Анаболизм и катаболизм — энергетический обмен и взаимосвязь процессов в организме

Понятие об обмене веществ

Метаболизмом можно обозначить как набор биохимических процессов, осуществляющихся в любом живом организме, включая тело человека. Обмен веществ нужен для обеспечения жизнедеятельности органов и систем, причем эти химические реакции позволяют нам расти, адаптироваться к условиям внешней среды, заживлять раны, размножаться, пр. Обменные процессы делятся на два вида:

• ассимиляция (конструктивные процессы или анаболизм);
• диссимиляция (разрушительные процессы или катаболизм).

Ферментация

Основная статья: Ферментация (биохимия)

Даже если кислород отсутствует, гликолиз может продолжать генерировать АТФ. Однако, чтобы гликолиз продолжал производить АТФ, должен присутствовать НАД +, который отвечает за окисление глюкозы. Это достигается путем рециркуляции NADH обратно в NAD +. Когда НАД + восстанавливается до НАДН, электроны НАДН в конечном итоге переносятся на отдельную органическую молекулу, превращая НАДН обратно в НАД +. Этот процесс пополнения запаса НАД + называется брожением и делится на две категории.[3]

Спиртовое брожение

При спиртовой ферментации, когда молекула глюкозы окисляется, этиловый спирт (этиловый спирт) и углекислый газ находятся побочные продукты. В органическая молекула за возобновление поступления НАД + в этом типе ферментации отвечает пируват от гликолиза. Каждый пируват высвобождает молекулу углекислого газа, превращаясь в ацетальдегид. Затем ацетальдегид восстанавливается НАДН, образующимся при гликолизе, с образованием спиртовых отходов, этанола, и с образованием НАД +, тем самым пополняя его запасы для гликолиза, чтобы продолжить производство АТФ.[3]

Молочная ферментация

В молочнокислое брожениекаждая молекула пирувата напрямую восстанавливается НАДН. Единственным побочным продуктом этого типа ферментации является лактат. Брожение молочной кислоты используется человеком мышечные клетки как средство выработки АТФ во время напряженных упражнение где потребление кислорода выше, чем подаваемый кислород. По мере развития этого процесса избыток лактата попадает в печень, который превращает его обратно в пируват.[3]

Что такое анаболизм

Пластический обмен возможен лишь при условии наличия достаточного количества энергии. Анаболизм – это процесс образования новых клеток, структур, тканей, органических веществ в организме. Создание частиц сопровождается поглощением энергии, при этом все процессы происходят в состоянии покоя и стимулируются анаболическими гормонами (стероидами, инсулином, гормоном роста, пр.) Анаболизм способствует:

• росту/развитию мышц;
• минерализации костей;
• восстановлению тканей, клеток.

Стадии энергетического обмена

Несмотря на сложность реакций обмена энергии, он разделяется на три фазы:

1. подготовительная,
2. анаэробная (без кислорода),
3. аэробная (кислород).

На подготовительном этапе происходит разложение молекул гликанов, липидов, белков, нуклеиновых кислот на более простые, к примеру, на глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды. Эта фаза может осуществляться непосредственно в клетках или в кишечнике, откуда эти вещества переносятся кровотоком.

В анаэробной фазе энергетического катаболизма в дальнейшем происходит расщепление мономеров органических соединений до более простых промежуточных соединений, к примеру, пировиноградной кислоты или пирувата. Он не нуждается в присутствии кислорода, и для организмов, живущих в болотном иле, это единственный способ получить энергию. Анаэробная фаза энергетического обмена проходит в цитоплазме.

Некоторые вещества подвергаются бескислородному расщеплению, при этом глюкоза, чаще всего, остается основным субстратом реакций. Процесс его свободного от кислорода распада принято называть гликолизом. Вследствие гликолиза, молекула глюкозы теряет четыре атома водорода, то есть она окисляется, и образуются две молекулы пировиноградной кислоты, две молекулы АТФ и две молекулы переносчика водорода, восстановленного НАДH + H +:

С6Н12О6+2Н3РО4+2АДФ+2НАД

→
2С3Н4О3+2АТФ+2НАДН+Н++2Н2О.
Образование АТФ из АДФ осуществляется за счет прямого переноса фосфат-аниона из предварительно фосфорилированного сахара и называется субстратным фосфорилированием.

Аэробная фаза энергетического катаболизма может происходить только в присутствии кислорода, тогда как промежуточные продукты, образующиеся при бескислородном разложении, окисляются до конечных продуктов (углекислого газа и воды), и большая часть энергии, хранящейся в химических связях органических соединений, высвобождается. В молекулу АТФ входит 36 макроэргических связей. Эта стадия имеет такое название, как тканевое дыхание. Когда кислород отсутствует, происходит преобразование промежуточных продуктов обмена веществ в определённые органические вещества, данный процесс принято называть ферментацией или брожением.

Что такое катаболизм

Этапы данного процесса осуществляются с образованием энергии (при этом синтез АТФ происходит в ЦПЭ – цепи переноса электронов). Катаболизм – это энергообмен, противоположный анаболизму, который характеризуется расщеплением тканей, структур органов, сложных веществ до простых элементов. Важнейшей задачей процесса является обеспечение организма необходимой энергией и дальнейшее использование ее для нужд тела. Катаболизм вызывают:

• стресс;
• голодание;
• физическая нагрузка, другие факторы, которые сопровождаются выработкой адреналина.

Как замедлить?

Рассматривая специфические и общие пути катаболизма, можно сделать вывод о том, что остановить катаболизм невозможно. В то же время, можно поискать пути его замедления.

Скорость катаболизма напрямую связана со скоростью обмена веществ. Несмотря на тот факт, что люди думают, что медленный обмен веществ приводит к набору веса и приводит к катаболизму – это не совсем верно. Поэтому, если ваша цель замедлить катаболизм, есть 3 основных пути:

1. Увеличить время анаболических процессов.
2. Уменьшить стресс для организма.
3. Замедлить обмен веществ.

Для увеличения анаболических процессов, нужно постоянно подпитывать организм энергией и строителями.

Именно поэтому опытные бодибилдеры питаются по 5-8 раз в день, строго в определенное время.

Для увеличения времени анаболических процессов нужно есть трудноперевариваемую пищу (сложные углеводы, обильно снабженные клетчаткой), и употреблять не менее 2-х грамм белка на килограмм чистой массы.

Уменьшение стрессовых ситуаций для организма достичь проще. Не двигайтесь, спите и ощущайте радостные эмоции. Этому может помочь выходной/отпуск/перерыв между тренировками. 8 часовой сон, и плитка черного горького шоколада.

Замедление обмена веществ достичь предельно просто – нужно просто создать ситуацию, при которой обменные процессы предельно замедлятся. Хороший способ – много спать. Плохой способ – перестать есть.

Взаимосвязь анаболизма и катаболизма

Оба процесса взаимосвязанные и одинаково важные для человека, они лежат в основе метаболизма. При этом энергетический обмен служит основой любой биохимии, происходящей в теле. Каждый процесс жизнедеятельности будет неосуществимым без метаболизма: благодаря трансформации энергии и веществ в организме клетки могут расти, сохранять свою структуру и развиваться, создавая сложные структуры.

Взаимосвязь анаболизма и катаболизма неоспорима, хотя два процесса являются кардинально противоположными друг другу. Вследствие катаболических реакций вырабатывается энергия и вещества, которые необходимы для осуществления анаболического процесса. При этом анаболизм обеспечивает выработку ферментов и прочих продуктов, нужных для катаболизма. К примеру, человеческий организм может самостоятельно восполнить нехватку четырнадцати аминокислот (составляющих компонентов белков). Дисбаланс метаболических процессов способен повлечь гибель всего организма.

Какая связь между сном и анаболизмом?

Сон – сложный нейрофизиологический процесс. Есть множество эффектов, которые сон оказывает на состояние человека, однако они не выступают предметами рассмотрения этой статьи. Здесь мы рассмотрим только ассоциацию процесса анаболизма и сна.

Ночью, кода мозг погружен в сон, тело работает «экономнее»- уряжается пульс, частота сердечных сокращений. Ночь – царство Вагуса или блуждающего нерва – той части нервной системы, которая относится к парасимпатической. А значит, процессы переваривания и усвоения пищи в пределах тонкой кишки проходят эффективнее. Для анаболизма это плюс. Помимо этого, усиливаются воспалительные процессы – они протекают интенсивнее. А значит, мы быстрее приходим к третьей, желанной фазе воспалительного процесса.

Процесс анаболизма обусловлен не только половыми гормонами. Соматотропин, он же гормон роста, играет в этом процессе далеко не последнюю роль. А время, когда он выделяется в наибольшем количестве – это ночь.

Вывод: сон весьма позитивно влияет на процесс анаболизма.

© edesignua — depositphotos.com. Циркадные ритмы

Что происходит в процессе катаболизма

С помощью энергообмена организм получает энергию за счет разрушения биологических материалов. В ходе катаболизма происходит процесс распада крупных комплексов молекул на более мелкие, при этом происходит выработка энергии, которая нужна для здорового функционирования органов и систем. Благодаря катаболизму организм получает силы для любой физической активности – от уровня клеток, до движения всего тела. Во время катаболических реакций происходит расщепление крупных полимеров до простых мономеров – строительных единиц, из которых они формируются. Пример катаболизма:

1. Происходит нарушение целостности нуклеиновых кислот, отвечающих за передачу генетической информации, вследствие чего они распадаются на нуклеотиды. Нуклеиновые кислоты разделяются на пентозу, пурины, пиримидины.
2. Из полисахаридов в процессе катаболизма получаются моносахариды. Вещества (сложные углеводы) типа целлюлозы, крахмала или гликогена относятся к группе полисахаридов. Если их разрушить, организм получит простые или быстрые углеводы – рибозу, глюкозу, фруктозу (группа веществ называется моносахаридами).
3. При распаде протеинов выходят аминокислоты. Эти вещества, сформированные вследствие катаболизма, могут повторно использовать при анаболических реакциях, превращаться в иные химические соединения или участвовать в синтезе других аминокислот. Иногда белки распадаются на аминокислоты, необходимые для синтеза глюкозы, попадающей в кровь.

Этапы катаболизма

Данный процесс нужен, чтобы организм получал энергию в достаточном количестве. Любые вещества, перерабатываемые в теле человека, являются источниками АТФ – специальных молекул, необходимых для накопления энергии. Количество аденозинтрифосфата ограничено, поэтому его следует постоянно пополнять и сделать это можно лишь посредством катаболизма. Энергообмен осуществляется в несколько стадий. Этапы катаболизма:

• углеводы, белки, жиры распадаются до простых молекул в ЖКТ, вне клетки;
• молекулы попадают внутрь клетки, в результате чего начинается накопление энергии (бескислородный этап);
• завершаются катаболические процессы образованием углекислого газа, большого количества энергии и воды.

Обмен веществ и энергии в клетке. Фотосинтез, хемосинтез. Процесс ассимиляции (основные реакции).

В клетке постоянно происходит обмен веществ и энергии с окружающей средой. Обмен веществ (метаболизм)

— основное свойство живых организмов. На клеточном уровне метаболизм включает два процесса: ассимиляцию (анаболизм) и диссимиляцию (катаболизм). Эти процессы происходят в клетке одновременно.

Ассимиляция (пластический обмен) — совокупность реакций биологического синтеза. Из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества, характерные для данной клетки. Синтез веществ в клетке происходит с использованием энергии, заключенной в молекулах АТФ.

Диссимиляция (энергетический обмен) — совокупность реакций расщепления веществ. При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза.

По типу ассимиляции организмы могут быть автотрофными, гетеротрофными и миксотрофными.

Фотосинтез и хемосинтез — две формы пластического обмена. Фотосинтез— процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов.

Хемосинтез — способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ из CO2 служат реакции окисления неорганических соединений

Обычно все организмы, способные из неорганических веществ синтезировать органические, т.е. организмы, способные к фотосинтезу и хемосинтезу, относят к автотрофам. К автотрофам традиционно относят растения и некоторые микроорганизмы.

Основное вещество, участвующее в многоступенчатом процессе фотосинтеза —хлорофилл. Именно оно трансформирует солнечную энергию в химическую.

Световая фаза фотосинтеза:

(осуществляется на мембранах тилакойдов)

Свет, попав на молекулу хлорофилла, поглощается им и приводит его в возбужденное состояние — электрон, входящий в состав молекулы, поглотив энергию света, переходит на более высокий энергетический уровень и участвует в процессах синтеза;

Под действием света так же происходит расщепление (фотолиз) воды: протоны ( с помощью электронов) превращаются в атомы водорода и расходуются на синтез углеводов;

синтезируется АТФ (энергия)

Темновая фаза фотосинтеза(протекает в стромах хлоропластов)

собственно синтез глюкозы и выделение кислорода

Обратите внимание: темновой эта фаза называется не потому что идет ночью — синтез глюкозы происходит, в общем-то, круглосуточно, но для темновой фазы уже не нужна световая энергия.

20. Обмен веществ в клетке. Процесс диссимиляции. Основные этапы энергетического обмена.

Во всех клетках живых организмов непрерывно идут процессы обмена веществ и энергии — это метаболизм.Если рассмотреть этот процесс более детально, то это постоянные процессы образования и распада веществ и поглощения и выделения энергии.

Обмен веществ в клетке:

Процесс синтеза веществ = пластический обмен = ассимиляция = анаболизм

Чтобы что-то построить, надо затратить энергию — этот процесс идет с поглощением энергии.

Процесс расщепления = энергетический обмен= диссимиляция=катаболизм

Это процесс, при котором сложные вещества разлагаются на простые, энергия при этом выделяется.

В основном, это реакции окисления, происходят они в митохондриях, самый простой пример —дыхание. При дыхании сложные органические вещества расщепляются до простых, выделяется углекислый газ и энергия. Вообще, эти два процесса взаимосвязаны и переходят один в другой. Суммарно уравнение метаболизма — обмена веществ в клетке — можно записать так: катаболизм + анаболизм = обмен веществ в клетке = метаболизм.

В клетке постоянно идут процессы созидания. Из простых веществ образуются более сложные, из низкомолекулярных — высокомолекулярные. Синтезируются белки, сложные углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты. Синтезированные вещества используются для построения разных частей клетки, ее органоидов, секретов, ферментов, запасных веществ. Синтетические реакции особенно интенсивно идут в растущей клетке, постоянно происходит синтез веществ для замены молекул, израсходованных или разрушенных при повреждении. На место каждой разрушенной молекулы белка или какого-нибудь другого вещества встает новая молекула. Таким путем клетка сохраняет постоянными свою форму и химический состав, несмотря на непрерывное их изменение в процессе жизнедеятельности.

Синтез веществ, идущий в клетке, называют биологическим синтезом или сокращенно биосинтезом. Все реакции биосинтеза идут с поглощением энергии. Совокупность реакций биосинтеза называют пластическим обменом или ассимиляцией (лат. «симилис» — сходный). Смысл этого процесса состоит в том, что поступающие в клетку из внешней среды пищевые вещества, резко отличающиеся от вещества клетки, в результате химических превращений становятся веществами клетки.

Реакции расщепления. Сложные вещества распадаются на более простые, высокомолекулярные — на низкомолекулярные. Белки распадаются на аминокислоты, крахмал — на глюкозу. Эти вещества расщепляются на еще более низкомолекулярные соединения, и в конце концов образуется совсем простые, бедные энергией вещества — СО2 и Н2О. Реакции расщепления в большинстве случаев сопровождаются выделением энергии.

Биологическое значение этих реакций состоит в обеспечении клетки энергией. Любая форма активности — движение, секреция, биосинтез и др. — нуждается в затрате энергии. Совокупность реакции расщепления называют энергетическим обменом клетки или диссимиляцией. Диссимиляция прямо противоположна ассимиляции: в результате расщепления вещества утрачивают сходство с веществами клетки.

Пластический и энергетический обмены (ассимиляция и диссимиляция) находятся между собой в неразрывной связи. С одной стороны, реакции биосинтеза нуждаются в затрате энергии, которая черпается из реакций расщепления. С другой стороны, для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный биосинтез, обслуживающих эти реакции ферментов, так как в процессе работы они изнашиваются и разрушаются. Сложные системы реакций, составляющие процесс пластического и энергетического обменов, тесно связаны не только между собой, но и с внешней средой.

Из внешней среды в клетку поступают пищевые вещества, которые служат материалом для реакций пластического обмена, а в реакциях расщепления из них освобождается энергия, необходимая для функционирования клетки. Во внешнюю среду выделяются вещества, которые клеткой больше не могут быть использованы.Совокупность всех ферментативных реакций клетки, т. е. совокупность пластического и энергетического обменов (ассимиляции и диссимиляции), связанных между собой и с внешней средой, называют обменом веществ и энергии.Этот процесс является основным условием поддержания жизни клетки, источником ее роста, развития и функционирования.

Энергетический обмен.Для жизнедеятельности организма необходима энергия. Растения аккумулируют солнечную энергию в органических веществах при фотосинтезе. В процессе энергетического обмена органические вещества расщепляются и энергия химических связей освобождается. Частично она рассеивается в виде тепла, а частично запасается в молекулах АТФ. У животных энергетический обмен протекает в три этапа.

Первый этап — подготовительный.Пища поступает в организм животных и человека в виде сложных высокомолекулярных соединений. Прежде чем поступить в клетки и ткани, эти вещества должны разрушиться до низкомолекулярных, более доступных для клеточного усвоения веществ. На первом этапе происходит гидролитическое расщепление органических веществ, идущее при участии воды. Оно протекает под действием ферментов в пищеварительном тракте многоклеточных животных, в пищеварительных вакуолях одноклеточных, а на клеточном уровне — в лизосомах. Реакции подготовительного этапа:

белки + Н20 -> аминокислоты + Q;

жиры + Н20 -> глицерин + высшие жирные кислоты + Q;

полисахариды -> глюкоза + Q.

У млекопитающих и человека белки расщепляются до аминокислот в желудке и в двенадцатиперстной кишке под действием ферментов — пептидгидролаз (пепсина, трипсина, хемотрипсина). Расщепление полисахаридов начинается в ротовой полости под действием фермента птиалина, а далее продолжается в двенадцатиперстной кишке под действием амилазы. Там же расщепляются и жиры под действием липазы. Вся энергия, выделяющаяся при этом, рассеивается в виде тепла. Образующиеся низкомолекулярные вещества поступают в кровь и доставляются ко всем органам и клеткам. В клетках они поступают в лизосому или непосредственно в цитоплазму. Если расщепление происходит на клеточном уровне в лизосомах, то вещество сразу же поступает в цитоплазму. На этом этапе происходит подготовка веществ к внутриклеточному расщеплению.

Второй этап— бескислородное окисление.Второй этап осуществляется на клеточном уровне при отсутствии кислорода. Он протекает в цитоплазме клетки. Рассмотрим расщепление глюкозы, как одного из ключевых веществ обмена в клетке. Все остальные органические вещества (жирные кислоты, глицерин, аминокислоты) на разных этапах втягиваются в процессы ее превращения. Бескислородное расщепление глюкозы называется гликолизом.

Глюкоза претерпевает ряд последовательных превращений (рис. 16). Вначале она преобразуется во фруктозу, фосфорилируется — активируется двумя молекулами АТФ и превращается во фруктозо-дифосфат. Далее молекула шестиатомного углевода распадается на два трехуглеродных соединения — две молекулы глицерофосфата (триозы). После ряда реакций они окисляются, теряя по два атома водорода, и превращаются в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК). В результате этих реакций синтезируются четыре молекулы АТФ. Так как первоначально на активацию глюкозы было затрачено две молекулы АТФ, то общий итог составляет 2АТФ. Таким образом, выделяющаяся при расщеплении глюкозы энергия частично запасается в двух молекулах АТФ, а частично расходуется в виде тепла. Четыре атома водорода, которые были сняты при окислении глицерофосфата, соединяются с переносчиком водорода НАД+(никотинамид-динуклеотидфосфат). Это такой же переносчик водорода, как и НАДФ+, но участвует в реакциях энергетического обмена.

Обобщенная схема реакций гликолиза:

С6Н1206 + 2НАД+—

> 2С3Н403 + 2НАД•2H

2АДФ —

> 2АТФ

Восстановленные молекулы НАД•2Н поступают в митохондрии, где окисляются, отдавая водород.В зависимости от типа клеток, ткани или организмов пировиноградная кислота в бескислородной среде может превращаться далее в молочную кислоту, этиловый спирт, масляную кислоту или другие органические вещества. У анаэробных организмов эти процессы называются брожением.

Молочнокислое брожение:

С6Н1206 + 2НАД+ -> 2С3Н403 + 2НАД•2Н <=> 2С3Н603 + 2НАД+

Глюкоза ПВК молочная кислота

Спиртовое брожение:

С6Н1206 + 2НАД+ -> 2С3Н403 + 2НАД•2Н <=> 2С2Н5ОН + 2С02 + 2НАД+

Глюкоза ПВК этиловый спирт

Третий этап — биологическое окисление, или дыхание.Этот этап протекает только в присутствии кислорода и иначе называется кислородным.

Он протекает в митохондриях. Пировиноградная кислота из цитоплазмы поступает в митохондрии, где теряет молекулу углекислого газа и превращается в уксусную кислоту, соединяясь с активатором и переносчиком коэнзимом-А. Образующийся ацетил-КоА далее вступает в серию циклических реакций. Продукты бескислородного расщепления — молочная кислота, этиловый спирт — также далее претерпевают изменения и подвергаются окислению кислородом. В пировиноградную кислоту превращается молочная кислота, если она образовалась при недостатке кислорода в тканях животных. Этиловый спирт окисляется до уксусной кислоты и связывается с КоА. Циклические реакции, в которых происходит преобразование уксусной кислоты, носят название
цикла ди- и трикарбоновых кислот,
или
цикла Кребса,
по имени ученого, впервые описавшего эти реакции. В результате ряда последовательных реакций происходит декарбоксилирование — отщепление углекислого газа и окисление — снятие водорода с образующихся веществ. Углекислый газ, образующийся при декарбоксилировании ПВК и в цикле Кребса, выделяется из митохондрий, а далее из клетки и организма в процессе дыхания. Таким образом, углекислый газ образуется непосредственно в процессе декарбоксилирования органических веществ. Весь водород, который снимается с промежуточных веществ, соединяется с переносчиком НАД+, и образуется НАД•2Н. При фотосинтезе углекислый газ соединяется с промежуточными веществами и восстанавливается водородом. Здесь идет обратный процесс.

Общее уравнение декарбоксилирования и окисления ПВК:

2С3Н403 + 6Н20 + 10НАД+ -> 6С02 + 10НАД• Н.

Проследим теперь путь молекул НАД•2Н. Они поступают на кристы митохондрий, где расположена дыхательная цепь ферментов. На этой цепи происходит отщепление водорода от переносчика с одновременным снятием электронов. Каждая молекула восстановленного НАД•2Н отдает два водорода и два электрона. Энергия снятых электронов очень велика. Они поступают на дыхательную цепь ферментов, которая состоит из белков — цитохромов. Перемещаясь по этой системе каскадно, электрон теряет энергию. За счет этой энергии в присутствии фермента АТФ-азы синтезируются молекулы АТФ. Одновременно с этими процессами происходит перекачивание ионов водорода через мембрану на наружную ее сторону. В процессе окисления 12 молекул НАД-2Н, которые образовались при гликолизе (2 молекулы) и в результате реакций в цикле Кребса (10 молекул), синтезируются 36 молекул АТФ. Синтез молекул АТФ, сопряженный с процессом окисления водорода, называетсяокислительным фосфорилированием.

Конечным акцептором электронов является молекула кислорода, поступающая в митохондрии при дыхании. Атомы кислорода на наружной стороне мембраны принимают электроны и заряжаются отрицательно. Положительные ионы водорода соединяются с отрицательно заряженным кислородом, и образуются молекулы воды. Вспомним, что кислород атмосферы образуется в результате фотосинтеза при фотолизе молекул воды, а водород идет на восстановление углекислого газа. В процессе энергетического обмена водород и кислород вновь соединяются и превращаются в воду.

Обобщенная реакция кислородного этапа окисления:

2С3Н403 + 4Н + 602 -> 6С02 + 6Н20;

36АДФ -> 36АТФ.

Итак, выход молекул АТФ при кислородном окислении в 18 раз больше, чем при бескислородном.

Суммарное уравнение окисления глюкозы на двух этапах:

С6Н1206 + 602 —> 6С02 + 6Н20 + Е

—>
Q
(тепло).

\

38АДФ —> 38АТФ

Таким образом, при расщеплении глюкозы на двух этапах образуется суммарно 38 молекул АТФ, причем основная часть — 36 молекул — при кислородном окислении. Такой выигрыш энергии обеспечил преимущественное развитие аэробных организмов по сравнению с анаэробными.

21. Митотический цикл клетки. Характеристика периодов. Митоз, его биологическое значение. Амитоз.

Под клеточным (жизненным) циклом понимают существование клетки от момента ее появления в результате деления до другого деления или до гибели клетки.

Близкое к нему понятие — митотический цикл.

Митотический цикл — это жизнедеятельность клетки от деления до следующего деления.

Он представляет собой комплекс взаимосвязанных и согласованных явлений во время деления клетки, а также до и после него. Митотический цикл

— это совокупность процессов, происходящих в клетке от одного деления до следующего и заканчивающихся образованием двух клеток следующей генерации. Кроме этого, в понятие жизненного цикла входят также период выполнения клеткой своих функций и периоды покоя. В это время дальнейшая клеточная судьба неопределенна: клетка может начать делиться (вступает в митоз) либо начать готовиться к выполнению специфических функций.

Основные стадии митоза.

1.Редупликация (самоудвоение) генетической информации материнской клетки и равномерное распределение ее между дочерними клетками. Это сопровождается изменениями структуры и морфологии хромосом, в которых сосредоточено более 90% информации эукариотической клетки.

2.Митотический цикл состоит из четырех последовательных периодов: пресинтетического (или постмитотического) G1, синтетического S, постсинтетического (или премитотического) G2 и собственно митоза. Они составляют автокаталитическую интерфазу (подготовительный период).

Фазы клеточного цикла:

1) пресинтетическая (G1) (2n2c, где n-число хромосом, c- число молекул). Идет сразу после деления клетки. Синтеза ДНК еще не происходит. Клетка активно растет в размерах, запасает вещества, необходимые для деления: белки (гистоны, структурные белки, ферменты), РНК, молекулы АТФ. Происходит деление митохондрий и хлоропластов (т. е. структур, способных к ауторепродукции). Восстанавливаются черты организации интерфазной клетки после предшествующего деления;

2) синтетическая (S) (2n4c). Происходит удвоение генетического материала путем репликации ДНК. Она происходит полуконсервативным способом, когда двойная спираль молекулы ДНК расходится на две цепи и на каждой из них синтезируется комплементарная цепочка.

В итоге образуются две идентичные двойные спирали ДНК, каждая из которых состоит из одной новой и старой цепи ДНК. Количество наследственного материала удваивается. Кроме этого, продолжается синтез РНК и белков. Также репликации подвергается небольшая часть митохондриальной ДНК (основная же ее часть реплицируется в G2 период);

3) постсинтетическая (G2) (2n4c). ДНК уже не синтезируется, но происходит исправление недочетов, допущенных при синтезе ее в S период (репарация). Также накапливаются энергия и питательные вещества, продолжается синтез РНК и белков (преимущественно ядерных).

S и G2 непосредственно связаны с митозом, поэтому их иногда выделяют в отдельный период — препрофазу.

После этого наступает собственно митоз, который состоит из четырех фаз. Процесс деления включает в себя несколько последовательных фаз и представляет собой цикл. Его продолжительность различна и составляет у большинства клеток от 10 до 50 ч. При этом у клеток тела человека продолжительность самого митоза составляет 1—1,5 ч, G2-периода интерфазы — 2—3 ч, S-периода интерфазы — 6—10 ч.

Стадии митоза.

Процесс митоза принято подразделять на четыре основные фазы: профазу, метафазу, анафазу

и
телофазу
. Так как он непрерывен, смена фаз осуществляется плавно — одна незаметно переходит в другую.

В профазе увеличивается объем ядра, и вследствие спирализации хроматина формируются хромосомы. К концу профазы видно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид. Постепенно растворяются ядрышки и ядерная оболочка, и хромосомы оказываются беспорядочно расположенными в цитоплазме клетки. Центриоли расходятся к полюсам клетки. Формируется ахроматиновое веретено деления, часть нитей которого идет от полюса к полюсу, а часть — прикрепляется к центромерам хромосом. Содержание генетического материала в клетке остается неизменным (2n4c).

В метафазе хромосомы достигают максимальной спирализации и располагаются упорядоченно на экваторе клетки, поэтому их подсчет и изучение проводят в этот период. Содержание генетического материала не изменяется (2n4c).

В анафазе каждая хромосома «расщепляется» на две хроматиды, которые с этого момента называются дочерними хромосомами. Нити веретена, прикрепленные к центромерам, сокращаются и тянут хроматиды (дочерние хромосомы) к противоположным полюсам клетки. Содержание генетического материала в клетке у каждого полюса представлено диплоидным набором хромосом, но каждая хромосома содержит одну хроматиду (4n4c).

В телофазе расположившиеся у полюсов хромосомы деспирализуются и становятся плохо видимыми. Вокруг хромосом у каждого полюса из мембранных структур цитоплазмы формируется ядерная оболочка, в ядрах образуются ядрышки. Разрушается веретено деления. Одновременно идет деление цитоплазмы. Дочерние клетки имеют диплоидный набор хромосом, каждая из которых состоит из одной хроматиды (2n2c).

Что происходит в процессе анаболизма

Во время энергообмена создается материя и потребляется энергия. Как результат анаболических реакций создаются сложные субстанции. В ходе анаболизма происходит создание новых клеток и поддержание гомеостаза всех живых тканей тела. Действие организма при этом направлено на создание из простых единиц более сложные молекулы. Механизм анаболических реакций характеризуется использованием нескольких простых веществ для синтеза множества разных конечных продуктов. Примеры эффектов анаболизма – это:

• питание костных тканей для их роста, восстановления, развития;
• увеличение мышечной массы;
• заживление ран;
• рост ногтей, волос, пр.

Вследствие анаболических процессов мономеры преобразуются в полимеры – крупные молекулы, имеющие сложную структуру, включающие множество миниатюрных строительных единиц, схожих друг с другом. К примеру: аминокислоты (мономеры) в результате ряда анаболических химических реакций формируют протеины, являющиеся крупными сложными молекулами с трехмерной структурой (полимеры).

• Обработка обуви от грибка
• Ударно-волновая терапия — стоимость и отзывы. Показания для лечения ударно-волновым методом и противопоказания
• Цистит — лечение в домашних условиях народными средствами и лекарствами

Значение анаболизма и катаболизма

Энергетические обменные реакции играют очень важную роль для человека, при этом организм сможет поддерживать свое состояние в норме лишь, если анаболизм и катаболизм будут находится в равновесии. При подавлении одного из биопроцессов нарушение второго неизбежно, поскольку они тесно связаны между собой. Дисбаланс энергообмена способен вызвать различные заболевания, гормональные сбои и, как следствие, сильный набор жиров или же запуститься обратный процесс и произойдет чрезмерное похудение.

Катаболизм отвечает за разрушение мышечных тканей и других элементов для получения энергии. Реакция запускается во время стресса, плохого сна, спортивных тренировок, утомления, голода. При этом организм вырабатывает гормон кортизол, который разрушает мышцы, тем самым активирует накопление жира и повышение уровня глюкозы. Эти явления крайне нежелательны для спортсменов. Тем не менее, кортизол оказывает и позитивное действие на организм: он расщепляет мышечные аминокислоты, что крайне важно для жизнедеятельности человека.

Значение анаболизма и катаболизма для жизнедеятельности человека нельзя переоценить. Если пытаться искусственно подавить катаболические реакции, вероятно развитие гормональных сбоев, поэтому стоит научиться придерживаться правильного режима дня и контролировать развитие мышц. Осуществить это можно, если обеспечивать своему телу полноценный отдых, вести здоровый образ жизни, подобрать сбалансированное питание и грамотно составить программу тренировок. Кроме того, специалисты советуют использовать спортсменам биологически активные добавки и витамины.

Суть

Катаболизм – это прямая составляющая метаболических процессов в организме. Что она из себя представляет? Все очень просто – это оптимизация ресурсов. Наш организм работает, как маятник, постоянно создавая новые клетки, и разрушая старые. Фактически за 5 лет вы полностью обновляетесь, являясь другим человеком. Но и это еще не все.

В биохимическом понимании катаболизм – это распад сложных веществ на более простые или же окисление различных молекул. Процесс протекает с высвобождением энергии:

• тепла;
• молекул АТФ – основного источника энергии любой биохимической реакции.

Катаболизм и анаболизм находятся в постоянном равновесии, и напрямую зависят от следующих факторов:

• Гормонов, так как указанные вещества – главные регуляторы катаболизма и анаболизма.
• Необходимости в изменении баланса.
• Питания.
• Скорости метаболизма.
• Количества сна.
• Других факторов.

Рассмотрим на простом примере процессы оптимизации ресурсов организма. Изначально, в течение дня, организм стремиться к расщеплению энергии и синтезу новых клеток.

В ночное время, происходит перезагрузка, и он начинает убивать ненужные клетки, расщепляя их, и подготавливаясь к обновлению.

В случае возникновения стрессовых нагрузок, катаболические процессы значительно ускоряются. Однако, в этом случае, ускорение катаболизма происходит в качестве подготовки к мощному анаболическому скачку. Умертвляются и разрушаются все клетки, которые неспособны выдерживать новые уровни нагрузок, заменяясь более мощными и сильными.

Нагрузки – являются именно тем фактором, который влияет на сдвиг баланса между анаболическими и катаболическими процессами.

Когда нагрузки в организме проходят (например, человек перестает заниматься спортом), то умный организм оптимизирует ресурсы для того, чтобы в случае голодовки или другого мощного стресса мог выжить. И все мы наблюдаем разрушение мышц. Особенно это хорошо заметно, если следить за атлетами после окончания их карьеры. Обычно они теряет до 40% от наработанной мышечной массы.

Важно понимать, что физические нагрузки – не единственный фактор, который изменяет баланс между катаболизмом и анаболизмом. Любое изменение в режиме дня или питании может сдвинуть ползунок в ту или иную сторону.

© ogichobanov — depositphotos.com

Как повысить анаболизм

Только при равновесии анаболизма и катаболизма будет обеспечен правильный обмен веществ и здоровое состояние человека. Чрезмерное преобладание одного процесса над другим становится причиной развития разных патологий, поэтому стоит проконсультироваться у врача, прежде чем решиться повысить анаболизм. Сделать скорость энергообмена высокой можно такими способами:

1. Диета. Увеличение количества потребляемого белка приводит к закономерному росту объема строительных материалов для мышц. При этом лишний протеин не будет так полезен, если употреблять низкокалорийную пищу, поскольку организму не хватит энергии на его усвоение. Питание должно быть сбалансированным, тогда клетки будут получать необходимый строительный материал быстрее и мышечные ткани начнут расти.
2. Сон. Полноценный отдых очень важен для анаболизма, особенно, если в этот день человек занимался спортом.
3. Режим питания. Без своевременного поступления в организм питательных веществ процесс роста тканей невозможен.
4. Психическая стабильность. Для снижения скорости катаболических реакций важно избегать стрессовых ситуаций.
5. Прием допинговых препаратов. Эта мера крайне нежелательна для ускорения анаболизма, поскольку часто приводит к проблемам на гормональном уровне и другим патологиям.

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.

Анаболизм и катаболизм в спорте

Поскольку физические нагрузки являются серьезным стрессом для организма, они запускают катаболические процессы. Тренировки формируют необходимость искать дополнительные источники энергии (организм берет их не только из жировых отложений, но и в белках – строительных единицах мышц). Что такое катаболизм мышц? Это закономерный процесс, при котором энергия, необходимая для физических усилий, вырабатывается путем распада мышечных тканей.

Анаболизм и катаболизм в спорте – всегда актуальная тема, поскольку для спортсменов важно сохранить максимум или даже нарастить объем мышц. Одной из основных задач человека любого возраста, который активно занимается спортом, является ослабление катаболических реакций белков и активизация анаболического процесса. Уравновесить анаболизм и катаболизм бодибилдеру можно с помощью правильного питания, соблюдения режима отдыха и приема спортивных добавок (протеина, пр.).

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.

Пластический обмен

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.

Фотосинтез

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.

Белковый биосинтез

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:

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.