9.3. Метаболизм

Анаболизм и катаболизм – основные процессы метаболизма.

Метаболизм — превращение веществ в организме с момента поступления их в клетки до образования конечных продуктов обмена, т. е. совокупность химических реакций, протекающих в живых клетках и обеспечивающих организм веществами и энергией для его жизнедеятельности, роста, размножения. Попав внутрь клетки, питательное вещество претерпевает ряд химических изменений катализируемых ферментами. Определенная последовательность таких химических изменений называется метаболическим путем, а образующиеся промежуточные продукты — метаболитами.

Различают две стороны обмена веществ - анаболизм и катаболизм. Анаболические процессы направлены на образование и обновление структурных элементов клеток и тканей и заключаются в синтезе сложных молекул из более простых 'Эти процессы восстановительные и сопровождаются затратой свободной химической энергии (эндергонические процессы). Катаболические превращения это расщепление молекул, как поступивших с пищей, так и входящих в состав клетки, до простых компонентов; эти процессы окислительные и сопровождаются выделением свободной энергии (экзергонические процессы). Обе стороны метаболизма тесно взаимосвязаны во времени и пространстве. Выяснение отдельных звеньев процесса обмена веществ и энергии у разных классов растении, животных и микроорганизмов обнаружило принципиальную общность путей биохимических превращений в живой природе.

Катаболические и анаболические пути, в особенности у эукариотических особей отличаются по своей локализации в клетке. В настоящее время благодаря электронно-микроскопическим и гистохимическим исследованиям, а также методу дифференциального центрифугирования достигнуты значительные успехи в определении точной локализации ферментов.

Установлено, что в ядре (точнее, в ядрышке) локализованы РНК-полимеразы, т. е. ферменты, катализирующие образование мРНК. В ядре содержатся ферменты, участвующие в процессе репликации ДНК, и некоторые другие.

С митохондриями связаны ферменты цепи биологического окисления (тканевого дыхания) и окислительного фосфорилирования, а также ферменты пируватдегидрогеназного комплекса, цикла трикарбоновых кислот, синтеза мочевины, окисления жирных кислот и др.

В лизосомах содержатся в основном гидролитические ферменты с оптимумом рН. Именно из-за гидролитической принадлежности ферментов эти частицы названы лизосомами.

В рибосомах локализованы ферменты белкового синтеза, в этих частицах происходят процессы трансляции мРНК и связывание аминокислот в полипептидные цепи с образованием молекул белка.

В эндоплазматической сети сосредоточены ферменты синтеза липидов, а также ферменты, участвующие в реакциях гидроксилирования.

С плазматической мембраной прежде всего связаны АТФаза, транспортирующая ионы Na+ и К+, аденилатциклаза и ряд других ферментов.

В цитозоле (гиалоплазме) локализованы ферменты гликолиза, пентозофосфатного цикла, синтеза жирных кислот и мононуклеотидов, активирования аминокислот, а также многие ферменты глюконеогенеза.

Существующая приуроченность ферментных систем к определенным участкам клетки (компартментализация) обеспечивает как разделение, так и интеграцию внутриклеточных функций, а также соответствующую регуляцию процессов обмена веществ и энергии в клетке.

Мультиферментные системы локализованы в структуре органелл таким образом, что каждый фермент располагается в непосредственной близости от следующего фермента данной последовательности реакций. Благодаря этому сокращается время, необходимое для диффузии промежуточных продуктов реакций, и вся последовательность реакций оказывается строго координированной во времени и пространстве. Это справедливо, например, для ферментов, участвующих в окислении пировиноградной кислоты и жирных кислот, синтезе белка, а также для ферментов переноса электронов в дыхательной цепи и окислительного фосфорилирования. Кроме того, компартментализация обеспечивает возможность протекания в одно и то же время как анаболических, так и катаболических процессов. Так, в клетке одновременно может происходить окисление жирных кислот с длинной цепью до стадии ацетил-КоА и противоположно направленный процесс-синтез жирных кислот из ацетил-КоА. Эти химически несовместимые процессы протекают в разных частях клетки: окисление жирных кислот - в митохондриях, а синтез - в гиалоплазме.