додати матеріал


Метаболізм

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Метаболізм, або обмін речовин, хімічні перетворення, які відбуваються від моменту надходження поживних речовин в живий організм до моменту, коли кінцеві продукти цих перетворень виділяються в зовнішнє середовище. До метаболізму відносяться всі реакції, в результаті яких будуються структурні елементи клітин і тканин, і процеси, в яких з містяться в клітинах речовин витягується енергія. Іноді для зручності розглядають окремо дві сторони метаболізму - анаболізм і катаболізм, тобто процеси творення органічних речовин і процеси їх руйнування. Анаболічні процеси зазвичай пов'язані з витратою енергії і призводять до утворення складних молекул з простіших, катаболічні ж супроводжуються вивільненням енергії і закінчуються утворенням таких кінцевих продуктів (відходів) метаболізму, як сечовина, діоксид вуглецю, аміак і вода.

Термін «обмін речовин» увійшов до повсякденного життя з тих пір, як лікарі стали пов'язувати надлишковий або недостатній вагу, надмірну нервозність або, навпаки, млявість хворого з підвищеним або зниженим обміном. Для судження про інтенсивність метаболізму ставлять тест на «основний обмін». Основний обмін - це показник здатності організму виробляти енергію. Тест проводять натщесерце в стані спокою; вимірюють поглинання кисню (О2) і виділення діоксиду вуглецю (СО2). Зіставляючи ці величини, визначають, наскільки повно організм використовує («спалює») поживні речовини. На інтенсивність метаболізму впливають гормони щитовидної залози, тому лікарі при діагностиці захворювань, пов'язаних з порушеннями обміну, останнім часом все частіше вимірюють рівень цих гормонів у крові.

Методи дослідження. При вивченні метаболізму якого-небудь одного з живильних речовин простежують всі його перетворення від тієї форми, в якій воно надходить в організм, до кінцевих продуктів, що виводяться з організму. У таких дослідженнях застосовується вкрай різноманітний набір біохімічних методів.

Використання інтактних тварин або органів. Тварині вводять досліджуване з'єднання, а потім у його сечі і екскрементах визначають можливі продукти перетворень (метаболіти) цієї речовини. Більш певну інформацію можна отримати, досліджуючи метаболізм певного органу, наприклад печінки або мозку. У цих випадках речовину вводять у відповідний кровоносну судину, а метаболіти визначають у крові, що відтікає від даного органу.

Оскільки такого роду процедури пов'язані з великими труднощами, часто для дослідження використовують тонкі зрізи органів. Їх інкубують при кімнатній температурі або при температурі тіла в розчинах з добавкою тієї речовини, метаболізм якого вивчають. Клітини в таких препаратах не пошкоджені, і так як зрізи дуже тонкі, речовина легко проникає в клітини і легко виходить з них. Іноді труднощі виникають із-за дуже повільного проходження речовини крізь клітинні мембрани. У цих випадках тканини подрібнюють, щоб зруйнувати мембрани, і з досліджуваним речовиною інкубують клітинну кашку. Саме в таких дослідах було показано, що всі живі клітини окислюють глюкозу до СО2 і води і що тільки тканина печінки здатна синтезувати сечовину.

Використання клітин. Навіть клітини являють собою дуже складно організовані системи. У них є ядро, а в навколишньому його цитоплазмі знаходяться більш дрібні тільця, т.зв. органели, різних розмірів і консистенції. За допомогою відповідної методики тканину можна «гомогенізувати», а потім піддати диференціальному центрифугированию (поділу) та отримати препарати, що містять лише мітохондрії, тільки мікросоми або прозору рідину - цитоплазму. Ці препарати можна окремо інкубувати з тим з'єднанням, метаболізм якого вивчається, і таким шляхом встановити, які саме субклітинні структури беруть участь у його послідовних перетвореннях. Відомі випадки, коли початкова реакція протікає в цитоплазмі, її продукт піддається перетворенню в мікросомах, а продукт цього перетворення вступає в нову реакцію вже в мітохондріях. Інкубація досліджуваного речовини з живими клітинами або з гомогенатів тканини зазвичай не виявляє окремі етапи його метаболізму, і тільки послідовні експерименти, в яких для інкубації використовуються ті чи інші субклітинні структури, дозволяють зрозуміти весь ланцюжок подій.

Використання радіоактивних ізотопів. Для вивчення метаболізму якого-небудь речовини необхідні: 1) відповідні аналітичні методи для визначення цієї речовини і його метаболітів, та 2) методи, що дозволяють відрізняти доданий речовина від тієї ж речовини, вже присутнього в даному біологічному препараті. Ці вимоги служили головною перешкодою при вивченні метаболізму до тих пір, поки не були відкриті радіоактивні ізотопи елементів і в першу чергу радіоактивний вуглець 14C. З появою сполук, «мічених» 14C, а також приладів для вимірювання слабкої радіоактивності ці труднощі були подолані. Якщо до біологічного препарату, наприклад до суспензії мітохондрій, додають мічену 14C жирну кислоту, то ніяких спеціальних аналізів для визначення продуктів її перетворень не потрібно; щоб оцінити швидкість її використання, досить просто вимірювати радіоактивність послідовно одержуваних мітохондріальних фракцій. Ця ж методика дозволяє легко відрізняти молекули радіоактивної жирної кислоти, введеної експериментатором, від молекул жирної кислоти, вже присутніх в мітохондріях до початку експерименту.

Хроматографія і електрофорез. На додаток до вищезазначених вимог біохіміку необхідні і методи, що дозволяють розділяти суміші, що складаються з малих кількостей органічних речовин. Найважливіший з них - хроматографія, в основі якої лежить феномен адсорбції. Поділ компонентів суміші проводять при цьому або на папері, або шляхом адсорбції на сорбенті, яким заповнюють колонки (довгі скляні трубки), з наступною поступовою елюції (вимиванням) кожного з компонентів.

Поділ методом електрофорезу залежить від знаку і числа зарядів іонізованих молекул. Електрофорез проводять на папері або на якому-небудь інертному (неактивному) носії, такому, як крохмаль, целюлоза або каучук.

Високочутливий і ефективний метод поділу - газова хроматографія. Ним користуються в тих випадках, коли підлягають поділу речовини знаходяться в газоподібному стані або можуть бути в нього переведені.

Виділення ферментів. Останнє місце в описуваному ряду - тварина, орган, тканинної зріз, гомогенат і фракція клітинних органел - займає фермент, здатний каталізувати певну хімічну реакцію. Виділення ферментів в очищеному вигляді - важливий розділ у вивченні метаболізму.

Поєднання перелічених методів дозволило простежити головні метаболічні шляхи у більшої частини організмів (у тому числі у людини), встановити, де саме ці різні процеси протікають, і з'ясувати послідовні етапи головних метаболічних шляхів. До теперішнього часу відомі тисячі окремих біохімічних реакцій, вивчені беруть участь у них ферменти.

Клітинний метаболізм. Жива клітина - це високоорганізована система. У ній є різні структури, а також ферменти, здатні їх зруйнувати. Містяться в ній і великі макромолекули, які можуть розпадатися на дрібніші компоненти в результаті гідролізу (розщеплення під дією води). У клітці зазвичай багато калію і дуже мало натрію, хоча клітина існує в середовищі, де натрію багато, а калію відносно мало, і клітинна мембрана легко проникна для обох іонів. Отже, клітина - це хімічна система, дуже далека від рівноваги. Рівновага настає тільки в процесі посмертного автолиза (самопереварювання під дією власних ферментів).

Потреба в енергії. Щоб утримати систему в стані, далекому від хімічної рівноваги, потрібно робити роботу, а для цього необхідна енергія. Отримання цієї енергії і виконання цієї роботи - неодмінна умова для того, щоб клітина залишалася у своєму стаціонарному (нормальному) стані, далекому від рівноваги. Водночас у ній виконується і інша робота, пов'язана із взаємодією з середовищем, наприклад: у м'язових клітинах - скорочення; в нервових клітинах - проведення нервового імпульсу; в клітинах нирок - утворення сечі, значно відрізняється за своїм складом від плазми крові; в спеціалізованих клітинах шлунково -кишкового тракту - синтез і виділення травних ферментів; в клітинах ендокринних залоз - секреція гормонів; в клітинах світляків - світіння; в клітинах деяких риб - генерування електричних розрядів і т.д.

Джерела енергії. У будь-якому з перелічених вище прикладів безпосереднім джерелом енергії, яку клітина використовує для виробництва роботи, служить енергія, укладена в структурі аденозинтрифосфату (АТФ). У силу особливостей своєї структури це з'єднання багато енергією, і розрив зв'язків між його фосфатними групами може відбуватися таким чином, що вивільняється енергія використовується для проведення робіт. Проте енергія не може стати доступною для клітини при простому гидролитическом розриві фосфатних зв'язків АТФ: в цьому випадку вона витрачається даремно, виділяючись у вигляді тепла. Процес повинен складатися з двох послідовних етапів, в кожному з яких бере участь проміжний продукт, позначений тут X-Ф (в наведених рівняннях X і Y означають два різних органічних речовини, Ф - фосфат; АДФ - аденозиндифосфат):

Метаболізм

Оскільки практично для будь-якого прояву життєдіяльності клітин необхідний АТФ, не дивно, що метаболічна активність живих клітин спрямована в першу чергу на синтез АТФ. Цій меті служать різні складні послідовності реакцій, в яких використовується потенційна хімічна енергія, укладена в молекулах вуглеводів і жирів (ліпідів).

Метаболізм вуглеводів і ліпідів

Синтез АТФ. Анаеробний (без участі кисню). Головна роль вуглеводів і ліпідів у клітинному метаболізмі полягає в тому, що їх розщеплення на більше прості з'єднання забезпечує синтез АТФ. Безсумнівно, що ті ж процеси протікали і в перших, найбільш примітивних клітинах. Проте в атмосфері, позбавленої кисню, повне окислювання вуглеводів і жирів до CO2 було неможливо. У цих примітивних клітин були всі ж механізми, за допомогою яких перебудова структури молекули глюкози забезпечувала синтез невеликих кількостей АТФ. Мова йде про процеси, які у мікроорганізмів називають бродінням. Найкраще вивчено зброджування глюкози до етилового спирту і CO2 у дріжджів.

Метаболізм

У ході 11 послідовних реакцій, необхідних для того, щоб завершилося це перетворення, утворюється ряд проміжних продуктів, що представляють собою ефіри фосфорної кислоти (фосфати). Їх фосфатна група переноситься на аденозиндифосфат (АДФ) з утворенням АТФ. Чистий вихід АТФ становить 2 молекули АТФ на кожну молекулу глюкози, розщеплену в процесі бродіння. Аналогічні процеси відбуваються в усіх живих клітинах; оскільки вони постачають необхідну для життєдіяльності енергію, їх іноді (не цілком коректно) називають анаеробним диханням клітин.

У ссавців, у тому числі у людини, такий процес називається гликолизом і його кінцевим продуктом є молочна кислота, а не спирт і CO2. Вся послідовність реакцій гліколізу, за винятком двох останніх етапів, повністю ідентична процесу, що протікає в дріжджових клітинах.

Аеробний (з використанням кисню). З появою в атмосфері кисню, джерелом якого послужив, очевидно, фотосинтез рослин, в ході еволюції розвинувся механізм, що забезпечує повне окислення глюкози до CO2 і води, - аеробний процес, в якому чистий вихід АТФ становить 38 молекул АТФ на кожну окислену молекулу глюкози. Цей процес споживання клітинами кисню для утворення багатих енергією з'єднань відомий як клітинне дихання (аеробне). На відміну від анаеробного процесу, здійснюваного ферментами цитоплазми, окислювальні процеси протікають у мітохондріях. У мітохондріях піровиноградна кислота - проміжний продукт, що утворився в анаеробній фазі - окислюється до СО2 в шести послідовних реакціях, в кожній з яких пара електронів переноситься на загальний акцептор - кофермент никотинамидадениндинуклеотида (НАД). Цю послідовність реакцій називають циклом трикарбонових кислот, циклом лимонної кислоти або циклом Кребса. З кожної молекули глюкози утворюється 2 молекули піровиноградної кислоти; 12 пар електронів відщеплюється від молекули глюкози в ході її окислення, описуваного рівнянням:

Метаболізм

Перенесення електронів. У кожній мітохондрії є механізм, за допомогою якого відновлений НАД (НАД  Н, де Н - водень), що утворився в циклі трикарбонових кислот, передає свою пару електронів кисню. Перенесення, однак, не відбувається безпосередньо. Електрони як би передаються «з рук в руки» і, лише пройшовши ланцюг переносників, приєднуються до кисню. Ця «ланцюг перенесення електронів» складається з наступних компонентів:

НАДН  Н  Флавінаденіндінклеотід  Кофермент Q 

 Цитохром b  Цитохром c  Цитохром a  O2

Усі компоненти цієї системи, що знаходяться в мітохондріях, фіксовані в просторі і зчеплені один з одним. Таке їх стан полегшує перенесення електронів.

До складу НАД входить нікотинова кислота (вітамін ніацин), а до складу флавінаденіндінуклеотіда - рибофлавін (вітамін B2). Кофермент Q представляє собою високомолекулярний хинон, синтезується в печінці, а цитохроми - це три різних білки, кожен з яких, подібно гемоглобіну, містить гемогруппу.

У ланцюзі перенесення електронів на кожну пару електронів, перенесену від НАД  Н на O2, синтезується 3 молекули АТФ. Оскільки від кожної молекули глюкози відщеплюються і передаються молекулам НАД 12 пар електронів, в цілому на кожну молекулу глюкози утворюється 3  12 = 36 молекул АТФ. Цей процес утворення АТФ в ході окислення називається окислювальним фосфорилюванням.

Ліпіди як джерело енергії. Жирні кислоти можуть використовуватися в якості джерела енергії приблизно так само, як і вуглеводи. Окислення жирних кислот протікає шляхом послідовного відщеплення від молекули жирної кислоти двууглеродного фрагмента з утворенням ацетилкофермента A (ацетил-КоА) та одночасної передачею двох пар електронів в ланцюг перенесення електронів. Утворився ацетил-КоА - нормальний компонент циклу трикарбонових кислот, і надалі його доля не відрізняється від долі ацетил-КоА, що поставляється вуглеводним обміном. Таким чином, механізми синтезу АТФ при окисленні як жирних кислот, так і метаболітів глюкози практично однакові.

Якщо організм тварини отримує енергію майже цілком за рахунок одного тільки окислення жирних кислот, а це буває, наприклад, при голодуванні або при цукровому діабеті, то швидкість утворення ацетил-КоА перевищує швидкість його окислення в циклі трикарбонових кислот. У цьому випадку зайві молекули ацетил-КоА реагують один з одним, в результаті чого утворюються в кінцевому рахунку ацетооцтова і -гідроксимасляна кислоти. Їх накопичення є причиною патологічного стану, т.зв. кетозу (одного з видів ацидозу), який при важкому діабеті може викликати кому і смерть.

Запасання енергії. Тварини харчуються нерегулярно, і їх організму потрібно якось запасати укладену в їжі енергію, джерелом якої є поглинені тваринам вуглеводи і жири. Жирні кислоти можуть запасатися у вигляді нейтральних жирів або в печінці, або в жировій тканині. Вуглеводи, вступаючи у великій кількості, в шлунково-кишковому тракті гідролізуються до глюкози або інших цукрів, які потім у печінці перетворюються у ту ж глюкозу. Тут із глюкози синтезується гігантський полімер глікоген шляхом приєднання один до одного залишків глюкози з відщепленням молекул води (число залишків глюкози в молекулах глікогену доходить до 30 000). Коли виникає потреба в енергії, глікоген знову розпадається до глюкози в реакції, продуктом якої є глюкозофосфат. Цей глюкозофосфат спрямовується на шлях гліколізу - процесу, що формує частину шляху окислення глюкози. У печінці глюкозофосфат може також зазнати гідролізу, і що настає глюкоза надходить у кров і доставляється кров'ю до клітин в різних частинах тіла.

Синтез ліпідів з вуглеводів. Якщо кількість вуглеводів, поглинених з їжею за один прийом, більше того, яке може бути запасено у вигляді глікогену, то надлишок вуглеводів перетворюється в жири. Початкова послідовність реакцій збігається при цьому зі звичайним окислювальним шляхом, тобто спочатку з глюкози утворюється ацетил-КоА, але далі цей ацетил-КоА використовується в цитоплазмі клітини для синтезу довголанцюгових жирних кислот. Процес синтезу можна описати як звернення звичайного процесу окислення жирних клітин. Потім жирні кислоти запасаються у вигляді нейтральних жирів (тригліцеридів), що відкладається в різних частинах тіла. Коли потрібна енергія, нейтральні жири піддаються гідролізу і жирні кислоти надходять в кров. Тут вони адсорбуються молекулами плазмових білків (альбумінів і глобулінів) і потім поглинаються клітинами самих різних типів. Механізмів, здатних здійснювати синтез глюкози з жирних кислот, у тварин немає, але у рослин такі механізми є.

Метаболізм ліпідів. Ліпіди потрапляють в організм головним чином у формі тригліцеридів жирних кислот. У кишечнику під дією ферментів підшлункової залози вони піддаються гідролізу, продукти якого всмоктуються клітинами стінки кишечника. Тут з них знову синтезуються нейтральні жири, які через лімфатичну систему надходять в кров і або транспортуються в печінку, або відкладаються в жировій тканині. Вище вже вказувалося, що жирні кислоти можуть також синтезуватися наново з вуглеводних попередників. Слід зазначити, що, хоча в клітинах ссавців може відбуватися включення однієї подвійного зв'язку в молекули довголанцюгових жирних кислот (між С-9 і С-10), включати другу і третю подвійну зв'язок ці клітини нездатні. Оскільки жирні кислоти з двома і трьома подвійними зв'язками грають важливу роль у метаболізмі ссавців, вони по суті є вітамінами. Тому лінолеву (C18: 2) і ліноленову (C18: 3) кислоти називають незамінними жирними кислотами. У той же час в клітинах ссавців в ліноленову кислоту може включатися четверта подвійний зв'язок і шляхом подовження вуглецевого ланцюга може утворитися арахідонова кислота (C20: 4), також необхідний учасник метаболічних процесів.

У процесі синтезу ліпідів залишки жирних кислот, пов'язані з коферментом А (ацил-КоА), переносяться на гліцерофосфат - ефір фосфорної кислоти та гліцерину. У результаті утворюється фосфатидний кислота - з'єднання, в якому одна гідроксильна група гліцерину етерифіковані фосфорною кислотою, а дві групи - жирними кислотами. При утворенні нейтральних жирів фосфорна кислота видаляється шляхом гідролізу, і її місце займає третя жирна кислота в результаті реакції з ацил-КоА. Кофермент А утворюється з пантотенової кислоти (одного з вітамінів). У його молекулі є сульфгідрильних (- SH) група, здатна реагувати з кислотами з утворенням тіоефірів. При утворенні фосфоліпідів фосфатидний кислота реагує безпосередньо з активованим похідним одного з азотистих основ, таких, як холін, етаноламін або серин.

За винятком вітаміну D, що все зустрічаються в організмі тварин стероїди (похідні складних спиртів) легко синтезуються самим організмом. Сюди відносяться холестерин (холестерол), жовчні кислоти, чоловічі і жіночі статеві гормони і гормони надниркових залоз. У кожному разі вихідним матеріалом для синтезу служить ацетил-КоА: з ацетільних груп шляхом багаторазового повторюваного конденсації будується вуглецевий скелет синтезованого з'єднання.

Метаболізм білків

Синтез амінокислот. Рослини і більшість мікроорганізмів можуть жити і рости в умовах, в якій для їх живлення є тільки мінеральні речовини, діоксид вуглецю і вода. Це означає, що всі виявлені в них органічні речовини ці організми синтезують самі. Зустрічаються у всіх живих клітинах білки побудовані з 21 види амінокислот, з'єднаних в різній послідовності. Амінокислоти синтезуються живими організмами. У кожному випадку ряд хімічних реакцій призводить до утворення -кетокислот. Одна така -кетокислот, а саме -кетоглутарової (звичайний компонент циклу трикарбонових кислот), бере участь у зв'язуванні азоту по наступному рівнянню:

-кетоглутарової кислота + NH3 + НАД  Н 

 Глутамінова кислота + НАД.

Азот глутамінової кислоти може бути потім переданий будь-який з інших -кетокислот з утворенням відповідної амінокислоти.

Організм людини і більшості інших тварин зберіг здатність синтезувати всі амінокислоти за винятком дев'яти т.зв. незамінних амінокислот. Оскільки кетокислот, відповідні цим дев'яти, не синтезуються, незамінні амінокислоти повинні надходити з їжею.

Синтез білків. Амінокислоти потрібні для біосинтезу білка. Процес біосинтезу протікає звичайно в такий спосіб. У цитоплазмі клітини кожна амінокислота «активується» в реакції з АТФ, а потім приєднується до кінцевої групі молекули рибонуклеїнової кислоти, специфічної саме для даної амінокислоти. Ця складна молекула зв'язується з невеликим тільцем, т.зв. рибосомою, у положенні, визначеному довшою молекулою рибонуклеїнової кислоти, прикріпленою до рибосоми. Після того, як всі ці складні молекули відповідним чином вишикувалися, зв'язку між вихідної амінокислотою і рибонуклеїнової кислотою розриваються і виникають зв'язки між сусідніми амінокислотами - синтезується специфічний білок. Процес біосинтезу поставляє білки не тільки для росту організму або для секреції в середу. Всі білки живих клітин з часом зазнають розпад до складових їх амінокислот, і для підтримки життя клітини повинні синтезуватися знову.

Синтез інших азотовмісних сполук. В організмі ссавців амінокислоти використовуються не тільки для біосинтезу білків, але і як вихідний матеріал для синтезу багатьох азотовмісних сполук. Амінокислота тирозин є попередником гормонів адреналіну і норадреналіну. Найпростіша амінокислота гліцин служить вихідним матеріалом для біосинтезу пуринів, що входять до складу нуклеїнових кислот, і порфіринів, що входять до складу цитохромів і гемоглобіну. Аспарагінова кислота - попередник піримідинів нуклеїнових кислот. Метильная група метіоніну передається ряду інших сполук у ході біосинтезу креатину, холіну і саркозина. При біосинтезі креатину від одного з'єднання до іншого передається також і гуаніновий угруповання аргініну. Триптофан служить попередником нікотинової кислоти, а з валіну в рослинах синтезується такий вітамін, як пантотенова кислота. Все це лише окремі приклади використання амінокислот у процесах біосинтезу.

Азот, що поглинається мікроорганізмами й вищими рослинами у вигляді іона амонію, витрачається майже цілком на утворення амінокислот, з яких потім синтезуються багато азотовмісні сполуки живих клітин. Надлишкових кількостей азоту ні рослини, ні мікроорганізми не поглинають. На відміну від них, у тварин кількість поглиненого азоту залежить від містяться в їжі білків. Весь азот, що надійшов в організм у вигляді амінокислот і не витрачений у процесах біосинтезу, досить швидко виводиться з організму з сечею. Відбувається це таким чином. У печінці невикористані амінокислоти передають свій азот -кетоглутарової кислоті з утворенням глутамінової кислоти, яка дезамініруется, вивільняючи аміак. Далі азот аміаку може або на час запасатися шляхом синтезу глутаміну, або відразу ж використовуватися для синтезу сечовини, що протікає в печінці.

У глутаміну є й інша роль. Він може піддаватися гідролізу в нирках з вивільненням аміаку, який надходить в сечу в обмін на іони натрію. Цей процес вкрай важливий як засіб підтримки кислотно-лужної рівноваги в організмі тварини. Майже весь аміак, що відбувається з амінокислот і, можливо, з інших джерел, перетворюється у печінці в сечовину, так що вільного аміаку в крові звичайно майже немає. Однак при деяких умовах досить значні кількості аміаку містить сеча. Цей аміак утворюється в нирках з глутаміну і переходить в сечу в обмін на іони натрію, які таким чином реадсорбіруются і затримуються в організмі. Цей процес посилюється при розвитку ацидозу - стану, при якому організм потребує додаткових кількостях катіонів натрію для зв'язування надлишку іонів бікарбонату в крові.

Надлишкові кількості піримідинів теж розпадаються в печінці через ряд реакцій, в яких вивільняється аміак. Що стосується пуринів, то їх надлишок піддається окисленню з утворенням сечової кислоти, що виділяється з сечею у людини та інших приматів, але не в інших ссавців. У птахів відсутній механізм синтезу сечовини, і саме сечова кислота, а не сечовина, є у них кінцевим продуктом обміну всіх азотовмісних сполук.

Загальні уявлення про метаболізм органічних речовин

Можна сформулювати деякі загальні поняття, або «правила», що стосуються метаболізму. Наведені нижче кілька головних «правил» дозволяють краще зрозуміти, як протікає і регулюється метаболізм.

1. Метаболічні шляхи незворотні. Розпад ніколи не йде по шляху, який був би простим зверненням реакцій синтезу. У ньому беруть участь інші ферменти та інші проміжні продукти. Нерідко протилежно спрямовані процеси протікають в різних відсіках клітини. Так, жирні кислоти синтезуються в цитоплазмі за участю одного набору ферментів, а окислюються в мітохондріях за участю зовсім іншого набору.

2. Ферментів у живих клітинах достатньо для того, щоб всі відомі метаболічні реакції могли протікати набагато швидше, ніж це зазвичай спостерігається в організмі. Отже, в клітинах існують якісь регуляторні механізми. Відкрито різні типи таких механізмів.

а) Фактором, який обмежує швидкість метаболічних перетворень даної речовини, може бути надходження цієї речовини в клітину; саме на цей процес у такому випадку і спрямована регуляція. Роль інсуліну, наприклад, пов'язана з тим, що він, мабуть, полегшує проникнення глюкози в усі клітини, глюкоза ж піддається перетворенням з тією швидкістю, з якою вона надходить. Подібним чином проникнення заліза і кальцію з кишечника в кров залежить від процесів, швидкість яких регулюється.

б) Речовини далеко не завжди можуть вільно переходити з одного клітинного відсіку в інший; є дані, що внутрішньоклітинний перенесення регулюється деякими стероїдними гормонами.

в) Виявлено два типи сервомеханізмів «негативного зворотного зв'язку».

У бактерій були виявлені приклади того, що присутність продукту який-небудь послідовності реакцій, наприклад амінокислоти, пригнічує біосинтез одного з ферментів, необхідних для утворення цієї амінокислоти.

Метаболізм

У кожному разі фермент, біосинтез якого виявляється порушеним, був відповідальним за перший «визначальний» етап (на схемі реакція 4) метаболічного шляху, що веде до синтезу даної амінокислоти.

Другий механізм добре вивчений у ссавців. Це просте інгібування кінцевим продуктом (у нашому випадку - амінокислотою) ферменту, відповідального за перший «визначальний» етап метаболічного шляху.

Ще один тип регулювання за допомогою зворотного зв'язку діє в тих випадках, коли окислення проміжних продуктів циклу трикарбонових кислот пов'язане з утворенням АТФ з АДФ і фосфату в процесі окисного фосфорилювання. Якщо весь наявний у клітці запас фосфату і (або) АДФ вже вичерпано, то окислення припиняється і може відновитися лише після того, як цей запас знову стане достатнім. Таким чином, окислення, сенс якого в тому, щоб постачати корисну енергію у формі АТФ, відбувається тільки тоді, коли можливий синтез АТФ.

3. У біосинтетичних процесах бере участь порівняно невелика кількість будівельних блоків, кожен з яких використовується для синтезу багатьох сполук. Серед них можна назвати ацетилкофермент А, гліцерофосфат, гліцин, карбамілфосфат, що постачає карбамільную (H2N-CO-) групу, похідні фолієвої кислоти, що служать джерелом гідроксиметильне і формільной груп, S-аденозілметіонін - джерело метильних груп, глутамінової та аспарагінову кислоти, що поставляють аміногрупи, і нарешті, глутамін - джерело амідних груп. З цього відносно невеликого числа компонентів будуються всі ті різноманітні сполуки, які ми знаходимо в живих організмах.

4. Прості органічні сполуки рідко беруть участь в метаболічних реакціях безпосередньо. Зазвичай вони повинні бути спочатку «активовані» шляхом приєднання до одного з ряду сполук, універсально використовуваних у метаболізмі. Глюкоза, наприклад, може піддатися окислювання лише після того, як вона буде етерифіковані фосфорною кислотою, для інших же своїх перетворень вона повинна бути етерифіковані уридиндифосфат. Жирні кислоти не можуть бути залучені в метаболічні перетворення перш, ніж вони утворюють ефіри з коферментом А. Кожен з цих активаторів або родинний одному з нуклеотидів, які входять до складу рибонуклеїнової кислоти, або утворюється з якого-небудь вітаміну. Легко зрозуміти в зв'язку з цим, чому вітаміни потрібні в таких невеликих кількостях. Вони витрачаються на освіту «коферментів», а кожна молекула коферменту протягом життя організму використовується багаторазово, на відміну від основних поживних речовин (наприклад, глюкози), кожна молекула яких використовується тільки один раз.

На закінчення слід сказати, що термін «метаболізм», який означав раніше щось не більш складне, ніж просто використання вуглеводів і жирів в організмі, тепер застосовується для позначення тисяч ферментативних реакцій, вся сукупність яких може бути представлена ​​як величезна мережа метаболічних шляхів, багаторазово перетинаються ( через наявність загальних проміжних продуктів) і керованих дуже тонкими регуляторними механізмами.

Метаболізм мінеральних речовин

Відносний вміст. Різні елементи, що зустрічаються в живих організмах, перераховані нижче в порядку спадання в залежності від їх відносного змісту: 1) кисень, вуглець, водень і азот, 2) кальцій, фосфор, калій і сірка; 3) натрій, хлор, магній і залізо; 4) марганець, мідь, молібден, селен, йод і цинк; 5) алюміній, фтор, кремній і літій; 6) бром, миш'як, свинець і, можливо, деякі інші.

Кисень, вуглець, водень і азот - це ті елементи, з яких побудовані м'які тканини тіла. Вони входять до складу таких сполук, як вуглеводи, ліпіди, білки, вода, діоксид вуглецю та аміак. Елементи, перераховані в пп. 2 і 3, знаходяться в організмі зазвичай у вигляді одного або декількох неорганічних сполук, а елементи пп. 4, 5 і 6 присутні тільки в слідових кількостях і тому їх називають мікроелементами.

Розподіл в організмі. Кальцій. Кальцій присутній головним чином в кістковій тканині і в зубах, переважно у вигляді фосфату і в невеликих кількостях у вигляді карбонату і фториду. Поступає з їжею кальцій всмоктується в основному у верхніх відділах кишечнику, мають слабокислу реакцію. Цьому всмоктуванню (у людини тут всмоктується всього 20-30% кальцію їжі) сприяє вітамін D. Під дією вітаміну D клітини кишечника виробляють особливий білок, який зв'язує кальцій і полегшує його перенесення через стінку кишечника в кров. На всмоктування впливає також присутність деяких інших речовин, особливо фосфату і оксалату, які у малих кількостях сприяють всмоктуванню, а у великих, навпаки, пригнічують його.

У крові близько половини кальцію зв'язане з білком, решту складають іони кальцію. Співвідношення іонізованої і неионизированной форм залежить від загальної концентрації кальцію в крові, а також від вмісту білка і фосфату і концентрації водневих іонів (рН крові). Частка неіонізованих кальцію, на яку впливає рівень білка, дозволяє непрямим чином судити про якість харчування і про ефективність роботи печінки, в якій йде синтез плазмових білків.

На кількість іонізованого кальцію впливають, з одного боку, вітамін D і фактори, що впливають на всмоктування, а з іншого - паратиреоїдний гормон і, можливо, також вітамін D, оскільки обидва ці речовини регулюють як швидкість відкладення кальцію в кістковій тканині, так і його мобілізацію , тобто вимивання з кісток. Надлишок паратиреоїдного гормону стимулює вихід кальцію з кісткової тканини, що призводить до підвищення його концентрації в плазмі. Змінюючи швидкості всмоктування і екскреції кальцію і фосфату, а також швидкості утворення кісткової тканини та її руйнування, ці механізми суворо контролюють концентрацію кальцію та фосфату в сироватці крові. Іони кальцію відіграють регулюючу роль у багатьох фізіологічних процесах, в тому числі в нервових реакціях, м'язовому скороченні, згортанні крові. Виведення кальцію з організму відбувається в нормі в основному (на 2 / 3) через жовч і кишечник і в меншій мірі (1 / 3) - через нирки.

Фосфор. Метаболізм фосфору - одного з головних компонентів кісткової тканини і зубів - багато в чому залежить від тих же факторів, що й метаболізм кальцію. Фосфор у вигляді фосфату присутній в організмі також в сотнях різних фізіологічно важливих органічних ефірів. Паратиреоїдний гормон стимулює виведення фосфору з сечею і вихід його з кісткової тканини, тим самим він регулює концентрацію фосфору в плазмі крові.

Натрій. Натрій - головний катіон позаклітинної рідини - разом з білком, хлоридом і бікарбонатом грає найважливішу роль в регулюванні осмотичного тиску і pH (концентрації водневих іонів) крові. У клітинах, навпаки, міститься дуже мало натрію, тому що вони володіють механізмом для виведення іонів натрію і утримання іонів калію. Весь натрій, що перевищує потреби організму, дуже швидко виводиться через нирки.

Оскільки у всіх процесах виділення натрій втрачається, він повинен постійно надходити в організм з їжею. При ацидозі, коли необхідно, щоб з організму виводилися великі кількості аніонів (наприклад, хлориду або ацетоацетата), нирки запобігають надмірну втрату натрію завдяки освіті аміаку з глутаміну. Виведення натрію через нирки регулюється гормоном кори надниркових залоз альдостерону. Під дією цього гормону в кров повертається досить натрію для підтримки нормального осмотичного тиску і нормального обсягу позаклітинної рідини.

Добова потреба в хлористому натрії становить 5-10 р. Ця величина зростає при поглинанні великих кількостей рідини, коли посилюється потовиділення і виділяється більше сечі.

Калій. На відміну від натрію, калій міститься в клітинах у великих кількостях, але в позаклітинній рідині його мало. Головна функція калію - регулювання внутрішньоклітинного осмотичного тиску і підтримання кислотно-лужної рівноваги. Він також грає важливу роль у проведенні нервового імпульсу і в багатьох ферментних системах, в тому числі і в тих, які беруть участь у м'язовому скороченні. Калій широко поширений в природі, і його багато в будь-якій їжі, так що спонтанно калієва недостатність виникнути не може. У плазмі концентрація калію регулюється альдостероном, стимулюючим його екскрецію з сечею.

Сірка. З їжею сірка надходить в організм головним чином у складі двох амінокислот - цистину і метіоніну. На кінцевих етапах метаболізму цих амінокислот сірка вивільнюється і в результаті окислення переводиться в неорганічну форму. У складі цистину і метіоніну сірка присутня в структурних білках. Важливу роль грає також сульфгідрильних (-SH) група цистеїну, від якої залежить активність багатьох ферментів.

Велика частина сірки виводиться з сечею у вигляді сульфату. Невелика кількість екскретіруемого сульфату зазвичай пов'язано з органічними сполуками типу фенолів.

Магній. Метаболізм магнію схожий з метаболізмом кальцію, і у вигляді комплексу з фосфатом цей елемент теж входить до складу кісткової тканини. Магній присутній у всіх живих клітинах, де він функціонує як необхідний компонент багатьох ферментних систем; ця його роль була переконливо продемонстрована на прикладі вуглеводного обміну в м'язах. Магній, як і калій, широко поширений, і ймовірність виникнення його недостатності дуже мала.

Залізо. Залізо входить до складу гемоглобіну та інших гемопротеинов, а саме міоглобіну (м'язового гемоглобіну), цитохромів (дихальних ферментів) та каталази, а також до складу деяких ферментів, що не містять гемогруппи. Всмоктується залізо у верхніх відділах кишечнику, причому це єдиний елемент, всмоктується лише тоді, коли його запас в організмі повністю вичерпаний. У плазмі залізо транспортується в сполученні з білком (трансферину). Через нирки залізо не виводиться; надлишок його накопичується в печінці у поєднанні з особливим білком (феритином).

Мікроелементи. У кожного мікроелемента, присутнього в організмі, своя особлива функція, пов'язана з тим, що він стимулює дію того чи іншого ферменту або як-небудь інакше на нього впливає. Цинк необхідний для кристалізації інсуліну; крім того, він є компонентом карбоангідрази (ферменту, який бере участь у транспорті діоксиду вуглецю) і деяких інших ферментів. Молібден і мідь - теж необхідні компоненти різних ферментів. Йод потрібен для синтезу тріїодтіроніна, гормону щитовидної залози. Фтор (входить до складу зубної емалі) сприяє запобіганню карієсу.

Використання метаболітів

Вуглеводи. Всмоктування. Моносахариди, або прості цукри, що вивільняються при переварюванні вуглеводів їжі, переходять з кишечника в кровотік в результаті процесу, що називається всмоктуванням. Механізм всмоктування являє собою поєднання простої дифузії та хімічної реакції (активного всмоктування). Одна з гіпотез, що стосуються природи хімічного фази процесу, передбачає, що в цій фазі моносахариди з'єднуються з фосфорною кислотою в реакції, що каталізується ферментом з групи кіназ, після чого проникають у кровоносні судини і тут вивільняються в результаті ферментативного дефосфорилювання (розриву фосфатної зв'язку), катализируемого однією з фосфатаз. Саме активним всмоктуванням пояснюється те, що різні моносахариди всмоктуються з різною швидкістю і що вуглеводи всмоктуються навіть тоді, коли рівень цукру в крові вище, ніж в кишечнику, тобто в умовах, коли природно було б очікувати їх переміщення у зворотному напрямку - з крові в кишечник.

Механізми гомеостазу. Вступники в кровотік моносахариди підвищують рівень цукру в крові. При голодуванні концентрація глюкози в крові коливається зазвичай від 70 до 100 мг на 100 мл крові. Цей рівень підтримується за допомогою механізмів, званих механізмами гомеостазу (самостабілізації). Як тільки рівень цукру в крові в результаті всмоктування з кишечника підвищується, в дію вступають процеси, що виводять цукор з крові, так що рівень його коливається не дуже сильно.

Подібно глюкози, всі інші моносахариди надходять із кровотока в печінку, де перетворюються на глюкозу. Тепер їх не відрізниш як від глюкози, яка всмокталася, так і від тієї, що вже була в організмі, і піддаються тим же метаболічним перетворенням. Один з механізмів гомеостазу вуглеводів, що функціонує в печінки, - це глікогенез, за ​​допомогою якого глюкоза переходить з крові в клітини, де перетворюється в глікоген. Глікоген зберігається в печінці до тих пір, поки не відбудеться зниження рівня цукру в крові: у цій ситуації гомеостатический механізм викличе розпад накопиченого глікогену до глюкози, яка знову надійде в кров.

Перетворення і використання. Оскільки кров постачає глюкозу в усі тканини тіла і всі тканини використовують її для отримання енергії, рівень глюкози в крові знижується головним чином за рахунок її використання.

У м'язах глюкоза крові перетворюється на глікоген. Однак м'язовий глікоген не може бути використаний для отримання глюкози, яка перейшла б в кров. У ньому укладено запас енергії, і швидкість його використання залежить від м'язової активності. У м'язової тканини містяться два з'єднання з великим запасом легко доступною енергії у формі багатих енергією фосфатних зв'язків - креатинфосфат і аденозинтрифосфат (АТФ). При відщепленні від цих сполук їх фосфатних груп вивільняється енергія для м'язового скорочення. Щоб м'яз знову могла скорочуватися, ці сполуки мають бути відновлені у своїй вихідній формі. Для цього потрібна енергія, яку постачає окислення продуктів розпаду глікогену. При м'язовому скороченні глікоген перетворюється на глюкозофосфат, а потім - через ряд реакцій - у фруктозодіфосфат. Фруктозодіфосфат розпадається на два трьохвуглецевих з'єднання, з яких після ряду етапів утворюється спочатку піровиноградна кислота, а в кінцевому результаті - молочна кислота, як про це вже говорилося при описі метаболізму вуглеводів. Це перетворення глікогену в молочну кислоту, що супроводжується вивільненням енергії, може відбуватися за відсутності кисню.

При нестачі кисню молочна кислота накопичується в м'язах, дифундує в кров і надходить у печінку, де з неї знову утворюється глікоген. Якщо кисню достатньо, то молочна кислота в м'язах не накопичується. Замість цього вона, як це описано вище, повністю окислюється через цикл трикарбонових кислот до діоксиду вуглецю і води з утворенням АТФ, який може бути використаний для скорочення.

Метаболізм вуглеводів у нервовій тканині та еритроцитах відрізняється від метаболізму в м'язах тим, що глікоген тут не бере участь. Однак і тут проміжними продуктами є піровиноградна та молочна кислоти, що утворюються при розщепленні глюкозофосфата.

Глюкоза використовується не тільки у клітинному диханні, але і в багатьох інших процесах: синтезі лактози (молочного цукру), освіті жирів, а також особливих цукрів, що входять до складу полісахаридів сполучної тканини і ряду інших тканин.

Глікоген печінки, синтезується при всмоктуванні вуглеводів у кишечнику, служить самим доступним джерелом глюкози, коли всмоктування відсутня. Якщо це джерело виявляється вичерпаним, в печінці починається процес глюконеогенезу. Глюкоза утворюється при цьому з деяких амінокислот (з 100 г білка утворюється 58 г глюкози) та кількох інших невуглеводних сполук, в тому числі з гліцеринових залишків нейтральних жирів.

Деяку, хоча і не настільки важливу, роль у метаболізмі вуглеводів відіграють нирки. Вони виводять з організму надлишок глюкози, коли її концентрація в крові занадто висока; при менших концентраціях глюкоза практично не виводиться.

У регулюванні метаболізму вуглеводів бере участь кілька гормонів, у тому числі гормони підшлункової залози, передньої долі гіпофіза і кори надниркових залоз.

Гормон підшлункової залози інсулін знижує концентрацію глюкози в крові і підвищує її концентрацію в клітках. Мабуть, він стимулює також і запасання глікогену в печінці. Кортикостерон, гормон кори надниркових залоз, і адреналін, що виробляється мозковою речовиною надниркових залоз, впливають на метаболізм вуглеводів, стимулюючи розпад глікогену (головним чином у м'язах і печінці) і синтез глюкози (у печінці).

Ліпіди. Всмоктування. У кишечнику після перетравлення жирів залишаються головним чином вільні жирні кислоти з невеликою домішкою холестерину і лецитину і слідами жиророзчинних вітамінів. Всі ці речовини дуже тонко дисперговані завдяки емульгуючу і солюбілізірующему дії солей жовчних кислот. Солюбілізірующее дію зазвичай пов'язують з утворенням нестійких хімічних сполук між жирними кислотами та солями жовчних кислот. Ці комплекси проникають у клітини епітелію тонкого кишечника і тут розпадаються на жирні кислоти і солі жовчних кислот. Останні переносяться в печінку і знову секретуються з жовчю, а жирні кислоти входять в з'єднання з гліцерином або холестерином. Утворилися реконструйовані жири надходять у лімфатичні судини брижі у формі молочного соку, т.зв. «Хілус». З судин брижі хілус по лімфатичній системі через грудну протоку надходить у кровоносну систему.

Після перетравлення їжі вміст ліпідів у крові зростає приблизно від 500 мг (рівень при голодуванні) до 1000 мг на 100 мл плазми. Присутні в крові ліпіди є суміш жирних кислот, нейтральних жирів, фосфоліпідів (лецитину і Кефалінія), холестерину та ефірів холестерину.

Розподіл. Кров доставляє ліпіди в різні тканини тіла і перш за все в печінку. Печінка володіє здатністю модифікувати які у неї жирні кислоти. Це особливо виражено у видів, що запасають жири з високим вмістом насичених або, навпаки, ненасичених жирних кислот: в печінці цих тварин співвідношення насичених і ненасичених кислот змінюється таким чином, що відкладаються жир за своїм складом відповідає жиру, властивому даному організму.

Жири в печінці або використовуються для отримання енергії, або переходять в кров і доставляються нею в різні тканини. Тут вони можуть включатися в структурні елементи тканин, але більша їх частина відкладається в жирових депо, де вони зберігаються до тих пір, поки не виникне потреба в енергії; тоді вони знову переносяться в печінку і піддаються тут окислення.

Метаболізм ліпідів, як і вуглеводів, регулюється гомеостатически. Механізми гомеостазу, що впливають на ліпідний і вуглеводний обмін, мабуть, тісно пов'язані, бо при уповільненні метаболізму вуглеводів посилюється метаболізм ліпідів, і навпаки.

Перетворення і використання. Четирехуглеродние кислоти - ацетооцтова (продукт конденсації двох ацетатних одиниць) та -гідроксимасляна - і трьохвуглецевих з'єднання ацетон, що утворюється при відщепленні одного атома вуглецю від ацетоуксусной кислоти, відомі під загальною назвою кетонових (ацетонових) тел. У нормі кетонові тіла присутні в крові в невеликих кількостях. Надмірне їх утворення при важкому діабеті веде до підвищення їх вмісту в крові (кетонемія) і в сечі (кетонурія) - це стан позначають терміном «кетоз».

Білки. Всмоктування. При перетравленні білків травними ферментами утворюється суміш з амінокислот і невеликих пептидів, що містять від двох до десяти залишків амінокислот. Ці продукти всмоктуються слизовою кишечника, і тут гідроліз завершується - пептиди також розпадаються до амінокислот. Надійшли в кров амінокислоти змішуються з розташованими тут такими ж амінокислотами. У крові міститься суміш з амінокислот, що надійшли з кишечника, що утворилися при розпаді тканинних білків і синтезованих організмом заново.

Синтез. У тканинах безперервно йде розпад білків і їх новоутворення. Вміщені в крові амінокислоти вибірково поглинаються тканинами як вихідний матеріал для побудови білків, а з тканин в кров надходять інші амінокислоти. Синтезу і розпаду зазнають не лише структурні білки, але й білки плазми крові, а також білкові гормони та ферменти.

У дорослому організмі амінокислоти або білки практично не запасаються, тому видалення амінокислот з крові відбувається з такою ж швидкістю, як і їх надходження з тканин в кров. У організмі, що росте формуються нові тканини, і на цей процес витрачається більше амінокислот, ніж надходить у кров за рахунок розпаду тканинних білків.

Печінка бере участь у метаболізмі білків найактивнішим чином. Тут синтезуються білки плазми крові - альбуміни і глобуліни - а також власні ферменти печінки. Так, при втраті плазмових білків вміст альбуміну в плазмі відновлюється - за рахунок інтенсивного синтезу - досить швидко. Амінокислоти в печінці використовуються не тільки для утворення білків, але піддаються також розщепленню, в ході якого витягується ув'язнена у яких енергія.

Перетворення і використання. Якщо амінокислоти використовуються як джерело енергії, то відщеплюється від них аміногрупа (-NH2) спрямовується на освіту сечовини, а не містить азоту залишок молекули окислюється приблизно так само, як глюкоза або жирні кислоти.

Так званий «орнітіновий цикл» описує, як відбувається перетворення аміаку у сечовину. У цьому циклі аміногрупа, відщепи від амінокислоти у формі аміаку, приєднується разом з діоксидом вуглецю до молекули орнитина з утворенням цитруліну. Цитрулін приєднує другий атом азоту, цього разу від аспарагінової кислоти, і перетворюється на аргінін. Далі аргінін піддається гідролізу з утворенням сечовини і орнитина. Орнитин може тепер знову вступити в цикл, а сечовина виводиться з організму через нирки як один з кінцевих продуктів метаболізму.

Список літератури

Ленінджер А. Основи біохімії, тт. 1-3. М., 1985

Страйер Л. Біохімія, тт. 1-3. М., 1985

Маррі Р., Греннер Д., Мейес П., Родуелл В. Біохімія людини, тт. 1-2. М., 1993

Албертс Б., Брей Д., Льюс Д. та інших Молекулярна біологія клітини, тт. 1-3. М., 1994

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Медицина | Доповідь
96.5кб. | скачати


Схожі роботи:
Метаболізм лактату і ацидоз
Морфологія і метаболізм дріжджів
Енергетичний метаболізм мікроорганізмів
Кальцій фосфорно магнієвий метаболізм
Головне про метаболізм і обмін речовин
Метаболізм заліза та диференційована корекція його порушень у дітей раннього та дошкільного віку
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru