מטבוליזם

מֶטָבּוֹלִיזְם (באנגלית: Metabolism; בעברית: חילוף חומרים) הוא מכלול התהליכים הכימיים-אנזימטיים המתרחשים ביצורים חיים, גם ברמת התא וגם ברמת היצור השלם. המושג מתייחס לקליטת 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). כשמתייחסים למטבוליזם של הגוף השלם הכוונה לסך התהליכים הכימיים המתרחשים ביצור חי, כולל מעבר חומרים אל תוך התאים וביניהם. כל חילוף החומרים המתרחש בתאי הגוף מחייב השתתפות אנזימים מסוגים שונים. אספקת חומרי גלם לתהליכים המטבוליים נעשית על ידי קליטת חומרים מהסביבה החיצונית. במקרים מסוימים נעשה שימוש במאגרי מזון הנמצאים בתא עצמו. קטבוליזם (Catabolism): מושג זה מתייחס למכלול בתהליכים אנזימטיים המפרקים את החומרים שנקלטו מהסביבה למולקולות קטנות יותר, תוך כדי שחרור האנרגיה האצורה בהם. החלבונים מתפרקים לחומצות אמיניות; שומנים – לחומצות שומניות; פחמימות – לחד-סוכרים; חומצות גרעין – לנוקלאוטידים. ביצורים מפותחים, חלק מפרוק המולקולות הגדולות למולקולות קטנות יותר מתבצע במערכת העכול, ורק כך הן יכולות לעבור את קרום התא ולהיכנס לתוך התא עצמו. גם תהליכים אלה מחייבים השתתפות אנזימים. פירוק תוך תאי של תרכובות אורגניות רבות משמש להפקת אנרגיה. האנרגיה אצורה בקשרים הכימיים שבין אטומי המולקולות, וניתוק קשרים אלו מאפשר את הפקת האנרגיה הדרושה לתא על-מנת להתקיים. לרוב, האנרגיה המופקת נאגרת בתוך מולקולות ATP. אנאבוליזם (Anabolism, או ביוסינתזה; בעברית: הַבְנָיָה): זהו מושג המתייחס לסינתזה של תרכובות בעלות מולקולות מורכבות. המולקולות הקטנות שהתקבלו בתהליך הקטבוליזם משמשות כחומר גלם לבנית המולקולות הגדולות, הדרושות לבניין התא ולתפקודו. תהליך זה דורש שימוש באנרגיה. תהליך ההבניה שונה בתאים של רקמות שונות, בהתאם לצורכי הרקמה. דוגמה לשילוב של תהליך קטבולי ותהליך אנאבולי ניתן למצוא בגלגול הסוכר. רוב הסוכר שאנו צורכים במזון מגיע בצורת סוכרוז, (סוכר לבן). בגוף הוא מפורק לאבני הבניין שלו - גלוקוז ופרוקטוז. הגלוקוז מגיע לתאי הכבד, שם הוא מהווה את חומר הגלם לבנית גליקוגן, המשמש כחומר תשמורת. הפרשת פסולת: תרכובות רבות (קטנות בדרך-כלל) כגון אמוניה, מים ופחמן דו-חמצני, נוצרות כתוצרי-לוואי בתהליכי הקטבוליזם השונים. את כל אלו נדרש התא לפלוט, שכן הצטברותם משבשת תהליכים שונים. לדוגמה, פליטת הפחמן הדו-חמצני בתהליך הנשימה מוגדרת כהפרשת פסולת. ביצורים חיים מתקיים מעבר של אלקטרונים בין תרכובות שונות, ומעבר זה מאפשר הפקת אנרגיה. לכן, כל תא חי זקוק לתרכובות התורמות (מוסרות) אלקטרונים ולתרכובות המקבלות אלקטרונים. קיים מגוון רב של תרכובות המשמשות את היצורים השונים כתורמות וכמקבלות אלקטרונים. 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 ופחמן דו-חמצני. זרימת האלקטרונים בתא החי מאפשרת בנית 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". צורת האנרגיה המופקת או נאגרת בתאים של יצורים חיים, היא אנרגיה כימית. היצורים השונים משתמשים במגוון גדול של תורמי אלקטרונים וקולטי אלקטרונים. קיימות שלוש שיטות כלליות להפקת אנרגיה בתא: נשימה אווירנית (אארובית). 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 כלשהו, אבל לא חמצן. תסיסה. תהליך זה מתקיים בתאים פרוקריוטיים, חסרי גרעין תא וחסרי מיטוכונדריה. 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, והחומר המהווה פסולת ונפלט מהתא הוא חומר שעדיין יש בו אנרגיה רבה, בלתי מנוצלת. התוצאה היא שלרשותם של יצורים פרוקריוטיים עומדת כמות אנרגיה מועטה. החלוקה שלעיל מתייחסת לתהליכים. היצורים עצמם ממוינים לשלוש קבוצות מטבוליות שונות: שמה של כל אחת משלוש קבוצות היצורים מסתיימות בסיומת -טרוף (troph-), כשלפניה שתי קידומות: הקידומת הראשונה מתייחסת למקור האנרגיה של היצור. כפי שהוסבר לעיל, 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) מבחוץ, מפרקים אותן (קטבוליזם) ובונים תרכובות חדשות (אנבוליזם). היצורים בעלי 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 אנרגיית 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. בשעה שבעלי חיים וצמחים קלים יחסית למיון טקסונומי 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. 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. 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 ברבות מהתגובות 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 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. התסיסה מהווה הפתרון לתאים המתקיימים בסביבה ללא חמצן. במקום למסור את האלקטרונים לקולט אלקטרונים חיצוני (חמצן, למשל) נמסרים האלקטרונים לפירובט, תוצר הגליקוליזה. פירובט מומר לתוצר סופי כלשהו (אפשרויות רבות: אתנול, חומצה אצטית, חומצה לקטית ועוד) ואילו NADH ממוחזר ל-NAD, אשר משתתף שוב בגליקוליזה. תופעה זו מתרחשת גם בתאי שריר של בעלי חיים אארוביים, ובהם האדם. כשהשריר מתאמץ ולא די בחמצן המגיע אליו דרך מחזור הדם לשם ביצוע נשימה אארובית, התאים מבצעים נשימה אנארובית (תסיסה), שתוצרה הסופי הוא חומצה לקטית. החומצה מצטברת וגורמת לכאבי שרירים. מחומצה לקטית עדיין ניתן להפיק אנרגיה רבה, וזה קורה כאשר השריר נח, חמצן מגיע דרך מחזור הדם והחומצה הלקטית תתפרק והאלקטרונים יעברו עד החמצן. בתהליך זה נעלמת החומצה הלקטית מהשריר ונעלמים גם הכאבים שהיא גרמה. 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. ביצורים פרוקריוטיים נשאי האלקטרונים נמצאים בממברנת התא. לכל נשא אלקטרונים נטייה שונה לקבל ולתרום אלקטרונים. ביצורים אארוביים, האלקטרונים עוברים דרך השרשרת עד להגיעם לקולט האלקטרונים הסופי - חמצן. החמצן קולט אלקטרונים ופרוטונים והופך למים מטבוליים. 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. המושג חילוף חומרים בסיסי מתייחס לגוף השלם, בהיבט של צורכי 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 בסיסי גבוה. דרישות האנרגיה בגופם גבוהות, בשל הפעילות הפיזית האינטנסיבית אותה הם מבצעים. כתוצאה מהאימונים, הגוף מתאים את עצמו לדרישות. תאי רקמות השריר מקבלים אספקת חמצן מוגברת ומפיקים כמויות גבוהות יותר של אנרגיה. ידוע על שימוש לא חוקי בחומרים מאיצי מטבוליזם (כגון T3, אפדרין, סטרואידים ועוד) בניסיון להגיע להשגים משופרים בתחרויות. מעבר להיות השימוש בהם בלתי חוקי, הוא גם עלול לפגוע בבריאות המשתמשים. גיל מטבולי 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) Pedro Silva, A general overview of the major metabolic pathways, Internet Archive, ‏אוגוסט 2003 קנוט שמידט-נילסן, הפיסיולוגיה של בעלי החיים, תל אביב: יחדיו וספרית הפועלים, 1982