Metabolizm jest szeregiem przemian materii organicznej i nieorganicznej , którym towarzyszy przepływ energii. Rekcje metabolizmu można podzielić na anaboliczne i kataboliczne.

W reakcjach anabolicznych z substratów niskoenergetycznych powstają wysokoenergetyczne substancje wielkocząsteczkowe. Związki te służą jako źródło energii, materiał budulcowy lub substancje zapasowe. Reakcjami anabolicznymi są wszelkie reakcje syntezy , m.in. białek, tłuszczy , cukrów ( powstałych także w czasie fotosyntezy ). Do przebiegu tych reakcji wymagane są nakłady energii.

Reakcje kataboliczne prowadzą do rozpadu wysokocząsteczkowych substancji na mniejsze z wydzieleniem energii. Reakcjami katabolicznymi są : rozkład tłuszczy, białek ,cukrowców.

W każdym organizmie reakcje anaboliczne i kataboliczne występują wspólnie. Z reguły rekcje te się równoważą , lecz w młodych wzrastających organizmach przeważają reakcje anaboliczne , zaś w organizmach starzejących się dominują kataboliczne.

W procesach katabolicznych powstała energia kumulowana jest w postaci ATP. Związek ten zbudowany jest z zasady-adeniny , cukru (rybozy ) i reszt fosforanowych. Energia zawarta w ATP uwalniana jest w wyniku odłączania się reszt fosforanowych, które połączone są w cząsteczce za pomocą wysokoenergetycznych wiązań. ATP produkowany jest w mitochondriach w czasie oddychania tlenowego jak również w czasie fotosyntezy. ATP powstaje na drodze fosforylacji oksydacyjnej , substratowej lub fotosyntetyczne. Cząsteczki ATP nie są transportowane do innych komórek. Jedynie energia jest wymieniana pomiędzy organizmem a środowiskiem. Reakcje kataboliczne są pod kontrolą układu hormonalnego i nerwowego, co jest bardzo istotne z zachowaniu stałych warunków w organizmie , czyli homeostazy.

W przebiegu wielu reakcji, zarówno anabolicznych jak i katabolicznych niezbędna jest obecność enzymów. Są to substancje które aktywują lub dezaktywują przebieg określonych reakcji. Enzymy są białkami , prostymi lub złożonymi. W białkach złożonych , do łańcucha polipeptydowego przyłączona jest niebiałkowa grupa prostetyczna ( trwale z nim związana ) lub koenzym ( nietrwale połączony z częścią białkową ). Część białkowa enzymów jest odpowiedzialna za ich powinowactwo do substancji docelowych, natomiast koenzymy decydują o tym, jakiej przemianie ulegnie substrat . Koenzymami często są witaminy. Miejscem wiązania się substratu ( cząsteczki docelowej ) z enzymem jest centrum aktywne . Centrum to posiada grupy funkcyjne, których układ przestrzenny jest odpowiedni do układu przestrzennego substratu.

Reakcje katalizowane enzymatyczne przebiegają etapowo. W początkowych etapach następuje połączenie się substratu z centrum aktywnym. Powstały w ten sposób kompleks powoduje obniżenie energii aktywacji i aktywację procesu enzymatycznego. Po zajściu reakcji kompleks enzymu z produktem rozpada się.

Enzymy nie ulegają przekształceniu w czasie przemian substratu , mogą być używane wielokrotnie. Niektóre enzymy charakteryzują się dużą specyficznością , tzn. działają tylko na jeden określony substrat. Często zależność ta jest tak ścisła, że dotyczy ona nawet specyficznego rodzaju wiązania chemicznego. Wiele czynników takich jak : pH , temperatura, stężenie substratu czy enzymu, obecność jonów wpływa na szybkość reakcji enzymatycznej. Różne substancje mogą aktywować nieczynne enzymy lub je inaktywować. Substancje , które dezaktywują działanie enzymów nazywamy inhibitorami. Inhibitory przyłączają się do centrum aktywnego enzymu i uniemożliwiają w ten sposób przyłączenie się do niego substratu. Substancje powodujące przejście proenzymu ( enzymu nieaktywnego ) w enzym właściwy to aktywatory. Aktywatory wiążąc się z centrum aktywnym zmieniają jego strukturę przestrzenną ,na taką która jest właściwa dla odpowiadającego mu substratu. Do aktywatorów należą najczęściej różnego rodzaju jony.

Wśród enzymów można wyróżnić kilka ich klas tj. : liazy, transferazy, hydrolazy, ligazy, desydoreduktazy, izomerazy.

Przykładem hydrolaz są peptydazy rozkładające wiązania peptydowe między aminokwasami budującymi białka , amylazy powodujące rozpad wiązań miedzy cząsteczkami cukru ( glukozy ) i inne.

Do reakcji anabolicznych należą procesy fotosyntezy i chemosyntezy zachodzące w organizmach roślin i niektórych bakterii.

Organizmy wytwarzające materię organiczną na drodze fotosyntezy to fotoautotrofy, należą do nich rośliny zielone, bakterie ( zielone i purpurowe ) oraz sinice. Organizmy tego typu produkują związki organiczne ( głównie glukozę ) z dwutlenku węgla i wody przy udziale energii promieniowania słonecznego. Niezbędne w procesie fotosyntezy są barwniki fotosyntetyczne, które umieszczone są w tylakoidach chloroplastów.

Organizmy chemoautotroficzne także wytwarzają substancje organiczne z wody i CO2 , lecz energia niezbędna do tego procesu uzyskiwana jest na drodze utleniania związków takich jak : amoniak, siarkowodór, jony żelaza, siarki, wodoru. Do chemoautotrofów zalicza się bakterie : nitryfikacyjne, żelaziste, siarkowe i wodorowe.

Przebieg reakcji fotosyntezy.

Reakcje fotosyntezy przebiegają w jednakowy sposób u wszystkich organizmów, jedynie mogą się one różnić rodzajem wykorzystywanego barwnika lub budową organelli w której to zachodzą te procesy. W wielu roślinach występuje szereg barwników, które mają większe lub mniejsze znaczenie w fotosyntezie. DO najbardziej popularnych barwników należą : chlorofile, karotenoidy, fukoksantyna, fikoerytryna, fikocyjanina, luteina . U bakterii zielonych i purpurowych fotosynteza odbywa się w strukturach zwanych chromatoforami. U roślin wyższych procesy fotosyntezy przebiegają w strukturach o skomplikowanej budowie- chloroplastach. Głównymi barwnikami fotosyntetycznymi roślin są chlorofile.

Fotosynteza przebiega w dwóch etapach. Etap pierwszy zwany jest fazą jasną i jest uzależniony od promieniowania słonecznego. Kwanty tego promieniowania wybijają elektronu z cząsteczki chlorofilu, które po przejściu przez łańcuch akceptorów oddają energię , która zgromadzona jest w wysokoenergetycznych wiązaniach w ATP. W czasie fazy jasnej dochodzi także do rozkładu wody a uwolniony a niej wodór wiąże się z akceptorem wodorowym tworząc NADPH2

W fazie ciemnej wytworzone ATP i NADPH2 wykorzystywane są jako siła asymilacyjna w cyklu przemian , zwanym cyklem Krebsa. Przemiany te mają charakter cykliczny i prowadzą do włączenia dwutlenku węgla w skład związków organicznych, czego efektem jest aldehyd 3-fosfoglicerynowy , będący substratem do budowy wielu substancji organicznych.

Organizmy heterotroficzne, czyli takie które korzystają z gotowej materii organicznej jako pokarmu muszą poddać ją wielu reakcjom katabolicznym aby mogła ona zostać przyswojona przez organizm. Heterotrofy mają duże zapotrzebowania pokarmowe . Organizmy takie potrzebują do prawidłowego rozwoju i wzrostu białek, cukrów, tłuszczy , witamin, soli mineralnych i wody. Aby te składniki mogły być wchłonięte przez organizm i wykorzystane, niezbędne jest strawienie pokarmu , które prowadzi do rozbicia wielkocząsteczkowych substancji na podstawowe, łatwo przyswajalne. Wszystkie procesy rozkładu substancji na prostsze są procesami katabolicznymi.

Trawienie cząstek pokarmowych może zachodzić w komórce ( u pierwotniaków i bakterii )- tzw. trawienie wewnątrzkomórkowe lub poza jej ciałem - w świetle przewodu pokarmowego ( u większości zwierząt ) , czyli tzw. trawienie pozakomórkowe. Ciekawą odmianą trawienia pozakomórkowego jest trawienie pokarmu poza ciałem organizmu ( u pająków i grzybów ).

W czasie rozkładu pokarmu substancje wielkocząsteczkowe są rozbijane na mniejsze, czemu towarzyszy wydzielenie energii niezbędnej do prawidłowego funkcjonowania organizmu. Bardzo często energia powstała w procesach katabolicznych jest wykorzystywana w procesach anabolicznych, w czasie wytwarzania pewnych substancji lub ich przemian.

Czasami rozkład substancji zachodzi etapowo, tzn. jeden enzym powoduje rozpad dużej cząsteczki na mniejsze elementy, zaś kolejny enzym rozkład te elementy na jeszcze mniejsze.

Bardzo ważne w rozkładzie cząstek pokarmowych są enzymy- cząsteczki aktywujące lub przyspieszające reakcje kataboliczne.