Понятие об обмене веществ и энергии

Обмен веществ и энергии — это

Ученые используют термин «биоэнергетика» для описания концепции потоков энергии в живых системах, таких как клетки. Такие клеточные процессы, как построение и разрушение сложных молекул, происходят в результате поэтапных химических реакций. Некоторые из этих химических реакций протекают спонтанно с выделением энергии, в то время как для протекания других требуется энергия. Как живые существа должны постоянно потреблять пищу для пополнения запасов энергии, так и клетки должны постоянно вырабатывать энергию для восполнения энергии, расходуемой в ходе многочисленных химических реакций, требующих затрат энергии.

В любой момент времени в клетках организма происходят тысячи сложных химических процессов, обеспечивающих его здоровье и жизнедеятельность. Такие процессы помогают дышать, циркулировать крови, регулировать температуру тела, обеспечивать работу мозга и нервов.

Виды

Существует два вида обмена веществ: катаболизм и анаболизм. Процессы анаболизма требуют энергии, а процессы катаболизма создают или высвобождают энергию. Оба вида обмена веществ протекают в организме одновременно.

Когда мы принимаем пищу, организм должен переварить ее и катаболизировать или расщепить до формы, пригодной для использования организмом. Другой пример катаболического процесса — расщепление мышечной и жировой ткани для высвобождения накопленной энергии во время напряженной тренировки или голодания.

Иногда анаболизм заметен, например, при наращивании мышц для занятий спортом, заживлении ран, скачке роста или беременности. В других случаях анаболизм происходит незаметно, например, при производстве новых клеток крови, восстановлении ДНК, минерализации костей или синтезе гормонов, таких как инсулин, эстроген или тестостерон.

Все живые организмы подвергаются обмену веществ, могут быть классифицированы по трем основным признакам:

1. Метод, с помощью которого они получают энергию.
2. Метод, с помощью которого они получают углерод.
3. Метод, с помощью которого они генерируют восстановительные эквиваленты.

1. Источник энергии.

Организмы могут получать энергию, необходимую им для жизни и роста, одним из двух способов:

• фототрофный — энергию получают из солнечного света;
• хемотрофный — энергию получают из внешних химических соединений.

2. Источник углерода.

Организмы могут получать углерод для синтеза органических молекул одним из трех способов:

• автотрофный — углерод получают из неорганических соединений (например, CO2);
• гетеротрофный — углерод получают из органических соединений (например, сахаров);
• миксотрофный — углерод может быть получен как из неорганических, так и из органических источников.

3. Восстановительные эквиваленты.

Восстановительные эквиваленты — это химические виды, способные переносить электроны, необходимые для преобразования энергии и биосинтеза. Организмы могут получать их из одного из двух источников:

• органотрофные — электроны получают из органических соединений (например, углеводов, белков, липидов);
• литотрофные — электроны получают из неорганических соединений (например, H2, NH3, CO, H2S, SO42-, Fe).

Эти термины могут быть объединены для описания организма — например, фотолитоавтотрофы (растения), хемоорганогетеротрофы (животные).

Свойства

Основными функциями метаболизма являются запасание (т.е. преобразование определенных молекул в источник энергии для различных клеточных процессов), превращение определенных молекул в компоненты биомолекул (например, углеводов, белков, липидов и нуклеиновых кислот) и удаление побочных продуктов, таких как азотистые отходы.

Существует четыре основных вида биохимических веществ: углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и белки. Кроме этих биохимических элементов, есть еще два, которые обычно изучаются. Это коферменты и минеральные вещества. Все эти молекулы играют одни из самых важных ролей, без которых невозможно нормальное функционирование, координация и эффективность биологических систем.

Липиды

Липиды — это биохимические вещества, которые не растворяются в полярных, а только в неполярных растворителях. Большинство липидов являются либо амфипатическими, либо гидрофобными. Амфипатическая молекула буквально означает молекулу, имеющую как гидрофильную, так и гидрофобную части. В биологическом мире существует целый ряд липидов: от простых жиров до ПНЖК (полиненасыщенных жирных кислот), от моно- и триглицеридов до длинноцепочечных пренольных липидов, от различных типов фосфолипидов и сфинголипидов до стеринов.

Если некоторые липиды не являются основными для животных и млекопитающих, поскольку могут быть получены из цетановых липидов организма, то другие липиды, такие как ALA (альфа-линоленовая кислота) и LA (линолевая кислота), являются основными для человеческого организма. Для растений не существует такого понятия, как основные и неосновные липиды; они являются основными производителями липидов на нашей планете.

1. Место основного обмена липидов и жиров у животных: печень, поджелудочная железа.
2. Место основного обмена липидов в растениях: пластиды и пероксисомы.

Процесс распада липидов называется бета-окислением. Места бета-окисления в растениях: пероксисомы и глиоксисомы. Места бета-окисления у животных и млекопитающих: митохондрии и пероксисомы.

Аминокислоты и белки

Аминокислоты и белки являются основной структурной единицей всех клеток. Белки — это строительные блоки любого биологического организма. Они фактически являются полимерами, состоящими из мономеров, называемых аминокислотами. Аминокислоты — это органические соединения, имеющие 2 основные группы: аминогруппу и карбоксилатную группу. Кроме того, имеется одна группа боковой цепи, характерная для каждой аминокислоты. Разные или одинаковые аминокислоты соединяются друг с другом пептидными связями и образуют длинные пептиды (полипептиды/белки).

Важнейшими функциями, выполняемыми белками, являются:

1. Катализ метаболических процессов.
2. Внутриклеточный транспорт.
3. Антитела и иммунные функции.
4. Формирование структуры клетки и организма.
5. Сигнализация клеток.
6. Гормоны и хранение.

Нуклеотиды

Нуклеотиды являются основными структурными и функциональными блоками нуклеиновых кислот.

Азотистое основание + сахар → нуклеозид;
Нуклеозид + 1 фосфатная группа → монофосфат нуклеотида;
Монофосфат нуклеотида + 1 фосфатная группа → Дифосфат нуклеотида;
Дифосфат нуклеотида + 1 фосфатная группа → Трифосфат нуклеотида (нуклеиновые кислоты).

Нуклеотид — основной строительный блок нуклеиновых кислот (РНК и ДНК). Состоит из молекулы сахара (рибозы в РНК или дезоксирибозы в ДНК), соединенной с фосфатной группой и азотсодержащим основанием. В ДНК используются такие основания, как аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T). В РНК вместо тимина используется основание урацил (U). Молекулы ДНК и РНК представляют собой полимеры, состоящие из длинных цепочек нуклеотидов.

Анаболизм (синтез):

Все живые клетки способны вырабатывать нуклеиновые кислоты.
Потребление нуклеиновых кислот с пищей в действительности не требуется.
Нуклеиновые кислоты, поступающие с пищей, фактически деградируют и возвращаются обратно для участия в метаболических реакциях анаболического типа по путям спасения.

Катаболизм (распад):

Катаболизм нуклеотидов и нуклеиновых кислот — это непрерывный процесс, который не отстает от анаболизма нуклеотидов.
Возможны только два конечных пункта назначения нуклеотидов: первый — деградация до отработанного продукта и окончательное выведение из организма, второй - повторное включение катаболизированных продуктов по пути спасения в производство нуклеотидов.

Углеводы

Углеводы — это гидраты углерода, состоящие в основном из атомов углерода, кислорода и водорода. Четыре основных типа: моно-, поли-, ди-, олигосахариды.

1. Основным источником топлива для всех видов биологической деятельности являются моносахариды. Глюкоза, рибоза, фруктоза, трегалоза, рибулоза, ксилулоза, галактоза, манноза, дезоксирибоза и ликсоза являются примерами моносахаридов и служат важными предшественниками для многих видов метаболизма в клетке.
2. Полисахариды — это полимерные комплексы, состоящие из 200-2500 моносахаридов, соединенных между собой гликозидными связями. Они бывают линейными и разветвленными. Примерами полисахаридов являются крахмал, целлюлоза, хитин, гликоген и галактоген.
3. Дисахариды — это также простые углеводы, образующиеся при соединении двух моносахаридов гликозидными связями. Примерами являются лактоза, мальтоза, сахароза и целлобиоза.
4. Олигосахаридами называются небольшие полимеры сахаров, состоящие примерно из 3-10 моносахаридов, соединенных между собой. Примерами олигосахаридов являются ряд раффинозы, мальтодекстрин, целлодекстрин.

Анаболизм (синтез):

Растения: Растения синтезируют собственные углеводы в процессе фотосинтеза из углекислого газа, солнечного света и воды.
Животные и грибы: Глюконеогенез - анаболическая реакция получения углеводов из неуглеводных источников у животных и млекопитающих. Местом глюконеогенеза у позвоночных животных является печень. Существует и другой способ синтеза углеводов, называемый гликогенезом, - процесс превращения глюкозы в гликоген.

Катаболизм (распад):

Распад углеводов, таких как глюкоза, происходит посредством гликолиза. Гликолиз происходит как в растениях, так и в животных.
Распад таких углеводов, как гликоген, происходит в результате катаболической реакции — гликогенолиза.

Коферменты

Коферменты — это очень маленькие молекулы, которые сами по себе не могут катализировать биологические реакции; при связывании с апоферментами образуются голоферменты. Холоферменты — это активное состояние ферментов, а апоферменты — неактивное или менее активное состояние. В качестве коферментов выступают многие витамины.

Минералы и кофакторы

Минералы и кофакторы являются одними из важнейших биохимических веществ в живом организме. Кофакторы могут быть любыми: органическими или неорганическими. Они способствуют функционированию ферментов.

Кофакторы отличаются от коферментов тем, что кофакторы — это в общем случае химические соединения, а коферменты — это разновидность кофакторов, представляющих собой биологические молекулы.
С одной стороны, кофакторы имеют неорганическую природу, а коферменты — органическую.
Кофакторы плотно/ковалентно связаны с ферментами, в то время как коферменты, напротив, связаны с ферментами слабо.
Примеры кофакторов для ферментов: Ионы металлов Mg2+, Cu+, Mn2+.

Энергия

Термодинамика относится к изучению энергии и ее переноса с участием физической материи. Материя, имеющая отношение к конкретному случаю передачи энергии, называется системой, а все, что находится вне этой системы, — окружением. Например, при нагревании кастрюли с водой на плите система включает в себя плиту, кастрюлю и воду. Энергия передается внутри системы (между плитой, кастрюлей и водой). Существует два типа систем: открытые и закрытые. В открытой системе энергия может обмениваться с окружающей средой. Система с плитой является открытой, поскольку тепло может уходить в воздух. Закрытая система не может обмениваться энергией с окружающей средой.

Биологические организмы представляют собой открытые системы. Они обмениваются энергией с окружающей средой, поскольку используют энергию солнца для фотосинтеза или потребляют молекулы, накапливающие энергию, и отдают энергию в окружающую среду, совершая работу и выделяя тепло. Как и все в физическом мире, энергия подчиняется физическим законам. Законы термодинамики регулируют передачу энергии во всех системах Вселенной и между ними. Растения осуществляют одно из самых биологически полезных преобразований энергии на Земле: они преобразуют энергию солнечного света в химическую, запасенную в органических молекулах.

Основные этапы обмена

Катаболизм можно разделить на 3 основные стадии:

Стадия 1 — переваривание.
Крупные органические молекулы органической химии, такие как белки, липиды и полисахариды, перевариваются на более мелкие компоненты вне клеток. На этом этапе перевариваются крахмал, целлюлоза и белки, которые не могут быть непосредственно поглощены клетками.

Стадия 2 — высвобождение энергии.
После расщепления молекул эти молекулы поглощаются клетками и превращаются в еще более мелкие молекулы, обычно в ацетил-коэнзим А, в результате чего высвобождается некоторое количество энергии.

Стадия 3 — накопление энергии.
Высвобожденная энергия запасается путем восстановления кофермента никотинамид-аденин-динуклеотида в NADH.

Этот процесс обеспечивает химическую энергию, необходимую для поддержания и роста клеток. Примерами катаболических процессов являются гликолиз, цикл лимонной кислоты, расщепление мышечного белка с целью использования аминокислот в качестве субстратов для глюконеогенеза, расщепление жира в жировой ткани до жирных кислот и окислительное дезаминирование нейромедиаторов под действием моноаминоксидазы.

В анаболизме также можно выделить три стадии. К ним относятся:

Стадия 1 — Образование предшественников, таких как моносахариды, нуклеотиды, аминокислоты и изопреноиды.
Стадия 2 — Активация вышеупомянутых предшественников в реактивные формы с помощью энергии АТФ.
Стадия 3 — Сборка предшественников с образованием сложных молекул, таких как полисахариды, нуклеиновые кислоты, белки и липиды.

Как происходит обмен

Метаболизм осуществляется за счет баланса анаболической и катаболической активности. Любая метаболическая активность живого организма требует затрат энергии. Для любой такой энергии необходим источник энергии. Так как энергия не может ни создаваться, ни уничтожаться, она может только переходить из одной формы в другую. Таким образом, энергия, необходимая для выполнения любой работы живым организмом, берется из источника энергии, которым обычно являются углеводы или липиды.

В процессе базового биологического роста и развития живого существа оно стремится либо вырабатывать собственные источники энергии, либо использовать другие источники. Например, растения используют энергию солнечного света для производства собственных источников питания (энергии). С другой стороны, животные и грибы зависят от фотосинтезирующих организмов или других животных в качестве источника энергии.