Пластический и энергетический обмены клетки (ассимиляция и диссимиляция). В клетке обнаружены примерно тысяча ферментов. С помощью такого мощного каталитического аппарата осуществляется сложнейшая и многообразная химическая деятельность. Из громадного числа химических реакций клетки выделяются два противоположных типа реакций - синтез и расщепление.
Реакция синтеза. В клетке постоянно идут процессы созидания.
Из простых веществ образуются более сложные, из низкомолекулярных - высокомолекулярные. Синтезируются белки, сложные углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты. Синтезированные вещества используются для построения разных частей клетки, ее органоидов, секретов, ферментов, запасных веществ. Синтетические реакции особенно интенсивно идут в растущей клетке, постоянно происходит синтез веществ для замены молекул, израсходованных или разрушенных при повреждении. На место каждой разрушенной молекулы белка или какого-нибудь другого вещества встает новая молекула. Таким путем клетка сохраняет постоянными свою форму и химический состав, несмотря на непрерывное их изменение в процессе жизнедеятельности.
Синтез веществ, идущий в клетке, называют биологическим синтезом или сокращенно биосинтезом. Все реакции биосинтеза идут с поглощением энергии. Совокупность реакций биосинтеза называют пластическим обменом или ассимиляцией (лат. "симилис" - сходный). Смысл этого процесса состоит в том, что поступающие в клетку из внешней среды пищевые вещества, резко отличающиеся от вещества клетки, в результате химических превращений становятся веществами клетки.
Реакции расщепления. Сложные вещества распадаются на более простые, высокомолекулярные - на низкомолекулярные. Белки распадаются на аминокислоты, крахмал - на глюкозу. Эти вещества расщепляются на еще более низкомолекулярные соединения, и в конце концов образуется совсем простые, бедные энергией вещества - СО 2 и Н 2 О. Реакции расщепления в большинстве случаев сопровождаются выделением энергии. Биологическое значение этих реакций состоит в обеспечении клетки энергией. Любая форма активности - движение, секреция, биосинтез и др. - нуждается в затрате энергии.
Совокупность реакции расщепления называют энергетическим обменом клетки или диссимиляцией. Диссимиляция прямо противоположна ассимиляции: в результате расщепления вещества утрачивают сходство с веществами клетки.
Пластический и энергетический обмены (ассимиляция и диссимиляция) находятся между собой в неразрывной связи. С одной стороны, реакции биосинтеза нуждаются в затрате энергии, которая черпается из реакций расщепления. С другой стороны, для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный биосинтез, обслуживающих эти реакции ферментов, так как в процессе работы они изнашиваются и разрушаются.
Сложные системы реакций, составляющие процесс пластического и энергетического обменов, тесно связаны не только между собой, но и с внешней средой. Из внешней среды в клетку поступают пищевые вещества, которые служат материалом для реакций пластического обмена, а в реакциях расщепления из них освобождается энергия, необходимая для функционирования клетки. Во внешнюю среду выделяются вещества, которые клеткой больше не могут быть использованы.
Совокупность всех ферментативных реакций клетки, т. е. совокупность пластического и энергетического обменов (ассимиляции и диссимиляции), связанных между собой и с внешней средой, называют обменом веществ и энергии. Этот процесс является основным условием поддержания жизни клетки, источником ее роста, развития и функционирования.
Диссимиляция в биологии обозначает процесс, обратный ассимиляции. Иными словами, это этап обмена веществ в организме, на котором происходит разрушение сложных органических соединений с получением более простых. Существует несколько разных определений понятия диссимиляция. Википедия трактует этот термин как утрату специфичности сложных веществ и разрушения сложных органических соединений до более простых. Синонимом этого понятия является катаболизм.
Вконтакте
В обмене веществ в живой клетке центральное место занимают сложные реакции диссимиляции - дыхание, брожение, гликолиз. Результатом этих биологических процессов является высвобождение энергии, которая заключена в сложных молекулах. Эта энергия частично трансформируется в энергию Аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Конечными продуктами диссимиляции во всех живых клетках являются углекислый газ, аммиак и вода. Растительные клетки получили возможность частично использовать эти вещества для ассимиляции. Животные организмы выводят эти продукты распада наружу .
Виды
По характеру участия кислородных молекул в реакциях катаболизма все организмы принято подразделять на аэробные, то есть протекающие с участием кислорода, и анаэробные (бескислородные).
Анаэробные организмы осуществляют процессы энергетического обмена путем брожения, а аэробные - путем дыхания.
Брожение
Брожением называется совокупность реакций распада органических молекул до более простых соединений, при которых происходит выделение энергии и синтез молекул АТФ. Среди других способов получения энергии брожение считается самым малоэффективным: из 1 моль глюкозы при молочнокислом брожении получается 2 моль АТФ.
Наиболее широко в природе распространены два вида брожения:
Дыхание
Дыхание в контексте раскрываемого вопроса имеет более обширное значение, чем привычный процесс газообмена. В этом случае под дыханием следует понимать разновидность диссимиляции, которая реализуется в среде, содержащей молекулы кислорода.
Процесс дыхания включает в себя две части:
- Процесс газообмена в дыхательной системе многоклеточных организмов и в тканях;
- Последовательность биохимических реакций окисления, которым подвергаются органические соединения. В результате таких процессов образуются вода, аммиак и углекислый газ. Возможно образование некоторых других простых соединений - сероводорода, неорганических фосфорных соединений и пр.
Для большинства людей привычной является более узкой трактовка процесса дыхания как газообмена.
Этапы и их характеристика
Процесс диссимиляции в живых клетках состоит из нескольких этапов. Следует заметить, что в разных организмах эти этапы могут протекать по-разному.
У аэробных организмов процесс катаболизма включает в себя три основных этапа. Каждый этап протекает с участием специальных ферментативных систем.
В результате реакций диссимиляции
получается энергия, которая в дальнейшем используется организмом для пластического обмена.
Процессы окислительного фосфорилирования происходят на внутренних митохондриальных мембранах. В этих мембранах имеются встроенные молекулы-переносчики. Их функцией является доставка электронов к атомам кислорода. Часть энергии в ходе этой реакции рассеивается в виде тепла.
В результате реакций гликолиза вырабатывается малое количество энергии, которого недостаточно для осуществления жизнедеятельности организмов с аэробным типом обмена веществ. Именно это является причиной, почему при недостатке кислорода в мышечных клетках образуется молочная кислота. Это вещество накапливается в виде лактата и вызывает боль в мышцах.
Обмен веществ и его типы
Он обеспечивает постоянство внутренней среды организма в изменяющихся условиях существования – гомеостаз . Обмен веществ слагается из двух взаимосвязанных и взаимопротивоположных процессов. Это процессы диссимиляции , в которых происходит расщепление органических веществ и выделенная энергия используется для синтеза молекул АТФ, и процессы ассимиляции, в которых энергия АТФ используется для синтеза собственных, необходимых организму соединений.
Процессы диссимиляции называют, также, катаболизмом и энергетическим обменом . А процессы ассимиляции носят еще названия анаболизма и пластического обмена . Такое обилие синонимов одного и того же понятия возникло потому, что реакции обмена веществ изучали ученые различных специальностей:
- биохимики,
- физиологи,
- цитологии,
- генетики,
- молекулярные биологи.
Но все названия и термины прижились и активно используются учеными.
Формы поступления энергии в живые организмы
Для всех живых организмов Земли Солнце является основным источником энергии. Именно благодаря ему организмы удовлетворяют свои энергетические потребности.
Организмы, которые могут синтезировать органические соединения из неорганических, называются автотрофами. Они разделяются на две группы. Одни способны использовать энергию солнечного света. Это – фотосинтетики или фототрофы. В основном это - зеленые растения, цианобактерии (сине-зеленые водоросли).
Другая группа автотрофов использует энергию, которая освобождается во время химических реакций. Такие организмы называются хемотрофами или хемосинтетиками.
Грибы, большая часть животных и бактерий не могут сами синтезировать органические вещества. Такие организмы называются гетеротрофами. Для них источником энергии служат органические соединения, синтезированные автотрофами. Энергия используется живыми организмами для химических, механических, тепловых и электрических процессов.
Подготовительный этап энергетического обмена
Энергетический обмен принято условно разделять на три основных этапа. Первый этап назвали подготовительным. На этом этапе макромолекулы под воздействием ферментов расщепляются до мономеров. В ходе реакций происходит выделение довольно незначительного количества энергии, которое рассеивается в виде тепла.
Бескислородный этап энергетического обмена
Бескислородный (анаэробный) этап энергетического обмена происходит в клетках. Мономеры, которые образовались на предыдущем этапе (глюкоза, глицерин и т.п.), подвергаются дальнейшему многоступенчатому расщеплению без доступа кислорода. Главным на этом этапе является процесс расщепления молекулы глюкозы на молекулы пировиноградной или молочной кислоты с образованием двух молекул АТФ.
$C_6H_{12}O_6 + 2H_3PO_4 + 2АДФ → 2C_3H_6O_3 + 2АТФ + 2H_2O$
В ходе этой реакции (реакция гликолиза) выделяется около $200$ кДж энергии. Однако она не вся превращается в тепло. Часть ее используется для синтеза двух, богатых на энергию (макроэргических), фосфатных связей в молекулах АТФ. Глюкоза также расщепляется в ходе спиртового брожения.
$C_6H_{12}O_6 + 2H_3PO_4 + 2АДФ → 2C_2H_5OH + 2CO_2 + 2АТФ + 2H_2O$
Кроме спиртового существуют еще такие виды бескислородного брожения, как маслянокислое и молочнокислое.
Кислородный этап энергетического обмена
На этом этапе соединения, образованные на бескислородном этапе, окисляются до конечных продуктов реакции – углекислого газа и воды. Английский биохимик Адольф Кребс в $1937$ году открыл последовательность превращений органических кислот в матриксе митохондрий. В его честь совокупность этих реакций назвали циклом Кребса.
Замечание 1
Полное окисление молекул молочной или пировиноградной кислоты, образованных в ходе анаэробного процесса, до углекислого газа и воды сопровождается выделением $2800$ кДЖ энергии. Этого количества хватит на синтез $36$ молекул АТФ (в $18$ раз больше, чем на предыдущем этапе).
Суммарное уравнение кислородного этапа энергетического обмена выглядит так:
$2C_3H_6O_3 + 6O_2 + 36АДФ + 36H_3PO_4 → 6CO_2 + 42H_2O + 36АТФ$
Подводя общий итог, можно записать суммарное уравнение энергетического обмена:
$C_6H_{12}O_6 + 6O_2 + 38АДФ + 38H_3PO_4 → 6CO_2 + 44H_2O + 38АТФ$
На завершающей стадии происходит выведение продуктов метаболизма из организма.
Ассимиляция
- это совокупность всех сложных созидательных процессов, протекающих в клетках, а значит, и в целостном организме. При ассимиляции происходит накопление энергии.
Диссимиляция
- это совокупность окислительных процессов, при которых освобождается энергия. Именно эта энергия используется в дальнейшем для осуществления всех жизненных отправлений организма.
Таким образом, эти два противоположных процесса настолько взаимосвязаны друг с другом, что прекращение одного из них влечёт за собой прекращение всего обмена веществ, а следовательно, и жизни.
Несмотря на столь прочную взаимосвязь и взаимообусловленность, процессы ассимиляции и диссимиляции не всегда бывают взаимно уравновешенными. Основное значение здесь имеет возраст.
Чем моложе организм человека, тем интенсивнее протекают в нем процессы ассимиляции. У людей пожилого возраста, наоборот, диссимиляция преобладает над ассимиляцией. Особенно интенсивный обмен веществ наблюдается у новорожденных детей и у подростков в период полового созревания.