Метаболізм

Метаболизм

Метаболизм, чи обмін речовин, хімічні перетворення, які відбуваються від часу надходження поживних речовин, у живий організм досі, коли кінцеві продукти цих перетворень виділяються в навколишнє середовище. До метаболізму можна адресувати реакції, у яких будуються структурні елементи клітин та тканин, і процеси, у яких із які у клітинах речовин витягається енергія. Іноді для зручності розглядають окремо дві сторони метаболізму — анаболизм і катаболізм, тобто. процеси творення органічних речовин і процеси їх руйнації. Анаболические процеси зазвичай пов’язані з витратою енергії і приводять до утворення складних молекул з більш простих, катаболические ж супроводжуються вивільненням енергії і закінчуються освітою таких кінцевих продуктів (відходів) метаболізму, як сечовина, діоксид вуглецю, аміак і вода.

Термин «обмін речовин» ввійшов у повсякденну життя відтоді, як лікарі стали пов’язувати надлишковий чи недостатня вага, надмірну знервованість чи, навпаки, млявість хворого на підвищеним чи зниженим обміном. Для судження про інтенсивності метаболізму ставлять тест на «основний обмін». Основний обмін — показник здібності організму виробляти енергію. Тест проводять натщесерце може спокою; вимірюють поглинання кисню (О2) і виділення діоксиду вуглецю (СО2). Зіставляючи ці величини, визначають, наскільки повно організм використовує («спалює») живильні речовини. На інтенсивність метаболізму впливають гормони щитовидної залози, тому лікарі при діагностиці захворювань, що з порушеннями обміну, останнім часом все частіше вимірюють рівень цих гормонів у крові.

Методы дослідження. Під час вивчення метаболізму якогось однієї з поживних речовин простежують усі його перетворення від тієї форми, якою вона вступає у організм, до кінцевих продуктів, виведених з організму. У цих дослідженнях застосовується вкрай різноманітний набір біохімічними методами.

Использование интактных тварин чи. Тварині вводять досліджуване з'єднання, потім у його сечі і екскрементах визначають можливі продукти перетворень (метаболіти) цього речовини. Більше певну інформацію можна було одержати, досліджуючи метаболізм певного органу, наприклад печінки чи мозку. У таких випадках речовина вводять в відповідний кровоносну судину, а метаболіти призначають у крові, оттекающей від цього органу.

Поскольку що така процедури пов’язані з великими труднощами, часто на дослідження використовують тонкі зрізи органів. Їх инкубируют при кімнатної температурі або за температурі тіла в розчинах з добавкою того речовини, метаболізм якого вивчають. Клітини в препаратах не пошкоджені, й, оскільки зрізи дуже тонкі, речовина легко проникає у клітини і легко виходить із них. Іноді труднощі виникають через занадто повільного проходження речовини крізь клітинні мембрани. У таких випадках тканини подрібнюють, щоб зруйнувати мембрани, і з досліджуваним речовиною инкубируют клітинну кашку. Саме таких дослідах засвідчили, що живі клітини окисляют глюкозу до СО2 та води і лише тканину печінки здатна синтезувати сечовину.

Использование клітин. Навіть клітини представляють дуже складно організовані системи. Вони є ядро, а оточуючої його цитоплазмі перебувають менші тільця, т.зв. органели, різних ж розмірів та консистенції. З допомогою відповідної методики тканину можна «гомогенизировать», та був піддати диференціальному центрифугированию (поділу) й одержати препарати, містять лише мітохондрії, лише микросомы чи прозору рідина — цитоплазму. Ці препарати можна за окремішності інкубувати про те з'єднанням, метаболізм якого вивчається, і у такий спосіб встановити, які саме субклітинні структури беруть участь у його послідовних перетвореннях. Відомі ситуації, коли початкова реакція відбувається у цитоплазмі, її продукт піддається власному перетворенню на микросомах, а продукт цього перетворення входить у нову реакцію вже у мітохондріях. Інкубація досліджуваного речовини з живими клітинами чи з гомогенатом тканини зазвичай не виявляє окремі етапи його метаболізму, і лише послідовні експерименти, у яких для інкубації використовуються ті чи інші субклітинні структури, дозволяють зрозуміти весь ланцюжок подій.

Использование радіоактивних ізотопів. Для вивчення метаболізму будь-якого речовини необхідні: 1) відповідні аналітичні методи визначення цієї речовини та її метаболітів; і 2) методи, дозволяють відрізняти доданий речовина того ж таки речовини, вже є у даному біологічному препараті. Ці вимоги служили головною перешкодою щодо метаболізму до того часу, поки їх відкриті радіоактивні ізотопи елементів й у першу чергу радіоактивний вуглець 14C. З появою сполук, «мічених» 14C, і навіть приладів для виміру слабкої радіоактивності ці труднощі були подолані. Якщо до біологічному препарату, наприклад до суспензії мітохондрій, додають меченную 14C жирну кислоту, то ніяких спеціальних аналізів визначення продуктів її перетворень не потрібно; щоб оцінити швидкість її використання, не так важко вимірювати радіоактивність послідовно одержуваних мітохондріальних фракцій. І ця методика дозволяє легко відрізняти молекули радіоактивної жирною кислоти, введеної експериментатором, від молекул жирною кислоти, вже присутніх в мітохондріях до початку експерименту.

Хроматография і електрофорез. У доповнення до вищезгаданим вимогам біохіміку необхідні зміни і методи, дозволяють розділяти суміші, які з малих кількостей органічних речовин. Найважливіший їх — хроматографія, основу якої лежить феномен адсорбції. Поділ компонентів суміші проводять у своїй або на папері, або шляхом адсорбції на сорбенте, яким заповнюють колонки (довгі скляні трубки), з наступної поступової элюцией (вимиванням) кожного з компонентів.

Разделение методом електрофорезу залежить від знака і кількості зарядів іонізованих молекул. Електрофорез проводять на папері чи якомусь інертному (неактивном) носії, такому, як крохмаль, целюлоза чи каучук.

Высокочувствительный і більш ефективний метод поділу — газова хроматографія. Їм мають тому випадку, коли підлягають поділу речовини перебувають у газоподібному змозі або можуть бути, у нього переведені.

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

Сочетание перелічених методів дозволило простежити головні метаболічні шляху в більшу частину організмів (зокрема в людини), встановити, де ці різні процеси протікають, і з’ясувати послідовні етапи головних метаболічних шляхів. До нинішнього часу відомі тисячі окремих біохімічних реакцій, вивчені що у них ферменти.

Клеточный метаболізм. Жива клітина — це високоорганізована система. У ньому існують різні структури, і навіть ферменти, здатні їх зруйнувати. Є у ній і великі макромолекули, які можуть опинитися розпадатися більш дрібні компоненти внаслідок гідролізу (розщеплення під впливом води). У клітині зазвичай багато калію і обмаль натрію, хоча клітина існує у середовищі, де натрію багато, а калію щодо замало, й клітинна мембрана легко проникна обох іонів. Отже, клітина — це хімічна система, дуже далека від рівноваги. Рівновага настає у процесі посмертного автолиза (самопереварювання під дією власних ферментів).

Потребность в енергії. Щоб утримати систему може, далекому від хімічного рівноваги, потрібно виробляти роботу, а цього потрібна енергія. Одержання цієї енергії і виконання цієї роботи — неодмінна умова у тому, щоб клітина залишалася у своїй стаціонарному (нормальному) стані, далекому від рівноваги. Водночас у ній виконується й інша робота, пов’язана з взаємодією з середовищем, наприклад: в м’язових клітинах — скорочення; в нервових клітинах — проведення нервового імпульсу; у клітинах нирок — освіту сечі, значно котра по своєму складу від плазми крові; спеціалізованими клітинах шлунково-кишкового тракту — синтез і виділення травних ферментів; в клітинах ендокринних залоз — секреція гормонів; у клітинах світляків — світіння; у клітинах деяких риб — генерування електричних розрядів тощо.

Источники енергії. У кожному з перелічених вище прикладів безпосереднім джерелом енергії, яку клітина використовує для роботи, служить енергія, ув’язнена у структурі аденозинтрифосфата (АТФ). Особливості своєї структури ця сполука багато енергією, і розрив перетинів поміж його фосфатними групами може відбуватися в такий спосіб, що высвобождающаяся енергія використовується для виробництва роботи. Проте енергія може стати доступною для клітини за простому гидролитическом розриві фосфатних зв’язків АТФ: у разі вона витрачається даремно, виділяючись як тепла. Процес має складатися з двох послідовних етапів, у кожному у тому числі бере участь проміжний продукт, визначений тут X-Ф (в наведених рівняннях X і Y означають дві різні органічних речовини; Ф — фосфат; АДФ — аденозиндифосфат):

.

Поскольку практично нічого для будь-якого прояви життєдіяльності клітин необхідний АТФ, не дивно, що метаболічна активність живих клітин спрямована насамперед на синтез АТФ. Цією мети служать різні складні послідовності реакцій, у яких використовується потенційна хімічна енергія, ув’язнена в молекулах вуглеводів і жирів (ліпідів).

Метаболизм вуглеводів і ліпідів.

Синтез АТФ. Анаеробний (й без участі кисню). Головна роль вуглеводів і ліпідів в клітинному метаболізмі у тому, що й розщеплення більш прості сполуки забезпечує синтез АТФ. Безсумнівно, що ті ж процеси протікали і у перших, найпримітивніших клітинах. Однак у атмосфері, позбавленої кисню, повне окислювання вуглеводів і жирів до CO2 не міг. У цих примітивних клітин були всі самі механізми, з допомогою яких перебудова структури молекули глюкози забезпечувала синтез невеликих кількостей АТФ. Йдеться процесах, які в мікроорганізмів називають заворушеннями. Найкраще вивчено сбраживание глюкози до етилового спирту і CO2 у дріжджів.

.

В ході 11 послідовних реакцій, необхідні здобуття права завершився той перетворення, утворюється ряд проміжних продуктів, що становлять ефіри фосфорної кислоти (фосфати). Їх фосфатная група переноситься на аденозиндифосфат (АДФ) із заснуванням АТФ. Чистий вихід АТФ становить дві молекули АТФ кожну молекулу глюкози, розщеплену у процесі бродіння. Аналогічні процеси відбуваються в всіх живих клітинах; оскільки вони поставляють необхідну життєдіяльності енергію, їх іноді (недостатньо коректно) називають анаэробным диханням клітин.

У ссавців, зокрема в людини, такий процес називається гликолизом та її кінцевим продуктом є молочна кислота, а чи не спирт і CO2. Уся послідовність реакцій гликолиза, за винятком двох останніх етапів, повністю ідентична процесу, протекающему в дріжджових клітинах.

Аэробный (з використанням кисню). З появою у атмосфері кисню, джерелом якого послужив, очевидно, фотосинтез рослин, під час еволюції розвився механізм, який би повне окислювання глюкози до CO2 та води, — аэробный процес, у якому чистий вихід АТФ становить 38 молекул АТФ кожну окисленную молекулу глюкози. Цей процес відбувається споживання клітинами кисню для освіти багатих енергією сполук відомий як клітинне подих (аэробное). На відміну від анаеробного процесу, здійснюваного ферментами цитоплазми, окисні процеси протікають у мітохондріях. У мітохондріях пировиноградная кислота — проміжний продукт, створений у анаеробної фазі - окислюється до СО2 у послідовних реакціях, у кожному у тому числі пара електронів переноситься спільний акцептор — кофермент никотинамидадениндинуклеотид (НАД). Цю послідовність реакцій називають циклом трикарбонових кислот, циклом лимонної кислоти чи циклом Кребса. З кожної молекули глюкози утворюється 2 молекули пировиноградной кислоти; 12 пар електронів відщепляється від молекули глюкози у її окислення, описуваного рівнянням:

.

Перенос електронів. У кожній мітохондрії є механізм, з якого відновлений НАД (НАД М, де М — водень), створений у циклі трикарбонових кислот, передає свою пару електронів кисню. Перенесення, проте, немає безпосередньо. Електрони хіба що передаються «особисто від до рук» і тільки пройшовши ланцюг переносників, приєднуються до кисню. Ця «ланцюг перенесення електронів» складається з таких компонентів:

НАДН М Флавинадениндинклеотид Кофермент Q.

Цитохром b Цитохром з Цитохром a O2.

Все компоненти цією системою, перебувають у мітохондріях, фіксовані у просторі і зчеплені друг з одним. Таке їх стан полегшує перенесення електронів.

В склад НАД входить нікотинова кислота (вітамін ниацин), а склад флавинадениндинуклеотида — рибофлавін (вітамін B2). Кофермент Q є високомолекулярний хинон, синтезируемый в печінки, а цитохроми — це по-третє різних білка, кожен із яких, подібно гемоглобину, містить гемогруппу.

В ланцюга перенесення електронів кожну пару електронів, перенесену від НАД М на O2, синтезується 3 молекули АТФ. Оскільки від транспортування кожної молекули глюкози отщепляются і передаються молекулам НАД 12 пар електронів, загалом кожну молекулу глюкози утворюється 3 12 = 36 молекул АТФ. Цей процес відбувається освіти АТФ під час окислення називається окислительным фосфорилированием.

Липиды як генератор. Жирні кислоти можна використовувати як джерело енергії приблизно так ж, як і вуглеводи. Окислювання жирних кислот протікає шляхом послідовного відщіплення від молекули жирною кислоти двууглеродного фрагмента із заснуванням ацетилкофермента A (ацетил-КоА) і одночасної передачею двох пар електронів в ланцюг перенесення електронів. Виниклий ацетил-КоА — нормальний компонент циклу трикарбонових кислот, й надалі його доля не відрізняється від долі ацетил-КоА, поставленого вуглеводним обміном. Отже, механізми синтезу АТФ при окислюванні як жирних кислот, і метаболітів глюкози практично однакові.

Если організм тваринного отримує енергію майже повністю з допомогою лише однієї окислення жирних кислот, але це буває, наприклад, при голодуванні або за цукровому діабеті, то швидкість освіти ацетил-КоА перевищує його окислення в циклі трикарбонових кислот. У цьому випадку зайві молекули ацетил-КоА реагують друг з одним, внаслідок чого утворюються у кінцевому підсумку ацетоуксусная ігидроксимасляная кислоти. Їх накопичення причина патологічного стану, т.зв. кетоза (однієї з видів ацидозу), який за важкому діабеті може викликати кого і смерть.

Запасание енергії. Тварини харчуються нерегулярно, та його організму потрібно якось запасати закладену в їжі енергію, джерелом якої є зайняті тваринам вуглеводи і жири. Жирні кислоти можуть запасатися як нейтральних жирів або у печінки, або у жировій тканини. Вуглеводи, вступаючи було багато, в шлунково-кишковому тракті гидролизуются до глюкози чи інших цукрів, які потім у печінки перетворюються ж глюкозу. Тут з глюкози синтезується гігантський полімер глікоген шляхом приєднання друг до друга залишків глюкози з отщеплением молекул води (число залишків глюкози в молекулах глікогену сягає 30 000). Коли виникає потреба у енергії, глікоген знову розпадається до глюкози в реакції, продуктом якої є глюкозофосфат. Цей глюкозофосфат іде на шлях гликолиза — процесу, що становить частину шляху окислення глюкози. У печінки глюкозофосфат може також піддатися гидролизу, і що настає глюкоза вступає у кровотік і доставляється кров’ю до клітинам в різних частинах тіла.

Синтез ліпідів з вуглеводів. Якщо кількість вуглеводів, спожитих з їжею за прийом, більше, яке то, можливо запасено як глікогену, то надлишок вуглеводів перетворюється на жири. Початкова послідовність реакцій збігається цьому з звичайним окислительным шляхом, тобто. спочатку з глюкози утворюється ацетил-КоА, але далі цей ацетил-КоА використовують у цитоплазмі клітини для синтезу довголанцюжкових жирних кислот. Процес синтезу можна описати як звернення звичайного процесу окислення жирних клітин. Потім жирні кислоти запасаються як нейтральних жирів (триглицеридов), отлагающихся у різних частинах тіла. Коли потрібно енергія, нейтральні жири піддаються гидролизу і жирні кислоти вступають у кров. Тут адсорбуються молекулами плазмових білків (альбумінів і глобулінів) і далі поглинаються клітинами найрізноманітніших типів. Механізмів, здатних здійснювати синтез глюкози з жирних кислот, у тварин немає, але в рослин такі механізми є.

Метаболизм ліпідів. Ліпіди потрапляють у організм головним чином формі триглицеридов жирних кислот. У кишечнику під дією ферментів підшлункової залози вони піддаються гидролизу, продукти якого усмоктуються клітинами стінки кишечника. Тут їх знову синтезуються нейтральні жири, які через лімфатичну систему вступають у кров, і або транспортуються в печінку, або отлагаются в жировій тканини. Вище зазначалося, що жирні кислоти можуть також синтезуватися наново з вуглеводневих попередників. Слід зазначити, що, хоча у клітинах ссавців може статися включення однієї подвійний зв’язку в молекули довголанцюжкових жирних кислот (між С-9 і С-10), включати другу й третю подвійну зв’язок ці клітини нездатні. Оскільки жирні кислоти з цими двома й трьома подвійними зв’язками відіграють істотне значення в метаболізмі ссавців, вони у сутності є вітамінами. Тому линолевую (C18:2) і линоленовую (C18:3) кислоти називають незамінними жирними кислотами. У той самий час у клітинах ссавців в линоленовую кислоту може включатися четверта подвійна зв’язок і шляхом подовження вуглецевої ланцюга може утворитися арахидоновая кислота (C20:4), також необхідний учасник метаболічних процесів.

В процесі синтезу ліпідів залишки жирних кислот, пов’язані з коферментом, А (ацил-КоА), переносяться на гліцерофосфат — ефір фосфорної кислоти і гліцерину. У результаті виходить фосфатидная кислота — з'єднання, у якому одна гидроксильная група гліцерину этерифицирована фосфорної кислотою, а дві групи — жирними кислотами. При освіті нейтральних жирів фосфорна кислота видаляється шляхом гідролізу, та її місце займає третя жирна кислота внаслідок реакції з ацил-КоА. Кофермент, А утворюється з пантотенової кислоти (однієї з вітамінів). У його молекулі є сульфгидрильная (- SH) група, здатна реагувати з кислотами із заснуванням тиоэфиров. При освіті фосфоліпідів фосфатидная кислота реагує безпосередньо з активованим похідним однієї з азотистих підстав, як-от холін, этаноламин чи серин.

За винятком вітаміну D, все які 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 ацетильных груп шляхом багаторазово повторюваної конденсації будується вуглецевий скелет синтезованого сполуки.

Метаболизм білків.

Синтез амінокислот. Рослини і більшість мікроорганізмів можуть жити і рости серед, у якій їхнього харчування є лише мінеральні речовини, діоксид вуглецю і вода. Це отже, що це виявлені у яких органічні речовини ці організми синтезують самі. Які переважають у всіх живих клітинах білки побудовано з 21 виду амінокислот, з'єднаних у різної послідовності. Амінокислоти синтезуються живими організмами. У кожній оказії ряд хімічних реакцій призводить до утвореннякетокислоты. Одна такакетокислота, а самекетоглутаровая (звичайний компонент циклу трикарбонових кислот), бере участь у зв’язуванні азоту з такого рівнянню:

— Кетоглутаровая кислота + NH3 + НАД М.

Глутаминовая кислота + НАД.

Азот глутаминовой кислоти то, можливо потім переданий кожній із іншихкетокислот із заснуванням відповідної амінокислоти.

Организм чоловіки й більшості інших тварин зберіг здатність синтезувати все амінокислоти крім дев’яти т.зв. незамінних амінокислот. Оскільки кетокислоты, відповідні цим дев’яти, не синтезуються, незамінні амінокислоти повинні робити з їжею.

Синтез білків. Амінокислоти потрібні для біосинтезу білка. Процес біосинтезу протікає зазвичай так. У цитоплазмі клітини кожна амінокислота «активується» у реакції з АТФ, та був приєднується до кінцевий групі молекули рибонуклеиновой кислоти, специфічною саме з даної амінокислоти. Ця складна молекула пов’язують із невеликим тільцем, т.зв. рибосомой, вагітною, визначеному більш довгою молекулою рибонуклеиновой кислоти, прикріпленій до рибосоме. Коли всі ці складних молекул відповідним чином вишикувалися, зв’язок між вихідної амінокислотою і рибонуклеиновой кислотою розриваються і виникають зв’язок між сусідніми амінокислотами — синтезується специфічний білок. Процес біосинтезу поставляє білки як на шляху зростання організму або заради секреції у середу. Усі білки живих клітин з часом перетерплюють розпад до складових амінокислот, й у підтримки життя клітини має поєднуватися знову.

Синтез інших азотсодержащих сполук. У організмі ссавців амінокислоти використовуються як для біосинтезу білків, а й як вихідний матеріал для синтезу багатьох азотсодержащих сполук. Амінокислота тирозин є попередником гормонів адреналіну і норадреналіну. Найпростіша амінокислота гліцин служить вихідним матеріалом для біосинтезу пуринов, входять до складу нуклеїнових кислот, і порфіринів, входять до складу цитохромов і гемоглобіну. Аспарагінова кислота — попередник пиримидинов нуклеїнових кислот. Метильная група метіоніну передається деяких інших сполук, у ході біосинтезу креатину, холіну і саркозина. При біосинтезі креатину від однієї сполуки до іншого передається ще й гуанидиновая угруповання аргініну. Триптофан служить попередником нікотинової кислоти, та якщо з валина в рослинах синтезується такий вітамін, як пантотеновая кислота. Усе це лише окремі приклади використання амінокислот у процесах біосинтезу.

Азот, поглинений мікроорганізмами і вищими рослинами як іона амонію, витрачається майже повністю на освіту амінокислот, із яких потім синтезуються багато азотомісткі сполуки живих клітин. Надлишкових кількостей азоту ні рослини, ні мікроорганізми не поглинають. На відміну від нього, у тварин кількість поглиненої азоту залежить від які у їжі білків. Весь азот, що надійшов на організм у вигляді амінокислот і витрачений у процесах біосинтезу, досить швидко виводиться з організму з сечею. Відбувається це так. У печінки невикористані амінокислоти передають свій азоткетоглутаровой кислоті із заснуванням глутаминовой кислоти, яка дезаминируется, звільняючи аміак. Далі азот аміаку може або тимчасово запасатися шляхом синтезу глутамина, або відразу ж потрапляє використовуватися для синтезу сечовини, викликаного у печінці.

У глутамина й інша роль. Він може піддаватися гидролизу в нирках з вивільненням аміаку, що надходить в сечу за іони натрію. Цей процес украй важливий як підтримки кислотно-лужної рівноваги в організмі тваринного. Майже весь аміак, що відбувається з амінокислот і, можливо, з джерел, перетворюється на печінки в сечовину, отже вільного аміаку у крові зазвичай майже немає. Проте за певних умов досить значні кількості аміаку містить сеча. Цей аміак утворюється в нирках з глутамина і в сечу за іони натрію, які в такий спосіб реадсорбируются і затримуються в організмі. Цей процес посилюється при розвитку ацидозу — стану, у якому організм потребує додаткових кількостях катионів натрію для зв’язування надлишку іонів бікарбонату у крові.

Избыточные кількості пиримидинов теж розпадаються у печінці через ряд реакцій, у яких вивільняється аміак. Що стосується пуринов, їх надлишок піддається окислювання із заснуванням сечовий кислоти, выделяющейся з сечею в людини й інших приматів, але в інших ссавців. У птахів немає меха-нізму синтезу сечовини, що саме сечова кислота, а чи не сечовина, є в них кінцевим продуктом обміну всіх азотсодержащих сполук.

Общие ставлення до метаболізмі органічних речовин.

Можно сформулювати деякі загальні поняття, чи «правила», що стосуються метаболізму. Наведені нижче кілька головних «правил» дозволяють краще зрозуміти, перебіг і регулюється метаболізм.

1. Метаболічні шляху необоротні. Розпад будь-коли рухається шляхом, який був би простим зверненням реакцій синтезу. У ньому беруть участь інші ферменти та інші проміжні продукти. Нерідко протилежно спрямовані процеси протікають у різних відсіках клітини. Так, жирні кислоти синтезуються в цитоплазмі з участю одного набору ферментів, а окислюються в мітохондріях з участю іншого набору.

2. Ферментів живими клітинах достатньо здобуття права всі відомі метаболічні реакції могли протікати набагато швидше, чому це зазвичай зокрема у організмі. Отже, у клітинах існують якісь регуляторні механізми. Відкрито різні типи таких механізмів.

а) Чинником, які обмежують швидкість метаболічних перетворень даного речовини, то, можливо надходження цього речовини у клітину; саме у цей процес на такому випадку й спрямована регуляція. Роль інсуліну, наприклад, пов’язана з тим, що він, очевидно, полегшує проникнення глюкози в усі клітини, глюкоза ж піддається перетворенням зі швидкістю, з якою вона надходить. Подібним чином проникнення заліза і кальцію з кишечника до крові залежить від реальних процесів, швидкість яких регулюється.

б) Речовини які завжди можуть вільно переходити вже з клітинного відсіку на другий; є дані, що внутрішньоклітинний перенесення регулюється деякими стероїдними гормонами.

в) Виявлено два типу сервомеханизмов «негативною зворотний зв’язок».

У бактерій знайшли приклади того, що продукту який-небудь послідовності реакцій, наприклад амінокислоти, придушує біосинтез однієї з ферментів, необхідні освіти цієї амінокислоти.

.

В кожній оказії фермент, біосинтез якого виявляється порушеним, був відповідальна перший «визначальний» етап (на схемою реакція 4) метаболічного шляху, що призводить до синтезу даної амінокислоти.

Второй механізм вивчений у ссавців. Це просте ингибирование кінцевим продуктом (у разі - амінокислотою) ферменту, відповідального перший «визначальний» етап метаболічного шляху.

Еще один тип регулювання у вигляді зворотний зв’язок чи діє у тому випадку, коли окислювання проміжних продуктів циклу трикарбонових кислот пов’язане з освітою АТФ з АДФ і фосфату в процесі окисного фосфорилювання. Якщо весь наявний у клітині запас фосфату і (чи) АДФ вже вичерпаний, то окислювання припиняється і може відновитися лише по тому, як запас знову стане достатнім. Отже, окислювання, зміст якої у цьому, щоб поставляти корисну енергію у вигляді АТФ, відбувається тоді, коли може бути синтез АТФ.

3. У биосинтетических процесах бере участь порівняно мало будівельних блоків, кожен із яких використовується для синтезу багатьох сполук. У тому числі може бути ацетилкофермент А, гліцерофосфат, гліцин, карбамилфосфат, поставляє карбамильную (H2N-CO-) групу, похідні фолієвої кислоти, службовці джерелом гидроксиметильной і формильной груп, S-аденозилметионин — джерело метильных груп, глутаминовую і аспарагиновую кислоти, які постачають аминогруппы, і, нарешті, глутамин — джерело амидных груп. На цьому щодо небагатьох компонентів будуються всі ті різноманітні сполуки, які ми бачимо живими організмах.

4. Прості органічні сполуки рідко беруть участь у метаболічних реакціях безпосередньо. Зазвичай повинно бути спочатку «активовані» шляхом приєднання до жодного з низки сполук, універсально які у метаболізмі. Глюкоза, наприклад, може піддатися окислювання лише по тому, як вона этерифицирована фосфорної кислотою, інших ж своїх перетворень повинна бути этерифицирована уридиндифосфатом. Жирні кислоти неможливо знайти залучені в метаболічні перетворення колись, що вони утворюють ефіри з коферментом А. Кожен з цих активаторів або родинний одного з нуклеотидів, входять до складу рибонуклеиновой кислоти, або утворюється з якогось вітаміну. Легко зрозуміти у зв’язку з цим, чому вітаміни потрібні в невеликих кількостях. Вони витрачаються освіту «коферментів», а кожна молекула коферменту на протязі життя організму використовується багаторазово, на відміну основних поживних речовин (наприклад, глюкози), кожна молекула якої використовуються лише одне раз.

В висновок слід зазначити, термін «метаболізм», який означав раніше щось трохи більше складне, ніж просто використання вуглеводів і жирів в організмі, тепер застосовується для позначення тисяч ферментативних реакцій, вся сукупність яких то, можливо представлена як величезна мережу метаболічних шляхів, багаторазово від перетинання (через наявність загальних проміжних продуктів) і керованих дуже тонкими регуляторними механізмами.

Метаболизм мінеральних речовин.

Относительное зміст. Різні елементи, які живими організмах, перераховані нижчий за убутному порядку до залежність 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, деяких інших.

Кислород, вуглець, водень і азот — це елементи, у тому числі побудовано м’які тканини тіла. Вони входять до складу таких сполук, як вуглеводи, ліпіди, білки, вода, діоксид вуглецю і аміак. Елементи, перелічені в пп. 2 і трьох, перебувають у організмі зазвичай, у вигляді одного чи навіть кількох неорганічних сполук, а елементи пп. 4, 5 і шість присутні лише у слідових кількостях і тому їх називають мікроелементами.

Распределение в організмі. Кальцій. Кальцій присутній головним чином кістковій тканині й у зубах, переважно у вигляді фосфату й у невеликих кількостях як карбонату і фторида. Що Надходить з їжею кальцій всмоктується переважно у верхніх відділах кишечника, мають слабокислую реакцію. Цьому всмоктуванню (в людини тут всмоктується всього 20−30% кальцію їжі) сприяє вітамін D. Під впливом вітаміну D клітини кишечника виробляють особливий білок, який пов’язує кальцій і полегшує його перенесення через стінку кишечника до крові. На всмоктування впливає також присутність деяких інших речовин, особливо фосфату і оксалата, які у малих кількостях сприяють всмоктуванню, а великих, навпаки, придушують його.

В крові близько половини кальцію пов’язані з білком, інше становлять іони кальцію. Співвідношення іонізованою і неионизированной форм залежить загальної концентрації кальцію у крові, і навіть від вміст білків і фосфату і концентрації водневих іонів (рН крові). Частка неионизированного кальцію, яку впливає рівень білка, дозволяє непрямим чином будувати висновки про ролі харчування про ефективності роботи печінки, у якій йде синтез плазмових білків.

На кількість іонізованого кальцію впливають, з одного боку, вітамін D і психологічні чинники, які впливають на всмоктування, і з інший — паратиреоидный гормон і, можливо, також вітамін D, оскільки обидві ці речовини регулюють як швидкість відкладення кальцію в кістковій тканині, і його мобілізацію, тобто. вимивання з кісток. Надлишок паратиреоидного гормону стимулює вихід кальцію з кістковій тканині, що зумовлює підвищенню його концентрації в плазмі. Змінюючи швидкості всмоктування і экскреции кальцію і фосфату, і навіть швидкості освіти кістковій тканині і його руйнації, ці механізми суворо контролюють концентрацію кальцію і фосфату в сироватці крові. Іони кальцію грають регулюючу роль у багатьох фізіологічних процесах, в тому числі у нервових реакціях, м’язовому скороченні, згортання крові. Виведення кальцію з організму відбувається у нормі переважно (на 2/3) через жовч та кишківник й у меншою мірою (1/3) — через нирки.

Фосфор. Метаболізм фосфору — однієї з головних компонентів кістковій тканині і зубів — великою мірою залежить від самих чинників, як і метаболізм кальцію. Фосфор як фосфату є у організмі й у сотнях різних фізіологічно важливих органічних ефірів. Паратиреоидный гормон стимулює виведення фосфору з сечею і вихід його з кістковій тканині; тим самим він регулює концентрацію фосфору в плазмі крові.

Натрий. Натрій — головний катіон внеклеточной рідини — разом із білком, хлоридом і бикарбонатом грає найважливішу роль регулюванні осмотического тиску і pH (концентрації водневих іонів) крові. У клітинах, навпаки, міститься обмаль натрію, оскільки вони мають механізмом виведення іонів натрію й утримання іонів калію. Весь натрій, перевищує потреби організму, нас дуже швидко виводиться через нирки.

Поскольку переважають у всіх процесах виділення натрій втрачається, він має постійно вступати у організм за їжею. При ацидозі, коли необхідно, що з організму виводилися велику кількість аніонів (наприклад, хлориду чи ацетоацетата), нирки запобігають надмірну втрату натрію завдяки освіті аміаку з глутамина. Виведення натрію через нирки регулюється гормоном кори надниркових залоз альдостероном. Під впливом цього гормону до крові повертається досить натрію підтримки нормального осмотического тиску і нормального обсягу внеклеточной рідини.

Суточная потреба у хлористом натрии становить 5−10 р. Ця величина зростає при поглинанні великих кількостей рідини, коли посилюється потовиділення та програм виділяється більше сечі.

Калий. На відміну від натрію, калій міститься у клітинах багато, а й у внеклеточной рідини її замало. Головна функція калію — регулювання внутрішньоклітинного осмотического тиску і підтримку кислотно-лужної рівноваги. Він також відіграє значної ролі в проведенні нервового імпульсу та у багатьох ферментних системах, зокрема й у тих, які беруть участь у м’язовому скороченні. Калій набув значного поширення в природі, та її багато у будь-який їжі, отже спонтанно калієва недостатність виникнути неспроможна. У плазмі концентрація калію регулюється альдостероном, стимулюючим його экскрецию з сечею.

Сера. З їжею сірка вступає у організм головним чином у складі двох амінокислот — цистину і метіоніну. На кінцевих етапах метаболізму цих амінокислот сірка вивільняється і цього окислення перекладається в неорганічну форму. У складі цистину і метіоніну сірка є у структурних білках. Важливу роль відіграє й сульфгидрильная (-SH) група цистеина, від якої залежить активність багатьох ферментів.

Большая частина сірки виводиться з сечею як сульфату. Невелика кількість экскретируемого сульфату зазвичай пов’язані з органічними сполуками типу фенолів.

Магний. Метаболізм магнію подібний з метаболізмом кальцію, і у вигляді комплексу з фосфатом цей елемент теж входить до складу кістковій тканині. Магній присутній переважають у всіх живих клітинах, де зараз його функціонує як необхідна компонента багатьох ферментних систем; ця його роль була переконливо продемонстровано з прикладу вуглеводного обміну в м’язах. Магній, як і калій, набув значного поширення, і можливість виникнення його недостатності дуже мала.

Железо. Залізо входить до складу гемоглобіну та інших гемопротеинов, саме міоглобіну (м'язового гемоглобіну), цитохромов (дихальних ферментів) і каталази, соціальній та склад деяких ферментів, не містять гемогруппы. Всмоктується залізо верхніми ділянками кишечника, причому це єдиний елемент, всасывающийся тільки тоді ми, що його запас в організмі повністю вичерпаний. У плазмі залізо транспортується у поєднанні з білком (трансферрином). Через нирки залізо не виводиться; надлишок його накопичується у печінці у поєднанні б із особливим білком (ферритином).

Микроэлементы. Кожен мікроелемента, є у організмі, своя особлива функція, пов’язана з тим, що він стимулює дію тієї чи іншої ферменту чи якось інакше нею впливає. Цинк необхідний кристалізації інсуліну; ще, якого є компонентом карбоангидразы (ферменту, що у транспорті діоксиду вуглецю) і деяких інших ферментів. Молібден і мідь — теж необхідні компоненти різних ферментів. Йод потрібно синтезу трииодтиронина, гормону щитовидної залози. Фтор (входить до складу зубної емалі) сприяє запобіганню карієсу.

Использование метаболітів.

Углеводы. Всмоктування. Моносахариды, чи прості цукру, высвобождающиеся при перетравленні вуглеводів їжі, переходять із кишечника до кровообігу внаслідок процесу, званого всмоктуванням. Механізм всмоктування є поєднання простий дифузії та хімічної реакції (активного всмоктування). Один із гіпотез, що стосуються природи хімічної фази процесу, передбачає, що у цій фазі моносахариды поєднано з аналітичними фосфорної кислотою у реакції, катализируемой ферментом із групи киназ, після чого пробираються у кровоносні судини й тут вивільняються внаслідок ферментативного дефосфорилирования (розриву фосфатной зв’язку), катализируемого одній з фосфатаз. Саме активним всмоктуванням пояснюється те, що різні моносахариды усмоктуються з різною швидкістю І що вуглеводи усмоктуються навіть, якщо рівень цукру на крові вище, ніж у кишечнику, тобто. за умов, коли природно було б чекати їх переміщення у напрямі - з крові в кишечник.

Механизмы гомеостазу. Вступники в кровотік моносахариды підвищують рівень цукру на крові. При голодуванні концентрація глюкози у крові коливається зазвичай від 70 до 100 мг на 100 мл крові. Цей рівень підтримується з допомогою механізмів, званих механізмами гомеостазу (самостабілізації). Щойно рівень цукру на крові внаслідок всмоктування з кишечника підвищується, впливають процеси, які виведуть цукор з крові, отже рівень її коливається дуже сильно.

Подобно глюкозі, всі інші моносахариды поступають із кровотоку в печінку, де перетворюються на глюкозу. Нині вони не можна відрізнити як від глюкози, яка усмокталася, і від тій, котру Закарпатті вже була організмі, піддаються тим самим метаболическим перетворенням. Одне з механізмів гомеостазу вуглеводів, функціонуючий у печінці, — це гликогенез, з якого глюкоза переходить з крові у клітини, де перетворюється на глікоген. Глікоген зберігається у печінці до того часу, доки станеться зниження рівня цукру на крові: у цій ситуації гомеостатический механізм викликає розпад накопиченого глікогену до глюкози, яка знову надійде у кров.

Превращения і використання. Оскільки кров поставляє глюкозу в усі тканини тіла, і все тканини використовує її для отримання енергії, рівень глюкози у крові знижується переважно по рахунок його використання.

В м’язах глюкоза крові перетворюється на глікоген. Проте м’язовий глікоген може бути використаний отримання глюкози, що перейшла в кров. У ньому укладено запас енергії, і швидкість її використання залежить від м’язової активності. У м’язової тканини містяться два з'єднання з великим запасом легко доступною енергії у вигляді багатих енергією фосфатних зв’язків — креатинфосфат і аденозинтрифосфат (АТФ). При отщеплении від результатів цих сполук їх фосфатних груп вивільняється енергія для м’язового скорочення. Щоб м’яз знову могла скорочуватися, ці сполуки слід відновити у своїй вихідної формі. І тому потрібно енергія, яку поставляє окислювання продуктів розпаду глікогену. При м’язовому скороченні глікоген перетворюється на глюкозофосфат, та був — через ряд реакцій — у фруктозодифосфат. Фруктозодифосфат розпадається на два трехуглеродных сполуки, у тому числі після низки етапів утворюється спочатку пировиноградная кислота, а остаточному підсумку — молочна кислота, як про це вже говорилося при описі метаболізму вуглеводів. Перетворення глікогену в молочну кислоту, що супроводжується вивільненням енергії, може статися за відсутності кисню.

При нестачі кисню молочна кислота накопичується в м’язах, дифундує до кровообігу і надходить у печінку, де з цього знову утворюється глікоген. Якщо кисню досить, то молочна кислота в м’язах не накопичується. Натомість вона, як і описано вище, повністю окислюється через цикл трикарбонових кислот до діоксиду вуглецю та води з освітою АТФ, що може бути використаний скорочення.

Метаболизм вуглеводів в нервової тканини і еритроцитах відрізняється від метаболізму в м’язах тим, що глікоген не бере участь. Але тут проміжними продуктами є пировиноградная і молочна кислоти, які утворюються при розщепленні глюкозофосфата.

Глюкоза використовується у клітинному подиху, а й у багатьох інших процесах: синтезі лактози (молочного цукру), освіті жирів, і навіть особливих цукрів, входять до складу полісахаридів сполучної тканини та інших тканин.

Гликоген печінки, синтезируемый при усмоктуванні вуглеводів в кишечнику, служить самим доступним джерелом глюкози, коли всмоктування відсутня. Якщо це джерело виявляється вичерпаним, в печінки починається процес глюконеогенеза. Глюкоза утворюється під час цьому з деяких амінокислот (зі ста р білка утворюється 58 р глюкози) і знання кількох інших неуглеводных сполук, зокрема з гліцеринових залишків нейтральних жирів.

Некоторую, хоча й настільки важливу, роль метаболізмі вуглеводів грають нирки. Вони виводять з організму надлишок глюкози, коли її концентрація у крові занадто висока; з меншими концентраціях глюкоза мало виводиться.

В регулюванні метаболізму вуглеводів бере участь кілька гормонів, зокрема гормони підшлункової залози, передній частки гіпофізу і кори надниркових залоз.

Гормон підшлункової залози інсулін знижує концентрацію глюкози у крові та підвищує її концентрацію у клітинах. Очевидно, він стимулює ще й запасание глікогену у печінці. Кортикостерон, гормон кори надниркових залоз, і адреналін, вироблену мозковим речовиною надниркових залоз, впливають на метаболізм вуглеводів, стимулюючи розпад глікогену (головним чином м’язах й цирози печінки) і синтез глюкози (у печінці).

Липиды. Всмоктування. У кишечнику після перетравлення жирів залишаються головним чином вільні жирні кислоти з низькою домішкою холестерину і лецитину і слідами жиророзчинних вітамінів. Всі ці речовини дуже тонко диспергированы завдяки эмульгирующему і солюбилизирующему дії солей жовчних кислот. Солюбилизирующее дію зазвичай пов’язують із освітою нестійких хімічних сполук між жирними кислотами і солями жовчних кислот. Ці комплекси пробираються у клітини епітелію тонкого кишечника й тут розпадаються на жирні кислоти і солі жовчних кислот. Останні переносяться в печінка та знову секретируются з жовчю, а жирні кислоти входять у з'єднання з гліцерином чи холестерином. Виниклі реконструйовані жири вступають у лімфатичні судини брыжейки у вигляді чумацького соку, т.зв. «хилуса». З судин брыжейки хилус по лімфатичної системі через грудної проток вступає у кровоносну систему.

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

Распределение. Кров доставляє ліпіди в різні тканини тіла, і насамперед у печінку. Печінка може модифікувати які у неї жирні кислоти. Особливо це виражено у видів, запасающих жири із високим вмістом насичених чи, навпаки, ненасичених жирних кислот: у печінці цих тварин співвідношення насичених і ненасичених кислот змінюється в такий спосіб, що отлагающийся жир за складом відповідає жиру, властивого цьому організмові.

Жиры у печінці або йдуть на отримання енергії, або переходить до кров, і доставляються нею різні тканини. Тут можна включати в структурні елементи тканин, але велика частина їх відкладається в жирових депо, де зберігаються до того часу, доки виникне потреба у енергії; вони знову переносяться в печінка та піддаються тут окислювання.

Метаболизм ліпідів, як і вуглеводів, регулюється гомеостатически. Механізми гомеостазу, які впливають на ліпідний і вуглеводний обмін, певне, тісно пов’язані, оскільки за уповільнення метаболізму вуглеводів посилюється метаболізм ліпідів, і навпаки.

Превращения і використання. Четырехуглеродные кислоти — ацетоуксусная (продукт конденсації двох ацетатных одиниць) ігидроксимасляная — і трехуглеродное з'єднання ацетон, утворений при отщеплении одного атома вуглецю від ацетоуксусной кислоти, за загальним назвою кетоновых (ацетонових) тіл. У нормі кетоновые тіла є у крові у невеликих кількостях. Надлишкове освіту при важкому діабеті веде до підвищення їх вмісту у крові (кетонемия) й у сечі (кетонурия) — цей стан позначають терміном «кетоз».

Белки. Всмоктування. При перетравленні білків травними ферментами утворюється суміш із амінокислот і вимагає невеликих пептидів, містять від двох до десяти залишків амінокислот. Ці продукти усмоктуються слизової кишечника, і тут гідроліз завершується — пептиди також розпадаються до амінокислот. Що Надійшли до крові амінокислоти змішуються з які перебувають тут так само амінокислотами. У крові міститься суміш із амінокислот, що надійшли з кишечника, які утворилися під час розпаду тканинних білків і синтезованих організмом наново.

Синтез. У тканинах безперервно триває розпад білків та його новоутворення. Вміщені у крові амінокислоти вибірково поглинаються тканинами як вихідний матеріал для побудови білків, та якщо з тканин до крові надходять інші амінокислоти. Синтезу і розпаду піддаються як структурні білки, а й білки плазми крові, і навіть білкові гормони і ферменти.

Во дорослому організмі амінокислоти чи білки мало запасаються, тому видалення амінокислот з крові приміром із такою швидкістю, як та його надходження з тканин до крові. У організмі є формування нового тканини, на цей процес витрачається більше амінокислот, ніж вступає у кров з допомогою розпаду тканинних білків.

Печень бере участь у метаболізмі білків якнайактивніше. Тут синтезуються білки плазми крові - альбумины і глобулины — і навіть власні ферменти печінки. Так, у разі втрати плазмових білків зміст альбуміну в плазмі відновлюється — з допомогою інтенсивного синтезу — досить швидко. Амінокислоти у печінці використовуються не лише освіти білків, але піддаються також розщеплення, під час якого витягається ув’язнена у яких енергія.

Превращения і. Якщо амінокислоти використовують як джерела енергії, то отщепляемая від нього аминогруппа (-NH2) іде освіту сечовини, а чи не у якому азоту залишок молекули окислюється приблизно так ж, як глюкоза чи жирні кислоти.

Так званий «орнитиновый цикл» описує, як відбувається перетворення аміаку в сечовину. У цьому вся циклі аминогруппа, отщепившаяся від амінокислоти у вигляді аміаку, приєднується разом із диоксидом вуглецю до молекули орнитина із заснуванням цитруллина. Цитруллин приєднує другий атом азоту, цього разу від аспарагінової кислоти, і перетворюється на аргінін. Далі аргінін піддається гидролизу із заснуванням сечовини і орнитина. Орнитин що тепер знову розпочати цикл, а сечовина виводиться з організму через нирки як із кінцевих продуктів метаболізму.

Ленинджер А. Основи біохімії, тт. 1−3. М., 1985.

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

Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл У. Біохімія людини, тт. 1−2. М., 1993.

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

Для підготовки даної праці були використані матеріали із сайту internet.