Обмен веществ как основа жизнедеятельности живых организмов

Живые организмы характеризуются рядом особенностей, отличающих их от неживых предметов. Для живых организмов характерна чрезвычайно сложная организация. Они построены из огромного количества разнообразных по качественному и количественному составу химических соединений, имеющих в большинстве своем чрезвычайно сложное химическое строение. Такие вещества, как правило, характеризуются нестабильностью, способны с самопроизвольному распаду. Поэтому важнейшей особенностью живых организмов является способность к постоянному самообновлению, как образующих его веществ, так и структурных компонентов. Это требует постоянных затрат энергии, которая поступает в организм в составе пищевых веществ и освобождается в ходе химических превращений.

Кроме непрерывного самообновления для живых организмов характерна способность к росту, развитию, движению, размножению – созданию себе подобных. Все эти особенности обеспечиваются обменом веществ.

Обмен веществ определяют как самосовершающийся, саморегулирующийся процесс обновления химических составных частей организма, под которыми понимаются составляющие его вещества. Необходимо подчеркнуть, что данное определение страдает ограниченностью и не охватывает всех сторон жизнедеятельности организма, в основе которых лежит обмен веществ. Обмен веществ в организме человека представляет собой комплекс химических, физиологических (питание, распределение по организму, выделение и др.) и даже физических процессов, включающих в себя:

- поступление веществ в организм (с продуктами питания, с дыханием – О₂),

- предварительную переработку поступивших веществ (пищеварение), в процессе которой сложные макромолекулы подвергаются гидролитическому расщеплению и распадаются на более простые соединения, обладающие, как правило, хорошей растворимостью в воде, что делает их более пригодными для усвоения и распределения по организму;

- усвоение продуктов пищеварения (поступление в кровь) и распределение их по организму (с кровотоком), в результате чего они могут попасть практически в каждую клетку организма,

- использование в клетках продуктов пищеварения для нужд организма – синтеза веществ, специфических для организма, взамен распадающихся (самообновление организма), или увеличения объема таких веществ (рост организма), использование для получения энергии и других целей;

- распад веществ, поступивших в организм и прошедших через разнообразные превращения на конечные продукты обмена веществ (СО₂, Н₂О, мочевину, мочевую кислоту и некоторые другие вещества) и устранение их из организма.

Процесс пищеварения, кроме дробления макромолекул, обеспечивает универсализацию многих веществ. Так, из огромного разнообразия белковых молекул образуется всего 20 видов аминокислот. Из различных сложных углеводов – два-три вида моносахаридов.

Нечто, похожее на обмен веществ, происходит в неживой природе (ржавление металла, разрушение камня и т. п.). Однако, в результате этих превращений исходное вещество, тело перестают существовать: из металла образуется оксид, из камня песок и т.п. Напротив, обмен веществ является непременным условием существования живого организма. Он обеспечивает ему постоянное обновление, рост, развитие, сохранение относительного постоянства внутренних параметров, приспособление к меняющимся условиям внешней среды и т.п.

2.2. Ассимиляция и диссимиляция – две стороны обмена веществ

В обмене веществ выделяют два этапа: ассимиляцию и диссимиляцию. Ассимиляция (уподобление) включает в себя поступление в организм продуктов питания (и кислорода), предварительную переработку этих веществ (пищеварение), всасывание продуктов пищеварения (и кислорода) в кровь, распределение их по организму и поступление в клетки. Завершается ассимиляция синтезом специфических для организма молекул: структурных веществ, запасных источников энергии, веществ – регуляторов.

К ассимиляции близко по смыслу понятие анаболизм, часто их даже отождествляют. Однако, точнее называть анаболизмом важнейший этап ассимиляции – синтез из продуктов пищеварения специфических для организма веществ. В соответствии с этим термин анаболики применим к любым веществам, оказывающим стимулирующее влияние на процессы синтеза специфических для организма веществ.

Диссимиляция - распад веществ организма на конечные продукты обмена веществ и удаление из организма. Расщепление веществ в процессе пищеварения обеспечивает усвоение пищевых продуктов и может быть относено к ассимиляции. Так, например, усвоение пищевых белков невозможно без их предварительного расщепления на аминокислоты, которые затем поступают в кровь, разносятся ею по организму, поступают в клетки и используются для синтеза белков и других веществ.

Некоторые конечные продукты пищеварения могут не включаться в процессы ассимиляции, а расщепляться до конечных продуктов обмена веществ. Например, образовавшаяся в процессе пищеварения сложных углеводов глюкоза может использоваться в качестве источника энергии и расщепляться до СО₂ и Н₂О. В этом случае пищеварительные превращения могут рассматриваться как начальный этап диссимиляции. Процессы, которые могут быть частью как ассимиляции, так и диссимиляции, получили название амфимолические.

За расщеплением тканевых белков на аминокислоты, как правило, следует их дальнейшая деградация. Т.е. отдельные этапы ассимиляции и диссимиляции могут быть представлены одинаковыми химическими превращениями.

Термин катаболизм, который нередко отождествляется с диссимиляцией, по существу, характеризует химическую часть диссимиляции – деградацию веществ организма на конечные продукты обмена веществ.

Ассимиляция и диссимиляция не два самостоятельных процесса, а две стороны одного процесса, теснейшим образом взаимосвязанные и взаимозависимые. Так, синтез специфических для организма веществ, происходящий в процессе ассимиляции, требует затрат значительных количеств энергии. Эту энергию организм получает, главным образом, в процессе аэробного биологического окисления – составной части процесса диссимиляции. Т. е. усилению процесса ассимиляции обязательно сопутствует усиление диссимиляции.

С другой стороны, интенсивно идущие процессы диссимиляции, заключающиеся в усиленном распаде веществ организма, являются мощным стимулом для процессов ассимиляции, обеспечивающих синтез этих веществ взамен распавшихся.

Этапы обмена веществ

Диссимиляция, как и ассимиляция, характеризуется многостадийностью превращений. Можно выделить три этапа превращений. На первом этапе макромолекулы углеводов, белков и липидов распадаются в процессах гидролиза на более простые вещества - мономеры. На этом этапе освобождается незначительное количество заключенной в них энергии – не более 1-3%.

Второй этап можно рассматривать как этап универсализации. Превращения углеводов, жиров и отчасти белков сходятся. Образуются единые промежуточные продукты, главным образом Ацетил-К₀А. На этом этапе освобождается более значительное количество энергии – около 1/3 от исходных запасов.

Третий, заключительный этап превращений представляет собой аэробное окисление веществ, завершающееся образованием конечных продуктов обмена (СО₂, Н₂О, мочевины и др.), которые устраняются из организма. На этом этапе освобождается основное количество энергии – 2/3 потенциальной энергии исходных продуктов.

На рис. 1 представлены этапы расщепления питательных веществ в организме.

Рис. 1. Этапы катаболических превращений веществ в организме.

Та часть обмена веществ, которая заключается в химических превращениях (распаде, синтезе и т.п.) различных соединений, называется промежуточным обменом или метаболизмом, а вещества, участвующие в этих превращениях – метаболитами.

Поступление в организм продуктов питания и кислорода, а также выделение из организма конечных продуктов обмена веществ, принято называть обменом с внешней средой.

Достаточно широко распространено понятие функциональный обмен, под которым понимается комплекс химических превращений, обеспечивающих функциональную активность клетки, органа, ткани. Примером функционального обмена могут быть химические превращения, обеспечивающие мышечное сокращение, работу печени, почек и т.п. Функциональный обмен тесно связан с энергетическим обменом, поставляющим для него энергию. Под энергетическим обменом понимается комплекс превращений, обеспечивающих организм энергией в доступной для него форме – приводящих к синтезу АТФ и других подобных ему соединений.

Изменения обмена веществ

Обмен веществ характеризуется большой изменчивостью. Одни изменения могут происходить очень быстро, другие – развиваться в течение длительного времени. Остановимся на медленно происходящих изменениях обмена веществ, ярким примером которых являются возрастные изменения.