mini|desno|300px|Uopćeni prikaz katabolizma proteina, ugljikohidrata i masti. Metabolizam (grč. μεταβολήσμός - metabolos = promjena) je biohemijski proces u kojem dolazi do mijenjanje hemijskih jedinjenja u živim organizmima i ćelijama. Metabolizam se dijeli na anabolizam odnosno biosintezu (stvaranje) kompleksnih organskih molekula i na katabolizam koji je obrnuti proces od anabolizma, a to je razlaganje složenih organskih jedinjenja u jednostavnije sastojke. Sveukupni biohemijski procesi u jednom organizmu se jednom riječju nazivaju metabolizam. Najveći uticaj u metabolizmu ima endokrini sistem. Metabolizam predstavlja određenu grupu hemijskih promjena kojima se održava život u ćelijama. Ove reakcije su katalizirane enzimima. One omogućavaju organizmima da rastu i da se reproduciraju, održe svoje strukture i odgovore na energetske utjecaje prirodne okoline. Naziv metabolizam se također može odnositi i na sve hemijske reakcije koje se odvijaju u živim organizmima, uključujuću varenje i prenos supstanci unutar i između različith ćelija. Skup hemijskih reakcija unutar ćelija naziva se intermedijarni metabolizam ili ćelijski metabolizam. Voet D., Voet J. (1995): Biochemistry, 2nd Edition, Wiley, http://www.wiley.com/college/math/chem/cg/sales/voet.html |id=}}
Neorganske i organske supstance koje dospjevaju u ćeliju su podložne biohemijskim promjenama. Razlažu se unijete supstance, uz oslobađanje energije, a sinteziraju se nove koje ulaze u sastav ćelije, pri čemu se energija troši.
Ćelijski metabolizam je temelj svih životnih aktivnosti - od jednoćelijskih do najsloženijih višećelijskih oblika života - čini mreža metaboličkih procesa, povezanih u uskladenu i dinamičnu cjelinu organizma. Uravnotežen sistem na ovoj razini je također uslov za održavanje homeostaze. U tom sistemu prometa materije i energije u ćeliji, veoma su važne redukcijske i oksidacijske reakcije, koje omogućavaju preobrazbu odgovarajućih molekula. Oksidacija molekula je posljedica gubitka elektrona iz nekog od njihovih atoma, dok je redukcija suprotan proces. Oksidacija i redukcija uzajmno su povezane i uslovljene reakcije, jer ako jedan atom otpušta elektrone, neki drugi ih mora primiti (pošto oni ne mogu postojati nezavisno).
Prelazak elektrona iz jedne molekule u drugu praćen je oslobađanjem odgovarajućih količina energije. Stoga su oksidacija i redukcija posebno značajne u energetskom bilansu ćelije, kao svojevrsni pokazatelji intenziteta razgradnje postojećih supstanci (katabolizam) i izgradnje novih (anabolizam).Međedović S., Maslić E., Hadžiselimović R. (2000): Biologija 2. Svjetlost, Sarajevo, .Korene Z., Hadžiselimović R., Maslić E. (2001): Biologija za 8. razred osnovne škole. Svjetlost, Sarajevo, .
Osnovni energetski izvori su organski spojevi. Oslobođena energija tokom oksidacijsko-redukcijskih (redoks) procesa u ćeliji može se iskoristiti jedino posredstvom posebnih molekula, koje su u stanju vezati relativno mnogo energije, a zatim je trošiti u odgovarajućim sintetskim procesima. U tom pogledu, najznačajnije molekule su adenozin trifosfata (ATP). To je nukleotidni derivat adenina, koji ima tri fosfatne skupine. Otpuštanjem jedne od njih, nastaje adenozin-difosfat (ADP), uz oslobađanje značajne količine energije. Adenozin-monofosfat (AMP) ima malo energije, a nastaje od ADP (gubitkom jedne fosfatne skupine). Međutim, on i ADP imaju veoma jak afinitet prema fosfatnoj kiselini pa je povratna reakcija brza i djelotvorna u smjeru:
+ (+ energija) → + (+ energija) → .
Utrošena energija na oba koraka iznosi 29,3 kJ/mol. Prema tomne, u vezamna fosfatne grupe i adenina deponira se odgovarajuća količina energije, koja se obrnutim slijedom reakcija veoma lahko oslobađa i iskorištava u ćelijskom metabolizmu.
Pored toga, na intenzitet ćelijskog metabolizma posebno utiče prostorni raspored enzima koji pokreću i usaglašavaju sve stupnjeve reakcije u ćeliji, te funkcionalnost pojedinih ćelijskih organela i struktura.
Proces fotosinteze je jedan od najilustrativnijih primjera anaboličkih procesa u živom svijetu.
thumb|right|Struktura adenozin trifosfata (ATP), središnjeg posrednika u energijskom metabolizmu.
Pregled Metabolički sistem svakog organizma određuje koje će tvari biti hranljive, a kojeotrovne. Primjerice, neki prokarioti uzimaju vodik sulfid kao hranjivi sastojak, dok je taj gas otrovan za životinje.Friedrich C. (1998): Physiology and genetics of sulfur-oxidizing bacteria. Adv. Microb. Physiol., 39: 235–289.|pmid=9328649 |doi=10.1016/S0065-2911(08)60018-1 |series=Advances in Microbial Physiology |isbn=9780120277391}} Na količinu neophodne hrane za održavanje energetske ravnoteže (baznog metabolizma) utiče posebna brzina metabolizma, koja tako utiče i na način na koji organizam dolazi do hrane.
Jedno od osnovnih obilježja metabolizma je upadljiva sličnost osnovnih metaboličkih puteva i njihovih komponenti, čak i između veoma različitih vrsta. Na primjer, grupa karboksilnih kiselina koje su najbolje poznate kao međusupstance ciklusa limunske kiseline je prisutna u svim poznatim oblicima života, od jednoćelijskih bakterija (npr. Escherichia coli) do ogromnih višećelijskih organizama, kao što su slonovi. Vjeruje se da su te, ćesto neuočljive sličnosti metaboličkih puteva posljedica njihove rane pojave tokom evolucijske historije i stabilizacije zbog njihove djelotvornosti.
Ključne hemijske supstance u metabolizmu right|thumb|250px|Struktura triacilglicerolnog lipida. Većina struktura od kojih su građene životinje, biljke i mikroorganizmi sadrže tri osnovne klase molekula: aminokiseline, ugljikohidratii i lipidi (koji se često nazivaju mastima).
Budući da su te molekule osnova života, metaboličke reakcije su usmjerene na prepravljanje tih molekula za izgradnju sopstvenih ćelija i tkiva ili na njihovo razlaganje, pri čemu se iskorištavaju kao izvori energije putem varenja. Te supstance mogu biti spojene u polimere kao što su DNK i proteini, koje su osnovne makromolekule života. Tip molekuleMonomerni oblikPolimerni oblikPrimjeri polimernih oblikaAminokiselineAminokiselineProteini (polipeptidi)Fibrozni proteini i globularni proteiniUgljikohidratiMonosaharidiPolisaharidiSkrob, glikogen i celulozaNukleinske kiselineNukleotidiPolinukleotidiDNK i RNK
Aminokiseline i proteini Proteini se sastoje od aminokiselina, koje su povezane u linearne lance preko peptidnih veza. Pored toga, mnogi proteini su enzimi koji kataliziraju hemijske reakcije metabolizma. Drugi proteini imaju strukturne i/ili mehaničke uloge, kao što su oni koji izgrađuju citoskelet, sistem kojim se održava oblik ćelija.Nelson D, L., Cox M. M. (2005): Lehninger principles of biochemistry. W. H. Freeman and Comp., New York, . Aminokiseline također doprinose ćelijskom energetskom metabolizmu tako što služe kao izvor ugljika u cilusu limunske kiseline (Krebsov ciklus), što je osobito značajno u oskudici glavnih izvora energije, kao što je glukoza ili kad su ćelije izložene metaboličkom stresu.
Lipidi Lipidi ili masti su najraznovrsnija grupa biohemijskih supstanci. Njihova glavna uloga u ćelijskoj strukturi je prisustvo u građi bioloških membrana, unutrašnjih i spojnjih, kao što je ćelijska membrana ili služe kao bogat izvor energije. Lipidi se obično tumače kao hidrofobne ili amfifilne biološke molekule, iako se rastvaraju u organskim rastvaračima, kao što su benzen ili hloroform.Fahy E. et al. (2005): A comprehensive classification system for lipids. http://www.jlr.org/cgi/content/full/46/5/839 . J. Lipid Res., 46 (5): 839–861.|pmid=15722563 |doi=10.1194/jlr.E400004-JLR200. Masti su grupa velikih jedinjenja − spojevi masne kiseline i glicerola. Molekula glicerola je vezana za tri masne kiseline u estaru koji se zove triacilglicerid.Nomenclature of Lipids |publisher=IUPAC-IUB Commission on Biochemical Nomenclature (CBN),http://www.chem.qmul.ac.uk/iupac/lipid/. Postoji nekoliko varijacija ove osnovne strukture, uključujući i alternativne, kao što je sfingozin u sfingolipidima, i hidrofilne grupe kao što su fosfati u fosfolipidima. Steroidi, kao što je holesterol su također još jedna značajna klasa lipida.
Ugljikohidrati thumb|250px|right|Ravni oblik lanca se sastoji od četiri CHOH grupe, povezane u nizu, ograničene na krajevima aldehidnom grupom COH i metanol grupom CH2OH. Za izgradnju prstena, aldehidna grupa se kombinira sa OH grupom narednog − posljednjeg ugljika na drugom kraju, neposredno ispred metanolne grupe.
Ugljikohidrati su aldehidi ili ketoni sa nekoliko vezanih hidroksilnih grupa, koji mogu biti kao otvoreni lanci ili prstenovi. Ugljeni hidrati su najrasprostranjenije biološke molekule. Obavljaju brojne uloge, kao što je skladištenje i prenos energije (skrob, glikogen) i kao strukturni dijelovi (celuloza u biljkama, hitin kod životinja). Osnovne ugljikohidratne jedinice su monosaharidi, koji obuhvataju galaktozu, fruktozu, i glukozu. Monosaharidi se mogu povezati u polisaharide, na gotovo neograničen broj načina.
Nukleotidi U molekulama dva oblika nukleinskih kiselina – DNK i/ili RNK – zapisana je i pohranjena kompletna genetička informacija svake jedinke. To su polimeri nukleotida, tj. polinukleotidi. Svaki nukleotid se sastoji od fosfatne grupe koja je vezana za riboznu ili deoksiriboznu šećernu grupu, a ova dalje za dušikovu bazu. Nukleinske kiseline su nezamjenljive u pohranjivanju i izvršenju genetičke informacije, odnosno njeno tumačenje u procesima transkripcije i biosintezi proteina. Ta informacija je zaštićena putem mehanizma za popravku DNK i širi se preko DNK replikacije. Mnogi virusi imaju RNK genome, kao primjerice, HIV. Za kreiranje DNK šifre, oni koriste reverznu transkripciju iz sopstvenog virusnog RNK genoma. Budući da može katalizirati biohemijske reakcije, RNK u ribozimima, kao što su splajseosomi i ribosomi je slična enzimima. Pojedinačni nukleotidi nastaju vezivanjem nukleobaze za ribozni šećer. Baze su heterociklični prstenovi koji sadrže dušik, a uvrštena je kao purini ili pirimidini. U reakcijama prenosa metaboličkih grupa, nukleotidi također djeluju i kao koenzimi.
Koenzimi thumb|right|300px|Struktura koenzima acetil-KoA. Prenosiva acetil grupa je vezana za atom sumpora (na lijevoj strani strukture). Metabolizam obuhvata široku mrežu biohemijskih reakcija, od kojih se većina grupiše u nekoliko osnovnih vrsta, koje obuhvataju prenos funkcionalnih grupa atoma i njihovih veza unutar molekula. Taj zajednički hemizam omogućava ćelijama da prilikom prenosa hemijskih grupa u različitim reakcijama, koriste malu grupu metaboličkih međuproizvoda. Ti prenosni posrednici se nazivaju koenzimima. Svaka klasa reakcija takvih prenosa se odvija posredstvom posebnog koenzima, koji je supstrat grupi enzima koji ga proizvode, kao i za grupu enzima koji ga konzumiraju. Ti koenzimi se stoga stalno stvaraju, troše, a zatim recikliraju.
U ćelijama postoji jedan središnji koenzim – adenozin trifosfat (ATP) – univerzalni energijski (re)generator, koji se koristi za prenos hemijske energije između različitih hemijskih reakcija. Kako je u ćelijama raspoloživa relativno mala količina ATP molekula, one se stalno obnavljaju; ljudsko tijelo može za dan potrošiti ekvivalent sopstvene težine ATP molekula. ATP nergetski deluje kao preklopnik između katabolizma i anabolizma. Katabolizmom se molekule razgrađuju (uz dobitak energije), a anabolizmom se grade (uz utrošak energije). Kataboličke reakcije izgrađuju ATP, a anaboličke reakcije ga neprestano troše u smjeru: ATP → ADP → AMP i nazad (AMP → ADP → ATP... U reakcijama fosforilacije, ATP također služi za prenos fosfatne grupe. thumb|300px|Struktura hemoglobina: Proteinske podjedinice su obojene crveno i plavo, a hem grupa (koja sadrži željezo – zeleno. Prikaz je zasnovan na .