Элементарный состав организмов, группы веществ, входящих в состав.
Все живые формы на Земле, несмотря на разнообразие, имеют большое сходство по составу организма и природе веществ.
Ведущее место в живых организмах принадлежит следующим элементам, или органогенам: азоту, водороду, кислороду, углероду. Большинство других элементов, входящих в состав живых организмов в значительно меньших количествах, также выполняют важнейшие функции в обмене веществ и поддержании жизненных процессов.
Основные соединения, в состав которых входят перечисленные выше элементы, — вода, белки, углеводы, липиды, минеральные вещества.
Вода — дисперсная среда, в которой диспергированы важнейшие высокополимерные органические вещества, образующие коллоидные системы живых организмов, она принимает непосредственное участие в обмене веществ и служит необходимым компонентом многих процессов катаболизма и анаболизма.
Если по количественному признаку первое место принадлежит воде, то в построении всех структур организма, в обмене веществ ведущее значение имеют белки. Белковые вещества легко образуют соединения с небелковыми веществами, что придает этим комплексам разнообразные специфические свойства.
Далее по количественному содержанию и энергетическому обеспечению организма имеют значение углеводы и липиды.
Минеральные вещества, остающиеся в золе после сжигания организма, можно условно разбить на три группы: макроэлементы, содержание которых колеблется в пределах 10— 10-2 %, микроэлементы — в пределах 10-3 — 10-5, ультраэлементы — менее 10-5 %.
Существует еще одна группа сложных органических веществ, функция которых — регулировать биохимические процессы, — это гормоны, витамины и ферменты.
В составе живых организмов, кроме того, присутствуют многочисленные промежуточные продукты обмена веществ, называемые метаболитами. Они выполняют иногда специфические регуляторные функции. Многие живые организмы синтезируют особые вещества пигменты, пахучие вещества (феромоны), алкалоиды, яды и т. д.
Общая характеристика обмена веществ и энергии
Обмен веществ и Энергии — совокупность жизненных процессов организма, связанных с постоянным поглощением веществ из окружающей среды и выделением конечных продуктов распада в эту среду. Значение этих процессов заключается в восстановлении распадающихся в организме и теряемых веществ, необходим для построения всех его структурных элементов, и в обеспечении жизненных функций энергией.
Образующаяся в процессе обмена веществ энергия используется для поддержания температуры тела, совершения работы, роста и развития организма, обеспечения структуры и функций всех клеточных элементов. Таким образом, обмен веществ и превращение энергии — единое целое.
Обмен веществ и энергии включает два основных, неразрывно связанных между собой процесса — ассимиляции (анаболизм) и диссимиляции (катаболизм).
Ассимиляция — совокупность химических реакций, связанных с использованием веществ, поступающих в организм из внешней среды, и образованием сложных химических соединений, входящих в состав цитоплазмы клеток и тканей. Ассимиляция Связана с потреблением энергии.
Диссимиляция — распад веществ, входящих в состав клеток и поступивших извне, на более простые соединения, которые затем выделяются в окружающую среду как продукты жизнедеятельности. При этом процессе выделяется энергия.
Обмен веществ и энергии протекает в три этапа.
Первый этап. Пищеварение — процесс механической и химической обработки составных частей пищи в пищеварительных органах всасывания питательных веществ.
Второй этап. Промежуточный обмен — процессы ассимиляции и диссимиляции, сопровождающиеся образованием большого количества промежуточных и конечных продуктов обмена.
Все процессы промежуточного обмена происходят ступенчато. Например, молочная кислота (С3 Н6О3) — сравнительно низкомолекулярное вещество — в период превращения в конечные продукты обмена (СО2 и Н2О) проходит ряд промежуточных ступеней. При этом реакции распада чередуются с процессами синтеза.
Третий этап. Образование конечных продуктов обмена и выделение их из организма с мочой, калом, выдыхаемым воздухом и т. д. В процессе обмена веществ образуются особые вещества — метаболиты, которые участвуют в химических реакциях и влияют на их течение. К метаболитам относятся аминокислоты, жирные и ароматические кислоты, пуриновые, пиримидиновые основания, простые сахара, амины и другие соединения.
Во многих случаях одни и те же вещества для одних организмов являются метаболитами, для других — конечными продуктами оба. Например, при гликолизе в тканях млекопитающих образуется ночная кислота, которая не покидает организм и выступает как метаболит. В то же время молочная кислота, образующаяся в процессе жизнедеятельности молочнокислых и других микроорганизмов, — конечный продукт обмена.
В первом этапе обмена веществ расщепляются составные части пищи: белки — до аминокислот, углеводы — до глюкозы, липиды — до свободных жирных кислот и глицерина. При этом выделяется 0,6 % энергии углеводов, около 1 % энергии липидов. Во втором этапе исчисляются вещества, образовавшиеся в первом этапе, до ацетил-кофермента А с освобождением 1/3 всей энергии, заключенной в питательных веществах. Третий этап сопровождается окислением этил-кофермента А в цикле трикарбоновых кислот до конечных продуктов обмена — СО2 и Н2О. Этот этап характеризуется освобождением 2/3 всей энергии питательных веществ; 40 % энергии, образовавшейся в процессе обмена веществ, превращается в теплоту и % используется для синтеза макроэргических соединений.
Соотношение между количеством энергии, поступившей с питательными веществами корма, и количеством энергии, отдаваемой во внешнюю среду, называется энергетическим балансом организма. Определение энергетического баланса имеет большое значение, особенно для расчета рационов. Коэффициент полезного действия реакций обмена веществ и энергии выражается количеством энергии, которое превращается в работу при данной температуре. Для каждого организма характерен так называемый основной обмен, под которым подразумевают минимальное количество энергии, необходимое для нормального течения жизненных процессов при полном покое.
Основной обмен довольно постоянен у каждого индивидуума и близких особей одного и того же вида. Однако на него оказывают влияние многие факторы — размеры тела, возраст, пол, климат, пища, прием лекарств, тренированность и т. д. Основной обмен резко отклоняется от нормы при разнообразных патологических состояниях.
Биологическое окисление
Все биохимические процессы, лежащие в основе жизнедеятельности любого организма, происходят в клетке. Все клетки тканей поглощают кислород и выделяют диоксид углерода (СО2), что и определило понятие о клеточном и тканевом дыхании. Биологическая роль дыхания состоит в извлечении энергии в результате окисления и распада органических соединений. Данная энергия используется клетками для выполнения тех или иных видов физиологической работы (работа сердца, сокращение мышц, секреция желез и т. д.).
В основе тканевого и клеточного дыхания лежат окислительно- восстановительные реакции, протекающие к митохондриях клетки при участии сложной и многообразной системы дыхательных ферментов.
В клетках находится от 50 до 500 митохондрий, а в клетках
печени — 1000. В митохондриях ферменты, участвующие в окислительно-восстановительных процессах, составляют дыхательную цепь. Дыхательная цепь — это силовая станция митохондрий, преобразующая энергию дыхания в энергию фосфатных связей, которая может использоваться для выполнения физиологических функций тканями и органами животных. Таким образом, биологическое окисление: - совокупность окислительно-восстановительных реакций переноса электронов в живых системах.
Тканевое дыхание — разновидность биологического окисления при котором акцептором электронов служит кислород. Источники (доноры) атомов водорода в дыхательной цепи — питательные вещества, расщепляемые клеткой с образованием пировиноградной кислоты, которая превращается в ацетилкофермент -А. Эти сложные структурные перестройки углеродных атомов завершаются тем, что пара электронов, отнятая от субстратов, поступает в дыхательную цепь и постепенно (ступенчато) через ряд переносчиков достигает кислорода — своего конечного акцептора.
Взаимосвязанный и строго контролируемый процесс окисления делает возможным эффективное накопление энергии обмена веществ. Выделяют три основных компонента дыхательной цепи: 1) дегидрогеназы — сложные ферменты, отщепляющие от субстрата два протона водорода и два электрона; в состав этих ферментов входит кофермент из двух нуклеотидов — никотинамида и аденина. Этот кофермент называют никотинамидадениндинуклеотидом (НАД); 2) дегидрогеназы - передают отщепленный ими водород и электроны флавопротеидам — сложным ферментам, коферментом которых является динуклеотид, включающий витамин В2 (рибофлавин) и аденинфлавинадениндинуклеотид (ФАД); 2) флавопротеиды аккумулируют, активированный водород и передают электроны на цитохромы. Электроны, перемещаясь по цитохромам, достигают молекулы кислорода, который, соединяясь с активированным водородом флавопротеидов, образует воду. По пути дыхательной цепи имеются приспособления для улавливания энергии и образования аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).
Кроме окислительного фосфорилирования, при определенных условиях в организме происходит свободное окисление. Оно протекает на внешней поверхности митохондрий с образованием тех же промежуточных продуктов биологического окисления, что и внутри митохондрий, но в этом случае АТФ не образуется.
Переключение окислительного фосфорилирования на свободное окисление — один из способов регуляции обмена веществ и приспособления организма к меняющимся внешним условиям. Так, животные, у которых происходит разобщение окисления и фосфорилирования в мышцах, не замерзают при длительном охлаждении, а животные, у которых сохраняется сопряженность окисления и фосфорилирования, на холоде быстро впадают в гипотермическое состояние и гибнут Таким образом, организм животного при различных физиологических и патологических состояниях может переключать обмен веществ или в сторону синтеза макроэргических соединений, или в сторону выработки теплоты, необходимой для его согревания и поддержания температуры тела на соответствующем уровне.
