Przemiany metaboliczne

Metabolizm komórkowy opiera się na dwóch przeciwstawnych procesach. Przemiany anaboliczne (endogenne) wymagają energii i polegają na łączeniu prostych związków w bardziej złożone. Przykładami są fotosynteza czy synteza białek, lipidów i cukrów.

Z kolei przemiany kataboliczne (egzogenne) uwalniają energię, gdy złożone związki rozkładają się do prostszych form. Do takich procesów zaliczamy oddychanie tlenowe i beztlenowe, rozkład białek, lipidów i cukrów oraz fermentację.

Energia w komórce pochodzi głównie z przemian katabolicznych i jest wykorzystywana do wielu procesów: przemian anabolicznych, poruszania się, transportu substancji przez błony czy innych funkcji komórkowych. Ciekawe jest to, że reakcje anaboliczne i kataboliczne mogą zachodzić równocześnie, ale w różnych miejscach komórki.

Ciekawostka! Dzięki temu, że katabolizm i anabolizm mogą zachodzić jednocześnie, komórka działa jak bardzo wydajna fabryka - w jednym miejscu uzyskuje energię, w innym od razu ją wykorzystuje!

Uniwersalne przenosniki energii

Energia w komórce musi być efektywnie przechowywana i transportowana. Służą do tego uniwersalne przenosniki energii - związki, które magazynują energię uwolnioną w reakcjach katabolicznych, by mogła być później wykorzystana w przemianach anabolicznych.

Najważniejszym przenośnikiem jest ATP (adenozynotrifosforan), ale istnieją też inne wolne nukleotydy pełniące podobną funkcję: GTP, CTP i UTP. ATP składa się z adeniny, rybozy i trzech reszt fosforanowych połączonych wiązaniami wysokoenergetycznymi.

Energia w ATP jest magazynowana i uwalniana dzięki cyklowi ATP-ADP. Gdy komórka potrzebuje energii, następuje hydroliza ATP - rozkład ATP na ADP i fosforan nieorganiczny (P), uwalniający energię. Gdy energia jest nadmiarowa, zachodzi fosforylacja - przyłączenie fosforanu do ADP, tworząc ponownie ATP.

Zapamiętaj! ATP działa jak waluta energetyczna komórki - może być "zarabiana" w procesach katabolicznych i "wydawana" na procesy anaboliczne.

Mechanizmy fosforylacji ADP

Istnieją trzy główne sposoby przekształcania ADP w ATP. Fosforylacja substratowa to najprostszy mechanizm - reszta fosforanowa jest przenoszona bezpośrednio z organicznego substratu na cząsteczkę ADP, tworząc ATP.

Dużo bardziej wydajna jest chemiosmoza - proces, w którym energia jest uzyskiwana dzięki przepływowi protonów przez specjalne kanały błonowe. Protony przemieszczają się zgodnie z gradientem stężeń, powodując obrót struktury białkowej (rotora i trzonka), co prowadzi do przyłączenia reszty fosforanowej do ADP i powstania ATP. Jest to przykład zamiany energii mechanicznej w chemiczną.

W zależności od lokalizacji i źródła energii, wyróżniamy dwa rodzaje fosforylacji z wykorzystaniem chemiosmozy:

• Fosforylacja oksydacyjna - zachodzi na wewnętrznej błonie mitochondriów podczas oddychania tlenowego
• Fosforylacja fotosyntetyczna - zachodzi w błonach tylakoidów chloroplastów podczas fotosyntezy

Wyobraź sobie! Chemiosmoza działa jak mikroskopijny generator prądu - przepływ protonów kręci "turbiną" białkową, która produkuje ATP zamiast elektryczności!

Reakcje utleniania-redukcji i szlaki metaboliczne

Reakcje utleniania-redukcji to wymiana elektronów między substancjami. W tych procesach uczestniczą uniwersalne przenośniki elektronów: NAD (w oddychaniu komórkowym), NADP (w fotosyntezie) i FAD $w fotosyntezie$. Te cząsteczki zawierają witaminy z grupy B $B₃ - kwas nikotynowy i B₂ - ryboflawina$.

W reakcjach tych reduktor oddaje elektrony i jony H⁺, a utleniacz je przyjmuje. Warto pamiętać, że im więcej atomów wodoru zawiera związek, tym jest bardziej zredukowany i tym więcej energii posiada.

Szlaki metaboliczne to sekwencje reakcji prowadzące do syntezy lub rozkładu danej substancji. Natomiast cykle metaboliczne to specjalne szlaki, w których produkt końcowy jest jednocześnie substratem pierwszej reakcji kolejnego cyklu. Wszystkie te procesy wymagają udziału enzymów i mogą być regulowane przez cząsteczki sygnałowe (przekaźniki i hormony).

Podpowiedź! Metabolizm komórkowy przypomina skomplikowaną sieć dróg - niektóre są jednokierunkowe (szlaki), a inne to ronda (cykle), a wszystkim ruchem sterują sygnalizatory świetlne (cząsteczki sygnałowe).