Энергетический и пластический обмен веществ. Взаимосвязь, как происходит, сравнение

Обмен веществ или метаболизм — неотъемлемый процесс в организме всех живых существ, без чего их существование было бы невозможным. Химический процесс, благодаря которому клетки активно размножаются и функционируют, делится на два совершенно разных типа: пластический и энергетический.

Несмотря на свои различия, оба процесса тесно связаны между собой, что обеспечивает гармоничное распределение.

Понятие метаболизма

Метаболизм или обмен веществ является совокупностью всех биохимических реакций, происходящих на клеточном уровне. Без него невозможно существование любых живых существ. Уникальной особенностью живого организма является способность извлечения физической энергии из окружающей среды, после чего — использование ее для выполнения таких действий, как рост, развитие и размножение.

Обмен веществ характеризуется наличием ферментативных химических реакций, которые постоянно образуются в живом организме. Это позволяет извлекать из окружающей среды нужную синтезированную энергию. На клеточном уровне, все биохимические процессы похожи между собой, что характерно для животных, растений или грибов.

Некоторые бактерии и вирусы также подвержены молекулярному влиянию. Сотни скоординированных многоэтапных элементов, получаемых из питательных веществ или солнечной энергии, преобразуются в легкодоступные молекулы, нужные для роста и существования.

Биохимические компоненты делятся на следующие группы:

• углеводы;
• гормоны;
• липиды;
• витамины;
• жиры;
• минералы;
• белки.

Все живое состоит из сложных органических веществ или белков, которые поддерживают правильный рост на клеточном уровне, одновременно выполняя хранение и молекулярную транспортировку. Также они могут использоваться в качестве основных катализаторов, благодаря которым химические реакции протекают одинаково быстро при высокой температуре, относительно низкой концентрации и нейтральных условиях.

Различные катализированные ферменты объединяются в более сложные структурные последовательности, где продукт одной цепи становится субстратным элементом следующей. Эта особенность называется метаболическими путями, которые в свою очередь соединяются между собой, образуя сложные биологические сети.

Составные части метаболизма

Обмен веществ является совокупностью любых биохимических реакций, направленных на рост, размножение, лечение и многих других необходимых процессов.

Ферментативные реакции, которые напрямую связаны с преобразованием полезных веществ, делятся на 2 разных метаболистических обмена: энергетический (катаболизм) и пластический (анаболизм). В здоровом и правильно функционирующем организме, процессы катаболизма и анаболизма находятся в строго сбалансированном виде, что позволяет равномерно распределять энергию.

Энергетический обмен

Энергетический и пластический обмен веществ хоть и тесно взаимосвязаны между собой, имеют кардинальные различия.

Несмотря на это, один функциональный вид без другого попросту не сможет существовать. Энергетический обмен или катаболизм происходит в тканях организма до тех пор, пока нужные питательные элементы не превратятся в молекулы углекислого газа, воду или же другие, менее сложные химические соединения.

Основным катаболическим процессом является пищеварение, при котором питательные вещества попадают в организм и расщепляются на более простые компоненты. Внутри клеток, подобные процессы расщепляют полисахариды: крахмал, гликоген и целлюлозу на моносахариды: глюкозу, рибозу и фруктозу. Это позволяет получать необходимое количество энергии.

С целью использования в анаболическом синтезе новых соединений или для переработки старых, белки распадаются на аминокислоты. Нуклеиновые кислоты, содержащиеся в РНК и ДНК, катаболизируются в нуклеотиды как часть энергетических потребностей.

Основные гормональные структуры, регулирующие энергетический обмен в организме человека:

• Адреналин. Вырабатываемый надпочечниками гормон, повышающий общий уровень метаболизма. Это ключевой компонент, необходимый для приспособления к стрессовым ситуациям, который ускоряет сердцебиение и открывает бронхиолы в легких для лучшего поглощения кислорода.
• Кортизол. Аналогичным образом вырабатывается в надпочечниках. Производится во время беспокойства, нервозности или при длительных дискомфортных ощущениях. Повышает давление, уровень сахара в крови, а также подавляет иммунные процессы.
• Глюкагон. Вырабатываемый альфа-клетками поджелудочной железы, глюкагон стимулирует расщепление вещества гликогена в глюкозу. Накапливается в печени, и когда организму требуется больше энергии (физические упражнения, борьба, стресс), гормон стимулирует печень к катаболизму необходимых элементов, которые поступают в кровь в виде глюкозы.
• Цитокины. Небольшой белок, который регулирует взаимодействие между клетками. Этот тип гормонов постоянно вырабатывается и разрушается в организме, где их аминокислоты либо повторно используются, либо перерабатываются для других реакций. Примерами цитокинов являются интерлейкины и лимфокины, — часто выделяющиеся элементы при иммунном ответе организма на инвазию: бактерии, опухоли или травмы.

Энергетический обмен схож с горением, так как при нем выделяются аналогичные химические вещества. Несмотря на это, между ними существует одно немаловажное отличие — при катаболизме используемый потенциал не преобразуется в тепловую энергию, а переходит в запасы для будущего применения.

Распад биохимических элементов для получения организмом дополнительной энергии — процесс достаточно сложный.

Катаболизм характеризуется сразу несколькими этапами:

1. Подготовительный.
2. Гликолиз (бескислородный).
3. Клеточное дыхание (аэробное).

Каждый из этапов играет особо важную роль в обмене веществ.

Подготовительный этап

Подготовительная стадия — единственный этап обмена веществ, который протекает в стенках желудочно-кишечного тракта. Процесс характеризуется распадом сложных органических и химических соединений на более простые, что возможно благодаря воздействию пищеварительных ферментов.

Иерархическая модель распада на подготовительной стадии:

• обмен белков на аминокислотные соединения;
• преобразование жиров на глицерин, азотную и жирную кислоты;
• распад соединений крахмала на глюкозу.

Вместе с описанными процессами диссимиляции, в человеческом организме происходит небольшое образование тепловой энергии. Дальнейшие реакции являются клеточно-молекулярными.

Гликолиз

Гликолиз — это метаболический процесс энергетического обмена, который происходит во время анаэробного дыхания живых организмов внутри цитоплазмы. Характеризуется последовательностью из десяти катализируемых ферментов биохимических реакций, в ходе которых глюкоза расщепляется на две молекулы пирувата.

Процесс гликолиза предполагает потребление энергии для дальнейшего превращения одной молекулы глюкозы в две молекулы трехуглеродного фосфата сахара, — глицеральдегид-3-фосфат.

Многие метаболические пути полностью зависят от гликолиза:

• синтез гликогена;
• цикл лимонной кислоты.
• синтез жирных кислот;
• пентозофосфатный путь;
• синтез холестерина.

https://www.youtube.com/watch?v=M1QOYJrSQG4

Обмен при помощи анаэробного дыхания является универсальным для организмов любого типа. Так как его использование возможно даже в бактериях, он нашел свое применение в пищевой промышленности. Молочная кислота, этиловый спирт и многие другие продукты производятся гликолизом.

Аэробное дыхание

Аэробное дыхание или клеточное расщепление — это набор метаболических процессов, которые происходят в клетках для преобразования биохимической энергии из питательных веществ аденозинтрифосфата в продукты жизнедеятельности. Обменная реакция при этом невозможна без кислорода.

Процессы, вовлеченные в дыхание, являются катаболическими реакциями, которые разбивают большие молекулы на мелкие, высвобождая дополнительное количество энергии.

Клеточное расщепление считается экзотермической окислительно-восстановительной реакцией. Этап окисления на фазе аэробного дыхания является наиболее значимым в энергетическом обмене, поскольку производимая реакция обеспечивает клетку необходимым количеством аденозинтрифосфатной кислоты.

Пластический обмен

Энергетический и пластический обмен веществ используют различные методы работы с энергией. Так, при пластических процессах (также называемых анаболизмом и биосинтезом) используются простые молекулы для создания более сложных химических соединений или конечных продуктов.

Именно они будут учувствовать в поддержании роста, лечения, размножения или приспособления к изменениям окружающей среды. На клеточном уровне для образования полимеров, анаболические процессы используют более простые мономеры, что приводит к созданию сложных молекулярных структур. К примеру, аминокислоты могут синтезироваться в белковые элементы.

Гормоны, регулирующие пластический обмен в организме человека:

• Эстроген. Присутствует как у мужчин, так и у женщин. В основном производится в яичниках и надпочечниках. Играет большую роль в укреплении костной массы, регулирует некоторые женские половые признаки и (рост груди и бедер) налаживает менструальный цикл.
• Тестостерон. Основной мужской половой гормон, который так же присутствует у женщин. Вырабатывается из клеток холестерина в яичниках и семенниках. Характеризуется регуляцией мужских половых особенностей (волосы на лице, грубый голос), укрепляет кости, помогает наращивать и поддерживать мышечную массу. Уровень тестостерона способен влиять на настроение и распределение жировых клеток.
• Инсулин. Вырабатывается в поджелудочной железе бета-клетками, что способствует корректировке уровню лейкоцитов. Без этого гормона, организм не сможет использовать глюкозу, — основной источник энергии. Нарушения выработки инсулина могут привести к развитию сахарного диабета.
• Гормон роста. Производится в тканях гипофиза. Стимулирует и регулирует рост в раннем и подростковом возрасте. По окончанию созревания играет большую роль в естественном восстановлении костной массы.

Помимо особого воздействия на человека, пластический обмен также влияет на многие другие организмы. Основные процессы анаболизма включают в себя фотосинтез, хемосинтез и биосинтез — важные элементы существования всей биосферы Земли.

Фотосинтез

Фотосинтез — особо важный процесс для существования всех живых организмов на Земле. Характеризуется преобразованием  световой энергии в биохимическую, что приводит к дальнейшему высвобождению в виде сложных молекулярных структур, необходимых для жизнедеятельности.

Основной продукт фотосинтеза — кислород, который преобразуется из молекул воды и углекислого газа, что приводит к образованию глюкозы, вместе с которым выводится кислород. Пластический процесс возможен только под прямым воздействием света, выработанным солнечной энергией.

Хоть и фотосинтез выполняется у каждого вида по-разному, процесс всегда начинается с поглощения энергии света белковыми реакционными центрами, которые содержат зеленые пигменты хлорофилла. Подобные белки находятся внутри хлоропласт, что наиболее распространено в клетках листьев, тогда как у бактерий они внедряются в плазматическую мембрану.

Некоторая энергия в светозависимых реакциях используется для удаления веществ, таких как вода, газообразный кислород и другие. Водород, высвобождаемый в результате расщепления воды, используется для создания еще двух соединений, которые служат кратковременным накопителем энергии, позволяя передавать ее для будущих биохимических процессов.

Хемосинтез

Процесс хемосинтеза протекает у большинства микроорганизмов, которые способны к одновременному преобразованию биологических соединений неорганического типа в органические.

К таковым относятся бактерии следующих видов:

• серобактерии;
• водородные;
• железобактерии;
• нитрифицирующие или аэробные.

Получение энергии хемосинтеза происходит за счет окислительной реакции неорганических соединений: марганцовка, железо, сера, аммиак и другие. Окисление протекает без наличия молекул кислорода. Наиболее значимым элементом является диоксид углерод, при помощи которого синтезируются важные органические соединения.

Белковый биосинтез

Белковый биосинтез — сложный молекулярный процесс, с использованием которого поступающие в организм клетки распадаются на отдельные части, а затем синтезируются белковые структуры. Преобразование происходит в два этапа: транскрипция и трансляция.

Первая стадия транскрипции характеризуется копированием генетической информации с ДНК на иРНК. Поскольку бимолекулярная комплементарность или соответствие между молекулами и ферментами при считывании со всего кода ведет к дегенеративности, данные используются лишь с одного генетического участка.

В результате чего, аморфно-кристалические вещества полностью воспроизводят небольшую часть ДНК с разницей в эквивалентности компонента урацила к тимину. Трансляция отличается от транскрипции переносом синтезированной информации кода на уже строящийся белковый полипептид, структура которого указывается из имеющихся свойств в скопированном участке.

Весь процесс протекает на немембранных органеллах рибосомах, которые располагаются в цитоплазматическом содержимом клетки.

Этап переноса информации характеризуется несколькими этапами:

1. Активация аминокислотного соединения с аминоациладенилатом при помощи аденозинтрифосфатов (АТФ) и ферментативных молекул.
2. Выделение аденозинтрифосфорной кислоты, при которой аминокислота связывается с переносимой РНК.
3. Молекулярный комплекс, образованный и скопированный на этапе транскрипции объединяется с немембранной рибосомой.
4. Необходимые аминокислотные соединения заменяются в структуре пептида, что характеризуется одновременным высвобождением цепи тРНК.

На первой стадии белкового синтеза могут активироваться сразу 20 различных протеиногенных аминокислот. Все они этерифицированы специфической для них тРНК. Этот процесс происходит в цитоплазме с помощью аминоацил-тРНК-синтетазы. Энергия высвобождения обеспечивается потреблением аденозинтрифосфатов.

На последнем этапе синтеза белка полипептидная цепь заканчивается сигналами терминации (три специальных стоп-кодона) в структуре мРНК, что приводит к ее отделению от рибосомы.

Высвобождение полипептидных молекул тРНК инициируется специфическим белковым фактором, который присоединяется к рибосоме и гидролитически расщепляет эфирную связь между полипептидом и цепью. Все поступающие биохимические вещества распределяются по живому организму таким образом, чтобы приносить ему как можно больше пользы.

Сравнение фотосинтеза и дыхания эукариот

Энергетический и пластический обмен веществ характеризуются отдельными этапами, которые совершенно разные по функциональному воздействию. Так, главное различие между фотосинтезом и дыханием состоит в том, что первый происходит только у растений и некоторых бактерий, тогда как дыхание — у всех живых организмов.

Другие различия между дыханием эукариот и фотосинтезом представлены в следующей таблице:

Характеристика	Фотосинтез	Дыхание
Потребляемые для реакции вещества	Углекислый газ; в некоторых случаях возможно применение воды	Кислород или органические элементы; свет
Место протекания	Растительные хлоропласты	Митохондрии и гиалоплазма (при неполном типе окисления)
Взаимодействие с солнечной энергией	Наличие света является обязательным; преобразование солнечной энергии в биохимическое свойство	Может происходить как при свете, так и без него; превращение поступательной энергии в процесс макроэргических молекул аденозинтрифосфата
Важные стадии	Восстановительный пентозофосфатный цикл	Гликолиз, клеточное дыхание

Важное отличие состоит в функциональной продолжительности каждого процесса. Если фотосинтез происходит в течение дня только потому, что он зависит от света, то дыхание — это непрерывная функция, без которой практически любой живой организм попросту не может существовать.

Фотосинтез преобразует лучистую или световую энергию в химические или органические элементы, включая кислород. Дыхание же высвобождает биологическую потенциальную энергию для некоторых других функций организма.

Взаимосвязь энергетического и пластического обмена

Энергетический и пластический обмен веществ хоть происходят практически одновременно, их скорости контролируются независимо друг от друга. При этом анаболизм обеспечивает клеточную структуру необходимыми органическими элементами (углеводы, кислоты) и ферментативными белковыми структурами для возможности энергетического обмена.

Тогда как катаболизм снабжает клетку энергией. Различные пути позволяют клетке контролировать анаболические и катаболические реакции независимо друг от друга. Более того, некоторые противоположные метаболические пути встречаются в разных частях одной и той же клетки. К примеру, в печени жирные кислоты расщепляются до ацетил-КоА внутри митохондрий, а при синтезе из ацетил-КоА — в цитоплазме.

И катаболизм, и анаболизм имеют важную общую последовательность реакций, известные под циклом лимонной кислоты или Кребса, который является частью большей серии ферментативных реакций, — окислительное фосфорилирование.

Здесь глюкоза расщепляется для высвобождения энергии и сохраняется в форме АТФ (катаболизм), в то время как другие молекулы используются в качестве предшественников для анаболических реакций, которые образуют белки, жиры и углеводы (анаболизм).

Клетки регулируют скорость катаболических путей с помощью аллостерических ферментов, активность которых увеличивается или уменьшается в качестве ответной реакции на присутствие или отсутствие конечного продукта цикла. Например, во время реакции Кребса, активность цитратсинтазы замедляется из-за накопления сукцинил-КоА, — продукта, образовавшегося позднее.

Обмен веществ или метаболизм — это наиболее важный процесс жизнедеятельности всех живых существ. Его гармоничное распределение при помощи двух этапов: энергетического и пластического поддерживает основные функции организма, без которых существование было бы невозможным.

Видео об обмене веществ

Как восстановить обмен веществ в организме:

https://youtu.be/Ka54wbTQuV8