Biology.2-Model.jpg. תרשים זה, אשר כולל רק מיעוט זעיר מכלל המסלולים האפשריים, מעיד על האופן המורכב בו יצורים מפיקים אנרגיה]]
מֶטַבּוֹלִיזְם (Metabolism; בעברית: חילוף חומרים) הוא תהליך, המתרחש ביצורים חיים, של קליטת חומרים מהסביבה, עיבודם, הפקת אנרגיה מהם ופליטת הפסולת.
מטבוליזם הינו אחד המושגים הבסיסיים ביותר בביולוגיה, והוא מהווה את אחד התנאים להגדרת יצור חי (התנאי החשוב האחר הינו יכולת רבייה). חילוף החומרים מתרחש תמיד בסדר שלהלן:
מדוע טורח הגוף לפרק את המזון לאבני הבניין שלו, ולאחר מכן לאחד אותן שוב למולקולות מורכבות? קיימות לכך שתי סיבות:
את עקרון הפקת האנרגיה ביצורים החיים ניתן להשוות באופן כללי לעקרון בו פועלת סוללה חשמלית. בסוללה נוצר זרם חשמלי (צורה של אנרגיה) באמצעות הבדלים בנטייה של חומרים שונים למסור ולקבל אלקטרונים. בקוטב השלילי של הסוללה (האנודה) נמצא חומר הנוטה למסור אלקטרונים; בקוטב החיובי (הקתודה) - חומר הנוטה לקבל אלקטרונים. כשמחברים בין שני הקטבים חוט מתכת, מתאפשרת זרימת אלקטרונים מהאנודה לקתודה. זרימה זו היא הזרם החשמלי, וזוהי בעצם אנרגיה אותה ניתן לנצל - לשם הדלקת נורה חשמלית, למשל.
ביצורים חיים אמנם לא נוצר זרם חשמלי, אך קיים מעבר של אלקטרונים בין תרכובות שונות, ומעבר זה גורם להפקת אנרגיה. כל יצור חי זקוק, אם כך, לתרכובות התורמות (מוסרות) אלקטרונים (בדומה לאנודה בסוללה) ולתרכובות המקבלות אלקטרונים (בדומה לקתודה). קיים מגוון רב של תרכובות המשמשות את היצורים השונים. באדם ובבעלי החיים, למשל, המזון מספק את התרכובות מוסרות האלקטרונים (ובראשן - גלוקוז), ואילו החמצן אותו אנו נושמים הוא התרכובת שקולטת את האלקטרונים.
הסוללה מפיקה אנרגיה בצורת חשמל. צורה אחרת של הפקת אנרגיה - בעירה - מפיקה אנרגיה בצורת חום ואור. צורת האנרגיה המופקת ביצורים חיים, לעומת זאת, הינה אנרגיה כימית. זרימת האלקטרונים ביצור החי מביאה להיווצרות של תרכובת הנקראת ATP. תרכובת זו, בה משתמשים כל היצורים החיים, ללא יוצא מן הכלל, מכילה קשרים עתירי אנרגיה. היצור שומר את ה-ATP למשך זמן מה; לאחר מכן, כשהוא נזקק לאנרגיה לשם ביצוע תהליכים שונים, מתפרק ה-ATP. שבירת הקשרים הכימיים שלו מביא לשחרור אנרגיה, שאותה מסוגל התא לנצל.
הצורך במולקולה עתירת אנרגיה חיוני בביולוגיה. צורות האנרגיה שהוזכרו לעיל - חשמל, אור וחום - הן צורות של אנרגיה מיידית, המופקת ומנוצלת כמעט באותו הרגע. התא החי אינו מסוגל לאגור חשמל או חום ולהשתמש בהם מאוחר יותר; לפיכך נוצרה במרוצת הדורות מולקולת ה-ATP, אשר מכונה "מטבע האנרגיה של התא".
ביצורים הטרוטרופים (ראו להלן) ניתן לומר שמתבצעת "בעירה איטית" (או "שריפה איטית"). בעירה מוגדרת כתהליך כימי שבו תרכובת מגיבה עם חומר מחמצן, ובמהלכו משתחררת אנרגיה. בתאיהם של בעלי החיים, למשל, מגיבות אבני הבניין של המזון עם חמצן, והאנרגיה המשתחררת נאגרת ב-ATP (ואינה משתחררת בצורת אש, כמובן; לכן הבעירה היא "איטית"). זהו המקור לביטויים כדוגמת "שריפת שומנים" ו"שריפת קלוריות".
CellularRespiration.png ו-ATP]]
היצורים השונים משתמשים במגוון גדול של תורמי אלקטרונים וקולטי אלקטרונים. קיימות שלוש שיטות כלליות להפקת אנרגיה בתא:
החלוקה שלעיל מתייחסת לתהליכים. היצורים עצמם ממוינים לארבע קבוצות מטבוליות שונות:
| סוג היצור | מקור לאנרגיה | מקור לפחמן | מי ומי |
| כמוהטרוטרוף | תגובות חמצון-חיזור | תרכובות אורגניות | כמעט כל היצורים שאינם פוטוסינטיים; כל בעלי החיים |
| כמואוטוטרוף | תגובות חמצון-חיזור | פחמן דו-חמצני | חיידקי גופרית, חיידקי מימן, חיידקי ניטריפיקציה |
| פוטוהטרוטרוף | אור | תרכובות אורגניות | חיידקים ארגמניים |
| פוטואוטוטרוף | אור | פחמן דו-חמצני | צמחים, פרוטיסטים וחיידקים פוטוסינתטיים |
ארבע קבוצות היצורים מסתיימות בסיומת -טרוף (troph-), כשלפניה שתי קידומות:
Leaf1web.jpg ירוקים מכילים כלורופיל, התרכובת הקולטת את האור בתהליך הפוטוסינתזה]]
ניתן לראות שקיימת חפיפה מסוימת בין הפקת אנרגיה בתא ובין בניית תרכובות אורגניות. גלוקוז, למשל, משמש בכמוהטרוטרופים גם לשם הפקת אנרגיה (בעת פירוקו משתחררים אלקטרונים) וגם לשם בניית התא (גלוקוז מתפרק לפירובט, אשר משמש כחומר מוצא לתרכובות רבות). למרות זאת, בין הפקת אנרגיה ובניית תרכובות אורגניות אין כל קשר מהותי (מבחינת קבוצות היצורים), ומדובר בשני נושאים שונים הנכללים תחת המושג "מטבוליזם".
בשעה שבעלי חיים וצמחים קלים יחסית למיון טקסונומי, זאת על-פי מראם ותכונותיהם החיצוניות, הרי שמיונם של מיקרואורגניזמים אינו סיפור כה פשוט. אלפי סוגים של חיידקים מגלים תכונות חיצוניות זהות, ולכן נדרשים קריטריונים נוספים למיון. מטבוליזם מהווה את אחד הקריטריונים החשובים למיון מיקרואורגניזמים. החלוקה החשובה ביותר מבחינה מטבולית היא לארובים ואנארובים. היצורים נחלקים לחמש קבוצות, לפי התייחסותם לחמצן:
להסבר מפורט על חמש הקבוצות ראו: אנארובי.
בנוסף, חיידקים מתמיינים לעתים לקבוצות שונות לפי יכולתם לפרק תרכובות (לקטוז, למשל). בדיקת יכולתם של חיידקים לפרק תרכובות מאפשרת לעתים זיהויים ללא שימוש במיקרוסקופ; פירוק של חומרים רבים גורם לשינוי בצבעם, לשינוי בצבעו של אינדיקטור שאותו יש להוסיף (זאת עקב שינוי ברמת החומציות, בדרך כלל), או להופעת תוצרים שאותם ניתן לראות: בועות, מים, גזים וכדומה.
בתא קיימים מסלולים מוגדרים ומתוכננים להפליא המשמשים לפירוק או ייצור תרכובות. הגליקוליזה, למשל, הינה מסלול מטבולי המצוי ברוב היצורים החיים. מסלולים אחרים, כגון זרחון חמצוני, ייחודיים ליצורים מסוימים. התהליכים מוגדרים כ"מסלולים" כיוון שכמעט תמיד לא מדובר בפירוק ובנייה פשוטים, אלא בשרשרת ארוכה של תגובות כימיות המביאה בסופו של דבר לתוצר. בגליקוליזה, למשל, עובר הגלוקוז, החומר הראשוני בתהליך, עשר תגובות כימיות עד שהוא מומר לתוצר הסופי: פירובט. על כל תגובה אחראי אנזים נפרד.
קיימים מסלולים מטבוליים מנוגדים: המסלול המנוגד לגליקוליזה, למשל, בה מיוצר פירובט מגלוקוז, הוא גלוקונאוגנזה, בה מיוצר גלוקוז מפירובט. במהלך האבולוציה התפתחו כמה מנגנונים המונעים מהמסלולים המנוגדים לעמוד האחד בדרכו של השני:
תרופות רבות, המשמשות לחיסול חיידקים פתוגניים, מבוססות על פגיעה במסלול מטבולי כלשהוא בתא החיידק. להבדיל, רעלים רבים (ובכללם נשקים כימיים) פועלים באמצעות פגיעה במסלולים מטבוליים. לעתים קרובות מתרחשת הפגיעה בתהליך הנשימה התאית (וספציפית: בזרחון החמצוני), דבר הגורם למוות מהיר עקב הפסקת יצור האנרגיה בגוף.
בדוגמת הסוללה החשמלית שהובאה לעיל זורמים האלקטרונים באמצעות חוט מתכת מהאנודה אל הקתודה. בתא מועברים האלקטרונים באמצעות נשאי אלקטרונים, מולקולות יעודיות המשמשות בדרך כלל כקואנזימים (מולקולות עצמאיות המקושרות לאנזימים ואשר מהוות את האתר הפעיל של האנזים). שני נשאי אלקטרונים אוניברסליים, המשתתפים באין ספור תגובות בתאיהם של כל היצורים החיים, הם NAD ו-FAD. שני חומרים אלו הם נוקלאוטידים; הראשון הוא נגזרת של הוויטמין B3 (ניאצין) והשני - של B2 (ריבופלאווין). מחסור בוויטמינים אלו גורם לבעיות מטבוליות חמורות. לשני הנוקלאוטידים נטייה לקלוט יון הידריד (-H); זהו יון שלילי של מימן אשר מורכב מפרוטון ומשני אלקטרונים. כשגלוקוז, למשל, מתפרק בתהליך הגליקוליזה, משתחררים ממנו יוני הידריד, אותם קולט NAD (והופך ל-NADH); הלה מעביר את האלקטרונים לחמצן בשלב הזרחון החמצוני, השלב האחרון של הנשימה התאית, והופך שוב ל-NAD, אשר מסוגל להשתתף שוב בגליקוליזה.
בתא נשמר אם כן מאגר קבוע למדי של נשאי אלקטרונים, אשר מתחמצנים ומתחזרים לסירוגין. במידה ו-NADH לא מסוגל לתרום את האלקטרונים שלו מסיבה כלשהי, מידלדל מאגר ה-NAD בתא ותהליך הגליקוליזה אינו מתאפשר. הפתרון שמצאו לכך מספר יצורים הוא תסיסה. במקום למסור את האלקטרונים לקולט אלקטרונים חיצוני (חמצן, למשל) נמסרים האלקטרונים לפירובט, תוצר הגליקוליזה. פירובט מומר לתוצר סופי כלשהו (תוצר התסיסה; קיימות אפשרויות רבות: אתנול, חומצה אצטית, חומצה לקטית ועוד) ואילו NADH ממוחזר ל-NAD אשר משתתף בשנית בגליקוליזה.
סיבה אפשרית לאי-יכולתו של NADH לתרום אלקטרונים היא מחסור בחמצן. תופעה זו מתרחשת בתאי שריר של בעלי חיים, ובהם האדם. כשהשריר מתאמץ לא די בחמצן המגיע אליו דרך מחזור הדם לשם סיפוק צרכי האנרגיה של התא, והלה נאלץ לבצע תסיסה, שתוצרה הסופי הוא חומצה לקטית. החומצה גורמת לכאבי שרירים ומהווה את הגורם לכך שלא ניתן לאמץ את השריר יתר על המידה למשך זמן רב. מיקרואורגניזמים רבים הסתגלו לחיים ללא חמצן באמצעות פיתוח מסלולי תסיסה. ביצורים אנארובים אובליגטוריים (ראו לעיל) לא קיים כלל מנגנון זרחון חמצוני, כך ש-NADH מוכרח למסור את האלקטרונים שלו לפירובט בתסיסה. ביצורים פקולטטיביים, בדומה לתאי השריר באדם, קיים מנגנון זרחון חמצוני; בתנאים של מחסור בחמצן מבצעים יצורים אלו תסיסה במקום נשימה תאית.
בתהליך הזרחון החמצוני עצמו משתתפים נשאי אלקטרונים רבים, המהווים שרשרת העברת אלקטרונים. נשאי האלקטרונים בתהליך זה הם חלבונים גדולים המכילים בדרך כלל אטומי מתכת ואשר קבועים בתוך ממברנת המיטוכונדריון, בו מתרחש הזרחון החמצוני, או ממברנת התא ביצורים פרוקריוטיים. לכל נשא אלקטרונים נטייה שונה לקבל ולתרום אלקטרונים, והאלקטרונים זורמים בסדר מופתי דרך השרשרת עד להגיעם לקולט האלקטרונים הסופי - חמצן. החמצן קולט אלקטרונים ופרוטונים והופך למים - זהו גורלו הסופי של החמצן שאותו אנו נושמים.
PhenylalanineHydroxylase-1PHZ.png פנילאלנין הידרוקסילאז אינו מיוצר בגופם של חולי פנילקטונוריה]]
מחלות רבות נובעות מבעיה מטבולית. הללו מתחלקות לשני סוגים:
ראו גם: מחלות מטבוליות.
חילוף חומרים בסיסי מתייחס לצורכי האנרגיה הבסיסים, למטבוליזם הבסיסי של כל רקמות הגוף ולפעילויות של הגוף במנוחה מוחלטת. הכוונה לפעילויות הבסיסיות כמו נשימה, פעילות לב, שמירת חום גוף קבוע, הפעלת מחזור הדם, קיום מתח שרירים ופעילויות בלתי-רצוניות אחרות.
לספורטאים בדרך כלל יש חילוף חומרים גבוהה, זאת עקב הפעילות הגופנית האינטנסיבית אותה הם מבצעים. ספורט מאיץ את המטבוליזם, וללא ספורט דיאטה בדרך כלל לא פועלת. ישנם תוספי מזון אשר יכולים להגביר ולהאיץ את המטבוליזם, זאת בשילוב הפעילות הגופנית. תוספי מזון בלתי-חוקיים (כגון T3, אפדרין ועוד) עלולים לגרום לנזק בלתי-הפיך למערכת ההורמונלית בגוף. יש להתייעץ עם רופא לפני שימוש בתוסף מזון כלשהוא.
אדם עליו נאמר שיש לו חילוף חומרים גבוה, משמע שתהליך חילוף החומרים בגופו מהיר, כלומר קצב פירוק השומן שלו מהיר יותר. חילוף חומרים איטי משמע קצב פירוק נמוך של השומן.
Metabolism | Metabolisme | Metabolismus | Stofskifte | Stoffwechsel | Metabolo | Metabolismo | دگرگشت | Aineenvaihdunta | Métabolisme | Metabolisme | Metabolio | Metabolismo | 代謝 | Metabolismus | Метаболизам | Stofwisseling | Metabolizm | Metabolismo | Метаболизм | Metabolism | Métabolisme | Metabolism | กระบวนการสร้างและสลาย | Chuyển hóa | 新陈代谢
This article is licensed under the GNU Free Documentation License.
It uses material from the
"מטבוליזם".
Home Page • arts • business • computers • games • health • hospitals • home • kids & teens • news • physicians • recreation• reference • regional • science • shopping • society • sports • world