Metabolism

�mnesoms�ttningen
Denna artikel �r en del i serien �mnesoms�ttningen med f�ljande delar:
Metabolism � Katabolism � Anabolism
Katabolism
Matspj�lkning � Glykolys � Beta-oxidation � Trans-/Deaminering � Citronsyracykeln � Elektrontransportkedjan � Oxidativ fosforylering � Ureacykeln
Anabolism
Glukoneogenes � Proteinsyntes � Fettsyrasyntes
Se �ven
Fotosyntes � Cellandning � Malat-aspartatskytteln

�versikt av citronsyracykeln, klicka f�r att se mer detaljer.

Metabolism, �ven kallat �mnesoms�ttning, �r ett sammanfattande namn p� de processer d�r n�rings�mnen och l�kemedel tas upp, omvandlas, bryts ner i kroppen, oms�tts till energi och/eller avl�gsnas ur kroppen. H�r ing�r ett mycket stort antal kemiska reaktioner. Dessa processer utg�r grundvalen f�r sj�lva livet. De g�r det m�jligt f�r cellerna att v�xa och f�r�ka sig, att underh�lla de strukturer som cellerna �r uppbyggda av och att anpassa sig till f�r�ndringar i deras livsmilj�.

Metabolismen styrs av flera �verordnade och samordnade organsystem och processer. Sk�ldk�rteln bildar �mnesoms�ttningshormonerna tyroxin och trijodtyronin vilka reglerar �mnesoms�ttningens hastighet. N�rings�mnena m�ste spj�lkas loss fr�n f�dan f�r att kunna upptas av blodet, vilket sker i matspj�lkningen, varefter �mnena cirkulerar i blodomloppet tills de n�r m�lcellerna. Hj�rt- och k�rlsystemet sj�lvt f�rser cellerna dels med �mnesoms�ttningshormoner, dels med syre. Via uts�ndringen och mag- och tarmsystemet l�mnar slaggprodukter kroppen och �mnen absorberas.

M�nga av �mnesoms�ttningens kemiska reaktioner samverkar i v�lorganiserade kedjor, d�r en molekyl modifieras i flera steg fr�n en form till en annan, med ett specifikt enzym f�r varje steg. Enzymerna �r centrala f�r dessa processer, f�r de g�r det m�jligt f�r cellen att utf�ra termodynamiskt of�rdelaktiga processer genom att dessa processer kopplas till processer som �r termodynamiskt f�rdelaktiga. Detta kallas intermedi�r metabolism. Enzymerna g�r ocks� att cellen kan reglera processerna, det vill s�ga styra hur stor m�ngd molekyler som f�r�ndras, s� att olika m�ngder produceras n�r f�rh�llandena i omgivningen f�r�ndras.

Processerna delas in i tv� typer:

• Katabolism, s�nderdelning av molekyler f�r att utvinna energi och byggstenar till andra processer. Ett exempel p� detta �r cellandning. Ett annat �r den matsm�ltning som sker redan i munh�lan och huvudsakligen best�r av mekanisk och kemisk bearbetning. N�r maten har processats och n�rings�mnena har brutits ner fr�n stora molekyler till mindre tas de upp i blodet och transporteras ut till cellerna, antingen f�r att brytas ner ytterligare och/eller anv�ndas av anabolismen. Oanv�ndbara �mnen kan antingen passera rakt igenom matsm�ltningskanalen eller uts�ndras ur kroppen genom s�rskilda uts�ndringssystem, till exempel njurar och svettk�rtlar.

• Anabolism, uppbyggnad av stora molekyler, till exempel proteiner och aminosyror genom sammans�ttning av flera mindre molekyler. Den tar vid n�r n�rings�mnena har brutits ner till hanterbara molekyler.

Levern �r viktig i �mnesoms�ttningen och b�de producerar enzymer och hanterar �mnen p� cellniv�. H�r omvandlas f�r kroppen sv�rhanterbara �mnen till n�got anv�ndbart eller n�got som �r mera l�ttl�sligt och d�rmed l�ttare att bli av med. (Dessa processer kan g� fel, till exempel nedbrytning av alkohol d�r etanol blir �ttiksyra, naturligt f�rekommande i kroppen, metanol blir i samma process myrsyra som �r mycket giftigt.)

Inom farmakokinetik anv�nds termen metabolism i betydelsen omvandling av l�kemedel i kroppen. D�r inneb�r exempelvis begreppet f�rstapassagemetabolism att ett l�kemedel som intas via munnen f�r�ndras innan det n�r blodomloppet, och begreppet fas II-metabolism att kroppen konjugerar �mnet med n�gon syra, till exempel fosfat eller glukuronsyra, s� att det d�rigenom blir mer l�ttl�sligt.

Vad kroppen upplever som n�ring respektive gift beror p� vilka processer den har tillg�ng till i sitt metaboliska system. En del prokaryoter lever p� v�tesulfid och utvinner sin energi ur den. Men f�r alla djur �r v�tesulfid ett gift. Metabolismens snabbhet p�verkar starkt hur mycket n�ring cellen beh�ver.

Ett sl�ende f�rh�llande med metabolismen �r att det finns s� stora likheter mellan olika organismer som inte alls �r n�rbesl�ktade. S� har man till exempel funnit samma karboxylsyror b�de i bakterien Escherichia coli och i elefantens alla celler. Dessa likheter beror troligen p� att processerna fanns i en gemensam f�rfader i evolutionshistorien.

De �mnen som metaboliserats uts�ndras via njurarna i urinen. Fettl�sliga �mnen (steroider) uts�ndras via gallan. Ibland kan dessa tas upp av tarmarna nedanf�r gallbl�san och �ter transporteras till levern i det s� kallade enterohepatiska kretsloppet.

De viktigaste biologiska molekylerna

Triacylglycerol, en lipid.

De strukturer som djur, v�xter och mikroorganismer best�r av byggs upp av ett stort antal olika molekyler. Men man brukar dela in dem i klasser som har stora likheter inb�rdes. De tre st�rsta av dessa grupper �r:

1. Aminosyror
2. Kolhydrater
3. Lipider (som ocks� kan kallas f�r fetter)

Metabolismen best�r av processer som tillverkar de molekyler som cellens strukturer byggs upp av och processer f�r att dela upp molekyler s� att cellen kan utvinna energi ur dem. De molekyler som s�nderdelas f�r att ge energi kan komma direkt fr�n f�dan eller tas fr�n cellens egna strukturer. En del av de sm� molekyler som blir resultatet vid energiutvinning blir byggstenar som anv�nds av de uppbyggande processerna.

M�nga viktiga biologiska molekyler byggs upp genom att ett stort antal sm� molekyler ur en ganska liten grupp fogas samman i l�nga rader. Ett ord f�r s�dana sammansatta molekyler i allm�nhet �r polymer och de enkla best�ndsdelarna kallas f�ljdriktigt f�r monomerer. De viktigaste av polymererna �r DNA och proteiner. Nedan f�ljer en tabell med dessa och n�gra till.

Molekyltyp	Gemensamt namn f�r de monomerer som ing�r	Gemensamt namn f�r polymerer av denna typ	Exempel p� specifika polymerer av denna typ
Aminosyra	Aminosyra	Protein, polypeptid	Fiberprotein, globul�rt protein
Kolhydrat	Monosackarid	Polysackarid	St�rkelse, glykogen, cellulosa
Nukleinsyra	Nukleotid	Polynukleotid	DNA, RNA

Aminosyror och proteiner

Proteiner best�r av aminosyror som �r f�stade i varandra i l�nga kedjor, varje aminosyra �r f�st vid tv� andra, utom de i �ndarna. Den bindning som bygger upp proteinerna kallas peptidbindning. M�nga av proteinerna �r enzym, som katalyserar de kemiska processer som metabolismen best�r av. Andra proteiner utg�r den mekaniska stommen, cytoskelettet i cellen, eller har mekaniska funktioner. Proteiner �r ocks� viktiga som signalsubstanser f�r kommunikation mellan celler, som antikroppar i immunf�rsvaret, f�r att h�lla ihop celler som utg�r v�vnad tillsammans och f�r att utf�ra aktiv transport av vissa molekyler mellan cellens insida och utsida �ver cellmembranet.

Lipider

Lipider �r en samlingsbeteckning f�r m�nga olika molekyler. Deras viktigaste funktioner �r som isolerande skikt i cellmembranet mellan cellens inre och �mnena utanf�r, och som energilager. Oftast definieras lipiderna som de biologiska molekyler som �r hydrofoba eller amfipatiska och som kan l�sas i organiska l�sningsmedel (till exempel bensen).

Fetterna �r en stor grupp av lipider som best�r av fettsyror och glycerol. Triacylglycerol �r en molekyl som kan bildas av tre fettsyreestrar som binds samman av en glycerolmolekyl.

Kolhydrater

Glukos finns i tv� former, som en ring och som en linj�r kedja.

Kolhydrater �r kedjor i formen av aldehyder eller ketoner med m�nga hydroxylgrupper. De kan vara enkelt linj�ra, h�nga ihop i en ring, eller vara glest grenade. Kolhydraterna �r de allra vanligaste molekylerna i den biologiska v�rlden och de har m�nga olika funktioner, till exempel lagring och transport av energi (st�rkelse, glykogen) och att ge mekanisk stadga och form �t cellen (cellulosa i v�xter, kitin i m�nga djur). De grundl�ggande byggstenarna f�r kolhydrater kallas monosackarider. Kolhydrater kan ocks� kallas polysackarider. Den mest f�rekommande heter glukos, men det finns m�nga andra varianter, till exempel galaktos och fruktos. Det stora antalet varianter av monosackarider och m�jligheten att inf�ra f�rgreningar g�r att kolhydraterna f�rekommer i oerh�rt m�nga varianter.

Arvsmassan - nukleotider

Polymererna DNA och RNA �r l�nga kedjor av nukleotider. Dessa molekyler inneh�ller och l�ngtidslagrar all genetisk information i levande organismer. Den definierar vilka proteiner som ska bildas genom transkription f�ljd av proteinsyntes. Informationen i DNA skyddas av s�rskilda reparationsmekanismer och m�ngfaldigas av replikationsprocessen. Ett f�tal virustyper, till exempel HIV, l�ngtidslagrar sin genetiska information i RNA. Dessa anv�nder omv�nd transkription f�r att skapa DNA utifr�n sin RNA. Medan de flesta RNA-molekylerna anv�nds endast som specifikation f�r protein som ska tillverkas, finns ett relativt f�tal RNA-molekyler som anv�nds direkt som de �r, till exempel i ribosomer.

Koenzym As struktur. Den �verf�rbara acetylgruppen �r bunden till svavelatomen l�ngst till v�nster.

Koenzym

Metabolismen innefattar ett mycket stort antal kemiska reaktioner. Men de flesta kan grupperas i n�gon av ett f�tal grundl�ggande reaktionstyper som �verf�r en funktionell grupp mellan tv� molekyler. Denna gemensamma kemi g�r att cellerna kan klara sig med f�rh�llandevis f� typer av �verf�ringsmolekyler, som f�rmedlar funktionella grupper mellan olika reaktioner. De h�r �verf�ringsmolekylerna kallas koenzym. Man brukar s�ga att de kemiska reaktioner som �verf�r funktionella grupper med hj�lp av samma koenzym h�r till samma klass. L�gg m�rke till att koenzymet h�r utg�r substrat f�r enzymerna. En del av enzymerna tillverkar koenzymet medan andra tar is�r det igen.

Adenosintrifosfat (ATP) �r ett mycket viktigt koenzym. Det �r helt dominerande i funktionen att �verf�ra energi mellan olika processer. (Det �r ocks� en nukleotid.) N�stan alla processer i cellen som beh�ver energi f�r energin genom att ATP tillf�rs. Det g�ller till exempel anaboliska processer och muskelarbete. ATP tillverkas av kataboliska processer. Vid varje given tidpunkt finns endast ett relativt f�tal ATP-molekyler. Men det f�rbrukas och �terbildas i mycket h�g takt. Under ett dygn producerar (och f�rbrukar) en m�nniskokropp ungef�r sin egen vikt av ATP. ATP anv�nds ocks� f�r att placera fosfatgrupper p� olika molekyler (fosforylering).

Mineraler och kofaktorer

Proteinet hemoglobin, som inneh�ller fyra s� kallade hemgrupper, f�rgade gr�na i bilden. De inneh�ller j�rn och �r n�dv�ndiga f�r dess funktion att transportera syre.

Oorganiska �mnen har ocks� viktiga funktioner i metabolismen. En del f�rekommer i stora m�ngder i cellen, till exempel natrium och kalium. Andra f�rekommer endast i mycket sm� koncentrationer, till exempel selen. I en d�ggdjurscell utg�rs 99% av hela massan av grund�mnena kol, kv�ve, kalcium, natrium, klor, kalium, v�te, syre och svavel. De organiska molekylerna (proteiner, kolhydrater och lipider) inneh�ller huvuddelen av kolet och kv�vet medan det mesta av syret och v�tet finns i vattenmolekyler. De oorganiska grund�mnen som f�rekommer rikligt fungerar som joniska elektrolyter. De viktigaste jonerna �r natrium, kalium, kalcium, magnesium, klor, fosfat och den organiska jonen bikarbonat. Cellerna uppr�tth�ller precis r�tt osmotiskt tryck och pH-skillnad �ver cellmembranet genom att reglera koncentrationerna av joner p� insidan och utsidan. De g�r det genom att aktivt transportera v�l valda joner genom membranet. Jonerna �r ocks� viktiga f�r nervernas och musklernas funktion. Aktiviteten i dessa v�vnader s�tts ig�ng n�r joner fl�dar snabbt �ver membrangr�nsen. Elektrolyterna kommer in i och l�mnar cellen genom s�rskilda proteiner som ligger inb�ddade i cellmembranet.

�verg�ngsmetallerna i organismer finns oftast endast som sp�r�mnen. Av dessa har zink och j�rn de h�gsta koncentrationerna. Dessa metaller samverkar med vissa proteiner som kofaktorer och �r n�dv�ndiga f�r dessa enzyms funktion. Exempel �r katalas och det syre-transporterande proteinet hemoglobin. Dessa kofaktorer binds starkt, men inte kovalent till de proteiner de samverkar med. Under den process som kofaktorn deltar i kan det h�nda att den modifieras, men d�refter �terst�lls den alltid till sin normalform. Cellen har s�rskilda proteiner som lagrar och transporterar dessa �mnen, till exempel ferritin.

Katabolism

Katabolism �r de metaboliska processer som delar upp molekyler i mindre delar och d�rmed frig�r energi. H�r ing�r de reaktioner som bryter ned och oxiderar f�dan. Syftet med de kataboliska reaktionerna �r bland annat att f�rse de anaboliska reaktionerna med energi och byggstenar. Den l�gsta formen av katabolism (nedbrytning) ger koldioxid och vatten som biprodukter.

De vanligaste kataboliska reaktionerna i djur kan delas in i tre steg.

1. Stora organiska molekyler, till exempel proteiner, polysackarider eller lipider s�nderdelas till mindre best�ndsdelar utanf�r cellen.
2. De mindre molekylerna tas in i cellen och delas upp i �nnu mindre molekyler, vanligtvis acetyl-koenzym A, vilket frig�r en ganska liten m�ngd energi.
3. Acetylgruppen i acetyl-koenzym A oxideras till vatten och koldioxid i citronsyracykeln och elektrontransportkedjan. Detta frig�r den stora andelen energi, genom att reducerade v�teb�rare oxideras f�r att bilda ATP.

Matspj�lkning

Mycket stora molekyler, som st�rkelse och proteiner, kan inte tas upp snabbt av cellerna. S� f�r att de ska kunna anv�ndas i cellens metabolism m�ste dessa molekyler f�rst spj�lkas, det vill s�ga delas upp i mindre delar. Flera vanligt f�rekommande klasser av enzym spj�lkar dessa polymerer. H�r ing�r till exempel proteaser, som spj�lkar proteiner till aminosyror, och glukosidhydrolaser, som spj�lkar polysackarider till monosackarider.

Mikroorganismer och svampar uts�ndrar helt enkelt de spj�lkande enzymerna till sin omgivning, medan djur endast uts�ndrar dessa enzymer fr�n s�rskilda celler i matsm�ltningskanalen. De aminosyror och enkla sockermolekyler som p� detta s�tt blir tillg�ngliga pumpas d�refter in i cellerna av s�rskilda transportproteiner som �r f�stade i cellmembranet.

Utvinning av energi från organiska molekyler

Molekylmodell av adenosintrifosfat, den allra vanligaste av de molekyler som bär energi mellan olika reaktioner.

Nedbrytandet av kolhydrater till mindre molekyler kallas kolhydratkatabolism. Vanligtvis tas kolhydrater in i cellerna i form av monosackarider, efter att de delats upp utanför cellen.

Huvudspåret för nedbrytningen inne i cellen är glykolys, där monosackarider, till exempel glukos, omvandlas till pyruvat samtidigt som ATP bildas. Pyruvat är ett mellansteg längs flera olika metaboliska vägar, men de flesta omvandlas till acetylkoenzym A och används därefter i citronsyracykeln. Citronsyracykeln är den i särklass största energiproducenten i de flesta eukaryota celler. En del av denna energi levereras i form av ATP. Men den viktigaste produkten är NADH, som tillverkas av NAD⁺ när acetylkoenzym A oxideras. Denna oxidation producerar också koldioxid, som cellen vanligtvis inte har någon användning för, utan återför till omgivningen. Under anaeroba förhållanden producerar glykolysen mjölksyra, genom att enzymet laktatdehydrogenas (LDH) återoxiderar NADH till NAD+, så att det kan återanvändas i glykolys. Med andra enzymer kan glukos brytas ned till pentoser, till exempel ribos, som är en komponent i DNA och RNA. Fetter kataboliseras genom hydrolys till fria fettsyror och glycerol. Glycerolen går vidare till glykolys och fettsyrorna bryts ner till acetylkoenzym A genom beta-oxidation. Acetylkoenzym A går sedan vidare till citronsyracykeln. Fettsyror ger mer energi vid oxidering än kolhydrater ger, för fettsyrorna innehåller mycket färre syreatomer.

Aminosyror kan användas antingen som byggstenar vid tillverkning av proteiner och en del andra biologiska molekyler eller som en energikälla genom att de oxideras till urea och koldioxid. En majoritet av aminosyrorna kan omvandlas till glukos, genom glukoneogenes.

Energiomvandlingar

Oxidativ fosforylering

Vid oxidativ fosforylering flyttas elektroner från molekylerna i maten till syre, via metaboliska omvandlingsvägar som citronsyracykeln. Den energi som då frigörs används till att tillverka ATP. I eukaryota celler utförs denna process av en uppsättning proteiner som befinner sig i och omkring det inre membranet i mitokondrierna. Dessa proteiner kallas elektrontransportkedjan. I prokaryoter sitter elektrontranportkedjan i ett inre membran. I båda fallen använder proteinerna den energi som frigjorts av att elektroner överförts från reducerade molekyler som NADH till syre, till att pumpa protoner genom cellmembranet.

När protoner pumpas ut ur det inre av mitokondrien blir protonkoncentrationen lägre längst in och högre i det mellersta utrymmet. Man kallar detta för att det har uppstått en koncentrationsgradient. Gradienten gör att protoner tenderar att röra sig tillbaka till det inre. När enzymet ATPsyntas släpper tillbaka protoner till det inre kan det använda deras rörelse till att fosforylera (lägga till en fosfatgrupp till) en adenosindifosfat, och därmed tillverka en ATP.

Utvinning av energi från ljus

Växter, vissa bakterier (till exempel vissa cyanobakterier) och vissa protister (till exempel många euglena) kan utvinna energi ur ljus. Den här processen är ofta kopplad till en omvandling av koldioxid till organiska substanser, som en del av fotosyntesen, som kommenteras vidare längre ned i artikeln. I prokaryoter kan energiutvinningen och kolfixeringen arbeta helt åtskilda. Principerna för den process som växterna använder för att utvinna solenergi liknar oxidativ fosforylering. Båda processerna

1. Lagrar energi i form av en skillnad i protonkoncentration över ett membran
2. Åstadkommer skillnaden i protonkoncentration genom att använda en elektrontransportkedja
3. Tillverkar ATP genom att använda protonkoncentrationsskillnaden

De elektroner som behövs för att driva elektrontransportkedjan kommer i fotosyntesen från ljusinsamlande proteinkomplex som kallas fotosyntetiska reaktionscentra. De brukar delas in i två huvudklasser som har delvis olika roller i elektrontransporten. De innehåller också något olika varianter av klorofyll som är känsliga för något olika ljusfrekvenser, 680 respektive 700 nanometer. Ibland benämns de enligt detta P680 respektive P700. I växter använder fotosystem II (P680) energin i fotoner till att ta bort elektroner från vattenmolekyler. Närmast som en bieffekt bildas då syremolekyler. Elektronerna passerar sedan ett cytokromkomplex som använder elektronens potentiella energi till att pumpa protoner genom tylakoidmembranet i kloroplasten. Dessa protoner kommer tillbaka genom membranet genom proteinkomplexet ATPsyntas och ger samtidigt den energi som behövs för att ATPsyntas ska kunna tillverka ATP. Elektronerna rör sig sedan genom fotosystem I (P700). Observera att elektroner som kommer till fotosystem I, tidigare har varit i fotosystem II. I detta avseende kommer alltså fotosystem II före fotosystem I. I fotosystem I kan elektronen antingen användas till att reducera NADP+, som sedan används i Calvincykeln, eller återanvändas i ATP-tillverkningen.

Anabolism

Anabolism är de metaboliska processer som gör molekyler större och bygger upp komplexa molekyler. För detta behövs ett tillskott av energi. De stora molekyler som celler och vävnader består av har vanligtvis byggts upp genom att cellen stegvis lagt till en liten molekyldel i taget. Man kan säga att anabolismen består av tre steg:

1. Tillverkning av byggstenar, till exempel aminosyror, monosackarider och nukleotider.
2. Aktivering av en byggsten så att den blir kemiskt reaktiv. Detta innebär att den modifieras så att den får hög potentiell energi, till exempel genom att en fostatgrupp tillförs från en ATP-molekyl.
3. Byggstenen läggs till en stor molekyl som därmed blir ännu större, till exempel ett protein, en polysackarid eller en nukleinsyra.

En del organismer kan bygga upp alla sina molekyler från de enklaste och vanligaste molekylerna i omvärlden. Sådana organismer kallas autotrofa. Hit hör växterna, som förutom små mängder av några grundämnen använder koldioxid och vatten som utgångsmaterial för att bygga upp sina strukturer. Heterotrofa organismer, å andra sidan, behöver tillgång till komplexa molekyler utifrån, till exempel aminosyror och monosackarider, för att kunna bygga upp sina strukturer. Till denna senare grupp organismer hör människan.

Se även

• Basalmetabolism
• Citronsyracykeln
• Fysiologi
• Metaboliskt syndrom
• Metabolit