Что такое пластический обмен что такое энергетический обмен
Энергетический обмен
Обмен веществ
Энергетический обмен
Возможно три этапа диссимиляции: подготовительный, анаэробный и аэробный. Среда обитания определяет количество этапов диссимиляции. Их может быть три, если организм обитает в кислородной среде, и два, если речь идет об организме, обитающем в бескислородной среде (к примеру, в кишечнике).
Подготовительный этап осуществляется ферментами в ЖКТ. В результате действия ферментов сложные вещества превращаются в более простые: полимеры распадаются на мономеры. Это сопровождается разрывом химических связей и выделением энергии, большая часть которой рассеивается в виде тепла.
Этот этап является последним для организмов-анаэробов, обитающих в условиях, где кислород отсутствует. На этапе гликолиза происходит расщепление молекулы глюкозы: образуется 2 молекулы АТФ и 2 молекулы пировиноградной кислоты (ПВК). Происходит данный этап в цитоплазме клеток.
Таким образом, суммарно с одной молекулы глюкозы можно получить 38 АТФ (гликолиз + кислородный этап).
Кислородный этап протекает на кристах митохондрий (складках, выпячиваниях внутренней мембраны), где наибольшая концентрация окислительных ферментов. Главную роль в этом процессе играет так называемый цикл Кребса, который подробно изучает биохимия.
Пластический обмен
АТФ является универсальным источником энергии в клетке: энергия макроэргических связей АТФ используется для реакций пластического обмена (ассимиляции), протекающих с затратой энергии: синтеза белка на рибосоме (трансляции), удвоению ДНК (репликации) и т.д.
В результате пластического обмена в нашем организме происходит синтез белков, жиров и углеводов.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Пластический и энергетический обмен: отличие процессов и значение
При метаболизме происходят следующие процессы: пластический и энергетический обмен. При распаде сложных веществ получается энергия, которая необходима для построения и работы животного организма, человека. В биологии и анатомии рассматриваемые явления тесно взаимосвязаны между собой. С их помощью осуществляется рост тканей, сокращение мускулатуры, поддержка тепла.
Отличительные характеристики
Взаимосвязь между организмом и окружающей средой осуществляется через обмен веществ либо метаболизм. Чтобы обеспечить жизнедеятельность, необходимо постоянное поступление внутрь организма пищи, воздуха, неорганических и органических веществ. К последним элементам относятся:
Их значение для человека и животных связано с проведением химических реакций.
Таблица: сравнительные характеристики энергетического и пластического обмена
| Название процесса | Функции |
| Энергетический (катаболизм, окисление, диссимиляция) | Расщепляет органические компоненты, которые поступают из внешней среды либо образовались в ходе пластического обмена. В результате реакции выделяется энергия — молекулы АТФ (аденозинтрифосфата), которые синтезируют вещества. |
| Пластический (биосинтез, анаболизм, ассимиляция) | При синтезе специфических веществ органического класса затрачивается энергия. Полученные компоненты называются строительным материалом и энергетическим запасом. |
Энергетический обмен (катаболизм) отличается от пластического тем, что направлен на получение энергии в результате расщепления сложных компонентов на простые. В обратном направлении происходит пластический процесс (анаболизм). Он связан с синтезом сложных веществ из простых. Для его проведения требуется энергия.
Кратко про этапы катаболизма:
На первом этапе желудочный сок и ферменты расщепляют белки на аминокислоты, а липиды на глицерин и высшие кислоты. Из углеводов получаются простые структуры (моносахариды). Следующие 2 этапы осуществляются внутри организма. Для анаэробной реакции, в отличие от аэробной, кислород не нужен.
При гликолизе расщепляется глюкоза на простые компоненты, включая молочную кислоту и этиловый спирт. Процесс характеризуется выделением углекислого газа. Реакция протекает в специальных структурах клетки. Она сопровождается получением АТФ.
Реакция, при которой происходит распад моносахарида до этилового спирта, применяется бактериями, дрожжами. Если после процесса остается пировиноградная кислота, тогда он протекает в животных клетках. Свойства бактерий, которые можно направить на расщепление глюкозы до молочной кислоты, используются в пищевой промышленности.
Последняя стадия энергетического обмена протекает в митохондриях. Для нее характерно клеточное дыхание. Для выполнения реакции необходим кислород. При сжигании органических веществ вырабатываются природные катализаторы — ферменты. Другой процесс, который протекает в митохондриях — сжигание пировиноградной кислоты, что приводит к высвобождению энергии.
В результате пластического обмена образуются вещества, необходимые для построения клеток и организма. Для него характерны 3 разновидности:
Первое явление характерно для растений и бактерий фотосинтезирующей группы (автотрофы). Они способы для себя вырабатывать органические вещества из неорганических. Второй процесс протекает в бактериях и не требует кислород.
Этапы фотосинтеза и хемосинтеза
Явление считается основой жизни на Земле. Растительные организмы забирают из атмосферы углекислый газ, отдавая кислород. В основе процесса находится образование глюкозы с кислородом из углекислого газа и воды. Фактор, обеспечивающий протекание реакции — наличие солнечной энергии.
При таком химическом воздействии из 6 молекул углекислого газа и воды образуются молекулы кислорода и глюкоза. Место проведения процесса — зеленые листья растений (хлоропласты). В состав органелл входит хлорофилл. Он обеспечивает фотосинтез, придавая листьям зеленый оттенок. Вокруг хлоропласта предусмотрены 2 мембраны, а в цитоплазме граны.
В микроорганизмах, железобактериях протекает пластический обмен — хемосинтез. Для него требуется энергия, которая получается при окислении некоторых компонентов. Вещество, окисляющее бактерии, является сероводородом.
Транскрипция и трансляция
При обмене белков наблюдается расщепление тех веществ, которые находились в пище, на аминокислоты. Их последних формируются личные белки. Для пластического обмена характерен и синтез белков, который включает в себя следующие процессы:
В первом случае синтезируется информационная РНК путем комплементарности. Явление протекает в ядре в 3 стадиях: образование первого транскрипта, процессинг (обработка информации), сплайсинг (сращивание). При трансляции переносится зашифрованная информация о структуре белка на синтезирующийся полипептид.
Процесс протекает в цитоплазме клетки — рибосоме (органоид, отвечающий за синтез белков). Для органа характерна овальная форма, состоящая из 2 частей. Они соединяются под воздействием иРНК. Трансляция состоит из 4 этапов. Предварительно активируются аминокислоты под влиянием специального фермента. На первой стадии рибосома может выбрать АТФ.
На следующем этапе формируется аминоациладенилат. К транспортной РНК присоединяются активированные аминокислоты. На 3-й стадии аминокислоты с РНК соединяются с рибосомой. На последнем этапе аминокислота входит в структуру белка, при этом высвобождается транспортная РНК. При воспалительных, инфекционных или онкологических реакциях нарушается работа всего организма, включая обменные процессы. Для постановки диагноза проводятся лабораторные исследования.
Обмен веществ в организме человека #40
Пластический и энергетический обмен
Обмен веществ и энергии является одним из основных признаков живого вещества. Обмен веществ – это совокупность процессов химического превращения веществ от момента их поступления в организм до выделения конечных предуктов обмена. В клетках постоянно идет синтез сложных органических соединений с использованием энергии и одновременно с этим – их расщепление и окисление с выделением энергии и образованием низкомолекулярных веществ.
Обмен веществ – совокупность реакций пластического (ассимиляции) и энергетического (диссимиляции) обменов.
Пластический обмен (ассимиляция) – совокупность реакций синтеза сложных органических веществ (белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот) из более простых. Реакции пластического обмена являются эндотермическими (идут с поглощением энергии).
Энергетический обмен (диссимиляция) – совокупность реакций, обеспечивающих клетку энергией, в ходе которых происходит расщепление и окисление сложных органических веществ: белков – до СО2‚ Н2О‚ NН3 или мочевины; жиров и углеводов – до СО2 и Н2О.
Источником энергии для организма являются органические вещества: углеводы, жиры, белки. Образовавшаяся в реакциях энергетического обмена химическая энергия преобразуется в дальнейшем в электрическую, тепловую и механическую энергию. Для нормального обмена необходимы также вода, минеральные соли и витамины.
Этапы обмена веществ: поступление веществ в организм; изменение веществ в ходе ассимиляции и диссимиляции; выведение конечных продуктов обмена.
Ассимиляция и диссимиляция неразрывно связаны между собой:
Водно-минеральный обмен
Вода входит в состав клеток, межклеточного вещества, тканевой жидкости и лимфы. Она составляет 65 — 70% массы тела человека (у детей больше), а плазма крови и лимфа содержат свыше 90% воды.
Значение воды в организме: определяет физические свойства клетки (объем, массу, тургор); универсальный растворитель; основной компонент внутренней среды, место протекания большинства биохимических реакций в клетке; участник реакций гидролиза.
АТФ + H20 = АДФ + Н3Р04 2- создают фосфатную буферную систему, поддерживающую внутри клеток слабокислую среду (рН = 6,9), а угольная кислота и ее анионы НСО3 — создают бикарбонатную буферную систему, которая поддерживает слабощелочную реакцию внеклеточной среды (например, плазма крови) (рН = 7,4).
Общее количество минеральных солей в организме человека – около 4,5%.
Потребности организма в минеральных солях удовлетворяются продуктами питания. Железа много в яблоках, йода – в морской капусте, кальция – в молочных продуктах. Человек нуждается в постоянном поступлении натрия и хлора. Поваренную соль (хлористый натрий) добавляют к пище (до 10 г в сутки). В некоторых регионах в поваренную соль добавляют йод (в связи с недостатком его в воде и местных продуктах питания).
Всасывание минеральных солей происходит вместе с водой в основном в толстом кишечнике. Попавшие в кровь минеральные соли доставляются клеткам организма.
Излишки минеральных солей выводятся из организма с мочой, потом и калом.
Белковый
Все белки построены из 20 аминокислот, но, несмотря на это, разнообразие белковых молекул огромно. Они обладают специфичностью, которая определяется количеством и порядком расположения аминокислот, различным сочетанием аминокислот, способностью белков присоединять другие вещества.
Роль белков в организме: входят в состав мембран и органелл клетки; из кератина и коллагена состоят хрящи, сухожилия, волосы, ногти; некоторые белки способны присоединять и переносить различные вещества (гемоглобин переносит кислород и диоксид углерода, альбумины крови транспортируют жирные кислоты, глобулины – ионы металлов и гормоны); актин и миозин входят в состав миофибрилл мышечной ткани; иммуноглобулины (антитела) обеспечивают защитные реакции иммунитета, протромбин и фибриноген участвуют в защитной реакции свертывания крови; некоторые белки, встроенные в плазмалемму, способны изменять свою пространственную конфигурацию под действием факторов внешней среды (родопсин палочек сетчатки глаза); многие гормоны имеют белковую природу (инсулин, глюкагон, АКТГ ); все ферменты являются белками (трипсин, ДНК-полимераза).
Суточная потребность в белках составляет 72 — 92г. Источником белков для человека служат преимущественно продукты животного. Большое количество белков содержится в мясе (от 14 до 21%), рыбе, молоке и продуктах его переработки. Продукты растительного происхождения содержит 8 — 23% белков (бобовые растения).
По содержанию необходимых для организма аминокислот белки делятся на полноценные (белки молока, мяса, рыбы и др.) и неполноценные, которые не содержат хотя бы одной из незаменимых кислот. Особенно важны 10 аминокислот, которые не могут синтезироваться в организме и называются незаменимыми (лизин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, метионин, аргинин и гистидин). Отсутствие в пище некоторых из них приводит к нарушению синтеза белков. При отсутствии в пище лизина замедляется рост ребенка, при недостатке валина – нарушается чувство равновесия и т.д.
Протеолитические ферменты (пепсин и химозин желудочного сока, трипсин и химотрипсин сока поджелудочной железы, энтерокиназа, аминопептидаза, карбоксипептидаза кишечного сока) расщепляют белки до полипептидов и аминокислот.
Аминокислоты всасываются в кровеносные капилляры ворсинок тонкого кишечника и разносятся кровью по всему организму. В клетках из аминокислот образуются белки, свойственные данному организму. При избытке белки преобразуются в углеводы и жиры. Часть аминокислот, не использованных в синтезе белка, окисляется с освобождением энергии (17,6 кДж на 1 г вещества) и образованием воды, диоксида углерода, аммиака и др. Аммиак в печени обезвреживается и превращается в мочевину.
Продукты диссимиляции белков выводятся из организма с мочой, потом и частично с выдыхаемым воздухом.
Углеводный
Углеводы – представляют собой первичные продукты фотосинтеза и исходные продукты для биосинтеза всех других органических веществ. Углеводы подразделяются на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.
Значение углеводов в организме: олигосахарилы входят в состав цитоплазматической мембраны клетки и образуют гликокаликс; гликоген составляет энергетический запас в клетках; глюкоза является основным источником энергии, высвобождаемой в клетках живых организмов в ходе дыхания; моносахариды являются основой для синтеза многих органических веществ в клетке – полисахаридов, нуклеиновых кислот и др.
В сутки человек должен получать 358 — 484 г углеводов. Основным их источником являются продукты растительного происхождения (картофель, хлеб, фрукты и др.). Углеводы в организме могут образовываться из белков и жиров.
Амилолитические ферменты (амилаза и мальтаза слюны, амилаза, мальтаза, лактаза, сахараза сока поджелудочной железы и тонкого кишечника) расщепляют углеводы до дисахаридов и моносахаридов.
Моносахариды всасываются в кровеносные капилляры ворсинок тонкого кишечника и разносятся кровью по всему организму. Уровень глюкозы в крови относительно постоянен и составляет 4‚4 — 7‚0 ммоль/л.
Избыток глюкозы превращается в печени в гликоген. При чрезмерном поступлении в организм углеводов они могут превращаться в жиры.
В клетках глюкоза окисляется до диоксида углерода и воды, которые удаляются с выдыхаемым воздухом, мочой, потом, при этом выделяется энергия (17,6 кДж на 1 г глюкозы).
Жировой
Липиды – органические соединения, не растворимые в воде, но хорошо растворимые в органических растворителях (эфире, бензине, бензоле, хлороформе и др.). Из всех биомолекул липиды обладают наименьшей относительной молекулярной массой. Молекула жира образована молекулой трехатомного спирта глицерина и присоединенными к ней эфирными связями тремя молекулами высших карбоновых кислот: пальмитиновой, стеариновой, арахидоновой, олеиновой, линолевой, линоленовой.
Значение жиров и жироподобных веществ в организме: входят в состав клеточных мембран, цитоплазмы, ядра; в форме липидов хранится значительная часть энергетических запасов организма; накапливаясь в подкожной жировой клетчатке и вокруг некоторых органов (почки, кишечник), жировой слой защищает организм и отдельные органы от механических, повреждений; благодаря низкой теплопроводности слой подкожного жира помогает сохранять тепло; многие биологически активные вещества (гормоны и витамины) являются стероидами (тестостерон у мужчин и прогестерон у женщин, кортикостероиды‚ витамин D).
Суточная потребность в жирах составляет 81 — 110 г. Жиры поступают в организм с растительной и животной пищей. Животные жиры поступают в организм в виде сливочного масла, сыра, сметаны, свиного сала. Растительные жиры поступают в организм в виде растительного масла.
Липолитические ферменты (липазы желудочного сока, сока поджелудочной железы и тонкого кишечника) расщепляют жиры до глицерина и жирных кислот. Жирные кислоты соединяются со щелочами и желчными кислотами, омыляются, образуя растворимые соли, которые всасываются через стенки ворсинок. В ворсинках из глицерина и жирных кислот синтезируются жиры, поступающие в лимфатические капилляры ворсинок тонкого кишечника. Жиры всасываются в лимфу, затем поступают в кровь и разносятся по всем клеткам.
Часть жира, попавшего в клетки, является строительным материалом. Большая же его часть откладывается в подкожной клетчатке, в сальнике, печени, мышцах. Жиры также являются важным источником энергии: при окислении 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии. В организме человека жиры могут синтезироваться из углеводов и белков.
Конечными продуктами окисления жиров являются диоксид углерода и вода, которые удаляются с выдыхаемым воздухом, мочой, потом.
Витамины и их роль в обмене веществ
Определение и свойства витаминов
Витамины – низкомолекулярные вещества, обладающие большой биологической активностью, необходимые для жизнедеятельности организмов.
В 1881 г. и русским ученым Н. И. Луниным было обнаружено, что мыши погибают, если их кормить пищевой смесью, состоящей из очищенных продуктов. Если же добавить в рацион 1 мл молока, мыши остаются здоровыми. В 1911 — 1912 г. польский ученый К. Функ выделил препарат из отрубей и назвал его витамином. С этого времени началось интенсивное изучение витаминов.
Витамины обозначают буквами латинского алфавита А, В, С, D, Е, Р и т. д. Натуральные (естественные) витамины содержатся в продуктах растительного и животного происхождения и, за редким исключением, не синтезируются в организме человека. Витамины бывают водорастворимые (С, Р, группы В) и жирорастворимые (А, D, Е, К).
Отсутствие витаминов в организме называется авитаминозом, недостаток – гиповитаминозом. Избыточное поступление витаминов в организм – гипервитаминоз – наблюдается при употреблении синтетических препаратов витаминов. Наиболее токсичны витамины А и D. Иногда гипервитаминоз А возникает при приеме в пищу продуктов, содержащих большое количество этого витамина (овощи, печень морских животных). Из водорастворимых витаминов наиболее токсичен В12 (в больших дозах вызывают сильные аллергические реакции).
Ретинол – витамин А
Витамин А (ретинол) участвует в окислительно-восстановительных реакциях. Содержится в сливочном масле, печени, молоке, рыбьем жире. В овощах (морковь) содержится провитамин А – каротин. Он превращается в витамин А в печени. Суточная доза – 1,5 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: задержка роста, сухость и помутнение роговицы, «куриная слепота» (нарушение сумеречного зрения), сухость кожи, снижение сопротивляемости к заболеваниям.
Кальциферол — витамин D
Витамин D (антирахитический, кальциферол) стимулирует образование костной ткани, регулирует обен кальция и фосфора. Содержится в сливочном масле, печени трески, курином желтке, рыбьем жире. Может образовываться в коже из эргостерина (провитамин D) под действием ультрафиолетовых лучей. Суточная доза – 0‚01 — 0‚02 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: рахит (размягчение костей, искривление костей ног, уплощение груди‚ незарастание родничков, позднее появление зубов у детей).
Токоферол – витамин Е
Витамин Е (токоферол) предохраняет мембраны клеток и митохондрий от повреждений, участвует в окислительно-восстановительных процессах, в обмене белков, сокращении мышц, укрепляет стенки сосудов, разрушает свободные радикалы. Содержится в зеленых листьях овощей, орехах, семечках, гречневой крупе, проросших ростках пшеницы, в яйцах, растительных маслах. Суточная доза 10 — 12 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: дистрофия скелетных мышц, нарушение половой функции.
Викасол – витамин К
Витамин К (викасол) участвует в свертывании крови. Синтезируется микрофлорой кишечника, содержится в капусте, зеленых томатах, шпинате, ягодах рябины. Из животных продуктов его источником является печень. Суточная доза – 1 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: замедление свертывания крови, самопроизвольные кровотечения.
Аскорбиновая кислота – витамин С
Витамин С (аскорбиновая кислота) участвует в окислительно-восстановительных реакциях. Седержится в смородине, лимонах, клюкве, зеленом луке, картофеле. Суточная доза – 50 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: пинга (повышенная утомляемость, кровоточивость десен, выпадение зубов, кровоизлияния, снижение иммунитета).
Тиамин – витамин B1
Витамин В1 (тиамин) участвует в регуляции обмена белков, жиров и углеводов. Содержится в дрожжах, орехах, неполированном рисе, печени, желтке куриного яйца. Суточная доза – 2,5 мг. Гипо- и авитаминоз – бери бери (поражение нервной системы с параличом конечностей и атрофией мышц).
Рибофлавин – витамин B2
Витамин В2 (рибофлавин) участвует в регуляции обмена веществ, в окислительно-восстановительных реакциях. Седержится в мясе, яйцах, молоке, печени, фруктах, овощах. Суточная доза – 2,5 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: поражение роговицы, «заеды» (ангулярный стоматит), задержка роста.
Пантотеновая кислота – витамин B3
Витамин В3 (пантотеновая кислота) является коферментом ключевых реакций метаболизма жиров. Содержится в пчелином маточном молочке и пивных дрожжах. Достаточно много его в печени животных, яичном желтке, гречихе, овсе, бобовых. Суточная доза – 10 — 15 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: психоэмоциональная неустойчивость, склонность к обморокам, изменение походки, чувство жжения стоп.
Никотиновая кислота – витамин B5
Витамин В5 (витамин РР, никотиновая кислота) входит в состав ферментов, являющихся катализаторами окислительно-восстановительных реакций, обмена белков и т-РНК. Источником витамина являются животные (особенно печень, мясо) и многие растительные продукты (рис, хлеб, картофель). Суточная доза – 10 — 20 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: дерматит (воспаление открытых участков кожи), диарея (поносы), деменция (слабоумие).
Пиридоксин – витамин В6
Витамин В6 (пиридоксин) участвует в регуляции обмена аминокислот. Содержится в дрожжах, рисе, мясе, бобах. Суточная доза – 2,5 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: воспаление кожи и нервов.
Фолиевая кислота – витамин В9
Витамин В9 (фолиевая кислота, витамин Вс) участвует в обмене белков и нуклеиновых кислот. Витамина много в лиственных овощах, например в шпинате. Он содержится в салате, капусте, томатах, землянике. Богаты им печень и мясо, яичный желток. Суточная доза – 0,3 — 1 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: анемия – в крови появляются большие незрелые кроветворные клетки; снижается количество эритроцитов и гемоглобина в крови.
Антианемический или витамин В12
Витамин В12 (аитианемический) – участвует в регуляции обмена белков, жиров и углеводов. Содержится в печени, мясе, твороге, яйцах. Суточная доза – 200 – 300 мкг. Гипо- и авитаминоз: злокачественное малокровие (анемия).
Биотин – Витамин Н
Витамин Н (биотин) – участвует в транспорте диоксида углерода, в обмене углеводов и жиров. Содержится в молоке, яйцах, печени, цветной капусте, грибах, синтезируется бактериями кишечника. Суточная доза – 150 — 200 мкг. Гипо- и авитаминоз – заболевания кожи, выпадение волос.
Методы сохранения витаминов
Методами сохранения витаминов в пищевых продуктах являются:
Энергетический и пластический обмен веществ. Взаимосвязь, как происходит, сравнение
Обмен веществ или метаболизм — неотъемлемый процесс в организме всех живых существ, без чего их существование было бы невозможным. Химический процесс, благодаря которому клетки активно размножаются и функционируют, делится на два совершенно разных типа: пластический и энергетический.
Несмотря на свои различия, оба процесса тесно связаны между собой, что обеспечивает гармоничное распределение.
Понятие метаболизма
Метаболизм или обмен веществ является совокупностью всех биохимических реакций, происходящих на клеточном уровне. Без него невозможно существование любых живых существ. Уникальной особенностью живого организма является способность извлечения физической энергии из окружающей среды, после чего — использование ее для выполнения таких действий, как рост, развитие и размножение.
Обмен веществ характеризуется наличием ферментативных химических реакций, которые постоянно образуются в живом организме. Это позволяет извлекать из окружающей среды нужную синтезированную энергию. На клеточном уровне, все биохимические процессы похожи между собой, что характерно для животных, растений или грибов.
Понятие метаболизма
Некоторые бактерии и вирусы также подвержены молекулярному влиянию. Сотни скоординированных многоэтапных элементов, получаемых из питательных веществ или солнечной энергии, преобразуются в легкодоступные молекулы, нужные для роста и существования.
Биохимические компоненты делятся на следующие группы:
Все живое состоит из сложных органических веществ или белков, которые поддерживают правильный рост на клеточном уровне, одновременно выполняя хранение и молекулярную транспортировку. Также они могут использоваться в качестве основных катализаторов, благодаря которым химические реакции протекают одинаково быстро при высокой температуре, относительно низкой концентрации и нейтральных условиях.
Различные катализированные ферменты объединяются в более сложные структурные последовательности, где продукт одной цепи становится субстратным элементом следующей. Эта особенность называется метаболическими путями, которые в свою очередь соединяются между собой, образуя сложные биологические сети.
Составные части метаболизма
Обмен веществ является совокупностью любых биохимических реакций, направленных на рост, размножение, лечение и многих других необходимых процессов.
Ферментативные реакции, которые напрямую связаны с преобразованием полезных веществ, делятся на 2 разных метаболистических обмена: энергетический (катаболизм) и пластический (анаболизм). В здоровом и правильно функционирующем организме, процессы катаболизма и анаболизма находятся в строго сбалансированном виде, что позволяет равномерно распределять энергию.
Энергетический обмен
Энергетический и пластический обмен веществ хоть и тесно взаимосвязаны между собой, имеют кардинальные различия.
Несмотря на это, один функциональный вид без другого попросту не сможет существовать. Энергетический обмен или катаболизм происходит в тканях организма до тех пор, пока нужные питательные элементы не превратятся в молекулы углекислого газа, воду или же другие, менее сложные химические соединения.
Энергетический и пластический обмен веществ
Основным катаболическим процессом является пищеварение, при котором питательные вещества попадают в организм и расщепляются на более простые компоненты. Внутри клеток, подобные процессы расщепляют полисахариды: крахмал, гликоген и целлюлозу на моносахариды: глюкозу, рибозу и фруктозу. Это позволяет получать необходимое количество энергии.
С целью использования в анаболическом синтезе новых соединений или для переработки старых, белки распадаются на аминокислоты. Нуклеиновые кислоты, содержащиеся в РНК и ДНК, катаболизируются в нуклеотиды как часть энергетических потребностей.
Основные гормональные структуры, регулирующие энергетический обмен в организме человека:
Энергетический обмен схож с горением, так как при нем выделяются аналогичные химические вещества. Несмотря на это, между ними существует одно немаловажное отличие — при катаболизме используемый потенциал не преобразуется в тепловую энергию, а переходит в запасы для будущего применения.
Распад биохимических элементов для получения организмом дополнительной энергии — процесс достаточно сложный.
Катаболизм характеризуется сразу несколькими этапами:
Каждый из этапов играет особо важную роль в обмене веществ.
Подготовительный этап
Подготовительная стадия — единственный этап обмена веществ, который протекает в стенках желудочно-кишечного тракта. Процесс характеризуется распадом сложных органических и химических соединений на более простые, что возможно благодаря воздействию пищеварительных ферментов.
Подготовительный этап
Иерархическая модель распада на подготовительной стадии:
Вместе с описанными процессами диссимиляции, в человеческом организме происходит небольшое образование тепловой энергии. Дальнейшие реакции являются клеточно-молекулярными.
Гликолиз
Гликолиз — это метаболический процесс энергетического обмена, который происходит во время анаэробного дыхания живых организмов внутри цитоплазмы. Характеризуется последовательностью из десяти катализируемых ферментов биохимических реакций, в ходе которых глюкоза расщепляется на две молекулы пирувата.
Процесс гликолиза предполагает потребление энергии для дальнейшего превращения одной молекулы глюкозы в две молекулы трехуглеродного фосфата сахара, — глицеральдегид-3-фосфат.
Многие метаболические пути полностью зависят от гликолиза:
Обмен при помощи анаэробного дыхания является универсальным для организмов любого типа. Так как его использование возможно даже в бактериях, он нашел свое применение в пищевой промышленности. Молочная кислота, этиловый спирт и многие другие продукты производятся гликолизом.
Аэробное дыхание
Аэробное дыхание или клеточное расщепление — это набор метаболических процессов, которые происходят в клетках для преобразования биохимической энергии из питательных веществ аденозинтрифосфата в продукты жизнедеятельности. Обменная реакция при этом невозможна без кислорода.
Процессы, вовлеченные в дыхание, являются катаболическими реакциями, которые разбивают большие молекулы на мелкие, высвобождая дополнительное количество энергии.
Клеточное расщепление считается экзотермической окислительно-восстановительной реакцией. Этап окисления на фазе аэробного дыхания является наиболее значимым в энергетическом обмене, поскольку производимая реакция обеспечивает клетку необходимым количеством аденозинтрифосфатной кислоты.
Пластический обмен
Энергетический и пластический обмен веществ используют различные методы работы с энергией. Так, при пластических процессах (также называемых анаболизмом и биосинтезом) используются простые молекулы для создания более сложных химических соединений или конечных продуктов.
Пластический обмен
Именно они будут учувствовать в поддержании роста, лечения, размножения или приспособления к изменениям окружающей среды. На клеточном уровне для образования полимеров, анаболические процессы используют более простые мономеры, что приводит к созданию сложных молекулярных структур. К примеру, аминокислоты могут синтезироваться в белковые элементы.
Гормоны, регулирующие пластический обмен в организме человека:
Помимо особого воздействия на человека, пластический обмен также влияет на многие другие организмы. Основные процессы анаболизма включают в себя фотосинтез, хемосинтез и биосинтез — важные элементы существования всей биосферы Земли.
Фотосинтез
Фотосинтез — особо важный процесс для существования всех живых организмов на Земле. Характеризуется преобразованием световой энергии в биохимическую, что приводит к дальнейшему высвобождению в виде сложных молекулярных структур, необходимых для жизнедеятельности.
Основной продукт фотосинтеза — кислород, который преобразуется из молекул воды и углекислого газа, что приводит к образованию глюкозы, вместе с которым выводится кислород. Пластический процесс возможен только под прямым воздействием света, выработанным солнечной энергией.
Фотосинтез
Хоть и фотосинтез выполняется у каждого вида по-разному, процесс всегда начинается с поглощения энергии света белковыми реакционными центрами, которые содержат зеленые пигменты хлорофилла. Подобные белки находятся внутри хлоропласт, что наиболее распространено в клетках листьев, тогда как у бактерий они внедряются в плазматическую мембрану.
Некоторая энергия в светозависимых реакциях используется для удаления веществ, таких как вода, газообразный кислород и другие. Водород, высвобождаемый в результате расщепления воды, используется для создания еще двух соединений, которые служат кратковременным накопителем энергии, позволяя передавать ее для будущих биохимических процессов.
Хемосинтез
Процесс хемосинтеза протекает у большинства микроорганизмов, которые способны к одновременному преобразованию биологических соединений неорганического типа в органические.
К таковым относятся бактерии следующих видов:
Получение энергии хемосинтеза происходит за счет окислительной реакции неорганических соединений: марганцовка, железо, сера, аммиак и другие. Окисление протекает без наличия молекул кислорода. Наиболее значимым элементом является диоксид углерод, при помощи которого синтезируются важные органические соединения.
Белковый биосинтез
Белковый биосинтез — сложный молекулярный процесс, с использованием которого поступающие в организм клетки распадаются на отдельные части, а затем синтезируются белковые структуры. Преобразование происходит в два этапа: транскрипция и трансляция.
Белковый биосинтез
Первая стадия транскрипции характеризуется копированием генетической информации с ДНК на иРНК. Поскольку бимолекулярная комплементарность или соответствие между молекулами и ферментами при считывании со всего кода ведет к дегенеративности, данные используются лишь с одного генетического участка.
В результате чего, аморфно-кристалические вещества полностью воспроизводят небольшую часть ДНК с разницей в эквивалентности компонента урацила к тимину. Трансляция отличается от транскрипции переносом синтезированной информации кода на уже строящийся белковый полипептид, структура которого указывается из имеющихся свойств в скопированном участке.
Весь процесс протекает на немембранных органеллах рибосомах, которые располагаются в цитоплазматическом содержимом клетки.
Этап переноса информации характеризуется несколькими этапами:
На первой стадии белкового синтеза могут активироваться сразу 20 различных протеиногенных аминокислот. Все они этерифицированы специфической для них тРНК. Этот процесс происходит в цитоплазме с помощью аминоацил-тРНК-синтетазы. Энергия высвобождения обеспечивается потреблением аденозинтрифосфатов.
На последнем этапе синтеза белка полипептидная цепь заканчивается сигналами терминации (три специальных стоп-кодона) в структуре мРНК, что приводит к ее отделению от рибосомы.
Высвобождение полипептидных молекул тРНК инициируется специфическим белковым фактором, который присоединяется к рибосоме и гидролитически расщепляет эфирную связь между полипептидом и цепью. Все поступающие биохимические вещества распределяются по живому организму таким образом, чтобы приносить ему как можно больше пользы.
Сравнение фотосинтеза и дыхания эукариот
Энергетический и пластический обмен веществ характеризуются отдельными этапами, которые совершенно разные по функциональному воздействию. Так, главное различие между фотосинтезом и дыханием состоит в том, что первый происходит только у растений и некоторых бактерий, тогда как дыхание — у всех живых организмов.
Другие различия между дыханием эукариот и фотосинтезом представлены в следующей таблице:
| Характеристика | Фотосинтез | Дыхание |
| Потребляемые для реакции вещества | Углекислый газ; в некоторых случаях возможно применение воды | Кислород или органические элементы; свет |
| Место протекания | Растительные хлоропласты | Митохондрии и гиалоплазма (при неполном типе окисления) |
| Взаимодействие с солнечной энергией | Наличие света является обязательным; преобразование солнечной энергии в биохимическое свойство | Может происходить как при свете, так и без него; превращение поступательной энергии в процесс макроэргических молекул аденозинтрифосфата |
| Важные стадии | Восстановительный пентозофосфатный цикл | Гликолиз, клеточное дыхание |
Важное отличие состоит в функциональной продолжительности каждого процесса. Если фотосинтез происходит в течение дня только потому, что он зависит от света, то дыхание — это непрерывная функция, без которой практически любой живой организм попросту не может существовать.
Фотосинтез преобразует лучистую или световую энергию в химические или органические элементы, включая кислород. Дыхание же высвобождает биологическую потенциальную энергию для некоторых других функций организма.
Взаимосвязь энергетического и пластического обмена
Энергетический и пластический обмен веществ хоть происходят практически одновременно, их скорости контролируются независимо друг от друга. При этом анаболизм обеспечивает клеточную структуру необходимыми органическими элементами (углеводы, кислоты) и ферментативными белковыми структурами для возможности энергетического обмена.
Тогда как катаболизм снабжает клетку энергией. Различные пути позволяют клетке контролировать анаболические и катаболические реакции независимо друг от друга. Более того, некоторые противоположные метаболические пути встречаются в разных частях одной и той же клетки. К примеру, в печени жирные кислоты расщепляются до ацетил-КоА внутри митохондрий, а при синтезе из ацетил-КоА — в цитоплазме.
Взаимосвязь энергетического и пластического обмена
И катаболизм, и анаболизм имеют важную общую последовательность реакций, известные под циклом лимонной кислоты или Кребса, который является частью большей серии ферментативных реакций, — окислительное фосфорилирование.
Здесь глюкоза расщепляется для высвобождения энергии и сохраняется в форме АТФ (катаболизм), в то время как другие молекулы используются в качестве предшественников для анаболических реакций, которые образуют белки, жиры и углеводы (анаболизм).
Клетки регулируют скорость катаболических путей с помощью аллостерических ферментов, активность которых увеличивается или уменьшается в качестве ответной реакции на присутствие или отсутствие конечного продукта цикла. Например, во время реакции Кребса, активность цитратсинтазы замедляется из-за накопления сукцинил-КоА, — продукта, образовавшегося позднее.
Обмен веществ или метаболизм — это наиболее важный процесс жизнедеятельности всех живых существ. Его гармоничное распределение при помощи двух этапов: энергетического и пластического поддерживает основные функции организма, без которых существование было бы невозможным.
Видео об обмене веществ
Как восстановить обмен веществ в организме: