Какие процессы относятся к обмену веществ

Обмен веществ — Википедия

Метаболи́зм, или обме́н веще́ств — набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды.

Метаболизм обычно делят на 2 стадии: катаболизм и анаболизм. В ходе катаболизма сложные органические вещества деградируют до более простых, обычно выделяя энергию. А в процессах анаболизма — из более простых синтезируются более сложные вещества и это сопровождается затратами энергии.

Серии химических реакций обмена веществ называют метаболическими путями. В них, при участии ферментов, одни биологически значимые молекулы последовательно превращаются в другие.

Ферменты играют важную роль в метаболических процессах, потому что:

• действуют как биологические катализаторы и снижают энергию активации химической реакции;
• позволяют регулировать метаболические пути в ответ на изменения среды клетки или сигналы от других клеток.

Особенности метаболизма влияют на то, будет ли пригодна определённая молекула для использования организмом в качестве источника энергии. Так, например, некоторые прокариоты используют сероводород в качестве источника энергии, однако этот газ ядовит для животных^[1]. Скорость обмена веществ также влияет на количество пищи, необходимой для организма.

Основные метаболические пути и их компоненты одинаковы для многих видов, что свидетельствует о единстве происхождения всех живых существ^[2]. Например, некоторые карбоновые кислоты, являющиеся интермедиатами цикла трикарбоновых кислот, присутствуют во всех организмах, начиная от бактерий и заканчивая многоклеточными организмами эукариот^[3]. Сходства в обмене веществ, вероятно, связаны с высокой эффективностью метаболических путей, а также с их ранним появлением в истории эволюции^[4][5].

Органические вещества, входящие в состав всех живых существ (животных, растений, грибов и микроорганизмов), представлены в основном аминокислотами, углеводами, липидами (часто называемые жирами) и нуклеиновыми кислотами. Так как эти молекулы имеют важное значение для жизни, метаболические реакции сосредоточены на создании этих молекул при строительстве клеток и тканей или разрушении их с целью использования в качестве источника энергии. Многие важные биохимические реакции объединяются вместе для синтеза ДНК и белков.

Аминокислоты и белки[править | править код]

Белки являются биополимерами и состоят из остатков аминокислот, соединённых пептидными связями. Некоторые белки являются ферментами и катализируют химические реакции. Другие белки выполняют структурную или механическую функцию (например образуют цитоскелет).^[6] Белки также играют важную роль в передаче сигнала в клетках, иммунных реакциях, агрегации клеток, активном транспорте через мембраны и регуляции клеточного цикла.^[7]

Липиды[править | править код]

Липиды входят в состав биологических мембран, например плазматических мембран, являются компонентами коферментов и источниками энергии.^[7] Липиды являются гидрофобными или амфифильными биологическими молекулами, растворимыми в органических растворителях, таких как бензол или хлороформ. ^[8]Жиры — большая группа соединений, в состав которых входят жирные кислоты и глицерин. Молекула трёхатомного спирта глицерина, образующая три сложные эфирные связи с тремя молекулами жирных кислот, называется триглицеридом.^[9] Наряду с остатками жирных кислот, в состав сложных липидов может входить, например, сфингозин (сфинголипиды), гидрофильные группы фосфатов (в фосфолипидах). Стероиды, например холестерол, представляют собой ещё один большой класс липидов.^[10]

Углеводы[править | править код]

Сахара могут существовать в кольцевой или линейной форме в виде альдегидов или кетонов, имеют несколько гидроксильных групп. Углеводы являются наиболее распространёнными биологическими молекулами. Углеводы выполняют следующие функции: хранение и транспортировка энергии (крахмал, гликоген), структурная (целлюлоза растений, хитин у грибов и животных).^[7] Наиболее распространёнными мономерами сахаров являются гексозы — глюкоза, фруктоза и галактоза. Моносахариды входят в состав более сложных линейных или разветвлённых полисахаридов.^[11]

Нуклеотиды[править | править код]

Полимерные молекулы ДНК и РНК представляют собой длинные неразветвлённые цепочки нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты выполняют функцию хранения и реализации генетической информации, которые осуществляются в ходе процессов репликации, транскрипции, трансляции и биосинтеза белка.^[7] Информация, закодированная в нуклеиновых кислотах, защищается от изменений системами репарации и мультиплицируется при помощи репликации ДНК.

Некоторые вирусы имеют РНК-содержащий геном. Например, вирус иммунодефицита человека использует обратную транскрипцию для создания матрицы ДНК из собственного РНК-содержащего генома.^[12] Некоторые молекулы РНК обладают каталитическими свойствами (рибозимы) и входят в состав сплайсосом и рибосом.

Нуклеозиды — продукты присоединения азотистых оснований к сахару рибозе. Примерами азотистых оснований являются гетероциклические азотсодержащие соединения — производные пуринов и пиримидинов. Некоторые нуклеотиды также выступают в качестве коферментов в реакциях переноса функциональных групп.^[13]

Коферменты[править | править код]

Метаболизм включает широкий спектр химических реакций, большинство из которых относится к нескольким основным типам реакций переноса функциональных групп.^[14] Для переноса функциональных групп между ферментами, катализирующими химические реакции, используются коферменты.^[13] Каждый класс химических реакций переноса функциональных групп катализируется отдельными ферментами и их кофакторами.^[15]

Аденозинтрифосфат (АТФ) — один из центральных коферментов, универсальный источник энергии клеток. Этот нуклеотид используется для передачи химической энергии, запасённой в макроэргических связях, между различными химическими реакциями. В клетках существует небольшое количество АТФ, который постоянно регенерируется из AДФ и AМФ. Организм человека за сутки расходует массу АТФ, равную массе собственного тела. ^[15] АТФ выступает в качестве связующего звена между катаболизмом и анаболизмом: при катаболических реакциях образуется АТФ, при анаболических — энергия потребляется. АТФ также выступает донором фосфатной группы в реакциях фосфорилирования.

Витамины — низкомолекулярные органические вещества, необходимые в небольших количествах, причём, например, у человека большинство витаминов не синтезируется, а получается с пищей или через микрофлору ЖКТ. В организме человека большинство витаминов являются кофакторами ферментов. Большинство витаминов приобретает биологическую активность в изменённом виде, например, все водорастворимые витамины в клетках фосфорилируются или соединяются с нуклеотидами.^[16]Никотинамидадениндинуклеотид (NADH) является производным витамина B₃ (ниацина) и представляет собой важный кофермент — акцептора водорода. Сотни различных ферментов дегидрогеназ отнимают электроны из молекул субстратов и переносят их на молекулы NAD⁺, восстанавливая его до NADH. Окисленная форма кофермента является субстратом для различных редуктаз в клетке.^[17] NAD в клетке существует в двух связанных формах — NADH и NADPH. NAD⁺/NADH больше важен для протекания катаболических реакций, а NADP⁺/NADPH чаще используется в анаболических реакциях.

Неорганические вещества и кофакторы[править | править код]

Неорганические элементы играют важнейшую роль в обмене веществ. Около 99 % массы млекопитающего состоит из углерода, азота, кальция, натрия, магния, хлора, калия, водорода, фосфора, кислорода и серы.^[18] Биологически значимые органические соединения (белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты) содержат большое количество углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора.^[18]

Многие неорганические соединения являются ионными электролитами. Наиболее важны для организма ионы натрия, калия, кальция, магния, хлоридов, фосфатов и гидрокарбонатов. Баланс этих ионов внутри клетки и во внеклеточной среде определяет осмотическое давление и pH.^[19] Концентрации ионов также играют важную роль для функционирования нервных и мышечных клеток. Потенциал действия в возбудимых тканях возникает при обмене ионами между внеклеточной жидкостью и цитоплазмой.^[20] Электролиты входят и выходят из клетки через ионные каналы в плазматической мембране. Например, в ходе мышечного сокращения в плазматической мембране, цитоплазме и Т-трубочках перемещаются ионы кальция, натрия и калия.^[21]

Переходные металлы в организме являются микроэлементами, наиболее распространены цинк и железо.^[22][23] Эти металлы используются некоторыми белками (например ферментами в качестве кофакторов) и имеют важное значение для регуляции активности ферментов и транспортных белков.^[24] Кофакторы ферментов обычно прочно связаны со специфическим белком, однако могут модифицироваться в процессе катализа, при этом после окончания катализа всегда возвращаются к своему первоначальному состоянию (не расходуются). Металлы-микроэлементы усваиваются организмом при помощи специальных транспортных белков и не встречаются в организме в свободном состоянии, так как связаны со специфическими белками-переносчиками (например ферритином или металлотионеинами).^[25][26]

Классификация организмов по типу метаболизма[править | править код]

Все живые организмы можно разделить на восемь основных групп в зависимости от используемого: источника энергии, источника углерода и донора электронов (окисляемого субстрата)^[27].

1. В качестве источника энергии живые организмы могут использовать: энергию света (фото-) или энергию химических связей (хемо-). Дополнительно для описания паразитических организмов, использующих энергетические ресурсы хозяйской клетки, применяют термин паратроф.
2. В качестве донора электронов (восстановителя) живые организмы могут использовать: неорганические вещества (лито-) или органические вещества (органо-).
3. В качестве источника углерода живые организмы используют: углекислый газ (авто-) или органические вещества (гетеро-). Иногда термины авто- и гетеротроф используют в отношении других элементов, которые входят в состав биологических молекул в восстановленной форме (например азота, серы). В таком случае «автотрофными по азоту» организмами являются виды, использующие в качестве источника азота окисленные неорганические соединения (например растения; могут осуществлять восстановление нитратов). А «гетеротрофными по азоту» являются организмы, не способные осуществлять восстановление окисленных форм азота и использующие в качестве его источника органические соединения (например животные, для которых источником азота служат аминокислоты).

Название типа метаболизма формируется путём сложения соответствующих корней и добавлением в конце корня -троф-. В таблице представлены возможные типы метаболизма с примерами^[28]:

• Некоторые авторы используют -гидро-, когда в качестве донора электронов выступает вода.
  • • CO₂, CO, HCHO, CH₃OH, CH₄ HCOO^- и «неорганическая» метильная группа -СH₃, присоединённая через атом кислорода, азота или серы к другим метильным группам (от одной до трёх) или к многоуглеродному скелету^[29]

Классификация была разработана группой авторов (А. Львов, К. ван Ниль, F. J. Ryan, Э. Тейтем) и утверждена на 11-м симпозиуме в лаборатории Колд-Спринг-Харбор и изначально служила для описания типов питания микроорганизмов. Однако в настоящее время применяется и для описания метаболизма других организмов^[30].

Из таблицы очевидно, что метаболические возможности прокариот значительно разнообразнее по сравнению с эукариотами, которые характеризуются фотолитоавтотрофным и хемоорганогетеротрофным типом метаболизма.

Следует отметить, что некоторые виды микроорганизмов могут в зависимости от условий среды (освещение, доступность органических веществ и т. д.) и физиологического состояния осуществлять метаболизм разного типа. Такое сочетание нескольких типов метаболизма описывается как миксотрофия.

При применении данной классификации к многоклеточным организмам важно понимать, что в рамках одного организма могут быть клетки, отличающиеся типом обмена веществ. Так клетки надземных, фотосинтезирующих органов многоклеточных растений характеризуются фотолитоавтотрофным типом метаболизма, в то время как клетки подземных органов описываются как хемоорганогетеротрофные. Так же как и в случае с микроорганизмами, при изменении условий среды, стадии развития и физиологического состояния тип метаболизма клеток многоклеточного организма может изменяться. Так, например, в темноте и на стадии прорастания семени клетки высших растений осуществляют метаболизм хемоорганогетеротрофного типа.

Катаболизмом называют метаболические процессы, при которых расщепляются относительно крупные органические молекулы сахаров, жиров, аминокислот. В ходе катаболизма образуются более простые органические молекулы, необходимые для реакций анаболизма (биосинтеза). Часто именно в ходе реакций катаболизма организм мобилизует энергию, переводя энергию химических связей органических молекул, полученных в процессе переваривания пищи, в доступные формы: в виде АТФ, восстановленных коферментов и трансмембранного электрохимического потенциала. Термин катаболизм не является синонимом «энергетического обмена»: у многих организмов (например у фототрофов) основные процессы запасания энергии не связаны напрямую с расщеплением органических молекул. Классификация организмов по типу метаболизма может быть основана на источнике получения энергии, что отражено в предыдущем разделе. Энергию химических связей используют хемотрофы, а фототрофы потребляют энергию солнечного света. Однако все эти различные формы обмена веществ зависят от окислительно-восстановительных реакций, которые связаны с передачей электронов от восстановленных доноров молекул, таких как органические молекулы, вода, аммиак, сероводород, на акцепторные молекулы, такие как кислород, нитраты или сульфат.^[31] У животных эти реакции сопряжены с расщеплением сложных органических молекул до более простых, таких как двуокись углерода и воду. В фотосинтезирующих организмах — растениях и цианобактериях — реакции переноса электрона не высвобождают энергию, но они используются как способ запасания энергии, поглощаемой из солнечного света.^[32]

Катаболизм у животных может быть разделён на три основных этапа. Во-первых, крупные органические молекулы, такие как белки, полисахариды и липиды, расщепляются до более мелких компонентов вне клеток. Далее эти небольшие молекулы попадают в клетки и превращается в ещё более мелкие молекулы, например ацетил-КоА. В свою очередь, ацетильная группа кофермента А окисляется до воды и углекислого газа в цикле Кребса и дыхательной цепи, высвобождая при этом энергию, которая запасается в форме АТР.

Пищеварение[править | править код]

Такие макромолекулы, как крахмал, целлюлоза или белки, должны расщепляться до более мелких единиц прежде, чем они могут быть использованы клетками. Несколько классов ферментов принимают участие в деградации: протеазы, которые расщепляют белки до пептидов и аминокислот, гликозидазы, которые расщепляют полисахариды до олиго- и моносахаридов.

Микроорганизмы выделяют гидролитические ферменты в пространство вокруг себя,^[33][34] чем отличаются от животных, которые выделяют такие ферменты только из специализированных железистых клеток.^[35] Аминокислоты и моносахариды, образующиеся в результате активности внеклеточных ферментов, затем поступают в клетки с помощью активного транспорта.^[36][37]

Получение энергии[править | править код]

В ходе катаболизма углеводов сложные сахара расщепляются до моносахаридов, которые усваиваются клетками.^[38] Попав внутрь, сахара (например глюкоза и фруктоза) в процессе гликолиза превращаются в пируват, при этом вырабатывается некоторое количество АТФ.^[39] Пировиноградная кислота (пируват) является промежуточным продуктом в нескольких метаболических путях. Основной путь метаболизма пирувата — превращение в ацетил-КоА и далее поступление в цикл трикарбоновых кислот. При этом в цикле Кребса в форме АТР запасается часть энергии, а также восстанавливаются молекулы NADH и FAD. В процессе гликолиза и цикла трикарбоновых кислот образуется диоксид углерода, который является побочным продуктом жизнедеятельности. В анаэробных условиях в результате гликолиза из пирувата при участии фермента лактатдегидрогеназы образуется лактат и происходит окисление NADH до NAD⁺, который повторно используется в реакциях гликолиза. Существует также альтернативный путь метаболизма моносахаридов — пентозофосфатный путь, в ходе реакций которого энергия запасается в форме восстановленного кофермента NADPH и образуются пентозы, например рибоза, необходимая для синтеза нуклеиновых кислот.

Жиры на первом этапе катаболизма гидролизуются в свободные жирные кислоты и глицерин. Жирные кислоты расщепляются в процессе бета-окисления с образованием ацетил-КоА, который в свою очередь далее катаболизируется в цикле Кребса, либо идёт на синтез новых жирных кислот. Жирные кислоты выделяют больше энергии, чем углеводы, так как жиры содержат удельно больше атомов водорода в своей структуре.

Аминокислоты либо используются для синтеза белков и других биомолекул, либо окисляются до мочевины, диоксида углерода и служат источником энергии.^[40] Окислительный путь катаболизма аминокислот начинается с удаления аминогруппы ферментами трансаминазами. Аминогруппы утилизируются в цикле мочевины; аминокислоты, лишённые аминогрупп, называют кетокислотами. Некоторые кетокислоты — промежуточные продукты цикла Кребса. Например, при дезаминировании глутамата образуется альфа-кетоглутаровая кислота.^[41] Гликогенные аминокислоты также могут быть преобразованы в глюкозу в реакциях глюконеогенеза.^[42]

Окислительное фосфорилирование[править | править код]

При окислительном фосфорилировании электроны, удалённые из пищевых молекул в метаболических путях (например в цикле Кребса), переносятся на кислород, а выделяющаяся энергия используется для синтеза АТФ. У эукариот данный процесс осуществляется при участии ряда белков, закреплённых в мембранах митохондрий, называемых дыхательной цепью переноса электронов. У прокариот эти белки присутствуют во внутренней мембране клеточной стенки.^[43] Белки цепи переноса электронов используют энергию, полученную при передаче электронов от восстановленных молекул (например NADH) на кислород, для перекачки протонов через мембрану.^[44]

При перекачке протонов создаётся разница концентраций ионов водорода и возникает электрохимический градиент.^[45] Эта сила возвращает протоны обратно в митохондрии через основание АТФ-синтазы. Поток протонов заставляет вращаться кольцо из c-субъединиц фермента, в результате чего активный центр синтазы изменяет форму и фосфорилирует аденозиндифосфат, превращая его в АТФ.^[15]

Энергия из неорганических соединений[править | править код]

Хемолитотрофами называют прокариот, имеющих особый тип обмена веществ, при котором энергия образуется в результате окисления неорганических соединений. Хемолитотрофы могут окислять молекулярный водород,^[46] соединения серы (например сульфиды, сероводород и неорганические тиосульфаты),^[1]оксид железа(II)^[47] или аммиак.^[48] При этом энергия от окисления этих соединений образуется с помощью акцепторов электронов, таких как кислород или нитриты.^[49] Процессы получения энергии из неорганических веществ играют важную роль в таких биогеохимических циклах, как ацетогенез, нитрификация и денитрификация.^[50][51]

Энергия из солнечного света[править | править код]

Энергия солнечного света поглощается растениями, цианобактериями, пурпурными бактериями, зелёными серными бактериями и некоторыми простейшими. Этот процесс часто сочетается с превращением диоксида углерода в органические соединения, как часть процесса фотосинтеза (см. ниже). Системы захвата энергии и фиксации углерода у некоторых прокариот могут работать раздельно (например у пурпурных и зелёных серных бактерий).^[52][53]

У многих организмов поглощение солнечной энергии в принципе аналогично окислительному фосфорилированию, так как при этом энергия запасается в форме градиента концентрации протонов и движущая сила протонов приводит к синтезу АТФ.^[15] Электроны, необходимые для этой цепи переноса, поступают от светособирающих белков, называемых центрами фотосинтетических реакций (примером являются родопсины). В зависимости от вида фотосинтетических пигментов классифицируют два типа центров реакций; в настоящее время большинство фотосинтезирующих бактерий имеют только один тип, в то время как растения и цианобактерии два.^[54]

У растений, водорослей и цианобактерий фотосистема II использует энергию света для удаления электронов из воды, при этом молекулярный кислород выделяется как побочный продукт реакции. Электроны затем поступают в комплекс цитохрома b6f, который использует энергию для перекачки протонов через тилакоидную мембрану в хлоропластах.^[7] Под действием электрохимического градиента протоны движутся обратно через мембрану и запускают АТР-синтазу. Электроны затем проходят через фотосистему I и могут быть использованы для восстановления кофермента NADP⁺, для использования в цикле Кальвина или рециркуляции для образования дополнительных молекул АТР.^[55]

Анаболизм — совокупность метаболических процессов биосинтеза сложных молекул с затратой энергии. Сложные молекулы, входящие в состав клеточных структур, синтезируются последовательно из более простых предшественников. Анаболизм включает три основных этапа, каждый из которых катализируется специализированным ферментом. На первом этапе синтезируются молекулы-предшественники, например аминокислоты, моносахариды, терпеноиды и нуклеотиды. На втором этапе предшественники с затратой энергии АТФ преобразуются в активированные формы. На третьем этапе активированные мономеры объединяются в более сложные молекулы, например белки, полисахариды, липиды и нуклеиновые кислоты.

Не все живые организмы могут синтезировать все биологически активные молекулы. Автотрофы (например растения) могут синтезировать сложные органические молекулы из таких простых неорганических низкомолекулярных веществ, как углекислый газ и вода. Гетеротрофам необходим источник более сложных веществ, таких как моносахариды и аминокислоты, для создания более сложных молекул. Организмы классифицируют по их основным источникам энергии: фотоавтотрофы и фотогетеротрофы получают энергию из солнечного света, в то время как хемоавтотрофы и хемогетеротрофы получают энергию из неорганических реакций окисления.

Связывание углерода[править | править код]

Фотосинтезом называют процесс биосинтеза сахаров из углекислого газа, при котором необходимая энергия поглощается из солнечного света. У растений, цианобактерий и водорослей при кислородном фотосинтезе происходит фотолиз воды, при этом как побочный продукт выделяется кислород. Для преобразования CO₂ в 3-фосфоглицерат используется энергия АТФ и НАДФ, запасённая в фотосистемах. Реакция связывания углерода осуществляется с помощью фермента рибулозобисфосфаткарбоксилазы и является частью цикла Кальвина.^[56] У растений классифицируют три типа фотосинтеза — по пути трёхуглеродых молекул, по пути четырёхуглеродых молекул (С4), и CAM фотосинтез. Три типа фотосинтеза отличаются по пути связывания углекислого газа и его вхождения в цикл Кальвина; у C3 растений связывание CO₂ происходит непосредственно в цикле Кальвина, а при С4 и CAM CO₂ предварительно включается в состав других соединений. Разные формы фотосинтеза являются приспособлениями к интенсивному потоку солнечных лучей и к сухим условиям.^[57]

У фотосинтезирующих прокариот механизмы связывания углерода более разнообразны. Углекислый газ может быть фиксирован в цикле Кальвина, в обратном цикле Кребса^[58] или в реакциях карбоксилирования ацетил-КоА.^[59][60] Прокариоты — хемоавтотрофы также связывают CO₂ через цикл Кальвина, но для протекания реакции используют энергию из неорганических соединений.^[61]

Углеводы и гликаны[править | править код]

В процессе анаболизма сахаров простые органические кислоты могут быть преобразованы в моносахариды, например в глюкозу, и затем использованы для синтеза полисахаридов, таких как крахмал. Образование глюкозы из соединений, таких как пируват, лактат, глицерин, 3-фосфоглицерат и аминокислот, называют глюконеогенезом. В процессе глюконеогенеза пируват превращается в глюкозо-6-фосфат через ряд промежуточных соединений, многие из которых образуются и при гликолизе.^[39] Однако глюконеогенез не просто является гликолизом в обратном направлении, так как несколько химических реакций катализируют специальные ферменты, что даёт возможность независимо регулировать процессы образования и распада глюкозы.^[62][63]

Многие организмы запасают питательные вещества в форме липидов и жиров, однако позвоночные не имеют ферментов, катализирующих превращение ацетил-КоА (продукта метаболизма жирных кислот) в пируват (субстрат глюконеогенеза).^[64] После длительного голодания позвоночные начинают синтезировать кетоновые тела из жирных кислот, которые могут заменять глюкозу в таких тканях, как головной мозг.^[65] У растений и бактерий данная метаболическая проблема решается использованием глиоксилатного цикла, который обходит этап декарбоксилирования в цикле лимонной кислоты и позволяет превращать ацетил-КоА в оксалоацетат и далее использовать для синтеза глюкозы.^[64][66]

Полисахариды выполняют структурные и метаболические функции, а также могут быть соединены с липидами (гликолипиды) и белками (гликопротеиды) при помощи ферментов олигосахаридтрансфераз.^[67][68]

Жирные кислоты, изопреноиды и стероиды[править | править код]

Жирные кислоты образуются синтазами жирных кислот из ацетил-КоА. Углеродный скелет жирных кислот удлиняется в цикле реакций, в которых сначала присоединяется ацетильная группа, далее карбонильная группа восстанавливается до гидроксильной, затем происходит дегидратация и последующее восстановление. Ферменты биосинтеза жирных кислот классифицируют на две группы: у животных и грибов все реакции синтеза жирных кислот осуществляются одним многофункциональным белком I типа,^[69] в пластидах растений и у бактерий каждый этап катализируют отдельные ферменты II типа.^[70][71]

Терпены и терпеноиды являются представителями самого многочисленного класса растительных натуральных продуктов.^[72] Представители данной группы веществ являются производными изопрена и образуются из активированных предшественников изопентилпирофосфата и диметилаллилпирофосфата, которые, в свою очередь, образуются в разных реакциях обмена веществ.^[73] У животных и архей изопентилпирофосфат и диметилаллилпирофосфат синтезируются из ацетил-КоА в мевалонатном пути,^[74] в то время как у растений и бактерий субстратами не-мевалонатного пути являются пируват и глицеральдегид-3-фосфат.^[73][75] В реакциях биосинтеза стероидов молекулы изопрена объединяются и образуют сквалены, которые далее формируют циклические структуры с образованием ланостерола.^[76] Ланостерол может быть преобразован в другие стероиды, например холестерин и эргостерин.^[76][77]

Белки[править | править код]

Организмы различаются по способности к синтезу 20 общих аминокислот. Большинство бактерий и растений могут синтезировать все 20, но млекопитающие способны синтезировать лишь 10 заменимых аминокислот.^[7] Таким образом, в случае млекопитающих 9 незаменимых аминокислот должны быть получены из пищи. Все аминокислоты синтезируются из промежуточных продуктов гликолиза, цикла лимонной кислоты или пентозомонофосфатного пути. Перенос аминогрупп с аминокислот на альфа-кетокислоты называется трансаминированием. Донорами аминогрупп являются глутамат и глутамин. ^[78]

Аминокислоты, соединёнными пептидными связями, образуют белки. Каждый белок имеет уникальную последовательность аминокислотных остатков (первичная структура белка). Подобно тому, как буквы алфавита могут комбинироваться с образованием почти бесконечных вариаций слов, аминокислоты могут связываться в той или иной последовательности и формировать разнообразные белки. Фермент Аминоацил-тРНК-синтетаза катализирует АТР-зависимое присоединение аминокислот к тРНК сложноэфирными связями, при этом образуются аминоацил-тРНК.^[79] Аминоацил-тРНК являются субстратами для рибосом, которая объединяют аминокислоты в длинные полипептидные цепочки, используя матрицу мРНК.^[80]

Нуклеотиды[править | править код]

Нуклеотиды образуются из аминокислот, углекислого газа и муравьиной кислоты в цепи реакций, для протекания которых требуется большое количество энергии.^[81][82] Именно поэтому большинство организмов имеют эффективные системы сохранения ранее синтезированных нуклеотидов и азотистых оснований.^[81][83]Пурины синтезируются как нуклеозиды (в основном связанные с рибозой). Аденин и гуанин образуются из инозин-монофосфата, который синтезируется из глицина, глутамина и аспартата при участии метенил-тетрагидрофолата. Пиримидины синтезируются из оротата, который образуется из глутамина и аспартата.^[84]

Ксенобиотики и окислительный метаболизм[править | править код]

Все организмы постоянно подвергаются воздействию соединений, накопление которых может быть вредно для клеток. Такие потенциально опасные чужеродные соединения называются ксенобиотиками.^[85] Ксенобиотики, например синтетические лекарства и яды природного происхождения, детоксифицируются специализированными ферментами. У человека такие ферменты представлены, например, цитохром-оксидазами,^[86]глюкуронилтрансферазой,^[87] и глутатион S-трансферазой.^[88] Эта система ферментов действует в три этапа: на первой стадии ксенобиотики окисляются, затем происходит конъюгирование водорастворимых групп в молекулы, далее модифицированные водорастворимые ксенобиотики могут быть удалены из клеток и метаболизированы перед их экскрецией. Описанные реакции играют важную роль в разложении микробами загрязняющих веществ и биоремедиации загрязнённых земель и разливов нефти.^[89] Многие подобные реакции протекают при участии многоклеточных организмов, однако, ввиду невероятного разнообразия, микроорганизмы справляются с гораздо более широким спектром ксенобиотиков, чем многоклеточные организмы, и способны даже разрушать стойкие органические загрязнители, например хлорорганические соединения.^[90]

Связанной с этим проблемой для аэробных организмов является оксидативный стресс.^[91] В процессе окислительного фосфорилирования и образования дисульфидных связей при укладке белка образуются

2. Обмен веществ. Пластический и энергетический обмен

Между организмом и окружающей его средой непрерывно происходит обмен веществ и энергии.

Не использованные в результате превращений веществ остатки и продукты жизнедеятельности (продукты распада) выводятся из организма (с мочой, калом, потом и выдыхаемым воздухом).

Пластический и энергетический обмен

Обмен веществ в организме — это не просто постоянный ток веществ через его основные структуры, а совокупность всех химических реакций, происходящих в организме. Все реакции, связанные с превращением веществ, можно отнести к двум процессам: пластическому и энергетическому обмену.

Пластический обмен (ассимиляция, или анаболизм) — совокупность реакций синтеза органических веществ в клетке с использованием (затратой) энергии.

В процессах энергетического обмена (диссимиляции, или катаболизма, или биологического окисления) происходит разрушение (распад) полученных с пищей питательных веществ до простых соединений с высвобождением энергии, запасённой в химических связях органических молекул пищи.

В здоровом организме оба процесса строго сбалансированы (хотя в период быстрого роста ассимиляция может временно преобладать над диссимиляцией).

Основными видами обмена веществ являются белковый, углеводный, жировой и водно-солевой обмены.

Правда и заблуждения о метаболизме — Wonderzine

Иногда ускоренный метаболизм появляется при нарушениях гормонального статуса и может привести к проблемам формирования костей и мышц у детей и подростков, ослаблению иммунитета, приостановке роста, нарушениям менструального цикла, тахикардии и анемии. Некоторые болезни, например ихтиоз, также сопровождаются ускоренным обменом веществ: о связанных с этим сложностях рассказывала наша героиня. В свою очередь, слишком медленный обмен приводит к чрезмерному накоплению жировых отложений и возникновению ожирения, что может повышать риск сердечных заболеваний, повышенного артериального давления и сахарного диабета.

Обмен веществ замедляется и с возрастом: по словам Леонида Остапенко, в среднем на 5 % за каждые десять лет, прожитые после 30–40 (впрочем, это очень приблизительные, усреднённые оценки). Основные причины — изменения гормонального статуса, а также пониженная подвижность и уменьшение массы мышц. Такая стрессовая ситуация, как беременность и роды, тоже может привести к изменениям в базальном обмене. Ранние сроки беременности медики называют анаболическим состоянием: материнский организм откладывает запасы питательных веществ для дальнейших потребностей — как своих, так и плода. А на поздних сроках включается катаболическое состояние: чтобы плод нормально развивался, повышается уровень глюкозы и жирных кислот в крови.

После родов некоторые не могут сбросить несколько килограммов так же легко, как раньше, а другие, наоборот, становятся худыми. В идеале у совершенно здорового человека, живущего в благоприятной среде, после беременности организм должен вернуться к прежнему равновесию. В реальности так происходит не всегда — эндокринная система часто испытывает стресс, подобный удару молотка по часам: вроде все шестерёнки на месте, но часы спешат или отстают. Гормональные сдвиги после родов могут проявляться в виде тиреоидита (воспаления щитовидки), синдрома доминирования эстрогенов, когда их слишком много в организме, или синдрома адреналиновой усталости, при котором надпочечники вырабатывают слишком много адреналина и мало кортизола. Всё это отражается и на настроении, и на склонности легко поправляться или сбрасывать вес. К сожалению, с точностью предсказать, как изменится гормональный баланс и обмен веществ после родов, невозможно.

Обмен веществ [Метаболизм] — физиология, как происходит, процесс, нарушение, улучшить, нормализовать, роль, регуляция, вики — Wiki-Med

Содержание (план)

Обмен веществ - это поступление в организм питательных веществ и жидкостей из окружающей среды, переваривание, усвоение их и выделение продуктов.

Все вещества, поступающие в организм животного, подверга­ются в нем значительным превращениям. Одни из них распадаются до простых, большей частью, неорганических продуктов, выделяя при этом энергию, используемую организмом как для мышечной работы, так и для секреторных и нервных процессов (диссими­ляция). Продукты их распада выделяются из организма. Другие вещества подвергаются менее глубокому расщеплению и из них синтезируются вещества, подобные составным частям организма (ассимиляция — уподобление). Вновь созданные вещества или превращаются в активные элементы клеток и тканей или же откла­дываются в запас, становясь потенциальными источниками энер­гии. Неорганические вещества включаются в общий обмен веществ тела, подвергаясь сложным превращениям вместе с органическими, участвуя во всех жизненных проявлениях.

Во всех живых клетках и тканях организма как в спокойном состоянии, так и во время деятельности одновременно протекают два противоположных процесса: разрушение вещества и его синтез.

Процессы обмена веществ

Обмен веществ состоит из двух тесно взаимосвязанных процессов: ассимиляции и диссимиляции. Эти два процесса не только одновременны, но и взаимообус­ловлены. Одно без другого невозможно, ибо никакая работа в ор­ганизме не может происходить без распада веществ, ранее ассими­лированных организмом. С другой стороны, и для процессов синте­за в организме необходима энергия, выделяющаяся при распаде веществ.

Эти два процесса и составляют обмен веществ в организме. Обмен веществ происходит постоянно и непрерывно. Все клетки, все ткани тела, не исключая и таких плотных и, казалось бы, незыблемых, как кости и роговые образования, находятся в постоян­ном процессе распада и возобновления. Это касается как органичес­ких, так и неорганических веществ.

Ассимиляция (анаболизм)

Ассимиляция или анаболизм - это переход составных частей пищевых веществ, поступивших в человеческий организм из внешней среды в клетки, то есть превращение более простых веществ в химически сложные. В результате ассимиляции происходит размножение клеток. Чем моложе организм, тем активнее протекают в нем процессы ассимиляции, обеспечивая его рост и развитие.

Диссимиляция (катаболизм)

Диссимиляция или катаболизм - это распад (разложение) изношенных составных частей клеток, в том числе и расщепление веществ в составе белковых соединений.

Промежуточный обмен

Промежуточный (интермедиарный) обмен – это разнообразные и сложные превращения органических и неор­ганических соединений в клетках организма.

Исследование промежуточного обмена раскрывает сущность жизненного процес­са и дают возможность управлять им. Изучение промежуточного обмена ведется, в основном, биохимическими методами. В послед­нее время для этих целей стали широко применять метод радиоак­тивных, меченых атомов, позволяющий проследить за судьбой того или иного элемента в организме. Достаточно ввести животному какую-нибудь молекулу белка, жира, углевода или соли, содержа­щую радиоактивный элемент, чтобы через несколько минут убе­диться в его распространении по всему организму. Было показано, например, что у мышей за какие-нибудь 10 дней возобновляется половина жира тела.

При изучении промежуточного обмена исследуют те превра­щения, которым подвергаются в органах, тканях, клетках вещества, всосавшиеся в кровь из кишечника, т. е. процессы разложения и синтеза, вплоть до образования конечных продуктов, подлежащих выделению из организма.

Очень трудным и недостаточно ясным является вопрос о путях и механизмах образования в организме таких специфических для каждого индивидуума, для каждого органа, и даже для каждой ткани веществ, как белки. До сих пор остается неизвестным, в чем заключается их специфичность и как из веществ пищи создаются специфические белки. Имеются данные, что и другим органическим веществам — углеводам, жирам и даже неорганическим остаткам — также присуща как индивидуальная, так и органная специфич­ность.

Для облегчения изучения промежуточный обмен можно расчле­нить на обмен углеводов, жиров, белков, воды и солей.

Однако следует иметь в виду, что такой метод изложения явля­ется в известной степени условным, так как обмен всех этих ве­ществ неразрывно связан между собой и составляет единый процесс.

см. Обмен белков

Белки, или протеины, играют важную роль в здоровье, нормальном росте и развитии организма человека. Они выполняют две разные физиологические функции: пластическую и энергетическую.

Функции белков

Пластическая функция белков состоит в том, что они входят в состав всех клеток и тканей. Энергетическая функция белков состоит в том, что они, подвергаясь окислению в присутствии кислорода, расщеп­ляются и выделяют энергию. При расщеплении 1 г белка выделя­ется 4,1 ккал энергии.

Строение белков

Белки состоят из аминокислот. По аминокислотному составу они разделяются на полноценные и неполноценные.

Полноценные бел­ки

Полноценные бел­ки содержатся в продуктах животного происхождения (в мясе, яйцах, рыбе, икре, молоке и молочных продуктах). Для нормального роста и развития организма в суточном рационе детей и подростков не­обходимо наличие достаточного количества полноценных белков.

Неполноценные белки

Неполноценные белки содержатся в продуктах растительного про­исхождения (в хлебе, картошке, кукурузе, горохе, маше, фасоле, рисе и др.).

см. Липидный обмен

Жиры, так же как и белки, в организме чело­века имеют пластическое и энергетическое значение. 1 г жира, окисляясь в организме в присутствии кислорода, выделяет 9,3 ккал энергии. Различают два вида жиров: животные и растительные.

Обмен углеводов

см. Углеводный обмен

Для организма человека углеводы имеют в основном энергетическое значение. В частности, при выполнении физической работы углеводы первыми подвергаются расщеплению и снабжают клетки, ткани и в особенности мышцы необходимой энергией для их деятельности. При окислении 1 г углеводов в при­сутствии кислорода выделяется 4,1 ккал энергии. Углеводы содер­жатся в большом количестве в продуктах растительного происхож­дения (в хлебе, картошке, фруктах, бахчевых) и сладостях.

Количество воды в организме

Вода входит в состав всех клеток и тканей организма человека. В зависимости от физиологи­ческих свойств каждой ткани вода в ней содержится в различном количестве. 50 — 60% организма взрослого человека составляет вода, в организме молодых людей содержание воды больше. Суточная потребность организма взрослых людей в воде составляет 2-3 л.

Влияние воды на организм

Вода играет важную роль в обмене веществ. Если человек совер­шенно не будет питаться, но будет употреблять воду в нормальном количестве, то он может прожить 40-45 дней (до уменьшения массы его тела на 40%). Но если, наоборот, питание будет нормальным, а вода не будет употребляться, то человек может погибнуть в течение одной недели (до уменьшения массы на 20-22%).

Вода поступает в организм в составе пищи и в виде напитков. Она, всасываясь из желудка и кишечника в кровь, участвует в про­цессах обмена веществ в клетках и тканях, основная ее часть выво­дится наружу путем дыхания, потоотделения и с мочой.

В жаркий летний период происходят большие по­тери воды организмом при потоотделении и дыхании. Поэтому воз­растает потребность организма в воде. При жажде и ощущении сухости во рту, не прибегая к обиль­ному употреблению воды, следует часто прополаскивать рот, под­кисленная вода (вода с лимоном, минеральная вода) лучше утоляет жажду и при этом сердце не испытывает дополнительной нагрузки.

Обмен минеральных солей

см. Водно-солевой обмен#Обмен минеральных солей

Минеральные соли входят в состав всех клеток и тканей орга­низма человека. Различают макро- и микроэлементы.

Макроэлементы

К макроэле­ментам относятся натрий, хлор, кальций, фосфор, калий, железо. Они содержатся в большом количестве в крови, клетках, в особен­ности в костях.

Микроэлементы

К микроэлементам относятся марганец, кобальт, медь, алюминий, фтор, йод, цинк. Они содержатся в крови, клет­ках и костях, но в меньшем количестве. Минеральные соли играют важную роль в обмене веществ, в особенности в процессах возбуж­дения клеток.

Тканевое дыхание

Тканевое дыхание – это последний этап распада органических веществ в клетках тела, в котором участвует кислород и образуется углекислота.

Чтобы объяснить, почему при тканевом дыхании окисляются вещества, обычно стойкие по отношению к молекулярному кислороду, была выдви­нута мысль об активизации кислорода. Предполагают, что кислород обра­зует перекись, от которой отщепляется активный кислород. Происходит и активизация водорода, который переходит от одного вещества к другому, в результате чего одно из веществ оказывается богаче кислородом т. е. окисляется, тогда как другое становится беднее им, т. е восстанавливается.

Большое значение в тканевом дыхании имеют клеточные пигменты, которые содержат железо и находятся на поверхности клеток и окисляющихся веществ. Железо является одним из сильнейших катализаторов, как это можно увидеть на примере гемоглобина крови. Кроме того, существуют и другие катализаторы, способствующие переносу кислорода или водорода. Из них известен фермент каталаза и трипептид-глютатион, содержащий серу, которая и связывает водород, отщепляя его от окисляющихся веществ

Обмен энергии

см. Обмен энергии

В результате хими­ческих, механических, термических изменений органических ве­ществ, которые содержатся в пище, происходит превращение их по­тенциальной энергии в тепловую, механическую и электрическую энергию. Ткани и органы выполняют работу, клетки размножают­ся, изношенные их составные части обновляются, молодой орга­низм растет и развивается за счет этой образовавшейся энергии. Постоянство температуры тела человека также обеспечивается за счет этой энергии.

Терморегуляция

см. Терморегуляция

Интенсивность обмена веществ

В разных органах тела обмен веществ протекает с разной ин­тенсивностью. Об этом можно отчасти судить по количеству проте­кающей через них крови, так как с кровью к ним доставляются пи­тательные вещества и кислород.

Регуляция обмена веществ

Нервная регуляция

У высших животных процессы обмена веществ регулируются нервной системой, которая влияет на течение всех химических процессов. Все изменения в ходе обмена веществ воспринимаются нервной системой, которая рефлекторным путем стимулирует об­разование и выделение ферментативных систем, осуществляющих распад и синтез веществ.

Гуморальная регуляция

Процессы обмена веществ зависят и от гуморальной регуляции, что определяется состоянием эндокринных желез. Органы внутренней секреции, особенно гипофиз, надпо­чечники, щитовидные и половые железы — во многом определяют ход обмена веществ. Некоторые из них влияют на интенсивность процесса диссимиляции, иные же на обмен отдельных веществ жиров, минеральных веществ, углеводов и пр.

Роль печени в обмене веществ

см. Пищеварительные железы#Функции печени

Факторы влияющие на обмен веществ

Возраст

Обмен веществ различен также у животных разного возраста. У молодняка преобладают процессы синтеза, нужные для их роста (у них синтез превышает распад в 4-12 раз). У взрослых животных процессы ассимиляции и диссимиляции обычно уравновешены.

Лактация

На обмен влияет и продук­ция, вырабатываемая животным. Так, обмен веществ у лактирующей коровы перестраивается в сторону синтеза специфических ве­ществ молока-казеина, молочного сахара. Материал с сайта http://wiki-med.com

Питание

У разных видов животных обмен веществ различен, особенно если они питаются различной пищей. На характер и степень обменных процессов влияет характер питания. Особое значение имеет количество и состав белков, витаминный, а также минеральный состав пищи. Одностороннее питание какими-либо одними веществами показало, что, питаясь одними белками, животные могут жить даже при мышечной работе. Это связано с тем, что белки являются как строительным материалом, так и источником энергии в организме.

Голодание

При голодании орга­низм использует имеющиеся у него запасы, сначала гликоген печени, а затем жир из жировых депо. Распад же белков в теле умень­шается, и количество азота в выделениях падает. Это обнару­живается уже с первого дня голодания и указывает на то, что умень­шение белкового распада носит рефлекторный характер, так как в течение суток или двух в кишечнике еще находится много пищевых веществ. При дальнейшем голодании азотистый обмен устанавливается на низком уровне. Лишь после того, как запас углеводов и жиров в организме уже исчерпан, начинается усиленный распад белков и выделение азота резко увеличивается. Теперь белки со­ставляют основной источник энергии для организма. Это всегда является предвестником близкой смерти. Дыхательный коэффици­ент в начале голодания равен 0,9 — организм сжигает преимущественно углеводы, затем опускается до 0,7 — используются жиры, к концу голодания он равен 0,8-организм сжигает белки своего тела.

Абсолютное голодание (при приеме воды) может продолжаться человека до 50 дней, у собак — свыше 100 дней, у лошадей — до 30 дней.

Длительность голодания может увеличиваться при предварительной тренировке, так как оказалось, что после коротких пе­риодов голодания организм откладывает запасы в большем, чем обычно, количестве, и это облегчает вторичное голодание.

Вскрытие трупов животных, павших от голодания, показывает, что разные органы уменьшаются в весе в разной степени. Больше всего теряет в весе подкожная клетчатка, затем мышцы, кожа, и пищеварительный канал, еще меньше теряют в весе железы, почки; сердце и мозг теряют не больше 2-3% своего веса.

Физическая нагрузка

Обмен веществ при физической нагрузке сопровождается усилением процесса диссимиляции в связи с большой потребностью организма в энергии.

Даже при полном покое животное затрачивает энергию на работу внут­ренних органов, деятельность которых никогда не прекращается: сердца, дыхательных мышц, почек, желез и др. Мышцы скелета постоянно находятся в состоянии известного напряжения, на поддержание которого также необходим значительный расход энергии. Много энергии затрачивают животные на прием, переже­вывание корма и его переваривание. У лошади на это тратится до 20% энергии принятого корма. Но особенно увеличивается рас­ход энергии при мышечной работе, причем тем больше, чем тяжелее производимая работа. Так, лошадь при движении по ровной дороге со скоростью 5-6 км в час расходует 150 кал тепла на каждый километр пути, а при скорости 10-12 км в час — 225 кал.

Источником энергии при мышечной работе служат в основном углеводы. При тяжелой и длительной работе, когда израсходуется запас углеводов, организм использует жиры и даже белки, превра­щая их предварительно в углеводы.

Окружающая среда

На обмен веществ сильно влияет и окружающая среда — темпера­тура, влажность воздуха, давление, свет. При низкой температуре окружающей среды усиливается отдача тепла, а это вызывает рефлекторно повышение ее продукции и тем самым усиление процессов распада в теле.

• два основных процесса обмена веществ

• процессы в обмене веществ

• обмен веществ выделение

• обмен веществ- это процесс

• в чем заключается процес обмена вещ

• Какое значение имеют белки для организма?

• В каких питательных веществах содержатся полноценные и не­полноценные белки?

• Расскажите об особенностях обмена жиров.

• Как происходит обмен углеводов в организме?

Катаболизм — Википедия

Катаболи́зм (от греч. καταβολή, «сбрасывание, разрушение»), также энергетический обмен, или диссимиляция — процесс метаболического распада (деградации) сложных веществ на более простые или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с освобождением энергии в виде тепла и в виде молекулы АТФ, универсального источника энергии всех биохимических процессов.^[1] Катаболические реакции лежат в основе диссимиляции: утраты сложными веществами своей специфичности для данного организма в результате распада до простых.

Примерами катаболизма являются:

Интенсивность катаболических процессов и преобладание тех или иных катаболических процессов в качестве источников энергии в клетках регулируется гормонами. Например:

C6h22O6+6O2⟶6CO2+6h3O+Q{\displaystyle {\ce {{C6h22O6}+ 6 {O2}-> 6 {CO2}+ 6 {h3O}+ {Q}}}}

(точнее, увеличивая её анаболизм, индуцируя накопление глюкозы в виде гликогена в печени и мышечной ткани, уменьшая тем самым концентрацию глюкозы в крови и лимфе, опосредуя гипогликемию),

• инсулин, напротив, ускоряет катаболизм глюкозы и тормозит катаболизм белков.

Катаболизм является противоположностью анаболизма — процессу синтеза или ресинтеза новых, более сложных, соединений из более простых, протекающему с расходованием, затратой энергии АТФ. Соотношение катаболических и анаболических процессов в клетке регулируется гормонами. Например, адреналин или глюкокортикоиды сдвигают баланс обмена веществ в клетке в сторону преобладания катаболизма, а инсулин, соматотропин, тестостерон — в сторону преобладания анаболизма.

Пластический и энергетический обмены[править | править код]

Питательные вещества — это любое вещество, пригодное для еды и питья живым организмам для пополнения запасов энергии и необходимых ингредиентов для нормального течения химических реакций обмена веществ: белков, жиров, углеводов, витаминов, минералов и микроэлементов.

Метаболизм — это совокупность всех химических реакций, происходящих в организме. Значение метаболизма состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечении его энергией. Выделяют две составные части метаболизма — катаболизм и анаболизм.

Катаболизм (энергетический обмен) — процесс метаболического распада, разложения на более простые вещества (дифференциация) или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с высвобождением энергии в виде тепла и в виде АТФ.

Анаболизм (пластический обмен) — совокупность химических процессов, составляющих одну из сторон обмена веществ в организме, направленных на образование клеток и тканей. За счет анаболизма происходит рост, развитие и деление каждой клетки.

Обмен веществ между организмом и окружающей средой — необходимое условие существования живых существ, это один из основных признаков живого. Из внешней среды организм получает кислород, органические вещества, минеральные соли, воду. Во внешнюю среду отдаёт конечные продукты распада: углекислый газ, излишки воды, минеральных солей, мочевину, соли мочевой кислоты и некоторые другие вещества.

У человека в течение жизни почти все клетки организма сменяются несколько раз. Кровь за год полностью обновляется 3 раза, за сутки меняется 450 млрд эритроцитов, до 30 млрд лейкоцитов, 1/75 всех костных клеток скелета, до 50 % эпителиальных клеток желудка и кишечника.

Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается ею в виде высокоэнергетических соединений, как правило, в виде АТФ. АТФ — нуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэргическими связями.

В этих связях запасена энергия, которая высвобождается при их разрыве:

• АТФ+Н₂О -> АДФ+Н₃РО₄+Q1,
• АДФ+Н₂О->АМФ+Н₃РО₄+Q2,
• АМФ+Н₂О->аденин+рибоза+Н₃РО₄+Q3,

где АТФ-аденозинтрифосфорная кислота; АДФ-аденозиндифосфорная кислота; АМФ-аденонмонофосфорная кислота; Q1 = Q2 = 30,6 кДж.

Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования. Фосфорилирование — присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ (АДФ+Ф->АТФ). В результате превращений эти вещества попадают в клетки. Здесь они расщепляются (глюкоза - до воды и углекислого газа). Высвобожденная энергия используется клетками для поддержания своей жизнедеятельности. Этот процесс называется энергетическим обменом. Пластический и энергетический обмены происходят одновременно и неразрывно связаны друг с другом, но не всегда являются уравновешенными. Чаще всего это связано с возрастом человека.

I этап, подготовительный[править | править код]

Сложные органические соединения распадаются на простые под действием пищеварительных ферментов, при этом выделяется только тепловая энергия.

• Белки → аминокислоты
• Жиры → глицерин и жирные кислоты
• Крахмал → глюкоза

II этап, гликолиз (бескислородный)[править | править код]

Осуществляется в цитоплазме, с мембранами не связан. В нём участвуют ферменты; расщеплению подвергается глюкоза и происходит образование двух молекул пировиноградной кислоты CH₃COCOOH. 60 % энергии рассеивается в виде тепла, а 40 % — используется для синтеза 2 молекул АТФ. Кислород не участвует.

C6h22O6⟶2Ch4COCOOH+2АТФ{\displaystyle {\ce {{C6h22O6}-> 2{Ch4COCOOH}+ 2 {АТФ}}}}

III этап, клеточное дыхание (кислородный)[править | править код]

Осуществляется в митохондриях, связан с матриксом митохондрий и внутренней мембраной. В нём участвуют ферменты, кислород. Расщеплению подвергается молочная кислота. СО₂ выделяется из митохондрий в окружающую среду. Атом водорода включается в цепь реакций, конечный результат которых — синтез АТФ.

• Биологический энциклопедический словарь / глав. ред. М. С. Гиляров. — М.: Советская энциклопедия, 1986. — С. 250.

Параграф 36. Обмен веществ и энергии — основное свойство

• ГДЗ
• 1 Класс
  • Окружающий мир
• 2 Класс
  • Литература
  • Окружающий мир
• 3 Класс
  • Окружающий мир
• 4 Класс
  • Окружающий мир
• 5 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
  • Человек и мир
  • Технология
  • Естествознание
• 6 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
  • Технология
• 7 Класс
  • Биология
  • История
  • ОБЖ
  • География
  • Литература
  • Обществознание
• 8 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
• 9 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
• 10 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Обществознание
• 11 Класс
  • Английский язык
  • Немецкий язык

Обмен веществ. Подготовительная, клеточная и заключительная стадии

• ГДЗ
• 1 Класс
  • Окружающий мир
• 2 Класс
  • Литература
  • Окружающий мир
• 3 Класс
  • Окружающий мир
• 4 Класс
  • Окружающий мир
• 5 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
  • Человек и мир
  • Технология
  • Естествознание
• 6 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
  • Технология
• 7 Класс
  • Биология
  • История
  • ОБЖ
  • География
  • Литература
  • Обществознание
• 8 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
• 9 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
• 10 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Обществознание
• 11 Класс
  • Английский язык
  • Немецкий язык

1. Гомеостаз. Метаболизм. Ассимиляция (анаболизм, пластический обмен)

Для нормальной жизнедеятельности клетки и всего многоклеточного организма необходимо постоянство внутренней среды, получившее название гомеостаза.

Гомеостаз — постоянство внутренней среды биологических систем.

Гомеостаз поддерживается реакциями обмена веществ, которые подразделяются на ассимиляцию (анаболизм) и диссимиляцию (катаболизм). Все реакции, протекающие в клетке, направлены на поддержание гомеостаза, для этого необходимы вещества и энергия.

Вся совокупность реакций биосинтеза веществ и их последующей сборки в более крупные структуры, идущих с затратой энергии, называется ассимиляцией, анаболизмом или пластическим обменом.

К пластическому обмену относятся фотосинтез, биосинтез белков, нуклеиновых кислот, жиров и углеводов. Особенно интенсивно процессы ассимиляции происходят в растущих клетках развивающегося организма.

 

Для осуществления пластического обмена необходима энергия. Клетка получает её из реакций распада запасённых или полученных извне органических соединений. При участии ферментов эти вещества разлагаются на более простые соединения; при этом высвобождается энергия, часть которой выделяется в виде тепла, а часть запасается в виде молекул АТФ. В случае необходимости энергия АТФ используется для компенсации энергетических затрат клетки, например для обеспечения процессов ассимиляции.

Совокупность реакций распада веществ, сопровождающихся запасанием энергии, называется диссимиляцией, катаболизмом или энергетическим обменом.

Ассимиляция и диссимиляция — противоположные процессы: в первом случае происходит образование веществ, на что тратится энергия, а во втором — распад веществ с образованием и запасанием энергии.

Ассимиляция и диссимиляция —  две стороны единого процесса обмена веществ и энергии в клетке, который называется метаболизм.

Обмен веществ (метаболизм) — это совокупность взаимосвязанных процессов синтеза и расщепления химических веществ, происходящих в организме.

Ассимиляция и диссимиляция всегда строго сбалансированы и скоординированы, а нарушение этого баланса приводит к развитию какого-либо заболевания как отдельных клеток, так и целого организма, или даже к их гибели.

Источники:

Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. 9 класс // ДРОФА.
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.

Лернер Г. И. Биология: Полный справочник для подготовки к ЕГЭ: АСТ, Астрель.

Обмен веществ и превращение энергии. Энергетический обмен

• ГДЗ
• 1 Класс
  • Окружающий мир
• 2 Класс
  • Литература
  • Окружающий мир
• 3 Класс
  • Окружающий мир
• 4 Класс
  • Окружающий мир
• 5 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
  • Человек и мир
  • Технология
  • Естествознание
• 6 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
  • Технология
• 7 Класс
  • Биология
  • История
  • ОБЖ
  • География
  • Литература
  • Обществознание
• 8 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
• 9 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
• 10 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Обществознание
• 11 Класс
  • Английский язык
  • Немецкий язык

Пластический обмен ℹ️ характеристика процессов биосинтеза веществ в клетке, этапы и стадии, виды, значение для организма, примеры

Синтез белка

К процессам пластического обмена относят реакции образования белков, углеводов и липидов.

Образование протеинов происходит в цитоплазме клеток. Белковая молекула — сложное полимерное образование. Её составной частью или мономером являются аминокислоты. Всего описано 20 основных аминокислот. Из них состоят белки большинства живых организмов. В отдельных случаях в процессе задействованы модифицированные аминокислоты:

• десмозин;
• гамма-карбоксиглутаминовая кислота;
• селеноцистеин.

Синтез белков основан на принципе матрицы. В организме существуют особые матричные молекулы. Они несут в себе информацию о последовательности аминокислот в протеиновой цепочке. Наиболее часто такой матрицей служит молекула рибонуклеиновой кислоты — матричная или информационная РНК. С её помощью происходит определение структуры вещества.

Этапы пластического обмена белков:

1. Трансляция — формирование полипептидной цепочки.
2. Фолдинг — цепочка занимает определённое положение и структуру в трёхмерном пространстве.
3. Химическое преобразование молекулы.
4. Доставка готового полипептида к месту назначения — органу или клетке.

В процессе трансляции последовательность аминокислот в белковой цепочке выстраивается в соответствии с кодом информационной РНК. В этом участвуют рибосомы — особые клеточные структуры, состоящие из 2 частей. В каждой части рибосомы содержится белковая часть и рибонуклеотидная.

Аминокислоты доставляются к рибосомам с помощью транспортной РНК (сокращённо тРНК). На одном из участков этой молекулы имеется так называемый антикодон. Подходя к иРНК, он связывается с её участком — кодоном по принципу комплементарности. Молекула тРНК попадает в большую единицу рибосомы, и доставленная аминокислота присоединяется к строящейся белковой цепочке.

Синтез протеинов требует большого количества энергии. Она используется на следующие цели:

1. Для активирования трансляции.
2. На активацию каждой аминокислоты, участвующей в процессе.
3. Для связывания комплекса тРНК + аминокислота с рибосомой.
4. Для перемещения рибосомы после присоединения новой аминокислоты к пептидной цепи.
5. Для завершения процесса трансляции.

Такой значительный расход энергии нужен, чтобы обеспечить точность формирования белковой молекулы и необратимость процесса.

Анаболизм углеводов

Синтез углеводов состоит из нескольких этапов. Вначале из неуглеводных соединений формируются молекулы глюкозы (глюконеогенез). Затем из глюкозы синтезируется гликоген (процесс называется гликонеогенез).

Функции синтеза глюкозы в организме человека выполняют:

• печень;
• почки;
• кишечный эпителий.

Основная совокупность химических реакций происходит в цитозоле. Часть подготовительных процессов протекает в эндоплазматической цепи клетки и митохондриях.

Исходным веществом для синтеза может служить пируват. Процесс характеризуется расходом большого количества энергии.

Процесс гликонеогенеза протекает в клетках печени и мышечной ткани. Основная часть реакций проходит в цитозоле. Синтез состоит из нескольких стадий:

• Молекула глюкозы подвергается фосфорилированию с использованием энергии от 1 молекулы АТФ. В результат получается глюкозо-6-фосфат.
• Фосфатная группа в новой молекуле направится с шестого атома углерода на первый. Образуется глюкозо-1-фосфат.
• Полученное соединение переносится на УТФ — получается молекула УДФ-глюкозы.
• УДФ-глюкоза полимеризуется и получается гликоген. В процессе участвует фермент гликогенсинтаза. При этом молекула УДФ отделяется от моносахаридной части.

Производство нуклеотидов и жирных кислот

Нуклеотиды образуются во всех живых клетках организма в цитоплазме. Процесс этот сложный и многоступенчатый. И сходными компонентами являются ионы и нециклические молекулы. В процессе синтеза получаются гетероциклические азотистые основания.

Жирные кислоты синтезируются в цитоплазме адипоцитов — клеток жировой ткани. Процесс состоит из большого количества химических реакций. Практически все они протекают с помощью единого катализатора. Этот комплекс состоит из большого количества ферментов. Синтез липидов — циклическое явление. В результате каждого цикла к молекуле кислоты присоединяются 2 новых атома углерода.

Процесс фотосинтеза

Этот биохимический процесс присущ растительному царству. Без него жизнь на планете оказалась бы невозможной. Больше половины живых организмов, существующих на Земле, нуждаются в кислороде для нормальной жизнедеятельности. Они используют его для дыхания, а взамен выделяют в окружающую среду углекислый газ.

Атмосферный кислород поступает из зелёных листьев растений. В них содержатся особые включения — хлоропласты. Снаружи каждый хлоропласт покрыт двойной мембраной. Внутри в цитоплазме содержатся гранулы (тилакоиды) с собственными защитными покрытиями. В тилакоидах и содержится хлорофилл, обеспечивающий процесс фотосинтеза. Именно он придаёт листьям и траве зелёную окраску.

В ходе реакции фотосинтеза осуществляется объединение 6 молекул углекислого газа с молекулами воды. В результате образуется молекула глюкозы. В качестве побочного продукта выделяется кислород. Этот процесс возможен только в присуствии солнечного света.

Особенности хемосинтеза

Этот тип питания, вероятно, наиболее древний и возник раньше фотосинтеза. Схема химических реакций существенно отличается от фотосинтеза. Энергия для химических процессов берётся не от солнечного света, а от окисления неорганических веществ. Некоторые виды бактерий получают запасы энергии при окислении аммиака. Это соединение образуется при гниении органических остатков.

Этот вид аутотрофного питания характерен только для некоторых представителей ряда прокариот. Многие доядерные организмы живут в условиях, где нет кислорода — на большой глубине в морях и океанах и пр.

Как и фотосинтез, хемосинтез относится к типам аутотрофного питания. То есть органические вещества, необходимые для жизни, образуются из неорганических исходных компонентов. Энергия в обоих случаях накапливается в виде молекул АТФ (аденозинтрифосфата).

Основные характеристики хемосинтеза:

• Получение энергии не от солнечных лучей, а от химических реакций окисления.
• Использование этого типа питания только некоторыми доядерными бактериями.
• Отсутствие хлорофилла в клетках.
• Использование в качестве исходного материала не только углекислоты, но и окиси углерода, метанола, уксусной и муравьиной кислоты и пр.
• Получение энергии в результате окисления неорганических молекул — серы, железа, водорода, марганца, азотистых соединений.

Все организмы, использующие хемосинтез, делят на несколько классов по субстрату для получения энергии. Примеры представлены в таблице.

Класс микроорганизмов	Субстрат
серобактерии	сернистый водород
железобактерии	соли железа
нитрифицирующие	аммиак
метанобразующие	органические остатки

В природе хемотрофы поддерживают почвы в плодородном состоянии, насыщая их полезными веществами, необходимыми для роста и развития растений.

Взаимосвязь пластического и энергетического обмена

Пластические процессы в живой клетке тесно связаны с энергетическим обменом. В процессе анаболизма образуются не только «строительные» компоненты — жиры, белки, простые и сложные углеводы. Создаются также сложные молекулы ферментов, участвующих в энергетических процессах.

Конечным продуктом, в котором накапливается энергия в живых клетках, является АТФ. Образуются молекулы в результате окисления органических веществ.

Пластический обмен — это в биологии процесс, обратный энергетическому. Все вещества при этом распадаются и образуется молекула АТФ. Энергия, полученная в результате распавшихся химических связей, используется для сборки и удержания связей аденозинтрифосфата. В ходе пластического обмена происходит обратный процесс — молекула АТФ распадается, освобождённая при расщеплении энергия используется для химических реакций.

---

Смотрите также

• 
  Лечение спины народными средствами
• 
  Лечение перелом шейки бедра в пожилом возрасте
• 
  Радикулит поясничный лечение медикаментами
• 
  Хлоргексидин это перекись
• 
  Строение паха у мужчин
• 
  Фурацилин от молочницы
• 
  Болит в паху с левой стороны у женщин
• 
  Как определить мастопатию
• 
  Причины сердечного приступа
• 
  Как вылечить трещины
• 
  Ингаляции детям с физраствором