Биохимия
Метаболические пути
1. Введение в метаболизм
Метаболизм состоит из двух противоположных, но взаимосвязанных процессов: анаболизма и катаболизма. Эти процессы происходят одновременно и регулируются, чтобы обеспечить клетку необходимой энергией и строительными блоками для функционирования, роста и деления.
1.1. Что такое метаболизм?
Метаболизм — это совокупность всех химических реакций, которые происходят в клетках и тканях для поддержания жизни. Это сложная система реакций, включающая как расщепление веществ для получения энергии (катаболизм), так и синтез новых молекул для роста и восстановления клеток (анаболизм).
Метаболизм можно разделить на два основных процесса:
• Анаболизм (синтетические реакции) — процесс синтеза сложных молекул из простых. Анаболизм требует энергии, которая обычно поступает из молекул АТФ.
• Катаболизм (расщепление веществ) — процесс расщепления сложных молекул на более простые, при этом высвобождается энергия, которая используется для синтеза АТФ или других энергетических молекул.
Эти процессы всегда происходят в клетке одновременно и направлены на поддержание гомеостаза (стабильности внутренней среды клетки).
1.2. Основные функции метаболизма
Метаболизм выполняет три важнейшие функции в клетке:
• Энергетическая функция:
• Обеспечивает клетку энергией, необходимой для всех её функций. Энергия используется в биохимических реакциях для синтеза молекул, транспортировки веществ, изменения формы клетки и для клеточного деления.
• Например, в процессе катаболизма углеводов, жиров и белков высвобождается энергия, которая захватывается в молекулах АТФ. АТФ, в свою очередь, является основным источником энергии для анаболических процессов и других клеточных функций.
• Пластическая функция:
• Синтез макромолекул (например, белков, нуклеиновых кислот, липидов), которые служат строительными блоками для клеток и тканей. Эти молекулы необходимы для роста, восстановления и поддержания структуры клетки.
• Например, белки синтезируются из аминокислот, а липиды из жирных кислот и глицерина. Эти молекулы участвуют в формировании клеточных мембран, ферментов и других важных структур.
• Специфическая функция:
• Включает синтез и распад молекул, необходимых для выполнения специфических функций клетки, таких как передача информации, клеточная сигнализация, поддержание клеточных структур и защита от стресса. Например, синтез и метаболизм гормонов, ферментов и нейротрансмиттеров, которые регулируют другие процессы в организме.
• Пример: синтез гормонов, таких как инсулин или адреналин, играет ключевую роль в регуляции уровня сахара в крови и метаболизма углеводов.
1.3. Взаимосвязь анаболизма и катаболизма
Анаболизм и катаболизм не существуют изолированно друг от друга, наоборот, они тесно связаны и дополняют друг друга:
• Катаболизм — это процесс расщепления молекул, при котором высвобождается энергия, используемая клеткой для синтеза АТФ. АТФ, в свою очередь, является основным источником энергии для всех анаболических процессов.
• Анаболизм, в свою очередь, использует эту энергию для создания сложных молекул, которые необходимы клетке для роста, восстановления и выполнения других функций.
Эти процессы часто происходят в разных частях клетки или в разных клетках организма, и они сбалансированы так, чтобы обеспечить оптимальные условия для существования клетки. Например, когда клетка активирует катаболизм (например, при голодании), она высвобождает энергию, которая затем может быть использована для синтеза молекул в анаболических реакциях.
1.4. Гомеостаз и его поддержание
Метаболизм играет ключевую роль в поддержании гомеостаза — стабильности внутренней среды клетки и организма. Гомеостаз поддерживается через:
• Регуляцию концентраций молекул: например, уровень глюкозы в крови поддерживается за счет балансирования процессов синтеза (глюконеогенез) и распада (гликогенолиз).
• Генерацию энергии: поддержание необходимого уровня энергии для выполнения клеточных функций, таких как синтез молекул и транспорт веществ через клеточную мембрану.
• Температурную стабильность: химические реакции в клетке обычно происходят при оптимальной температуре, и метаболизм регулирует тепловой баланс клетки.
1.5. Молекулы, участвующие в метаболизме
Основные молекулы, которые участвуют в метаболизме, включают:
• АТФ (аденозинтрифосфат) — молекула, которая переносит и запасает химическую энергию в клетке.
• НАДН и ФАДН2 — восстановленные молекулы, которые переносят электроны и атомы водорода в цепи катаболизма и окислительного фосфорилирования.
• Глюкоза и жирные кислоты — основные источники энергии для клеток.
• Аминокислоты — строительные блоки для синтеза белков.
• Нуклеотиды — компоненты для синтеза нуклеиновых кислот (ДНК и РНК).
Эти молекулы играют критическую роль в синтезе энергии, строительных блоках для клеток и хранении генетической информации.
1.6. Метаболизм и его взаимодействие с окружающей средой
Метаболизм также тесно связан с внешней средой, поскольку клетка должна адаптироваться к изменениям, таким как:
• Доступность питательных веществ: клетка адаптируется к недостатку или избытку питательных веществ, изменяя скорость катаболических и анаболических процессов.
• Физическая активность: например, при физической нагрузке увеличивается скорость расщепления углеводов и жиров, что повышает энергетические потребности организма.
• Стрессовые условия: в ответ на стресс, такие как высокая температура или инфекция, клетка активирует определенные метаболические пути для защиты, например, для синтеза молекул, участвующих в иммунной защите.
🧠Мнемоника :
Магнитная Точка Генерации — Энергия Клетки!
• М — молекулы энергии
• Т — транспорт веществ
• Г — гомеостаз
• Э — энергия
• Клетка (основной элемент организма)
1.1. Что такое метаболизм?
Метаболизм — это совокупность всех химических реакций, которые происходят в клетках и тканях для поддержания жизни. Это сложная система реакций, включающая как расщепление веществ для получения энергии (катаболизм), так и синтез новых молекул для роста и восстановления клеток (анаболизм).
Метаболизм можно разделить на два основных процесса:
• Анаболизм (синтетические реакции) — процесс синтеза сложных молекул из простых. Анаболизм требует энергии, которая обычно поступает из молекул АТФ.
• Катаболизм (расщепление веществ) — процесс расщепления сложных молекул на более простые, при этом высвобождается энергия, которая используется для синтеза АТФ или других энергетических молекул.
Эти процессы всегда происходят в клетке одновременно и направлены на поддержание гомеостаза (стабильности внутренней среды клетки).
1.2. Основные функции метаболизма
Метаболизм выполняет три важнейшие функции в клетке:
• Энергетическая функция:
• Обеспечивает клетку энергией, необходимой для всех её функций. Энергия используется в биохимических реакциях для синтеза молекул, транспортировки веществ, изменения формы клетки и для клеточного деления.
• Например, в процессе катаболизма углеводов, жиров и белков высвобождается энергия, которая захватывается в молекулах АТФ. АТФ, в свою очередь, является основным источником энергии для анаболических процессов и других клеточных функций.
• Пластическая функция:
• Синтез макромолекул (например, белков, нуклеиновых кислот, липидов), которые служат строительными блоками для клеток и тканей. Эти молекулы необходимы для роста, восстановления и поддержания структуры клетки.
• Например, белки синтезируются из аминокислот, а липиды из жирных кислот и глицерина. Эти молекулы участвуют в формировании клеточных мембран, ферментов и других важных структур.
• Специфическая функция:
• Включает синтез и распад молекул, необходимых для выполнения специфических функций клетки, таких как передача информации, клеточная сигнализация, поддержание клеточных структур и защита от стресса. Например, синтез и метаболизм гормонов, ферментов и нейротрансмиттеров, которые регулируют другие процессы в организме.
• Пример: синтез гормонов, таких как инсулин или адреналин, играет ключевую роль в регуляции уровня сахара в крови и метаболизма углеводов.
1.3. Взаимосвязь анаболизма и катаболизма
Анаболизм и катаболизм не существуют изолированно друг от друга, наоборот, они тесно связаны и дополняют друг друга:
• Катаболизм — это процесс расщепления молекул, при котором высвобождается энергия, используемая клеткой для синтеза АТФ. АТФ, в свою очередь, является основным источником энергии для всех анаболических процессов.
• Анаболизм, в свою очередь, использует эту энергию для создания сложных молекул, которые необходимы клетке для роста, восстановления и выполнения других функций.
Эти процессы часто происходят в разных частях клетки или в разных клетках организма, и они сбалансированы так, чтобы обеспечить оптимальные условия для существования клетки. Например, когда клетка активирует катаболизм (например, при голодании), она высвобождает энергию, которая затем может быть использована для синтеза молекул в анаболических реакциях.
1.4. Гомеостаз и его поддержание
Метаболизм играет ключевую роль в поддержании гомеостаза — стабильности внутренней среды клетки и организма. Гомеостаз поддерживается через:
• Регуляцию концентраций молекул: например, уровень глюкозы в крови поддерживается за счет балансирования процессов синтеза (глюконеогенез) и распада (гликогенолиз).
• Генерацию энергии: поддержание необходимого уровня энергии для выполнения клеточных функций, таких как синтез молекул и транспорт веществ через клеточную мембрану.
• Температурную стабильность: химические реакции в клетке обычно происходят при оптимальной температуре, и метаболизм регулирует тепловой баланс клетки.
1.5. Молекулы, участвующие в метаболизме
Основные молекулы, которые участвуют в метаболизме, включают:
• АТФ (аденозинтрифосфат) — молекула, которая переносит и запасает химическую энергию в клетке.
• НАДН и ФАДН2 — восстановленные молекулы, которые переносят электроны и атомы водорода в цепи катаболизма и окислительного фосфорилирования.
• Глюкоза и жирные кислоты — основные источники энергии для клеток.
• Аминокислоты — строительные блоки для синтеза белков.
• Нуклеотиды — компоненты для синтеза нуклеиновых кислот (ДНК и РНК).
Эти молекулы играют критическую роль в синтезе энергии, строительных блоках для клеток и хранении генетической информации.
1.6. Метаболизм и его взаимодействие с окружающей средой
Метаболизм также тесно связан с внешней средой, поскольку клетка должна адаптироваться к изменениям, таким как:
• Доступность питательных веществ: клетка адаптируется к недостатку или избытку питательных веществ, изменяя скорость катаболических и анаболических процессов.
• Физическая активность: например, при физической нагрузке увеличивается скорость расщепления углеводов и жиров, что повышает энергетические потребности организма.
• Стрессовые условия: в ответ на стресс, такие как высокая температура или инфекция, клетка активирует определенные метаболические пути для защиты, например, для синтеза молекул, участвующих в иммунной защите.
🧠Мнемоника :
Магнитная Точка Генерации — Энергия Клетки!
• М — молекулы энергии
• Т — транспорт веществ
• Г — гомеостаз
• Э — энергия
• Клетка (основной элемент организма)
2. Анаболизм
Анаболизм — это процесс синтеза сложных молекул из более простых, который требует энергии для своей реализации. В клетках организма анаболические процессы включают синтез белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов и других макромолекул. Эти молекулы используются для роста и восстановления клеток, а также для выполнения специфических клеточных функций, таких как передача генетической информации или хранение энергетических резервов.
Анаболизм сопровождается энергетическими затратами, поскольку для синтеза сложных молекул требуется энергия. Главным источником этой энергии является молекула АТФ (аденозинтрифосфат), а также молекулы НАДФН (восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотида фосфата).
2.1. Синтез белков
Белки — это важнейшие макромолекулы, которые выполняют множество функций в клетке, включая ферментативную активность, структурную поддержку, транспорт веществ и многие другие. Синтез белков происходит через два основных этапа:
1. Трансляция — синтез полипептидной цепи на рибосомах с использованием информации, закодированной в молекулах РНК. В процессе трансляции используется матричная РНК (мРНК), которая содержит инструкции для синтеза белка.
2. Посттрансляционные модификации — после синтеза полипептидная цепь подвергается различным химическим изменениям (например, фосфорилированию, гликозилированию), которые необходимы для активации или изменения функции белка.
Пример: Синтез белка, например, гемоглобина, начинается с транскрипции гена гемоглобина в мРНК в ядре клетки, после чего эта мРНК переводится в аминокислотную последовательность в рибосомах. Белок затем проходит посттрансляционные изменения, такие как связывание с металлами или углеводами.
2.2. Синтез нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) являются основными молекулами, которые несут генетическую информацию в клетке.
• Синтез ДНК: происходит в процессе репликации ДНК, когда молекула ДНК удваивается перед делением клетки. Для этого используются отдельные нуклеотиды, которые соединяются с образованием новых цепей ДНК. Процесс катализируется ферментом ДНК-полимеразой.
• Синтез РНК: процесс транскрипции, в ходе которого с одного из цепей ДНК синтезируется молекула мРНК. Это необходимо для передачи генетической информации из ядра в цитоплазму, где она используется для синтеза белков.
• Репарация ДНК: после синтеза ДНК молекула ДНК может подвергаться репарации (исправлению повреждений) с помощью различных ферментов, что также является частью анаболизма.
Пример: При делении клетки молекула ДНК реплицируется, образуя две идентичные молекулы для двух дочерних клеток, что требует активной работы ферментов, таких как ДНК-полимераза.
2.3. Синтез полисахаридов
Полисахариды — это углеводы, состоящие из нескольких мономеров, таких как глюкоза, которые могут служить источниками энергии или структурными компонентами клеток.
• Гликоген — это основной запасной углевод в организме человека, который синтезируется из глюкозы в процессе гликогенеза. Гликоген синтезируется в печени и мышцах для хранения энергии, которая может быть быстро использована в случае необходимости.
• Целлюлоза — это основной структурный углевод в растениях, синтезируется из глюкозы в растительных клетках.
Пример: Синтез гликогена происходит в печени, когда глюкоза подвергается фосфорилированию и присоединяется к молекуле гликогена. Это обеспечивает быстрый источник энергии при необходимости.
2.4. Синтез липидов
Липиды — это важные молекулы, которые используются для хранения энергии, а также для создания клеточных мембран.
• Триглицериды — основная форма хранения жира в организме. Они синтезируются в жировых клетках из жирных кислот и глицерина. Этот процесс называется липогенезом.
• Фосфолипиды — основные компоненты клеточных мембран. Синтез фосфолипидов происходит через различные метаболические пути, в том числе через метаболизм жирных кислот.
• Холестерин — важный липид, который синтезируется в клетках, особенно в печени, из ацетил-КоА. Холестерин является предшественником для синтеза стероидных гормонов, желчных кислот и витамина D.
Пример: Липидный обмен происходит в клетках печени, где из ацетил-КоА синтезируются жирные кислоты, которые затем соединяются с глицерином для образования триглицеролов.
2.5. Синтез аминокислот
Аминокислоты являются строительными блоками для белков. Некоторые аминокислоты могут быть синтезированы в организме (незаменимые аминокислоты), а другие должны поступать с пищей (незаменимые аминокислоты).
• Синтез незаменимых аминокислот: происходит через метаболические пути, в которых участвуют промежуточные метаболиты из углеводов, жиров и других аминокислот.
• Процесс трансаминирования: это процесс, в котором аминогруппа переносится с одной аминокислоты на другую, что позволяет синтезировать различные аминокислоты из других соединений.
Пример: Глутамат и аспартат могут быть использованы для синтеза других аминокислот в процессе трансаминирования.
2.6. Роль НАДФН в анаболизме
Молекула НАДФН играет ключевую роль в анаболических процессах, обеспечивая перенос атомов водорода для синтетических реакций. Это особенно важно для синтеза жирных кислот и холестерина.
Процесс образования НАДФН происходит в пентозофосфатном пути и гликолизе, где глюкоза-6-фосфат окисляется, образуя НАДФН. Этот процесс необходим для синтеза молекул, таких как жирные кислоты, холестерин и другие липиды.
🧠Мнемоника :
Актуальные Недавно Синтезированные Молекулы, Осуществляющие Логичный Интегральный Закон
• А — аминокислоты, нуклеотиды
• Н — нуклеиновые кислоты
• С — синтез белков
• М — молекулы (жирные кислоты, углеводы)
• О — организующие клеточные структуры
• Л — липиды
• И — инсулин (метаболическое регулирование)
• З — энергия (для синтеза)
Анаболизм сопровождается энергетическими затратами, поскольку для синтеза сложных молекул требуется энергия. Главным источником этой энергии является молекула АТФ (аденозинтрифосфат), а также молекулы НАДФН (восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотида фосфата).
2.1. Синтез белков
Белки — это важнейшие макромолекулы, которые выполняют множество функций в клетке, включая ферментативную активность, структурную поддержку, транспорт веществ и многие другие. Синтез белков происходит через два основных этапа:
1. Трансляция — синтез полипептидной цепи на рибосомах с использованием информации, закодированной в молекулах РНК. В процессе трансляции используется матричная РНК (мРНК), которая содержит инструкции для синтеза белка.
2. Посттрансляционные модификации — после синтеза полипептидная цепь подвергается различным химическим изменениям (например, фосфорилированию, гликозилированию), которые необходимы для активации или изменения функции белка.
Пример: Синтез белка, например, гемоглобина, начинается с транскрипции гена гемоглобина в мРНК в ядре клетки, после чего эта мРНК переводится в аминокислотную последовательность в рибосомах. Белок затем проходит посттрансляционные изменения, такие как связывание с металлами или углеводами.
2.2. Синтез нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) являются основными молекулами, которые несут генетическую информацию в клетке.
• Синтез ДНК: происходит в процессе репликации ДНК, когда молекула ДНК удваивается перед делением клетки. Для этого используются отдельные нуклеотиды, которые соединяются с образованием новых цепей ДНК. Процесс катализируется ферментом ДНК-полимеразой.
• Синтез РНК: процесс транскрипции, в ходе которого с одного из цепей ДНК синтезируется молекула мРНК. Это необходимо для передачи генетической информации из ядра в цитоплазму, где она используется для синтеза белков.
• Репарация ДНК: после синтеза ДНК молекула ДНК может подвергаться репарации (исправлению повреждений) с помощью различных ферментов, что также является частью анаболизма.
Пример: При делении клетки молекула ДНК реплицируется, образуя две идентичные молекулы для двух дочерних клеток, что требует активной работы ферментов, таких как ДНК-полимераза.
2.3. Синтез полисахаридов
Полисахариды — это углеводы, состоящие из нескольких мономеров, таких как глюкоза, которые могут служить источниками энергии или структурными компонентами клеток.
• Гликоген — это основной запасной углевод в организме человека, который синтезируется из глюкозы в процессе гликогенеза. Гликоген синтезируется в печени и мышцах для хранения энергии, которая может быть быстро использована в случае необходимости.
• Целлюлоза — это основной структурный углевод в растениях, синтезируется из глюкозы в растительных клетках.
Пример: Синтез гликогена происходит в печени, когда глюкоза подвергается фосфорилированию и присоединяется к молекуле гликогена. Это обеспечивает быстрый источник энергии при необходимости.
2.4. Синтез липидов
Липиды — это важные молекулы, которые используются для хранения энергии, а также для создания клеточных мембран.
• Триглицериды — основная форма хранения жира в организме. Они синтезируются в жировых клетках из жирных кислот и глицерина. Этот процесс называется липогенезом.
• Фосфолипиды — основные компоненты клеточных мембран. Синтез фосфолипидов происходит через различные метаболические пути, в том числе через метаболизм жирных кислот.
• Холестерин — важный липид, который синтезируется в клетках, особенно в печени, из ацетил-КоА. Холестерин является предшественником для синтеза стероидных гормонов, желчных кислот и витамина D.
Пример: Липидный обмен происходит в клетках печени, где из ацетил-КоА синтезируются жирные кислоты, которые затем соединяются с глицерином для образования триглицеролов.
2.5. Синтез аминокислот
Аминокислоты являются строительными блоками для белков. Некоторые аминокислоты могут быть синтезированы в организме (незаменимые аминокислоты), а другие должны поступать с пищей (незаменимые аминокислоты).
• Синтез незаменимых аминокислот: происходит через метаболические пути, в которых участвуют промежуточные метаболиты из углеводов, жиров и других аминокислот.
• Процесс трансаминирования: это процесс, в котором аминогруппа переносится с одной аминокислоты на другую, что позволяет синтезировать различные аминокислоты из других соединений.
Пример: Глутамат и аспартат могут быть использованы для синтеза других аминокислот в процессе трансаминирования.
2.6. Роль НАДФН в анаболизме
Молекула НАДФН играет ключевую роль в анаболических процессах, обеспечивая перенос атомов водорода для синтетических реакций. Это особенно важно для синтеза жирных кислот и холестерина.
Процесс образования НАДФН происходит в пентозофосфатном пути и гликолизе, где глюкоза-6-фосфат окисляется, образуя НАДФН. Этот процесс необходим для синтеза молекул, таких как жирные кислоты, холестерин и другие липиды.
🧠Мнемоника :
Актуальные Недавно Синтезированные Молекулы, Осуществляющие Логичный Интегральный Закон
• А — аминокислоты, нуклеотиды
• Н — нуклеиновые кислоты
• С — синтез белков
• М — молекулы (жирные кислоты, углеводы)
• О — организующие клеточные структуры
• Л — липиды
• И — инсулин (метаболическое регулирование)
• З — энергия (для синтеза)
3. Катаболизм
Катаболизм — это процесс расщепления сложных молекул на более простые, с высвобождением энергии, которая используется для синтеза АТФ. Катаболизм можно разделить на три этапа, каждый из которых имеет свои особенности и молекулы, участвующие в этих процессах.
3.1. Первый этап катаболизма: Переваривание пищи и расщепление молекул в клетках
Переваривание пищи происходит в пищеварительном тракте (в основном в желудке и кишечнике), где сложные молекулы (например, углеводы, белки и жиры) расщепляются до более простых компонентов.
• Углеводы расщепляются до моносахаридов (например, глюкоза, фруктоза, галактоза).
• Белки расщепляются до аминокислот.
• Жиры расщепляются до жирных кислот и глицерина.
После того как эти молекулы расщепляются, они всасываются в кровь и переносятся в клетки, где участвуют в дальнейшем катаболизме.
В этом процессе освобождается около 1% энергии от исходных молекул, которая рассеивается в виде тепла. Остальная часть энергии будет использована на следующих этапах.
Пример реакции:
• Белки (пептиды) расщепляются в желудочно-кишечном тракте на аминокислоты с помощью ферментов, таких как пепсин в желудке и протеазы в кишечнике.
3.2. Второй этап катаболизма: Преобразование в пировиноградную кислоту (пируват) и ацетил-КоА
На втором этапе катаболизма происходят преобразования, которые позволяют клетке использовать образовавшиеся молекулы для дальнейшего получения энергии.
• Гликолиз — окисление моносахаридов (главным образом глюкозы) в цитозоле клетки, приводящее к образованию пировиноградной кислоты (пирувата). В процессе гликолиза также образуются 2 молекулы АТФ и 2 молекулы НАДН, которые будут использованы на следующих этапах.
• Катаболизм жирных кислот — происходит в митохондриях через процесс β-окисления. В ходе этого процесса жирные кислоты расщепляются до ацетил-КоА, который затем вступает в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК).
• Катаболизм аминокислот — аминокислоты расщепляются до различных кетокислот, которые затем могут быть преобразованы в ацетил-КоА или пируват.
На этом этапе высвобождается около 30% энергии от молекулы, и примерно 13% этой энергии используется для синтеза АТФ
Пример реакции:
• Глюкоза окисляется до пировиноградной кислоты через серию реакций в гликолизе.
• Жирная кислота окисляется в митохондриях до ацетил-КоА с образованием НАДН и ФАДН2.
3.3. Третий этап катаболизма: Окисление в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК) и ATP-синтез
Это наиболее важный этап, где происходит окончательное окисление углеродов, высвобождается наибольшее количество энергии, и синтезируется основное количество АТФ.
Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) — это цикл реакций, в котором ацетил-КоА вступает в реакции с оксалоацетатом, образуя цитрат. Затем цитрат проходит через несколько превращений, в ходе которых высвобождается углекислый газ и энергия в форме восстановленных эквивалентов (НАДН и ФАДН2).
• ЦТК проходит в митохондриальном матриксе.
• Реакции: окисление ацетил-КоА до углекислого газа (СО2) и восстановление НАД и ФАД до НАДН и ФАДН2. Эти молекулы НАДН и ФАДН2 затем используются на следующем этапе (окислительное фосфорилирование) для синтеза АТФ.
• В цикле образуются промежуточные молекулы, такие как сукцинил-КоА, которые могут быть использованы для синтеза других молекул, например, гема.
На этом этапе выделяется до 70% энергии от молекулы и около 46% из этой энергии используется для синтеза АТФ.
Пример реакции:
• Ацетил-КоА соединяется с оксалоацетатом, образуя цитрат, который затем проходит через реакции дегидрирования, декарбоксилирования и фосфорилирования, освобождая углекислый газ и производя восстановленные эквиваленты (НАДН, ФАДН2).
3.4. Окислительное фосфорилирование: синтез АТФ через дыхательную цепь
После прохождения цикла трикарбоновых кислот, восстановленные эквиваленты (НАДН и ФАДН2) передают свои электроны в дыхательную цепь, расположенную на внутренней мембране митохондрий. Этот процесс генерирует протонный градиент, который используется АТФ-синтазой для синтеза АТФ.
Процесс окислительного фосфорилирования является основной причиной того, что клетка может синтезировать большое количество АТФ.
Пример реакции:
• Электроны из НАДН передаются на комплекс I дыхательной цепи, который затем передает их на комплекс III, где энергия используется для транспортировки протонов через мембрану. Электроны в конце попадают на кислород, восстанавливая его до воды.
🧠Мнемоника :
Катаболизм Ощущается как Расщепление Энергии в Теле, Трансформируя Очистку Молекул
• К — катаболизм
• О — окисление
• Р — расщепление
• Э — энергия
• Т — транспорт веществ
• Т — тепло (выделяется в процессе)
• О — окислительные процессы
• М — молекулы (пировиноградная кислота, ацетил-КоА)
3.1. Первый этап катаболизма: Переваривание пищи и расщепление молекул в клетках
Переваривание пищи происходит в пищеварительном тракте (в основном в желудке и кишечнике), где сложные молекулы (например, углеводы, белки и жиры) расщепляются до более простых компонентов.
• Углеводы расщепляются до моносахаридов (например, глюкоза, фруктоза, галактоза).
• Белки расщепляются до аминокислот.
• Жиры расщепляются до жирных кислот и глицерина.
После того как эти молекулы расщепляются, они всасываются в кровь и переносятся в клетки, где участвуют в дальнейшем катаболизме.
В этом процессе освобождается около 1% энергии от исходных молекул, которая рассеивается в виде тепла. Остальная часть энергии будет использована на следующих этапах.
Пример реакции:
• Белки (пептиды) расщепляются в желудочно-кишечном тракте на аминокислоты с помощью ферментов, таких как пепсин в желудке и протеазы в кишечнике.
3.2. Второй этап катаболизма: Преобразование в пировиноградную кислоту (пируват) и ацетил-КоА
На втором этапе катаболизма происходят преобразования, которые позволяют клетке использовать образовавшиеся молекулы для дальнейшего получения энергии.
• Гликолиз — окисление моносахаридов (главным образом глюкозы) в цитозоле клетки, приводящее к образованию пировиноградной кислоты (пирувата). В процессе гликолиза также образуются 2 молекулы АТФ и 2 молекулы НАДН, которые будут использованы на следующих этапах.
• Катаболизм жирных кислот — происходит в митохондриях через процесс β-окисления. В ходе этого процесса жирные кислоты расщепляются до ацетил-КоА, который затем вступает в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК).
• Катаболизм аминокислот — аминокислоты расщепляются до различных кетокислот, которые затем могут быть преобразованы в ацетил-КоА или пируват.
На этом этапе высвобождается около 30% энергии от молекулы, и примерно 13% этой энергии используется для синтеза АТФ
Пример реакции:
• Глюкоза окисляется до пировиноградной кислоты через серию реакций в гликолизе.
• Жирная кислота окисляется в митохондриях до ацетил-КоА с образованием НАДН и ФАДН2.
3.3. Третий этап катаболизма: Окисление в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК) и ATP-синтез
Это наиболее важный этап, где происходит окончательное окисление углеродов, высвобождается наибольшее количество энергии, и синтезируется основное количество АТФ.
Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) — это цикл реакций, в котором ацетил-КоА вступает в реакции с оксалоацетатом, образуя цитрат. Затем цитрат проходит через несколько превращений, в ходе которых высвобождается углекислый газ и энергия в форме восстановленных эквивалентов (НАДН и ФАДН2).
• ЦТК проходит в митохондриальном матриксе.
• Реакции: окисление ацетил-КоА до углекислого газа (СО2) и восстановление НАД и ФАД до НАДН и ФАДН2. Эти молекулы НАДН и ФАДН2 затем используются на следующем этапе (окислительное фосфорилирование) для синтеза АТФ.
• В цикле образуются промежуточные молекулы, такие как сукцинил-КоА, которые могут быть использованы для синтеза других молекул, например, гема.
На этом этапе выделяется до 70% энергии от молекулы и около 46% из этой энергии используется для синтеза АТФ.
Пример реакции:
• Ацетил-КоА соединяется с оксалоацетатом, образуя цитрат, который затем проходит через реакции дегидрирования, декарбоксилирования и фосфорилирования, освобождая углекислый газ и производя восстановленные эквиваленты (НАДН, ФАДН2).
3.4. Окислительное фосфорилирование: синтез АТФ через дыхательную цепь
После прохождения цикла трикарбоновых кислот, восстановленные эквиваленты (НАДН и ФАДН2) передают свои электроны в дыхательную цепь, расположенную на внутренней мембране митохондрий. Этот процесс генерирует протонный градиент, который используется АТФ-синтазой для синтеза АТФ.
Процесс окислительного фосфорилирования является основной причиной того, что клетка может синтезировать большое количество АТФ.
Пример реакции:
• Электроны из НАДН передаются на комплекс I дыхательной цепи, который затем передает их на комплекс III, где энергия используется для транспортировки протонов через мембрану. Электроны в конце попадают на кислород, восстанавливая его до воды.
🧠Мнемоника :
Катаболизм Ощущается как Расщепление Энергии в Теле, Трансформируя Очистку Молекул
• К — катаболизм
• О — окисление
• Р — расщепление
• Э — энергия
• Т — транспорт веществ
• Т — тепло (выделяется в процессе)
• О — окислительные процессы
• М — молекулы (пировиноградная кислота, ацетил-КоА)
4. Роль АТФ в клетке
АТФ (аденозинтрифосфат) — это основная молекула, которая переносит и запасает химическую энергию в клетке. АТФ играет центральную роль в метаболизме, обеспечивая клетку энергией, необходимой для выполнения различных биологических процессов.
4.1. Энергетический обмен
АТФ используется в клетке как основной носитель энергии. В реакциях катаболизма (расщепление молекул) энергия высвобождается и захватывается в виде фосфатных связей в молекуле АТФ. В свою очередь, эта энергия высвобождается в анаболических реакциях (синтез сложных молекул) и используется для различных клеточных процессов.
4.2. Биосинтез молекул
АТФ необходим для синтеза молекул, таких как белки, липиды, углеводы и нуклеиновые кислоты. Эти реакции требуют затрат энергии, которая предоставляется через гидролиз АТФ.
4.3. Транспорт веществ через мембраны
Для активного транспорта молекул через клеточные мембраны также требуется энергия в виде АТФ. В клетке существуют специализированные транспортные белки (например, натрий-калиевая АТФаза), которые используют энергию АТФ для транспортировки ионов через мембраны, против их концентрационного градиента.
4.4. Изменение формы клетки и движение
АТФ используется для изменения формы клетки и обеспечения клеточного движения. Это важно для процессов, таких как фагоцитоз, амебоидное движение клеток, а также для функционирования мышечных волокон.
4.5. Передача информации
АТФ также участвует в передаче сигналов внутри клетки. Она является важным вторичным мессенджером в клеточных сигнальных путях, таких как цАМФ (циклический аденозинмонофосфат), который активирует различные клеточные реакции, включая регуляцию ферментов и активацию генов.
🧠Мнемоника 1:
АТФ — Топ Формы для Энергетического Всего!
• А — АТФ
• Т — транспорт
• Ф — фосфорилирование
• Э — энергия
• В — клеточные процессы
🧠Мнемоника 2:
Адреналин Торопится Формировать Энергетические молекулы
• А — аденозинтрифосфат (АТФ)
• Т — транспорт веществ
• Ф — фосфорилирование
• Э — энергия
4.1. Энергетический обмен
АТФ используется в клетке как основной носитель энергии. В реакциях катаболизма (расщепление молекул) энергия высвобождается и захватывается в виде фосфатных связей в молекуле АТФ. В свою очередь, эта энергия высвобождается в анаболических реакциях (синтез сложных молекул) и используется для различных клеточных процессов.
4.2. Биосинтез молекул
АТФ необходим для синтеза молекул, таких как белки, липиды, углеводы и нуклеиновые кислоты. Эти реакции требуют затрат энергии, которая предоставляется через гидролиз АТФ.
4.3. Транспорт веществ через мембраны
Для активного транспорта молекул через клеточные мембраны также требуется энергия в виде АТФ. В клетке существуют специализированные транспортные белки (например, натрий-калиевая АТФаза), которые используют энергию АТФ для транспортировки ионов через мембраны, против их концентрационного градиента.
4.4. Изменение формы клетки и движение
АТФ используется для изменения формы клетки и обеспечения клеточного движения. Это важно для процессов, таких как фагоцитоз, амебоидное движение клеток, а также для функционирования мышечных волокон.
4.5. Передача информации
АТФ также участвует в передаче сигналов внутри клетки. Она является важным вторичным мессенджером в клеточных сигнальных путях, таких как цАМФ (циклический аденозинмонофосфат), который активирует различные клеточные реакции, включая регуляцию ферментов и активацию генов.
🧠Мнемоника 1:
АТФ — Топ Формы для Энергетического Всего!
• А — АТФ
• Т — транспорт
• Ф — фосфорилирование
• Э — энергия
• В — клеточные процессы
🧠Мнемоника 2:
Адреналин Торопится Формировать Энергетические молекулы
• А — аденозинтрифосфат (АТФ)
• Т — транспорт веществ
• Ф — фосфорилирование
• Э — энергия
5. Синтез АТФ
Синтез АТФ происходит в клетке с использованием энергии, высвобождающейся в ходе катаболических реакций.
Процесс синтеза АТФ можно разделить на несколько этапов, каждый из которых имеет свою характеристику.
5.1. Гликолиз
Гликолиз — это первый этап расщепления глюкозы, который происходит в цитозоле клетки и не требует кислорода (анаэробный процесс). В результате гликолиза одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата), при этом высвобождается энергия в виде 2 молекул АТФ (чистая прибыль) и 2 молекул НАДН, которые будут использованы на следующих этапах.
5.2. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК)
Если клетка находится в условиях аэробного дыхания (при наличии кислорода), пируват из гликолиза транспортируется в митохондрии, где он преобразуется в ацетил-КоА и вступает в цикл трикарбоновых кислот.
В этом цикле ацетил-КоА окисляется, высвобождая энергию, которая затем используется для восстановления молекул НАД и ФАД до НАДН и ФАДН2. Эти восстановленные эквиваленты используются на следующем этапе (окислительное фосфорилирование) для синтеза АТФ.
5.3. Окислительное фосфорилирование
Окислительное фосфорилирование происходит в внутренней мембране митохондрий и является наиболее эффективным процессом синтеза АТФ. Он включает дыхательную цепь (цепь переноса электронов) и АТФ-синтазу.
В процессе дыхательной цепи восстановленные эквиваленты (НАДН и ФАДН2), образующиеся в предыдущих этапах (гликолиз, ЦТК), передают свои электроны через несколько ферментов (комплексы I-IV), что вызывает выкачивание протонов через мембрану митохондрий и образование протонного градиента.
Этот градиент используется для синтеза АТФ через фермент АТФ-синтазу.
🧠Мнемоника :
Гликолиз, Цикл трикарбоновых кислот и Окислительное фосфорилирование — Сила для АТФ!
• Г — гликолиз
• Ц — цикл трикарбоновых кислот
• О — окислительное фосфорилирование
• С — синтез
• АТФ
Процесс синтеза АТФ можно разделить на несколько этапов, каждый из которых имеет свою характеристику.
5.1. Гликолиз
Гликолиз — это первый этап расщепления глюкозы, который происходит в цитозоле клетки и не требует кислорода (анаэробный процесс). В результате гликолиза одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата), при этом высвобождается энергия в виде 2 молекул АТФ (чистая прибыль) и 2 молекул НАДН, которые будут использованы на следующих этапах.
5.2. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК)
Если клетка находится в условиях аэробного дыхания (при наличии кислорода), пируват из гликолиза транспортируется в митохондрии, где он преобразуется в ацетил-КоА и вступает в цикл трикарбоновых кислот.
В этом цикле ацетил-КоА окисляется, высвобождая энергию, которая затем используется для восстановления молекул НАД и ФАД до НАДН и ФАДН2. Эти восстановленные эквиваленты используются на следующем этапе (окислительное фосфорилирование) для синтеза АТФ.
5.3. Окислительное фосфорилирование
Окислительное фосфорилирование происходит в внутренней мембране митохондрий и является наиболее эффективным процессом синтеза АТФ. Он включает дыхательную цепь (цепь переноса электронов) и АТФ-синтазу.
В процессе дыхательной цепи восстановленные эквиваленты (НАДН и ФАДН2), образующиеся в предыдущих этапах (гликолиз, ЦТК), передают свои электроны через несколько ферментов (комплексы I-IV), что вызывает выкачивание протонов через мембрану митохондрий и образование протонного градиента.
Этот градиент используется для синтеза АТФ через фермент АТФ-синтазу.
🧠Мнемоника :
Гликолиз, Цикл трикарбоновых кислот и Окислительное фосфорилирование — Сила для АТФ!
• Г — гликолиз
• Ц — цикл трикарбоновых кислот
• О — окислительное фосфорилирование
• С — синтез
• АТФ
6. Регуляция метаболизма
Регуляция метаболизма — это совокупность механизмов, которые контролируют скорость и направление биохимических реакций в клетке. Регуляция необходима для того, чтобы клетка могла адаптироваться к изменениям внешней среды и внутренним потребностям.
6.1. Регуляция через ферменты
Основной механизм регуляции метаболизма заключается в контроле активности ферментов. Ферменты катализируют метаболические реакции, и их активность может быть изменена различными факторами, такими как концентрация субстрата, наличие кофакторов или ингибиторов, а также фосфорилирование.
• Активация и ингибирование ферментов: Некоторые ферменты активируются или ингибируются с помощью молекул, которые изменяют их структуру или активный центр. Например, фермент пируватдегидрогеназа активируется через дефосфорилирование, а ингибируется при фосфорилировании.
• Аллостерическая регуляция: Многие ферменты имеют аллостерические сайты, к которым могут связываться молекулы, изменяющие их активность. Эти молекулы называются аллостерическими регуляторами.
6.2. Регуляция через гормоны
Гормоны играют важную роль в регуляции метаболизма, контролируя активность ферментов и обеспечивая адаптацию к изменениям потребности в энергии. Например:
• Инсулин стимулирует синтез гликогена и снижение уровня глюкозы в крови, активируя ферменты, которые участвуют в гликогенезе и гликолизе.
• Глюкагон активирует ферменты, которые стимулируют расщепление гликогена (гликогенолиз) и производство глюкозы из аминокислот (глюконеогенез).
6.3. Регуляция через доступность субстратов
Метаболизм также регулируется доступностью субстратов. Например, если в клетке много глюкозы, активируются ферменты, участвующие в её расщеплении, а если запас глюкозы исчерпан, активируются ферменты для синтеза глюкозы.
6.4. Регуляция через экстрацеллюлярные сигналы
Метаболизм может также регулироваться внешними сигналами, такими как изменения температуры, кислородного состава или наличие токсинов, которые могут активировать или ингибировать определенные пути метаболизма.
🧠Мнемоника :
Руководители Генетической Реакции - Ензимы и Гормоны!
• Р — регуляция
• Г — гормоны
• Р — реакции ферментов
• Е — экстрацеллюлярные сигналы
• Г — генетические процессы
6.1. Регуляция через ферменты
Основной механизм регуляции метаболизма заключается в контроле активности ферментов. Ферменты катализируют метаболические реакции, и их активность может быть изменена различными факторами, такими как концентрация субстрата, наличие кофакторов или ингибиторов, а также фосфорилирование.
• Активация и ингибирование ферментов: Некоторые ферменты активируются или ингибируются с помощью молекул, которые изменяют их структуру или активный центр. Например, фермент пируватдегидрогеназа активируется через дефосфорилирование, а ингибируется при фосфорилировании.
• Аллостерическая регуляция: Многие ферменты имеют аллостерические сайты, к которым могут связываться молекулы, изменяющие их активность. Эти молекулы называются аллостерическими регуляторами.
6.2. Регуляция через гормоны
Гормоны играют важную роль в регуляции метаболизма, контролируя активность ферментов и обеспечивая адаптацию к изменениям потребности в энергии. Например:
• Инсулин стимулирует синтез гликогена и снижение уровня глюкозы в крови, активируя ферменты, которые участвуют в гликогенезе и гликолизе.
• Глюкагон активирует ферменты, которые стимулируют расщепление гликогена (гликогенолиз) и производство глюкозы из аминокислот (глюконеогенез).
6.3. Регуляция через доступность субстратов
Метаболизм также регулируется доступностью субстратов. Например, если в клетке много глюкозы, активируются ферменты, участвующие в её расщеплении, а если запас глюкозы исчерпан, активируются ферменты для синтеза глюкозы.
6.4. Регуляция через экстрацеллюлярные сигналы
Метаболизм может также регулироваться внешними сигналами, такими как изменения температуры, кислородного состава или наличие токсинов, которые могут активировать или ингибировать определенные пути метаболизма.
🧠Мнемоника :
Руководители Генетической Реакции - Ензимы и Гормоны!
• Р — регуляция
• Г — гормоны
• Р — реакции ферментов
• Е — экстрацеллюлярные сигналы
• Г — генетические процессы
Краткое содержание
1. Метаболизм – совокупность всех реакций в клетке, делится на:
• Анаболизм – синтез сложных молекул, требует энергию (АТФ).
• Катаболизм – расщепление молекул, высвобождает энергию.
2. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) – основной путь окисления ацетил-КоА.
• Генерирует 3 НАДН, 1 ФАДН₂, 1 ГТФ.
• Включает продукты обмена жиров, углеводов, белков.
3. Окислительное фосфорилирование – процесс получения АТФ:
• НАДН и ФАДН₂ отдают электроны в дыхательную цепь.
• Протоны выкачиваются в межмембранное пространство.
• Возвращаясь через АТФ-синтазу, они обеспечивают синтез АТФ.
4. АТФ – универсальная молекула энергии, необходимая для биосинтеза, транспорта веществ и движения клетки.
• Анаболизм – синтез сложных молекул, требует энергию (АТФ).
• Катаболизм – расщепление молекул, высвобождает энергию.
2. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) – основной путь окисления ацетил-КоА.
• Генерирует 3 НАДН, 1 ФАДН₂, 1 ГТФ.
• Включает продукты обмена жиров, углеводов, белков.
3. Окислительное фосфорилирование – процесс получения АТФ:
• НАДН и ФАДН₂ отдают электроны в дыхательную цепь.
• Протоны выкачиваются в межмембранное пространство.
• Возвращаясь через АТФ-синтазу, они обеспечивают синтез АТФ.
4. АТФ – универсальная молекула энергии, необходимая для биосинтеза, транспорта веществ и движения клетки.
1. Introduction to Metabolism
Metabolism consists of two opposing but interconnected processes: anabolism and catabolism. These processes occur simultaneously and are regulated to provide the cell with the necessary energy and building blocks for functioning, growth, and division.
1.1. What is Metabolism?
Metabolism is the collection of all chemical reactions occurring in cells and tissues to sustain life. It is a complex system of reactions that includes both the breakdown of substances for energy production (catabolism) and the synthesis of new molecules for cell growth and repair (anabolism).
Metabolism can be divided into two main processes:
• Anabolism (synthetic reactions) — the process of building complex molecules from simpler ones. Anabolism requires energy, which is usually derived from ATP molecules.
• Catabolism (breaking down substances) — the process of breaking down complex molecules into simpler ones, releasing energy that is used to synthesize ATP or other energy molecules.
These processes always occur simultaneously in the cell and are balanced to maintain cellular homeostasis (the stability of the internal environment).
1.2. Main Functions of Metabolism
Metabolism serves three major functions in the cell:
• Energy function:
• Provides the cell with energy necessary for all its functions. Energy is used in biochemical reactions for molecule synthesis, substance transport, cell shape changes, and cell division.
• For example, in the process of catabolism of carbohydrates, fats, and proteins, energy is released and captured in ATP molecules. ATP, in turn, is the main source of energy for anabolic processes and other cellular activities.
• Plastic function:
• The synthesis of macromolecules (e.g., proteins, nucleic acids, lipids) that serve as building blocks for cells and tissues. These molecules are necessary for growth, repair, and maintaining cell structure.
• For example, proteins are synthesized from amino acids, and lipids from fatty acids and glycerol. These molecules are involved in the formation of cell membranes, enzymes, and other important structures.
• Specific function:
• Involves the synthesis and breakdown of molecules necessary for specific cell functions, such as information transmission, cellular signaling, maintaining cellular structures, and stress protection. For example, the synthesis and metabolism of hormones, enzymes, and neurotransmitters, which regulate other processes in the organism.
• Example: the synthesis of hormones like insulin or adrenaline plays a key role in regulating blood sugar levels and carbohydrate metabolism.
1.3. Relationship Between Anabolism and Catabolism
Anabolism and catabolism do not exist in isolation from each other; instead, they are tightly connected and complement each other:
• Catabolism is the process of breaking down molecules, releasing energy, which is then used by the cell to synthesize ATP. ATP, in turn, is the primary source of energy for anabolic processes.
• Anabolism, on the other hand, uses this energy to build complex molecules that are essential for the cell’s growth, repair, and other functions.
These processes often occur in different parts of the cell or in different cells of the organism, and they are balanced to ensure optimal conditions for the cell’s survival. For example, when the cell activates catabolism (e.g., during fasting), it releases energy that can then be used for molecule synthesis in anabolic reactions.
1.4. Homeostasis and Its Maintenance
Metabolism plays a central role in maintaining homeostasis — the stability of the internal environment of the cell and the organism. Homeostasis is maintained through:
• Regulation of molecule concentrations: For example, the glucose level in the blood is regulated through a balance of synthesis (gluconeogenesis) and breakdown (glycogenolysis).
• Energy generation: Maintaining the necessary level of energy for various cellular functions, such as molecule synthesis and transport.
• Thermal stability: Chemical reactions in the cell usually occur at an optimal temperature, and metabolism regulates the cell’s thermal balance.
1.5. Molecules Involved in Metabolism
Key molecules involved in metabolism include:
• ATP (adenosine triphosphate) — the molecule that stores and transfers chemical energy in the cell.
• NADH and FADH2 — reduced molecules that carry electrons and hydrogen atoms in catabolic pathways and oxidative phosphorylation.
• Glucose and fatty acids — the main sources of energy for cells.
• Amino acids — building blocks for protein synthesis.
• Nucleotides — components for nucleic acid (DNA and RNA) synthesis.
These molecules play critical roles in energy synthesis, cell structure building, and genetic information storage.
1.6. Metabolism and Its Interaction with the Environment
Metabolism is also closely linked with the external environment, as the cell must adapt to changes such as:
• Nutrient availability: The cell adapts to the abundance or scarcity of nutrients by adjusting the rates of catabolic and anabolic processes.
• Physical activity: For example, during physical exertion, the rate of carbohydrate and fat breakdown increases, boosting the organism’s energy demands.
• Stress conditions: In response to stress, such as high temperatures or infection, the cell activates specific metabolic pathways to protect itself, such as the synthesis of molecules involved in immune defense.
🧠Mnemonic :
Metabolism Actively Creates Amazing Generating Giant Molecules
• M — Metabolism
• A — Anabolism
• C — Catabolism
• A — Activity
• G — Homeostasis
• G — Hormones
• M — Molecules (Building blocks)
1.1. What is Metabolism?
Metabolism is the collection of all chemical reactions occurring in cells and tissues to sustain life. It is a complex system of reactions that includes both the breakdown of substances for energy production (catabolism) and the synthesis of new molecules for cell growth and repair (anabolism).
Metabolism can be divided into two main processes:
• Anabolism (synthetic reactions) — the process of building complex molecules from simpler ones. Anabolism requires energy, which is usually derived from ATP molecules.
• Catabolism (breaking down substances) — the process of breaking down complex molecules into simpler ones, releasing energy that is used to synthesize ATP or other energy molecules.
These processes always occur simultaneously in the cell and are balanced to maintain cellular homeostasis (the stability of the internal environment).
1.2. Main Functions of Metabolism
Metabolism serves three major functions in the cell:
• Energy function:
• Provides the cell with energy necessary for all its functions. Energy is used in biochemical reactions for molecule synthesis, substance transport, cell shape changes, and cell division.
• For example, in the process of catabolism of carbohydrates, fats, and proteins, energy is released and captured in ATP molecules. ATP, in turn, is the main source of energy for anabolic processes and other cellular activities.
• Plastic function:
• The synthesis of macromolecules (e.g., proteins, nucleic acids, lipids) that serve as building blocks for cells and tissues. These molecules are necessary for growth, repair, and maintaining cell structure.
• For example, proteins are synthesized from amino acids, and lipids from fatty acids and glycerol. These molecules are involved in the formation of cell membranes, enzymes, and other important structures.
• Specific function:
• Involves the synthesis and breakdown of molecules necessary for specific cell functions, such as information transmission, cellular signaling, maintaining cellular structures, and stress protection. For example, the synthesis and metabolism of hormones, enzymes, and neurotransmitters, which regulate other processes in the organism.
• Example: the synthesis of hormones like insulin or adrenaline plays a key role in regulating blood sugar levels and carbohydrate metabolism.
1.3. Relationship Between Anabolism and Catabolism
Anabolism and catabolism do not exist in isolation from each other; instead, they are tightly connected and complement each other:
• Catabolism is the process of breaking down molecules, releasing energy, which is then used by the cell to synthesize ATP. ATP, in turn, is the primary source of energy for anabolic processes.
• Anabolism, on the other hand, uses this energy to build complex molecules that are essential for the cell’s growth, repair, and other functions.
These processes often occur in different parts of the cell or in different cells of the organism, and they are balanced to ensure optimal conditions for the cell’s survival. For example, when the cell activates catabolism (e.g., during fasting), it releases energy that can then be used for molecule synthesis in anabolic reactions.
1.4. Homeostasis and Its Maintenance
Metabolism plays a central role in maintaining homeostasis — the stability of the internal environment of the cell and the organism. Homeostasis is maintained through:
• Regulation of molecule concentrations: For example, the glucose level in the blood is regulated through a balance of synthesis (gluconeogenesis) and breakdown (glycogenolysis).
• Energy generation: Maintaining the necessary level of energy for various cellular functions, such as molecule synthesis and transport.
• Thermal stability: Chemical reactions in the cell usually occur at an optimal temperature, and metabolism regulates the cell’s thermal balance.
1.5. Molecules Involved in Metabolism
Key molecules involved in metabolism include:
• ATP (adenosine triphosphate) — the molecule that stores and transfers chemical energy in the cell.
• NADH and FADH2 — reduced molecules that carry electrons and hydrogen atoms in catabolic pathways and oxidative phosphorylation.
• Glucose and fatty acids — the main sources of energy for cells.
• Amino acids — building blocks for protein synthesis.
• Nucleotides — components for nucleic acid (DNA and RNA) synthesis.
These molecules play critical roles in energy synthesis, cell structure building, and genetic information storage.
1.6. Metabolism and Its Interaction with the Environment
Metabolism is also closely linked with the external environment, as the cell must adapt to changes such as:
• Nutrient availability: The cell adapts to the abundance or scarcity of nutrients by adjusting the rates of catabolic and anabolic processes.
• Physical activity: For example, during physical exertion, the rate of carbohydrate and fat breakdown increases, boosting the organism’s energy demands.
• Stress conditions: In response to stress, such as high temperatures or infection, the cell activates specific metabolic pathways to protect itself, such as the synthesis of molecules involved in immune defense.
🧠Mnemonic :
Metabolism Actively Creates Amazing Generating Giant Molecules
• M — Metabolism
• A — Anabolism
• C — Catabolism
• A — Activity
• G — Homeostasis
• G — Hormones
• M — Molecules (Building blocks)
2. Anabolism
Anabolism is the process of synthesizing complex molecules from simpler ones, which requires energy for its realization. In the cells of the body, anabolic processes include the synthesis of proteins, nucleic acids, polysaccharides, lipids, and other macromolecules. These molecules are used for cell growth and repair, as well as for performing specific cellular functions such as information transfer or energy storage.
Anabolism involves energy expenditure, as synthesizing complex molecules requires energy. The main source of this energy is ATP molecules, as well as NADPH (the reduced form of nicotinamide adenine dinucleotide phosphate).
2.1. Protein Synthesis
Proteins are essential macromolecules that perform many functions in the cell, including enzymatic activity, structural support, transport of substances, and others. Protein synthesis occurs in two main stages:
1. Translation — the synthesis of a polypeptide chain on ribosomes using the information encoded in RNA molecules. During translation, mRNA carries the instructions for protein synthesis.
2. Post-translational Modifications — after synthesis, the polypeptide chain undergoes various chemical modifications (such as phosphorylation, glycosylation), which are necessary for protein activation or functional changes.
Example: The synthesis of the protein hemoglobin begins with the transcription of the hemoglobin gene into mRNA in the nucleus, after which this mRNA is translated into an amino acid sequence in ribosomes. The protein then undergoes post-translational modifications, such as binding with metals or carbohydrates.
2.2. Nucleic Acid Synthesis
Nucleic acids (DNA and RNA) are the main molecules that carry genetic information within the cell.
• DNA synthesis: Occurs during DNA replication, where a DNA molecule doubles before cell division.
This process uses individual nucleotides that join together to form new DNA strands. The process is catalyzed by the enzyme DNA polymerase.
• RNA synthesis: The process of transcription, where one strand of DNA is used as a template for synthesizing an RNA molecule. This is necessary for transmitting genetic information from the nucleus to the cytoplasm, where it is used for protein synthesis.
• DNA Repair: After DNA synthesis, the DNA molecule may undergo repair (to fix damage) using various enzymes, which is also a part of anabolism.
Example: During cell division, the DNA molecule replicates to form two identical molecules for the two daughter cells, which requires the active involvement of enzymes such as DNA polymerase.
2.3. Polysaccharide Synthesis
Polysaccharides are carbohydrates composed of several monomers, such as glucose, that can serve as energy reserves or structural components of cells.
• Glycogen is the main storage carbohydrate in humans, synthesized from glucose during glycogenesis. Glycogen is stored in the liver and muscles for energy reserves that can be quickly mobilized when needed.
• Cellulose is the main structural carbohydrate in plants, synthesized from glucose in plant cells.
Example: Glycogen synthesis occurs in the liver when glucose is phosphorylated and added to the glycogen molecule. This provides a quick source of energy when required.
2.4. Lipid Synthesis
Lipids are important molecules used for energy storage as well as for creating cell membranes.
• Triglycerides are the primary form of fat storage in the body. They are synthesized in fat cells from fatty acids and glycerol. This process is called lipogenesis.
• Phospholipids are the main components of cell membranes. The synthesis of phospholipids occurs through various metabolic pathways, including fatty acid metabolism.
• Cholesterol is an important lipid synthesized in cells, especially in the liver, from acetyl-CoA. Cholesterol serves as a precursor for the synthesis of steroid hormones, bile acids, and vitamin D.
Example: Lipid metabolism occurs in liver cells, where fatty acids are synthesized from acetyl-CoA and then combined with glycerol to form triglycerides.
2.5. Amino Acid Synthesis
Amino acids are the building blocks for proteins. Some amino acids can be synthesized in the body (non-essential amino acids), while others must be obtained from food (essential amino acids).
• Synthesis of non-essential amino acids occurs through metabolic pathways that involve intermediates from carbohydrates, fats, and other amino acids.
• Transamination: This process involves the transfer of an amino group from one amino acid to another, enabling the synthesis of different amino acids from others.
Example: Glutamate and aspartate can be used to synthesize other amino acids through the transamination process.
2.6. Role of NADPH in Anabolism
NADPH plays a crucial role in anabolic processes by providing hydrogen atoms for synthetic reactions. This is especially important for the synthesis of fatty acids and cholesterol.
The process of NADPH formation occurs in the pentose phosphate pathway and glycolysis, where glucose-6-phosphate is oxidized to form NADPH. This process is necessary for the synthesis of molecules like fatty acids, cholesterol, and other lipids.
🧠Mnemonic :
Actively Newly Synthesized Molecules, Organizing Logical Integral Zeal
• A — Amino acids, nucleotides
• N — Nucleic acids
• S — Protein synthesis
• M — Molecules (Fatty acids, carbohydrates)
• O — Organizing cell structures
• L — Lipids
• I — Insulin (Metabolic regulation)
• Z — Energy (for synthesis)
Anabolism involves energy expenditure, as synthesizing complex molecules requires energy. The main source of this energy is ATP molecules, as well as NADPH (the reduced form of nicotinamide adenine dinucleotide phosphate).
2.1. Protein Synthesis
Proteins are essential macromolecules that perform many functions in the cell, including enzymatic activity, structural support, transport of substances, and others. Protein synthesis occurs in two main stages:
1. Translation — the synthesis of a polypeptide chain on ribosomes using the information encoded in RNA molecules. During translation, mRNA carries the instructions for protein synthesis.
2. Post-translational Modifications — after synthesis, the polypeptide chain undergoes various chemical modifications (such as phosphorylation, glycosylation), which are necessary for protein activation or functional changes.
Example: The synthesis of the protein hemoglobin begins with the transcription of the hemoglobin gene into mRNA in the nucleus, after which this mRNA is translated into an amino acid sequence in ribosomes. The protein then undergoes post-translational modifications, such as binding with metals or carbohydrates.
2.2. Nucleic Acid Synthesis
Nucleic acids (DNA and RNA) are the main molecules that carry genetic information within the cell.
• DNA synthesis: Occurs during DNA replication, where a DNA molecule doubles before cell division.
This process uses individual nucleotides that join together to form new DNA strands. The process is catalyzed by the enzyme DNA polymerase.
• RNA synthesis: The process of transcription, where one strand of DNA is used as a template for synthesizing an RNA molecule. This is necessary for transmitting genetic information from the nucleus to the cytoplasm, where it is used for protein synthesis.
• DNA Repair: After DNA synthesis, the DNA molecule may undergo repair (to fix damage) using various enzymes, which is also a part of anabolism.
Example: During cell division, the DNA molecule replicates to form two identical molecules for the two daughter cells, which requires the active involvement of enzymes such as DNA polymerase.
2.3. Polysaccharide Synthesis
Polysaccharides are carbohydrates composed of several monomers, such as glucose, that can serve as energy reserves or structural components of cells.
• Glycogen is the main storage carbohydrate in humans, synthesized from glucose during glycogenesis. Glycogen is stored in the liver and muscles for energy reserves that can be quickly mobilized when needed.
• Cellulose is the main structural carbohydrate in plants, synthesized from glucose in plant cells.
Example: Glycogen synthesis occurs in the liver when glucose is phosphorylated and added to the glycogen molecule. This provides a quick source of energy when required.
2.4. Lipid Synthesis
Lipids are important molecules used for energy storage as well as for creating cell membranes.
• Triglycerides are the primary form of fat storage in the body. They are synthesized in fat cells from fatty acids and glycerol. This process is called lipogenesis.
• Phospholipids are the main components of cell membranes. The synthesis of phospholipids occurs through various metabolic pathways, including fatty acid metabolism.
• Cholesterol is an important lipid synthesized in cells, especially in the liver, from acetyl-CoA. Cholesterol serves as a precursor for the synthesis of steroid hormones, bile acids, and vitamin D.
Example: Lipid metabolism occurs in liver cells, where fatty acids are synthesized from acetyl-CoA and then combined with glycerol to form triglycerides.
2.5. Amino Acid Synthesis
Amino acids are the building blocks for proteins. Some amino acids can be synthesized in the body (non-essential amino acids), while others must be obtained from food (essential amino acids).
• Synthesis of non-essential amino acids occurs through metabolic pathways that involve intermediates from carbohydrates, fats, and other amino acids.
• Transamination: This process involves the transfer of an amino group from one amino acid to another, enabling the synthesis of different amino acids from others.
Example: Glutamate and aspartate can be used to synthesize other amino acids through the transamination process.
2.6. Role of NADPH in Anabolism
NADPH plays a crucial role in anabolic processes by providing hydrogen atoms for synthetic reactions. This is especially important for the synthesis of fatty acids and cholesterol.
The process of NADPH formation occurs in the pentose phosphate pathway and glycolysis, where glucose-6-phosphate is oxidized to form NADPH. This process is necessary for the synthesis of molecules like fatty acids, cholesterol, and other lipids.
🧠Mnemonic :
Actively Newly Synthesized Molecules, Organizing Logical Integral Zeal
• A — Amino acids, nucleotides
• N — Nucleic acids
• S — Protein synthesis
• M — Molecules (Fatty acids, carbohydrates)
• O — Organizing cell structures
• L — Lipids
• I — Insulin (Metabolic regulation)
• Z — Energy (for synthesis)
3. Catabolism
Catabolism is the process of breaking down complex molecules into simpler ones, releasing energy that is used for synthesizing ATP. Catabolism can be divided into three stages, each with its own characteristics and molecules involved in the processes.
3.1. First Stage: Digestion and Breakdown of Molecules in Cells
Digestion occurs in the gastrointestinal tract (mainly in the stomach and intestines), where complex molecules (e.g., carbohydrates, proteins, and fats) are broken down into simpler components.
• Carbohydrates are broken down into monosaccharides (e.g., glucose, fructose, galactose).
• Proteins are broken down into amino acids.
• Fats are broken down into fatty acids and glycerol.
Once these molecules are broken down, they are absorbed into the bloodstream and transported into cells, where they undergo further catabolic reactions.
Approximately 1% of energy is released in this stage, which dissipates as heat. The remaining energy will be used in the following stages.
3.2. Second Stage: Conversion to Pyruvate (Pyruvic Acid) and Acetyl-CoA
In the second stage, the breakdown products are converted into pyruvate or acetyl-CoA, which are then used for energy production.
• Glycolysis — the oxidation of monosaccharides (mainly glucose) in the cytoplasm, leading to the formation of pyruvate. This process also generates 2 ATP and 2 NADH molecules, which are used in the subsequent stages.
• Fatty acid catabolism — occurs in mitochondria via β-oxidation, where fatty acids are broken down into acetyl-CoA, which then enters the citric acid cycle (Krebs cycle).
• Amino acid catabolism — amino acids are broken down into various keto acids, which can then be converted into acetyl-CoA or pyruvate.
At this stage, approximately 30% of energy is released, and about 13% of this energy is used to synthesize ATP.
3.3. Third Stage: Oxidation in the Citric Acid Cycle (TCA) and ATP Formation
This is the most important stage, where the complete oxidation of carbon atoms occurs, generating the highest amount of energy.
The citric acid cycle (TCA) occurs in the mitochondria, where acetyl-CoA is oxidized, releasing carbon dioxide and energy, which is captured in the form of NADH and FADH2. These molecules are then used for ATP synthesis in the next stage.
Approximately 70% of energy from the molecule is released, and about 46% of this energy is used to synthesize ATP.
3.4. Oxidative Phosphorylation: ATP Synthesis through the Electron Transport Chain
After passing through the citric acid cycle, reduced equivalents (NADH and FADH2) transfer their electrons to the electron transport chain, located in the inner mitochondrial membrane. This process generates a proton gradient across the membrane, which is used by ATP synthase to synthesize ATP.
The energy released during this process is used to generate 32 ATP molecules for every glucose molecule.
🧠Mnemonic :
Catabolism Occurs as Release of Energy in The Transformation of Organic Molecules
• C — Catabolism
• O — Oxidation
• R — Breakdown
• E — Energy
• T — Transport of substances
• T — Heat (released in the process)
• O — Oxidative processes
• M — Molecules (Pyruvate, Acetyl-CoA)
3.1. First Stage: Digestion and Breakdown of Molecules in Cells
Digestion occurs in the gastrointestinal tract (mainly in the stomach and intestines), where complex molecules (e.g., carbohydrates, proteins, and fats) are broken down into simpler components.
• Carbohydrates are broken down into monosaccharides (e.g., glucose, fructose, galactose).
• Proteins are broken down into amino acids.
• Fats are broken down into fatty acids and glycerol.
Once these molecules are broken down, they are absorbed into the bloodstream and transported into cells, where they undergo further catabolic reactions.
Approximately 1% of energy is released in this stage, which dissipates as heat. The remaining energy will be used in the following stages.
3.2. Second Stage: Conversion to Pyruvate (Pyruvic Acid) and Acetyl-CoA
In the second stage, the breakdown products are converted into pyruvate or acetyl-CoA, which are then used for energy production.
• Glycolysis — the oxidation of monosaccharides (mainly glucose) in the cytoplasm, leading to the formation of pyruvate. This process also generates 2 ATP and 2 NADH molecules, which are used in the subsequent stages.
• Fatty acid catabolism — occurs in mitochondria via β-oxidation, where fatty acids are broken down into acetyl-CoA, which then enters the citric acid cycle (Krebs cycle).
• Amino acid catabolism — amino acids are broken down into various keto acids, which can then be converted into acetyl-CoA or pyruvate.
At this stage, approximately 30% of energy is released, and about 13% of this energy is used to synthesize ATP.
3.3. Third Stage: Oxidation in the Citric Acid Cycle (TCA) and ATP Formation
This is the most important stage, where the complete oxidation of carbon atoms occurs, generating the highest amount of energy.
The citric acid cycle (TCA) occurs in the mitochondria, where acetyl-CoA is oxidized, releasing carbon dioxide and energy, which is captured in the form of NADH and FADH2. These molecules are then used for ATP synthesis in the next stage.
Approximately 70% of energy from the molecule is released, and about 46% of this energy is used to synthesize ATP.
3.4. Oxidative Phosphorylation: ATP Synthesis through the Electron Transport Chain
After passing through the citric acid cycle, reduced equivalents (NADH and FADH2) transfer their electrons to the electron transport chain, located in the inner mitochondrial membrane. This process generates a proton gradient across the membrane, which is used by ATP synthase to synthesize ATP.
The energy released during this process is used to generate 32 ATP molecules for every glucose molecule.
🧠Mnemonic :
Catabolism Occurs as Release of Energy in The Transformation of Organic Molecules
• C — Catabolism
• O — Oxidation
• R — Breakdown
• E — Energy
• T — Transport of substances
• T — Heat (released in the process)
• O — Oxidative processes
• M — Molecules (Pyruvate, Acetyl-CoA)
4. Role of ATP in the Cell
ATP (adenosine triphosphate) is the main molecule that stores and transfers chemical energy in the cell. ATP plays a central role in metabolism, providing the energy required for various biological processes.
4.1. Energy Exchange
ATP is used in the cell as the primary energy carrier. During catabolic reactions, energy is released and captured in ATP molecules. This energy is then released during anabolic reactions to drive the synthesis of complex molecules.
4.2. Biosynthesis of Molecules
ATP is necessary for synthesizing molecules such as proteins, lipids, carbohydrates, and nucleic acids. These reactions require energy, which is provided through the hydrolysis of ATP.
4.3. Transport of Substances across Membranes
ATP is required for the active transport of molecules across cell membranes. For example, sodium-potassium ATPase uses ATP to transport ions against their concentration gradient across the cell membrane.
4.4. Cell Shape Change and Movement
ATP is used for changing cell shape and movement, which is important for processes like phagocytosis, amoeboid cell movement, and muscle contraction.
4.5. Information Transfer
ATP also participates in cellular signaling pathways. For instance, cAMP (cyclic adenosine monophosphate) is an ATP derivative that acts as a second messenger, activating various cellular reactions, including enzyme regulation and gene activation.
🧠Mnemonic 1:
ATP — Top Form for Energy Vital!
• A — ATP
• T — Transport
• F — Phosphorylation
• E — Energy
• V — Cellular processes
🧠Mnemonic 2:
Adrenaline Thinks to Form Energy Molecules
• A — Adenosine triphosphate (ATP)
• T — Transport of substances
• F — Phosphorylation
• E — Energy
4.1. Energy Exchange
ATP is used in the cell as the primary energy carrier. During catabolic reactions, energy is released and captured in ATP molecules. This energy is then released during anabolic reactions to drive the synthesis of complex molecules.
4.2. Biosynthesis of Molecules
ATP is necessary for synthesizing molecules such as proteins, lipids, carbohydrates, and nucleic acids. These reactions require energy, which is provided through the hydrolysis of ATP.
4.3. Transport of Substances across Membranes
ATP is required for the active transport of molecules across cell membranes. For example, sodium-potassium ATPase uses ATP to transport ions against their concentration gradient across the cell membrane.
4.4. Cell Shape Change and Movement
ATP is used for changing cell shape and movement, which is important for processes like phagocytosis, amoeboid cell movement, and muscle contraction.
4.5. Information Transfer
ATP also participates in cellular signaling pathways. For instance, cAMP (cyclic adenosine monophosphate) is an ATP derivative that acts as a second messenger, activating various cellular reactions, including enzyme regulation and gene activation.
🧠Mnemonic 1:
ATP — Top Form for Energy Vital!
• A — ATP
• T — Transport
• F — Phosphorylation
• E — Energy
• V — Cellular processes
🧠Mnemonic 2:
Adrenaline Thinks to Form Energy Molecules
• A — Adenosine triphosphate (ATP)
• T — Transport of substances
• F — Phosphorylation
• E — Energy
5. ATP Synthesis
ATP synthesis occurs in the cell by using the energy released during catabolic reactions. The ATP synthesis process can be broken down into several stages.
5.1. Glycolysis
Glycolysis is the first stage of glucose breakdown, occurring in the cytoplasm of the cell and does not require oxygen (anaerobic process).
Glycolysis breaks down one molecule of glucose into two molecules of pyruvate, releasing energy in the form of 2 ATP molecules (net gain) and 2 NADH molecules, which will be used in the subsequent stages.
5.2. Citric Acid Cycle (TCA)
If the cell is in aerobic conditions (with oxygen), pyruvate from glycolysis is transported into the mitochondria, where it is converted to acetyl-CoA and enters the citric acid cycle.
In this cycle, acetyl-CoA is oxidized, releasing energy that is then used to reduce NAD and FAD to NADH and FADH2. These reduced equivalents are used for ATP synthesis in the next stage.
5.3. Oxidative Phosphorylation
Oxidative phosphorylation takes place in the inner mitochondrial membrane and is the most efficient ATP synthesis process. It includes the electron transport chain and ATP synthase.
During the electron transport chain, NADH and FADH2 transfer electrons through several complexes, generating a proton gradient across the mitochondrial membrane. This gradient is then used by ATP synthase to produce ATP.
🧠Mnemonic :
Glycolysis, Citric Acid Cycle, and Oxidative Phosphorylation — Strength for ATP!
• G — Glycolysis
• C — Citric acid cycle
• O — Oxidative phosphorylation
• S — Synthesis
• ATP
5.1. Glycolysis
Glycolysis is the first stage of glucose breakdown, occurring in the cytoplasm of the cell and does not require oxygen (anaerobic process).
Glycolysis breaks down one molecule of glucose into two molecules of pyruvate, releasing energy in the form of 2 ATP molecules (net gain) and 2 NADH molecules, which will be used in the subsequent stages.
5.2. Citric Acid Cycle (TCA)
If the cell is in aerobic conditions (with oxygen), pyruvate from glycolysis is transported into the mitochondria, where it is converted to acetyl-CoA and enters the citric acid cycle.
In this cycle, acetyl-CoA is oxidized, releasing energy that is then used to reduce NAD and FAD to NADH and FADH2. These reduced equivalents are used for ATP synthesis in the next stage.
5.3. Oxidative Phosphorylation
Oxidative phosphorylation takes place in the inner mitochondrial membrane and is the most efficient ATP synthesis process. It includes the electron transport chain and ATP synthase.
During the electron transport chain, NADH and FADH2 transfer electrons through several complexes, generating a proton gradient across the mitochondrial membrane. This gradient is then used by ATP synthase to produce ATP.
🧠Mnemonic :
Glycolysis, Citric Acid Cycle, and Oxidative Phosphorylation — Strength for ATP!
• G — Glycolysis
• C — Citric acid cycle
• O — Oxidative phosphorylation
• S — Synthesis
• ATP
6. Regulation of Metabolism
Metabolism is regulated by various mechanisms that control the rate and direction of biochemical reactions in the cell. These regulatory systems ensure that the cell adapts to changes in the external and internal environment.
6.1. Regulation Through Enzymes
The main mechanism of metabolic regulation is the control of enzyme activity. Enzymes catalyze metabolic reactions, and their activity can be modified by factors such as substrate concentration, the presence of cofactors or inhibitors, and phosphorylation.
• Activation and inhibition of enzymes: Some enzymes are activated or inhibited by molecules that change their structure or active site. For example, the enzyme pyruvate dehydrogenase is activated by dephosphorylation and inhibited by phosphorylation.
• Allosteric regulation: Many enzymes have allosteric sites that bind molecules that modify their activity. These molecules are called allosteric regulators.
6.2. Regulation Through Hormones
Hormones play a key role in regulating metabolism by controlling enzyme activity and ensuring adaptation to changes in energy demands. For example:
• Insulin stimulates glycogen synthesis and lowers blood glucose levels by activating enzymes involved in glycogenesis and glycolysis.
• Glucagon activates enzymes that stimulate glycogen breakdown (glycogenolysis) and glucose production from amino acids (gluconeogenesis).
6.3. Regulation Through Substrate Availability
Metabolism is also regulated by substrate availability. For example, if the cell has an abundance of glucose, enzymes involved in its breakdown are activated, while processes like gluconeogenesis (the synthesis of glucose) are inhibited. Conversely, when glucose levels are low, gluconeogenesis is activated, and processes like glycolysis (glucose breakdown) are suppressed.
6.4. Regulation Through External Signals
Metabolism can also be regulated by external signals, such as changes in temperature, oxygen levels, or the presence of toxins, which can activate or inhibit specific metabolic pathways.
🧠Mnemonic :
Regulators of Genetic Reactions - Enzymes and Hormones!
• R — Regulation
• G — Hormones
• R — Reactions of enzymes
• E — External signals
• H — Genetic processes
6.1. Regulation Through Enzymes
The main mechanism of metabolic regulation is the control of enzyme activity. Enzymes catalyze metabolic reactions, and their activity can be modified by factors such as substrate concentration, the presence of cofactors or inhibitors, and phosphorylation.
• Activation and inhibition of enzymes: Some enzymes are activated or inhibited by molecules that change their structure or active site. For example, the enzyme pyruvate dehydrogenase is activated by dephosphorylation and inhibited by phosphorylation.
• Allosteric regulation: Many enzymes have allosteric sites that bind molecules that modify their activity. These molecules are called allosteric regulators.
6.2. Regulation Through Hormones
Hormones play a key role in regulating metabolism by controlling enzyme activity and ensuring adaptation to changes in energy demands. For example:
• Insulin stimulates glycogen synthesis and lowers blood glucose levels by activating enzymes involved in glycogenesis and glycolysis.
• Glucagon activates enzymes that stimulate glycogen breakdown (glycogenolysis) and glucose production from amino acids (gluconeogenesis).
6.3. Regulation Through Substrate Availability
Metabolism is also regulated by substrate availability. For example, if the cell has an abundance of glucose, enzymes involved in its breakdown are activated, while processes like gluconeogenesis (the synthesis of glucose) are inhibited. Conversely, when glucose levels are low, gluconeogenesis is activated, and processes like glycolysis (glucose breakdown) are suppressed.
6.4. Regulation Through External Signals
Metabolism can also be regulated by external signals, such as changes in temperature, oxygen levels, or the presence of toxins, which can activate or inhibit specific metabolic pathways.
🧠Mnemonic :
Regulators of Genetic Reactions - Enzymes and Hormones!
• R — Regulation
• G — Hormones
• R — Reactions of enzymes
• E — External signals
• H — Genetic processes
Summary
1. Metabolism – the sum of all reactions in a cell, divided into:
• Anabolism – synthesis of complex molecules, requiring energy (ATP).
• Catabolism – breakdown of molecules, releasing energy.
2. Tricarboxylic Acid Cycle (TCA Cycle, Krebs Cycle) – the main pathway for acetyl-CoA oxidation.
• Generates 3 NADH, 1 FADH₂, 1 GTP.
• Integrates the breakdown of fats, carbohydrates, and proteins.
3. Oxidative Phosphorylation – ATP production process:
• NADH and FADH₂ donate electrons to the respiratory chain.
• Protons are pumped into the intermembrane space.
• As they return through ATP synthase, ATP is synthesized.
4. ATP – the universal energy molecule, essential for biosynthesis, transport, and cell movement.
• Anabolism – synthesis of complex molecules, requiring energy (ATP).
• Catabolism – breakdown of molecules, releasing energy.
2. Tricarboxylic Acid Cycle (TCA Cycle, Krebs Cycle) – the main pathway for acetyl-CoA oxidation.
• Generates 3 NADH, 1 FADH₂, 1 GTP.
• Integrates the breakdown of fats, carbohydrates, and proteins.
3. Oxidative Phosphorylation – ATP production process:
• NADH and FADH₂ donate electrons to the respiratory chain.
• Protons are pumped into the intermembrane space.
• As they return through ATP synthase, ATP is synthesized.
4. ATP – the universal energy molecule, essential for biosynthesis, transport, and cell movement.