Анаболизм и катаболизм

Основными метаболическими процессами являются анаболизм (ассими-ляция) и катаболизм (диссимиляция).
Анаболизм, или ассимиляция (от лат. assimilatio — уподобление), пред-ставляет собой эндотермический процесс уподобления поступающих в клетку веществ веществам самой клетки. Она является «созидательным» метаболиз-мом.
Важнейшим моментом ассимиляции является синтез белков и нуклеино-вых кислот. Частным случаем анаболизма является фотосинтез, который пред-ставляет собой биологический процесс, при котором органическое вещество синтезируется из воды, двуокиси углерода и неорганических солей под влияни-ем лучистой энергии Солнца. Фотосинтез в зеленых растениях является авто-трофным типом обмена.
Катаболизм, или диссимиляция (от лат. dissimilis — расподобление), яв-ляется экзотермическим процессом, при котором происходит распад веществ с освобождением энергии. Этот распад происходит в результате переваривания и дыхания. Переваривание представляет собой процесс распада крупных молекул на более мелкие молекулы, тогда как дыхание является процессом окислитель-ного катаболизма простых Сахаров, глицерина, жирных кислот и дезаминиро-ванных аминокислот, в результате которого происходит освобождение жизнен-но необходимой химической энергии. Эта энергия используется для пополне-ния запасов аденозинтри-фосфата (АТФ), который является непосредственным донором (источником) клеточной энергии, универсальной энергетической «ва-лютой» в биологических системах. Пополнение запасов АТФ обеспечивается реакцией фосфата (Ф) с аденозиндифосфатом (АДФ), а именно:
АДФ + Ф + энергия  АТФ
Когда АТФ разлагается на АДФ и фосфат, энергия клетки освобождается и ис-пользуется для работы в клетке. АТФ представляет собой нуклеотид, состоя-щий из остатков аденина, рибозы и трифосфата (трифосфатных групп), тогда как аденозиндифосфат (АДФ) имеет лишь две фосфатные группы. Богатство АТФ энергией определяется тем, что его трифосфатный компонент содержит две фос-фоангидридные связи. Энергия АТФ превышает энергию АДФ на 7000 ккал/моль. Этой энергией обеспечиваются все биосинтетические реакции в клетке в результате гидролиза АТФ до АДФ и неорганического фосфата. Итак, цикл АТФ-АДФ является основным механизмом обмена энергии в живых сис-темах.
К живым системам применимы два закона термодинамики.
В соответствии с первым законом термодинамики (законом сохранения энер-гии) энергия на протяжении химических и физических процессов не создается, не исчезает, а просто переходит из одной формы в другую, пригодную в той или иной мере для выполнения работы, т. е. использование энергии для выпол-нения какой-либо работы или переход энергии из одной формы в другую не со-провождается изменением (уменьшением или увеличением) общего количества энергии. Имея в виду глобальные категории, можно сказать, что вопреки лю-бым физическим или химическим изменениям во Вселенной, количество энер-гии в ней останется неизменным.
В соответствии со вторым законом термодинамики физические и химические процессы протекают в направлении необратимого перехода полезной энергии в хаотическую, неупорядоченную форму и установления равновесия между упо-рядоченным состоянием и хаотическим, неупорядоченным. По мере приближе-ния к установлению равновесия между упорядоченностью и неупорядоченно-стью и к остановке процесса происходит уменьшение свободной энергии, т.е. той порции общей (полезной) энергии, которая способна производить работу при постоянной температуре и постоянном давлении. Когда количество сво-бодной энергии уменьшается, то повышается та часть общей внутренней энер-гии системы, которая является мерой степени случайности и неупорядоченно-сти (дезорганизации) и называется энтропией. Другими словами, энтропия есть мера необратимого перехода полезной энергии в неупорядоченную форму. Та-ким образом, естественная тенденция любой системы направлена на повыше-ние энтропии и уменьшение свободной энергии, которая является самой полез-ной термодинамической функцией. Живые организмы являются высокоупоря-доченными системами. Для них характерно содержание очень большого коли-чества информации, но они бедны энтропией.
Если Вселенная представляет собой реакционные системы, под которыми по-нимают совокупность веществ, благодаря которым протекают физические и химические процессы, с одной стороны, и окружающую среду, с которой реак-ционные системы обмениваются информацией, с другой стороны, то в соответ-ствии со вторым законом термодинамики в ходе физических процессов или хи-мических реакций энтропия Вселенной увеличивается. Метаболизм живых ор-ганизмов не сопровождается возрастанием внутренней неупорядоченности, т. е. для живых организмов не характерны возрастные энтропии. В любых условиях все организмы, начиная от бактерий и заканчивая млекопитающими, сохраняют упорядоченный характер своего строения. Однако для самой энтропии харак-терно то, что она возрастает в окружающей среде, причем непрерывное возрас-тание энтропии в окружающей среде обеспечивается существующими в среде живыми организмами. Например, для извлечения свободной энергии анаэроб-ные организмы используют глюкозу, которую они получают из окружающей среды и окисляют молекулярным кислородом, проникающим тоже из среды. При этом конечные продукты окислительного метаболизма (СО2 и H2O) посту-пают в среду, что и сопровождается возрастанием энтропии среды, которое частично происходит из-за рассеивания тепла. Возрастание энтропии в этом случае повышается, кроме того за счет возрастания количества молекул после окисления (C6H12O6 + 6O2  6СО2 + 6Н2О), т. е. образование из 7 молекул 12 молекул. Как видно, молекулярная неупорядоченность ведет к энтропии.
Для живых существ первичным источником энергии является солнечная радиа-ция, в частности видимый свет, который состоит из электромагнитных волн, встречающихся в виде дискретных единиц, называемых фотонами или кванта-ми света. В живом мире одни живые существа способны улавливать световую энергию, другие получают энергию в результате окисления пищевых веществ.
Энергия видимого света улавливается зелеными растениями в процессе фото-синтеза, который осуществляется в хлоропластах их клеток. Благодаря фото-синтезу живые существа создают упорядоченность из неупорядоченности, а световая энергия превращается в химическую энергию, запасаемую в углево-дах, являющихся продуктами фотосинтеза. Таким образом, фотосинтезирую-щие организмы извлекают свободную энергию из солнечного света. В резуль-тате этого клетки зеленых растении обладают высоким содержанием свободной энергии.
Получение энергии в результате окисления неорганических веществ происхо-дит при хемосинтезе.
Животные организмы получают энергию, уже запасенную в углеводах, через пищу. Следовательно, они способствуют увеличению энтропии среды. В мито-хондриях клеток этих организмов энергия, запасенная в углеводах, переводится в форму свободной энергии, подходящей для синтеза молекул других веществ, а также для обеспечения механической, электрической и осмотической работы клеток. Освобождение энергии, запасенной в углеводах, осуществляется в ре-зультате дыхания — аэробного и анаэробного. При аэробном дыхании расщеп-ление молекул, содержащих запасенную энергию, происходит путем гликолиза и в цикле Кребса. При анаэробном дыхании действует только гликолиз. Таким образом, жизнедеятельность клеток животных организмов обеспечивается в ос-новном энергией, источником которой служат реакции окисления-восстановления «топлива» (глюкозы и жирных кислот), в процессе которых происходит перенос электронов от одного соединения (окисление) к другому (восстановление). С окислительно-восстановительными реакциями сопряжено фосфорилирование. Эти реакции протекают как при фотосинтезе, так и дыха-нии.
Организм — открытая саморегулирующая система, она поддерживает и репли-цирует себя посредством использования энергии, заключенной в пище, либо генерируемой Солнцем. Непрерывно поглощая энергию и вещества, жизнь не «стремится» к равновесию между упорядоченностью и неупорядоченностью, между высокой молекулярной оранизацией и дезорганизацией. Напротив, для живых существ характерна упорядоченность как в их структуре и функциях, так и в превращении и использовании энергии. Таким образом, сохраняя внут-реннюю упорядоченность, но получая свободную энергию с солнечным светом или пищей, живые оранизмы возвращают в среду эквивалентное количество энергии, но в менее полезной форме, в основном в виде тепла, которое, рассеи-ваясь, уходит во Вселенную.
Процессы обмена веществ и энергии подвержены регуляции, причем существу-ет множество регулирующих механизмов. Главнейшим механизмом регуляции метаболизма является контроль количества ферментов. К числу регулирующих механизмов относят также контроль скорости расщепления субстрата фермен-тами, а также контроль каталитической активности ферментов. Метаболизм подвержен так называемому обратному аллостерическому контролю, заклю-чающемуся в том, что во многих биосинтетических путях первая реакция мо-жет быть ингибирована (подавлена) конечным продуктом. Можно сказать, что такое ингибирование происходит по принципу обратной связи. В регуляции обмена веществ и энергии имеет значение и то, что метаболические пути синте-за и распада почти всегда разобщены, причем у эукариотов это разобщение усиливается компартментализацией клеток. Например, местом окисления жир-ных кислот в клетках являются митохондрии, тогда как их синтез происходит в цитозоле. Многие реакции метаболизма подвержены некоторой регуляции со стороны так называемого энергетического статуса клетки, показателем которо-го является энергетический заряд, определяемый суммой молярных фракций АТФ и АДФ. Энергетический заряд в клетке всегда постоянен. Синтез АТФ ин-гибируется высоким зарядом, тогда как использование АТФ стимулируется та-ким же зарядом.