Обмін речовин - одне з основних властивостей живих організмів. Надходження поживних речовин і кисню, перетворення їх в організмі і виділення кінцевих продуктів в навколишнє середовище визначається як обмін речовин, або метаболізм, який складається з двох процесів - катаболізму (дисиміляції) і анаболізму (асиміляції).
Під катаболизмом розуміють процеси розпаду поживних речовин, які супроводжуються звільненням енергії, укладеної в хімічних зв'язках цих сполук. Процес дисиміляції можна розділити на три послідовні етапи.
Перший етап підготовчий. На цьому етапі великі молекули вуглеводів, жирів, білків, нуклеїнових кислот розпадаються на дрібні молекули: з крохмалю утворюється глюкоза, з жирів - жирні кислоти і гліцерин, з білків - амінокислоти, з нуклеїнових кислот - нуклеотиди. Розпад речовин на цьому етапі супроводжується незначним енергетичним ефектом. Вся звільнилася енергія розсіюється у вигляді тепла.
Другий етап дисиміляції називається безкисневим або неповним. Речовини, що утворилися в підготовчому етапі, вступають на шлях подальшого розпаду. Це складний, багатоступінчастий процес. Він складається з ряду наступних одна за одною ферментативних реакцій. Ферменти, що обслуговують цей процес, розташовуються на внутрішньоклітинних мембранах правильними рядами. Речовина, потрапивши на перший фермент цього ряду, пересувається, як на конвеєрі, на другий фермент, далі - на третій. Це забезпечує швидке і ефективне перебіг процесу. Розберемо це на прикладі гліколізу. Гліколіз є ряд послідовних ферментативних реакцій. Його обслуговує 13 ферментів, і в ході його утворюється більше десятка проміжних речовин. Сумарне рівняння гліколізу можна записати так:
С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ = 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О
З наведеного рівняння гліколізу видно, що в цьому процесі не бере участь кисень, тому його називають безкисневим або неповним розщепленням. Нарешті, і це особливо важливо, з рівняння випливає, що при розпаді однієї молекули глюкози в ході гліколізу утворюються дві молекули АТФ.
Так як синтез АТФ являє ендотермічний процес, то, очевидно, енергія для синтезу АТФ черпається за рахунок енергії реакцій безкисневого розщеплення глюкози. Отже, енергія, що звільняється в ході реакцій гліколізу, не вся переходить в тепло. Частина її йде на синтез двох багатих енергією фосфатних зв'язків.
Третій етап енергетичного обміну - стадія кисневого, або повного розщеплення, або дихання. Продукти, що виникли в попередній стадії, окислюються до кінця.
Основна умова здійснення цього процесу - наявність кисню. Стадія кисневого розщеплення, як і попередня стадія, являє собою ряд послідовних ферментативних реакцій. Його обслуговує кілька ферментів.
Весь ферментативний ряд кисневого розщеплення зосереджений в мітохондріях, де ферменти розташовані на мембранах правильними рядами. Всі проміжні реакції кисневого розщеплення йдуть із звільненням енергії. Кількість енергії, що звільняється на кожному ступені при кисневому розщепленні, становить 2600 кДж, в результаті утворюється 36 молекул АТФ.
2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ = 6СО2 + 42Н2О + 36АТФ
Анаболізму - пластичний обмін - дисиміляція - одна зі сторін обміну речовин. Включає процеси синтезу амінокислот, моносахаридів, жирних кислот, нуклеотидів, а також макромолекул білків, полісахаридів, жирів, нуклеїнових кислот, АТФ. Процес відбувається в три етапи:
синтез проміжних сполук з низькомолекулярних речовин (органічних кислот, альдегідів);
синтез «будівельних блоків» з проміжних сполук (амінокислот, жирних кислот, моносахаридів);
синтез макромолекул білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів, жирів.
Цей процес йде з поглинанням енергії і участю ферментів.
Пластичний і енергетичний обміни знаходяться в нерозривному зв'язку між собою. З одного боку, реакції біосинтезу потребують затрати енергії. З іншого боку, для здійснення реакцій енергетичного обміну необхідний постійний біосинтез обслуговують ці реакції ферментів. Складні системи реакцій асиміляції і дисиміляції пов'язані не тільки між собою, але і зовнішнім середовищем. З зовнішнього середовища в клітку надходять речовини, в зовнішнє середовище виділяються речовини, які клітиною більше не можуть бути використані.
Асиміляція і дисиміляція у здорової людини знаходяться в стані строго збалансованого рівноваги. При голодуванні, недостатньому і неповноцінному харчуванні, при гарячкових станах переважають процеси катаболізму, при яких організм використовує свої запасні речовини, що може привести до виснаження і загибелі. У період одужання, зростання і розвитку організму переважає анаболізм. Патологічно виражене переважання анаболізму може привести до ожиріння, гігантизму.
Інтенсивність обміну речовин залежить від віку людини, характеру виконуваної роботи. Обмін речовин регулюється нервовою системою, гормонами. Так, на білковий обмін впливає гормон щитовидної залози - тироксин, на жировий - гормони підшлункової та щитовидної залоз, надниркових залоз і гіпофіза, на вуглеводний - гормони підшлункової залози (інсулін) і надниркових залоз (адреналін). Крім того, всі процеси протікають за участю ферментів.