Глава 5. Обмен веществ. Биоэнергетика

5.1. Введение в обмен веществ

Обмен веществ (метаболизм) представляет собой совокупность химических превращений, протекающих в организме человека. Он представлен суммой взаимосвязанных высоко координируемых химических реакций, обеспечивающихся комплексом ферментных систем. Обменные процессы подвержены тонким механизмам регуляции. За счет этого метаболизм адекватно изменяется в соответствии с внутренними потребностями организма и внешними условиями его существования.

Обмен веществ является неотъемлемой частью живой материи. Он обеспечивает:

• процессы жизнедеятельности энергией;
• превращает поступающие в организм экзогенные вещества (компоненты пищи) в своеобразные «строительные блоки», которые используются для образования собственных молекул (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и др.);
• образуются молекулы, которые регулируют течение обменных процессов в организме, а также хранят и передают информацию о его строении.

Обмен веществ (метаболизм) — совокупность химических процессов, происходящих в живом организме

Значение метаболизма:

◊ обеспечение энергией;

◊ образование пластического материала из экзогенных (пищевых) молекул;

◊ синтез собственных макромолекул;

◊ синтез молекул-регуляторов

Центральные пути метаболизма — обменные процессы, которые одинаково идут в разных тканях многоклеточных организмов и у организмов, стоящих на разных этапах эволюционного развития

Обмен веществ складывается из сотен и тысяч химических реакций, которые с определенными особенностями протекают в организмах, имеющих разный уровень организации. Вместе с тем существуют пути метаболизма, которые практически одинаково происходят в разных организмах. Они обозначаются как центральные пути метаболизма (гликолиз, цикл трикарбоновых кислот, цикл Кноопа–Линена и др.).

Обмен веществ складывается из двух фаз:

• катаболизм — совокупность реакций распада, в процессе которых сложные органические молекулы распадаются до более простых продуктов. Конечными продуктами катаболизма являются неорганические вещества — СО₂, Н₂О, H₂S, NH₃ и др. Характерной чертой катаболизма служит его экзэргический характер. В процессе распада органических молекул происходит разрыв химических связей, который сопровождается освобождением энергии. Эта энергия используется для обеспечения энергозависимых процессов или запасается в удобной для хранения форме. Универсальной формой хранения энергии в клетке является аденозинтрифосфат (АТФ) — «универсальная энергетическая валюта» клетки;
• анаболизм — совокупность биосинтетических реакций, в процессе которых происходит синтез органических молекул из более просто устроенных предшественников. В качестве исходных предшественников анаболизма выступают такие вещества, как СО₂, Н₂О, H₂S, NH₃, Н₃РО₄ и др. Характерной чертой анаболизма является его эндергический характер. Это связано с тем, что для образования новых химических связей требуется энергия. Для большинства анаболических процессов энергия АТФ используется в качестве универсального источника.

Метаболизм складывается из двух фаз:

◊ анаболизм;

◊ катаболизм

Катаболизм — совокупность реакций распада. Катаболические реакции имеют экзергический характер

Анаболизм — совокупность реакций синтеза. Реакции анаболизма имеют эндергический характер

Эндергические процессы сопровождаются потреблением энергии

Экзергические процессы сопровождаются выделением энергии

Несмотря на антагонистический характер анаболизма и катаболизма, эти процессы объединяются в единое и неразрывное целое — метаболизм. Продукты катаболизма являются субстратами анаболических реакций, и наоборот. Более того, энергетические потребности анаболизма обеспечиваются катаболическими процессами (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Взаимосвязь анаболизма и ката­болизма

Возможность сосуществования анаболизма и катаболизма внутри одной клетки у эукариот обеспечивается их пространственным раз­делением. Как правило, они идут в разных компартментах клетки (распад липидов происходит в митохондриях, а синтез — в цитоплазме; синтез нуклеиновых кислот происходит в ядре, а распад — в цитоплазме и пр.). Кроме того, процессы катаболизма и анаболизма, как правило, подвержены реципрокной (противоположной) регуляции. Один и тот же регулятор оказывает противоположные эффекты на процессы синтеза и распада (так, цАМФ, с одной стороны, усиливает распад гликогена, а с другой — тормозит его синтез).

В процессе катаболизма условно выделяется три стадии:

• I стадия характеризуется тем, что во время нее происходит распад органических молекул до их составных компонентов. Если речь идет о биополимерах, то продуктами их распада на этой стадии являются мономеры. На I стадии катаболизма нуклеиновые кислоты распадаются до мононуклеотидов, белки до аминокислот, полисаха­риды — до моносахаридов, триацилглицеролы до глицерина и высших жирных жирных кислот и т.д.;
• II стадия включает процессы, в которых продукты, образовавшиеся на I стадии катаболизма, превращаются в общие промежуточные продукты распада органических молекул. К подобным общим промежуточным продуктам относятся пировиноградная кислота, остаток уксусной кислоты, связанный с коэнзимом А, ацетоуксусная кислота и др. Любое органическое соединение, входящее в состав живых организмов, своим путем может превратиться в эти общие промежуточные продукты;
• III стадия включает в себя процессы, в которых происходит распад общих промежуточных продуктов катаболизма до конечных продуктов катаболизма (углекислого газа, воды и др). На этой стадии происходит выделение наибольшего количества энергии в процессе распада органических молекул.