Обмен веществ и энергии 3

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ - совокупность процессов превращения веществ и энергии, происходящих в живых организмах, и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Является основой жизнедеятельности и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи, отличающих живое от неживого. В процессе обмена поступившие в организм вещества путем хим. изменений превращаются в собственные вещества тканей и в конечные продукты, к-рые выводятся из организма. При этих хим. превращениях освобождается и поглощается энергия. Обмен веществ, или метаболизм, представляет собой процесс, в к-ром участвует множество ферментных систем и к-рый обеспечен сложнейшей регуляцией на разных уровнях.

У всех организмов клеточный метаболизм выполняет четыре основные специфические функции: извлечение энергии из окружающей среды и преобразование ее в энергию высокоэргических, или макроэргических, соединений в количестве, достаточном для обеспечения всех энергетических потребностей клетки; образование из экзогенных веществ (или получение в готовом виде) промежуточных соединений, являющихся предшественниками макромолекулярных компонентов клетки; синтез белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и других клеточных компонентов из этих предшественников; синтез и разрушение специальных биомолекул, образование и распад к-рых связаны с выполнением различных специфических функций данной клетки.

Для понимания сущности обмена веществ и энергии в живой клетке нужно учитывать ее энергетическое своеобразие. Все части клетки имеют примерно одинаковую температуру, т. е. клетка изотермична. Различные части клетки мало отличаются и по давлению. Т. о., клетки не способны использовать тепло в качестве источника энергии, т. к. работа при постоянном давлении может совершаться лишь при переходе тепла от более нагретой зоны к менее нагретой. Поэтому живую клетку можно рассматривать как изотермическую химическую машину.

С точки зрения термодинамики живые организмы являются открытыми системами, поскольку они обмениваются энергией и веществом с окружающей средой. Однако живые организмы не находятся в равновесии с окружающей средой и поэтому могут быть названы неравновесными открытыми системами. Тем не менее при наблюдении в течение определенного отрезка времени в хим. составе организма видимых Изменений не происходит. Кажущееся постоянство хим. состава живого организма объясняется тем, что скорость переноса вещества и энергии из среды в систему точно уравновешивается скоростью переноса из системы в среду.

Источник углерода и энергии для жизнедеятельности. Все клетки можно разделить на большие группы в зависимости от того, в какой форме они получают из окружающей среды углерод и энергию. По форме получаемого углерода клетки делят на аутотрофные - "сами себя питающие", использующие в качестве единственного источника углерода двуокись углерода СО2 (углекислый газ), из к-рой они способны строить все нужные им углеродсодержащие соединения; и гетеротрофные - "питающиеся за счет других", не способные усваивать СО2 и получающие углерод в форме сравнительно сложных органических соединений, таких, напр., как глюкоза. В зависимости от формы потребляемой энергии клетки бывают фототрофными - непосредственно использующими энергию солнечного света, и хемотрофными - живущими за счет хим. энергии, освобождающейся в ходе окислительно-восстановительных реакций (см. Дыхание тканевое). Подавляющее большинство аутотрофных организмов является фототрофными, или фототрофами. Это зеленые клетки высших растений, сине-зеленые водоросли, Фотосинтезирующие бактерии. Гетеротрофные организмы чаще всего ведут себя как хемотрофные, или хемотрофы. К гетеротрофным организмам относятся все животные, большая часть микроорганизмов, нефотосинтезирующие клетки растений. Исключение представляет небольшая группа бактерий (водородные, серные, железные и денитрофицирующие), к-рые по форме используемой энергии являются хемотрофами, но в то же время источником углерода для них служат СО2. Гетеротрофные клетки, в свою очередь, можно разделить на два больших класса: аэробы, к-рые в качестве конечного акцептора электронов в дыхательной цепи используют кислород, и анаэробы, где такими акцепторами служат другие вещества. Многие клетки (факультативные анаэробы) могут существовать как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Клетки, совершенно не способные использовать кислород и даже гибнущие в его атмосфере, получили название облигатных анаэробов.

Все живые организмы биосферы так или иначе связаны друг с другом с точки зрения питания. Это явление носит название синтрофии - "совместного питания". Фототрофы, являясь Фотосинтезирующими организмами, образуют из содержащегося в атмосфере СО2 органические вещества (напр., глюкозу) и выделяют в атмосферу кислород; гетеротрофы используют глюкозу и кислород в процессе свойственного им метаболизма и в качестве конечного продукта обмена возвращают в атмосферу СО2. Этот круговорот углерода в природе теснейшим образом связан с планетарным энергетическим циклом. Солнечная энергия преобразуется в ходе фотосинтеза в хим. энергию восстановленных органических молекул, к-рая используется гетеротрофами для покрытия своих энергетических потребностей. Хим. энергия, получаемая гетеротрофами, особенно высшими организмами, из окружающей среды, частично превращается непосредственно в тепло (поддержание постоянной температуры тела), а частично - в другие форм