skup hemijskih reakcija i načina na koji živi organizmi transformišu hemijske supstance From Wikipedia, the free encyclopedia
Metabolizam (grč. μεταβολήσμός - metabolos = promjena) je biohemijski proces u kojem dolazi do mijenjanje hemijskih jedinjenja u živim organizmima i ćelijama. Metabolizam se dijeli na anabolizam odnosno biosintezu (stvaranje) kompleksnih organskih molekula i na katabolizam koji je obrnuti proces od anabolizma, a to je razlaganje složenih organskih jedinjenja u jednostavnije sastojke. Sveukupni biohemijski procesi u jednom organizmu se jednom riječju nazivaju metabolizam. Najveći uticaj u metabolizmu ima endokrini sistem. Metabolizam predstavlja određenu grupu hemijskih promjena kojima se održava život u ćelijama. Ove reakcije su katalizirane enzimima. One omogućavaju organizmima da rastu i da se reproduciraju, održe svoje strukture i odgovore na energetske utjecaje prirodne okoline. Naziv metabolizam se također može odnositi i na sve hemijske reakcije koje se odvijaju u živim organizmima, uključujuću varenje i prenos supstanci unutar i između različith ćelija. Skup hemijskih reakcija unutar ćelija naziva se intermedijarni metabolizam ili ćelijski metabolizam. [1]
Neorganske i organske supstance koje dospjevaju u ćeliju su podložne biohemijskim promjenama. Razlažu se unijete supstance, uz oslobađanje energije, a sinteziraju se nove koje ulaze u sastav ćelije, pri čemu se energija troši.
Ćelijski metabolizam je temelj svih životnih aktivnosti - od jednoćelijskih do najsloženijih višećelijskih oblika života - čini mreža metaboličkih procesa, povezanih u uskladenu i dinamičnu cjelinu organizma. Uravnotežen sistem na ovoj razini je također uslov za održavanje homeostaze. U tom sistemu prometa materije i energije u ćeliji, veoma su važne redukcijske i oksidacijske reakcije, koje omogućavaju preobrazbu odgovarajućih molekula. Oksidacija molekula je posljedica gubitka elektrona iz nekog od njihovih atoma, dok je redukcija suprotan proces. Oksidacija i redukcija uzajmno su povezane i uslovljene reakcije, jer ako jedan atom otpušta elektrone, neki drugi ih mora primiti (pošto oni ne mogu postojati nezavisno).
Prelazak elektrona iz jedne molekule u drugu praćen je oslobađanjem odgovarajućih količina energije. Stoga su oksidacija i redukcija posebno značajne u energetskom bilansu ćelije, kao svojevrsni pokazatelji intenziteta razgradnje postojećih supstanci (katabolizam) i izgradnje novih (anabolizam).[2][3]
Osnovni energetski izvori su organski spojevi. Oslobođena energija tokom oksidacijsko-redukcijskih (redoks) procesa u ćeliji može se iskoristiti jedino posredstvom posebnih molekula, koje su u stanju vezati relativno mnogo energije, a zatim je trošiti u odgovarajućim sintetskim procesima. U tom pogledu, najznačajnije molekule su adenozin trifosfata (ATP). To je nukleotidni derivat adenina, koji ima tri fosfatne skupine. Otpuštanjem jedne od njih, nastaje adenozin-difosfat (ADP), uz oslobađanje značajne količine energije. Adenozin-monofosfat (AMP) ima malo energije, a nastaje od ADP (gubitkom jedne fosfatne skupine). Međutim, on i ADP imaju veoma jak afinitet prema fosfatnoj kiselini pa je povratna reakcija brza i djelotvorna u smjeru:
+ (+ energija) → + (+ energija) → .
Utrošena energija na oba koraka iznosi 29,3 kJ/mol.
Prema tomne, u vezamna fosfatne grupe i adenina deponira se odgovarajuća količina energije, koja se obrnutim slijedom reakcija veoma lahko oslobađa i iskorištava u ćelijskom metabolizmu.
Pored toga, na intenzitet ćelijskog metabolizma posebno utiče prostorni raspored enzima koji pokreću i usaglašavaju sve stupnjeve reakcije u ćeliji, te funkcionalnost pojedinih ćelijskih organela i struktura.
Proces fotosinteze je jedan od najilustrativnijih primjera anaboličkih procesa u živom svijetu.
Metabolički sistem svakog organizma određuje koje će tvari biti hranljive, a kojeotrovne. Primjerice, neki prokarioti uzimaju vodik sulfid kao hranjivi sastojak, dok je taj gas otrovan za životinje.[4] Na količinu neophodne hrane za održavanje energetske ravnoteže (baznog metabolizma) utiče posebna brzina metabolizma, koja tako utiče i na način na koji organizam dolazi do hrane.
Jedno od osnovnih obilježja metabolizma je upadljiva sličnost osnovnih metaboličkih puteva i njihovih komponenti, čak i između veoma različitih vrsta. Na primjer, grupa karboksilnih kiselina koje su najbolje poznate kao međusupstance ciklusa limunske kiseline je prisutna u svim poznatim oblicima života, od jednoćelijskih bakterija (npr. Escherichia coli) do ogromnih višećelijskih organizama, kao što su slonovi. Vjeruje se da su te, ćesto neuočljive sličnosti metaboličkih puteva posljedica njihove rane pojave tokom evolucijske historije i stabilizacije zbog njihove djelotvornosti.
Većina struktura od kojih su građene životinje, biljke i mikroorganizmi sadrže tri osnovne klase molekula:
Budući da su te molekule osnova života, metaboličke reakcije su usmjerene na prepravljanje tih molekula za izgradnju sopstvenih ćelija i tkiva ili na njihovo razlaganje, pri čemu se iskorištavaju kao izvori energije putem varenja. Te supstance mogu biti spojene u polimere kao što su DNK i proteini, koje su osnovne makromolekule života.
| Tip molekule | Monomerni oblik | Polimerni oblik | Primjeri polimernih oblika |
|---|---|---|---|
| Aminokiseline | Aminokiseline | Proteini (polipeptidi) | Fibrozni proteini i globularni proteini |
| Ugljikohidrati | Monosaharidi | Polisaharidi | Skrob, glikogen i celuloza |
| Nukleinske kiseline | Nukleotidi | Polinukleotidi | DNK i RNK |
Proteini se sastoje od aminokiselina, koje su povezane u linearne lance preko peptidnih veza. Pored toga, mnogi proteini su enzimi koji kataliziraju hemijske reakcije metabolizma. Drugi proteini imaju strukturne i/ili mehaničke uloge, kao što su oni koji izgrađuju citoskelet, sistem kojim se održava oblik ćelija.[5] Aminokiseline također doprinose ćelijskom energetskom metabolizmu tako što služe kao izvor ugljika u cilusu limunske kiseline (Krebsov ciklus), što je osobito značajno u oskudici glavnih izvora energije, kao što je glukoza ili kad su ćelije izložene metaboličkom stresu.
Lipidi ili masti su najraznovrsnija grupa biohemijskih supstanci. Njihova glavna uloga u ćelijskoj strukturi je prisustvo u građi bioloških membrana, unutrašnjih i spojnjih, kao što je ćelijska membrana ili služe kao bogat izvor energije. Lipidi se obično tumače kao hidrofobne ili amfifilne biološke molekule, iako se rastvaraju u organskim rastvaračima, kao što su benzen ili hloroform.[6] Masti su grupa velikih jedinjenja − spojevi masne kiseline i glicerola. Molekula glicerola je vezana za tri masne kiseline u estaru koji se zove triacilglicerid.[7] Postoji nekoliko varijacija ove osnovne strukture, uključujući i alternativne, kao što je sfingozin u sfingolipidima, i hidrofilne grupe kao što su fosfati u fosfolipidima. Steroidi, kao što je holesterol su također još jedna značajna klasa lipida.
Ugljikohidrati su aldehidi ili ketoni sa nekoliko vezanih hidroksilnih grupa, koji mogu biti kao otvoreni lanci ili prstenovi. Ugljeni hidrati su najrasprostranjenije biološke molekule. Obavljaju brojne uloge, kao što je skladištenje i prenos energije (skrob, glikogen) i kao strukturni dijelovi (celuloza u biljkama, hitin kod životinja). Osnovne ugljikohidratne jedinice su monosaharidi, koji obuhvataju galaktozu, fruktozu, i glukozu. Monosaharidi se mogu povezati u polisaharide, na gotovo neograničen broj načina.
U molekulama dva oblika nukleinskih kiselina – DNK i/ili RNK – zapisana je i pohranjena kompletna genetička informacija svake jedinke. To su polimeri nukleotida, tj. polinukleotidi. Svaki nukleotid se sastoji od fosfatne grupe koja je vezana za riboznu ili deoksiriboznu šećernu grupu, a ova dalje za dušikovu bazu. Nukleinske kiseline su nezamjenljive u pohranjivanju i izvršenju genetičke informacije, odnosno njeno tumačenje u procesima transkripcije i biosintezi proteina. Ta informacija je zaštićena putem mehanizma za popravku DNK i širi se preko DNK replikacije. Mnogi virusi imaju RNK genome, kao primjerice, HIV. Za kreiranje DNK šifre, oni koriste reverznu transkripciju iz sopstvenog virusnog RNK genoma. Budući da može katalizirati biohemijske reakcije, RNK u ribozimima, kao što su splajseosomi i ribosomi je slična enzimima. Pojedinačni nukleotidi nastaju vezivanjem nukleobaze za ribozni šećer. Baze su heterociklični prstenovi koji sadrže dušik, a uvrštena je kao purini ili pirimidini. U reakcijama prenosa metaboličkih grupa, nukleotidi također djeluju i kao koenzimi.
Metabolizam obuhvata široku mrežu biohemijskih reakcija, od kojih se većina grupiše u nekoliko osnovnih vrsta, koje obuhvataju prenos funkcionalnih grupa atoma i njihovih veza unutar molekula. Taj zajednički hemizam omogućava ćelijama da prilikom prenosa hemijskih grupa u različitim reakcijama, koriste malu grupu metaboličkih međuproizvoda. Ti prenosni posrednici se nazivaju koenzimima. Svaka klasa reakcija takvih prenosa se odvija posredstvom posebnog koenzima, koji je supstrat grupi enzima koji ga proizvode, kao i za grupu enzima koji ga konzumiraju. Ti koenzimi se stoga stalno stvaraju, troše, a zatim recikliraju.
U ćelijama postoji jedan središnji koenzim – adenozin trifosfat (ATP) – univerzalni energijski (re)generator, koji se koristi za prenos hemijske energije između različitih hemijskih reakcija. Kako je u ćelijama raspoloživa relativno mala količina ATP molekula, one se stalno obnavljaju; ljudsko tijelo može za dan potrošiti ekvivalent sopstvene težine ATP molekula. ATP nergetski deluje kao preklopnik između katabolizma i anabolizma. Katabolizmom se molekule razgrađuju (uz dobitak energije), a anabolizmom se grade (uz utrošak energije). Kataboličke reakcije izgrađuju ATP, a anaboličke reakcije ga neprestano troše u smjeru: ATP → ADP → AMP i nazad (AMP → ADP → ATP... U reakcijama fosforilacije, ATP također služi za prenos fosfatne grupe.
Vitamini suorganska jedinjenja koja su neophodna za normalno održavanje homeostaza, a u organizmu se ne mogu sintetizirati. Zato je neophodno stalntno uzimanje ovih supstanci u potrebnim (obično malim) količinama. U ljudskoj ishrani većina vitamina djeluje kao izmijenjeni koenzim. Tako su primjerice, kad se koriste, svi u vodi rastvorljivi vitamini fosforilizirani ili su spregnuti sa nukleotidima.[8] Nikotinamid adenin dinukleotid (NAD+) − derivat vitamina B3 (niacina) − je važan koenzim-akceptor vodika. Na stotine različitih vrsta dehidrogenaza uklanjaju elektrone sa svojih substrata i smanjuju NAD+ do NADH. Tako nastali koenzim je zatim supstrat za bilo koju od reduktaza u ćelijama koje smanjuju svoje supstrate. Ćelijski nikotinamid adenin dinukleotid postoji u dva srodna oblika: NADH i NADPH. NAD+/NADH je važniji u kataboličkim, a NADP+/NADPH se koristi u anaboličkim reakcijama.
U metabolizmu ključne uloge imaju i neorganski elementi. Neki od njih su bogato zstupljeni poput natrija i kalija, dok drugi djeluju u veoma malim koncentracijama. Kod sisara, čak oko 99% tjelesne mase se sastoji od ugljika, dušika, kisika, vodika, kalcija, kalija, natrija, hlora, fosfora i sumpora. Organska jedinjenja, kao što su proteini, lipidi i ugljikohidrati, sadrže najveći dio ugljika i dušika, pri čemu je najveći dio kisika i vodika u obliku vode.
Bogato zastupljeni neorganski elementi djeluju kao ionski elektroliti. Najznačajniji ioni su: natrij, kalij, kalcij, magnezij, hlor, fosfor i organski bikarbonat. Održavanjem potrebnog ionskog gradijenta kroz ćelijske membrane održava se i osmotski pritisak i pH. Ioni su također suštinski potrebni za djelovanje nerava i mišića, pošto se akcijski potencijali u tim tkivima proizvode razmjenom elektrolita između vanćelijskog i unutarćelijskog fluida, citosola. Elektroliti stalno ulaze i izlaze u i iz živih ćelija, posredstvom proteina u ćelijskoj membrani koji su označeni kao ionski kanali. Primjerice, skupljanje mišića zavisi od kretanja kalcija, natrija i kalija, kroz jonske kanale u ćelijskoj membrani i T-tubulama.
Prelazni metali se u organizmu obično nalaze kao mikroelementi, pri čemu su najzastupljeniji cink i željezo. Ti metali se koriste u pojedinim proteinima kao kofaktori, a važni su za aktivnosti enzima kao što su katalaze i proteina-prenosnika kisika, kao što je hemoglobin. U proteinima, metalni kofaktori su snažno povezani sa posebnim mjestima. Iako enzimski kofaktori tokom katalize mogu biti izmijenjeni na kraju katalitičke reakcije, redovno se vraćaju u prvobitno stanje. U organizme se sitni metalni hranjivi sastojci unose posredstvom posebnih prenosnika i vežu za skladišne proteine, kao što je feritin ili metalotionein, kada se ne koriste.
Metabolički procesi omogućuju organizmu da održava samosvojnost, samoregulaciju i reprodukciju, odnosno da održava homeostazu, raste i razmnožava se, održava svoju strukturu i reagira na unutrašnje i spoljne energetske podražaje. Prema smjeru metaboličkih reakcija, metabolizam obuhvata dvije kategorije:
Biohemijske reakcije u procesima metabolizma uključene su u metaboličke puteve u kojima se određeni spojevi pretvaraju u neki drugi, uz katalitsku podršku enzima. Enzimi su ključni činilac u metabolizmu zato što omogućavaju organizmu da se biološki poželjne reakcije odvijaju brzo i efikasno, ali uz termodinamički nepovoljne hemijske reakcije, u kojima enzimi djeluju kao katalizatori. Omogućuju i kontrolu metaboličkih puteva, kao odgovora na promjene u unutrašnjim i okolinakim podražajima.
Osnovni metabolički putevi u organizmu čovjeka su:
Metabolizam svakog organizma određuje koji hemijski spojevi mogu biti hranljive tvari, a koji su otrovi. Tako vodikov-sulfid naprimjer, neki prokarioti koriste kao hranljivu tvar, dok je ista supstanca za većinu životinja otrov. Obično iznenađuje sličnost osnovnih metaboličkih puteva kod većine raznorodnih vrsta. Karboksilna kiselina je naprimjer, kao međuproizvod u ciklusu limunske kiseline, prisutna u svim organizmima od bakterija, kao što je Escherichia coli, pa do velikih višećelijskih organizama (slonova i mamutovac, npr.).
Osnovni metabolizam ili bazni je oznaka za količinu energije koja je potrebna za održavanje osnovnih životnih uloga organizma, u stanju mirovanja.
Katabolizam je umrežen sistem metaboličkih procesa koji razgrađuju velike složene molekule. Smisao tog smjera prometa materijala je razgradnja neiskoristljivih složenih molekula u manje molekule, koje kasnije služe kao gradivni materijal za izgradnju potrebnih složenih spojeva (togom anabolizma). Katabolički procesi se koriste i za dobivanje nove energije, koja je potrebna za normalno odvijanje životnih funkcija. Katabolitske reakcije variraju među raznim vrstama organizmima, a prema načinu na koji dobijaju energiju i ugljik, svrstane su u tri kategorije. Oni koji kao izvor energije koriste organske molekule, nazivaju se organotrofni organizmi, dok litotrofni organizmi koriste anorganske spojeve, a fototrofni organizmi mijenjaju svjetlosnu energiju u potencijalne izvore hemijske energije. Svi ovi oblici metabolizma ovise o redoks reakcijama koji uključuju prijenos elektrona s ograničene molekule donora (npr. organske molekule, vode, amonijaka, vodikovog sulfida ili ion željeza), na molekulu koja je akceptor elektrona, kao što su kisik, nitrat ili sulfat.
Svrstavanje organizama prema prirodi metabolizma
| Izvor energije | Sunčeva svjetlost | Foto- | -trof | ||
| Molekule | Hemo- | ||||
| Donor elektrona | Organski spoj | Organo- | |||
| Anorganski spoj | Lito- | ||||
| Izvor ugljika | Organski spoj | Hetero- | |||
| Anorganski spoj | Auto- | ||||
Anabolizam je proces stvaranja složenih jedinjenja, od jednostavnih organskih molekula:
Anabolizam uključuje mrežu metaboličkih procesa izgradnje složenih bioloških molekula, uz trošenje odgovarajućih prekursora i energija, koja nastaje katabolizmom. Složene molekule ćelijskih struktura nastaju postupno, korak po korak, iz malih jednostavnih molekula. Anabolizam se odvija u tri osnovna koraka. U prvom nastaju prekursori složenih molekula kao što su aminokiseline, monosaharidi, izoprenoidi i nukleotidi. Na drugom koraku, prekursori se aktiviraju, vezanjem energije iz ATP-a, a u trećem se spajaju u složena jedinjenja kao što su: proteini, polisaharidi, lipidi i nukleinske kiseline. Razne vrste organizama se međusobno razlikuju i prema tome koliko molekula mogu izgraditi u svojim stanicama. Autotrofni, kao što su biljke, mogu, iz jednostavnih molekula poput ugljikov dioksid i voda (fotosinteza), stvarati složene molekule, kao što su polisaharidi i proteini. Za razliku od njih, heterotrofnim organizmima, za izgradnju opstvenih složenih molekula neophodni su gotovi proizvodi složenijih molekula, kao što su aminokiseline i monosaharidi. Organizmi se mogu dalje podijeliti na fotoautotrofne i fotoheterotrofne, čiji je izvor energija sunca, i na hemoautotrofne i hemoheterotrofna, koji kao izvor energije za oksidaciju koriste anorganske tvari.
Metabolizam lijekova je proces mijenjanja ili degradacije lijekova i drugih ksenobiotskih spojeva, pomoću sljedećih sistema:
Metbolizam dušika uključuje procese u kojima se sintetiziraju dušični spojevi i u kojima dolazi do ispuštanja azota iz organizama, kao i biološke procese dušičnog ciklusa:
U procesu oksidacijske fosforilacije elektroni koji su nastali u metaboličkim putevima (npr. u Krebsovom ciklusu prenose se na molekulu kisika, pri čemu se nastala energija koristi za sintezu adenozin trifosfata. U eukariotima, prijenos elektrona se obavlja kroz niz proteinskih jedinjenja unutrašnje membrane mitohondrija. Taj niz proteina uzima energiju koja je nastala prijenosom elektrona za ispumpavanje protona izvan mitohondrija, čineći respiracijski lanac. Proteinska jedinjenja djeluju tako što u nekom jedinjenju prenose elektron iz jednog aktivnog mjesta na drugo, pri čemu u svakoj narednoj reakciji elektron gubi malu količinu energije, koja se na taj način postepeno, bez zagrijavanja, vrlo uspješno koristi za ispumpavanje protona izvan mitohondrija. Ispumpavanjem protona, zbog razlike u koncetraciji protona, na membrani mitohondrija nastaje elektrokemijski gradijent. Ispumpani protoni se vraćaju u mitohondrije pomoću enzima zvanog ATP sintaza, koji njihov protok niz gradijent koristi za sintezu adenozin trifosfata iz adenozin difosfata. Taj protok se može koristiti i kao energana i za druge procese u ćeliji.
Energiju iz sunčeve svjetlosti biljke i neke skupine bakterija i protista, zarobljavaju, tj. pretvaraju u hemijsku energiju iz molekula organskih spojeva, koji nastaju iz anorganske tvari u procesu fotosinteze.
Hemolitotrofni organizmi su određeni prokarioti koji su sposobni da potrebnu energiju za metabolizam dobijaju oksidacijom anorganskih spojeva. Kao donore elektrona mogu koristiti vodik, spojeve koje sadrže ograničeni sumpor (sulfid), vodikov sulfid, tiosulfat), željezo(II)-oksid ili amonijak. Elektroni se u respiratornom lancu iskorištavaju za stvaranje ATP-a, dok su elektronski akceptori molekule tipa kisika ili nitriti. Ovi procesi, koji se odvijaju u mikroorganizmima, mogu biti od velike općebiološke i ekološke važnosti kao naprimjer, u nitrifikaciji tla.
Historijat istraživanja metabolizma proteže se kroz nekoliko stoljeća. Prvi koncept metabolizma seže u 13. stoljeće, od arapskog doktora iz Damaska Ibn al-Nafisa (1213.-1288.), koji je ustanovio da su tijelo i njegovi dijelovi u stalnom stanju ispuštanja tvari i hranjenja, jer se u njemu odvijaju stalne promjene. Prvi kontrolirani pokus u toj oblasti objavio je Santorio Santorio 1614. u knjizi Ars de statica medecina, opisujući promjene svoje težine prije i poslije jela, spavanja, rada, spolnog odnosa, posta, uzimanja tečnosti, naprezanja. Otkrio je da je većina pojedene hrane izgubljena u procesu koji je on nazvao "insenzibilna perspiracija". U ranim istraživanjima, suština metaboličkih procesa nije otkrivena, pa su preovladavale hipoteze da živo tkivo pokreće "vitalna sila".
Istraživanjem alkoholnog vrenja, u 19. stoljeću, Louis Pasteur je zaključio da pretvaranja šećera u alkohol, izaziva vrenje koje katalizira tvar unutar gljivica, koje je nazvao "ferment". Dalje je uočio da je alkoholno vrenje proces povezan sa životom gljivičnih ćelija, a ne sa njihovom smrću. To otkriće, zajedno s radom Friedricha Wöhlera iz 1828. o hemijskoj sintezi ureje, dokazalo je da se organski spojevi i hemijske reakcije u ćelijama načelno ne razlikuju od ostalih hemijskih promjena.
Otkriće enzima na početku 20. Stoljeća, kada je (Eduard Buchner) odvojio istraživanje hemijskih reakcija metabolizma od biološkog istraživanja ćelije, označilo je nastanak biohemije. U brojnim otkrićima u oblasti biohemije iz prve plovine 20. stoljeća, posebno se ističe ono Hansa Krebsa – otkriće ciklusa limunske kiseline. Savremena biohemijska istraživanja su značajno napredovala upotrebom novih tehnika kromatografije, difrakcije X-zraka, NMR spektroskopije, radioizotopnog označavanja i elektronske mikroskopije.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
