Метаболизм

Метаболизм это обмен веществ в организме для выработки энергии в первую очередь. Все живые организмы на Земле представляют собой открытые системы, способные активно организовывать поступление энергии и вещества извне. Энергетический обмен в клетках помогает нам жить. Энергия необходима для осуществления жизненно важных процессов, но прежде всего для химического синтеза веществ, используемых для построения и восстановления структур клетки и организма.

Метаболизм

Живые существа способны использовать только два вида энергии: световую (энергию солнечного излучения) и химическую (энергию связей химических соединений). По этому признаку организмы делятся на две группы ― фототрофы и хемотрофы.

Главным источником структурных молекул является углерод. В зависимости от источников углерода живые организмы делят на две группы: автотрофы, использующие неорганический источник углерода (диоксид углерода), и гетеротрофы, использующие органические источники углерода.

Процесс потребления энергии и вещества называется питанием. Известны два способа питания:

• голозойный ― посредством захвата частиц пищи внутрь тела,
• голофитный ― без захвата, посредством всасывания растворенных пищевых веществ через поверхностные структуры организма.

Разберемся с процессами, связанными с проникновением веществ в клетку.

Транспорт веществ в клетку

Существует два типа проникновения веществ в клетку через мембраны: пассивный и активный транспорт.

Пассивный транспорт

Пассивный транспорт — перенос веществ по градиенту концентрации из области высокой концентрации в область низкой без затрат энергии (например, диффузия, осмос).

Диффузия — пассивное перемещение вещества из участка большей концентрации к участку меньшей концентрации.

По пути простой диффузии частицы вещества перемещаются сквозь билипидный слой мембраны. Направление простой диффузии определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны. Путём простой диффузии в клетку проникают гидрофобные вещества (O2, N2, бензол) и полярные маленькие молекулы (CO2, H2O, мочевина). Не проникают полярные относительно крупные молекулы (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) и макромолекулы (ДНК, белки).

Простая диффузия представляет собой процесс, при котором газ или растворенные вещества распространяются и заполняют весь объём вещества. Молекулы или ионы, растворённые в жидкости, находясь в хаотичном состоянии, сталкиваются со стенками клеточной мембраны, что может вызвать двоякий исход: молекула либо отскочит, либо пройдёт через мембрану. Если вероятность последнего велика, то говорят, что мембрана проницаема для данного вещества.

Если концентрация данного вещества по обе стороны мембраны различна, то возникает процесс, который способствует выравниванию концентрации. Через клеточную мембрану проходят как хорошо растворимые (гидрофильные), так и нерастворимые (гидрофобные) вещества.

В случае, когда мембрана плохо проницаема, либо непроницаема для данного вещества, она подвергается действию осмотических сил. При более низкой концентрации вещества в клетке она сжимается, при более высокой концентрации — впускает внутрь воду.

Через биологические мембраны путём простой диффузии проникают многие вещества. Однако вещества, которые имеют высокую полярность и органическую природу, не могут проникать через мембрану путем простой диффузии, эти вещества попадают в клетку путем облегчённой диффузии. Облегчённой диффузией называется диффузия вещества по градиенту его концентрации, которая осуществляется с помощью специальных погружённых в мембрану транспортных белков-переносчиков. Участие белков-переносчиков обеспечивает более высокую скорость облегчённой диффузии по сравнению с простой пассивной диффузией. Облегчённая диффузия не требует специальных энергетических затрат за счёт гидролиза АТФ. Эта особенность отличает облегчённую диффузию от активного трансмембранного транспорта.

Осмос — процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону бо́льшей концентрации растворённого вещества из объёма с меньшей концентрацией растворенного вещества.

Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением. Это осмотическое давление возникает из-за того, что система пытается выровнять концентрацию раствора в обеих средах, разделенных мембраной, и описывается вторым законом термодинамики. Оно равно избыточному внешнему давлению, которое следует приложить со стороны раствора, чтобы прекратить процесс, то есть создать условия осмотического равновесия. Превышение избыточного давления над осмотическим может привести к обращению осмоса — обратной диффузии растворителя.

Активный транспорт

Активный транспорт — перенос вещества через клеточную или внутриклеточную мембрану, или через слой клеток, протекающий против градиента концентрации из области низкой концентрации в область высокой, т. е. с затратой свободной энергии организма. В большинстве случаев источником энергии служит энергия макроэргических связей АТФ.

Калий-натриевый насос

К веществам, активно транспортируемым, по крайней мере, через некоторые клеточные мембраны, относят ионы натрия, калия, кальция, железа, водорода, хлора, йода, мочевой кислоты, некоторые сахара и большинство аминокислот.

Механизм активного транспорта лучше всего изучен для натрий-калиевого насоса (Na+/K+-нaсоса) — транспортного процесса, который выкачивает ионы натрия через мембрану клетки наружу и в то же время закачивает в клетку ионы калия. Этот насос отвечает за поддержание различной концентрации ионов натрия и калия по обе стороны мембраны, а также за наличие отрицательного электрического потенциала внутри клеток.

Рассмотрим работу насоса. Когда 2 иона калия связываются с белком-переносчиком снаружи и 3 иона натрия связываются с ним внутри, активируется АТФ-азная функция белка. Это ведет к расщеплению 1 молекулы АТФ до АДФ с выделением энергии высокоэнергетической фосфатной связи. Полагают, что эта освобожденная энергия вызывает химическое и конформационное изменение молекулы белка-переносчика, в результате 3 иона натрия перемещаются наружу, а 2 иона калия — внутрь клетки.

Фагоцитоз и пиноцитоз

Фагоцитоз и пиноцитоз также относятся к активному транспорту.

ФагоцитозФагоцитоз (греч. фаго – пожирать) – поглощение клеткой твердых органических веществ. Оказавшись около клетки, твердая частица окружается выростами мембраны, или под ней образуется углубления мембраны. В результате частица оказывается заключенной в мембранный пузырек – фагосому – внутри клетки. Фагоцитоз свойственен простейшим, кишечнополостным, лейкоцитам, а также клеткам капилляров костного мозга, селезенки, печени, надпочечников. ПиноцитозПиноцитоз (греч. пино – пью) – это процесс поглощения клеткой мелких капель жидкости с растворенными в ней высокомолекулярными веществами. Осуществляется путем захвата этих капель выростами цитоплазмы. Захваченные капли погружаются в цитоплазму и там усваиваются. Явление пиноцитоза свойственно животным клеткам и одноклеточным простейшим.

Превращение веществ в клетке

Пищевые вещества, попавшие в организм, вовлекаются в процессы метаболизма.

МетаболизмМетаболизм представляет собой совокупность взаимосвязанных и сбалансированных процессов, включающих разнообразные химические превращения в организме.

Синтез веществ в клетке

АнаболизмРеакции синтеза, осуществляющиеся с потреблением энергии, составляют основу анаболизма (пластического обмена, или ассимиляции).

Процесс синтеза веществ = пластический обмен = ассимиляция = анаболизм

Чтобы что-то построить, надо затратить энергию — этот процесс идет с поглощением энергии.

Тип организма	Пример пластического обмена
Автотрофы	Фотосинтез
Гетеротрофы	Синтез белка

Катаболизм

Противоположный анаболизму процесс –Катаболизм катаболизм – процесс расщепления веществ с высвобождением энергии (энергетический обмен, или диссимиляция).

Процесс расщепления = энергетический обмен = диссимиляция = катаболизм

Это процесс, при котором сложные вещества разлагаются на простые. “Ломать — не строить”, так что энергия при этом выделяется.

В основном, это реакции окисления, происходят они в митохондриях, самый простой пример — дыхание. При дыхании сложные органические вещества расщепляются до простых, выделяется углекислый газ и энергия.

Вообще, эти два процесса взаимосвязаны и переходят один в другой. Суммарно уравнение метаболизма — обмена веществ в клетке — можно записать так:

катаболизм + анаболизм = обмен веществ в клетке = метаболизм

Рассмотрим эти процессы подробнее.

Энергетический обмен = Диссимиляция = Катаболизм

Этот процесс идет в несколько этапов, и нам нужно рассмотреть, как он проходит в различных организмах.

Организмов будет всего 2 — многоклеточный (человек, например) и одноклеточный (растительный и животный).

И запомните, сочетание букв АТФ (аденозинтрифосфат) — означает “энергию”. Просто эта энергия заключена в молекуле.

Анаболизм

Катаболические пути влияют на превращение пищевых материалов в необратимые интермедиаты. Анаболические пути, с другой стороны, представляют собой последовательности катализируемых ферментами реакций, в которых компонентные строительные блоки больших молекул или макромолекул (например, белков, углеводов и жиров) образуются из одних и тех же промежуточных продуктов.

Таким образом, катаболические маршруты имеют четко определенные начала, но не имеют однозначно идентифицируемых конечных продуктов, анаболические пути, с другой стороны, приводят к четко различимым конечным продуктам от диффузных начал. Два типа пути связаны между собой реакциями переноса фосфатов, в которых участвуют АДФ (аденозиндифосфат), АМФ (аденонмонофосфорная кислота) и АТФ, а также посредством переносов электронов, которые позволяют уменьшить количество восстанавливающих эквивалентов (то есть атомов водорода или электронов), которые высвобождаются во время катаболических реакций. используется для биосинтеза.

Но, хотя катаболические и анаболические пути тесно связаны между собой, и общий эффект одного типа маршрута явно противоположен другому, у них мало общих шагов.

Анаболический путь для синтеза конкретной молекулы обычно начинается с промежуточных соединений, весьма отличных от тех, которые образуются в результате катаболизма этой молекулы, например, микроорганизмы катаболизируют ароматические (то есть содержащие кольцевую или циклическую структуру) аминокислоты до ацетилкофермента А и промежуточного соединения цикла Кребса. Биосинтез этих аминокислот, однако, начинается с соединения, полученного из пирувата, и промежуточного соединения метаболизма пентозы (общее название для сахаров с пятью атомами углерода). Аналогично, гистидин синтезируется из пентозного сахара, но катаболизируется в α-оксоглутарат.

Даже в тех случаях, когда продукт катаболизма используется в анаболическом пути, возникают различия, таким образом, жирные кислоты, которые катаболизируются в ацетил-кофермент А, синтезируются не непосредственно из ацетил-кофермента А, а из его производного, малонил-кофермента А ( см. ниже липидные компоненты ). Кроме того, даже ферменты, которые катализируют очевидно идентичные стадии в катаболических и анаболических путях, могут проявлять различные свойства. В общем, следовательно, путь вниз (катаболизм) отличается от пути вверх ( анаболизм ). Эти различия важны, потому что они позволяют регулировать катаболические и анаболические процессы в клетке.

Значение АТФ в обмене веществ

Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме аденозинтрифосфата (АТФ). По своей химической природе АТФ относится к мононуклеотидам и состоит из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.

Энергия, высвобождающаяся при гидролизе АТФ, используется клеткой для совершения всех видов работы. Значительные количества энергии расходуются на биологические синтезы. АТФ является универсальным источником энергообеспечения клетки. Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования, происходящему с разной интенсивностью при дыхании, брожении и фотосинтезе. АТФ обновляется чрезвычайно быстро (у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 минуты).

Энергетический обмен в клетке. Синтез АТФ.

Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения неорганического фосфата к АДФ. Энергия для фосфорилирования АДФ образуется в ходе энергетического обмена. Энергетический обмен, или диссимиляция, представляет собой совокупность реакции расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. В зависимости от среды обитания диссимиляция может протекать в два или три этапа.

У большинства живых организмов ― аэробов, живущих в кислородной среде, ― в ходе диссимиляции осуществляется три этапа: подготовительный, бескислородный, кислородный. У анаэробов, обитающих в среде лишенной кислорода, или у аэробов при его недостатке, диссимиляция протекает лишь в два первых этапа с образованием промежуточных органических соединений, еще богатых энергией.

Первый этап – подготовительный. В желудочно-кишечном тракте многоклеточных организмов он осуществляется пищеварительными ферментами. У одноклеточных – ферментами лизосом. На первом этапе происходит расщепление белков до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, полисахаридов до моносахаридов, нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Этот процесс называется пищеварением.

Второй этап – бескислородный (гликолиз). Его биологический смысл заключается в начале постепенного расщепления и окисления глюкозы с накоплением энергии в виде 2 молекул АТФ. Гликолиз происходит в цитоплазме клеток. Он состоит из нескольких последовательных реакций превращения молекулы глюкозы в две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) и две молекулы АТФ, в виде которой запасается часть энергии, выделившейся при гликолизе:

Остальная энергия рассеивается в виде тепла.

В клетках дрожжей и растений (при недостатке кислорода) пируват распадается на этиловый спирт и углекислый газ. Этот процесс называется спиртовым брожением.

Энергии, накопленной при гликолизе, слишком мало для организмов, использующих кислород для своего дыхания. Вот почему в мышцах животных, в том числе и у человека, при больших нагрузках и нехватке кислорода образуется молочная кислота (С3Н6O3), которая накапливается в виде лактата. Появляется боль в мышцах. У нетренированных людей это происходит быстрее, чем у людей тренированных.

Третий этап – кислородный, состоящий из двух последовательных процессов – цикла Кребса, названного по имени Нобелевского лауреата Ганса Кребса, и окислительного фосфорилирования. Его смысл заключается в том, что при кислородном дыхании пируват окисляется до окончательных продуктов – углекислого газа и воды, а энергия, выделяющаяся при окислении, запасается в виде 36 молекул АТФ. (34 молекулы в цикле Кребса и 2 молекулы в ходе окислительного фосфорилирования). Эта энергия распада органических соединений обеспечивает реакции их синтеза в пластическом обмене. Кислородный этап возник после накопления в атмосфере достаточного количества молекулярного кислорода и появления аэробных организмов.

Цикл Кребса представляет фазу III высвобождения энергии из продуктов питания. Каждый оборот этого цикла инициируется образованием цитрата с шестью атомами углерода из оксалоацетата (с четырьмя атомами углерода) и ацетилкофермента А, последующие реакции приводят к превращению оксалоацетата и образованию двух молекул углекислого газа. Атомы углерода, которые входят в образование углекислого газа, больше не доступны для клетки. В сопутствующее ступенчатые окисления, в которых атомы водорода или электроны удаляются из промежуточных соединений. Образующиеся во время цикла и через систему носителей, в конечном итоге, переносятся в кислород с образованием воды количественно являются наиболее важным средством генерирования АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Эти события известны как терминальное дыхание и окислительное фосфорилирование.

Окислительное фосфорилирование, или клеточное дыхание происходит на внутренних мембранах митохондрий, в которые встроены молекулы-переносчики электронов. В ходе этой стадии освобождается большая часть метаболической энергии. Молекулы-переносчики транспортируют электроны к молекулярному кислороду. Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть расходуется на образование АТФ.

Суммарная реакция энергетического обмена:

Пластический обмен

Пластический обмен = ассимиляция = анаболизм

Пластический обмен, или ассимиляция, представляют собой совокупность реакций, обеспечивающих синтез сложных органических соединений в клетке. Гетеротрофные организмы строят собственные органические вещества из органических компонентов пищи. Гетеротрофная ассимиляция сводится, по существу, к перестройке молекул:

Органические вещества пищи (белки, жиры, углеводы) → пищеварение → Простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахара) → биологические синтезы → Макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).

Автотрофные организмы способны полностью самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды. В процессе автотрофной ассимиляции реакции фото- и хемосинтеза, обеспечивающие образование простых органических соединений, предшествует биологическим синтезам молекул макромолекул:

Неорганические вещества (углекислый газ, вода) → фотосинтез, хемосинтез → Простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахара)→ биологические синтезы → Макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).

Фотосинтез

Фотосинтез ― синтез органических соединении из неорганических, идущий за счет энергии клетки. Ведущую роль в процессах фотосинтеза играют фотосинтезирующие пигменты, обладающие уникальным свойством ― улавливать свет и превращать его энергию в химическую энергию. Фотосинтезирующие пигменты представляют собой довольно многочисленную группу белково-подобных веществ. Главным и наиболее важным в энергетическом плане является пигмент хлорофилл, встречающийся у всех фототрофов, кроме бактерий-фотосинтетиков. Фотосинтезирующие пигменты встроены во внутреннюю мембрану пластид у эукариот или во впячивания цитоплазматической мембраны у прокариот.

В процессе фотосинтеза кроме моносахаридов (глюкоза и др.), которые превращаются в крахмал и запасаются растением, синтезируются мономеры других органических соединении ― аминокислоты, глицерин и жирные кислоты. Таким образом, благодаря фотосинтезу растительные, а точнее ― хлорофиллосодержащие, клетки обеспечивают себя и все живое на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом.

Хемосинтез

Хемосинтез также представляет собой процесс синтеза органических соединений из неорганических, но осуществляется он не за счет энергии света, а за счет химической энергии, получаемой при окислении неорганических веществ (серы, сероводорода, железа, аммиака, нитрита и др.). Наибольшее значение имеют нитрифицирующие, железо- и серобактерии.

Высвобождающаяся в ходе реакций окисления энергия запасается бактериями в виде 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.

Зачем изучать метаболизм

Существуют две основные причины для изучения метаболического пути:

1. для количественного описания химических изменений, катализируемых компонентными ферментами пути,
2. описать различные внутриклеточный контроль, который определяет скорость, с которой функционирует этот путь.

Исследования с целыми организмами или органами могут предоставить информацию о том, что одно вещество превращается в другое и что этот процесс локализован в определенной ткани. Например, эксперименты могут показать, что мочевина, главный азотсодержащий конечный продукт белкового обмена у млекопитающих, образуется исключительно в печени. Однако они не могут раскрыть детали вовлеченных ферментативных стадий. Ключи к идентичности вовлеченных продуктов и к возможным химическим изменениям, вызванным компонентными ферментами, могут быть предоставлены любым из четырех способов, включающих исследования целых организмов или тканей.

Во-первых, в условиях стресса или дисбалансов, связанных с заболеваниями, определенные метаболиты могут накапливаться в большей степени, чем обычно. Таким образом, во время стресса интенсивных упражнений, молочная кислота появляется в крови, а гликоген, форма, в которой углеводы накапливаются в мышцах, исчезает. Такие наблюдения, однако, не доказывают, что молочная кислота является нормальным промежуточным звеном катаболизма гликогена, скорее они показывают только то, что соединения, способные давать молочную кислоту, могут быть нормальными промежуточными продуктами. Действительно, в этом примере молочная кислота образуется в ответ на ненормальные обстоятельства и не образуется напрямую в путях углеводного катаболизма.

Во-вторых, введение метаболических ядов может привести к накоплению специфических метаболитов. Например, если фторуксусная кислота проглатывается животными, лимонная кислота накапливается в печени. Это правильно указывает на то, что фторуксусная кислота, вводимая как таковая или образующаяся из фторуксусной кислоты через цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), ингибирует фермент окисления цитратов.

В-третьих, за судьбой любого питательного вещества действительно, часто судьбой конкретной химической группы или атома в питательном веществе можно относительно легко следить за введением питательного вещества, помеченного изотоп. Изотопы это формы элемента, которые химически неотличимы друг от друга, но отличаются по физическим свойствам.

Использование нерадиоактивного изотопа азота в 1930-е годы впервые показали динамическое состояние организма составляющих. Ранее считалось, что белки ткани стабильны после формирования, исчезают только с смертью в клетке. При кормлении крыс аминокислотами, меченными изотопным азотом, было обнаружено, что изотоп был включен во многие аминокислоты, содержащиеся в белках печени и кишечника, даже если общее содержание белка в этих тканях не изменилось. Это говорит о том, что белки этих тканей существуют в динамическом устойчивом состоянии, в котором относительно высокие скорости синтеза уравновешены равными скоростями деградации. Таким образом, хотя средняя печеночная клетка имеет продолжительность жизни в несколько месяцев, половина ее белков синтезируется и разлагается каждые пять-шесть дней. С другой стороны, белки мышц или мозга, ткани, которым (в отличие от кишечника или печени) не нужно приспосабливаться к изменениям в химическом составе их среды, не обновляются так быстро.

Наконец, генетически измененные организмы (мутанты) не способны синтезировать определенные ферменты в активной форме. Такие дефекты, если не летальные, приводят к накоплению и выведению субстрата дефектного фермента, в нормальных организмах субстрат не будет накапливаться, потому что на него будет воздействовать фермент. Значение этого наблюдения впервые было осознано в начале 20-го века, когда фраза «врожденные ошибки метаболизма» использовалась для описания наследственных состояний, при которых различные аминокислоты и другие метаболиты выделяются с мочой. У микроорганизмов, у которых относительно легко вызвать генетические мутациии для выбора конкретных мутаций этот метод был очень полезен. В дополнение к их полезности в разгадке метаболических путей, использование мутантов в начале 1940 х годов привели к постулировании гипотезы один ген-один фермент (лауреатов Нобелевской премии победителей Джорджа Бидла и Эдварда Л. Татума), их открытия открыли область биохимической генетики и впервые выявили природу тонкого контроля метаболизма.

Поскольку детальная информация о механизмах компонентов ферментативных стадий в любом метаболическом пути не может быть получена из исследований с целыми организмами или тканями, были разработаны различные методы для изучения этих процессов например, нарезанные ткани и гомогенаты и бесклеточные экстракты, которые производится путем физического разрушения клеток и удаления клеточных стенок и другого мусора. Техника нарезанных тканей была успешно использована лауреатом Нобелевской премии Хансом Кребсом в своих исследованиях начала 1930-х годов о механизме образования мочевины в печени. Были проведены измерения стимулирующего воздействия небольших количеств аминокислот как на скорость поглощения кислорода, так и на количество поглощенного кислорода, аминокислоты добавляли в ломтики печени, купавшиеся в питательной среде. Такие измерения выявили циклический характер процесса, специфические аминокислоты действовали как катализаторы , стимулируя дыхание до степени, превышающей ожидаемую от добавленных количеств. Это произошло потому, что добавленный материал был повторно сформирован в ходе цикла.

Следует подчеркнуть, что биохимики понимают, что исследования изолированных и высокоочищенных систем, таких как кратко описанные выше, могут не более чем приблизиться к биологической реальности. Идентификация точного и грубого контроля метаболического пути и (при необходимости) других влияний на этот путь, в конечном счете, должна включать изучение пути во всей клетке или организме. Хотя некоторые методы оказались адекватными для сопоставления результатов в пробирке с ситуацией в живых организмах, изучение более сложных метаболических процессов, таких как те, которые участвуют в дифференцировке и развитии, может потребовать разработки новых экспериментальных подходов.