Метаболізм як основа життєдіяльності клітини
Під метаболізмом розуміють постійно відбувається в клітинах живих організмів обмін речовин і енергії. Одні сполуки, виконавши свою функцію, стають непотрібними, в інших виникає нагальна потреба. У різних процесах метаболізму з простих речовин за участю ферментів синтезуються високомолекулярні сполуки, в свою чергу складні молекули розщеплюються на більш прості.
Реакції біологічного синтезу називаються анаболічними (грец. Anabole підйом), а їх сукупність в клітці анаболизмом, або пластичним обміном (грецьк. Plastos виліплений, створений).
У клітці протікає величезна кількість процесів синтезу: ліпідів в ендоплазматичної мережі, білків на рибосомах, полісахаридів в комплексі Гольджі еукаріот і в цитоплазмі прокаріотів, вуглеводів в пластидах рослин. Структура синтезованих макромолекул має видовий й індивідуальною специфічністю. Набір характерних для клітини речовин відповідає послідовності нуклеотидів ДНК, що складають генотип. Для забезпечення реакцій синтезу клітині потрібні значні витрати енергії, одержуваної при розщепленні речовин.
Сукупність реакцій розщеплення складних молекул на простіші носить назву катаболізму (грецьк. Katabole руйнування), або енергетичного обміну. Прикладами таких реакцій є розщеплення ліпідів, полісахаридів, білків і нуклеїнових кислот в лізосомах, а також простих вуглеводів і жирних кислот в мітохондріях.
В результаті процесів катаболізму вивільняється енергія. Істотна її частина запасається у вигляді високоенергетичних хімічних зв'язків АТФ. Запаси АТФ дозволяють організму швидко і ефективно забезпечувати різні процеси життєдіяльності.
Молекули білків функціонують в організмі від декількох годин до декількох днів. За цей період в них накопичуються порушення, і білки стають непридатними для виконання своїх функцій. Вони розщеплюються і замінюються на знову синтезовані. Вимагають постійного оновлення і самі клітинні структури.
Пластичний і енергетичний обміни нерозривно пов'язані між собою. Процеси розщеплення здійснюють енергетичне забезпечення процесів синтезу, а також постачають необхідні для синтезу будівельні речовини. Правильний обмін речовин підтримує сталість хімічного складу біологічних систем, їх внутрішнього середовища. Здатність організмів зберігати внутрішні параметри незмінними носить назву гомеостазу. Процеси метаболізму відбуваються відповідно до генетичної програмою клітини, реалізуючи її спадкову інформацію.
Енергетичний обмін в клітині. синтез АТФ
Людина і тварини отримують енергію за рахунок окислення органічних сполук, що надходять з їжею. Біологічне окислення речовин це, по суті, повільне горіння. Кінцеві продукти згоряння дров (целюлози) вуглекислий газ і вода. Повне окислення органічних речовин (вуглеводів і ліпідів) в клітинах також відбувається до води і вуглекислого газу. На відміну від горіння, процес біологічного окислення відбувається поступово. Вивільняється енергія також поступово запасається у вигляді хімічних зв'язків синтезованих сполук. Деяка її частина розсіюється в клітинах, підтримуючи необхідну для життєдіяльності температуру.
Синтез АТФ відбувається головним чином в мітохондріях (у рослин ще й у хлоропластах) і забезпечується в основному енергією, що виділяється при розщепленні глюкози, але можуть використовуватися і інші прості органічні сполуки цукру, жирні кислоти та ін.
Гліколіз. Процес розщеплення глюкози в живих організмах носить назву гліколізу (грец. Glykys солодкий + lysis розщеплення). Розглянемо основні його етапи.
На першій, попередній стадії в лізосомах відбувається утворення простих органічних молекул шляхом розщеплення ди-і полісахаридів. Виділяється при цьому невелику кількість енергії розсіюється у вигляді тепла.
Другий етап гліколізу відбувається в цитоплазмі без участі кисню і називається анаеробним (безкисневі грец. Ana без + aer повітря) гликолизом неповним окисленням глюкози без участі кисню.
Безкисневий гліколіз являє собою складний багатоступінчастий процес з десяти послідовних реакцій. Кожна реакція каталізується спеціальним ферментом. В результаті глюкоза розщеплюється до піровиноградної кислоти (ПВК):
С6Н12О6 (глюкоза) + 2Н3РО4 + 2АДФ = 2С3Н4О3 (ПВК) + 2АТФ + 2Н2О
Глюкоза в цьому процесі не тільки розщеплюється, а й окислюється (втрачає атоми водню). В м'язах людини і тварин дві молекули ПВК, набуваючи атоми водню, відновлюються в молочну кислоту С3Н6О3. Цим же продуктом закінчується гліколіз у молочнокислих бактерій і грибків, застосовуваний для приготування кислого молока, кислого молока, кефіру, а також при силосуванні кормів у тваринництві. Процес перетворення ПВК в клітинах мікроорганізмів і рослин в стійкі кінцеві продукти називають бродінням.
Так, дріжджові грибки розщеплюють ПВК на етиловий спирт і вуглекислий газ. Цей процес, званий спиртовим бродінням, використовують для приготування квасу, пива і вина. Бродіння інших мікроорганізмів завершується освітою ацетону, оцтової кислоти і т.д.
Головним результатом анаеробного гліколізу в усіх організмах є освіту двох молекул АТФ. Вивільняється при розщепленні глюкози енергія щодо невелика 200 кДж / моль. високоенергетичних св