Кіріспе
Организмдердегі химиялық реакциялар жиынтығы. Метаболизм (/m/ə/'t/æ/b/ə/l/ɪ/z/ə/m/, μεταβολή metabolē, "өзгеріс") – организмдерде тіршілікті қамтамасыз ететін химиялық реакциялар жиынтығы. Метаболизмнің үш негізгі функциясы: тағамдағы энергияны жасушалық процестерді жүргізуге қолжетімді энергияға түрлендіру; тағамды ақуыздардың, липидтердің, нуклеин қышқылдарының және кейбір көмірсулардың құрылыс блоктарына түрлендіру; және метаболизм қалдықтарын жою. Бұл ферменттермен катализденетін реакциялар организмдерге өсуге, көбейуге, құрылымдарын сақтауға және қоршаған ортаға бейімделуге мүмкіндік береді. Метаболизм сөзі тірі организмдерде жүретін барлық химиялық реакциялардың жиынтығын, соның ішінде қорытылу және заттардың әртүрлі жасушаларға және олардың арасында тасымалдануын білдіруі мүмкін. Мұндай жағдайда, жасушалар ішіндегі жоғарыда сипатталған реакциялар жиынтығы аралық (немесе прометеболизм) метаболизм деп аталады. Метаболизмдік реакциялар катаболизмге – қосылыстардың ыдырауына (мысалы, жасушалық тыныс алу арқылы глюкозадан пируватқа); немесе анаболизмге – қосылыстардың (мысалы, ақуыздар, көмірсулар, липидтер және нуклеин қышқылдары) жинақталуына (синтезіне) жіктеуге болады. Әдетте, катаболизм энергияны бөліп шығарады, ал анаболизм энергияны тұтынады. Метаболизмнің химиялық реакциялары метаболикалық жолдарға ұйымдастырылған, онда бір химиялық зат бірнеше қадам арқылы басқа химиялық затқа айналады, әр қадамға арнайы фермент көмектеседі. Ферменттер метаболизм үшін өте маңызды, өйткені олар организмдерге энергияны қажет ететін және өздігінен жүрмейтін қажетті реакцияларды, энергияны бөліп шығаратын спонтанды реакциялармен байланыстыру арқылы жүргізуге мүмкіндік береді. Ферменттер катализаторлар ретінде әрекет етеді – олар реакцияның жылдамдауына мүмкіндік береді, сонымен қатар метаболикалық реакцияның жылдамдығын реттейді, мысалы, жасушаның ортасындағы өзгерістерге немесе басқа жасушалардан келетін сигналдарға жауап ретінде. Белгілі бір организмнің метаболизм жүйесі қандай заттарды қоректік, ал қайсысын улы деп табатынын анықтайды. Мысалы, кейбір прокариоттар сутек сульфидін қоректік зат ретінде пайдаланады, бірақ бұл газ жануарларға улы. Организмнің базалық метаболизм деңгейі – бұл барлық химиялық реакциялар тұтынатын энергия мөлшерін өлшеу. Метаболизмнің ерекшелігі – өте әртүрлі түрлер арасындағы негізгі метаболизм жолдарының ұқсастығы. Мысалы, лимон қышқылы циклындағы аралық заттар ретінде белгілі карбон қышқылдарының жиынтығы барлық белгілі организмдерде кездеседі, олар бір жасушалы бактериялар, мысалы, Escherichia coli және ірі көп жасушалы организмдер, мысалы, пілдерде табылған. Метаболизм жолдарының осы ұқсастығы олардың эволюциялық тарихында ерте пайда болуына байланысты, ал олардың сақталуы олардың тиімділігіне байланысты. II типті қант диабеті, метаболикалық синдром және қатерлі ісік сияқты әртүрлі ауруларда метаболизм бұзылады. Қатерлі жасушалардың метаболизмі қалыпты жасушалардың метаболизмінен өзгеше, және осы айырмашылықтарды қатерлі ісікке терапиялық араласу мақсаттарын табу үшін пайдалануға болады.
Metabolism (/m//ə/'/t//æ//b//ə//l//ɪ//z//ə//m/, from μεταβολή metabolē, "change") is the set of life sustaining chemical reactions in organisms. The three main functions of metabolism are: the conversion of the energy in food to energy available to run cellular processes; the conversion of food to building blocks of proteins, lipids, nucleic acids, and some carbohydrates; and the elimination of metabolic wastes. These enzyme catalyzed reactions allow organisms to grow and reproduce, maintain their structures, and respond to their environments. The word metabolism can also refer to the sum of all chemical reactions that occur in living organisms, including digestion and the transportation of substances into and between different cells, in which case the above described set of reactions within the cells is called intermediary (or intermediate) metabolism. Metabolic reactions may be categorized as catabolic—the breaking down of compounds (for example, of glucose to pyruvate by cellular respiration); or anabolic—the building up (synthesis) of compounds (such as proteins, carbohydrates, lipids, and nucleic acids). Usually, catabolism releases energy, and anabolism consumes energy. The chemical reactions of metabolism are organized into metabolic pathways, in which one chemical is transformed through a series of steps into another chemical, each step being facilitated by a specific enzyme. Enzymes are crucial to metabolism because they allow organisms to drive desirable reactions that require energy and will not occur by themselves, by coupling them to spontaneous reactions that release energy. Enzymes act as catalysts—they allow a reaction to proceed more rapidly—and they also allow the regulation of the rate of a metabolic reaction, for example in response to changes in the cell's environment or to signals from other cells. The metabolic system of a particular organism determines which substances it will find nutritious and which poisonous. For example, some prokaryotes use hydrogen sulfide as a nutrient, yet this gas is poisonous to animals. The basal metabolic rate of an organism is the measure of the amount of energy consumed by all of these chemical reactions. A striking feature of metabolism is the similarity of the basic metabolic pathways among vastly different species. For example, the set of carboxylic acids that are best known as the intermediates in the citric acid cycle are present in all known organisms, being found in species as diverse as the unicellular bacterium Escherichia coli and huge multicellular organisms like elephants. These similarities in metabolic pathways are likely due to their early appearance in evolutionary history, and their retention is likely due to their efficacy. In various diseases, such as type II diabetes, metabolic syndrome, and cancer, normal metabolism is disrupted. The metabolism of cancer cells is also different from the metabolism of normal cells, and these differences can be used to find targets for therapeutic intervention in cancer.
Амино қышқылдар мен ақуыздар
Белоктар аминқышқылдарынан тұрады, олар пептидтік байланыстар арқылы біріктірілген сызықтық тізбек түзеді. Көптеген белоктар – ферменттер, олар метаболизмдегі химиялық реакцияларды катализдейді. Басқа белоктар құрылымдық немесе механикалық функцияларды атқарады, мысалы, цитоскелетті құрайды – жасушаның пішінін сақтайтын тірек жүйесі. Белоктар жасушалық сигналдау, иммундық жауаптар, жасушалардың бірігуі, мембраналар арқылы белсенді тасымалдау және жасушалық циклде де маңызды рөл атқарады. Аминқышқылдары жасушалық энергия метаболизміне де үлес қосады, лимон қышқылы циклына (трикарбон қышқылы циклына) ену үшін көміртек көзін қамтамасыз етеді, әсіресе глюкоза сияқты негізгі энергия көзі жетіспегенде немесе жасушалар метаболикалық стресске түскенде.
Липидтер
Липидтер – биохимиялық заттардың ең әртүрлі тобы болып табылады. Олардың негізгі құрылымдық қызметтері – жасуша мембранасы сияқты ішкі және сыртқы биологиялық мембраналардың құрамына кіру. Майлар – май қышқылдары мен глицериннен тұратын қосылыстардың кең тобы; үш май қышқылы глицерин молекуласына эстер байланысы арқылы қосылғанда триацилглицерид деп аталады. Негізгі құрылымның бірнеше нұсқалары бар, оның ішінде сфингомиелиндегі сфингозин сияқты тіректер және фосфолипидтердегі фосфат сияқты суды тартатын топтар кездеседі. Стериндер, мысалы стерол – липидтердің тағы бір маңызды класы.
Көмірсулар
Көмірсулар – көптеген гидроксилдік топтар қосылған альдегидтер немесе кетондар, олар тік тізбек түрінде немесе сақиналар түрінде кездесе алады. Көмірсулар – ең көп таралған биологиялық молекулалар болып табылады және энергияны сақтау мен тасымалдау (крахмал, гликоген) және құрылымдық компоненттер (өсімдіктердегі целлюлоза, жануарлардағы хитин) сияқты көптеген маңызды функцияларды атқарады.
Нуклеотидтер
Екі нуклеин қышқылы – ДНК және РНК – нуклеотидтердің полимерлері. Әрбір нуклеотид азотты негізге қосылған рибоза немесе дезоксирибоза қант тобына байланысқан фосфаттан тұрады. Нуклеин қышқылдары генетикалық ақпаратты сақтау және пайдалану үшін, сондай-ақ транскрипция және белок биосинтезі процестері арқылы оны түсіндіру үшін өте маңызды. Сплицесомалар мен рибосомалар сияқты рибозимдердегі РНК ферменттерге ұқсас, себебі ол химиялық реакцияларды катализдеуге қабілетті. Жеке нуклеозидтер нуклеобазаны рибоза қантына қосу арқылы түзіледі. Бұл негіздер азотты қамтитын гетероциклді сақиналар болып табылады және пуриндер немесе пиримидиндер деп жіктеледі. Нуклеотидтер метаболизмдегі топтық трансфер реакцияларында коферменттер ретінде де қатысады.
Коэнзимдер
Зат алмасу химиялық реакциялардың кең ауқымын қамтиды, бірақ көпшілігі атомдардың функционалдық топтары мен молекулалар ішіндегі байланыстардың ауысуына қатысты негізгі реакциялардың бірнеше түріне жатады. Осы ортақ химия жасушаларға әртүрлі реакциялар арасында химиялық топтарды тасымалдау үшін метаболикалық аралық заттардың шағын жиынтығын пайдалануға мүмкіндік береді. Бір орталық кофермент – жасушалардың энергия валютасы аденозин трифосфаты (АТФ). Бұл нуклеотид әртүрлі химиялық реакциялар арасында химиялық энергияны беру үшін қолданылады. Жасушаларда АТФ аз мөлшерде ғана болады, бірақ ол үнемі қайта жаңартылатындықтан, адам денесі күніне өзінің салмағына тең АТФ мөлшерін пайдалана алады. Витамин – жасушаларда синтезделмейтін, аздаған мөлшерде қажетті органикалық қосылыс. Адам тамақтануында көптеген витаминдер модификациядан кейін коэнзимдер ретінде жұмыс істейді; мысалы, суда еритін барлық витаминдер фосфорилденеді немесе жасушаларда қолданылған кезде нуклеотидтермен байланысады. В3 витаминінің (ниациннің) туындысы никотинамид аденоин динуклеотиді (NAD+) – сутекті қабылдайтын маңызды коэнзим. Дегидрогеназалардың жүздеген түрлері өздерінің субстраттарынан электрондарды алып тастап, NAD+-ды NADH-қа дейін тотықсыздандырады. Коферменттің бұл тотықсызданған түрі сутек атомдарын субстраттарына беруді қажет ететін жасушадағы кез келген редуктазаның субстраты болып табылады. Никотинамид аденоин динуклеотиді жасушада екі байланысты формада – NADH және NADPH болып табылады. NAD+/NADH формасы катаболикалық реакцияларда маңыздырақ, ал NADP+/NADPH – анаболикалық реакцияларда қолданылады.
Минералдық және кофакторлар
Органикалық емес элементтер метаболизмде маңызды рөл атқарады; кейбіреулері көп (мысалы, натрий мен калий), ал басқалары өте төмен концентрацияда жұмыс істейді. Адам денесінің салмағының шамамен 99% көміртек, азот, кальций, натрий, хлор, калий, сутек, фосфор, оттегі және күкірт элементтерінен тұрады. Органикалық қосылыстар (ақуыздар, липидтер және көмірсулар) көбінесе көміртек пен азотты қамтиды; оттегі мен сутегінің көп бөлігі су түрінде кездеседі. Көптеген органикалық емес элементтер электролиттер ретінде әрекет етеді. Ең маңызды иондар – натрий, калий, кальций, магний, хлорид, фосфат және органикалық ион – бикарбонат. Жасуша мембраналарындағы иондық градиенттің дәл сақталуы осмостық қысымды және pH деңгейін сақтайды. Иондар сонымен қатар жүйке және бұлшықет жұмысы үшін маңызды, себебі бұл тіндердегі әрекет потенциалы жасушадан тыс сұйықтық пен жасуша ішіндегі цитозол арасындағы электролиттердің алмасуы арқылы туындайды. Электролиттер жасушаға іондық каналдар деп аталатын жасуша мембранасындағы ақуыздар арқылы кіреді және шығады. Мысалы, бұлшықеттердің жирылуы жасушалық мембранадағы және Т-түтікшелердегі иондық каналдар арқылы кальций, натрий және калийдің қозғалысына байланысты. Көшпелі металдар әдетте организмдерде микроэлементтер түрінде кездеседі, олардың ішінде мырыш пен темір ең көп таралғандары. Металл кофакторлары ақуыздардың белгілі бір орындарына берік байланысады; фермент кофакторлары катализ кезінде өзгеруі мүмкін болғанымен, катализделген реакцияның соңында әрқашан бастапқы күйіне оралады. Металл микроэлементтері организмдерге белгілі бір тасымалдаушылар арқылы сіңіріледі және қолданылмаған кезде ферритин немесе металлотионеин сияқты сақтау ақуыздарына байланысады.
Органикалық қосылыстардан алынатын энергия
Көмірсулардың катаболизмі – көмірсулардың кішірек бөліктерге ыдырау процесі. Көмірсулар әдетте глюкоза мен фруктоза сияқты моносахаридтерге қорытылғаннан кейін жасушаларға сіңіріледі. Жасуша ішіне енгеннен кейін, ыдыраудың басты жолы – гликолиз, онда глюкоза пируватқа айналады. Бұл процесте NAD+ молекуласынан NADH энергия тасымалдаушы молекуласы түзіледі және жасушадағы көптеген процестерді қамтамасыз ету үшін ADP-ден ATP өндіріледі. Пируват бірнеше метаболикалық жолдардың аралық өнімі болып табылады, бірақ көп бөлігі ацетил-КоА-ға айналып, лимон қышқылы цикліне қосылады, бұл окистеуші фосфорилирлеу арқылы көбірек ATP өндіруге мүмкіндік береді. Бұл тотығу молекулалық оттекті пайдаланады және су мен көмірқышқыл газын бөліп шығарады. Егер оттектің жетіспеуі болса немесе пируват лимон қышқылы циклімен салыстырғанда уақытша жылдам өндірілсе (мысалы, қарқынды бұлшық ет еңбегінде), пируват лактат дегидрогеназа ферменті арқылы лактатқа айналады. Бұл процесте NADH қайтадан NAD+-ға тотығады, одан әрі гликолизде қайта қолдануға болады, энергия өндірісін жалғастыруға мүмкіндік береді. Кейін лактат энергия қажет болған жерде ATP өндіру үшін пируватқа немесе Кори циклында глюкозаға айналады. Глюкозаның ыдырауының тағы бір жолы – пентоза фосфат жолы, ол аз энергия өндіреді, бірақ анаболизмді (биомолекулалардың синтезін) қолдайды. Бұл жол NADP+ коферментін NADPH-қа дейін азайтады және нуклеотидтер мен хош иісті амин қышқылдары сияқты көптеген биомолекулаларды синтездеу үшін рибоза-5-фосфат сияқты пентоза қосылыстарын өндіреді. Майлар гидролиз арқылы бос май қышқылдары мен глицеринге ыдырайды. Глицерин гликолизге қосылады, ал май қышқылдары бета-окистену арқылы ыдырап, ацетил-КоА-ны бөліп шығарады, ол лимон қышқылы цикліне қосылады. Май қышқылдары тотығу кезінде көмірсуларға қарағанда көбірек энергия бөліп шығарады. Стеридтер де кейбір бактериялармен бета-окистенуге ұқсас процесте ыдырайды, бұл процесте ацетил-КоА, пропионил-КоА және пируваттың маңызды мөлшері бөлінеді, оларды жасуша энергия үшін пайдалана алады. M. tuberculosis липидтік холестеринмен көміртегінің жалғыз көзі ретінде өсе алады, ал холестерин пайдалану жолындағы гендер M. tuberculosis инфекциясының әртүрлі кезеңдерінде маңызды екені анықталды. Амин қышқылдары белоктар мен басқа биомолекулаларды синтездеу үшін қолданылады немесе энергия өндіру үшін мочевина мен көмірқышқылға тотығады. Тотығу жолы трансаминаза ферменті арқылы амин тобын алып тастаудан басталады. Амин тобы мочевина цикліне қосылады, нәтижесінде деаминирленген көміртек қаңқасы кето қышқылы түрінде қалады. Бұл кето қышқылдарының бірнешеуі лимон қышқылы циклінде аралық өнімдер болып табылады, мысалы, глутаматтың деаминациясынан пайда болатын α-кетоглутарат. Глюкогендік амин қышқылдары глюконеогенез арқылы глюкозаға айналуы мүмкін.
Окистендіру фосфорилирлеуі
Окистендіру фосфорилирлеуінде лимон қышқылы циклы сияқты аймақтардағы органикалық молекулалардан алынған электрондар оттегіге беріледі және босатылған энергия АТФ жасауға пайдаланылады. Эукариоттарда бұл митохондрия мембраналарындағы электрондық тасымалдау тізбегі деп аталатын ақуыздар тізбегі арқылы жүзеге асады. Прокариоттарда бұл ақуыздар жасушаның ішкі мембранасында орналасқан. Бұл ақуыздар NADH сияқты тотыққан молекулалардың энергиясын пайдаланып, протондарды мембрана арқылы соқтырады. Митохондриядан протондарды шығару мембранадағы протондық концентрацияның айырмашылығын тудырады және электрохимиялық градиентті жасайды. Бұл күш протондарды АТФ синтетазасы деп аталатын ферменттің негізі арқылы митохондрияға қайтарады. Протон ағыны сабақша бөлігін айналдырады, синтетаза доменінің белсенді орнының пішінін өзгертеді және аденозин дифосфатын фосфорилирлейді – осылайша оны АТФ-қа айналдырады. Кеміртегіш күкірт қосылыстары (мысалы, сульфид, күкірттегі газ және тиосульфат) немесе аммиак, олар энергияны осы қосылыстардың тотығуынан алады. Бұл микробиологиялық процестер ацетогенез, нитрификация және денитрификация сияқты жаһандық биогеохимиялық циклдерде маңызды және топырақтың құнарлылығы үшін аса қажет.
Жарықтан алынатын энергия
Күн сәулесіндегі энергияны өсімдіктер, цианобактериялар, күлгін бактериялар, көк күкірт бактериялары және кейбір протистер сіңіреді. Бұл процесс көбінесе фотосинтездің бір бөлігі ретінде, көмірқышқыл газын органикалық қосылыстарға айналдырумен байланысты, және төменде талқыланады. Дегенмен, энергияны жинау және көміртекті бекіту жүйелері прокариоттарда жеке жұмыс істей алады, себебі күлгін бактериялар мен көк күкірт бактериялары көміртекті бекіту мен органикалық қосылыстардың ашытуы арасында ауысып, күн сәулесін энергия көзі ретінде пайдалана алады. Көптеген организмдерде күн энергиясын сіңіру принципі окистендіру фосфорилирлеуіне ұқсас, себебі ол энергияны протондық концентрация градиенті түрінде сақтауды қамтиды. Бұл протондық қозғаушы күш АТФ синтезін қозғайды. Бұл электрондық тасымалдау тізбегін іске қосуға қажетті электрондар жарық жинағыш ақуыздардан, фотосинтез реакциялық орталықтарынан алынады. Реакциялық орталықтар фотосинтездік пигменттердің сипатына қарай екі түрге бөлінеді, көптеген фотосинтездік бактериялар тек бір түрге ие, ал өсімдіктер мен цианобактериялар екі түрге ие. Өсімдіктерде, балдырларда және цианобактерияларда II фотожүйе судан электрондарды алып тастау үшін жарық энергиясын пайдаланады, нәтижесінде оттегі бөлінеді. Электрондар цитохром b6f кешеніне өтеді, ол олардың энергиясын хлоропласттардағы тилакоид мембранасы арқылы протондарды соруға пайдаланады.
Анаболизм
Анаболизм – катаболизм арқылы босатылатын энергияны күрделі молекулаларды синтездеуге пайдаланатын конструктивті метаболикалық процестердің жиынтығы. Жалпы алғанда, жасуша құрылымын құрайтын күрделі молекулалар кішірек және қарапайым прекурсорлардан бірте-бірте құралады. Анаболизм үш негізгі кезеңнен тұрады. Біріншісі – аминқышқылдары, моносахаридтер, изопреноидтар және нуклеотидтер сияқты прекурсорларды өндіру, екіншісі – АТФ энергиясын пайдалана отырып, оларды реактивті формаларға айналдыру, үшіншісі – осы прекурсорларды ақуыздар, полисахаридтер, липидтер және нуклеин қышқылдары сияқты күрделі молекулаларға біріктіру. Организмдердегі анаболизм жасушаларындағы құрастырылатын молекулалардың бастапқы көзіне қарай әртүрлі болуы мүмкін. Өсімдіктер сияқты автотрофтар көмірқышқыл газы және су сияқты қарапайым молекулалардан өз жасушаларында полисахаридтер мен ақуыздар сияқты күрделі органикалық молекулаларды құра алады. Ал гетеротрофтар осы күрделі молекулаларды өндіру үшін моносахаридтер мен аминқышқылдары сияқты күрделі заттардың көзін қажет етеді. Организмдер энергияның түпкілікті көзіне қарай жіктелуі мүмкін: фотоавтотрофтар мен фотогетеротрофтар энергияны жарықтан алады, ал химиоавтотрофтар мен химиогетеротрофтар энергияны тотығу реакцияларынан алады. Өсімдіктерде фотосинтездің үш түрі кездеседі: С3 көміртегінің фиксациясы, С4 көміртегінің фиксациясы және КАМ фотосинтезі. Олар көмірқышқыл газының Кальвин циклына дейінгі жолымен ерекшеленеді, С3 өсімдіктері CO2-ні тікелей фиксациялайды, ал С4 және КАМ фотосинтезінде CO2-ні басқа қосылыстарға бірінші рет қосады, бұл қарқынды күн сәулесі мен құрғақ жағдайларға бейімделу үшін жасалған. Фотосинтездік прокариоттарда көміртегіні фиксациялау механизмдері көбірек әртүрлі. Мұнда көмірқышқыл газы Кальвин-Бенсон циклы, кері цитрус қышқылы циклы немесе ацетил-КоА карбоксилдеу арқылы фиксациялануы мүмкін. Прокариоттық химиоавтотрофтар да CO2-ні Кальвин-Бенсон циклы арқылы фиксациялайды, бірақ реакцияны жүзеге асыру үшін бейорганикалық қосылыстардан энергия пайдаланады.
Көмірсулар мен гликондар
Көмірсутектердің анаболизмінде қарапайым органикалық қышқылдар глюкоза сияқты моносахаридтерге айналады, содан кейін крахмал сияқты полисахаридтерді құрастыру үшін қолданылады. Глюкозаның пируват, лактат, глицерол, глицерат-3 фосфат және амин қышқылдары сияқты қосылыстардан түзілуі глюконеогенез деп аталады. Глюконеогенез пируватты глюкоза-6 фосфатына бірқатар аралық заттар арқылы түрлендіреді, олардың көпшілігі гликолизбен ортақ. Май энергияны сақтаудың кең таралған тәсілі болғанымен, адамдар сияқты омыртқалы жануарлардағы осы қоймалардағы май қышқылдарын глюконеогенез арқылы глюкозаға айналдыру мүмкін емес, себебі бұл организмдер ацетил-КоА-ны пируватқа түрлендіре алмайды; өсімдіктерде мұндай мүмкіндік бар, бірақ жануарларда қажетті ферменттік жүйе жоқ. Осының салдарынан, ұзаққа созылған аштықтан кейін омыртқалы жануарлар май қышқылдарынан кетон денелерін өндіруі қажет, олар май қышқылдарын метаболизмдей алмайтын ми сияқты тіндерде глюкозаның орнын басады. Өсімдіктер мен бактериялар сияқты басқа организмдерде бұл метаболизмдік мәселе глиоксилат циклі арқылы шешіледі, ол лимон қышқылы цикліндегі декарбоксилдеу сатысын айналып өтеді және ацетил-КоА-ның оксалоацетатқа айналуына мүмкіндік береді, одан кейін глюкоза өндіруге қолданылады. Глюкоза майдан басқа, көптеген тіндерде гликогенез арқылы энергия резерві ретінде сақталады, ол әдетте қандағы глюкоза деңгейін сақтау үшін қолданылады. Полисахаридтер мен гликандар гликозилтрансфераза ферменті арқылы реактивті қант-фосфат донорынан, мысалы, уридин дифосфат глюкозасынан (UDP Glc) өсіп келе жатқан полисахаридтегі акцептор гидроксил тобына моносахаридтерді тізбектей қосу арқылы жасалады. Субстраттың сақинасындағы кез келген гидроксил тобы акцептор бола алатындықтан, түзілген полисахаридтер тік немесе тармақталған құрылымға ие болуы мүмкін. Түзілген полисахаридтердің өзі құрылымдық немесе метаболиттік функцияларды атқаруы мүмкін, немесе олигосахарилтрансфераза ферменттері арқылы липидтер мен ақуыздарға берілуі мүмкін.
Май қышқылдары, изопреноидтар және стерол
Май қышқылдары ацетил-КоА бірліктерін полимерлеп, содан кейін тотықтыратын май қышқыл синтезалары арқылы түзіледі. Май қышқылдарындағы ацил тізбектері ацил тобын қосу, оны спиртке дейін тотықтыру, алкен тобына дейін сусыздау және одан кейін алкан тобына дейін қайта тотықтыру реакцияларының циклы арқылы ұзартылады. Май қышқылдарының биосинтезіне қатысатын ферменттер екі топқа бөлінеді: жануарлар мен саңырауқұлақтарда барлық май қышқыл синтезасы реакциялары бір көпфункционалды I типті ақуыз арқылы жүзеге асырылады, ал өсімдік пластидтері мен бактерияларда жолдың әр қадамын жеке II типті ферменттер орындайды. Терпендер мен изопреноидтар – каротиноидтарды қамтитын липидтердің үлкен класы және өсімдіктердің табиғи өнімдерінің ең ірі класын құрайды. Бұл қосылыстар изопентенил пирофосфат және диметилалил пирофосфаттан алынған изопрен бірліктерін құрастыру және өзгерту арқылы түзіледі. Бұл прекурсорларды алудың әртүрлі жолдары бар. Жануарлар мен археяларда мевалонат жолы осы қосылыстарды ацетил-КоА-дан шығарады, ал өсімдіктер мен бактерияларда мевалонатқа тәуелсіз жол пируват пен глицеральдегид-3-фосфатын субстрат ретінде пайдаланады. Осы белсендірілген изопрен донорларын қолданатын маңызды реакциялардың бірі – стерол биосинтезі. Мұнда изопрен бірліктері бірігіп, скваленді құрайды, содан кейін ол бүктеліп, сақиналар жиынтығына айналып, ланостерол түзеді. Ланостерол кейін холестерин және эргостерол сияқты басқа стерольдерге айналуы мүмкін.
Белсенділер
Организмдер 20 жалпы аминқышқылын синтездеу қабілеті бойынша әртүрлі. Көптеген бактериялар мен өсімдіктер жиырманың бәрін синтездеуге қабілді, бірақ сүтқоректілер тек он бір қоректік емес аминқышқылын ғана синтездеуге шамасы жетеді, сондықтан тоғыз қоректік аминқышқылын тағам арқылы алу қажет. Барлық аминқышқылдар гликолиздегі аралық заттардан, лимон қышқылы циклінен немесе пентоза фосфат жолынан синтезделеді. Азотты глутамат және глутамин қамтамасыз етеді. Қоректік емес аминқышқылдардың синтезі тиісті альфа-кетоқышқылдың түзілуіне байланысты, содан кейін ол аминқышқылға айналады. Аминқышқылдар пептидтік байланыстар тізбегімен біріктіріліп ақуызға айналады. Әр түрлі ақуыздың аминқышқылдарының өзгеше тізбегі болады: бұл оның біріншілік құрылымы. Әріптер бірігіп, сөздердің сансыз нұсқаларын құрағандай, аминқышқылдар да әртүрлі тізбектермен бірігіп, көптеген түрлі ақуыздарды құрауы мүмкін. Ақуыздар аминқышқылдардан жасалады, олар эфирлік байланыс арқылы трансфер РНК молекуласына қосылып белсендіріледі. Бұл аминоацил-тРНК прекурсоры АТФ-қа тәуелді реакцияда аминоацил-тРНК синтетазасы арқылы өндіріледі. Бұл аминоацил-тРНК кейіннен рибосома үшін субстрат болып табылады, ол хабаршы РНК-дағы тізбектік ақпаратты пайдалана отырып, аминқышқылын ұзартылып келе жатқан ақуыз тізбегіне қосады.
Нуклеотидтер синтезі және оларды қалпына келтіру
Нуклеотидтер аминқышқылдары, көмірқышқыл және құмырсқа қышқылынан, көп мөлшерде метаболикалық энергия қажет ететін жолдар арқылы жасалады. Сондықтан, көптеген организмдерде бұрыннан қалыптасқан нуклеотидтерді қайта пайдалану үшін тиімді жүйелер бар. Пуриндер нуклеозидтер (рибозаға байланысқан негіздер) түрінде синтезделеді. Аденин де, гуанин де иннозин монофосфатының алдынан түзіледі, ол глицин, глутамин және аспартат қышқылының атомдарын, сондай-ақ тетрагидрофолат коэнзимінен берілетін форматты пайдалана отырып синтезделеді. Ал пиримидиндер, керісінше, глутамин мен аспартаттан түзілетін оротат негізінен синтезделеді.
Ксенобиотикалар және redox метаболизмі
Барлық организмдер үнемі тағам ретінде пайдалана алмайтын және жасушаларда жинақталған жағдайда зиян келтіретін қосылыстарға ұшырайды, себебі олардың метаболизмік функциясы жоқ. Мұндай зиянды қосылыстар ксенобиотиктер деп аталады. Синтетикалық дәрілер, табиғи уларлар және антибиотиктер сияқты ксенобиотиктер ксенобиотиктерді метаболизмдейтін ферменттер жиынтығы арқылы залалсыздандырылады. Адамдарда бұл ферменттерге цитохром P450 оксидазалары, UDP глюкуронозилтрансферазалары және глутатион S трансферазалары жатады. Бұл ферменттер жүйесі үш кезеңде әрекет етеді: біріншіден, ксенобиотикті тотықтырады (I фаза), содан кейін молекулаға суда еритін топтарды қосады (II фаза). Суда еритін өзгертілген ксенобиотик жасушалардан шығарылуы мүмкін, ал көпжасушалы организмдерде бұл заттар шығарылғанға дейін тағы да метаболизмге ұшырауы мүмкін (III фаза). Экологияда бұл реакциялар ластаушы заттардың микроорганизмдер арқылы биологиялық ыдырауында және ластанған жерлерді және мұнай төгілуін қалпына келтіруде маңызды рөл атқарады. Бұл микробиологиялық реакциялардың көпшілігі көпжасушалы организмдермен ортақ, бірақ микроорганизмдердің әртүрлілігінің арқасында бұл организмдер көпжасушалы организмдерге қарағанда ксенобиотиктердің кең ауқымымен күресе алады және тіпті органохлоридтік қосылыстар сияқты тұрақты органикалық ластаушыларды ыдырата алады. Тағы бір мәселе – аэробикалық организмдердегі окислик стресс. Оксидативті фосфорилдану және белок бүктелу кезінде дисульфидтік байланыстардың пайда болуы сутек пероксиді сияқты реактивті оттегі түрлерін тудырады. Бұл зиянды тотықтырғыштар глутатион сияқты антиоксиданттық метаболиттермен және каталазалар мен пероксидазалар сияқты ферменттермен бейтараптандырылады.
Тірі организмдердің термодинамикасы
Тірі организмдер жылу және жұмыс алмасуын сипаттайтын термодинамика заңдарына бағынуға тиіс. Термодинамиканың екінші заңы бойынша, кез келген оқшауланған жүйеде энтропияның (дәуіршіліктің) мөлшері кемдеуге болмайды. Тірі организмдердің керемет күрделілігі осы заңға қайшы келетіндей болғанымен, тіршілік мүмкін, себебі барлық организмдер айналадағы ортамен зат және энергия алмасатын ашық жүйелер болып табылады. Тірі жүйелер тепе-теңдікте болмайды, керісінше, олар өздерінің жоғары күрделіліктерін сақтау үшін айналадағы ортаның энтропиясын үлкеніректеу өсімге ұшыратып, диссипативтік жүйелер болып табылады. Жасушаның метаболизмі бұл процесті катаболизмнің спонтанды процестерін анаболизмнің спонтанды емес процестерімен байланыстыру арқылы жүзеге асырады. Термодинамикалық тұрғыдан алғанда, метаболизм тәртіпсіздік тудыру арқылы тәртіпті сақтайды.
Реттеу және бақылау
Көптеген организмдердің ортасы үнемі өзгеріп отыратындықтан, метаболизм реакциялары ұяшықтар ішіндегі тұрақты жағдайды, гомеостаз деп аталатын жағдайды сақтау үшін мұқият реттелуі керек. Метаболизмді реттеу организмдерге сигналдарға жауап беруге және олардың ортасымен белсенді әрекеттесуге мүмкіндік береді. Метаболизм жолдарының қалай басқарылатынын түсіну үшін екі өте байланысты ұғым маңызды. Біріншіден, жол бойындағы ферменттің реттелуі – бұл оның белсенділігінің сигналға жауап ретінде жоғарылатуы немесе төмендетуі. Екіншіден, осы ферменттің басқаруы – бұл оның белсенділігіндегі өзгерістердің жолдың жалпы жылдамдығына (жол арқылы өтуге) тигізетін әсері. Мысалы, фермент жоғары деңгейде реттелуі мүмкін (яғни, оның белсенділігінде үлкен өзгерістер болады), бірақ егер бұл өзгерістер метаболизм жолының өтуіне аз әсер етсе, онда бұл фермент жолды басқаруға қатыспайды. Метаболизмді реттеудің бірнеше деңгейі бар. Ішкі реттеуде метаболизм жолы өздігінен реттеледі, субстраттар немесе өнімдер деңгейінің өзгеруіне жауап береді; мысалы, өнімнің мөлшері төмендесе, жол арқылы өту жылдамдығы артады, бұл теңдестіруге көмектеседі. Сыртқы басқару – бұл көпжасушалы организмдегі жасушаның басқа жасушалардан келетін сигналдарға жауап ретінде метаболизмін өзгертуі. Бұл сигналдар әдетте гормондар мен өсу факторлары сияқты суда еритін хабаршылар түрінде болады және жасуша бетіндегі арнайы рецепторлармен анықталады. Бұл сигналдар екінші хабаршы жүйелер арқылы жасуша ішіне беріледі, олар көбінесе белоктардың фосфорилдануын қамтиды. Сыртқы басқарудың жақсы зерттелген мысалы – гормон инсулин арқылы глюкоза метаболизмін реттеу. Инсулин қандағы глюкоза деңгейінің көтерілуіне жауап ретінде өндіріледі. Гормонның жасушадағы инсулин рецепторларына байланысуы белоккиназалардың тізбегін белсендіреді, бұл жасушалардың глюкозаны сіңіруіне және оны май қышқылдары мен гликоген сияқты сақтау молекулаларына айналдыруына себеп болады. Гликоген метаболизмі гликогенді ыдырататын фермент – фосфорилазаның және оны құрайтын фермент – гликоген синтезасының белсенділігімен басқарылады. Бұл ферменттер өзара реттеледі, фосфорилдану гликоген синтезін тежейді, бірақ фосфорилазаны белсендіреді. Инсулин белок фосфатазаларын белсендіру арқылы гликоген синтезін тудырады және осы ферменттердің фосфорилдануын төмендетеді.
Эволюция
Жоғарыда сипатталған гликолиз және лимон қышқылы циклы сияқты метаболизмнің орталық жолдары тірі организмдердің барлық үш доменінде кездеседі және соңғы жалпы ортақ ата-тектің құрамында болған. Бұл жалпыға ортақ ата-тек жасушасы прокариотты және, мүмкін, метаноген болған, оның кең ауқымды аминқышқылдар, нуклеотидтер, көмірсулар және липидтер метаболизмі дамыған. Кейінгі эволюция барысында осы көне жолдардың сақталуы, осы реакциялар олардың нақты метаболикалық мәселелеріне ең оңтайлы шешім болғандықтан, гликолиз және лимон қышқылы циклы сияқты жолдар өнімдерін өте тиімді және минималды қадамдар санымен шығарғандығымен байланысты болуы мүмкін. Жаңа метаболикалық жолдардың қалыптасу механизмдерін сипаттау үшін көптеген модельдер ұсынылған. Оларға қысқа ата-тек жолына жаңа ферменттерді тізбектеп қосу, толық жолдардың дубликациялануы және одан кейін дивергенциялануы, сондай-ақ бұрыннан бар ферменттерді тарту және оларды жаңа реакция жолына біріктіру кіреді. Бұл механизмдердің салыстырмалы маңыздылығы әлі анық емес, бірақ геномдық зерттеулер жол бойындағы ферменттердің ортақ тегі болуы мүмкін екенін көрсетті, бұл көптеген жолдардың қадамдық түрде, жолдың бұрынғы қадамдарынан жаңа функциялар жасалып, қадам сайын дамуын көрсетеді. Балама модель метаболикалық желілердегі ақуыздар құрылымының эволюциясын зерттеуден алынған, бұл ферменттердің әртүрлі метаболикалық жолдарда ұқсас функцияларды орындау үшін ферменттерді қарызға алу арқылы кеңінен жұмысқа тартылатынын көрсетеді (MANET дерекқорында анық көрінеді). Үшінші мүмкіндік – метаболизмнің кейбір бөліктері әртүрлі жолдарда қайта пайдаланылатын және әртүрлі молекулаларда ұқсас функцияларды орындайтын «модульдер» түрінде болуы мүмкін. Жаңа метаболикалық жолдардың эволюциясымен қатар, эволюция метаболикалық функциялардың жоғалуына да әкелуі мүмкін. Мысалы, кейбір паразиттерде тірі қалу үшін қажет емес метаболикалық процестер жоғалады және алдын ала қалыптасқан аминқышқылдар, нуклеотидтер және көмірсулар иесінен алынуы мүмкін. Эндосимбиоздық организмдерде де ұқсас метаболикалық мүмкіндіктердің төмендеуі байқалады.
Тергеу және манипуляциялау
Классикалық түрде метаболизм жеке метаболикалық жолға бағытталған редукционистік тәсілмен зерттеледі. Бүкіл организм, тіндер және жасуша деңгейінде радиоактивті іздеушілерді қолдану ерекше құнды, олар радиоактивті белгіленген аралық және соңғы өнімдерді анықтау арқылы прекурсорлардан соңғы өнімдерге дейінгі жолдарды анықтайды. Содан кейін осы химиялық реакцияларды катализдейтін ферменттерді тазартуға және олардың кинетикасын және ингибиторларға жауабын зерттеуге болады. Параллель тәсіл – жасушадағы немесе тіндегі шағын молекулаларды анықтау; осы молекулалардың толық жиынтығы метаболом деп аталады. Жалпы алғанда, бұл зерттеулер қарапайым метаболикалық жолдардың құрылымы мен функциясын жақсы көрсетеді, бірақ толық жасушаның метаболизмі сияқты күрделі жүйелерге қолданылғанда жеткіліксіз. Мыңдаған түрлі ферменттерді қамтитын жасушалардағы метаболикалық желілердің күрделілігі туралы идеяны оң жақтағы 43 ақуыз бен 40 метаболит арасындағы өзара әрекеттесуді көрсететін суреттен алуға болады: геномдар тізбектері 26 500-ге дейін генді қамтитын тізімдерді ұсынады. Дегенмен, қазір осы геномдық деректерді биохимиялық реакциялардың толық желілерін қайта құруға және олардың мінез-құлқын түсіндіріп, болжауға болатын толыққанды математикалық модельдерді жасауға болады. Бұл модельдер, әсіресе, классикалық әдістер арқылы алынған жолдар мен метаболиттер туралы деректерді протеомикалық және ДНК микромассивтік зерттеулерден алынған гендік экспрессия туралы мәліметтермен біріктіргенде өте тиімді. Осы техникаларды қолдану арқылы адам метаболизмінің моделі жасалды, ол болашақта жаңа дәрі-дәрмектерді табуға және биохимиялық зерттеулерге бағыт береді. Бұл модельдер қазір желілік талдауда, ортақ ақуыздар немесе метаболиттермен бөлісетін топтарға жіктеу үшін қолданылады. Бактериялық метаболикалық желілер – бұл бау-бай ұйымының керемет мысалы, бұл архитектура көптеген қоректік заттарды қабылдауға және салыстырмалы түрде аз аралық ортақ валюталарды пайдалана отырып, көптеген өнімдер мен күрделі макромолекулаларды өндіруге қабілетті. Осы ақпараттың маңызды технологиялық қолданысы – метаболикалық инженерия. Мұнда ашытқы, өсімдіктер немесе бактериялар сияқты организмдер биотехнологияда оларды тиімдірек ету үшін және антибиотиктер немесе 1,3-пропандиол және шикимат қышқылы сияқты өнеркәсіптік химиялық заттар сияқты дәрі-дәрмектерді өндіруге көмектесу үшін генетикалық түрлендіріледі. Бұл генетикалық модификациялар әдетте өнімді өндіруге жұмсалатын энергия мөлшерін азайтуға, өнімділікті арттыруға және қалдықтарды азайтуға бағытталған.
Грек философиясы
Аристотельдің "Жануарлардың бөлшектері" еңбегінде метаболизмге қатысты оның көзқарастары ашық ағынды модель жасауға жеткілікті егжей-тегжейлі сипатталған. Ол процестің әр кезеңінде тағамдық заттар өзгеріске ұшырайды, ал оттың классикалық элементі ретінде жылу бөлінеді, ал қалдықтар несеп, өт немесе нәжіс түрінде шығарылады деп есептеді. Ибн әл-Нафис 1260 жылы жазылған "Әл Рисалах әл-Камилияһ фил Сиера әл-Набауия" ("Пайғамбардың өмірбаяны туралы Камилдің трактаты") атты еңбегінде метаболизмді сипаттады, онда былай делінген: "Дене және оның мүшелері үнемі ыдырап, қоректену үдерісінде болады, сондықтан олар сөзсіз тұрақты өзгеріске ұшырайды".
Ғылыми әдісті қолдану және заманауи метаболистік теориялар
Метаболизмді ғылыми тұрғыдан зерттеу тарихы бірнеше ғасырға созылады және алғашқы зерттеулерде тұтас жануарларды қарастырудан басталып, қазіргі заманғы биохимияда жеке метаболикалық реакцияларды зерттеуге дейін жетті. Адам метаболизміндегі алғашқы бақыланатын тәжірибелерді Санторио Санторио 1614 жылы "Ars de statica medicina" атты кітабында жариялаған. Ол тамақтанғаннан, ұйықтағаннан, жұмыс істегеннен, жыныстық қатынас жасағаннан, ораза ұстағаннан, су ішкеннен және нәжіс шығарғаннан кейін өзін қалай өлшегенін сипаттады. Ол өзіне түскен тамақтың көп бөлігі "сезбес терлеу" арқылы жоғалатынын анықтады. Бұл алғашқы зерттеулерде осы метаболикалық процестердің механизмдері анықталмаған, ал тірі тіндерді жандыратын күш бар деп есептелген. 19 ғасырда, ашытқының қантты спиртке айналдыруын зерттегенде, Луи Пастер ашыту процесі ашытқы жасушаларының ішіндегі заттардың ықпалымен жүзеге асатынын тұжырымдады және оларды "ферменттер" деп атады. Ол былай деп жазды: "Алкогольді ашыту – ашытқы жасушаларының тіршілігі мен құрылысына байланысты процесс, жасушалардың өліміне немесе шіруіне емес". Бұл жаңалық, Фридрих Вёлердің 1828 жылы мочевинаның химиялық синтезі жөніндегі мақаласымен бірге, толығымен бейорганикалық заттардан алынған алғашқы органикалық қосылыс ретінде ерекшеленеді. Бұл жасушалардағы органикалық қосылыстар мен химиялық реакциялар, химияның басқа салаларынан қағидасы бойынша ешқандай айырмасы жоқ екенін дәлелдеді. 20 ғасырдың басында Эдуард Бухнердің ферменттерді ашқандығы метаболизмнің химиялық реакцияларын зерттеуді жасушаларды биологиялық зерттеуден бөліп, биохимияның басталуын қадағалады. Биохимиялық білімнің көлемі 20 ғасырдың басында қарқынды өсті. Осы заманғы биохимиктердің ең өнімділерінің бірі – Ханс Кребс, ол метаболизмді зерттеуге зор үлес қосты. Ол мочевина циклын, ал кейін Ханс Корнбергпен бірлесіп лимон қышқылы циклын және глиоксилат циклын ашты.