Metabolizm to ogół reakcji biochemicznych, zachodzących we wszystkich komórkach organizmu, który związany jest z przemianą materii oraz energii, zapewniający organizmowi prawidłowy wzrost i rozwój oraz funkcjonowanie. Całokształt przemian odbywających się na poziomie komórki to metabolizm komórkowy. Przemiany metaboliczne mogą zachodzić w dwóch kierunkach: anabolicznym oraz katabolicznym.

Anabolizm - stanowią reakcje syntezy złożonych związków organicznych z prostych związków. Reakcje te są endoergiczne, co znaczy, że do ich zajścia niezbędne jest dostarczenie energii. Dzięki temu powstające w trakcie procesu chemicznego produkty reakcji osiągają wyższy poziom energetyczny niż wykorzystane w nim substraty. Dostarczona energia kumulowana jest w nowo powstających wiązaniach chemicznych. Reakcjami anabolicznymi są: biosynteza białek, węglowodanów, tłuszczów itd. Znakomitym przykładem procesu anabolicznego jest przyswajanie dwutlenku węgla w fotosyntezie lub chemosyntezie, jak również wiązanie atmosferycznego azotu przez niektóre prokarionty.

Katabolizm - stanowią egzoergiczne, czyli prowadzące do uwalniania energii, reakcje rozkładu bardziej złożonych związków organicznych do prostej postaci. Powstające produkty mają niższy poziom energetyczny niż zużywane substraty, dochodzi więc do degradacji energetycznej. Wyzwalana w trakcie rozrywania wysokoenergetycznych wiązań energia gromadzona jest w uniwersalnych przenośnikach energii, takich jak ATP. Przykładem procesu katabolicznego jest oddychanie wewnątrzkomórkowe, czy trawienie.

Procesy anaboliczne i kataboliczne zachodzą w komórkach równocześnie (chociaż w różnych miejscach) oraz są od siebie współzależne. Proporcja między tymi reakcjami zależy w dużym stopniu od wieku, ponieważ w rozwoju zarodkowym i u osobników młodych przeważa zdecydowanie anabolizm, następnie w wieku dojrzałym dochodzi do zrównoważenia obu typów reakcji, by na starość przeważyły procesy kataboliczne. Intensywność procesów metabolicznych zależna jest również od poziomu aktywności życiowej, czy też od warunków panujących w otoczeniu, np. od temperatury.

W procesach metabolicznych ogromną rolę odgrywają enzymy. Są to substancje białkowe, które regulują przebieg procesów życiowych, produkowane przez wszystkie organizmy. Enzymy to biokatalizatory, które:

  • obniżają energię niezbędną do przebiegu reakcji, czyli energię aktywacji;
  • działają jedynie na określone substraty, czyli są specyficzne w działaniu;
  • mogą działać wielokrotnie, ponieważ nie ulegają zmianie na skutek reakcji;
  • mają wysoką aktywność katalityczną, czyli potrafią przyspieszyć wielokrotnie daną reakcję chemiczną;
  • nie wywierają wpływu na stan równowagi reakcji;
  • nadają reakcjom odpowiedni kierunek, warunkując ich skuteczny przebieg.

Fotosynteza jako przykład procesu anabolicznego:

Jest procesem prowadzącym do powstania złożonych związków organicznych przy użyciu energii świetlnej z takich prostych substancji nieorganicznych, jakimi są dwutlenek węgla i woda. Powstające produkty reakcji są związkami mniej utlenionymi, czyli tym samym zasobniejszymi w energię (stają się związkami bardziej zredukowanymi, a więc posiadającymi w sobie więcej atomów wodoru, mającymi dzięki temu wyższą energetyczną wartość). W wyniku redukcji dwutlenku węgla powstają cukry, a reakcję tą ogólnie zapisuje się w następujący sposób:

Miejscem zachodzenia fotosyntezy są chloroplasty, w których znajdują się niezbędne do tego procesu barwniki fotosyntetyczne (chlorofile oraz karotenoidy). Fotosynteza zachodzi w dwóch etapach: zależnym od obecności światła (faza jasna, która zachodzi w chloroplaście w granach) oraz niezależnym od obecności światła (faza ciemna, która zachodzi w chloroplastach w stromie). Faza jasna obejmuje reakcje fotochemiczne, w wyniku których dochodzi do powstania tzw. siły asymilacyjnej, czyli wysokoenergetycznych związków: ATP oraz NADPH+H+, które są niezbędne do fazy ciemnej. W fazie jasnej udział biorą dwa fotosystemy, zbudowane z barwników fotosyntetycznych oraz specjalnych przenośników elektronów. W fotosystemach dochodzi do absorpcji fotonów światła, przez co z cząsteczek chlorofilu zostają wybijane elektrony. Energia z tych elektronów jest częściowo zużywana w trakcie wędrówki, a częściowo zostaje zgromadzona w cząsteczkach ATP. Podczas fazy jasnej dochodzi również do rozbijania cząsteczek wody (fotoliza wody) i dzięki pojawiającym się jonom wodorowym powstaje NADPH+H+, jako produkt uboczny wydziela się również tlen. Tymczasem w fazie ciemnej, inaczej zwanej cyklem Calvina, dochodzi do związania oraz redukcji do poziomu cukrów dwutlenku węgla dzięki użyciu siły asymilacyjnej z poprzedniej fazy. Etap ten można podzielić na trzy części, kolejno: karboksylację (odpowiedni akceptor wiąże dwutlenek węgla), redukcję (z udziałem ATP i NADPH+H+) oraz regenerację (odtworzenie akceptora). W wyniku tej fazy powstaje trójwęglowy cukier, który następnie może zostać przekształcony do innych związków organicznych (wielocukry, aminokwasy, kwasy tłuszczowe).

Oddychanie komórkowe jako przykład procesu katabolicznego:

Jest procesem, w którym złożone, silnie zredukowane i zasobne w energię związki, takie jak glukoza, zostają rozłożone do prostych, niskoenergetycznych substancji (np. dwutlenku węgla i wody) w celu uzyskania energii. Pozyskana w ten sposób energia może następnie zostać spożytkowana w przebiegu różnych życiowych funkcji organizmu. Wewnątrzkomórkowe oddychanie polega na biologicznym utlenianiu, czyli odłączaniu atomów wodoru lub elektronów od organicznych substratów, dzięki czemu uwalnia się energia. Część energii zostaje wychwycona i zmagazynowana pod postacią wysokoenergetycznych wiązań, np. w cząsteczce ATP. Proces oddychania na terenie komórki zachodzi w mitochondriach. Wyróżniamy dwa rodzaje oddychania komórkowego: tlenowe (akceptorem atomów wodoru i elektronów jest tlen cząsteczkowy) oraz beztlenowe (akceptorem są inne związki). Ogólne równanie oddychania tlenowego można zapisać następująco:

C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O → 6 CO2 + 12 H2O + energia

Oddychanie tlenowe zachodzi w trzech etapach: glikolizie, cyklu Krebsa oraz łańcuchu oddechowym. Glikoliza to ciąg reakcji katalizowanych enzymatycznie, które zachodzą w cytoplazmie. W ich wyniku glukoza utleniana jest do postaci kwasu pirogronowego, który następnie dostaje się do mitochondrium i ulega dekarboksylacji do acetylokoenzymu A. Na skutek reakcji glikolizy powstają również cząsteczki ATP oraz NADH+H+. Acetylokoenzym A włączany jest następnie do cyklu Krebsa, który zachodzi w matriks mitochondrialnej, a jego celem jest utlenienie acetylo-CoA do postaci dwutlenku węgla i redukcja NAD+ oraz FAD. Odbywa się to w całym szeregu enzymatycznych przemian od acetylo-CoA poprzez kwas cytrynowy aż do kwasu szczawiooctowego, w trakcie których odłączane są cząsteczki dwutlenku węgla (proces dekarboksylacji) oraz atomy wodoru (proces dehydrogenacji), które następnie zostają połączone z NAD+ i FAD (powstają NADH+H+ i FADH2). W trakcie cyklu Krebsa powstaje również wysokoenergetyczny związek GTP. Ostatnim etapem oddychania tlenowego jest łańcuch oddechowy, który przebiega na błonach wewnętrznych mitochondrium, w trakcie którego atomy wodoru oraz elektrony zostają przeniesione na tlen (powstaje woda). Wszystko to przebiega stopniowo, z wykorzystaniem wielu nośników oraz wydzieleniem energii, gromadzonej następnie w postaci ATP.