§ 24. Общая характеристика обмена веществ и преобразование энергии

Понятие обмена веществ. Существование живых организмов обеспечивается непрерывным поглощением определенных веществ из окружающей среды. Гетеротрофные организмы (животные, грибы, многие протисты и бактерии) нуждаются в поступлении готовых органических соединений, а также воды и минеральных веществ. Автотрофные организмы (растения, водоросли, некоторые бактерии) также находятся в постоянном обмене веществами с окружающей средой, но при этом поглощают из нее только неорганические вещества.

Вещества, поступившие в организм, подвергаются превращениям в результате различных биохимических реакций. Некоторые вещества используются клетками организма в качестве строительного материала, другие расщепляются и служат источником энергии. Конечные продукты расщепления выводятся из организма в окружающую среду. Совокупность процессов химического превращения веществ в организме называется обменом веществ или метаболизмом (от греч. метаболе — перемена, превращение). Процессы обмена веществ обеспечивают рост, развитие, жизнедеятельность, размножение организмов, а также их взаимодействие с окружающей средой.

Обмен веществ сопровождается преобразованием энергии. Например, при расщеплении питательных веществ высвобождается энергия, заключенная в их химических связях. Часть этой энергии рассеивается в виде тепла (т. е. преобразуется в тепловую), другая часть запасается в виде молекул АТФ. Фотосинтезирующие организмы поглощают световую энергию и преобразуют ее в энергию химических связей органических веществ.

Ассимиляция и диссимиляция. В живом организме одновременно происходят процессы двух типов: синтеза и расщепления веществ (рис. 59). Совокупность реакций синтеза сложных органических веществ из более простых соединений называется ассимиляцией (от лат. ассимиляцио — усвоение), анаболизмом (от греч. анаболе — подъем) или пластическим обменом. Реакции пластического обмена идут с затратами (поглощением) энергии. В ходе ассимиляции из разнообразных химических соединений, поступивших в организм, синтезируются вещества, специфичные для данного организма. Образованные вещества используются для роста клеток и обновления клеточных структур, идут на построение новых клеток и тканей. Некоторая часть продуктов пластического обмена откладывается в клетках в качестве запасных веществ.

Процессами пластического обмена являются: фотосинтез, биосинтез ДНК (репликация), биосинтез РНК, белков, липидов, полисахаридов и т. д.

Процессы расщепления сложных органических веществ до более простых соединений сопровождаются выделением (высвобождением) энергии их химических связей. Как уже отмечалось, одна часть этой энергии рассеивается в виде тепла, а другая аккумулируется в виде макроэргических связей АТФ. Такие процессы называются диссимиляцией (от лат. дис — приставка, означающая «нарушение»; ассимиляцио — усвоение), катаболизмом (от греч. катаболе — разрушение) или энергетическим обменом. Конечными продуктами процессов диссимиляции являются углекислый газ, вода, аммиак. К энергетическому обмену относится б р о ж е н и е и клеточное дыхание.

Молекулы АТФ, синтезированные в ходе реакций энергетического обмена, служат поставщиками энергии для процессов синтеза органических веществ, активного транспорта веществ через плазмалемму, деления клеток, передачи нервных импульсов. Благодаря энергии АТФ поддерживается постоянная температура тела у птиц и млекопитающих, осуществляются все виды движения (в том числе и мышечного) и т. д.

Процессы пластического и энергетического обмена тесно связаны между собой. Многие вещества, образующиеся в ходе энергетического обмена, могут использоваться в пластическом обмене для синтеза более сложных органических веществ. И наоборот, продукты ассимиляции могут подвергаться расщеплению и служить источником энергии в процессах диссимиляции. АТФ, которая образуется в ходе энергетического обмена, расщепляется до АДФ и Н₃Р0₄ и служит источником энергии для реакций пластического обмена.

Таким образом, ассимиляция и диссимиляция — две взаимосвязанные стороны единого процесса обмена веществ и преобразования энергии в живых организмах.

Процессы ассимиляции не всегда уравновешены процессами диссимиляции. Так, в молодых организмах преобладают процессы ассимиляции. Благодаря этому обеспечивается накопление веществ, интенсивный рост и развитие организма. В старом организме, как правило, преобладают процессы диссимиляции. То же самое наблюдается при высоких физических нагрузках и недостатке питательных веществ. Если не компенсировать энергетические затраты усиленным питанием, произойдет постепенное истощение организма, ведущее в конце концов к его гибели.

Интенсивность процессов энергетического и пластического обмена регулируется нервной системой и гормонами. Например, адреналин сдвигает баланс в сторону энергетического обмена, а инсулин и соматотропин (гормон роста) — в сторону пластического обмена.