Обмен веществ

Обмен веществ (смотрите также Метаболизм) — совокуп­ность протекающих в живых организмах химических пре­вращений, которые обеспечивают их рост, жизнедеятельность, воспроизведение, постоянный контакт и обмен с окружаю­щей средой.

 

Схема обмена веществ живого организма

Благодаря обмену веществ происходит рас­щепление и синтез молекул, что входят в состав клеток, образование, разрушение и обновление клеточных струк­тур и межклеточного вещества. Например, у человека по­ловина всех тканевых белков расщепляется и строится заново в среднем в течение 80 суток, белки печени и сыворотки крови наполовину обновляются каждые 10 суток, а белки мышц — 180, отдельные ферменты печени — каждые 2-4 часа.

Обмен веществ неотделим от процессов превращения энергии: потенциальная энергия химических связей сложных органических молекул в результате хими­ческих превращений переходит в другие виды энергии, используемой на синтез новых соединений, для поддержа­ния структуры и функции клеток, температуры тела, для совершения работы и т.д. Все реакции обмена веществ и превращения энергии протекают при участии биологичес­ких катализаторов-ферментов. У самых разных организмов обмен веществ отличается упорядоченностью и сходством последовательности ферментативных превращений, не­смотря на большой ассортимент химических соединений, вовлекаемых в обмен. В то же время для каждого вида характерен особый, закрепленный генетически тип обмена веществ, обусловленный условиями его существования.

Обмен веществ складывается из двух взаимосвязан­ных, одновременно протекающих в организме процес­сов:

• ассимиляции или анаболизма,
• диссимиляции или катаболизма.

В ходе катаболических превращений происходит расщепление крупных органических молекул до простых соединений с одновременным выделением энергии, кото­рая запасается в форме богатых энергией фосфатных свя­зей, главным образом в молекуле АТФ. Катаболические превращения обычно осуществляются в результате гидро­литических и окислительных реакций и протекают как в отсутствие кислорода (анаэробный путь — гликолиз, броже­ние), так и при его участии (аэробный путь — дыхание). Второй путь эволюционно более молодой и в энергетичес­ком отношении более выгодный. Он обеспечивает полное расщепление органических веществ до CO₂ и H₂O. Разно­образные органические соединения в ходе катаболических процессов превращаются в ограниченное число небольших молекул (помимо CO₂ и H₂O); например, углеводы — в триозофосфаты и пируват. Конечные продукты азотистого обмена — мочевина, аммиак, мочевая кислота.

В ходе анаболических превращений происходит био­синтез сложных молекул из простых молекул-предшест­венников.

Автотрофные организмы (зеленые растения и некоторые бактерии) могут осуществлять первичный син­тез органических соединений из CO₂ с использованием энергии солнечного света — фотосинтез.

Гетеротрофы синтезируют органические соединения только за счет энергии и продуктов, образующихся в ре­зультате катаболических превращений. Исходным сырьем для процессов биосинтеза являются простые органические соединения. Каждая клетка синтезирует характерные для нее белки, жиры, углеводы и другие соединения. Напри­мер, гликоген мышц синтезируется в мышечных клетках, а не доставляется кровью из печени.

Совокупность катаболических и анаболических реак­ций, протекающих в клетке в любой данный момент, составляет ее метаболизм.

Катаболизм + Анаболизм = Метаболизм.

Различные обменные реакции приурочены к опреде­ленным частям клетки. Вся ферментативная система гли­колиза локализуется в растворимой фракции цитоплазмы. В митохондриях идет биологическое окисление окисли­тельным фосфорилированием (АДФ ? АТФ), в лизосомах — гидролитические ферменты, в рибосомах — синтез белка, а биосинтез липидов — в эндоплазматической сети и т.д.

 Сравнительная характеристика аэробного и анаэробного дыхания

Аэробное дыхание (окислительное фосфорилирование)	Анаэробное дыхание (брожение)
Участвует O2	Не участвует O2
Глюкоза распадается до CO2 и H2O	Глюкоза распадается до триоз и других сложных органических соединений
Экзергонический процесс (с освобождением энергии)	Экзергонический процесс (с освобождением энергии)
Используется до 50% химической энергии, заключенной в молекуле глюкозы	Используется меньшая часть хи­мической энергии
Характерно  для   большинства организмов	Характерно для ряда микроорга­низмов, а также для недифферен­цированных клеток и клеток опу­холей
Ферменты    локализованы    в митохондриях	Ферменты локализованы в цитоплазматическом матриксе

В процессе эволюции организмы выработали тонкие регуляторные системы, которые обеспечивают высокую степень упорядоченности и согласованности реакций и позволяют приспособиться к изменениям условий окружающей среды. Для всех организмов существуют в основном оди­наковые системы регуляции, действующие на уровне кле­точного обмена веществ.

Высокоразвитые организмы обладают дополнитель­ными регуляторными механизмами — нервными и гормо­нальными. Гормоны выполняют в клетках и тканях кон­тролирующие функции, либо непосредственно воздействуя на ферменты или их синтез, либо влияя на проницаемость клеточных мембран, функциональное состояние клеточ­ных органоидов и систему циклических нуклеотидов. Ат­рофия тканей после повреждения соответствующих нервов указывает на важность нервной регуляции клеточного об­мена веществ.