Общая характеристика обмена веществ

Обязательным условием жизни является обмен веществ между жи­вым организмом и окружающей средой. Из внешней среды в организм поступают источники энергии, строительный материал для различных синтезов, витамины, минеральные вещества, вода и кислород. Из орга­низма вовне удаляются конечные продукты химических процессов, протекающих в организме: углекислый газ, вода и аммиак (в форме мо­чевины).

Обменные процессы, протекающие в организме, можно условно разделить на два этапа: пищеварение и метаболизм.

В процессе пищеварения пищевые вещества, как правило, высо­комолекулярные и для организма чужеродные, под действием пище­варительных ферментов расщепляются и превращаются в конечном счете в простые соединения - универсальные для всех живых орга­низмов. Так, например, любые пищевые белки распадаются на амино­кислоты 20 видов, точно такие же, как и аминокислоты самого орга­низма. Из углеводов пищи образуется универсальный моносахарид -глюкоза. Поэтому конечные продукты пищеварения могут вводиться во внутреннюю среду организма и использоваться клетками для раз­нообразных целей.

Метаболизм - это совокупность химических реакций, протекаю­щих во внутренней среде организма, т. е. в его клетках. В настоящее время известны десятки тысяч химических реакций, составляющих ме­таболизм.

В свою очередь, метаболизм делится на катаболизм и анаболизм.

Под катаболизмом понимаются химические реакции, за счет кото­рых крупные молекулы подвергаются расщеплению и превращаются в молекулы меньшего размера. Конечными продуктами катаболизма яв­ляются такие простейшие вещества, как СО₂, Н₂О и NН₃.

Для катаболизма характерны следующие закономерности:

• В процессе катаболизма преобладают реакции окисления.

• Катаболизм протекает с потреблением кислорода.

• В процессе катаболизма освобождается энергия, примерно половина которой аккумулируется в форме химической энергии аденозин- трифосфата (АТФ). Другая часть энергии выделяется в виде тепла.

Анаболизм включает разнообразные реакции синтеза. Анаболизм характеризуется следующими особенностями:

• Для анаболизма типичны реакции восстановления.

• В процессе анаболизма происходит потребление водорода. Обычно используются атомы водорода, отщепляемые от глюкозы и переносимые коферментом НАДФ (в форме НАДФ-Н₂).

• Анаболизм протекает с потреблением энергии, источником ко­торой является АТФ.

Основное назначение метаболизма

• Одновременное протекание реакций катаболизма и анаболизма приводит к обновлению химического состава организма, что является обязательным условием его жизнедеятельности.

• В случае преобладания анаболизма над катаболизмом происходит накопление химических веществ в организме, в первую очередь белков. Накопление белков в организме - обязательное условие его роста и развития.

• Обеспечение энергией (в форме молекул АТФ) всех потребностей организма.

Строение и биологическая роль атф

Аденозинтрифосфат (АТФ) является нуклеотидом. В состав моле­кулы АТФ входят азотистое основание - аденин, углевод - рибоза и три остатка фосфорной кислоты (аденин, связанный с рибозой, назы­вается аденозином).

Особенностью молекулы АТФ является то, что второй и третий ос­татки фосфорной кислоты присоединяются связью, богатой энергией. Такая связь называется высокоэнергетической, или макроэргичес-кой, и обозначается знаком ~. Соединения, имеющие макроэргические связи, обозначаются термином «макроэрги».

Структурная формула АТФ имеет следующий вид:

Фосфорная кислота-3

Рибоза

ОН ОН

Аденозин

В упрощенном виде строение АТФ можно отразить схемой:

Аденин—-рибоза— Ф.К. -Ф.К. ~ Ф.К.

При использовании АТФ в качестве источника энергии обычно происходит отщепление путем гидролиза последнего остатка фосфор­ной кислоты:

АТФ + Н₂О -> АДФ + Н₃РО₄ + Q(энергия)

В физиологических условиях, т. е. при тех условиях, которые име­ются в живой клетке (температура, рН, осмотическое давление, концентрация реагирующих веществ и пр.), расщепление моля АТФ (506 г) сопровождается выделением 12 ккал, или 50 кДж* энергии. (1 ккал = 4,18 кДж.)

Главными потребителями энергии АТФ в организме являются:

• реакции синтеза;

• мышечная деятельность;

• транспорт молекул и ионов через мембраны (например, всасыва­ние веществ из кишечника, образование мочи в почках, формирование и передача нервного импульса и др.).

Таким образом, биологическая роль АТФ заключается в том, что это вещество является универсальным аккумулятором энергии, своего рода энергетической «валютой» клетки.

Основным поставщиком АТФ является тканевое дыхание - завер­шающий этап катаболизма, протекающий в митохондриях всех клеток, кроме красных клеток крови (эритроцитов).

Полезная информация

В сутки взрослый человек, не выполняющий физической работы, вды­хает и выдыхает 8-10 м³ воздуха, из которого в легких извлекается и ис­пользуется организмом в обмене веществ 400-500 л кислорода.

В этих же условиях в сутки в процессе обмена веществ образуется и выделяется из организма 350—450 л углекислого газа.

Выполнение физических нагрузок приводит к значительному увеличе­нию потребления кислорода и выделению углекислого газа.