Обмін речовин

Обмін речовин і енергії є однією з найважливіших і найсуттєвіших ознак живого організму. Обмін речовин і енергії тісно пов’язані між собою.

Живі організми – це відкриті системи, для існування яких необхідний постійний двосторонній зв’язок (обмін) з навколишнім середовищем. З нього вони:

• одержують поживні речовини та енергію;

• перетворюють їх, видозмінюють;

• використовують утворені сполуки та енергію, що виділяється при розпаді складних речовин, для власних потреб;

• повертають в навколишнє середовище кінцеві продукти обміну та енергію.

Перетворення речовин в організмі, тобто сукупність хімічних реакцій, що протікають в клітинах та забезпечують організм речовинами та енергією називається метаболізмом.

Розрізняють дві сторони обміну речовин – анаболізм (асиміляція) та катаболізм (дисиміляція).

Анаболічні процеси направлені на утворення та оновлення структурних елементів клітин та тканин та заключаються в синтезі складних молекул з більш простих. Ці процеси супроводжуються витратами вільної хімічної енергії.

Катаболічні перетворення - це розщеплення складних молекул до простих компонентів, супроводжуються виділенням вільної енергії. Обидві сторони метаболізму тісно пов’язані між собою.

На відміну від катаболізму для анаболізму характерно розходження метаболічних шляхів. Із порівняно невеликої кількості простих молекул-попередників утворюється дуже широкий набір різних молекул.

Катаболічний шлях та відповідний йому, але протилежний за направленням анаболічний шлях між даним попередником та даним продуктом часто не співпадають. Можуть розрізнятись і проміжні продукти, і окремі стадії цих шляхів. Наприклад, розщеплення глюкози до пірувату, що відбувається у печінці, представляє собою процес, що складається з 11 послідовних стадій, що каталізуються специфічними ферментами. Біосинтез же глюкози включає 9 з 11 ферментативних стадій, що беруть участь в розпаді, а дві недостаючі замінені зовсім іншим набором ферментативних реакцій, що властиві лише біосинтетичному шляху.

Причини неспівпадання:

Перша– шлях, по якому іде розщеплення біомолекули, може бути непридатним для її біосинтезу за енергетичними причинами. Розщеплення складної органічної молекули можна зрівняти із спуском з гори, а її біосинтез - з підйомом на гору. У першому випадку вільна енергія витрачається, а у другому її слід затратити, щоб подолати підйом. Попробуємо пояснити це за допомогою простої аналогії. Якщо зіштовхнути з верхівки гори каміння, то воно покотиться вниз, втрачаючи при цьому енергію. На деяких, особливо крутих ділянках шляху, при падінні втрачаються зразу великі кількості енергії. Втягнути каміння трактором на верхівку по тому ж шляху, по якому він скотився вниз, швидше за все не вдасться. Трактор може піднятись вгору по менш крутій дорозі, обминаючи круті схили. На цей обхідний шлях буде необхідна додаткова енергія. Біосинтетичний шлях також потребує додаткових витрат енергії для подолання крутих ділянок енергетичної “гірки”.

Іншапричина – ці послідовності реакцій повинні регулюватись окремо. Якби для розщеплення та для біосинтезу використовувався один і той же шлях, тобто мала б місце проста зміна (обращение) послідовності реакцій, то, наприклад, гальмування катаболічного шляху внаслідок інгібування одного із його ферментів, привело б до уповільнення відповідного біосинтетичного шляху. Для того, щоб синтез та розпад якоїсь сполуки могли регулюватись незалежно один від одного, ці метаболічні шляхи мають бути зовсім різними, а якщо у них є якісь спільні ферментативні стадії, то регулювати швидкість процесу повинні ті ферменти, які у протилежній послідовності реакцій не беруть участь.

Іноді протилежно направлені катаболічні та анаболічні шляхи розрізняються за своєю локалізацією. Так, окиснення жирних кислот до стадії ацетил-КоА у печінці каталізується набором ферментів, що локалізовані переважно у мітохондріях, де умови сприятливі для окиснення; синтез же жирних кислот з ацетил_КоА, що потребує водневих атомів, тобто відновлювальної здатності, здійснюється за допомогою іншого набору ферментів, локалізованих у цитозолі, де умови сприяють відновлювальним реакціям.

Але, хоча відповідні катаболічні та анаболічні шляхи неідентичні, їх пов’язує спільна стадія, яка включає в себе цикл лимонної кислоти та деякі допоміжні ферментативні реакції. Цю спільну стадію називають іноді амфіболічною стадією метаболізму (від грец. amfi - обидва), оскільки вона виконує подвійну функцію. У катаболізмі на цій стадії завершується розпад порівняно невеликих молекул, а в анаболізмі її роль заключається у постачанні невеликих молекул-попередників для біосинтезу амінокислот, жирних кислот та вуглеводів.

Енергія необхідна організму для виконання роботи, руху, скорочення та розслаблення м’язів, синтезу сполук, транспорту речовин, виконання специфічних функцій.

Енергія, що виділяється при катаболізмі, запасається у вигляді багатих енергією хімічних зв’язків (макроергічних) АТФ.

До сполук, що мають багатий енергією зв’язок належать також нуклеозидтрифосфати УТФ, ГТФ, ЦТФ тощо.

АТФ дифундує у ті частини клітини, де необхідна енергія, тобто – це джерело енергії, яке переміщується.

АТФ – є універсальним донором, акцептором та трансформатором енергії.

Процес утворення АТФ називається фосфорилюванням. Виділяють три види фосфорилювання:

1. Окислювальне – утворення АТФ при біологічному окисленні.

2. Субстратне – пряме перенесення залишку фосфорної кислоти від фосфорильованої речовини (фосфогліцеринова кислота та фосфоенол-ПВК) на АДФ за допомогою ферментів кіназ. Фосфоенол-ПВК є однією з високоенергетичних сполук.

3. Фотосинтетичне – утворюється в процесі фотосинтезу.