12 месяцев назад
Нету коментариев

Органические вещества и заключенная в них энер­гия, образовавшаяся в клетках любого организма в процессе ассимиляции, претерпевают обратный про­цесс — диссимиляцию. При диссимиляции освобож­дается химическая энергия, которая в организме же превращается в различные формы энергии — механи­ческую, тепловую и т. д. Освобожденная при диссими­ляции энергия является той самой материальной осно­вой, которая осуществляет все жизненные процессы — синтез органических веществ, саморегулирование организма, рост, развитие, размножение, реакции орга­низма на внешние воздействия и другие проявления жизни.

Диссимиляция, или окисление, у живых организ­мов осуществляется двумя способами. У большинства растений, животных, человека и простейших организ­мов окисление органических веществ происходит с участием кислорода воздуха. Этот процесс получил название «дыхание», или аэробный (от лат. аэр — воз­дух) процесс. У некоторых групп растений, которые способны существовать без воздуха, окисление про­исходит без кислорода, то есть анаэробным путем, и называется брожением. Рассмотрим каждый из этих процессов в отдельности.

Понятие «дыхание» первоначально означало лишь вдыхание и выдыхание воздуха легкими. Затем «ды­ханием» стали называть обмен газами между клеткой и окружающей ее средой — потребление кислорода и выделение углекислоты. Дальнейшие углубленные исследования показали, что дыхание является очень сложным многоступенчатым процессом, который со­вершается в каждой клетке живого организма с обяза­тельным участием биологических катализаторов — ферментов.

Органические вещества, прежде чем превратиться в «топливо», дающее энергию клетке и организму в целом, должны быть соответствующим образом обра­ботаны с помощью ферментов. Эта обработка заключа­ется в расщеплении крупных молекул биополимеров — белков, жиров, полисахаридов (крахмала и гликоге­на) — в мономеры. Тем самым достигается определен­ная универсализация питательного материала.

Таким образом, вместо многих сотен различных полимеров, например пищи, в кишечнике животных образуется несколько десятков мономеров — аминокислот, жирных кислот, глицерина и глюкозы, кото­рые затем доставляются клеткам тканей животных и человека по кровеносным и лимфатическим путям. В клетках происходит дальнейшая универсализация этих веществ. Все мономеры превращаются в более простые молекулы карбоновых кислот с углеродной цепочкой, содержащей от двух до шести атомов. Если мономеров насчитывается несколько десятков, из них двадцать аминокислот, то карбоновых кислот всего десять. Так окончательно утрачивается специфика пи­тательных веществ.

Но и карбоновые кислоты являются лишь предшест­венниками материала, который можно назвать «био­логическим горючим». Они непосредственно еще не могут быть использованы в энергетических процессах клетки. Следующий этап универсализации — отщеп­ление от карбоновых кислот водорода. При этом обра­зуется углекислый газ (СО2), который организм выды­хает. Атом водорода содержит электрон и протон. Для энергетики клетки и организма в целом (биоэнергети­ки) роль этих составных частей атома далеко не равно­ценна. Энергия, заключенная в атомном ядре, недо­ступна для клетки. Превращение же электрона в атоме водорода сопровождается выделением энергии, кото­рая используется в процессах жизнедеятельности клет­ки. Поэтому освобождением электрона заканчивается последний этап универсализации биологического топ­лива. В этот период специфика органических веществ, их составных частей и карбоновых кислот не имеет значения, ибо все они в конечном счете приводят к образованию носителя энергии — электрона.

Возбужденный электрон соединяется с кислородом. Приняв два электрона, кислород заряжается отрица­тельно, присоединяет два протона и образует воду. Так совершается акт клеточного дыхания.

Окисление органических веществ в клетках про­исходит в митохондриях, которые, как уже было отме­чено в предыдущей брошюре, играют роль динамомашины, преобразующей энергию сгорания углеводов и жиров в энергию аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Окислению в организме подвергаются в первую очередь углеводы. Начальные и конечные процессы окисления углеводов можно выразить такой суммар­ной формулой: C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + энергия.

В животном и растительном организмах процесс дыхания в основе своей одинаков: биологический смысл его в обоих случаях состоит в получении энер­гии каждой клеткой в результате окисления органиче­ских веществ. Образуемая при этом АТФ используется как аккумулятор энергии. Именно этим аккумулято­ром восполняется потребность в энергии, в каком бы месте клетки любого организма она не возникла.

В процессе дыхания растения совершенно так же, как и животные, потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Как у животных, так и у растений дыхание идет непрерывно днем и ночью. Прекращение дыхания, например путем прекращения доступа кисло­рода, неминуемо приводит к смерти, так как жизне­деятедьность клеток не может поддерживаться без непрерывного использования энергии. У всех живот­ных, за исключением микроскопически малых, кисло­род не может проникнуть в достаточном количестве непосредственно в клетки и ткани из воздуха. В этих случаях газообмен со средой осуществляется при помо­щи специальных органов (трахей, жабр и легких). У позвоночных снабжение кислородом каждой отдель­ной клетки происходит через кровь и обеспечивается работой сердца и всей кровеносной системы. Слож­ность газообмена у животных долгое время мешала выяснить истинную сущность и значение тканевого дыхания. Ученым нашего столетия потребовалось мно­го усилий для доказательства того, что окисление со­вершается не в легких и не в крови, а в каждой живой клетке.

В растительном организме механизмы газообмена значительно проще, чем у животных. Кислород возду­ха проникает в каждый лист растений через особые отверстия — устьица. Газообмен у растений осущест­вляется всей поверхностью тела и связан с передвиже­нием воды по сосудистым пучкам.

Организмы, у которых окисление происходит за счет свободного кислорода (атмосферного или раство­ренного в воде), называются, как уже было отмечено выше, аэробными. Этот тип обмена свойствен подавля­ющему большинству растений и животных.

Все живые существа на Земле в процессе дыхания ежегодно окисляют миллиарды тонн органических веществ. При этом освобождается огромное количество энергии, которая используется во всех проявлениях жизни.

Французским ученым Л. Пастером еще в прошлом столетии была показана возможность развития неко­торых микроорганизмов в бескислородной среде, то есть «жизнь без воздуха». Окисление органических веществ без участия кислорода называется брожением, а организмы, способные к активной жизни в лишенной кислорода среде, называются анаэробными. Таким об­разом, брожение — это форма диссимиляции при ан­аэробном типе обмена.

При брожении в отличие от дыхания органические вещества окисляются не до конечных продуктов (СО2 и Н2О), а образуются промежуточные соединения. Энер­гия, заключенная в органических веществах, освобож­дается не вся, часть ее остается в промежуточных сбраживающих веществах.

Брожение так же, как и дыхание, осуществляется через ряд сложных химических реакций. Например, конечные результаты спиртового брожения изобража­ются следующей формулой:

С6Н12О6 = 2СО2 + 2С2Н5ОН + 25 ккал/г • моль.

В результате спиртового брожения из сахара (глю­козы) образуется продукт неполного окисления — эти­ловый спирт — и освобождается только небольшая часть энергии, содержащейся в углеводах.

Примером анаэробных организмов могут служить дрожжевые грибки, которые получают энергию для жизнедеятельности, ассимилируя углеводы и подвер­гая их спиртовому брожению в процессе диссимиля­ции. Многие анаэробные микроорганизмы расщепляют углеводы до молочной, масляной, уксусной кислот и других продуктов неполного окисления. Некоторые виды бактерий могут использовать в качестве источни­ка энергии не только сахара, аминокислоты и жиры, но и продукты выделения животных, как, например, мочевину и мочевую кислоту, содержащиеся в моче, и вещества, входящие в состав экскрементов. Даже пени­циллин, убивающий многие бактерии, используется одним из видов бактерий как питательное вещество.

Анаэробный обмен встречается в основном в мире микроорганизмов. Из многоклеточных в значительной мере за счет анаэробного обмена живут кишечные па­разиты (круглые и ленточные глисты и др.), обитаю­щие в среде с очень малым содержанием свободного кислорода. Среди микроорганизмов есть много аэроб­ных, а также форм, способных к обоим типам обмена.

Таким образом, в процессе синтеза органических соединений в них как бы «консервируется» или запа­сается затраченная на их синтез энергия химических связей. Она снова освобождается при обратном процес­се разложения органических веществ. В энергетиче­ском отношении живые существа являются, как уже говорилось, открытыми системами. Это значит, что они нуждаются в поступлении энергии извне в форме, ко­торая позволяет использовать ее для выполнения ра­боты, неразрывно связанной с жизненными проявле­ниями, и выделяют в окружающую среду эту же энергию, но уже в обесцененной форме, например в форме тепла, которое рассеивается в окружающей сре­де. Благодаря непрерывным процессам синтеза и распада, ассимиляции и диссимиляции в живых существах идет постоянный круговорот веществ и превращение энергии. Какое количество энергии было поглощено, столько же ее выделяется при диссимиля­ции. Энергия, освободившаяся при диссимиляции, осуществляет процессы, которые характеризуют сущ­ность жизни и все ее проявления.