych)
• The KEGG PATHWAY Database (en) (baza danych szlaków metabolicznych)
• Reactome (baza danych o procesach biologicznych)

Szlaki metaboliczne

• Donald E. Nicholson: IUBMB-Nicholson Metabolic Pathways Chart. Sigma-Aldrich. [dostęp 2009-02-06]. [zarchiwizowane z tego adresu (2008-09-10)]. (ang.). (Szlaki metaboliczne komórki roślinnej)
• Doutor Pedro Silva: Metabolic pathways. 2002. [dostęp 2009-02-06]. [zarchiwizowane z tego adresu (2013-05-22)]. (ang.). (Schematy głównych szlaków metabolicznych)