Биологический словарь / Обмен веществ

главная

зоология

ботаника

физиология

скачать

вопрос-ответ

FAQ

ссылки

контакты

поддержка


ОБМЕН ВЕЩЕСТВ


ОБМЕН ВЕЩЕСТВ, метаболизм, совокупность протекающих в живых организмах химических превращений, обеспечивающих их рост, жизнедеятельность, воспроизведение, постоянный контакт и обмен с окружающей средой. Благодаря обмену веществ происходит расщепление и синтез молекул, входящих 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 ч. 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, генетически закреплённый тип обмена веществ, обусловленный условиями его существования.

Обмен веществ складывается из двух взаимосвязанных, одновременно протекающих в организме процессов — ассимиляции и диссимиляции, или анаболизма и 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 аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и других богатых энергией соединений. 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 молекул до СО2 и Н2О. Разнообразные органические соединения в ходе катаболических процессов превращаются в ограниченное число небольших молекул (помимо СО2 и Н2О): углеводы — в триозофосфаты и (или) пируват, жиры — в ацетил-КоА, пропионил-КоА и глицерин, белки — в ацетил-КоА, оксалоацетат, а-кетоглютарат, фумарат, сукцинат и конечные продукты азотистого обмена — мочевину, аммиак, мочевую кислоту и др.

В ходе анаболических превращений происходит биосинтез сложных молекул и простых молекул-предшественников. Автотрофные организмы (зелёные растения и некоторые бактерии) могут осуществлять первичный синтез органических соединений из СО2 с использованием энергии солнечного света (фотосинтез) или энергии окисления неорганических веществ.

Гетеротрофы синтезируют органические соединения только за счёт энергии и продуктов, образующихся в результате катаболических превращений. Исходным сырьём для процессов биосинтеза в этом случае служит небольшое число соединений, в том числе ацетил-КоА, сукцинил-КоА, рибоза, пировиноградная кислота, глицерин, глицин, аспарагиновая, глутаминовая и другие аминокислоты. Каждая клетка синтезирует характерные для неё белки, жиры, углеводы и др. соединения. Например, гликоген мышц синтезируется в мышечных клетках, а не доставляется кровью из печени. Как правило, синтез включает восстановительные этапы и сопровождается потреблением энергии.

Катаболизм и анаболизм протекают в клетках одновременно и заключительная стадия катаболического превращений является исходной стадией анаболизма. Однако катаболические и анаболические пути обмена веществ не совпадают между собой. Например, в расщеплении гликогена до молочной кислоты участвует 12 ферментов, каждый из которых катализирует отдельный этап этого процесса. Синтез же гликогена из молочной кислоты включает только 9 ферментативных этапов, представляющих собой обращение соответствующих этапов катаболизма, а 3 недостающих заменяются иными ферментативными реакциями, которые используются только для биосинтеза. Не совпадают катаболические и анаболические пути обмена между белками и аминокислотами или между жирными кислотами и ацетил-КоА. Более того, различные обменные реакции приурочены к определённым участкам клетки. Вся ферментативная система гликолиза локализуется в растворимой фракции цитоплазмы. В митохондриях сосредоточены процессы, связанные с биологическим окислением и окислительным фосфорилированием, в лизосомах — гидролитические ферменты, процессы биосинтеза белка осуществляются в рибосомах, а биосинтеза липидов — в эндоплазматической сети и т. д. В различных частях клетки локализуются и химически несовместимые реакции. Например, окисление жирных кислот катализируется набором ферментов, локализованных в митохондриях, тогда как синтез жирных кислот из ацетил-КоА — с помощью другого набора ферментов, локализованных в цитоплазме.

Хотя и катаболические и анаболические пути осуществляются специфическими наборами ферментов, их постоянно связывают и общие стадии обмена веществ (см. схему). Наиболее важным общим промежуточным продуктом обмена веществ, участвующим во всех процессах, является ацетил-Ко А. Большое значение имеет цикл превращений (цикл трикарооновых кислот), в ходе которого ацетил-Ко А через ряд промежуточных продуктов окисляется полностью до СО2 и Н2О. В то же время с ацетил-Ко А начинается синтез жирных кислот, холестерина, ряда азотсодержащих соединений и т. д.

Схема стадий обмена веществ

Схема стадий обмена веществ

В процессе эволюции организмы выработали тонкие регуляторные системы, обеспечивающие высокую степень упорядоченности и согласованности реакций и позволяющие приспособиться к изменениям условий окружающей среды. Для всех организмов существуют в основном одинаковые системы регуляции, действующие на уровне клеточного обмена веществ. В этом случае интенсивность и направленность биохимических реакций может регулироваться воздействием либо на активность фермента путём его ингибирования или активирования, либо на его синтез или деградацию. Большую роль в регуляции играет строгая упорядоченность расположения ферментов в клеточных структурах, а также избирательная проницаемость биологических мембран.

Высокоразвитые организмы обладают дополнительными регуляторными механизмами — нервными и гормональными. Атрофия тканей после денервации указывает на важное значение нервных импульсов для клеточного обмена веществ. 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.


А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я