Диссимиляция (катаболизм) — совокупность процессов, при которых происходит окисление сложных органических веществ и превращение их в неорганические (воду, углекислый газ, мочевину (простое органическое вещество) и др.), сопровождающееся синтезом АТФ, которая используется организмом в процессах ассимиляции и других процессах жизнедеятельности организма.
Главной функцией процессов диссимиляции в организме является перевод энергии из «неудобной» организму формы (энергии химических связей сложных органических веществ — белков, углеводов, жиров) в «удобную» форму — макроэргические связи соединения типа АТФ и АДФ, энергия которых за счет процессов фосфорилирования легко переходит от одного соединения к другому. Это одна из биолого-экологических функций ассимиляции. Другой такой функцией является реализация круговорота веществ, когда органические вещества превращаются в неорганические, а последние вновь вступают в круговорот, участвуя в образовании органических веществ.
Перевод энергии из «неудобной» для организма формы в «удобную» происходит за счет превращения сначала АМФ в АДФ, а затем АДФ в АТФ.
Превращения аденозинфосфатов с образованием макроэргических связей выражаются схемами: АМФ + Н3РO4 → АДФ + Н2O (поглощение энергии); АДФ + Н3РO4 = АТФ + Н2O (поглощение энергии).
В результате процессов диссимиляции накапливается АТФ, которая затем используется в процессах ассимиляции, а энергия, заключенная в макроэргических связях молекул АТФ, передается на другие молекулы либо за счет процессов фосфорилирования (остаток переходит с молекулы АТФ на другие молекулы), либо за счет гидролиза АТФ и ее превращения в АДФ и фосфорную кислоту.
Организмы по характеру участия в процессах диссимиляции молекулярного кислорода делятся на анаэробные (бескислородные) и аэробные (кислородные). В анаэробных организмах диссимиляция осуществляется за счет брожения, а в аэробных — за счет дыхания в широком понимании сущности этого понятия.
Брожение — совокупность процессов разложения сложных органических веществ до более простых, сопровождающаяся выделением энергии и синтезом АТФ.
В природе наиболее распространенными видами брожения являются молочнокислое и спиртовое. Как способ «извлечения» энергии брожение — малоэффективный процесс: так, при молочнокислом брожении из 1 моль глюкозы образуется 2 моль АТФ.
1. Молочнокислое брожение — анаэробный процесс распада глюкозы до молочной кислоты. Выражается схемой:
С6Н12O6 (глюкоза ) → 2СН3СН(ОН)СООН (молочная кислота)
(выделяется энергия, под действием которой синтезируется две молекулы АТФ).
Этот вид брожения характерен для молочнокислых бактерий, в присутствии которых происходит скисание молока.
Молочнокислое брожение является одной из стадий процесса дыхания (в широком смысле) у аэробных организмов, в том числе и у человека.
2. Спиртовое брожение — аэробный процесс распада глюкозы, сопровождающийся образованием этилового спирта и углекислого газа; протекает по схеме:
С6Н12О6 (глюкоза) → 2СО2 + 2С2Н5ОН (этиловый спирт)
(выделяется энергия, используемая для синтеза АТФ).
Этот вид брожения происходит в плодах, в других органах растения, находящихся в анаэробной среде.
В природе наиболее широкое распространение имеет другой способ диссимиляции — дыхание, которое реализуется в окислительной среде, т. е. среде, содержащей молекулярный кислород. Процесс дыхания состоит из двух частей: газообмена и сложной последовательности биохимических процессов окисления органических соединений, конечными продуктами которых являются углекислый газ, вода, аммиак (превращается в другие вещества) и некоторые другие соединения (сероводород, неорганические соединения фосфора и др.).
В обиходе дыхание рассматривается как процесс газообмена (это понимание понятия «дыхания» в узком смысле). Так, зоологи в организмах высших животных выделяют систему органов дыхания — в этих органах осуществляется газообмен, в результате которого из организма удаляется СО2, а в организм поступает О2 (мы «дышим», т. е. выделяем углекислый газ и поглощаем молекулярный кислород).
В данном пособии дыхание рассматривается в широком смысле этого слова как совокупность процессов газообмена, перенесения газов по организму и совокупность химических процессов, при которых сложные органические вещества превращаются в неорганические, при этом энергия усваивается организмом в форме АТФ, синтезирующейся в процессе диссимиляции.
Итак, процесс дыхания в широком смысле состоит из двух фаз: газообмена и совокупности химических процессов освобождения энергии и синтеза АТФ. Кратко охарактеризуем эти фазы.
1. Газообмен.
Для одноклеточных и относительно просто устроенных организмов (как растительных, так животных и грибов) газообмен протекает на всей поверхности тела: кислород поступает в клетки, а углекислый газ выделяется в окружающую среду. У высших растений роль органов дыхания играют или устьица(листья), или особо устроенные поры (чечевички) в коре многолетних органов (стебли, корни), кроме того, корни поглощают кислород и выделяют углекислый газ корневыми волосками. У высокоорганизованных многоклеточных животных имеются сложно устроенные органы дыхания — это или жабры (у водных животных), или легкие (высшие животные типа Позвоночные), или система трахей (насекомые).
Рассмотрим газообмен на примере человека — представителя типа Позвоночные. Этот процесс протекает достаточно сложно и начинается в легких, в которых в капиллярах альвеол кровь, обогащенная СO2 (венозная кровь), контактирует с воздухом, богатым кислородом (поступил в легкие во время вдоха), за счет чего в воздух легких выделяется углекислый газ, а молекулярный кислород взаимодействует с гемоглобином крови, образуя соединение алого цвета — оксигемоглобин (О2 вытесняет СО2 из его соединения с гемоглобином). В полость легких диффундирует и СО2, содержащийся в плазме крови. Возникшая артериальная кровь по венам легких поступает в левое предсердие, а из него — в левый желудочек и аорту. Далее кровь по кровеносным сосудам разносится к тканям различных органов и через капилляры в тканях углекислый газ из тканевой жидкости (в тканевую жидкость СО2 поступил из клеток) поступает в эритроциты крови, частично реагируя с оксигемоглобином, а частично растворяясь в плазме клетки. Молекулярный кислород диффундирует сначала в тканевую жидкость, а потом — в клетки. В результате охарактеризованных процессов в тканях образуется венозная кровь, которая из капилляров поступает в вены, а затем — в правое предсердие, правый желудочек, из которого через легочные артерии поступает в легкие и процесс повторяется.
2. Характеристика химических процессов окисления при диссимиляции.
Химизм «освобождения энергии», содержащейся в сложных биохимических соединениях, сложен и протекает в три этапа.
1 этап — подготовительный.
Этот этап протекает в любом организме и состоит в том, что сложные органические вещества превращаются в более простые (белки — в смесь природных альфа-аминокислот; полисахара — в моносахара; жиры — в смесь глицерина и жирных кислот). При протекании данного этапа выделяется небольшое количество энергии, которую организм практически не использует — она рассеивается.
2 этап — анаэробный.
Он представляет собой процессы брожения. Наиболее важным процессом брожения является молочнокислое брожение, которое можно изобразить схемой:
С6Н12О6 (глюкоза) + 2АДФ + 2Н3РО4 → 2 АТФ + 2Н2О + СН3СН(ОН)СООН (молочная кислота)
Этот этап необходим организмам для реализации их физиологических функций (совершение механической работы, перемещения организма в пространстве и т. д.). Кроме того, молочная кислота является веществом, вступающим в третий этап.
3 этап — аэробный.
Для осуществления этого этапа необходим молекулярный кислород. Он реализуется в особых органоидах клетки — митохондриях (их образно называют «энергетическими станциями клетки»). Аэробный этап представляет собой сложнейшую цепь превращений, в результате которых образуются неорганические вещества. Если превращениям подвергалась глюкоза, то схематически аэробный этап можно изобразить так:
2СН3СН(ОН)СООН (молочная кислота) + 6О2 + 36 АДФ + 36 Н3Р04 6СО2 + 42Н2О + 36АТФ
Две молекулы молочной кислоты взяты потому, что из одной молекулы глюкозы при молочнокислом брожении образуется две молекулы кислоты.
Итак, при полном распаде одной молекулы глюкозы до СО2 и Н2О синтезируется 38 (36+2) молекул АТФ, что соответствует 55%-му усвоению энергии, которая выделяется при полном окислении глюкозы до указанных выше продуктов.
Завершая рассмотрение процессов диссимиляции следует отметить различие в газообмене растений и животных, а для газообмена растений — различие газообмена днем и ночью. Следует помнить, что и у растений и у животных ночью газообмен одинаков — организм поглощает кислород и выделяет в среду обитания СО2. Днем газообмен у растений состоит в том, что растение на свету поглощает СО2, а выделяет в среду обитания О2 (у животных наоборот — выделяется СО2, а поглощается кислород). Из вышесказанного следует экологический вывод об особенностях жилища: в спальне не следует держать много растений (Обоснуйте почему).
При диссимиляции углеводов в процессе дыхания образуется АТФ, тепло, вода, и углекислый газ