Обме́н веще́ств (метаболизм), совокупность химических процессов, обеспечивающих жизнедеятельность живых организмов и их постоянный контакт с окружающей средой. В ходе обмена веществ энергия, запасённая в органических соединениях, поступающих с пищей, используется для синтеза новых соединений, а также для поддержания структуры и функциональной активности клеток, для выполнения механической работы, поддержания температуры тела и выполнения других функций. Реакции обмена веществ протекают при участии биологических катализаторов – ферментов, которые обеспечивают строгую упорядоченность катализируемых ими реакций, многоуровневую управляемость метаболических путей, их тесную взаимосвязь и точную локализацию в специализированных органеллах клетки.

Процессы катаболизма и анаболизма

Обмен веществ складывается из двух происходящих одновременно и взаимосвязанных процессов – распада (диссимиляции, или катаболизма) и синтеза (ассимиляции, или анаболизма). В ходе катаболических превращений происходит расщепление крупных органических молекул (например, полисахаридов, белков, липидов) до простых соединений с одновременным запасанием энергии в форме богатых ею соединений, таких как аденозинтрифосфат (АТФ), креатинфосфат, тиоэфиры, смешанные ангидриды фосфорной и карбоновой кислот и др. Катаболические превращения могут протекать как при отсутствии кислорода (анаэробный путь – гликолиз, брожение), так и в его присутствии (аэробный путь – дыхание). В процессе катаболизма разнообразные органические вещества в конечном итоге превращаются в ограниченное количество небольших молекул, таких как CO₂, H₂O, аммиак, мочевина.

В ходе анаболических превращений происходит биосинтез соединений, требующий энергетических затрат. Зелёные растения (фототрофы) осуществляют первичный синтез органических соединений из CO₂ с использованием энергии солнечного света (фотосинтез). Гетеротрофы синтезируют органические соединения только за счёт энергии и соединений (метаболитов), образующихся в результате катаболических превращений.

Реакции синтеза не являются простым обращением реакций распада и, как правило, пространственно разобщены. Например, 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 различных соединений весьма многообразны; в то же время биохимические реакции, лежащие в основе обмена веществ, сходны у всех организмов. Основным связующим звеном катаболических и анаболических превращений является цикл трикарбоновых кислот, метаболиты которого используются как для получения энергии, так и для биосинтеза различных соединений.

Особые группы метаболитов

Среди продуктов обмена веществ выделяют отдельную группу метаболитов, имеющих универсальное значение и участвующих в большом количестве различных процессов. Например, ключевым соединением в реакциях, связанных с распадом и синтезом различных веществ, служит ацетил-кофермент A. 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 том числе глицин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты) выступают в качестве промежуточных соединений или доноров определённых функциональных групп при синтезе мочевины, пуриновых и пиримидиновых оснований, порфиринов и других соединений.

Регуляция обмена веществ

В процессе эволюции возникли специальные регуляторные системы, обеспечивающие высокую степень упорядоченности и согласованности реакций и позволяющие приспособиться к изменениям условий окружающей среды. Регуляция обмена веществ на клеточном уровне может осуществляться путём изменения количества и активности ферментов, доступности субстратов и кофакторов, модуляции проницаемости биологических мембран, благодаря взаимодействию ферментов между собой, их строгой локализации внутри клетки и с помощью других многочисленных механизмов. Обмен веществ может регулироваться гормонами и координируется центральной нервной системой.

Нарушения обмена веществ

Нарушения обмена веществ приводят к развитию различных патологий. Врождённые нарушения обмена веществ связаны с мутациями в генах, кодирующих определённые ферменты, участвующие в превращении тех или иных соединений (альбинизм, фенилкетонурия), или ответственных за синтез других белков, например гемоглобинов (серповидно-клеточная анемия).

Недостаточный синтез гормона инсулина у человека или дефекты в рецепторах инсулина приводят к нарушению транспорта глюкозы из крови в клетки периферических органов и развитию сахарного диабета, сопровождающегося перестройкой всего обмена веществ 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 обмена веществ могут быть обусловлены недостатком незаменимых аминокислот и жирных кислот, витаминов, несбалансированностью питания (в соотношении основных компонентов пищи) и др.