В клетке непрерывно протекают многообразные сложные биохимические реакции, основные из которых составляют реакции расщепления (диссимиляции) и реакции синтеза (ассимиляции).
Реакции ассимиляции и диссимиляции тесно связаны между собой и внешней средой. Из внешней среды организм получает питательные вещества. Энергия и простые вещества, образующиеся при их расщеплении, используются для синтеза необходимых органических веществ; во внешнюю среду выделяются неиспользованные клеткой вещества. Совокупность химических превращений, свойственных клетке (процессы диссимиляции и ассимиляции), связанных между собой и внешней средой, называется обменом веществ и превращением энергии или метаболизмом. Обмен веществ и превращения энергии в клетке — основа всех проявлений ее жизнедеятельности.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Реакции расщепления высокомолекулярных биополимеров на низкомолекулярные простые вещества называют энергетическим обменом. Он осуществляется в три этапа.
На подготовительном этапе крупные молекулы биополимеров под действием соответствующих ферментов расщепляются на мономеры:
- углеводы — на моносахариды;
- жиры — на глицерин и жирные кислоты;
- белки — на аминокислоты; нуклеиновые кислоты — на нуклеотиды.
Этот распад сопровождается незначительным выделением энергии, которая в основном рассеивается в виде тепла.
На бескислородном (анаэробном) этапе (неполное расщепление) вещества, образовавшиеся на первом этапе, подвергаются дальнейшему многоступенчатому ферментативному распаду на внутриклеточных мембранах. Например, гликолиз представляет собой ряд из 13 ферментативных реакций, происходящих в животных клетках, в результате которых молекула глюкозы в присутствии Н3РO4 и АДФ расщепляется до молочной кислоты, АТФ и Н2O.
Все процессы в живых организмах протекают при участии ферментов. Каждый из них специфичен для одной конкретной реакции. Источником энергии для всех реакций является АТФ.
В растительных клетках распад глюкозы происходит путем спиртового брожения, представляющего сложный ряд ферментативных реакций, суммарное уравнение которого выглядит так:
Реакции гликолиза и спиртового брожения сопровождаются выделением 200 кДж энергии. На образование 2 макроэргических связей при превращении АДФ и АТФ затрачивается 80 кДж, или 40% освобождаемой энергии. Она сберегается клеткой в виде АТФ, а 120 кДж, или 60% энергии, в основном рассеивается в виде тепла.
На кислородном (аэробном) этапе (полное расщепление) на мембранах митохондрий продукты, образовавшиеся на бескислородном этапе, в процессе ряда ферментативных реакций с участием Н3РO4 окисляются до СO2 и Н2O. Общая формула кислородного расщепления: щеплении глюкозы для клетки суммарно сохраняется 80 кДж + 1440 кДж = 1520 кДж, или 55% энергии, которая переходит в потенциальную энергию и в дальнейшем используется клеткой. Поэтому реакция расщепления называется энергетическим обменом.