متابولیسم (Metabolism)

متابولیسم (برگرفته از اصطلاح یونانی μεταβολή metabolē، به معنای "تغییر") شامل مجموعه ای از واکنش های شیمیایی حیاتی است که حیات را در موجودات بیولوژیکی حفظ می کند. عملکرد اصلی آن شامل سه فرآیند کلیدی است: تبدیل انرژی از مواد مغذی به شکل قابل استفاده برای عملیات سلولی. تبدیل مواد بلعیده شده به ماکرومولکول های اساسی (بیوپلیمرها) مانند پروتئین ها، لیپیدها، اسیدهای نوکلئیک و کربوهیدرات های خاص. و تسهیل حذف محصولات جانبی متابولیک. این واکنش های آنزیمی موجودات زنده را قادر می سازد تا رشد کنند، تکثیر شوند، یکپارچگی ساختاری خود را حفظ کنند و با محیط اطراف خود تعامل داشته باشند. به طور گسترده تر، متابولیسم می تواند تمام دگرگونی های شیمیایی رخ داده در سیستم های زنده، از جمله فرآیندهای گوارشی و حمل و نقل بین سلولی و درون سلولی مواد را نشان دهد. هنگامی که به طور خاص به واکنش های محدود شده در سلول ها اشاره می شود، اصطلاح متابولیسم واسطه (یا متوسط) به کار می رود.

متابولیسم (از یونانی: μεταβολή metabolē، "تغییر") به مجموعه‌ای از واکنش‌های شیمیایی پایدار اشاره دارد که در موجودات زنده رخ می‌دهند. سه عملکرد اصلی متابولیسم عبارتند از تبدیل انرژی موجود در غذا به شکل قابل استفاده برای فرآیندهای سلولی. تبدیل غذا به بلوک های سازنده ماکرومولکول ها (بیوپلیمرها) مانند پروتئین ها، لیپیدها، اسیدهای نوکلئیک و برخی کربوهیدرات ها. و دفع مواد زائد متابولیک این واکنش های کاتالیز شده توسط آنزیم به ارگانیسم ها اجازه می دهد تا رشد کنند، تولید مثل کنند، ساختار خود را حفظ کنند و به محیط خود پاسخ دهند. کلمه متابولیسم همچنین می تواند به تمام واکنش های شیمیایی که در موجودات زنده رخ می دهد، از جمله هضم و انتقال مواد به داخل و بین سلول های مختلف اشاره کند. به معنای وسیع‌تر، مجموعه‌ای از واکنش‌هایی که در داخل سلول‌ها رخ می‌دهند، متابولیسم واسطه (یا میانی) نامیده می‌شوند.

واکنش‌های متابولیک اساساً به دو نوع اصلی طبقه‌بندی می‌شوند: فرآیندهای کاتابولیک، که شامل تجزیه ترکیبات پیچیده (به عنوان مثال، تجزیه مجدد به سلول‌های گلوکولارویروسی) می‌شوند. و فرآیندهای آنابولیک، که مستلزم سنتز (بیوسنتز) مولکول‌های پیچیده (مانند پروتئین‌ها، کربوهیدرات‌ها، لیپیدها و اسیدهای نوکلئیک) هستند. به طور معمول، کاتابولیسم با آزادسازی انرژی همراه است، در حالی که آنابولیسم به ورودی انرژی نیاز دارد.

واکنش‌های شیمیایی متابولیک به طور سیستماتیک در مسیرهای متابولیکی مرتب می‌شوند، جایی که یک ماده شیمیایی پیش‌ساز، با هر مرحله جداگانه توسط یک آنزیم خاص، تبدیل متوالی به یک محصول متمایز می‌شود. آنزیم‌ها برای متابولیسم ضروری هستند زیرا موجودات زنده را قادر می‌سازند تا واکنش‌های اندرگونیک را انجام دهند، که خود به خود اتفاق نمی‌افتد، با جفت کردن آنها با واکنش‌های اگزرگونیک که انرژی آزاد می‌کنند. آنزیم‌ها که به‌عنوان کاتالیزور عمل می‌کنند، سرعت واکنش را تسریع می‌کنند و همچنین مکانیزمی برای تنظیم سرعت واکنش‌های متابولیک فراهم می‌کنند، به‌عنوان مثال، در پاسخ به تغییرات در محیط سلولی یا سیگنال‌هایی که از سلول‌های دیگر منشا می‌گیرند.

سیستم متابولیک ارگانیسم تعیین می‌کند که کدام مواد به عنوان مواد مغذی و سمی درک شوند. به عنوان مثال، در حالی که برخی از پروکاریوت ها از سولفید هیدروژن (H2S) به عنوان یک ماده مغذی استفاده می کنند، این گاز برای گونه های مختلف جانوری سمی است. برعکس، سولفید هیدروژن به عنوان یک انتقال دهنده گاز، به صورت درون زا توسط برخی از پستانداران، از جمله انسان، در غلظت های کوچک تولید می شود، جایی که نقش های سیگنال دهی و تنظیمی حیاتی را ایفا می کند. نرخ متابولیسم پایه کل انرژی مصرف شده توسط یک موجود زنده را از طریق کل این واکنش های شیمیایی کمیت می کند.

یک ویژگی بارز متابولیسم، حفاظت عمیق از مسیرهای متابولیک اساسی در میان گونه‌های گوناگون است. به عنوان مثال، اسیدهای کربوکسیلیک که به عنوان واسطه در چرخه اسید سیتریک شناخته می شوند، در همه موجودات شناخته شده وجود دارند، از باکتری تک سلولی Escherichia coli (E. coli) تا موجودات چند سلولی بزرگ مانند فیل ها. این شباهت قابل توجه در مسیرهای متابولیک به احتمال زیاد به منشأ باستانی آنها در تاریخ تکامل و اثربخشی پایدار آنها نسبت داده می شود. علاوه بر این، فرآیندهای متابولیک طبیعی اغلب در شرایط پاتولوژیک مختلف، از جمله دیابت نوع II، سندرم متابولیک و سرطان مختل می شوند. مشخصات متابولیک متمایز سلول های سرطانی، در مقایسه با سلول های طبیعی، راه های امیدوارکننده ای را برای شناسایی اهداف مداخلات درمانی در سرطان شناسی ارائه می دهد.

اجزای کلیدی بیوشیمیایی

اجزای ساختاری حیوانات، گیاهان و میکروارگانیسم‌ها عمدتاً از چهار دسته اصلی مولکول‌ها تشکیل شده‌اند: اسیدهای آمینه، کربوهیدرات‌ها، اسیدهای نوکلئیک و لیپیدها (که معمولاً به آنها چربی گفته می‌شود). با توجه به نقش ضروری آنها در حفظ زندگی، واکنش‌های متابولیکی عمدتاً به سمت بیوسنتز این مولکول‌ها برای ساخت سلولی و بافتی یا به سمت تخریب کاتابولیک و استفاده از آنها برای کسب انرژی از طریق فرآیندهای گوارشی هدایت می‌شوند. این ترکیبات بیوشیمیایی می توانند پلیمریزه شوند و درشت مولکول های حیاتی مانند DNA و پروتئین ها را تشکیل دهند.

اسیدهای آمینه و پروتئین

پروتئین ها از اسیدهای آمینه تشکیل شده اند که به طور متوالی توسط پیوندهای پپتیدی به هم متصل شده اند و زنجیره های پلیمری خطی را تشکیل می دهند. پروتئین های متعددی به عنوان آنزیم عمل می کنند و واکنش های بیوشیمیایی ضروری برای متابولیسم را تسهیل می کنند. فراتر از نقش های آنزیمی، پروتئین ها عملکردهای ساختاری و مکانیکی را نیز انجام می دهند. به عنوان مثال، آنها اسکلت سلولی را تشکیل می دهند، یک سیستم داربست پیچیده که برای حفظ مورفولوژی سلولی ضروری است. علاوه بر این، پروتئین ها برای فرآیندهای سلولی مختلف، از جمله انتقال سیگنال، پاسخ های ایمنی، چسبندگی سلولی، انتقال فعال غشاء و تنظیم چرخه سلولی، جدایی ناپذیر هستند. اسیدهای آمینه علاوه بر این، با خدمت به عنوان منبع کربن برای چرخه اسید سیتریک (همچنین به عنوان چرخه اسید تری کربوکسیلیک شناخته می شود)، به ویژه در شرایط کمبود گلوکز یا استرس متابولیک، به متابولیسم انرژی سلولی کمک می کنند.

لیپیدها

لیپیدها دسته بسیار متنوعی از ترکیبات بیوشیمیایی را نشان می دهند. از نظر ساختاری، آنها اجزای اصلی غشای بیولوژیکی داخلی و خارجی، از جمله غشای پلاسما هستند. علاوه بر این، لیپیدها منبع مهمی از انرژی شیمیایی هستند. به طور مشخص، لیپیدها دارای یک زنجیره هیدروکربنی طولانی و غیرقطبی در کنار یک ناحیه قطبی کوچکتر حاوی اکسیژن هستند. لیپیدها که معمولاً به عنوان مولکول های بیولوژیکی آبگریز یا آمفی پاتیک طبقه بندی می شوند، در حلال های آلی مانند اتانول، بنزن یا کلروفرم محلول هستند. چربی ها، یک زیر گروه قابل توجه، شامل اسیدهای چرب و گلیسرول هستند. به طور خاص، یک تری اسیل گلیسرید از یک مولکول گلیسرول استری شده به سه اسید چرب تشکیل شده است. تغییرات ساختاری فراوان است، شامل ستون فقرات مانند اسفنگوزین در اسفنگومیلین و بخش های آبدوست مانند فسفات در فسفولیپیدها. استروئیدها، از جمله استرول ها، دسته برجسته دیگری از لیپیدها را تشکیل می دهند.

کربوهیدرات

کربوهیدرات‌ها پلی‌هیدروکسی آلدئیدها یا کتون‌هایی هستند که می‌توانند پیکربندی‌های زنجیره‌ای مستقیم یا چرخه‌ای داشته باشند. کربوهیدرات‌ها به‌عنوان فراوان‌ترین مولکول‌های بیولوژیکی، عملکردهای مختلفی از جمله ذخیره و انتقال انرژی (مانند نشاسته، گلیکوژن) و ایجاد یکپارچگی ساختاری (مانند سلولز در گیاهان، کیتین در حیوانات) را انجام می‌دهند. واحدهای اساسی کربوهیدرات ها مونوساکاریدها هستند که نمونه آن گالاکتوز، فروکتوز و به ویژه گلوکز است. مونوساکاریدها می توانند پلیمریزه شوند و از طریق یک آرایه گسترده از پیوندها، پلی ساکاریدها را تشکیل دهند.

نوکلئوتیدها

دئوکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) و اسید ریبونوکلئیک (RNA)، دو اسید نوکلئیک اولیه، ساختارهای پلیمری هستند که از مونومرهای نوکلئوتیدی تشکیل شده‌اند. هر نوکلئوتید شامل یک گروه فسفات، یک قند پنتوز (یا ریبوز یا دئوکسی ریبوز) و یک پایه نیتروژنی است. اسیدهای نوکلئیک برای ذخیره و استفاده از اطلاعات ژنتیکی ضروری هستند که از طریق رونویسی و بیوسنتز پروتئین تفسیر می شود. این اطلاعات ژنتیکی توسط مکانیسم های ترمیم DNA محافظت می شود و از طریق همانندسازی DNA منتشر می شود. بسیاری از ویروس ها، از جمله HIV، دارای ژنوم RNA هستند و از رونویسی معکوس برای سنتز یک الگوی DNA از RNA ویروسی خود استفاده می کنند. RNA درون ریبوزیم ها، مانند اسپلایسئوزوم ها و ریبوزوم ها، فعالیت کاتالیزوری آنزیم مانندی را در واکنش های شیمیایی نشان می دهد. نوکلئوزیدهای منفرد از اتصال کووالانسی یک نوکلئوباز به یک قند ریبوز تشکیل می شوند. این پایه های نیتروژنی حلقه های هتروسیکلیک هستند که به عنوان پورین یا پیریمیدین طبقه بندی می شوند. نوکلئوتیدها علاوه بر نقش ژنتیکی خود، به عنوان کوآنزیم در واکنش‌های مختلف متابولیک انتقال گروه عمل می‌کنند.

کوآنزیم

متابولیسم طیف گسترده‌ای از واکنش‌های شیمیایی را در بر می‌گیرد که عمدتاً به انواع اساسی که شامل انتقال درون مولکولی گروه‌های عاملی و پیوندهای مرتبط با آن‌ها می‌شوند، طبقه‌بندی می‌شوند. این اصل شیمیایی حفظ شده سلول ها را قادر می سازد تا از مجموعه محدودی از واسطه های متابولیک برای جابجایی گروه های شیمیایی در میان واکنش های مختلف استفاده کنند. این واسطه های انتقال گروه به عنوان کوآنزیم تعیین می شوند. هر کلاس خاص از واکنش‌های انتقال گروه توسط یک کوآنزیم مجزا تسهیل می‌شود، که به عنوان بستری برای آنزیم‌های سنتزکننده و آنزیم‌های مصرف‌کننده آن عمل می‌کند. در نتیجه، این کوآنزیم‌ها تحت سنتز، مصرف و بازیافت مداوم قرار می‌گیرند.

آدنوزین تری فسفات (ATP) به عنوان یک کوآنزیم محوری است که به عنوان ارز انرژی اولیه در سلول‌ها عمل می‌کند. این نوکلئوتید واسطه انتقال انرژی شیمیایی بین واکنش های مختلف بیوشیمیایی است. اگرچه غلظت ATP سلولی نسبتاً پایین است، بازسازی مداوم آن به بدن انسان اجازه می‌دهد تا وزن بدن خود را روزانه در ATP پردازش کند. ATP به عنوان یک ارتباط مهم انرژی بین مسیرهای کاتابولیک و آنابولیک عمل می کند. کاتابولیسم شامل تجزیه مولکول های پیچیده است، در حالی که آنابولیسم مستلزم سنتز آنها است. فرآیندهای کاتابولیک ATP تولید می کنند، در حالی که واکنش های آنابولیک مصرف آن را ضروری می کند. علاوه بر این، ATP به عنوان یک حامل گروه های فسفات در واکنش های فسفوریلاسیون عمل می کند.

ویتامین‌ها ترکیبات آلی هستند که در مقادیر کم ضروری هستند و سلول‌ها قادر به سنتز آنها نیستند. در زمینه‌های تغذیه‌ای انسان، اکثر ویتامین‌ها به‌عنوان کوآنزیم‌ها به دنبال تغییرات خاص عمل می‌کنند. به عنوان مثال، تمام ویتامین های محلول در آب در طول استفاده سلولی تحت فسفوریلاسیون یا جفت شدن نوکلئوتیدی قرار می گیرند. نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید (NAD⁺)، مشتق شده از ویتامین B₃ (نیاسین)، به عنوان یک کوآنزیم حیاتی با پذیرش هیدروژن عمل می کند. دهیدروژنازهای متمایز متعدد حذف الکترون ها را از بسترهای مربوطه تسهیل می کنند و در نتیجه NAD⁺ را به NADH کاهش می دهند. متعاقبا، این شکل کوآنزیم کاهش یافته به عنوان بستری برای ردوکتازهای سلولی مختلف عمل می کند که نیاز به انتقال اتم های هیدروژن به زیرلایه های خود دارند. نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید در دو شکل سلولی نزدیک به هم ظاهر می شود: NADH و NADPH. زوج ردوکس NAD⁺/NADH نقش مهم تری در فرآیندهای کاتابولیک ایفا می کند، در حالی که NADP⁺/NADPH در مسیرهای آنابولیک به کار می رود.

مواد معدنی و کوفاکتورها

عناصر غیر آلی برای فرآیندهای متابولیک ضروری هستند، برخی از آنها مانند سدیم و پتاسیم فراوان هستند، در حالی که برخی دیگر به طور موثر در غلظت‌های کمی عمل می‌کنند. تقریباً 99 درصد از توده بدن انسان را عناصر کربن، نیتروژن، کلسیم، سدیم، کلر، پتاسیم، هیدروژن، فسفر، اکسیژن و گوگرد تشکیل می دهد. درشت مولکول‌های آلی، از جمله پروتئین‌ها، لیپیدها و کربوهیدرات‌ها، بخش عمده کربن و نیتروژن را تشکیل می‌دهند، در حالی که بیشتر اکسیژن و هیدروژن به شکل آب وجود دارد.

عناصر معدنی فراوان به عنوان الکترولیت عمل می کنند. یون های کلیدی عبارتند از سدیم، پتاسیم، کلسیم، منیزیم، کلرید، فسفات و بی کربنات یون آلی. حفظ شیب یونی دقیق در سراسر غشاهای سلولی برای تنظیم فشار اسمزی و pH بسیار مهم است. علاوه بر این، یون ها برای عملکرد عصبی و عضلانی حیاتی هستند، زیرا پتانسیل عمل در این بافت ها از تبادل الکترولیت ها بین مایع خارج سلولی و مایع داخل سلولی یا سیتوزول ناشی می شود. الکترولیت ها از طریق ساختارهای پروتئینی تخصصی که به عنوان کانال های یونی شناخته می شوند، غشاهای سلولی را طی می کنند. برای مثال، انقباض عضلانی منوط به حرکت تنظیم‌شده کلسیم، سدیم و پتاسیم از طریق کانال‌های یونی واقع در غشای سلولی و لوله‌های T است.

فلزات انتقالی معمولاً به‌عنوان عناصر کمیاب در موجودات زنده رخ می‌دهند که روی و آهن رایج‌ترین آنها هستند. کوفاکتورهای فلزی اتصال قوی به مکان‌های خاص در پروتئین‌ها نشان می‌دهند. علیرغم تغییر در طی کاتالیز، این کوفاکتورهای آنزیمی همیشه پس از اتمام واکنش کاتالیز شده به حالت اولیه خود باز می گردند. ارگانیسم ها ریز مغذی های فلزی را از طریق انتقال دهنده های خاص جذب می کنند و این فلزات متعاقباً در صورت عدم استفاده فعال به پروتئین های ذخیره سازی مانند فریتین یا متالوتیونین متصل می شوند.

کاتابولیسم

کاتابولیسم شامل فرآیندهای متابولیکی است که مسئول تخریب مولکول‌های پیچیده هستند. این شامل تجزیه و اکسیداسیون مولکول های مواد مغذی است. هدف اصلی واکنش‌های کاتابولیک، تامین انرژی و عناصر تشکیل‌دهنده مورد نیاز برای واکنش‌های آنابولیک است که شامل سنتز مولکولی می‌شود. ویژگی‌های دقیق این واکنش‌های کاتابولیک در ارگانیسم‌های مختلف متفاوت است و امکان طبقه‌بندی آن‌ها به گروه‌های تغذیه‌ای اولیه بر اساس منابع انرژی، هیدروژن و کربن مربوطه را فراهم می‌کند. ارگانوتروف ها از مولکول های آلی به عنوان منابع اتم های هیدروژن یا الکترون ها استفاده می کنند، در حالی که لیتوتروف ها از بسترهای معدنی استفاده می کنند. در حالی که فتوتروف‌ها انرژی خورشیدی را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کنند، شیمی‌تروف‌ها بر واکنش‌های ردوکس متکی هستند که شامل انتقال الکترون‌ها از مولکول‌های اهداکننده کاهش‌یافته - مانند ترکیبات آلی، هیدروژن، سولفید هیدروژن یا یون‌های آهن - به گیرنده‌های الکترون پایانی مانند اکسیژن، نیترات یا سولفات است. در حیوانات، این فرآیندها مستلزم تجزیه مولکول های آلی پیچیده به ترکیبات ساده تر، از جمله دی اکسید کربن و آب است. ارگانیسم‌های فتوسنتزی که نمونه‌هایی از آن‌ها گیاهان و سیانوباکترها هستند، از واکنش‌های مشابه انتقال الکترون برای ذخیره انرژی گرفته‌شده از تابش خورشیدی استفاده می‌کنند.

مسیرهای کاتابولیک غالب در حیوانات معمولاً به سه مرحله اصلی تقسیم می شوند. در ابتدا، ماکرومولکول های آلی پیچیده، از جمله پروتئین ها، پلی ساکاریدها و لیپیدها، تحت هضم خارج سلولی به اجزای کوچکتر تشکیل دهنده خود قرار می گیرند. متعاقباً، این مولکول‌های کوچک‌تر توسط سلول‌ها درونی می‌شوند و به موجودات کوچک‌تری تبدیل می‌شوند، معمولاً استیل کوآنزیم A (acetyl-CoA)، فرآیندی که مقدار معینی انرژی تولید می‌کند. در نهایت، گروه استیل استیل-CoA از طریق چرخه اسید سیتریک و زنجیره انتقال الکترون به آب و دی اکسید کربن اکسید می شود، در نتیجه انرژی اضافی آزاد می شود و به طور همزمان کوآنزیم نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید (NAD⁺

هضم

سلول‌ها قادر به پردازش مستقیم ماکرومولکول‌ها نیستند، که ابتدا باید به اجزای کوچک‌تر برای استفاده متابولیک سلولی تبدیل شوند. کلاس های مختلف آنزیمی هضم این پلیمرها را تسهیل می کند. به عنوان مثال، پروتئازها پروتئین ها را به اسیدهای آمینه تجزیه می کنند، در حالی که هیدرولازهای گلیکوزید، پلی ساکاریدها را به قندهای ساده، به ویژه مونوساکاریدها تبدیل می کنند.

میکروارگانیسم ها آنزیم های گوارشی را مستقیماً در محیط خارجی خود آزاد می کنند. در مقابل، حیوانات این آنزیم‌ها را منحصراً از سلول‌های تخصصی واقع در دستگاه گوارششان، مانند آنزیم‌های معده، پانکراس و غدد بزاقی ترشح می‌کنند. متعاقباً، پروتئین‌های انتقال فعال جذب آمینو اسیدها و قندهای آزاد شده توسط این آنزیم‌های خارج سلولی را به داخل سلول‌ها تسهیل می‌کنند.

انرژی مشتق شده از ترکیبات آلی

کاتابولیسم کربوهیدرات شامل تجزیه کربوهیدرات ها به اجزای کوچکتر است. به طور معمول، کربوهیدرات ها توسط سلول ها پس از هضم به مونوساکاریدها، از جمله گلوکز و فروکتوز، جذب می شوند. در داخل سلولی، گلیکولیز نشان دهنده مسیر کاتابولیک اولیه است که گلوکز را به پیروات تبدیل می کند. این فرآیند، مولکول حامل انرژی NADH را از NAD⁺ تولید می‌کند و ATP را از ADP سنتز می‌کند، که عملکردهای سلولی متعددی را نیرو می‌دهد. در حالی که پیرووات به عنوان یک واسطه در مسیرهای متابولیک مختلف عمل می کند، بیشتر آن به استیل-CoA تبدیل می شود و به چرخه اسید سیتریک هدایت می شود، در نتیجه تولید اضافی ATP از طریق فسفوریلاسیون اکسیداتیو تسهیل می شود. این فرآیند اکسیداتیو اکسیژن مولکولی را مصرف می کند و آب و دی اکسید کربن را به عنوان یک محصول زائد آزاد می کند. در شرایط کمبود اکسیژن، یا زمانی که تولید پیرووات به طور موقت در چرخه اسید سیتریک از مصرف آن بیشتر می شود (مثلاً در طول فعالیت شدید ماهیچه ای)، پیرووات توسط آنزیم لاکتات دهیدروژناز به لاکتات تبدیل می شود. این واکنش همچنین NAD⁺ را از NADH برای استفاده بعدی در گلیکولیز بازسازی می‌کند و تولید انرژی مداوم را تضمین می‌کند. لاکتات می‌تواند بعداً برای سنتز ATP در زمینه‌های نیازمند انرژی مجدداً به پیروات تبدیل شود یا از طریق چرخه کوری به گلوکز تبدیل شود. مسیر پنتوز فسفات یک مسیر جایگزین برای تجزیه گلوکز ارائه می دهد که انرژی کمتری تولید می کند اما از فرآیندهای آنابولیک، به ویژه سنتز بیومولکول ها پشتیبانی می کند. این مسیر کوآنزیم NADP⁺ را به NADPH کاهش می دهد و ترکیبات پنتوز مانند ریبوز 5-فسفات تولید می کند که برای سنتز مولکول های زیستی مختلف از جمله نوکلئوتیدها و اسیدهای آمینه معطر ضروری است.

لیپیدها از طریق هیدرولیز تحت کاتابولیسم قرار می گیرند و اسیدهای چرب آزاد و گلیسرول تولید می کنند. گلیسرول متعاقباً وارد مسیر گلیکولیز می‌شود، در حالی که اسیدهای چرب از طریق اکسیداسیون بتا تجزیه می‌شوند و استیل-CoA آزاد می‌کنند که سپس وارد چرخه اسید سیتریک می‌شود. قابل ذکر است که اسیدهای چرب در مقایسه با کربوهیدرات ها در هنگام اکسیداسیون انرژی بیشتری تولید می کنند. برخی از باکتری‌ها نیز استروئیدها را از طریق فرآیندی مشابه بتا اکسیداسیون کاتابولیک می‌کنند، که مقادیر قابل توجهی استیل-CoA، پروپیونیل-CoA و پیروات را آزاد می‌کند، که همگی می‌توانند توسط سلول برای تولید انرژی استفاده شوند. م. سل قادر است از کلسترول به عنوان منبع کربن انحصاری خود استفاده کند، و ژن های مرتبط با مسیرهای متابولیسم کلسترول در مراحل مختلف M تائید شده اند. چرخه زندگی عفونت سل.

آمینو اسیدها نقش دوگانه ای دارند: آنها یا در سنتز پروتئین ها و سایر مولکول های زیستی گنجانده می شوند یا برای تولید انرژی به اوره و دی اکسید کربن اکسید می شوند. مسیر اکسیداتیو با حذف آنزیمی گروه آمینه توسط یک ترانس آمیناز شروع می شود. سپس این گروه آمینو وارد چرخه اوره می شود و یک اسکلت کربن دیآمینه شده به شکل اسید کتو از خود به جای می گذارد. تعدادی از این اسیدهای کتو به عنوان واسطه در چرخه اسید سیتریک عمل می کنند. به عنوان مثال، α-ketoglutarate از طریق دآمیناسیون گلوتامات تشکیل می شود. علاوه بر این، اسیدهای آمینه گلوکوژنیک را می توان از طریق گلوکونئوژنز به گلوکز تبدیل کرد.

تبدیل انرژی

فسفوریلاسیون اکسیداتیو

در طول فسفوریلاسیون اکسیداتیو، الکترون های استخراج شده از مولکول های آلی، مانند مولکول های موجود در چرخه اسید سیتریک، به اکسیژن منتقل می شوند. انرژی آزاد شده از این انتقال متعاقباً برای سنتز ATP مهار می شود. در سلول‌های یوکاریوتی، این فرآیند از طریق یک سری از پروتئین‌های تعبیه‌شده در غشای میتوکندری رخ می‌دهد که مجموعاً به عنوان زنجیره انتقال الکترون شناخته می‌شوند. برعکس، در سلول های پروکاریوتی، این پروتئین ها در غشای داخلی سلول قرار دارند. این پروتئین‌ها از انرژی حاصل از مولکول‌های کاهش‌یافته، مانند NADH، برای انتقال فعال پروتون‌ها در سراسر غشاء استفاده می‌کنند.

اخراج پروتون‌ها از میتوکندری یک اختلاف غلظت پروتون گذرنده ایجاد می‌کند و در نتیجه یک گرادیان الکتروشیمیایی ایجاد می‌کند. این نیروی حاصل، پروتون ها را از طریق محل کاتالیزوری ATP سنتاز به داخل میتوکندری می راند. هجوم پروتون ها باعث ایجاد چرخش در زیر واحد ساقه می شود، که به نوبه خود ساختار محل فعال حوزه سنتاز را تغییر می دهد و فسفوریلاسیون آدنوزین دی فسفات (ADP) به آدنوزین تری فسفات (ATP) را تسهیل می کند.

انرژی مشتق شده از ترکیبات معدنی

کمولیتوتروفی نشان دهنده یک مسیر متابولیک رایج در موجودات پروکاریوتی است که در آن انرژی از طریق تجزیه اکسیداتیو ترکیبات معدنی به دست می آید. چنین موجوداتی از موادی مانند هیدروژن، ترکیبات مختلف گوگرد احیا شده (مانند سولفید، سولفید هیدروژن، تیوسولفات)، آهن آهن (Fe(II)) یا آمونیاک به عنوان دهنده الکترون استفاده می کنند. اکسیداسیون این ترکیبات انرژی لازم را فراهم می کند. این فعالیت‌های میکروبی خاص در چرخه‌های بیوژئوشیمیایی جهانی، از جمله استوژنز، نیتریفیکاسیون، و نیترات زدایی، حیاتی هستند و برای حفظ حاصلخیزی خاک ضروری هستند.

اکتساب انرژی وابسته به نور

انرژی خورشیدی توسط مجموعه‌ای از ارگانیسم‌ها از جمله گیاهان، سیانوباکتری‌ها، باکتری‌های بنفش، باکتری‌های گوگرد سبز و برخی از پروتیست‌ها استفاده می‌شود. این مکانیسم جذب انرژی اغلب با تبدیل دی اکسید کربن به مولکول های آلی، یک جزء اساسی فتوسنتز، مرتبط است. با این وجود، در پروکاریوت ها، سیستم های جذب انرژی و تثبیت کربن می توانند به طور مستقل عمل کنند. به عنوان مثال، باکتری‌های بنفش و باکتری‌های گوگرد سبز می‌توانند از نور خورشید به عنوان منبع انرژی استفاده کنند، در حالی که بین تثبیت کربن و تخمیر ترکیبات آلی متناوب می‌شوند.

برای بسیاری از ارگانیسم‌ها، جذب انرژی خورشیدی از نظر مفهومی با فسفوریلاسیون اکسیداتیو که شامل تجمع انرژی به شکل یک پروتون است، مشابه است. این نیروی محرکه پروتون حاصل، متعاقباً سنتز ATP را تقویت می کند. الکترون‌های ضروری برای به حرکت درآوردن این زنجیره انتقال الکترون از پروتئین‌های تخصصی برداشت‌کننده نور موسوم به مراکز واکنش فتوسنتزی سرچشمه می‌گیرند. این مراکز واکنش بر اساس رنگدانه های فتوسنتزی تشکیل دهنده آنها به دو نوع مجزا طبقه بندی می شوند. اکثر باکتری‌های فتوسنتزی فقط یک نوع دارند، در حالی که گیاهان و سیانوباکتری‌ها با وجود هر دو مشخص می‌شوند.

در گیاهان، جلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها، Photosystem II از انرژی نور برای استخراج الکترون‌ها از آب استفاده می‌کند و همزمان اکسیژن را به عنوان یک محصول جانبی آزاد می‌کند. این الکترون‌ها متعاقباً به کمپلکس سیتوکروم b6f منتقل می‌شوند، که انرژی آن‌ها را برای انتقال پروتون‌ها در سراسر غشای تیلاکوئید درون کلروپلاست مهار می‌کند. عبور برگشت این پروتون ها از غشاء باعث تقویت ATP سنتاز می شود. به دنبال این، الکترون‌ها از فتوسیستم I عبور می‌کنند و سپس می‌توانند برای کاهش کوآنزیم NADP⁺ استفاده شوند. این کوآنزیم کاهش‌یافته می‌تواند در چرخه کالوین شرکت کند یا برای تولید اضافی ATP دوباره تولید شود.

آنابولیسم

آنابولیسم شامل مجموعه‌ای از مسیرهای متابولیک سازنده است که در آن انرژی آزاد شده از کاتابولیسم برای بیوسنتز مولکول‌های پیچیده استفاده می‌شود. به طور معمول، ماکرومولکول های پیچیده تشکیل دهنده ساختارهای سلولی به تدریج از واحدهای پیش ساز کوچکتر و ساده تر جمع می شوند. آنابولیسم از طریق سه مرحله اساسی انجام می شود: در ابتدا، تولید پیش سازها مانند اسیدهای آمینه، مونوساکاریدها، ایزوپرنوئیدها و نوکلئوتیدها. متعاقبا، فعال سازی آنها به واسطه های واکنشی که توسط ATP تغذیه می شوند. و در نهایت، پلیمریزاسیون این پیش سازهای فعال شده به بیومولکول های پیچیده مانند پروتئین ها، پلی ساکاریدها، لیپیدها و اسیدهای نوکلئیک.

فرآیندهای آنابولیک در موجودات زنده بر اساس منشاء مولکولهای سنتز شده در سلولهای آنها متفاوت است. اتوتروف ها که نمونه آن گیاهان است، قادر به سنتز ماکرومولکول های آلی پیچیده از جمله پلی ساکاریدها و پروتئین ها از ترکیبات معدنی ابتدایی مانند دی اکسید کربن و آب هستند. برعکس، هتروتروف ها برای تولید این مولکول های پیچیده نیاز به یک منبع خارجی از بسترهای آلی پیچیده تر، مانند مونوساکاریدها و اسیدهای آمینه دارند. ارگانیسم‌ها بر اساس منبع انرژی نهایی‌شان طبقه‌بندی می‌شوند: فتواتوتروف‌ها و فوتو هتروتروف‌ها انرژی را از نور دریافت می‌کنند، در حالی که شیمی‌آتوتروف‌ها و شیمی‌هتروتروف‌ها انرژی را از طریق واکنش‌های اکسیداسیون به دست می‌آورند.

تثبیت کربن

فتوسنتز شامل بیوسنتز کربوهیدرات ها با استفاده از انرژی خورشیدی و دی اکسید کربن است (CO₂). در موجودات فتوسنتزی مانند گیاهان، سیانوباکترها و جلبک‌ها، فتوسنتز اکسیژنی شکستن مولکول‌های آب را تسهیل می‌کند و اکسیژن را به عنوان یک محصول جانبی تولید می‌کند. این مکانیسم پیچیده از ATP و NADPH تولید شده توسط مراکز واکنش فتوسنتزی برای تبدیل CO₂ به گلیسرات 3-فسفات، پیش ساز سنتز گلوکز استفاده می کند. آنزیم RuBisCO این مرحله حیاتی تثبیت کربن را در چرخه کالوین-بنسون کاتالیز می کند. گیاهان سه مسیر متمایز فتوسنتزی را نشان می دهند: تثبیت کربن C3، C4 و CAM. این مسیرها در روش هدایت دی اکسید کربن به چرخه کالوین متفاوت هستند. گیاهان C3 به طور مستقیم CO§4_{5§ را ثابت می کنند، در حالی که فتوسنتز C4 و CAM در ابتدا CO§67§ را در ترکیبات جایگزین ادغام می کنند، که نشان دهنده سازگاری با شدت نور بالا و محیط های خشک است. در این موجودات، دی اکسید کربن را می توان از طریق چرخه کالوین-بنسون، چرخه اسید سیتریک معکوس، یا از طریق کربوکسیلاسیون استیل کوآ جذب کرد. به طور مشابه، شیمی‌اوتوتروف‌های پروکاریوتی از چرخه کالوین-بنسون برای تثبیت CO2 استفاده می‌کنند، اما انرژی لازم را از ترکیبات معدنی به دست می‌آورند.}

کربوهیدرات ها و گلیکان ها

در طول آنابولیسم کربوهیدرات‌ها، اسیدهای آلی ساده می‌توانند به مونوساکاریدها مانند گلوکز تبدیل شوند که متعاقباً به عنوان بلوک‌های ساختمانی برای پلی‌ساکاریدهایی مانند نشاسته عمل می‌کنند. بیوسنتز گلوکز از پیش سازها شامل پیروات، لاکتات، گلیسرول، گلیسرات 3-فسفات و اسیدهای آمینه را گلوکونئوژنز می نامند. گلوکونئوژنز تبدیل پیروات به گلوکز-6-فسفات را از طریق دنباله ای از ترکیبات میانی که بسیاری از آنها در گلیکولیز نیز نقش دارند، تسهیل می کند. با این وجود، این مسیر صرفاً معکوس کردن گلیکولیز نیست، زیرا آنزیم های غیر گلیکولیتیک متمایز چندین مرحله کلیدی را کاتالیز می کنند. این واگرایی آنزیمی برای تنظیم مستقل سنتز و تجزیه گلوکز بسیار مهم است، در نتیجه مانع از عملکرد همزمان هر دو مسیر در یک چرخه بیهوده می شود.

در حالی که لیپیدها به عنوان مکانیزم ذخیره انرژی رایج عمل می کنند، مهره داران، از جمله انسان، قادر به تبدیل گلوکون اسیدهای چرب ذخیره شده به اسیدهای چرب گلوکونوز نیستند. این محدودیت به این دلیل به وجود می آید که این موجودات فاقد ماشین آلات آنزیمی مورد نیاز برای تبدیل استیل کوآ به پیروات هستند، قابلیتی که در گیاهان وجود دارد اما در حیوانات وجود ندارد. در نتیجه، در طول دوره های طولانی گرسنگی، مهره داران باید اجسام کتون را از اسیدهای چرب سنتز کنند تا منبع انرژی جایگزین برای بافت هایی مانند مغز که نمی توانند مستقیماً اسیدهای چرب را متابولیزه کنند، فراهم کنند. در مقابل، ارگانیسم‌هایی مانند گیاهان و باکتری‌ها بر این چالش متابولیک از طریق چرخه گلیوکسیلات غلبه می‌کنند. این چرخه مرحله دکربوکسیلاسیون چرخه اسید سیتریک را دور می زند، در نتیجه تبدیل استیل-CoA به اگزالواستات را ممکن می سازد، که سپس می تواند برای بیوسنتز گلوکز مورد استفاده قرار گیرد. فراتر از ذخایر لیپیدی، گلوکز در اکثر بافت ها به عنوان منبع انرژی فوری از طریق گلیکوژنز ذخیره می شود، فرآیندی که معمولاً در حفظ هموستاز گلوکز خون دخیل است.

پلی ساکاریدها و گلیکان ها از طریق افزودن آنزیمی متوالی مونوساکاریدها سنتز می شوند. این فرآیند توسط گلیکوزیل ترانسفرازها انجام می شود که یک واحد مونوساکارید را از یک اهداکننده قند-فسفات فعال مانند یوریدین دی فسفات گلوکز (UDP-Glc) به یک گروه هیدروکسیل پذیرنده روی زنجیره پلی ساکارید دراز مدت منتقل می کند. با توجه به اینکه گروه های هیدروکسیل مختلف روی حلقه زیرلایه می توانند به عنوان پذیرنده عمل کنند، پلی ساکاریدهای حاصل ممکن است معماری خطی یا شاخه ای از خود نشان دهند. این پلی ساکاریدهای سنتز شده می‌توانند نقش‌های ساختاری یا متابولیکی ذاتی را ایفا کنند، یا می‌توانند به صورت کووالانسی به لیپیدها و پروتئین‌ها توسط الیگوساکاریل ترانسفرازها متصل شوند.

اسیدهای چرب، ایزوپرنوئیدها و استرول ها

اسیدهای چرب توسط سنتازهای اسید چرب سنتز می شوند که پلیمریزاسیون و متعاقب آن کاهش واحدهای استیل-CoA را کاتالیز می کنند. طویل شدن زنجیره‌های آسیل در اسیدهای چرب از طریق یک سری واکنش‌های چرخه‌ای انجام می‌شود: افزودن گروه آسیل، کاهش به یک الکل، کم آبی به یک گروه آلکن، و کاهش نهایی به یک گروه آلکان. آنزیم های دخیل در بیوسنتز اسیدهای چرب به دو گروه اصلی تقسیم می شوند. در حیوانات و قارچ‌ها، یک پروتئین چندمنظوره نوع I همه این واکنش‌های سنتاز اسید چرب را انجام می‌دهد. برعکس، در پلاستیدهای گیاهی و باکتری‌ها، آنزیم‌های نوع II متمایز هر مرحله را در مسیر بیوسنتزی انجام می‌دهند.

ترپن ها و ایزوپرنوئیدها دسته قابل توجهی از لیپیدها را تشکیل می دهند که کاروتنوئیدها را در بر می گیرند و گسترده ترین دسته از محصولات طبیعی موجود در گیاهان را نشان می دهند. سنتز این ترکیبات شامل مونتاژ و اصلاح بعدی واحدهای ایزوپرن است که توسط پیش سازهای واکنشی ایزوپنتنیل پیروفسفات و دی متیل آلیل پیروفسفات تامین می شود. تولید این پیش سازها می تواند از طریق مسیرهای متابولیکی متمایز انجام شود. به طور خاص، در حیوانات و باستان‌ها، مسیر موالونات سنتز آن‌ها از استیل کوآ را تسهیل می‌کند، در حالی که گیاهان و باکتری‌ها از مسیر غیر موالونات استفاده می‌کنند و از پیروات و گلیسرآلدئید 3-فسفات به عنوان سوبسترا استفاده می‌کنند. یک فرآیند بیوشیمیایی حیاتی که از این اهداکنندگان ایزوپرن فعال استفاده می‌کند، بیوسنتز استرول است. در این فرآیند، واحدهای ایزوپرن در ابتدا برای تشکیل اسکوالن به هم متصل می شوند که متعاقباً برای تولید لانوسترول تحت چرخه شدن و تا شدن قرار می گیرد. لانوسترول به عنوان پیش ماده ای برای سنتز استرول های مختلف دیگر از جمله کلسترول و ارگوسترول عمل می کند.

پروتئین ها

ظرفیت موجودات برای سنتز بیست اسید آمینه موجود در همه جا تنوع قابل توجهی را نشان می دهد. در حالی که اکثر باکتری‌ها و گیاهان توانایی سنتز هر بیست اسید آمینه را دارند، پستانداران فقط به سنتز یازده اسید آمینه غیر ضروری محدود می‌شوند که نیاز به کسب 9 اسید آمینه ضروری باقی مانده از طریق رژیم غذایی را ضروری می‌سازد. برخی از انگل های ابتدایی، که نمونه آن باکتری مایکوپلاسما پنومونیه است، به طور کامل فاقد مسیرهای مصنوعی اسید آمینه هستند و بنابراین این ترکیبات را مستقیماً از ارگانیسم های میزبان خود به دست می آورند. بیوسنتز تمام اسیدهای آمینه از واسطه های متابولیکی حاصل از گلیکولیز، چرخه اسید سیتریک یا مسیر پنتوز فسفات منشأ می گیرد. اتم های نیتروژن در درجه اول توسط گلوتامات و گلوتامین تامین می شوند. سنتز اسیدهای آمینه غیرضروری منوط به تشکیل اسید آلفا کتو مربوطه است که متعاقباً برای تولید اسید آمینه تحت ترانس آمیناسیون قرار می گیرد.

پروتئین ها از طریق پلیمریزاسیون اسیدهای آمینه، که توسط پیوندهای پپتیدی به یکدیگر متصل می شوند و یک زنجیره پلی پپتیدی را تشکیل می دهند، سنتز می شوند. هر پروتئین متمایز دارای یک توالی مشخص و منحصر به فرد از بقایای اسید آمینه است که ساختار اولیه آن را مشخص می کند. مشابه پتانسیل ترکیبی حروف الفبایی برای تولید تنوع بسیار زیاد کلمات، اسیدهای آمینه را می توان در توالی های مختلف مرتب کرد تا مجموعه وسیعی از پروتئین ها را تولید کند. سنتز پروتئین از اسیدهای آمینه ای استفاده می کند که از طریق اتصال آنها به یک مولکول RNA انتقالی (tRNA) از طریق پیوند استری فعال شده اند. این پیش ساز aminoacyl-tRNA در یک واکنش وابسته به ATP که توسط آنزیم aminoacyl-tRNA سنتتاز کاتالیز می شود، تولید می شود. متعاقباً، این aminoacyl-tRNA به عنوان بستری برای ریبوزوم عمل می‌کند، که اسید آمینه را در زنجیره پروتئینی در حال ایجاد ترکیب می‌کند، که توسط اطلاعات توالی کدگذاری شده در یک مولکول RNA پیام‌رسان (mRNA) هدایت می‌شود.

بیوسنتز نوکلئوتید و مسیرهای نجات

نوکلئوتیدها از اسیدهای آمینه، دی اکسید کربن و اسید فرمیک از طریق مسیرهای متابولیکی که نیاز به مقادیر قابل توجهی انرژی متابولیک دارند، سنتز می شوند. در نتیجه، اکثر موجودات دارای سیستم های بسیار کارآمد برای نجات نوکلئوتیدهای از پیش ساخته شده هستند. پورین ها به صورت نوکلئوزیدها تحت بیوسنتز قرار می گیرند که از یک پایه نیتروژنی به طور کووالانسی به یک قند ریبوز مرتبط است. آدنین و گوانین هر دو از پیش ساز نوکلئوزید اینوزین مونوفسفات مشتق می شوند که سنتز آن اتم هایی را که از اسیدهای آمینه گلیسین، گلوتامین و آسپارتیک اسید سرچشمه می گیرند، علاوه بر فرمت انتقال یافته از کوآنزیم تتراهیدروفولات، ترکیب می کند. برعکس، پیریمیدین ها از پایه اوروتات که از گلوتامین و آسپارتات تولید می شود، سنتز می شوند.

متابولیسم زنوبیوتیک و هموستاز ردوکس

جانداران دائماً در معرض ترکیبات برون زا قرار می گیرند که از نظر متابولیکی بی اثر هستند و اگر اجازه داده شود در داخل سلولی تجمع کنند، به دلیل عدم کاربرد متابولیک، اثرات مضری خواهند داشت. چنین ترکیبات بالقوه مضر به عنوان بیگانه بیوتیک نامیده می شوند. بیگانه‌بیوتیک‌ها، از جمله دارو‌های مصنوعی، سموم طبیعی و آنتی‌بیوتیک‌ها، از طریق عملکرد یک سیستم آنزیمی تخصصی به نام آنزیم‌های متابولیزه کننده زنوبیوتیک، سم زدایی می‌شوند. در فیزیولوژی انسان، این سیستم شامل آنزیم هایی مانند سیتوکروم P450 اکسیدازها، UDP-glucuronosyltransferases و glutathione S-transferases می باشد. این سیستم آنزیمی در یک فرآیند سه فازی عمل می کند: در ابتدا، بیگانه بیوتیک تحت اکسیداسیون (فاز I) قرار می گیرد و به دنبال آن گروه های عاملی محلول در آب به مولکول متصل می شوند (فاز II). بیگانه‌بیوتیک اصلاح‌شده و محلول در آب متعاقباً می‌تواند به طور فعال از سلول‌ها منتقل شود. در موجودات چند سلولی، ممکن است قبل از دفع، متابولیسم بیشتری را متحمل شود (فاز III). از منظر اکولوژیکی، این واکنش ها در تخریب زیستی میکروبی آلاینده های محیطی و در پاکسازی زیستی محیط های آلوده زمینی و آبی، مانند نشت نفت، اهمیت قابل توجهی دارند. در حالی که بسیاری از این واکنش‌های متابولیک میکروبی در ارگانیسم‌های چند سلولی حفظ می‌شوند، تنوع فوق‌العاده در میان گونه‌های میکروبی این میکروارگانیسم‌ها را قادر می‌سازد تا طیف گسترده‌تری از بیگانه‌بیوتیک‌ها را نسبت به همتایان چند سلولی خود پردازش کنند، از جمله تخریب آلاینده‌های آلی پایدار مانند ترکیبات کلر آلی.

استرس اکسیداتیو یک چالش مهم برای موجودات هوازی است. در این موجودات، فرآیندهایی مانند فسفوریلاسیون اکسیداتیو و تشکیل پیوندهای دی سولفیدی در طی تاخوردگی پروتئین، گونه‌های فعال اکسیژن از جمله پراکسید هیدروژن را تولید می‌کنند. چنین اکسیدان های مضر متعاقباً توسط متابولیت های آنتی اکسیدانی مانند گلوتاتیون و سیستم های آنزیمی از جمله کاتالازها و پراکسیدازها خنثی می شوند.

ترمودینامیک موجودات زنده

موجودات زنده ذاتاً تابع قوانین ترمودینامیک هستند که بر تبادل گرما و کار حاکم است. به طور خاص، قانون دوم ترمودینامیک بیان می کند که آنتروپی (بی نظمی) در هر سیستم ایزوله نمی تواند کاهش یابد. در حالی که به نظر می رسد پیچیدگی چشمگیر موجودات زنده با این اصل مغایرت دارد، اما حیات همچنان ادامه دارد زیرا همه موجودات به عنوان سیستم های باز عمل می کنند و به طور مداوم ماده و انرژی را با محیط خارجی خود مبادله می کنند. سیستم‌های زنده به‌جای اینکه در حالت تعادل باشند، به‌عنوان ساختارهای اتلاف‌کننده عمل می‌کنند و سازمان پیچیده خود را با القای افزایش بیشتر آنتروپی محیط اطراف خود حفظ می‌کنند. متابولیسم سلولی این امر را با ادغام واکنش های خود به خودی کاتابولیسم با واکنش های غیر خود به خودی آنابولیسم تسهیل می کند. در نتیجه، از دیدگاه ترمودینامیکی، متابولیسم نظم درونی را از طریق ایجاد اختلال بیرونی حفظ می‌کند.

تنظیم و کنترل

با توجه به ماهیت پویای محیط‌های بیشتر موجودات، واکنش‌های متابولیکی نیازمند تنظیم دقیق برای حفظ یک وضعیت سلولی داخلی پایدار است، پدیده‌ای که به عنوان هموستاز شناخته می‌شود. علاوه بر این، تنظیم متابولیک موجودات زنده را قادر می سازد تا به سیگنال های مختلف پاسخ دهند و فعالانه با محیط اطراف خود درگیر شوند. درک حاکمیت مسیرهای متابولیک مستلزم درک دو مفهوم به هم پیوسته است. اول، تنظیم یک آنزیم در یک مسیر به تعدیل فعالیت آن - اعم از افزایش یا کاهش - در پاسخ به سیگنال‌های خاص اشاره دارد. دوم، کنترل اعمال شده توسط این آنزیم نشان دهنده تأثیر این تغییرات فعالیت بر نرخ کلی یا شار مسیر است. به عنوان مثال، یک آنزیم ممکن است تغییرات قابل توجهی در فعالیت از خود نشان دهد (نشان دهنده تنظیم بالا). با این حال، اگر این تغییرات حداقل بر شار مسیر متابولیک تأثیر بگذارد، آنزیم به طور قابل توجهی به کنترل کلی مسیر کمک نمی کند.

تنظیم متابولیک در چندین سطح سلسله مراتبی عمل می کند. تنظیم درونی شامل تنظیم خود یک مسیر متابولیک در پاسخ به نوسانات در غلظت سوبسترا یا محصول است. به عنوان مثال، کاهش در مقدار محصول می تواند منجر به افزایش شار مسیر به عنوان یک مکانیسم جبرانی شود. این شکل از تنظیم اغلب مستلزم مدولاسیون آلوستریک فعالیت های آنزیمی متعدد در مسیر است. برعکس، کنترل بیرونی توضیح می دهد که چگونه یک سلول در یک ارگانیسم چند سلولی متابولیسم خود را در پاسخ به سیگنال های بین سلولی تغییر می دهد. این سیگنال‌ها معمولاً به‌عنوان پیام‌رسان‌های محلول در آب، مانند هورمون‌ها و فاکتورهای رشد، که توسط گیرنده‌های خاص واقع در سطح سلول شناسایی می‌شوند، ظاهر می‌شوند. متعاقباً، این سیگنال‌ها از طریق سیستم‌های پیام‌رسان دوم، که اغلب شامل فسفوریلاسیون پروتئین‌ها می‌شوند، به داخل سلول منتقل می‌شوند.

یک نمونه برجسته و گسترده مطالعه شده از کنترل بیرونی، تنظیم متابولیسم گلوکز توسط هورمون انسولین است. ترشح انسولین با افزایش غلظت گلوکز خون تحریک می شود. اتصال بعدی انسولین به گیرنده‌های سلولی آن، آبشاری از پروتئین کینازها را آغاز می‌کند که سلول‌ها را وادار می‌کند تا گلوکز را جذب کرده و آن را به ترکیبات ذخیره‌سازی مانند اسیدهای چرب و گلیکوژن تبدیل کنند. متابولیسم گلیکوژن دقیقاً توسط فعالیت های فسفوریلاز، آنزیم مسئول تجزیه گلیکوژن، و گلیکوژن سنتاز، آنزیمی که سنتز آن را تسهیل می کند، کنترل می شود. این آنزیم ها تنظیم متقابلی را نشان می دهند: فسفوریلاسیون گلیکوژن سنتاز را مهار می کند در حالی که فسفوریلاز را فعال می کند. انسولین سنتز گلیکوژن را با فعال کردن پروتئین فسفاتازها تقویت می‌کند و در نتیجه حالت فسفوریلاسیون این آنزیم‌ها را کاهش می‌دهد.

تکامل

مسیرهای متابولیک اساسی، مانند گلیکولیز و چرخه اسید سیتریک، در هر سه حوزه حیات حفظ شده و از آخرین جد مشترک جهانی (LUCA) منشاء گرفته است. LUCA یک ارگانیسم پروکاریوتی، احتمالاً متانوژن بود که با قابلیت‌های متابولیک اسید آمینه جامع، نوکلئوتید، کربوهیدرات و لیپید مشخص می‌شد. حفظ تکاملی این مسیرهای باستانی نشان‌دهنده کارایی بهینه آنها در پرداختن به چالش‌های متابولیکی خاص است که نمونه‌ای از گلیکولیز و چرخه اسید سیتریک است که محصولات نهایی را با کارایی بالا و حداقل مراحل تولید می‌کنند. مسیرهای متابولیکی اولیه کاتالیز شده توسط آنزیم ممکن است متابولیسم نوکلئوتید پورین را درگیر کرده باشد و حتی فرآیندهای متابولیکی قدیمی‌تری را که مشخصه دنیای RNA است، انجام دهد.

چندین مدل مکانیسم‌های تکاملی را در زمینه پیدایش مسیرهای متابولیک جدید توضیح می‌دهند. این مدل‌ها شامل ادغام متوالی آنزیم‌های جدید در مسیرهای کوتاه اجدادی موجود، تکرار و واگرایی بعدی کل مسیرها، و استخدام آنزیم‌های از قبل موجود برای مونتاژ در توالی‌های واکنش جدید است. در حالی که اهمیت نسبی این مکانیسم ها هنوز به طور کامل مشخص نشده است، تجزیه و تحلیل های ژنومی نشان دهنده یک اصل و نسب مشترک بین آنزیم ها در یک مسیر است که حاکی از یک تکامل گام به گام است که در آن عملکردهای جدید از تغییرات اجزای مسیر موجود ناشی می شود. یک دیدگاه جایگزین، مشتق شده از مطالعات ردیابی تکامل ساختاری پروتئین در شبکه‌های متابولیک، استخدام آنزیم فراگیر را مطرح می‌کند، جایی که آنزیم‌ها برای اجرای عملکردهای مشابه در مسیرهای متابولیک متنوع، همانطور که در پایگاه داده MANET مشهود است، تغییر کاربری داده می‌شوند. چنین فرآیندهای استخدام به یک موزاییک آنزیمی تکاملی کمک می کند. فرضیه سوم نشان می دهد که برخی از اجزای متابولیک ممکن است به عنوان "ماژول" عمل کنند، که قادر به استفاده مجدد در مسیرهای مختلف برای انجام عملکردهای مشابه در بسترهای متمایز هستند.

فراتر از ظهور مسیرهای متابولیک جدید، تکامل همچنین می تواند منجر به کاهش یا از دست دادن عملکردهای متابولیک شود. به عنوان مثال، برخی انگل‌ها فرآیندهای متابولیک غیرضروری را دفع می‌کنند، در عوض اسیدهای آمینه، نوکلئوتیدها و کربوهیدرات‌های از پیش ساخته شده را از میزبان خود دریافت می‌کنند. کاهش مشابهی در ظرفیت متابولیک در ارگانیسم های درون همزیستی مشاهده می شود.

بررسی متابولیک و دستکاری

از نظر تاریخی، مطالعات متابولیک از یک روش تقلیل‌گرایانه استفاده می‌کنند که بر مسیرهای متابولیک فردی متمرکز است. یک تکنیک به خصوص موثر شامل استفاده از ردیاب‌های رادیواکتیو در کل ارگانیسم، بافت و سطوح سلولی است که امکان روشن شدن مسیرهای پیش‌ساز به محصول را از طریق شناسایی واسطه‌های نشاندار رادیواکتیو و محصولات نهایی فراهم می‌کند. پس از آن، آنزیم های کاتالیز کننده این واکنش ها را می توان برای بررسی سینتیک و پاسخ آنها به ترکیبات بازدارنده خالص کرد. به طور همزمان، استراتژی دیگری شامل شناسایی مولکول های کوچک درون یک سلول یا بافت است که در مجموع متابولوم نامیده می شود. در حالی که این رویکردها بینش‌های ارزشمندی را در مورد ساختار و عملکرد مسیرهای متابولیک ساده‌تر ارائه می‌دهند، اما ثابت می‌کنند که برای تجزیه و تحلیل جامع سیستم‌های پیچیده‌تر، مانند متابولیسم کل سلول، کافی نیستند.

ماهیت پیچیده شبکه‌های متابولیک سلولی، شامل هزاران آنزیم متمایز، در میان متابولیسم‌های متابولیک و متابولیسم‌ها نمونه‌ای است. به عنوان مثال، داده های توالی یابی ژنومی می تواند تا 26500 ژن را نشان دهد. با این وجود، روش‌شناسی‌های معاصر استفاده از داده‌های ژنومی را برای بازسازی شبکه‌های واکنش بیوشیمیایی جامع و توسعه مدل‌های ریاضی جامع قادر به توضیح و پیش‌بینی رفتار متابولیک می‌سازد. چنین مدل هایی هنگام ادغام داده های مسیر و متابولیت از مطالعات کلاسیک با اطلاعات بیان ژن به دست آمده از تجزیه و تحلیل ریزآرایه های پروتئومی و DNA، قدرت پیش بینی قابل توجهی به دست می آورند. از طریق این تکنیک های پیشرفته، یک مدل جامع از متابولیسم انسان ایجاد شده است، که آماده است تا تلاش های آتی کشف دارو و تحقیقات بیوشیمیایی را به اطلاع برساند. علاوه بر این، این مدل‌ها در حال حاضر در تحلیل شبکه برای دسته‌بندی بیماری‌های انسانی بر اساس پروتئین‌ها یا متابولیت‌های مشترک استفاده می‌شوند.

شبکه‌های متابولیک باکتریایی نمونه‌ای از یک سازمان "پاپیون" هستند، یک طرح معماری که به طور موثر طیف گسترده‌ای از مواد مغذی را پردازش می‌کند تا محصولات متنوع و درشت مولکول‌های پیچیده را تولید کند، با استفاده از مجموعه محدودی از متابولیت‌های میانی رایج.

مهندسی متابولیک نشان‌دهنده کاربرد فن‌آوری مهم این دانش است. این زمینه شامل اصلاح ژنتیکی موجودات، از جمله مخمر، گیاهان یا باکتری ها برای افزایش کاربرد آنها در بیوتکنولوژی قرمز است. چنین تغییراتی تولید داروها مانند آنتی بیوتیک ها و مواد شیمیایی صنعتی مانند 1،3-پروپاندیول و شیکیمیک اسید را تسهیل می کند. به طور معمول، این تغییرات ژنتیکی به دنبال به حداقل رساندن مصرف انرژی در طول سنتز محصول، به حداکثر رساندن بازده، و کاهش تولید زباله است.

تاریخچه

ریشه‌شناسی اصطلاح متابولیسم به کلمه یونانی باستان μεταβολή (metabolē) برمی‌گردد که به معنای "تغییر" است که خود از μεταβάλλειν (metaballein) به معنای "تغییر کردن" سرچشمه می‌گیرد.

دیدگاه های فلسفی یونان

در بخش‌های حیوانات، ارسطو دیدگاه‌های خود را در مورد متابولیسم با جزئیات کافی برای ساخت یک مدل جریان باز بیان کرد. او اظهار داشت که در طی هر مرحله از این فرآیند، مواد بلعیده شده تحت دگرگونی قرار می‌گیرند و همزمان گرما آزاد می‌کنند که او آن را با عنصر کلاسیک آتش مرتبط می‌داند، در حالی که مواد باقی‌مانده به‌عنوان ادرار، صفرا یا مدفوع خارج می‌شوند.

ابن النفیس متابولیسم را در اثر سال 1260 میلادی خود، ال-رئیّه‌الیه‌الحضرت الرعیم‌الیه‌الحضرت توضیح داد. رساله کمیل در سیره پیامبر(ص) می فرماید: «بدن و اعضاء آن در حال حلول و تغذیه مستمر هستند، لذا ناگزیر در حال تغییر دائمی هستند».

کاربرد روش علمی

تحقیقات علمی متابولیسم طی چندین قرن تکامل یافته است و از مطالعات اولیه شامل کل ارگانیسم‌ها تا تجزیه و تحلیل‌های بیوشیمیایی معاصر واکنش‌های متابولیک فردی پیشرفت کرده است. سانتوریو سانتوریو در سال 1614 در اثر خود، Ars de statica medicina، اولین آزمایش های کنترل شده روی متابولیسم انسان را منتشر کرد. او با دقت وزن بدن خود را قبل و بعد از فعالیت‌های مختلف از جمله خوردن، خوابیدن، کار کردن، فعالیت جنسی، روزه‌داری، نوشیدن و دفع، ثبت کرد. یافته‌های او نشان داد که بخش قابل‌توجهی از غذای مصرف‌شده از طریق چیزی که او آن را «تعریق نامحسوس» می‌نامید، دفع می‌شود.

در طول این تحقیقات نوپا، مکانیسم‌های اساسی فرآیندهای متابولیک مشخص نشد، با یک "نیروی حیاتی" که اغلب برای توضیح انیمیشن بافت‌های زنده استفاده می‌شود. در قرن نوزدهم، تحقیقات لوئی پاستور در مورد تخمیر شکر به الکل توسط مخمر، او را به این نتیجه رساند که مواد درون سلولی، که او آنها را "تخمیر" نامید، این فرآیند را کاتالیز می کند. او اظهار داشت که "تخمیر الکلی عملی است که با زندگی و سازماندهی سلول های مخمر مرتبط است، نه با مرگ یا پوسیدگی سلول ها." این کشف مهم، همراه با انتشارات فریدریش وولر در سال 1828 که جزئیات سنتز شیمیایی اوره - اولین ترکیب آلی تهیه شده به طور کامل از پیش سازهای معدنی را شرح می داد - به طور قابل توجهی نظریه نیروی حیاتی رایج در علم اوایل قرن نوزدهم را به چالش کشید. پژوهش‌های معاصر سنتز اوره وهلر را به‌عنوان یک دستاورد اساسی در یکپارچه‌سازی شیمی آلی و معدنی می‌شناسند.

کشف آنزیم‌ها در اوایل قرن بیستم توسط ادوارد بوشنر، مشخص شد که مطالعه شیمیایی واکنش‌های متابولیک را از تحقیقات بیولوژیکی در زمینه بیولوژیکی سلول‌های شیمیایی و بیولوژیکی نشان می‌دهد. دانش بیوشیمیایی در این دوره به سرعت گسترش یافت. یکی از تأثیرگذارترین بیوشیمی‌دانان مدرن، هانس کربس بود که مشارکت گسترده‌اش در تحقیقات متابولیسم شامل کشف چرخه اوره، و متعاقباً، با همکاری هانس کورنبرگ، چرخه اسید سیتریک و چرخه گلیوکسیلات بود. تحقیقات بیوشیمیایی معاصر به طور قابل ملاحظه ای با نوآوری های روش شناختی مانند کروماتوگرافی، طیف سنجی NMR، میکروسکوپ الکترونی و شبیه سازی دینامیک مولکولی پیشرفت کرده است. این تکنیک های پیچیده شناسایی و تجزیه و تحلیل جامع مولکول های سلولی و مسیرهای متابولیکی متعدد را تسهیل کرده است.

• متابولیسم انسانی – گردش مواد و انرژی جامعه انسانی
• نظریه باتری
• میکرو کالریمتری همدما - اندازه‌گیری نرخ خالص جریان گرما نسبت به زمان سپری شده
• فرضیه جهان آهن-گوگرد – سناریوی فرضی برای منشأ حیات، یک نظریه "اول متابولیسم" در مورد منشاء حیات
• اختلال متابولیک به هر وضعیت پاتولوژیکی اطلاق می شود که ظرفیت بدن را برای پردازش و توزیع مواد مغذی ضروری مختل می کند.
• میکروفیزیومتری
• گروه‌های تغذیه‌ای اولیه، موجودات زنده را بر اساس روش‌های اساسی دریافت مواد مغذی دسته‌بندی می‌کنند.
• پرتو متابولیسم شامل واکنش‌های شیمیایی اولیه است که فرض می‌شود به فرآیندهای متابولیک مدرن تبدیل شده‌اند.
• تنفس سنجی شامل تخمین نرخ متابولیک از طریق کمی سازی تولید گرما است.
• متابولیسم جریان
• متابولیسم گوگرد به مجموعه ای از واکنش های شیمیایی مربوط به گوگرد در موجودات زنده اشاره دارد.
• اثر حرارتی غذا به مصرف انرژی مربوط به هضم، جذب و ذخیره مواد مغذی بلع شده اشاره دارد.
• متابولیسم شهری نشان دهنده یک مدل مفهومی است که جریان مواد و انرژی را در محیط های شهری نشان می دهد.
• متابولیسم آب یک مکانیسم هموستاتیکی را تشکیل می دهد که مقدار آب را در یک ارگانیسم تنظیم می کند.
• متابولیسم سرریز پدیده های سلولی خاص مربوط به تنظیم متابولیک را توصیف می کند.
• آنکومتابولیسم
• Reactome یک پایگاه داده جامع فهرست نویسی مسیرهای بیولوژیکی است.
• KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) مجموعه ای برجسته از پایگاه های اطلاعاتی بیوانفورماتیک است.

مراجع

مقدماتی

مقدمه

پیشرفته

اطلاعات عمومی

اطلاعات عمومی

• بیوشیمی متابولیسم (بایگانی شده در 8 مارس 2005)
• Sparknotes SAT biochemistry: مروری بر بیوشیمی مناسب برای آموزش متوسطه.
• کتاب فوق متنی زیست شناسی MIT: راهنمای سطح کارشناسی برای زیست شناسی مولکولی (بایگانی شده در 19 مه 2016، در آرشیو وب پرتغالی).

متابولیسم انسانی

• موضوعات بیوشیمی پزشکی: راهنمای مسیرهای متابولیک انسان، مناسب برای آموزش متوسطه.
• صفحه بیوشیمی پزشکی: منبعی جامع که به متابولیسم انسان اختصاص داده شده است.

پایگاه‌های داده

• نمودار جریان مسیرهای متابولیک (ExPASy)
• نمودار مسیرهای متابولیک IUBMB-Nicholson
• SuperCYP: پایگاه داده ای برای متابولیسم دارو-سیتوکروم (بایگانی شده در 3 نوامبر 2011، در Wayback Machine).

مسیرهای متابولیک

• مسیر مرجع متابولیسم (بایگانی شده در 23 فوریه 2009، در Wayback Machine).
• چرخه نیتروژن و تثبیت نیتروژن (فهرست بایگانی در ماشین Wayback).