Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Інтеграція обміну вуглеводів, білків і жирів в організмі. Транспортні системи в організмі людини »
МІНСЬК, 2008
Інтеграція обміну вуглеводів, білків і жирів в організмі.
Життєві процеси організму пов'язані з постійним поглинанням речовин з навколишнього середовища і виділенням продуктів розпаду в це середовище. Усю сукупність цих реакцій об'єднують загальним поняттям метаболізм або обмін речовин. Метаболізм являє собою високо координовану і цілеспрямовану клітинну активність, забезпечуваний участю безлічі взаємопов'язаних ферментних систем і означає перетворення речовин усередині клітин з моменту їх надходження до утворення кінцевих продуктів. Обмін речовин виконує 4 специфічні функції:
Забезпечення органів і систем хімічного енергією, що виробляється в процесі розщеплення багатих енергією харчових речовин.
Перетворення молекул харчових продуктів в будівельні блоки, які використовуються клітиною для побудови макромолекул
Освіта з цих будівельних блоків молекул білків, нуклеїнових кислот, ліпідів, вуглеводів та інших компонентів
Синтез і руйнування тих біомолекул, які необхідні для виконання певних специфічних функцій клітини
Метаболізм складається з протікання сотень різних ферментативних реакцій, проте центральні метаболічні шляху у всіх живих істот мають єдину природу.
Живі організми беруть активну участь у кругообігу вуглецю і кисню. Всі вони поділяються на дві великі групи залежно від того, в якій хімічній формі вони здатні засвоювати надходить з навколишнього середовища вуглець. Клітини листя зелених рослин (фотосинтезуючі клітини) використовують в якості єдиного джерела вуглець атмосфери у вигляді вуглекислого газу, з якого вони будують всі свої углеродсодержащие біомолекули. Клітини вищих тварин не мають здатність засвоювати атмосферний вуглекислий газ і отримують вуглець у вигляді складних органічних сполук, розщеплюючи їх для отримання необхідної енергії (наприклад до глюкози). Таким чином, в біосфері одні організми споживають вуглекислий газ і виділяють при цьому в атмосферу кисень, а інші споживають кисень, повертаючи вуглекислий газ в атмосферу. Усім живим організмам, крім джерел вуглецю кисню та енергії, необхідний ще джерело азоту. Майже всі вищі тварини повинні отримувати необхідний їм азот у вигляді амінокислот, причому з 20 АК - 10 є незамінними, оскільки організм не здатний їх синтезувати. Рослини можуть використовувати як джерело азоту аміак або розчинні нітрати.
Таким шляхом відбувається безперервний кругообіг вуглецю, кисню та азоту між тваринним і рослинним світом. Джерелом енергії для цього процесу служить сонячне світло.
Метаболізм включає процеси розпаду речовин (катаболізм) і процеси синтезу (анаболізм)
Катаболізм - це фаза, в якій відбувається розщеплення складних органічних молекул до більш простих кінцевих продуктів. Вуглеводи, жири і білки, що надійшли ззовні з їжею або присутні в самій клітині в якості запасних речовин, розпадаються в серії послідовних реакцій до таких сполук як молочна кислота, вуглекислий газ і аміак. Катаболічні процеси супроводжуються виділенням вільної енергії, укладеної в складній структурі органічних молекул, наприклад, АТФ, НАДФН.
Анаболізм - це фаза обміну речовин, в якій з малих молекул попередників або будівельних блоків, синтезуються білки, нуклеїнові кислоти, жири, вуглеводи і інші компоненти клітин. Так як біосинтез призводить до збільшення і ускладнення молекул і структур, то він вимагає витрати вільної енергії. Джерелом цієї енергії служать розпад АТФ до АДФ і неорганічного фосфору і багаті енергією водневі зв'язки.
Катаболічні і анаболічні процеси протікають в клітинах одночасно, проте їх швидкості регулюються незалежно. Ферментативне розщеплення головних поживних речовин, які служать клітині джерелом енергії (вуглеводи, жири і білки) відбувається поступово через ряд послідовних реакцій.
У аеробному катаболізмі (з участю кисню):
На першій стадії полісахариди (вуглеводи) розпадаються до гексоз і пентоз, жири до жирних кислот, гліцерину, білки - до амінокислот.
На другій стадії розпаду речовин всі ці продукти перетворюються на ще більш прості з'єднання. Так, гексози, пентози і гліцерин розщеплюються до одного і того ж проміжного продукту ацетил коензиму А. Аналогічні перетворення зазнають жирні кислоти і амінокислоти. Їх розщеплення також завершується утворенням ацетілкоензіма А. Таким чином, ацетілкоензім А являє собою загальний кінцевий продукт другої стадії катаболізму.
На третій стадії ацетільная група ацетил КоА вступає в цикл Кребса (цикл лимонної кислоти) - загальний кінцевий шлях, на якому майже всі види клітинного палива окислюються до вуглекислого газу, води й аміаку.
Анаболічні шляху (синтез речовин) розходяться, і утворюється багато різноманітних молекул. Біосинтез починається з малих молекул попередників і протікає також в три стадії.
Катаболічний і відповідний йому, але протилежний за напрямом, анаболічний шлях розрізняються по проміжних продуктів реакцій. Проте їх пов'язує загальна стадія, яка включає в себе цикл лимонної кислоти. На цій стадії завершується не тільки розпад молекул (катаболізм), але відбувається і процес анаболізму, що полягає в постачанні молекул попередників для біосинтезу молекул амінокислот, жирних кислот і вуглеводів. У дорослої здорового організму процеси розпаду і синтезу відповідають один одному і в такий спосіб установлюється динамічна рівновага. У організмі, що росте переважають процеси біосинтезу над розпадом.
Таким чином, майже всі метаболічні реакції в кінцевому рахунку зв'язані між собою. Регуляція метаболізму здійснюється на 3 рівнях:
Перший з них, найбільш швидко реагує на будь-яка зміна пов'язаний з дією ферментів, що володіють не тільки каталітичної, але і регуляторної активністю. Вони як би диригенти, що задають темп метаболічним процесам.
Другий рівень регуляції метаболізму здійснюється під дією гормонів, що виробляються різними ендокринними залозами і виділяються безпосередньо в кров. Гормони переносяться кров'ю до інших органів і тканин, де стимулюють або гальмують певні види обміну речовин.
Третій рівень регуляції метаболізму пов'язаний зі зміною процесів біосинтезу ферменту внаслідок збільшення або зменшення того чи іншого субстрату в клітці. Так, якщо в організмі надлишок вуглеводів, то в печінці синтезуються ферменти, що каталізують розпад вуглеводів. Якщо ж збільшується кількість білків, то в печінці помітно підвищиться вміст ферментів, необхідних для розщеплення АК.
Шляхи перетворення білків, жирів і вуглеводів взаємозв'язані. Існує тісний енергетичний зв'язок між ними, коли енергетичні потреби організму забезпечуються окисленням будь-якого класу органічних речовин, при недостатньому надходженні інших. Так білки і амінокислоти використовуються для синтезу ряду сполук (пуринових і піримідинових нуклеотидів, біогенних амінів). Амінокислоти, які утворюються в процесі обміну ацетоацетіл КоА беруть участь в синтезі жирних кислот. Глюкоза може також синтезуватися з амінокислот. Ацетил КоА, який утворюється в процесі обміну вуглеводів, жирів, білків та ряду амінокислот служить пусковим субстратом у циклі Кребса.
Таким чином, переважання розпаду ряду одних поживних речовин і біосинтезу інших перш за все визначається фізіологічним станом і потребами організму в енергії і метаболітів. Цими факторами в значній мірі може бути пояснено існування постійного динамічного стану хімічних складових компонентів організму як єдиного цілого. В організмі людини як і в живій природі взагалі не існує самостійного обміну білків, жирів, вуглеводів і нуклеїнових кислот. Всі вони об'єднані в єдиний процес метаболізму, що допускає взаємоперетворення між окремими класами органічних речовин.
Живий організм і умови його існування знаходяться в постійній залежності від умов навколишнього середовища. Обмін речовин в організмі людини протікає не хаотично, а "тонко" налаштований. Всі перетворення органічних речовин, процеси анаболізму і катаболізму тісно пов'язані один з одним. Синтез і розпад взаємопов'язані, координовані і регулюються нейрогуморальними механізмами, що додають хімічних процесів потрібний напрямок. Інтенсивність, напрямок будь-якої реакції визначається ферментами, які мають прямий вплив на обмін ліпідів, вуглеводів, нуклеїнових кислот. Синтез будь-якого ферменту-білка - вимагає участі ДНК і майже всіх 3-х типів рибонуклеїнових кислот (транспортної, матричної і Хвороби) Якщо до цього додати вплив гормонів і різних продуктів розпаду (біогенних амінів), то видно узгодженість і коодінірованность величезного розмаїття хімічних процесів , що відбуваються в організмі, що визначається фізіологічним станом і потребами організму.
Проблема регуляції обміну речовин займає особливе місце серед інших проблем патології, так як будь-яка патологія і є порушення регуляторних процесів. Характерною особливістю регуляторних механізмів у живій природі є автоматизм. Саморегуляція біохімічних процесів обміну речовин - одне з невід'ємних властивостей живої матерії. Хвороба - це такий стан при якому ті чи інші системи саморегуляції зазвичай виведені за межі їх фізіологічної адаптації. Механізми саморегуляції обміну речовин живого організму розгортаються на різних рівнях: молекулярному, клітинному, органному і цілісного організму.
Відомо, що в основі всіх процесів обміну лежать ті чи інші хімічні реакції. Тому витоки регуляторних механізмів слід шукати, починаючи з факторів, що регулюють швидкості окремих хімічних реакцій. На молекулярному рівні розрізняють такі елементи регулювання: концентрація вихідних і кінцевих продуктів. Хімічні процеси, що протікають в живих організмах, звичайно можуть підтримуватися в стаціонарному стані тільки при наявності зовнішніх джерел енергії.
У хімічних реакціях обміну речовин обов'язково беруть участь біологічні каталізатори - ферменти, яким належить вирішальна роль у визначенні швидкості реакції. Швидкість протікання ферментативних реакцій залежить від:
1) Агентів, що регулюють рН, температуру, іонну силу, окислювально-відновний потенціал.
2) Сполук, що специфічно взаємодіяли з активним центром ферменту (субстрати, коферменти).
3) Сполук, взаємодіючих специфічно з ферментом поза його активного центру.
У результаті взаємодії цих речовин з ферментами відбувається зміна просторової конфігурації ферментного білка (конформаційні зміни) на рівні третинної або четвертинної структури.
1. рН, t і т.д. підтримуються постійними у вузьких, оптимальних для життєдіяльності клітини межах. 2. Підвищення концентрації субстратів і коферментів зазвичай прискорює ферментативні реакції
Аллостеріческого взаємодія - це взаємодія метаболіту або іншого регуляторного фактора з ділянкою ферментативного білка, в результаті змінюється конформація білкової молекули ферменту і фермент втрачає свої каталітичні властивості.
У порівнянні з молекулярним, клітина значно вищий якісно інший рівень організації біохімічних процесів. Тут є компактна саморегулююча система. Найбільш характерна її особливість - це структурна впорядкованість. Детальне поділ функцій між окремими органоидами. Роль найважливішого компонента виконує біологічна мембрана. Головний зміст регуляції на клітинному рівні - координація різних метаболічних процесів:
Спряженість процесів субстратного дегидрирования і транспорту водопологів і електронів у ланцюзі дихальних каталізаторів, пару окислення і фосфорилювання, освіта макроергічних сполук та їх витрата, здатність переключати метаболізм з аеробного режиму на анаеробний, координація процесів біосинтезу білків і нуклеїнових кислот. У зв'язку з цим особливо важливі ферментативні реакції та метаболізм вузлових етапів обміну.
На рівні цілісного організму багато клітини набувають спеціалізовані функції, пов'язані із взаємодією організму з зовнішнім середовищем і підтримання сталості внутрішнього середовища. Регуляція обміну речовин при участі нервової і гуморальної систем на рівні цілісного організму має досконалістю і дає можливість складного багатоклітинного організму на цьому рівні організації придбати максимальну ступінь автономності по відношенню до мінливих факторів зовнішнього середовища. Кінцева мета регулювання на рівні цілісного організму - підтримка оптимального значення основних параметрів і "внутрішнього середовища", в якій живуть клітини організму. Об'єктом регулювання є ті ж самі метаболічні процеси, як і на клітинному рівні регуляції. Різниця полягає в тому, що на рівні цілісного організму вибірковість дії регуляторного агента проявляється у ставленні всього органу або тканини, в яких процес піддається зміні. Система регулювання пристосована до вибору такого варіанту регулювання, який дозволяє максимально використовувати специфічну роль того чи іншого органу в адаптації обміну цілісного організму в нових умовах.
Регуляція обміну речовин на рівні цілісного організму не тільки підвищує адаптаційні можливості клітин організму, а й впливає на власний метаболізм кожної клітини. Якщо на перших етапах метаболічний апарат клітини працює відповідно до генетичної програми, то в міру ускладнення зв'язків клітини з усім організмом все більшого значення набувають фактори нейрогуморального характеру. Для збереження життєдіяльності організму особливе значення має підтримання стабільного хімічного складу крові як тканини, яка об'єднує всю внутрішню середу організму в єдине ціле.
Це забезпечується узгодженої роботою органів безпосередньо регулюють синтез і надходження в кров ряду речовин, а з іншого - виведення її кінцевих продуктів обміну. Подібний механізм регуляції клітинного обміну за типом зворотного зв'язку з включенням ЦНС, еферентних нервів, гуморальних ланок і органів-регуляторів внутрішнього середовища, мабуть, лежить в основі регуляторних відносин в цілісному організмі.
Таким чином, організм людини нескінченно більш складний ніж простий конгломерат або сукупність різного типу клітин.
Клітини, диференційовані для здійснення специфічних, біохімічних і фізіологічних функцій, взаємодіють один з одним, утворюючи тканини, які, у свою чергу, структурно організовані у вигляді органів. Така організація забезпечує раціональне розподіл функціональної активності, але вимагає участі контролюючих і погоджувальних роботу різних органів і тканин, з тим, щоб вона гармонійно відповідала потребам організму.
Цю інтегруючу роль грають 3 найважливіші системи:
Нервова система - є центром обробки інформації та прийняття рішень, що сприймає імпульси (недостатність кисню, голод, спрага, біль), а також передавальний відповідні команди іншим органам.
Ендокринна система - фабрика і сховище хімічних передавачів (посередників) надають різноманітні дії на ріст, розмноження та розвиток, а також на інші найважливіші функції організму (підтримання у крові сталості концентрації глюкози, ліпідів, кальцію, забезпечення оптимального співвідношення синтезу та розпаду компонентів тканин).
Судинна система - яка служить для перенесення всіх хімічних сполук в організмі.
У нормі всі ці 3 системи взаємодіють безперебійно.
Вплив гормонів ендокринної системи здійснюється через потік крові і залежно від концентрації їх регулює секрецію цих гормонів за принципом негативного зворотного зв'язку. Взаємозв'язок між перетвореннями вуглеводів, жирів і білків у процесі обміну речовин здійснюється наступним чином:
Вуглеводи, білки і ліпіди можуть утворюватися в результаті процесів, що мають подібне енергетичне забезпечення, із загальних попередників і проміжних продуктів, загальних кінцевих шляхів окислення вуглецю і водню. При біосинтезі різноманітних органічних сполук або макромолекул як джерела енергії використовуються або АТФ, або НАДН або НАДФН, що поставляють відновну енергію. Якщо в клітці здійснюється синтез певного класу сполук, це повинно відбуватися за рахунок катаболізму іншої речовини. Наприклад, коли від печінки потрібна збільшення синтезу глюкози, вона не може одночасно синтезувати білки і жири, навпаки виникає необхідність здійснити гідроліз частини наявних білків і жирів для забезпечення синтезу НАДН і АТФ для потреб глюконеогенезу. Загальні попередники і проміжні продукти обміну є передумовою виникнення ще одного рівня взаємозв'язків метаболічних шляхів. Загальний фонд вуглеводів впливає на процеси синтезу ліпідів і білків. Найбільш важливим загальним проміжним продуктом обміну речовин, що становлять вирішальне сполучна ланка, є ацетил КоА. Загальним кінцевим шляхом для всіх систем метаболізму є цикл лимонної кислоти і реакції дихальної ланцюга. Ці протікають у мітохондріях процеси використовуються для координації цілого ряду метаболічних реакцій на різних рівнях. Цикл лимонної кислоти є в клітці головним джерелом двоокису вуглецю для реакцій карбоксилювання, з яких починається синтез жирних кислот і глюконеогенез. Та ж двоокис вуглецю поставляє вуглець для сечовини і деяких ланок пуринових і піримідинових кілець.
Взаємозв'язок між процесами вуглеводного та азотистого обміну також досягаються за допомогою проміжних продуктів циклу лимонної кислоти. Існує кілька шляхів, за якими проміжні продукти циклу лимонної кислоти включаються в процес липогенеза. Розщеплення цитрату призводить до утворення ацетил КоА, що грає роль попередника у біосинтезі жирних кислот.
Ізоцітрат і малат забезпечують утворення НАДФ, який витрачається в наступних відновлювальних етапах синтезу жирів.
Роль ключового чинника, що визначає перетворення НАДН відіграє стан аденіннуклеотідов. Високий вміст АДФ і низьке АТФ свідчить про малий запасі енергії. При цьому НАДН втягується в реакції дихальної ланцюга, посилюючи пов'язані з запасанием енергії процеси окисного фосфорилювання. Зворотне явище спостерігається при низькому вмісті АДФ і високому АТФ. Обмежуючи роботу системи перенесення електронів, вони сприяють використанню НАДН в інших відновних реакціях, таких як синтез глутамату і глюконеогенез. У деяких випадках біохімічні процеси в клітинах вузькоспеціалізовані і функції клітин досить обмежені, в інших випадках клітини мають здатність здійснювати найрізноманітніші ферментативні перетворення.
По різноманіттю і пристосовності жоден інший орган не може зрівнятися з печінкою, в якій відбуваються складні взаємопов'язані процеси обміну речовин, що впливають на весь організм. Печінка як залоза наділена і екзокринними і ендокринними функціями. Продуктом зовнішньої секреції є жовч, виділяється в желудочнокішечний тракт. Продуктами внутрішньої секреції печінки є не гормони, а метаболіти, які розносяться струмом крові і використовуються іншими клітинами, змінюючи їх функції. Це: глюкоза, яка використовується для гліколізу, триацилгліцеридів - для липогенеза. Кетонові тіла - використовуються в м'язовій і нервовій тканинах як джерела енергії. Печінка відповідальна за синтез альбуміну, сироваткових ліпопротеїдів та факторів згортання крові. Процеси обміну жирів в печінці і жировій клітковині нерозривно пов'язані між собою. Існує взаємозв'язок між процесами обміну речовин у м'язовій і печінкової тканинах на декількох рівнях. Процес глюконеогенезу здійснюється як у печінці, так і в нирках і вони взаємозалежні. Нарешті, тісно пов'язані між собою і процеси обміну в тканинах мозку і печінки, перш за все через те, що нервова тканина цілком залежить від безперебійної доставки глюкози, яка забезпечується печінкою.
Таким чином здоровий організм перебуває в рівновазі з навколишнім середовищем.
Транспортні системи в організмі людини.
Метаболічні процеси, що протікають у всіх клітинах тіла, вимагають безперервного припливу поживних речовин і кисню і безперервного видалення продуктів обміну. У деяких видів тварин транспортна система, крім того, служить для переносу гормонів з ендокринних залоз в ті органи, на які вони впливають, а також бере участь в регуляції температури тіла.
У людини система кровообігу складається з кровоносних судин, сповнює їх крові і серця, що приводить кров в рух. Кров складається з рідкої плазми і зважених у ній кров'яних клітин. У більшості випадків переносимий кров'ю кисень не просто розчинений в плазмі, а з'єднаний з тим чи іншим гемопротеідом, це гемоглобін, що знаходиться в еритроцитах. Система кровоносних судин у людини складається з артерій, вен і капілярів.
Артерії і вени - це великі судини, які відрізняються один від одного напрямком течії крові і будовою стінок. Артерії несуть кров від серця до тканин, а вени повертають її від тканин до серця. Капіляри-мікроскопічні посудини, які знаходяться в тканинах і з'єднують артерії з венами. Тонкі стінки капілярів складаються з одного шару клітин ендотелію, через який різні речовини можуть переходити з крові в тканини і назад. Кров не вступає в пряме зіткнення з клітинами організму, вони омиваються тканинної рідиною. Для того щоб досягти клітин, речовини повинні перейти з крові через стінку капіляра і через простір, заповнений тканинною рідиною. Стінка капіляра має великі пори, ніж плазматична мембрана клітин, через них легко дифундує глюкоза, амінокислоти і сечовина, а також іони натрію, хлору та ін
Крім кровоносної системи є ще одна група судин, що утворюють лімфатичну систему. Лімфатичні судини утворюють допоміжну систему для повернення рідини з тканинних просторів у систему кровообігу. Лімфатичні капіляри вельми проникні і через стінку разом з тканинною рідиною всередину легко проникають білкові молекули і інші крупні частинки.
Переносні кров'ю речовини, можуть бути просто розчинені в плазмі, пов'язані з яким-небудь з білків плазми або ж приєднані до гемоглобіну, що знаходиться в еритроцитах.
Невелика кількість кисню і вуглекислоти розчинені в плазмі. Неорганічні іони (хлор, бікарбонат, фосфат) і катіони (натрій, калій, магній, кальцій) переносяться в плазмі в розчині. Глюкоза, амінокислоти і органічні кислоти (молочна, лимонна) знаходяться в розчині, так само як і різноманітні відходи метаболізму (сечовина, сечова кислота, аміак, креатинін) і дуже малі кількості вітамінів. Багато речовин, що переносяться плазмою, з'єднані з білками. Вільні жирні кислоти переносяться кров'ю у вигляді комплексів з сироватковим альбуміном. Тригліцериди здійснюють свій шлях з кишечнику в печінку та жирову тканину в формі хиломикронов - крапельок жиру, стабілізованих тонкою оболонкою з білків, фосфоліпідів і холестерину. Гормони передньої і задньої часток гіпофіза переносяться плазмою крові у розчиненому стані. Тироксин пов'язаний або зі специфічним білком тиреоглобуліном, або з альбуміном. Інсулін, що знаходиться в плазмі пов'язаний з глобулінами. Кортизол - з транскортином. Кисень і вуглекислий газ переносить гемоглобін.
Винятково велике значення має здатність клітин поглинати поживні речовини і виділяти різні сполуки.
Термін "мембрана" використовується ось вже більше ста років для позначення клітинної кордону, яка є, з одного боку, бар'єром між вмістом клітини і зовнішнім середовищем, а з іншого - напівпроникною перегородкою через яку проходитиме молекули води деякі з розчинених у ній речовин.
Мембрани більш ніж на 95% складаються з ліпідів і білків. Фермент натрій-калій-АТФ-аза пов'язаний з плазматичною мембраною. Вона виявлена в клітинах всіх органів тварин (немає в еритроцитах). Кальцієва АТФ-аза є в кишечнику та м'язах. Іони заліза переносить всередину клітини мікобактін, де ці іони за участю НАДН відновлюються до двовалентного заліза. Іонофори - це ряд сполук, які самі можуть і не брати участь у транспорті, але роблять мембрану проникною для іонів. Іонофори підрозділяють на пептиди, депсіпептіди, макротетраліди. Піноцитоз - морфологічно це переміщення бульбашок - крапельок рідини, оточених ліпідами, або з цитоплазми назовні (екзоцитоз), або з середовища в клітину (ендоцитоз).
Невеликі нейтральні молекули можуть проникати через мембрани просто за рахунок звичайної дифузії. Швидкість дифузії речовини визначається його розчинністю в мембрані, коефіцієнтом дифузії в мембрані і різницею концентрації речовини зовні і всередині клітини. Цю різницю називають градієнтом концентрації.
При транспорті заряджених частинок істотний вплив на процес дифузії робить також різниця електричних потенціалів, що виникають в результаті накопичення в клітині надлишку негативно заряджених іонів.
Шляхом звичайної дифузії в клітини проникають вода, двоокис вуглецю, кисень і молекули анестезуючих речовин. Значно більш широко поширений процес полегшеної дифузії. Так само, як дифузії, полегшена дифузія залежить від градієнта концентрації. Для полегшеної дифузії характерний ефект насичення, який полягає в тому, що в міру збільшення концентрації диффундирующего речовини швидкість потоку речовини через мембрану прагне до деякого максимуму. Очевидно, при полегшеної дифузії, речовина з'єднується з рухомим переносником (найчастіше білком). Переносник далі дифундує на коротку відстань до протилежної сторони мембрани, де звільняється від пов'язаної з ним молекули або іона.
Найбільший інтерес представляє активний транспорт, при якому речовина переноситься через мембрану проти градієнту концентрації, тобто з області з більш низькою концентрацією в область з більш високою концентрацією. Цей процес супроводжується збільшенням вільної енергії і ця обставина робить необхідним сполучення активного транспорту з якою-небудь мимовільно протікає екзергоніческой реакцією.
Таке поєднання може здійснюватися щонайменше двома шляхами.
При первинному активному транспорті має місце безпосереднє сполучення з реакціями типу гідролізу АТФ і "накачування" розчиненого речовини через мембрану, тоді як при вторинному активному транспорті використовується енергія електрохімічного градієнта, що виникає для іншого розчиненої речовини. У другому випадку одне розчинена речовина "накачується" проти градієнта концентрації, а потім друге переноситься через мембрану в результаті обміну з першим.
Ще один різновид активного транспорту відома під назвою групова транслокація. У цьому процесі транспортується речовина спочатку піддається ковалентного модифікації і утворюється при цьому продукт проникає в клітину. Процеси транспорту, будь то полегшений або активний транспорт, представляється досить складними і протікають з участю кількох мембранних білків. Іноді для опису транспортної системи використовують термін пермеаз. Останнім часом досягнуті значні успіхи у виділенні зв'язуючих білків, які прийнято вважати компонентами пермеазних систем.
Велика частина виділених білків належить до систем активного транспорту і їхня функція в процесах переносу до цих пір остаточно не встановлена.
Розглянемо більш детально активний перенесення через мембрани. У клітинних мембранах є системи переносу, здатні прискорювати проходження біологічно важливих розчинених речовин. Такі системи володіють субстратної специфічністю і здатністю насичуватися субстратом. Вони схильні конкурентні і неконкурентні інгібування. Ймовірно, субстрат утворює зі специфічною молекулою переносником в мембрані комплекс, аналогічний фермент-субстратного комплексу. Системи пасивного перенесення переміщують певні розчинені речовини в напрямку градієнта концентрації, вони не вимагають витрати метаболічної енергії. Інші мембранні системи перенесення прискорюють обмінну дифузію або еквівалентний обмін розчинених молекул через мембрану. Системи активного переносу прискорюють переміщення специфічних розчинених речовин проти градієнта концентрації, вони залежать від АТФ або інших носіїв метаболічної енергії. Однією з найпоширеніших систем активного переносу у вищих організмів є натрій-калій-АТФаза, яка виводить іони натрію із клітини і забезпечує поєднане накопичення іонів калію в клітині. Це АТФ-азная система, локалізована в клітинній мембрані, діє на внутрішньоклітинний магній АТФ і стимулюється іонами натрію зсередини і калію зовні. В еритроцитах при гідролізі однієї молекули АТФ до АДФ і фосфату виводиться 3 іона калію. Процес протікає в 2 стадії. Для здійснення необхідні іони натрію, пригнічується він іонами кальцію.
У всіх мембранах, незалежно від їх походження є фосфоліпіди. Важливими компонентами плазматичних мембран, мієліну, а також мембран ендоплазматичного ретикулуму є гліколіпіди. У плазматичних мембранах є холестерин (в мієліну 17%). У всіх організмах при фізіологічній температурі ліпідні компоненти більшості мембран частково знаходяться в рідкому стані. Рідкий стан ліпідів у мембрані пояснюється 3 причинами:
В організмі людини є ненасичені жирні кислоти, що знижують температуру плавлення. Додаткові метильні групи сприяють зниженню температури плавлення. Також до їх складу входять ціклопропансодержащіе жирні кислоти.
Наявність у мембранах холестерину призводить до обмеження рухливості молекул і зменшення площі, займаної молекулами фосфоліпідів.
Чому мембранні ліпіди повинні бути рухливими? Це пов'язано з участю мембран у процесах транспорту. Біологічні мембрани характеризуються досить високою проникністю для нейтральних молекул. Молекули ліпідів і білків, що входять до складу мембран здатні переміщатися відносно один від одного. Основна частина холестерину плазми пов'язана з ліпопротеїдів низької щільності (ЛНП), який доставляє ефіри холестерину безпосередньо до відповідних клітин. Комплекс холестерин - ЛНП зв'язується зі специфічними рецепторами ЛНП на поверхні клітин і потім захоплюється клітиною шляхом ендоцитозу. Ліпопротеїд піддається потім дії лізосомних ферментів, а специфічна розщеплює ефіри холестерину і звільняє вільний холестерин. Споживання холестерину клітиною регулюється за принципом зворотного зв'язку, що контролює інтенсивність синтезу молекул рецептора ЛНП. Крім того, вільний холестерин гальмує важливий етап власного біосинтезу. Холестерин в організмі перетворюється на ряд речовин, однак найбільш важливими продуктами перетворення холестерину є жовчні кислоти. Транспорт і запасання холестерину контролюється у ссавців численними механізмами, деталі яких все ще залишаються невідомими. Ліпопротеїди служать тією формою, в якій ліпіди транспортуються з тонкого кишечнику в печінку і з печінки в жирову тканину, а також в інші тканини. Хіломікронів складаються з триацилгліцеридів, фосфогліцерідов, холестерину і білка. Точна структура ліпопротеїдів поки не відома.
ЛІТЕРАТУРА
1. Мецлер Д. Біохімія. Т. 1, 2, 3. "Світ" 2000
2. Ленінджер Д. Основи біохімії. Т.1, 2, 3. "Світ" 2002
3. Фримель Г. Імунологічні методи. М. "Медицина" 2007
4. Медична електронна апаратура для охорони здоров'я. М. 2001
5. Резніков О.Г. Методи визначення гормонів. Київ "Наукова думка" 2000
6. Бредікіс Ю.Ю. Нариси клінічної електроніки. М. "Медицина" 1999
Кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Інтеграція обміну вуглеводів, білків і жирів в організмі. Транспортні системи в організмі людини »
МІНСЬК, 2008
Інтеграція обміну вуглеводів, білків і жирів в організмі.
Життєві процеси організму пов'язані з постійним поглинанням речовин з навколишнього середовища і виділенням продуктів розпаду в це середовище. Усю сукупність цих реакцій об'єднують загальним поняттям метаболізм або обмін речовин. Метаболізм являє собою високо координовану і цілеспрямовану клітинну активність, забезпечуваний участю безлічі взаємопов'язаних ферментних систем і означає перетворення речовин усередині клітин з моменту їх надходження до утворення кінцевих продуктів. Обмін речовин виконує 4 специфічні функції:
Забезпечення органів і систем хімічного енергією, що виробляється в процесі розщеплення багатих енергією харчових речовин.
Перетворення молекул харчових продуктів в будівельні блоки, які використовуються клітиною для побудови макромолекул
Освіта з цих будівельних блоків молекул білків, нуклеїнових кислот, ліпідів, вуглеводів та інших компонентів
Синтез і руйнування тих біомолекул, які необхідні для виконання певних специфічних функцій клітини
Метаболізм складається з протікання сотень різних ферментативних реакцій, проте центральні метаболічні шляху у всіх живих істот мають єдину природу.
Живі організми беруть активну участь у кругообігу вуглецю і кисню. Всі вони поділяються на дві великі групи залежно від того, в якій хімічній формі вони здатні засвоювати надходить з навколишнього середовища вуглець. Клітини листя зелених рослин (фотосинтезуючі клітини) використовують в якості єдиного джерела вуглець атмосфери у вигляді вуглекислого газу, з якого вони будують всі свої углеродсодержащие біомолекули. Клітини вищих тварин не мають здатність засвоювати атмосферний вуглекислий газ і отримують вуглець у вигляді складних органічних сполук, розщеплюючи їх для отримання необхідної енергії (наприклад до глюкози). Таким чином, в біосфері одні організми споживають вуглекислий газ і виділяють при цьому в атмосферу кисень, а інші споживають кисень, повертаючи вуглекислий газ в атмосферу. Усім живим організмам, крім джерел вуглецю кисню та енергії, необхідний ще джерело азоту. Майже всі вищі тварини повинні отримувати необхідний їм азот у вигляді амінокислот, причому з 20 АК - 10 є незамінними, оскільки організм не здатний їх синтезувати. Рослини можуть використовувати як джерело азоту аміак або розчинні нітрати.
Таким шляхом відбувається безперервний кругообіг вуглецю, кисню та азоту між тваринним і рослинним світом. Джерелом енергії для цього процесу служить сонячне світло.
Метаболізм включає процеси розпаду речовин (катаболізм) і процеси синтезу (анаболізм)
Катаболізм - це фаза, в якій відбувається розщеплення складних органічних молекул до більш простих кінцевих продуктів. Вуглеводи, жири і білки, що надійшли ззовні з їжею або присутні в самій клітині в якості запасних речовин, розпадаються в серії послідовних реакцій до таких сполук як молочна кислота, вуглекислий газ і аміак. Катаболічні процеси супроводжуються виділенням вільної енергії, укладеної в складній структурі органічних молекул, наприклад, АТФ, НАДФН.
Анаболізм - це фаза обміну речовин, в якій з малих молекул попередників або будівельних блоків, синтезуються білки, нуклеїнові кислоти, жири, вуглеводи і інші компоненти клітин. Так як біосинтез призводить до збільшення і ускладнення молекул і структур, то він вимагає витрати вільної енергії. Джерелом цієї енергії служать розпад АТФ до АДФ і неорганічного фосфору і багаті енергією водневі зв'язки.
Катаболічні і анаболічні процеси протікають в клітинах одночасно, проте їх швидкості регулюються незалежно. Ферментативне розщеплення головних поживних речовин, які служать клітині джерелом енергії (вуглеводи, жири і білки) відбувається поступово через ряд послідовних реакцій.
У аеробному катаболізмі (з участю кисню):
На першій стадії полісахариди (вуглеводи) розпадаються до гексоз і пентоз, жири до жирних кислот, гліцерину, білки - до амінокислот.
На другій стадії розпаду речовин всі ці продукти перетворюються на ще більш прості з'єднання. Так, гексози, пентози і гліцерин розщеплюються до одного і того ж проміжного продукту ацетил коензиму А. Аналогічні перетворення зазнають жирні кислоти і амінокислоти. Їх розщеплення також завершується утворенням ацетілкоензіма А. Таким чином, ацетілкоензім А являє собою загальний кінцевий продукт другої стадії катаболізму.
На третій стадії ацетільная група ацетил КоА вступає в цикл Кребса (цикл лимонної кислоти) - загальний кінцевий шлях, на якому майже всі види клітинного палива окислюються до вуглекислого газу, води й аміаку.
Анаболічні шляху (синтез речовин) розходяться, і утворюється багато різноманітних молекул. Біосинтез починається з малих молекул попередників і протікає також в три стадії.
Катаболічний і відповідний йому, але протилежний за напрямом, анаболічний шлях розрізняються по проміжних продуктів реакцій. Проте їх пов'язує загальна стадія, яка включає в себе цикл лимонної кислоти. На цій стадії завершується не тільки розпад молекул (катаболізм), але відбувається і процес анаболізму, що полягає в постачанні молекул попередників для біосинтезу молекул амінокислот, жирних кислот і вуглеводів. У дорослої здорового організму процеси розпаду і синтезу відповідають один одному і в такий спосіб установлюється динамічна рівновага. У організмі, що росте переважають процеси біосинтезу над розпадом.
Таким чином, майже всі метаболічні реакції в кінцевому рахунку зв'язані між собою. Регуляція метаболізму здійснюється на 3 рівнях:
Перший з них, найбільш швидко реагує на будь-яка зміна пов'язаний з дією ферментів, що володіють не тільки каталітичної, але і регуляторної активністю. Вони як би диригенти, що задають темп метаболічним процесам.
Другий рівень регуляції метаболізму здійснюється під дією гормонів, що виробляються різними ендокринними залозами і виділяються безпосередньо в кров. Гормони переносяться кров'ю до інших органів і тканин, де стимулюють або гальмують певні види обміну речовин.
Третій рівень регуляції метаболізму пов'язаний зі зміною процесів біосинтезу ферменту внаслідок збільшення або зменшення того чи іншого субстрату в клітці. Так, якщо в організмі надлишок вуглеводів, то в печінці синтезуються ферменти, що каталізують розпад вуглеводів. Якщо ж збільшується кількість білків, то в печінці помітно підвищиться вміст ферментів, необхідних для розщеплення АК.
Шляхи перетворення білків, жирів і вуглеводів взаємозв'язані. Існує тісний енергетичний зв'язок між ними, коли енергетичні потреби організму забезпечуються окисленням будь-якого класу органічних речовин, при недостатньому надходженні інших. Так білки і амінокислоти використовуються для синтезу ряду сполук (пуринових і піримідинових нуклеотидів, біогенних амінів). Амінокислоти, які утворюються в процесі обміну ацетоацетіл КоА беруть участь в синтезі жирних кислот. Глюкоза може також синтезуватися з амінокислот. Ацетил КоА, який утворюється в процесі обміну вуглеводів, жирів, білків та ряду амінокислот служить пусковим субстратом у циклі Кребса.
Таким чином, переважання розпаду ряду одних поживних речовин і біосинтезу інших перш за все визначається фізіологічним станом і потребами організму в енергії і метаболітів. Цими факторами в значній мірі може бути пояснено існування постійного динамічного стану хімічних складових компонентів організму як єдиного цілого. В організмі людини як і в живій природі взагалі не існує самостійного обміну білків, жирів, вуглеводів і нуклеїнових кислот. Всі вони об'єднані в єдиний процес метаболізму, що допускає взаємоперетворення між окремими класами органічних речовин.
Живий організм і умови його існування знаходяться в постійній залежності від умов навколишнього середовища. Обмін речовин в організмі людини протікає не хаотично, а "тонко" налаштований. Всі перетворення органічних речовин, процеси анаболізму і катаболізму тісно пов'язані один з одним. Синтез і розпад взаємопов'язані, координовані і регулюються нейрогуморальними механізмами, що додають хімічних процесів потрібний напрямок. Інтенсивність, напрямок будь-якої реакції визначається ферментами, які мають прямий вплив на обмін ліпідів, вуглеводів, нуклеїнових кислот. Синтез будь-якого ферменту-білка - вимагає участі ДНК і майже всіх 3-х типів рибонуклеїнових кислот (транспортної, матричної і Хвороби) Якщо до цього додати вплив гормонів і різних продуктів розпаду (біогенних амінів), то видно узгодженість і коодінірованность величезного розмаїття хімічних процесів , що відбуваються в організмі, що визначається фізіологічним станом і потребами організму.
Проблема регуляції обміну речовин займає особливе місце серед інших проблем патології, так як будь-яка патологія і є порушення регуляторних процесів. Характерною особливістю регуляторних механізмів у живій природі є автоматизм. Саморегуляція біохімічних процесів обміну речовин - одне з невід'ємних властивостей живої матерії. Хвороба - це такий стан при якому ті чи інші системи саморегуляції зазвичай виведені за межі їх фізіологічної адаптації. Механізми саморегуляції обміну речовин живого організму розгортаються на різних рівнях: молекулярному, клітинному, органному і цілісного організму.
Відомо, що в основі всіх процесів обміну лежать ті чи інші хімічні реакції. Тому витоки регуляторних механізмів слід шукати, починаючи з факторів, що регулюють швидкості окремих хімічних реакцій. На молекулярному рівні розрізняють такі елементи регулювання: концентрація вихідних і кінцевих продуктів. Хімічні процеси, що протікають в живих організмах, звичайно можуть підтримуватися в стаціонарному стані тільки при наявності зовнішніх джерел енергії.
У хімічних реакціях обміну речовин обов'язково беруть участь біологічні каталізатори - ферменти, яким належить вирішальна роль у визначенні швидкості реакції. Швидкість протікання ферментативних реакцій залежить від:
1) Агентів, що регулюють рН, температуру, іонну силу, окислювально-відновний потенціал.
2) Сполук, що специфічно взаємодіяли з активним центром ферменту (субстрати, коферменти).
3) Сполук, взаємодіючих специфічно з ферментом поза його активного центру.
У результаті взаємодії цих речовин з ферментами відбувається зміна просторової конфігурації ферментного білка (конформаційні зміни) на рівні третинної або четвертинної структури.
1. рН, t і т.д. підтримуються постійними у вузьких, оптимальних для життєдіяльності клітини межах. 2. Підвищення концентрації субстратів і коферментів зазвичай прискорює ферментативні реакції
Аллостеріческого взаємодія - це взаємодія метаболіту або іншого регуляторного фактора з ділянкою ферментативного білка, в результаті змінюється конформація білкової молекули ферменту і фермент втрачає свої каталітичні властивості.
У порівнянні з молекулярним, клітина значно вищий якісно інший рівень організації біохімічних процесів. Тут є компактна саморегулююча система. Найбільш характерна її особливість - це структурна впорядкованість. Детальне поділ функцій між окремими органоидами. Роль найважливішого компонента виконує біологічна мембрана. Головний зміст регуляції на клітинному рівні - координація різних метаболічних процесів:
Спряженість процесів субстратного дегидрирования і транспорту водопологів і електронів у ланцюзі дихальних каталізаторів, пару окислення і фосфорилювання, освіта макроергічних сполук та їх витрата, здатність переключати метаболізм з аеробного режиму на анаеробний, координація процесів біосинтезу білків і нуклеїнових кислот. У зв'язку з цим особливо важливі ферментативні реакції та метаболізм вузлових етапів обміну.
На рівні цілісного організму багато клітини набувають спеціалізовані функції, пов'язані із взаємодією організму з зовнішнім середовищем і підтримання сталості внутрішнього середовища. Регуляція обміну речовин при участі нервової і гуморальної систем на рівні цілісного організму має досконалістю і дає можливість складного багатоклітинного організму на цьому рівні організації придбати максимальну ступінь автономності по відношенню до мінливих факторів зовнішнього середовища. Кінцева мета регулювання на рівні цілісного організму - підтримка оптимального значення основних параметрів і "внутрішнього середовища", в якій живуть клітини організму. Об'єктом регулювання є ті ж самі метаболічні процеси, як і на клітинному рівні регуляції. Різниця полягає в тому, що на рівні цілісного організму вибірковість дії регуляторного агента проявляється у ставленні всього органу або тканини, в яких процес піддається зміні. Система регулювання пристосована до вибору такого варіанту регулювання, який дозволяє максимально використовувати специфічну роль того чи іншого органу в адаптації обміну цілісного організму в нових умовах.
Регуляція обміну речовин на рівні цілісного організму не тільки підвищує адаптаційні можливості клітин організму, а й впливає на власний метаболізм кожної клітини. Якщо на перших етапах метаболічний апарат клітини працює відповідно до генетичної програми, то в міру ускладнення зв'язків клітини з усім організмом все більшого значення набувають фактори нейрогуморального характеру. Для збереження життєдіяльності організму особливе значення має підтримання стабільного хімічного складу крові як тканини, яка об'єднує всю внутрішню середу організму в єдине ціле.
Це забезпечується узгодженої роботою органів безпосередньо регулюють синтез і надходження в кров ряду речовин, а з іншого - виведення її кінцевих продуктів обміну. Подібний механізм регуляції клітинного обміну за типом зворотного зв'язку з включенням ЦНС, еферентних нервів, гуморальних ланок і органів-регуляторів внутрішнього середовища, мабуть, лежить в основі регуляторних відносин в цілісному організмі.
Таким чином, організм людини нескінченно більш складний ніж простий конгломерат або сукупність різного типу клітин.
Клітини, диференційовані для здійснення специфічних, біохімічних і фізіологічних функцій, взаємодіють один з одним, утворюючи тканини, які, у свою чергу, структурно організовані у вигляді органів. Така організація забезпечує раціональне розподіл функціональної активності, але вимагає участі контролюючих і погоджувальних роботу різних органів і тканин, з тим, щоб вона гармонійно відповідала потребам організму.
Цю інтегруючу роль грають 3 найважливіші системи:
Нервова система - є центром обробки інформації та прийняття рішень, що сприймає імпульси (недостатність кисню, голод, спрага, біль), а також передавальний відповідні команди іншим органам.
Ендокринна система - фабрика і сховище хімічних передавачів (посередників) надають різноманітні дії на ріст, розмноження та розвиток, а також на інші найважливіші функції організму (підтримання у крові сталості концентрації глюкози, ліпідів, кальцію, забезпечення оптимального співвідношення синтезу та розпаду компонентів тканин).
Судинна система - яка служить для перенесення всіх хімічних сполук в організмі.
У нормі всі ці 3 системи взаємодіють безперебійно.
Вплив гормонів ендокринної системи здійснюється через потік крові і залежно від концентрації їх регулює секрецію цих гормонів за принципом негативного зворотного зв'язку. Взаємозв'язок між перетвореннями вуглеводів, жирів і білків у процесі обміну речовин здійснюється наступним чином:
Вуглеводи, білки і ліпіди можуть утворюватися в результаті процесів, що мають подібне енергетичне забезпечення, із загальних попередників і проміжних продуктів, загальних кінцевих шляхів окислення вуглецю і водню. При біосинтезі різноманітних органічних сполук або макромолекул як джерела енергії використовуються або АТФ, або НАДН або НАДФН, що поставляють відновну енергію. Якщо в клітці здійснюється синтез певного класу сполук, це повинно відбуватися за рахунок катаболізму іншої речовини. Наприклад, коли від печінки потрібна збільшення синтезу глюкози, вона не може одночасно синтезувати білки і жири, навпаки виникає необхідність здійснити гідроліз частини наявних білків і жирів для забезпечення синтезу НАДН і АТФ для потреб глюконеогенезу. Загальні попередники і проміжні продукти обміну є передумовою виникнення ще одного рівня взаємозв'язків метаболічних шляхів. Загальний фонд вуглеводів впливає на процеси синтезу ліпідів і білків. Найбільш важливим загальним проміжним продуктом обміну речовин, що становлять вирішальне сполучна ланка, є ацетил КоА. Загальним кінцевим шляхом для всіх систем метаболізму є цикл лимонної кислоти і реакції дихальної ланцюга. Ці протікають у мітохондріях процеси використовуються для координації цілого ряду метаболічних реакцій на різних рівнях. Цикл лимонної кислоти є в клітці головним джерелом двоокису вуглецю для реакцій карбоксилювання, з яких починається синтез жирних кислот і глюконеогенез. Та ж двоокис вуглецю поставляє вуглець для сечовини і деяких ланок пуринових і піримідинових кілець.
Взаємозв'язок між процесами вуглеводного та азотистого обміну також досягаються за допомогою проміжних продуктів циклу лимонної кислоти. Існує кілька шляхів, за якими проміжні продукти циклу лимонної кислоти включаються в процес липогенеза. Розщеплення цитрату призводить до утворення ацетил КоА, що грає роль попередника у біосинтезі жирних кислот.
Ізоцітрат і малат забезпечують утворення НАДФ, який витрачається в наступних відновлювальних етапах синтезу жирів.
Роль ключового чинника, що визначає перетворення НАДН відіграє стан аденіннуклеотідов. Високий вміст АДФ і низьке АТФ свідчить про малий запасі енергії. При цьому НАДН втягується в реакції дихальної ланцюга, посилюючи пов'язані з запасанием енергії процеси окисного фосфорилювання. Зворотне явище спостерігається при низькому вмісті АДФ і високому АТФ. Обмежуючи роботу системи перенесення електронів, вони сприяють використанню НАДН в інших відновних реакціях, таких як синтез глутамату і глюконеогенез. У деяких випадках біохімічні процеси в клітинах вузькоспеціалізовані і функції клітин досить обмежені, в інших випадках клітини мають здатність здійснювати найрізноманітніші ферментативні перетворення.
По різноманіттю і пристосовності жоден інший орган не може зрівнятися з печінкою, в якій відбуваються складні взаємопов'язані процеси обміну речовин, що впливають на весь організм. Печінка як залоза наділена і екзокринними і ендокринними функціями. Продуктом зовнішньої секреції є жовч, виділяється в желудочнокішечний тракт. Продуктами внутрішньої секреції печінки є не гормони, а метаболіти, які розносяться струмом крові і використовуються іншими клітинами, змінюючи їх функції. Це: глюкоза, яка використовується для гліколізу, триацилгліцеридів - для липогенеза. Кетонові тіла - використовуються в м'язовій і нервовій тканинах як джерела енергії. Печінка відповідальна за синтез альбуміну, сироваткових ліпопротеїдів та факторів згортання крові. Процеси обміну жирів в печінці і жировій клітковині нерозривно пов'язані між собою. Існує взаємозв'язок між процесами обміну речовин у м'язовій і печінкової тканинах на декількох рівнях. Процес глюконеогенезу здійснюється як у печінці, так і в нирках і вони взаємозалежні. Нарешті, тісно пов'язані між собою і процеси обміну в тканинах мозку і печінки, перш за все через те, що нервова тканина цілком залежить від безперебійної доставки глюкози, яка забезпечується печінкою.
Таким чином здоровий організм перебуває в рівновазі з навколишнім середовищем.
Транспортні системи в організмі людини.
Метаболічні процеси, що протікають у всіх клітинах тіла, вимагають безперервного припливу поживних речовин і кисню і безперервного видалення продуктів обміну. У деяких видів тварин транспортна система, крім того, служить для переносу гормонів з ендокринних залоз в ті органи, на які вони впливають, а також бере участь в регуляції температури тіла.
У людини система кровообігу складається з кровоносних судин, сповнює їх крові і серця, що приводить кров в рух. Кров складається з рідкої плазми і зважених у ній кров'яних клітин. У більшості випадків переносимий кров'ю кисень не просто розчинений в плазмі, а з'єднаний з тим чи іншим гемопротеідом, це гемоглобін, що знаходиться в еритроцитах. Система кровоносних судин у людини складається з артерій, вен і капілярів.
Артерії і вени - це великі судини, які відрізняються один від одного напрямком течії крові і будовою стінок. Артерії несуть кров від серця до тканин, а вени повертають її від тканин до серця. Капіляри-мікроскопічні посудини, які знаходяться в тканинах і з'єднують артерії з венами. Тонкі стінки капілярів складаються з одного шару клітин ендотелію, через який різні речовини можуть переходити з крові в тканини і назад. Кров не вступає в пряме зіткнення з клітинами організму, вони омиваються тканинної рідиною. Для того щоб досягти клітин, речовини повинні перейти з крові через стінку капіляра і через простір, заповнений тканинною рідиною. Стінка капіляра має великі пори, ніж плазматична мембрана клітин, через них легко дифундує глюкоза, амінокислоти і сечовина, а також іони натрію, хлору та ін
Крім кровоносної системи є ще одна група судин, що утворюють лімфатичну систему. Лімфатичні судини утворюють допоміжну систему для повернення рідини з тканинних просторів у систему кровообігу. Лімфатичні капіляри вельми проникні і через стінку разом з тканинною рідиною всередину легко проникають білкові молекули і інші крупні частинки.
Переносні кров'ю речовини, можуть бути просто розчинені в плазмі, пов'язані з яким-небудь з білків плазми або ж приєднані до гемоглобіну, що знаходиться в еритроцитах.
Невелика кількість кисню і вуглекислоти розчинені в плазмі. Неорганічні іони (хлор, бікарбонат, фосфат) і катіони (натрій, калій, магній, кальцій) переносяться в плазмі в розчині. Глюкоза, амінокислоти і органічні кислоти (молочна, лимонна) знаходяться в розчині, так само як і різноманітні відходи метаболізму (сечовина, сечова кислота, аміак, креатинін) і дуже малі кількості вітамінів. Багато речовин, що переносяться плазмою, з'єднані з білками. Вільні жирні кислоти переносяться кров'ю у вигляді комплексів з сироватковим альбуміном. Тригліцериди здійснюють свій шлях з кишечнику в печінку та жирову тканину в формі хиломикронов - крапельок жиру, стабілізованих тонкою оболонкою з білків, фосфоліпідів і холестерину. Гормони передньої і задньої часток гіпофіза переносяться плазмою крові у розчиненому стані. Тироксин пов'язаний або зі специфічним білком тиреоглобуліном, або з альбуміном. Інсулін, що знаходиться в плазмі пов'язаний з глобулінами. Кортизол - з транскортином. Кисень і вуглекислий газ переносить гемоглобін.
Винятково велике значення має здатність клітин поглинати поживні речовини і виділяти різні сполуки.
Термін "мембрана" використовується ось вже більше ста років для позначення клітинної кордону, яка є, з одного боку, бар'єром між вмістом клітини і зовнішнім середовищем, а з іншого - напівпроникною перегородкою через яку проходитиме молекули води деякі з розчинених у ній речовин.
Мембрани більш ніж на 95% складаються з ліпідів і білків. Фермент натрій-калій-АТФ-аза пов'язаний з плазматичною мембраною. Вона виявлена в клітинах всіх органів тварин (немає в еритроцитах). Кальцієва АТФ-аза є в кишечнику та м'язах. Іони заліза переносить всередину клітини мікобактін, де ці іони за участю НАДН відновлюються до двовалентного заліза. Іонофори - це ряд сполук, які самі можуть і не брати участь у транспорті, але роблять мембрану проникною для іонів. Іонофори підрозділяють на пептиди, депсіпептіди, макротетраліди. Піноцитоз - морфологічно це переміщення бульбашок - крапельок рідини, оточених ліпідами, або з цитоплазми назовні (екзоцитоз), або з середовища в клітину (ендоцитоз).
Невеликі нейтральні молекули можуть проникати через мембрани просто за рахунок звичайної дифузії. Швидкість дифузії речовини визначається його розчинністю в мембрані, коефіцієнтом дифузії в мембрані і різницею концентрації речовини зовні і всередині клітини. Цю різницю називають градієнтом концентрації.
При транспорті заряджених частинок істотний вплив на процес дифузії робить також різниця електричних потенціалів, що виникають в результаті накопичення в клітині надлишку негативно заряджених іонів.
Шляхом звичайної дифузії в клітини проникають вода, двоокис вуглецю, кисень і молекули анестезуючих речовин. Значно більш широко поширений процес полегшеної дифузії. Так само, як дифузії, полегшена дифузія залежить від градієнта концентрації. Для полегшеної дифузії характерний ефект насичення, який полягає в тому, що в міру збільшення концентрації диффундирующего речовини швидкість потоку речовини через мембрану прагне до деякого максимуму. Очевидно, при полегшеної дифузії, речовина з'єднується з рухомим переносником (найчастіше білком). Переносник далі дифундує на коротку відстань до протилежної сторони мембрани, де звільняється від пов'язаної з ним молекули або іона.
Найбільший інтерес представляє активний транспорт, при якому речовина переноситься через мембрану проти градієнту концентрації, тобто з області з більш низькою концентрацією в область з більш високою концентрацією. Цей процес супроводжується збільшенням вільної енергії і ця обставина робить необхідним сполучення активного транспорту з якою-небудь мимовільно протікає екзергоніческой реакцією.
Таке поєднання може здійснюватися щонайменше двома шляхами.
При первинному активному транспорті має місце безпосереднє сполучення з реакціями типу гідролізу АТФ і "накачування" розчиненого речовини через мембрану, тоді як при вторинному активному транспорті використовується енергія електрохімічного градієнта, що виникає для іншого розчиненої речовини. У другому випадку одне розчинена речовина "накачується" проти градієнта концентрації, а потім друге переноситься через мембрану в результаті обміну з першим.
Ще один різновид активного транспорту відома під назвою групова транслокація. У цьому процесі транспортується речовина спочатку піддається ковалентного модифікації і утворюється при цьому продукт проникає в клітину. Процеси транспорту, будь то полегшений або активний транспорт, представляється досить складними і протікають з участю кількох мембранних білків. Іноді для опису транспортної системи використовують термін пермеаз. Останнім часом досягнуті значні успіхи у виділенні зв'язуючих білків, які прийнято вважати компонентами пермеазних систем.
Велика частина виділених білків належить до систем активного транспорту і їхня функція в процесах переносу до цих пір остаточно не встановлена.
Розглянемо більш детально активний перенесення через мембрани. У клітинних мембранах є системи переносу, здатні прискорювати проходження біологічно важливих розчинених речовин. Такі системи володіють субстратної специфічністю і здатністю насичуватися субстратом. Вони схильні конкурентні і неконкурентні інгібування. Ймовірно, субстрат утворює зі специфічною молекулою переносником в мембрані комплекс, аналогічний фермент-субстратного комплексу. Системи пасивного перенесення переміщують певні розчинені речовини в напрямку градієнта концентрації, вони не вимагають витрати метаболічної енергії. Інші мембранні системи перенесення прискорюють обмінну дифузію або еквівалентний обмін розчинених молекул через мембрану. Системи активного переносу прискорюють переміщення специфічних розчинених речовин проти градієнта концентрації, вони залежать від АТФ або інших носіїв метаболічної енергії. Однією з найпоширеніших систем активного переносу у вищих організмів є натрій-калій-АТФаза, яка виводить іони натрію із клітини і забезпечує поєднане накопичення іонів калію в клітині. Це АТФ-азная система, локалізована в клітинній мембрані, діє на внутрішньоклітинний магній АТФ і стимулюється іонами натрію зсередини і калію зовні. В еритроцитах при гідролізі однієї молекули АТФ до АДФ і фосфату виводиться 3 іона калію. Процес протікає в 2 стадії. Для здійснення необхідні іони натрію, пригнічується він іонами кальцію.
У всіх мембранах, незалежно від їх походження є фосфоліпіди. Важливими компонентами плазматичних мембран, мієліну, а також мембран ендоплазматичного ретикулуму є гліколіпіди. У плазматичних мембранах є холестерин (в мієліну 17%). У всіх організмах при фізіологічній температурі ліпідні компоненти більшості мембран частково знаходяться в рідкому стані. Рідкий стан ліпідів у мембрані пояснюється 3 причинами:
В організмі людини є ненасичені жирні кислоти, що знижують температуру плавлення. Додаткові метильні групи сприяють зниженню температури плавлення. Також до їх складу входять ціклопропансодержащіе жирні кислоти.
Наявність у мембранах холестерину призводить до обмеження рухливості молекул і зменшення площі, займаної молекулами фосфоліпідів.
Чому мембранні ліпіди повинні бути рухливими? Це пов'язано з участю мембран у процесах транспорту. Біологічні мембрани характеризуються досить високою проникністю для нейтральних молекул. Молекули ліпідів і білків, що входять до складу мембран здатні переміщатися відносно один від одного. Основна частина холестерину плазми пов'язана з ліпопротеїдів низької щільності (ЛНП), який доставляє ефіри холестерину безпосередньо до відповідних клітин. Комплекс холестерин - ЛНП зв'язується зі специфічними рецепторами ЛНП на поверхні клітин і потім захоплюється клітиною шляхом ендоцитозу. Ліпопротеїд піддається потім дії лізосомних ферментів, а специфічна розщеплює ефіри холестерину і звільняє вільний холестерин. Споживання холестерину клітиною регулюється за принципом зворотного зв'язку, що контролює інтенсивність синтезу молекул рецептора ЛНП. Крім того, вільний холестерин гальмує важливий етап власного біосинтезу. Холестерин в організмі перетворюється на ряд речовин, однак найбільш важливими продуктами перетворення холестерину є жовчні кислоти. Транспорт і запасання холестерину контролюється у ссавців численними механізмами, деталі яких все ще залишаються невідомими. Ліпопротеїди служать тією формою, в якій ліпіди транспортуються з тонкого кишечнику в печінку і з печінки в жирову тканину, а також в інші тканини. Хіломікронів складаються з триацилгліцеридів, фосфогліцерідов, холестерину і білка. Точна структура ліпопротеїдів поки не відома.
ЛІТЕРАТУРА
1. Мецлер Д. Біохімія. Т. 1, 2, 3. "Світ" 2000
2. Ленінджер Д. Основи біохімії. Т.1, 2, 3. "Світ" 2002
3. Фримель Г. Імунологічні методи. М. "Медицина" 2007
4. Медична електронна апаратура для охорони здоров'я. М. 2001
5. Резніков О.Г. Методи визначення гормонів. Київ "Наукова думка" 2000
6. Бредікіс Ю.Ю. Нариси клінічної електроніки. М. "Медицина" 1999