Cellulärmetabolism avser de kemiska reaktioner som äger rum i celler. I eukaryota celler producerar dessa reaktioner den energi som krävs för att upprätthålla homeostas bland andra viktiga funktioner (t.ex. metabolisk omsättning, celldelning, sammandragning etc.). Cellulär ämnesomsättning bidrar direkt till processer som rör tillväxt, reproduktion, strukturellt underhåll osv.
Avhängigt av cellernas behov och funktioner ökas eller minskas hastigheten på de kemiska reaktionerna med ett flertal vägar som syntetiserar och bryter ner cellkomponenter.
Några av de enzymer som är involverade i dessa reaktioner är t.ex:
- Hexokinas
- Pyruvatkinas
- Fosfofruktokinas
- Fosfoglyceratmutas
- Fosfotrioseisomeras
- Succinyl-CoA-syntetas
- Citratsyntetas
- Fumaras
Cellmetabolismens stadier
Men nedbrytningen av glukos för att producera ATP (kemisk energi) i cellmetabolismen är en kontinuerlig process, är den i allmänhet uppdelad i tre huvudstadier som inkluderar:
1/ Glykolys
Generellt kan glykolys beskrivas som oxidationen av en glukosmolekyl (en hexos med sex kolväten) för att producera två molekyler pyruvat (varje pyruvatmolekyl består av tre kolväten).
Detta inbegriper ett antal viktiga steg som kommer att beskrivas i detalj nedan:
Med tanke på att glukosmolekyler inte helt enkelt kan diffundera in i cellen måste de transporteras av membranproteiner som kallas glukostransportörer (GLUT) genom en process som kallas faciliterad diffusion.
Men även om majoriteten av dessa transportörer inte är insulinberoende, är de som finns i muskel- och fettceller insulinberoende.
Steg 1: Fosforylering 1- Det första steget i glykolysen kallas fosforylering och sker i cellens cytoplasma. Som namnet antyder innebär fosforylering att en fosfat läggs till glukosmolekylen, vilket gör att den kan gå vidare till nästa steg.
Här kommer fosfatet som läggs till sockermolekylen från nedbrytningen av ATP i cellen som inte bara omvandlar ATP till ADP och en fosfat, utan också producerar den energi som krävs för att lägga till fosfatet till sockermolekylen.
Denna process underlättas av enzymet glukokinas i levern och bukspottkörteln, medan hexokinas är inblandat i processen i musklerna och omvandlar glukos till glukos-6-fosfat.
* Fosforylering av glukos är viktig eftersom den skapar en negativ laddning på molekylen som fångar den i cellen och därmed förhindrar att den transporteras ut ur cellen.
Steg 2: Isomerisering av glukos-6-fosfat till fruktos-6-fosfat – Nästa steg i glykolysen innebär att glukos-6-fosfatet omvandlas till fruktos-6-fosfat. Även om de båda är sockerarter med sex (6) koldioxider skiljer sig fruktosfosfatet från glukos med tanke på att det är en keton.
Kolvämnet i karbonylgruppen är bundet till ytterligare två kolväten medan glukos-6-fosfat är i form av en aldehyd – kolatomen i karbonylgruppen är bunden till en väte- och kolatom.
Isomeriseringsprocessen katalyseras av enzymet fosfohexosisomeras (även känt som fosfoglukosisomeras eller glukos-6-fosfatisomeras) och kräver magnesiumjoner.
* Även om fruktos-6-fosfat kan omvandlas tillbaka till glukos-6-fosfat är nästa steg irreversibelt. Av denna anledning sägs molekylen ha åtagit sig glykolysen när den går in i nästa steg.
Steg 3: Fosforylering 2 – I det tredje steget krävs återigen ATP för fosforylering av fruktos-6-fosfat för att producera 1,6-bisfosfat (fruktosdifosfat). Liksom vid den första fosforyleringen bryts ATP återigen ner för att producera ADP och en fosfat.
Med hjälp av den energi som produceras av ATP lägger enzymet fosfofruktokinas typ 1 till en fosfat till fruktos-6-fosfat vilket resulterar i produktionen av 1,6-bisfosfat.
* Till skillnad från fruktos-6-fosfat har 1,6 -bisfosfat två fosfater med tanke på att ytterligare en fosfat läggs till under det tredje steget (fosforylering 2)
* Termen bisfosfat syftar på att det finns kolatomer mellan fosfaterna.
Steg 4: Klyvning av fruktos-1,6-bisfosfat – Det fjärde steget innebär att fruktos-1,6-bisfosfat klyvs för att producera dihydroxyacetonfosfat (DHAP) och glyceraldehyd-3-fosfat (GA3P).
Här är enzymet aldolas inblandat i klyvningen av fruktos-1,6-bisfosfat till de två trekoliga molekylerna. Även om båda de två molekylerna är tre kolmolekyler kan endast en av de två (glyceraldehyd-3-fosfat) gå vidare till nästa steg i glykolysen.
Det är värt att notera att båda molekylerna kan omvandlas/konverteras till den andra (isomerisering). Det enzym som ansvarar för detta är känt som triosefosfatisomeras. Om kroppen har ett stort energibehov omvandlas fler dihydroxyacetonfosfatmolekyler till glyceraldehyd-3-fosfat av enzymet så att de kan gå in i nästa steg.
Steg 5: Dehydrogenering och fosforylering – I detta steg av glykolysen omvandlas en molekyl av glyceraldehyd-3-fosfat till 1,3-bis-fosfoglycerat av enzymet glyceraldehyd-3-fosfatdehydrogenas.
I närvaro av enzymet reagerar NAD+ (nikotinamid adenin dinukleotid) med glyceraldehyd-3-fosfat (2 molekyler) vilket resulterar i att molekylen (glyceraldehyd-3-fosfat) förlorar hydrider. Som ett resultat omvandlas NAD+ till NADH.
* Med tanke på att dihydroxyacetonfosfat omvandlas till glyceraldehyd-3-fosfat i glykolysens fjärde steg omvandlas två molekyler NAD+ till två molekyler NADH till följd av reaktionen av 2NAD+ med två molekyler glyceraldehyd-3-fosfat.
Förutom att generera två molekyler NADH är enzymet glyceraldehyd-3-fosfatdehydrogenas också inblandat i fosforyleringen av de två molekylerna av glyceraldehyd-3-fosfat, vilket resulterar i produktion av 1,3-bis-fosfoglycerat (var och en av molekylerna har två fosfater).
Steg 6: Avfosforylering – Under detta steg genomgår 1,3-bis-fosfoglycerat avfosforylering till 3-fosfoglycerat i närvaro av enzymet av fosfoglyceratkinas.
I detta steg reagerar två molekyler ADP med de två molekylerna 1,3-bisfosfoglycerat i närvaro av enzymet för att producera två molekyler ATP och två molekyler glyceraldehyd-3-fosfat.
Enzymet fosfoglyceratkinas spelar därför en viktig roll i frigörandet av fosfater från de två molekylerna 1,3-bis-fosfoglycerat, vilket resulterar i produktion/bildning av två ATP-molekyler.
* I steg 6 fosforylerar enzymet fosfoglyceratkinas ADP för att producera ATP. Detta är ett mycket viktigt steg i glykolysen eftersom det är första gången i detta skede av cellmetabolismen som energi i form av två (2) ATP-molekyler produceras.
Steg 7: I nästa steg omvandlar enzymet fosfoglyceratmutas 3-fosfoglycerat till 2-fosfoglycerat som i sin tur omvandlas till fosfenolpyruvat (PEP) av enzymet enolas.
Steg 8: Avfosforylering – I detta steg genomgår fosfenolpyruvat som bildades i det sjunde steget en avfosforylering som resulterar i produktion av ytterligare två (2) ATP-molekyler.
Här, i närvaro av enzymet pyruvatkinas, reagerar två molekyler ADP med två molekyler fosfatpyruvatfosfat resulterar i avfosforylering av de två molekylerna fosfatpyruvatfosfat. Genom fosforylering av ADP-molekylerna bildas två molekyler ATP och två molekyler pyruvat.
I slutet av steg 8 kan pyruvat gå in i en av två reaktioner beroende på närvaron eller frånvaron av syre. Under anaeroba förhållanden (avsaknad av syre) reduceras pyruvatmolekylerna i närvaro av enzymet laktatdehydrogenas vilket resulterar i produktion av mjölksyra.
I denna reaktion oxideras de två NADH-molekylerna för att producera två (2)molekyler NAD+. I levern kan mjölksyran omvandlas till glukos eller användas för att producera ATP-molekyler.
På grund av mjölksyrans surhet kan den orsaka surhet i blodet genom att pH sjunker. I ett fall där ett kliniskt test visar en ökning av syrahalten i blodet kan detta vara ett tecken på sådana hälsotillstånd som hjärtinfarkt.
I närvaro av syre (aeroba förhållanden) går pyruvat in i nästa steg i cellmetabolismen.
2/ Krebscykeln (citronsyracykeln eller trikarboxylsyracykeln)
I närvaro av syre går pyruvat in i Krebscykeln som är det andra steget i cellmetabolismen. Men innan det faktiskt går in i detta steg måste det gå igenom ett övergångsstadium som också kallas den förberedande fasen.
Under aeroba förhållanden omvandlas inte pyruvatmolekylerna till mjölksyra och kan därför komma in i mitokondrierna där de kan genomgå ett viktigt övergångssteg.
Dekarboxylering – Detta övergångssteg kallas för dekarboxylering och innebär att pyruvatmolekylerna omvandlas till acetyl-CoA av enzymet pyruvatdehydrogenas.
Som namnet antyder innebär detta steg att kol (i form av CO2) avlägsnas från pyruvatet av enzymet pyruvatdehydrogenas.
Enzymet lägger till koenzym A till de 2 pyruvatmolekylerna i närvaro av NAD+ vilket inte bara resulterar i produktion av 2 acetyl-CoA utan omvandlar också NAD+-molekylerna till 2 molekyler NADH.
Nedan följer de viktigaste stegen i Krebs cykel:
Steg 1: Citratsyntes – I det första steget i Krebs cykel kombineras acetyl-CoA som produceras under övergångsstadiet med oxaloacetat (OAA) i närvaro av enzymet citratsyntas för att bilda citrat.
Som enzymets namn antyder är det inblandat i syntesen av citrat genom att kombinera acetyl CoA som är en molekyl med två (2) kol och oxaloacetat, en molekyl med fyra kol.
* Steg 1 i Krebs cykel är starkt reglerat. Några av de molekyler som reglerar funktionen hos enzymet citratsyntas är ATP, NADH och citrat. När det finns en stor mängd citrat (den molekyl som enzymet syntetiserar) skickar det en återkoppling som begränsar dess aktiviteter.
Steg 2: Isomerisering – Det andra steget är en isomeriseringsreaktion och resulterar i produktion av isocitrat. Här omvandlar enzymet aconitas citratet till isocitrat genom att omorganisera kolmolekyler.
Här är det värt att notera att processen är reversibel vilket innebär att isocitratet kan omvandlas tillbaka till citrat vid behov.
* Isocitrat som produceras genom isomerisering av citrat är mindre stabilt jämfört med citrat.
Steg 3: Dekarboxylering – I steg 3 omvandlas isocitrat till alfa-ketoglutarat genom en process som kallas dekarboxylering. Som namnet antyder innebär detta att kolet avlägsnas från isocitrat i form av koldioxid.
I processen reduceras NAD+ till NADH och en vätejon. Denna process katalyseras av enzymet isocitratdehydrogenas. I detta steg reagerar alltså NAD+ med isocitrat i närvaro av enzymet som reducerar NAD+ samtidigt som isocitratet omvandlas till alfa-ketoglutarat.
I närvaro av för mycket ATP begränsas det enzym som deltar i denna reaktion vilket minskar produktionen av alfa-ketoglutarat. Stora mängder ADP främjar dock enzymets verkan och ökar därmed dess aktivitet.
Steg 4: Dekarboxylering 2 – I steg 4 omvandlas alfa-ketoglutarat till succinyl-CoA av enzymet alfa-ketoglutaratdehydrogenas. I denna reaktion reagerar NAD+ med alfa-ketoglutarat i närvaro av enzymet alfa-ketoglutaratdehydrogenas vilket återigen resulterar i dess reduktion.
Ett kol går också förlorat i form av koldioxid vilket resulterar i produktion av succinyl CoA. I ett fall där för mycket energi produceras i cellen binder molekylen succinyl CoA till enzymet och begränsar därmed dess verksamhet. Detta leder till att produktionen av succinyl CoA minskar. Några av de andra ämnen som hämmar enzymet är NADH och kalcium.
Steg 5: Hydrolys – I steg 4 tillsätts en CoA vilket resulterar i produktion av succinyl CoA. I steg 5 å andra sidan avlägsnas CoA vilket resulterar i produktion av succinat.
Enzymet som är involverat i detta steg är känt som succinyl CoA-syntetas och fungerar genom att stimulera omvandlingen av succinyl CoA till succinat. I denna process frigörs CoA tillsammans med en fosfat.
Här tar en GDP-molekyl (guanosindifosfat) upp fosfatet för att bilda GTP (guanosintrifosfat). GTP förlorar dock fosfatet till ADP vilket resulterar i produktion av ATP. Detta kallas fosforylering på substratnivå.
* I steg 5 producerade hydrolysen av GTP ATP.
Steg 6: Fumarat – I steg sex (6) i cykeln omvandlas succinat till fumarat av enzymet succinatdehydrogenas. Här reagerar FAD (flavinadenindinukleotid) med succinat i närvaro av enzymet vilket resulterar i dess reduktion till FADH.
Steg 7: Hydrolys – I steg 7 är enzymet fumaras inblandat i hydrolysen av fumarat för att bilda malat.
Steg 8: Produktion av oxaloacetat – I detta steg är enzymet malatdehydrogenas inblandat i omvandlingen av malat till oxaloacetat. Här reagerar NAD+ med malat i närvaro av enzymet vilket gör att det reduceras till NADH och en vätejon. När det är producerat kan oxaloacetat sedan gå in i cykeln genom att ta emot ytterligare en molekyl acetyl-CoA när cykeln fortsätter.
* Med två molekyler acetyl CoA producerar Krebs cykel 4 koldioxidmolekyler, 6 molekyler NADH, 2 molekyler FADH2 samt 2 ATP-molekyler. NADH- och FADH2-molekylerna är viktiga för det tredje och sista steget i cellmetabolismen.
3/ Elektrontransportsystemet (elektrontransportkedjan)
Elektrontransportsystemet/-kedjan är det tredje och sista steget i cellmetabolismen och sker i mitokondriernas vikta inre membran (cristae). Detta är ett särskilt viktigt steg med tanke på att de flesta ATP-molekylerna produceras här.
Detta steg innefattar också flera viktiga steg i elektronöverföringen som inkluderar:
Steg 1: I elektrontransportsystemets första steg kommer NADH-molekylerna i kontakt med enzymkomplex 1 som tar elektroner från dessa molekyler och på så sätt omvandlar dem från NADH till NAD+ (6 molekyler).
Till skillnad från NADH har FADH en högre affinitet för enzymkomplex 2 och reagerar därför med enzymet och frigör två elektroner (2 FADH-molekyler frigör elektroner till komplex 2). Detta omvandlar de 2 molekylerna FADH till 2 molekyler FAD och protoner.
Steg 2: I steg 2 av cellmetabolismen frigör komplex 1 de elektroner som det fått från NADH så att det kan förflytta sig från en hög energinivå till en låg energinivå. Detta leder också till att en por på komplexet öppnas så att protoner kan pumpas ut.
Och även om komplex 2 också frigör elektroner för att växla till ett lägre energitillstånd har det inga porer och därför kan inte protoner pumpas ut. I steg 2 tas alla elektroner som frigörs av komplex 1 och 2 upp av koenzym Q (även känt som ubikinon).
Steg 3: En av de utmärkande egenskaperna hos koenzym Q är att det är rörligt och därför kan förflytta sig inom cristae. Detta är viktigt i detta steg eftersom det gör det möjligt för molekylen att röra sig för att överföra elektronerna. I detta steg rör sig molekylen och överför sina elektroner till enzymkomplex 3.
Steg 4: Liksom de andra enzymkomplexen i detta system övergår även enzymkomplex 3 till en högre energinivå efter att ha fått elektroner. I detta tillstånd måste det släppa dessa elektroner för att växla tillbaka till en lägre energinivå.
Också då överförs elektronerna till en annan rörlig molekyl som kallas Cytokrom C. Liksom enzymkomplex 1 har även detta komplex en por som öppnas efter det att elektronerna frigjorts, vilket gör att protoner kan pumpas ut i intermembranutrymmet.
Steg 5: I steg 5 upprepas processen återigen med Cytokrom C som frigör elektronerna för att växla över till en lägre energinivå. Dessa elektroner tas sedan emot av enzymkomplex 4.
Steg 6: I steg 6 frigör enzymkomplex 4 de mottagna elektronerna och går därmed från en hög energinivå till en lägre energinivå. Här kombineras dock de frigjorda elektronerna med syre och protoner för att producera vatten. Elektronerna som frigörs här leder också till att en por öppnas så att protoner kan pumpas ut.
* Fram till detta steg är det uppenbart att komplexen (liksom andra inblandade molekyler) tar emot och frigör elektroner och på så sätt skapar en kedja av elektronöverföring.
Här växlar komplexen till ett högre energitillstånd varje gång de tar emot elektroner och måste frigöra dessa elektroner för att växla tillbaka till en stabilare, lägre energinivå.
Som ett resultat av att protoner frigörs i intermembranutrymmet finns det en hög ackumulering/koncentration av dessa elektroner i detta utrymme jämfört med mitokondriakomplexet.
På grund av denna skillnad skapas en gradient, vilket innebär att de främjas att röra sig från området med hög protonkoncentration (i intermembranutrymmet) till området med lägre protonkoncentration (mitokondriamatrisen). För att göra detta rör sig protonerna genom en särskild struktur som kallas ATP-syntas.
Här passerar protonerna genom statordelen av strukturen som gör att de kan röra sig mot mitokondriernas matris. När de passerar igenom får detta en annan del av strukturen som kallas rotor att börja snurra. När den snurrar med protonernas rörelse in i matrisen börjar rotorn absorbera potentiell energi.
Denna energi används sedan av en annan del av ATP-syntasstrukturen (den katalytiska knoppen) för att skapa ATP-molekyler från fosfater och ADP. ADP och fosfater finns i den katalytiska knoppen och används för att producera ATP när potentiell energi absorberas i rotorn.
Här kallas den process som används för att producera ATP från potentiell energi som skapas genom protonernas rörelse för oxidativ fosforylering.
* Under aeroba förhållanden producerar de tre stegen i cellmetabolismen totalt 36 ATP-molekyler. Anaeroba förhållanden resulterar i produktion av 2 ATP-molekyler från framför allt glykolysen.
Här får du veta mer om celldelning, celldifferentiering, cellproliferation och pentosfosfatvägen
Se artiklar om cellodling, cellfärgning och gramfärgning.
Vilka skillnader finns det mellan en växtcell och en djurcell?
Kolla på information om Cellteori.
Varför är det viktigt med celladhesion?
Vänd tillbaka från Vad är cellmetabolism? till MicroscopeMaster hem
Christian M. Metallo och Matthew G. Vander Heiden. (2014). Att förstå metabolisk reglering och dess påverkan på cellfysiologi.