متابولیسم چیست؟ – هر آنچه باید بدانید

پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری متابولیسم، فیلم آموزش رایگان آن در فرادرس را تماشا کنید که آن را در همین کادر زیر آورده‌ایم و برای تماشا کافی است روی آن کلیک کنید.

تاریخچه متابولیسم

اصطلاح متابولیسم از واژه یونانی تغییر یا دگرگونی گرفته شده است. اولین آزمایش‌های کنترل شده در متابولیسم انسان توسط «سانتوریو سانتوریو» ‌(Santorio Santorio) در سال 1614 منتشر شد، او این آزمایش‌ها را در کتاب خود (Ars de Statica Medecina) نوشت که نام او را در سراسر اروپا مشهور کرد. وی مجموعه آزمایشات طولانی خود را در این کتاب توصیف کرد که در طی این آزمایش‌ها، وزن خود را در صندلی معلق از تعادل استیلارد (قپان) قبل و بعد از خوردن غذا، خوابیدن، کار کردن، رابطه جنسی، روزه گرفتن، محرومیت از نوشیدن و اجابت مزاج اندازه‌گیری کرده بود. او دریافت که تاکنون بیشترین ماده غذایی که او مصرف کرده است از طریق تعریق از بدن از دست می‌رود.

متابولیسم سلولی

متابولیسم سلولی مجموع بسیاری از فرآیند‌های منفرد در حال انجام است که توسط آن‌ها سلول‌های زنده مولکول‌های مغذی را پردازش کرده و فعالیت‌های حیاتی خود را حفظ می‌کنند. متابولیسم شامل دو بخش مجزا است:

فیلم آموزش زیست‌ شناسی سلولی

کلیک کنید

• آنابولیسم (Anabolism) یا فراگشت که عبارت است از مجموعه فرآیند‌هایی که سلول در آن از انرژی و قدرت احیاکنندگی (کاهش) استفاده می‌کند (توانایی کاهش شیمیایی، یعنی اضافه کردن الکترون به یک مولکول) تا بتواند مولکول‌های پیچیده را سنتز کند و سایر کارکرد‌های حیاتی مانند ایجاد ساختار سلولی را انجام دهد.
• کاتابولیسم (Catabolism) یا فرو گشت عبارت است از مجموعه فرآیند‌هایی که سلول در آن مولکول‌های پیچیده‌ای را تجزیه می‌کند تا بتواند مولکول‌های حامل انرژی و با قدرت احیا کنندگی را تولید کند.

متابولیسم سلولی شامل توالی بسیار پیچیده واکنش‌های شیمیایی کنترل شده به نام مسیر‌های متابولیک است.

مسیر‌های متابولیک

تنوع زیادی از مسیر‌های متابولیکی تحت عنوان دو موضوع، آنابولیسم و کاتابولیسم سازماندهی شده که در ادامه در مورد آن‌ها بحث خواهد شد. برای یادگیری بهتر متابولیسم و مسیرهای متابولیک، مشاهده فیلم آموزش «متابولیسم چیست» را پیشنهاد می‌دهیم که لینک آن در کادر زیر درج شده است.

فیلم آموزش متابولیسم و نقش آن در بدن در فرادرس

کلیک کنید

آنابولیسم

آنابولیسم بخشی از متابولیسم است که مولکول‌های بزرگتری را ایجاد می‌کند. در واقع آنابولیسم مجموعه‌ای از فرآیند‌های متابولیکی است که ترکیبات آلی را از مولکول‌های کوچکتر ساخته و بیشتر به سمت مونتاژ آن‌ها به روش‌هایی که باعث ایجاد اندام‌ها و بافت‌ها می‌شوند، تمایل دارند. این فرایند‌ها در رشد و تمایز سلول‌ها، افزایش اندازه بدن و تولید مثل نقش مهمی دارند. نمونه‌هایی از فرآیند‌های آنابولیک شامل رشد و معدنی شدن استخوان و افزایش توده عضلانی هستند.

مسیر‌های آنابولیک که باعث ایجاد واحدهای ساختاری و ترکیبات مختلف از پیش ساز‌های ساده می‌شوند، شامل موارد زیر هستند:

• گلیکوژنز (تبدیل گلوکز به گلیکوژن، یک مولکول بزرگ برای ذخیره‌سازی گلوکز)
• گلوکونوژنز (تشکیل گلوکز از بستر‌های کربن غیرقندی)
• مسیر سنتز پورفیرین (یک پورفیرین کمپلکسی با یک اتم فلزی را تشکیل می‌دهد، مانند گروه هِم کمپلکس آهن - پورفیرین که در خون انسان وجود دارد).
• مسیر ردوکتاز HMG-CoA، منجر به سنتز کلسترول و ایزوپرونوئید‌ها می‌شود.
• مسیر‌های متابولیک ثانویه مولکول‌هایی را تولید می‌کنند که برای رشد، توسعه یا تولید مثل ضروری نیستند اما ممکن است امکان بقا را در مواقع استرس محیطی تقویت کنند.
• فتوسنتز
  • واکنش وابسته به نور گیا‌هان سبز (واکنش نوری یا واکنشی در فتوسنتز که به نور نیاز دارد)
  • واکنش مستقل از نور گیا‌هان (واکنش تاریکی یا واکنش‌هایی در فتوسنتز که نیازی به وجود نور ندارد)

• چرخه کالوین (چرخه‌ای از واکنش‌های فتوسنتز که محل انجام آن در استروما کلروپلاست است)
• تثبیت کربن (تبدیل دی اکسید کربن به مولکول‌های بزرگتر دارای کربن)
• چرخه گلی اگزالات (شامل تبدیل دو مولکول استیل-CoA به اگزالواستات)

کاتابولیسم

سلول‌ها از مونومر‌ها برای ساختن مولكول‌های جدید پلیمری یا جداسازی آن‌ها به متابولیت‌های سلولی ساده (اسید لاكتیک، اسید استیک، دی اکسید كربن، آمونیاک، اوره و غیره) استفاده می‌كنند.

سیگنال‌های آنابولیک و کاتابولیک

هورمون‌های آنابولیک

هورمون‌هایی که سیگنال‌های آنابولیکی را منتشر می‌کنند، شامل:

• هورمون رشد
• IGF1 و سایر فاکتور‌های رشد انسولین مانند
• انسولین
• تستوسترون
• استروژن

هورمون‌های کاتابولیک

هورمون‌های سیگنال دهنده برای واکنش‌های کاتابولیکی عبارتند از:

• کورتیزول
• گلوکاگون
• آدرنالین و سایر کاتکول آمین‌ها
• سیتوکین‌ها

هورمون‌هایی هم شناسایی شدند که در ایجاد تعادل بین حالت‌های کاتابولیکی و آنابولیکی وارد عمل می‌شوند که شامل موارد زیر هستند:

• اورکسین و هیپوکرتین (یک جفت هورمونی)
• ملاتونین

مسیر‌های کلی متابولیکی

چهار مسیر اساسی متابولیک در سلول‌ها وجود دارد که به شرح زیر هستند:

• متابولیسم کربوهیدرات
• متابولیسم اسید چرب
• متابولیسم پروتئین
• متابولیسم اسید نوکلئیک

در ادامه کاتابولیسم کربوهیدرات، کاتابولیسم چربی، کاتابولیسم پروتئین و کاتابولیسم اسید نوکلئیک را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

کاتابولیسم کربوهیدرات

کاتابولیسم چربی

کاتابولیسم چربی، همچنین به عنوان کاتابولیسم لیپید شناخته می‌شود، فرایندی است که به وسیله آن، لیپید‌ها یا فسفولیپید‌ها توسط آنزیم‌های لیپاز‌ تجزیه می‌شوند. نقطه مقابل کاتابولیسم چربی، آنابولیسم چربی است که ذخیره چربی‌ها به عنوان مولکول‌های پرانرژی و واحدهای تشکیل دهنده ساختمان غشا‌ها را در بر می‌گیرد.

فیلم آموزش بیوشیمی کربوهیدرات و لیپید در فرادرس

کلیک کنید

کاتابولیسم پروتئین

کاتابولیسم اسید چرب

اسید‌های چرب منبع مهمی ‌از انرژی برای بسیاری از ارگانیسم‌ها محسوب می‌شوند. تری گلیسیرید‌ها یا مولکول‌هایی که اسید‌های چرب را در خود ذخیره می‌کنند، بیش از دو برابر انرژی ذخیره شده در همان مقدار کربوهیدرات یا پروتئین‌ را تولید می‌کنند. تمام غشا‌های سلولی از فسفولیپید‌ها ساخته شده‌اند که هر یک از آن‌ها حاوی دو اسید چرب هستند. اسید‌های چرب نیز معمولاً برای اصلاح پروتئین مورد استفاده قرار می‌گیرد و تمام هورمون‌های استروئیدی در نهایت از اسید‌های چرب حاصل می‌شوند.

بنابراین متابولیسم اسید‌های چرب هر دو فرآیند متابولیسمی را شامل می‌شود، که از طریق اسید‌های چرب انرژی و متابولیت‌های اولیه تولید می‌کنند و فرآیند‌های آنابولیکی آن‌ها مولکول‌های مهم بیولوژیکی را از اسید‌های چرب و سایر منابع کربن در رژیم غذایی ایجاد می‌کنند.

اسید‌های چرب منبع مهمی ‌از انرژی هستند، زیرا آن‌ها هم احیا شده و هم «بدون آب» (Anhydrous) هستند. بازده انرژی از یک گرم اسید‌های چرب تقریباً 9 کیلو کالری (39 کیلوژول) است، در حالی که 4 کیلو کالری (17 کیلو گرم در گرم) از یک گرم از پروتئین‌ها و کربوهیدرات‌ها به دست می‌آید.

از آنجا که اسید‌های چرب مولکول‌های غیر قطبی هستند، می‌توان آن‌ها را در محیط نسبتاً بدون آب (فاقد آب) نگهداری کرد. از طرف دیگر، کربوهیدرات‌ها بسیار هیدراته هستند و از این رو قطبی‌تر به شمار می‌آیند. به عنوان مثال، یک گرم گلیکوژن (از کربوهیدرات) می‌تواند تقریباً به دو گرم آب متصل شود که به معنی 1٫33 کیلوکالری در گرم (5‎6 کیلو گرم در گرم) است. این بدان معنی است که اسید‌های چرب می‌توانند بیش از شش برابر مقدار انرژی را حفظ کنند.

به عبارت دیگر، اگر بدن انسان برای ذخیره انرژی به کربوهیدرات متکی باشد، در این صورت یک فرد نیاز به حمل 31 کیلوگرم گلیکوژن دارد تا بتواند به انرژی معادل با پنج کیلوگرم از چربی را به دست آورد.

متابولیسم‌های دیگر

مسیرهای متابولیسمی دیگری نیز در بدن وجود دارد که در این بخش به آن‌ها اشاره می‌شود:

متابولیسم دارویی

متابولیسم دارویی شامل مسیرهایی است که از سیستم‌های آنزیمی اختصاصی برای تغییر یا تجزیه داروها و سایر ترکیبات زنوبیوتیک استفاده می‌کند. «زنوبیوتیک» (Xenobiotic) یا بیگانه زیست عبارت است از ترکیبات شیمیایی خارجی که به طور طبیعی در بدن جانداران تولید نمی‌شود و وجود ندارد. از جمله مسیرهای متابولیسم دارویی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• سیستم سیتوکروم P 450 اکسیداز
• سیستم فلاوین - مونواکسیژناز
• متابولیسم الکل

متابولیسم نیتروژن

• چرخه اوره، برای دفع نیتروژن به شکل اوره اهمیت دارد.
• تثبیت بیولوژیکی نیتروژن
• جذب نیتروژن (Nitrogen assimilation)
• شوره گذاری (Nitrification)
• شوره برداری (Denitrification)