2.6. Метаболизм живых организмов

Метаболизм – совокупность всех химических реакций, про­текающих в живом организме. Значение метаболизма состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечении его энергией. Выделяют две составные части метаболизма – катаболизм и анаболизм.

Катаболизм (энергетический обмен, диссимиляция) – сово­купность реакций, приводящих к образованию простых ве­ществ из более сложных (гидролиз полимеров до мономеров и расщепление последних до низкомолекулярных соединений углекислого газа, воды, аммиака и др. веществ). Катаболические реакции идут обычно с высвобождением энергии.

Анаболизм (пластический обмен, ассимиляция) – понятие, противоположное катаболизму: совокупность реакций синте­за сложных веществ из более простых (образование углеводов из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза, реакции матричного синтеза). Для протекания анаболических реакций требуются затраты энергии.

Процессы пластического и энергетического обмена неразрывно связаны между собой. Все синтетические (анаболичес­кие) процессы нуждаются в энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции. Сами же реакции расщепления (ка­таболизма) протекают лишь при участии ферментов, синтези­руемых в процессе ассимиляции.

Энергетический обмен. По отношению к свободному кислороду организмы делятся на три группы: аэробы, анаэробы и факультативные формы.

Аэробы (облигатные аэробы) – организмы, способные жить только в кислородной среде (животные, растения, некоторые бактерии и грибы).

Анаэробы (облигатные анаэробы) – организмы, неспособ­ные жить в кислородной среде (некоторые бактерии).

Факультативные формы (факультативные анаэробы) – орга­низмы, способные жить как в присутствии кислорода, так и без него (некоторые бактерии и грибы).

У облигатных аэробов и факультативных анаэробов в при­сутствии кислорода катаболизм протекает в три этапа: подго­товительный, бескислородный и кислородный. В результате органические вещества распадаются до неорганических соеди­нений. У облигатных анаэробов и факультативных анаэробов при недостатке кислорода катаболизм протекает в два первых этапа: подготовительный и бескислородный. В результате образуются промежуточные органические соединения еще бо­гатые энергией.

Этапы энергетического обмена (катаболизма):

Первый этап – подготовительный – заключается в фер­ментативном расщеплении сложных органических соединений на более простые. Белки расщепляются до аминокислот, жиры до глицерина и жирных кислот, полисахариды до моносахаридов, нуклеиновые кислоты до нуклеотидов. У многоклеточ­ных организмов это происходит в желудочно-кишечном трак­те, у одноклеточных – в лизосомах под действием гидролити­ческих ферментов. Высвобождающаяся при этом энергия рас­сеивается в виде теплоты. Образовавшиеся органические со­единения либо подвергаются дальнейшему окислению, либо используются клеткой для синтеза собственных органических соединений.

Второй этап – неполное окисление (бескислородный) – заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ, осуществляется в цитоплазме клетки без участия кислорода. Бескислородное, неполное окисление глюкозы называется гликолизом. В результате гликолиза из одной молекулы глюко­зы образуются две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), при этом синтезируются две молекулы АТФ.

Далее при отсутствии в среде кислорода ПВК перерабаты­вается либо в этиловый спирт – спиртовое брожение (в клет­ках дрожжей и растений при недостатке кислорода), либо в молочную кислоту – молочнокислое брожение (в клетках жи­вотных при недостатке кислорода).

При наличии в среде кислорода продукты гликолиза претер­певают дальнейшее расщепление до конечных продуктов, то есть включаются в третий этап.

Третий этап – полное окисление (дыхание) – заключается в окислении ПВК до углекислого газа и воды, осуществляется в митохондриях, при обязательном участии кислорода.

Суммарное уравнение расщепления глюкозы в процессе клеточного дыхания:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 38Н₃РО₄ + 38АДФ → 6СО₂ + 44Н₂О + 38АТФ

Таким образом, в ходе гликолиза образуются 2 молекулы АТФ, в ходе клеточного дыхания – еще 36 АТФ, в целом при полном окислении глюкозы – 38 АТФ.

Пластический обмен. Гетеротрофные организмы строят соб­ственные органические вещества из органических компонен­тов пищи. Гетеротрофная ассимиляция сводится, по существу, к перестройке молекул: органические вещества пищи (белки, жиры, углеводы) → простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) → макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).

Автотрофные организмы способны полностью самостоятель­но синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды. В процессе фото- и хемосинтеза, происходит образование простых органичес­ких соединений, из которых в дальнейшем синтезируются мак­ромолекулы: неорганические вещества (СО₂, Н₂О) → простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) → макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).

Рассмотрим наиболее важные, с точки зрения экологии, метаболические процессы пластического обмена – фотосин­тез и хемосинтез.

Фотосинтез (фотоавтотрофия) – синтез органических со­единений из неорганических за счет энергии света. Суммар­ное уравнение фотосинтеза: 6СО₂ + 6Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Фотосинтез протекает при участии фотосинтезирующих пиг­ментов, обладающих уникальным свойством преобразования энергии солнечного света в энергию химической связи в виде АТФ. Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой.

В процессе фотосинтеза кроме моносахаридов (глюкоза и др.) синтезируются мономеры других органических соедине­ний – аминокислоты, глицерин и жирные кислоты. Таким образом, благодаря фотосинтезу растения обеспечивают себя и все живое на Земле необходимыми органическими веще­ствами и кислородом.

Хемосинтез (хемоавтотрофия) – процесс синтеза органи­ческих соединений из неорганических (СО₂ и др.) за счет хи­мической энергии окисления неорганических веществ (серы, водорода, сероводорода, железа, аммиака, нитрита и др.). К хемосинтезу способны только хемосинтезирующие бак­терии: нитрифицирующие, водородные, железобактерии, се­робактерии и др. Они окисляют соединения азота, железа, серы и других элементов. Все хемосинтетики являются облигатными аэробами, так как используют кислород воздуха. Нитрифицирующие бактерии окисляют соединения азота, железобактерии превращают закисное железо в окисное, серобактерии окисля­ют соединения серы.

Высвобождающаяся в ходе реакций окисления энергия за­пасается бактериями в виде молекул АТФ и используется для синтеза органических соединений. Хемосинтезирующие бак­терии играют очень важную роль в биосфере. Они участвуют в очистке сточных вод, способствуют накоплению в почве ми­неральных веществ, повышают плодородие почвы.