Что же такое метаболизм?

Никогда не задумывались над тем, почему одни люди едят все подряд (не забывая про булочки и кондитерские изделия), при этом, они выглядят так, будто не ели несколько дней, а другие, наоборот, постоянно считают калории, сидят на диетах, посещают фитнесс залы и все равно никак не могут справиться с лишними килограммами. Так в чем же секрет? Оказывается, все дело в метаболизме!

Так что же такое метаболизм? И почему люди, у которых скорость метаболических реакций высокая, никогда не страдают ожирением или избыточным весом? Говоря о метаболизме, важно отметить следующее, что это обмен веществ происходящие в организме и все химические изменения, начинающиеся с момента попадания питательных веществ в организм, до момента выведения их из организма во внешнюю среду. Метаболический процесс – это все протекающие реакции в организме, благодаря которым происходит построение элементов структурны тканей, клеток, а также все те процессы, благодаря которым организм получает так необходимую ему для нормального поддержания энергию.

Метаболизм значение играет огромное в нашей жизни, так как, благодаря всем этим реакциям и химическим изменениям, из продуктов питания мы получаем все самое необходимое: жиры, углеводы, белки, а также витамины, минералы, аминокислоты, полезную клетчатку, органические кислоты и т.д.

По своим свойствам метаболизм можно разделить на две основные части – анаболизм и катаболизм, то есть на процессы, способствующие созиданию всех необходимых органических веществ и к разрушающим процессам. Именно, анаболические процессы способствуют «превращению» простых молекул в более сложные. И все эти данные процессы связаны с энергетической затратой. Катаболические процессы, наоборот, высвобождают организм от конечных продуктов распада, таких как диоксид углерода, мочевина, вода и аммиак, что приводит к высвобождению от энергии, то есть можно грубо сказать, происходит метаболизм мочи.

Что такое клеточный метаболизм?

Что представляет собою клеточный метаболизм или метаболизм живой клетки? Общеизвестно, что каждая живая клетка нашего организма, это хорошо слаженная и организованная система. В клетке содержатся различные структуры, крупные макромолекулы, которые помогают ей распасться благодаря гидролизу, (то есть расщеплению клетки под воздействием воды) на мельчайшие компоненты.

Кроме этого, в клетках содержится большое количество калия и совсем немного натрия, несмотря на то, что в клеточной среде содержится очень много натрия, а калия, наоборот, значительно меньше. К тому же, мембрана клеточная устроена таким образом, что помогает проникновению как натрия, так и калия. К сожалению, различные структуры и ферменты способны разрушить эту налаженную структуру.

И сама по себе клетка далека от соотношения калия и натрия. Такая «гармония» достигается только после смерти человека в процессе смертного автолиза, то есть переваривания или разложения организма под воздействием собственных ферментов.

Для чего энергия клеткам?

В первую очередь, энергия клеткам просто необходима для того, чтобы поддержать работу системы, которая далека от равновесия. Поэтому, чтобы клетка находилась в нормальном для нее состоянии, (пусть даже далеком от равновесия) она, непременно, должна получать необходимую для нее энергию. И это правило является непременным условием, для нормального клеточного функционирования. Вместе с этим происходит и другая работа, направленная на взаимодействие со средою.

К примеру, если наблюдается сокращение в мышечных клетках, или в клетках почек и даже начала образовываться моча, или появились нервные импульсы в нервных клетках, а в клетках, отвечающих за желудочно-кишечный тракт, началось выделение ферментов пищеварительных, или началась секреция гормонов в клетках желез эндокринных? Или, к примеру, у клеток светляков началось свечения, а в клетках рыб, например, появились разряды электричества? Чтобы всего этого не было, для этого и нужна энергия.

Каковы источники энергии

В вышеприведенных примерах мы видем. Что клетка использует для своей работы энергию, полученную благодаря структуре аденозинтрифосфата или (АТФ). Благодаря ей клетка насыщена энергией, высвобождение которой может поступать между группами фосфатными и послужить дальнейшей работе. Но, в то же время, при простом гидролитическом разрыве связей фосфатных (АТФ), полученная энергия не станет доступной клетке, в этом случае, энергия будет расходована впустую в качестве тепла.

Данный процесс состоит из двух последующих друг за другом этапов. В каждом таком этапе участвует продукт промежуточный, который обозначили ХФ. В приведенных ниже уравнениях X и Y обозначают два абсолютно разных веществ органических, буква Ф означает фосфат, а аббревиатура АДФ – аденозиндифосфат.

Нормализация обмена веществ – этот термин сегодня прочно вошел в нашу жизнь, к тому же стал показателем нормального веса, так как нарушения обменных процессов в организме или метаболизма, очень часто связывают с увеличением массы тела, избыточным весом, ожирением или его недостаточность. Выявить скорость метаболических процессов в организме можно благодаря тесту на основой обмен.

Что такое основной обмен?! Это такой показатель интенсивности выработки организмом энергии. Данный тест проводится утром на голодный желудок, во время пассивности, то есть в состоянии покоя. Квалифицированный специалист измеряет (О2) поглощение кислорода, а также выделение организмом (СО2). При сопоставлении данных, выясняют насколько процентов организм сжигает поступающие питательные вещества.

Также на активность метаболических процессов влияние оказывает гормональная система, щитовидная и эндокринные железы, поэтому медики при выявлении лечении заболеваний связанных с обменом веществ, также стараются выявить и учесть уровень работы данных гормонов в крови и имеющиеся в наличии заболевания данных систем.

Основные методы исследования метаболических процессов

Изучая процессы метаболизма одного (любого) из питательных веществ наблюдаются все его изменения (происходившие с ним) от одной формы поступившей в организм, до конечного состояния, при котором, оно выводится из организма.

Методы исследования обмена веществ сегодня крайне разнообразны. К тому же, для этого используют целый ряд биохимических методов. Одним из методов исследования метаболизма является метод использования животных или органов.

Испытуемому животному вводят специальное вещество, а затем по его моче и экскрементах выявляют возможные продукты изменений (метаболиты) данного вещества. Наиболее точную информацию можно собрать, исследуя метаболические процессы определенного органа, к примеру, мозга, печени или сердца. Для этого данное вещество вводят в кровь, после чего, метаболиты помогают выявить его в крови, исходящей от данного органа.

Данная процедура очень сложна и сопряжена с риском, так как часто при таких методах исследованиях используют метод тоненьких отщипов или делают срезы данных органов. Такие срезы помещают в специальные инкубаторы, где их содержат при температуре (сходной к температуре тела) в специальных растворимых веществах с добавлением того вещества, чей метаболизм и изучается.

При таком методе исследования не повреждаются клетки, благодаря тому, что срезы настолько тонки, что вещество легко и свободно проникает в клетки, а затем, покидает их. Бывает, что и возникают затруднения, вызванные медленным прохождением специального вещества сквозь мембраны клеточные.

В этом случае, чтобы разрушить мембраны обычно измельчают ткани , для того, чтобы специальное вещество инкубировало клеточную кашицу. Такие опыты доказали, что все живые клетки организма способны окислить глюкозу до углекислого газа и воды, и только тканевые клетки печени могут мочевину синтезировать.

Используем клетки?!

По своей структуре клетки представляют очень сложную организованную систему. Общеизвестно, что клетка состоит из ядра, цитоплазмы, а в окружающей цитоплазме находятся мелкие тельца, которые называются органеллы. Они бывают различными по размерам и консистенциям.

Благодаря специальным методикам, можно будет гомогенизовать ткани клеток, а после, подвергнуть специальному разделению (центрифугированию дифференциальному), таким образом, получить препараты, которые будут содержать одни лишь митохондрии, одни лишь микросомы, а также плазму или прозрачную жидкость. Данные препараты инкубируются по отдельности с тем соединением, чей метаболизм находится в стадии изучения, чтобы точно установить какие именно участвуют субклеточные структуры в последовательных изменениях.

Были известны случаи, когда первоначальная реакция начиналась в цитоплазме, а ее продукт подвергался изменениям в микросомах, а после этого, наблюдались изменения с другими уже реакциями с митохондриями. Изучаемого вещества инкубация с гомогенатом ткани или живыми клетками чаще всего не выявляет какие-то отдельные этапы, касающиеся метаболизма. Понять всю цепочку происходящих данных событий помогают следующие один за другим эксперименты, в которых используются для инкубации те или иные структуры субклеточные.

Как использовать радиоактивные изотопы

Чтобы изучить те или иные метаболические процессы какого-то вещества необходимо:

• использовать аналитические методы для определения вещества данного и его метаболитов;
• необходимо использовать такие методы, которые помогут отличить введенное вещество от того же вещества, но уже присутствующего в данном препарате.

Соблюдение данных требований было главным препятствием во время изучения метаболических процессов в организме, до того времени пока не были открыты радиоактивные изотопы, а также 14С – радиоактивный углевод. И после появления 14С и приборов, позволяющих измерить даже слабую радиоактивность, всем вышеперечисленным трудностям пришел конец. После чего, дела с измерением метаболических процессов пошли, как говорится, в гору.

Теперь, когда к специальному биологическому препарату (например, суспензии митохондрий) добавляют меченную жирную кислоту 14С, то, после этого, не нужно делать никаких специальных анализов для определения продуктов, влияющих на ее превращение. А чтобы выяснить скорость использования, теперь стало возможно просто измерить радиоактивность получаемых последовательно фракций митохондриальных.

Данная методика, помогает не только понять, как нормализовать метаболизм, но и благодаря ей можно легко отличить молекулы введенной радиоактивной жирной кислоты экспериментально, от присутствующих уже в митохондриях молекул жирной кислоты в самом начале эксперимента.

Электрофорез и... хроматография

Для того чтобы разобраться в том, что и как нормализует метаболизм, то есть как происходит нормализация метаболизма необходимы также использовать такие методы, которые помогут разделить смеси, в состав которых входят в малых количествах вещества органические. Одним из важнейших таких методов, основой которого является феномен адсорбции, считается метод хроматографии. Благодаря данному методу происходит разделение смеси компонентов.

При этом происходит разделение компонентов смеси, которое проводится либо путем адсорбции на сорбенте, либо, благодаря бумаге. При разделении путем адсорбции на сорбенте, то есть когда начинают заполнять такие специальные стеклянные трубки (колонки), с постепенной и последующей элюцией, то есть с последующим вымыванием каждого из имеющихся компонентов.

Метод разделения электрофореза напрямую зависит от наличия знаков, а также числа ионизированных зарядов молекул. Также электрофорез проводят на каком-нибудь из неактивных носителей, таких как целлюлоза, каучук, крахмал или, в конце концов, на бумаге.

Одним из самых высокочувствительных и эффективных методов разделения смеси является газовая хроматография. Таким методом разделения пользуются только в том случае, если нужные для разделения вещества находятся в состоянии газообразном или, к примеру, в любой момент могут перейти в это состояние.

Как происходит выделение ферментов?

Чтобы выяснить, как происходит выделение ферментов, для этого необходимо понять, что это является последним местом в данном ряду: животное, затем орган, затем тканевый срез, а после – фракция клеточных органелл и гомогенат занимает ферменты, которые катализирует определенную реакцию химическую. Выделить ферменты в очищенном виде стало важным направлением в изучении метаболических процессов.

Соединение и комбинирование вышеперечисленных методов позволило основные метаболические пути, у большинства организмов населяющих нашу планету, в том числе и у человека. К тому же, данные методы помогли установить ответы на вопрос, как протекают метаболические процессы в организме и также помогли выяснить системность основных этапов данных метаболических путей. Сегодня насчитывается более тысячи всевозможных биохимических реакций, которые уже изучены, а также изучены ферменты, которые участвуют в данных реакциях.

Так как для появления любого проявления в клетках жизни необходимо АТФ, то и неудивительно, что скорость метаболических процессов клеток жировых, в первую очередь, направлена на синтезирование АТФ. Для достижения этого используются различные по сложности последовательные реакции. Такие реакции, в основном, используют химическую потенциальную энергию, которая заключена в молекулах жиров (липидов) и углеводов.

Метаболические процессы между углеводами и липидами

Такой метаболический процесс между углеводами и липидами, по-другому, называются синтезом АТФ, анаэробным (значит, без участия кислорода) метаболизмом.

Основная роль липидов и углеводов состоит в том, что именно синтез АТФ обеспечивает более простые соединения, несмотря на то, что те же самые процессы протекали в примитивнейших клетках. Только в лишенной кислорода атмосфере стало невозможно полное окисление жиров и углеводов до углекислого газа.

Даже у этих примитивнейших клеток использовались те же самые процессы и механизмы, благодаря которым происходила перестройка самой структуры молекулы глюкозы, которая и синтезировала небольшие количества АТФ. По-другому, такие процессы у микроорганизмов называются брожением. На сегодня особенно хорошо изучено «брожение» глюкозы до состояния этилового спирта и углекислого газа у дрожжей.

Чтобы завершились все эти изменения и образовался ряд промежуточных продуктов, необходимо было проведение одиннадцати последовательных реакций, что, в конечном счете, в раде промежуточных продуктов представили (фосфаты), то есть эфиры кислоты фосфорной. Такая фосфатная группа переносилась на аденозиндифосфат (АДФ) и также с образованием АТФ. Всего две молекулы составляли чистый выход АТФ (на каждую из молекул глюкозы, полученную в результате процесса брожения). Подобные процессы также наблюдались во всех живых клетках организма, так как поставляли так необходимую для нормального функционирования энергию. Такие процессы очень часто называют анаэробным дыханием клеток, хотя это не совсем корректно.

Как у млекопитающих, так и у людей, данный процесс называется гликолизом, а его завершающим продуктом считается молочная кислота, а не СО2 (углекислый газ) и не спирт. За исключением двух последних этапов вся последовательность реакций гликолиза считается практически идентичной процессу, который протекает в клетках дрожжевых.

Метаболизм аэробный, значит с использованием кислорода

Очевидно, что с появлением кислорода в атмосфере, благодаря фотосинтезу растений, благодаря матушке-природе появился механизм, который позволял обеспечивать полное окисление глюкозу до воды и СО2. Такой аэробный процесс, позволял чистому выходу АТФ (из числа тридцати восьми молекул, из расчета на каждую молекулу глюкозы, только окисленную).

Такой процесс употребления клетками кислорода, для появления насыщенной энергией соединений сегодня известен как дыхание аэробное, клеточное. Такое дыхание осуществляется ферментами цитоплазмы (в отличие от анаэробного), а окислительные процессы проходят в митохондриях.

Здесь пировиноградная кислота, которая является промежуточным продуктом, после того, как образуется в анаэробной фазе, после окисляется до состояния СО2 благодаря последовательным шести реакциям, где в каждой реакции пара их электронов переносится на акцептор общий кофермент никотинамидадениндинуклеотид, сокращенно (НАД). Такая последовательность реакций и называется циклом кислот трикарбоновых, а также циклом кислоты лимонной или циклом Кребса, что приводит к тому, что каждая молекула глюкозу образует две молекулы кислоты пировиноградной. Во время данной реакции двенадцать пар электроном отходят от молекулы глюкозы для дальнейшего ее окисления.

В ходе источника энергии выступают... липиды

Оказывается, в качестве источника энергии, также как и углеводы, могут выступать жирные кислоты. Реакция окисления жирных кислот происходит благодаря последовательности отщепления от жирной кислоты (вернее ее молекула) двууглеродного фрагмента с появлением ацетилкофермента А, (по-другому, это ацетил-КоА) и передачи одновременных двух пар электронов саму цепь их переноса.

Таким образом, полученный ацетил-КоА такой же компонент цикла трикарбоновых кислот, чья дальнейшая судьба не особо отличается от ацетил-КоА, который поставляется благодаря углеводному обмену. Значит механизмы, синтезирующие АТФ при окислении, как метаболитов глюкозы, так и жирных кислот, практически идентичны.

Если энергия, поступающая в организм, получается практически за счет только одного процесса окисления жирных кислот (например, во время голодания, при таком заболевании как сахарный диатез и т.д.), то, в данном случае, интенсивность появления ацетил-КоА будет превышать интенсивность его окисления в самом цикле кислот трикарбоновых. В данном случае, молекулы ацетил-КоА (которые окажутся лишними) начнут реагировать друг с другом. Благодаря этому процессу появятся ацетоуксусная и b-гидроксимасляная кислоты. Такое накопление может стать причиной кетоза, это один из видов ацидоза, который может стать причиной тяжелой формы диабета и даже летального исхода.

Зачем запасы энергии?!

Чтобы как-то приобрести дополнительный запас энергии, к примеру, для животных, которые нерегулярно и не систематически питаются им просто необходимо как-то запастись необходимой энергией. Такие запасы энергии вырабатываются благодаря пищевым запасам, к которым относятся все те же жиры и углеводы .

Оказывается, жирные кислоты могут перейти в запас в виде жиров нейтральных, которые содержатся как в жировой ткани, так и в печени . А углеводы, при поступлении в огромном количестве в желудочно-кишечный тракт начинают гидролизироваться до глюкозы и других сахаров, которые при попадании в печень синтезируются в глюкозу. И тут же из глюкозы начинает синтезироваться полимер гигантский путем соединения остатков глюкозы, а также с отщеплением молекул воды.

Иногда остаточное количество глюкозы в гликогеновых молекулах доходит до 30000. А если ощущается потребность в энергии, тогда гликоген снова начинает распадаться до глюкозы во время химической реакции, продуктом последней является глюкозофосфат. Данный глюкозофосфат становится на путь процесса гликолиза, который составляет часть пути отвечающей за окисление глюкозы. Также может подвергнуться реакции гидролиза глюкозофосфат и в самой печени, а образовавшаяся таким образом глюкоза, доставляется к клеткам тела вместе с кровью.

Как происходит синтез из углеводов в липиды?

Любите углеводную пищу? Оказывается, если количество углеводов полученных с пищей за один прием, превышает допустимую норму, в таком случае, углеводы переходят в «запас» в виде гликогена, то есть, избыточная углеводная пища превращается в жиры. Сначала образуется ацетил-КоА из глюкозы, а потом он начинается синтезироваться в цитоплазме клетки для жирных длинноцепочечных кислот.

Данный процесс «превращения» можно описать как нормальный окислительный процесс жирных клеток. После чего, жирные кислоты начинают откладываться в виде триглицеридов, то есть нейтральных жиров, которые отлагаются (в основном проблемных зонах), в различных частях тела.

Если организму срочно понадобится энергия, тогда жиры нейтральные подвергшись гидролизу, а также жирные кислоты начинают поступать в кровь. Тут они насыщаются молекулами альбуминов и глобулинов, то есть плазменных белков, а потом начинают поглощаться другими, самыми разными клетками. У животных нет таких механизмом, которые могут осуществить синтез из глюкозы и жирных кислот, а вот у растений они имеются.

Синтез соединений азотосодержащих

В организме животных аминокислоты применяются не только в качестве белкового биосинтеза, но и в качестве начального материала готового для синтеза некоторых азотосодержащих соединений. Такая аминокислота как тирозин становится предшественником таких гормонов как норадреналин и адреналин. А глицерин (простейшая аминокислота) служит исходящим материалом для биосинтеза пуринов, которые входят в состав нуклеиновой кислоты, а также порфиринов и цитохромов.

Предшественником пиримидинов нуклеиновых кислот является аспарагиновая кислота, а группа метионина начинает передаваться в ходе синтеза креатина, саркозина и холина. Предшественником никотиновой кислоты является триптофан, а из валина (который образуется в растениях) может синтезироваться такой витамин как кислота пантотеновая. И это только некоторые примеры использования синтеза соединений азотосодержащих.

Как происходит липидный метаболизм

Обычно, в организм липиды попадают в виде триглицеридов жирных кислот. Попадая в кишечник под воздействие ферментов, вырабатываемых поджелудочной железой, они начинают подвергаться гидролизу. Тут они снова синтезируются как жиры нейтральные, после этого, они попадают или в печень, или в кровь, а также могут отложиться в виде запаса в жировой ткани.

Мы уже говорили о том, что жирные кислоты также могут заново синтезироваться из ранее появившихся предшественников углеводных. Необходимо также отметить, что, несмотря на то, что в клетках животных могут наблюдаться одновременное включение одной двойной связи в длинноцепочечных молекулах жирных кислот. Включать вторую и даже третью двойственная связь данные клетки не могут.

А так как жирные кислоты с тремя и двумя двойственными связями играют важную роль в метаболических процессах животных (в том числе и человека), по своей сущности они являются важными питательными компонентами, можно сказать, витаминами. Именно поэтому линоленовую (С18:3) и линолевую (С18:2) называют еще и незаменимыми жирными кислотами. Также обнаружено, что в клетках в линоленовую кислоту также может включиться двойственная четвертая связь. Благодаря удлинению углеродной цепи может появиться еще один важный участник метаболических реакций арахидоновая кислота (С20:4).

Во время синтеза липидов могут наблюдаться остатки жирных кислот, которые связаны с коферментом А. Благодаря синтезу, эти остатки переносятся на глицерофосфат эфир глицерина и фосфорной кислоты. В результате данной реакции образуется соединение фосфатидной кислоты, где одно ее соединение – это глицерина этерифицированного фосфорной кислотой, а другие две – жирными кислотами.

При появлении нейтральных жиров фосфорная кислота будет удалена путем гидролиза, а на ее месте окажется жирная кислота, появившаяся в результате химической реакции с ацил-КоА. Сам кофермент А может появиться благодаря одному из витаминов пантотеновой кислоты. В данной молекуле содержится сульфгидрильная группа, которая реагирует на кислоты с появлением тиоэфиров. В свою очередь, фосфолипидная фосфатидная кислота реагирует на азотистые основания, такие как серин, холин и этаноламин.

Таким образом, все встреченные в организме млекопитающих стероиды (за исключением витамина Д) могут самостоятельно синтезироваться самим организмом.

Как происходит метаболизм белков?

Доказано, что имеющиеся во всех живых клетках белки, состоят из двадцати одного вида аминокислот, которые соединены в различной последовательности. Данные аминокислоты и синтезируются организмами. Такой синтез обычно приводит к появлению а-кетокислоты. Именно, а-кетокислота или а-кетоглутаровая кислота и участвуют в синтезе азота.

Человеческий организм, как и организм многих животных, сумел сохранить умение синтезировать все имеющиеся аминокислоты (исключение составляет несколько незаменимых аминокислот), которые должны обязательно поступать с пищей.

Как происходит синтез белка

Данный процесс обычно протекает следующим образом. Каждая аминокислота в цитоплазме клетки вступает в реакцию с АТФ и после примыкает к завершающей группе молекулы рибонуклеиновой кислоты, которая именно специфична для этой аминокислоты. Затем усложненная молекула соединяется с рибосомой, определяемой в положении более удлиненной молекулы кислоты рибонуклеиновой, которая соединяется с рибосомой.

После того, как все сложные молекулы выстраиваются, происходит разрыв между аминокислотой и рибонуклеиновой кислотой, соседние аминокислоты начинают синтезироваться и таким образом получается белок. Нормализация метаболизма происходит благодаря гармоничному синтезу белково-углеводно-жировых метаболических процессов.

Так что же такое метаболизм органических веществ?

Чтобы лучше понять и разобраться в метаболических процессах, а также, чтобы восстановить здоровье и улучшить обмен веществ, необходимо придерживаться следующих рекомендаций, касающихся нормализации и восстановлении метаболизма.

• Важно понимать, что метаболические процессы нельзя обратить вспять. Распад веществ никогда не протекает по простому пути обращения синтезирующих реакций. В этом распаде обязательно принимают участие другие ферменты, а также некоторые промежуточные продукты. Очень часто направленные в разную сторону процессы начинают протекать в разных отсеках клетки. К примеру, жирные кислоты могут синтезироваться в цитоплазме клетки при воздействии одного какого-то набора ферментов, а процесс окисления в митохондриях может происходить совсем при другом наборе.
• В живых клетках организма наблюдается достаточное количество ферментов, для того, чтобы ускорить процесс метаболических реакций, но, несмотря на это метаболические процессы не всегда протекают быстро, таким образом, это указывает на существование в наших клетках некоторых регуляторных механизмов, которые воздействуют на обменные процессы. На сегодняшний день уже открыты некоторые виды таких механизмов.
• Один из факторов, влияющий на снижение скорости метаболических процессов данного вещества, является поступлением данного вещества в саму клетку. Поэтому, регуляция обменных процессов может быть направленная и на этот фактор. Например, если взять инсулин, функция которого, как нам известно, связана с облегчением проникновения глюкозы во все клетки. Скорость «превращения» глюкозы, в таком случае, будет зависеть от скорости, с которой она поступила. Если же рассмотреть кальций и железо, когда они из кишечника попадают в кровь, то скорость метаболических реакций, в данном случае, будет зависеть от многих, в том числе и регулирующих процессов.
• Свободно передвигаться из одного клеточного отсека в другой, к сожалению, могут далеко не все вещества. Также существует предположение, что перенос внутриклеточный постоянно контролируется некими гормонами стероидными.
• Учеными были выявлены два вида сервомеханизмов, которые отвечают в метаболических процессах за отрицательную обратную связь.
• Даже у бактерий были отмечены примеры, доказывающие присутствие каких-нибудь последовательных реакций. К примеру, биосинтез одного из ферментов, подавляет аминокислоты, так необходимые для получения данной аминокислоты.
• Изучая отдельные случаи метаболических реакций, было выявлено что фермент, чей биосинтез был затронутым, оказывался ответственным за главный этап метаболического пути, приведшего к синтезу аминокислоты.
• Важно понять, что в процессах метаболических и биосинтетических участвует небольшое количество блоков строительных, каждый из которых начинает использовать для синтеза множества соединений. К таким соединениям относятся: ацетилкофермент А, глицин, глицерофосфат, карбамилфосфат и другие. Из этих небольших компонентов выстраиваются потом сложные и разнообразные соединения, которые можно наблюдать в живых организмах.
• Очень редко принимают непосредственное участие в метаболических процессах простые соединения органические. Такие соединения для того, чтобы проявить свою активность должны будут присоединиться к какому-нибудь ряду соединений, который активно участвует в метаболических процессах. К примеру, глюкоза может начать окислительные процессы только после того, как будет подвержена этирифицированию фосфорной кислотой, а для других последующих изменений она должна будет этерифицирована уридиндифосфатом.
• Если рассмотреть жировые кислоты, то они также не могут принять участие в метаболических изменениях до тех пор, пока они образуют эфиры с коферментом А. При этом, любой активатор становится родственен кому-нибудь из нуклеотидов, которые входят в состав рибонуклеиновой кислоты или образуются из какого-то витамина. Поэтому становится понятным, почему нам требуются витамины только в небольших количествах. Расходуются они благодаря коферментам, при этом каждая молекула кофермента в течение всей свой жизни используется несколько раз, в отличие от питательных веществ, молекулы которых используются единожды (например, молекулы глюкозы).

И последнее! Завершая данную тематику, очень хочется сказать, что сам термин «метаболизм» если раньше означал как синтез белков, углеводов и жиров в организме, то сейчас его используют в качестве обозначения нескольких тысяч ферментативных реакций, которые могут представлять собою огромную сеть соединенных между собою метаболических путей.

Вконтакте

Метаболизм. Процессы метаболизма.

Обмен веществ и энергии (метаболизм) осуществляется на всех уровнях организма: клеточном, тканевом и организменном. Он обеспечивает постоянство внутренней среды организма - гомеостаз - в непрерывно меняющихся условиях существования. В клетке протекают одновременно два процесса - это пластический обмен (анаболизм или ассимиляция) и энергетический обмен (фатаболизм или диссимиляция).

Пластический обмен - это совокупность реакций биосинтеза, или создание сложных молекул из простых. В клетке постоянно синтезируются белки из аминокислот, жиры из глицерина и жирных кислот, углеводы из моносахаридов, нуклеотиды из азотистых оснований и сахаров. Эти реакции идут с затратами энергии. Используемая энергия освобождается в ходе энергитического обмена. Энергетический обмен - это совокупность реакций расщепления сложных органических соединений до более простых молекул. Часть энергии, высвобождаемой при этом, идет на синтез богатых энергетическими связями молекул АТФ (аденозин-трифосфорной кислоты). Расщепление органических веществ осуществляется в цитоплазме и митохондриях с участием кислорода. Реакции ассимиляции и диссимиляции тесно связаны между собой и внешней средой. Из внешней среды организм получает питательные вещества. Во внешнюю среду выделяются отработанные вещества.

Ферменты (энзимы) - это специфические белки, биологические катализаторы, ускоряющие реакции обмена в клетке. Все процессы в живом организме прямо или косвенно осуществляются с участием ферментов. Фермент катализирует только одну реакцию или действует только на один тип связи. Этим обеспечивается тонкая регуляция всех жизненно важных процессов (дыхание, пищеварение, фотосинтез и т.д.), протекающих в клетке или организме. В молекуле каждого фермента имеется участок, осуществляющий контакт между молекулами фермента и специфического вещества (субстрата). Активным центром фермента выступает функциональная группа (например, ОН - группа серина) или отдельная аминокислота.

Скорость ферментативных реакций зависит от многих факторов: температуры, давления, кислотности среды, наличия ингибиторов и т.д.

Этапы энергетического обмена:

• Подготовительный - происходит в цитоплазме клеток. Под действием ферментов полисахариды расщепляются на моносахариды (глюкоза, фруктоза и Др.), жиры расщепляются до глицерина и жирных кислот, белки - до аминокислот, нуклеиновые кислоты до нуклеотидов. При этом выделяется небольшое количество энергии, которое рассеивается в виде тепла.
• Бескислородный (анаэробное дыхание или гликолиз) - многоступенчатое расщепление глюкозы без участия кислорода. Его называют брожением. В мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на две молекулы лировиноградной кислоты (С 3 Н 4 О 3), которые затем восстанавливаются в молочную кислоту (С 3 Н 6 О 3). В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ.

  Суммарное уравнение этого этапа: С 6 Н 12 О 6 + 2Н 3 РО 4 + 2АDФ -> 2С 3 Н 6 О 3 + 2АТФ + 2Н 2 О

  У дрожжевых грибков молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение). У других микроорганизмов гликолиз может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и др. При распаде одной молекулы глюкозы образуется две молекулы АТФ, в связях которой сохраняется 40% энергии, остальная энергия рассеивается в виде тепла.

• Кислородное дыхание - этап аэробного дыхания или кислородного, расщепления, который проходит на складках внутренней мембраны митоходрий - кристах. На этом этапе вещества предыдущего этапа расщепляются до конечных продуктов распада - воды и углекислого газа. В результате расщепления двух молекул молочной кислоты образуются 36 молекул АТФ. Основное условие нормального течения кислородного расщепления - целостность митохондриальных мембран. Кислородное дыхание - основной этап в обеспечении клетки кислородом. Он в 20 раз эффективнее бескислородного этапа.

  Суммарное уравнение кислородного расщепления: 2С 3 Н 6 0 3 + 60 2 + 36H 3 PО 4 + 36АДФ -> 6CO 2 + 38Н 2 О + 36АТФ

По способу получения энергии все организмы делятся на две группу - автотрофные и гетеротрофные.

Энергетический обмен в аэробных клетках растений, грибов и животных протекает одинаково. Это свидетельствует об их родстве. Количество митохондрий в клетках тканей различно, оно зависит от функциональной активности кйеток. Например, много митохондрий в клетках мышц.

Расщепление жиров на глицерин и жирные кислоты осуществляется ферментами - липазами. Белки вначале расщепляются до олигопептидов, а затем до аминокислот.

Ферменты (от лат. «fermentum» - брожение, закваска), энзимы, специфические белки, увеличивающие скорость протекания химических реакций в клетках всех живых организмов. По химической природе - белки, обладающие оптимальной активностью при определенном рН, наличии необходимых коферментов и кофакторов и отсутствии ингибиторов. Ферменты называют также биокатализаторами по аналогии с катализаторами в химии. Каждый вид ферментов катализирует превращение определенных веществ (субстратов), иногда лишь единственного вещества в единственном направлении. Поэтому многочисленные биохимические реакции в клетках осуществляет огромное число различных ферментов. Подразделяются на 6 классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и лигазы. Многие ферменты выделены из живых клеток и получены в кристаллическом виде (впервые в 1926).

Роль ферментов в организме

Ферменты участвуют в осуществлении всех процессов обмена веществ, в реализации генетической информации. Переваривание и усвоение пищевых веществ, синтез и распад белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других соединений в клетках и тканях всех организмов - все эти процессы невозможны без участия ферментов. Любое проявление функций живого организма - дыхание, мышечное сокращение, нервно-психическая деятельность, размножение и др. - обеспечивается действием ферментов. Индивидуальные особенности клеток, выполняющих определенные функции, в значителной мере определяются уникальным набором ферментов, производство которых генетически запрограммировано. Отсутствие даже одного фермента или какой-нибудь его дефект могут привести к серьезным отрицательным последствиям для организма.

Каталитические свойства ферментов

Ферменты - самые активные среди всех известных катализаторов. Большинство реакций в клетке протекает в миллионы и миллиарды раз быстрее, чем если бы они протекали в отсутствие ферментов. Так, одна молекула фермента каталазы способна за секунду превратить в воду и кислород до 10 тыс. молекул токсичной для клеток перекиси водорода, образующейся при окислении различных соединений. Каталитические свойства ферментов обусловлены их способностью существенно уменьшать энергию активации вступающих в реакцию соединений, то есть в присутствии ферментов требуется меньше энергии для «запуска» данной реакции.

История открытия ферментов

Процессы, протекающие при участии ферментов, известны человеку с глубокой древности, ведь в основе приготовления хлеба, сыра, вина и уксуса лежат ферментативные процессы. Но только в 1833 году впервые из прорастающих зерен ячменя было выделено активное вещество, осуществляющее превращение крахмала в сахар и получившее название диастазы (ныне этот фермент называется амилазой). В конце 19 в. было доказано, что сок, получаемый при растирании дрожжевых клеток, содержит сложную смесь ферментов, обеспечивающих процесс спиртового брожения. С этого времени началось интенсивное изучение ферментов - их строения и механизма действия. Так как роль биокатализа была выявлена при изучении брожения, то именно с этим процессом были связаны два установившихся еще с 19 в. названия - «энзим» (в переводе с греч. «из дрожжей») и «фермент». Правда, последний синоним применяется только в русскоязычной литературе, хотя научное направление, занятое изучением ферментов и процессов с их участием, традиционно называется энзимологией. В первой половине 20 в. было установлено, что по химической природе ферменты yвляются белками, а во второй половине века для многих сотен ферментов уже была определена последовательность аминокислотных остатков, установлена пространственная структура. В 1969 впервые был осуществлен химический синтез фермента рибонуклеазы. Огромные успехи были достигнуты в понимании механизма действия ферментов.

Местонахождение ферментов в организме

В клетке часть ферментов находится в цитоплазме, но в основном ферменты связаны с определенными клеточными структурами, где и проявляют свое действие. В ядре, например, находятся ферменты, ответственные за репликацию - синтез ДНК(ДНК-полимеразы), за ее транскрипцию - образование РНК (РНК-полимеразы). В митохондриях присутствуютферменты, ответственные за накопление энергии, в лизосомах - большинство гидролитических ферментов, участвующих в распаде нуклеиновых кислот и белков.

Условия действия ферментов

Все реакции с участием ферментов протекают, в основном, в нейтральной, слабощелочной или слабокислой среде. Однако максимальная активность каждого отдельного фермента проявляется при строго определенных значениях pH. Для действия большинства ферментов теплокровных животных наиболее благоприятной температурой является 37-40oС. У растений при температуре ниже 0o С действие ферментов полностью не прекращается, хотя жизнедеятельность растений при этом резко снижается. Ферментативные процессы, как правило, не могут протекать при температуре выше 70o С, так как ферменты, как и всякие белки подвержены тепловой денатурации (разрушению структуры).

Размеры ферментов и их строение

Молекулярная масса ферментов, как и всех остальных белков, лежит в пределах 10 тыс. - 1 млн. (но может быть и больше). Они могут состоять из одной или нескольких полипептидных цепей и могут быть представлены сложными белками. В состав последних наряду с белковым компонентом (апоферментом) входят низкомолекулярные соединения - коферменты (кофакторы, коэнзимы), в том числе ионы металлов, нуклеотиды, витамины и их производные. Некоторые ферменты образуются в форме неактивных предшественников (проферментов) и становятся активными после тех или иных изменений в структуре молекулы, например, после отщепления от нее небольшого фрагмента. К их числу относятся пищеварительные ферменты трипсин и химотрипсин, которые синтезируются клетками поджелудочной железы в форме неактивных предшественников (трипсиногена и химотрипсиногена) и обретают активность в тонком кишечнике в составе поджелудочного сока. Многие ферменты образуют так называемые ферментные комплексы. Такие комплексы, например, встроены в мембраны клеток или клеточных органелл и участвуют в транспорте веществ.

Подвергающееся превращению вещество (субстрат) связывается с определенным участком фермента, aго активным центром, который формируется боковыми цепями аминокислот, находящимися часто в значительно удаленных друг от друга участках полипептидной цепи. Например, активный центр молекулы химотрипсина образуют остатки гистидина, находящегося в полипептидной цепи в положении 57, серина в положении 195 и аспарагиновой кислоты в положении 102 (всего в молекуле химотрипсина 245 аминокислот). Таким образом, сложная укладка полипептидной цепи в молекуле белка - ферменте обеспечивает возможность нескольким боковым цепям аминокислот оказаться в строго определенном месте и на определенном расстоянии друг от друга. Коферменты также входят в состав активного центра (белковая часть и небелковый компонент в отдельности ферментативной активностью не обладают и приобретают свойства фермента, лишь соединившись вместе).

Протекание процессов с участием ферментов

Большинство ферментов отличается высокой специфичностью (избирательностью) действия, когда превращение каждого реагирующего вещества (субстрата) в продукт реакции осуществляется специальным ферментом. При этом действие фермента может быть строго ограничено одним субстратом. Например, фермент уреаза, участвующий в распаде мочевины до аммиака и углекислого газа, не реагирует на сходную по строению метилмочевину. Многие ферменты aействуют на несколько родственных по структуре соединений или на один тип химической связи (например, расщепляющие фосфодиэфирную связь фермент фосфатазы). Фермент осуществляет свое действие через образование фермент-субстративного комплекса, который затем распадается с образованием продуктов ферментативной реакции и освобождением фермента. A результате образования фермент-субстратного комплекса субстрат изменяет свою конфигурацию; при этом преобразуемая фермент-химическая связь ослабляется и реакция протекает с меньшей начальной затратой энергии и, следовательно, с намного большей скоростью. Мерой скорости ферментативной реакции служит количество субстрата, подвергшегося превращению в единицу времени, или количество образовавшегося продукта. Многие ферментативные реакции в зависимости от концентрации в среде субстрата и продукта реакции могут протекать как в прямом, так и в обратном направлении (избыток субстрата сдвигает реакцию в сторону образования продукта, в то время как при чрезмерном накоплении последнего будет происходить синтез субстрата). Это означает, что ферментативные реакции могут быть обратимыми. Например, карбоангидраза крови превращает поступающий из тканей углекислый газ в угольную кислоту (H2CO3), а в легких, напротив, катализирует превращение угольной кислоты в воду и углекислый газ, который удаляется при выдохе. Однако следует помнить, что ферменты, как и другие катализаторы, не могут сдвигать термодинамическое равновесие химической реакции, а лишь значительно ускоряют достижение этого равновесия.

Номенклатура названий ферментов

При наименовании фермента cа основу берут название субстрата и добавляют суффикс «аза». Так появились, в частности, протеиназы - ферменты, расщепляющие белки (протеины), липазы (расщепляют липиды, или жиры) и т. д. Некоторые ферменты получили специальные (тривиальные) названия, например, пищеварительные ферменты- пепсин, химотрипсин и трипсин.

В клетках организма протекает несколько тысяч различных реакций обмена веществ и, следовательно, имеется столько же ферментов. Aля того, чтобы привести такое многообразие в систему, было принято международное соглашение о классификации ферментов. A соответствии с этой системой все ферменты a зависимости от типа катализируемых ими реакций были поделены на шесть основных классов, каждый из которых включает ряд подклассов. Кроме того, каждый фермент получил четырехзначный кодовый номер (шифр) и название, указывающее на реакцию, которую yтот фермент катализирует. Ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию у организмов разных видов, могут существенно различаться между собой по своей белковой структуре, но в номенклатуре имеют общее название и один кодовый номер.

Болезни, связанные с нарушением выработки ферментов

Отсутствие или снижение активности какого-либо фермента (нередко и избыточная активность) у человека приводит к развитию заболеваний (энзимопатий) или гибели организма. Так, передаваемое по наследству заболевание детей - галактоземия (приводит к умственной отсталости) - развивается вследствие нарушения синтеза фермента, ответственного за превращение галактозы в легко усваиваемую глюкозу. Причиной другого наследственного заболевания - фенилкетонурии, сопровождающегося расстройством психической деятельности, является потеря клетками печени способности синтезировать фермент, катализирующий превращение аминокислоты фенилаланина в тирозин. Определение активности многих ферментов a крови, моче, спинно-мозговой, семенной и других жидкостях организма используется для диагностики ряда заболеваний. С помощью такого анализа сыворотки крови возможно обнаружение на ранней стадии инфаркта миокарда, вирусного гепатита, панкреатита, нефрита и других заболеваний.

Использование ферментов человеком

Так как ферменты сохраняют свои свойства и вне организма, их успешно используют в различных отраслях промышленности. Например, протеолитический фермент папайи (из сока папайи) - в пивоварении, для мягчения мяса; пепсин - при производстве «готовых» каш и как лекарственный препарат; трипсин - при производстве продуктов для детского питания; реннин (сычужный фермент из желудка теленка) - в сыроварении. Каталаза широко применяется в пищевой и резиновой промышленности, а расщепляющие полисахариды целлюлазы и пектидазы - для осветления фруктовых соков. Ферменты необходимы при установлении структуры белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов, в генетической инженерии и т. д. С помощью ферментов получают лекарственные препараты и сложные химические соединения.

Обнаружена способность некоторых форм рибонуклеиновых кислот (рибозимов) катализировать отдельные реакции, то есть выступать в качестве ферментов. Возможно, в ходе эволюции органического мира рибозимы служили биокатализаторами до того, как ферментативная функция перешла к белкам, более приспособленным к выполнению этой задачи.

Метаболи́зм (от греч. μεταβολή - «превращение, изменение») , или обмен веществ - 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 две стадии: в ходе катаболизма сложные органические вещества деградируют до более простых; в процессах анаболизма с затратами энергии синтезируются такие вещества, как белки, сахара, липиды и нуклеиновые кислоты. Обмен веществ происходит между клетками организма и межклеточной жидкостью, постоянство состава которой поддерживается кровообращением: за время прохождения крови в капиллярах через проницаемые стенки капилляров плазма крови 40 раз полностью обновляется с интерстициальной жидкостью. 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. ~~~~~~~~~~~ Катаболи́зм (от греч. καταβολή, «сбрасывание, разрушение») или 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. Катаболические реакции лежат в основе диссимиляции: утраты сложными веществами своей специфичности для данного организма в результате распада до более простых. Примеры: превращение этанола через стадии ацетальдегида (этаналя) и уксусной кислоты (этановой кислоты) в углекислый газ и воду, или процесс гликолиза - превращение глюкозы в молочную кислоту либо пировиноградную кислоту и далее уже в дыхательном цикле - опять-таки в углекислый газ и воду. ~~~~~~~~~~~ Анаболи́зм (от греч. ἀναβολή, «подъём») или пластический обмен - совокупность химических процессов, составляющих одну из сторон обмена веществ в организме, направленных на образование клеток и тканей. Анаболизм взаимосвязан с противоположным процессом - катаболизмом, так как продукты распада различных соединений могут вновь использоваться при анаболизме, образуя в иных сочетаниях новые вещества. Процессы анаболизма, происходящие в зелёных растениях с поглощением энергии солнечных лучей, имеют большое значение для поддержания жизни на планетарном уровне, играя решающую роль в синтезе органических веществ из неорганических. Анаболизм включает в себя процессы синтеза аминокислот, моносахаридов, жирных кислот, нуклеотидов, полисахаридов, макромолекул белков, нуклеиновых кислот, АТФ. Из питательных веществ, поступающих в клетку, строятся свойственные организму белки, жиры, углеводы, которые, в свою очередь, идут уже на создание новых клеток, их органов, межклеточного вещества. ~~~~~~~~~~~ Ассимиля́ция - совокупность процессов анаболизма (биосинтеза) в живом организме, в ходе которых различные вещества включаются в его состав. Синтез высокомолекулярных соединений (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов) . Невозможна без энергии. Простые вещества (сложные первоначально расщепляются до простых) , неспецифические для какого-либо организма, превращаются в сложные, характерные для данного вида соединения (усваиваются) .

Инструкция

В состав клеток входят следующие химические соединения: органические (белки, углеводы, жиры и нуклеиновые кислоты), неорганические (вода, соли). Вода в клетках может составлять до 80%, она необходима для всех жизненных процессов и является хорошим растворителем. В ней происходит химическое взаимодействие веществ. Также вода способствует удалению продуктов распада, образующихся в результате протекающих реакций. Основными жизненными свойствами клетки являются: биосинтез, распад органических соединений, возбудимость, рост, размножение, обмен веществ.

Обмен веществ в клетке происходит следующим образом. Из окружающей среды в организм поступают питательные вещества, вода, кислород, витамины и минеральные соли. Они требуются для построения, обновления структурных элементов клеток, а также для образования энергии, которая обеспечивает жизненные процессы. Получаемые извне жиры, белки, углеводы, микроэлементы, витамины используются для синтеза необходимых клеткам веществ и для построения клеточных структур. Продукты распада удаляются через мембрану в тканевую жидкость.

Метаболизм представляет собой два процесса: ассимиляцию и диссимиляцию. Ассимиляцией называется совокупность реакций образования сложных органических молекул из более простых, протекающих с накоплением энергии. Диссимиляция – это совокупность реакций распада сложных органических веществ до более простых, она сопровождается выделением энергии. Диссимилляция и ассимиляция связаны между собой, поскольку синтез веществ не представляется возможным без затрат энергии, высвобождаемой при расщеплении сложных органических молекул. Нарушения баланса между этими процессами приводит к расстройству обмена веществ.

Реакции обмена веществ в живой клетке проходят при умеренной температуре, малых колебаниях кислотности, нормальном давлении . В метаболизме принимают участие ферменты, играющие роль катализаторов. Активность ферментов очень высокая, поэтому для обеспечения нормальной скорости метаболизма требуется небольшое количество молекул этих веществ. Однако они действуют избирательно, в результате клетка нуждается во многих видах ферментов.

При распаде органических веществ выделяется энергия, часть которой теряется, а часть запасается клетками в виде молекул АТФ (аденозинтрифосфат). При необходимости энергия АТФ применяется для энергетических затрат клеток, в частности для процесса ассимиляции. Основным строительным материалом и единственным источником энергии для организма являются органические вещества пищи. Поскольку питательные вещества и отходы жизнедеятельности клетки поступают в кровь, метаболизм оказывает большое влияние на ее состояние и на весь организм в целом.

В клетке постоянно происходит обмен веществ и энергии с окружающей средой. Обмен веществ (метаболизм) - основное свой- ство живых организмов. На клеточном уровне метаболизм включает два процесса: ассимиляцию (анаболизм) и диссимиляцию (катаболизм). Эти процессы происходят в клетке одновременно.

Ассимиляция (пластический обмен) - совокупность реакций био- логического синтеза. Из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества, характерные для данной клетки. Синтез веществ в клетке происходит с использованием энергии, заключенной в молекулах АТФ.

Диссимиляция (энергетический обмен) - совокупность реакций расщепления веществ. При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза.

По типу ассимиляции организмы могут быть автотрофными, гетеротрофными и миксотрофными.

Автотрофная ассимиляция

Автотрофные организмы способны синтезировать органические вещества из неорганических (СО 2 и Н 2 О). К ним относят зеленые растения и микроорганизмы. В зависимости от того, какой источник энергии используется автотрофными организмами для синтеза органических веществ, их делят на две группы: фототрофы и хемотрофы.

Фотосинтез

Зеленые растения - фототрофы. Для ассимиляции они используют энергию, выделяемую при окислении неорганических веществ. Зеленые растения имеют в хлоропластах хлорофилл. При участии хлорофилла происходит фотосинтез. Фотосинтез - процесс преобразования солнечной энергии в потенциальную энергию химических связей в органических веществах. Фотосинтез состоит из двух фаз: световой и темновой.

Световая фаза. Под действием света молекула хлорофилла, находящаяся в гранах хлоропласта, получает избыток энергии. Часть этой энергии идет на расщепление (фотолиз) молекулы воды.

Ионы водорода присоединяют к себе электрон, превращаются в свободный атом водорода.

Водород Н идет на восстановление переносчика НАДФ + (никотинамидадениндинуклеотид фосфат).

НАДФ? Н переходит в строму хлоропласта, где участвует в синтезе углеводов.

Ионы ОН - , отдав электрон, превращаются в свободные радикалы, которые взаимодействуют друг с другом, образуют воду и свободный кислород.

Другая часть энергии используется для синтеза АТФ из АДФ.

В световую фазу фотосинтеза образуются: 1) богатое энергетическими связями вещество - АТФ; 2) свободный кислород - О 2 ; 3) происходит присоединение Н (водорода) к переносчику, образуется НАДФ? Н.

Реакции световой фазы идут без участия ферментов.

Темновая фаза. В темновой фазе происходит связывание СО 2 . В реакциях темновой фазы участвуют молекулы АТФ и атомы водорода, образовавшиеся в процессе фотолиза и связанные с молекулами-переносчиками. Реакции этой фазы происходят в строме хлоропластов при участии ферментов.

Полученные в результате темновой фазы фотосинтеза молекулы моносахарида - глюкозы через ряд ферментативных реак- ций превращаются в полисахариды. Так энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных органических веществ.

Суммарная реакция фотосинтеза:

В результате фотосинтеза образуются органические вещества и кислород атмосферы.

Хемосинтез

Синтез органических веществ у автотрофных бактерий идет с использованием энергии, выделяющейся при химических реакциях окисления неорганических соединений: сероводорода, серы, аммиака, азотистой кислоты. Этот процесс называется хемосинтезом.

К группе автотрофов-хемосинтетиков относят нитрифицирующие бактерии. Одна группа бактерий получает энергию, необ- ходимую для синтеза органических веществ, в результате реакции окисления аммиака в азотистую кислоту.

Хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в круговороте веществ в природе.

Гетеротрофная ассимиляция

Гетеротрофные организмы строят органические вещества своего тела из уже имеющихся готовых органических веществ. К гетеротрофам относят животных, грибы, некоторых бактерий.

Гетеротрофные организмы способны строить свои специфические белки, жиры, углеводы только из белков, жиров, углево-

дов, которые они получают с пищей. В процессе пищеварения эти вещества распадаются до мономеров. Из мономеров в клетках синтезируются вещества, характерные для данного организма. Все эти реакции идут при участии ферментов и с использованием энергии АТФ.

Схема превращения веществ в гетеротрофном организме

Миксотрофная ассимиляция

Миксотрофные организмы (например эвглена зеленая) содержат пигмент хлорофилл и поэтому на свету могут быть автотрофами. При отсутствии света они становятся гетеротрофами.

Диссимиляция

По типу диссимиляции организмы делят на аэробные и анаэробные.

В организме человека, животных и большинства микроорганизмов энергия образуется в результате реакций катаболизма при дыхании или брожении. Эта энергия переходит в особую форму - энергию макроэргических связей молекул АТФ. С использованием энергии АТФ происходит биосинтез, деление клетки, сокращение мышц и другие процессы. Синтез АТФ осуществляется в митохондриях.

Аэробная диссимиляция

Энергетический обмен проходит в 3 этапа. 1-й этап - подготовительный.

На этом этапе молекулы сложных веществ (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот) распадаются до мономеров. Выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепла. Синтез АТФ не происходит.

2-й этап - бескислородный (анаэробный).

Бескислородный распад протекает в цитоплазме клеток. Мономеры, образовавшиеся на первом этапе, расщепляются без участия кислорода, в несколько стадий. Расщепление происходит под действием ферментов с образованием энергии АТФ. Например, в мышцах (в цитоплазме клеток) молекула глюкозы распадается на две молекулы молочной кислоты и две молекулы АТФ.

3-й этап - кислородное расщепление (аэробное дыхание).

Все реакции этой стадии катализируются ферментами и проходят при участии кислорода в митохондриях. Вещества, образо- вавшиеся в предыдущем этапе, окисляются до конечных продуктов - СО 2 и Н 2 О.

При этом выделяется большое количество энергии.

Данный процесс называют клеточным дыханием. При окислении двух молекул молочной кислоты образуется 36 молекул АТФ. В результате второго и третьего этапов при расщеплении одной молекулы С 6 Н 12 О 6 выделяется 38 молекул АТФ.

Суммарное уравнение:

Анаэробная диссимиляция

Распад глюкозы у анаэробных бактерий может идти в бескислородных условиях. Этот процесс называется брожением. При брожении выделяется не вся энергия, заключенная в веществе, а лишь часть ее. Остальная энергия остается в химических связях в образовавшемся веществе.

При спиртовом брожении образуется спирт и две молекулы

АТФ.

Таким образом, при расщеплении глюкозы в аэробных условиях выделяется вся энергия и распад идет до конечных про- дуктов (СО 2 и Н 2 О), а при брожении выделяется часть энергии и распад идет до промежуточных продуктов реакций.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое обмен веществ?

2. Какие процессы включает метаболизм?

3. Что такое ассимиляция?

4. Что такое диссимиляция?

5. Какими могут быть организмы по типу ассимиляции?

6. Какие организмы относят к автотрофным?

7. Что такое фотосинтез?

8. Какие источники энергии могут использовать автотрофные организмы?

9. Из каких фаз состоит фотосинтез?

10.Что происходит в световой стадии фотосинтеза? 11.Что происходит в темновой стадии фотосинтеза? 12.Что образуется в результате фотосинтеза? 13.Что такое хемосинтез?

14.Какую энергию для синтеза используют автотрофные нитрифицирующие бактерии?

15. Какие организмы относят к гетеротрофным? 16.Какие вещества для синтеза используют гетеротрофные организмы?

17.Какие организмы относят к миксотрофным? 18.Какими могут быть организмы по типу диссимиляции? 19.Как происходит распад глюкозы в аэробном организме? 20. Из каких этапов состоит энергетический обмен? 21.Что происходит на подготовительном этапе энергетического обмена?

22.Что происходит на бескислородном этапе энергетического обмена?

23.Что происходит на 3-м этапе энергетического обмена? 24.Как происходит распад глюкозы в анаэробном организме? 25.Как называется процесс распада глюкозы в анаэробном организме?

Ключевые слова темы «Обмен веществ и энергии в клетке»

автотрофы

азотистая кислота

азотная кислота

аминокислоты

аммиак

анаболизм

анаэробы

ассимиляция

атмосфера

атом

аэробы

бактерии

белки

биосинтез

брожение

вещества

водород

восстановление

гетеротрофы

глицерин

глюкоза

граны

грибы

деление

диссимиляция

дыхание

жирные кислоты

жиры

избыток

ионы магния

использование

источник

катаболизм

круговорот

макроэргические связи метаболизм микроорганизмы миксотрофы митохондрии молекула АТФ молочная кислота мономеры

моносахарид

накопление

обмен

окисление

переносчик

пищеварение

полисахарид

природа

радикал

растения

расщепление

реакция

световая фаза

свойство

сера

сероводород синтез

совокупность сокращение мышц

солнечный свет

спирт

среда

стадия

строма

темновая фаза

углеводы

ферменты

фотолиз

фотосинтез

фототрофы

хемосинтез

хемотрофы

хлоропласт

хлорофилл

эвглена зеленая

электрон