Лекция №5: Метаболизм, анаболизм, катаболизм. Дыхание организма. Синтез АТФ.

Метаболи́зм или обмен веществ — набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды. Метаболизм обычно делят на две стадии: в ходе катаболизма сложные органические вещества деградируют до более простых; в процессах анаболизма с затратами энергии синтезируются такие вещества, как белки, сахара, липиды и нуклеиновые кислоты.

Обмен веществ происходит между клетками организма и межклеточной жидкостью, постоянство состава которой поддерживается кровообращением: за время прохождения крови в капиллярах через проницаемые стенки капилляров плазма крови 40 раз полностью обновляется с интерстициальной жидкостью. Серии химических реакций обмена веществ называют метаболическими путями, в них при участии ферментов одни биологически значимые молекулы последовательно превращаются в другие. Ферменты играют важную роль в метаболических процессах потому, что:

· действуют как биологические катализаторы и снижают энергию активации химической реакции;

· позволяют регулировать метаболические пути в ответ на изменения среды клетки или сигналы от других клеток.

Особенности метаболизма влияют на то, будет ли пригодна определенная молекула для использования организмом в качестве источника энергии. Так, например, некоторые прокариоты используют сероводород в качестве источника энергии, однако этот газ ядовит для животных. Скорость обмена веществ также влияет на количество пищи, необходимой для организма. В ходе катаболизма образуются более простые органические молекулы, необходимые для реакций анаболизма (биосинтеза). Часто, именно в ходе реакций катаболизма организм мобилизует энергию, переводя энергию химических связей органических молекул, полученных в процессе переваривания пищи, в доступные формы: в виде АТФ, восстановленных коферментов и трансмембранного электрохимического потенциала. Термин катаболизм не является синонимом «энергетического обмена»: у многих организмов (например, у фототрофов) основные процессы запасания энергии не связаны напрямую с расщеплением органических молекул. Классификация организмов по типу метаболизма может быть основана на источнике получения энергии и углерода. Органические молекулы используются в качестве источника энергии органотрофами, литотрофы используют неорганические субстраты, а фототрофы потребляют энергию солнечного света. Однако, все эти различные формы обмена веществ зависят от окислительно-восстановительных реакций, которые связаны с передачей электронов от восстановленных доноров молекул, таких как органические молекулы, вода, аммиак, сероводород, на акцепторные молекулы, такие как кислород, нитраты или сульфат. У животных эти реакции сопряжены с расщеплением сложных органических молекул до более простых, таких как двуокись углерода и воду. В фотосинтезирующих организмах — растениях и цианобактериях — реакции переноса электрона не высвобождают энергию, но они используются как способ запасания энергии, поглощаемой из солнечного света. Совокупность биохимических реакций, результатом которых является утилизация энергии химических связей органических веществ, называется дыханием. Если этот процесс идет без участия молекулярного кислорода, то это анаэробное дыхание, если с участием кислорода – аэробное дыхание. Аэробное дыхание происходит в митохондриях в особых органеллах, называемых энергетическими станциями клетки. Аэробное дыхание состоит из двух процессов. Первый процесс происходит без участия кислорода и носит название цикла Кребса, по имени английского ученого, открывшего этот процесс. Цикл Кребса протекает в жидкой внутренней фазе митохондрий, называемых матриксом. Анаэробное дыхание менее эффективно, чем аэробное при расщеплении молекулы глюкозы при анаэробном дыхании выделяется 27 ккал, а при аэробном дыхании- 674 ккал. В результате окисления биологических молекул клетка получает энергию, необходимую для ее жизнедеятельности. Это окисление происходит в последовательной цепи реакций, сопряженных с образованием макроэргического соединения – аденозинтрифосфорной кислоты. Дыхательная цепь или цепь переноса электронов, является главной системой превращения энергии. Согласно хемиоосмотической гипотезе окислительного фосфорилирования при транспорте электронов по дыхательной цепи протоны «откачиваются» из матрикса в межмембранное пространство, что вызывает возникновение электрохимического протонного градиента по обеим сторонам внутренней митохондриальной мембраны. При возникновении большого протонного градиента протоны начинают перемещаться через АТФ-синтетазу в матрикс и энергия их обратного тока расходуется для синтеза АТФ. Молекула АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) состоит из азотистого основания аденина, пятиуглеродного сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, соединенных между собой макроэргической связью. АТФ образуется в митохондриях в процессе фосфорилирования из АДФ и неорганического фосфата. При ее гидролизе высвобождается большое количество энергии. АТФ является основным макроэргом клетки- аккумулятором энергии в виде энергии высокоэнергетических химических связей. Полное окисление двух молекул пировиноградной кислоты, возникших при гликолитическом расщеплении одной молекулы глюкозы, приводит к синтезу 36 молекул АТФ. 2С₆Н₁₂О₆+6О₂+36Н₃РО₄+36АДФ→6СО₂+42Н₂О+36АТФ В процессе полного расщепления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ: С₆Н₁₂О₆+6О₂+38 Н₂О+ 38АДФ→6СО₂+2Н₂О+38 АТФ

Вопросы для закрепления темы:

1. Что называется метаболизмом?

2. Что такое анаболизм и катаболизм?

3. Что такое АТФ и каково его значение?

4. Какие виды дыхания клетки вы знаете?

5. В чем суть аэробного дыхания?

6. Что называется анаэробным дыханием?

7. Что называется матриксом?

8. Какие энергетические органеллы клетки вы знаете?

9. В чем суть цикла Кребса? Где он происходит?