Обмін речовин та перетворення енергії в клітині. Основою будь-яких процесів, що відбуваються в організмі (рух, ріст, розвиток, розмноження) є відповідь на подразник — хімічні реакції перетворення одних хімічних речовин на інші, що супроводжуються накопиченням або виділенням енергії. Власне кажучи, вони є основою життєвих процесів і дозволяють організму рости, розмножуватися, підтримувати сталість своєї організації й відповідати на подразники зовнішнього середовища.

Навіть у найменшій за розмірами клітині щосекунди відбувається тисячі хімічних перетворень. Причому ці перетворення мають протилежну спрямованість: в одних частинах клітини відбувається синтез речовини, наприклад АТФ, а в інших — їх розпад. Проте всі реакції чітко узгоджені та здійснюються під контролем клітини й організму, а тому за обов'язковою участю ферментів. Це дозволяє не лише прискорювати реакції в мільйони разів, причому без підвищення температури та за дуже низьких концентрацій речовин, а й регулювати процеси хімічних перетворень, що відбуваються в клітині.

Сукупність реакцій, які відбуваються у клітинах живих істот, називають обміном речовин, або метаболізмом (від грец. метаболе — зміна, перетворення).

Слід зазначити, що ключові реакції обміну речовин є універсальними для всіх живих істот, однак не лише кожний біологічний вид, а й кожна особина, яка має індивідуальні особливості будови, мають свої власні особливості обміну речовин. Хімічні реакції в клітинах відбуваються послідовно, тобто продукт, що утворився внаслідок однієї реакції, стає матеріалом для іншої і т. д. Цю сукупність реакцій називають метаболічними шляхами які зазвичай розгалужуються та утворюють цілі сітки метаболічних шляхів.

Два напрямки метаболічних процесів. Перший метаболічний шлях — це сукупність реакцій розщеплення органічних речовин до найпростіших неорганічних сполук, таких як вода (Н2O), карбон(ІV) оксид (СO2), амоніак (NH3). Цей процес називають катаболізмом (від грец. катаболе — руйнування), або дисиміляцією (від лат. діссіміляціо — розподібнення), або енергетичним обміном. Усі реакції енергетичного обміну відбуваються з вивільненням енергії, частина якої резервується організмом головним чином у молекулах АТФ, а інша частина вивільняється у вигляді тепла.

Крім того, під час розпаду величезних біологічних молекул з'являються нові речовини, які клітина використовує для утворення потрібних їй речовин.

Другий метаболічний шлях — це хімічні реакції зворотного напрямку, коли з простих речовин утворюються більш складні. Це реакції біологічного синтезу, сукупність яких називають анаболізмом (від грец. анаболе — підняття), або асиміляцією (від лат. ассіміляціо — уподібнення), або пластичним обміном. Реакції пластичного обміну завжди потребують витрат енергії, джерелом якої передусім є АТФ.

Іл. 15.1. Співвідношення між анаболізмом та катаболізмом

Межа між енергетичним та пластичним обміном інколи дуже невизначена, адже, з одного боку, ті ж самі речовини утворюються під час розщеплення величезних макромолекул, а з іншого — беруть участь у біологічному синтезі (іл. 15.1).

Обмін речовин забезпечує властиву живому організму як цілісній системі динамічну рівновагу: між реакціями синтезу й розпаду виникає баланс. Можна сформулювати й так: на певну кількість утворених організмом хімічних сполук припадає відповідна кількість тих, що розклалися.

Етапи метаболізму. Як і будь-який складний процес, обмін речовин краще поділити на кілька етапів. У людини виділяють три основні.

• Перший етап — травлення. Процес передбачає не лише розпад макромолекул за допомогою реакції гідролізу на дрібні складові, а ще й механічну обробку їжі. Кінцевим результатом цього етапу є перетворення їжі на відносно дрібні молекули, які всмоктуються кишечником.

• Другий етап — транспорт речовин кров'ю і подальше їх розкладання на компоненти, які вже здатні проникати всередину клітин, де відбуваються процеси пластичного й енергетичного обміну.

• Третій етап — виділення продуктів обміну із сечею, калом, потом і видихуваним повітрям.

Інтенсивність метаболізму. Число хімічних перетворень за одиницю часу, що відбувається в клітинах організму, називають інтенсивністю метаболізму. Вона залежить від багатьох факторів: маси, віку, розмірів організму (у дрібних ссавців чи птахів швидкість обміну речовин значно вища, ніж у великих за розмірами тварин), температури, освітлення, сонячної радіації, вологості та інших фізичних і хімічних чинників середовища. У людини метаболізм регулюється гормонами, що виробляються залозами внутрішньої секреції, робота яких, у свою чергу, координується нервовою системою.

У різних живих істот процеси хімічних перетворень відбуваються з неоднаковою інтенсивністю. У ссавців та птахів, яким властиві найбільш досконалі системи органів, інтенсивність метаболізму досягає такого високого рівня, що температура їхнього тіла завжди висока та постійна і не залежить від температури навколишнього середовища. Таких тварин називають гомойотермними (від грец. гомос — рівний, однаковий і терме — тепло) (іл. 15.2).

У менш еволюційно просунутих тварин, наприклад риб, земноводних, плазунів температура тіла нестала й змінюється в широких межах залежно від температури навколишнього середовища (іл. 15.3). Таких тварин називають пойкілотермними (від грец. пойкілос — мінливий і терме).

Іл. 15.2. Миша лісова — типова гомойотермна істота

Іл. 15.3. Карась звичайний — пойкілотермна істота

Клітинний гомеостаз. У здоровому організмі існує чіткий баланс між хімічними реакціями, що відбуваються на рівні клітини. Цей стан називають клітинним гомеостазом (від грец. гомоіос — подібний і стасіс — стан). У його основі лежить урівноваженість й узгодженість різноманітних хімічних перетворень, що відбуваються в клітині. Важливою умовою клітинного гомеостазу є стале співвідношення між хімічними реакціями синтезу й розпаду. Ключова роль у перебігу цих реакцій, як і в реакціях обміну, відведена ферментам, які, власне, й визначають, що за речовини та в якій кількості в клітині будуть розкладатися або синтезуватися. Найважливішою особливістю дії ферментів є те, що реакції за їх участю точно вивірені, а тому під час їх перебігу побічні продукти, які могли б згодом накопичитися в клітині та отруїти її, не утворюються.

Практичне значення знань про метаболічні процеси. Кожний, хто вважає себе «людиною розумною», повинен мати хоча б елементарне уявлення про те, які процеси відбуваються в його організмі, особливо, якщо йдеться про такий важливий біологічний процес як метаболізм. Цілком очевидно: щоб бути здоровим і жити довго, потрібно знати, що основою життя є сукупність хімічних реакцій, які протікають за чітко визначеною програмою. Потрібно чітко усвідомлювати, що таке правильне харчування, навіщо й наскільки потрібні організму, наприклад вітаміни. Адже ці речовини є складниками ферментів, а саме ці біомолекули й визначають набір та швидкість хімічних реакцій, що відбуваються в клітині.

Потрібно добре розуміти призначення і склад лікарських засобів, спосіб їх застосування та їх вплив на перебіг хімічних реакцій в окремих органах чи в усьому тілі. Слід пам'ятати, що нормальний метаболізм неможливий без окремих груп корисних бактерій, які живуть в організмі. Загалом, добре налагоджений метаболізм — це і є життя, краса та здоров'я (іл. 15.4).

Іл. 15.4. Налагоджений метаболізм — це життя, краса та здоров’я

Будь-яка хвороба неодмінно призводить до порушення обміну речовин. Інколи на цій особливості організму базуються методи діагностики різноманітних захворювань, які важко визначити іншими способами. Однак не лише хвороби впливають на метаболізм, а й порушення метаболізму впливає на здоров'я. Саме такі розлади в роботі організму викликає певна група спадкових хвороб, спричинених мутаціями, які зупиняють утворення певних ферментів. У результаті в клітинах не лише не відбуваються необхідні хімічні реакції, а навіть накопичуються непотрібні речовини, які згодом стають токсичними й призводять до хвороб.

Трансформація енергії в клітині. Організм — це відкрита система, а тому його функціонування можливе лише завдяки безперервному споживанню енергії. Саме тому будь-яка клітина здатна зберігати свою структуру й виконувати певну роботу лише за умови потрапляння енергії ззовні. Якщо потік енергії припиняється, а власні резерви вичерпуються, клітина втрачає здатність виконувати механічну, електричну та хімічну роботу, а її структура починає руйнуватися. Згодом настає смерть. Рослини як джерело енергії використовують сонячне світло, а тварини отримують енергію з їжею.

У клітині перетворення енергії пов'язані з перетворенням потенційної енергії в кінетичну і навпаки. Потенційна енергія клітини — це та частина енергії, що накопичується у вигляді зв'язків між атомами хімічних сполук: АТФ, вуглеводів, жирів. Кінетична енергія — вивільнення цих запасів у вигляді будь-якої механічної роботи клітини, тепла або енергії, яка необхідна для синтезу органічних речовин. Між надходженням та витратою енергії повинен бути певний баланс. Якщо енергії поступає забагато, то вона переходить у форму потенційної енергії хімічних сполук. Якщо енергії бракує, то організм починає розкладати речовини, призначені для інших функцій. Це може призвести до виснаження.

Сукупність керованих хімічних перетворень у кожній клітині організму називають обміном речовин, або метаболізмом. Реакції розпаду, що супроводжуються вивільненням енергії, називають енергетичним обміном, а реакції синтезу, що потребують енергії, — пластичним обміном. Процеси метаболізму, їх інтенсивність залежать від багатьох чинників: як зовнішніх, так і внутрішніх. Порушення обміну речовин можуть викликати спадкові фактори або нездоровий спосіб життя, а це призводить до розладів у роботі організму та до важких захворювань.