Mianem metabolizmu określa się ogół wszystkich reakcji biochemicznych, jakie zachodzą w organizmie (komórce). Przemiana materii jest bowiem jednym z warunków życia. W każdej komórce muszą zachodzić procesy syntezy i rozkładu, w wyniku których powstają i degradują różne związki chemiczne. Reakcje metaboliczne dzieli się na anaboliczne i kataboliczne.

Anabolizm, czyli reakcje anaboliczne to procesy polegające na syntezie, czyli tworzeniu związków złożonych z prostych substratów. Substraty są tu niskoenergetyczne, więc aby uzyskać wysokoenergetyczny produkt, należy dostarczyć do układu energię w postaci wiązań chemicznych cząsteczek biologicznych. Do procesów anabolicznych należą wszelkie rodzaje syntezy - białek, tłuszczów oraz cukrów. Podręcznikowym przykładem procesu anabolicznego jest fotosynteza, czyli tworzenie cukrów prostych ze związków nieorganicznych - dwutlenku węgla i wody. Wymagane jest dostarczenie energii, lecz powstające produkty energię tę magazynują w swoich cząsteczkach.

Katabolizm, czyli reakcje kataboliczne to procesy polegające na rozkładzie związków złożonych, wysokoenergetycznych do związków prostych, niskoenergetycznych. Podczas tego rozkładu uwalniana zostaje energia, nagromadzona w wiązaniach chemicznych. Do procesów katabolicznych należy przykładowo hydroliza makrocząsteczek biologicznych oraz oddychanie komórkowe, czyli utlenianie cukrów do związków nieorganicznych (dwutlenku węgla i wody) wraz z wydzieleniem dużej ilości energii.

W przebiegu procesów metabolicznych niezbędne są enzymy. Są to cząsteczki białkowe, pełniące funkcję katalizatorów - przyspieszają przebieg reakcji poprzez obniżenie energii aktywacji, przy czym same nie ulegają przemianom chemicznym. Oprócz części białkowej, tworzącej tzw. apoenzym, do działania enzymu konieczny jest też kofaktor, którym przeważnie jest cząstka nie będąca białkiem (np. witamina). Jako przykłady enzymów oraz reakcji przez nie katalizowanych można podać enzymy trawienne (hydrolityczne), rozkładające w przewodzie pokarmowym substancje złożone oraz enzymy oddechowe, przeprowadzające kolejne etapy utleniania biologicznego w cytoplazmie komórki oraz w mitochondriach. Do enzymów trawiennych należą: proteazy, rozkładające białka, amylazy, rozkładające węglowodany, lipazy, rozkładające tłuszcze oraz nukleazy, rozkładające kwasy nukleinowe. Wszystkie te reakcje są procesami hydrolizy, czyli rozkładu cząsteczek z udziałem wody.

FOTOSYNTEZA

Fotosynteza to proces przebiegający z udziałem zielonego barwnika - chlorofilu oraz energii słonecznej. Chlorofil u roślin znajduje się w chloroplastach. Sinice oraz niektóre bakterie również potrafią przeprowadzać fotosyntezę, nie mają jednak chloroplastów, ale ciałka barwnikowe, w których zlokalizowany jest barwnik. Cząsteczki chlorofilu u roślin znajdują się w błonach tylakoidów chloroplastu, które są ułożone w stosiki, tzw. grana. Oprócz chlorofilu w chloroplaście występują tez barwniki pomocnicze - żółte ksantofile i pomarańczowe karoteny. Cząsteczka chlorofilu pod względem struktury jest układem czterech pierścieni pirolowych, z centralnie położonym atomem magnezu. Pierścienie pirolowe zawierają naprzemiennie ułożone wiązania pojedyncze i podwójne - dzięki takiemu ułożeniu tworzy się tzw. układ rezonansowy, zawierający ruchliwe elektrony. Mogą one się przemieszać, nie powodując zmiany struktury cząsteczki.

Przebieg fotosyntezy ma dwie fazy. Pierwsza, zwana jest fazą jasną i zachodzi w błonach tylakoidów pod wpływem energii słonecznej. Druga faza, ciemna, zachodzi w stromie chloroplastu, już bez udziału światła.

Faza jasna. Omówienie fazy jasnej należy zacząć od przedstawienia układu cząsteczek chlorofilu. Występują one w dwóch postaciach, różniących się zakresem pochłanianego promieniowania i tworzą dwa fotosystemy. Fotosystem I (P700) tworzą cząsteczki pochłaniające światło o długości fali 700nm. Fotosystem II (P680) tworzą cząsteczki, pochłaniające światło o długości fali 680nm. Wokół nich rozmieszczone są cząsteczki barwników pomocniczych, które pełnią rolę antenową - zbierają fotony i przekazują je na chlorofil. Fotony światła powodują wybicie elektronów z fotosystemu I. Są one przenoszone przez ferredoksynę do fotosystemu II. Stamtąd wybite elektrony wędrują poprzez kolejne przekaźniki na NADP. Przenośniki elektronów to plastochinon, cytochromy i plastocyjanina. Podczas przepływu elektronów przez przenośniki następuje fosforylacja fotosyntetyczna, w wyniku której powstaje NADPH i ATP. Jednocześnie miejsca po wybitych elektronach zostają wypełnione przez elektrony pochodzące z rozkładu (fotolizy) cząsteczki wody. Powstaje wówczas tlen, będący produktem ubocznym fotosyntezy.

NADPH+H+ i ATP, które powstają w fazie jasnej fotosyntezy stanowią tzw. siłę asymilacyjną, wykorzystywaną do przebiegu kolejnych etapów w fazie ciemnej.

Faza ciemna. Faza ciemna fotosyntezy nie wymaga udziału światła. Nazywana jest cyklem Calvina. Związkiem wyjściowym jest rybulozo-5-fosforan, uaktywniany przez ATP do rybulozo-1,5-bifosforanu. Ta cząsteczka, określana w skrócie jako RuBP, jest akceptorem cząsteczki dwutlenku węgla. W wyniku karboksylacji powstaje związek sześciowęglowy, który szybko rozpada się na dwie cząsteczki trójwęglowego kwasu 3-fosfoglicerynowego. Kolejnym etapem cykl Calvina jest redukcja cząsteczek kwasu 3-fosfoglicerynowego do aldehydu 3-fosfoglicerynowego. Jest to pierwotny produkt fotosyntezy. Cząsteczki aldehydu podlegają dalszym przemianom, w wyniku których powstają bardziej złożone węglowodany. Następuje też regeneracja, czyli odtworzenie pięciowęglowego akceptora - RuBP. Po odtworzeniu może on przyłączać kolejne cząsteczki dwutlenku węgla.

Jeszcze raz przedstawmy przebieg fazy ciemnej fotosyntezy:

  • przyłączenie CO2 do RuBP i wytworzenie dwóch cząsteczek trójwęglowych
  • redukcja kwasu do aldehydu z udziałem NADPH i ATP, pochodzących z fazy jasnej
  • przegrupowania cząsteczek i synteza złożonych związków
  • regeneracja RuBP

Istnieją różne strategie prowadzenia fotosyntezy, wykształcające się w zależności od warunków środowiska:

  • Rośliny typy C3 - to większość roślin w naszej strefie klimatycznej, pierwotnym produktem fotosyntezy jest związek trójwęglowy
  • Rośliny typu C4 - wiele gatunków tropikalnych traw, u nas znane są kukurydza i trzcina cukrowa; pierwotnym produktem fotosyntezy jest u nich związek czterowęglowy; rośliny te cechuje wysoka produktywność
  • Rośliny typu CAM (kwasowe) - asymilacja dwutlenku węgla przez szparki zachodzi w nocy, są to rośliny pustynne, prowadzące oszczędną gospodarkę wodną

Przebieg fotosyntezy zależy od wielu czynników:

  • ilości światła
  • budowy chloroplastów i ilości chlorofilu
  • stężenia odpowiednich enzymów
  • odpowiedniej ilości wody
  • stężenia dwutlenku węgla
  • odpowiedniej temperatury

Znaczenie fotosyntezy dla życia na Ziemi jest ogromne. Dzięki temu procesowi atmosfera wzbogaciła się w tlen, co umożliwiło życie na lądach. Jest to proces będący podstawą łańcuchów pokarmowych, dostarcza wiec pokarmu nie tylko bezpośrednio roślinom, ale i kolejnym ogniwom sieci troficznych.