Поняття про обмін речовин та енергії. Характеристика катаболічних, анаболічних та амфіболічних шляхів метаболізму, їх значення

РОЗДІЛ 2. Основні закономірності обміну речовин.

Цикл трикарбонових кислот

Поняття про обмін речовин та енергії. Характеристика катаболічних, анаболічних та амфіболічних шляхів метаболізму, їх значення.

Живий організм і його функціонування знаходяться в постійній залежності від навколишнього середовища. Інтенсивність обміну з навколишнім середовищем і швидкість процесів обміну речовин в клітині підтримують постійність внутрішнього середовища і цілісність організму.

Обмін речовин в організмі людини протікає не хаотично; він інтегрований і регульований. Всі перетворення органічних речовин, процеси анаболізму та катаболізму тісно пов’язані один з одним. Зокрема, процеси синтезу та розпаду взаємопов’язані, координовані і регулюються нейрогормональними механізмами, які надають хімічним процесам адаптаційний характер до умов життєдіяльності.

В організмі людини, як і в живій природі взагалі, не існує самостійного обміну білків, жирів, вуглеводів і нуклеїнових кислот. Всі перетворення об’єднані в цілісний процес метаболізму, який стверджується діалектичними закономірностями взаємозалежності та взаємообумовленості, а також допускає взаємоперетворення між окремими класами органічних речовин. Подібні перетворення диктуються фізіологічними потребами організму, а також відповідності заміни одних класів органічних речовин іншими в умовах зміни будь-якого процесу при патології.

Обмін речовин включає процеси споживання, нагромадження, перетворення, використання і видалення речовин та енергії, завдяки чому живі організми ростуть, розвиваються, розмножуються, а також пристосовуються до постійних змін. Для розуміння обміну речовин повинні бути відомими структура речовин, реакції, регуляторні механізми, що забезпечують нормальний обмін речовин, швидкість послідовних реакцій, при яких відбувається перетворення субстрату в кінцевий продукт.

Ферменти, які каталізують ці послідовні реакції, утворюють мультиферментну систему-продукт першої реакції служить субстратом для наступної реакції, яку каталізує інший фермент. Метаболічні шляхи здебільшого лінійні, але можуть бути й циклічними. Із різноманітних метаболічних шляхів складається метаболізм.

Метаболізм - перетворення речовин в організмі з моменту потрапляння їх в клітини до утворення кінцевих продуктів обміну, тобто сукупність хімічних реакцій, які проходять в живих клітинах і забезпечують організм речовинами і енергією для його життєдіяльності, росту і розмноження. Потрапивши в середину клітини, поживна речовина проходить ряд хімічних перетворень, які каталізуються ферментами. Визначена послідовність таких хімічних перетворень називається метаболічним шляхом,а проміжні продукти – метаболітами.

Метаболізм речовин включає:

-постачання хімічної енергії, яка отримується шляхом розщеплення багатих енергією харчових речовин, синтезу макроергічних сполук, їх використання.

-перетворення молекул харчових речовин у низькомолекулярні метаболіти, що застосовуються клітиною для побудови макромолекул;

-синтез білків, ліпідів, полісахаридів, нуклеїнових кислот та інших молекул із використанням енергії АТФ і НАДФ;

-синтез і розпад низькомолекулярних, біологічно активних сполук, необхідних для виконання специфічних функцій.

Метаболічні шляхи поділяють на:

Анаболічні процеси скеровані на утворення і оновлення структурних елементів клітин і тканин, процес полягає в синтезі складних молекул із простіших. Ці процеси відновні (використовуються відновлені форми коферментів, утворюються окиснені) і супроводжуються затратою вільної хімічної енергії (ендергонічні процеси). Джерело енергії - АТФ. У процесі анаболізму з однакових вихідних речовин утворюються різні кінцеві продукти. Кінцеві продукти анаболізму служать вихідними речовинами катаболізму.

Анаболічні реакції включають синтез складних біоорганічних сполук, що складають різні структурні утворення організму, зокрема, біополімерів-білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів та забезпечують його функціонування (ліпідів, моносахаридів, амінокислот, нуклеотидів, вітамінів, коферментів, гормонів тощо).

Катаболічні перетворення - це розщеплення складних молекул, які поступили з їжею, і тих, що входять до складу клітини, до простих компонентів; ці процеси є окисними (використовуються окиснені форми коферментів) і супроводжуються виділенням вільної енергії (екзергонічні реакції). Частина енергії застосовується для утворення АТФ. Із різних вихідних речовин утворюються однакові кінцеві продукти. Проміжні продукти (метаболіти) і кінцеві речовини катаболізму можуть служити субстратами (вихідними речовинами) анаболізму.

Обидва шляхи метаболізму тісно взаємопов'язані з часом і простором. Вияснення окремих ланок процесу обміну речовин і енергії у різних класів рослин,тварин і мікроорганізмів виявило принципіальну схожість шляхів біохімічних перетворень у природі.

Катаболізм включає реакції гідролізу, окиснення біоорганічних речовин, що надходять із зовнішнього середовища у складі продуктів харчування (вуглеводів, ліпідів, білків тощо) та біомолекул, які складають структуру клітин та тканин організму.

Катаболічні і анаболічні шляхи, особливо в еукаріотичних представників, відрізняються за своєю локалізацією в клітині.

Амфіболічні шляхи, які містяться на "перехрестях" катаболізму та анаболізму; метаболіти цього процесу можуть пекретворюватися як в катаболічних, так і в анаболічних процесах, наприклад, в циклі Кребса.

2.1.1. Методи вивчення обміну речовин. У процесі вивчення обміну речовин головну увагу звертають на перетворення, яких зазнають речовини (субстрати) та які ферменти каталізують їх, як забезпечуються енергією хімічні процеси, які поживні речовини поступають у клітини і як виводяться кінцеві продукти з організму.

Вивчення обміну речовин здійснюється на різних рівнях структурної організації живого.

1. Дослідження обміну речовин на рівні цілого організму. Найчастіше згодовують лабораторних тварин штучними раціонами, в яких відсутня необхідна для організму речовина, що дає можливість сформувати поняття про незамінні поживні речовини (вітаміни, незамінні амінокислоти, поліненасичені жирні кислоти, мінеральні речовини, макро- та мікроелементи). Такі речовини повинні обов'язково повинні поступати з продуктами харчування.

2. Балансові спостереження. Їх проводять на рівні всього організму. Вони дають змогу встановити добову потребу та ступінь засвоєння певних речовин їжі. Ці дослідження проводять на тваринах, при яких враховується кількість спожитих речовин та виділених метаболітів, Таким чином найчастіше вивчають азотний, водний та мінеральний баланси.

3. Експериментальні нориці. Прикладом може бути створення штучних нориць в експериментальних тварин у різних ділянках шлунково-кишкового тракту і дослідження вмісту окремих речовин та продуктів їх обміну.

4. Ізотопні спостереження. З цією метою використовують ізотопи таких елементів: H, N, C, S, P, O, Na, K, тощо. Метод ізотопних індикаторів застосовують in vivо тa in vitro. Мічені сполуки одержують шляхом включення позначених атомів під час синтезу або біосинтезу цих сполук. Метод ізотопних індикаторів дає можливість стежити за перетворенням даної речовини в організмі. У такому випадку вводиться мічена ізотопом речовина, а далі досліджують появу ізотопної мітки в продуктах її перетворення.

5. Метод ізольованих органів. Видалення хірургічним способом органів – один із способів вивчення метаболізму. Через ізольований орган постійно прокачують поживну речовину (перфузія) і цим підтримують його життєдіяльність. Перфузію проводять за допомогою плазми крові, фізіологічного розчину, в які додають досліджувані речовини. Досліджуючи склад рідин на вході і виході з органа, можна з'ясувати шляхи перетворення внесених речовин і роль відповідних органів у метаболізмі.

Наприклад, відомості про метаболічну роль печінки були одержані в результаті спостереження за собаками, в яких хірургічно видалили печінку. Зокрема, так була встановлена роль печінки в утворенні сечовини, глікогену.

6. Використання гомогенатів та субклітинних фракцій. Для одержання гомогенатів орган розрізають на дрібні шматочки, які поміщають у рідке ізотонічне середовище (наприклад, 0,25 М сахарози або фізіологічний розчин) і розтирають у ступці з піском або гомогенізаторі. Таким чином одержують гомогенат, який значною мірою зберігає біологічну активність.

У теперішній час завдяки електронно-мікроскопічним та гістологічним дослідам, а також методу диференційованого центрифугування досягнуті значні успіхи у визначенні внутрішньоклітинної локалізації ферментів, що беруть участь у метаболічних процесах. Окремі метаболічні шляхи містяться у визначених внутрішньоклітинних ділянках – компартментах, що відокремлені біологічними мембранами.

Досліджено, що в ядрі (точніше, в ядерці) локалізовані РНК-полімерази, тобто ферменти, які каталізують утворення мРНК. У ядрі містяться ферменти, які беруть участь у процесі реплікації ДНК.

З мітохондріями пов'язані ферменти ланцюга біологічного окиснення (тканинного дихання) і окисного фосфорилування, а також ферменти піруватдегідрогеназного комплексу, циклу трикарбонових кислот, синтезу сечовини, окиснення жирних кислот тощо.

У лізосомах містяться в основному гідролітичні ферменти з оптимумом рН приблизно 5. Тут відбуваються реакції розщеплення білків, нуклеїнових кислот та чужорідних сполук, що поглинаються певними клітинами за рахунок ендоцитозу.

У рибосомах локалізовані ферменти білкового синтезу, в цих частинках проходять процеси трансляції мРНК і зв'язування амінокислот у поліпептидні ланцюги із утворенням молекул білка.

В ендоплазматичній сітці зосереджені ферменти синтезу ліпідів, а також ферменти, які беруть участь у реакціях гідроксилювання.

З плазматичною мембраною передусім зв'язані: АТФаза, аденілатциклаза і ряд інших ферментів.

У цитозолі локалізовані ферменти гліколізу, пентозофосфатного циклу, синтезу жирних кислот і мононуклеотидів, активації амінокислот, а також ферменти глюкогенезу.

Дослідження субклітинних структур (органел) проводять за допомогою диференційного ультрацентрифугування. Для отримання гомогенату тканину дезінтегрують у спеціальному гомогенізаторі. Субклітинні фракції одержують суспендуванням гомогенату в 0,25 М розчині сахарози та фракціонуванням багаторазовим цетрифугуванням. Застосовуючи різну швидкість обертання ротора ультрацетрифуги та збільшуючи, відповідно, фактор седиментації, що кількісно визначається в одиницях прискорення знмного тяжіння – g, досягають фракціонування тканинного гомогенату на окремі фракції.

Центрифугування з прискоренням 700 g осаджує уривки клітинних мембран та ядра. Надосадову рідину центрифугують знову при 10 000 g – одержують мітохондрії та лізосоми. Із надосадової рідини при другому центрифугуванні зі швидкістю 100 000 g осаджують мікросоми і рибосоми. Остання надосадова рідина містить цитозоль (розчинні компоненти у розчині сахарози).

7. Дослідження культури тканин. Клітини і тканини вирощують у середовищі з певним хімічним складом (вітаміни, амінокислоти, мікроелементи тощо), необхідним для росту та підтримання життєдіяльності клітин. У культурі тканин вирощують різні типи клітин (як здорових, так і злоякісних). На тканинних культурах вивчають впливи фізичних і хімічних факторів, моделюють різні біохімічні процеси, вивчають дію лікарських речовин.