Trao đổi chất

Axit amin và protein

Protein được tạo thành từ chuỗi các axit amin được nối với nhau bởi các liên kết peptide. Nhiều protein là các enzyme tham gia xúc tác các phản ứng hóa học trong quá trình trao đổi chất. Một số protein khác lại có chức năng cấu trúc hoặc chức năng cơ học, chẳng hạn như những protein hình thành khung xương tế bào-hệ thống "giàn giáo" giúp duy trì hình dạng cả tế bào. Protein cũng rất quan trọng cho một số chức năng khác như tín hiệu tế bào liên lạc, đáp ứng miễn dịch, bám dính tế bào, vận chuyển chủ động qua màng sinh chất và chu kỳ tế bào. Axit amin cũng góp phần cho chuyển hóa năng lượng tế bào bằng cách cung cấp nguồn carbon để đi vào chu trình axit citric (chu trình axit tricarboxylic), đặc biệt khi nguồn năng lượng chính, chẳng hạn như glucose, bị cạn kiệt hoặc khi các tế bào đang trải qua những stress về chuyển hóa.

Lipid

Lipid là nhóm chất sinh hóa đa dạng nhất. Chức năng cấu trúc chính của chúng là giúp tạo nên các phần của màng sinh học cả bên trong và bên ngoài, chẳng hạn như màng tế bào hoặc chúng cũng có thể dùng làm nguồn năng lượng cho tế bào. Lipid thường được định nghĩa là các phân tử sinh học kỵ nước hoặc lưỡng phần nhưng lại có thể tan trong các dung môi hữu cơ như benzene hoặc chloroform. Chất béo là một nhóm lớn các hợp chất có chứa các axit béo và glycerol. Triacylglyceride là một phân tử được cấu tạo từ một glycerol gắn với ba este axit béo. Ngoài cấu trúc cơ bản này thì trong tế bào còn tồn tại một số biến thể, chẳng hạn như sphingolipid với mạch khung được thay bằng sphingosine, phospholipid với một trong ba axit béo được thay bằng nhóm ưa nước phosphat. Các steroid như cholesterol cũng là một nhóm lớn khác của lipid.

Carbohydrate

Carbohydrate có thể là aldehyde hoặc ketone, với nhiều nhóm hydroxyl được gắn vào, và có thể tồn tại dưới dạng thẳng hoặc vòng. Carbohydrate là nhóm các phân tử sinh học phong phú nhất, và phù hợp với nhiều vai trò, chẳng hạn như lưu trữ và vận chuyển năng lượng (tinh bột, glycogen) hay đóng vai trò là các thành phần cấu trúc (cellulose ở thực vật, chitin ở động vật). Các đơn vị carbohydrate cơ bản được gọi là monosaccharide (đường đơn), có thể kể đến như galactose, fructose, và quan trọng nhất là glucose. Monosaccharide có thể được liên kết với nhau để tạo thành các polysaccharide (đường đa) theo vô số cách khác nhau.

Nucleotide

Hai axit nucleic, DNA và RNA, là các polyme của nucleotide. Mỗi nucleotide gồm một nhóm phosphat gắn với một đường ribose hoặc deoxyribose cùng với một base nitơ. Axit nucleic rất quan trọng cho việc lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền, thông tin di truyền này sẽ được "diễn giải" qua quá trình phiên mã và sinh tổng hợp protein. Thông tin này được bảo quản bởi các cơ chế sửa chữa DNA và được nhân lên thông qua quá trình sao chép DNA. Nhiều virus lại sử dụng bộ gen RNA, chẳng hạn như HIV, và có thể phiên mã ngược để tạo ra DNA từ bộ gen RNA của virus. RNA trong ribozyme như spliceosome và ribosome cũng có hoạt động tương tự như enzyme vì nó có thể xúc tác cho các phản ứng hóa học. Các nucleoside riêng lẻ được tạo ra bằng cách gắn một nucleobase với đường ribose. Các bazơ này là các hợp chất dị vòng có chứa nitơ, được chia làm hai nhóm là purine hoặc pyrimidine. Nucleotide cũng có thể hoạt động như các coenzyme trong phản ứng chuyển-nhóm-chuyển hóa.

Năng lượng từ các hợp chất hữu cơ

Dị hóa carbohydrate là phân giải các phân tử carbohydrate thành các đơn vị nhỏ hơn. Carbohydrate thường đi vào tế bào sau khi chúng được tiêu hóa thành các monosaccharide. Khi đã ở bên trong tế bào, con đường chính của phân giải là đường phân ("tách đường"). Các loại đường như glucose và fructose sau khi tham gia đường phân sẽ được tách thành pyruvate và tạo ra một số ATP. Pyruvate là chất trung gian cho một số con đường chuyển hóa khác nhau, nhưng phần lớn chúng sẽ được chuyển thành acetyl-CoA thông qua quá trình đường phân hiếu khí (có oxy) và đi vào chu trình axit citric. Mặc dù một số ATP được tạo ra trong chu trình axit citric, sản phẩm quan trọng nhất của chu trình này là NADH, được tạo thành từ NAD⁺ với điện tử từ acetyl-CoA. Quá trình oxy hóa này giải phóng carbon dioxit là sản phẩm thải. Trong điều kiện yếm khí, đường phân lại tạo ra lactate, nhờ enzyme lactate dehydrogenase tái oxy hóa NADH thành NAD⁺ để tiếp tục sử dụng trong lần đường phân tiếp theo. Ngoài đường phân, glucose có thể được phân giải theo con đường khác là con đường pentose phosphate, khử coenzyme NADPH và tạo ra các loại đường pentose như ribose, thành phần đường có thể cấu tạo nên axit nucleic.
Chất béo được dị hóa qua phản ứng thủy phân thành axit béo tự do và glycerol. Glycerol sẽ đi vào đường phân và các axit béo được phân nhỏ bởi quá trình beta oxy hóa để giải phóng acetyl-CoA, rồi chất này lại đi vào chu trình axit citric. Axit béo sẽ tạo ra nhiều năng lượng hơn so với carbohydrate vì carbohydrate chứa nhiều oxy hơn trong cấu trúc của chúng. Steroid cũng bị phá vỡ bởi một số vi khuẩn bằng quá trình tương tự như quá trình beta oxy hóa, và quá trình phân giải này liên quan đến việc giải phóng một lượng đáng kể acetyl-CoA, propionyl-CoA và pyruvate, tất cả đều có thể được sử dụng bởi tế bào để tạo ra năng lượng. Loài M. tuberculosis ("vi khuẩn lao") cũng có thể sinh trưởng chỉ với lipid cholesterol là nguồn carbon duy nhất; các gen liên quan đến con đường sử dụng cholesterol được xác định là tối quan trọng trong các giai đoạn lây nhiễm của vi khuẩn này.
Axit amin được sử dụng để tổng hợp protein và các phân tử sinh học khác, hoặc cũng có thể bị oxy hóa thành urê và carbon dioxide để sinh năng lượng. Quá trình oxy hóa bắt đầu với việc loại bỏ các nhóm amin bởi một enzyme transaminase. Nhóm amin sẽ được đưa vào chu trình urê, để lại một bộ khung cacbon dưới dạng axit keto. Một số axit keto là chất trung gian trong chu trình axit citric, ví dụ như bước khử amin glutamate để tạo α-ketoglutarate. Các axit amin tạo đường cũng có thể được chuyển đổi thành glucose thông qua con đường tân tạo đường (gluconeogenesis) (thảo luận dưới đây).