מטבוליזם

מטבוליזם

שיוך	תהליך ביולוגי
תיאור ב	המילון האנציקלופדי החדש
מזהים
קוד MeSH	G03
מזהה MeSH	D008660
מערכת השפה הרפואית המאוחדת	C2350543

מֶטָבּוֹלִיזְם (באנגלית: Metabolism; בעברית: חילוף חומרים) הוא תהליך, המתרחש ביצורים חיים, של קליטת חומרים מהסביבה, עיבודם, הפקת אנרגיה מהם ופליטת הפסולת. מטבוליזם הוא אחד המושגים הבסיסיים ביותר בביולוגיה, והוא מהווה את אחד התנאים להגדרת חיים (התנאים החשובים האחרים הם יכולת רבייה, גדילה, דנ"א, הומואסטזיס, אדפטציה, תגובה לגירויים מהסביבה, תנועה, ארגון והיסטוריה תאית).

התהליך

חילוף החומרים מתרחש בסדר שלהלן:

• קליטת חומרים מהסביבה: החומרים הנקלטים מהסביבה משמשים לשתי מטרות: כחומרי בניין לתרכובות המרכיבות את היצור החי, ולהפקת אנרגיה.
• קטבוליזם (Catabolism): בתהליך זה מתפרקים החומרים שנקלטו מהסביבה ליחידותיהם הבסיסיות. תהליך הקטבוליזם בבעלי חיים, ובמיוחד שלביו הראשונים, מכונה עיכול.
  • החלבונים מתפרקים לחומצות אמיניות;
  • שומנים - לחומצות שומניות;
  • פחמימות - לחד-סוכרים;
  • חומצות גרעין - לנוקלאוטידים.
• אנאבוליזם (Anabolism, או ביוסינתזה; בעברית: הַבְנָיָה): בתהליך זה מתרחשת סינתזה של תרכובות מורכבות, מהן בנויים התאים של הגוף. אבני הבניין שהתקבלו בתהליך הקטבוליזם מתאחדות שוב, בהרכב שונה, ליצירת המולקולות הנדרשות לבניין התא ולתפקודו.
• הפרשת פסולת: לתרכובות רבות הנצרכות כחלק מהמזון אין שימוש בבניית הגוף. בנוסף, תרכובות רבות (קטנות בדרך-כלל, כגון אמוניה, מים ופחמן דו-חמצני) נוצרות כתוצרי-לוואי בתהליכי הקטבוליזם השונים. את כל אלו נדרש היצור לפלוט, שכן הצטברותם של חומרים אלו בגוף משבשת תהליכים ביולוגיים שונים. לדוגמא, ביונקים מופרשת פסולת בצורת שתן ו צואה. גם פליטת הפחמן הדו-חמצני בתהליך הנשימה מוגדרת כהפרשת פסולת.

הגוף מפרק את המזון ליחידות המבנה שלו וחלק מתוצרי הפרוק משמשים כאבני בנין למולקולות מורכבות. תהליך זה נחוץ היות ש:

• המולקולות שנקלטות במזון אינן בהכרח זהות למולקולות הנדרשות לבניין הגוף. לדוגמה, רוב הסוכר שאנו צורכים במזון מגיע בצורת סוכרוז, (סוכר לבן). לגופנו אין שימוש ממשי לסוכרוז, ולכן הוא מפרק אותו לאבני הבניין שלו - גלוקוז ופרוקטוז - ולאחר מכן הם משמשים לבניית סוכרים אחרים (גליקוגן, למשל), החיוניים לבניין הגוף ותפקודו.
• פירוק תרכובות אורגניות רבות משמש להפקת אנרגיה. האנרגיה אצורה בקשרים הכימיים שבין אטומי המולקולות, וניתוק קשרים אלו מביא להפקת האנרגיה הדרושה לגוף על-מנת לקיים את כל תהליכי החיים.

עקרון הפעולה

ביצורים חיים מתקיים מעבר של אלקטרונים בין תרכובות שונות, ומעבר זה מאפשר הפקת אנרגיה. כל יצור חי זקוק, אם כך, לתרכובות התורמות (מוסרות) אלקטרונים ולתרכובות המקבלות אלקטרונים. קיים מגוון רב של תרכובות המשמשות את היצורים השונים. באדם למשל, המזון מספק את התרכובות מוסרות האלקטרונים (ובראשן - גלוקוז), ואילו החמצן אותו אנו נושמים הוא התרכובת שקולטת את האלקטרונים ותוך כדי כך נוצרים מים מטבוליים.

צורת האנרגיה המופקת ביצורים חיים, היא אנרגיה כימית. זרימת האלקטרונים ביצור החי מביאה להיווצרות של תרכובת הנקראת ATP. תרכובת זו, בה משתמשים כל היצורים החיים, מכילה קשרים עתירי אנרגיה. כשהתא נזקק לאנרגיה לשם ביצוע תהליכים שונים, מתפרק ה-ATP באמצעות האנזים המתאים. שבירת הקשרים הכימיים שלו מביא לשחרור אנרגיה, שאותה מסוגל התא לנצל. לכן מולקולת ה-ATP מכונה "מטבע האנרגיה של התא".

ביצורים הטרוטרופים (ראו להלן) ניתן לומר שמתבצעת "בעירה איטית" (או "שרפה 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; לכן הבעירה היא "איטית"). זהו המקור לביטויים כדוגמת "שריפת שומנים" ו"שריפת קלוריות".

מגוון מטבולי

תרשים מופשט של תהליך הנשימה האווירנית. מצד ימין: מסלול זרימת האלקטרונים. מצד שמאל: חומרים המיוצרים במהלך הנשימה - פחמן דו-חמצני ו-ATP

היצורים השונים משתמשים במגוון גדול של תורמי אלקטרונים וקולטי אלקטרונים. קיימות שלוש שיטות כלליות להפקת אנרגיה בתא:

• נשימה אווירנית (ארובית). תורם האלקטרונים הוא חומר אורגני כלשהו, וקולט האלקטרונים הוא חמצן.
• נשימה אל-אווירנית (אנארובית). תורם האלקטרונים הוא כל חומר אורגני כלשהו, וקולט האלקטרונים הוא חומר אחר, שהוא מלבד אבל לא חמצן.
• תסיסה. תורם האלקטרונים הוא תרכובת אורגנית , וקולט האלקטרונים (אף הוא בהכרח תרכובת אורגנית) הוא תוצר פירוק של תורם האלקטרונים. בתסיסה, לפיכך, לא נעשה שימוש בקולט אלקטרונים חיצוני, שמקורו בסביבה.

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 פוטוסינתטיים; כל בעלי החיים
כמואוטוטרוף	תגובות חמצון-חיזור	פחמן דו-חמצני	חיידקי גופרית, חיידקי מימן, חיידקי ניטריפיקציה
פוטואוטוטרוף	אור	פחמן דו-חמצני	צמחים, פרוטיסטים וחיידקים פוטוסינתטיים

ארבע קבוצות היצורים מסתיימות בסיומת -טרוף (troph-), כשלפניה שתי קידומות:

עלים ירוקים מכילים כלורופיל, התרכובת הקולטת את האור בתהליך הפוטוסינתזה

• הקידומת הראשונה מתייחסת למקור האנרגיה של היצור. כפי שהוסבר לעיל ("עקרון הפעולה"), יצור אנרגיה בכל היצורים מבוסס על מעבר אלקטרונים בין תרכובות שונות. ברוב היצורים (קידומת כמו-, -Chemo) מתרחשות תגובות חמצון-חיזור (תגובות בהן מועברים אלקטרונים) שבהן משתתפות תרכובות שהיצור צורך (מזון). באדם , למשל, גלוקוז מתפרק בתאים ומוסר אלקטרונים תוך כדי כך. זוהי תגובת חמצון-חיזור. בחלק מהיצורים (קידומת פוטו-, -Photo) מתניעה אנרגיית אור (שמקורה בדרך כלל בקרינת השמש) את זרימת האלקטרונים. התהליך בו נקלטת אנרגיית האור נקרא פוטוסינתזה, והוא אחד המאפיינים העיקריים של הצמחים.
• הקידומת השנייה מתייחסת למקור הפחמן של היצור. כל היצורים מורכבים מאלפי תרכובות אורגניות שונות, אשר כולן מכילות פחמן. קידומת הטרו-, -Hetero מציינת יצורים הצורכים תרכובות אורגניות (מזון), מפרקים אותן (קטבוליזם) ובונים תרכובות חדשות (אנבוליזם). חלק מהיצורים (קידומת אוטו-, -Auto) אינם נזקקים לתרכובות אורגניות כמקור לפחמן; הם מסוגלים לקלוט פחמן מהאוויר, בצורת פחמן דו-חמצני, וליצור ממנו תרכובות אורגניות. בתהליך הפוטוסינתזה שהוזכר לעיל נוטלים הצמחים פחמן דו-חמצני מהאוויר. במקביל, באמצעות אנרגית האור, הם מפרקים מולקולות מים. החמצן משתחרר לאוויר והמימן נקשר, במספר תגובות כימיות, לפחמן הדו חמצני.התוצר הסופי הוא גלוקוז, תרכובת אורגנית פשוטה שממנה מייצר הצמח תרכובות אורגניות רבות.

מטבוליזם בשירות הטקסונומיה

החיידקים במבחנות (מיוצגים על ידי הנקודות השחורות) מצטברים במרחקים שונים מהאוויר (הפתח העליון של המבחנה), זאת עקב הבדלים מטבוליים ביניהם. לפירוט ראו: אורגניזם אל-אווירני

בשעה שבעלי חיים וצמחים קלים יחסית למיון טקסונומי, זאת על-פי מראם ותכונותיהם החיצוניות, הרי שמיונם של מיקרואורגניזמים דורש אמצעים אחרים. סוגים שונים של חיידקים מגלים תכונות חיצוניות זהות, ולכן נדרשים קריטריונים נוספים למיון. המטבוליזם מהווה את אחד הקריטריונים החשובים למיון מיקרואורגניזמים. החלוקה החשובה ביותר מבחינה מטבולית היא לארוביים ואנארוביים. היצורים נחלקים לחמש קבוצות, לפי התייחסותם לחמצן:

• אנאירוביים אובליגטוריים אינם מסוגלים לחיות בנוכחות חמצן.
• אנארוביים פקולטטיביים (או ארוביים פקולטטיביים; שני המושגים מתייחסים לאותה הקבוצה) יכולים לחיות בנוכחות או בהיעדר חמצן. התהליכים בתאיהם מפיקים אנרגיה תוך שימוש בחמצן, כשהוא זמין, אך בסביבות אל-אווירניות הם מסוגלים להפיק אנרגיה בדרכים אחרות (תסיסה, בדרך כלל).
• אורגניזמים סובלי אוויר לא מסוגלים להשתמש בחמצן להפקת אנרגיה, אך הם לא ניזוקים בנוכחותו.
• אירוביים אובליגטוריים מוכרחים לחיות בנוכחות חמצן.
• מיקרואירופילים מוכרחים לחיות בנוכחות חמצן, אך בריכוז נמוך בהרבה מריכוזו באוויר. ריכוז רגיל של חמצן עלול לגרום למותם.

להסבר מפורט על חמש הקבוצות ראו: אורגניזם אל-אווירני.

בנוסף, חיידקים מתמיינים לעיתים לקבוצות שונות לפי יכולתם לפרק תרכובות (לקטוז, למשל). בדיקת יכולתם של חיידקים לפרק תרכובות מאפשרת לעיתים 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 של גז, טיפות מים, וכדומה.

מסלולים מטבוליים

קטלאז הוא אנזים מטבולי חשוב המצוי ברוב היצורים האווירניים

בתא קיימים מסלולים מוגדרים המשמשים לפירוק או ייצור תרכובות. הגליקוליזה, למשל, היא 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:

• במסלולים המנוגדים נעשה בדרך כלל שימוש באנזימים שונים, לפחות באחד מהצעדים המובילים לתוצר הסופי. השימוש באנזימים שונים מאפשר בקרה יעילה על התהליכים: כשקיים עודף בתוצר אחד המסלולים, מושעה שעתוק הגן המקודד לייצור אחד האנזימים המשתתפים במסלול, זאת מבלי לפגוע במסלול הנגדי.
• מסלולים מנוגדים מתרחשים בדרך כלל באזורים שונים בתא. פירוק חומצות שומן, למשל, נעשה במיטוכונדריה, ואילו ייצור חומצות שומן נעשה בציטופלזמה. גם מנגנון זה מאפשר בקרה יעילה על התהליכים.

תרופות רבות, המשמשות לחיסול חיידקים פתוגניים, מבוססות על פגיעה במסלול מטבולי כלשהו בתא החיידק. להבדיל, רעלים רבים (ובכללם כלי נשק כימיים) פועלים באמצעות פגיעה במסלולים מטבוליים בבעלי חיים ובאדם. רעלים רבים, דוגמת המימן הציאנידי, פוגעים בתהליך הנשימה התאית (וספציפית: בזרחון החמצוני), דבר הגורם למוות מהיר עקב הפסקת יצור האנרגיה בגוף.

נשאי אלקטרונים בתא

נוסחת המבנה של NAD

בדוגמת הסוללה החשמלית שהובאה לעיל זורמים האלקטרונים באמצעות חוט מתכת מהאנודה אל הקתודה. בתא מועברים האלקטרונים באמצעות נשאי אלקטרונים, מולקולות ייעודיות 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 יצורים חיים, הם NAD ו-FAD. שני חומרים אלו הם נוקלאוטידים; הראשון הוא נגזרת של ויטמין B₃ (ניאצין) והשני - של ויטמין 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); הנשא 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. אם 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 צורכי 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 אנארוביים 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.

מחלות מטבוליות

האנזים פנילאלנין הידרוקסילאז אינו מיוצר בגופם של חולי פנילקטונוריה

מחלות רבות נובעות מבעיה מטבולית. הללו מתחלקות לשני סוגים:

• מחלות שבהן קיים מחסור בתרכובת מסוימת בגוף. מחלת הצפדינה, למשל, נגרמת כתוצאה ממחסור בוויטמין C; ויטמין זה משמש בתהליך בניית הרקמות בגוף, ובמיוחד רקמות החיבור; מחסור בוויטמין גורם לשיבוש בבניית הרקמות וכתוצאה מכך להתרופפותן, לדימומים, לבעיות בעור ובעצמות ועוד. רככת נגרמת מחוסר בוויטמין D. ויטמין זה משמש בתהליך בניית העצמות, ומחסור בו גורם לשיבוש בבנייתן; עצמות החולים רכות, שבירות ונתונות לעיוותים. מחלות מטבוליות מסוג זה ניתן לרפא בדרך-כלל על ידי צריכת התרכובת החסרה.
• מחלות שבהן הגוף אינו מסוגל לפרק תרכובת מסוימת. מחלות אלו, אשר ברובן תורשתיות, נגרמות לעיתים קרובות כתוצאה ממחסור גנטי באנזים או הורמון מסוים האחראי לפירוק התרכובת הרלוונטית. החולים בפנילקטונוריה, למשל, לא מסוגלים לפרק את חומצת האמינו פנילאלנין. זאת מצטברת במקומות שונים בגוף, ובמיוחד במוח, וגורמת לשיבושים קשים. סוכרת היא המחלה המטבולית הידועה ביותר; קיימים מספר סוגים של סוכרת, והגורם לכל אחד מהם שונה. מחלות מטבוליות מסוג זה אינן ניתנות בדרך-כלל לריפוי, שכן כמעט ולא ידוע כיום על דרך לגרום לתאי הגוף לייצר אנזימים או הורמונים. הטיפול במחלות אלו מתבסס על הימנעות מצריכת התרכובות שהגוף לא מסוגל לייצר, או על החדרת האנזים או ההורמון החסר בצורה מלאכותית אל הגוף.

ראו גם: רשימת הפרעות מטבוליות.

הגברת המטבוליזם

חילוף חומרים בסיסי מתייחס לצורכי האנרגיה הבסיסיים של כל רקמות הגוף ולפעילויות של הגוף במנוחה מוחלטת. הכוונה לפעילויות הבסיסיות כמו נשימה, פעילות לב, שמירת חום גוף קבוע (ביצורים הומיאוטרמיים), קיום מתח שרירים מינימלי ופעילויות נוספות.

לספורטאים בדרך כלל יש חילוף חומרים גבוה, זאת עקב דרישות האנרגיה הגבוהות עבור הפעילות הפיזית האינטנסיבית אותה הם מבצעים. ידוע על שימוש לא חוקי בחומרים מאיצי מטבוליזם (כגון T3, אפדרין, סטרואידים ועוד) בנסיון להגיע להשגים משופרים בתחרויות. מעבר להיות השימוש בהם בלתי חוקי, הוא גם עלול לפגוע בבריאות המשתמשים.

קישורים חיצוניים

• מטבוליזם (Metabolism), אתר "100 מושגים במדע"
• Major metabolic pathways (באנגלית)
• ארז גרטי, כמה זמן לוקח לגוף האדם לעכל מזון ולהוציא את הפסולת?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 3 ספטמבר 2009
• על מטבוליזם ותזונה נכונה - דר' אולגה רז מנהלת היחידה לתזונה במרכז הרפואי איכילוב
• דרכים לשיפור חילוף החומרים ועובדות על מטבוליזם - שרירים.נט
• מטבוליזם, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)