7. Обмен веществ и энергии

Обмен веществ и энергии являются главной сущностью жизнедеятельности любого организма. В процессе обмена веществ образуется энергия и используется для поддержания температуры тела, совершения работы, роста и развития организма, обеспечения структур и функций всех клеточных элементов. Обмен веществ и энергии неразрывно связаны между собой и включают два процесса – ассимиляцию (анаболизм) и диссимиляцию (катаболизм).

Катаболизм – это процесс расщепления сложных органических молекул до более простых конечных продуктов. Углеводы, жиры и белки, поступившие извне с кормами и присутствующие в самой клетке в качестве запасных веществ, распадаются в последовательных реакциях до таких соединений, как молочная кислота, CO₂ и аммиак. Катаболические процессы сопровождаются освобождением свободной энергии, заключенной в сложной структуре больших органических молекул. Эта энергия запасается в молекулах АТФ (аденозинтрифосфата) и частично в богатых энергией водородных атомах кофермента НАДФН₂ -никотинамидадениндинуклеотидфосфата, находящегося в восстановленной форме. Ферментативное расщепление белков, углеводов, липидов происходит последовательно через ряд этапов. На первой стадии полисахариды распадаются до моносахаридов, жиры – до жирных кислот, глицерина и других компонентов, а белки – до аминокислот. Все эти компоненты на второй стадии катаболизма превращаются в еще более простые соединения: гексозы, пентозы и глицерин расщепляются до пировиноградной кислоты (пируват), затем до активированной уксусной кислоты – ацетил-коэнзима А. Расщепление жирных кислот и большинства аминокислот также завершается с образованием ацетил-КоА. На третьей стадии катаболизма ацетил-КоА вступает в цикл лимонной кислоты, где происходит его окисление до CO₂ и H₂O. Схематическое изображение стадии катаболизма представлено на рис.7.1.

Анаболизм (ассимиляция) или биосинтез происходит одновременно с катаболизмом, при котором из малых молекул-предшественников синтезируются белки, нуклеиновые кислоты и другие макромолекулярные компоненты клетки, причем этот процесс требует затраты энергии. Источником энергии являются макроэргические молекулы АТФ, которые распадаются до АДФ и неорганического фосфата, а также НАДФН₂. Биосинтез протекает также последовательно.

Рис. 7.1. Схематическое изображение стадий катаболизма (по Ленинджеру).

Синтез белков начинается с образования α-кетокислот и других предшественников. На второй стадии происходит аминирование α-кетокислот – образуются α-аминокислоты. Затем из аминокислот строятся полипептидные цепи и образуются различные белки. Таким же образом синтезируются липиды.

Клетка является основной единицей всех живых организмов, где происходит обмен веществ. В процессе эволюции возникли клеточные органеллы, которые обеспечивают последовательность основных химических реакций: ядро, митохондрии, эндоплазматический ретикулум, рибосомы, лизосомы, микросомы (рис.7.2.).

Биохимические процессы происходят в клетке в определенной последовательности с участием ферментов. Ферменты локализованы в отдельных клеточных структурах, которые специализированы в обмене веществ.

ОСНОВНЫЕ КЛЕТОЧНЫЕ СТРУКТУРЫ, В КОТОРЫХ

ПРОИСХОДЯТ БИОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ:

Рис.7.2. Строение эукариотической клетки

Ядро локализовано в средней части клетки, окружено двойной мембраной, содержит хроматин (ДНК+белок) – носитель генетической информации. Внутри ядра находится ядрышко, где синтезируется рибосомальная РНК. Наружная мембрана ядра связана с аппаратом Гольджи, где происходит секреция метаболитов.

Рибосомы расположены на поверхности эндоплазматической сети, где происходит синтез белковой молекулы.

Митохондрии имеют внутреннюю и внешнюю мембраны, это «энергетические станции» клетки. В них происходят окислительно-восстановительные реакции и синтез АТФ.

Лизосомы содержат гидролитические ферменты, где происходит расщепление белков, углеводов и других соединений, подлежащих лизису, а также веществ, поступивших путем пиноцитоза и фагоцитоза. Апоптоз – запрограммированная гибель клеток, лизис клеток, утративших свои функции, осуществляется с участием лизосомных ферментов.

Микросомы (пероксисомы) содержат оксидазы, окисляющие чужеродные вещества (лекарственные вещества, ароматические соединения – ксенобионты).

Цитозоль – цитоплазма - содержит ферменты различного назначения.