ОБМЕ́Н ВЕЩЕ́СТВ

ОБМЕ́Н ВЕЩЕ́СТВ (ме­та­бо­лизм), со­во­куп­ность хи­мич. про­цес­сов, обес­пе­чи­ваю­щих жиз­не­дея­тель­ность жи­вых ор­га­низ­мов и их по­сто­ян­ный кон­такт с ок­ру­жаю­щей сре­дой. В хо­де О. в. энер­гия, за­па­сён­ная в ор­га­нич. со­еди­не­ни­ях, по­сту­паю­щих с пи­щей, ис­поль­зу­ет­ся для син­те­за но­вых со­еди­не­ний, а так­же для под­дер­жа­ния струк­ту­ры и функ­цио­наль­ной ак­тив­но­сти клет­ок, для вы­пол­не­ния ме­ха­нич. ра­бо­ты, под­дер­жа­ния темп-ры те­ла и вы­пол­не­ния др. функ­ций. Ре­ак­ции О. в. про­те­ка­ют при уча­стии био­логич. ка­та­ли­за­то­ров – фер­мен­тов, ко­то­рые обес­пе­чи­ва­ют стро­гую упо­ря­до­чен­ность ка­та­ли­зи­руе­мых ими ре­ак­ций, мно­го­уров­не­вую управ­ляе­мость ме­та­бо­лич. пу­тей, их тес­ную взаи­мо­связь и точ­ную ло­ка­ли­за­цию в спе­циа­ли­зир. ор­га­нел­лах клет­ки.

О. в. скла­ды­ва­ет­ся из двух про­ис­хо­дя­щих од­но­вре­мен­но и взаи­мо­свя­зан­ных про­цес­сов – рас­па­да (дис­си­ми­ля­ции, или ка­та­бо­лиз­ма) и син­те­за (ас­си­ми­ля­ции, или ана­бо­лиз­ма). В хо­де ка­та­бо­лич. пре­вра­ще­ний про­ис­хо­дит рас­ще­п­ле­ние круп­ных ор­га­нич. мо­ле­кул (напр., по­ли­са­ха­ри­дов, бел­ков, ли­пи­дов) до про­стых со­еди­не­ний с од­но­врем. за­па­са­ни­ем энер­гии в фор­ме бо­га­тых ею со­еди­не­ний, та­ких как аде­но­зин­три­фос­фат (АТФ), креа­тин­фос­фат, тио­эфи­ры, сме­шан­ные ан­гид­ри­ды фос­фор­ной и кар­бо­но­вой ки­слот и др. Ка­та­бо­лич. пре­вра­ще­ния мо­гут про­те­кать как при от­сут­ст­вии ки­сло­ро­да (ана­эроб­ный путь – гли­ко­лиз, бро­же­ние), так и в его при­сут­ст­вии (аэроб­ный путь – ды­ха­ние). В про­цес­се ка­та­бо­лиз­ма раз­но­об­раз­ные ор­га­нич. ве­ще­ст­ва в ко­неч­ном ито­ге пре­вра­ща­ют­ся в ог­ра­ни­чен­ное ко­ли­че­ст­во не­боль­ших мо­ле­кул, та­ких как СО₂, Н₂О, ам­ми­ак, мо­че­ви­на.

В хо­де ана­бо­лич. пре­вра­ще­ний про­ис­хо­дит био­син­тез со­еди­не­ний, тре­бую­щий энер­ге­тич. за­трат. Зе­лё­ные рас­те­ния (фо­то­тро­фы) осу­ще­ст­в­ля­ют пер­вич­ный син­тез ор­га­нич. со­еди­не­ний из СО₂ с ис­поль­зо­ва­ни­ем энер­гии сол­неч­но­го све­та (фо­то­син­тез). Ге­те­ро­тро­фы син­те­зи­ру­ют ор­га­нич. со­еди­не­ния толь­ко за счёт энер­гии и со­еди­не­ний (ме­та­бо­ли­тов), об­ра­зую­щих­ся в ре­зуль­та­те ка­та­бо­лич. пре­вра­ще­ний. Ре­ак­ции син­те­за не яв­ля­ют­ся про­стым об­ра­ще­ни­ем ре­ак­ций рас­па­да и, как пра­ви­ло, про­стран­ст­вен­но ра­зоб­ще­ны. Напр., син­тез бел­ка осу­ще­ст­в­ля­ет­ся на ри­бо­со­мах, а рас­ще­п­ле­ние бел­ка (про­те­о­лиз) про­ис­хо­дит ли­бо в ли­зо­со­мах, ли­бо в спе­ци­аль­но пред­наз­на­чен­ных для это­го круп­ных бел­ко­вых комп­лек­сах – про­теа­со­мах; окис­ле­ние жир­ных ки­слот про­те­ка­ет в мат­рик­се ми­то­хон­д­рий, а син­тез жир­ных ки­слот – в ци­то­зо­ле. Фер­мен­ты, осу­ще­ст­в­ляю­щие син­тез, и фер­мен­ты, уча­ст­вую­щие в рас­ще­п­ле­нии од­но­го и то­го же со­еди­не­ния, мо­гут ис­поль­зо­вать раз­ные ко­фак­то­ры и ко­фер­мен­ты. Пу­ти пре­вра­ще­ния разл. со­еди­не­ний весь­ма мно­го­об­раз­ны; в то же вре­мя био­хи­мич. ре­ак­ции, ле­жа­щие в ос­но­ве О. в., сход­ны у всех ор­га­низ­мов. Осн. свя­зую­щим зве­ном ка­та­бо­лич. и ана­бо­лич. пре­вра­ще­ний яв­ля­ет­ся три­кар­бо­но­вых ки­слот цикл, ме­та­бо­ли­ты ко­то­ро­го ис­поль­зу­ют­ся как для по­лу­че­ния энер­гии, так и для био­син­те­за разл. со­еди­не­ний.

Сре­ди про­дук­тов О. в. вы­де­ля­ют отд. груп­пу ме­та­бо­ли­тов, имею­щих уни­вер­саль­ное зна­че­ние и уча­ст­вую­щих в боль­шом ко­ли­че­ст­ве разл. про­цес­сов. Напр., клю­че­вым со­еди­не­ни­ем в ре­ак­ци­ях, свя­зан­ных с рас­па­дом и син­те­зом разл. ве­ществ, слу­жит аце­тил-ко­фер­мент А. Он об­ра­зу­ет­ся в хо­де рас­ще­п­ле­ния жир­ных ки­слот, при рас­па­де уг­ле­во­дов и не­ко­то­рых ами­но­кис­лот и в то же вре­мя мо­жет ис­поль­зо­вать­ся при син­те­зе жир­ных ки­слот, ке­то­но­вых тел, хо­ле­сте­ри­на, сте­рои­дов и тер­пе­нов. Не­ко­то­рые ами­но­кис­ло­ты (в т. ч. гли­цин, ас­па­ра­ги­но­вая и глу­та­ми­но­вая ки­сло­ты) вы­сту­па­ют в ка­че­ст­ве про­ме­жу­точ­ных со­еди­не­ний или до­но­ров оп­ре­де­лён­ных функ­цио­наль­ных групп при син­те­зе мо­че­ви­ны, пу­ри­но­вых и пи­ри­ми­ди­но­вых ос­но­ва­ний, пор­фи­ри­нов и др. со­еди­не­ний.

В про­цес­се эво­лю­ции воз­ник­ли спец. ре­гу­ля­тор­ные сис­те­мы, обес­пе­чи­ваю­щие вы­со­кую сте­пень упо­ря­до­чен­но­сти и со­гла­со­ван­но­сти ре­ак­ций и по­зво­ляю­щие при­спо­со­бить­ся к из­ме­не­ни­ям ус­ло­вий ок­ру­жаю­щей сре­ды. Ре­гу­ля­ция О. в. на кле­точ­ном уров­не мо­жет осу­ще­ст­в­лять­ся пу­тём из­ме­не­ния ко­ли­че­ст­ва и ак­тив­но­сти фер­мен­тов, дос­туп­но­сти суб­стра­тов и ко­фак­то­ров, мо­ду­ля­ции про­ни­цае­мо­сти био­ло­гич. мем­бран, бла­го­да­ря взаи­мо­дей­ст­вию фер­мен­тов ме­ж­ду со­бой, их стро­гой ло­ка­ли­за­ции внут­ри клет­ки и с по­мо­щью мно­го­числ. др. ме­ха­низ­мов. О. в. мо­жет ре­гу­ли­ро­вать­ся гор­мо­на­ми и ко­ор­ди­ни­ру­ет­ся ЦНС.

На­ру­ше­ния О. в. при­во­дят к раз­ви­тию разл. па­то­ло­гий. Вро­ж­дён­ные на­ру­ше­ния О. в. свя­за­ны с му­та­ция­ми в ге­нах, ко­ди­рую­щих оп­ре­де­лён­ные фер­мен­ты, уча­ст­вую­щие в пре­вра­ще­нии тех или иных со­еди­не­ний (см. Аль­би­низм, Фе­нил­ке­то­ну­рия), или от­вет­ст­вен­ных за син­тез др. бел­ков, напр. ге­мо­гло­би­нов (см. Сер­по­вид­но-кле­точ­ная ане­мия). Не­дос­та­точ­ный син­тез гор­мо­на ин­су­ли­на у че­ло­ве­ка или де­фек­ты в ре­цеп­то­рах ин­су­ли­на при­во­дят к на­ру­ше­нию транс­пор­та глю­ко­зы из кро­ви в клет­ки пе­ри­фе­рич. ор­га­нов и раз­ви­тию са­хар­но­го диа­бе­та (см. Диа­бет), со­про­во­ж­даю­ще­го­ся пе­ре­строй­кой все­го О. в. и ис­поль­зо­ва­ни­ем иных (от­лич­ных от глю­ко­зы) ис­точ­ни­ков энер­гии. По­вы­шен­но­му уров­ню глю­ко­зы в кро­ви со­пут­ст­ву­ют мо­ди­фи­ка­ции бел­ков и ли­пи­дов, вслед­ст­вие че­го про­ис­хо­дит по­вре­ж­де­ние и ги­бель кле­ток. На­ру­ше­ния О. в. мо­гут быть об­у­слов­ле­ны не­дос­тат­ком не­за­ме­ни­мых ами­но­кис­лот и жир­ных ки­слот, ви­та­ми­нов, не­сба­лан­си­ро­ван­но­стью пи­та­ния (в со­от­но­ше­нии осн. ком­по­нен­тов пи­щи) и др.