We wszystkich żywych organizmach zachodzą procesy przemiany substancji chemicznych z udziałem przemiany energii. Aby te przemiany mogły zachodzić prawidłowo niezbędne jest dostarczenie energii a z drugiej strony jej uwolnienie. Energia powstała w czasie tych przemian jest konieczna do wszelkich form pracy biologicznej, którą jest np. synteza poszczególnych składników ciała, transport substancji chemicznych przez błony komórkowe, skurcze mięśni. Procesy te dostarczają także ciepła, co umożliwia utrzymanie temperatury ciała na poziomie wyższym od temperatury otoczenia (termoregulacja). Ogół tych procesów biochemicznych zachodzących w każdym żywym organizmie i odpowiedzialnych za wzrost i prawidłowe funkcjonowanie określa się mianem METABOLIZMU. Wszystkie przemiany metaboliczne wymagają:

  • Odżywiania - pobierania ze środowiska zewnętrznego materiałów energetycznych i budulcowych,
  • Oddychania - odprowadzenia ze środowiska zewnętrznego tlenu potrzebnego do prawidłowego przebiegu procesów utleniania wewnątrzkomórkowego a także usuwania nadmiernej ilości dwutlenku węgla ze środowiska wewnętrznego,
  • Krążenia materiałów energetycznych, budulcowych, tlenu i dwutlenku węgla, produktów przemiany materii między komórkami i narządami,
  • Wydalania ze środowiska wewnętrznego produktów przemiany materii.

Metabolizm obejmuje dwa przeciwstawne procesy: ANABOLIZM i KATABOLIZM.

ANABOLIZM jest to proces syntezy złożonych związków organicznych z substancji prostych np. proces syntezy białek z aminokwasów, cukrów z dwutlenku węgla i wody, synteza glikogenu z glukozy. Warunkiem do prawidłowego zajścia tych reakcji jest stałe pochłanianie energii, ponieważ związki o niewielkich zasobach energetycznych przekształcane są w związki wysokoenergetyczne, co wiąże się z przejściem na wyższy stopień energetyczny.

Przykłady procesów anabolicznych:

  • Synteza tłuszczów - powstanie tłuszczów jest bardzo ściśle związane z oddychaniem, ponieważ niektóre metabolity tego procesu są produktami do syntezy tłuszczów tzn. kwasów tłuszczowych i glicerolu,
  • Synteza kwasów tłuszczowych - kwasy te tworzą się przez stopniowe przyłączanie reszty dwuwęglanowej,
  • Powstanie glicerolu
  • Glukoneogeneza - proces syntezy glukozy z prekursorów, które nie są węglowodanami, proces tez zachodzi w wątrobie,
  • Glikogeneza - proces syntezy glikogenu z glukozy,
  • Biosynteza białek,
  • Fotosynteza, chemosynteza w czasie, której u roślin zostaje związany dwutlenek węgla,
  • Biosynteza DNA (replikacja),
  • Biosynteza RNA (transkrypcja),
  • Synteza produktów przemiany azotowej,
  • Wiązanie azotu atmosferycznego,

KATABOLIZM jest to proces rozpadu złożonych związków organicznych na związki prostsze o znacznie mniejszych zasobach energetycznych. W tych przemianach produkty znajdują się na niższym poziomie energetycznym niż substraty. Najważniejszym procesem katabolicznym jest oddychanie w czasie, którego utlenianie cukrów prowadzi do powstania dwutlenku węgla i wody z równoczesnym uwalnianiem energii zmagazynowanej w wysokoenergetycznych wiązaniach chemicznych.

Przykłady procesów katabolicznych:

  • Hydroliza tłuszczów - prowadzi do ich rozpadu na glicerol i wolne kwasy tłuszczowe,
  • Glikoliza - katabolizm cząsteczki, który zachodzi w cytoplazmie i polega na przekształceniu glukozy w kwas pirogronowy z jednoczesną syntezą ATP,
  • Katabolizm białek - zachodzi pod wpływem enzymów proteolitycznych,
  • Fermentacja,
  • Cykl Krebsa (cykl kwasu cytrynowego),
  • Łańcuch oddechowy,
  • Fotooddychanie charakterystyczne dla organizmów roślinnych.

Porównanie anabolizmu i katabolizmu.

METABOLIZM

ANABOLIZM

KATABOLIZM

Reakcja

Reakcja syntezy

A + B = C

Reakcja rozpadu

C = A + B

Energia

Dostarczenie energii

Uwolnienie energii

Poziom energetyczny

Podwyższenie poziomu energetycznego

Obniżenie poziomu energetycznego

Funkcja

Powstanie związków budulcowych, energetycznych i zapasowych

Powstanie energii do syntezy związków chemicznych oraz energii umożliwiającej wykonanie pracy.

Mechanizmy kontrolujące przebieg przemiany materii:

  • Temperatura, której wzrost powoduje przyśpieszenie reakcji chemicznych zaś jej obniżenie powoduje zwolnienie reakcji.
  • Ilość substratów.
  • Ilość produktów reakcji.
  • Katalizatory, czyli substancje przyspieszające reakcje.
  • Enzymy, które w procesach biologicznych pełnią funkcję katalizatorów. Są to specyficzne substancje białkowe wytwarzane w komórkach.
  • Koenzymy, którymi są witaminy.
  • Jony metali takich jak wapń, magnez, sód, potas wpływają na aktywność enzymów. Za pośrednictwem składu jonowego środowiska przebieg procesów metabolicznych może Buś kontrolowany przez impulsy nerwowe.
  • Hormony.

W warunkach fizjologicznych oba procesy metaboliczne zachodzą jednocześnie. Gdy anabolizm przeważa nad katabolizmem to po osiągnięciu dojrzałości oba te procesy będą wykazywały tzw. równowagę dynamiczną. W dojrzałych organizmach anabolizm i katabolizm przechodzą cykliczne wahania nie przekraczając pewnych norm fizjologicznych niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania organizmu. Przekroczenie pewnych granic w kierunku anabolizmu lub katabolizmu wiąże się z rozwojem procesów patologicznych. W organizmach młodych warunkiem wzrostu jest przewaga anabolizmu nad katabolizmem zaś w organizmach, w których procesy wzrostu są zakończone przeważa katabolizm.