мини|десно|250п|Структура аденозин трифосфата (-{ATP}-), централног интермедијера у енергијском метаболизму
Метаболизам ( што значи промена) је биохемијски процес у коме долази до модификације хемијских једињења у живим организмима и ћелијама. Метаболизам се дели на анаболизам односно биосинтезу (стварање) комплексних органских молекула и на катаболизам који је обрнути процес од анаболизма, а то је раздвајање комплексних органских једињења у једноставнија једињења. Свеукупни биохемијски процеси у једном организму се речју називају метаболизам. Без метаболизма живи организми не би могли да постоје.
Метаболизам је сет хемијских трансформација којима се одржава живот у ћелијама. Ове реакције су катализоване ензимима. Оне омогућавају организмима да расту и да се репродукују, одрже своје структуре, и да одговарају на стимулусе из околине. Реч метаболизам се исто тако може односити на све хемијске реакције које се одвијају у живим организмима, укључујућу варење и транспорт супстанци између различитих ћелија, у ком случају се сет реакција унутар ћелија назива интермедијерни метаболизам.
Хемијске реакције метаболизма су организоване у метаболичке путеве, у којима се једна хемикалија трансформише путем серије корака у другу хемикалију, посредством секвенце ензима. Ензими су од пресудног значаја за метаболизам, зато што они омогућавају организмима одвијање жељених реакција са високом енергијом активације које се не би спонтано одвијале. То се обично остварује путем спрезања тих реакција са спонтаним реакцијама у којима се отпушта енергија. Ензими делују као катализатори који омогућавају реакцијама да брже теку. Ензими исто тако омогућавају регулацију метаболичких путева у одговору на промене у ћелијском окружењу или на сигнале из других ћелија.
Метаболички систем датог организма одређује које супстанце ће бити хранљиве, а које ће бити отровне. На пример, неке прокариоте користе водоник сулфид као нутријент, док је тај гас отрован за животиње. Брзина метаболизма, метаболичка стопа, утиче на количину хране која је неопходна организму, а исто тако утиче и на начин на који организам долази до хране.
Упадљива одлика метаболизма је сличност основних метаболичких путева и њихових компоненти, чак и између веома различитих врста. На пример, група карбоксилних киселина које су најбоље познате као интермедијери циклуса лимунске киселине је присутна у свим познатим организмима, од једноћелијске бактерије -{Escherichia coli}- до огромних вишећелијских организама, као што су слонови. Те упадљиве сличности метаболичких путева су вероватно последица њихове ране појаве током еволуционе историје, и задржавања услед њихове ефикасности.
Кључне биохемикалије
десно|мини|250px|Структура триацилглицеролног липида
Већина структура од којих се састоје животиње, биљке и микроби су направљене од три основне класе молекула: аминокиселина, угљених хидрата и липида (који се често називају мастима). Пошто су ти молекули витални за живот, метаболичке реакције су усредсређене било на прављење тих молекула током конструкције ћелија и ткива, или на њихово разлагање, при чему се они користе као извори енергије, путем варења. Те биохемикалије могу да буду спојене у полимере као што су ДНК и протеини, есенцијални макромолекули живота. Тип молекулаИме мономерних формиИме полимерних формиПримери полимерних формиАминокиселинеАминокиселинеПротеини (такође познати као полипептиди)Фиброзни протеини и глобуларни протеиниУгљени хидратиМоносахаридиПолисахаридиСкроб, гликоген и целулозаНуклеинске киселинеНуклеотидиПолинуклеотидиДНК и РНК
Аминокиселине и протеини Протеини се састоје од аминокиселина уређених у линеарне ланце спојене пептидним везама. Многи протеини су ензими који катализују хемијске реакције метаболизма. Други протеини имају структурне и механичке функције, као што су они који формирају цитоскелетон, систем којим се одржава ћелијски облик. Протеини су исто тако важни у ћелијској сигнализацији, имунском респонсу, ћелијској адхезији, активном транспорту кроз мембране, и ћелијском циклусу. Аминокиселине такође доприносе ћелијском енергетском метаболизму, тако што служе као извор угљеника на улазу у цилус лимунске киселине (Кребсов циклус), што је посебно значајно кад су оне примарни извори енергије, као што случај кад је глукоза оскудна, или кад ћелије подлежу метаболичком стресу.
Липиди Липиди су најразноврснија група биохемикалија. Њихова главна структурна улага је да су компонента биолошких мембрана, унутрашњих и спољашњих, као што је ћелијска мембрана. Они су исто тако значајан извор енергије. Липиди се обично дефинишу као хидрофобни или амфифилни биолошки молекули, мада се растварају у органским растварачима као што је бензен или хлороформ. Масти су група великих молекула који се састоје од масних киселина и глицерола; молекул глицерола везан за три масне киселине је естар који се зове триацилглицерид. Постоји неколико варијација ове основне структуре, укључујући алтернативне основе као што је сфингозин у сфинголипидима, и хидрофилне групе као што су фосфати у фосфолипидима. Стероиди, као што је холестерол, су још једна важна класа липида.
Угљени хидрати мини|250px|десно| alt = The straight chain form consists of four C H O H groups linked in a row, capped at the ends by an aldehyde group C O H and a methanol group C H 2 O H. To form the ring, the aldehyde group combines with the O H group of the next-to-last carbon at the other end, just before the methanol group.|Глукоза може да постоји као отворен ланац и као прстен.
Угљени хидрати су алдехиди или кетони, са неколико везаних хидроксилних група, који могу да постоје као отворени ланци или прстенови. Угљени хидрати су најраспрострањенији биолошки молекули. Они врше бројне улоге, као што је складиштење и транспорт енергије (скроб, гликоген) и као структурне компоненте (целулоза у биљкама, хитин код животиња). Основне угљено хидратне јединице се називају моносахаридима и обухватају између осталих галактозу, фруктозу, и глукозу. Моносахариди могу да буду повезани у полисахариде на скоро неограничен број начина.
Нуклеотиди Две нуклеинске киселине, ДНК и РНК, су полимери нуклеотида. Сваки нуклеотид се састоји од фосфата везаног за рибозну или дезоксирибозну шећерну групу, која је везана за азотну базу. Нуклеинске киселине су критичне за чување и употребу генетичке информације, и њену интерпретацију путем процеса транскрипције и биосинтезе протеина. Та информација је заштићена путем механизма за поправку ДНК и пропагира се путем ДНК репликације. Многи вируси имају РНК геноме, на пример ХИВ. Они користе реверзну транскрипцију за креирање ДНК шаблона из свог виралног РНК генома. РНК у рибозимима као што су сплајсеозоми и рибозоми је слична са ензимима у смислу да може да катализује хемијске реакције. Индивидуални нуклеотиди су формирани везивањем нуклеобазе за рибозни шећер. Те базе су хетероциклични прстенови који садрже азот. Они се класификују као пурини или пиримидини. Нуклеотиди исто тако делују као коензими у реакцијама трансфера метаболичких група.
Коензими мини|десно|300px|Структура коензима ацетил-КоА. Преносива ацетил група је везана за атом сумпора, на левој страни структуре.
Метаболизам обухвата широк низ хемијских реакција. Већина њих се може груписати у неколико основних типова реакција које обухватају трансфер функционалних група атома и њихових веза унутар молекула. Та заједничка хемија омогућава ћелијама да користе малу групу метаболичких интермедијера да преносе хемијске групе између различитих реакција. Ти интермедијери који преносе групе се називају коензимима. Свака класа реакција преноса група се изводи посредством специфичног коензима, који је супстрат за групу ензима који га производе, и за групу ензима који га конзумирају. Ти коензими се стога стално формирају, конзумирају и затим рециклирају.
Један централни коензим је аденозин трифосфат (-{ATP}-), који је универзална енергијска валута у ћелијама. Тај нуклеотид се користи за трансфер хемијске енергије између различитих хемијских реакција. Постоји релативно мала количина -{ATP}- молекула у ћелијама, али се они константно регенеришу, људско тело може да употреби еквивалент своје тежине -{ATP}- молекула на дан. -{ATP}- делује као мост између катаболизма и анаболизма. Катаболизмом се разлажу молекули, а анаболизмом се формирају. Катаболичке реакције генеришу -{ATP}-, а анаболичке реакције га конзумирају. -{ATP}- такође служи као преносник фосфатне групе у реакцијама фосфорилације.
мини|300px|Структура хемоглобина. Протеинске подјединице су обојене црвено и плаво, а хем група која садржи гвожђе зелено. Приказ је базиран на .
Витамин је органско једињење које је неопходно у малим количинама и које се не може формирати у ћелијама датог организма. У људској исхрани, витамини већином функционишу као коензими након модификације; на пример, сви у води растворни витамини су фосфорилисани или су спрегнути са нуклеотидима кад се користе у ћелијама. Никотинамид аденин динуклеотид -{NAD}-+), дериват витамина -{B}-3 (ниацина), важан је коензим који делује као акцептор водоника. Стотине различитих типова дехидрогеназа уклањају електроне са својих супстрата и редукују -{NAD}-+ до -{NADH}-. Том редукцијом се формира коензим је затим супстрат за било коју од редуктаза у ћелији, које редукују своје супстрате. Никотинамид аденин динуклеотид постоји у две сродне форме у ћелији, -{NADH}- и -{NADPH}-. -{NAD}-+/-{NADH}- форма је важнија у катаболичким реакцијама, док се -{NADP}-+/-{NADPH}- користи у анаболичким реакцијама.
Минерали и кофактори
Неоргански елементи играју критичне улоге у метаболизму; неки су изобилно заступљени (нпр. натријум и калијум), док други функционишу у веома малим концентрацијама. Око 99% масе сисара се састоји од елемената угљеник, азот, калцијум, натријум, хлор, калијум, водоник, фосфор, кисеоник и сумпор. Органска једињења (протеини, липиди и угљени хидрати) садрже највећи део угљеника и азота; највећи део кисеоника и водоника је присутан у облику воде.
Изобилни неоргански елементи делују као јонски електролити. Најважнији јони су натријум, калијум, калцијум, магнезијум, хлор, фосфор и органски јон бикарбонат. Одржавањем прецизних јонских градијената кроз ћелијске мембране одржава се осмотски притисак и -{pH}-. Јони су такође критични за функцију нерва и мишића, пошто се акциони потенцијали у тим ткивима производе разменом електролита између екстрацелуларног флуида и ћелијског флуида, цитозола. Електролити улазе и напуштају живе ћелије посредством протеина у ћелијској мембрани званих јонски канали. На пример, контракција мишића је зависна од кретања калцијума, натријума и калијума кроз јонске канале у ћелијској мембрани и Т-тубулама.
Прелазни метали су обично присутни као микроелементи организмима, при чему су цинк и гвожђе најзаступљенији међу њима. Ти метали се користе у појединим протеинима као кофактори и есенцијални су за активност ензима, као што су каталазе, и протеина који преносе кисеоник, као што је хемоглобин. Метални кофактори су снажно везани за специфична места у протеинима; мада ензимски кофактори могу да буду модификовани током катализе, они се увек враћају у своје почетно стање на крају каталитичке реакције. Метални микронутријенти се уносе у организме посредством специфичних транспортера и везују се за складишне протеине, као што је феритин или металотионеин, кад се не користе.
Метаболички процеси Метаболички процеси омогућују организму да расте, да се размножава, да одржава своју структуру и реагује на околину. Према метаболичким реакцијама, метаболизам се дели у две категорије: Катаболизам којим се разграђује органска материја (нпр. накупљање енергије ћелијским дисањем) Анаболизам који користи енергију за изградњу ћелијских делова (биосинтеза органске материје) као што су нпр. протеини и нуклеинске киселине.