Šūnas plastiskā un enerģijas apmaiņa (asimilācija un disimilācija). Šūnā ir atrasts aptuveni tūkstotis enzīmu. Ar tik jaudīga katalītiskā aparāta palīdzību tiek veiktas vissarežģītākās un daudzveidīgākās ķīmiskās darbības. No milzīgā šūnas ķīmisko reakciju skaita izceļas divi pretēji reakciju veidi - sintēze un šķelšanās.
Sintēzes reakcija. Šūnā nepārtraukti notiek radīšanas process.
No vienkāršām vielām veidojas sarežģītākas, no zemas molekulmasas - lielas molekulmasas. Tiek sintezēti olbaltumvielas, kompleksie ogļhidrāti, tauki, nukleīnskābes. Sintezētās vielas izmanto, lai veidotu dažādas šūnas daļas, tās organellus, noslēpumus, fermentus un rezerves vielas. Sintētiskās reakcijas ir īpaši intensīvas augošā šūnā, pastāvīgi notiek vielu sintēze, lai aizstātu bojājuma laikā izlietotās vai iznīcinātās molekulas. Katras iznīcinātās proteīna vai kādas citas vielas molekulas vietā paceļas jauna molekula. Tādā veidā šūna saglabā nemainīgu formu un ķīmisko sastāvu, neskatoties uz to nepārtrauktajām izmaiņām dzīves procesā.
Vielu sintēzi, kas notiek šūnā, sauc par bioloģisko sintēzi vai saīsināti biosintēzi. Visas biosintētiskās reakcijas ir saistītas ar enerģijas absorbciju. Biosintēzes reakciju kopumu sauc par plastisko apmaiņu vai asimilāciju (latīņu "similis" - līdzīgi). Šī procesa jēga ir tāda, ka no ārējās vides šūnā nonākušas pārtikas vielas, kas krasi atšķiras no šūnas vielas, ķīmisko pārvērtību rezultātā kļūst par šūnas vielām.
sadalīšanas reakcijas. Sarežģītās vielas sadalās vienkāršākās, lielmolekulārās – mazmolekulārās. Olbaltumvielas sadalās aminoskābēs, ciete – glikozē. Šīs vielas sadalās vēl mazākas molekulmasas savienojumos, un beigās veidojas ļoti vienkāršas, enerģētiski nabadzīgas vielas - CO 2 un H 2 O. Sadalīšanās reakcijas vairumā gadījumu pavada enerģijas izdalīšanās. Šo reakciju bioloģiskā nozīme ir nodrošināt šūnu ar enerģiju. Jebkurai darbībai – kustībām, sekrēcijai, biosintēzei utt. – ir nepieciešami enerģijas izdevumi.
Šķelšanās reakcijas kopumu sauc par šūnas enerģijas apmaiņu jeb disimilāciju. Disimilācija ir tieši pretēja asimilācijai: šķelšanās rezultātā vielas zaudē līdzību ar šūnas vielām.
Plastmasas un enerģijas apmaiņa (asimilācija un disimilācija) ir nesaraujami saistītas. No vienas puses, biosintēzes reakcijām ir jāpatērē enerģija, kas tiek iegūta no šķelšanās reakcijām. No otras puses, enerģijas metabolisma reakciju īstenošanai ir nepieciešama pastāvīga fermentu biosintēze, kas apkalpo šīs reakcijas, jo darba procesā tie nolietojas un tiek iznīcināti.
Sarežģītās reakciju sistēmas, kas veido plastmasas un enerģijas apmaiņas procesu, ir cieši saistītas ne tikai viena ar otru, bet arī ar ārējo vidi. No ārējās vides šūnā nonāk pārtikas vielas, kas kalpo kā materiāls plastmasas apmaiņas reakcijām, un šķelšanās reakcijās no tām izdalās šūnas funkcionēšanai nepieciešamā enerģija. Vielas, kuras šūna vairs nevar izmantot, izdalās ārējā vidē.
Visu šūnas fermentatīvo reakciju kopumu, t.i., plastmasas un enerģijas apmaiņas (asimilācijas un disimilācijas) kopumu, kas saistīti savā starpā un ar ārējo vidi, sauc par vielmaiņu un enerģiju. Šis process ir galvenais nosacījums šūnas dzīvības uzturēšanai, tās augšanas, attīstības un funkcionēšanas avots.
Disimilācija bioloģijā attiecas uz apgriezto asimilācijas procesu. Citiem vārdiem sakot, tas ir vielmaiņas posms organismā, kurā sarežģītu organisko savienojumu iznīcināšana notiek, veidojot vienkāršākus. Ir vairākas atšķirīgas disimilācijas jēdziena definīcijas. Wikipedia šo terminu interpretē kā sarežģītu vielu specifiskuma zudumu un sarežģītu organisko savienojumu iznīcināšanu līdz vienkāršākiem. Šī jēdziena sinonīms ir katabolisms.
Saskarsmē ar
Vielmaiņā dzīvā šūnā centrālo vietu ieņem sarežģītas disimilācijas reakcijas - elpošana, fermentācija, glikolīze. Šo bioloģisko procesu rezultāts ir enerģijas izdalīšanās, kas atrodas sarežģītās molekulās. Šī enerģija daļēji tiek pārveidota par adenozīna trifosfāta (ATP) enerģiju. Visu dzīvu šūnu disimilācijas galaprodukti ir oglekļa dioksīds, amonjaks un ūdens. Augu šūnas varēja daļēji izmantot šīs vielas asimilācijai. Dzīvnieku organismi šos sabrukšanas produktus izvada uz āru.
Veidi
Atkarībā no skābekļa molekulu līdzdalības rakstura katabolisma reakcijās visus organismus parasti iedala aerobos, tas ir, ar skābekļa piedalīšanos, un anaerobos (bez skābekļa).
Anaerobie organismi enerģijas vielmaiņas procesus veic fermentācijas ceļā, bet aerobie organismi - elpojot.
Fermentācija
Fermentācija ir organisko molekulu sadalīšanās reakciju kopums līdz vienkāršākiem savienojumiem, kurās tiek atbrīvota enerģija un tiek sintezētas ATP molekulas. Starp citiem enerģijas iegūšanas veidiem fermentācija tiek uzskatīta par visneefektīvāko: no 1 mola glikozes pienskābes fermentācijas laikā tiek iegūti 2 moli ATP.
Dabā visizplatītākie ir divi fermentācijas veidi:
Elpa
Elpošanai atklātā jautājuma kontekstā ir plašāka nozīme nekā parastajam gāzu apmaiņas procesam. Šajā gadījumā elpošana jāsaprot kā sava veida disimilācija, kas tiek realizēta vidē, kurā ir skābekļa molekulas.
Elpošanas process sastāv no divām daļām:
- Gāzu apmaiņas process daudzšūnu organismu elpošanas sistēmā un audos;
- Bioķīmisko oksidācijas reakciju secība, kurā notiek organiskie savienojumi. Šo procesu rezultātā veidojas ūdens, amonjaks un oglekļa dioksīds. Iespējama dažu citu vienkāršu savienojumu veidošanās - sērūdeņradis, neorganiskie fosfora savienojumi utt.
Lielākajai daļai cilvēku elpošanas process tiek interpretēts kā gāzu apmaiņa šaurāk.
Posmi un to raksturojums
Disimilācijas process dzīvās šūnās sastāv no vairākiem posmiem. Jāņem vērā, ka dažādos organismos šie posmi var noritēt atšķirīgi.
Aerobos organismos katabolisma process ietver trīs galvenos posmus. Katrs posms notiek, piedaloties īpašām fermentatīvām sistēmām.
Disimilācijas reakciju rezultātā tiek iegūta enerģija, ko organisms pēc tam izmanto plastiskai vielmaiņai.
Oksidatīvās fosforilēšanās procesi notiek uz iekšējām mitohondriju membrānām. Šajās membrānās ir iebūvētas nesējmolekulas. To funkcija ir piegādāt elektronus skābekļa atomiem. Daļa enerģijas šajā reakcijā tiek izkliedēta kā siltums.
Glikolīzes reakciju rezultātā tiek ražots neliels enerģijas daudzums, kas nav pietiekams organismu ar aerobo vielmaiņas veidu dzīvībai svarīgai darbībai. Tas ir iemesls, kāpēc muskuļu šūnās ar skābekļa trūkumu veidojas pienskābe. Šī viela uzkrājas kā laktāts un izraisa muskuļu sāpes.
Metabolisms un tā veidi
Tas nodrošina ķermeņa iekšējās vides noturību mainīgos eksistences apstākļos - homeostāze . Metabolisms sastāv no diviem savstarpēji saistītiem un savstarpēji pretējiem procesiem. Tie ir procesi disimilācija , kurā notiek organisko vielu sadalīšanās un izdalītā enerģija tiek izmantota ATP molekulu sintēzei un procesiem asimilācija, kurā ATP enerģija tiek izmantota savu organismam nepieciešamo savienojumu sintezēšanai.
Tiek saukts arī disimilācijas process katabolisms un enerģijas metabolisms . Un tiek saukti arī asimilācijas procesi anabolisms un plastiskā vielmaiņa . Tāda paša jēdziena sinonīmu pārpilnība radās tāpēc, ka vielmaiņas reakcijas pētīja dažādu specialitāšu zinātnieki:
- bioķīmiķi,
- fiziologi,
- citoloģija,
- ģenētika,
- molekulārie biologi.
Bet visi nosaukumi un termini ir iesakņojušies, un zinātnieki tos aktīvi izmanto.
Dzīvu organismu enerģijas piegādes veidi
Visiem dzīvajiem organismiem uz Zemes Saule ir galvenais enerģijas avots. Pateicoties viņam, organismi apmierina savas enerģijas vajadzības.
Organismus, kas var sintezēt organiskos savienojumus no neorganiskiem savienojumiem, sauc par autotrofiem. Tie ir sadalīti divās grupās. Daži spēj izmantot saules gaismas enerģiju. Tie ir fotosintētikas jeb fototrofi. Tie galvenokārt ir zaļie augi, zilaļģes (zilaļģes).
Cita autotrofu grupa izmanto enerģiju, kas izdalās ķīmisko reakciju laikā. Šādus organismus sauc par ķīmijtrofiem vai ķīmiski sintētiku.
Sēnītes, lielākā daļa dzīvnieku un baktēriju paši nevar sintezēt organiskās vielas. Šādus organismus sauc par heterotrofiem. Viņiem kā enerģijas avots kalpo autotrofu sintezētie organiskie savienojumi. Dzīvie organismi izmanto enerģiju ķīmiskiem, mehāniskiem, termiskiem un elektriskiem procesiem.
Enerģijas metabolisma sagatavošanās posms
Enerģijas apmaiņa parasti ir sadalīta trīs galvenajos posmos. Pirmo posmu sauca par sagatavošanu. Šajā posmā enzīmu ietekmē makromolekulas sadalās monomēros. Reakciju gaitā izdalās diezgan mazs enerģijas daudzums, kas izkliedējas siltuma veidā.
Enerģijas metabolisma anoksiskā stadija
Šūnās notiek anoksiskā (anaerobā) enerģijas metabolisma stadija. Monomēri, kas veidojās iepriekšējā stadijā (glikoze, glicerīns utt.), tiek pakļauti turpmākai daudzpakāpju šķelšanai bez skābekļa pieejamības. Galvenais šajā posmā ir glikozes molekulas sadalīšanas process pirovīnskābes vai pienskābes molekulās, veidojot divas ATP molekulas.
$C_6H_(12)O_6 + 2H_3PO_4 + 2ADP → 2C_3H_6O_3 + 2ATP + 2H_2O$
Šīs reakcijas (glikolīzes reakcijas) laikā izdalās aptuveni $ 200 $ kJ enerģijas. Tomēr ne viss no tā tiek pārvērsts siltumā. Daļu no tā izmanto, lai sintezētu divas ar enerģiju bagātas (makroerģiskas) fosfātu saites ATP molekulās. Glikoze tiek sadalīta arī alkohola fermentācijas laikā.
$C_6H_(12)O_6 + 2H_3PO_4 + 2ADP → 2C_2H_5OH + 2CO_2 + 2ATP + 2H_2O$
Papildus alkoholam ir arī tādi bezskābekļa fermentācijas veidi kā sviestskābe un pienskābe.
Enerģijas metabolisma skābekļa stadija
Šajā posmā bezskābekļa stadijā izveidotie savienojumi tiek oksidēti līdz galareakcijas produktiem - oglekļa dioksīdam un ūdenim. Angļu bioķīmiķis Ādolfs Krebss $1937$ atklāja organisko skābju transformāciju secību mitohondriju matricā. Viņam par godu šo reakciju kombinācija tika nosaukta par Krebsa ciklu.
1. piezīme
Pilnīga anaerobā procesa laikā radušos pienskābes vai pirovīnskābes molekulu oksidēšanās līdz oglekļa dioksīdam un ūdenim tiek pavadīta ar 2800 $ kJ enerģijas izdalīšanos. Šī summa ir pietiekama $36$ ATP molekulu sintēzei ($18$ reizes vairāk nekā iepriekšējā posmā).
Enerģijas metabolisma skābekļa stadijas kopējais vienādojums izskatās šādi:
$2C_3H_6O_3 + 6O_2 + 36ADP + 36H_3PO_4 → 6CO_2 + 42H_2O + 36ATP $
Apkopojot, mēs varam uzrakstīt kopējo enerģijas apmaiņas vienādojumu:
$C_6H_(12)O_6 + 6O_2 + 38ADP + 38H_3PO_4 → 6CO_2 + 44H_2O + 38ATP $
Pēdējā posmā vielmaiņas produkti tiek izvadīti no organisma.
Asimilācija ir visu sarežģīto radošo procesu kopums, kas notiek šūnās un līdz ar to arī visā organismā. Asimilācija ir enerģijas uzkrāšanās.
Disimilācija ir oksidatīvo procesu kopums, kurā tiek atbrīvota enerģija. Tieši šī enerģija nākotnē tiek izmantota visu ķermeņa dzīvībai svarīgo funkciju īstenošanai.
Tādējādi šie divi pretējie procesi ir tik savstarpēji saistīti, ka, pārtraucot vienu no tiem, tiek pārtraukta visa vielmaiņa un līdz ar to arī dzīvība.
Neskatoties uz tik spēcīgām attiecībām un savstarpējo atkarību, asimilācijas un disimilācijas procesi ne vienmēr ir savstarpēji līdzsvaroti. Vecums šeit ir galvenais.
Jo jaunāks ir cilvēka ķermenis, jo intensīvāki tajā notiek asimilācijas procesi. Gluži pretēji, gados vecākiem cilvēkiem disimilācija dominē pār asimilāciju. Īpaši intensīva vielmaiņa tiek novērota jaundzimušajiem un pusaudžiem pubertātes laikā.