Metaboliska processer är sekvenser av biokemiska reaktioner som äger rum i levande celler för att upprätthålla liv. De kan delas in i två huvudtyper. Kataboliska processer, eller vägar, involverar nedbrytning av komplexa molekyler från mat till mindre enheter som kan användas som byggstenar för nya molekyler eller för att ge energi. Anabola vägar involverar användning av energi för att bygga nya kemikalier som blir komponenter i celler. Dessa reaktioner möjliggörs av ett antal organiska katalysatorer som kallas enzymer.
Tillsammans möjliggör de två typerna av metaboliska processer omvandlingen av de råvaror, eller näringsämnen, som tas upp av en organism till vävnad. En förening, gemensam för allt cellulärt liv, är väsentlig för dessa transformationer. Adenosintrifosfat (ATP) används för att lagra energi som erhålls från näringsämnen, såsom kolhydrater, och för att frigöra energi när det behövs för att bygga nya molekyler.
Kataboliska processer
Vissa organismer, som gröna växter, gör sin egen mat av oorganiska material, medan andra, som djur, konsumerar organiskt material för att få sin näring. Den mat som djuren konsumerar kan delas upp i tre huvudtyper – kolhydrater, lipider (fetter och oljor) och proteiner. Matsmältning involverar kataboliska processer som bryter ner dessa till enklare komponenter. Till exempel bryts relativt komplexa kolhydrater, såsom polysackarider och disackarider ned till glukos, och proteiner bryts ner till aminosyror. Dessa enklare föreningar kan användas av anabola processer för att bygga nya material, eller så kan de brytas ner ytterligare för att ge energi.
Cellulär andning är den process genom vilken kolhydratet glukos (C6H12O6) bryts ner till koldioxid (CO2) och vatten (H2O), och producerar energi som lagras i ATP. Proceduren involverar oxidation, och där det finns tillgängligt syre i atmosfären används det i vad som kallas aerob andning. Detta är den process som äger rum i djur, växter och vissa mikroorganismer. Den övergripande reaktionen kan sammanfattas som
C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O
men processen sker i ett antal steg, och detaljerna är ganska komplexa.
Under förhållanden där inget fritt syre finns, sker anaerob andning. Detta finns endast i vissa mikroorganismer som lever i jord, ruttnande organiskt material, under havet, djupt under jorden och i djurens tarmar. Dessa organismer använder alternativ som nitrater, sulfater, fumarat och till och med svavel i stället för fritt syre. Anaerob andning är mycket mindre effektiv än den aeroba processen, och producerar mycket mindre ATP, men tidigt i jordens historia – innan det fanns något fritt syre i atmosfären – var detta den enda möjliga formen av andning.
Hos djur oxideras även lipider till koldioxid och vatten, men de första stegen är annorlunda. Organismernas kemi sker i en vattenbaserad miljö, men fetter och oljor blandas inte med vatten. Det första steget är att emulgera dessa ämnen, vilket innebär att omvandla dem till en form som kommer att blandas med vatten, på samma sätt som rengöringsmedel kan hjälpa till att städa upp oljespill. Detta görs av tvålliknande ämnen som finns i gallan som släpps ut av gallblåsan i tunntarmen. Lipiderna bryts sedan ner till fettsyror och glycerol, som kan tas upp genom tarmen, och som sedan kan genomgå oxidationsreaktioner liknande de som utförs på kolhydrater.
Proteiner är mycket stora, komplexa molekyler som består av byggstenar som kallas aminosyror. De metaboliseras av olika reaktioner som delar upp dem i sina aminosyror, som kan absorberas och sedan användas i celler. I allmänhet används inte proteiner för att ge energi, utan istället används aminosyrorna för att tillverka nya proteiner för att bygga vävnad och muskler. I de fall där inga kolhydrater eller fett finns tillgängligt i kosten, och kroppen har förbrukat sina fettreserver, kan proteiner användas för att generera energi, genom oxidation av deras aminosyror. I dessa fall kan kroppen börja bryta ner muskelproteiner.
Anabola processer
Även känd som biosyntes, dessa är reaktioner som använder energin som lagras i ATP genom kataboliska processer. De inkluderar konstruktion av proteiner från aminosyror och konstruktion av DNA från nukleotider. Hos djur kan även de muskelsammandragningar som driver rörelse ingå, eftersom dessa kräver användning av lagrad energi. Hos växter är syntesen av glukos från koldioxid och vatten genom fotosyntes en annan anabol väg.
Metaboliska processer och kroppsvikt
Energin som erhålls från mat genom katabolism kan användas direkt, genom anabola processer, men om den inte används lagras mycket av den som fett. Mängden energi som kan utvinnas från ett livsmedel kan mätas i kalorier. På samma sätt kan mängden som används för olika träningsformer också mätas på detta sätt. Om konsekvent fler kalorier konsumeras än vad som används, kommer fett att byggas upp, vilket resulterar i viktökning. Omvänt, om fler kalorier förbrukas än vad som konsumeras, kommer kroppen att få energi genom att använda sina fettreserver och gå ner i vikt.