Преглед на метаболизъм

Какво се случва в тялото ти в момента? Първият ти отговор може да е, че чувстваш глад или че мускулите те болят от тичане, или че усещаш умора. Но нека навлезем още по-навътре, да преминем отвъд слоя на съзнателността и да разгледаме какво става в клетките.

Ако можеше да надникнеш в някоя клетка в тялото си, тогава щеше да откриеш, че тя е удивителен център на активност, повече подобна на претъпкан базар, отколкото на тиха стая. Без значение дали спиш, или си в будно състояние, дали бягаш, или гледаш телевизия, енергията бива трансформирана в клетките ти, променяйки вида си, докато молекулите преминават през свързаните химични реакции, които поддържат тялото ти живо и функциониращо.

Клетките постоянно извършват хиляди химични реакции, които са нужни за поддържането на живота и здравето на самите клетки и на цялото тяло. Тези химични реакции често са свързани заедно във вериги, или пътища. Всички химични реакции, които се извършват в една клетка, общо се наричат клетъчен метаболизъм.

За да осъзнаеш сложността на метаболизма, нека разгледаме метаболитната диаграма по-долу. На мен тази мрежа от линии ми изглежда като карта на голяма метросистема или вероятно електронна платка. Всъщност това е диаграма на основните метаболитни пътища в една еукариотна клетка, като клетките, които изграждат човешкото тяло. Всяка линия е една реакция, а всеки кръг е един реагент или продукт.

В метаболитната мрежа на клетките някои от химичните реакции освобождават енергия и могат да се случат спонтанно (без входяща енергия). Но на други им е необходима добавена енергия, за да се случат. Точно както трябва постоянно да ядеш храна, за да заместиш това, което тялото ти използва, така на клетките им е необходим постоянен прилив на енергия, за да захранят химичните реакции, които изискват енергия. Всъщност храната, която ядеш, е източникът на енергия, използван от клетките ти!

За да направим идеята за метаболизма по-конкретна, нека разгледаме два метаболитни процеса, които са жизненоважни за живота на Земята: тези, които изграждат захари, и тези, които ги разграждат.

Като пример за път, при който се освобождава енергия, нека видим как една от клетките ти може да разгради една захарна молекула (например от сладкишчето, което изяде за десерт).

Много клетки, включително повечето от клетките в тялото ти, получават енергия от глюкоза (${\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6$‍) в процес, наречен клетъчно дишане. По време на този процес една молекула глюкоза постепенно се разгражда през много малки стъпки. Но този процес може да се обобщи така:

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

При разграждането на глюкозата се освобождава енергия, която се улавя от клетката под формата на аденозин трифосфат, или АТФ. АТФ е малка молекула, която дава на клетките удобен начин за кратко да съхраняват енергия.

След синтезирането на АТФ, той може да бъде използван от други реакции в клетката като енергиен източник. Работи също като парите, които са много по-удобни за използване, когато искаме да се сдобием с нещо, за разлика например от директната размяна (бартер). По същия начин клетката използва АТФ, за да има стандартен начин за трансфер на енергия. Поради това АТФ понякога бива описван като "енергийната валута" на клетката.

Като пример за изискващ енергия метаболитен път нека преобърнем последния пример и да видим как бива синтезирана една молекула глюкоза.

Захарите като глюкозата се синтезират от растенията в процес, наречен фотосинтеза. При фотосинтезата растенията използват енергията на слънчевата светлина, за да преобразуват газа въглероден диоксид в захарни молекули. Фотосинтезата протича в много малки стъпки, но цялостната реакция е просто реакцията на клетъчно дишане, преобърната наобратно:

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

Растенията, също като нас, имат нужда от енергия, за да захранят клетъчните си процеси, така че някои от захарите се използват от самото растение. Те също могат да предоставят източник на енергия за животни, които ядат растението, като катерицата по-долу. И в двата случая глюкозата ще бъде разградена чрез клетъчно дишане, генерирайки АТФ за поддържане на клетките.

Процесите на създаване и разграждане на глюкозните молекули са примери за метаболитни пътища. Метаболитен път е серия от свързани химични реакции, които се захранват една друга. Пътят изисква една или повече начални молекули и, чрез серии от междинни молекули, ги превръща в продукти.

Метаболитните пътища могат най-общо да бъдат разделени на две категории въз основа на ефектите им. Фотосинтезата, при която се синтезират захари от по-малки молекули, е "изграждащ", или анаболитен, път. За разлика от нея, клетъчното дишане разгражда захари на по-малки молекули и е "разграждащ", или катаболитен, път.

Анаболитните пътища изграждат сложни молекули от по-прости такива и обикновено имат нужда от входяща енергия. Изграждането на глюкоза от въглероден диоксид е един пример. Други примери включват синтеза на протеини от аминокиселините или на ДНК нишки от нуклеинови бази – нуклеотиди. Тези биосинтезни процеси са жизненоважни за живота на клетката, протичат постоянно и използват енергия, носена от АТФ и други кратковременно съхраняващи енергия молекули.

Катаболитните пътища включват разграждане на сложни молекули на по-прости такива и обикновено освобождават енергия. Енергията, съхранена във връзките на сложните молекули като глюкоза и мазнини, бива освободена в катаболитните пътища. После тя бива използвана във форми, които могат да захранят работата на клетката (например чрез синтеза на АТФ).

Една финална, но важна забележка: химичните реакции в метаболитните пътища не се случват автоматично без насочване. Вместо това всяка стъпка на реакциите в един път е улеснена, или катализирана, от протеин, наречен ензим. Можеш да научиш повече за ензимите и как те контролират биохимични реакции в темата ензими.