โครงสร้างส่วนใหญ่ที่ประกอบขึ้นเป็นสัตว์ พืชและจุลชีพมาจากโมเลกุลพื้นฐานสามกลุ่มหลัก ได้แก่ กรดอะมิโน คาร์โบไฮเดรตและลิพิด (หรือมักเรียกไขมัน) เนื่องจากโมเลกุลเหล่านี้สำคัญต่อชีวิต ปฏิกิริยาเมแทบอลิกสนใจการสร้างโมเลกุลเหล่านี้ระหว่างการสร้างเซลล์และเนื้อเยื่อ หรือสลายและใช้เป็นแหล่งพลังงานโดยการย่อยสลาย สารชีวเคมีเหล่านี้สามารถรวมกันสร้างเป็นพอลิเมอร์อย่างเช่นดีเอ็นเอและโปรตีน ซึ่งเป็นโมเลกุลใหญ่จำเป็นต่อชีวิต

กรดอะมิโนและโปรตีน

โปรตีนประกอบขึ้นจากกรดอะมิโนเรียงตัวกันเป็นโซ่เส้นตรงเชื่อมด้วยพันธะเพปไทด์[9] โปรตีนหลายตัวเป็นเอ็นไซม์ซึ่งเร่งปฏิกิริยาเคมีในเมแทบอลิซึม โปรตีนตัวอื่นมีหน้าที่เชิงโครงสร้างหรือกลไก เช่น โปรตีนที่ประกอบขึ้นเป็นไซโทสเกลิทัน ระบบโครงค้ำจุนรูปทรงของเซลล์[10] โปรตีนยังมีความสำคัญในการส่งสัญญาณของเซลล์ ระบบภูมิคุ้มกัน การยึดติดของเซลล์ การลำเลียงแบบใช้พลังงานข้ามเยื่อ และวัฏจักรเซลล์[11] กรดอะมิโนยังมีผลต่อเมแทบอลิซึมพลังงานของเซลล์โดยการให้แหล่งคาร์บอนสำหรับเข้าสู่วัฏจักรกรดซิตริก (วัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก หรือ วัฏจักรเครบส์)[12] โดยเฉพาะเมื่อแหล่งพลังงานหลักอย่างกลูโคสหาได้ยาก หรือเมื่อเซลล์มีความเครียดเมแทบอลิก[13]

ลิพิด

ลิพิดเป็นกลุ่มชีวเคมีที่หลากหลายที่สุด ประโยชน์เชิงโครงสร้างหลักของลิพิดคือเป็นส่วนหนึ่งของเยื่อชีวภาพทั้งภายในและภายนอก เช่น เยื่อหุ้มเซลล์ หรือเป็นแหล่งพลังงาน[11] โดยทั่วไปนิยามลิพิดว่าเป็นโมเลกุลชีวภาพไม่ชอบน้ำหรือมีทั้งส่วนชอบน้ำและไม่ชอบน้ำ แต่จะละลายในตัวทำละลายอินทรีย์อย่างเบนซีนหรือคลอโรฟอร์ม[14] ไขมันเป็นสารประกอบกลุ่มใหญ่ที่ประกอบด้วยกรดไขมันและกลีเซอรอล โมเลกุลกลีเซอรอลที่เชื่อมติดกับกรดไขมันเอสเทอร์สามตัวเรียก ไตรกลีเซอไรด์[15] มีโครงสร้างพื้นฐานนี้หลายชนิด รวมทั้งแกนกลางตัวอื่นอย่างสฟิงโกซีน (sphingosine) ในสฟิงโกลิพิด และกลุ่มชอบน้ำอย่างฟอสเฟตในฟอสโฟลิพิด สเตอรอยด์อย่างเช่นคอเลสเตอรอลก็เป็นลิพิดประเภทหลักประเภทหนึ่ง[16]

คาร์โบไฮเดรต

คาร์โบไฮเดรตเป็นอัลดีไฮด์หรือคีโตน โดยมีหมู่ไฮดร็อกซิลหลายหมู่ติดอยู่ สามารถมีได้ทั้งในรูปโซ่ตรงหรือวงแหวน คาร์โบไฮเดรตเป็นโมเลกุลชีวภาพที่มีมากที่สุด และมีหลายบทบาทตั้งแต่เก็บและขนส่งพลังงาน (แป้ง, ไกลโคเจน) และองค์ประกอบโครงสร้าง (เซลลูโลสในพืช ไคตินในสัตว์)[11] หน่วยคาร์โบไฮเดรตพื้นฐานเรียกมอนอแซกคาได์และมีกาแลคโตส ฟรุกโตสและที่สำคัญที่สุดกลูโคส มอนอแซกคาไรด์สามารถเชื่อมเข้าด้วยกันเป็นพอลิแซกคาไรด์ด้วยวิธีต่าง ๆ ได้แทบไม่สิ้นสุด[17]

นิวคลีโอไทด์

กรดนิวคลิอิกสองชนิด ดีเอ็นเอและอาร์เอ็นเอเป็นพอลิเมอร์ของนิวคลีโอไทด์ แต่ละนิวคลีโอไทด์ประกอบด้วยฟอสเฟตติดกับหมู่น้ำตาลไรโบสหรือดีอ็อกซีไรโบสซึ่งติดกับไนโตรจีนัสเบส กรดนิวคลีอิกสำคัญต่อการเก็บและใช้สารสนเทศพันธุกรรม และการตีความผ่านกระบวนการถอดรหัสและชีวสังเคราะห์โปรตีน[11] สารสนเทศนี้มีกลไกการซ่อมแซมดีเอ็นเอป้องกันและแพร่ขยายผ่านการถ่ายแบบดีเอ็นเอ ไวรัสหลายชนิดมีจีโนมอาร์เอ็นเอ เช่น เอชไอวี ซึ่งใช้การถ่ายแบบย้อนกลับเพื่อสร้างแม่แบบดีเอ็นเอจากจีโนมอาร์เอ็นเอ[18] อาร์เอ็นเอในไรโบไซม์อย่างสไปลซีโอโซมและไรโบโซมคล้ายกับเอ็นไซม์ที่สามารถเร่งปฏิกิริยาเคมีได้ นิวคลีโอไซด์เดี่ยว ๆ สร้างขึ้นจากการติดนิวคลีโอเบสกับน้ำตาลไรโบส ฐานาเหล่านี้เป็นวงแหวนเฮเทอโรไซคลิกประกอบด้วยไนโตรเจน จำแนกเป็นพิวรีนหรือไพริมีดีน นิวคลีโอไทด์ยังทำหน้าที่เป็นโคเอ็นไซม์ในปฏิกิริยาย้ายหมู่เมแทบอลิก[19]

โคเอ็นไซม์

เมแทบอลิซึมเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมีหลากหลาย แต่ส่วนใหญ่จัดอยู่ในปฏิกิริยาชนิดพื้นฐานไม่กี่ชนิดที่เกี่ยวข้องกับการย้ายหมู่ฟังก์ชันอะตอมและพันธะในโมเลกุล[20] ปฏิกิริยาเคมีทั่วไปนี้ทำให้เซลล์ใช้สารตัวกลางเมแทบอลิกชุดเล็ก ๆ พาหมู่เคมีระหว่างปฏิกิริยาต่าง ๆ[19] สารตัวกลางย้ายหมู่เหล่านี้เรียก โคเอ็นไซม์ ปฏิกิริยาย้ายกลุ่มแต่ละกลุ่มดำเนินโดยโคเอ็นไซม์เฉพาะ ซึ่งเป็นสารตั้งต้นสำหรับชุดเอ็นไซม์ที่ผลิตโคเอ็นไซม์นั้น และชุดของเอ็นไซม์ที่ใช้โคเอ็นไซม์ดังกล่าว ฉะนั้นโคเอ็นไซม์เหล่านี้จึงมีการผลิต ใช้และนำกลับมาใช้ใหม่อย่างต่อเนื่อง[21]

โคเอ็นไซม์กลางหนึ่งคือ อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานสากลของเซลล์ นิวคลีโอไทด์นี้ใช้โอนพลังงานเคมีระหว่างปฏิกิริยาเคมีต่าง ๆ มี ATP ปริมาณน้อยในเซลล์ แต่เนื่องจากสามารถฟื้นฟูได้เรื่อย ๆ ร่างกายมนุษย์จึงสามารถใช้ ATP ได้เท่ากับน้ำหนักตัวต่อวัน[21] ATP เป็นเสมือนสะพานระหว่างแคแทบอลิซึมและแอแนบอลิซึม แคแทบอลิซึมเป็นการสลายโมเลกุล และแอแนบอลิซึมสร้างโมเลกุล ปฏิกิริยาแคแทบอลิกสร้าง ATP และปฏิกิริยาแอนาบอลิกใช้สารดังกล่าว นอกจากนี้ยังเป็นตัวพาหมู่ฟอสเฟตในปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชัน

วิตามินเป็นสารประกอบอินทรีย์ที่จำเป็นปริมาณน้อยที่ไม่สามารถสร้างขึ้นได้ในเซลล์ ในโภชนาการมนุษย์วิตามินส่วนใหญ่ทำหน้าที่เป็นโคเอ็นไซม์หลังเปลี่ยนรูปแล้ว ตัวอย่างเช่น วิตามินละลายในน้ำได้ทุกชนิดมีการเติมหมู่ฟอสเฟตหรือจับกับนิวคลีโอไทด์เมื่อใช้ในเซลล์[22] นิโคตินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ (NAD+) ซึ่งเป็นอนุพันธ์ของวิตามินบี3 (ไนอะซิน) เป็นโคเอ็นไซม์สำคัญซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวรับไฮโดรเจน มีดีไฮโดรจีเนสหลายร้อยชนิดซึ่งนำอิเล็กตรอนออกจากสารตั้งต้นและรีดิวซ์ NAD+ เป็น NADH รูปรีดิวซ์นี้เป็นสารตั้งต้นของรีดักเตสในเซลล์ที่จำเป็นต่อการรีดิวซ์สารตั้งต้น[23] นิโคตินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ในสองรูปที่สัมพันธ์กันในเซลล์ NADH และ NADPH; รูป NAD+/NADH มีความสำคัญกว่าในปฏิกิริยาแคแทบอลิก ส่วนรูป NADP+/NADPH ใช้ในปฏิกิริยาแอแนบอลิก

แร่ธาตุและโคแฟกเตอร์

ธาตุอนินทรีย์มีบทบาทสำคัญในเมแทบอลิซึม บางธาตุมีมาก (เช่น โซเดียมและโพแทสเซียม) ส่วนบางธาตุทำหน้าที่ได้ที่ความเข้มข้นน้อยมาก ประมาณร้อยละ 99 ของมวลสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมประกอบขึ้นจากธาตุคาร์บอน ไนโตรเจน แคลเซียม โซเดียม คลอรีน โพแทสเซียม ไฮโดรเจน ฟอสฟอรัส ออกซิเจนและซัลเฟอร์[24] คาร์บอนและไนโตรเจนส่วนใหญ่อยู่ในสารประกอบอินทรีย์ (โปรตีน ลิพิดและคาร์โบไฮเดรต) ออกซิเจนและไฮโดรเจนส่วนใหญ่อยู่ในรูปน้ำ[24]

ธาตุอนินทรีย์ที่พบมากเป็นอิเล็กโทรไลต์ไอออน ไอออนที่สำคัญที่สุดได้แก่ โซเดียม โพแทสเซียม แคลเซียม แม็กนีเซียม คลอรีน ฟอสเฟตและไอออนอินทรีย์ไบคาร์บอเนต การบำรุงรักษาความแตกต่างของไอออนที่แน่ชัดขามเยื่อหุ้มเซลล์รักษาความดันออสโมซิสและ pH[25] ไอออนยังมีความสำคัญต่อการทำหน้าที่ของประสาทและกล้ามเนื้อ โดยศักยะงาน (action potential) ในเนื้อเยื่อเหล่านี้ผลิตจากการแลกเปลี่ยนอิเล็กโทรไลต์ระหว่างของเหลวนอกเซลล์และไซโทซอล ของเหลวของเซลล์[26] อิเล็กโทรไลต์เข้าและออกจากเซลล์ผ่านโปรตีนในเยื่อหุ้มเซลล์ที่เรียก ช่องไอออน (ion channel) ตัวอย่างเช่น การหดตัวของกล้ามเนื้อขึ้นอยู่กับการไหลของแคลเซียม โซเดียมและโพแทสเซียมผ่านช่องไอออนในเยื่อหุ้มเซลล์และทีทิวบูล[27]

ปกติโลหะทรานซิชันอยู่ในสิ่งมีชีวิตเป็นธาตุปริมาณน้อยมาก โดยสังกะสีและเหล็กเป็นธาตุที่พบมากที่สุด[28][29] โลหะเหล่านี้ใช้เป็นโคแฟกเตอร์ในโปรตีนบางตัว และมีความสำคัญต่อกัมมันตภาพของเอ็นไซม์อย่างคะแทเลสและโปรตีนพาออกซิเจนอย่างฮีโมโกลบิน[30] โคแฟกเตอร์โลหะจับกับจุดจำเพาะในโปรตีนอย่างแน่น แม้โคแฟกเตอร์เอ็นไซม์สามารถดัดแปรได้ระหว่างคะแทไลสิส โคแฟกเตอร์เหล่านี้จะกลับสู่สถานะเดิมเสมอเมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยาที่เกิดคะแทไลสิสแล้ว สารอาหารรองโลหะรับเข้าสู่สิ่งมีชีวิตโดยตัวพาจำเพาะและจับกับโปรตีนเก็บอย่างเฟอร์ริตินหรือเมทัลโลไธโอนีนเมื่อไม่ใช้[31][32]