Metabolizm, ya’ni moddalar almashinuvi, — kimyoviy reaksiyalar bo‘lib, ular hujayrada yoki organizmda sodir bo‘ladi va bu jarayonda fermentlar ta’sirida oziq-ovqat, dori vositalari va biologik moddalar molekulalari parchalanadi. Metabolizm o‘sish uchun zarur energiya va birikmalarning hosil bo‘lishini, shuningdek, zaharli moddalarning chiqarilishini ta’minlaydi. Metabolik reaksiya mahsuloti metabolit deb ataladi.

Metabolizm odatda 2 bosqichga bo‘linadi: katabolizm va anabolizm. Katabolizm jarayonida murakkab organik moddalar oddiyroq moddalarga parchalanadi va bunda odatda energiya ajralib chiqadi, anabolizm jarayonlarida esa oddiy birikmalardan energiya sarfi hisobiga murakkabroq birikmalar sintezlanadi.

Moddalar almashinuvidagi ketma-ket kimyoviy reaksiyalar metabolik yo‘llar deyiladi. Bu yo‘llarda fermentlar ishtirokida biologik jihatdan muhim molekulalar bosqichma-bosqich boshqa molekulalarga aylanadi.

Fermentlar moddalar almashinuvida muhim rol o‘ynaydi, chunki ular:

• 

  biologik katalizatorlar sifatida ta’sir ko‘rsatib, faollanish energiyasini kamaytiradi;
• metabolik yo‘llarni hujayra muhitidagi o‘zgarishlar yoki boshqa hujayralardan keladigan signallarga mos ravishda boshqarish imkonini beradi.

Metabolizm xususiyatlari muayyan molekuladan organizm energiya manbai sifatida foydalana olish-olmasligini belgilaydi. Masalan, ayrim prokariotlar energiya manbai sifatida vodorod sulfiddan foydalanadi, biroq bu gaz hayvonlar uchun zaharlidir. Moddalar almashinuvi tezligi organizmga zarur oziq-ovqat miqdoriga ham ta’sir qiladi.

Asosiy metabolik yo‘llar va ularning tarkibiy qismlari ko‘plab turlarda bir xil. Bu barcha tirik mavjudotlarning kelib chiqishi umumiy ekanidan dalolat beradi. Masalan, ayrim karbon kislotalar oraliq mahsulot sifatida trikarbon kislotalar siklida uchraydi. Ular bakteriyalardan tortib ko‘p hujayrali organizmlargacha bo‘lgan barcha organizmlarda, jumladan, eukariotlarda uchraydi. Metabolizmdagi o‘xshashliklar, ehtimol, metabolik yo‘llarning yuqori samaradorligi hamda ularning evolyutsiya tarixida erta paydo bo‘lgani bilan bog‘liq.

Barcha tirik mavjudotlar (hayvonlar, o‘simliklar, zamburug‘lar va mikroorganizmlar) tarkibidagi organik moddalar asosan aminokislotalar, uglevodlar, lipidlar (ko‘pincha yog‘lar) va nuklein kislotalardan iborat. Bu molekulalar hayot uchun nihoyatda muhim bo‘lgani sababli metabolik reaksiyalar hujayra hamda to‘qimalarni hosil qilish uchun ularni sintezlashga yoki energiya manbai sifatida ishlatish maqsadida parchalashga qaratilgan. Ko‘plab muhim biokimyoviy reaksiyalar quyidagi moddalarni sintezlash uchun birgalikda kechadi: DNK va oqsillar.

Uglevodlar

Asosiy maqolalar: Uglevodlar va Uglevodlar almashinuvi

Shakarlar halqasimon yoki chiziqli shaklda aldegidlar yoki ketonlar ko‘rinishida mavjud bo‘lishi va bir nechta gidroksil guruhlariga ega bo‘lishi mumkin. Uglevodlar eng keng tarqalgan biologik molekulalardir. Ular energiyani saqlash va tashish (kraxmal, glikogen), shuningdek, tuzilish vazifasini (sellyuloza o‘simliklarda, xitin zamburug‘lar va hayvonlarda) bajaradi. Shakarlarning eng keng tarqalgan monomerlari geksozalar — glyukoza, fruktoza va galaktozadir. Monosaxaridlar murakkabroq chiziqli yoki tarmoqlangan polisaxaridlar tarkibiga kiradi.

Kofermentlar

Mavzuning batafsil bayoni: Kofermentlar

Metabolizm turli xil kimyoviy reaksiyalarni o‘z ichiga oladi. Ularning aksariyati funksional guruhlarni ko‘chirish reaksiyalarining bir necha asosiy turiga kiradi. Kimyoviy reaksiyalarni katalizlovchi fermentlar o‘rtasida funksional guruhlarni ko‘chirish uchun kofermentlardan foydalaniladi. Funksional guruhlarni ko‘chirish bilan bog‘liq kimyoviy reaksiyalarning har bir sinfi alohida fermentlar va ularning kofaktorlari yordamida katalizlanadi.

Adenozintrifosfat (ATF) — markaziy kofermentlardan biri va hujayralar uchun universal energiya manbaidir. Bu nukleotid makroergik bog‘larda to‘plangan kimyoviy energiyani turli kimyoviy reaksiyalar orasida uzatish uchun ishlatiladi. Hujayralarda ATF miqdori kam bo‘ladi, ammo u ADF va AMFdan doimiy ravishda qayta hosil qilinadi. Inson organizmi bir sutkada o‘z tanasi massasiga teng miqdordagi ATFni sarflaydi. ATF katabolizm va anabolizm o‘rtasidagi bog‘lovchi bo‘g‘in vazifasini bajaradi: katabolik reaksiyalarda ATF hosil bo‘ladi, anabolik reaksiyalarda esa energiya sarflanadi. ATF, shuningdek, fosfat guruhi donori sifatida fosforillanish reaksiyalarida ishtirok etadi.

Vitaminlar — kichik miqdorda zarur bo‘ladigan quyi molekulyar organik moddalardir. Masalan, inson organizmida ko‘pchilik vitaminlar sintezlanmaydi, balki oziq-ovqat yoki oshqozon-ichak yo‘li mikroflorasi orqali olinadi. Inson organizmida vitaminlarning aksariyati fermentlar kofaktori vazifasini bajaradi. Ko‘pchilik vitaminlar o‘zgargan shaklda biologik faollikka ega bo‘ladi: masalan, suvda eruvchan barcha vitaminlar hujayralarda fosforillanadi yoki nukleotidlar bilan birikadi. Nikotinamidadenindinukleotid (NADH) B vitaminining hosilasi (₃ (niatsin) bo‘lib, muhim koferment — vodorod akseptori hisoblanadi. Yuzlab turli degidrogenaza fermentlari substrat molekulalaridan elektronlarni ajratib olib, NAD molekulalariga o‘tkazadi⁺ va uni NADHgacha qaytaradi. Kofermentning oksidlangan shakli hujayradagi turli reduktazalar uchun substrat hisoblanadi. NAD hujayrada o‘zaro bog‘langan ikki shaklda — NADH va NADPH ko‘rinishida mavjud. NAD⁺/NADH katabolik reaksiyalar uchun muhimroq, NADP⁺/NADPH esa ko‘proq anabolik reaksiyalarda ishlatiladi.

Barcha tirik organizmlarni foydalanadigan energiya, uglerod va elektron donori (oksidlanadigan substrat) manbalariga qarab sakkizta asosiy guruhga ajratish mumkin.

1. Tirik organizmlar energiya manbai sifatida yorug‘lik (foto-) yoki kimyoviy bog‘lar energiyasi (xemo-). Bundan tashqari, parazit organizmlarni, ya’ni xo‘jayin hujayraning energiya resurslaridan foydalanadigan organizmlarni tavsiflash uchun paratrof.
2. atamasi ishlatiladi. Energiya manbaidan tashqari, tirik organizmlarga elektron donori — elektroni ajratib olinib, organik moddalar sintezi uchun ishlatiladigan oksidlanuvchi modda ham kerak. Tirik organizmlar elektron donori (qaytaruvchi modda) sifatida anorganik moddalar (lito-) yoki organik moddalar (organo-).
3. dan foydalanishi mumkin. Tirik organizmlar uglerod manbai sifatida karbonat angidrid (avto-) yoki organik moddalar (getero-)dan foydalanadi. Ba’zan avto- va geterotrof atamalari biologik molekulalar tarkibida qaytarilgan shaklda bo‘ladigan boshqa elementlar (masalan, azot, oltingugurt)ga nisbatan ham ishlatiladi. Bunday holatda «azot bo‘yicha avtotrof» organizmlar azot manbai sifatida oksidlangan anorganik birikmalardan foydalanadi (masalan, o‘simliklar nitratlarni qaytara oladi). «Azot bo‘yicha geterotrof» organizmlar esa azotning oksidlangan shakllarini qaytara olmaydi va uning manbai sifatida organik birikmalardan foydalanadi (masalan, hayvonlar uchun azot manbai aminokislotalar hisoblanadi).

Metabolizm turining nomi tegishli o‘zaklarni birlashtirib, oxiriga -trof- o‘zagini qo‘shish orqali hosil qilinadi. Jadvalda metabolizmning mumkin bo‘lgan turlari misollar bilan keltirilgan:

• Ayrim mualliflar elektron donori suv bo‘lganda -gidro- o‘zagidan foydalanadi.

1. CO₂, CO, HCHO, CH₃OH, CH₄ HCOO^- va «anorganik» metil guruhi -CH₃, u kislorod, azot yoki oltingugurt atomi orqali boshqa metil guruhlariga (birdan uchtagacha) yoxud ko‘p uglerodli skeletga bog‘langan.

Bu tasnif mualliflar guruhi (A. Lvov, K. van Nil, F. J. Ryan, E. Teytem) tomonidan ishlab chiqilgan va 11-simpoziumda, ya’ni Kold-Spring-Harbor laboratoriyasida tasdiqlangan. Dastlab tasnif mikroorganizmlarning oziqlanish turlarini tavsiflash uchun xizmat qilgan. Hozir esa boshqa organizmlar metabolizmini tavsiflashda ham qo‘llanadi.

Metabolik imkoniyatlari jihatidan prokariotlar eukariotlarga nisbatan ancha xilma-xildir. Eukariotlar esa fotolitoavtotrof va xemoorganogeterotrof metabolizm turlari bilan tavsiflanadi.

Ayrim mikroorganizm turlari muhit sharoitlari (yoritilish, organik moddalar mavjudligi va hokazo) hamda fiziologik holatiga qarab har xil metabolizm turini amalga oshirishi mumkin. Metabolizmning bir nechta turi birgalikda kuzatilishi miksotrofiya deb ataladi.

Ko‘p hujayrali organizmlarda bir organizm doirasidagi hujayralar ham moddalar almashinuvi turi jihatidan farqlanishi mumkin. Masalan, ko‘p hujayrali o‘simliklarning yer ustidagi fotosintez qiluvchi organlari hujayralariga fotolitoavtotrof metabolizm xos, yer osti organlari hujayralari esa xemoorganogeterotrof hisoblanadi. Mikroorganizmlardagi kabi, ko‘p hujayrali organizm hujayralarining metabolizm turi ham muhit sharoitlari, rivojlanish bosqichi va fiziologik holat o‘zgarishi bilan almashishi mumkin. Masalan, qorong‘ilikda hamda urug‘ unishi bosqichida yuksak o‘simliklar hujayralari xemoorganogeterotrof metabolizmni amalga oshiradi.

Katabolizm — shakarlar, yog‘lar va aminokislotalarning nisbatan yirik organik molekulalari parchalanadigan metabolik jarayonlar majmui. Katabolizm davomida anabolizm (biosintez) reaksiyalari uchun zarur bo‘lgan oddiyroq organik molekulalar hosil bo‘ladi. Ko‘pincha aynan katabolik reaksiyalar jarayonida organizm oziq-ovqat hazmi natijasida olingan organik molekulalarning kimyoviy bog‘laridagi energiyani ATF, qaytarilgan kofermentlar va transmembranaviy elektrokimyoviy potensial ko‘rinishida foydalanish mumkin bo‘lgan shaklga aylantiradi. «Katabolizm» atamasi «energiya almashinuvi» bilan bir ma’noli emas: ko‘plab organizmlarda (masalan, fototroflarda) energiya to‘plashning asosiy jarayonlari organik molekulalarning parchalanishi bilan bevosita bog‘liq emas. Organizmlarni metabolizm turiga ko‘ra tasniflash energiya manbaiga asoslanishi mumkin; bu oldingi bo‘limda ko‘rsatilgan. Kimyoviy bog‘lar energiyasidan xemotroflar, fototroflar esa Quyosh nuri energiyasidan foydalanadi. Biroq moddalar almashinuvining barcha bu shakllari oksidlanish-qaytarilish reaksiyalariga bog‘liq. Ularda elektronlar organik molekulalar, suv, ammiak, vodorod sulfid kabi qaytarilgan donor molekulalardan kislorod, nitratlar yoki sulfat kabi akseptor molekulalarga uzatiladi. Hayvonlarda bu reaksiyalar murakkab organik molekulalarning karbonat angidrid va suv kabi oddiy moddalargacha parchalanishi bilan bog‘liq. Fotosintez qiluvchi organizmlarda — o‘simliklar va sianobakteriyalarda — elektron uzatish reaksiyalari energiyani ajratib chiqarmaydi, balki Quyosh nuridan yutilgan energiyani saqlash usuli sifatida xizmat qiladi.

Hayvonlarda katabolizmni uch asosiy bosqichga ajratish mumkin. Birinchi bosqichda oqsillar, polisaxaridlar va lipidlar kabi yirik organik molekulalar hujayralardan tashqarida kichikroq tarkibiy qismlarga parchalanadi. Keyin bu kichik molekulalar hujayralarga kirib, yanada kichik molekulalarga, masalan, atsetil-KoAga aylanadi. O‘z navbatida, A kofermentining atsetil guruhi Krebs sikli va nafas olish zanjirida suv va karbonat angidridgacha oksidlanadi. Bunda ajralgan energiya ATF shaklida saqlanadi.

Ovqat hazm qilish

Mavzuning batafsil bayoni: Ovqat hazm qilish va Oshqozon-ichak yo‘li

Kraxmal, sellyuloza yoki oqsillar kabi makromolekulalar hujayralar tomonidan foydalanilishidan oldin kichikroq birliklarga parchalanishi lozim. Bu parchalanishda fermentlarning bir nechta sinfi, jumladan, proteazalar (oqsillarni peptidlar va aminokislotalargacha parchalovchi) hamda glikozidazalar (polisaxaridlarni oligo- va monosaxaridlargacha parchalovchi) ishtirok etadi.

Mikroorganizmlar gidrolitik fermentlarni o‘z atrofidagi muhitga ajratadi. Bu jihatdan ular bunday fermentlarni faqat ixtisoslashgan bez hujayralaridan ajratadigan hayvonlardan farq qiladi. Hujayradan tashqaridagi fermentlar ta’sirida hosil bo‘lgan aminokislotalar va monosaxaridlar keyin faol transport orqali hujayralarga kiradi.

Anabolizm — energiya sarflab murakkab molekulalarni biosintez qilishga qaratilgan metabolik jarayonlar majmui. Hujayra tuzilmalari tarkibidagi murakkab molekulalar oddiyroq dastlabki moddalardan ketma-ket sintezlanadi. Anabolizm uch asosiy bosqichdan iborat bo‘lib, ularning har biri maxsus ferment orqali katalizlanadi. Birinchi bosqichda boshlang‘ich molekulalar, masalan, aminokislotalar, monosaxaridlar, terpenoidlar va nukleotidlar sintezlanadi. Ikkinchi bosqichda ATF energiyasi hisobiga ular faol shaklga o‘tkaziladi. Uchinchi bosqichda faollashtirilgan monomerlar birlashib, quyidagi murakkab molekulalarni hosil qiladi: oqsillar, polisaxaridlar, lipidlar va nuklein kislotalar.

Barcha tirik organizmlar ham barcha biologik faol molekulalarni sintezlay olmaydi. Avtotroflar (masalan, o‘simliklar) quyidagi oddiy quyi molekulyar anorganik moddalardan murakkab organik molekulalarni sintezlay oladi: karbonat angidrid va suv. Geterotroflarga esa murakkabroq molekulalarni hosil qilish uchun monosaxaridlar va aminokislotalar kabi murakkab moddalarning manbai kerak. Organizmlar asosiy energiya manbaiga ko‘ra ham tasniflanadi: fotoavtotroflar va fotogeterotroflar energiyani Quyosh nuridan, xemoavtotroflar va xemogeterotroflar esa anorganik oksidlanish reaksiyalaridan oladi.

Uglerodni bog‘lash

Mavzuning batafsil bayoni: Fotosintez va Xemosintez

Fotosintez — karbonat angidriddan shakarlar biosintezlanishi jarayoni bo‘lib, unga zarur energiya Quyosh nuridan olinadi. O‘simliklar, sianobakteriyalar va suvo‘tlarda kislorodli fotosintez paytida suv fotolizga uchraydi va qo‘shimcha mahsulot sifatida kislorod ajraladi. CO₂ni 3-fosfogliseratga aylantirish uchun fotosistemalarda to‘plangan ATF va NADPH energiyasi ishlatiladi. Uglerodni bog‘lash reaksiyasi ribulozabisfosfatkarboksilaza fermenti yordamida amalga oshadi va Kalvin siklining tarkibiy qismi hisoblanadi. O‘simliklarda fotosintezning uch turi farqlanadi: uch uglerodli molekulalar yo‘li, to‘rt uglerodli molekulalar yo‘li (C4) va CAM fotosintezi. Bu uch tur karbonat angidridni bog‘lash hamda uni Kalvin sikliga kiritish yo‘li bilan farq qiladi: C3 o‘simliklarda CO₂ bevosita Kalvin siklida bog‘lansa, C4 va CAM turlarida CO₂ oldindan boshqa birikmalar tarkibiga kiritiladi. Fotosintezning turli shakllari kuchli Quyosh nurlanishi va qurg‘oqchil sharoitga moslashuvdir.

Fotosintez qiluvchi prokariotlarda uglerodni bog‘lash mexanizmlari xilma-xilroq. Karbonat angidrid Kalvin siklida, teskari Krebs siklida yoki atsetil-KoA karboksillanish reaksiyalarida fiksatsiyalanishi mumkin. Xemoavtotrof prokariotlar ham CO₂ni Kalvin sikli orqali bog‘laydi, biroq reaksiya uchun energiyani anorganik birikmalardan oladi.

Yog‘ kislotalari, izoprenoidlar va steroidlar

Mavzuning batafsil bayoni: Steroidlar va Yog‘ kislotalari biosintezi

Yog‘ kislotalari atsetil-KoAdan yog‘ kislotasi sintazalari yordamida hosil bo‘ladi. Yog‘ kislotalarining uglerod skeleti reaksiyalar siklida uzayadi: avval atsetil guruhi qo‘shiladi, so‘ng karbonil guruhi gidroksil guruhigacha qaytariladi, keyin degidratatsiya va navbatdagi qaytarilish sodir bo‘ladi. Yog‘ kislotalari biosintezi fermentlari ikki guruhga bo‘linadi: hayvonlar va zamburug‘larda barcha reaksiyalar I turdagi yagona ko‘p funksiyali oqsil orqali, o‘simliklarning plastidalari va bakteriyalarda esa har bir bosqich II turdagi alohida fermentlar orqali katalizlanadi.

Terpenlar va terpenoidlar o‘simliklardagi tabiiy mahsulotlarning eng katta sinfi vakillaridir. Bu moddalar guruhi izopren hosilalaridan iborat bo‘lib, izopentilpirofosfat va dimetilallilpirofosfatning faollashtirilgan dastlabki shakllaridan hosil bo‘ladi. Ularning o‘zi esa turli metabolik reaksiyalarda sintezlanadi. Hayvonlar va arxeylarda izopentilpirofosfat hamda dimetilallilpirofosfat atsetil-KoAdan mevalonat yo‘li orqali sintezlanadi. O‘simliklar va bakteriyalarda esa mevalonatsiz yo‘lning substratlari piruvat va glitseraldegid-3-fosfatdir. Steroidlar biosintezi reaksiyalarida izopren molekulalari birikib, skvalenlarni hosil qiladi. Ular keyinchalik halqasimon tuzilmalarga aylanib, lanosterol hosil qiladi. Lanosterol boshqa steroidlarga, masalan, xolesterin va ergosteringa aylanishi mumkin.

Barcha organizmlar doimiy ravishda to‘planishi hujayralarga zarar yetkazishi mumkin bo‘lgan birikmalar ta’siriga uchraydi. Bunday potensial xavfli begona birikmalar ksenobiotiklar deb ataladi. Ksenobiotiklar, masalan, sintetik dorilar va tabiiy zaharlar maxsus fermentlar yordamida zararsizlantiriladi. Insonda bunday fermentlarga, masalan, sitoxrom-oksidazalar, glyukuroniltransferaza va glutation S-transferaza kiradi. Ushbu fermentlar tizimi uch bosqichda ishlaydi: avval ksenobiotiklar oksidlanadi, keyin molekulalarga suvda eruvchi guruhlar konjugatsiyalanadi, so‘ng o‘zgartirilgan suvda eruvchan ksenobiotiklar hujayralardan chiqarilishi va ajratib yuborilishidan oldin metabolizmga uchrashi mumkin. Bu reaksiyalar mikroblarning ifloslantiruvchi moddalarni parchalashida, shuningdek, ifloslangan yerlar va neft to‘kilgan hududlarni bioremediatsiya qilishda muhim ahamiyatga ega. Shu kabi reaksiyalarning ko‘pi ko‘p hujayrali organizmlarda ham kechadi. Biroq mikroorganizmlar nihoyatda xilma-xil bo‘lgani sababli ko‘p hujayralilarga nisbatan ancha keng turdagi ksenobiotiklarni parchalashi, hatto barqaror organik ifloslantiruvchilarni, masalan, xlororganik birikmalarni ham yemirishi mumkin.

Bunga bog‘liq yana bir muammo aerob organizmlarda oksidlovchi stress hisoblanadi. Oksidlovchi fosforillanish jarayonida va disulfid bog‘lari oqsilning fazoviy yig‘ilishi paytida hosil bo‘lganda kislorodning faol shakllari, masalan, vodorod peroksid hosil bo‘ladi. Zarar yetkazuvchi bu oksidlovchilar antioksidantlar, masalan, glutation hamda katalaza va peroksidaza fermentlari yordamida zararsizlantiriladi.

Tirik organizmlar termodinamika qonunlariga bo‘ysunadi. Bu qonunlar issiqlik va ishning o‘zaro aylanishini tavsiflaydi. Termodinamikaning ikkinchi qonuniga ko‘ra, istalgan izolyatsiyalangan tizimda entropiya kamaymaydi. Tirik organizmlarning hayratlanarli darajadagi murakkabligi bu qonunga ziddek tuyulishi mumkin. Aslida hayot mavjud, chunki barcha organizmlar atrof-muhit bilan modda va energiya almashinadigan ochiq tizimlardir. Shuning uchun tirik tizimlar termodinamik muvozanatda bo‘lmaydi, aksincha, dissipativ tizim sifatida ishlaydi. Bunday tizim atrof-muhit entropiyasini ko‘proq oshirish hisobiga o‘zining murakkab tartibli holatini saqlab turadi. Hujayra metabolizmida bunga o‘z-o‘zidan kechadigan katabolik jarayonlarni o‘z-o‘zidan kechmaydigan anabolik jarayonlar bilan bog‘lash orqali erishiladi. Termodinamik nuqtayi nazardan, metabolizm tartibsizlik yaratish hisobiga tartibni saqlaydi.

Gomeostaz — organizm ichki muhitining nisbatan doimiy saqlanishidir. Ko‘pchilik organizmlarni o‘rab turgan tashqi muhit tinimsiz o‘zgarib turadi. Shu bois hujayra ichida barqaror sharoitni saqlash uchun metabolik reaksiyalar aniq boshqarilishi kerak. Metabolizmning boshqarilishi organizmlarga signallarga javob qaytarish va atrof-muhit bilan faol o‘zaro ta’sirlashish imkonini beradi. Ferment darajasida boshqarish uning faolligini signallarga qarab oshirish yoki kamaytirishdan iborat. Boshqa tomondan, ferment metabolik yo‘lni ma’lum darajada nazorat ham qiladi; bu nazorat ferment faolligi o‘zgarishining tegishli metabolik yo‘lga ta’siri bilan belgilanadi.

Metabolizmni boshqarishning bir necha darajasi mavjud. Metabolik yo‘lda substrat yoki mahsulot darajasida o‘zini-o‘zi boshqarish ro‘y beradi; masalan, mahsulot miqdorining kamayishi kompensatsiya sifatida ushbu yo‘ldan o‘tadigan substrat oqimini oshirishi mumkin. Bunday boshqarish ko‘pincha metabolik yo‘llardagi ayrim fermentlar faolligining allosterik boshqarilishini o‘z ichiga oladi. Tashqi boshqarishda ko‘p hujayrali organizm hujayrasi boshqa hujayralardan kelgan signallarga javoban o‘z metabolizmini o‘zgartiradi. Bu signallar odatda eruvchan axborot tashuvchilar, masalan, gormonlar va o‘sish omillari ko‘rinishida bo‘ladi. Ular hujayra yuzasidagi maxsus retseptorlar tomonidan tanib olinadi. Keyin signallar hujayra ichiga ikkilamchi xabarchilar tizimi orqali uzatiladi va bu ko‘pincha oqsillarning fosforillanishi bilan bog‘liq.

Tashqi boshqarishning yaxshi o‘rganilgan misoli — glyukoza metabolizmining insulin yordamida boshqarilishidir. Insulin qondagi glyukoza darajasi oshishiga javoban ishlab chiqariladi. Gormon hujayra yuzasidagi insulin retseptoriga bog‘lanadi va proteinkinazalar kaskadini faollashtiradi. Ular glyukoza molekulalarining hujayralar tomonidan o‘zlashtirilishi va yog‘ kislotalari hamda glikogenga aylanishini ta’minlaydi. Glikogen metabolizmi fosforilaza (glikogenni parchalovchi ferment) va glikogensintaza (uni sintezlovchi ferment) faolligi bilan boshqariladi. Bu fermentlar o‘zaro bog‘liq: fosforillanish glikogensintazani ingibirlaydi, fosforilazani esa faollashtiradi. Insulin oqsil fosfatazalarini faollashtirish orqali glikogen sintezini kuchaytiradi va ushbu fermentlarning fosforillanishini kamaytiradi.

Yuqorida tavsiflangan glikoliz va Krebs sikli kabi asosiy metabolik yo‘llar tirik mavjudotlarning barcha uch domenida uchraydi. Ular so‘nggi universal umumiy ajdodda ham mavjud bo‘lgan. Bu umumiy ajdod prokariot va, ehtimol, metanogen bo‘lib, aminokislotalar, nukleotidlar va uglevodlar metabolizmiga ega bo‘lgan. Qadimgi metabolik yo‘llarning evolyutsiya davomida saqlanib qolishi bu reaksiyalarning muayyan metabolik vazifalarni bajarishda eng maqbul ekanligi bilan bog‘liq bo‘lishi mumkin. Masalan, glikoliz va Krebs siklining yakuniy mahsulotlari yuqori samaradorlikda va eng kam bosqich orqali hosil bo‘ladi. Dastlabki fermentga asoslangan metabolik yo‘llar purin metabolizmining dastlabki nukleotid almashinuvi yo‘llari bilan bog‘liq bo‘lgan va qadimgi RNK dunyosining bir qismi bo‘lgan.

Yangi metabolik yo‘llarning qanday mexanizmlar orqali evolyutsiyalashganini tushuntirish uchun ko‘plab modellar taklif etilgan. Bunga qisqa ajdodiy yo‘lga yangi fermentlarning ketma-ket qo‘shilishi, butun yo‘llarning duplikatsiyasi va keyingi farqlanishi, shuningdek, mavjud fermentlarning yangi reaksiyalar yo‘liga birlashtirilishi kiradi. Bu mexanizmlarning nisbiy ahamiyati aniq emas, ammo genom tadqiqotlari metabolik yo‘ldagi fermentlarning umumiy ajdoddan kelib chiqqan bo‘lish ehtimoli yuqori ekanini ko‘rsatadi. Bu ko‘plab yo‘llar ilgari mavjud bosqichlardan yangi vazifalar hosil bo‘lishi hisobiga bosqichma-bosqich evolyutsiyalashganini anglatadi. Muqobil model metabolik bog‘lanishlarda oqsillar tuzilishining evolyutsiyasini kuzatgan tadqiqotlarga asoslanadi. Unga ko‘ra, fermentlar turli metabolik yo‘llarda o‘xshash vazifalarni bajarish uchun birlashtirilgan. Bunday birlashish jarayonlari fermentativ mozaikaning evolyutsiyasiga olib kelgan. Moddalar almashinuvining ayrim qismlari turli yo‘llarda o‘xshash vazifalar uchun qayta ishlatiladigan «modullar» sifatida mavjud bo‘lgan bo‘lishi mumkin.

Evolyutsiya metabolik vazifalarning yo‘qolishiga ham sabab bo‘ladi. Masalan, ayrim parazitlarda tirik qolish uchun muhim bo‘lmagan metabolik jarayonlar yo‘qolgan. Ular tayyor aminokislotalar, nukleotidlar va uglevodlarni xo‘jayin organizmdan oladi. Metabolik imkoniyatlarning shunday soddalashuvi endosimbiotik organizmlarda ham kuzatiladi.

An’anaviy ravishda metabolizm soddalashtirilgan yondashuv orqali, ya’ni bitta metabolik yo‘lga e’tibor qaratib o‘rganiladi. Organizm, to‘qima va hujayra darajasida nishonlangan atomlardan foydalanish ayniqsa qimmatlidir. Radioaktiv nishonlangan oraliq mahsulotlarni aniqlash orqali ular boshlang‘ich moddalardan yakuniy mahsulotlargacha bo‘lgan yo‘llarni kuzatish imkonini beradi. So‘ng bu kimyoviy reaksiyalarni katalizlovchi fermentlarni ajratib olib, ularning kinetikasi hamda ingibitorlarga javobini o‘rganish mumkin. Muqobil yondashuv hujayra yoki to‘qimadagi kichik molekulalarni aniqlashdan iborat; ularning to‘liq majmui metabolom deyiladi. Umuman, bunday tadqiqotlar oddiy metabolik yo‘llarning tuzilishi va faoliyati haqida yaxshi tasavvur beradi, ammo butun hujayra metabolizmi kabi murakkab tizimlarni o‘rganish uchun yetarli emas.

Hujayralardagi minglab turli fermentlardan iborat metabolik tarmoqlarning murakkabligini o‘ngdagi tasvir aks ettiradi. Unda atigi 43 ta oqsil va 40 ta metabolit o‘rtasidagi o‘zaro ta’sirlar ko‘rsatilgan; ular 45 000 ta gen tomonidan boshqariladi. Shunga qaramay, hozir genom ma’lumotlari orqali biokimyoviy reaksiyalarning to‘liq tarmog‘ini tiklash va ularning xatti-harakatini tushuntiruvchi hamda bashorat qiluvchi yanada yaxlit matematik modellarni yaratish mumkin. Bu modellar klassik usullardan olingan metabolik yo‘llar va metabolitlar haqidagi ma’lumotlarni genlar ekspressiyasiga oid, proteomika va DNK mikrochiplari tadqiqotlaridan olingan ma’lumotlar bilan birlashtirishda ayniqsa samaralidir. Ushbu usullar yordamida inson metabolizmining modeli yaratilib, u kelgusida dori vositalari va biokimyo tadqiqotlari uchun yo‘l-yo‘riq bo‘lishi ko‘zda tutilgan. Hozir bu modellar tarmoq tahlillarida inson kasalliklarini umumiy oqsillar yoki metabolitlar jihatidan farqlanuvchi guruhlarga ajratishda qo‘llanmoqda.

Bakterial metabolik tarmoqlarning yorqin misoli — «kapalak galstuk» (bow-tie) tuzilmasi. U nisbatan kam sonli umumiy oraliq moddalar yordamida turli oziq moddalarni qabul qilish hamda ko‘plab mahsulotlar va murakkab makromolekulalarni ishlab chiqarish imkonini beradi.

Bu ma’lumotlarning asosiy texnologik poydevori — metabolik muhandislikdir. Bunda achitqilar, o‘simliklar yoki bakteriyalar kabi organizmlar biotexnologiyada samaraliroq bo‘lishi va antibiotiklar kabi dori vositalari yoki 1,3-propandiol va shikim kislotasi kabi sanoat kimyoviy moddalarini ishlab chiqarishga yordam berishi uchun genetik o‘zgartiriladi. Bunday genetik o‘zgarishlar odatda mahsulot ishlab chiqarishdagi energiya sarfini kamaytirish, hosildorlikni oshirish va ishlab chiqarish chiqindilarini qisqartirishga qaratiladi.

«Metabolizm» atamasini biologiyaga birinchi bo‘lib Teodor Shvann 1840-yillarda kiritgan, ammo atama darhol keng tarqalmadi. Uning fiziologiyada mustahkamlanishi va ko‘plab tillarga kirib borishi Fosterning fiziologiya qo‘llanmasi 1870-yillarda nashr etilib tarjima qilinishi bilan bog‘liq.

Metabolizmni o‘rganish tarixi bir necha asrni qamrab oladi. Tadqiqotlar dastlab hayvon organizmlarini o‘rganishdan boshlangan bo‘lsa, zamonaviy biokimyoda alohida metabolik reaksiyalar o‘rganiladi. Moddalar almashinuvi haqidagi tushuncha ilk bor Ibn an-Nafis (1213—1288) asarlarida uchraydi. U «tana va uning qismlari uzluksiz parchalanish va oziqlanish holatida bo‘ladi, shu bois muqarrar ravishda doimiy o‘zgarishlarga uchraydi», deb yozgan. Inson metabolizmiga oid dastlabki nazoratli tajribalar Santorio Santorio tomonidan 1614-yilda italyancha Ars de statica medicina kitobida e’lon qilingan. U ovqat yeyishdan, uxlashdan, ishlashdan, jinsiy aloqadan oldin va keyin, och qoringa, ichimlik ichgach hamda siydik ajratgach o‘z vaznini qanday o‘lchaganini bayon etgan. U iste’mol qilgan oziq-ovqatning katta qismi «sezilmas bug‘lanish» deb atalgan jarayon natijasida yo‘qolganini aniqlagan.

Dastlabki tadqiqotlarda metabolik reaksiyalar mexanizmlari ochilmagan va tirik to‘qimalarni hayotiy kuch boshqaradi, deb hisoblangan. XIX asrda bijg‘ish jarayonida shakarlarning spirtga aylanishini achitqilar yordamida o‘rgangan Lui Paster bijg‘ish achitqi hujayralari tarkibidagi, u fermentlar deb atagan moddalar tomonidan katalizlanadi, degan xulosaga kelgan. Paster «spirtli bijg‘ish — achitqi hujayralari hayot faoliyati bilan bog‘liq jarayon bo‘lib, hujayralarning o‘lishi yoki parchalanishiga bog‘liq emas», deb yozgan. Bu kashfiyot va Fridrix Vyolerning 1828-yilda mochevinaning kimyoviy sinteziga oid nashri hujayralardagi organik birikmalar va kimyoviy reaksiyalar mohiyatan kimyoning boshqa sohalaridagi jarayonlardan farq qilmasligini isbotlagan.

Fermentlarning kashf etilishi XX asr boshida Eduard Buxner tomonidan amalga oshirildi. Bu metabolik reaksiyalarni o‘rganishni hujayralarni o‘rganishdan ajratib, biokimyoning fan sifatida rivojlanishiga asos soldi. XX asr boshidagi muvaffaqiyatli biokimyogarlardan biri Hans Adolf Krebs bo‘lib, u metabolizmni o‘rganishga ulkan hissa qo‘shgan. Krebs mochevina siklini tavsiflagan, keyinchalik esa Hans Kornberg, bilan birgalikda limon kislotasi sikli va glioksilat siklini tavsiflagan. Zamonaviy biokimyoviy tadqiqotlarda xromatografiya, rentgenstrukturaviy tahlil, YMR-spektroskopiya, elektron mikroskopiya va klassik molekulyar dinamika usuli kabi yangi usullardan keng foydalaniladi. Ular hujayralardagi ko‘plab molekulalar va metabolik yo‘llarni kashf etish hamda batafsil o‘rganish imkonini beradi.

• A. G. Maligin. Moddalar almashinuvi (metabolizm). (rus tilida) // chemport.ru
• Dr. R. E. Hurlbert. VII bob: Metabolizm va biokimyo. — Mikroblar metabolizmi (1999). (ingliz tilida) // webarchive.loc.gov
• V. I. Rozengart, R. A. Zarembskiy (end.), V. V. Frolkye (ger.), Yu. E. Veltishchev (bolalarda). «Moddalar va energiya almashinuvi». (rus tilida) // «Katta tibbiyot ensiklopediyasi» tahriri ostida: B. V. Petrovskiy, 3-nashr. — Moskva, 1974—1989. — 17-jild. Murojaat qilingan sana: 18-yanvar 2022.