Обязательным условием существования любого организма является постоянный приток веществ и постоянное выделение конечных продуктов химических реакций, происходящих в клетках организма.
Поступившие в организм в ходе питания органические вещества (или синтезированные в ходе фотосинтеза) расщепляются ферментами на строительные блоки – мономеры и направляются во все клетки организма. Часть молекул этих; веществ расходуется на синтез специфических синтезируются беки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты и другие вещества, которые выполняют различные функции (строительную, каталитическую, регуляторную, защитную и т.д.).
Другая часть низкомолекулярных органических соединений, поступивших в клетки, идет на образование АТФ, в молекулах которой заключена энергия, доступная непосредственно для выполнения работы.
В ходе превращение веществ в клетках организма образуются конечные продукты обмена, которые могут быть токсичными для организма и поэтому выводятся из него (например, аммиак). Таким образом, все живые организмы постоянно потребляют из окружающей среды определенные вещества, преобразуют их и выделяют в среду конечные продукты.
Катаболизм (диссимиляция) – совокупность реакций, приводящих к образованию простых соединений из более сложных. К катаболическим относят, например, реакции гидролиза сложных полимеров до простых манометров и расщепление последних до углекислого газа, воды, аммиака. К катаболическим относят реакции энергетического обмена, в ходе которого происходит окисление органических веществ и синтез АТФ.
Анаболизм (ассимиляция) – совокупность реакций синтеза сложных органических веществ из более простых. Например, фиксация азота и биосинтез белка, синтез углеводов из углекислого газа и воды в ходе фотосинтеза, синтез полисахаридов, липидов, нуклеотидов, ДНК, РНК и других веществ. Синтез веществ в клетках живых организмов часто обозначают понятием пластический обмен, а расщепление веществ и их окисление с целью синтеза АТФ – энергетический обмен. Пластический и энергетический обмены составляют основу жизнедеятельности любой клетки, а, следовательно, и любого организма, и тесно связаны между собой.
Энергетический обмен – неотъемлемая и составная часть обмена веществ и энергии в живом организме, включающая процессы поглощения, запасания, передачи, трансформации, использования и выделения энергии. Любая живая клетка представляет собой активную, динамичную систему, энергия необходима для осуществления любых проявлений жизнедеятельности. Она требуется для процессов химического синтеза, для всех видов движения (в том числе и мышечного), для передачи нервных импульсов. энергия тратится и на процесс активного переноса веществ через плазматическую мембрану (в клетку и из клетки), причем на это расходуется весьма значительная часть энергетических ресурсов клетки. Энергия требуется также для образования тепла и поддержания постоянной температуры тела у птиц и млекопитающих и т.д. В организм энергия поступает из окружающей среды. Первичным источником ее для всего живого служит та часть солнечной радиации, которая называется видимым светом, улавливается зелеными растениями и в процессе фотосинтеза превращается сначала в электрохимическую, а затем в химическую энергию, запасаемую в органических продуктах фотосинтеза. Животные организмы, грибы, большинство бактерий и простейших не способны к фотосинтезу и поэтому целиком зависят (в смысле снабжения энергией) от веществ, синтезируемых растениями. Эта зависимость может быть прямой, как у травоядных, или непрямой, как у плотоядных, которые питаются другими животными, в том числе травоядными. Далее запасенная энергия переводится в форму, в которой она может использоваться растительными и животными клетками, клетками других организмов для выполнения какой-либо работы, например для синтеза необходимых клетке веществ, для обеспечения механических, электрических, осмотических и иных и процессов. В конечном счете, сущность энергетического обмена в клетке (организме в целом) сводится к покрытию ее энергетических потребностей за счет осуществления в ней широкого спектра химических, физических и физико-химических реакций и преобразований веществ.
Единый процесс энергетического обмена можно условно разделить на три последовательных этапа. Первый из них – подготовительный. На этом этапе высокомолекулярные органические вещества в цитоплазме под действием соответствующих ферментов расщепляются на мелкие молекулы: белки – на аминокислоты, полисахариды (крахмал, гликоген) – на моносахариды (глюкозу), жиры – на глицерин и жирные кислоты, нуклеиновые кислоты – на нуклеотиды и т.д. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепла. Второй этап – бескислородный, или неполный. Образовавшиеся на подготовительном этапе вещества подвергаются дальнейшему ферментативному расщеплению без участия кислорода. Примером может служить гликолиз.
Продукт гликолиза – пировиноградная кислота – заключает в себе значительную часть энергии, и дальнейшее ее высвобождение осуществляется в митохондриях. Этот процесс также можно разделить на три основные стадии: 1) окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, 2) цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса – далее); 3) заключительная стадам окисления – электронтранспортная цепь.