Анаболизм и катаболизм — единство противоположностей
Обмен веществ и энергии состоит из двух противоположных процессов — анаболизма и катаболизма, которые протекают параллельно (одновременно) друг с другом.
Анаболизм или ассимиляция объединяет все реакции, связанные с синтезом необходимых организму веществ, усвоением их и использованием для роста, развития и жизнедеятельности организма. Анаболизм — это созидание, строительство. Анаболизм — обеспечивает обновление, развитие и рост биологических структур, а также накопление энергии. Через реакции анаболизма протекает процесс усвоения питательных веществ организмом.
Катаболизм или диссимиляция объединяет все реакции, связанные с распадом веществ, их окислением и выведением из организма продуктов распада. Реакции катаболизма обеспечивают извлечение химической энергии из молекул пищи.
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ! При распаде веществ (катаболизм) высвобождается энергия, которая используется для синтеза (анаболизм) аденозинтрифосфата (АТФ), универсального накопителя и источника энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах. Метаболизм представляет собой единый непрерывный процесс, в ходе которого одновременно (одновременно!) происходят противоположные по своему характеру реакции анаболизма и катаболизма
Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия, нарушение которого вызывает неблагоприятные последствия. Вы уже понимаете, что нарушение любого равновесия в сбалансированной системе (в частности — в сбалансированной экологической системе) вызывает только неблагоприятные последствия.
Преобладание анаболических процессов над катаболическими, то есть синтеза над распадом приводит к накоплению массы тканей (главным образом за счет жировых отложений), что вызывает ожирение. Преобладание анаболических процессов над катаболическими может встречаться и в норме у молодых растущих организмов или же при беременности, но в этих случаях преобладание заложено в баланс, то есть система (организм) сбалансирована таким образом, чтобы синтез доминировал над распадом, поскольку у организма есть в этом потребность (рост и развитие самого организма или его плода).
Преобладание катаболических процессов над анаболическими ведет к частичному разрушению тканевых структур, проявляющемуся в норме в старческом возрасте. Чрезмерное преобладание катаболических процессов может привести к истощению и гибели организма.
А теперь давайте немного углубимся в детали и начнем с АТФ.
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — универсальный источник и аккумулятор энергии в живых клетках. АТФ содержится во всех клетках растений и животных. Количество АТФ в среднем составляет 0,04% от массы клетки. Наибольшее количество АТФ (0,2–0,5%) содержится в скелетных мышцах, т.к. они активно используют энергию.
АТФ состоит из остатков азотистого основания аденина, моносахарида рибозы и трех остатков фосфорных кислот. С химической точки зрения она представляет собой рибонуклеозидтрифосфат.
Энергия высвобождается при гидролизе АТФ — отщеплении остатков фосфорной кислоты. При отщеплении концевого остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту), при отщеплении второго остатка фосфорной кислоты — в АМФ (аденозинмонофосфорную кислоту).
Выход свободной энергии при отщеплении концевого и второго остатков фосфорной кислоты составляет по 30,6 кДж. А вот отщепление третьей фосфатной группы сопровождается выделением только 13,8 кДж. Связи между концевым и вторым, вторым и первым остатками фосфорной кислоты называются макроэргическими или высокоэнергетическими.
Запасы АТФ постоянно пополняются. В клетках всех организмов синтез АТФ происходит в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения фосфорной кислоты к АДФ. Фосфорилирование происходит с разной интенсивностью при дыхании (в митохондриях), гликолизе (в цитоплазме), фотосинтезе (в хлоропластах). Фосфорилирование сопровождается поглощением энергии.
АТФ является основным связующим звеном между процессами, сопровождающимися выделением и накоплением энергии, и процессами, протекающими с затратами энергии. Кроме этого, наряду с другими рибонуклеозидтрифосфатами (ГТФ, ЦТФ, УТФ) АТФ является материалом для синтеза РНК.
АТФ является одним из самых часто обновляемых веществ в организме. Например, у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ составляет несколько десятков секунд (меньше минуты). В течение суток одна молекула АТФ проходит в среднем 2000 — 3000 циклов синтеза и распада. Наш организм синтезирует около 40 кг (килограмм!) АТФ в сутки, но в каждый конкретный момент в нем содержится около 250 грамм АТФ. Запаса АТФ в организме практически не создается, поэтому для нормальной жизнедеятельности необходимо постоянно синтезировать новые молекулы АТФ. Как по-вашему, что из этого следует? То, что нам приходится принимать пищу 3-4 раза в сутки.
Большинству живых организмов для жизнедеятельности необходим кислород и потому они называются аэробными или аэробами (от греческих слов «аэро» — «воздух» и «би-ос» — «жизнь»). Обмен веществ и энергии у аэробов происходит в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный.
Подготовительный этап осуществляется в желудочно-кишечном тракте и в клеточных лизосомах (пищеварительных органоидах) где высокомолекулярные соединения под действием пищеварительных ферментов распадаются до низкомолекулярных (белки на аминокислоты, полисахариды на моносахариды, жиры на глицерин и жирные кислоты).
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ! Энергия, которая выделяется при переваривании в желудочно-кишечном тракте и в клеточных лизосомах не запасается, а рассеивается в виде тепла, поскольку здесь, на этом этапе, не происходит параллельного синтеза (восстановления) АТФ!
Низкомолекулярные вещества, образовавшиеся на подготовительном этапе, используются организмом для синтеза своих собственных органических соединений или же расщепляются дальше с целью получения (и создания запасов) энергии.
Бескислородный этап протекает в цитоплазме клеток, где происходит дальнейшее расщепление низкомолекулярных органических веществ. Образованные на первом этапе аминокислоты (продукты расщепления белков) в этом и следующем этапе не используются. Они необходимы организму в качестве материала для синтеза собственных белковых молекул. Для получения энергии аминокислоты (и белки) расходуются крайне редко, лишь в том случае, когда остальные резервы (углеводы и жиры) бывают исчерпаны. В обычных условиях основным источником энергии в клетке является глюкоза. Многоступенчатый процесс бескислородного расщепления глюкозы называют гликолизом, что переводится с греческого как «расщепление глюкозы (сладкого)». Примерно 60 % энергии, выделившейся при гликолизе, рассеивается (теряется) в виде тепла, а примерно 40 % используется для синтеза АТФ.
Главное отличие второго этапа обмена веществ и энергии от первого состоит в том, что на втором этапе организм начинает запасать энергию.
Кислородный этап характеризуется окислением продуктов, образовавшихся в процессе гликолиза, до углекислого газа и воды. При этом освобождается большое количество энергии, большая часть которой используется для синтеза АТФ. Этот процесс протекает в митохондриях и называется клеточным дыханием.
Организмы, для жизнедеятельности которых не нужен кислород, называются анаэробными или анаэробами. Энергетический обмен у анаэробных организмов происходит только в два этапа: подготовительный и бескислородный, поэтому полного окисления органических веществ не происходит и, следовательно, энергии организм получает значительно меньше. Исторически анаэробы являются более древними организмами, которые могли существовать на Земле еще в то время, когда в ее атмосфере отсутствовал свободный кислород.