2.1. Пластичний і енергетичний обмін

Біохімічні процеси, які вивчаються на рівні тканин і клітин, охоплюють хімічні перетворення і видозміни структур білків, жирів і вугле­водів, що надходять в організм у вигляді їжі. Всі ці процеси відбуваються за участю великої кількості ферментів, які забезпечують певну послідовність обмінних реакцій у часі, місце і швидкість перебігу їх. Одночасно з процесом розкладання складних органічних сполук на простіші у клітині відбуваються також процеси синтезу складних органічних сполук (біологічний синтез, або біосинтез). Цим терміном позначають усі біохімічні процеси, які відбуваються в живих організмах і супроводжуються утворенням із простих, низькомолекулярних речовин склад­них високомолекулярних сполук (нуклеїнових кислот, білків, полісахаридів). Основні хімічні сполуки (амінокис­лоти, нуклеотиди тощо) синтезуються в клітині із глюко­зи та аміаку в результаті перебігу кількох сотень послідовних хімічних реакцій. Кожний етап у цій послідовності реакцій здійснюється специфічним ферментом. Отже, глю­коза — це джерело енергії в клітині й основна хімічна сполука для синтезу найважливіших органічних речовин. Процеси розщеплення і синтезу в клітині узгоджені так, що близько половини вуглецевих атомів входить до скла­ду різних хімічних сполук, а решта окиснюється до вугле­кислого газу.

Сукупність усіх реакцій біосинтезу прийнято називати асиміляцією (анаболізмом) (лат. уподібнен­ня), або пластичним обміном. Усі реакції пластичного обміну відбуваються з поглинанням енергії (ендотерміч­ні). Протилежний процес — розщеплення й окиснення ор­ганічних сполук у клітині — має назву дисиміляції (ка­таболізму) (лат. — робити несхожим), або енергетичного обміну. Всі реакції енергетичного обміну відбу­ваються з виділенням енергії (екзотермічні).

Обмін речовин (метаболізм) – надходження в організм поживних речовин із навколишнього середовища, їх перетворення та виведення з організму продуктів життєдіяльності.

Метаболізм (обмін речовин)

Анаболізм

(асиміляція, біосинтез, пластичний обмін)

Із простих речовин утворюються складні:

А + В → АВ – Е

Енергія втрачається

Катаболізм

(дисиміляція, розпад, енергетичний обмін)

Зі складних органічних сполук утворюються прості:

АВ → А + В + Е

Енергія акумулюється

Реакції, які відбуваються під час асиміляції і дисимі­ляції, хоча й протилежні, однак у живих організмах тісно взаємозв'язані і невіддільні одні від одних. Вони станов­лять дві сторони єдиного процесу обміну речовин.

Обмін речовин і енергії в клітині (сукупність пластично­го та енергетичного обмінів) — це основна умова підтриман­ня життя клітини, основа її функціонування й розвитку.

2. Етапи енергетичного обміну

Для життєдіяльності клітини, її функціонування, росту, розмноження, синтезу органічних сполук необхідна енергія. Основним джере­лом отримання енергії клітиною є глюкоза. Якщо у кліти­ну потрапляє не глюкоза, а якийсь інший вуглевод, то він перетворюється на глюкозу або на одну із проміжних спо­лук, які утворюються в процесі розщеплення глюкози, а далі ці речовини розщеплюються подібно до глюкози. У цьому процесі високомолекулярні органічні сполуки перетворюються на прості органічні і неорганічні. Процес енергетичного обміну дуже складний. Схематично він може бути зведений до двох етапів. Як відомо, в процесі травлення складні органічні сполу­ки розщеплюються в травному каналі на простіші: жи­ри на гліцерин і жирні кислоти, полісахариди — на моносахариди, білки — на амінокислоти. Всмоктуючись, вони надходять до внутрішнього середовища організму. Цей процес іноді розглядають як підготовчий етап енерге­тичного обміну речовин в організмі. Він супроводжується виділенням порівняно невеликої кількості енергії, яка розсіюється у вигляді теплоти.

На першому етапі енергетичного обміну речовини, які утворилися під час підготовчого етапу, включаються в по­дальший процес розщеплення без участі кисню. Це склад­ний, багатоступінчастий процес, який відбувається на внут­рішньоклітинних мембранах, де є відповідні ферменти. Речо­вини переміщуються по цих ферментах, як по конвеєру. Роз­глянемо це на прикладі розщеплення глюкози, яке має спе­ціальну назву — гліколіз. У процесі гліколізу кисень участі не бере, тому його називають безкисневим розщепленням. Реакція гліколізу в клітині відбувається за участю фосфорної кислоти та АДФ.

Сумарне рівняння має такий вигляд:

С₆Н₁₂О₆ + 2Н₃РО₄ + 2АДФ → 2С₃Н₆О₃ + 2АТФ + 2Н₂О + 200 кДж.

У клітинах більшості рослин безкисневе розщеплення речовин відбувається шляхом спир­тового бродіння. Багато стадій цього процесу аналогічні гліко­лізу, але кінцевими продуктами його замість молочної кисло­ти є вуглекислий газ і етиловий спирт (С₂Н₅ОН).

Другий етап енергетичного обміну — повне, або кисне­ве розщеплення. Основною умовою етапу є надходження в клітину достатньої кількості кисню. Як і гліколіз, кисне­ве розщеплення — це низка послідовних реакцій, кожну з яких каталізує певний фермент. Усі ці процеси відбува­ються на мембранах мітохондрій. Проміжні реакції роз­щеплення молочної кислоти до кінцевих продуктів (С0₂ і Н₂0) відбуваються з виділенням енергії. Поступовість кисневого розщеплення і виділення енергії надзвичайно важлива для акумулювання енергії в АТФ. У цьому про­цесі також беруть участь фосфорна кислота та АДФ.