Однією з характерних особливостей живого організму є його нерозривний зв'язок з навколишнім середовищем. Організм постійно сприймає поживні речовини ззовні, видозмінює їх, перетворює в собі подібні, витягує з них енергію і виділяє відпрацьовані продукти. Сукупність хімічних реакцій, що забезпечують зв'язок живого з навколишнім середовищем, і становить обмін речовин.
Обмін речовин - постійно протікає, саморегулюючий процес оновлення живих організмів. Завдяки обміну речовин створюється ту єдність, яка існує між організмами і навколишнім середовищем.
Обмін речовин (або метаболізм) складається з двох процесів: асиміляції (або анаболізму) - синтезу характерних для організму сполук і дисиміляції (або катаболізму) - розпаду речовин і виведення продуктів цього розпаду з організму. Сукупність процесів асиміляції (синтезу) і дисиміляції (розпаду) становить основу життя. Хімічні реакції, що становлять ці процеси, пов'язані між собою і протікають в певній послідовності. Розрізняють загальний (зовнішній) обмін речовин, що враховує надходження в організм речовин і їх виділення, і проміжний обмін речовин, який охоплює перетворення цих речовин в організмі.
Етапи енергетичного обміну.
Більшість живих істот, що мешкають на Землі, належать до аеробів, т. Е. Використовують в процесах обміну речовин кисень з навколишнього середовища. У аеробів енергетичний обмін відбувається в три етапи: підготовчий, безкисневому і кисневий. В результаті цього органічні речовини розпадаються до простих неорганічних сполук. У організмів, що мешкають в безкисневому середовищі і не потребують кисні, - анаеробів, а також у аеробів при нестачі кисню асиміляція відбувається в два етапи: підготовчий і безкисневому. У двоетапному варіанті енергетичного обміну енергії запасається набагато менше, ніж в трьохетапну.
Три етапи енергетичного обміну. Перший етап називається підготовчим і полягає в розпаді великих органічних молекул до більш простих: полісахаридів - до моносахаридів, ліпідів - до гліцерину і жирних кислот, білків - до амінокислот. Усередині клітини розпад органічних речовин відбувається в лізосомах під дією цілого ряду ферментів. В ході цих реакцій енергії виділяється мало, при цьому вона не запасається у вигляді АТФ, а розсіюється у вигляді тепла. Утворені в ході підготовчого етапу з'єднання (моносахариди, жирні кислоти, амінокислоти та ін.) Можуть використовуватися клітиною в реакціях пластичного обміну, а також для подальшого розщеплення з метою отримання енергії.
Другий етап енергетичного обміну, званий безкисневим, полягає в ферментативному розщепленні органічних речовин, які були отримані в ході підготовчого етапу. Кисень в реакціях цього етапу не бере.
Так як найбільш доступним джерелом енергії в клітині є продукт розпаду полісахаридів - глюкоза, то другий етап ми розглянемо на прикладі саме її безкисневого розщеплення - гліколізу.
Гліколіз - це багатоступінчастий процес безкисневого розщеплення молекули глюкози, що містить 6 атомів вуглецю (С6Н12О6), до двох молекул трехуглеродной піровиноградної кислоти, або ПВК (С3Н4О3).
Реакції гліколізу катализируются багатьма ферментами, і протікають вони в цитоплазмі клітин. В ході гліколізу при розщепленні 1 М глюкози виділяється 200 кДж енергії, але 60% її розсіюється у вигляді тепла. Тих, хто залишився 40% енергії виявляється досить для синтезу з двох молекул АДФ двох молекул АТФ. Отримана пировиноградная кислота в клітинах тварин, а також клітинах багатьох грибів і мікроорганізмів перетворюється в молочну кислоту (С3Н6О3):
С6Н12О6 + 2Н3Р04 + 2АДФ 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О.
У більшості рослинних клітин, а також в клітинах деяких грибів (наприклад, дріжджів) замість гліколізу відбувається спиртове броженіе-, молекула глюкози в анаеробних умовах перетворюється на етиловий спирт і СО2:
С6Н12О6 + 2Н3Р04 + 2 АДФ -2С2Н5ОН + 2СО2 + 2АТФ + 2Н2О.
Існують також і такі мікроорганізми, в клітинах яких в анаеробних умовах утворюються не молочна кислота і не етиловий спирт, а, наприклад, оцтова кислота або ацетон і т. Д. Однак у всіх цих випадках розпад однієї молекули глюкози, так само як і в разі гліколізу, призводить до запасання двох молекул АТФ.
В результаті ферментативного безкисневого розщеплення глюкоза розпадається не до кінцевих продуктів (СО2 і Н2О), а до з'єднань, які ще багаті енергією і, окислюючись далі, можуть дати її у великих кількостях (молочна кислота, етиловий спирт і ін.).
Тому в аеробних організмах після гліколізу (або спиртового бродіння) слід завершальний етап енергетичного обміну - повне кисневе розщеплення, або клітинне дихання. В процесі третього етапу органічні речовини, що утворилися в ході другого етапу при безкисневому розщепленні і містять великі запаси хімічної енергії, окислюються до кінцевих продуктів СО2 і Н2О. Цей процес, так само як і гліколіз, є багатостадійним, але відбувається не в цитоплазмі, а в мітохондріях. В результаті клітинного дихання при розпаді двох молекул молочної кислоти синтезуються 36 молекул АТФ:
2С3Н6О3 + 6О2 + 36АДФ + 36Н3РО4 - 6СО2 + 42Н2О + З6АТФ.
Крім того, потрібно пам'ятати, що дві молекули АТФ запасаються в ході безкисневого розщеплення кожної молекули глюкози.
Таким чином, сумарно енергетичний обмін клітини в разі розпаду глюкози можна представити таким чином:
С6Н12О6 + 6О2 + 38АДФ + 38Н3Р04 | 6СО2 + 44Н2О + 38АТФ,
Для енергетичного обміну, т. Е. Для отримання енергії у вигляді АТФ, більшість організмів використовує вуглеводи, але для цих цілей може бути використано окислення і ліпідів, і білків. Однак мономери білків, т. Е. Амінокислоти, дуже й потрібні клітці для синтезу власних білкових структур. Тому білки зазвичай представляють собою «недоторканний запас» клітини і рідко витрачаються для отримання енергії.