Определение обмен веществ биология


Обмен веществ — Википедия

Метаболи́зм, или обме́н веще́ств — набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды.

Метаболизм обычно делят на 2 стадии: катаболизм и анаболизм. В ходе катаболизма сложные органические вещества деградируют до более простых, обычно выделяя энергию. А в процессах анаболизма — из более простых синтезируются более сложные вещества и это сопровождается затратами энергии.

Серии химических реакций обмена веществ называют метаболическими путями. В них, при участии ферментов, одни биологически значимые молекулы последовательно превращаются в другие.

Ферменты играют важную роль в метаболических процессах, потому что:

  • действуют как биологические катализаторы и снижают энергию активации химической реакции;
  • позволяют регулировать метаболические пути в ответ на изменения среды клетки или сигналы от других клеток.

Особенности метаболизма влияют на то, будет ли пригодна определённая молекула для использования организмом в качестве источника энергии. Так, например, некоторые прокариоты используют сероводород в качестве источника энергии, однако этот газ ядовит для животных[1]. Скорость обмена веществ также влияет на количество пищи, необходимой для организма.

Основные метаболические пути и их компоненты одинаковы для многих видов, что свидетельствует о единстве происхождения всех живых существ[2]. Например, некоторые карбоновые кислоты, являющиеся интермедиатами цикла трикарбоновых кислот, присутствуют во всех организмах, начиная от бактерий и заканчивая многоклеточными организмами эукариот[3]. Сходства в обмене веществ, вероятно, связаны с высокой эффективностью метаболических путей, а также с их ранним появлением в истории эволюции[4][5].

Органические вещества, входящие в состав всех живых существ (животных, растений, грибов и микроорганизмов), представлены в основном аминокислотами, углеводами, липидами (часто называемые жирами) и нуклеиновыми кислотами. Так как эти молекулы имеют важное значение для жизни, метаболические реакции сосредоточены на создании этих молекул при строительстве клеток и тканей или разрушении их с целью использования в качестве источника энергии. Многие важные биохимические реакции объединяются вместе для синтеза ДНК и белков.

Аминокислоты и белки[править | править код]

Белки являются биополимерами и состоят из остатков аминокислот, соединённых пептидными связями. Некоторые белки являются ферментами и катализируют химические реакции. Другие белки выполняют структурную или механическую функцию (например образуют цитоскелет).[6] Белки также играют важную роль в передаче сигнала в клетках, иммунных реакциях, агрегации клеток, активном транспорте через мембраны и регуляции клеточного цикла.[7]

Липиды[править | править код]

Липиды входят в состав биологических мембран, например плазматических мембран, являются компонентами коферментов и источниками энергии.[7] Липиды являются гидрофобными или амфифильными биологическими молекулами, растворимыми в органических растворителях, таких как бензол или хлороформ.[8]Жиры — большая группа соединений, в состав которых входят жирные кислоты и глицерин. Молекула трёхатомного спирта глицерина, образующая три сложные эфирные связи с тремя молекулами жирных кислот, называется триглицеридом.[9] Наряду с остатками жирных кислот, в состав сложных липидов может входить, например, сфингозин (сфинголипиды), гидрофильные группы фосфатов (в фосфолипидах). Стероиды, например холестерол, представляют собой ещё один большой класс липидов.[10]

Углеводы[править | править код]

Сахара могут существовать в кольцевой или линейной форме в виде альдегидов или кетонов, имеют несколько гидроксильных групп. Углеводы являются наиболее распространёнными биологическими молекулами. Углеводы выполняют следующие функции: хранение и транспортировка энергии (крахмал, гликоген), структурная (целлюлоза растений, хитин у грибов и животных).[7] Наиболее распространёнными мономерами сахаров являются гексозы — глюкоза, фруктоза и галактоза. Моносахариды входят в состав более сложных линейных или разветвлённых полисахаридов.[11]

Нуклеотиды[править | править код]

Полимерные молекулы ДНК и РНК представляют собой длинные неразветвлённые цепочки нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты выполняют функцию хранения и реализации генетической информации, которые осуществляются в ходе процессов репликации, транскрипции, трансляции и биосинтеза белка.[7] Информация, закодированная в нуклеиновых кислотах, защищается от изменений системами репарации и мультиплицируется при помощи репликации ДНК.

Некоторые вирусы имеют РНК-содержащий геном. Например, вирус иммунодефицита человека использует обратную транскрипцию для создания матрицы ДНК из собственного РНК-содержащего генома.[12] Некоторые молекулы РНК обладают каталитическими свойствами (рибозимы) и входят в состав сплайсосом и рибосом.

Нуклеозиды — продукты присоединения азотистых оснований к сахару рибозе. Примерами азотистых оснований являются гетероциклические азотсодержащие соединения — производные пуринов и пиримидинов. Некоторые нуклеотиды также выступают в качестве коферментов в реакциях переноса функциональных групп.[13]

Коферменты[править | править код]

Метаболизм включает широкий спектр химических реакций, большинство из которых относится к нескольким основным типам реакций переноса функциональных групп.[14] Для переноса функциональных групп между ферментами, катализирующими химические реакции, используются коферменты.[13] Каждый класс химических реакций переноса функциональных групп катализируется отдельными ферментами и их кофакторами.[15]

Аденозинтрифосфат (АТФ) — один из центральных коферментов, универсальный источник энергии клеток. Этот нуклеотид используется для передачи химической энергии, запасённой в макроэргических связях, между различными химическими реакциями. В клетках существует небольшое количество АТФ, который постоянно регенерируется из AДФ и AМФ. Организм человека за сутки расходует массу АТФ, равную массе собственного тела.[15] АТФ выступает в качестве связующего звена между катаболизмом и анаболизмом: при катаболических реакциях образуется АТФ, при анаболических — энергия потребляется. АТФ также выступает донором фосфатной группы в реакциях фосфорилирования.

Витамины — низкомолекулярные органические вещества, необходимые в небольших количествах, причём, например, у человека большинство витаминов не синтезируется, а получается с пищей или через микрофлору ЖКТ. В организме человека большинство витаминов являются кофакторами ферментов. Большинство витаминов приобретает биологическую активность в изменённом виде, например, все водорастворимые витамины в клетках фосфорилируются или соединяются с нуклеотидами.[16]Никотинамидадениндинуклеотид (NADH) является производным витамина B3 (ниацина) и представляет собой важный кофермент — акцептора водорода. Сотни различных ферментов дегидрогеназ отнимают электроны из молекул субстратов и переносят их на молекулы NAD+, восстанавливая его до NADH. Окисленная форма кофермента является субстратом для различных редуктаз в клетке.[17] NAD в клетке существует в двух связанных формах — NADH и NADPH. NAD+/NADH больше важен для протекания катаболических реакций, а NADP+/NADPH чаще используется в анаболических реакциях.

Структура гемоглобина. Белковые субъединицы окрашены красным и синим, а железосодержащий гем — зелёным. Из PDB 1GZX

Неорганические вещества и кофакторы[править | править код]

Неорганические элементы играют важнейшую роль в обмене веществ. Около 99 % массы млекопитающего состоит из углерода, азота, кальция, натрия, магния, хлора, калия, водорода, фосфора, кислорода и серы.[18] Биологически значимые органические соединения (белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты) содержат большое количество углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора.[18]

Многие неорганические соединения являются ионными электролитами. Наиболее важны для организма ионы натрия, калия, кальция, магния, хлоридов, фосфатов и гидрокарбонатов. Баланс этих ионов внутри клетки и во внеклеточной среде определяет осмотическое давление и pH.[19] Концентрации ионов также играют важную роль для функционирования нервных и мышечных клеток. Потенциал действия в возбудимых тканях возникает при обмене ионами между внеклеточной жидкостью и цитоплазмой.[20] Электролиты входят и выходят из клетки через ионные каналы в плазматической мембране. Например, в ходе мышечного сокращения в плазматической мембране, цитоплазме и Т-трубочках перемещаются ионы кальция, натрия и калия.[21]

Переходные металлы в организме являются микроэлементами, наиболее распространены цинк и железо.[22][23] Эти металлы используются некоторыми белками (например ферментами в качестве кофакторов) и имеют важное значение для регуляции активности ферментов и транспортных белков.[24] Кофакторы ферментов обычно прочно связаны со специфическим белком, однако могут модифицироваться в процессе катализа, при этом после окончания катализа всегда возвращаются к своему первоначальному состоянию (не расходуются). Металлы-микроэлементы усваиваются организмом при помощи специальных транспортных белков и не встречаются в организме в свободном состоянии, так как связаны со специфическими белками-переносчиками (например ферритином или металлотионеинами).[25][26]

Классификация организмов по типу метаболизма[править | править код]

Все живые организмы можно разделить на восемь основных групп в зависимости от используемого: источника энергии, источника углерода и донора электронов (окисляемого субстрата)[27].

  1. В качестве источника энергии живые организмы могут использовать: энергию света (фото-) или энергию химических связей (хемо-). Дополнительно для описания паразитических организмов, использующих энергетические ресурсы хозяйской клетки, применяют термин паратроф.
  2. В качестве донора электронов (восстановителя) живые организмы могут использовать: неорганические вещества (лито-) или органические вещества (органо-).
  3. В качестве источника углерода живые организмы используют: углекислый газ (авто-) или органические вещества (гетеро-). Иногда термины авто- и гетеротроф используют в отношении других элементов, которые входят в состав биологических молекул в восстановленной форме (например азота, серы). В таком случае «автотрофными по азоту» организмами являются виды, использующие в качестве источника азота окисленные неорганические соединения (например растения; могут осуществлять восстановление нитратов). А «гетеротрофными по азоту» являются организмы, не способные осуществлять восстановление окисленных форм азота и использующие в качестве его источника органические соединения (например животные, для которых источником азота служат аминокислоты).

Название типа метаболизма формируется путём сложения соответствующих корней и добавлением в конце корня -троф-. В таблице представлены возможные типы метаболизма с примерами[28]:

Источник
энергии
Донор электронов Источник углерода Тип метаболизма Примеры
Солнечный свет
Фото-
Органические вещества
-органо-
Органические вещества
-гетеротроф
Фотоорганогетеротрофы Пурпурные несерные бактерии, Галобактерии, Некоторые цианобактерии.
Неорганический углерод**
-автотроф
Фотоорганоавтотрофы Редкий тип метаболизма, связанный с окислением неусваиваемых веществ. Характерен для некоторых пурпурных бактерий.
Неорганические вещества
-лито-*
Органические вещества
-гетеротроф
Фотолитогетеротрофы Некоторые цианобактерии, пурпурные и зелёные бактерии, также гелиобактерии.
Неорганический углерод**
-автотроф
Фотолитоавтотрофы Высшие растения, Водоросли, Цианобактерии, Пурпурные серные бактерии, Зелёные бактерии.
Энергия
химических
связей
Хемо-
Органические вещества
-органо-
Органические вещества
-гетеротроф
Хемоорганогетеротрофы Животные, Грибы, Большинство микроорганизмов редуцентов.
Неорганический углерод**
-автотроф
Хемоорганоавтотрофы Окисление трудноусваиваемых веществ, например факультативные метилотрофы, окисляющие муравьиную кислоту.
Неорганические вещества
-лито-*
Органические вещества
-гетеротроф
Хемолитогетеротрофы Метанобразующие археи, Водородные бактерии.
Неорганический углерод**
-автотроф
Хемолитоавтотрофы Железобактерии, Водородные бактерии, Нитрифицирующие бактерии, Серобактерии.
  • Некоторые авторы используют -гидро-, когда в качестве донора электронов выступает вода.
      • CO2, CO, HCHO, CH3OH, CH4 HCOO- и «неорганическая» метильная группа -СH3, присоединённая через атом кислорода, азота или серы к другим метильным группам (от одной до трёх) или к многоуглеродному скелету[29]

Классификация была разработана группой авторов (А. Львов, К. ван Ниль, F. J. Ryan, Э. Тейтем) и утверждена на 11-м симпозиуме в лаборатории Колд-Спринг-Харбор и изначально служила для описания типов питания микроорганизмов. Однако в настоящее время применяется и для описания метаболизма других организмов[30].

Из таблицы очевидно, что метаболические возможности прокариот значительно разнообразнее по сравнению с эукариотами, которые характеризуются фотолитоавтотрофным и хемоорганогетеротрофным типом метаболизма.

Следует отметить, что некоторые виды микроорганизмов могут в зависимости от условий среды (освещение, доступность органических веществ и т. д.) и физиологического состояния осуществлять метаболизм разного типа. Такое сочетание нескольких типов метаболизма описывается как миксотрофия.

При применении данной классификации к многоклеточным организмам важно понимать, что в рамках одного организма могут быть клетки, отличающиеся типом обмена веществ. Так клетки надземных, фотосинтезирующих органов многоклеточных растений характеризуются фотолитоавтотрофным типом метаболизма, в то время как клетки подземных органов описываются как хемоорганогетеротрофные. Так же как и в случае с микроорганизмами, при изменении условий среды, стадии развития и физиологического состояния тип метаболизма клеток многоклеточного организма может изменяться. Так, например, в темноте и на стадии прорастания семени клетки высших растений осуществляют метаболизм хемоорганогетеротрофного типа.

Катаболизмом называют метаболические процессы, при которых расщепляются относительно крупные органические молекулы сахаров, жиров, аминокислот. В ходе катаболизма образуются более простые органические молекулы, необходимые для реакций анаболизма (биосинтеза). Часто именно в ходе реакций катаболизма организм мобилизует энергию, переводя энергию химических связей органических молекул, полученных в процессе переваривания пищи, в доступные формы: в виде АТФ, восстановленных коферментов и трансмембранного электрохимического потенциала. Термин катаболизм не является синонимом «энергетического обмена»: у многих организмов (например у фототрофов) основные процессы запасания энергии не связаны напрямую с расщеплением органических молекул. Классификация организмов по типу метаболизма может быть основана на источнике получения энергии, что отражено в предыдущем разделе. Энергию химических связей используют хемотрофы, а фототрофы потребляют энергию солнечного света. Однако все эти различные формы обмена веществ зависят от окислительно-восстановительных реакций, которые связаны с передачей электронов от восстановленных доноров молекул, таких как органические молекулы, вода, аммиак, сероводород, на акцепторные молекулы, такие как кислород, нитраты или сульфат.[31] У животных эти реакции сопряжены с расщеплением сложных органических молекул до более простых, таких как двуокись углерода и воду. В фотосинтезирующих организмах — растениях и цианобактериях — реакции переноса электрона не высвобождают энергию, но они используются как способ запасания энергии, поглощаемой из солнечного света.[32]

Катаболизм у животных может быть разделён на три основных этапа. Во-первых, крупные органические молекулы, такие как белки, полисахариды и липиды, расщепляются до более мелких компонентов вне клеток. Далее эти небольшие молекулы попадают в клетки и превращается в ещё более мелкие молекулы, например ацетил-КоА. В свою очередь, ацетильная группа кофермента А окисляется до воды и углекислого газа в цикле Кребса и дыхательной цепи, высвобождая при этом энергию, которая запасается в форме АТР.

Пищеварение[править | править код]

Такие макромолекулы, как крахмал, целлюлоза или белки, должны расщепляться до более мелких единиц прежде, чем они могут быть использованы клетками. Несколько классов ферментов принимают участие в деградации: протеазы, которые расщепляют белки до пептидов и аминокислот, гликозидазы, которые расщепляют полисахариды до олиго- и моносахаридов.

Микроорганизмы выделяют гидролитические ферменты в пространство вокруг себя,[33][34] чем отличаются от животных, которые выделяют такие ферменты только из специализированных железистых клеток.[35] Аминокислоты и моносахариды, образующиеся в результате активности внеклеточных ферментов, затем поступают в клетки с помощью активного транспорта.[36][37]

Получение энергии[править | править код]

В ходе катаболизма углеводов сложные сахара расщепляются до моносахаридов, которые усваиваются клетками.[38] Попав внутрь, сахара (например глюкоза и фруктоза) в процессе гликолиза превращаются в пируват, при этом вырабатывается некоторое количество АТФ.[39] Пировиноградная кислота (пируват) является промежуточным продуктом в нескольких метаболических путях. Основной путь метаболизма пирувата — превращение в ацетил-КоА и далее поступление в цикл трикарбоновых кислот. При этом в цикле Кребса в форме АТР запасается часть энергии, а также восстанавливаются молекулы NADH и FAD. В процессе гликолиза и цикла трикарбоновых кислот образуется диоксид углерода, который является побочным продуктом жизнедеятельности. В анаэробных условиях в результате гликолиза из пирувата при участии фермента лактатдегидрогеназы образуется лактат и происходит окисление NADH до NAD+, который повторно используется в реакциях гликолиза. Существует также альтернативный путь метаболизма моносахаридов — пентозофосфатный путь, в ходе реакций которого энергия запасается в форме восстановленного кофермента NADPH и образуются пентозы, например рибоза, необходимая для синтеза нуклеиновых кислот.

Жиры на первом этапе катаболизма гидролизуются в свободные жирные кислоты и глицерин. Жирные кислоты расщепляются в процессе бета-окисления с образованием ацетил-КоА, который в свою очередь далее катаболизируется в цикле Кребса, либо идёт на синтез новых жирных кислот. Жирные кислоты выделяют больше энергии, чем углеводы, так как жиры содержат удельно больше атомов водорода в своей структуре.

Аминокислоты либо используются для синтеза белков и других биомолекул, либо окисляются до мочевины, диоксида углерода и служат источником энергии.[40] Окислительный путь катаболизма аминокислот начинается с удаления аминогруппы ферментами трансаминазами. Аминогруппы утилизируются в цикле мочевины; аминокислоты, лишённые аминогрупп, называют кетокислотами. Некоторые кетокислоты — промежуточные продукты цикла Кребса. Например, при дезаминировании глутамата образуется альфа-кетоглутаровая кислота.[41] Гликогенные аминокислоты также могут быть преобразованы в глюкозу в реакциях глюконеогенеза.[42]

Окислительное фосфорилирование[править | править код]

При окислительном фосфорилировании электроны, удалённые из пищевых молекул в метаболических путях (например в цикле Кребса), переносятся на кислород, а выделяющаяся энергия используется для синтеза АТФ. У эукариот данный процесс осуществляется при участии ряда белков, закреплённых в мембранах митохондрий, называемых дыхательной цепью переноса электронов. У прокариот эти белки присутствуют во внутренней мембране клеточной стенки.[43] Белки цепи переноса электронов используют энергию, полученную при передаче электронов от восстановленных молекул (например NADH) на кислород, для перекачки протонов через мембрану.[44]

При перекачке протонов создаётся разница концентраций ионов водорода и возникает электрохимический градиент.[45] Эта сила возвращает протоны обратно в митохондрии через основание АТФ-синтазы. Поток протонов заставляет вращаться кольцо из c-субъединиц фермента, в результате чего активный центр синтазы изменяет форму и фосфорилирует аденозиндифосфат, превращая его в АТФ.[15]

Энергия из неорганических соединений[править | править код]

Хемолитотрофами называют прокариот, имеющих особый тип обмена веществ, при котором энергия образуется в результате окисления неорганических соединений. Хемолитотрофы могут окислять молекулярный водород,[46] соединения серы (например сульфиды, сероводород и неорганические тиосульфаты),[1]оксид железа(II)[47] или аммиак.[48] При этом энергия от окисления этих соединений образуется с помощью акцепторов электронов, таких как кислород или нитриты.[49] Процессы получения энергии из неорганических веществ играют важную роль в таких биогеохимических циклах, как ацетогенез, нитрификация и денитрификация.[50][51]

Энергия из солнечного света[править | править код]

Энергия солнечного света поглощается растениями, цианобактериями, пурпурными бактериями, зелёными серными бактериями и некоторыми простейшими. Этот процесс часто сочетается с превращением диоксида углерода в органические соединения, как часть процесса фотосинтеза (см. ниже). Системы захвата энергии и фиксации углерода у некоторых прокариот могут работать раздельно (например у пурпурных и зелёных серных бактерий).[52][53]

У многих организмов поглощение солнечной энергии в принципе аналогично окислительному фосфорилированию, так как при этом энергия запасается в форме градиента концентрации протонов и движущая сила протонов приводит к синтезу АТФ.[15] Электроны, необходимые для этой цепи переноса, поступают от светособирающих белков, называемых центрами фотосинтетических реакций (примером являются родопсины). В зависимости от вида фотосинтетических пигментов классифицируют два типа центров реакций; в настоящее время большинство фотосинтезирующих бактерий имеют только один тип, в то время как растения и цианобактерии два.[54]

У растений, водорослей и цианобактерий фотосистема II использует энергию света для удаления электронов из воды, при этом молекулярный кислород выделяется как побочный продукт реакции. Электроны затем поступают в комплекс цитохрома b6f, который использует энергию для перекачки протонов через тилакоидную мембрану в хлоропластах.[7] Под действием электрохимического градиента протоны движутся обратно через мембрану и запускают АТР-синтазу. Электроны затем проходят через фотосистему I и могут быть использованы для восстановления кофермента NADP+, для использования в цикле Кальвина или рециркуляции для образования дополнительных молекул АТР.[55]

Анаболизм — совокупность метаболических процессов биосинтеза сложных молекул с затратой энергии. Сложные молекулы, входящие в состав клеточных структур, синтезируются последовательно из более простых предшественников. Анаболизм включает три основных этапа, каждый из которых катализируется специализированным ферментом. На первом этапе синтезируются молекулы-предшественники, например аминокислоты, моносахариды, терпеноиды и нуклеотиды. На втором этапе предшественники с затратой энергии АТФ преобразуются в активированные формы. На третьем этапе активированные мономеры объединяются в более сложные молекулы, например белки, полисахариды, липиды и нуклеиновые кислоты.

Не все живые организмы могут синтезировать все биологически активные молекулы. Автотрофы (например растения) могут синтезировать сложные органические молекулы из таких простых неорганических низкомолекулярных веществ, как углекислый газ и вода. Гетеротрофам необходим источник более сложных веществ, таких как моносахариды и аминокислоты, для создания более сложных молекул. Организмы классифицируют по их основным источникам энергии: фотоавтотрофы и фотогетеротрофы получают энергию из солнечного света, в то время как хемоавтотрофы и хемогетеротрофы получают энергию из неорганических реакций окисления.

Связывание углерода[править | править код]

Растительные клетки содержат хлоропласты (зелёного цвета), в тилакоидах которых происходят процессы фотосинтеза. Plagiomnium affine из семейства Mniaceae отдела Настоящие мхи (Bryophyta)

Фотосинтезом называют процесс биосинтеза сахаров из углекислого газа, при котором необходимая энергия поглощается из солнечного света. У растений, цианобактерий и водорослей при кислородном фотосинтезе происходит фотолиз воды, при этом как побочный продукт выделяется кислород. Для преобразования CO2 в 3-фосфоглицерат используется энергия АТФ и НАДФ, запасённая в фотосистемах. Реакция связывания углерода осуществляется с помощью фермента рибулозобисфосфаткарбоксилазы и является частью цикла Кальвина.[56] У растений классифицируют три типа фотосинтеза — по пути трёхуглеродых молекул, по пути четырёхуглеродых молекул (С4), и CAM фотосинтез. Три типа фотосинтеза отличаются по пути связывания углекислого газа и его вхождения в цикл Кальвина; у C3 растений связывание CO2 происходит непосредственно в цикле Кальвина, а при С4 и CAM CO2 предварительно включается в состав других соединений. Разные формы фотосинтеза являются приспособлениями к интенсивному потоку солнечных лучей и к сухим условиям.[57]

У фотосинтезирующих прокариот механизмы связывания углерода более разнообразны. Углекислый газ может быть фиксирован в цикле Кальвина, в обратном цикле Кребса[58] или в реакциях карбоксилирования ацетил-КоА.[59][60] Прокариоты — хемоавтотрофы также связывают CO2 через цикл Кальвина, но для протекания реакции используют энергию из неорганических соединений.[61]

Углеводы и гликаны[править | править код]

В процессе анаболизма сахаров простые органические кислоты могут быть преобразованы в моносахариды, например в глюкозу, и затем использованы для синтеза полисахаридов, таких как крахмал. Образование глюкозы из соединений, таких как пируват, лактат, глицерин, 3-фосфоглицерат и аминокислот, называют глюконеогенезом. В процессе глюконеогенеза пируват превращается в глюкозо-6-фосфат через ряд промежуточных соединений, многие из которых образуются и при гликолизе.[39] Однако глюконеогенез не просто является гликолизом в обратном направлении, так как несколько химических реакций катализируют специальные ферменты, что даёт возможность независимо регулировать процессы образования и распада глюкозы.[62][63]

Многие организмы запасают питательные вещества в форме липидов и жиров, однако позвоночные не имеют ферментов, катализирующих превращение ацетил-КоА (продукта метаболизма жирных кислот) в пируват (субстрат глюконеогенеза).[64] После длительного голодания позвоночные начинают синтезировать кетоновые тела из жирных кислот, которые могут заменять глюкозу в таких тканях, как головной мозг.[65] У растений и бактерий данная метаболическая проблема решается использованием глиоксилатного цикла, который обходит этап декарбоксилирования в цикле лимонной кислоты и позволяет превращать ацетил-КоА в оксалоацетат и далее использовать для синтеза глюкозы.[64][66]

Полисахариды выполняют структурные и метаболические функции, а также могут быть соединены с липидами (гликолипиды) и белками (гликопротеиды) при помощи ферментов олигосахаридтрансфераз.[67][68]

Жирные кислоты, изопреноиды и стероиды[править | править код]

Жирные кислоты образуются синтазами жирных кислот из ацетил-КоА. Углеродный скелет жирных кислот удлиняется в цикле реакций, в которых сначала присоединяется ацетильная группа, далее карбонильная группа восстанавливается до гидроксильной, затем происходит дегидратация и последующее восстановление. Ферменты биосинтеза жирных кислот классифицируют на две группы: у животных и грибов все реакции синтеза жирных кислот осуществляются одним многофункциональным белком I типа,[69] в пластидах растений и у бактерий каждый этап катализируют отдельные ферменты II типа.[70][71]

Терпены и терпеноиды являются представителями самого многочисленного класса растительных натуральных продуктов.[72] Представители данной группы веществ являются производными изопрена и образуются из активированных предшественников изопентилпирофосфата и диметилаллилпирофосфата, которые, в свою очередь, образуются в разных реакциях обмена веществ.[73] У животных и архей изопентилпирофосфат и димет

ru.wikipedia.org

2. Обмен веществ. Пластический и энергетический обмен

Между организмом и окружающей его средой непрерывно происходит обмен веществ и энергии.

Обмен веществ начинается с поступления в организм воды и пищевых продуктов. В пищеварительном канале часть веществ с помощью ферментов расщепляется до более простых, которые всасываются в кишечнике и переходят в кровь (и с кровью вещества переносятся к клеткам тела). В клетках происходят процессы их химических превращений (клеточный метаболизм), в ходе которых организм получает энергию и материалы, необходимые ему для построения собственных клеток и тканей.

Не использованные в результате превращений веществ остатки и продукты жизнедеятельности (продукты распада) выводятся из организма (с мочой, калом, потом и выдыхаемым воздухом).

 

Пластический и энергетический обмен

Обмен веществ в организме — это не просто постоянный ток веществ через его основные структуры, а совокупность всех химических реакций, происходящих в организме. Все реакции, связанные с превращением веществ, можно отнести к двум процессам: пластическому и энергетическому обмену.

 

 

Пластический обмен (ассимиляция, или анаболизм) — совокупность реакций синтеза органических веществ в клетке с использованием (затратой) энергии.

В процессах энергетического обмена (диссимиляции, или катаболизма, или биологического окисления) происходит разрушение (распад) полученных с пищей питательных веществ до простых соединений с высвобождением энергии, запасённой в химических связях органических молекул пищи.

В здоровом организме оба процесса строго сбалансированы (хотя в период быстрого роста ассимиляция может временно преобладать над диссимиляцией).

Основными видами обмена веществ являются белковый, углеводный, жировой и водно-солевой обмены.

www.yaklass.ru

Что такое обмен веществ в биологии: определение

Обязательным условием существования любого живого организма является постоянное поступление питательных веществ и выведение конечных продуктов распада.

Что такое обмен веществ в биологии

Обмен веществ, или метаболизм, – это особый набор химических реакций, которые протекают в любом живом организме для поддержания его деятельности и жизни. Такие реакции дают организму возможность развиваться, расти и размножаться, при этом сохраняя свою структуру и отвечая на раздражители окружающей среды.

Обмен веществ принято разделять на два этапа: катаболизм и анаболизм. На первой стадии все сложные вещества расщепляются и становятся более простыми. На втором же вместе с затратами энергии синтезируются нуклеиновые кислоты, липиды и белки.

Самую важную роль в процессе метаболизма играют ферменты, которые являются активными биологическими катализаторами. Они способны снизить энергию активации физической реакции и регулировать обменные пути.

Метаболические цепи и компоненты абсолютно идентичны для многих видов, что является доказательством единства происхождения всех живых существ. Такое сходство показывает сравнительно раннее появление эволюции в истории развития организмов.

Классификация по типу обмена веществ

Что такое обмен веществ в биологии, подробно описано в данной статье. Все живые организмы, существующие на планете Земля, можно разделить на восемь групп, руководствуясь при этом источником углерода, энергии и окисляемого субстрата.

Живые организмы в качестве источника питания могут использовать энергию химических реакций или света. В качестве окисляемого субстрата могут быть как органические, так и неорганические вещества. Источником углерода является углекислый газ или органика.

Существуют такие микроорганизмы, которые, находясь в разных условия существования, используют метаболизм разного типа. Это зависит от влажности, освещения и других факторов.

Многоклеточные организмы могут характеризоваться тем, что один и тот же организм может иметь клетки с разным типом метаболических процессов.

Катаболизм

Биология обмен веществ и энергии рассматривает через такое понятие, как "катаболизм". Данным термином называют метаболические процессы, во время которых крупные частицы жиров, аминокислот и углеводов расщепляются. Во время катаболизма появляются простые молекулы, участвующие в реакциях биосинтеза. Именно благодаря данным процессам организм способен мобилизовать энергию, превращая ее в доступную форму.

У организмов, которые живут благодаря фотосинтезу (цианобактерии и растения), реакция переноса электрона не высвобождает энергию, а накапливает, благодаря солнечному свету.

У животных реакции катаболизма связаны с расщеплением сложных элементов до более простых. Такими веществами являются нитраты и кислород.

Катаболизм у животных делится на три этапа:

  1. Расщепление сложных веществ до более простых.
  2. Расщепление простых молекул до еще более простых.
  3. Высвобождение энергии.

Анаболизм

Обмен веществ (биология 8 класса рассматривает данное понятие) характеризуется и анаболизмом – совокупностью метаболических процессов биосинтеза с затратой энергии. Сложные молекулы, которые являются энергетической основой клеточных структур, последовательно образуются из самых простых предшественников.

Сначала синтезируются аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды. Затем вышеперечисленные элементы становятся активными формами благодаря энергии АТР. И на последнем этапе все активные мономеры объединяются в сложные структуры, такие как белки, липиды и полисахариды.

Стоит обратить внимание, что не все живые организмы синтезируют активные молекулы. Биология (обмен веществ подробно описан в данной статье) выделяет такие организмы, как автотрофы, хемотрофы и гетеротрофы. Они получают энергию из альтернативных источников.

Энергия, получаемая из солнечного света

Что такое обмен веществ в биологии? Процесс, благодаря которому существует все живое на Земле, и отличающий живые организмы от неживой материи.

Энергией солнечного света питаются некоторые простейшие, растения и цианобактерии. У данных представителей обмен веществ происходит благодаря фотосинтезу – процессу поглощения кислорода и выделению углекислого газа.

Пищеварение

Такие молекулы, как крахмал, белки и целлюлоза, расщепляются еще до того, как они используются клетками. В процессе пищеварения принимают участие особые ферменты, которые расщепляют белки до аминокислот, и полисахариды - до моносахаридов.

Животные могут выделять такие ферменты только из специальных клеток. А вот микроорганизмы такие вещества выделяют в окружающее пространство. Все вещества, которые вырабатываются благодаря внеклеточным ферментам, поступают в организм с помощью «активного транспорта».

Контроль и регуляция

Что такое обмен веществ в биологии, вы можете прочитать в данной статье. Каждый организм характеризуется гомеостазом – постоянством внутренней среды организма. Наличие такого условия очень важно для любого организма. Так как все их окружает среда, которая постоянно меняется, для поддержания оптимальных условий внутри клеток все реакции метаболизма должны правильно и точно регулироваться. Хороший обмен веществ дает возможность живым организмам постоянно контактировать с окружающей средой и отвечать на ее изменения.

Исторические сведения

Что такое обмен веществ в биологии? Определение находится в начале статьи. Понятие «метаболизм» первый раз употребил Теодор Шванн в сороковых годах девятнадцатого века.

Изучением метаболизма ученые занимаются уже несколько веков, и начиналось все с попыток изучить организмы животных. А вот термин «обмен веществ» впервые употребил Ибн-аль-Нафиса, который считал, что все тело постоянно находится в состоянии питания и распада, поэтому для него характерны постоянные изменения.

Урок биологии «Обмен веществ» откроет всю суть данного понятия и опишет примеры, которые помогут увеличить глубину знаний.

Первый контролируемый опыт по изучению обмена веществ был получен Санторио Санторио в 1614 году. Он описывал свое состояние до и после приема пищи, работы, питья воды и сна. Он был первым, кто заметил, что большая часть употребленной пищи утрачивалась во время процесса «незаметного испарения».

В начальных исследованиях обменные реакции были не обнаружены, и ученые считали, что живой тканью управляет живая сила.

В двадцатом веке Эдуард Бухнер ввел понятие ферментов. С этих пор изучение обмена веществ начиналось с изучения клеток. В этот период биохимия стала наукой.

Что такое обмен веществ в биологии? Определение можно дать следующее - это особый набор биохимических реакций, поддерживающих существование организма.

Минералы

В метаболизме очень большую роль играют неорганические вещества. Все органические соединения состоят из большого количества фосфора, кислорода, углерода и азота.

Большинство неорганических соединений позволяют контролировать уровень давления внутри клеток. Также их концентрация положительно влияет на функционирование мышечных и нервных клеток.

Переходные металлы (железо и цинк) регулируют активность транспортных белков и ферментов. Все неорганические микроэлементы усваиваются благодаря транспортным белкам и никогда не пребывают в свободном состоянии.

fb.ru

1. Гомеостаз. Метаболизм. Ассимиляция (анаболизм, пластический обмен)

Для нормальной жизнедеятельности клетки и всего многоклеточного организма необходимо постоянство внутренней среды, получившее название гомеостаза.

Гомеостаз — постоянство внутренней среды биологических систем.

Гомеостаз поддерживается реакциями обмена веществ, которые подразделяются на ассимиляцию (анаболизм) и диссимиляцию (катаболизм). Все реакции, протекающие в клетке, направлены на поддержание гомеостаза, для этого необходимы вещества и энергия.

Вся совокупность реакций биосинтеза веществ и их последующей сборки в более крупные структуры, идущих с затратой энергии, называется ассимиляцией, анаболизмом или пластическим обменом.

К пластическому обмену относятся фотосинтез, биосинтез белков, нуклеиновых кислот, жиров и углеводов. Особенно интенсивно процессы ассимиляции происходят в растущих клетках развивающегося организма.

 

Для осуществления пластического обмена необходима энергия. Клетка получает её из реакций распада запасённых или полученных извне органических соединений. При участии ферментов эти вещества разлагаются на более простые соединения; при этом высвобождается энергия, часть которой выделяется в виде тепла, а часть запасается в виде молекул АТФ. В случае необходимости энергия АТФ используется для компенсации энергетических затрат клетки, например для обеспечения процессов ассимиляции.

Совокупность реакций распада веществ, сопровождающихся запасанием энергии, называется диссимиляцией, катаболизмом или энергетическим обменом.

Ассимиляция и диссимиляция — противоположные процессы: в первом случае происходит образование веществ, на что тратится энергия, а во втором — распад веществ с образованием и запасанием энергии.


Ассимиляция и диссимиляция —  две стороны единого процесса обмена веществ и энергии в клетке, который называется метаболизм.

Обмен веществ (метаболизм) — это совокупность взаимосвязанных процессов синтеза и расщепления химических веществ, происходящих в организме.

Ассимиляция и диссимиляция всегда строго сбалансированы и скоординированы, а нарушение этого баланса приводит к развитию какого-либо заболевания как отдельных клеток, так и целого организма, или даже к их гибели.

Источники:

Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. 9 класс // ДРОФА.
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.

Лернер Г. И. Биология: Полный справочник для подготовки к ЕГЭ: АСТ, Астрель.

www.yaklass.ru

метаболизм — Биологический энциклопедический словарь

(от греч. Metabole — перемена, превращение), 1) то же, что обмен веществ. 2) В более узком смысле М.— промежуточный обмен, охватывающий всю совокупность реакций, гл. обр. ферментативных, протекающих в клетках и обеспечивающих как расщепление сложных соединений, так и их синтез и взаимопревращение. Напр., продукт распада углеводов (пируват) после окисления (ацетил-КоА) используется на синтез жирных к-т, нек-рые аминокислоты, образовавшиеся при распаде белков, служат материалом для глюконеогенеза и т. д. Определ. последовательность ферментативных превращений к.-л. вещества в клетке наз. метаболическим путём, а образующиеся промежуточные продукты — метаболитами. Реакции М., приводящие к биосинтезу сложных соединений из более простых, наз. анаболическими, а их совокупность — анаболизмом. Эти реакции, как правило, идут с использованием энергии, обеспечивающей возможность их течения и наз. эндергоническими; в условиях равновесия концентрация продуктов реакции всегда меньше концентрации веществ, вступающих в реакцию. Ферментативные расщепления сложных соединений на более простые составляют совокупность процессов катаболизма (гидролиз, окисление). При этих реакциях (они наз. экзергоническими) запас свободной энергии системы уменьшается. В условиях равновесия концентрация продуктов реакции больше концентрации исходных веществ. Обе стороны М.— анаболизм и катаболизм — тесно взаимосвязаны во времени и пространстве. Выяснение отд. звеньев М. у разных классов растений, животных и микроорганизмов обнаружило принципиальную общность осн. путей биохимич. превращений в живой природе.

Источник: Биологический энциклопедический словарь на Gufo.me


Значения в других словарях

  1. Метаболизм — (от греч. metabole — перемена, превращение) совокупность химических реакций, протекающих в живых клетках и обеспечивающих организм веществами и энергией для его жизнедеятельности, роста, размножения. В наиболее употребительном значении термин «М. Большая советская энциклопедия
  2. метаболизм — орф. метаболизм, -а Орфографический словарь Лопатина
  3. метаболизм — То же, что обмен веществ. Биология. Современная энциклопедия
  4. метаболизм — Обме'н веще'ств – совокупность процессов катаболизма и анаболизма, обеспечивающих развитие, жизнедеятельность и самовоспроизведение организмов, их связь с внешней средой. Микробиология. Словарь терминов
  5. метаболизм — МЕТАБОЛИЗМ -а; м. [от греч. metabolē — перемена, превращение] Биол. Совокупность химических превращений веществ и энергии в организме; обмен веществ. Толковый словарь Кузнецова
  6. метаболизм — сущ., кол-во синонимов: 3 обмен 55 обмен веществ 1 стиль 95 Словарь синонимов русского языка
  7. метаболизм — МЕТАБОЛИЗМ, см. в ст. обмен веществ и энергии. Ветеринарный энциклопедический словарь
  8. метаболизм — МЕТАБОЛИЗМ - см. обмен веществ. (Терминология спорта. Толковый словарь спортивных терминов, 2001) Словарь спортивных терминов
  9. метаболизм — метаболизм I м. Обмен веществ и энергии, совокупность процессов химических превращений веществ и энергии в живых организмах и обмен веществами и энергией между организмами и окружающей средой. II... Толковый словарь Ефремовой
  10. МЕТАБОЛИЗМ — МЕТАБОЛИЗМ (обмен веществ), химические и физические процессы и изменения, постоянно происходящие в живом организме. Они включают расщепление органического вещества (КАТАБОЛИЗМ), приводящее к освобождению энергии... Научно-технический словарь
  11. метаболизм — МЕТАБОЛИЗМ — процесс обмена веществ в организме, совокупность процессов ассимиляции и диссимиляции. Ботаника. Словарь терминов
  12. метаболизм — МЕТАБОЛИЗМ, то же, что обмен веществ. Химическая энциклопедия
  13. метаболизм — МЕТАБОЛИЗМ а, м. métabolisme m. <�гр. metabole перемена. 1. Обмен веществ в организмах, совокупность процессов, составляющих анаболизм и катаболизм. СИС 1954. 2. Течение в архитектуре сер. Словарь галлицизмов русского языка
  14. метаболизм — Метаболизм — обмен веществ в организмах. Толковый словарь по почвоведению
  15. метаболизм — Мета/бол/и́зм/. Морфемно-орфографический словарь
  16. Метаболизм — Направление в архитектуре и градостроительстве, развивающееся с 1960-х гг. (японские архитекторы Кензо Танге, Кийонори Кикутаке и др.). Архитектурный словарь
  17. Метаболизм — (греч. metabole изменение, превращение) см. Обмен веществ. Медицинская энциклопедия
  18. метаболизм — [<�гр. перемена] – обмен веществ, совокупность процессов, охватывающих как усвоение пищевых веществ и построение из них живых веществ (анаболизм), так и распад этих веществ в организме (катаболизм)/ Большой словарь иностранных слов
  19. МЕТАБОЛИЗМ — МЕТАБОЛИЗМ — направление в архитектуре и градостроительстве, развивающееся с 1960-х гг. (японские архитекторы Кэндзо Тангэ, Киенори Кикутакэ и др.). Большой энциклопедический словарь
  20. метаболизм — Метаболизм, метаболизмы, метаболизма, метаболизмов, метаболизму, метаболизмам, метаболизм, метаболизмы, метаболизмом, метаболизмами, метаболизме, метаболизмах Грамматический словарь Зализняка

gufo.me

Конспект "Обмен веществ" - УчительPRO

«Обмен веществ»



Обмен веществ — совокупность реакций пластического и энергетического обменов.

Пластический и энергетический обмен, их взаимосвязь.

Пластический обмен {ассимиляция) — совокупность реакций синтеза сложных органических веществ (белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот) из более простых. Энергетический обмен (диссимиляция) — совокупность реакций, обеспечивающих клетку энергией, в ходе которых происходит расщепление и окисление сложных органических веществ.

 Этапы обмена веществ:

  • поступление веществ в организм;
  • изменение веществ в ходе ассимиляции и диссимиляции;
  • выведение конечных продуктов обмена.


Водно-минеральный обмен в организме.

Суточная потребность организма в воде в среднем составляет 2-2,5 л. Вода поступает в организм при питье (около 1 л), с пищей (около 1 л), небольшое количество (300— 350 мл) ее образуется в результате окисления органических веществ. Вода всасывается в кишечнике (тонком и толстом), ротовой полости и желудке. Из организма вода выводится с мочой (1,2-1,5 л), с потом (500-700 мл), выдыхаемым воздухом (350-800 мл), калом (100-150 мл).

Минеральные соли в организме могут быть в твердом состоянии в виде кристаллов — Са3(Р04)2 и СаСО3 в костной ткани; в диссоциированном состоянии в виде катионов и анионов. Анионы создают фосфатную буферную систему, поддерживающую внутри клеток слабокислую среду (pH 6,9), и бикарбонатную буферную систему, поддерживающую слабощелочную реакцию внеклеточной среды (pH 7,4). Общее количество минеральных солей около 4,5%. Потребности организма в них удовлетворяются продуктами питания. Железа много в яблоках, йода — в морской капусте, кальция — в молочных продуктах. Человеку необходимо постоянное поступление натрия и хлора (до 10 г поваренной соли в сутки). Всасывание солей происходит вместе с водой в толстом кишечнике. Попавшие в кровь минеральные соли доставляются клеткам. Излишки минеральных солей выводятся с мочой, потом и калом.

Обмен белков.

Суточная потребность организма в белках составляет 72-92 г. Источником белков являются преимущественно продукты животного происхождения. По содержанию аминокислоты белки делятся на полноценные (белки молока, мяса, рыбы и др.) и неполноценные, которые не содержат ни одной из незаменимых аминокислот. Особенно важны десять незаменимых аминокислот, не синтезируемых в организме (лизин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, метионин, аргинин, гистидин).

Протеолитические ферменты расщепляют белки до полипептидов и аминокислот. Аминокислоты всасываются в кровеносные капилляры ворсинок тонкого кишечника и разносятся кровью по организму. В клетках из них образуются белки, свойственные организму. При избытке белки преобразуются в углеводы и жиры. Часть аминокислот, не использованных в синтезе белка, окисляется с освобождением энергии (17,6 кДж на 1 г вещества) и образованием воды, диоксида углерода, аммиака и др. Аммиак в печени превращается в мочевину. Продукты диссимиляции белков выводятся с мочой, потом и частично с выдыхаемым воздухом.

Обмен жиров.

Суточная потребность организма в жирах составляет 81-110 г. Животные жиры поступают в организм в виде сливочного масла, сыра, сметаны, свиного сала; растительные — в виде растительного масла. Липолитические ферменты расщепляют жиры до глицерола и жирных кислот. Жиры всасываются в лимфу, затем поступают в кровь и разносятся по всем клеткам. Часть жира, попавшего в клетки, является строительным материалом. Большая же его часть откладывается в подкожной клетчатке. При окислении 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии. Жиры могут синтезироваться из углеводов и белков. Конечные продукты окисления жиров — диоксид углерода и вода, удаляются с выдыхаемым воздухом, мочой, потом.

Обмен углеводов.

В сутки человек должен получать 358—484 г углеводов. Основной их источник — продукты растительного происхождения (картофель, хлеб). Углеводы в организме могут образовываться из белков и жиров. Амилолитические ферменты расщепляют углеводы до дисахаридов и моносахаридов. Моносахариды всасываются в кровеносные капилляры ворсинок кишечника и разносятся кровью по организму. Избыток глюкозы превращается в печени в гликоген. При чрезмерном поступлении углеводов они превращаются в жиры. В клетках глюкоза окисляется до диоксида углерода и воды, которые удаляются с выдыхаемым воздухом, мочой, потом, при этом выделяется энергия (17,6 кДж на 1 г глюкозы).


Это конспект по биологии в 8 классе по теме «Обмен веществ». Выберите дальнейшие действия:

uchitel.pro

обмен веществ — Биологический энциклопедический словарь

Метаболизм, совокупность протекающих в живых организмах химич. превращений, обеспечивающих их рост, жизнедеятельность, воспроизведение, постоянный контакт и обмен с окружающей средой. Благодаря О. в. происходит расщепление и синтез молекул, входящих в состав клеток, образование, разрушение и обновление клеточных структур и межклеточного вещества. Напр., у человека половина всех тканевых белков расщепляется и строится заново в среднем в течение 80 сут, белки печени и сыворотки крови наполовину обновляются каждые 10 сут, а белки мышц— 180, отд. ферменты печени — каждые 2—4 ч. О. в. неотделим от процессов превращения энергии: потенциальная энергия химич. связей сложных органич. молекул в результате химич. превращений переходит в другие виды энергии, используемой на синтез новых соединений, для поддержания структуры и функции клеток, температуры тела, для совершения работы и т. д. Все реакции О. в. и превращения энергии протекают при участии биол. катализаторов — ферментов. У самых разных организмов О. в. отличается упорядоченностью и сходством последовательности ферментативных превращений, несмотря на большой ассортимент химич. соединений, вовлекаемых в обмен. В то же время для каждого вида характерен особый, генетически закреплённый тип О. в., обусловленный условиями его существования.

О. в. складывается из двух взаимосвязанных, одновременно протекающих в организме процессов — ассимиляции и диссимиляции, или анаболизма и катаболизма. В ходе катаболич. превращений происходит расщепление крупных органич. молекул до простых соединений с одновременным выделением энергий, которая запасается в форме богатых энергией фосфатных связей, гл. обр. в молекуле аденозинтрифосфорной к-ты (АТФ) и др. богатых энергией соединений. Катаболич. превращения обычно осуществляются в результате гидролитич. и окислит, реакций и протекают как в отсутствие кислорода (анаэробный путь-гликолиз, брожение), так и при его участии (аэробный путь — дыхание). Второй путь эволюционно более молодой и в энергетич. отношении более выгодный. Он обеспечивает полное расщепление органич. молекул до CO2 и H2O. Разнообразные органич. соединения в ходе катаболич. процессов превращаются в ограниченное число небольших молекул (помимо CO2 и H2O): углеводы — в триозофосфаты и (или) пиру ват, жиры — в ацетил-КоА, пропионил-КоА и глицерин, белки — в ацетил-КоА, оксалоацетат, α-кетоглютарат, фумарат, сукцинат и конечные продукты азотистого обмена — мочевину, аммиак, мочевую к-ту и др.

В ходе анаболич. превращений происходит биосинтез сложных молекул из простых молекул-предшественников. Автотрофные организмы (зелёные растения и нек-рые бактерии) могут осуществлять первичный синтез органич. соединений из CO2 с использованием энергии солнечного света (фотосинтез) или энергии окисления неорганич. веществ. Гетеротрофы синтезируют органич. соединения только за счёт энергии и продуктов, образующихся в результате катаболич. превращений. Исходным сырьём для процессов биосинтеза в этом случае служит небольшое число соединений, в т. ч. ацетил-КоА, сукцинил-КоА, рибоза, пировиноградная к-та, глицерин, глицин, аспарагиновая, глутаминовая и др. аминокислоты. Каждая клетка синтезирует характерные для неё белки, жиры, углеводы и др. соединения. Напр., гликоген мышц синтезируется в мышечных клетках, а не доставляется кровью из печени. Как правило, синтез включает восстановит, этапы и сопровождается потреблением энергии.

Катаболизм и анаболизм протекают в клетках одновременно и заключит, стадия катаболич. превращений является исходной стадией анаболизма. Однако катаболич. и анаболич. пути О. в. не совпадают между собой. Напр., в расщеплении гликогена до молочной к-ты участвует 12 ферментов, каждый из к-рых катализирует отд. этап этого процесса. Синтез же гликогена из молочной к-ты включает только 9 ферментативных этапов, представляющих собой обращение соотв. этапов катаболизма, а 3 недостающих заменяются иными ферментативными реакциями, к-рые используются только для биосинтеза. Не совпадают катаболич. и анаболич. пути обмена между белками и аминокислотами или между жирными к-тами и ацетил-КоА. Более того, разл. обменные реакции приурочены к определённым участкам клетки. Вся ферментативная система гликолиза локализуется в растворимой фракции цитоплазмы. В митохондриях сосредоточены процессы, связанные с биол. окислением и окислит. фосфорилированием, в лизосомах — гидролитич. ферменты, процессы биосинтеза белка осуществляются в рибосомах, а биосинтеза липидов — в эндоплазматич. сети и т. д. В разл. частях клетки локализуются и химически несовместимые реакции. Напр., окисление жирных к-т катализируется набором ферментов, локализованных в митохондриях, тогда как синтез жирных к-т из ацетил-КоА — с помощью другого набора ферментов, локализованных в цитоплазме.

Хотя и катаболич., и анаболич. пути осуществляются специфическими наборами ферментов, их постоянно связывают и общие стадии О. в. (см. схему). Наиб, важным общим промежуточным продуктом О. в., участвующим во всех процессах, является ацетил-КоА. Большое значение имеет цикл превращений (циклтрикарбоновых к-т), в ходе к-рого ацетил-КоА через ряд промежуточных продуктов окисляется полностью до CO2 и H2O. В то же время с ацетил-КоА начинается синтез жирных к-т, холестерина, ряда азотсодержащих соединений и т. д.

В процессе эволюции организмы выработали тонкие регуляторные системы, обеспечивающие высокую степень упорядоченности и согласованности реакций и позволяющие приспособиться к изменениям условий окружающей среды. Для всех организмов существуют в осн. одинаковые системы регуляции, действующие на уровне клеточного О. в. В этом случае интенсивность и направленность биохимич. реакций может регулироваться воздействием либо на активность фермента путём его ингибирования или активирования, либо на его синтез или деградацию. Большую роль в регуляции играет строгая упорядоченность расположения ферментов в клеточных структурах, а также избират. проницаемость биол. мембран. Высокоразвитые организмы обладают дополнительными регуляторными механизмами — нервными и гормональными. Атрофия тканей после денервации указывает на важное значение нервных импульсов для клеточного О. в. Гормоны выполняют в клетках и тканях контролирующие функции, либо непосредственно воздействуя на ферменты или их синтез, либо влияя на проницаемость клеточных мембран, функц. состояние клеточных органоидов и систему циклич. нуклеотидов.

Источник: Биологический энциклопедический словарь на Gufo.me


Значения в других словарях

  1. обмен веществ — ОБМЕН ВЕЩЕСТВ — см. метаболизм. Ботаника. Словарь терминов
  2. обмен веществ — (метаболизм), совокупность процессов химических и физических превращений, происходящих в живых организмах и обеспечивающих их жизнедеятельность при взаимодействии с внешней средой. Биология. Современная энциклопедия
  3. обмен веществ — сущ., кол-во синонимов: 1 метаболизм 3 Словарь синонимов русского языка
  4. обмен веществ — См. метаболизм. Микробиология. Словарь терминов
  5. Обмен веществ — Или метаболизм, — лежащий в основе жизни закономерный порядок превращения веществ и энергии в живых системах, направленный на их сохранение и самовоспроизведение; совокупность всех химических реакций, протекающих в организме. Большая советская энциклопедия
  6. обмен веществ — ОБМЕН ВЕЩЕСТВ (метаболизм) совокупность хим. процессов, обеспечивающих жизнедеятельность организма. Хим. превращ. в организме осуществляются в двух противоположных направлениях-синтез сложных соед. Химическая энциклопедия
  7. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ — ОБМЕН ВЕЩЕСТВ (метаболизм) — совокупность всех химических изменений и всех видов превращений веществ и энергии в организмах, обеспечивающих развитие, жизнедеятельность и самовоспроизведение организмов... Большой энциклопедический словарь
  8. обмен веществ — ОБМЕН ВЕЩЕСТВ, метаболизм, совокупность хим. н связанных с ними энергетич. процессов превращения поступающих извне и возникающих в клетках в-в; лежит в основе жизнедеятельности живых организмов и является одним из осн. признаков жизни. О. Сельскохозяйственный словарь

gufo.me

Сайт учителей биологии МБОУ Лицей № 2 города Воронежа

Обмен веществ – основа существования клетки

Для изучения клетки под микроскопом обычно ее фиксируют, окрашивают. На приготовленном микропрепарате рассматривают уже неживую клетку, поэтому создается впечатление, что все структурные части клетки неподвижны, статичны, а это не соответствует действительности. На самом деле в живой клетке все находится в движении: движется цитоплазма, увлекая за собой многие органоиды, вещества и включения; активно работают рибосомы и митохондрии, совершается множество химических превращений. Во всех этих процессах жизнедеятельности накапливается, тратится и преобразуется энергия. Из окружающей среды в клетку поступают различные вещества, а из клетки в окружающую среду удаляются ненужные продукты обмена. Так осуществляется обмен веществ, или метаболизм (греч. metabole – "превращение").

Обмен веществ и энергии (метаболизм) – это совокупность биохимических реакций, протекающих в клетке и обеспечивающих процессы ее жизнедеятельности.

Обмен веществ складывается из двух взаимосвязанных процессов – анаболизма и катаболизма.

Анаболизм (греч. anabole – "подъем"), или ассимиляция (лат. assimilatio – "слияние", "усвоение"), – совокупность химических процессов, направленных на образование и обновление структурных частей клеток. Поэтому анаболизм еще называют пластическим обменом. В ходе анаболизма происходит биосинтез сложных молекул из простых молекул–предшественников или из молекул веществ, поступивших из внешней среды. Важнейшими процессами анаболизма являются синтез белков и нуклеиновых кислот (свойствен всем организмам) и синтез углеводов (у растений, некоторых бактерий и цианобактерий).

Анаболизм является созидательным этапом обмена веществ. Он осуществляется всегда с потреблением энергии при участии ферментов.

В процессе анаболизма с образованием сложных молекул идет накопление энергии, главным образом, в виде химических связей. Поступление этой энергии в большинстве случаев обеспечивается реакциями биологического окисления веществ клетки – реакциями катаболизма.

Катаболизм (греч. katabole – "сбрасывание", "разрушение"), или диссимиляция, – совокупность реакций, в которых происходит распад органических веществ с высвобождением энергии. При разрыве химических связей молекул органических соединений энергия высвобождается и запасается, главным образом, в виде молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), т. е. аденозинтрифосфата. Синтез АТФ у эукариот происходит в митохондриях и хлоропластах, а у прокариот – в цитоплазме, на мембранных структурах.

Катаболизм обеспечивает все биохимические процессы в клетке энергией, поэтому его еще называют энергетическим обменом.

В процессе эволюции клетки живых организмов выработали регуляторные системы, обеспечивающие упорядоченность и согласованность метаболических реакций. Это и позволяет им адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды.

Аденозинтрифосфорная кислота, или АТФ, – это нуклеотид, содержащий аденин, рибозу и трифосфат (три остатка фосфорной кислоты).

Молекула АТФ очень энергоёмка. Она является универсальным переносчиком и накопителем энергии. Энергия заключена в связях между тремя остатками фосфорной кислоты.

Как происходит выделение энергии в клетке? Отделение от АТФ одного концевого фосфата (Ф) сопровождается выделением 40 кДж на 1 моль, тогда как при разрыве химических связей других соединений выделяется 12 кДж. Образовавшаяся при этом молекула аденозиндифосфата (АДФ) с двумя фосфатными остатками может быстро восстановиться до АТФ или, при необходимости отдав еще один концевой фосфат, превратиться в аденозинмонофосфат (АМФ).

Пара АТФ/АДФ служит основным механизмом выработки энергии в клетке. Присоединение фосфорных остатков к АМФ и АДФ сопровождается накоплением (аккумуляцией) энергии, а их отщепление от АТФ и АДФ приводит к выделению энергии. Благодаря богатым энергией химическим связям в молекулах АТФ клетка способна накапливать много энергии и расходовать ее по мере надобности на все жизненные процессы клетки и организма в целом.

< Предыдущая страница "Нуклеиновые кислоты"

Следующая страница "Биосинтез белков в живой клетке" >

biolicey2vrn.ru

Сайт учителей биологии МБОУ Лицей № 2 города Воронежа

Обмен веществ между организмом и окружающей средой

Организм человека, как и все живые организмы, существует как открытая система. Организм выделяет такие вещества, как вода, углекислый газ, минеральные соли и др. Одновременно с этим происходит выделение энергии из организма: она рассеивается в пространстве в виде тепла. Организм — это устойчивая система, поэтому потеря вещества восполняется постоянным его поглощением из окружающей среды — в виде пищевых продуктов, воды, вдыхаемого кислорода. Таким образом, через тело человека постоянно идет поток вещества и заключенной в нём энергии. Этот непрерывный поток является одним из важнейших свойств живых организмов и называется обмен веществ и энергии, или метаболизм.

Питательные вещества, поступающие в организм, богаты энергией. Они преобразуются в организме в вещества, бедные энергией. Высвобождающаяся при этом энергия используется для нужд организма (для поддержания его активности, роста, развития и др.), а также рассеивается в виде тепловой энергии.

Обмен веществ и энергии непрерывно происходит и в пределах нашего организма. В разных органах обмен веществ идет с разной интенсивностью. Так, к концу месяца в печени не остается ни одного атома из тех, которые ее составляли вначале, все они заменяются на новые. Вот и подсчитайте, сколько раз печень обновлялась за прожитые вами годы. Эти процессы идут в каждой клетке, в клетку поступают питательные вещества, кислород, вода, минеральные соли, витамины. Часть этих веществ идет на рост и развитие, а часть органических веществ используется для биологического окисления и получения энергии для работы мышц, поддержания температуры тела, создания новых веществ, проведения нервных сигналов.

Белки, жиры и углеводы, которые мы получаем с растительной и животной пищей, не могут быть усвоены в том виде, в каком они к нам поступили. Если в кровь человека попадут чужеродные белковые или другие крупные молекулы, они или погубят организм, или будут уничтожены его иммунной системой. Вот почему в органах пищеварения пищевые белки, жиры и сложные углеводы распадаются на составные части, из которых могут быть созданы другие белки, жиры и углеводы, свойственные данному организму и никакому другому.

В кишечнике под действием ферментов белки распадаются на аминокислоты, жиры – на глицерин и жирные кислоты, а сложные углеводы – на глюкозу и другие простые сахара. Пищевые аминокислоты, глицерин и жирные кислоты, глюкоза всасываются ворсинками и транспортируются к клеткам.

Жизнедеятельность клеток осуществляется за счет энергии распада и окисления органических веществ. Для этого клеткам необходим кислород. Кровь доставляет его из органов дыхания, она же уносит продукты распада.

Переваривание пищи и доставка питательных веществ и кислорода к клеткам – это подготовительная, а удаление продуктов распада – заключительная стадия обмена. Основные же его стадии происходят в клетках.

Обмен веществ — это единый процесс, осуществляющийся на уровне целостного организма. Он складывается из процессов, происходящих в каждой отдельной клетке. Всё многообразие превращений веществ в организме происходит либо с освобождением энергии, либо с затратой энергии. Поэтому общий процесс метаболизма имеет две стороны, неразрывно связанные между собой:

  • пластический обмен, или анаболизм (греч. anabolē — подъём), или ассимиляция (лат. assimilatio — слияние, усвоение), — процессы синтеза веществ, которые требуют затрат энергии;
  • энергетический обмен, или катаболизм (греч. katabole — разрушение), или диссимиляция (лат. dissimilatio — разложение, отчуждение), — процессы расщепления веществ, которые протекают с выделением энергии.

Пластический обмен.  В переводе с греческого языка слово plastike означает "лепка из глины и других материалов". Этот образ был выбран биологами потому, что он довольно точно отражает существо дела. Поступающие в клетки питательные вещества можно сравнить с кирпичиками, из которых "лепятся" молекулы белков, жиров и углеводов, свойственные определенным клеткам человеческого тела. Они идут на строительство утраченных частей клеток, на создание новых клеток и межклеточного вещества. За счет пластического обмена происходят рост, деление и развитие каждой клетки и всего организма в целом.

Исходными веществами и источником энергии для реакций анаболизма в организме человека являются высокоэнергетические питательные вещества (белки, жиры, углеводы). В результате пластического обмена происходят постоянное самообновление, рост и развитие организма.

Энергетический обмен. Для создания новых веществ необходимо затрачивать энергию. Она добывается путем распада и окисления части органических веществ, поступающих в клетку.

Органические вещества создают растения, используя энергию солнечного света. Из воды и углекислого газа они получают глюкозу и выделяют кислород. Попав в клетки человеческого тела, глюкоза окисляется и распадается на воду и углекислый газ, а освободившаяся энергия используется для жизнедеятельности клетки: создания новых веществ, сокращения мышц, проведения нервного возбуждения. Примерно половина этой энергии превращается в тепловую и тратится на поддержание температуры тела. Чем больше человек тратит энергии, тем больше распадается органических веществ в его организме. Мы дышим более интенсивно, когда работаем, наш организм нуждается в большем количестве пищи, чтобы компенсировать свои энергетические траты и потерю органических веществ, подвергшихся биологическому окислению. Вот почему спортсмен после марафонского бега обычно теряет 2-3 кг массы тела.

Таким образом, процессы пластического и энергетического обмена веществ тесно взаимосвязаны и происходят одновременно. Это две стороны единого процесса обмена веществ и энергии в организме.

Различают подготовительную, клеточную и заключительную стадии обмена. На подготовительной стадии происходит переваривание пищи и доставка питательных веществ и кислорода к тканям и клеткам. На клеточной стадии в результате пластического обмена создаются новые клеточные белки, жиры и углеводы и структуры клетки и межклеточного вещества; в ходе энергетического обмена происходит аккумуляция энергии, которая потом используется для энергетических нужд организма (создание новых веществ, мышечное движение и др.). На заключительной стадии обмена продукты расщепления – углекислый газ, аммиак, мочевина, вода – попадают в кровь и выводятся из организма легкими и почками.

< Предыдущая страница "Заболевания органов пищеварения"

Следующая страница "Обмен белков" >

biolicey2vrn.ru

Тест по биологии «Обмен веществ»

Обмен веществ происходит...

между внешней средой и организмом

только во внутренней среде организма

в пищеварительном тракте

Обмен веществ — это совокупность протекающих в живых организмах химических превращений, обеспечивающих их рост, развитие, процессы жизнедеятельности, воспроизведение потомства, активное взаимодействие с окружающей средой.

Каково основное значение пластического обмена веществ в клетках?

строительство органических веществ и накопление энергии

производство химической энергии в результате расщепления глюкозы

поддержание температуры тела

Под пластическим обменом понимают такие процессы, в ходе которых в клетках создаются новые соединения и новые структуры, характерные для данного организма.

Что наблюдается при недостатке витамина "В-1" ?

отставание в росте и куриная слепота

нервный паралич

рахит

Тиамин ("В-1") — участвует в процессах, которые обеспечивают нормальную деятельность ЦНС. Отсутствие его в пище ведёт к тяжёлой болезни (паралич, судороги), с лечебной целью он применяется при явлениях переутомления и нервного истощения.

Что строится в клетках человека из аминокислот?

чужие белки

витамины

собственные белки

Аминокислоты через кровеносные капилляры ворсинок поступают в печень. Здесь избыточные аминокислоты теряют свой азот и превращаются в жиры и углеводы. В клетках из аминокислот строятся собственные белки тела.

Какие из этих веществ не выводятся из организма в окружающую среду?

аминокислоты, углеводы, кислород

мочевина

вода, соли

Из организма в окружающую среду не выводятся: аминокислоты, углеводы, кислород.

Какие продукты содержат много витамина "С" ?

овощи и фрукты

печень и свежее мясо

рыбий жир и яйцо

Аскорбиновая кислота ("С") — играет большую роль в окислительно-восстановительных процессах, происходящих в организме. Содержится в шиповнике, чёрной смородине, лимоне, апельсинах, капусте, зелёном луке и других овощах, фруктах, ягодах.

Какое значение имеют белки в организме?

основной строительный материал клетки

участвуют в свертывании крови; ферментативная роль

все ответы правильные

Белки служат основным строительным материалом клеток, участвуют в свертывании крови (фибриноген), транспортировке газов (гемоглобин). Выполняют роль биокатализаторов (ферментативная роль).

Основное значение воды для клеток организма:

придает им упругость

растворитель для неорганических веществ

главная среда для биохимических реакций

Вода — среда жизненных процессов. Где берут ткани нашего организма воду? Они её создают сами. Эта внутренняя вода постоянно образуется за счет окисления питательных веществ.

Главное значение глюкозы для организма?

главный источник энергии

основной стройматериал

ферментативная функция

В организме углеводы служат основным источником энергии. Перевариваясь, углеводы (крахмал, гликоген) превращается в глюкозу (сахар), которая всасывается в кровь.

Какое значение имеют соли калия и натрия для клеток?

без них невозможно свертывание крови

придают костной ткани твердость

имеют прямое отношение к возбудимости и проводимости возбуждения

Соли калия, так же как и соли натрия, влияют на содержание воды в тканях. Они поддерживают слабощелочную среду крови. Калий необходим для нормальной возбудимости нервной и мышечной системы.

Какие продукты животного происхождения влияют на рост организма?

печень, сливочное масло, рыбий жир

икра, желток яйца, молоко

все вышеперечисленные

Витамин "А" (витамин роста). При его отсутствии задерживается рост, нарушается зрение, отмечается сухость кожи, понижается сопротивляемость организма к заболеваниям. В значительных количествах он содержится в сливочном масле, печени, рыбьем жире, икре, желтке яйца, молоке.

Где синтезируются белки?

в пищеварительном тракте

в клетках организма

во внешней среде

В клетках организма из аминокислот строятся белки тела.

Какие органы участвуют в теплообразовании?

сердце

почки

мышцы

Мышцы выделяют тепло. Поперечно-полосатые мышцы — "двигатели". в которых химическая энергия превращается сразу в механическую. Энергия в форме тепла передаётся кровью другим тканям и равномерно согревает организм. Мелкие непроизвольные сокращение мышц вызывают дрожь — организм увеличивает образование тепла.

Конечные продукты расщепления белков выделяются через...

кожу и почки

кожу и легкие

слюнные железы

В организме постоянно происходит распад белка. При этом образуются вода, углекислый газ и азотсодержащие вещества, которые удаляются из организма через почки, легкие и кожу.

К чему может привести преобладание в рационе питания мучных изделий и картофеля?

к авитаминозу

к ожирению

к ускоренному росту мускулатуры тела

Ожирение — не просто полнота, это болезнь, сопровождающаяся нарушениями обмена веществ, работы сердца, сосудов, органов движения. Оно вызывается неумеренным потреблением жиров, углеводов (кондитерских изделий, картофеля). Ожирение снижает работоспособность человека.

Следующий вопросПодробный ответ

biouroki.ru

Основной обмен — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 26 ноября 2019; проверки требуют 2 правки. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 26 ноября 2019; проверки требуют 2 правки.

Основной обмен — это минимальное количество энергии, необходимое для обеспечения нормальной жизнедеятельности организма в стандартных условиях[1][2]. Под стандартными условиями обычно подразумевают[2][3]:

  1. бодрствование,
  2. утром,
  3. натощак (после 12 — 16 часов голодания),
  4. в лежачем положении,
  5. в условиях психологического и эмоционального покоя,
  6. температура комфорта (18 — 20 °C).

Интенсивность основного обмена у мужчин в среднем составляет 1 ккал/кг/ч, то есть за сутки на основной обмен расходуется 1700 ккал для мужчины весом 70 кг[1]. Для женщин эта величина на 10 % меньше[4].

Величина основного обмена зависит от соотношения в организме процессов анаболизма и катаболизма.

Освобождаемая в ходе метаболизма тепловая энергия расходуется на поддержание постоянства температуры тела. Эта энергия также расходуется на процессы клеточного метаболизма, кровообращение, дыхание, выделение, поддержание температуры тела, функционирование жизненно важных нервных центров мозга, постоянную секрецию эндокринных желёз. Энергозатраты организма возрастают при физической и умственной работе, психоэмоциональном напряжении, после приема пищи, при понижении температуры.

Пол Возраст
(лет)
Уравнение для расчёта
(ккал/сутки)
М 10—18 16,6 мт + 119Р + 572
Ж 10—18 7,4 мт + 482Р + 217
М 18—30 15,4 мт + 27Р + 717
Ж 18—30 13,3 мт + 334Р + 35
М 30—60 11,3 мт + 16Р + 901
Ж 30—60 8,7 мт + 25Р + 865
М >60 8,8 мт + 1128Р — 1071
Ж >60 9,2 мт + 637Р — 302

мт — масса тела (кг), Р — рост (м)

  1. 1 2 Нормальная физиология человека / Ткаченко Б. И.. — 2-е. — Москва: Медицина, 2005. — С. 575—576. — 928 с. — ISBN 5-225-04240-6.
  2. 1 2 Агаджанян Н. А., Смирнов В. М. Нормальная физиология:Учебник для студентов медицинских вузов. — Москва: Медицинское информационное агентство, 2009. — С. 361. — 520 с. — ISBN 978-5-9986-0001-2.
  3. Гайтон А. К., Холл Д. Э. Медицинская физиология = Textbook of Medical Physiology / Кобрин В.И.. — Москва: Логосфера, 2008. — С. 112. — 1296 с. — ISBN 978-5-98657-013-6.
  4. Судаков К. В. Нормальная физиология. — Москва: Медицинское информационное агентство, 2006. — С. 75—78. — 920 с. — ISBN 5894812941.

ru.wikipedia.org


Смотрите также