miniatyr|höger|400px|Översikt av citronsyracykeln, klicka för att se mer detaljer. Metabolism, även kallat ämnesomsättning, är ett sammanfattande namn på de processer där näringsämnen och läkemedel tas upp, omvandlas, bryts ner i kroppen, omsätts till energi och/eller avlägsnas ur kroppen. Här ingår ett mycket stort antal kemiska reaktioner. Dessa processer utgör grundvalen för själva livet. De gör det möjligt för cellerna att växa och föröka sig, att underhålla de strukturer som cellerna är uppbyggda av och att anpassa sig till förändringar i deras livsmiljö.
Metabolismen styrs av flera överordnade och samordnade organsystem och processer. Sköldkörteln bildar ämnesomsättningshormonerna tyroxin och trijodtyronin vilka reglerar ämnesomsättningens hastighet. Näringsämnena måste spjälkas loss från födan för att kunna upptas av blodet, vilket sker i matspjälkningen, varefter ämnena cirkulerar i blodomloppet tills de når målcellerna. Hjärt- och kärlsystemet självt förser cellerna dels med ämnesomsättningshormoner, dels med syre. Via utsöndringen och mag- och tarmsystemet lämnar slaggprodukter kroppen och ämnen absorberas.
Många av ämnesomsättningens kemiska reaktioner samverkar i välorganiserade kedjor, där en molekyl modifieras i flera steg från en form till en annan, med ett specifikt enzym för varje steg. Enzymerna är centrala för dessa processer, för de gör det möjligt för cellen att utföra termodynamiskt ofördelaktiga processer genom att dessa processer kopplas till processer som är termodynamiskt fördelaktiga. Detta kallas intermediär metabolism. Enzymerna gör också att cellen kan reglera processerna, det vill säga styra hur stor mängd molekyler som förändras, så att olika mängder produceras när förhållandena i omgivningen förändras.
Processerna delas in i två typer: Katabolism, sönderdelning av molekyler för att utvinna energi och byggstenar till andra processer. Ett exempel på detta är cellandning. Ett annat är den matsmältning som sker redan i munhålan och huvudsakligen består av mekanisk och kemisk bearbetning. När maten har processats och näringsämnena har brutits ner från stora molekyler till mindre tas de upp i blodet och transporteras ut till cellerna, antingen för att brytas ner ytterligare och/eller användas av anabolismen. Oanvändbara ämnen kan antingen passera rakt igenom matsmältningskanalen eller utsöndras ur kroppen genom särskilda utsöndringssystem, till exempel njurar och svettkörtlar.
Anabolism, uppbyggnad av stora molekyler, till exempel proteiner och aminosyror genom sammansättning av flera mindre molekyler. Den tar vid när näringsämnena har brutits ner till hanterbara molekyler.
Levern är viktig i ämnesomsättningen och både producerar enzymer och hanterar ämnen på cellnivå. Här omvandlas för kroppen svårhanterbara ämnen till något användbart eller något som är mera lättlösligt och därmed lättare att bli av med. (Dessa processer kan gå fel, till exempel nedbrytning av alkohol där etanol blir ättiksyra, naturligt förekommande i kroppen, metanol blir i samma process myrsyra som är mycket giftigt.)
Inom farmakokinetik används termen metabolism i betydelsen omvandling av läkemedel i kroppen. Där innebär exempelvis begreppet förstapassagemetabolism att ett läkemedel som intas via munnen förändras innan det når blodomloppet, och begreppet fas II-metabolism att kroppen konjugerar ämnet med någon syra, till exempel fosfat eller glukuronsyra, så att det därigenom blir mer lättlösligt.
Vad kroppen upplever som näring respektive gift beror på vilka processer den har tillgång till i sitt metaboliska system. En del prokaryoter lever på vätesulfid och utvinner sin energi ur den. Men för alla djur är vätesulfid ett gift. Metabolismens snabbhet påverkar starkt hur mycket näring cellen behöver.
Ett slående förhållande med metabolismen är att det finns så stora likheter mellan olika organismer som inte alls är närbesläktade. Så har man till exempel funnit samma karboxylsyror både i bakterien Escherichia coli och i elefantens alla celler. Dessa likheter beror troligen på att processerna fanns i en gemensam förfader i evolutionshistorien.
De ämnen som metaboliserats utsöndras via njurarna i urinen. Fettlösliga ämnen (steroider) utsöndras via gallan. Ibland kan dessa tas upp av tarmarna nedanför gallblåsan och åter transporteras till levern i det så kallade enterohepatiska kretsloppet.
De viktigaste biologiska molekylerna höger|miniatyr|250px|Triacylglycerol, en lipid. De strukturer som djur, växter och mikroorganismer består av byggs upp av ett stort antal olika molekyler. Men man brukar dela in dem i klasser som har stora likheter inbördes. De tre största av dessa grupper är: Aminosyror Kolhydrater Lipider (som också kan kallas för fetter) Metabolismen består av processer som tillverkar de molekyler som cellens strukturer byggs upp av och processer för att dela upp molekyler så att cellen kan utvinna energi ur dem. De molekyler som sönderdelas för att ge energi kan komma direkt från födan eller tas från cellens egna strukturer. En del av de små molekyler som blir resultatet vid energiutvinning blir byggstenar som används av de uppbyggande processerna.
Många viktiga biologiska molekyler byggs upp genom att ett stort antal små molekyler ur en ganska liten grupp fogas samman i långa rader. Ett ord för sådana sammansatta molekyler i allmänhet är polymer och de enkla beståndsdelarna kallas följdriktigt för monomerer. De viktigaste av polymererna är DNA och proteiner. Nedan följer en tabell med dessa och några till. MolekyltypGemensamt namn för de monomerer som ingårGemensamt namn för polymerer av denna typExempel på specifika polymerer av denna typAminosyraAminosyraProtein, polypeptidFiberprotein, globulärt proteinKolhydratMonosackaridPolysackaridStärkelse, glykogen, cellulosaNukleinsyraNukleotidPolynukleotidDNA, RNA
Aminosyror och proteiner Proteiner består av aminosyror som är fästade i varandra i långa kedjor, varje aminosyra är fäst vid två andra, utom de i ändarna. Den bindning som bygger upp proteinerna kallas peptidbindning. Många av proteinerna är enzym, som katalyserar de kemiska processer som metabolismen består av. Andra proteiner utgör den mekaniska stommen, cytoskelettet i cellen, eller har mekaniska funktioner. Proteiner är också viktiga som signalsubstanser för kommunikation mellan celler, som antikroppar i immunförsvaret, för att hålla ihop celler som utgör vävnad tillsammans och för att utföra aktiv transport av vissa molekyler mellan cellens insida och utsida över cellmembranet.
Lipider
Lipider är en samlingsbeteckning för många olika molekyler. Deras viktigaste funktioner är som isolerande skikt i cellmembranet mellan cellens inre och ämnena utanför, och som energilager. Oftast definieras lipiderna som de biologiska molekyler som är hydrofoba eller amfipatiska och som kan lösas i organiska lösningsmedel (till exempel bensen).
Fetterna är en stor grupp av lipider som består av fettsyror och glycerol. Triacylglycerol är en molekyl som kan bildas av tre fettsyreestrar som binds samman av en glycerolmolekyl.
Kolhydrater miniatyr|250px|höger|Glukos finns i två former, som en ring och som en linjär kedja. Kolhydrater är kedjor i formen av aldehyder eller ketoner med många hydroxylgrupper. De kan vara enkelt linjära, hänga ihop i en ring, eller vara glest grenade. Kolhydraterna är de allra vanligaste molekylerna i den biologiska världen och de har många olika funktioner, till exempel lagring och transport av energi (stärkelse, glykogen) och att ge mekanisk stadga och form åt cellen (cellulosa i växter, kitin i många djur). De grundläggande byggstenarna för kolhydrater kallas monosackarider. Kolhydrater kan också kallas polysackarider. Den mest förekommande heter glukos, men det finns många andra varianter, till exempel galaktos och fruktos. Det stora antalet varianter av monosackarider och möjligheten att införa förgreningar gör att kolhydraterna förekommer i oerhört många varianter.
Arvsmassan - nukleotider Polymererna DNA och RNA är långa kedjor av nukleotider. Dessa molekyler innehåller och långtidslagrar all genetisk information i levande organismer. Den definierar vilka proteiner som ska bildas genom transkription följd av proteinsyntes. Informationen i DNA skyddas av särskilda reparationsmekanismer och mångfaldigas av replikationsprocessen. Ett fåtal virustyper, till exempel HIV, långtidslagrar sin genetiska information i RNA. Dessa använder omvänd transkription för att skapa DNA utifrån sin RNA. Medan de flesta RNA-molekylerna används endast som specifikation för protein som ska tillverkas, finns ett relativt fåtal RNA-molekyler som används direkt som de är, till exempel i ribosomer. miniatyr|höger|300px|Koenzym As struktur. Den överförbara acetylgruppen är bunden till svavelatomen längst till vänster.
Koenzym Metabolismen innefattar ett mycket stort antal kemiska reaktioner. Men de flesta kan grupperas i någon av ett fåtal grundläggande reaktionstyper som överför en funktionell grupp mellan två molekyler. Denna gemensamma kemi gör att cellerna kan klara sig med förhållandevis få typer av överföringsmolekyler, som förmedlar funktionella grupper mellan olika reaktioner. De här överföringsmolekylerna kallas koenzym. Man brukar säga att de kemiska reaktioner som överför funktionella grupper med hjälp av samma koenzym hör till samma klass. Lägg märke till att koenzymet här utgör substrat för enzymerna. En del av enzymerna tillverkar koenzymet medan andra tar isär det igen.
Adenosintrifosfat (ATP) är ett mycket viktigt koenzym. Det är helt dominerande i funktionen att överföra energi mellan olika processer. (Det är också en nukleotid.) Nästan alla processer i cellen som behöver energi får energin genom att ATP tillförs. Det gäller till exempel anaboliska processer och muskelarbete. ATP tillverkas av kataboliska processer. Vid varje given tidpunkt finns endast ett relativt fåtal ATP-molekyler. Men det förbrukas och återbildas i mycket hög takt. Under ett dygn producerar (och förbrukar) en människokropp ungefär sin egen vikt av ATP. ATP används också för att placera fosfatgrupper på olika molekyler (fosforylering).
Mineraler och kofaktorer miniatyr|höger|300px|Proteinet hemoglobin, som innehåller fyra så kallade hemgrupper, färgade gröna i bilden. De innehåller järn och är nödvändiga för dess funktion att transportera syre. Oorganiska ämnen har också viktiga funktioner i metabolismen. En del förekommer i stora mängder i cellen, till exempel natrium och kalium. Andra förekommer endast i mycket små koncentrationer, till exempel selen. I en däggdjurscell utgörs 99% av hela massan av grundämnena kol, kväve, kalcium, natrium, klor, kalium, väte, syre och svavel. De organiska molekylerna (proteiner, kolhydrater och lipider) innehåller huvuddelen av kolet och kvävet medan det mesta av syret och vätet finns i vattenmolekyler. De oorganiska grundämnen som förekommer rikligt fungerar som joniska elektrolyter. De viktigaste jonerna är natrium, kalium, kalcium, magnesium, klor, fosfat och den organiska jonen bikarbonat. Cellerna upprätthåller precis rätt osmotiskt tryck och pH-skillnad över cellmembranet genom att reglera koncentrationerna av joner på insidan och utsidan. De gör det genom att aktivt transportera väl valda joner genom membranet. Jonerna är också viktiga för nervernas och musklernas funktion. Aktiviteten i dessa vävnader sätts igång när joner flödar snabbt över membrangränsen. Elektrolyterna kommer in i och lämnar cellen genom särskilda proteiner som ligger inbäddade i cellmembranet.