Зат алмасу немесе метаболизм деп тірі ағзада өтетін барлық химиялық реакциялардың жиынын айтамыз. Зат алмасу нәтижесінде ағзаға қажет заттар түзіледі және энергия бөлінеді. Ағза мен сыртқы орта арасында әрқашан зат және энергия алмасуы үздіксіз жүріп отырады. Күрделі қоректік заттар ас қорыту мүшелерінде қорытылып құрылысы жай заттарға айналған соң ащы ішектен қанға және лимфаға өтеді. Қан және лимфа ағыны арқылы ұлпаларға жеткізіледі. Әр мүшенің жасушалары өзіне тән және өсіп-өнуіне қажетті қарапайым заттарды түзеді. Қоректік заттардың ыдырауынан пайда болған энергияны жасушалар әр-түрлі физиологиялық үрдістер үшін жұмсайды. Артық түскен заттарды өзіне қор етіп жинайды (мысалы, гликоген, май). Ал жасушалардың тіршілік етуі нәтижесінде түзілген керексіз заттар өкпе, тері ішек арқылы сыртқа шығарылып отырады.
Зат алмасу (метаболизм) – жасушаның тіршілігін қамтамасыз ететін, организмде жүріп жататын барлық химиялық процестердің жиынтығы. Бұл организмнің тіршілік қабілетін сақтау және сыртқы ортамен қарым-қатынасын, организмге қоректік заттардың еніп, олармен ферменттер әсерінен ыдырауын, пайда болған жай заттардың жасушалар мен мүшелерге тасымалданып, олардың тотығуын, энергия бөлініп шығуын, жасуша құрамындағы түзілістердің биосинтезделуін және қорытылған өнімдердің организмнен бөлініп шығуын қамтамасыз етеді.
Жасушадағы қандай да болса, бір заттың белгілі бір тәртіппен ферменттік айналуға түсуін –метаболизмдік жол, ал осы кезде пайда болатын аралық өнім – метаболиттер деп аталады.
Катаболизм мен анаболизм
Зат алмасу өзара тығыз байланысқан екі қарама-қарсы құбылыстан тұрады: 1) Ассимиляция немесе пластикалық алмасу 2) Диссимиляция немесе энергетикалық алмасу Ассимиляция деп жай заттардан күрделі қосылыстардың түзілу реакцияларының жиынтығын айтамыз. Бұл реакциялар энергияны қажет етеді. Пластикалық алмасу нәтижесінде жасушалардың құрамы жаңарады. Ал диссимиляцияда күрделі заттар ыдырап энергия бөлінеді. Бөлінген энергия ағзаның тіршілігін сақтап, ой және дене еңбектерін орындаға жұмсалады.
Жасушадағы қандай да болса, бір заттың белгілі бір тәртіппен ферменттік айналуға түсуін – метаболизмдік жол, ал осы кезде пайда болатын аралық өнім – метаболиттер деп аталады. Метаболизмнің қарапайым молекулалардан күрделі құрылымдық заттардың түзілу реакциясы – анаболизм, ал бұған қарама-қарсы өтіп жататын процесті катаболизм дейді. Жасыл өсімдіктерде фотосинтез нәтижесінде түрлі көмірсулар түзіледі. Жануарлар әдетте осы көмірсулармен қоректенеді. Қарапайым қанттар қанмен жануарлар денесіне таралып, күрделі полисахарид – гликогенге айналады. Метаболизм нәтижесінде көмірсулар (пируват) органикалық қышқылға, одан әрі майға, көмірсудан пайда болған органикалық қышқылдар аммиак азотымен реакцияласу нәтижесінде амин қышқылына, май, ақуыздар метаболизм нәтижесінде ыдырап, соңында несеп зәрі, аммиак, көмірқышқыл газы, т.б. қарапайым заттарға айналады.
Адам мен жануарлар организміндегі метаболизм процесін реттеуде жүйке жүйесінің атқаратын (әсіресе, үлкен ми сыңарлары қыртысының) маңызы зор. Организмнің дамуы, өсуі, т.б. Метаболизм заңдылықтарына бағынады. Адамда метаболизм процесінің ауытқуы байқалса, адам ауруға шалдығады. Мысалы, диабет, семіздік, бүйрекке тас байлану, атеросклероз, т.б. Метаболизм екі қарама-қарсы реакциялар топтарынан тұрады: катаболизм және анаболизм.
Анабализм немесе биосинтез кезінде қарапайым ізашар молекулалардан нуклеин қышқылдары және т.б. жасушаның макромолекулалары синтезделеді. Биосинтез молекулалардың көлемі өсіп күрделенгендіктен, оған энергия жұмсалады. Ол энергияның көзі АТФ-ның АДФ мен бейорганикалық фосфатқа дейін ыдырауынан пайда болады. Жасушаның кейбір бөлшектеріне НАДФ-Н-дан бөлінетін энергияға бай атомдары пайдаланылады. Катаболизм және анабализм реакциялары жасушада бір уақытта жүреді, бірақ олардың жылдамдығы бір-біріне тәуелсіз реттеледі.
Метаболизм түрі бойынша микроағзалардың жіктелуі
Микроорганизмдерде қоректік заттарды қабылдайтын арнайы мүше болмайды. Сондықтан, олар қоректік заттарды барлық денесі арқылы қабылдайды да, олар жасушадағы керексіз заттарды сыртқа бөліп те үлгереді. Бұл екі процестің екеуі де өте тез жүреді. Қоректік заттарды қабылдау осмос құбылысына байланысты. Өйткені, бактериялар жасушасының қабығы жартылай өткізгіш келеді де белгілі қоректік заттарды қажетті мөлшерде ғана өткізіп тұрады. Микробтар жасушасында болатын заттар ерітіндісі оған белгілі мөлшерде кысым туғызады. Оны осмос қысымы деп атайды. Оның шамасы жасушадағы еріген заттың концентрациясына тығыз байланысты. Егер еріген заттың концентрациясы неғұрлым артық болса, қысым да соғұрлым арта түседі. Жасушада жүретін биохимиялық үдерістердің нәтижесінде жиналған заттар осмос қысымының әсерінен жасушадан сыртқа бөлініп шығып отырады. Ортада су көп болғанда цитоплазма ісініп, жасуша кабығын кереді. Мұны тургор құбылысы деп атайды. Жасуша шамадан тыс ісінсе, жарылып кетуі де ықтимал.
Әдетте микробтар жасушасы үшін оттегі, сутегі, көміртегі, азот, минерал заттары т. б. қажет. Оттегі мен сутегінің негізгі көзі — су, ал көміртегінің сіңірілу тәсілдеріне қарай микроорганизмдер үлкен екі топқа бөлінеді.
Автотрофты организмдер — көміртегін ауадағы көмірқышқыл газынан сіңіреді. Сол ортадағы түрлі минерал заттардың тотығуынан бөлінетін энергия автотрофты организмдердің көміртегін сіңіруіне көмектеседі. Сондықтан, бұл құбылысты фотосинтезге керісінше, хемосинтез деп атайды. Автотрофты микроорганизмдерге С. Н. Виноградский ашқан нитрификациялаушы бактериялар, темір бактериялары, күкірт бактериялары жатады.
Гетеротрофты организмдерге — көміртегін дайын органикалық қосылыстардан алатын микроорганизмдер жатады. Бұларға шіріту бактериялары, әртүрлі ашу процесін қоздырушылар және ауру туғызушы микробтар жатады. Сонымен қатар, олар зат алмасу процесінде түзілетін көмір қышқылын да пайдалана алады, сөйтіп, бұл микроорганизмдердің табиғаттағы өлі қалдықтарды ыдыратудағы рөлі үлкен.
Катаболизм немесе энергетикалық метаболизм, бейорганикалық және органикалық қосылыстардың тотығу реакцияларының жиынтығы. Қоректік заттардың ыдырауы энергия бөлінумен жүреді. Катаболизм жолында ірі полимерлі молекулалар алдымен кішкене фрагменттер мономерлерге ыдырайды, одан әрі органикалық қышқылдарға және фосфорлы эфирлерге айналады. Катаболизм (грекше katabole – сыртқа шығару, ыдырау), организмде тіршілік әрекеті процесінде пайдаланылған энергияны босата отырып, қажетсіз заттарды денеден сыртқа шығарып тастау. Жасуша мен тінде болатын тотығу процесі ферменттерінің қатысуымен үздіксіз жүретін құбылыс. Ондағы нәруыз, май, көмірсу сияқты күрделі органикалық заттар тотығу әсерінен ыдырайды. Осы процестен пайда болған энергия тіршіліктің қажетіне жұмсалады.
Катаболизм (ыдырау реакциясы) кезінде күрделі органикалық молекулалар жай молекулаларға дейін ыдырайды. Жасушаға түскен көмірсулар, ақуыздар мен майлар, сонымен қатар, жасушаның өзінде жиналған қоректік заттар бірнеше реакциялардан кейін сүт қышқылы, СО2 және аммиакқа дейін ыдырайды. Катаболизм реакциясы кезіндегі энергияның бір бөлігі еркін энергия түрінде, яғни жоғары энергетикалық қосылыс - аденозинтрифосфат (АТФ) түрінде сақталады. Ал екінші бөлігі энергияға бай коферменттердің сутегі атомдарында никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ - Н) түрінде сақталады.
Анаболизм, биосинтез немесе конструктивті метаболизм, жасушаның қор заттары және құрылымдық элементтерінің биосинтез реакцияларының жиынтығы. Анаболизм кезінде жасушалық заттардың қарапайым молекулалардан синтезі энергия жұтылуымен жүзеге асады. Анаболизм жолында ең алдымен жасушаның негізгі компоненттері, одан кейін полимерлі макромолекулалар синтезделеді. Жасушада анаболизм және катаболиз процестері бір уақытта жүреді, бір-бірімен тығыз байланысты үдерістер. Метаболизм нәтижесінде көмірсулар (пируват) органикалық қышқылдарға, одан әрі майға, ал көмірсудан пайда болған органикалық қышқылдар аммиак азотымен реакцияласу нәтижесінде амин қышқылына, май, нәруызтар метаболизм нәтижесінде ыдырап, соңында аммиак, көмірқышқыл газы, т.б. қарапайым заттарға айналады
Микроорганизмдерге энергияны қажет:
- қоректік заттарды цитоплазмалық мембрана арқылы тасымалдауға;
- қоректік заттардан негізгі жасушалық компоненттерді синтездеуге;
- көбею мен жасуша қозғалысына.
Көмірсулардың катаболизмі
Микроорганизмдердің басым көпшілігі үшін көмірсулар энергия және көміртегі көзі болып табылады. Олар ыдырағанда энергия түзіледі. Көмірсулардың ең оңай сіңірілетіні – глюкоза, ал одан күрделілері, алдымен глюкозаға дейін ыдырайды. Сондықтан, көмірсулардың ыдырау жолдары глюкозадан бастап қарастырылады. Бактерияларды көмірсулар ыдырауының 3 жолы белгілі:
- Гликолиз (ФЕФ);
- Пентозафосфат (ПФ);
- Энтнер-Дудоров (КДФГ);
- Биологиялық тотығу.
Прокариоттарда қоректену типтерінің, яғни энергия алу жолдары алуантүрлі болғанымен олардың барлығы әртүрлі заттарды тотықтыру ұдерісіне негізделеді. Тотығу- атомдар мен молекулалардың электрон беру процесі. Тотықсыздану – электрондардың атом немесе молекулаға қосылу процесі. Ал жалпы тотығу-тотықсыздану реакциясы деп электронның бір молекуладан екінші молекулаға өтуін айтамыз. Электрон беретін зат донор, қосып алатын зат акцептор деп аталады. Тотығу-тотықсыздану процестері микроорганизмдердің негізгі энергия беретін үдерістері – тыныс алу мен ашудың негізін құрайды. Бұл реакцияларды биологиялық тотығу дейді.
Адам мен жануарлар ағзасындағы жасушаларда энергиямен қамтамасыз ететін негізгі зат - АТФ (Аденозинтрифосфат). Ол жасушаның органелласы митохондрияда синтезделеді. Бұл өте күрделі үдеріс - митохондрия матриксінде электрондар мен протондардың арнайы цитохромоксидазалар арқылы тасымалданып 5 комплекстен өткен соң оттек молекуласын белсендіріп протонға қосылдыру арқылы су түзілуіне әкеледі. Протондардың канал бойымен өткенде бөлетін энергиясы АТФ-синтаза ферментін белсендіріп ол АТФ синтезін жүргізеді. Бұл процесстің жанама атауы - жасуша тыныс алуы немесе биототығу. Қазіргі кезде бұл цитохромоксидазалар мен Митчеллдің хемиосмостық теориясының біріктірілген нұсқасы түрінде қолдану қабылдаған. Тыныс алғанда қабылданған оттек жасушадағы биототығу реакцияларына осы жолмен қатысып су молекуласын түзеді. Бір тәулікте, 70 кг салмақтағы адамға шамамен 62 кг АТФ қалыпты жағдайда қажет деп есептеледі. Ол ауадағы оттекті жұту арқылы қажетті мерзімде лезде қажетті мөлшерде АТФ түрінде түзіледі.
Катаболизм мен анаболизм арасындағы энергия алмасуы
Катаболизмдік жол АТФ және НАДФ - Н түрінде химиялық энергия бөледі. Анаболизм кезінде ол энергия қарапайым молекулалардан макромолекулалар құрастыруға жұмсалады. Анаболизм немесе биосинтез кезіңде қарапайым ізашар молекулалардан нуклеин қышқылдары және т.б. жасушаның макромолекулалары синтезделеді. Биосинтез молекулалардың көлемі өсіп күрделенгендіктен, оған энергия жұмсалады. Ол энергияның көзі АТФ-ның АДФ мен бейорганикалық фосфатқа дейін ыдырауынан пайда болады. Жасушаның кейбір бөлшектеріне НАДФ - Н-дан бөлінетін энергияға бай атомдары пайдаланылады. Катаболизм және анаболизм реакциялары жасушада бір уақытта жүреді, бірақ олардың жылдамдығы бір-біріне тәуелсіз реттеледі.