Обмен веществ. Типы обмена

Клетка является единым целым, биологической системой, элементы которой объединены общим обменом веществ и преобразованием энергии. Обмен веществ — это совокупность химических реакций, которые происходят в клетках и необходимы для поддержания жизни. Обмен веществ в клетке можно условно разделить на два этапа — обмен с окружающей средой и внутренний обмен, или метаболизм (рис. 14.1). Растения, например, во время обмена веществ с окружающей средой поглощают воду, углекислый газ, минеральные вещества, а выделяют кислород, воду и другие вещества.

Метаболизм можно определить как закономерный порядок превращения веществ и энергии в клетке, направленный на ее рост, жизнедеятельность и самовоспроизведение. Метаболизм любой клетки состоит из двух типов обмена или взаимосвязанных комплексов реакций. Это реакции пластического (анаболизм) и энергетического (катаболизм) обмена.

Рис. 14.1. Схема обмена веществ и энергии в живых организмах

Особенности пластического и энергетического обмена

Основные этапы энергетического обмена

Расщепление органических веществ в ходе энергетического обмена происходит в несколько этапов. Оно может начинаться еще за пределами организма, как, например, у пауков, для которых характерно внешнее пищеварение. Но основные процессы катаболизма происходят в клетках.

Особенности отдельных этапов энергетического обмена

Рис. 14.2. Схема гликолиза

Гликолиз и его значение

Гликолиз — это биохимический процесс, который происходит во всех клетках организма и является одним из источников АТФ для клетки. Кроме того, в процессе гликолиза образуются соединения, которые используются в последующих процессах клеточного дыхания.

Процесс гликолиза включает 10 биохимических реакций. В результате этих реакций образуются две молекулы пирувата (пировиноградной кислоты C3H4O3). Кроме того, в процессе гликолиза расходуется две и синтезируется четыре молекулы АТФ. Соответственно, из каждой молекулы глюкозы клетка получает две молекулы пирувата и две молекулы АТФ (рис. 14.2).

Гликолиз не является энергетически очень выгодным процессом: две молекулы АТФ — это не очень много. Однако этот процесс простой, надежный и очень быстрый! Он возник еще на ранних стадиях жизни и сейчас является одним из основных метаболических процессов у всех живых организмов.

Большим преимуществом гликолиза является то, что для него не нужен кислород. Именно поэтому мышцы человека могут работать даже при недостатке кислорода во время больших физических нагрузок. Необходимую энергию они получают благодаря гликолизу.

Брожение

Брожение — это процесс окисления углеводов, который происходит без участия кислорода и позволяет клеткам получать энергию в виде молекул АТФ. Первым этапом брожения является гликолиз. А на следующем этапе, в зависимости от типа брожения, из продукта гликолиза (пирувата) образуются спирт, молочная и лимонная кислоты или другие соединения.

Рис. 14.3. Типы брожения

Исходя от того, какие вещества образуются, выделяют несколько разновидностей брожения (рис. 14.3). Спиртовое брожение характеризуется образованием молекул этилового спирта, воды и углекислого газа. При молочнокислом брожении продуктом является молочная кислота, а при уксуснокислом — уксусная кислота.

Значение процессов брожения

Брожение занимает чрезвычайно важное место среди природных процессов. В живой природе именно брожение обеспечивает энергией те организмы, которые живут в бескислородных условиях. И это не только микробы: для многих паразитов эта проблема также актуальна. А выделение углекислого газа и метана некоторыми организмами в результате процессов брожения вообще может грозить последствиями для всей планеты. Эти соединения относятся к парниковым газам, и повышение их концентрации в атмосфере может привести к глобальному потеплению на планете.

Человек использует брожение для получения многих пищевых продуктов: хлеба, кефира, ряженки, йогурта. Брожение происходит и в организме человека. Например, при больших нагрузках в клетках вследствие брожения образуется молочная кислота, накопление которой приводит к боли в мышцах после физических упражнений.

Обмен веществ является характерной чертой всех живых организмов. Обмен веществ внутри организмов называют метаболизмом. Различают два основных типа обмена — энергетический (катаболизм) и пластический (анаболизм). В реакциях катаболизма энергия выделяется, в реакциях анаболизма — расходуется. Важными элементами катаболизма являются процессы гликолиза и брожения.