Обмен веществ

Обмен веществ (метаболизм) — это совокупность всех химических превращений, протекающих в живых организмах. Эти процессы обеспечивают рост, жизнедеятельность, воспроизведение, а также постоянный контакт и обмен с окружающей средой.

Благодаря обмену веществ происходят:

Например, у человека:

  • Половина всех тканевых белков расщепляется и строится заново в среднем за 80 суток.
  • Белки печени и сыворотки крови обновляются наполовину каждые 10 суток.
  • Белки мышц — за 180 суток.
  • Отдельные ферменты печени — каждые 2–4 часа.

Обмен веществ неотделим от процессов превращения энергии. Потенциальная энергия химических связей сложных органических молекул в результате химических превращений переходит в другие виды энергии. Эта энергия используется для:

  • Синтеза новых соединений.
  • Поддержания структуры и функции клеток.
  • Поддержания температуры тела.
  • Совершения работы и т. д.

Все реакции обмена веществ и превращения энергии протекают при участии биологических катализаторов — ферментов. У самых разных организмов обмен веществ отличается высокой упорядоченностью и сходством последовательности ферментативных превращений, несмотря на огромное разнообразие вовлекаемых химических соединений. В то же время для каждого вида характерен особый, генетически закреплённый тип обмена веществ, обусловленный условиями его существования.

Анаболизм и катаболизм

Обмен веществ складывается из двух взаимосвязанных, одновременно протекающих в организме процессов — ассимиляции (анаболизма) и диссимиляции (катаболизма).

Катаболизм — это процесс расщепления крупных органических молекул (белков, жиров, углеводов) до более простых соединений. При этом выделяется энергия, которая запасается в форме богатых энергией химических связей, главным образом в молекуле аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Катаболические превращения могут протекать двумя путями:

  1. Без участия кислорода (анаэробный путь) — например, гликолиз, брожение.
  2. С участием кислорода (аэробный путь — дыхание). Этот путь эволюционно более молодой и энергетически более выгодный, так как обеспечивает полное расщепление органических молекул до CO₂ и H₂O.

В результате катаболизма разнообразные органические соединения превращаются в ограниченное число небольших молекул-предшественников:

  • Углеводы — в триозофосфаты и/или пируват.
  • Жиры — в ацетил-КоА, пропионил-КоА и глицерин.
  • Белки — в ацетил-КоА, оксалоацетат, α-кетоглутарат, фумарат, сукцинат, а также в конечные продукты азотистого обмена (мочевину, аммиак, мочевую кислоту и др.).

Анаболизм — это процесс биосинтеза сложных молекул из простых предшественников. В зависимости от источника энергии и углерода организмы делятся на:

  • Автотрофы (зелёные растения и некоторые бактерии): способны к первичному синтезу органических соединений из CO₂, используя энергию солнечного света (фотосинтез) или энергию окисления неорганических веществ.
  • Гетеротрофы (животные, грибы, многие бактерии): синтезируют органические соединения только за счёт энергии и продуктов, образующихся в результате катаболических превращений. Исходным сырьём для них служит небольшое число соединений (ацетил-КоА, пируват, аминокислоты и др.).

Каждая клетка синтезирует характерные для неё вещества (например, мышечные клетки синтезируют гликоген для собственных нужд). Синтез, как правило, включает восстановительные этапы и сопровождается потреблением энергии.

Особенности и регуляция метаболизма

Хотя катаболизм и анаболизм протекают одновременно и связаны общими промежуточными продуктами (важнейший из которых — ацетил-КоА), их пути не являются простым обращением друг друга. Они используют разные наборы ферментов и часто протекают в разных компартментах клетки:

Такая компартментализация позволяет разделить химически несовместимые реакции и повысить эффективность метаболизма.

Организмы обладают тонкими системами регуляции обмена веществ, которые обеспечивают согласованность реакций и позволяют приспосабливаться к изменениям среды. Регуляция может осуществляться на разных уровнях:

  1. Клеточный уровень: воздействие на активность ферментов (ингибирование/активация), на скорость их синтеза или распада.

  2. Надклеточный уровень (у многоклеточных организмов):

Современный контекст

Современная биохимия и молекулярная биология значительно углубили понимание обмена веществ. Стало известно, что многие метаболические пути образуют сложные сети, а не линейные цепочки. Открыты новые сигнальные пути регуляции (например, через mTOR-киназу, регулирующую рост клеток и анаболизм в ответ на наличие питательных веществ). Изучение метаболизма лежит в основе понимания таких заболеваний, как диабет, ожирение, метаболический синдром, а также в разработке новых лекарств и стратегий здорового питания.