Το σύνολο των χημικών αντιδράσεων που γίνονται στα κύτταρα των οργανισμών συνιστούν το μεταβολισμό, που διακρίνεται στον καταβολισμό και στον αναβολισμό.
Η μεταφορά ενέργειας μέσα στα κύτταρα γίνεται με τη σύζευξη των εξώθερμων με τις ενδόθερμες αντιδράσεις. Σε όλα τα κύτταρα για τη μεταφορά της χημικής ενέργειας από τις εξώθερμες στις ενδόθερμες αντιδράσεις χρησιμοποιείται κυρίως το μόριο ΑΤΡ.
Η ενέργεια που δεσμεύεται σ' αυτό το μόριο αποδίδεται για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών των διάφορων κυτταρικών λειτουργιών. Για το σχηματισμό του ΑΤΡ χρησιμοποιείται ενέργεια που προέρχεται από την κυτταρική αναπνοή και τη φωτοσύνθεση .
Λεξιλόγιο
►Ανοικτό σύστημα =Σύνολο υλικών τμημάτων σε επικοινωνία με το περιβάλλον, με το οποίο ανταλλάσσει ύλη και ενέργεια. ►Μεταβολισμός =Σύνολο χημικών αντιδράσεων που εξυπηρετεί την αξιοποίηση την υλικών και της ενέργειας που εξασφαλίζουν οι οργανισμοί από το περιβάλλον, είτε για την παραγωγή ενέργειας είτε για τη σύνθεση δομικών και λειτουργικών συστατικών τους. ►Καταβολισμός =Σκέλος του μεταβολισμού, κατά το οποίο γίνεται διάσπαση σύνθετων ουσιών σε απλούστερες, με απελευθέρωση συνήθως ενέργειας. ►Αναβολισμός =Σκέλος του μεταβολισμού, κατά τον οποίο γίνεται σύνθεση πολύπλοκων ουσιών από απλούστερες με κατανάλωση συνήθως ενέργειας. ►Εξώθερμη αντίδραση =Χημική αντίδραση, που αποδίδει ενέργεια. ►Ενδόθερμη αντίδραση =Χημική αντίδραση, που απορροφά ενέργεια. ►Τριφωσφορική αδενοσίνη (ΑΤΡ) =Χημική ένωση, που αποτελείται από ριβόζη, αδενίνη και τρεις φωσφορικές ομάδες, ενεργειακό «νόμισμα» του κυττάρου. ►ADP (διφωσφορική αδενοσίνη) =Νουκλεοτίδιο, που αποτελείται από αδενίνη, ριβόζη και δυο φωσφορικές ομάδες.
Οι χημικές αντιδράσεις που γίνονται στακύτταρα διευκολύνονται από τα ένζυμα. Τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες που επιταχύνουν τις μεταβολικές αντιδράσεις, ελαττώνοντας την ενέργεια ενεργοποίησης.
Η δράση των ενζύμων επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, όπως η θερμοκρασία, το pΗ, η συγκέντρωση του υποστρώματος και του ενζύμου. Μερικά ένζυμα, για να δράσουν, χρειάζονται τη βοήθεια ενός συμπαράγοντα, που είναι οργανική ένωση ή ανόργανο ιόν. Υπάρχουν ουσίες που αναστέλλουν τη δράση των ενζύμων και ονομάζονται αναστολείς.
Λεξιλόγιο
►Ενέργεια ενεργοποίησης =Η ελάχιστη ενέργεια που πρέπει να προσλάβουν τα αντιδρώντα, για να ξεκινήσει η αντίδραση. ►Ένζυμο =Πρωτεΐνη με καταλυτικές ιδιότητες. ►Καταλύτης =Ουσία που επιταχύνει μια χημική αντίδραση. ►Υπόστρωμα =Χημική ουσία, για τη μετατροπή της οποίας δρα το ένζυμο καταλύοντας την αντίστοιχη αντίδραση. ►Ενεργό κέντρο (ενζύμου) =Το μέρος του ενζύμου στο οποίο γίνεται η σύνδεση με το υπόστρωμα ή τα υποστρώματα, με αποτέλεσμα τη διευκόλυνση της χημικής αντίδρασης την οποία το ένζυμο καταλύει. ►Εξειδίκευση (ενζύμου) =Η ιδιότητα των ενζύμων να καταλύουν συνήθως μια απλή χημική αντίδραση ή μια σειρά από πολύ συγγενικές αντιδράσεις. ►Λιπάση =Ένζυμο, που καταλύει την υδρόλυση των λιπιδίων. ►Πρωτεάσες =Ένζυμα, που υδρολύουν πρωτεΐνες. ►Αναστολέας (ενζύμου) =Ουσία, που αναστέλλει, είτε μόνιμα είτε παροδικά, τη δράση ενός ενζύμου. ►Μεταβολική οδός =Ακολουθία ενζυμικών αντιδράσεων, κατά την οποία το προϊόν της μιας ενζυμικής αντίδρασης χρησιμεύει ως υπόστρωμα της άλλης. ►Συμπαράγοντας =μη πρωτεϊνικής φύσης ουσία (συνήθως ανόργανο ιόν) απαραίτητα στην καταλυτική δράση ενός ενζύμου. ►Ανιόν =Άτομο ή συγκρότημα ατόμων με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. ►Συνένζυμο =Οργανικός συμπαράγοντας απαραίτητος για τη δράση μερικών ενζύμων. ►Αποένζυμο =Το ένζυμο χωρίς το συνένζυμο. ►Ολοένζυμο =Το συνένζυμο μαζί με το αποένζυμο. ►Αναδραστική αναστολή =Διακοπή μιας μεταβολικής οδού από τη συσσώρευση ενός τελικού προϊόντος, το οποίο αναστέλλει τη δράση ενός από τα αρχικά ένζυμα της οδού.
Η φωτοσύνθεση είναι σημαντική μεταβολική διαδικασία, κατά την οποία η φωτεινή ενέργεια μετατρέπεται σε χημική.
Η φωτοσύνθεση στα φυτά γίνεται στα πράσινα μέρη τους, που είναι τα φύλλα και ο βλαστός. Στην κάτω επιδερμίδα των φύλλων βρίσκονται τα στόματα, διαμέσου των οποίων εισέρχεται το ατμοσφαιρικό CO2. Το Η2Ο εισέρχεται στις ρίζες και φτάνει στα φωτοσυνθετικά μέρη του φυτού μέσω των αγγείων.
Η δέσμευση της φωτεινής ενέργειας γίνεται από χρωστικές που βρίσκονται στα θυλακοειδή των χλωροπλαστών.
Η φωτοσύνθεση περιλαμβάνει δύο φάσεις, τη φωτεινή και τη σκοτεινή. Στη φωτεινή φάση, που γίνεται στα θυλακοειδή των χλωροπλαστών, φωτολύεται το Η2Ο και τα τελικά προϊόντα είναι ΝΑDΡΗ, ΑΤΡ και οξυγόνο. Στη σκοτεινή φάση, που γίνεται στο στρώμα του χλωροπλάστη, δεσμεύεται το ατμοσφαιρικό CO2 και παράγονται τα σάκχαρα.
Διάφοροι παράγοντες, όπως η ποσότητα της χλωροφύλλης, η θερμοκρασία, το φως, το CO2, το Η2Ο και η συγκέντρωση ανόργανων αλάτων, επηρεάζουν την απόδοση της φωτοσύνθεσης.
Φωτοσύνθεση γίνεται και σε ορισμένα είδη βακτηρίων και στα κυανοφύκη.
Λεξιλόγιο
►Φωτοσύνθεση =Μεταβολική διαδικασία, που καταλήγει στη σύνθεση υδατανθράκων από ανόργανες ενώσεις (νερό και διοξείδιο του άνθρακα) με τη βοήθεια της ηλιακής ακτινοβολίας. ►Αυτότροφος οργανισμός =Οργανισμός, που μετατρέπει ανόργανες ενώσεις σε οργανικές, χρησιμοποιώντας ως πηγή ενέργειας το φως (φωτοαυτότροφος) ή τη χημική ενέργεια (χημειοαυτότροφος). ►Παραγωγός =Φωτοσυνθετικός οργανισμός, που παράγει οργανικές ενώσεις χρησιμοποιώντας ανόργανες και την ηλιακή ακτινοβολία. ►Ετερότροφος οργανισμός =Οργανισμός (ζωικός ή μύκητας), που εξασφαλίζει την τροφή του καταναλώνοντας άλλους οργανισμούς ή οργανικά υλικά τους. ►Καταναλωτής =Οργανισμός, που δε φωτοσυνθέτει. ►Καταναλωτής πρώτης τάξης =Φυτοφάγος ζωικός οργανισμός, που τρέφεται αποκλειστικά με φυτά. ►Καταναλωτής δεύτερης τάξης =Σαρκοφάγος οργανισμός, που τρέφεται με φυτοφάγους οργανισμούς (καταναλωτές 1ης τάξης). ►Κυανοφύκος =Προκαρυωτικός οργανισμός, που κάνει τον ίδιο τύπο φωτοσύνθεσης με τα φυτά. ►Τροφική αλυσίδα =Αλληλουχία οργανισμών, που συνδέονται μεταξύ τους με τροφικές εξαρτήσεις. ►Αποικοδομητής =Ετερότροφος οργανισμός, που παίρνει ενέργεια από τη διάσπαση οργανικών ουσιών σε ανόργανες. ►Επιδερμίδα (φύλλων) =Εξωτερικός σχηματισμός από κύτταρα, που περιβάλλει το μεσόφυλλο και αφήνει ανοίγματα, τα στόματα. ►Εφυμενίδα =Ένα συνεχές αδιάβροχο υμένιο, που καλύπτει εξωτερικά την επιδερμίδα και του οποίου το πάχος κυμαίνεται ανάλογα με τις συνθήκες του περιβάλλοντος. ►Μεσόφυλλο =Ο χώρος στο φύλλο ανάμεσα στην πάνω και στην κάτω επιδερμίδα. Τα κύτταρά του φωτοσυνθέτουν. ►Στόματα =Ανοίγματα στην επιδερμίδα του φύλλου, μέσω των οποίων διέρχονται το διοξείδιο του άνθρακα, το οξυγόνο και υδρατμοί. ►Καταφρακτικά κύτταρα =Ένα ζευγάρι κυττάρων, που περιβάλλει κάθε στόμα της επιδερμίδας των φυτών. ►Διαπνοή =Η διαδικασία απώλειας του νερού από τα στόματα της επιδερμίδας των φυτών. ►Φως =Μορφή ενέργειας που ακτινοβολεί ο Ήλιος προς τη Γη. ►Βακτηριοχλωροφύλλες =Φωτοχρωστικές, που βρίσκονται στα φωτοσυνθετικά βακτήρια. ►Χλωροφύλλη =Πράσινη φωτοσυνθετική χρωστική, που βρίσκεται στους χλωροπλάστες. Δεσμεύει την ηλιακή ακτινοβολία, για να γίνει η διαδικασία της φωτοσύνθεσης. ►Καροτενοειδή =Φωτοσυνθετικές χρωστικές, που βρίσκονται στα θυλακοειδή του χλωροπλάστη και απορροφούν κυρίως την μπλε ακτινοβολία. ►Χλώρωση =Σύμπτωμα, που εμφανίζεται στα φυτά, όταν στερούνται μαγνήσιο ή άζωτο και χάνουν το πράσινο χρώμα τους. ►Φωτοσύστημα =Λειτουργική μονάδα στα θυλακοειδή του χλωροπλάστη, που περιλαμβάνει 200-300 μόρια χλωροφυλλών α και β και ένα εξειδικευμένο μόριο χλωροφύλλης α, το Ρ680 ή το Ρ700. ►Φωτεινή φάση =Το στάδιο εκείνο της φωτοσύνθεσης που εξαρτάται από το φως και οδηγεί στην παραγωγή ΑΤΡ, οξυγόνου και υδρογόνου. ►Σκοτεινή φάση =Το δεύτερο στάδιο της φωτοσύνθεσης, κατά το οποίο μόρια ΑΤΡ και υδρογόνο χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε υδατάνθρακες. ►Ιονισμός =Απώλεια ηλεκτρονίων. ►Φωτόλυση =Διάσπαση μιας ουσίας με τη βοήθεια του φωτός. ►NAD (νικοτινο-αμινο-αδενινο-δινουκλεοτίδιο) =Συνένζυμο, δέκτης υδρογόνων (Η+ +e-) ►NADP (νικοτινο-αμινο-αδενινο-δινουκλεοτίδιο φωσφορικό) =Συνένζυμο, δέκτης υδρογόνων (Η++e-), που συμμετέχει στη φωτοσύνθεση. ►Κυκλική φωτοφωσφορυλίωση =Στάδιο της φωτεινής φάσης της φωτοσύνθεσης, κατά το οποίο παράγεται ΑΤΡ. ►Κυτόχρωμα =Πρωτεΐνη, που περιέχει στο μόριό της σίδηρο και χρησιμεύει στη μεταφορά ηλεκτρονίων.
Στην προσομοίωση παρουσιάζεται η μεταφορά των ηλεκτρονίων του νερού στην NAD+ και η φωτόλυση του νερού. Επίσης, παρουσιάζονται οι αντλίες πρωτονίων που μεταφέρουν πρωτόνια από το εσωτερικό των θυλακοειδών στο στρώμα των χλωροπλαστών και η παραγωγή της ΑΤΡ καθώς τα πρωτόνια περνούν ξανά στο εσωτερικό των θυλακοειδών, διαμέσου της ΑΤΡ συνθετάσης.
Για την παραγωγή ενέργειας οι οργανισμοί διασπούν αρχικά τα βιολογικά μακρομόρια στις απλούστερες ουσίες από τις οποίες αποτελούνται. Στη συνέχεια οι απλούστερες ουσίες οξειδώνονται αποδίδοντας ενέργεια με τη μορφή ΑΤΡ.
Στην περίπτωση των υδατανθράκων ο καταβολισμός τους περιλαμβάνει τη γλυκόλυση, τον κύκλο του κιτρικού οξέος και την οξειδωτική φωσφορυλίωση.
Κατά τη γλυκόλυση, που γίνεται στο κυτταρόπλασμα, ένα μόριο γλυκόζης διασπάται σε δύο μόρια πυροσταφυλικού οξέος, με ενεργειακό κέρδος 2 ΑΤΡ.
Το επόμενο στάδιο, ο κύκλος του κιτρικού οξέος, γίνεται στο εσωτερικό του μιτοχονδρίου με παραγωγή ΑΤΡ και CO2.
Το τελευταίο στάδιο, δηλαδή η οξειδωτική φωσφορυλίωση, γίνεται στις αναδιπλώσεις της εσωτερικής μεμβράνης του μιτοχονδρίου. Σ' αυτό το στάδιο, παράγονται 32 ΑΤΡ ανά μόριο γλυκόζης και Η2Ο. Ο συνολικός δηλαδή αριθμός παραγόμενων ΑΤΡ από τη διάσπαση ενός μορίου γλυκόζης είναι 36.
Στους αναερόβιους μικροοργανισμούς, που διαθέτουν τα κατάλληλα ένζυμα και σε ορισμένα ευκαρυωτικά κύτταρα σε αναερόβιες συνθήκες, το πυροσταφυλικό οξύ μπορεί να μετατραπεί είτε σε αιθυλική αλκοόλη (αλκοολική ζύμωση) είτε σε γαλακτικό οξύ (γαλακτική ζύμωση). Η τελευταία γίνεται και στα μυϊκά κύτταρα κατά την έντονη μυϊκή συστολή.
Λεξιλόγιο
►Κυτταρική αναπνοή =Διαδικασία σταδιακής οξείδωσης μεγαλομοριακών ενώσεων με την οποία αποδίδεται χημική ενέργεια. ►Αερόβια αναπνοή =Καταβολική διαδικασία, που χρειάζεται οξυγόνο και οξειδώνει, π.χ., τη γλυκόζη σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό, απελευθερώνοντας ΑΤΡ. ►Αναερόβια αναπνοή =Καταβολική διαδικασία, που γίνεται χωρίς οξυγόνο. ►Οξείδωση =Η αφαίρεση ηλεκτρονίων από ένα άτομο ή από ένα μόριο. ►Αναγωγή =Η πρόσληψη ηλεκτρονίων από ένα άτομο ή η σύνδεσή του με υδρογόνο. ►Οξειδοαναγωγή =Συνδυασμός αντιδράσεων οξείδωσης και αναγωγής. ►Γλυκόλυση =Μεταβολική οδός, κατά την οποία η γλυκόζη διασπάται σε δυο μόρια πυροσταφυλικού οξέος αποδίδοντας ΑΤΡ. ►Πυροσταφυλικό οξύ =Ένα από τα προϊόντα της γλυκόλυσης. ►Κύκλος του κιτρικού οξέος (κύκλος του Krebs) =Στην κυτταρική αναπνοή, η καύση του μετασχηματισμένου πυροσταφυλικού οξέος (ενωμένου με συνένζυμο Α σε ακετυλοσυνένζυμο Α) με μια σειρά πολύπλοκων χημικών αντιδράσεων. Από την καύση παράγεται διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο. ►Οξειδωτική φωσφορυλίωση =Στάδιο της κυτταρικής αναπνοής, που περιλαμβάνει οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις συζευγμένες με το σχηματισμό ΑΤΡ. ►Ζύμες =Μονοκύτταροι μικροοργανισμοί, που ανήκουν στην κατηγορία των μυκήτων και φέρουν σε πέρας την αλκοολική ζύμωση. ►Ζύμωση =Μεταβολική πορεία, κατά την οποία παράγεται ΑΤΡ από την οξείδωση οργανικών ενώσεων χωρίς την παρουσία οξυγόνου. ►Αλκοολική ζύμωση =Αναερόβια αναπνοή, που γίνεται στις ζύμες. Μέσω αυτής της μεταβολικής πορείας το πυροσταφυλικό οξύ μετατρέπεται σε αιθανόλη και διοξείδιο του άνθρακα. ►Γαλακτική ζύμωση =Η μετατροπή της γλυκόζης σε δύο μόρια γαλακτικού οξέος, που γίνεται σε αναερόβια βακτήρια και κατά την έντονη μυϊκή σύσπαση. ►Γαλακτικό οξύ =Οργανικό οξύ, που παράγεται κατά τη γαλακτική ζύμωση. ►FAD (φλαβινοαδενινο-δινουκλεοτίδιο) =Συνένζυμο, που είναι δέκτης υδρογόνων (Η+ +e-).