Какие типы биохимических реакций протекают в ассимиляции и диссимиляции?

Ассимиляция и диссимиляция – две стороны обмена веществ

В обмене веществ выделяют два этапа: ассимиляцию и диссимиляцию. Ассимиляция (уподобление) включает в себя поступление в организм продуктов питания (и кислорода), предварительную переработку этих веществ (пищеварение), всасывание продуктов пищеварения (и кислорода) в кровь, распределение их по организму и поступление в клетки. Завершается ассимиляция синтезом специфических для организма молекул: структурных веществ, запасных источников энергии, веществ – регуляторов.

К ассимиляции близко по смыслу понятие анаболизм, часто их даже отождествляют. Однако, точнее называть анаболизмом важнейший этап ассимиляции – синтез из продуктов пищеварения специфических для организма веществ. В соответствии с этим термин анаболики применим к любым веществам, оказывающим стимулирующее влияние на процессы синтеза специфических для организма веществ.

Диссимиляция — распад веществ организма на конечные продукты обмена веществ и удаление из организма. Расщепление веществ в процессе пищеварения обеспечивает усвоение пищевых продуктов и может быть относено к ассимиляции. Так, например, усвоение пищевых белков невозможно без их предварительного расщепления на аминокислоты, которые затем поступают в кровь, разносятся ею по организму, поступают в клетки и используются для синтеза белков и других веществ.

Некоторые конечные продукты пищеварения могут не включаться в процессы ассимиляции, а расщепляться до конечных продуктов обмена веществ. Например, образовавшаяся в процессе пищеварения сложных углеводов глюкоза может использоваться в качестве источника энергии и расщепляться до СО₂ и Н₂О. В этом случае пищеварительные превращения могут рассматриваться как начальный этап диссимиляции. Процессы, которые могут быть частью как ассимиляции, так и диссимиляции, получили название амфимолические.

За расщеплением тканевых белков на аминокислоты, как правило, следует их дальнейшая деградация. Т.е. отдельные этапы ассимиляции и диссимиляции могут быть представлены одинаковыми химическими превращениями.

Термин катаболизм, который нередко отождествляется с диссимиляцией, по существу, характеризует химическую часть диссимиляции – деградацию веществ организма на конечные продукты обмена веществ.

Ассимиляция и диссимиляция не два самостоятельных процесса, а две стороны одного процесса, теснейшим образом взаимосвязанные и взаимозависимые. Так, синтез специфических для организма веществ, происходящий в процессе ассимиляции, требует затрат значительных количеств энергии. Эту энергию организм получает, главным образом, в процессе аэробного биологического окисления – составной части процесса диссимиляции. Т. е. усилению процесса ассимиляции обязательно сопутствует усиление диссимиляции.

С другой стороны, интенсивно идущие процессы диссимиляции, заключающиеся в усиленном распаде веществ организма, являются мощным стимулом для процессов ассимиляции, обеспечивающих синтез этих веществ взамен распавшихся.

Этапы обмена веществ

Диссимиляция, как и ассимиляция, характеризуется многостадийностью превращений. Можно выделить три этапа превращений. На первом этапе макромолекулы углеводов, белков и липидов распадаются в процессах гидролиза на более простые вещества — мономеры. На этом этапе освобождается незначительное количество заключенной в них энергии – не более 1-3%.

Второй этап можно рассматривать как этап универсализации. Превращения углеводов, жиров и отчасти белков сходятся. Образуются единые промежуточные продукты, главным образом Ацетил-К₀А. На этом этапе освобождается более значительное количество энергии – около 1/3 от исходных запасов.

Третий, заключительный этап превращений представляет собой аэробное окисление веществ, завершающееся образованием конечных продуктов обмена (СО₂, Н₂О, мочевины и др.), которые устраняются из организма. На этом этапе освобождается основное количество энергии – 2/3 потенциальной энергии исходных продуктов.

На рис. 1 представлены этапы расщепления питательных веществ в организме.

Рис. 1. Этапы катаболических превращений веществ в организме.

Та часть обмена веществ, которая заключается в химических превращениях (распаде, синтезе и т.п.) различных соединений, называется промежуточным обменом или метаболизмом, а вещества, участвующие в этих превращениях – метаболитами.

Поступление в организм продуктов питания и кислорода, а также выделение из организма конечных продуктов обмена веществ, принято называть обменом с внешней средой.

Достаточно широко распространено понятие функциональный обмен, под которым понимается комплекс химических превращений, обеспечивающих функциональную активность клетки, органа, ткани. Примером функционального обмена могут быть химические превращения, обеспечивающие мышечное сокращение, работу печени, почек и т.п. Функциональный обмен тесно связан с энергетическим обменом, поставляющим для него энергию. Под энергетическим обменом понимается комплекс превращений, обеспечивающих организм энергией в доступной для него форме – приводящих к синтезу АТФ и других подобных ему соединений.

Обмен веществ и энергии в организме

Обмен веществ представляет собой сложный процесс превращений веществ в организме, обеспечивающий его рост, развитие, деятельность и жизнь в целом.

Ф. Энгельс определял обмен веществ как основной признак жизни, отмечая при этом, что с прекращением обмена веществ, прекращается и жизнь.

Обмен веществ непрерывно протекает во всех клетках, тканях и системах организма.

Исследования, проведенные с помощью меченых атомов и других современных методов исследования, показали, что обмен веществ, протекает одинаково интенсивно как в плазме клетки, так и в ее ядерной структуре, в том числе и в хромосомах.

Посредством обмена веществ обеспечивается восприятие веществ, поступающих из внешней среды, и превращение их в организме в вещества самого организма. Кроме того, посредством обмена веществ организм обеспечивается энергией, необходимой для его жизнедеятельности. Посредством обмена веществ восстанавливается потеря воды в организме (водный обмен), удовлетворяется потребность в минеральных веществах (минеральный обмен), а также возмещается распад органических веществ и обеспечивается поступление органических веществ, необходимых для синтетических процессов (пластический обмен).

Обмен веществ состоит из двух взаимно противоположных, параллельно протекающих процессов. Первый из них — катаболизм, или диссимиляция, включает реакции, связанные с распадом веществ, их окислением и выведением из организма продуктов распада. Второй важнейший процесс обмена веществ — анаболизм, или ассимиляция, объединяет все реакции, связанные с синтезом необходимых веществ, их усвоением и использованием для роста, развития и жизнедеятельности организма.

Посредством обмена веществ и неразрывной взаимосвязи процессов диссимиляции и ассимиляции осуществляется взаимодействие организма с внешней средой. Это взаимодействие является важнейшим и постоянным условием, определяющим жизнь. Сочетание катаболических и анаболических процессов обеспечивает постоянное обновление состава тела, которое в связи с этим находится в динамическом состоянии постоянной перестройки и обновления.

Вещество живого тела не является покоящимся и неизменным; оно подвергается непрерывному распаду и синтезу, в результате которых обеспечивается высокий уровень обновления клеточных и тканевых структур. Процессы диссимиляции и ассимиляции, их взаимное соотношение и взаимосвязь составляют сущность обмена веществ, а следовательно, и сущность жизни. В этом отношении знаменательны слова И. М. Сеченова, который говорил: «проследить судьбу пищевых веществ в организме значит познать сущность жизненных процессов во всей их совокупности».

В нормальных условиях у взрослого человека процессы ассимиляции и диссимиляции протекают в объеме, обеспечивающем относительное равновесие обмена веществ, характеризующееся постоянством веса тела.

Процессы ассимиляции и диссимиляции в живом организме объединены в единое целое. Они согласованы между собой, организованы по времени и образуют целостную систему, обеспечивающую сохранение живого тела и его нормальную функциональную способность.

Обмен веществ и энергии в процессе жизнедеятельности подвергается изменениям, соответственно создающимся условиям и изменяющимся потребностям организма. Сложная система регуляторных механизмов обеспечивает при этом необходимый уровень интенсивности процессов ассимиляции и диссимиляции соответственно состоянию организма. Обмен веществ в тканях регулируется на клеточном и молекулярном уровнях, на основе саморегулирования. Что же касается целостного организма, то здесь регулирование обмена веществ осуществляется на основе гуморальной и нервной регуляции. В регулировании обмена веществ принимают участие многие гормоны. На белковый обмен существенное влияние оказывает гормон щитовидной железы — тироксин. На углеводный обмен регулирующее влияние оказывают гормон надпочечников — адреналин и гормон поджелудочной железы — инсулин.

Особенно многообразному влиянию подвергается жировой обмен, в регулировании которого участвуют гормоны поджелудочной и щитовидной желез, гипофиза, надпочечников. В регулировании обмена веществ ведущая роль принадлежит центральной нервной системе, которая осуществляет свое координирующее влияние на обмен веществ посредством гормонов. В торможении и активировании секреции гормонов четко определена важность роли нервной системы. Нервная регуляция обмена веществ осуществляется вегетативной нервной системой прямым и косвенным путем.

Прямая нервная регуляция предусматривает местное непосредственное, трофическое действие на обмен веществ, в тканях и органах. Косвенная нервная регуляция проявляется воздействием нервной системы на железы внутренней секреции, усиливая или тормозя гормонообразование и поступление гормонов в кровь.

Скорость химических реакций обмена веществ, их согласованность и последовательность регулируются также деятельностью ферментных и ряда других регуляторных систем, особенно нервной системы.

Некоторые вещества, например креатин, глюкоза, способны повышать интенсивность окислительных процессов. Особенно выраженное действие на обмен веществ оказывает тироксин, который, воздействуя на структуру митохондрий, повышает интенсивность окислительных процессов. Необходимо отметить, что любой гормон, воздействуя на ту или иную систему и функцию, в то же время оказывает влияние на обмен веществ.

В различные возрастные периоды может изменяться программа обмена веществ. В нормальных условиях у взрослого человека процессы диссимиляции и ассимиляции протекают в объеме, обеспечивающем относительное равновесие обмена веществ. Однако в различные возрастные периоды программа обмена веществ может несколько изменяться. Эти изменения тем более возможны, что деятельность ферментов с одинаковой энергией может происходить как в направлении интенсификации процессов ассимиляции и диссимиляции, так и в сторону их ослабления, задержки и торможения.

Так, в молодом возрасте, примерно до 25 лет, когда процессы роста и развития еще не завершены, обмен веществ характеризуется некоторым преобладанием процессов ассимиляции над процессами диссимиляции. При этом можно рассматривать действующую программу обмена как белковую программу, направленную к полному удовлетворению всех синтетических потребностей, связанных с ростом, пластическими и другими структурными процессами, протекающими в организме в этот возрастной период. В среднем возрасте (25-60 лет) в обмене веществ отмечается некоторое равновесие, при котором интенсивность и объем процессов диссимиляции и ассимиляции примерно равны. В этом возрастном периоде, достаточно продолжительном, процессы роста и развития организма завершены и действовавшая в молодом возрасте белковая программа обмена веществ начинает постепенно (к 40 годам) заменяться «жировой» программой, при которой преобладают синтетические процессы, связанные с образованием нейтрального жира.

Программа обмена веществ после 60 лет характеризуется некоторым преобладанием процессов диссимиляции над процессами ассимиляции. Такое программирование обмена веществ может рассматриваться как переход к старости с прогрессирующим соответственно возрасту ослаблением ассимиляционных процессов, с одновременным нарастанием и интенсификацией процессов диссимиляции, сопровождаемых ослаблением функциональных возможностей различных систем организма. Приведенные данные о естественном возрастном программировании обмена веществ, весьма относительны и строго индивидуальны. У разных людей те или иные изменения обмена веществ могут наступать в различные возрастные периоды.

Под влиянием различных экзогенных и эндогенных факторов возможны нарушения обмена веществ. Они весьма многообразны и выражаются в недостаточном усвоении или избыточном накоплении веществ, изменении взаимодействия веществ и характера их превращений, накоплении промежуточных продуктов обмена, в образовании веществ, не свойственных нормальному обмену. Нарушения обмена веществ лежат в основе любого патологического процесса. Они особенно выражены при расстройствах трофической и регуляторной функций нервной системы и контролируемых ею эндокринных систем. К нарушениям обмена веществ приводит недостаточное или избыточное в количественном отношении питание, а также питание, неполноценное в биологическом отношении. Выражением нарушений обмена, возникающих при этом, является развитие таких состояний, как алиментарная дистрофия, маразм, ожирение.

Обмен веществ и энергии представляет собой комплекс биохимических и энергетических процессов, обеспечивающих использование пищевых веществ для нужд организма и удовлетворение его потребностей в пластических и энергетических веществах.

Пищевые вещества — белки, липиды, полисахариды и другие высокомолекулярные соединения — подвергаются в пищеварительном тракте гидролитическому расщеплению на более простые низкомолекулярные соединения. Последние, поступая в кровь и в ткани, подвергаются дальнейшим превращениям — аэробному окислению, окислительному фосфорилированию. В процессе этих превращений наряду с окислением до CO₂ и H₂O происходит использование продуктов окисления для синтеза аминокислот и других важных метаболитов. Аэробное окисление, таким образом, сочетает в себе элементы распада и синтеза и является связующим звеном в этих взаимно противоположных процессах в обмене белков, жиров, углеводов и других веществ.

Продукты расщепления пищевых веществ в пищеварительном тракте — аминокислоты белков, жирные кислоты жиров, моносахариды углеводов — вместе с аналогичными веществами, образовавшимися в органах и тканях, составляют «метаболический фонд», постоянно используемый организмом для биосинтеза и формирования новых структурных образований, а также для удовлетворения потребности в энергии.

Распад веществ, поступивших из внешней среды, происходящий в организме в результате диссимиляции, сопровождается выделением энергии, составляя энергетику обмена.

В промежуточном обмене веществ в результате аэробного окисления и сочетающегося с ним окислительного фосфорилирования происходит освобождение химической энергии. Примерно половина ее (40-50%) аккумулируется в макроэргических соединениях, составляя «энергетический фонд», который используется для синтеза высокоэргических соединений (нуклеозидтрифосфат, аденозинтрифосфорная кислота). Гидролитическое расщепление АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) на АДФ (аденозиндифосфорная кислота) сопровождается освобождением тепла. Половина всей химической энергии, освобождающейся в процессе обмена веществ, превращается в тепло. Таким образом, в обмене веществ сочетаются две стороны — энергетическая, обеспечивающая все области активной и пассивной деятельности, и пластическая, обеспечивающая рост новых тканей и регенерацию отживших клеток и тканевых элементов.

Ассимиляция и диссимиляция

Под действием биологических катализаторов (ферментов) из соединений (компонентов пищи), поступающих в организм, образуются новые вещества, из которых строятся его клетки. Так осуществляется процесс ассимиляции (анаболизма) — усвоения необходимых для организма веществ и превращения их в соединения, аналогичные компонентам этого организма и необходимые для его жизнедеятельности.

Одновременно с процессом ассимиляции в организме происходит и процесс диссимиляции (катаболизма), при котором образованные и накопленные при ассимиляции сложные органические соединения также ферментативно разлагаются до более простых соединений или конечных продуктов с постепенным высвобождением энергии, чаще всего в виде АТФ, которая используется для разнообразных процессов жизнедеятельности, в том числе для синтеза новых соединений.

Ассимиляция и диссимиляция, хотя и противоположные по результатам процессы, в основе своей тесно взаимосвязаны и взаимообусловлены. Взаимосвязь их обнаруживается в расходовании на биосинтез веществ (ассимиляцию) той энергии, которая освобождается в процессе диссимиляции. Без этой энергии не могут образовываться и продукты распада белков, жиров и углеводов, необходимые для биосинтеза. С другой стороны, ассимиляция обусловливает накопление в организме соответствующего энергетического материала. Эти процессы являются важнейшими звеньями метаболизма — совокупности процессов биохимических превращений веществ и энергии в живых организмах, обмена веществ.

Ассимиляцию называют также обменом пластических, питательных веществ, а диссимиляцию — энергетическим обменом. Для ассимиляции у зеленых растений используется энергия поглощенных световых лучей, у микроорганизмов-хемосинтетиков — энергия, выделяемая при окислении ими разных неорганических веществ.

АТФ — универсальный источник энергии в клетке. В организме человека, животных, большинства, микроорганизмов необходимая энергия образуется в реакциях катаболизма при дыхании или брожении. Эта энергия, прежде чем превратиться в какую-нибудь другую форму (механическую, осмотическую), переходит в особую форму химической энергии — энергию макроэргических связей молекул аденозинтрифосфорной кислоты. У большинства организмов энергия, выделяемая во время одной ферментативной реакции, является звеном «каталитического конвейера» — каскадного процесса освобождения энергии. Аккумуляция и транспорт энергии осуществляются с помощью одного и универсального для всех организмов источника энергии функциональной деятельности клетки — АТФ.

Основные вещества, из которых клетка черпает энергию в АТФ, — широко распространенные моносахариды, в первую очередь глюкоза. Среди многих способов распада глюкозы важную роль играют два тесно связанных между собой процесса, базирующихся на анаэробном расщеплении субстрата, — гликолиз и разные типы брожения продуктов гликолиза.

Богданова, Т.Л. Справочник по биологии/ Т.Л. Богданова [и д.р.]. – К.: Наукова думка, 1985.- 585 с.

Источники:

http://megaobuchalka.ru/2/33246.html
http://www.pravilnoe-pokhudenie.ru/produkty/gigiena-pitania/obmen-veschestv-energii.shtml
http://big-archive.ru/biology/guide_to_biology/253.php