Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Глава 21. ЭНЕРГЕТИКА БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ



Обмен веществ и энергии

Обмен веществ, или метаболизм, в широком смысле слова означает процесс взаимодействия системы с окружающей средой.

Процесс взаимодействия живого организма с окружающей средой состоит в том, что на протяжении всей жизни в него поступают извне различного рода питательные вещества и выделяются конечные продукты жизнедеятельности. В организме питательные вещества подвергаются расщеплению, в результате которого выделяется свободная энергия (энергия, утилизируемая клеткой, т.е. полезная), которая запасается в форме энергии фосфатных связей аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Весь этот процесс носит название катаболизма, или диссимиляциию.

Одновременно с расщеплением питательных веществ в организме происходит другой, противоположный процесс, направленный на образование различных соединений, являющихся составными частями клеток и тканей. Образование этих соединений происходит с потреблением энергии фосфатных связей АТФ. Этот процесс называется анаболизмом, или ассимиляцией.

Вся совокупность связанных между собой процессов катаболизма и анаболизма составляют в целом обмен веществ, являющийся характерной особенностью всех без исключения живых существ. По выражению Ф. Энгельса, существенным моментом жизни «... является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь...»*.

Благодаря обмену веществ обеспечиваются все проявления жизни — рост, размножение, движение, раздражимость, постоянство внутренней среды организма (гомеостаз), приспособление к различным условиям существования.

Обмен веществ имеет место и в неживой природе, однако он качественно отличается от обмена веществ в живом организме. В неживой природе обмен веществ ведет к разрушению тел. Это является следствием того, что неживая природа стремится к установлению равновесия с окружающей средой. Живой организм, в отличие от неживых тел, представляет собой устойчивую термодинамическую неравновесную систему, которая способна целенаправленно поддерживать состояние неравновесия с окружающей средой на определенном уровне. Такое динамическое неравновесие живой организм поддерживает с помощью процессов катаболизма и анаболизма.

Катаболизм и анаболизм в свою очередь состоят из двух одновременно протекающих и взаимосвязанных процессов. Один из них — это последовательность ферментативных реакций, в результате которых происходит соответственно разрушение или синтез биомолекул в каждой отдельной клетке, — промежуточный обмен, или промежуточный метаболизм. Второй процесс — это превращение энергии, связанное каждой отдельной ферментативной реакцией промежуточного обмена. На отдельных этапах катаболизма химическая энергия запасается, на определенных этапах анаболизма — расходуется. Поэтому нельзя рассматривать обмен веществ, не учитывая при этом превращения энергии. Это взаимосвязанные и взаимозависимые процессы.

Изучая реакции, в результате которых происходит расщепление и синтез органических веществ, необходимо анализировать и энергетические изменения, сопровождающие эти превращения.

Катаболизм включает три основные стадии. На первой стадии крупные молекулы пищевых продуктов распадаются на составляющие их строительные блоки, число которых довольно значительно. Липиды расщепляются до глицерина и высших жирных кислот, полисахариды - до гексоз или пентоз, белки — до аминокислот.

На второй стадии катаболизма из большого количества отдельных строительных блоков образуется небольшое число соединений. Основная масса их образует активную форму уксусной кислоты — ацетил-КоА (в нее превращаются глицерин, высшие жирные кислоты, гексозы, пентозы и почти половина образовавшихся на первой стадии аминокислот) и небольшое количество других соединений.

Продукты, образовавшиеся на второй стадии, вступают в третью, на которой распадаются до конечных продуктов обмена — СО2 и Н2O.

Процесс анаболизма также включает три стадии. В этом процессе исходными веществами для биосинтеза крупных органических молекул, являющихся составными компонентами клеток и тканей, служат соединения, которые образуются на третьей стадии катаболизма. Другими словами, третья стадия катаболизма является в то же время первой стадией анаболизма, т.е. выполняет двойную функцию. Поэтому ее называют центральным, или амфиболическим, путем (от греч. α μ φ ι - двойной.

Не следует, однако, думать, что анаболизм прямо противоположен катаболизму. Хотя многие реакции катаболизма и анаболизма протекают с участием одних и тех же ферментов, существуют отдельные реакции, характерные только для биосинтеза.

Наличие двух метаболических путей объясняется различной их энергетикой. Расщепление органического соединения можно сравнить с падением камня с вершины горы, а его синтез — с подъемом на гору. Падая с горы, камень летит почти по прямому пути, т.е. по линии наименьшего сопротивления. Поднять же этот камень на место точно по тому же пути не всегда возможно. Для этого необходимо пройти другим, менее крутым обходным путем, Катаболический и анаболический пути различаются своей локализацией в клетке. Так, расщепление высших жирных кислот протекает в митохондриях, а их синтез — в цитоплазме и осуществляются эти два процесса при помощи различных ферментов. Благодаря различной локализации в клетке метаболические пути могут протекать одновременно и независимо друг от друга.

Основное содержание катаболизма состоит в извлечении энергии, заключенной в молекулах органических соединений. Эти соединения, называемые также «клеточным топливом», имеют большой запас потенциальной энергии благодаря высокой степени структурной организации их молекул. Клетка и весь организм в целом нуждаются в поступлении энергии извне. Откуда же берется начальная энергия, которая является основным источником жизни на Земле? Первоисточником энергии, заключенной в химических связях органических соединений, является энергия солнца. Однако использовать ее непосредственно могут только растения. Энергия солнечных лучей поглощается хлорофиллом зеленых листьев растений и используется в химических реакциях, приводящих к образованию органических веществ. В результате образования этих соединений энергия солнечного света превращается и запасается в виде потенциальной химической энергии. Таким образом, растения улавливают и связывают громадные количества солнечной энергии, выполняя роль «космического фактора».

Человек и животные используют солнечную энергию косвенным путем, подвергая окислению синтезированные растениями молекулы органических веществ. Говоря о превращении энергии живыми организмами, необходимо остановиться на некоторых энергетических понятиях.

Для процессов превращения энергии в живой клетке сохраняют свое значение основные законы термодинамики, которым подчиняется неживая природа. Так, согласно второму закону термодинамики, энергия может существовать в двух формах: в форме свободной, или полезной, энергии и в форме рассеиваемой, не поддающейся использованию энергии. При любом физическом изменении системы наблюдается тенденция к рассеиванию энергии, т.е. к уменьшению количества свободной энергии и к возрастанию энтропии (рассеиваемой, неиспользуемой энергии).

Наиболее важным показателем энергетического эффекта, или коэффициента полезного действия, реакции является значение ее свободной энергии (точнее, изменение величины свободной энергии Δ G). Свободная энергия — это та энергия реакции, которая может быть превращена в работу.

С энергетической точки зрения химические реакции можно разделить на две группы: экзергонические и эндергонические. Экзергонические реакции протекают с выделением энергии и имеют отрицательное значение Δ G. Такие реакции могут осуществляться самопроизвольно. К ним относятся, например, реакции гидролиза. Эндергонические реакции протекают с поглощением энергии, имеют положительное значение Δ G и могут осуществляться только при сопряжении с экзергоническими реакциями. К этой категории относятся реакции синтеза, многие процессы, протекающие внутри клетки, и процессы жизнедеятельности организма в целом.

Выделяющаяся при окислении органических соединений свободная энергия используется для совершения клеткой работы. Однако поскольку окисление в живых организмах происходит при постоянной и невысокой температуре (живые организмы, как известно, являются по своей природе изотермическими), они не могут использовать теплоту как источник энергии. В ходе эволюции организмы выработали механизмы, позволяющие использовать химическую энергию. Поэтому свободная энергия «клеточного топлива» превращается в химическую, которая запасается в макроэргических связях макроэргических соединений.


Поделиться:



Последнее изменение этой страницы: 2017-03-14; Просмотров: 1662; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.013 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь