Что такое обмен веществ в биологии определение кратко
Обмен веществ в организмах живых существ.
Метаболизм или обмен веществ – это полный комплекс химических реакций и процессов, которые протекают в живой клетке, обеспечивающих ее жизнедеятельность, рост, деление и взаимодействие с внешней средой.
Именно правильный обмен веществ обеспечивает расщепление и усвоение молекул веществ, из которых состоят клетки или необходимых для функционирования, разрушения, обновления клеток и межклеточного вещества. Благодаря правильному метаболизму за 80 суток обновляется тканевой покров организма, белки мышечных волокон обновляются за 180 дней, клетки печени и сыворотка крови обновляется за 10 дней, а некоторые печеночные ферменты – всего за 2-4 часа.
Метаболизм неразрывно связан с процессом превращения энергии. В результате химических реакций потенциальная энергия из сложных органических молекул превращается в другие виды энергии, которая используется для всех процессов жизнедеятельности клеток. Все эти процессы протекают при участии катализаторов – ферментов. У каждого вида живых организмов метаболизм является уникальным, свойственным только этому виду. Обмен веществ каждого вида обусловлен прежде всего условиями его обитания и существования в целом.
Обмен веществ состоит из двух основных процессов, которые неразрывно связаны друг с другом и протекают одновременно:
Анаболизм (пластический обмен) – это процессы синтеза (построения) сложных органических молекул из более простых, получаемых в результате катаболизма.
Катаболические процессы – это комплекс химических реакций по расщеплению крупных молекул до более мелких, которые могли бы пройти в клетку. При этом одновременно выделяется энергия, которую организмы запасают обычно в молекулах АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Катаболизм обычно протекает во время окислительных или гидролитических реакций. При этом, такие процессы протекают как при участии кислорода (дыхание, аэробный путь), так и без его участия (брожение, гликолиз – анаэробный путь).
В зависимости от типа обмена веществ существует два типа живых организмов:
1) Гетеротрофы – это организмы, которые синтезируют органические соединения за счет продуктов, которые образуются в результате катаболизма и энергии, выделяющейся в процессе этого. Начальным сырьем для образования тканей таких организмов являются простые органические вещества. Из этих соединений каждая клетка в отдельности синтезирует нужные для нее соединения. Таким образом, синтез белка может происходить на месте (гликоген синтезируется напрямую в мышцах, а не поставляется с кровью из печени).
2) Автотрофы – это организмы, которые могут совершать синтез органических соединений из углекислого газа с помощью реакций окислений (хемосинтез) и солнечного света (фотосинтез). Такими организмами являются некоторые виды бактерий и зеленые растения.
С развитием живых организмов в течение эволюции системы регуляции стали более сложными и упорядоченными. Сегодня у высокоразвитых организмов имеются дополнительные регуляторные гормональные механизмы и нервные механизмы, которые либо напрямую действуют на синтез ферментов или на сами ферменты, а также могут влиять на чувствительность клеток к тому или иному ферменту.
Кратко об обмене веществ
Хороший обмен веществ, плохой обмен веществ, стимулирование или ускорение обмена веществ и т.п. Данные понятия на слуху у каждого, при этом употребляем мы их чаще всего, не осознавая на самом деле, что же они значат, и трактуем их неправильно, поскольку обмен веществ – это далеко не процесс пищеварения, как все полагают.
Обмен веществ или по-другому метаболизм является основой всех жизненно важных процессов, протекающих в нашем теле. Под метаболизмом, грубо говоря, понимают все биохимические процессы, происходящие внутри клеток. Другими словами: то, из чего состоит наша пища, усваивается внутри клеток, т.е. распадается и используются для построения чего-то нового.
Наш организм заботится о себе сам, используя поступившие с пищей макро- и микроэлементы, витамины и минералы или прибегая к помощи уже имеющихся резервов. Все это необходимо для обеспечения надлежащей работы всех систем и органов и оптимального протекания всех процессов. При этом особую роль в обмене веществ играют гормоны и ферменты. Именно нервная и гормональная системы организма регулируют все обменные процессы. Влияют на метаболизм и факторы окружающей среды, к примеру, температура. При этом самым важным органом для всех обменных процессов является печень.
Обмен веществ – это не процесс пищеварения
Чтобы должным образом выполнять все свои задачи, наш организм нуждается в энергии. Ее источниками являются такие макронутриенты, как углеводы, жиры и белки, которые поступают с продуктами питания.
Безусловно, процесс пищеварения в какой-то мере является предпосылкой для обмена веществ, поскольку именно в желудке и кишечнике питательные вещества расщепляются на составляющие: углеводы – до простых сахаров, белки или тот же протеин – до аминокислот, жиры – до жирных кислот и глицеридов. Происходит это в силу того, что кишечник в состоянии усваивать нутриенты только в расщепленной форме, которая способствует их последующему впитыванию в кишечнике и всасыванию в кровь.
Кровоток выступает в роли своеобразного распределителя питательных веществ во все клетки организма. Именно поэтому, когда речь заходит об обмене веществ, имеется в виду процесс, наступающий после пищеварения, всасывания в кровоток и попадания в клетки, т.е. процесс, происходящий внутри клетки.
Основные фигуранты обмена веществ: углеводы, белки, жиры, минералы
Существуют различные виды обмена веществ, в зависимости от того, что перерабатывается:
В процессе пищеварения сложные углеводы, поступающие с пищей, расщепляются до простых сахаров. Молекулы сахара попадают через кровь в клетки, где собственно и происходит углеводный обмен. Из простых сахаров наше тело получает энергию. В случае если, энергии достаточно, они накапливаются в печени и мышцах, соединяясь снова в полисахариды.
В процессе расщепления белка получаются аминокислоты, которые также через кровь попадают в клетки. Там они служат либо источником «топлива», либо материалом для построения мышц, а также образования гормонов и ферментов. Именно поэтому самым популярным продуктом в спортивном питании является протеин.
Жир используется в качестве источника энергии, а также как основной накопитель энергии. Кроме того, он участвует в образовании гормонов и сигнальных веществ, а то, в чем наше тело не нуждается, откладывается в жировых клетках на «черный день».
В качестве примера можно привести обмен кальция и фосфора, участвующих в укреплении костной и зубной ткани. Кроме того, ионы кальция незаменимы при обеспечении работы мышц.
Анаболический и катаболический обмен веществ
В связке с обменом веществ часто используются понятия анаболизм и катаболизм, которые являются формами метаболизма.
Так называют процесс образования веществ в организме всех живых существ. В качестве примера можно привести углеводный обмен: часть простых сахаров, проникающих в клетки из кровотока, снова образуют в печени и мышцах полисахариды и накапливаются в них именно в такой форме.
Часто под анаболизмом в узком смысле понимают белковый обмен на уровне мышечной ткани.
Под катаболизмом понимают расщепление сложных веществ до простых с целью производства энергии. Другими словами: накапливаемые питательные вещества, в случае острой необходимости, распадаются на составляющие и используются в качестве источника энергии.
В условиях анаболзизма простые сахара соединяются до полисахаридов и накапливаются в печени и мышцах, а в условиях катаболизма они расщепляются до глюкозы и используются как топливо для мышц.
Нарушение обмена веществ происходит тогда, когда усвоение некоторых веществ протекает не так как следует. Такие процессы провоцируют развитие различных заболеваний. К примеру, формирование сахарного диабета связано с нарушением углеводного обмена.
Человек нуждается в большом количестве энергии для поддержания оптимальной работы всех систем организма в любом состоянии, в первую очередь состояния покоя. Именно поэтому существует такое понятие, как обмен веществ в состоянии покоя, который генетически обусловлен. Не зря есть люди, у которых от рождения быстрый обмен веществ, что позволяет им питаться как угодно и при этом не переживать за лишние килограммы, поскольку хороший метаболизм позволяет им это делать. Таких людей можно назвать везунчиками, в отличие от тех, кто изначально страдает от того, что обмен веществ настолько медленный, что даже при условии правильного питания тяжело следить за своим весом. Таким образом, данный процесс различен от человека к человеку и варьируется от 800 до 4700 ккал, сжигаемых в состоянии покоя.
Что влияет на обмен веществ?
В основном у мужчин мышечной массы больше, чем жировых отложений, поэтому чаще всего у них более быстрый обмен веществ, чем у женщин.
Как известно, сухая мышечная масса всегда сжигает больше калорий, чем жировая ткань. Поскольку по мере взросления объем мышц сокращается, снижается и скорость сжигания калорий и соответственно замедляется метаболизм. Чтобы предупредить наступление таких процессов, необходимо по возможности больше двигаться и тренироваться, особенно актуально это для всех, кому уже исполнилось 25 лет.
Некоторым везет с рождения и у них быстрый обмен веществ. Такие люди даже не задумываются о том, что едят, поскольку хороший метаболизм справляется со всем, чтобы они не съели. Но это вовсе не значит, что те, кому не так посчастливилось, должны смириться с реальностью и ничего не делать, чтобы улучшить положение дел. В помощь людям с медленным метаболизмом существуют нагрузки, направленные на увеличение силы и выносливости, что значительно помогает ускорить обмен веществ.
Некоторые жизненные обстоятельства могут оказать влияние на метаболизм. К примеру, прием медикаментов, в особенности тех, которые направлены на борьбу с депрессией, может спровоцировать замедление метаболизма. Такой же эффект оказывает пропуск отдельных приемов пищи, а также голодание.
Если вы пропускаете прием пищи, ваше тело переходит в «режим выживания». В таких условиях замедляется обмен веществ с целью экономии калорий, поскольку существует нехватка продуктов питания, из которых можно черпать энергию для работы. Поэтому ни в коем случае нельзя практиковать такую схему питания и стараться питаться маленькими каждые два-три часа, полезные перекусы здесь являются очень кстати.
Итак, обмен веществ – это чрезвычайно сложное сплетение отдельных процессов внутри каждой клетки, от которых зависит надлежащее функционирование всех систем и органов нашего тела. Если обмен веществ нарушен, страдает организм, поэтому крайне важно поддерживать правильный метаболизм. В случае если, у вас уже есть проблемы, то прочитайте нашу статью о том, как повлиять на обмен веществ.
Что такое обмен веществ в биологии определение кратко
Цель урока: представлять схему обмена питательных веществ в организме, значение воды и минеральных веществ для нормальной жизнедеятельности, общую характеристику обмена энергии, основной обмен и рабочую прибавку, пути повышения теплопродукции, знать роль витаминов их классификацию и возможные заболевания.
План изложения нового материала
1. Общая характеристика обмена веществ и энергии
2. Виды обмена веществ: водно-солевой обмен, белков, углеводов, жиров
4. Распад и окисление питательных веществ
Общая характеристика обмена веществ и энергии
В организм человека поступают вещества (белки, жиры, углеводы), витамины, вода и минеральные соли. Кислород воздуха проникает в кровь через легкие, частично — через кожу. Они необходимы клеткам и тканям, в которых происходят биохимические процессы, образуются специфические вещества (полезные и вредные) и энергия Продукты обмена веществ (экскреты) выводятся через почки, легкие, кожу и органы желудочно-кишечного тракта.
Обмен воды и минеральных солей.
Обмен воды. На долю воды в организме приходится в среднем 65-70% массы тела. В разных органах процент воды отличается.
в головном мозге около 95%
Вода выполняет жизненно важные функции:
1) растворитель веществ для метаболитических процессов
2) с водой в организм поступают минеральные вещества, водорастворимые витамины
3) участвует в терморегуляции, выделяясь с потом
4) участвует в биохимических процессах
регулирует кислотность и осмотическое давление крови, проводят импульсы
процессы возбуждения и торможения
поддерживает водно-солевой обмен влияет на работу мышц, миокарда, проводит нервные импульсы
картофель,греча,яблоки,абрикосы, курага, хлеб, мясо
процессы возбуждения и торможения
сердечнососудистую систему, передача нервных импульсов в синапсах, в гемостазе
молочные продукты, яйца, греча,горох,лук
сердечнососудистые, костной системы
зерновые и бобовые продукты
кроветворение, образование гемоглобина, процесс дыхания
глухота, деформация суставов
образование гормонов щитовидной железы
морская рыба и морские продукты питания, салат иодированный(красный),шампиньоны
построение зубов, костей
морские продукты, чай,изюм, тыква,просо,орех
для функции половых желез, кроветворения, в состав ферментов
аллергия, инфекционные болезни, пятна на ногтевых пластинках
кроветворения, тканевого дыхания, образование коллагена, меланина, в состав ферментов
мясо,рыба, продукты моря,греча,овсянка,картофель,орех
анемия, облысение, дерматозы
влияет на выработку иммунитета,задерживает развитие онкоклеток, для образования семенной жидкости
морская рыба и морские продукты, печень,мясо, яйца,дрожжи,подсолнух
регулирует обмен холестерина,образование инсулина
нарушение функции ногтей, волос,кожи,костей
для построение костей, эмали,половых гормонов,ЖВС,
остеопороз, эрозия и рак женских половых органов
для щитовидной железы, ЦНС(успокаивает
сердечнососудистую систему, снижает уровень холестерина, улучшает зрение
сахарный диабет, атеросклероз
кроветворение,образование витаминаВ12,всостав ферментов,
кроветворение,ЖВС,снижает артериальное давление крови,
чечевица, бобовые,груша, кукуруза,
влияет на иммунитет
бактерицидное,противовоспалительное,вяжущее действие, как антибиотик
«Жизнь — есть способ существования белковых тел» Ф.Энгельс. Все живое состоит из азотсодержащих веществ белков. Это полимеры-полипептиды, состоящие из мономеров- аминокислот (10 являются заменимыми, 10 незаменимыми).
Заменимые аминокислоты могут образовывать из других аминокислот, незаменимые должны поступать с пищей. Белки пищи, содержащие полный набор аминокислот, называются полноценными животного происхождения. Отсутствие в пищевом рационе даже одной аминокислоты приводит к заболеваниям.
1)пластическая, входят в состав всех клеток, тканей
5)специфические функции (актин и миозин в мышечной ткани выполняют сократительную, фибриноген сыворотки крови — свертывающую, иммуноглобулины крови — защитную и т.д.
Белки не депонируются в организме и при их дефиците происходит разрушение белков, они участвуют преимущественно в пластическом обмене. Конечный распад белков приводит к образованию воды, углекислого газа и аммиака, который затем преобразуется в мочевину.
2.пластическая функция- излишнее количество углеводов превращается в жиры, жирные кислоты
Конечные продукты выводятся через почки вода и легкие (С02).При недостатке глюкозы в крови возникает обморок. Больше других органов в глюкозе нуждается головной мозг.
Употребление большого количества жиров приводит к ожирению, образованию бляшек в сосудах и развитию атеросклероза, нарушению кровотока, образованию камней в желчных путях. Жиры могут синтезироваться из белков и углеводов.
3) гормональная- половые гормоны стероидного происхождения, жироподобные вещества
4) в организм поступают жирорастворимые витамины (A, D, Е, К);
6)источник воды-при окислении 100г жира образуется 118 мл. воды.
Витамины делятся на жирорастворимые и водорастворимые. Жирорастворимые витамины поступают в организм с жирами пищи, без которых невозможно их всасывание. Обозначаются витамины латинскими буквами и имеют название. Жирорастворимые витамины A, D, Е, К. Водорастворимые витамины группы В, С.
таблица 14 Витамины
на рост,выработку родопсина
куриная слепота, ксерофтальмия
ультрафиолетовое излучение,яйца,масло,молоко,рыбий жир
злаки, масло, зеленые овощи, шпинат
противостерильный, от бесплодия,на половую систему
крапива,образуется в толстом кишечнике,шпинат, капуста
антицинготный,повышает сопротивляемость к инфекциям, простуде,на построение коллагена
укрепляет стенку капилляров
синтезируется в кишечнике,мясо,печень,яйца,дрожжи
пеллагра(три Д) дерматит,диарея,деменция. анемия
влияет на нервную систему
синтезируется в кишечнике
синтезируется в желудке,содержится в печени,мясе,яйцах
антианемический,влияет на кроветвореие
синтезируется в толстом кишечнике
В продуктах питания часто находятся провитамины, которые в организме превращаются в активные витамины, например, каротин моркови в ретинол.
Распад и окисление органических веществ в клетках
Для жизнедеятельности организма постоянно требуется энергия. Она образуется при распаде органических соединений — в основном углеводов и жиров, в меньшей степени — белков. Белки нужны организму человека для обеспечения анаболических процессов. Энергия выделяется при разрушении химических связей.
1.Теплопроведение— это отдача тепла через непосредственное соприкосновение тела человека с другими физическими телами (например, одеждой, водой). (15 %)
2.Излучение—это отдача тепла в окружающую среду поверхностью тела посредством инфракрасных волн.( воздух аудиторий нагревается) ( 66%)
Конвекция— способ отдачи тепла при контакте тела с движущимися потоками воздуха.
Регуляция обмена веществ
Терминология по теме «Пищеварительная система, обмен веществ»
Рег itoneum – брюшина
Экстраперитонеальное положение-орган покрыт брюшиной с одной стороны
Перитонит- воспаление брюшины
гомеостаз-постоянство внутренней среды организма
гипогликемия-пониженный уровень сахара в крови
Биология. 6 класс
Конспект урока
Урок 1. Обмен веществ – главный признак жизни
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке
Обмен веществ – это процессы поступления нужных организму веществ, их сложных превращений внутри и выведения ненужных веществ в окружающую среду. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды.
Гетеротрофы – (др.-греч. heteros – «различный» и trophos – «питание») – организмы, которые питаются готовыми органическими веществами и не способны синтезировать органические вещества из неорганических путём фотосинтеза или хемосинтеза.
Основная и дополнительная литература по теме урока
Теоретический материал для самостоятельного изучения
С момента рождения и до смерти в организме происходит обмен веществ и энергии. Для этого из окружающей среды в любой живой организм какие – то вещества должны поступать, а какие – то должны выделяться. Но за счёт каких процессов это возможно? Сегодня на уроке мы будем искать ответ на этот вопрос.
Мы восхищаемся великим разнообразием живых существ. Все они отличаются друг от друга цветом, формой, величиной, строением. Но объединяет всех их одно – жизнь.
Проникнуть в тайны жизни человек пытался давно. Было доказано, что различие между живой и неживой природой заключается в особом строении живого существа и в специфических химических процессах, постоянно происходящих между организмом и внешней средой. Совокупность этих процессов и представляет собой основу жизни.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля
Задание 1. Распределите живые организмы по типам питания.
Метаболизм
Метаболи́зм (от греч. μεταβολή — «превращение, изменение»), или обмен веществ — набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды. Метаболизм обычно делят на две стадии: в ходе катаболизма сложные органические вещества деградируют до более простых; в процессах анаболизма с затратами энергии синтезируются такие вещества, как белки, сахара, липиды и нуклеиновые кислоты.
Обмен веществ происходит между клетками организма и межклеточной жидкостью, постоянство состава которой поддерживается кровообращением: за время прохождения крови в капиллярах через проницаемые стенки капилляров плазма крови 40 раз полностью обновляется с интерстициальной жидкостью. Серии химических реакций обмена веществ называют метаболическими путями, в них при участии ферментов одни биологически значимые молекулы последовательно превращаются в другие. Ферменты играют важную роль в метаболических процессах потому, что:
Особенности метаболизма влияют на то, будет ли пригодна определенная молекула для использования организмом в качестве источника энергии. Так, например, некоторые прокариоты используют сероводород в качестве источника энергии, однако этот газ ядовит для животных. [1] Скорость обмена веществ также влияет на количество пищи, необходимой для организма.
Основные метаболические пути и их компоненты одинаковы для многих видов, что свидетельствует о единстве происхождения всех живых существ. [2] Например, некоторые карбоновые кислоты, являющиеся интермедиатами цикла трикарбоновых кислот присутствуют во всех организмах, начиная от бактерий и заканчивая многоклеточными организмами эукариот. [3] Сходства в обмене веществ, вероятно, связаны с высокой эффективностью метаболических путей, а также с их ранним появлением в истории эволюции. [4] [5]
Содержание
Биологические молекулы
Органические вещества, входящие в состав всех живых существ (животных, растений, грибов и микроорганизмов), представлены в основном аминокислотами, углеводами, липидами (часто называемые жирами) и нуклеиновыми кислотами. Так как эти молекулы имеют важное значение для жизни, метаболические реакции сосредоточены на создании этих молекул при строительстве клеток и тканей или разрушении их с целью использования в качестве источника энергии. Многие важные биохимические реакции объединяются вместе для синтеза ДНК и белков.
| Тип молекулы | Название формы мономера | Название формы полимера | Примеры форм полимера |
|---|---|---|---|
| Аминокислоты | Аминокислоты | Белки (полипептиды) | Фибриллярные и глобулярные белки |
| Углеводы | Моносахариды | Полисахариды | Крахмал, гликоген, целлюлоза |
| Нуклеиновые кислоты | Нуклеотиды | Полинуклеотиды | ДНК и РНК |
Аминокислоты и белки
Белки являются линейными биополимерами и состоят из остатков аминокислот, соединённых пептидными связями. Некоторые белки являются ферментами и катализируют химические реакции. Другие белки выполняют структурную или механическую функцию (например, образуют цитоскелет). [6] Белки также играют важную роль в передаче сигнала в клетках, иммунных реакциях, агрегации клеток, активном транспорте через мембраны и регуляции клеточного цикла. [7]
Липиды
Липиды входят в состав биологических мембран, например, плазматических мембран, являются компонентами коферментов и источниками энергии. [7] Липиды являются гидрофобными или амфифильными биологическими молекулами, растворимыми в органических растворителях таких, как бензол или хлороформ. [8] Жиры — большая группа соединений, в состав которых входят жирные кислоты и глицерин. Молекула трёхатомного спирта глицерина, образующая три сложные эфирные связи с тремя молекулами жирных кислот, называется триглицеридом. [9] Наряду с остатками жирных кислот, в состав сложных липидов может входить, например, сфингозин (сфинголипиды), гидрофильные группы фосфатов (в фосфолипидах). Стероиды, например холестерол, представляют собой ещё один большой класс липидов. [10]
Углеводы
Сахара могут существовать в кольцевой или линейной форме в виде альдегидов или кетонов, имеют несколько гидроксильных групп. Углеводы являются наиболее распространёнными биологическими молекулами. Углеводы выполняют следующие функции: хранение и транспортировка энергии (крахмал, гликоген), структурная (целлюлоза растений, хитин у животных). [7] Наиболее распространенными мономерами сахаров являются гексозы — глюкоза, фруктоза и галактоза. Моносахариды входят в состав более сложных линейных или разветвленных полисахаридов. [11]
Нуклеотиды
Полимерные молекулы ДНК и РНК представляют собой длинные неразветвленные цепочки нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты выполняют функцию хранения и реализации генетической информации, которые осуществляются в ходе процессов репликации,транскрипции, трансляции, и биосинтеза белка. [7] Информация, закодированная в нуклеиновых кислотах, защищается от изменений системами репарации и мультиплицируется при помощи репликации ДНК.
Некоторые вирусы имеют РНК-содержащий геном. Например, вирус иммунодефицита человека использует обратную транскрипцию для создания матрицы ДНК из собственного РНК-содержащего генома. [12] Некоторые молекулы РНК обладают каталитическими свойствами (рибозимы) и входят в состав сплайсосом и рибосом.
Нуклеозиды — продукты присоединения азотистых оснований к сахару рибозе. Примерами азотистых оснований являются гетероциклические азотсодержащие соединения — производные пуринов и пиримидинов. Некоторые нуклеотиды также выступают в качестве коферментов в реакциях переноса функциональных групп. [13]
Коферменты
Метаболизм включает широкий спектр химических реакций, большинство из которых относятся к нескольким основным типам реакций переноса функциональных групп. [14] Для переноса функциональных групп между ферментами, катализирующими химические реакции, используются коферменты. [13] Каждый класс химических реакций переноса функциональных групп катализируется отдельными ферментами и их кофакторами. [15]
Аденозинтрифосфат (АТФ) — один из центральных коферментов, универсальный источник энергии клеток. Этот нуклеотид используется для передачи химической энергии, запасенной в макроэргических связях между различными химическими реакциями. В клетках существует небольшое количество АТФ, который постоянно регенерируется из ADP и AMP. Организм человека за сутки расходует массу АТФ, равную массе собственного тела. [15] АТР выступает в качестве связующего звена между катаболизмом и анаболизмом: при катаболических реакциях образуется АТФ, при анаболических — энергия потребляется. АТФ также выступает донором фосфатной группы в реакциях фосфорилирования.
Минералы и кофакторы
Неорганические элементы играют важнейшую роль в обмене веществ. Около 99 % массы млекопитающего состоит из углерода, азота, кальция, натрия, магния, хлора, калия, водорода, фосфора, кислорода и серы. [18] Биологически значимые органические соединения (белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты) содержат большое количество углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора. [18]
Многие неорганические соединения являются ионными электролитами. Наиболее важны для организма ионы натрия, калия, кальция, магния, хлоридов, фосфатов и гидрокарбонатов. Баланс этих ионов внутри клетки во внеклеточной среде определяет осмотическое давление и рН. [19] Концентрации ионов также играют важную роль для функционирования нервных и мышечных клеток. Потенциал действия в возбудимых тканях возникает при обмене ионами между внеклеточной жидкостью и цитоплазмой. [20] Электролиты входят и выходят из клетки через ионные каналы в плазматической мембране. Например, в ходе мышечного сокращения в плазматической мембране, цитоплазме и Т-трубочках перемещаются ионы кальция, натрия и калия. [21]
Переходные металлы в организме являются микроэлементами, наиболее распространены цинк и железо. [22] [23] Эти металлы используются некоторыми белками (например, ферментами в качестве кофакторов) и имеют важное значение для регуляции активности ферментов и транспортных белков. [24] Кофакторы ферментов обычно прочно связаны со специфическим белком, однако могут модифицироваться в процессе катализа, при этом после окончания катализа всегда возвращаются к своему первоначальному состоянию (не расходуются). Металлы-микроэлементы усваиваются организмом при помощи специальных транспортных белков и не встречаются в организме в свободном состоянии, так как связаны со специфическими белками-переносчиками (например, ферритином или металлотионеинами). [25] [26]
Катаболизм
Катаболизмом называют метаболические процессы, при которых расщепляются относительно крупные органические молекулы сахаров, жиров, аминокислот. В ходе катаболизма образуются более простые органические молекулы, необходимые для реакций анаболизма (биосинтеза). Часто, именно в ходе реакций катаболизма организм мобилизует энергию, переводя энергию химических связей органических молекул, полученных в процессе переваривания пищи, в доступные формы: в виде АТФ, восстановленных коферментов и трансмембранного электрохимического потенциала. Термин катаболизм не является синонимом «энергетического обмена»: у многих организмов (например, у фототрофов) основные процессы запасания энергии не связаны напрямую с расщеплением органических молекул. Классификация организмов по типу метаболизма может быть основана на источнике получения энергии и углерода, что отражено в таблице ниже. Органические молекулы используются в качестве источника энергии органотрофами, литотрофы используют неорганические субстраты, а фототрофы потребляют энергию солнечного света. Однако, все эти различные формы обмена веществ зависят от окислительно-восстановительных реакций, которые связаны с передачей электронов от восстановленных доноров молекул, таких как органические молекулы, вода, аммиак, сероводород, на акцепторные молекулы, такие как кислород, нитраты или сульфат. [27] У животных эти реакции сопряжены с расщеплением сложных органических молекул до более простых, таких как двуокись углерода и воду. В фотосинтезирующих организмах — растениях и цианобактериях — реакции переноса электрона не высвобождают энергию, но они используются как способ запасания энергии, поглощаемой из солнечного света. [28]
| Источник энергии | Солнечный свет | фототрофы |
| Первичные молекулы | хемотрофы | |
| Донор электронов | Органическое соединение | органотрофы |
| Неорганическое соединение | литотрофы | |
| Источник углерода | Органическое соединение | гетеротрофы |
| Неорганическое соединение | автотрофы |
Катаболизм у животных может быть разделён на три основных этапа. Во-первых, крупные органические молекулы, такие как белки, полисахариды и липиды расщепляются до более мелких компонентов вне клеток. Далее эти небольшие молекулы попадают в клетки и превращается в ещё более мелкие молекулы, например, ацетил-КоА. В свою очередь, ацетильная группа кофермента А окисляется до воды и углекислого газа в цикле Кребса и дыхательной цепи, высвобождая при этом энергию, которая запасается в форме АТР.
Пищеварение
Такие макромолекулы, как крахмал, целлюлоза или белки, должны расщепляться до более мелких единиц прежде, чем они могут быть использованы клетками. Несколько классов ферментов принимают участие в деградации: протеазы, которые расщепляют белки до пептидов и аминокислот, гликозидазы, которые расщепляют полисахариды до олиго- и моносахаридов.
Микроорганизмы выделяют гидролитические ферменты в пространство вокруг себя, [29] [30] чем отличаются от животных, которые выделяют такие ферменты только из специализированных железистых клеток. [31] Аминокислоты и моносахариды, образующиеся в результате активности внеклеточных ферментов, затем поступают в клетки с помощью активного транспорта. [32] [33]
Получение энергии
Жиры на первом этапе катаболизма гидролизуются в свободные жирные кислоты и глицерин. Жирные кислоты расщепляются в процессе бета-окисления с образованием ацетил-КоА, который в свою очередь далее катаболизируется в цикле Кребса, либо идет на синтез новых жирных кислот. Жирные кислоты выделяют больше энергии, чем углеводы, так как жиры содержат удельно больше атомов водорода в своей структуре.
Аминокислоты либо используются для синтеза белков и других биомолекул, либо окисляются до мочевины, диоксида углерода и служат источником энергии. [36] Окислительный путь катаболизма аминокислот начинается с удаления аминогруппы ферментами трансаминазами. Аминогруппы утилизируются в цикле мочевины; аминокислоты, лишённые аминогрупп называют кетокислотами. Некоторые кетокислоты — промежуточные продукты цикла Кребса. Например, при дезаминировании глутамата образуется альфа-кетоглутаровая кислота. [37] Гликогенные аминокислоты также могут быть преобразованы в глюкозу в реакциях глюконеогенеза. [38]
Энергетические превращения
Окислительное фосфорилирование
При окислительном фосфорилировании электроны, удалённые из пищевых молекул в метаболических путях (например, в цикле Кребса), переносятся на кислород, а выделяющаяся энергия используется для синтеза АТР. У эукариот данный процесс осуществляется при участии ряда белков, закреплённых в мембранах митохондрий, называемые дыхательной цепью переноса электронов. У прокариот эти белки присутствуют во внутренней мембране клеточной стенки. [39] Белки цепи переноса электронов используют энергию, полученную при передаче электронов от восстановленных молекул (например NADH) на кислород, для перекачки протонов через мембрану. [40]
При перекачке протонов создаётся разница концентраций ионов водорода и возникает электрохимический градиент. [41] Эта сила возвращает протоны обратно в митохондрии через основание АТР-синтазы. Поток протонов заставляет вращаться кольцо из c-субъединиц фермента, в результате чего активный центр синтазы изменяет форму и фосфорилирует аденозиндифосфат, превращая его в АТР. [15]
Энергия из неорганических соединений
Хемолитотрофами называют прокариот, имеющих особый тип обмена веществ, при котором энергия образуется в результате окисления неорганических соединений. Хемолитотрофы могут окислять молекулярный водород, [42] соединения серы (например, сульфиды, сероводород и тиосульфат), [1] оксид железа(II) [43] или аммиак. [44] При этом энергия от окисления этих соединений образуется с помощью акцепторов электронов, таких как кислород или нитриты. [45] Процессы получения энергии из неорганических веществ играют важную роль в таких биогеохимических циклах, как ацетогенез, нитрификация и денитрификация. [46] [47]
Энергия из солнечного света
Энергия солнечного света поглощается растениями, цианобактериями, пурпурными бактериями, зелёными серными бактериями и некоторыми простейшими. Этот процесс часто сочетается с превращением диоксида углерода в органические соединения, как часть процесса фотосинтеза (см. ниже). Системы захвата энергии и фиксации углерода у некоторых прокариот могут работать раздельно (например, у пурпурных и зелёных серных бактерий). [48] [49]
У многих организмов поглощение солнечной энергии в принципе аналогично окислительному фосфорилированию, так как при этом энергия запасается в форме градиента концентрации протонов и движущая сила протонов приводит к синтезу АТР. [15] Электроны, необходимые для этой цепи переноса, поступают от светособирающих белков, называемых центрами фотосинтетических реакций (примером являются родопсины). В зависимости от вида фотосинтетических пигментов классифицируют два типа центров реакций; в настоящее время большинство фотосинтезирующих бактерий имеют только один тип, в то время как растения и цианобактерии два. [50]
Анаболизм
Анаболизм — совокупность метаболических процессов биосинтеза сложных молекул с затратой энергии. Сложные молекулы, входящие в состав клеточных структур, синтезируются последовательно из более простых предшественников. Анаболизм включает три основных этапа, каждый из которых катализируется специализированным ферментом. На первом этапе синтезируются молекулы-предшественники, например, аминокислоты, моносахариды, терпеноиды и нуклеотиды. На втором этапе предшественники с затратой энергии АТР преобразуются в активированные формы. На третьем этапе активированные мономеры объединяются в более сложные молекулы, например, белки, полисахариды, липиды и нуклеиновые кислоты.
Не все живые организмы могут синтезировать все биологически активные молекулы. Автотрофы (например, растения) могут синтезировать сложные органические молекулы из таких простых неорганических низкомолекулярных веществ, как углекислый газ и вода. Гетеротрофам необходим источник более сложных веществ, таких как моносахариды и аминокислоты, для создания более сложных молекул. Организмы классифицируют по их основным источникам энергии: фотоавтотрофы и фотогетеротрофы получают энергию из солнечного света, в то время как хемоавтотрофы и хемогетеротрофы получают энергию из неорганических реакций окисления.
Связывание углерода
Фотосинтезом называют процесс биосинтеза сахаров из углекислого газа, при котором необходимая энергия поглощается из солнечного света. У растений, цианобактерий и водорослей, при кислородном фотосинтезе происходит фотолиз воды, при этом, как побочный продукт, выделяется кислород. Для преобразования CO2 в 3-фосфоглицерат используется энергия АТР и NADPH, запасенная в фотосистемах. Реакция связывания углерода осуществляется с помощью фермента рибулозобисфосфаткарбоксилазы и является частью цикла Кальвина. [52] У растений классифицируют три типа фотосинтеза — по пути трехуглеродых молекул, по пути четырехуглеродых молекул (С4), и CAM фотосинтез. Три типа фотосинтеза отличаются по пути связывания углекислого газа и его вхождения в цикл Кальвина; у C3 растений связывание CO2 происходит непосредственно в цикле Кальвина, а при С4 и CAM CO2 предварительно включается в состав других соединений. Разные формы фотосинтеза являются приспособлениями к к интенсивному потоку солнечных лучей и к сухим условиям. [53]
У фотосинтезирующих прокариот механизмы связывания углерода более разнообразны. Углекислый газ может быть фиксирован в цикле Кальвина, в обратном цикле Кребса, [54] или в реакциях карбоксилирования ацетил-КоА. [55] [56] Прокариоты — хемоавтотрофы также связывают CO2 через цикл Кальвина, но для протекания реакции используют энергию из неорганических соединений. [57]
Углеводы и гликаны
В процессе анаболизма сахаров простые органические кислоты могут быть преобразованы в моносахариды, например, в глюкозу, и затем использованы для синтеза полисахаридов, таких как крахмал. Образование глюкозы из соединений, как пируват, лактат, глицерин, 3-фосфоглицерат и аминокислот называют глюконеогенезом. В процессе глюконеогенеза пируват превращается глюкозо-6-фосфат через ряд промежуточных соединений, многие из которых образуются и при гликолизе. [35] Однако, глюконеогенез не просто является гликолизом в обратном направлении, так как несколько химических реакций катализируют специальные ферменты, что дает возможность независимо регулировать процессы образования и распада глюкозы. [58] [59]
Многие организмы запасают питательные вещества в форме липидов и жиров, однако, позвоночные не имеют ферментов, катализирующих превращение ацетил-КоА (продукта метаболизма жирных кислот) в пируват (субстрат глюконеогенеза). [60] После длительного голодания позвоночные начинают синтезировать кетоновые тела из жирных кислот, которые могут заменять глюкозу в таких тканях, как головной мозг. [61] У растений и бактерий, данная метаболическая проблема решается использованием глиоксилатного цикла, который обходит этап декарбоксилирования в цикле лимонной кислоты и позволяет превращать ацетил-КоА в оксалоацетат, и далее использовать для синтеза глюкозы. [60] [62]
Полисахариды выполняют структурные и метаболические функции, а также могут быть соединены с липидами (гликолипиды) и белками (гликопротеиды) при помощи ферментов олигосахаридтрансфераз. [63] [64]
Жирные кислоты, изопреноиды и стероиды
Жирные кислоты образуются синтазами жирных кислот из ацетил-КоА. Углеродный скелет жирных кислот удлиняется в цикле реакций, в которых сначала присоединяется ацетильная группа, далее карбонильная группа восстанавливается до гидроксильной, затем происходит дегидратация и последующее восстановление. Ферменты биосинтеза жирных кислот классифицируют на две группы: у животных и грибов все реакции синтеза жирных кислот осуществляются одним многофункциональным белком I типа, [65] в пластидах растений и у бактерий каждый этап катализируют отдельные ферменты II типа. [66] [67]
Терпены и терпеноиды являются представителями самого многочисленного класса растительных натуральных продуктов. [68] Представители данной группы веществ являются производными изопрена и образуются из активированных предшественников изопентилпирофосфата и диметилаллилпирофосфата, которые, в свою очередь, образуются в разных реакциях обмена веществ. [69] У животных и архей изопентилпирофосфат и диметилаллилпирофосфат синтезируются из ацетил-КоА в мевалонатном пути, [70] в то время как у растений и бактерий субстратами не-мевалонатного пути являются пируват и глицеральдегид-3-фосфат. [69] [71] В реакциях биосинтеза стероидов молекулы изопрена объединяются и образуют сквалены, которые далее формируют циклические структуры с образованием ланостерола. [72] Ланостерол может быть преобразован в другие стероиды, например холестерин и эргостерин. [72] [73]
Белки
Организмы различаются по способности к синтезу 20 общих аминокислот. Большинство бактерий и растений могут синтезировать все 20, но млекопитающие способны синтезировать лишь 11 заменимых аминокислот. [7] Таким образом, в случае млекопитающих 9 незаменимых аминокислот должны быть получены из пищи. Все аминокислоты синтезируются из промежуточных продуктов гликолиза, цикла лимонной кислоты или пентозомонофосфатного пути. Перенос аминогрупп с аминокислот на альфа-кетокислоты называется трансаминированием. Донорами аминогрупп являются глутамат и глутамин. [74]
Аминокислоты, соединенными пептидными связями, образуют белки. Каждый белок имеет уникальную последовательность аминокислотных остатков (первичная структура белка). Подобно тому, как буквы алфавита могут комбинироваться с образованием почти бесконечных вариаций слов, аминокислоты могут связываться в той или иной последовательности и формировать разнообразные белки. Фермент Аминоацил-тРНК-синтетаза катализирует АТР-зависимое присоединение аминокислот к тРНК сложноэфирными связями, при этом образуются аминоацил-тРНК. [75] Аминоацил-тРНК являются субстратами для рибосом, которая объединяют аминокислоты в длинные полипептидные цепочки, используя матрицу мРНК. [76]
Нуклеотиды
Нуклеотиды образуются из аминокислот, углекислого газа и муравьиной кислоты в цепи реакций, для протекания которых требуется большое количество энергии. [77] [78] Именно поэтому большинство организмов имеют эффективные системы сохранения ранее синтезированных нуклеотидов и азотистых оснований. [77] [79] Пурины синтезируются как нуклеозиды (в основном связанные с рибозой). Аденин и гуанин образуются из инозин-монофосфата, который синтезируется из глицина, глутамина и аспартата при участии метенил-тетрагидрофолата. Пиримидины синтезируются из оротата, который образуется из глутамина и аспартата. [80]
Ксенобиотики и окислительный метаболизм
Все организмы постоянно подвергаются воздействию соединений, накопление которых может быть вредно для клеток. Такие потенциально опасные чужеродные соединения называются ксенобиотиками. [81] Ксенобиотики, например синтетические лекарства и яды природного происхождения, детоксифицируются специализированными ферментами. У человека такие ферменты представлены, например, цитохром-оксидазами, [82] глюкуронилтрансферазой, [83] и глутатион S-трансферазой. [84] Эта система ферментов действует в три этапа: на первой стадии ксенобиотики окисляются, затем происходит конъюгирование водорастворимых групп в молекулы, далее модифицированные водорастворимые ксенобиотики могут быть удалены из клеток и метаболизированы перед их экскрецией. Описанные реакции играют важную роль в разложении микробами загрязняющих веществ и биоремедиации загрязнённых земель и разливов нефти. [85] Многие подобные реакции протекают при участии многоклеточных организмов, однако, ввиду невероятного разнообразия, микроорганизмы справляются с гораздо более широким спектром ксенобиотиков, чем многоклеточные организмы, и способны даже разрушать стойкие органические загрязнители, например хлорорганические соединения. [86]
Связанной с этим проблемой для аэробных организмов является оксидативный стресс. [87] В процессе окислительного фосфорилирования и образования дисульфидных связей при укладке белка образуются активные формы кислорода, например пероксид водорода. [88] Эти повреждающие оксиданты удаляются антиоксидантами, например глутатионом и ферментами каталазой и пероксидазами. [89] [90]
Термодинамика живых организмов
Живые организмы подчиняются началам термодинамики, которые описывают превращения тепла и работы. Второе начало термодинамики гласит, что в любой изолированной системе энтропия не уменьшается. Хотя невероятная сложность живых организмов очевидно противоречит этому закону, жизнь возможна, так как все организмы открытые системы, которые обмениваются веществом и энергией с окружающей средой. Таким образом живые системы не находятся в термодинамическом равновесии, но вместо этого выступает диссипативной системой, которая поддерживают своё состояние сложно организованности, вызывая большее увеличение энтропии окружающей средой. [91] В метаболизм клеток это достигается путём сочетания спонтанных процессов катаболизма с не спонтанных процессов анаболизма. В термодинамических условиях, метаболизм поддерживает порядок за счёт создания беспорядка. [92]
Регуляция и контроль
Гомеостазом называют постоянство внутренней среды организма. Так как внешняя среда, окружающая большинство организмов, постоянно меняется, для поддержания постоянных условий внутри клеток, реакции обмена веществ должны точно регулироваться. [93] [94] Регуляция метаболизма позволяет организмам отвечать на сигналы и активно взаимодействовать с окружающей средой. [95] В случае фермента, регуляция заключается в повышении и снижении его активности в ответ на сигналы. С другой стороны, фермент оказывает некоторый контроль над метаболическим путем, который определяется как эффект от изменения активности фермента на данный метаболический путь. [96]
Выделяют несколько уровней регуляции метаболизма. В метаболическом пути происходит саморегуляция на уровне субстрата или продукта; например, уменьшение количества продукта может компенсированно увеличить поток субстрата реакции по данному пути. [97] Этот тип регулирования часто включает аллостерическое регулирование активности некоторых ферментов в метаболических путях. [98] Внешний контроль включает клетку многоклеточного организма, изменяющую свой метаболизм в ответ на сигналы от других клеток. Эти сигналы, как правило, в виде растворимых мессенджеров, например гормоны и факторы роста, определяются специфическими рецепторами на поверхности клеток. [99] Затем эти сигналы передаются внутрь клетки системой вторичных мессенджеров, которые зачастую связаны с фосфорилированием белков. [100]
Хорошо изученный пример внешнего контроля — регуляция метаболизма глюкозы инсулином. [101] Инсулин вырабатывается в ответ на повышение уровня глюкозы в крови. Гормон связывается с инсулиновым рецептором на поверхности клетки, затем активируется каскад протеинкиназ, которые обеспечивают поглощение молекул глюкозы клетками и преобразовать их в молекулы жирных кислот и гликогена. [102] Метаболизм гликогена контролируется активностью фосфорилазы (фермента, который расщепляет гликоген) и гликогенсинтазы (фермента, который образует его). Эти ферменты взаимосвязаны; фосфорилирование ингибируется гликогенсинтазой, но активируется фосфорилазой. Инсулин вызывает синтез гликогена путём активации белковых фосфатаз и уменьшает фосфорилирование этих ферментов. [103]
Эволюция
Главные пути метаболизма, описанные выше, например, гликолиза и цикла Кребса, присутствуют у всех трёх доменах живых существ и обнаруживаются у последнего универсального общего предка. [3] [104] Этот универсальный предок был прокариотом и, вероятно, метаногеном с аминокислотным, нуклеотидным, углеводным и липидным метаболизмом. [105] [106] Сохранение этих древних метаболических путей в эволюции может быть результатом того, что эти реакции оптимальны для решения конкретных проблем с метаболизмом. Так, конечные продукты гликолиза и цикла Кребса образуются с высокой эффективностью и с минимальным количеством стадий. [4] [5] Первые метаболические пути на основе ферментов могли быть частями пуринового метаболизма нуклеотидов с предыдущим метаболических путей были частью древнего мира РНК. [107]
Многие модели были предложены для описания механизмов, посредством которых новые метаболические пути эволюционировали. К ним относятся последовательное добавление новых ферментов на короткий предковый путь, дупликация, а затем дивергенция всех путей, а также набор уже существующих ферментов и их сборка в новый путь реакций. [108] Относительную важность этих механизмов неясна, однако геномные исследования показали, что ферменты в метаболическом пути, скорее всего, имеют общее происхождение, предполагая, что многие пути эволюционировали шаг за шагом с новыми функциями, созданными из уже существующих этапов пути. [109] Альтернативная модель основана на исследованиях, в которых прослеживается эволюция структуры белков в метаболических связях; предполагают, что ферменты собирались для выполнения схожих функций в различных метаболических путях [110] Эти процессы сборки привели к эволюционированию ферментативной мозаики. [111] Некоторые части обмена веществ возможно существовали в качестве «модулей», которые могли быть повторно использованы в различных путях для выполнения схожих функций. [112]
Эволюция также может приводить к потере метаболических функций. Например, у некоторых паразитов метаболические процессы, которые не важны для выживания, утрачены и готовые аминокислоты, нуклеотиды и углеводы получаются от хозяина. [113] Подобные упрощения метаболических возможностей наблюдают у эндосимбиотических организмов. [114]
Методы исследования
Классически, метаболизм изучается упрощённым подходом, который фокусируется на одном метаболическом пути. Особенно ценно использование меченых атомов на организменном, тканевом и клеточном уровнях, которые определяют пути от предшественников до конечных продуктов путём выявления радиоактивно меченых промежуточных продуктов. [115] Ферменты, которые катализируют эти химические реакции, могут затем быть выделены для исследования их кинетики и ответа на ингибиторы. Параллельный подход заключается в выявлении небольших молекул в клетки или ткани; полный набор этих молекул называется метаболом. В целом, эти исследования дают хорошее представление о структуре и функциях простых путей метаболизма, но недостаточны в применении к более сложных системам, например полной метаболизм клетки. [116]
Идея сложности метаболических сетей в клетках, которые содержат тысячи различных ферментов, отражена на изображении справа, показывающее взаимодействия только между 43 белками и 40 метаболитами, которые регулируются 45000 генов. [117] Тем не менее, сейчас можно использовать такие данные о геномах для воссоздания полной сети биохимических реакций и образовывать более целостные математические модели, которые могут объяснить и предсказать их поведение. [118] Эти модели особенно сильны, когда используются для интеграции данных о путях и метаболитах, полученных на основе классических методов, с данными по экспрессии генов из протеомных и ДНК-микрочиповых исследований. [119] С помощью этих методов, модель человеческого метаболизма в настоящее время создаётся, которая будет служить ориентиром для будущих исследований лекарств и биохимических исследований. [120] Эти модели в настоящее время используются в анализах сети, для классификации болезней человека по группам, которые различаются по общим белкам или метаболитам. [121] [122]
Основная технологическая основа этой информации — метаболическая инженерия. Здесь организмы, например дрожжи, растения или бактерии, генетически модифицируются, чтобы сделать их более эффективными в биотехнологии и помочь в производстве лекарств, например антибиотиков или промышленных химических веществ, таких как 1,3-пропандиола и шикимовой кислоты. [126] Эти генетические модификации обычно направлены на уменьшение количества энергии, используемой для производства продукции, повышения урожайности и снижения производственных отходов. [127]
История
В ранних исследованиях механизмы метаболических реакций не были обнаружены и считалось, что живой тканью управляет живая сила. [130] В XIX веке при исследовании ферментации сахара спирта дрожжами Луи Пастер сделал вывод, что брожение катализируется веществами из дрожжевых клеток, которые он назвал ферментами. Пастер писал, что «алкогольное брожение — действие, связанное с жизнью и организуется дрожжевыми клетками, не связано со смертью или разложением клеток». [131] Это открытие, вместе с публикацией Фридриха Вёлера в 1828 году о химическом синтезе мочевины, [132] доказали, что органические соединения и химические реакции, обнаруженные в клетках, не имеют различий в принципе, как и любые другие разделы химии.
Открытие ферментов в начале XX века Эдуардом Бухнером разделило изучение метаболических реакций от изучения клеток и дало начало развитию биохимии как науки. [133] Одним из успешных биохимиков начала двадцатого века был Ханс Адольф Кребс, который внёс огромный вклад в изучение метаболизма. [134] Кребс описал цикл мочевины и позднее, работая вместе с Хансом Корнбергом, цикл лимонной кислоты и глиоксилатный цикл. [135] [62] В современных биохимических исследованиях широко используют новые методы, такие как хроматография, рентгеноструктурный анализ, ЯМР-спектроскопия, электронная микроскопия и метод классической молекулярной динамики. Эти методы позволяют открывать и подробно изучать множество молекул и метаболических путей в клетках.