متابولیسم

متابولیسم (Metabolism)، «سوخت و ساز سلولی» یا «دگرگشت» به صورت اصلاح بیوشیمیایی ترکیبات شیمیایی در موجودات زنده و سلول‌ها تعریف می‌شود.

تصویری از فرآیند متابولیسم

در حالت کلی متابولیسم شامل هر دو مکانیسم آنابولیسم یا بیوسنتز مولکول‌های آلی پیچیده و تجزیه یا کاتابولیسم مولکول‌های پیچیده برای تولید ترکیبات و مولکول‌های حامل انرژی و همچنین مولکول‌های اساسی یا واحدهای سازنده سلولی است. از سوی دیگر فرایندهای آنابولیسم و کاتابولیسم محصولاتی تولید می‌کنند که برای نگهداری، رشد، حرکت و تولید مثل ارگانیسم حیاتی به شمار می‌آیند.

متابولیسم شامل واکنش‌های بیوشیمیایی پیچیده و اغلب متقابل است که معمولاً به کمک آنزیم‌ها انجام می‌گیرد و این واکنش‌ها به طور کلی توسط هورمون‌های آنابولیک و کاتابولیک تنظیم می‌شود. به منظور تجزیه و تحلیل متابولیسم، این فرایندها معمولاً از طریق مسیر‌های متابولیکی مشخص می‌شوند که یک توالی خاص از مراحل کاتالیز شده با آنزیم را می‌سازند. متابولیسم کل، شامل کلیه فرآیند‌های بیوشیمیایی یک ارگانیسم است و همچنین متابولیسم سلولی شامل کلیه فرآیند‌های شیمیایی در یک سلول به شمار می‌آید.

متابولیسم یک مکانیسم مشترک است در همه گونه‌های موجود زنده وجود دارد، به طوری که پیچیده‌ترین جانداران زنده به برخی از مسیر‌های متابولیکی که در موجودات تک سلولی یافت می‌شوند، متکی هستند. اطلاعات و دانشی که هم اکنون در مورد متابولیسم وجود دارد، در طی یک دوره بیش از 400 سال و به ویژه در نیمه اول قرن بیستم از طریق آزمایش‌ها و مطالعات صد‌ها محقق بزرگ جهان به دست آمده است.

فرایند‌های اصلی متابولیک در نمودار متابولیسم واسطه‌ای یا متوسط، سنتز و استاندارد شده‌اند. هیچ ارگانیسمی از تمام واکنش‌های موجود در نمودار استفاده نمی‌کند، اما همه ارگانیسم‌ها از برخی از واکنش‌های آن بهره می‌برند. نمودار متابولیسم واسطه‌ای بر روی دیواره‌های آزمایشگاه‌های بیوشیمی ‌و زیست شناسی مولکولی به شکلی که شبیه به جدول تناوبی عناصر بر روی دیوار‌های آزمایشگاه‌های شیمی ‌است، وجود دارد.

تاریخچه متابولیسم

اصطلاح متابولیسم از واژه یونانی تغییر یا دگرگونی گرفته شده است. اولین آزمایش‌های کنترل شده در متابولیسم انسان توسط «سانتوریو سانتوریو» ‌(Santorio Santorio) در سال 1614 منتشر شد، او این آزمایش‌ها را در کتاب خود (Ars de Statica Medecina) نوشت که نام او را در سراسر اروپا مشهور کرد. وی مجموعه آزمایشات طولانی خود را در این کتاب توصیف کرد که در طی این آزمایش‌ها، وزن خود را در صندلی معلق از تعادل استیلارد (قپان) قبل و بعد از خوردن غذا، خوابیدن، کار کردن، رابطه جنسی، روزه گرفتن، محرومیت از نوشیدن و اجابت مزاج اندازه‌گیری کرده بود. او دریافت که تاکنون بیشترین ماده غذایی که او مصرف کرده است از طریق تعریق از بدن از دست می‌رود.

متابولیسم سلولی

متابولیسم سلولی مجموع بسیاری از فرآیند‌های منفرد در حال انجام است که توسط آن‌ها سلول‌های زنده مولکول‌های مغذی را پردازش کرده و فعالیت‌های حیاتی خود را حفظ می‌کنند. متابولیسم شامل دو بخش مجزا است:

آنابولیسم (Anabolism) یا فراگشت که عبارت است از مجموعه فرآیند‌هایی که سلول در آن از انرژی و قدرت احیاکنندگی (کاهش) استفاده می‌کند (توانایی کاهش شیمیایی، یعنی اضافه کردن الکترون به یک مولکول) تا بتواند مولکول‌های پیچیده را سنتز کند و سایر کارکرد‌های حیاتی مانند ایجاد ساختار سلولی را انجام دهد.

کاتابولیسم (Catabolism) یا فرو گشت عبارت است از مجموعه فرآیند‌هایی که سلول در آن مولکول‌های پیچیده‌ای را تجزیه می‌کند تا بتواند مولکول‌های حامل انرژی و با قدرت احیا کنندگی را تولید کند.

متابولیسم سلولی شامل توالی بسیار پیچیده واکنش‌های شیمیایی کنترل شده به نام مسیر‌های متابولیک است.

مسیر‌های متابولیک

تنوع زیادی از مسیر‌های متابولیکی تحت عنوان دو موضوع، آنابولیسم و کاتابولیسم سازماندهی شده که در ادامه در مورد آن‌ها بحث خواهد شد..

آنابولیسم

آنابولیسم بخشی از متابولیسم است که مولکول‌های بزرگتری را ایجاد می‌کند. در واقع آنابولیسم مجموعه‌ای از فرآیند‌های متابولیکی است که ترکیبات آلی را از مولکول‌های کوچکتر ساخته و بیشتر به سمت مونتاژ آن‌ها به روش‌هایی که باعث ایجاد اندام‌ها و بافت‌ها می‌شوند، تمایل دارند. این فرایند‌ها در رشد و تمایز سلول‌ها، افزایش اندازه بدن و تولید مثل نقش مهمی دارند. نمونه‌هایی از فرآیند‌های آنابولیک شامل رشد و معدنی شدن استخوان و افزایش توده عضلانی هستند.

مسیر‌های آنابولیک که باعث ایجاد واحدهای ساختاری و ترکیبات مختلف از پیش ساز‌های ساده می‌شوند، شامل موارد زیر هستند:

• گلوکونوژنز (تشکیل گلوکز از بستر‌های کربن غیرقندی)
• مسیر سنتز پورفیرین (یک پورفیرین کمپلکسی با یک اتم فلزی را تشکیل می‌دهد، مانند گروه هِم کمپلکس آهن - پورفیرین که در خون انسان وجود دارد).
• مسیر ردوکتاز HMG-CoA، منجر به سنتز کلسترول و ایزوپرونوئید‌ها می‌شود.
• مسیر‌های متابولیک ثانویه مولکول‌هایی را تولید می‌کنند که برای رشد، توسعه یا تولید مثل ضروری نیستند اما ممکن است امکان بقا را در مواقع استرس محیطی تقویت کنند.
• فتوسنتز
• واکنش وابسته به نور گیا‌هان سبز (واکنش نوری یا واکنشی در فتوسنتز که به نور نیاز دارد)
• واکنش مستقل از نور گیا‌هان (واکنش تاریکی یا واکنش‌هایی در فتوسنتز که نیازی به وجود نور ندارد)
• چرخه کالوین (چرخه‌ای از واکنش‌های فتوسنتز که محل انجام آن در استروما کلروپلاست است)
• تثبیت کربن (تبدیل دی اکسید کربن به مولکول‌های بزرگتر دارای کربن)
• چرخه گلی اگزالات (شامل تبدیل دو مولکول استیل-CoA به اگزالواستات)

کاتابولیسم

کاتابولیسم شامل فرایند‌های متابولیکی است که اغلب مولکول‌ها را به واحد‌های کوچکتر تجزیه می‌کنند و در عین حال مولکول‌هایی که حامل انرژی هستند را تولید می‌کنند. واکنش‌های شیمیایی کاتابولیکی در سلول زنده مولکول‌های بزرگ پلیمری سلول (پلی ساکارید‌ها، اسید‌های نوکلئیک و پروتئین‌ها) را به ترتیب به واحد‌های تشکیل دهنده مونومر‌های آن‌ها (به عنوان مثال، مونوساکارید‌ها، نوکلئوتید‌ها و اسید‌های آمینه) تجزیه می‌کنند.

سلول‌ها از مونومر‌ها برای ساختن مولكول‌های جدید پلیمری یا جداسازی آن‌ها به متابولیت‌های سلولی ساده (اسید لاكتیک، اسید استیک، دی اکسید كربن، آمونیاک، اوره و غیره) استفاده می‌كنند.

ایجاد متابولیت‌های سلولی فرایندی از نوع اکسیداسیون است که موجب انتشار انرژی آزاد شیمیایی می‌شود که مقادیری از آن‌ها به عنوان گرما از دست می‌روند و مقادیری دیگر از آن‌ها با ذخیره انرژی به عنوان انرژی آزاد شده باعث سنتز آدنوزین تری فسفات (ATP) می‌شوند. هیدرولیز ATP (به عنوان مثال، تجزیه ATP در واکنش با آب) متعاقباً برای انجام تقریباً هر واکنش انرژی خواه در سلول استفاده می‌شود. بنابراین، کاتابولیسم، انرژی شیمیایی لازم برای نگهداری سلول زنده را تأمین می‌کند.

نمونه‌هایی از فرآیند‌های کاتابولیک شامل تجزیه پروتئین ماهیچه‌ها به منظور استفاده از اسید‌های آمینه حاصل از آن‌ها به عنوان سوبستراهای فرایند گلوکونئوژنز و تجزیه چربی در سلول‌های چربی (سلول‌های ذخیره کننده چربی) به اسید‌های چرب هستند.

سیگنال‌های آنابولیک و کاتابولیک

از آنجا که انجام فرآیند‌های آنابولیک و کاتابولیک به طور همزمان در سلول اتفاق می‌افتد، بسیاری از سیگنال‌ها وجود دارند که هنگام خاموش کردن فرآیند‌های کاتابولیک، فرآیند‌های آنابولیک را روشن می‌کنند. بیشتر سیگنال‌های شناخته شده هورمون‌ها و مولکول‌های موجود درگیر در خود فرایند متابولیسم هستند. محققین حوزه غدد درون ریز در زمان‌های گذشته بسیاری از هورمون‌ها را در دو گروه آنابولیک یا کاتابولیک طبقه‌بندی کرده‌اند.

هورمون‌های آنابولیک

هورمون‌هایی که سیگنال‌های آنابولیکی را منتشر می‌کنند، شامل:

• هورمون رشد
• IGF1 و سایر فاکتور‌های رشد انسولین مانند
• انسولین
• تستوسترون
• استروژن

هورمون‌های کاتابولیک

هورمون‌های سیگنال دهنده برای واکنش‌های کاتابولیکی عبارتند از:

• کورتیزول
• گلوکاگون
• آدرنالین و سایر کاتکول آمین‌ها
• سیتوکین‌ها

هورمون‌هایی هم شناسایی شدند که در ایجاد تعادل بین حالت‌های کاتابولیکی و آنابولیکی وارد عمل می‌شوند که شامل موارد زیر هستند:

• اورکسین و هیپوکرتین (یک جفت هورمونی)
• ملاتونین

مسیر‌های کلی متابولیکی

چهار مسیر اساسی متابولیک در سلول‌ها وجود دارد که به شرح زیر هستند:

• متابولیسم کربوهیدرات
• متابولیسم اسید چرب
• متابولیسم پروتئین
• متابولیسم اسید نوکلئیک

در ادامه کاتابولیسم کربوهیدرات، کاتابولیسم چربی، کاتابولیسم پروتئین و کاتابولیسم اسید نوکلئیک را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

کاتابولیسم کربوهیدرات

کاتابولیسم کربوهیدرات شامل تجزیه کربوهیدرات‌ها به واحد‌های کوچکتر است. فرمول تجربی برای کربوهیدرات‌ها، به صورت هر مونومر آن‌ها معادل (CXH2YOY) است. کربوهیدرات‌ها به معنای واقعی کلمه می‌سوزند، زیرا سلول مقدار زیادی از انرژی آزاد شده موجود در پیوندهای بین مونرهای آن‌ها را به دام می‌اندازد. میتوکندری‌های سلول برای انجام فعالیت‌های کاتابولیسم ضروری هستند، زیرا آن‌ها محلی برای انجام چرخه فسفوریلاسیون اکسیداتیو محسوب می‌شوند، این چرخه یک فرایند زنجیره انتقال الکترونی است که مولکول‌های NADH با انرژی بالای تولید شده توسط کاتابولیسم کربوهیدرات‌ها را به مولکول‌های دارای انرژی قابل حمل و قابل استفاده برای سلول یعنی آدنوزین تری فسفات (ATP) تبدیل می‌کند.

شبکه آندوپلاسمی ‌صاف مسئول برخی از واکنش‌های متابولیسم کربوهیدرات است. به عنوان مثال در کبد سلول پلی ساکارید گلیکوژن را تجزیه می‌کند. در نهایت، گلیکوژن به گلوکز تبدیل خواهد شد و به گردش خون منتقل می‌شود، اما در ابتدا گلیکوژن به گلوکز فسفات که یک یون است، شکسته می‌شود که اگر این یون به درون گردش خون انتشار یابد به سلول‌های خونی آسیب می‌رساند. آنزیمی ‌که در غشای شبکه آندوپلاسمی‌ صاف یافت می‌شود، فسفات را حذف می‌کند تا گلوکز به صورت خالص آزاد شده و به جریان خون وارد شود.

کاتابولیسم چربی

کاتابولیسم چربی، همچنین به عنوان کاتابولیسم لیپید شناخته می‌شود، فرایندی است که به وسیله آن، لیپید‌ها یا فسفولیپید‌ها توسط آنزیم‌های لیپاز‌ تجزیه می‌شوند. نقطه مقابل کاتابولیسم چربی، آنابولیسم چربی است که ذخیره چربی‌ها به عنوان مولکول‌های پرانرژی و واحدهای تشکیل دهنده ساختمان غشا‌ها را در بر می‌گیرد.

کاتابولیسم پروتئین

کاتابولیسم پروتئین، به صورت تجزیه پروتئین‌ها به اسید‌های آمینه و ترکیبات مشتق ساده از آن‌ها، تعریف می‌شود. تجزیه پروتئين‌ها برای انتقال آن‌ها به سلول از طریق غشای پلاسمایی و در نهایت برای پلیمریزاسیون به پروتئین‌های جدید از طریق عملکرد مشترک اسید‌های ریبونوکلئیک (RNA) و ریبوزوم انجام می‌شود.

کاتابولیسم اسید چرب

اسید‌های چرب منبع مهمی ‌از انرژی برای بسیاری از ارگانیسم‌ها محسوب می‌شوند. تری گلیسیرید‌ها یا مولکول‌هایی که اسید‌های چرب را در خود ذخیره می‌کنند، بیش از دو برابر انرژی ذخیره شده در همان مقدار کربوهیدرات یا پروتئین‌ را تولید می‌کنند. تمام غشا‌های سلولی از فسفولیپید‌ها ساخته شده‌اند که هر یک از آن‌ها حاوی دو اسید چرب هستند. اسید‌های چرب نیز معمولاً برای اصلاح پروتئین مورد استفاده قرار می‌گیرد و تمام هورمون‌های استروئیدی در نهایت از اسید‌های چرب حاصل می‌شوند.

بنابراین متابولیسم اسید‌های چرب هر دو فرآیند متابولیسمی را شامل می‌شود، که از طریق اسید‌های چرب انرژی و متابولیت‌های اولیه تولید می‌کنند و فرآیند‌های آنابولیکی آن‌ها مولکول‌های مهم بیولوژیکی را از اسید‌های چرب و سایر منابع کربن در رژیم غذایی ایجاد می‌کنند.

اسید‌های چرب منبع مهمی ‌از انرژی هستند، زیرا آن‌ها هم احیا شده و هم «بدون آب» (Anhydrous) هستند. بازده انرژی از یک گرم اسید‌های چرب تقریباً 9 کیلو کالری (39 کیلوژول) است، در حالی که 4 کیلو کالری (17 کیلو گرم در گرم) از یک گرم از پروتئین‌ها و کربوهیدرات‌ها به دست می‌آید.

از آنجا که اسید‌های چرب مولکول‌های غیر قطبی هستند، می‌توان آن‌ها را در محیط نسبتاً بدون آب (فاقد آب) نگهداری کرد. از طرف دیگر، کربوهیدرات‌ها بسیار هیدراته هستند و از این رو قطبی‌تر به شمار می‌آیند. به عنوان مثال، یک گرم گلیکوژن (از کربوهیدرات) می‌تواند تقریباً به دو گرم آب متصل شود که به معنی 1٫33 کیلوکالری در گرم (5‎6 کیلو گرم در گرم) است. این بدان معنی است که اسید‌های چرب می‌توانند بیش از شش برابر مقدار انرژی را حفظ کنند.

به عبارت دیگر، اگر بدن انسان برای ذخیره انرژی به کربوهیدرات متکی باشد، در این صورت یک فرد نیاز به حمل 31 کیلوگرم گلیکوژن دارد تا بتواند به انرژی معادل با پنج کیلوگرم از چربی را به دست آورد.