miniatura|Estructura del coenzim trifosfat d'adenosina (ATP), un intermediari fonamental en el metabolisme de l'energia El metabolisme és el conjunt de reaccions químiques que tenen lloc en un organisme per a mantenir-lo viu. Aquests processos permeten als organismes de créixer i reproduir-se, de mantenir les estructures i respondre al seu medi. El metabolisme se sol subdividir en dues categories. El catabolisme descompon matèria orgànica, com per exemple per extreure energia en la respiració cel·lular. L'anabolisme, d'altra banda, utilitza energia per construir components de les cèl·lules com ara proteïnes i àcids nucleics. Aquesta energia lligada al metabolisme és l'energia endosomàtica.
Les reaccions químiques del metabolisme s'organitzen en rutes metabòliques, en què una substància química és transformada en una altra per una seqüència d'enzims. Els enzims són crucials en el metabolisme, car permeten que els organismes duguin a terme reaccions desitjables però termodinàmicament desfavorables acoblades a reaccions favorables. Els enzims també permeten la regulació de les rutes metabòliques en resposta a canvis en el medi de la cèl·lula o senyals d'altres cèl·lules.
El metabolisme d'un organisme determina quines substàncies li són nutritives i quines li són verinoses. Per exemple, alguns procariotes utilitzen sulfur d'hidrogen com a nutrient, però aquest gas és verinós per als animals. La velocitat del metabolisme, el ritme metabòlic, també influencia la quantitat d'aliment que necessita un organisme.
Una característica sorprenent del metabolisme és la semblança de les rutes metabòliques bàsiques fins i tot entre espècies molt diferents. Per exemple, el conjunt d'àcid carboxílics coneguts com a intermedis del cicle de Krebs són presents en tots els organismes i existeixen en espècies tan diverses com l'eubacteri unicel·lular Escherichia coli i els organismes pluricel·lulars més grossos com ara els elefants. Aquestes semblances sorprenents en el metabolisme són probablement el resultat de la gran eficiència d'aquestes rutes i -alhora- la seva aparició primerenca en la història evolutiva.
Substàncies bioquímiques clau
miniatura|Estructura d'un lípid de triacilglicerol La majoria d'estructures que formen els animals, plantes i microbis es componen de tres tipus bàsics de molècula: els aminoàcids, els carbohidrats i els lípids (sovint anomenats greixos). Com que aquestes molècules són essencials per la vida, el metabolisme es concentra en la manufactura d'aquestes molècules, en la construcció de cèl·lules i teixits, o descomponent-les per utilitzar-les com a font d'energia, en la digestió i l'ús d'aliments. Moltes substàncies bioquímiques importants poden ser unides per formar polímers com ara l'ADN i les proteïnes. Aquestes macromolècules són parts essencials de tots els éssers vius. La taula següent llista alguns dels polímers biològics més comuns.
Tipus de molèculaNom de les formes de monòmerNom de les formes de polímerExemples de formes de polímerAminoàcidsAminoàcidsProteïnes (anomenades també polipèptids)Proteïnes fibroses i proteïnes globularsCarbohidratsMonosacàridsPolisacàridsMidó, glicogen i cel·lulosaÀcids nucleicsNucleòtidsPolinucleòtidsADN i ARN
Aminoàcids i proteïnes Les proteïnes es componen d'aminoàcids arranjats en una cadena lineal i units per enllaços peptídics. Moltes proteïnes són els enzims que catalitzen les reaccions químiques del metabolisme. Altres proteïnes tenen funcions estructurals o mecàniques, com ara les proteïnes que formen el citoesquelet, una mena de carcassa que manté la forma de la cèl·lula. Les proteïnes també són importants en la senyalització cel·lular, la resposta immunitària, l'adhesió cel·lular, el transport actiu a través de membranes i el cicle cel·lular
Lípids Els lípids són el grup de substàncies bioquímiques més divers. Els seus usos estructurals principals són com a part de membranes com ara la membrana cel·lular, o com a font d'energia. Els lípids solen definir-se com a molècules amfipàtiques o hidròfobes que es dissolen en dissolvents orgànics, com ara el benzè o el cloroform. Els greixos són un gran grup de compostos que contenen àcids grassos i glicerol; una molècula de glicerol unida a tres èsters d'àcids grassos és un triacilglicerol. Existeixen diverses variacions d'aquesta estructura bàsica, incloent-hi nuclis alternatius com ara l'esfingosina en els esfingolípids, i grups hidròfils com ara els fosfats en els fosfolípids. Els esteroides com ara el colesterol són un altre gran grup de lípids manufacturats dins les cèl·lules.
Carbohidrats miniatura|La glucosa pot existir en forma tant de cadena recta com d'anell Els carbohidrats són aldehids o cetones de cadena recta amb molts grups hidroxils que poden existir com a cadenes rectes o com a anells. Els carbohidrats són les molècules biològiques més abundants, i fan nombroses funcions, com ara l'emmagatzemament i transport d'energia (midó, glicogen) o formar components estructurals (la cel·lulosa en les plantes, la quitina en els animals). Les unitats bàsiques de carbohidrats reben el nom de monosacàrids i inclouen la galactosa, la fructosa i, la més important, la glucosa. Els monosacàrids poden unir-se per formar polisacàrids de manera gairebé il·limitada.
Nucleòtids Els polímers ADN i ARN són llargues cadenes de nucleòtids. Aquestes molècules són essencials per l'emmagatzemament i l'ús de la informació genètica, a través dels processos de transcripció i biosíntesi de proteïnes. Aquesta informació és protegida per mecanismes de reparació de l'ADN i es propaga per mitjà de la replicació de l'ADN. Alguns virus tenen un genoma d'ARN, com ara el VIH, que utilitza la transcripció inversa per crear una plantilla d'ADN a partir del seu genoma víric d'ARN. L'ARN en ribozims com ara els spliceosomes i els ribosomes és similar als enzims, car pot catalitzar reaccions químiques. Es formen nucleòsids individuals per mitjà de la unió d'una base nitrogenada a un sucre ribosa. Aquestes bases són anells heterocíclics que contenen nitrogen, i es classifiquen com a purines o pirimidines. Els nucleòtids també actuen com a coenzims en reaccions metabòliques de transferència de grups.
Coenzims miniatura|Estructura del coenzim acetil-CoA. El grup acetil transferible queda unit a l'àtom de sofre per l'extrem esquerre.
El metabolisme implica una immensa varietat de reaccions químiques, però la majoria cauen dins uns quants tipus bàsics de reaccions que impliquen la transferència de grups funcionals. Aquesta química comuna permet a les cèl·lules utilitzar un conjunt reduït d'intermedis metabòlics per transportar grups químics d'una reacció a l'altra. Aquests intermedis de transferència de grups reben el nom de coenzims. Cada tipus de transferència de grups correspon a un coenzim determinat, que és el substrat d'un conjunt d'enzims que el produeixen i d'un conjunt d'enzims que el consumeixen. Per tant, aquests coenzims estan sent fabricats, consumits i reciclats contínuament.
Un coenzim essencial és el trifosfat d'adenosina (ATP), la «moneda» universal d'energia de les cèl·lules. Aquest nucleòtid és utilitzat per transferir energia química entre diferents reaccions químiques. Només hi ha una petita quantitat d'ATP dins les cèl·lules, però com que es regenera contínuament, el cos humà pot utilitzar el seu equivalent en pes en ATP cada dia. L'ATP actua com a pont entre el catabolisme i l'anabolisme; les reaccions catabòliques generen ATP i les anabòliques en consumeixen. També serveix com a portador de grups de fosfats en reaccions de fosforilació.
Una vitamina és un compost orgànic requerit en petites quantitats que no pot ser fabricat dins les cèl·lules. En nutrició humana, la majoria de vitamines funcionen com a coenzims després de la modificació; per exemple, totes les vitamines solubles en aigua són fosforitzades o enllaçades a nucleòtids quan se les utilitza a les cèl·lules. El nicotinamida adenina dinucleòtid (NADH), un derivat de la vitamina B₃ (niacina), és un important coenzim que actua com a acceptor d'hidrogen. Centenars de tipus diferents de deshidrogenases retiren electrons del seu substrat i redueixen NAD+ en NADH. Aquesta forma reduïda del coenzim esdevé aleshores un substrat per qualsevol de les reductases de la cèl·lula que necessitin reduir els seus substrats. El nicotinamida adenina dinucleòtid existeix en dues formes relacionades dins una cèl·lula, NADH i NADPH. La forma NAD+/NADH és més important en les reaccions catabòliques, mentre que la forma NADP+/NADPH és utilitzada en reaccions anabòliques.
miniatura|esquerra|Estructura de l'hemoglobina. Les subunitats proteiques estan en vermell i blau, i els grups hemo contenidors de ferro estan en verd. De .
Minerals i cofactors
Els elements inorgànics juguen papers crítics en el metabolisme; alguns són abundants (per exemple, el sodi i el potassi) mentre que d'altres funcionen a concentracions mínimes. Aproximadament el 99% de la massa d'un mamífer es compon dels elements carboni, nitrogen, calci, sodi, clor, potassi, hidrogen, fòsfor, oxigen i sofre. Els compostos orgànics (proteïnes, lípids i carbohidrats) contenen la majoria del carboni i del nitrogen, i la majoria d'hidrogen i oxigen estan presents en forma d'aigua.
Els abundants elements inorgànics actuen com a electròlits iònics. Els ions més importants són el sodi, el potassi, el calci, el magnesi, el clorur, el fòsfor i l'hidrogencarbonat. El manteniment de gradients precisos a través de les membranes cel·lulars manté la pressió osmòtica i el pH. Els ions també són essencials pels nervis i els músculs, car els potencials d'acció en aquests teixits es produeixen per l'intercanvi d'electrolits entre el líquid extracel·lular i el citosol. Els ellectrolits entren i surten de les cèl·lules a través de proteïnes de la membrana cel·lular denominades canals iònics. Per exemple, la contracció muscular depèn del moviment de calci, sodi i potassi a través de canals iònics de la membrana cel·lular i túbuls-T.
Els metalls de transició solen estar presents com a elements traça en els organismes, i el zinc i el ferro són els més abundants. Aquests metalls són utilitzats en algunes proteïnes com a cofactors i són essencials per l'activitat d'enzims com ara la catalasa o proteïnes portadores d'oxigen com ara l'hemoglobina. Aquests cofactors estan units fermament a una proteïna específica; tot i que els cofactors enzimàtics poden ser modificats durant la catàlisi, els cofactors sempre tornen al seu estat original quan s'ha completat la catàlisi. Els micronutrients metàl·lics són portats als organismes per transportadors específics, i units a proteïnes d'emmagatzemament com ara la ferritina o la metal·lotioneïna quan no se les utilitza.
Catabolisme