Echanges plastiques et énergétiques de la cellule (assimilation et dissimilation). Environ un millier d'enzymes ont été trouvées dans la cellule. À l'aide d'un appareil catalytique aussi puissant, les activités chimiques les plus complexes et les plus diverses sont réalisées. Du grand nombre de réactions chimiques de la cellule, deux types de réactions opposés se distinguent - la synthèse et la division.
Réaction de synthèse. Le processus de création se poursuit constamment dans la cellule.
À partir de substances simples, des substances plus complexes sont formées, de faible poids moléculaire à haut poids moléculaire. Les protéines, les glucides complexes, les graisses, les acides nucléiques sont synthétisés. Les substances synthétisées sont utilisées pour construire différentes parties de la cellule, ses organites, ses secrets, ses enzymes et ses substances de réserve. Les réactions synthétiques sont particulièrement intenses dans une cellule en croissance, il y a constamment une synthèse de substances pour remplacer les molécules épuisées ou détruites lors de l'endommagement. A la place de chaque molécule détruite d'une protéine ou d'une autre substance, une nouvelle molécule s'élève. De cette manière, la cellule conserve sa forme et sa composition chimique constantes, malgré leur changement continu au cours du processus de la vie.
La synthèse de substances qui a lieu dans une cellule est appelée synthèse biologique ou biosynthèse en abrégé. Toutes les réactions de biosynthèse impliquent l'absorption d'énergie. La totalité des réactions de biosynthèse est appelée échange plastique ou assimilation (du latin « similis » - similaire). La signification de ce processus est que les substances alimentaires entrant dans la cellule depuis l'environnement extérieur, qui diffèrent fortement de la substance de la cellule, deviennent les substances de la cellule à la suite de transformations chimiques.
réactions de clivage. Les substances complexes se décomposent en substances plus simples, celles de haut poids moléculaire en substances de bas poids moléculaire. Les protéines sont décomposées en acides aminés, l'amidon en glucose. Ces substances sont divisées en composés de poids moléculaire encore plus faible et, à la fin, des substances très simples et pauvres en énergie sont formées - CO 2 et H 2 O. Les réactions de division s'accompagnent dans la plupart des cas d'une libération d'énergie. La signification biologique de ces réactions est de fournir de l'énergie à la cellule. Toute forme d'activité - mouvement, sécrétion, biosynthèse, etc. - nécessite une dépense d'énergie.
La totalité de la réaction de clivage est appelée échange d'énergie de la cellule ou dissimilation. La dissimilation est directement opposée à l'assimilation : à la suite de la scission, les substances perdent leur similitude avec les substances de la cellule.
Les échanges plastiques et énergétiques (assimilation et dissimilation) sont inextricablement liés. D'une part, les réactions de biosynthèse nécessitent une dépense d'énergie, qui est puisée dans les réactions de clivage. D'autre part, pour la mise en œuvre des réactions du métabolisme énergétique, une biosynthèse constante des enzymes servant ces réactions est nécessaire, car au cours du travail, elles s'usent et sont détruites.
Les systèmes complexes de réactions qui composent le processus d'échanges plastiques et énergétiques sont étroitement liés non seulement les uns aux autres, mais également à l'environnement extérieur. De l'environnement extérieur, les substances alimentaires pénètrent dans la cellule, qui servent de matériau pour les réactions d'échange plastique, et dans les réactions de division, l'énergie nécessaire au fonctionnement de la cellule en est libérée. Les substances qui ne peuvent plus être utilisées par la cellule sont rejetées dans le milieu extérieur.
L'ensemble de toutes les réactions enzymatiques de la cellule, c'est-à-dire l'ensemble des échanges plastiques et énergétiques (assimilation et dissimilation), liés entre eux et avec le milieu extérieur, s'appelle métabolisme et énergie. Ce processus est la condition principale du maintien de la vie de la cellule, source de sa croissance, de son développement et de son fonctionnement.
La dissimilation en biologie fait référence au processus inverse d'assimilation. En d'autres termes, c'est le stade du métabolisme dans le corps, au cours duquel la destruction de composés organiques complexes se produit avec la production de composés plus simples. Il existe plusieurs définitions différentes du concept de dissimilation. Wikipedia interprète ce terme comme la perte de spécificité de substances complexes et la destruction de composés organiques complexes en composés plus simples. Un synonyme de ce concept est le catabolisme.
En contact avec
Dans le métabolisme d'une cellule vivante, la place centrale est occupée par des réactions de dissimilation complexes - respiration, fermentation, glycolyse. Le résultat de ces processus biologiques est la libération d'énergie, qui est contenue dans des molécules complexes. Cette énergie est partiellement transformée en énergie de l'adénosine triphosphate (ATP). Les produits finaux de la dissimilation dans toutes les cellules vivantes sont le dioxyde de carbone, l'ammoniac et l'eau. Les cellules végétales ont pu utiliser partiellement ces substances pour l'assimilation. Les organismes animaux éliminent ces produits de décomposition vers l'extérieur.
Sortes
Selon la nature de la participation des molécules d'oxygène aux réactions de catabolisme, tous les organismes sont généralement divisés en aérobies, c'est-à-dire procédant à la participation de l'oxygène, et anaérobies (sans oxygène).
Les organismes anaérobies effectuent les processus du métabolisme énergétique par fermentation et les organismes aérobies - par la respiration.
Fermentation
La fermentation est un ensemble de réactions de décomposition de molécules organiques en composés plus simples, dans lesquelles de l'énergie est libérée et des molécules d'ATP sont synthétisées. Parmi les autres moyens d'obtenir de l'énergie, la fermentation est considérée comme la plus inefficace : à partir de 1 mol de glucose lors de la fermentation lactique, on obtient 2 mol d'ATP.
Deux types de fermentation sont les plus répandus dans la nature :
Haleine
La respiration dans le contexte du problème divulgué a une signification plus large que le processus habituel d'échange de gaz. Dans ce cas, la respiration doit être comprise comme une sorte de dissimilation, qui se réalise dans un environnement contenant des molécules d'oxygène.
Le processus de respiration comporte deux parties :
- Le processus d'échange de gaz dans le système respiratoire des organismes multicellulaires et dans les tissus ;
- La séquence des réactions d'oxydation biochimique que subissent les composés organiques. À la suite de ces processus, de l'eau, de l'ammoniac et du dioxyde de carbone se forment. La formation de certains autres composés simples est possible - sulfure d'hydrogène, composés de phosphore inorganiques, etc.
Pour la plupart des gens, une interprétation plus étroite du processus de respiration en tant qu'échange de gaz est habituelle.
Les étapes et leurs caractéristiques
Le processus de dissimilation dans les cellules vivantes comprend plusieurs étapes. Il convient de noter que ces étapes peuvent se dérouler différemment dans différents organismes.
Chez les organismes aérobies, le processus de catabolisme comprend trois étapes principales. Chaque étape se déroule avec la participation de systèmes enzymatiques spéciaux.
À la suite de réactions de dissimilation l'énergie est obtenue, qui est ensuite utilisée par le corps pour le métabolisme plastique.
Les processus de phosphorylation oxydative se produisent sur les membranes mitochondriales internes. Ces membranes ont des molécules porteuses intégrées. Leur fonction est de délivrer des électrons aux atomes d'oxygène. Une partie de l'énergie de cette réaction est dissipée sous forme de chaleur.
À la suite de réactions de glycolyse, une petite quantité d'énergie est produite, ce qui n'est pas suffisant pour l'activité vitale des organismes à métabolisme de type aérobie. C'est la raison pour laquelle l'acide lactique se forme dans les cellules musculaires en manque d'oxygène. Cette substance s'accumule sous forme de lactate et provoque des douleurs musculaires.
Métabolisme et ses types
Il assure la constance de l'environnement interne du corps dans des conditions d'existence changeantes - homéostasie . Le métabolisme consiste en deux processus interdépendants et mutuellement opposés. Ce sont des processus dissimilation , dans lequel la décomposition des substances organiques se produit et l'énergie libérée est utilisée pour la synthèse des molécules d'ATP, et les processus assimilation, dans lequel l'énergie de l'ATP est utilisée pour synthétiser ses propres composés nécessaires à l'organisme.
Le processus de dissimilation est aussi appelé catabolisme et métabolisme énergétique . Et les processus d'assimilation sont aussi appelés anabolisme et métabolisme plastique . Une telle abondance de synonymes pour le même concept est née du fait que les réactions métaboliques ont été étudiées par des scientifiques de diverses spécialités :
- biochimistes,
- physiologistes,
- cytologie,
- la génétique,
- biologistes moléculaires.
Mais tous les noms et termes ont pris racine et sont activement utilisés par les scientifiques.
Formes d'approvisionnement énergétique des organismes vivants
Pour tous les organismes vivants sur Terre, le Soleil est la principale source d'énergie. C'est grâce à lui que les organismes satisfont leurs besoins énergétiques.
Les organismes capables de synthétiser des composés organiques à partir de composés inorganiques sont appelés autotrophes. Ils sont divisés en deux groupes. Certains sont capables d'utiliser l'énergie du soleil. Ce sont des photosynthétiques ou des phototrophes. Ce sont principalement des plantes vertes, des cyanobactéries (algues bleues).
Un autre groupe d'autotrophes utilise l'énergie libérée lors des réactions chimiques. Ces organismes sont appelés chimiotrophes ou chimiosynthétiques.
Les champignons, la plupart des animaux et les bactéries ne peuvent pas synthétiser eux-mêmes des substances organiques. Ces organismes sont appelés hétérotrophes. Pour eux, les composés organiques synthétisés par les autotrophes servent de source d'énergie. L'énergie est utilisée par les organismes vivants pour des processus chimiques, mécaniques, thermiques et électriques.
Stade préparatoire du métabolisme énergétique
L'échange d'énergie est classiquement divisé en trois étapes principales. La première étape s'appelait préparatoire. A ce stade, les macromolécules sont décomposées en monomères sous l'influence d'enzymes. Au cours des réactions, une assez petite quantité d'énergie est libérée, qui est dissipée sous forme de chaleur.
Stade anoxique du métabolisme énergétique
Le stade anoxique (anaérobie) du métabolisme énergétique se produit dans les cellules. Les monomères qui se sont formés à l'étape précédente (glucose, glycérol, etc.) subissent encore un clivage en plusieurs étapes sans accès à l'oxygène. L'essentiel à ce stade est le processus de division de la molécule de glucose en molécules d'acide pyruvique ou lactique avec la formation de deux molécules d'ATP.
$C_6H_(12)O_6 + 2H_3PO_4 + 2ADP → 2C_3H_6O_3 + 2ATP + 2H_2O$
Au cours de cette réaction (réaction de glycolyse), environ $200$ kJ d'énergie sont libérés. Cependant, tout n'est pas converti en chaleur. Une partie est utilisée pour synthétiser deux liaisons phosphate riches en énergie (macroergiques) dans les molécules d'ATP. Le glucose est également décomposé lors de la fermentation alcoolique.
$C_6H_(12)O_6 + 2H_3PO_4 + 2ADP → 2C_2H_5OH + 2CO_2 + 2ATP + 2H_2O$
En plus de l'alcool, il existe également des types de fermentation sans oxygène tels que l'acide butyrique et lactique.
Stade oxygène du métabolisme énergétique
A ce stade, les composés formés au stade sans oxygène sont oxydés en produits de réaction finaux - dioxyde de carbone et eau. Le biochimiste anglais Adolph Krebs a découvert en $1937$ la séquence des transformations des acides organiques dans la matrice mitochondriale. En son honneur, la combinaison de ces réactions a été nommée le cycle de Krebs.
Remarque 1
L'oxydation complète des molécules d'acide lactique ou pyruvique formées au cours du processus anaérobie en dioxyde de carbone et en eau s'accompagne de la libération de $2800$ kJ d'énergie. Cette quantité est suffisante pour la synthèse de $36$ de molécules d'ATP (18$ fois plus qu'à l'étape précédente).
L'équation globale du stade oxygène du métabolisme énergétique ressemble à ceci :
$2C_3H_6O_3 + 6O_2 + 36ADP + 36H_3PO_4 → 6CO_2 + 42H_2O + 36ATP$
En résumé, nous pouvons écrire l'équation totale de l'échange d'énergie :
$C_6H_(12)O_6 + 6O_2 + 38ADP + 38H_3PO_4 → 6CO_2 + 44H_2O + 38ATP$
Au stade final, les produits du métabolisme sont éliminés du corps.
Assimilation est la totalité de tous les processus créatifs complexes se produisant dans les cellules, et donc dans tout l'organisme. L'assimilation est l'accumulation d'énergie.
Dissimilation est un ensemble de processus oxydatifs dans lesquels de l'énergie est libérée. C'est cette énergie qui est utilisée à l'avenir pour la mise en œuvre de toutes les fonctions vitales du corps.
Ainsi, ces deux processus opposés sont tellement liés l'un à l'autre que la cessation de l'un d'eux entraîne la cessation de tout métabolisme et, par conséquent, de la vie.
Malgré une relation et une interdépendance aussi fortes, les processus d'assimilation et de dissimilation ne s'équilibrent pas toujours. L'âge est la clé ici.
Plus le corps humain est jeune, plus les processus d'assimilation s'y déroulent. Chez les personnes âgées, au contraire, la dissimilation l'emporte sur l'assimilation. Un métabolisme particulièrement intensif est observé chez les nouveau-nés et chez les adolescents pendant la puberté.