Metabolismus je soubor chemických reakcí probíhajících v rámci živé bytosti a umožní mu především udržet při životě, se reprodukovat , aby rozvíjet a reagovat na podněty ve svém prostředí. Některé z těchto chemických reakcí probíhají mimo buňky těla, jako je trávení nebo transport látek mezi buňkami. Většina z těchto reakcí však probíhá v samotných buňkách a tvoří přechodný metabolismus .
Biochemie buněk na základě chemické reakce katalyzované pomocí enzymů , to znamená, že proteiny, z nichž každý má schopnost usnadnit specifické chemické reakce. Tyto reakce se řídí principy termodynamiky a jsou organizovány do metabolických drah . Posledně jmenované jsou tvořeny souborem transformací, které umožňují převádět jednu chemickou sloučeninu na druhou prostřednictvím postupných, paralelních nebo cyklických transformací, katalyzovaných enzymy. Některé z těchto enzymů podléhají regulaci buněčnými metabolity nebo extracelulárními signály . Tyto regulační faktory modifikují enzymatickou kinetiku , zrychlují nebo zpomalují určité určující reakce a mají za následek samoregulaci systému otevíráním a zavíráním různých metabolických drah v závislosti na okolnostech.
Ve všech reakcích tvořících metabolismus se na jedné straně rozlišuje anabolismus , který představuje všechny cesty biosyntézy buněčných složek, a na druhé straně katabolismus , který představuje všechny cesty odbourávání. Těchto buněčných složek v malých molekulách na uvolňují energii oxidací nebo obnovují další buněčné složky. Reakce anabolismu a katabolismu jsou vzájemně propojeny prostřednictvím specializovaných molekul působících jako enzymatické kofaktory . To je například případ adenosintrifosfátu (ATP), jehož hydrolýza na adenosindifosfát (ADP) a na anorganický fosfát ( Pi ) je často spojena s anabolickými reakcemi, aby byly termodynamicky příznivé. Nikotinamid adenin dinukleotid (NAD + v oxidovaném stavu) a nikotinamid adenin dinukleotid fosfátu (NADPH v redukovaném stavu), pro jejich část, jsou nositeli elektronů používané v redoxních reakcí buněčné NAD + spíše katabolismu a NADPH v anabolismus. Z koenzym také umožnit výměnu materiálu mezi různými metabolickými cestami. Tak, koenzym A umožňuje aktivovat acylových skupin za vzniku acyl-CoA , nejvýznamnější z nich je acetyl-CoA : druhý se nachází na křižovatce několika hlavních metabolických cest, jako je degradace sacharidů a lipidů , produkce metabolické energie nebo biosyntéza mastných kyselin a kostí .
Metabolismus živé bytosti definuje typy chemických látek, které jsou pro tento organismus živinami a které jsou naopak jedy : tedy sirovodík H 2 Sje nezbytný pro vývoj určitých prokaryot , zatímco tento plyn je obecně toxický pro zvířata . Intenzita bazálního metabolismu také určuje, kolik jídla tělo potřebuje.
Je pozoruhodné sledovat podobnost základních metabolických drah a biochemických sloučenin napříč nejrůznějšími organismy. To znamená, že karboxylové kyseliny tvořící meziprodukty Krebsova cyklu se nacházejí ve všech živých bytostí dnes známé, a to od prokaryota , jako je E. coli na a metazoan jako je slon . Tyto pozoruhodné podobnosti jsou zcela jistě způsobeny časným objevením se těchto metabolických drah během vývoje forem života na Zemi a jejich ochranou díky jejich účinnosti.
„Můžeme libovolně uvažovat o třech obdobích ve vývoji způsobů uvažování o fungování živých organismů, od řeckého starověku po renesanci : období řeckých filozofů bohatých na odvážné myšlenky, často spekulativní. středověk dominují církevní moci, která trvá od řeckého dědictví, co je v souladu s finalism z biblické tradice konečně období nebo kvete v alchymii , která vyznačuje obnovení v experimentální praxi a oznamuje nový duch renesance“ .
Někteří z řeckých filozofů meditují o struktuře a dynamice živých věcí. Jejich teorie ze čtyř elementů , učil na XVIII -tého století, se domnívá, že na celém světě (a tedy i živé organismy, orgánů a tkání), výsledek z kombinace země, ohně, vzduchu a vody a že by měl poskytnout lepší porozumění metabolismus nálad (každá nálada je spojena s orgánem). Ve svém pojednání Části zvířat , Aristoteles popisuje metabolických procesů ze zásadního principu je pneuma (vrozená pneuma podanou spermatu nebo inspirovaným pneuma, vitální dech produkovaného odpařováním krve, která se koná v srdci, bezprostřední duše). Tento vitální dech vyrobený v srdci z inspirovaného vzduchu „distribuuje v těle teplo, které dává život; umožňuje trávení a asimilaci jídla. Potraviny rozdrcené zuby se rozpadají v žaludku, poté ve střevě, které mají být přeneseny do srdce a přeměněny na krev. “
Fyziologie experimentální kořeny v alchymistů východní starověku, středověku a renesance, jehož experimenty na kov připravil experimentální metodu . V této souvislosti je Santorio Santorio průkopníkem ve vývoji stupnice spojené se sedadlem, aby zvážil jak to, co absorbuje, i to, co odmítá potem a výkaly . Jeho metabolický experiment prováděný více než třicet let přinesl první výsledky dlouhodobé studie o lidském metabolismu, publikované v jeho knize Ars de statica medicina v roce 1614.
Human Nutrition stává vědeckou disciplínu na konci XVIII -tého století a zaměřuje XIX tého století na základě metabolismu a kalorické hodnoty z potravin . Průkopnické experimenty k ověření vazeb mezi potravinami a energií se skutečně provádějí v kontextu sociologické krize průmyslové revoluce, kde je „důležité, aby manažeři založili hierarchii práce na kapacitách každého a pro pracovníka, znát jeho roli v systému “ . Dopad „ energetického paradigmatu “ ve výzkumu se pak promítne do „měření výkonu tělesné činnosti [která] se stává ústředním prvkem procesu experimentování s fyziologií “ .
V letech 1854 až 1864 provedl Louis Pasteur experimenty, které ukazují, že alkoholová fermentace není čistě chemickým procesem, ale fyziologickým procesem, který je výsledkem metabolismu mikroorganismů . V roce 1897 chemik Eduard Buchner a jeho bratr Hans (de) , bakteriolog, ukazují, že tato fermentace vyžaduje mediátory metabolismu, enzymy , biokatalyzátory, které umožňují urychlit většinu biochemických reakcí probíhajících v buňce ( anabolismus , katabolismus , oxidace) -redukce , přenosy energie ).
Od 50. let se biochemický výzkum znásobil. Spoléhat se na vývoj technik, jako je chromatografie , elektronová mikroskopie , rentgenová krystalografie , sledování izotopů , NMR spektroskopie nebo molekulární dynamika , vedou k lepší znalosti metabolických drah a zúčastněných molekul.
Na zvířata , na rostliny a mikroorganismy se skládá ze tří hlavních rodiny molekul :
Tyto molekuly jsou pro život nezbytné, buněčný metabolismus spočívá buď v jejich syntéze k produkci nových buněk a rostoucích tkání , nebo dokonce jejich štěpení během trávení a jejich použití jako zdrojů energie a elementárních složek, které lze recyklovat při biosyntéze nových biomolekul .
Tyto makromolekuly biologické jsou sami polymery náležející do třech různých skupin:
Tyto proteiny jsou složené z kyselých a-aminokyselin spojených pomocí peptidové vazby za vzniku lineárního řetězce. Mnoho proteinů jsou enzymy, které katalyzují na chemické reakce metabolismu. Jiné proteiny mají strukturální nebo mechanickou roli, například cytoskelet , který udržuje obecný tvar buňky. Proteiny také hrají klíčovou roli v buněčné signalizaci , jako například protilátky z imunitního systému , na buněčnou adhezi , je aktivní transport přes membrány a buněčného cyklu . Aminokyseliny také pomáhají poskytovat energii pro metabolismus buněk tím, že podporují Krebsův cyklus , zvláště když chybí hlavní zdroje energie, jako je glukóza , nebo když je buňka pod metabolickým stresem.
Tyto lipidy jsou skupina Biochemicals nejrozmanitějších. Jejich hlavní strukturální funkcí je tvorba buněčných membrán , zejména plazmatické membrány a endomembránového systému eukaryotických buněk , jakož i organel, jako jsou mitochondrie a chloroplasty , nebo dokonce suborganel, jako jsou tylakoidy . Používají se také jako zdroje energie. Obecně jsou definovány jako hydrofobní a amfifilní biologické molekuly , rozpustné v organických rozpouštědlech, jako je benzen a chloroform . Tyto tuky jsou mezi lipidy, velká skupina pevných látek, sestávající v podstatě skládá z mastných kyselin a glycerolu . Molekula složená ze tří zbytků mastných kyselin, které esterifikují tři hydroxylové skupiny glycerolového zbytku, se nazývá triglycerid . Kolem tohoto ústředního tématu existují různé variace, například sfingosin v případě sfingolipidů a hydrofilní skupiny , jako je fosfátová skupina v případě fosfolipidů . Tyto steroidy , jako je cholesterol , jsou dalším důležitým rodina lipidů.
Tyto sacharidy jsou aldehydy nebo ketony , které mají větší počet skupin hydroxylu . Tyto molekuly mohou existovat v lineární nebo cyklické formě . Jedná se o nejhojnější biologické molekuly. Plní velké množství funkcí, jako látky pro skladování a transport energie ( škrob , glykogen ) nebo jako strukturní složky ( celulóza v rostlinách , chitin u zvířat ). Tyto sacharidové monomery se nazývají prostředí operačního systému : jsou například galaktózu , fruktózu , a zejména glukózy . Mohou polymerovat za vzniku polysacharidů s téměř nekonečnou rozmanitostí struktur.
Tyto nukleosidy výsledkem vazbu molekuly z ribózy nebo deoxyribózy na nukleobázi . Ty jsou sloučeniny, heterocyklické , které obsahují atomy na dusíku ; dělí se na puriny a pyrimidiny . Tyto nukleotidy jsou vytvořeny z nukleosidu a jednoho nebo více fosfátových skupin spojených s cukrem.
Dvě nukleové kyseliny , ribonukleové kyseliny (RNA) a deoxyribonukleové kyseliny (DNA), jsou polymery z nukleotidů , nebo polynukleotidů . RNA je tvořena ribonukleotidy (obsahujícími ribózu) a DNA deoxyribonukleotidů (obsahujícími deoxyribózu). Nukleové kyseliny umožňují kódování a termín o informace genetické a jeho dekódování přes po sobě následujících procesů transkripce a genové translace z biosyntézy proteinů . Tyto informace jsou uchovány mechanismy opravy DNA a přenášeny procesem replikace DNA . Mnoho virů , známých jako RNA viry , má genom tvořený RNA a nikoli DNA - například virus lidské imunodeficience (HIV) nebo virus chřipky - některé se uchylují k reverzní transkriptáze, aby v hostitelské buňce generovaly šablonu DNA z RNA virového genomu, jiné jsou přímo replikovány RNA na RNA pomocí RNA polymerázy závislé na RNA (nebo replikázy). RNA z ribozymů , jako jsou spliceozomy (nebo částic sestřihu ) a ribozomů je podobné enzymy , pokud je schopen katalyzovat na chemické reakce .
Metabolismus zahrnuje velmi velké množství různých chemických reakcí, které tvoří komplexní síť transformací, ale většinu z nich lze přirovnat k několika typům základních reakcí sestávajících z přenosů funkčních skupin . To vyplývá ze skutečnosti, že buněčná biochemie vyžaduje relativně malý počet molekul, které působí jako aktivátory schopné přenášet skupiny atomů mezi různými reakcemi. Takové molekuly se nazývají koenzymy . Každý typ přenosu funkční skupiny zahrnuje specifický koenzym. Každý z těchto koenzymů je také specifický pro určitý počet enzymů, které katalyzují přenosové reakce, enzymy, které je trvale mění a regenerují.
Adenosintrifosfát (ATP) je univerzální koenzym energetické burzy ve všech známých organismů. Tento nukleotid umožňuje přenášet metabolickou energii mezi reakcemi, které uvolňují energii, a těmi, které ji absorbují. V buňkách je kdykoli jen malé množství ATP, ale protože je tento kapitál ATP neustále spotřebováván a regenerován, lidské tělo může ve skutečnosti konzumovat téměř ekvivalentní množství ATP každý den. K jeho celkové hmotnosti. ATP umožňuje spojit anabolismus s katabolismem , přičemž první konzumuje ATP produkovaný druhým. Slouží také jako transportér fosfátových skupin při fosforylačních reakcích .
Tyto vitaminy jsou organické sloučeniny, esenciální v malých množstvích ve fungování buněk, ale že nemohou vyrábět sami. U lidí se většina vitamínů stává koenzymy po několika změnách v buňkách. Ve vodě rozpustné vitamíny (vitamíny B ) jsou tedy fosforylovány nebo vázány na nukleotidy, pokud jsou použity v buňkách. Například niacin (kyselina nikotinová) je složkou nikotinamidadenindinukleotidu (NAD + ) a nikotinamidadeninindinukleotidfosfátu (NADP + ), které jsou důležitými koenzymy podílejícími se na redoxních reakcích jako akceptory vodíku . Existují stovky dehydrogenáz , které odečítají elektrony od jejich substrátu a redukují NAD + na NADH a H + . Tuto redukovanou formu koenzymu lze poté použít reduktázou . Pár NAD + / NADH se více podílí na katabolických reakcích, zatímco pár NADP + / NADPH je specifický pro anabolismus.
Tyto minerály hrají klíčovou roli v metabolismu. Některé jsou hojné, jako je sodík a draslík , zatímco jiné jsou aktivní pouze v nízkých koncentracích. Asi 99% hmoty savců tvoří prvky uhlík , dusík , vápník , sodík , chlor , draslík , vodík , fosfor , kyslík a síra . Tyto organické látky ( proteiny , lipidy a uhlohydráty ) obsahuje většinu z uhlíku a dusíku, přičemž převážná část kyslíku a vodíku jsou přítomny ve formě vody .
Nejhojnější minerální soli působí jako elektrolyty . Hlavními ionty jsou sodík Na + , draslík K + , vápník Ca 2+ , hořčík Mg 2+ , chlorid Cl - , fosforečnan PO 4 3−a organický hydrogenuhličitanový ion HCO 3 -. Udržování stanovených gradientů koncentrace napříč buněčnými membránami umožňuje udržovat osmotickou rovnováhu a pH intracelulárního média. Iony jsou také nezbytné pro fungování nervů a svalů díky akčnímu potenciálu, který je výsledkem výměny iontů přes plazmatickou membránu mezi extracelulární tekutinou (in) a intracelulární tekutinou, tj. - řekněme cytosol . Iony vstupují a opouštějí buňky membránovými proteiny zvanými iontové kanály . Tak, svalová kontrakce , závisí na průchod vápníku, sodíku a draslíku iontů prostřednictvím iontových kanálů buněčné membrány a T tubulů .
Tyto přechodné kovy jsou obecně přítomny v stopy v živých organismech je zinek a železo jsou nejhojnější z nich. Tyto kovy působí jako kofaktory určitých proteinů a enzymů a jsou nezbytné pro jejich správné fungování. To je například případ enzymu, jako je kataláza, a proteinu transportujícího kyslík , jako je hemoglobin . Kovové kofaktory se specificky vážou na určitá proteinová místa. I když je možné během katalyzované reakce změnit kofaktory, vždy se na konci reakce vrátí do původního stavu. Jsou přijímány organismy pomocí specifických transportérů, např. Sideroforů k absorpci železa, a jsou vázány na zásobní proteiny, jako je feritin a metalothionein, pokud se nepoužívají.
Katabolismus je množina metabolických procesů degradace biomolekul . To zahrnuje, například, degradace a oxidace z živin . Úkolem katabolismu je dodávat energii a základní složky nezbytné pro metabolismus buňky. Přesná povaha těchto reakcí závisí na každém organismu. Živé věci lze klasifikovat podle jejich zdrojů energie a uhlíku, kterému se říká trofický typ :
Zdroj energie | Sluneční světlo | Fotografie- | -trofej | ||
Chemické sloučeniny | chemoterapie | ||||
Dárce elektronů | Organické sloučeniny | organo- | |||
Anorganické sloučeniny | litho- | ||||
Zdroj uhlíku | Organické sloučeniny | hetero- | |||
Anorganické sloučeniny | já- |
Tyto organotrophic použití organické molekuly, jako zdroj energie , zatímco lithotrophic použití anorganické substráty a Fototrofní převést sluneční energie na chemickou energii . Tyto různé metabolismus však spoléhají na přenos elektronů z donorových sloučenin, -, jako jsou organické molekuly, voda , amoniak , sirovodík nebo dokonce kationty ze železa (II), Fe 2+ (dvojmocného železa.) - směrem akceptor elektronu sloučeniny, jako kyslík , dusičnany nebo dokonce sírany . U zvířat tyto reakce vedou k rozpadu složitých organických molekul na jednodušší molekuly, jako je oxid uhličitý a voda . U fotosyntetických organismů, jako jsou rostliny a sinice , tyto reakce uvolňují energii ze slunečního světla, která je tělem absorbována a ukládána.
Hlavní skupiny katabolických reakcí u zvířat lze rozdělit do tří hlavních stupňů. V prvních, velkých organických molekul, jako jsou proteiny , polysacharidy nebo lipidy jsou štěpeny do elementárních složek mimo buňky . Tyto základní složky jsou potom přijímány buňkami a přeměněny na ještě menší metabolity , nejčastěji acetyl-koenzym A ( acetyl-CoA ), s uvolněním malé energie. Konečně, acetyl zbytek z acetyl-CoA se oxiduje na vodu a oxid uhličitý , které Krebsova cyklu a dýchacího řetězce , druhý umožňuje energii vysoký potenciál elektronů převedených na NADH , které mají být uvolňovány během cyklu Krebs.
Tyto makromolekuly , jako je škrob , s celulózou a proteiny , které jsou biopolymery , nemohou být snadno absorbována buňkami , a musí být štěpeny na oligomery , případně i monomery , které mají být metabolizován. Tomu se říká trávení . Několik tříd běžných enzymů provádí tyto transformace, například peptidázy , které štěpí proteiny na oligopeptidy a aminokyseliny , nebo alternativně glykosidové hydrolázy (nebo glykosidázy ), které štěpí polysacharidy na oligosacharidy a osy .
Tyto mikroorganismy vylučují jejich trávicí enzymy v jejich okolí, zatímco zvířata vylučují tyto enzymy pouze ze specializovaných buněk v jejich trávicím traktu . Aminokyseliny a monosacharidy uvolněné těmito extracelulárních enzymů jsou pak absorbovány přes plazmatickou membránu buněk pomocí membránových proteinů v aktivní transport .
Tyto sacharidy se obecně absorbována buňkami po který byl štěpen cukry . Hlavní cestou degradace buněk uvnitř buňky je glykolýza , která produkuje několik molekul ATP a dvě molekuly pyruvátu na molekulu degradované glukózy . Pyruvát je metabolit společný několika metabolickým cestám , ale většina se přeměňuje na acetyl-CoA, aby podpořila Krebsův cyklus . Ta stále vyrábí některé ATP molekul, ale jeho hlavní produkt je NADH , vyplývající ze snížení z NAD + v průběhu oxidace z acetyl-CoA . Tato oxidace uvolňuje oxid uhličitý jako vedlejší produkt. Za anaerobních podmínek glykolýza produkuje laktát přenosem elektronů z NADH na pyruvát laktátdehydrogenázou za účelem regenerace NAD + pro glykolýzu. Alternativní cestou degradace glukózy je cesta pentózových fosfátů , jejichž primární funkcí není uvolňování energie, ale produkce prekurzorů různých biosyntéz, jako je NADPH , používaných zejména pro biosyntézu mastných kyselin , jakož i ribózy. -5-fosfát , používaný k syntéze nukleotidů , a erythrosis-4-fosfát , předchůdce aromatických aminokyselin .
Tyto lipidy jsou degradovány hydrolýzou na glycerol a mastné kyseliny . Glycerol se odbourává glykolýzou, zatímco mastné kyseliny se odbourávají beta-oxidací za vzniku acetyl-CoA , který se zase odbourává Krebsovým cyklem . Oxidace mastných kyselin uvolňuje více energie než sacharidy, protože tyto obsahují více kyslíku, a proto jsou více oxidovány než mastné kyseliny.
Tyto aminokyseliny se používají buď k produkci proteinů, a řadu dalších biomolekul, nebo oxidovány na močoviny a oxidu uhličitého na uvolňování energie. Jejich oxidace začíná jejich konverzi na a-ketokyseliny pomocí transaminázy , který štěpí jejich aminovou skupinu , druhý palivový cyklu močoviny . Některé z těchto α-ketokyselin jsou meziprodukty v Krebsově cyklu: deaminace glutamátu tak dává α-ketoglutarát . Tyto glukoneogenních aminokyseliny se mohou také převést na glukózu přes glukoneogeneze .
Během oxidační fosforylace - což by se ve francouzské fosforylační oxidaci mělo správně nazývat - se elektrony s vysokým potenciálem, které jsou výsledkem oxidačních reakcí metabolismu, přenášejí na kyslík s uvolňováním energie, která se získává zpět k syntéze ATP . To je dosaženo tím, eukaryotického prostřednictvím řady membránových proteinů z mitochondrií , které tvoří dýchací řetězec . U prokaryot se tyto proteiny nacházejí ve vnitřní membráně . Tyto membránové proteiny využívají energii uvolněnou cirkulací elektronů ze snížených koenzymů, jako jsou NADH a FADH 2kyslíku k čerpání protonů přes vnitřní mitochondriální membrány (u eukaryot) nebo plazmatické membrány (u prokaryot).
Čerpání protonů z mitochondriální matrice nebo cytoplazmy vytváří gradient v koncentraci protonů přes membrány - tj. Rozdíl v pH . To má za následek elektrochemický gradient . Tento „ hnací síla proton “ aktivuje enzym nazvaný ATP syntázy , která funguje jako turbíny, který katalyzuje na fosforylaci a ADP na ATP , jako protony projít zpět do mitochondriální matrix přes vnitřní mitochondriální membránu.
Chimiolithotrophie (en) se o primární nutriční skupiny definující prokaryota , které odvozují svoji energii z anorganických látek . Tyto organismy mohou používat vodík , sloučeniny redukovaného síry - sirovodík S 2– , sirovodík H 2 S, thiosíran S 2 O 3 2−- železné železo (Fe 2+ ) a amoniak (NH 3) jako dárci elektronů, které přenášejí na akceptory, jako je kyslík O 2nebo nitritový anion (NO 2 -). Tyto mikrobiální procesy jsou důležité z hlediska planetárních biogeochemických cyklů , jako je cyklus dusíku , nitrifikace a denitrifikace , a jsou rozhodující pro úrodnost půdy.
Světelná energie je absorbována rostlinami , na sinic , z fialové bakterie , na zelené sirné bakterie a některé prvoků . Tento proces je často spojen s přeměnou oxidu uhličitého na organické sloučeniny jako součást fotosyntézy . Tyto dva procesy - absorpce světelné energie a biosyntéza organických sloučenin - mohou přesto u prokaryot fungovat samostatně . Fialové bakterie a zelené sirné bakterie tedy mohou využívat sluneční světlo jako zdroj energie a současně provádět buď proces fixace uhlíku, nebo proces fermentace organických sloučenin.
V mnoha organizacích, absorpce sluneční energie, založený na principech podobných těm z oxidativní fosforylace protože jev fyzické - obnovujícího energii elektronů na koenzym redukované - je spojen s jev chemikálie - na fosforylaci z ADP na ATP - podle chemiosmotická teorie o pomocí koncentračního gradientu z protonů generování elektrochemický gradientu napříč membránou . V případě fotosyntézy pocházejí elektrony s vysokým potenciálem z proteinů absorbujících světelnou energii zvaných fotosyntetická reakční centra nebo rhodopsiny . Reakční centra přicházejí ve dvou fotosystémech v závislosti na přítomném fotosyntetickém pigmentu : většina fotosyntetických bakterií má pouze jeden, zatímco rostliny a sinice dva.
V rostlinách, řasách a sinicích přenáší fotosystém II světelnou energii na dva elektrony molekuly vody, které jsou zachyceny komplexem cytochromu b 6 f, zatímco kyslík O 2je vydáno. Energie vysokým potenciálem elektronů převedených na cytochromu b 6 f komplex se používá k čerpání protonů přes membrány těchto thylakoids v chloroplastech , protony, jejichž návrat do lumen je doprovázena fosforylací z ADP na ATP pomocí ATP syntázy , jako v případě oxidační fosforylace . Elektrony potom procházejí fotosystému I a může snížit na NADP + koenzymu na NADPH pro použití podle Calvin cyklu , nebo může být použit k výrobě ještě ATP.
Anabolismus zahrnuje všechny metabolické dráhy , že spotřeba energie ( ATP ) a snížení výkonu ( NADH ), získanou při katabolismem pro syntézu na biomolekul komplexy. Obecně řečeno, složité molekuly, které přispívají k buněčným strukturám, jsou vytvářeny krok za krokem z mnohem menších a jednodušších prekurzorů .
Anabolismus se skládá ze tří hlavních fází:
Organismy se liší v počtu složek svých buněk, které jsou schopny samy produkovat. Autotrofní jako jsou rostliny mohou syntetizovat komplexní organické molekuly svých buněk, jako jsou polysacharidy a proteiny z jednoduchých molekul, jako je oxid uhličitý CO 2a vody H 2 O. Naproti tomu heterotrofi potřebují k produkci svých složitých biomolekul složitější živiny, jako jsou cukry a aminokyseliny. Organismy mohou být dále klasifikovány podle jejich primární zdroj energie: photoautotrophs a photoheterotrophs získávají energii ze slunečního záření, zatímco chemoautotrophs a chemoheterotrophs získávají energii z oxidačně redukčních reakcí .
Fotosyntéza je biosyntéza ze sacharidů na z vody a oxidu uhličitého pomocí slunečního světla. V rostlinách , řasách a sinicích je molekula vody H 2 Oje rozdělen na kyslík O 2a elektrony vysoké potenciální energie se používá pro fosforylaci na ADP na ATP a tvoří NADPH používá ke snížení oxidu uhličitého 3-fosfoglycerát , samotný prekurzor glukózy . Tuto reakci vázající uhlík provádí Rubisco , základní enzym Calvinova cyklu . V rostlinách existují tři různé typy fotosyntézy: fixace uhlíku v C 3 , sekvestrace uhlíku C 4 a metabolismus kyseliny crassulacean (CAM). Tyto typy reakcí se liší v cestě, kterou oxid uhličitý vstupuje do Calvinova cyklu: rostliny C 3 to fixují přímo, zatímco rostliny C 4 a fotosyntetické CAM fixují CO 2. dříve na jiné sloučenině jako adaptace na vysoké teploty a suché podmínky.
U fotosyntetických prokaryot jsou mechanismy vázání uhlíku rozmanitější. Tento proces se může provádět pomocí Calvin cyklu, ale také o reverzní Krebsova cyklu nebo karboxylace z acetyl-CoA . Prokaryotické chemoautotrofní organismy také fixují uhlík CO 2pomocí Calvin cyklu, ale s energií z oxidace z anorganických sloučenin .
Během anabolismus ze sacharidů je kyselina organická jednoduchý může být převedena na monosacharidy , jako je glukóza , mohou být polymerovány na polysacharidy , jako je škrob . Biosyntéza glukózy ze sloučenin, jako je pyruvát , laktát , glycerol , 3-fosfoglycerát a aminokyselin se nazývá glukoneogeneze . Glukoneogeneze převádí pyruvát na glukóza-6-fosfát prostřednictvím řady metabolitů , z nichž mnohé jsou také meziprodukty při glykolýze . Tuto metabolickou cestu však nelze chápat jako obrácenou glykolýzu, protože mnoho jejích kroků je katalyzováno jinými enzymy než glykolýzou. Tento bod je důležitý, protože umožňuje regulovat biosyntézu a degradaci glukózy odlišným způsobem od sebe navzájem, a proto zabraňovat tomu, aby tyto dva procesy fungovaly současně a jeden ničil druhý v čisté ztrátě.
Ačkoli organismy běžně ukládají energii ve formě lipidů , obratlovci, jako jsou lidé, nemohou přeměnit mastné kyseliny ve svých tucích na glukózu prostřednictvím glukoneogeneze, protože nemohou převést acetyl-CoA na pyruvát: rostliny mají k tomu potřebné enzymové vybavení, ale ne zvířata . Výsledkem je, že obratlovci podrobení dlouhodobému hladovění používají své lipidy k produkci ketonových tělísek určených ke kompenzaci nedostatku glukózy v buňkách, které nejsou schopné rozložit mastné kyseliny na energii, zejména mozkové buňky . Jiné organismy, jako například rostliny a bakterie , se zabývají tímto metabolickým stresem pomocí glyoxylátový cyklus , který obchází dekarboxylační krok v Krebsově cyklu a umožňuje transformaci acetyl-CoA na oxalacetát , které pak mohou být použity pro výrobu glukózy .
Tyto polysacharidy a glukany se vyrábějí postupným přidáváním monosacharidů pomocí glykosyltransferázy z dárcovské Ose-fosfátu jako uridin difosfát glukóza (UDP-glukózy) na skupinu hydroxylovou akceptoru procesu biosyntézy polysacharidu. Protože každá z hydroxylových skupin substrátu může být akceptorem, mohou být polysacharidy lineární nebo rozvětvené. Vyrobené polysacharidy mohou mít samy o sobě strukturální nebo metabolickou roli, nebo mohou být dokonce přeneseny na lipidy nebo proteiny pomocí enzymů nazývaných oligosacharyltransferázy .
Tyto mastné kyseliny jsou syntetizovány podle mastné kyseliny syntázy (FAS), soubor enzymů , které katalyzují na Claisenova kondenzační jednotky malonyl-CoA přes základní nátěr z acetyl-CoA . Acylové řetězce jsou prodlouženy sekvencí čtyř reakcí, které se reprodukují ve smyčce při každé kondenzaci nové malonyl-CoA jednotky . U zvířat a hub (plísní) jsou tyto reakce prováděny multifunkčním enzymovým komplexem zvaným FAS I , zatímco u rostlin a bakterií jsou tyto reakce katalyzovány souborem samostatných enzymů nazývaných FAS II , z nichž každý je monofunkční.
Tyto terpeny a terpenoidy jsou velká rodina lipidů , které zahrnují karotenoidy , a tvoří hlavní třídu přírodních rostlinných produktů. Tyto sloučeniny jsou výsledkem sestavení a modifikace izoprenových jednotek odvozených od reaktivních prekurzorů, jako je isopentenylpyrofosfát a dimethylallylpyrofosfát . Tyto prekurzory lze vyrobit různými způsoby. U zvířat a archaea je mevalonátová dráha syntetizuje z acetyl-CoA, zatímco u rostlin a bakterií je methylerythritol fosfátová dráha , známá také jako nemevaloniková dráha z anglicismu, produkuje tyto látky z pyruvátu a 3-fosfoglycerátu . Tito dárci izoprenových jednotek se používají zejména při biosyntéze steroidů , především k tvorbě skvalenu , který se poté poskládá a odhalí základní cykly lanosterolu . Tento sterol lze poté převést na jiné steroidy, jako je cholesterol a ergosterol .
Organismy mají velmi rozdílné schopnosti syntetizovat 22 proteinogenních aminokyselin . Většina bakterií a rostlin může produkovat vše, co potřebují, ale savci mohou syntetizovat pouze dvanáct aminokyselin, které se nazývají neesenciální , což znamená, že jejich strava jim musí poskytnout dalších devět: histidin , isoleucin , leucin , lysin , methionin , fenylalanin , threonin , tryptofan a valin - nepoužívají pyrrolysin , specifický pro methanogenní archea .
Některé jednoduché organismy, jako jsou bakterie Mycoplasma pneumoniae , nejsou schopné syntetizovat žádnou aminokyselinu a všechny je odebrat ze svého hostitele . Všechny aminokyseliny jsou syntetizovány z glykolýzních meziproduktů , Krebsova cyklu a pentózo-fosfátové dráhy . Dusík pochází z glutamátu a glutaminu . Syntéza aminokyselin závisí na tvorbě vhodné a-ketokyseliny , která se poté transaminuje za vzniku aminokyseliny.
Aminokyseliny se skládají do proteinů tvorbou peptidových vazeb mezi nimi, což vede k lineárním polypeptidovým řetězcům . Každý protein má sekvenci určenou v aminokyselinových zbytcích: toto je jejich primární struktura . Aminokyseliny se mohou spojovat ve prakticky neomezeném počtu různých kombinací, přičemž každá kombinace odpovídá konkrétnímu proteinu. Proteiny jsou sestaveny z aminokyselin, které jsou předem aktivovány na molekule přenosové RNA (tRNA) esterovou vazbou . Tento předchůdce, nazývaný aminoacyl-tRNA, je tvořen působením specifických enzymů , aminoacyl-tRNA syntetáz . Tato aminoacyl-tRNA může být poté zpracována ribozomem , jehož funkcí je spojovat aminokyseliny dohromady sledováním sekvence označené messengerovou RNA transkribovanou z genů .
Tyto nukleotidy jsou vyrobeny z z aminokyselin na oxid uhličitý a mravenčanu prostřednictvím metabolické cesty , které spotřebovávají hodně energie. To je důvod, proč většina organismů má účinné systémy pro obnovení již existujících nukleotidů. Tyto puriny jsou vyráběny ve formě nukleosidů , to znamená, že z nukleobáze spojené s ribosy . Adenin a guanin jsou odvozeny jak od inosin monofosfát (IMP), vyrobené z uhlíku odvozené od glycinu , z glutaminu , v aspartátu a formiát převeden na tetrahydrofolát . Pyrimidinu , podle pořadí, jsou vyrobeny ze orotátu , sám pocházel z glutaminu a aspartátu.
Všechny organismy jsou neustále vystaveny chemickým látkám, které nemohou používat jako živiny a které by mohly být nebezpečné, pokud by se hromadily v buňkách a neposkytovaly žádný metabolický přínos. Takové sloučeniny se nazývají xenobiotika . Tělo může detoxikovat některé z nich, jako jsou léky , jedy a antibiotika, pomocí specifických skupin enzymů . U lidí takové enzymy zahrnují cytochromy P450 , glukuronosyltransferázy a glutathion S- transferázy . Tento enzym je třístupňový systém na první oxidují cizorodých (fáze I) a pak konjugátu ze skupiny rozpustných ve sloučenině (fáze II), a nakonec k čerpání ho do buněk , které mají být případně dále metabolizován v mnohobuněčných organismů , než se nakonec vylučovány (fáze III) . Tyto reakce jsou důležité zejména z ekologického hlediska , protože se podílejí na mikrobiální degradaci z znečišťujících látek a bioremediace kontaminovaných zemin a olejových skvrn . Mnoho mnohobuněčných metabolických reakcí je také přítomno v mnohobuněčných organismech, ale vzhledem k extrémní rozmanitosti jednobuněčných organismů jsou tyto schopny zpracovat mnohem větší počet xenobiotik než mnohobuněčné organismy a mohou degradovat i perzistentní znečišťující látky, jako jsou organochlorované sloučeniny .
Aerobní organismy čelí oxidačnímu stresu . Ve skutečnosti oxidativní fosforylace a tvorba disulfidových vazeb nezbytných pro skládání mnoha proteinů produkují reaktivní deriváty kyslíku , jako je peroxid vodíku . Tyto nebezpečné oxidanty jsou zpracovány antioxidanty, jako je glutathion a enzymy, jako jsou katalázy a peroxidázy .
Jelikož živé bytosti podléhají neustálým změnám ve svém prostředí , musí být jejich metabolismus neustále přizpůsobován tak, aby udržovaly své fyziologické konstanty - jako je teplota a intracelulární koncentrace různých chemických druhů - v rozmezí normálních hodnot, které se nazývá l ' homeostáza . Regulace metabolismu také umožňuje živým věcem reagovat na podněty a komunikovat s jejich prostředím. Pro pochopení způsobů regulace buněčného metabolismu jsou zvláště důležité dva související mechanismy: na jedné straně je regulace enzymu modulace kinetiky reakce tohoto enzymu, tj. Zvýšení nebo snížení snížení jeho aktivity v reakci na různé chemické signály, a na druhé straně kontrola vyvíjená enzymem je účinek jeho variací v aktivitě na celkovou aktivitu metabolické dráhy , představovanou tokem metabolitů, které touto cestou procházejí . Enzym může být skutečně vysoce regulovaný, a tak může vykazovat významné odchylky v aktivitě, aniž by měl dopad na celkový tok metabolitů cestou, do které zasahuje, takže takový enzym tuto metabolickou cestu nekontroluje.
Existuje několik úrovní regulace metabolismu. Vnitřní regulace je samoregulace z metabolické dráhy v reakci na změny v koncentraci substrátů nebo výrobků. Snížení koncentrace produktu metabolické dráhy tedy může zvýšit tok metabolitů touto cestou, aby se kompenzovalo vyčerpání této sloučeniny v buňce. Tento typ regulace je často založen na alosterické regulaci několika enzymů v metabolické cestě. Vnější kontrola se týká buněk mnohobuněčných organismů, které se setkávají s ostatními buněčnými signály . Tyto signály mají obecně formu „ve vodě rozpustných poslů“, jako jsou hormony a růstové faktory , které jsou detekovány specifickými membránovými receptory na povrchu buněk. Tyto signály jsou přenášeny uvnitř buňky mechanismem přenosu signálu zahrnujícím sekundární posly, kteří často působí prostřednictvím fosforylace určitých proteinů .
Velmi dobře rozumí příklad vnějšího ovládání je regulace glukózového metabolismu od inzulinu . Inzulin se vyrábí v reakci na zvýšenou hladinu cukru v krvi , tj. Na hladinu glukózy v krvi . Vazba tohoto hormonu na jeho buněčné receptory aktivuje kaskádu proteinových kináz, které způsobují, že buňky absorbují glukózu a přeměňují ji na zásobní molekuly, jako jsou mastné kyseliny a glykogen . Metabolismus glykogenu je řízen aktivitou glykogenfosforylázy , která štěpí glykogen, a glykogensyntázou , která jej produkuje. Tyto enzymy jsou symetricky regulovány, přičemž fosforylace aktivuje glykogenfosforylázu, ale inhibuje glykogensyntázu. Inzulin podporuje produkci glykogenu aktivací fosfatáz, které reaktivují glykogensyntázu a deaktivují glykogenfosforylázu snížením jejich fosforylace.
Hlavní metabolické cesty zmíněné výše, jako je glykolýza a Krebsův cyklus , jsou přítomny v organismech patřících do tří oblastí života: bakterie , eukaryoty a archea . Je možné, že všechny tři lze vysledovat zpět k poslednímu univerzálnímu společnému předkovi , pravděpodobně prokaryotickému a pravděpodobně methanogennímu s úplným metabolizmem aminokyselin , nukleotidů , sacharidů a lipidů ; že chlorobactéries by mohlo být nejstarší stále živé organismy. Evoluční zachování těchto starodávných metabolických drah mohlo být způsobeno skutečností, že se ukázaly jako optimální řešení konkrétních metabolických problémů, kdy glykolýza a Krebsův cyklus produkují jejich metabolity efektivně a v minimálním čase. Je možné, že první metabolické dráhy založené na enzymech souvisely s puriny , zatímco dříve existující dráhy by vznikly ve světě RNA založeném na ribozymech .
Bylo navrženo mnoho modelů k popisu mechanismů, kterými se objevují nové metabolické dráhy. To zahrnuje postupné přidávání nových enzymů ke kratším cestám, duplikaci nebo divergenci již existujících cest nebo integraci již existujících enzymů do nových metabolických cest. Relativní význam těchto různých mechanismů zůstává nejasný, ale genomika ukázala, že enzymy stejné metabolické dráhy mají dobrou šanci sdílet společného předka, což by mělo tendenci ukazovat, že mnoho cest se vyvinulo postupně objevením se nových funkcí z pre- existující kroky v příslušné metabolické cestě. Dalším modelem od studií o evoluci proteinových struktur zapojených do metabolické dráhy sítí naznačují, že enzymy jsou do značné míry integrována do nich provádět podobné funkce v různých metabolických drah, což je jasně patrné v databázi. MANET . Tyto integrační procesy probíhají podle mozaikového vzoru. Třetí možností je přítomnost určitých segmentů metabolických drah, které lze modulárně použít k odhalení dalších metabolických drah a provádění podobných funkcí na různých molekulách.
Kromě vzniku nových metabolických drah může evoluce také způsobit vymizení určitých biochemických funkcí. To je například případ některých parazitů , kteří mají tendenci absorbovat biomolekuly svého hostitele a ztrácejí schopnost syntetizovat je sami. Podobné snížení metabolických schopností lze pozorovat u endosymbiotických organismů .
Metabolismus podléhá principům termodynamiky , kterými se řídí výměna tepla a práce . Druhý termodynamický zákon říká, že v jakémkoliv uzavřeném systému se entropie (to znamená poruchy) má tendenci se zvyšovat. Ačkoli se zdá, že extrémní složitost živých bytostí je v rozporu s tímto principem, život je možný pouze proto, že všechny organismy jsou otevřené systémy , které si vyměňují hmotu a energii se svým prostředím . Živé věci proto nejsou v rovnováze, ale jsou to disipativní systémy, které si udržují vysoký stupeň složitosti větším nárůstem entropie svého prostředí. Buněčný metabolismus je dosaženo kondenzací spontánní procesy z katabolismu s non-spontánní procesy anabolismus : termodynamická pohledu, metabolismus udržuje pořadí vytvořením poruchy.
Metabolismus štěpení velkých molekul na malé molekuly, který umožňuje uvolňování energie, se nazývá katabolismus . Energie se ukládá během fosforylace ADP (adenosindifosfát) na ATP (adenosintrifosfát). Tato energie bude použita k zajištění různých funkcí buňky.
Tři hlavní způsoby výroby energie:
Existují však různé metabolické cesty, o čemž svědčí tento obrázek:
U houbových, bakteriálních, rostlinných nebo teplokrevných nebo chladnokrevných zvířat způsobují různé procesy interakci vnitřní a vnější teploty a metabolismu s více či méně složitými smyčkami zpětné vazby, které se liší podle druhů, jednotlivců, jejich tvaru a formy. tělesná hmotnost a pozadí.
Zdá se, že rostliny a kvasinky mají jednoduchý biologický termostat ; U kraba Arabidopsis thaliana hraje tuto roli při teplotních změnách nižších než 1 ° C jediný protein ( histon H2A.Z). Tento protein modifikuje navíjení DNA na sebe a tak řídí přístup k DNA určitých molekul, které inhibují nebo aktivují několik desítek genů. Tento efekt „bio-termostatu“ se zdá být v přírodě častý, protože je detekován také v organismech, které se liší od kvasinek a běžného brukvovité.
Pochopení těchto mechanismů by mělo také pomoci lépe porozumět určitým účinkům (na geny) změny klimatu .
Tyto metabonomiky měří stopa biochemické narušení způsobené nemocí, drog nebo toxických látek. Představen v 1980 , tato disciplína začala hrát důležitou roli v oblasti výzkumu a vývoje ve farmaceutickém průmyslu na XXI -tého století. Doplňuje genomiku a proteomiku , například umožňuje charakterizovat zvířecí modely různých patologií za účelem identifikace nových farmakologických cílů . Zvláštností metabonomiky je simultánní analýza velkého počtu metabolitů , to znamená, že z malých molekul , mezilehle metabolické dráhy , v biologických médiích, jako je moč nebo plazmy . K identifikaci markerů toxicity (nebo řady markerů odpovídajících metabolickým profilům) se používají nástroje metabolického screeningu (široké a systematické zkoumání), jako je nukleární magnetická rezonance nebo hmotnostní spektrometrie , s cílem identifikovat kandidáty na léčiva v rané fázi vývojového cyklu, který bude vykazovat nepříznivé účinky. V ideálním případě budou biomarkery identifikované v preklinické fázi neinvazivní a mohou být použity v klinické fázi ke sledování nástupu, progrese a vyléčení patologie. Aby bylo možné identifikovat nové metabolity, které jsou markery toxicity, je také nutné znát tzv. „Normální“ variace metabolické zásoby (vliv cirkadiánního rytmu , stres , strava , úbytek hmotnosti atd.). Je tedy možné objevit metabolické poruchy, které jsou specifické pro studovanou patologii.
Metaforicky a v širším smyslu někdy mluvíme o městském metabolismu (téma vyvinuté zejména ve Francii Sabine Barlesovou ), průmyslovém nebo sociálním nebo společenském metabolismu k popisu vstupů (přírodní zdroje, energie, půda, člověk ...) a výstupů ( odpad, více či méně rozložitelný a / nebo recyklovaný), který charakterizuje tyto systémy .
Nicholson JK, Lindon JC, Holmes E. „Metabonomics“: pochopení metabolických odpovědí živých systémů na patofyziologické podněty prostřednictvím vícerozměrné statistické analýzy biologických NMR spektroskopických údajů. Xenobiotica 1999; 29: 1181-9.