Przegląd metabolizmu

Co dzieje się teraz w twoim ciele? Twoja pierwsza odpowiedź może być taka, że jesteś głodny, lub że twoje mięśnie są obolałe od biegu, lub że czujesz się zmęczony. Ale wejdźmy jeszcze głębiej, przechodząc przez warstwę twojej świadomości i patrząc na to, co dzieje się w twoich komórkach.

Gdybyś mógł zajrzeć do jakiejkolwiek komórki w swoim ciele, zauważyłbyś, że jest to niezwykłe centrum aktywności, bardziej przypominające ruchliwy targ na świeżym powietrzu niż cichy pokój. Niezależnie od tego, czy jesteś przebudzony czy śpisz, biegasz czy oglądasz telewizję, energia jest przekształcana wewnątrz komórek, zmieniając formy, podczas gdy cząsteczki ulegają powiązanym reakcjom chemicznym, które utrzymują cię przy życiu i w dobrej sprawności.

Komórki nieustannie wykonują tysiące reakcji chemicznych potrzebnych do utrzymania komórki, i twojego ciała jako całości, żywych i zdrowych. Te reakcje chemiczne są często połączone w łańcuchy lub ścieżki. Wszystkie reakcje chemiczne zachodzące wewnątrz komórki nazywane są łącznie metabolizmem komórki.

Aby zrozumieć złożoność metabolizmu, spójrzmy na poniższy diagram metaboliczny. Dla mnie ten bałagan linii wygląda jak mapa bardzo dużego systemu metra lub ewentualnie fantazyjnej płytki obwodu drukowanego. W rzeczywistości jest to schemat głównych szlaków metabolicznych w komórce eukariotycznej, takiej jak komórki budujące ludzkie ciało. Każda linia jest reakcją, a każde koło jest reagentem lub produktem.

W sieci metabolicznej komórki niektóre reakcje chemiczne uwalniają energię i mogą zajść spontanicznie (bez wkładu energii). Jednak inne reakcje potrzebują dodatkowej energii, aby mogły przebiec. Tak jak musisz stale jeść jedzenie, aby uzupełnić to, co zużywa twoje ciało, tak komórki potrzebują ciągłego napływu energii, aby zasilić swoje wymagające energii reakcje chemiczne. W rzeczywistości jedzenie, które spożywasz, jest źródłem energii zużywanej przez twoje komórki!

Aby uczynić pojęcie metabolizmu bardziej konkretnym, przyjrzyjmy się dwóm procesom metabolicznym, które są kluczowe dla życia na Ziemi: tym, które budują cukry, i tym, które je rozkładają.

Jako przykład ścieżki uwalniającej energię, zobaczmy, jak jedna z twoich komórek może rozłożyć cząsteczkę cukru (powiedzmy z tego cukierka, który miałeś na deser).

Wiele komórek, w tym większość komórek w twoim ciele, czerpie energię z glukozy (${\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6$‍) w procesie zwanym oddychaniem komórkowym. Podczas tego procesu cząsteczka glukozy jest rozkładana stopniowo, w wielu małych krokach. Jednak proces ten można ogólnie zapisać za pomocą reakcji:

${\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6$‍ + $6{\text{O}}_2$‍ $\to$‍ $6{\text{CO}}_2$‍ + $6{\text{H}}_2\text{O}$‍ + $\text{energia}$‍

Rozkład glukozy uwalnia energię, która jest wychwytywana przez komórkę w postaci trójfosforanu adenozyny lub ATP. ATP to mała cząsteczka, która umożliwia komórkom w wygodny sposób krótkie przechowywanie energii.

Po wytworzeniu, ATP może być używany w innych reakcjach w komórce jako źródło energii. Tak jak my, ludzie, używamy pieniędzy, ponieważ jest to łatwiejszy sposób na pozyskanie czegoś, czego potrzebujemy niż handel wymienny, więc komórka wykorzystuje ATP, aby uzyskać standardowy sposób przesyłania energii. Z tego powodu ATP jest czasami określane jako „waluta energetyczna” komórki.

Jako przykład ścieżki metabolicznej wymagającej energii, przyjrzyjmy się temu ostatniemu przykładowi i zobaczmy, jak syntetyzowana jest cząsteczka cukru.

Cukry, takie jak glukoza, są wytwarzane przez rośliny w procesie zwanym fotosyntezą. Podczas fotosyntezy rośliny wykorzystują energię światła słonecznego do przekształcania dwutlenku węgla w cząsteczki cukru. Fotosynteza przebiega w wielu małych krokach, ale jej ogólna reakcja jest odwróceniem reakcji oddychania komórkowego:

$6{\text{CO}}_2$‍ + $6{\text{H}}_2\text{O}$‍ + $\text{energia}$‍ $\to$‍ ${\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6$‍ + $6{\text{O}}_2$‍

Podobnie jak my, rośliny potrzebują energii do prowadzenia swoich procesów komórkowych, więc niektóre cukry są wykorzystywane przez samą roślinę. Mogą one również stanowić źródło pożywienia dla zwierząt, które jedzą roślinę, jak wiewiórka poniżej. W obu przypadkach glukoza będzie rozkładana w procesie oddychania komórkowego, generując ATP, aby utrzymać komórki żywymi.

Procesy wytwarzania i rozkładu cząsteczek glukozy są przykładami szlaków metabolicznych. Szlak metaboliczny to serie połączonych reakcji chemicznych, które wzajemnie się zasilają. Szlak rozpoczyna się od jednej lub więcej cząsteczek wyjściowych i poprzez serię półproduktów, przekształca je w produkty.

Szlaki metaboliczne można zasadniczo podzielić na dwie kategorie ze względu na efekty ich działania. Fotosynteza, która buduje cukry z mniejszych cząsteczek, jest szlakiem „budującym” lub anabolicznym. W przeciwieństwie do tego, oddychanie komórkowe rozkłada cukier na mniejsze cząsteczki i jest to szlak „rozkładu” lub kataboliczny.

Szlaki anaboliczne budują złożone cząsteczki z prostszych podjednostek i zazwyczaj potrzebują dostarczenia energii. Jednym z przykładów jest synteza glukozy z dwutlenku węgla. Inne przykłady obejmują syntezę białek z aminokwasów lub nici DNA z bloków budujących kwas nukleinowy (nukleotydów). Te procesy biosyntetyczne są bardzo istotne dla życia komórki, zachodzą w sposób ciągły i wykorzystują energię przenoszoną przez ATP i inne krótkoterminowe cząsteczki magazynujące energię.

Szlaki kataboliczne obejmują rozpad złożonych cząsteczek na prostsze związki i zazwyczaj uwalniają energię. Energia zmagazynowana w wiązaniach złożonych cząsteczek, takich jak glukoza i tłuszcze, jest uwalniana w szlakach katabolicznych. Następnie jest zbierana w postaciach, które mogą zasilać pracę komórki (na przykład poprzez syntezę ATP).

Ostatnia, ale ważna uwaga: reakcje chemiczne w szlakach metabolicznych nie odbywają się automatycznie, bez wskazówek. Każdy etap reakcji w szlaku jest wspomagany lub katalizowany przez białko zwane enzymem. Możesz dowiedzieć się więcej na temat enzymów i tego, jak kontrolują reakcje biochemiczne w temacie enzymy.