Метаболизм

Одним из главных признаков, отличающих живые организмы от неживых объектов, является метаболизм.

Это «всё, что происходит» подразделяется на катаболизм и анаболизм.

• Катаболизм (энергетический обмен, диссимиляция) — совокупность процессов распада веществ с выделением энергии.
• Анаболизм (пластический обмен, ассимиляция) — совокупность процессов синтеза веществ с поглощением энергии.

Для запоминания есть забавная формула: «Катя рушит, Аня строит».

Главным веществом, участвующим в реакциях метаболизма, является АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Она состоит из:

• аденина (азотистое основание из двух колец на схеме ниже);
• рибозы (пятиугольный моносахарид на схеме);
• трёх остатков фосфорной кислоты, которые соединяют особые связи, выделяющие много энергии при разрушении — их называют макроэргическими.

Когда клетке необходима энергия, АТФ расщепляется до АДФ (аденозиндифосфата) и фосфорного остатка, а выделившаяся при этом энергия идёт на реакции анаболизма (синтез веществ). Затем АДФ может расщепиться до АМФ (аденозинмонофосфата), при этом тоже выделится энергия.

В реакциях катаболизма вещества разрушаются, энергия выделяется, а с её помощью из существующих в клетке АДФ синтезируется АТФ — этот процесс называется фосфорилирование.

Катаболизм происходит в 3 этапа:

1. Подготовительный.
2. Бескислородный (анаэробный, гликолиз).
3. Кислородный (аэробный, клеточное дыхание).

Подготовительный этап — это расщепление полимеров до мономеров.

У многоклеточных животных он проходит в органах пищеварения, а у простейших — в органеллах, заменяющих их.

О том, какие органоиды помогают питаться одноклеточным, ты можешь прочесть в статье «Клеточная теория. Строение клетки».

В конце этого этапа образуются свободные молекулы, входящие в состав белков (аминокислоты), жиров (глицерин и жирные кислоты) и углеводов (глюкоза).

А вот АТФ — нет! Вся энергия, образующаяся в ходе процессов пищеварения, переходит в тепловую энергию (поэтому нам становится теплее после еды в холодный день).

Анаэробный этап (гликолиз, бескислородный этап) — это расщепление глюкозы C6H12O6 на пировиноградную кислоту (ПВК) C3H4O3 без участия кислорода (в анаэробных условиях).

Гликолиз происходит у всех и всегда (в цитоплазме каждой клетки любого живого организма).

При этом в результате распада каждой молекулы глюкозы получаются 2 молекулы ПВК и синтезируются 2 АТФ.

Аэробный этап (клеточное дыхание, кислородный этап) — это расщепление ПВК до неорганических веществ (углекислого газа и воды) в присутствии кислорода.

Этот этап есть только у аэробов — организмов, которые используют кислород. У эукариот для этого есть специальная органелла — митохондрия, а вот аэробным бактериям приходится размещать АТФ-синтазу (фермент, помогающий синтезировать АТФ) прямо на внутренней стороне складок своей мембраны.

Основные процессы клеточного дыхания на раз-два-три:

1. ПВК приходит в митохондрии, сразу окисляется до ацетила и образует соединение с коферментом А, которое называется ацетил-коА.
2. Ацетил-коА вступает в цикл Кребса — это множество последовательных реакций окисления ацетил-коА с помощью кислорода до углекислого газа с образованием большого числа промежуточных соединений.
3. Окислительное фосфорилирование — образование АТФ из АДФ за счёт выделившейся энергии с помощью той самой АТФ-синтазы на складках мембраны тех самых митохондрий.

При этом в результате распада 2 ПВК (помним, что 2 ПВК = 1 глюкозе) получается углекислый газ, вода и 36 молекул АТФ.

Использование кислорода в процессе окисления сильно повышает энергетическую эффективность катаболизма и позволяет получать во много раз больше энергии при расщеплении того же количества питательных веществ: если используем кислород, то получаем 38 АТФ с каждой молекулы глюкозы, а если нет — всего 2.

Поэтому большая часть организмов являются аэробами, то есть потребляют кислород для клеточного дыхания. К аэробам относятся большинство растений, животных, грибов и бактерий.

Анаэробы — организмы, которые не используют кислород для окисления веществ (не дышат). Кислород может даже быть токсичен для них. К анаэробам относятся некоторые бактерии и грибы, паразитические животные.

Этапы энергетического обмена анаэробов:

1. Первый этап (такой же, как у аэробов).
2. Гликолиз (такой же, как у аэробов).
3. Брожение — альтернатива клеточному дыханию: превращение ПВК в условиях отсутствия кислорода.

Брожение, как и гликолиз, проходит прямо в цитоплазме и завершается образованием из ПВК различных органических соединений (кислот, спиртов).

АТФ при брожении почти не образуется, энергию анаэробы получают благодаря гликолизу, а брожение необходимо для восстановления участвующих в нём ферментов.

Основные типы брожения:

1. Молочнокислое брожение — восстановление ПВК (C3H4O3) до молочной кислоты (лактата C3H6O3). Особенно любят им заниматься молочнокислые бактерии, благодаря чему они и применяются при изготовлении всех кисломолочных продуктов.
   Лактат образуется также в мышцах при интенсивной работе и дефиците кислорода, когда его не хватает для окисления всей образующейся ПВК. Тогда её часть превращается в молочную кислоту и вызывает утомление мышц, а также характерную боль после сильной нагрузки.
2. Спиртовое брожение — окисление ПВК до этанола дрожжами (одноклеточными грибами). Используется для поднятия теста (потому что в процессе образуется углекислый газ) и изготовления алкоголя.
3. Уксуснокислое брожение — окисление ПВК до уксусной кислоты. Производится бактериями и применяется при изготовлении уксуса.
4. Маслянокислое брожение — окисление ПВК до масляной кислоты и ацетона клостридиями. Используется в производстве ацетона и растворителей.