מהו חילוף חומרים?

אף פעם לא חשבנו למה יש אנשים שאוכלים הכל (לא לשכוח לחמניות וקונדיטוריה), בזמן שהם נראים כאילו לא אכלו כבר כמה ימים, בעוד שאחרים, להיפך, כל הזמן סופרים קלוריות, עושים דיאטות, הולכים לאולמות כושר. ועדיין לא יכול להתמודד עם קילוגרמים עודפים. אז מה הסוד? מסתבר שהכל עניין של חילוף חומרים!

אז מה זה חילוף חומרים? ולמה אנשים שיש להם קצב חילוף חומרים גבוה אף פעם לא הופכים להשמנת יתר או עודף משקל? אם כבר מדברים על חילוף חומרים, חשוב לציין את הדברים הבאים, שזהו חילוף החומרים המתרחש בגוף וכל השינויים הכימיים, החל מרגע כניסתם של חומרים מזינים לגוף, ועד להוצאתם מהגוף אל הסביבה החיצונית. התהליך המטבולי הוא כל התגובות המתמשכות בגוף, שבגללן נבנים מרכיבי הרקמות המבניות, התאים, כמו גם כל אותם תהליכים שבזכותם הגוף מקבל את האנרגיה הדרושה לו כל כך לתחזוקה תקינה.

לחילוף החומרים חשיבות רבה בחיינו, מכיוון שבזכות כל התגובות והשינויים הכימיים הללו, אנו מקבלים את כל מה שאנו צריכים מהמזון: שומנים, פחמימות, חלבונים, כמו גם ויטמינים, מינרלים, חומצות אמינו, סיבים שימושיים, חומצות אורגניות, וכו' ד.

על פי תכונותיו ניתן לחלק את חילוף החומרים לשני חלקים עיקריים – אנבוליזם וקטבוליזם, כלומר לתהליכים התורמים ליצירת כל החומרים האורגניים הדרושים ולתהליכי הרס. כלומר, תהליכים אנבוליים תורמים ל"טרנספורמציה" של מולקולות פשוטות למורכבות יותר. וכל תהליכי הנתונים האלה קשורים בעלויות אנרגיה. תהליכים קטבוליים, להיפך, משחררים את הגוף מתוצרי קצה של ריקבון, כמו פחמן דו חמצני, אוריאה, מים ואמוניה, מה שמוביל לשחרור אנרגיה, כלומר, באופן גס, מתרחש חילוף חומרים בשתן.

מהו מטבוליזם תאי?

מהו מטבוליזם תאי או מטבוליזם של תאים חיים? ידוע כי כל תא חי בגופנו הוא מערכת מתואמת ומאורגנת היטב. התא מכיל מבנים שונים, מקרומולקולות גדולות המסייעות לו להתפרק עקב הידרוליזה (כלומר פיצול התא בהשפעת מים) למרכיבים הקטנים ביותר.

בנוסף, התאים מכילים כמות גדולה של אשלגן ומעט מאוד נתרן, למרות העובדה שהסביבה התאית מכילה הרבה נתרן, ואשלגן, להיפך, הרבה פחות. בנוסף, קרום התא מעוצב בצורה כזו שהוא מסייע לחדירת נתרן ואשלגן כאחד. למרבה הצער, מבנים ואנזימים שונים יכולים להרוס את המבנה המבוסס הזה.

והתא עצמו רחוק מהיחס בין אשלגן ונתרן. "הרמוניה" כזו מושגת רק לאחר מותו של אדם בתהליך של אוטוליזה תמותה, כלומר, עיכול או פירוק של הגוף בהשפעת האנזימים שלו.

מהי אנרגיה לתאים?

קודם כל, תאים פשוט צריכים אנרגיה כדי לתמוך בעבודתה של מערכת שרחוקה משיווי משקל. לכן, כדי שתא יהיה במצב תקין עבורו (גם אם הוא רחוק משיווי משקל), הוא בהחלט חייב לקבל את האנרגיה הדרושה לו. והכלל הזה הוא תנאי הכרחי לתפקוד סלולרי תקין. יחד עם זה, מתבצעת עבודה נוספת, שמטרתה אינטראקציה עם הסביבה.

למשל, אם יש התכווצות בתאי שריר, או בתאי כליה, ואפילו מתחיל להיווצר שתן, או שמופיעים דחפים עצביים בתאי עצב, ובתאים האחראים על מערכת העיכול, מתחיל שחרור אנזימי עיכול, או הפרשת ההורמונים בתאים מתחילה בלוטות אנדוקריניות? או, למשל, התאים של גחליליות החלו לזהור, ובתאים של דגים, למשל, הופיעו פריקות חשמל? כדי להימנע מכל זה, יש צורך באנרגיה לשם כך.

מהם מקורות האנרגיה

בדוגמאות למעלה, אנו רואים שהתא משתמש לעבודתו באנרגיה המתקבלת עקב המבנה של אדנוזין טריפוספט או (ATP). הודות לו, התא רווי באנרגיה, ששחרורה יכול לזרום בין קבוצות פוספט ולשמש כעבודה נוספת. אבל, באותו זמן, עם שבירה הידרוליטית פשוטה של קשרי פוספט (ATP), האנרגיה המתקבלת לא תהפוך לזמינה לתא, במקרה זה, האנרגיה תתבזבז כחום.

תהליך זה מורכב משני שלבים עוקבים. בכל שלב כזה מעורב מוצר ביניים, שמכונה HF. במשוואות למטה, X ו-Y מייצגים שני חומרים אורגניים שונים לחלוטין, האות F מייצגת פוספט, והקיצור ADP מייצג אדנוזין דיפוספט.

נורמליזציה של חילוף החומרים - המונח הזה נכנס חזק לחיינו היום, יתר על כן, הוא הפך לאינדיקטור למשקל תקין, שכן הפרעות מטבוליות בגוף או חילוף החומרים קשורות לעיתים קרובות לעלייה במשקל, עודף משקל, השמנה או אי ספיקה שלו. ניתן לחשוף את מהירות התהליכים המטבוליים בגוף הודות לבדיקה על בסיס חילוף החומרים.

מהי החילוף העיקרי?! זהו אינדיקטור כזה לעוצמת ייצור האנרגיה על ידי הגוף. בדיקה זו מתבצעת בבוקר על קיבה ריקה, בזמן פסיביות, כלומר במנוחה. אדם מוסמך מודד (O2) ספיגת חמצן וכן הפרשת גוף (CO2). כאשר משווים נתונים, הם מגלים כמה אחוזים הגוף שורף חומרים מזינים נכנסים.

כמו כן, פעילותם של תהליכים מטבוליים מושפעת מהמערכת ההורמונלית, בלוטת התריס והבלוטות האנדוקריניות, לכן, בעת זיהוי הטיפול במחלות הקשורות לחילוף החומרים, הרופאים מנסים לזהות ולקחת בחשבון את רמת העבודה של הורמונים אלו בגוף. דם והמחלות של מערכות אלו הזמינות.

שיטות בסיסיות לחקר תהליכים מטבוליים

בלימוד תהליכי חילוף החומרים של אחד (כל אחד) ממרכיבי המזון, כל השינויים שלו (שקרו לו) נצפים מצורה אחת שנכנסה לגוף ועד למצב הסופי שבו הוא מופרש מהגוף.

השיטות לחקר חילוף החומרים כיום מגוונות ביותר. בנוסף לכך, נעשה שימוש במספר שיטות ביוכימיות. אחת השיטות לחקר חילוף החומרים היא שיטת שימוש בבעלי חייםאו איברים.

לחיית הניסוי מוזרקים חומר מיוחד, ואז מתגלים תוצרים אפשריים של שינויים (מטבוליטים) של חומר זה על ידי השתן והצואה שלו. ניתן לאסוף את המידע המדויק ביותר על ידי בחינת התהליכים המטבוליים של איבר מסוים, כגון המוח, הכבד או הלב. לשם כך, חומר זה מוזרק לדם, ולאחר מכן, מטבוליטים עוזרים לזהות אותו בדם הנובע מאיבר זה.

הליך זה הוא מאוד מסובך ועתיר סיכון, שכן לעתים קרובות עם שיטות מחקר כאלה נעשה שימוש בשיטה מורטים דקיםאו לעשות קטעים מהאיברים האלה. מקטעים כאלה ממוקמים באינקובטורים מיוחדים, שם הם נשמרים בטמפרטורה (בדומה לטמפרטורת הגוף) בחומרים מסיסים מיוחדים בתוספת החומר שמטבוליזם שלו נחקר.

בשיטת מחקר זו, התאים אינם נפגעים, בשל העובדה שהחתכים דקים עד כדי כך שהחומר נכנס בקלות ובחופשיות לתאים, ואז יוצא מהם. קורה שיש קשיים שנגרמים ממעבר איטי של חומר מיוחד דרך ממברנות התא.

במקרה זה, כדי להרוס את הממברנות בדרך כלל לטחון רקמה, על מנת שחומר מיוחד ידגור על דייסה התא. ניסויים כאלה הוכיחו שכל התאים החיים בגוף מסוגלים לחמצן גלוקוז לפחמן דו חמצני ומים, ורק תאי רקמה של הכבד יכולים לסנתז אוריאה.

האם אנו משתמשים בתאים?

לפי המבנה שלהם, תאים מייצגים מערכת מאורגנת מורכבת מאוד. ידוע היטב שהתא מורכב מגרעין, ציטופלזמה, ובציטופלזמה שמסביב יש גופים קטנים הנקראים אברונים. הם מגיעים במגוון גדלים ומרקמים.

הודות לטכניקות מיוחדות, ניתן יהיה לבצע הומוגניזציה של רקמות תאים, ולאחר מכן להכפיף אותן להפרדה מיוחדת (צנטריפוגה דיפרנציאלית), וכך לקבל תכשירים שיכילו רק מיטוכונדריה, רק מיקרוזומים, וכן פלזמה או נוזל שקוף. תכשירים אלה מודגרים בנפרד עם התרכובת שחילוף החומרים שלה נמצא במחקר על מנת לקבוע בדיוק אילו מבנים תת-תאיים מעורבים בשינויים הבאים.

היו ידועים מקרים כאשר התגובה הראשונית החלה בציטופלזמה, והתוצר שלה עבר שינויים במיקרוזומים, ולאחר מכן נצפו שינויים עם תגובות אחרות עם מיטוכונדריה. הדגירה של החומר הנחקר עם הומוגנית רקמה או תאים חיים לרוב אינה חושפת שלבים בודדים הקשורים לחילוף החומרים. כדי להבין את כל שרשרת הנתונים המתרחשים של אירועים, הניסויים הבאים בזה אחר זה, שבהם משתמשים במבנים תת-תאיים מסוימים לדגירה, עוזרים.

כיצד להשתמש באיזוטופים רדיואקטיביים

כדי ללמוד תהליכים מטבוליים מסוימים של חומר, יש צורך:

להשתמש בשיטות אנליטיות כדי לקבוע את החומר הנתון ואת המטבוליטים שלו;
יש צורך להשתמש בשיטות כאלה שיעזרו להבחין בין החומר שהוכנס לאותו חומר, אך כבר קיים בתכשיר זה.

עמידה בדרישות אלו הייתה המכשול העיקרי במהלך חקר התהליכים המטבוליים בגוף, עד למועד שבו התגלו איזוטופים רדיואקטיביים, וכן 14C, פחמימה רדיואקטיבית. ואחרי הופעת 14C ומכשירים המאפשרים למדוד אפילו רדיואקטיביות חלשה, כל הקשיים הנ"ל הגיעו לקיצם. אחרי זה, דברים עם מדידת תהליכים מטבוליים עלו, כמו שאומרים.

כעת, כאשר מוסיפים חומצת שומן 14C מסומנת לתכשיר ביולוגי מיוחד (לדוגמה, תרחיף של מיטוכונדריה), אז, לאחר מכן, אין צורך בניתוחים מיוחדים כדי לקבוע את המוצרים המשפיעים על השינוי שלה. וכדי לברר את קצב השימוש, עכשיו אפשר היה פשוט למדוד את הרדיואקטיביות של שברים מיטוכונדריאליים שהתקבלו ברצף.

טכניקה זו עוזרת לא רק להבין כיצד לנרמל את חילוף החומרים, אלא גם בזכותה קל להבחין בין המולקולות של חומצת השומן הרדיואקטיבית המוכנסת בניסוי לבין מולקולות חומצת השומן שכבר נמצאו במיטוכונדריה ממש בתחילת הניסוי.

אלקטרופורזה ו... כרומטוגרפיה

על מנת להבין מה וכיצד מנרמל את חילוף החומרים, כלומר כיצד מנרמל חילוף החומרים, יש צורך גם להשתמש בשיטות שיעזרו להפריד בין תערובות המכילות חומרים אורגניים בכמויות קטנות. אחת השיטות החשובות מבין השיטות הללו, המבוססת על תופעת הספיחה, היא שיטת הכרומטוגרפיה. הודות לשיטה זו, תערובת הרכיבים מופרדת.

במקרה זה, ההפרדה של מרכיבי התערובת מתרחשת, אשר מתבצעת או על ידי ספיחה על הסופג, או עקב נייר. כאשר מפרידים על ידי ספיחה על סורבנט, כלומר, כאשר הם מתחילים למלא צינורות זכוכית מיוחדים כאלה (עמודים), עם elution הדרגתי ולאחר מכן, כלומר, עם כביסה לאחר מכן מתוך כל אחד מהרכיבים הזמינים.

שיטת ההפרדה באלקטרופורזה תלויה ישירות בנוכחות של סימנים, כמו גם במספר המטענים המיוננים של מולקולות. כמו כן, אלקטרופורזה מתבצעת על חלק מהנשאים הלא פעילים, כגון תאית, גומי, עמילן, או, לבסוף, על נייר.

אחת השיטות הרגישות והיעילות ביותר להפרדת תערובת היא כרומטוגרפיית גז. שיטת הפרדה זו משמשת רק אם החומרים הדרושים להפרדה נמצאים במצב גזי או, למשל, יכולים להיכנס למצב זה בכל עת.

כיצד משתחררים אנזימים?

כדי לגלות כיצד מבודדים אנזימים, לשם כך יש צורך להבין שזה המקום האחרון בסדרה זו: חיה, אחר כך איבר, ואז חתך רקמה, ואז חלק מאברוני התא והומוגנית תופסים אנזימים ש לזרז תגובה כימית מסוימת. לבודד אנזימים בצורה מטוהרת הפך לכיוון חשוב בחקר תהליכים מטבוליים.

החיבור והשילוב של השיטות הנ"ל אפשרו את המסלולים המטבוליים העיקריים ברוב האורגניזמים המאכלסים את הפלנטה שלנו, כולל בני אדם. בנוסף, שיטות אלו עזרו לקבוע תשובות לשאלה כיצד תהליכים מטבוליים מתנהלים בגוף וכן עזרו להבהיר את האופי המערכתי של השלבים העיקריים של מסלולים מטבוליים אלו. כיום, יש יותר מאלף כל מיני תגובות ביוכימיות שכבר נחקרו, כמו גם האנזימים המעורבים בתגובות אלו.

מכיוון ש-ATP נחוץ להופעה של כל ביטוי בתאי חיים, אין זה מפתיע שקצב התהליכים המטבוליים בתאי השומן מכוון בעיקר לסנתז ATP. כדי להשיג זאת, נעשה שימוש בתגובות עוקבות במורכבות משתנה. תגובות כאלה משתמשות בעיקר באנרגיה פוטנציאלית כימית, הכלולה במולקולות של שומנים (ליפידים) ופחמימות.

תהליכים מטבוליים בין פחמימות לשומנים

תהליך מטבולי כזה בין פחמימות לשומנים, בדרך אחרת, נקרא סינתזת ATP, מטבוליזם אנאירובי (כלומר ללא השתתפות חמצן).

התפקיד העיקרי של שומנים ופחמימות הוא שסינתזה של ATP היא שמספקת תרכובות פשוטות יותר, למרות העובדה שאותם תהליכים התרחשו בתאים הפרימיטיביים ביותר. רק באווירה חסרת חמצן אי אפשר היה לחמצן לחלוטין שומנים ופחמימות לפחמן דו חמצני.

אפילו בתאים הפרימיטיביים ביותר הללו, נעשה שימוש באותם תהליכים ומנגנונים, שבגללם עצם המבנה של מולקולת הגלוקוז סודר מחדש, שסנתזה כמויות קטנות של ATP. בדרך אחרת, תהליכים כאלה במיקרואורגניזמים נקראים תסיסה. עד כה, "התסיסה" של גלוקוז למצב של אלכוהול אתילי ופחמן דו חמצני בשמרים נחקרה במיוחד.

על מנת להשלים את כל השינויים הללו וליצור מספר תוצרי ביניים, היה צורך לבצע אחת עשרה תגובות עוקבות, שבסופו של דבר הוצגו במספר מוצרי ביניים (פוספטים), כלומר אסטרים של חומצה זרחתית. קבוצת פוספטים זו הועברה לאדנוזין דיפוספט (ADP) וגם עם היווצרות ATP. רק שתי מולקולות היוו את התשואה נטו של ATP (עבור כל אחת ממולקולות הגלוקוז שנוצרו בתהליך התסיסה). תהליכים דומים נצפו גם בכל התאים החיים בגוף, שכן הם סיפקו את האנרגיה הנחוצה כל כך לתפקוד תקין. תהליכים כאלה נקראים לעתים קרובות מאוד נשימה של תאים אנאירוביים, אם כי זה לא לגמרי נכון.

גם אצל יונקים וגם אצל בני אדם, תהליך זה נקרא גליקוליזה, והתוצר הסופי שלו נחשב לחומצה לקטית, לא CO2 (פחמן דו חמצני) או אלכוהול. למעט שני השלבים האחרונים, כל רצף תגובות הגליקוליזה נחשב כמעט זהה לתהליך המתרחש בתאי שמרים.

מטבוליזם הוא אירובי, כלומר שימוש בחמצן

ברור שעם הופעת החמצן באטמוספירה, הודות לפוטוסינתזה של צמחים, הודות לאם הטבע, הופיע מנגנון שאיפשר להבטיח חמצון מוחלט של גלוקוז למים ו-CO2. תהליך אירובי כזה אפשר שחרור נטו של ATP (מתוך שלושים ושמונה מולקולות, המבוססות על כל מולקולה של גלוקוז, רק מחומצנות).

תהליך כזה של שימוש בחמצן על ידי תאים, להופעת תרכובות עשירות באנרגיה, מכונה היום נשימה אירובית, תאית. נשימה כזו מתבצעת על ידי אנזימים ציטופלזמיים (בניגוד לנשימה אנאירובית), ותהליכי חמצון מתרחשים במיטוכונדריה.

כאן, חומצה פירובית, שהיא תוצר ביניים, לאחר שנוצרה בשלב האנאירובי, מתחמצנת למצב של CO2 באמצעות רצף של שש תגובות, כאשר בכל תגובה זוג האלקטרונים שלהם מועבר לקולט, הנפוץ קואנזים ניקוטינמיד אדנין דינוקלאוטיד, מקוצר (NAD). רצף תגובות זה נקרא מחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית, כמו גם מחזור חומצת לימון או מחזור קרבס, מה שמוביל לכך שכל מולקולת גלוקוז יוצרת שתי מולקולות של חומצה פירובית. במהלך תגובה זו, שנים עשר זוגות אלקטרונים מתרחקים ממולקולת הגלוקוז לצורך חימצון נוסף.

במהלך מקור האנרגיה... פועלים ליפידים

מסתבר שחומצות שומן יכולות לשמש כמקור אנרגיה, כמו גם פחמימות. תגובת החמצון של חומצות שומן מתרחשת עקב רצף הביקוע מחומצת השומן (או ליתר דיוק, המולקולה שלה) של שבר שני פחמנים עם הופעת אצטיל קואנזים A, (במילים אחרות, זה אצטיל-CoA) ו העברה של שני זוגות אלקטרונים בו זמנית לשרשרת ההעברה שלהם.

לפיכך, האצטיל-CoA המתקבל הוא אותו מרכיב במחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית, שגורלו הנוסף אינו שונה מאוד מהאצטיל-CoA, המסופק באמצעות מטבוליזם של פחמימות. המשמעות היא שהמנגנונים שמסנתזים ATP במהלך החמצון של שני מטבוליטים של גלוקוז וחומצות שומן כמעט זהים.

אם האנרגיה המסופקת לגוף מתקבלת למעשה עקב תהליך אחד בלבד של חמצון חומצות שומן (לדוגמה, בזמן רעב, עם מחלה כמו סוכרת וכו'), אזי, במקרה זה, עוצמת הופעת האצטיל -CoA יעלה על עוצמת החמצון שלו במחזור החומצה הטריקרבוקסילית עצמו. במקרה זה, מולקולות האצטיל-CoA (שיהיו מיותרות) יתחילו להגיב זו עם זו. בתהליך זה יופיעו חומצות אצטואצטית ו-b-hydroxybutyric. הצטברות זו עלולה לגרום לקטוזיס, סוג של חמצת שעלול להוביל לסוכרת חמורה ואף למוות.

למה עתודות אנרגיה?

כדי להשיג איכשהו אספקה נוספת של אנרגיה, למשל, לבעלי חיים שניזונים באופן לא סדיר ולא באופן שיטתי, הם פשוט צריכים איכשהו להצטייד באנרגיה הדרושה. כגון מאגרי אנרגיה נוצרים באמצעות מאגרי מזון,אליו הכל אותו דבר שומנים ופחמימות.

מסתבר, חומצות שומן יכולות להיות מאוחסנות בצורה של שומנים ניטרליים, המצויים הן ברקמת השומן והן בכבד . ופחמימות, כשהן נכנסות למערכת העיכול בכמויות גדולות, מתחילות לעבור הידרוליזה לגלוקוז ולסוכרים אחרים, שכאשר הן נכנסות לכבד, מסונתזים לגלוקוז. ואז פולימר ענק מתחיל להיות מסונתז מגלוקוז על ידי שילוב שאריות גלוקוז, כמו גם על ידי פיצול מולקולות מים.

לפעמים כמות הגלוקוז הנותרת במולקולות הגליקוגן מגיעה ל- 30,000. ואם יש צורך באנרגיה, אז הגליקוגן שוב מתחיל להתפרק לגלוקוז במהלך תגובה כימית, התוצר של האחרון הוא גלוקוז פוספט. גלוקוז פוספט זה נכנס למסלול של תהליך הגליקוליזה, שהוא חלק מהמסלול האחראי לחמצון הגלוקוז. גלוקוז פוספט יכול גם לעבור תגובת הידרוליזה בכבד עצמו, והגלוקוז שנוצר כך מועבר לתאי הגוף יחד עם הדם.

איך הסינתזה מפחמימות לשומנים?

אוהבים אוכל פחמימתי? מסתבר שאם כמות הפחמימות המתקבלת במזון בבת אחת עולה על השיעור המותר, במקרה זה, הפחמימות נכנסות ל"רזרבה" בצורת גליקוגן, כלומר, מזון עודף פחמימות הופך לשומנים. ראשית, אצטיל-CoA נוצר מגלוקוז, ולאחר מכן הוא מתחיל להיות מסונתז בציטופלזמה של התא עבור חומצות שומן ארוכות שרשרת.

ניתן לתאר תהליך זה של "טרנספורמציה" כתהליך חמצון תקין של תאי שומן. לאחר מכן, חומצות שומן מתחילות להיות מופקדות בצורה של טריגליצרידים, כלומר שומנים ניטרליים המופקדים (בעיקר אזורים בעייתיים) בחלקים שונים בגוף.

אם הגוף זקוק בדחיפות לאנרגיה, אז שומנים ניטרליים העוברים הידרוליזה, כמו גם חומצות שומן, מתחילים להיכנס לזרם הדם. כאן הם רוויים במולקולות אלבומין וגלובולין, כלומר חלבוני פלזמה, ואז מתחילים להיספג על ידי תאים אחרים, שונים מאוד. לבעלי חיים אין מנגנון כזה שיכול לסנתז מגלוקוז וחומצות שומן, אבל לצמחים יש אותם.

סינתזה של תרכובות המכילות חנקן

בבעלי חיים, חומצות אמינו משמשות לא רק כביוסינתזה של חלבון, אלא גם כחומר הראשוני המוכן לסינתזה של תרכובות המכילות חנקן מסוימות. חומצת אמינו כגון טירוזין הופכת למבשר של הורמונים כמו נוראדרנלין ואדרנלין. וגליצרול (חומצת האמינו הפשוטה ביותר) משמש כחומר המוצא לביוסינתזה של פורינים, שהם חלק מחומצת הגרעין, כמו גם פורפירינים וציטוכרומים.

המבשר של פירמידינים חומצת גרעין היא חומצה אספרטית, וקבוצת המתיונין מתחילה לעבור במהלך הסינתזה של קריאטין, סרקוזין וכולין. המבשר של חומצה ניקוטינית הוא טריפטופן, ומוואלין (שנוצר בצמחים) ניתן לסנתז ויטמין כמו חומצה פנטותנית. ואלה רק כמה דוגמאות לשימוש בסינתזה של תרכובות המכילות חנקן.

כיצד מתרחש חילוף החומרים של שומנים

בדרך כלל, שומנים נכנסים לגוף בצורה של טריגליצרידים של חומצות שומן. ברגע שהם נמצאים במעי בהשפעת אנזימים המיוצרים על ידי הלבלב, הם מתחילים לעבור הידרוליזה. כאן הם שוב מסונתזים כשומנים ניטרליים, לאחר מכן הם נכנסים לכבד או לדם, ויכולים גם להיות מופקדים כרזרבה ברקמת השומן.

כבר אמרנו שניתן לסנתז מחדש חומצות שומן גם ממבשרי פחמימות שהופיעו בעבר. יש לציין גם שלמרות העובדה שבתאי בעלי חיים, ניתן להבחין בהכללה בו-זמנית של קשר כפול אחד במולקולות חומצות שומן ארוכות שרשרת. תאים אלו אינם יכולים לכלול את הקשר הכפול השני ואפילו השלישי.

ומכיוון שלחומצות שומן בעלות קשרים כפולים שלושה ושניים יש תפקיד חשוב בתהליכים המטבוליים של בעלי חיים (כולל בני אדם), במהותן מדובר ברכיבים תזונתיים חשובים, אפשר לומר, ויטמינים. לכן לינולנית (C18:3) ולינולאית (C18:2) נקראות גם חומצות שומן חיוניות. עוד נמצא כי בתאים ניתן לכלול קשר רביעי כפול גם בחומצה הלינולנית. עקב התארכות שרשרת הפחמן, עשוי להופיע משתתף חשוב נוסף בתגובות מטבוליות חומצה ארכידונית (ס 20:4).

במהלך סינתזת שומנים ניתן להבחין בשאריות חומצות שומן הקשורות לקואנזים A. באמצעות סינתזה, שאריות אלו מועברות לאסטר הגליצרופוספט של גליצרול וחומצה זרחתית. כתוצאה מתגובה זו, נוצרת תרכובת של חומצה פוספטית, כאשר אחת התרכובות שלה היא גליצרול אסתר בחומצה זרחתית, והשתיים האחרות הן חומצות שומן.

עם הופעת שומנים ניטרליים תוסר חומצה זרחתית בהידרוליזה ובמקומה תהיה חומצת שומן שהופיעה כתוצאה מתגובה כימית עם acyl-CoA. קו-אנזים A עצמו עשוי להגיע מאחד מהוויטמינים של חומצה פנטותנית. מולקולה זו מכילה קבוצת sulfhydryl, המגיבה לחומצות עם הופעת תיואסטרים. בתורו, חומצה פוספטידית פוספוליפידית מגיבה עם בסיסים חנקניים כמו סרין, כולין ואתנולמין.

לפיכך, כל הסטרואידים המצויים בגוף של יונקים (למעט ויטמין D) יכולים להיות מסונתזים באופן עצמאי על ידי הגוף עצמו.

כיצד מתרחש חילוף החומרים של חלבון?

הוכח שהחלבונים הקיימים בכל התאים החיים מורכבים מעשרים ואחד סוגים של חומצות אמינו, המחוברות ברצפים שונים. חומצות אמינו אלו מסונתזות על ידי אורגניזמים. סינתזה כזו מובילה בדרך כלל להופעת חומצה α-keto. כלומר, חומצה א-קטו או חומצה א-קטוגלוטרית מעורבת בסינתזה של חנקן.

גוף האדם, כמו גופם של בעלי חיים רבים, הצליח לשמור על היכולת לסנתז את כל חומצות האמינו הזמינות (למעט כמה חומצות אמינו חיוניות), אשר חייבות להיות מסופקות עם מזון.

כיצד מתרחשת סינתזת חלבון

תהליך זה מתנהל בדרך כלל כדלקמן. כל חומצת אמינו בציטופלזמה של התא מגיבה עם ATP ולאחר מכן מצמידה לקבוצה הסופית של מולקולת החומצה הריבונוקלאית, שהיא ספציפית לחומצת אמינו זו. לאחר מכן מחברים את המולקולה המסובכת לריבוזום, שנקבע במיקום של מולקולת חומצה ריבונוקלאית מוארכת יותר, המחוברת לריבוזום.

לאחר שכל המולקולות המורכבות מסתדרות, נוצר פער בין חומצת האמינו לחומצה ריבונוקלאית, חומצות אמינו שכנות מתחילות להיסנתז וכך מתקבל חלבון. נורמליזציה של חילוף החומרים מתרחשת עקב סינתזה הרמונית של תהליכים מטבוליים חלבון-פחמימות-שומן.

אז מהו חילוף חומרים אורגני?

על מנת להבין ולהבין טוב יותר תהליכים מטבוליים, כמו גם לשקם את הבריאות ולשפר את חילוף החומרים, יש צורך להקפיד על ההמלצות הבאות לגבי נורמליזציה ושיקום חילוף החומרים.

חשוב להבין שלא ניתן להפוך תהליכים מטבוליים. ריקבון החומרים לעולם אינו ממשיך בדרך הפשוטה של היפוך תגובות סינתזה. אנזימים אחרים, כמו גם כמה תוצרי ביניים, לוקחים חלק בהכרח בדעיכה זו. לעתים קרובות מאוד, תהליכים המכוונים לכיוונים שונים מתחילים להתרחש בתאים שונים של התא. לדוגמה, חומצות שומן יכולות להיות מסונתזות בציטופלזמה של תא בהשפעת קבוצה מסוימת של אנזימים, בעוד שתהליך החמצון במיטוכונדריה יכול להתרחש עם קבוצה שונה לחלוטין.
מספיק אנזימים נצפים בתאים חיים בגוף על מנת לזרז את תהליך התגובות המטבוליות, אך למרות זאת, תהליכים מטבוליים לא תמיד מתקדמים במהירות, ולכן, זה מעיד על קיומם בתאים שלנו של כמה מנגנוני ויסות המשפיעים על תהליכים מטבוליים . עד כה, כמה סוגים של מנגנונים כאלה כבר התגלו.
אחד הגורמים המשפיעים על הירידה בקצב התהליכים המטבוליים של חומר נתון הוא כניסתו של חומר זה לתא עצמו. לכן, ניתן לכוון את הוויסות של תהליכים מטבוליים לגורם זה. למשל, אם ניקח אינסולין, שתפקידו, כידוע, קשור בהקלה על חדירת הגלוקוז לכל התאים. קצב ה"טרנספורמציה" של גלוקוז, במקרה זה, יהיה תלוי בקצב שבו הוא הגיע. אם ניקח בחשבון סידן וברזל, כאשר הם נכנסים לדם מהמעיים, אז קצב התגובות המטבוליות, במקרה זה, יהיה תלוי ברבים, כולל תהליכי רגולציה.
למרבה הצער, לא כל החומרים יכולים לנוע בחופשיות מתא תא אחד למשנהו. יש גם הנחה שההעברה התוך תאית נשלטת כל הזמן על ידי הורמונים סטרואידים מסוימים.
מדענים זיהו שני סוגים של מנגנוני סרוו שאחראים למשוב שלילי בתהליכים מטבוליים.
אפילו בחיידקים צוינו דוגמאות המוכיחות קיומן של איזושהי תגובות עוקבות. לדוגמה, הביוסינתזה של אחד האנזימים מדכאת את חומצות האמינו הנחוצות כל כך להשגת חומצת אמינו זו.
על ידי לימוד מקרים בודדים של תגובות מטבוליות, נמצא כי האנזים שהביוסינתזה שלו הושפעה היה אחראי לשלב העיקרי במסלול המטבולי המוביל לסינתזה של חומצת האמינו.
חשוב להבין שמספר קטן של אבני בניין מעורבים בתהליכים מטבוליים וביוסינתטיים, שכל אחד מהם מתחיל לשמש לסינתזה של תרכובות רבות. תרכובות אלו כוללות: אצטיל קואנזים A, גליצין, גליצרופוספט, קרבמיל פוספט ואחרים. מהרכיבים הקטנים הללו נבנות לאחר מכן תרכובות מורכבות ומגוונות, אותן ניתן לצפות באורגניזמים חיים.
לעתים רחוקות מאוד, תרכובות אורגניות פשוטות מעורבות ישירות בתהליכים מטבוליים. תרכובות כאלה, כדי להראות את פעילותן, יצטרכו להצטרף לכמה סדרות של תרכובות המעורבות באופן פעיל בתהליכים מטבוליים. לדוגמה, גלוקוז יכול להתחיל בתהליכי חמצון רק לאחר שהוא עבר אסטרציה עם חומצה זרחתית, ולשינויים נוספים לאחר מכן הוא יצטרך להיות אסטריר עם אורידין דיפוספט.
אם ניקח בחשבון חומצות שומן, אז הן גם לא יכולות לקחת חלק בשינויים מטבוליים כל עוד הן יוצרות אסטרים עם קואנזים A. במקביל, כל מפעיל הופך להיות קשור לאחד מהנוקלאוטידים שהם חלק מחומצה ריבונוקלאית או נוצרים ממה - ויטמין. לכן, מתברר מדוע אנו זקוקים לוויטמינים רק בכמויות קטנות. הם נצרכים על ידי קו-אנזים, כאשר בכל מולקולת קו-אנזים נעשה שימוש מספר פעמים במהלך חייה, בניגוד לחומרי הזנה, שהמולקולות שלהם משמשות פעם אחת (לדוגמה, מולקולות גלוקוז).

והאחרון! לסיום נושא זה, אני באמת רוצה לומר שהמונח "חילוף חומרים" עצמו, אם קודם לכן התכוון לסינתזה של חלבונים, פחמימות ושומנים בגוף, עכשיו הוא משמש כינוי לכמה אלפי תגובות אנזימטיות, שיכולות לייצג עצום רשת של מסלולים מטבוליים מחוברים זה לזה.

בקשר עם

חילוף חומרים. תהליכים מטבוליים.

חילופי החומרים והאנרגיה (מטבוליזם) מתבצעים בכל רמות הגוף: תאי, רקמה ואורגניזם. הוא מבטיח את קביעות הסביבה הפנימית של הגוף - הומאוסטזיס - בתנאי קיום המשתנים ללא הרף. שני תהליכים מתרחשים בו זמנית בתא - זהו חילוף חומרים פלסטי (אנבוליזם או הטמעה) ומטבוליזם אנרגטי (פטבוליזם או התפרקות).

מטבוליזם פלסטי הוא קבוצה של תגובות ביוסינתזה, או יצירת מולקולות מורכבות ממולקולות פשוטות. חלבונים מסונתזים כל הזמן בתא מחומצות אמינו, שומנים מגליצרול וחומצות שומן, פחמימות מחד-סוכרים, נוקלאוטידים מבסיסים חנקניים וסוכרים. תגובות אלו מתרחשות עם הוצאת אנרגיה. האנרגיה המשמשת משתחררת במהלך חילופי האנרגיה. מטבוליזם אנרגיה הוא קבוצה של תגובות לפירוק של תרכובות אורגניות מורכבות למולקולות פשוטות יותר. חלק מהאנרגיה המשתחררת במקרה זה הולך לסינתזה של מולקולות ATP עשירות באנרגיה (חומצה טריפוספורית אדנוזין). פירוק חומרים אורגניים מתבצע בציטופלזמה ובמיטוכונדריה בהשתתפות חמצן. תגובות ההטמעה וההתפרקות קשורות קשר הדוק זו לזו ולסביבה החיצונית. הגוף מקבל חומרי הזנה מהסביבה החיצונית. חומרי פסולת משתחררים לסביבה החיצונית.

אנזימים (אנזימים) הם חלבונים ספציפיים, זרזים ביולוגיים המזרזים תגובות מטבוליות בתא. כל התהליכים באורגניזם חי מתבצעים במישרין או בעקיפין בהשתתפות אנזימים. אנזים מזרז רק תגובה אחת או פועל רק על סוג אחד של קשר. זה מבטיח ויסות עדין של כל התהליכים החיוניים (נשימה, עיכול, פוטוסינתזה וכו') המתרחשים בתא או באורגניזם. במולקולה של כל אנזים ישנו אתר היוצר מגע בין מולקולות האנזים לחומר מסוים (סובסטרט). המרכז הפעיל של האנזים הוא קבוצה תפקודית (לדוגמה, OH - קבוצת סרין) או חומצת אמינו נפרדת.

קצב התגובות האנזימטיות תלוי בגורמים רבים: טמפרטורה, לחץ, חומציות המדיום, נוכחות מעכבים וכו'.

שלבי חילוף החומרים באנרגיה:

מֵכִין- מתרחש בציטופלזמה של תאים. בפעולת אנזימים, פוליסכרידים מתפרקים לחד-סוכרים (גלוקוז, פרוקטוז וכו'), שומנים מתפרקים לגליצרול וחומצות שומן, חלבונים לחומצות אמינו, חומצות גרעין לנוקלאוטידים. זה משחרר כמות קטנה של אנרגיה, שמתפזרת בצורה של חום.
אנוקסית(נשימה אנאירובית או גליקוליזה) - פירוק רב שלבי של גלוקוז ללא השתתפות חמצן. זה נקרא תסיסה. בשרירים, כתוצאה מנשימה אנאירובית, מולקולת גלוקוז מתפרקת לשתי מולקולות של חומצה לירובית (C 3 H 4 O 3), אשר לאחר מכן מופחתות לחומצה לקטית (C 3 H 6 O 3). חומצה זרחתית ו-ADP מעורבים בפירוק הגלוקוז.
המשוואה הכוללת של שלב זה: C 6 H 12 O 6 + 2H 3 RO 4 + 2ADP -> 2C 3 H 6 O 3 + 2ATP + 2H 2 O
בפטריות שמרים, מולקולת הגלוקוז, ללא השתתפות חמצן, הופכת לאלכוהול אתילי ולפחמן דו חמצני (תסיסה אלכוהולית). במיקרואורגניזמים אחרים הגליקוליזה יכולה להסתיים ביצירת אצטון, חומצה אצטית וכו'. כאשר מולקולת גלוקוז אחת מתפרקת נוצרות שתי מולקולות ATP שבקשריהן מאוחסנת 40% מהאנרגיה, שאר האנרגיה היא מתפזר בצורה של חום.
נשימת חמצן- השלב של נשימה אירובית או חמצן, פיצול, המתרחש על קפלי הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה - cristae. בשלב זה מפורקים החומרים של השלב הקודם לתוצרי הפירוק הסופיים - מים ופחמן דו חמצני. כתוצאה מפיצול שתי מולקולות חומצת חלב נוצרות 36 מולקולות ATP. התנאי העיקרי למהלך התקין של פירוק חמצן הוא שלמות הממברנות המיטוכונדריות. נשימת חמצן היא השלב העיקרי במתן חמצן לתא. זה יעיל פי 20 מהשלב נטול החמצן.
המשוואה הכוללת של פיצול חמצן: 2C 3 H 6 0 3 + 60 2 + 36H 3 PO 4 + 36ADP -> 6CO 2 + 38H 2 O + 36ATP

על פי שיטת השגת האנרגיה, כל האורגניזמים מחולקים לשתי קבוצות - אוטוטרופית והטרוטרופית.

חילוף החומרים האנרגטי בתאים אירוביים של צמחים, פטריות ובעלי חיים ממשיך באותו אופן. זה מעיד על מערכת היחסים ביניהם. מספר המיטוכונדריה בתאי הרקמה שונה, תלוי בפעילות התפקודית של התאים. לדוגמה, ישנן מיטוכונדריות רבות בתאי השריר.

פירוק השומנים לגליצרול וחומצות שומן מתבצע על ידי אנזימים - ליפאז. חלבונים מתפרקים תחילה לאוליגופפטידים ולאחר מכן לחומצות אמינו.

אנזימים (מלטינית "פרמנטום" - תסיסה, מחמצת), אנזימים, חלבונים ספציפיים המגבירים את קצב התגובות הכימיות בתאים של כל היצורים החיים. מטבעם כימי - חלבונים בעלי פעילות אופטימלית ב-pH מסוים, נוכחות של הקו-אנזימים והקו-פקטורים הדרושים והיעדר מעכבים. אנזימים נקראים גם ביו-זרזים באנלוגיה לזרזים בכימיה. כל סוג של אנזים מזרז את התמרה של חומרים מסוימים (סובסטרטים), לפעמים רק חומר בודד בכיוון אחד. לכן, תגובות ביוכימיות רבות בתאים מבוצעות על ידי מספר עצום של אנזימים שונים. הם מחולקים ל-6 מחלקות: אוקסדורודקטאזות, טרנספראזות, הידרולאזות, ליאזות, איזומראזות וליגאזות. אנזימים רבים בודדו מתאי חיים והתקבלו בצורה גבישית (לראשונה ב-1926).

תפקידם של אנזימים בגוף

אנזימים מעורבים ביישום כל התהליכים המטבוליים, ביישום מידע גנטי. עיכול והטמעה של חומרים מזינים, סינתזה ופירוק של חלבונים, חומצות גרעין, שומנים, פחמימות ותרכובות אחרות בתאים וברקמות של כל האורגניזמים - כל התהליכים הללו בלתי אפשריים ללא השתתפות אנזימים. כל ביטוי לתפקודים של אורגניזם חי - נשימה, התכווצות שרירים, פעילות נוירופסיכית, רבייה וכו' - מסופק על ידי פעולת אנזימים. המאפיינים האישיים של תאים המבצעים פונקציות מסוימות נקבעות במידה רבה על ידי קבוצה ייחודית של אנזימים, שייצורם מתוכנת גנטית. היעדר אפילו אנזים אחד או פגם כלשהו בו יכול להוביל להשלכות שליליות חמורות על הגוף.

תכונות קטליטיות של אנזימים

אנזימים הם הפעילים ביותר מבין כל הזרזים הידועים. רוב התגובות בתא מתרחשות פי מיליוני ומיליארדי מהר יותר מאשר אם הן היו מתקיימות בהיעדר אנזימים. לפיכך, מולקולה אחת של האנזים קטלאז מסוגלת להפוך עד 10 אלף מולקולות של מי חמצן, רעיל לתאים, שנוצרו במהלך חמצון של תרכובות שונות, למים וחמצן בשנייה. התכונות הקטליטיות של אנזימים נובעות מיכולתם להפחית משמעותית את אנרגיית ההפעלה של התרכובות הנכנסות לתגובה, כלומר בנוכחות אנזימים נדרשת פחות אנרגיה כדי "להתחיל" תגובה זו.

היסטוריה של גילוי אנזימים

התהליכים המתרחשים בהשתתפות אנזימים מוכרים לאדם עוד מימי קדם, מכיוון שהכנת הלחם, הגבינה, היין והחומץ מבוססת על תהליכים אנזימטיים. אבל רק בשנת 1833, בפעם הראשונה, בודד חומר פעיל מגרגרי שעורה נובטים, אשר הופך עמילן לסוכר ונקרא דיסטאז (כיום נקרא אנזים זה עמילאז). בסוף המאה ה-19 הוכח כי המיץ המתקבל משפשוף תאי שמרים מכיל תערובת מורכבת של אנזימים המבטיחים את תהליך התסיסה האלכוהולית. מאז החל מחקר אינטנסיבי של אנזימים - מבנה ומנגנון הפעולה שלהם. מאחר שהתפקיד של הביו-קטליזה נחשף בחקר התסיסה, היה זה עם תהליך זה נקשרו שני תהליכים שהתבססו מאז המאה ה-19. השמות הם "אנזים" (מתורגם מיוונית "משמרים") ו"אנזים". נכון, המילה הנרדפת האחרונה משמשת רק בספרות בשפה הרוסית, אם כי הכיוון המדעי העוסק בחקר אנזימים ותהליכים בהשתתפותם נקרא באופן מסורתי אנזימולוגיה. במחצית הראשונה של המאה ה-20 נמצא כי אנזימים הם חלבונים בטבעם הכימי, ובמחצית השנייה של המאה, עבור מאות רבות של אנזימים, כבר נקבע רצף שיירי חומצות האמינו, והמבנה המרחבי נקבע. בשנת 1969 בוצעה לראשונה סינתזה כימית של האנזים ריבונוקלאז. התקדמות עצומה נעשתה בהבנת מנגנון הפעולה של אנזימים.

מיקום האנזימים בגוף

בתא, חלק מהאנזימים ממוקמים בציטופלזמה, אך לרוב האנזימים קשורים למבנים תאיים מסוימים, שם הם מביאים לידי ביטוי את פעולתם. בגרעין, למשל, ישנם אנזימים האחראים לשכפול - סינתזה של DNA (DNA polymerase), לתעתוק שלו - יצירת RNA (RNA polymerase). במיטוכונדריה ישנם אנזימים האחראים על צבירת אנרגיה, בליזוזומים – רוב האנזימים ההידרוליטיים המעורבים בפירוק חומצות גרעין וחלבונים.

תנאים לפעולת אנזימים

כל התגובות המערבות אנזימים מתרחשות בעיקר במדיום ניטרלי, מעט בסיסי או מעט חומצי. עם זאת, הפעילות המקסימלית של כל אנזים בודד מופיעה בערכי pH מוגדרים בהחלט. לפעולת רוב האנזימים בבעלי חיים בעלי דם חם, הטמפרטורה הטובה ביותר היא 37-40oC. בצמחים בטמפרטורות הנמוכות מ-0 o C, פעולת האנזימים אינה נעצרת לחלוטין, אם כי הפעילות החיונית של הצמחים יורדת בחדות. תהליכים אנזימטיים, ככלל, אינם יכולים להתקדם בטמפרטורות מעל 70 מעלות צלזיוס, שכן אנזימים, כמו כל החלבונים, נתונים לדנטורציה תרמית (הרס מבני).

גדלים של אנזימים והמבנה שלהם

המשקל המולקולרי של אנזימים, כמו כל שאר החלבונים, נע בטווח של 10,000 - 1 מיליון (אבל זה יכול להיות יותר). הם עשויים להיות מורכבים משרשרת פוליפפטיד אחת או יותר ועשויים להיות חלבונים מורכבים. הרכבם של האחרונים, יחד עם מרכיב החלבון (אפואנזים), כולל תרכובות במשקל מולקולרי נמוך - קו-אנזימים (קו-פקטורים, קו-אנזימים), לרבות יוני מתכת, נוקלאוטידים, ויטמינים ונגזרותיהם. חלק מהאנזימים נוצרים בצורה של מבשרים לא פעילים (פרו-אנזימים) והופכים לפעילים לאחר שינויים מסוימים במבנה המולקולה, למשל לאחר שקטע קטן נבקע ממנה. אלה כוללים את אנזימי העיכול טריפסין וכימוטריפסין, אשר מסונתזים על ידי תאי הלבלב בצורה של מבשרים לא פעילים (טריפסינוגן וכימוטריפסינוגן) ורוכשים פעילות במעי הדק כחלק ממיץ הלבלב. אנזימים רבים יוצרים מה שנקרא קומפלקסים אנזים. קומפלקסים כאלה, למשל, משובצים בממברנות התא או באברוני התא ומעורבים בהובלת חומרים.

החומר (הסובסטרט) העובר טרנספורמציה נקשר לאתר מסוים של האנזים, ago active center, שנוצר על ידי שרשראות צד של חומצות אמינו, הממוקמות לרוב בחלקים של שרשרת הפוליפפטיד המרוחקים זה מזה באופן משמעותי. לדוגמה, המרכז הפעיל של מולקולת הכימוטריפסין נוצר משאריות היסטידין הממוקמות בשרשרת הפוליפפטיד בעמדה 57, סרין בעמדה 195 וחומצה אספרטית בעמדה 102 (יש 245 חומצות אמינו במולקולת הכימוטריפסין). כך, ההנחת המורכבת של שרשרת הפוליפפטיד במולקולת החלבון - האנזים מספק הזדמנות למספר שרשראות צד של חומצות אמינו להיות במקום מוגדר בהחלט ובמרחק מסוים זו מזו. גם קו-אנזימים הם חלק מהמרכז הפעיל (לחלק החלבון ולמרכיב שאינו חלבוני בנפרד אין פעילות אנזימטית ורוכשים תכונות של אנזים רק בשילובם יחד).

מהלך התהליכים הכוללים אנזימים

רוב האנזימים מאופיינים בספציפיות גבוהה (סלקטיביות) של פעולה, כאשר ההמרה של כל מגיב (סובסטרט) לתוצר תגובה מתבצעת על ידי אנזים מיוחד. במקרה זה, פעולת האנזים יכולה להיות מוגבלת בהחלט למצע אחד. למשל, האנזים אוריאה, המעורב בפירוק של אוריאה לאמוניה ופחמן דו חמצני, אינו מגיב למתילאוריאה הדומה במבנהו. אנזימים רבים פועלים על מספר תרכובות הקשורות מבחינה מבנית או על סוג אחד של קשר כימי (לדוגמה, האנזים פוספטאז המבקע קשר פוספודיסטר). האנזים מבצע את פעולתו באמצעות יצירת קומפלקס אנזים-סובסטרט, אשר לאחר מכן מתפרק ליצירת תוצרים של התגובה האנזימטית ומשחרר את האנזים. כתוצאה מהיווצרות קומפלקס אנזים-סובסטרט, המצע משנה את תצורתו; במקרה זה, הקשר האנזים-כימי המומר נחלש והתגובה ממשיכה עם הוצאת אנרגיה ראשונית נמוכה יותר, וכתוצאה מכך, בקצב גבוה בהרבה. מדד לקצב תגובה אנזימטית הוא כמות המצע שעבר טרנספורמציה ליחידת זמן, או כמות התוצר שנוצר. תגובות אנזימטיות רבות, בהתאם לריכוז המצע ותוצר התגובה בתווך, יכולות להתנהל הן בכיוון קדימה והן בכיוון ההפוך (עודף המצע מסיט את התגובה לכיוון היווצרות המוצר, בעוד שתגרום להצטברות מוגזמת של האחרון. בסינתזה של המצע). המשמעות היא שתגובות אנזימטיות יכולות להיות הפיכות. לדוגמה, פחמן אנהידראז בדם הופך פחמן דו חמצני המגיע מהרקמות לחומצה פחמנית (H2CO3), בעוד שבריאות, להיפך, הוא מזרז את הפיכת החומצה הפחמית למים ופחמן דו חמצני, אשר מוסר בנשיפה. עם זאת, יש לזכור כי אנזימים, כמו זרזים אחרים, אינם יכולים לשנות את שיווי המשקל התרמודינמי של תגובה כימית, אלא רק להאיץ באופן משמעותי את השגת שיווי המשקל הזה.

מינוח של שמות אנזימים

כשנותנים שם לאנזים ca, שם המצע נלקח כבסיס ומוסיפים את הסיומת "אזה". אז, במיוחד, הופיעו פרוטאינזים - אנזימים המפרקים חלבונים (חלבונים), ליפאז (מפרקים שומנים, או שומנים) וכו'. אנזימים מסוימים קיבלו שמות מיוחדים (טריוויאליים), למשל, אנזימי עיכול - פפסין, כימוטריפסין וטריפסין.

בתאי הגוף מתרחשות כמה אלפי תגובות מטבוליות שונות, וכתוצאה מכך, ישנם אנזימים רבים. על מנת להכניס מגוון כזה למערכת, אומץ הסכם בינלאומי על סיווג אנזימים. בהתאם למערכת זו, כל האנזימים, בהתאם לסוג התגובות שהם מזרזים, חולקו לשש מחלקות עיקריות, שכל אחת מהן כוללת מספר תת מחלקות. בנוסף, כל אנזים קיבל מספר קוד בן ארבע ספרות (צופן) ושם המציין את התגובה שהאנזים הזה מזרז. אנזימים המזרזים את אותה תגובה באורגניזמים ממינים שונים יכולים להיות שונים באופן משמעותי במבנה החלבון שלהם, אך במינוח יש להם שם משותף ומספר קוד אחד.

מחלות הקשורות לייצור פגום של אנזימים

היעדר או ירידה בפעילות של כל אנזים (לעתים קרובות פעילות מוגזמת) בבני אדם מובילה להתפתחות מחלות (אנזימופטיות) או למוות של האורגניזם. אז, המחלה התורשתית של ילדים - גלקטוזמיה (מובילה לפיגור שכלי) - מתפתחת כתוצאה מהפרה של הסינתזה של האנזים האחראי להמרה של גלקטוז לגלוקוז קל לעיכול. הגורם למחלה תורשתית נוספת - פנילקטונוריה, המלווה בהפרעה נפשית, הוא איבוד של תאי הכבד של היכולת לסנתז אנזים המזרז את הפיכת חומצת האמינו פנילאלנין לטירוזין. קביעת פעילותם של אנזימים רבים בדם, שתן, חוט שדרה, נוזלי זרע ונוזלי גוף אחרים משמשת לאבחון מספר מחלות. בעזרת ניתוח כזה של סרום הדם, ניתן לזהות אוטם שריר הלב, דלקת כבד נגיפית, דלקת הלבלב, דלקת כליות ומחלות אחרות בשלב מוקדם.

שימוש אנושי באנזימים

מאחר שהאנזימים שומרים על תכונותיהם מחוץ לגוף, הם משמשים בהצלחה בתעשיות שונות. לדוגמה, אנזים פרוטאוליטי פפאיה (ממיץ פפאיה) - בבישול, לריכוך בשר; פפסין - בייצור של דגנים "מוכנים" וכתרופה; טריפסין - בייצור מוצרים למזון תינוקות; רנין (רנין מקיבה של עגל) - בייצור גבינה. קטלאז נמצא בשימוש נרחב בתעשיית המזון והגומי, וצלולאז ופקטידאז, המפרקים פוליסכרידים, משמשים להבהרת מיצי פירות. אנזימים נחוצים בעת ביסוס המבנה של חלבונים, חומצות גרעין ופוליסכרידים, בהנדסה גנטית ועוד. בעזרת אנזימים מתקבלות תרופות ותרכובות כימיות מורכבות.

התגלתה היכולת של צורות מסוימות של חומצות ריבו-נוקלאיות (ריבוזימים) לזרז תגובות בודדות, כלומר לפעול כאנזימים. אולי, במהלך האבולוציה של העולם האורגני, ריבוזימים שימשו כזרזים ביולוגיים לפני שהפונקציה האנזימטית הועברה לחלבונים המותאמים יותר לבצע משימה זו.

מטבוליזם (מיוונית μεταβολή - "טרנספורמציה, שינוי"), או מטבוליזם - קבוצה של תגובות כימיות המתרחשות באורגניזם חי כדי לשמור על חיים. תהליכים אלו מאפשרים לאורגניזמים לגדול ולהתרבות, לשמור על המבנים שלהם ולהגיב לגירויים סביבתיים. חילוף החומרים מתחלק בדרך כלל לשני שלבים: במהלך הקטבוליזם, חומרים אורגניים מורכבים מתכלים לפשוטים יותר; בתהליכים של אנבוליזם עם עלויות אנרגיה, מסונתזים חומרים כמו חלבונים, סוכרים, שומנים וחומצות גרעין. חילופי החומרים מתרחשים בין תאי הגוף לנוזל הבין-תאי, אשר קביעות הרכבו נשמרת על ידי זרימת הדם: במהלך מעבר הדם בנימים דרך הקירות החדירים של הנימים, פלזמת הדם לחלוטין חודש בנוזל הביניים 40 פעמים. לאנזימים תפקיד חשוב בתהליכים מטבוליים מכיוון: ----- פועלים כזרזים ביולוגיים ומפחיתים את אנרגיית ההפעלה של תגובה כימית; ----- לאפשר ויסות של מסלולים מטבוליים בתגובה לשינויים בסביבת התא או לאותות של תאים אחרים. ~~~~~~~~~~~ קטבוליזם (מיוונית καταβολή, "צניחה, הרס") או מטבוליזם אנרגיה הוא תהליך של ריקבון מטבולי, פירוק לחומרים פשוטים יותר (בידול) או חמצון של חומר, המתרחש בדרך כלל עם שחרור אנרגיה בצורת חום ובצורת ATP. תגובות קטבוליות עומדות בבסיס ההתפכחות: אובדן של חומרים מורכבים בספציפיות שלהם לאורגניזם נתון כתוצאה מהתפרקות לפשוטים יותר. דוגמאות: הפיכת אתנול דרך שלבי האצטאלדהיד (אתנל) וחומצה אצטית (חומצה אתנואית) לפחמן דו חמצני ומים, או תהליך הגליקוליזה - הפיכת גלוקוז לחומצה לקטית או חומצה פירובית ולאחר מכן במחזור הנשימה - שוב לתוך פחמן דו חמצני ומים. ~~~~~~~~~~~ אנבוליזם (מיוונית ἀναβολή, "עלייה") או חילוף חומרים פלסטי - מכלול תהליכים כימיים המרכיבים את אחד הצדדים של חילוף החומרים בגוף, שמטרתם היווצרות של תאים ורקמות. אנבוליזם קשור זה בזה לתהליך ההפוך - קטבוליזם, שכן ניתן לעשות שימוש חוזר בתוצרי הריקבון של תרכובות שונות במהלך אנבוליזם, וליצור חומרים חדשים בשילובים אחרים. לתהליכי האנבוליזם המתרחשים בצמחים ירוקים עם ספיגת אנרגיית השמש יש חשיבות רבה לשמירה על החיים ברמה הפלנטרית, וממלאים תפקיד מכריע בסינתזה של חומרים אורגניים מאלו-אורגניים. אנבוליזם כולל תהליכי סינתזה של חומצות אמינו, חד סוכרים, חומצות שומן, נוקלאוטידים, פוליסכרידים, מקרומולקולות חלבון, חומצות גרעין, ATP. מהחומרים התזונתיים הנכנסים לתא בנויים חלבונים, שומנים, פחמימות האופייניות לגוף, אשר, בתורם, הולכים ליצירת תאים חדשים, איבריהם וחומר בין-תאי. ~~~~~~~~~~~~ הטמעה - קבוצה של תהליכי אנבוליזם (ביוסינתזה) באורגניזם חי, שבמהלכם נכללים חומרים שונים בהרכבו. סינתזה של תרכובות מקרומולקולריות (חלבונים, חומצות גרעין, פוליסכרידים, שומנים). בלתי אפשרי בלי אנרגיה. חומרים פשוטים (מורכבים מפורקים בתחילה לפשוטים), שאינם ספציפיים לכל אורגניזם, הופכים לתרכובות מורכבות האופייניות לסוג זה של תרכובות (מוטמעות).

הוראה

הרכב התאים כולל את התרכובות הכימיות הבאות: אורגניות (חלבונים, פחמימות, שומנים וחומצות גרעין), אנאורגניות (מים, מלחים). מים בתאים יכולים להיות עד 80%, הם נחוצים לכל תהליכי החיים ומהווים ממס טוב. זה המקום שבו מתרחשות אינטראקציות כימיות. כמו כן, מים עוזרים להסיר את תוצרי הפירוק הנוצרים כתוצאה מתגובות מתמשכות. התכונות החיוניות העיקריות של התא הן: ביוסינתזה, פירוק של תרכובות אורגניות, עוררות, צמיחה, רבייה, חילוף חומרים.

חילוף החומרים בתא מתרחש באופן הבא. חומרים מזינים, מים, חמצן, ויטמינים ומלחי מינרלים נכנסים לגוף מהסביבה. הם נדרשים לבנייה, עדכון האלמנטים המבניים של תאים, כמו גם להיווצרות אנרגיה, המספקת תהליכי חיים. שומנים, חלבונים, פחמימות, יסודות קורט וויטמינים המתקבלים מבחוץ משמשים לסינתזה של חומרים הנחוצים לתאים ולבניית מבנים תאיים. תוצרי הריקבון מוסרים דרך הממברנה לתוך נוזל הרקמה.

מטבוליזם הוא שני תהליכים: הטמעה ופיסול. הטמעה היא קבוצה של תגובות ליצירת מולקולות אורגניות מורכבות מאלו פשוטות יותר, המתמשכות עם צבירת אנרגיה. התפזרות היא קבוצה של תגובות של פירוק של חומרים אורגניים מורכבים לחומרים פשוטים יותר, היא מלווה בשחרור אנרגיה. התפזרות והטמעה קשורות זו בזו, שכן סינתזה של חומרים אינה אפשרית ללא הוצאת אנרגיה המשתחררת במהלך פירוק מולקולות אורגניות מורכבות. חוסר איזון בין תהליכים אלו מוביל להפרעה מטבולית.

תגובות מטבוליות בתא חי מתרחשות בטמפרטורה מתונה, תנודות קטנות בחומציות ולחץ תקין. אנזימים הממלאים את התפקיד של זרזים לוקחים חלק בחילוף החומרים. פעילות האנזים גבוהה מאוד, ולכן נדרשת כמות קטנה של מולקולות של חומרים אלו כדי להבטיח קצב חילוף חומרים תקין. עם זאת, הם פועלים באופן סלקטיבי, כתוצאה מכך, התא זקוק לסוגים רבים של אנזימים.

במהלך ריקבון של חומרים אורגניים משתחררת אנרגיה שחלקה אובדת וחלקה מאוחסנת בתאים בצורה של מולקולות ATP (אדנוזין טריפוספט). במידת הצורך, האנרגיה של ATP משמשת לעלויות האנרגיה של התאים, בפרט לתהליך ההטמעה. חומר הבניין העיקרי ומקור האנרגיה היחיד לגוף הם חומרי מזון אורגניים. מכיוון שהחומרים התזונתיים ומוצרי הפסולת של התא נכנסים לדם, לחילוף החומרים יש השפעה רבה על מצבו ועל האורגניזם כולו בכללותו.

התא מחליף כל הזמן חומרים ואנרגיה עם הסביבה. חילוף חומרים (מטבוליזם)- המאפיין העיקרי של אורגניזמים חיים. ברמת התא, חילוף החומרים כולל שני תהליכים: הטמעה (אנבוליזם) והתפזרות (קטבוליזם). תהליכים אלו מתרחשים במקביל בתא.

הַטמָעָה(חילופי פלסטיק) - קבוצה של תגובות של סינתזה ביולוגית. מחומרים פשוטים הנכנסים לתא מבחוץ נוצרים חומרים האופייניים לתא זה. סינתזה של חומרים בתא מתרחשת באמצעות האנרגיה הכלולה במולקולות ה-ATP.

התפכחות(מטבוליזם אנרגיה) - קבוצה של תגובות של חומרים מתפצלים. במהלך פירוק תרכובות מקרומולקולריות, משתחררת האנרגיה הדרושה לתגובות ביוסינתזה.

על פי סוג ההטמעה, אורגניזמים יכולים להיות אוטוטרופיים, הטרוטרופיים ומיקסוטרופים.

הטמעה אוטוטרופית

אורגניזמים אוטוטרופיים מסוגלים לסנתז חומרים אורגניים מחומרים אנאורגניים (CO 2 ו H 2 O). אלה כוללים צמחים ירוקים ומיקרואורגניזמים. בהתאם למקור האנרגיה המשמש אורגניזמים אוטוטרופיים לסינתזה של חומרים אורגניים, הם מחולקים לשתי קבוצות: פוטוטרופים וכימוטרופים.

פוטוסינתזה

צמחים ירוקים הם פוטטרופים. לצורך הטמעה הם משתמשים באנרגיה המשתחררת במהלך החמצון של חומרים אנאורגניים. לצמחים ירוקים יש כלורופיל בכלורופלסטים שלהם. פוטוסינתזה מתרחשת בהשתתפות כלורופיל. פוטוסינתזה היא תהליך המרת אנרגיית השמש לאנרגיה פוטנציאלית של קשרים כימיים בחומרים אורגניים. פוטוסינתזה מורכבת משני שלבים: אור וחושך.

שלב קל.בפעולת האור, מולקולת הכלורופיל, הממוקמת בגרגרי הכלורופלסט, מקבלת עודף אנרגיה. חלק מהאנרגיה הזו הולך לפיצול (פוטוליזה) של מולקולת המים.

יוני מימן מחברים אלקטרון לעצמם, הופכים לאטום מימן חופשי.

מימן H משמש לשחזור הנשא NADP + (ניקוטינאמיד אדנין דינוקלאוטיד פוספט).

NADP? H עובר לסטרומה של הכלורופלסט, שם הוא משתתף בסינתזה של פחמימות.

OH - יונים, לאחר שתרמו אלקטרון, הופכים לרדיקלים חופשיים, המקיימים אינטראקציה זה עם זה, יוצרים מים וחמצן חופשי.

החלק השני של האנרגיה משמש לסנתז ATP מ-ADP.

בשלב האור של הפוטוסינתזה נוצרים: 1) חומר עשיר בקשרי אנרגיה - ATP; 2) חמצן חופשי - O 2; 3) H (מימן) מחובר לנשא, נוצר NADP? נ.

התגובות של שלב האור נמשכות ללא השתתפות של אנזימים.

שלב חשוך.בשלב החשוך, מתרחשת קישור CO 2. התגובות של השלב האפל כוללות מולקולות ATP ואטומי מימן שנוצרו במהלך הפוטוליזה וקשורים למולקולות נשא. התגובות של שלב זה מתרחשות בסטרומה של כלורופלסטים בהשתתפות אנזימים.

המולקולות של חד סוכר - גלוקוז, המתקבלות כתוצאה מהשלב האפל של הפוטוסינתזה, הופכות לפוליסכרידים באמצעות סדרה של תגובות אנזימטיות. אז האנרגיה של אור השמש מומרת לאנרגיה של קשרים כימיים של חומרים אורגניים מורכבים.

תגובה כוללת של פוטוסינתזה:

פוטוסינתזה מייצרת חומר אורגני וחמצן באטמוספרה.

כימוסינתזה

סינתזה של חומרים אורגניים בחיידקים אוטוטרופיים מתרחשת עם שימוש באנרגיה המשתחררת במהלך תגובות כימיות של חמצון של תרכובות אנאורגניות: מימן גופרתי, גופרית, אמוניה, חומצה חנקתית. תהליך זה נקרא כימוסינתזה.

חיידקים מחנקים שייכים לקבוצת האוטוטרופים הכימוסינתטיים. קבוצה אחת של חיידקים משיגה את האנרגיה הדרושה לסינתזה של חומרים אורגניים כתוצאה מחמצון אמוניה לחומצה חנקנית.

לחיידקים כימוסינתטיים תפקיד חשוב במחזור החומרים בטבע.

הטמעה הטרוטרופית

הטרוטרופיאורגניזמים בונים את החומרים האורגניים של גופם מהחומרים האורגניים המוכנים שכבר קיימים. ההטרוטרופים כוללים בעלי חיים, פטריות וכמה חיידקים.

אורגניזמים הטרוטרופיים מסוגלים לבנות את החלבונים הספציפיים שלהם, שומנים, פחמימות רק מחלבונים, שומנים, פחמימות.

דב, שהם מקבלים באוכל. במהלך העיכול חומרים אלו מתפרקים למונומרים. ממונומרים בתאים מסונתזים חומרים האופייניים לאורגניזם נתון. כל התגובות הללו מתרחשות בהשתתפות אנזימים ושימוש באנרגיה של ATP.

תכנית הטרנספורמציה של חומרים באורגניזם הטרוטרופי

הטמעה מיקסוטרפית

מיקסוטרופיאורגניזמים (למשל, יוגלנה ירוקה) מכילים את הפיגמנט כלורופיל ולכן יכולים להיות אוטוטרופים.בהעדר אור, הם הופכים הטרוטרופים.

התפכחות

על פי סוג ההתפזרות, אורגניזמים מחולקים ל אירוביו אנאירובי.

בגוף האדם, בבעלי החיים וברוב המיקרואורגניזמים, אנרגיה נוצרת כתוצאה מתגובות קטבוליזם במהלך נְשִׁימָהאוֹ תְסִיסָה.אנרגיה זו עוברת לצורה מיוחדת - האנרגיה של קשרים מאקרו-אירגיים של מולקולות ATP. עם השימוש באנרגיית ATP מתרחשים ביוסינתזה, חלוקת תאים, התכווצות שרירים ותהליכים נוספים. סינתזת ATP מתבצעת במיטוכונדריה.

פיזור אירובי

החלפת אנרגיה מתבצעת ב-3 שלבים. שלב ראשון - מֵכִין.

בשלב זה, המולקולות של חומרים מורכבים (חלבונים, שומנים, פחמימות, חומצות גרעין) מתפרקות למונומרים. משתחררת כמות קטנה של אנרגיה, שמתפזרת כחום. סינתזת ATP אינה מתרחשת.

שלב שני - אנוקסית (אנאירובית).

ריקבון אנוקסי מתרחש בציטופלזמה של תאים. המונומרים הנוצרים בשלב הראשון מפוצלים ללא השתתפות חמצן, במספר שלבים. מחשוף מתרחש תחת פעולת אנזימים עם היווצרות אנרגיית ATP. לדוגמה, בשרירים (בציטופלזמה של תאים), מולקולת גלוקוז מתפרקת לשתי מולקולות של חומצת חלב ושתי מולקולות של ATP.

שלב 3 - פירוק חמצן (נשימה אירובית).

כל התגובות בשלב זה מזורזות על ידי אנזימים ומתרחשות בהשתתפות חמצן במיטוכונדריה. חומרים שנוצרו בשלב הקודם מתחמצנים לתוצרים סופיים - CO 2 ו H 2 O.

זה משחרר כמות גדולה של אנרגיה.

תהליך זה נקרא נשימה תאית.כאשר מתחמצנות שתי מולקולות חומצת חלב נוצרות 36 מולקולות ATP. כתוצאה מהשלב השני והשלישי, במהלך הפיצול של מולקולת C 6 H 12 O 6 אחת, משתחררות 38 מולקולות ATP.

משוואת סיכום:

פיזור אנאירובי

פירוק הגלוקוז ב אנאירוביחיידקים יכולים לעבור בתנאים אנוקסיים. תהליך זה נקרא תְסִיסָה.במהלך התסיסה לא משתחררת כל האנרגיה הכלולה בחומר, אלא רק חלק ממנה. שאר האנרגיה נשארת בקשרים כימיים בחומר שנוצר.

תסיסה אלכוהולית מייצרת אלכוהול ושתי מולקולות

ATP.

כך, במהלך פירוק הגלוקוז בתנאים אירוביים משתחררת כל האנרגיה והפירוק עובר לתוצרים הסופיים (CO 2 ו- H 2 O), בעוד שבזמן התסיסה משתחרר חלק מהאנרגיה והפירוק עובר לתגובת ביניים מוצרים.