Загальні уявлення про обмін речовин і енергії

Обмін речовин і енергії є однією з найважливіших і найсуттєвіших ознак живого організму. Живі організми — відкриті системи, для існування яких необхідний постійний двосторонній зв'язок (обмін) з навколишнім середовищем. З навколишнього середовища вони одержують поживні речовини та енергію, перетворюють їх, видозмініюкугь, використовуючи утворені сполуки для власних потреб, та поверта^И в навколишнє середовище кінцеві продукти обміну. Вся сукупн^И процесів поглинання, засвоєння речовин з навколишнього середовфца та утворення і виділення кінцевих продуктів — суть обміну речовин.

Розглядаючи життя як вищу форму руху живої матерії, як спосіб існування біополі мери их тіл та систем, здатних до самооновлення ІЧШ мовідтворення в умовах постійного взаємозв'язку з навколишнім редовищем,.незаперечним є те, що обмін речовин єосновою всіх прояв життєдіял'ьності. Припинення обміну речовин рівнозначне припиненн життя. Обмін речовин відбувається і в неживій природі, однак цей процес значно відрізняється від обміну в живих системах. Ця відмінність зумовлена насамперед тим, що обмін речовин у живих організмах забезпечує постійне самооновлення та самовідтворення його складових частин і здійснюється завдяки злагодженій дії численних систем та специфічних факторів, що забезпечують процеси життєдіяльності. У неживій природі обмін відбувається в одному напрямі, що призводить до видозміни, а часто і руйнування неживих тіл. Оскільки обмін речовин між організмом та навколишнім середовищем зумовлює всі прояви життєдіяльності, його можна розглядати як своєрідну норму реагування організму на зміну умов середовища, тобто в процесі еволюції в живих організмах виникли і вдосконалились специфічні функції, що забезпечили виживання та їх розвиток. Отже, обмін речовин в живих організмах має багато суттєвих ознак. Насамперед для обміну речовин у живих організмах характерним є скоординованість біохімічних перетворень у просторі і часі, завдяки чому різні процеси, інколи прямо протилежні, здійснюються одночасно, не заважаючи один одному. Це значною мірою забезпечується за рахунок кампартменізації — окремі біохімічні перетворення відбуваються на певних ділянках клітин чи в специфічних органелах клітин. Досить важливим є і те, що перебіг процесів проходить у суворо визначеній послідовності, при цьому кож-

на попередня реакція створює умови для здійснення наступної. В цьо-

■ му важлива роль належить біологічним каталізаторам — ферментам,
які мають багато специфічних властивостей і забезпечують складні
біохімічні перетворення численних субстратів та спряженість цих пере-

- творень на метаболічному та енергетичному рівнях. Це створює умови для забезпечення саморегуляції та підтримання гомеостазу — необхідної умови існування живих організмів.

Умовно обмін речовин поділяють на загальний, проміжний та внутрішньоклітинний. Загальний обмін включає процеси надходження по-| живних речовин в організм, їх перетворення і виділення продуктів обміну. Проміжний обмін — це перетворення речовин в організмі з моменту надходження їх до утворення кінцевих продуктів обміну. Внутрішньоклітинний обмін — це перетворення речовин після всмоктування. Оскільки, за винятком процесів перегравлювання і всмоктування, а також утворення деяких міжклітинних рідин і мінеральних речовин у кістковій тканині, всі інші процеси відбуваються в клітинах організму, то поняття проміжного і внутрішньоклітинного обміну майже співпадають. Загальний обмін складається з проміжного і внутрішньоклітинного. Специфічними функціями обміну речовин є вбирання (акумуляція) енергії з навколишнього середовища, яка потрапляє у формі хімічних сполук або у вигляді енергії сонячного випромінювання і перетворення екзогенних сполук для синтезу біополімерів, властивих да-[ ному організму, та вилучення енергії. Енергія необхідна для процесів [ синтезу і виконання різних специфічних функцій, властивих живому, l для росту, розвитку, руху, секреції, подразливості, скоротливості.

Обмін речовин складається з фізіологічних (травлення, всмокту-I вання, виділення) і фізичних (сорбція, дифузія, осмос), хімічних (окис-I лення, відновлення, гідроліз, фосфороліз) процесів, які здійснюються

■ при проміжному та внутрішньоклітинному обміні. Особливе місце се-
I ред них належить хімічним перетворенням органічних сполук, різно-

■ манітність яких зводиться до двох основних реакцій — синтезу та роз-
Ж Щеплення. Реакції синтезу відбуваються в напрямі ускладнення моле-

■ ^кУл, що приводить до перетворення простих сполук на складніші. Це
І^так звані анаболічні реакції (від лат. anabole — синтез). Реакції роз-

■ Щеплення характеризуються протилежним процесом — розщепленням «1 складних сполук з утворенням простіших. Це так звані катаболічні М Реакції (від лат. katabole — розклад), тобто обмін речовин можна роз-

■ ^глядати як діалектичну єдність двох протилежних і взаємопов'язане ^них процесів — розщеплення і синтезу — асиміляції і дисиміляції.

Асиміляція — це частина загального обміну, що супроводжується

• Поглинанням органічних сполук з навколишнього середовища, засво-

ї*^Ням, перетворенням та синтезом за їх рахунок різних структур орга-

«Нізму. Цей процес включає численні хімічні реакції та перетворення

„"І°Рганічних сполук, які забезпечують використання організмом пожив-

них речовин, що потрапляють з навколишнього середовища. За раху-| нок асиміляції забезпечуються процеси росту, розвитку, самооновлення організму. Асиміляція супроводжується анаболічними реакціями, які забезпечують синтез складних органічних сполук. Основними анаболічними реакціями є реакції відновлюючого синтезу, які супроводжуються використанням енергії, тобто є ендергонічними.

Дисиміляція —це частина загального обміну, в процесі якого відбувається руйнування та розщеплення складних органічних сполук, які потрапляють з продуктами харчування, та тих, що входять до складу власних структур організму — білків, вуглеводів, ліпідів з утворенням простіших сполук та кінцевих продуктів обміну. Органічні сполуки, що потрапляють з продуктами харчування, перетворюються за участю численних ферментів до простіших сполук. Певна послідовність ферментативних перетворень називається метаболізмом (від лат. metabole — перетворення). Речовини, що утворюються в процесі метаболізму, називаються метаболітами. Інколи поняття метаболізм ототожнюється з поняттям обміну, оскільки з хімічної точки зору метаболізм — це сукупність різноманітних ферментативних реакцій окислення, відновлення, гідролізу та ін.

Для дисиміляції характерні катаболічні реакції, які супроводжуються виділенням енергії, тобто є екзергонічними. Основними катаболіч-ними реакціями, що здійснюються при дисиміляці⁷, є гідроліз, фосфо-| роліз та окислення. Гідроліз і фосфороліз складних органічних сполук] до простіших здійнюються за участю певних ферментних систем. Реак-| ції окислення характерні переважно для внутрішньоклітинного обміну] і мають багато особливостей.,В організмі процеси окислення відбуваються за рахунок таких процесів: приєднання атомів кисню до субст-[ рату; відщеплення атомів водню з субстратів, що окислюються; від-] дачі електронів. Усі реакції каталізуються специфічними ферментними)) системами. Так, використання кисню в процесах окислення в організмі може забезпечуватись за рахунок кількох груп ферментів: оксидаз і оксигеназ, а відщеплення водню та електронів з субстрату, що окис-| люється, забезпечують ферменти дегідрогенази* Деякі реакції є спряженими— окислення однієї сполуки, як правило, супроводжується відновленням іншої (реакції оксидоредукції). Особливістю перебігу даних реакцій в живих організмах є те, що вони в більшості випадків складають ланцюги взаємопов'язаних послідовних перетворень, які | забезпечують поетапне виділення енергі'і.-Процеси асиміляції і дисиміляції в організмі відбуваються одночасно і є двома сторонами єдиного процесу обміну. Анаболічні реакції, що характерні для асиміляції, забезпечують утворення органічних сполук, необхідних для побу-j дови структур організму, а катаболічні реакції, які характерні дл^я] дисиміляції,— виділення енергії, необхідної для синтезу складних op-j ганічних сполук та утворення кінцевих продуктів обміну.

Співвідношення між процесами асиміляції і дисиміляції є досить важливим показником функціонального стану організму. НайІнтен-сивніше процеси асиміляції проходять у період росту та розвитку організму. Переважання процесів дисиміляції над процесами асиміляції має місце при деяких патологічних процесах та при старінні організму. За нормальних фізіологічних умов в організмі забезпечується стабільна рівновага даних процесів. Разом з тим слід зазначити, що незважаючи па те, що процеси асиміляції і дисиміляції є взаємоузгодженими і відбуваються одночасно, анаболічні реакції, як правило, є не зворотніми реакціями катаболізму, оскільки різні етапи їх каталізують різні ферментні системи та здійснюються в різних кампартментах клітини.

Так, процеси синтезу різних біонолімерів клітини здійснюються в цитоплазмі, де локалізовані відповідні ферментні системи, а процеси розщеплення різних субстратів, спряжені із виділенням енергії, проходять у мітохондріях. Прикладом може бути розщеплення та синтез жирних кислот, вуглеводів, білків. Незважаючи на те що анаболічні і катаболічні реакції розмежовані в просторі і часі, їх об'єднують спільні стадії та проміжні продукти обміну (метаболіти). Динамічна єдність двох протилежних процесів — асиміляції та дисиміляції — є досить важливою ознакою обміну речовин у живих системах та необхідною умовою їх існування.

У процесі еволюції в живих організмах сформувались певні регуляторні механізми, які забезпечують високий ступінь упорядкованості та узгодженості процесів, що в них здійснюються. Дані регуляторні механізми діють на різних рівнях — клітинному, метаболічному, орга-нізменному — і є спільними для всіх живих організмів. Координація та взаємоузгодженість процесів асиміляції і дисиміляції, інтенсивність та направленість біохімічних перетворень переважно регулюються шляхом зміни активності ферментних систем та за участю інших регуляторних механізмів (нервових та гуморальних), що забезпечує динамічну рівновагу між організмом та навколишнім середовищем як важливу умйву існування живих систем. Процеси асиміляції і дисиміляції можаї проілюструвати такою схемою (див. с 326).