Kas yra medžiagų apykaita?

Niekada nesusimąstėme, kodėl vieni valgo viską (nepamirštant bandelių ir konditerijos gaminių), o atrodo tarsi nevalgę kelias dienas, o kiti, atvirkščiai, nuolat skaičiuoja kalorijas, laikosi dietų, lanko treniruoklių salę ir vis tiek negali susitvarkyti su papildomais kilogramais. Taigi kokia paslaptis? Pasirodo, viskas dėl medžiagų apykaitos!

Taigi, kas yra medžiagų apykaita? Ir kodėl žmonės, kurių medžiagų apykaita yra greita, niekada nenutukę ar antsvorio? Kalbant apie medžiagų apykaitą, svarbu atkreipti dėmesį į tai, kad tai yra medžiagų apykaita, vykstanti organizme ir visi cheminiai pokyčiai, pradedant nuo maistinių medžiagų patekimo į organizmą iki tol, kol jos iš organizmo pasišalina į išorinę aplinką. Medžiagų apykaitos procesas – tai visos organizme vykstančios reakcijos, kurių dėka statomi struktūrinių audinių elementai, ląstelės, taip pat visi tie procesai, kurių dėka organizmas gauna tiek energijos, kurios jam reikia normaliai priežiūrai.

Didelę reikšmę mūsų gyvenime turi medžiagų apykaita, nes visų šių reakcijų ir cheminių pokyčių dėka iš maisto gauname viską, ko mums reikia: riebalų, angliavandenių, baltymų, taip pat vitaminų, mineralų, amino rūgščių, naudingų skaidulų, organinių rūgščių ir kt.

Pagal savo savybes medžiagų apykaitą galima suskirstyti į dvi pagrindines dalis – anabolizmą ir katabolizmą, tai yra į procesus, kurie prisideda prie visų reikalingų organinių medžiagų susidarymo ir į destruktyvius procesus. Būtent, anaboliniai procesai prisideda prie paprastų molekulių „virtimo“ į sudėtingesnes. Ir visi šie duomenų procesai yra susiję su energijos sąnaudomis. Kataboliniai procesai, priešingai, atpalaiduoja organizmą nuo galutinių skilimo produktų, tokių kaip anglies dioksidas, karbamidas, vanduo ir amoniakas, todėl išsiskiria energija, tai yra, grubiai tariant, vyksta šlapimo apykaita.

Kas yra ląstelių metabolizmas?

Kas yra ląstelių metabolizmas arba gyvų ląstelių metabolizmas? Gerai žinoma, kad kiekviena gyva mūsų kūno ląstelė yra gerai koordinuota ir organizuota sistema. Ląstelėje yra įvairių struktūrų, didelių makromolekulių, kurios padeda jai suskaidyti dėl hidrolizės (tai yra ląstelės skilimo veikiant vandeniui) į smulkiausius komponentus.

Be to, ląstelėse yra daug kalio ir labai mažai natrio, nepaisant to, kad ląstelių aplinkoje yra daug natrio, o kalio, atvirkščiai, yra daug mažiau. Be to, ląstelės membrana suprojektuota taip, kad padėtų prasiskverbti tiek natriui, tiek kaliui. Deja, įvairios struktūros ir fermentai gali sunaikinti šią nusistovėjusią struktūrą.

O pati ląstelė toli gražu nėra kalio ir natrio santykis. Tokia „harmonija“ pasiekiama tik po žmogaus mirties mirtingojo autolizės procese, tai yra, virškinant ar skaidant kūną veikiant jo paties fermentams.

Kas yra energija ląstelėms?

Visų pirma, ląstelėms tiesiog reikia energijos, kad palaikytų sistemos, kuri toli gražu nėra pusiausvyra, darbą. Todėl, kad ląstelė būtų jai normalioje būsenoje (net jei ji toli nuo pusiausvyros), ji tikrai turi gauti jai reikalingos energijos. Ir ši taisyklė yra būtina sąlyga normaliam ląstelių funkcionavimui. Kartu su tuo vyksta ir kiti darbai, skirti sąveikai su aplinka.

Pavyzdžiui, jei raumenų ląstelėse, ar inkstų ląstelėse susitraukia, net pradeda formuotis šlapimas, arba nervinėse ląstelėse atsiranda nervinių impulsų, o ląstelėse, atsakingose už virškinamąjį traktą, prasideda virškinimo fermentų išsiskyrimas, ar endokrininių liaukų ląstelėse prasideda hormonų sekrecija? O gal, pavyzdžiui, ugniagesių ląstelės pradėjo švytėti, o, pavyzdžiui, žuvų ląstelėse atsirado elektros iškrovos? Norint viso to išvengti, tam reikia energijos.

Kokie yra energijos šaltiniai

Aukščiau pateiktuose pavyzdžiuose matome Kad ląstelė savo darbui naudoja energiją, gautą dėl adenozino trifosfato arba (ATP) struktūros. Jo dėka ląstelė yra prisotinta energijos, kurios išsiskyrimas gali tekėti tarp fosfatų grupių ir tarnauti kaip tolesnis darbas. Tačiau tuo pačiu metu, paprasčiausiai hidroliziškai nutraukus fosfato (ATP) ryšius, gauta energija ląstelei netaps prieinama, tokiu atveju energija bus švaistoma kaip šiluma.

Šis procesas susideda iš dviejų nuoseklių etapų. Kiekviename tokiame etape naudojamas tarpinis produktas, kuris žymimas HF. Žemiau pateiktose lygtyse X ir Y reiškia dvi visiškai skirtingas organines medžiagas, raidė F reiškia fosfatą, o santrumpa ADP reiškia adenozino difosfatą.

Metabolizmo normalizavimas – šis terminas šiandien tvirtai įžengė į mūsų gyvenimą, be to, tapo normalaus svorio rodikliu, nes medžiagų apykaitos sutrikimai organizme ar medžiagų apykaita dažnai siejami su svorio augimu, antsvoriu, nutukimu ar jo nepakankamumu. Metabolizmo pagrindu atliekamo testo dėka galima atskleisti medžiagų apykaitos procesų greitį organizme.

Kas yra pagrindiniai mainai?! Tai toks organizmo energijos gamybos intensyvumo rodiklis. Šis tyrimas atliekamas ryte tuščiu skrandžiu, pasyvumo metu, tai yra ramybės būsenoje. Kvalifikuotas asmuo matuoja (O2) deguonies pasisavinimą ir organizmo išsiskyrimą (CO2). Lygindami duomenis jie išsiaiškina, kiek procentų organizmas sudegina gaunamų maistinių medžiagų.

Taip pat medžiagų apykaitos procesų veiklai įtakos turi hormoninė sistema, skydliaukės ir endokrininės liaukos, todėl, nustatydami su medžiagų apykaitos susijusių ligų gydymą, gydytojai stengiasi nustatyti ir atsižvelgti į šių hormonų darbo lygį kraujyje bei esamas šių sistemų ligas.

Pagrindiniai medžiagų apykaitos procesų tyrimo metodai

Tiriant vienos (bet kurios) maistinės medžiagos apykaitos procesus, stebimi visi jo pokyčiai (tai atsitiko) nuo vienos formos, kuri pateko į kūną, iki galutinės būsenos, kai ji pašalinama iš organizmo.

Metabolizmo tyrimo metodai šiandien yra labai įvairūs. Be to, tam naudojami keli biocheminiai metodai. Vienas iš medžiagų apykaitos tyrimo metodų yra gyvūnų naudojimo būdas arba organai.

Bandomajam gyvūnui suleidžiama speciali medžiaga, o vėliau pagal jo šlapimą ir ekskrementus nustatomi galimi šios medžiagos pakitimų produktai (metabolitai). Tiksliausią informaciją galima surinkti ištyrus konkretaus organo, pavyzdžiui, smegenų, kepenų ar širdies, medžiagų apykaitos procesus. Norėdami tai padaryti, ši medžiaga įšvirkščiama į kraują, o po to metabolitai padeda ją atpažinti iš šio organo išeinančiame kraujyje.

Ši procedūra yra labai sudėtinga ir kupina rizikos, nes dažnai su tokiais tyrimo metodais naudojamas metodas ploni skysčiai arba padaryti šių organų pjūvius. Tokios sekcijos dedamos į specialius inkubatorius, kur laikomos (panašioje į kūno temperatūrą) specialiose tirpiose medžiagose, pridedant medžiagos, kurios metabolizmas tiriamas.

Taikant šį tyrimo metodą, ląstelės nepažeidžiamos dėl to, kad pjūviai yra tokie ploni, kad medžiaga lengvai ir laisvai patenka į ląsteles, o paskui iš jų išeina. Pasitaiko, kad kyla sunkumų dėl lėto specialios medžiagos prasiskverbimo per ląstelių membranas.

Šiuo atveju paprastai sunaikinti membranas šlifuoti audinį, kad speciali medžiaga inkubuotų ląstelių košę. Tokie eksperimentai įrodė, kad visos gyvos organizmo ląstelės sugeba oksiduoti gliukozę iki anglies dioksido ir vandens, o karbamidą gali sintetinti tik kepenų audinių ląstelės.

Ar mes naudojame ląsteles?

Pagal savo struktūrą ląstelės yra labai sudėtinga organizuota sistema. Gerai žinoma, kad ląstelė susideda iš branduolio, citoplazmos, o aplinkinėje citoplazmoje yra nedideli kūneliai, vadinami organeliais. Jie būna įvairių dydžių ir tekstūrų.

Specialios technikos dėka bus galima homogenizuoti ląstelių audinius, o vėliau juos specialiai atskirti (diferencine centrifuga), taip išgaunant preparatus, kuriuose bus tik mitochondrijos, tik mikrosomos, taip pat plazma ar skaidrus skystis. Šie preparatai yra inkubuojami atskirai su junginiu, kurio metabolizmas yra tiriamas, siekiant tiksliai nustatyti, kurios tarpląstelinės struktūros yra susijusios su vėlesniais pokyčiais.

Buvo žinomi atvejai, kai pirminė reakcija prasidėjo citoplazmoje, o jos produktas pakito mikrosomose, o po to buvo stebimi pokyčiai su kitomis reakcijomis su mitochondrijomis. Tiriamos medžiagos inkubavimas su audinių homogenatu ar gyvomis ląstelėmis dažniausiai neatskleidžia jokių atskirų su metabolizmu susijusių žingsnių. Perprasti visą vykstančių įvykių duomenų grandinę padeda vienas po kito sekantys eksperimentai, kuriuose inkubacijai naudojamos tam tikros tarpląstelinės struktūros.

Kaip naudoti radioaktyviuosius izotopus

Norint ištirti tam tikrus medžiagos apykaitos procesus, būtina:

naudoti analitinius metodus nurodytai medžiagai ir jos metabolitams nustatyti;
būtina naudoti tokius metodus, kurie padėtų atskirti įvežtą medžiagą nuo tos pačios medžiagos, bet jau esančios šiame preparate.

Šių reikalavimų laikymasis buvo pagrindinė kliūtis tiriant medžiagų apykaitos procesus organizme iki tol, kol buvo atrasti radioaktyvieji izotopai, taip pat radioaktyvusis angliavandenis 14C. Atsiradus 14C ir prietaisams, leidžiantiems išmatuoti net silpną radioaktyvumą, visi minėti sunkumai baigėsi. Po to reikalai su medžiagų apykaitos procesų matavimu, kaip sakoma, pakilo į kalną.

Dabar, kai į specialų biologinį preparatą (pavyzdžiui, mitochondrijų suspensiją) dedama pažymėta 14C riebalų rūgštis, tada po to nereikia jokių specialių tyrimų, siekiant nustatyti produktus, turinčius įtakos jos transformacijai. O norint sužinoti panaudojimo greitį, dabar tapo įmanoma tiesiog išmatuoti nuosekliai gautų mitochondrijų frakcijų radioaktyvumą.

Ši technika padeda ne tik suprasti, kaip normalizuoti medžiagų apykaitą, bet ir jos dėka nesunku eksperimentiniu būdu atskirti įvestos radioaktyviosios riebalų rūgšties molekules nuo riebalų rūgščių molekulių, jau esančių mitochondrijose pačioje eksperimento pradžioje.

Elektroforezė ir ... chromatografija

Norint suprasti, kas ir kaip normalizuoja medžiagų apykaitą, tai yra, kaip normalizuojasi medžiagų apykaita, taip pat reikia naudoti metodus, kurie padėtų atskirti mišinius, kuriuose nedideliais kiekiais yra organinių medžiagų. Vienas iš svarbiausių šių metodų, paremtų adsorbcijos reiškiniu, yra chromatografijos metodas. Šio metodo dėka komponentų mišinys yra atskiriamas.

Tokiu atveju įvyksta mišinio komponentų atskyrimas, kuris atliekamas arba adsorbuojant ant sorbento, arba dėl popieriaus. Atskiriant adsorbuojant ant sorbento, tai yra, kai jie pradeda užpildyti tokius specialius stiklinius vamzdelius (kolonėles), palaipsniui ir vėlesniu eliuavimu, tai yra, vėliau išplaunant kiekvieną iš turimų komponentų.

Elektroforezės atskyrimo metodas tiesiogiai priklauso nuo požymių buvimo, taip pat nuo jonizuotų molekulių krūvių skaičiaus. Taip pat elektroforezė atliekama su kai kuriais neaktyviais nešikliais, tokiais kaip celiuliozė, guma, krakmolas arba, galiausiai, ant popieriaus.

Vienas jautriausių ir efektyviausių mišinio atskyrimo metodų yra dujų chromatografija. Šis atskyrimo būdas naudojamas tik tuo atveju, jei atskyrimui reikalingos medžiagos yra dujinės būsenos arba, pavyzdžiui, gali bet kada pereiti į tokią būseną.

Kaip išsiskiria fermentai?

Norėdami sužinoti, kaip išskiriami fermentai, reikia suprasti, kad tai paskutinė vieta šioje serijoje: gyvūnas, tada organas, tada audinių dalis, o tada dalis ląstelių organelių ir homogenatas užima fermentus, kurie katalizuoja tam tikrą cheminę reakciją. Išskirti fermentus išgryninta forma tapo svarbia medžiagų apykaitos procesų tyrimo kryptimi.

Pirmiau minėtų metodų ryšys ir derinys leido pasiekti pagrindinius metabolizmo kelius daugumoje mūsų planetoje gyvenančių organizmų, įskaitant žmones. Be to, šie metodai padėjo rasti atsakymus į klausimą, kaip vyksta medžiagų apykaitos procesai organizme, taip pat padėjo išsiaiškinti pagrindinių šių medžiagų apykaitos kelių etapų sisteminį pobūdį. Šiandien yra daugiau nei tūkstantis visų rūšių biocheminių reakcijų, kurios jau buvo ištirtos, taip pat fermentai, kurie dalyvauja šiose reakcijose.

Kadangi ATP yra būtinas bet kokiam pasireiškimui gyvybės ląstelėse, nenuostabu, kad medžiagų apykaitos procesų greitis riebalų ląstelėse pirmiausia yra skirtas ATP sintezei. Tam naudojamos skirtingo sudėtingumo viena po kitos einančios reakcijos. Tokiose reakcijose daugiausia naudojama cheminė potenciali energija, kuri yra riebalų (lipidų) ir angliavandenių molekulėse.

Metaboliniai procesai tarp angliavandenių ir lipidų

Toks apykaitos procesas tarp angliavandenių ir lipidų, kitaip vadinamas ATP sinteze, anaerobiniu (tai reiškia, kad nedalyvaujant deguoniui) metabolizmu.

Pagrindinis lipidų ir angliavandenių vaidmuo yra tas, kad būtent ATP sintezė suteikia paprastesnius junginius, nepaisant to, kad tie patys procesai vyko primityviausiose ląstelėse. Tik deguonies stokojančioje atmosferoje buvo neįmanoma visiškai oksiduoti riebalų ir angliavandenių iki anglies dioksido.

Net šiose primityviausiose ląstelėse buvo naudojami tie patys procesai ir mechanizmai, dėl kurių persitvarkė pati gliukozės molekulės struktūra, kuri susintetino nedidelius ATP kiekius. Kitu būdu tokie mikroorganizmuose vykstantys procesai vadinami fermentacija. Iki šiol ypač gerai ištirtas gliukozės „fermentavimas“ iki etilo alkoholio ir anglies dioksido būsenos mielėse.

Norint užbaigti visus šiuos pakeitimus ir sudaryti daugybę tarpinių produktų, reikėjo atlikti vienuolika iš eilės reakcijų, kurios galiausiai buvo pateiktos daugelyje tarpinių produktų (fosfatų), tai yra, fosforo rūgšties esteriuose. Ši fosfatų grupė buvo perkelta į adenozino difosfatą (ADP), taip pat susidarant ATP. Tik dvi molekulės sudarė grynąją ATP išeigą (kiekvienai fermentacijos proceso metu susidariusiai gliukozės molekulei). Panašūs procesai buvo stebimi ir visose gyvose kūno ląstelėse, nes jos tiekė normaliam funkcionavimui reikalingą energiją. Tokie procesai labai dažnai vadinami anaerobiniu ląstelių kvėpavimu, nors tai nėra visiškai teisinga.

Tiek žinduoliams, tiek žmonėms šis procesas vadinamas glikolize, o galutiniu jo produktu laikoma pieno rūgštis, o ne CO2 (anglies dioksidas) ar alkoholis. Išskyrus paskutinius du etapus, visa glikolizės reakcijų seka laikoma beveik identiška procesui, vykstančiam mielių ląstelėse.

Metabolizmas yra aerobinis, ty naudojant deguonį

Akivaizdu, kad atmosferoje atsiradus deguoniui, augalų fotosintezės dėka dėl motinos gamtos atsirado mechanizmas, kuris leido užtikrinti visišką gliukozės oksidaciją iki vandens ir CO2. Toks aerobinis procesas leido grynąjį ATP išsiskyrimą (iš trisdešimt aštuonių molekulių, kurių kiekviena gliukozės molekulė yra tik oksiduota).

Toks procesas, kai ląstelės naudoja deguonį, kad susidarytų daug energijos turintys junginiai, šiandien žinomas kaip aerobinis ląstelių kvėpavimas. Tokį kvėpavimą vykdo citoplazminiai fermentai (skirtingai nei anaerobinis kvėpavimas), o mitochondrijose vyksta oksidaciniai procesai.

Čia piruvo rūgštis, kuri yra tarpinė medžiaga, susidariusi anaerobinėje fazėje, oksiduojama iki CO2 būsenos per šešias reakcijas, kurių kiekvienoje reakcijoje jų elektronų pora perduodama į akceptorių, bendrą kofermentą nikotinamido adenino dinukleotidą, sutrumpintą (NAD). Ši reakcijų seka vadinama trikarboksirūgšties ciklu, taip pat citrinų rūgšties ciklu arba Krebso ciklu, dėl kurio kiekviena gliukozės molekulė sudaro dvi piruvo rūgšties molekules. Šios reakcijos metu dvylika elektronų porų nutolsta nuo gliukozės molekulės tolimesniam jos oksidavimui.

Energijos šaltinio eigoje veikia... lipidai

Pasirodo, riebalų rūgštys gali veikti kaip energijos šaltinis, taip pat ir angliavandeniai. Riebalų rūgščių oksidacijos reakcija atsiranda dėl dviejų anglies fragmento skilimo iš riebalų rūgšties (tiksliau, jos molekulės), kai atsiranda acetilkofermentas A (kitaip tariant, tai yra acetil-CoA) ir tuo pačiu metu perduodamos dvi elektronų poros į pačią jų perdavimo grandinę.

Taigi gautas acetil-CoA yra tas pats trikarboksirūgšties ciklo komponentas, kurio tolesnis likimas nelabai skiriasi nuo acetil-CoA, kuris tiekiamas per angliavandenių apykaitą. Tai reiškia, kad mechanizmai, kurie sintetina ATP tiek gliukozės metabolitų, tiek riebalų rūgščių oksidacijos metu, yra beveik identiški.

Jei organizmui tiekiama energija gaunama praktiškai tik dėl vieno riebalų rūgščių oksidacijos proceso (pavyzdžiui, badaujant, sergant tokia liga kaip diabetas ir pan.), tai šiuo atveju acetil-CoA atsiradimo intensyvumas viršys jo oksidacijos intensyvumą pačiame trikarboksirūgšties cikle. Tokiu atveju acetil-CoA molekulės (kurios bus nereikalingos) pradės reaguoti viena su kita. Šio proceso metu atsiras acetoacto ir b-hidroksisviesto rūgštys. Šis kaupimasis gali sukelti ketozę – acidozės tipą, galintį sukelti sunkų diabetą ir net mirtį.

Kodėl energijos atsargos?

Norint kažkaip gauti papildomos energijos atsargos, pavyzdžiui, gyvūnams, kurie maitinasi nereguliariai ir nesistemingai, jiems tiesiog reikia kažkaip sukaupti reikiamos energijos. Toks energijos atsargos susidaro iš maisto atsargų,į kurią viskas tas pats riebalai ir angliavandeniai.

Pasirodo, riebalų rūgštys gali būti saugomos neutralių riebalų pavidalu, kurių yra tiek riebaliniame audinyje, tiek kepenyse . O angliavandeniai, dideliais kiekiais patekę į virškinamąjį traktą, pradeda hidrolizuotis į gliukozę ir kitus cukrus, kurie, patekę į kepenis, sintetinami į gliukozę. Ir tada iš gliukozės pradedamas sintetinti milžiniškas polimeras, sujungiant gliukozės likučius, taip pat skaidant vandens molekules.

Kartais liekamasis gliukozės kiekis glikogeno molekulėse siekia 30 000. O jei atsiranda energijos poreikis, tai glikogenas cheminės reakcijos metu vėl pradeda skaidytis į gliukozę, pastarosios produktas yra gliukozės fosfatas. Šis gliukozės fosfatas patenka į glikolizės procesą, kuris yra kelio, atsakingo už gliukozės oksidaciją, dalis. Gliukozės fosfatas taip pat gali patirti hidrolizės reakciją pačiose kepenyse, o taip susidariusi gliukozė kartu su krauju patenka į organizmo ląsteles.

Kaip vyksta angliavandenių sintezė iki lipidų?

Mėgstate angliavandenių maistą? Pasirodo, jei su maistu gaunamų angliavandenių kiekis vienu metu viršija leistiną normą, tokiu atveju angliavandeniai patenka į „rezervą“ glikogeno pavidalu, tai yra, angliavandenių perteklius maistas virsta riebalais. Pirmiausia iš gliukozės susidaro acetil-CoA, o vėliau jis pradedamas sintetinti ląstelės citoplazmoje ilgos grandinės riebalų rūgštims.

Šį „transformacijos“ procesą galima apibūdinti kaip normalų riebalų ląstelių oksidacinį procesą. Po to riebalų rūgštys pradeda kauptis trigliceridų pavidalu, tai yra neutralių riebalų, kurie nusėda (daugiausia probleminėse srityse) įvairiose kūno vietose.

Jei organizmui skubiai reikia energijos, į kraują pradeda patekti neutralūs hidrolizuojami riebalai, taip pat riebalų rūgštys. Čia jie prisotinami albumino ir globulino molekulėmis, tai yra plazmos baltymais, o vėliau pradeda absorbuoti kitos, labai skirtingos ląstelės. Gyvūnai neturi tokio mechanizmo, kuris galėtų sintetinti iš gliukozės ir riebalų rūgščių, bet augalai juos turi.

Azoto turinčių junginių sintezė

Gyvūnams aminorūgštys naudojamos ne tik kaip baltymų biosintezė, bet ir kaip pradinė medžiaga, paruošta tam tikrų azoto turinčių junginių sintezei. Aminorūgštis, tokia kaip tirozinas, tampa tokių hormonų kaip norepinefrinas ir adrenalinas pirmtaku. O glicerolis (paprasčiausia aminorūgštis) yra pradinė medžiaga purinų, kurie yra nukleino rūgšties dalis, taip pat porfirinų ir citochromų, biosintezei.

Nukleino rūgšties pirimidinų pirmtakas yra asparto rūgštis, o metionino grupė pradedama pernešti kreatino, sarkozino ir cholino sintezės metu. Nikotino rūgšties pirmtakas yra triptofanas, o iš valino (kuris susidaro augaluose) galima susintetinti tokį vitaminą kaip pantoteno rūgštis. Ir tai tik keli azoto turinčių junginių sintezės panaudojimo pavyzdžiai.

Kaip vyksta lipidų apykaita

Paprastai lipidai į organizmą patenka riebalų rūgščių trigliceridų pavidalu. Patekę į žarnyną, veikiami kasos gaminamų fermentų, jie pradeda hidrolizuoti. Čia jie vėl sintetinami kaip neutralūs riebalai, po to patenka arba į kepenis, arba į kraują, taip pat gali būti kaupiami kaip rezervas riebaliniame audinyje.

Jau minėjome, kad riebalų rūgštys taip pat gali būti persintetinamos iš anksčiau pasirodžiusių angliavandenių pirmtakų. Taip pat reikėtų pažymėti, kad, nepaisant to, kad gyvūnų ląstelėse vienu metu galima pastebėti vienos dvigubos jungties įtraukimą į ilgos grandinės riebalų rūgščių molekules. Šios ląstelės negali apimti antrosios ir net trečiosios dvigubos jungties.

O kadangi riebalų rūgštys su trimis ir dviem dvigubais ryšiais vaidina svarbų vaidmenį gyvūnų (taip pat ir žmonių) medžiagų apykaitos procesuose, savo esme jos yra svarbūs mitybos komponentai, galima sakyti, vitaminai. Štai kodėl linoleno (C18:3) ir linolo (C18:2) taip pat vadinamos nepakeičiamosiomis riebalų rūgštimis. Taip pat buvo nustatyta, kad ląstelėse dviguba ketvirtoji jungtis taip pat gali būti įtraukta į linoleno rūgštį. Dėl anglies grandinės pailgėjimo gali atsirasti dar vienas svarbus medžiagų apykaitos reakcijų dalyvis arachidono rūgštis ( S20:4).

Lipidų sintezės metu galima pastebėti riebalų rūgščių liekanas, kurios yra susijusios su kofermentu A. Sintezės metu šios liekanos perkeliamos į glicerolio ir fosforo rūgšties glicerofosfato esterį. Dėl šios reakcijos susidaro fosfatidinės rūgšties junginys, kuriame vienas iš jo junginių yra glicerolis, esterintas fosforo rūgštimi, o kiti du yra riebalų rūgštys.

Atsiradus neutraliems riebalams, fosforo rūgštis bus pašalinta hidrolizės būdu, o jos vietoje atsiras riebalų rūgštis, atsiradusi dėl cheminės reakcijos su acil-CoA. Pats kofermentas A gali būti gaunamas iš vieno iš pantoteno rūgšties vitaminų. Šioje molekulėje yra sulfhidrilo grupė, kuri reaguoja į rūgštis ir susidaro tioesteriai. Savo ruožtu fosfolipidinė fosfatido rūgštis reaguoja su azotinėmis bazėmis, tokiomis kaip serinas, cholinas ir etanolaminas.

Taigi, visus žinduolių organizme esančius steroidus (išskyrus vitaminą D) pats organizmas gali sintetinti savarankiškai.

Kaip vyksta baltymų apykaita?

Įrodyta, kad visose gyvose ląstelėse esantys baltymai susideda iš dvidešimt vieno tipo aminorūgščių, kurios susijungusios skirtingomis sekomis. Šias aminorūgštis sintetina organizmai. Tokia sintezė paprastai sukelia α-keto rūgšties atsiradimą. Būtent a-keto rūgštis arba a-ketoglutaro rūgštis dalyvauja azoto sintezėje.

Žmogaus organizmas, kaip ir daugelio gyvūnų organizmas, sugebėjo išlaikyti gebėjimą sintetinti visas turimas aminorūgštis (išskyrus kelias nepakeičiamas aminorūgštis), kurios turi būti tiekiamos su maistu.

Kaip vyksta baltymų sintezė

Šis procesas paprastai vyksta taip. Kiekviena ląstelės citoplazmoje esanti aminorūgštis reaguoja su ATP ir tada prisijungia prie galutinės ribonukleino rūgšties molekulės grupės, kuri yra specifinė šiai aminorūgščiai. Tada sudėtinga molekulė yra prijungta prie ribosomos, nustatytos labiau pailgėjusios ribonukleino rūgšties molekulės, kuri yra prijungta prie ribosomos, padėtyje.

Visoms sudėtingoms molekulėms išsirikiavus, atsiranda tarpas tarp aminorūgšties ir ribonukleino rūgšties, pradedama sintetinti gretimos aminorūgštys ir taip gaunamas baltymas. Metabolizmas normalizuojasi dėl harmoningos baltymų-angliavandenių-riebalų apykaitos procesų sintezės.

Taigi, kas yra organinė medžiagų apykaita?

Norint geriau suprasti ir suprasti medžiagų apykaitos procesus, taip pat atkurti sveikatą ir pagerinti medžiagų apykaitą, būtina laikytis šių rekomendacijų dėl medžiagų apykaitos normalizavimo ir atstatymo.

Svarbu suprasti, kad medžiagų apykaitos procesų negalima pakeisti. Medžiagų skilimas niekada nevyksta paprastu sintezės reakcijų keitimo keliu. Šiame skilime būtinai dalyvauja kiti fermentai, taip pat kai kurie tarpiniai produktai. Labai dažnai skirtingomis kryptimis nukreipti procesai pradeda vykti skirtinguose ląstelės skyriuose. Pavyzdžiui, riebalų rūgštys gali būti susintetintos ląstelės citoplazmoje, veikiant vienam tam tikram fermentų rinkiniui, o oksidacijos procesas mitochondrijose gali vykti naudojant visiškai skirtingą rinkinį.
Gyvose organizmo ląstelėse stebima pakankamai fermentų, kad paspartėtų medžiagų apykaitos reakcijų procesas, tačiau nepaisant to, medžiagų apykaitos procesai ne visada vyksta greitai, todėl tai rodo, kad mūsų ląstelėse egzistuoja tam tikri reguliavimo mechanizmai, kurie veikia medžiagų apykaitos procesus. Iki šiol kai kurie tokių mechanizmų tipai jau buvo atrasti.
Vienas iš veiksnių, turinčių įtakos tam tikros medžiagos apykaitos procesų greičio mažėjimui, yra šios medžiagos patekimas į pačią ląstelę. Todėl medžiagų apykaitos procesų reguliavimas gali būti nukreiptas į šį veiksnį. Pavyzdžiui, jei vartojame insuliną, kurio funkcija, kaip žinome, yra susijusi su gliukozės įsiskverbimo į visas ląsteles palengvinimu. Gliukozės „transformacijos“ greitis šiuo atveju priklausys nuo greičio, kuriuo ji atvyko. Jei atsižvelgsime į kalcį ir geležį, kai jie patenka į kraują iš žarnyno, tada metabolinių reakcijų greitis šiuo atveju priklausys nuo daugelio, įskaitant reguliavimo procesus.
Deja, ne visos medžiagos gali laisvai judėti iš vienos ląstelės skyriaus į kitą. Taip pat yra prielaida, kad tarpląstelinis pernešimas yra nuolat kontroliuojamas tam tikrų steroidinių hormonų.
Mokslininkai nustatė dviejų tipų servomechanizmus, kurie yra atsakingi už neigiamą grįžtamąjį ryšį medžiagų apykaitos procesuose.
Net bakterijose buvo pastebėti pavyzdžiai, įrodantys tam tikrų nuoseklių reakcijų buvimą. Pavyzdžiui, vieno iš fermentų biosintezė slopina aminorūgštis, kurios taip reikalingos šiai aminorūgščiai gauti.
Ištyrus atskirus metabolinių reakcijų atvejus, buvo nustatyta, kad fermentas, kurio biosintezė buvo paveikta, buvo atsakingas už pagrindinį metabolizmo kelio žingsnį, vedantį į aminorūgšties sintezę.
Svarbu suprasti, kad medžiagų apykaitos ir biosintezės procesuose dalyvauja nedaug statybinių blokų, kurių kiekvienas pradedamas naudoti daugelio junginių sintezei. Šie junginiai yra: acetilkofermentas A, glicinas, glicerofosfatas, karbamilfosfatas ir kt. Iš šių mažų komponentų susidaro sudėtingi ir įvairūs junginiai, kuriuos galima stebėti gyvuose organizmuose.
Labai retai paprasti organiniai junginiai tiesiogiai dalyvauja medžiagų apykaitos procesuose. Tokie junginiai, norėdami parodyti savo aktyvumą, turės prisijungti prie kai kurių junginių, kurie aktyviai dalyvauja medžiagų apykaitos procesuose, serijos. Pavyzdžiui, gliukozė gali pradėti oksidacinius procesus tik po to, kai ji esterinama fosforo rūgštimi, o dėl kitų vėlesnių pokyčių ją teks esterinti uridino difosfatu.
Jei atsižvelgsime į riebalų rūgštis, tai jos taip pat negali dalyvauti medžiagų apykaitos pokyčiuose, kol sudaro esterius su kofermentu A. Tuo pačiu metu bet kuris aktyvatorius yra susijęs su vienu iš nukleotidų, kurie yra ribonukleino rūgšties dalis arba susidaro iš kokio nors vitamino. Todėl tampa aišku, kodėl vitaminų mums reikia tik nedideliais kiekiais. Jas suvartoja kofermentai, kiekviena kofermento molekulė per visą savo gyvavimo laiką naudojama kelis kartus, priešingai nei maistinės medžiagos, kurių molekulės panaudojamos vieną kartą (pavyzdžiui, gliukozės molekulės).

Ir paskutinis! Baigdamas šią temą tikrai noriu pasakyti, kad pats terminas „metabolizmas“, jei anksčiau reiškė baltymų, angliavandenių ir riebalų sintezę organizme, dabar jis vartojamas kaip kelių tūkstančių fermentinių reakcijų, kurios gali atstovauti didžiuliam tarpusavyje susijusių medžiagų apykaitos takų tinklui, pavadinimas.

Susisiekus su

Metabolizmas. medžiagų apykaitos procesai.

Medžiagų ir energijos mainai (medžiagų apykaita) vyksta visuose kūno lygmenyse: ląstelėse, audiniuose ir organizme. Ji užtikrina vidinės organizmo aplinkos – homeostazės – pastovumą nuolat kintančiomis egzistavimo sąlygomis. Ląstelėje vienu metu vyksta du procesai – tai plastinė apykaita (anabolizmas arba asimiliacija) ir energijos apykaita (fatabolizmas arba disimiliacija).

Plastinis metabolizmas yra biosintezės reakcijų rinkinys arba sudėtingų molekulių kūrimas iš paprastų. Baltymai ląstelėje nuolat sintetinami iš aminorūgščių, riebalai iš glicerolio ir riebalų rūgščių, angliavandeniai iš monosacharidų, nukleotidai iš azotinių bazių ir cukrų. Šios reakcijos vyksta naudojant energiją. Sunaudota energija išsiskiria energijos mainų metu. Energijos apykaita – tai kompleksinių organinių junginių skaidymo į paprastesnes molekules reakcijų visuma. Dalis šiuo atveju išsiskiriančios energijos atitenka daug energijos turinčių ATP molekulių (adenozintrifosforo rūgšties) sintezei. Organinių medžiagų skaidymas vyksta citoplazmoje ir mitochondrijose dalyvaujant deguoniui. Asimiliacijos ir disimiliacijos reakcijos yra glaudžiai susijusios viena su kita ir su išorine aplinka. Organizmas maistines medžiagas gauna iš išorinės aplinkos. Atliekos išleidžiamos į išorinę aplinką.

Fermentai (fermentai) – tai specifiniai baltymai, biologiniai katalizatoriai, pagreitinantys medžiagų apykaitos reakcijas ląstelėje. Visi procesai gyvame organizme tiesiogiai arba netiesiogiai vykdomi dalyvaujant fermentams. Fermentas katalizuoja tik vieną reakciją arba veikia tik vieno tipo ryšį. Tai užtikrina tikslų visų gyvybinių procesų (kvėpavimo, virškinimo, fotosintezės ir kt.), vykstančių ląstelėje ar organizme, reguliavimą. Kiekvieno fermento molekulėje yra vieta, kuri kontaktuoja tarp fermento molekulių ir konkrečios medžiagos (substrato). Aktyvus fermento centras yra funkcinė grupė (pavyzdžiui, OH – serino grupė) arba atskira aminorūgštis.

Fermentinių reakcijų greitis priklauso nuo daugelio veiksnių: temperatūros, slėgio, terpės rūgštingumo, inhibitorių buvimo ir kt.

Energijos apykaitos etapai:

Parengiamasis– Atsiranda ląstelių citoplazmoje. Veikiant fermentams polisacharidai suskaidomi į monosacharidus (gliukozę, fruktozę ir kt.), riebalai – į glicerolį ir riebalų rūgštis, baltymai – į aminorūgštis, nukleino rūgštys – į nukleotidus. Taip išsiskiria nedidelis energijos kiekis, kuris išsklaido šilumos pavidalu.
anoksinis(anaerobinis kvėpavimas arba glikolizė) - daugiapakopis gliukozės skilimas nedalyvaujant deguoniui. Tai vadinama fermentacija. Raumenyse dėl anaerobinio kvėpavimo gliukozės molekulė skyla į dvi lyruvo rūgšties (C 3 H 4 O 3) molekules, kurios vėliau paverčiamos pieno rūgštimi (C 3 H 6 O 3). Fosforo rūgštis ir ADP dalyvauja skaidant gliukozę.
Bendra šio etapo lygtis: C 6 H 12 O 6 + 2H 3 RO 4 + 2ADP -> 2C 3 H 6 O 3 + 2ATP + 2H 2 O
Mielių grybuose gliukozės molekulė, nedalyvaujant deguoniui, paverčiama etilo alkoholiu ir anglies dioksidu (alkoholinė fermentacija). Kituose mikroorganizmuose glikolizė gali baigtis susidarant acetonui, acto rūgščiai ir pan.. Suyrus vienai gliukozės molekulei susidaro dvi ATP molekulės, kurių ryšiuose sukaupta 40 % energijos, likusi energija išsisklaido šilumos pavidalu.
Kvėpavimas deguonimi- aerobinio kvėpavimo arba deguonies, skilimo stadija, kuri vyksta ant vidinės mitochondrijų membranos raukšlių - cristae. Šiame etape ankstesnio etapo medžiagos suskaidomos iki galutinių skilimo produktų – vandens ir anglies dioksido. Dėl dviejų pieno rūgšties molekulių skilimo susidaro 36 ATP molekulės. Pagrindinė normalios deguonies skilimo eigos sąlyga yra mitochondrijų membranų vientisumas. Kvėpavimas deguonimi yra pagrindinis etapas aprūpinant ląstelę deguonimi. Jis yra 20 kartų efektyvesnis nei stadija be deguonies.
Bendra deguonies padalijimo lygtis: 2C 3 H 6 0 3 + 60 2 + 36H 3 PO 4 + 36ADP -> 6CO 2 + 38H 2 O + 36ATP

Pagal energijos gavimo būdą visi organizmai skirstomi į dvi grupes – autotrofinius ir heterotrofinius.

Energijos apykaita augalų, grybų ir gyvūnų aerobinėse ląstelėse vyksta taip pat. Tai liudija apie jų santykius. Mitochondrijų skaičius audinių ląstelėse yra skirtingas, tai priklauso nuo ląstelių funkcinio aktyvumo. Pavyzdžiui, raumenų ląstelėse yra daug mitochondrijų.

Riebalų skaidymą į glicerolį ir riebalų rūgštis atlieka fermentai – lipazės. Iš pradžių baltymai suskaidomi į oligopeptidus, o vėliau į aminorūgštis.

Fermentai (iš lot. „fermentum“ – fermentacija, raugas), fermentai, specifiniai baltymai, didinantys cheminių reakcijų greitį visų gyvų organizmų ląstelėse. Pagal cheminę prigimtį – baltymai, kurių aktyvumas optimalus esant tam tikram pH, būtinų kofermentų ir kofaktorių buvimas bei inhibitorių nebuvimas. Fermentai taip pat vadinami biokatalizatoriais pagal analogiją su katalizatoriais chemijoje. Kiekvienas fermento tipas katalizuoja tam tikrų medžiagų (substratų), kartais tik vienos medžiagos virsmą viena kryptimi. Todėl daugybę biocheminių reakcijų ląstelėse vykdo daugybė skirtingų fermentų. Jie skirstomi į 6 klases: oksidoreduktazės, transferazės, hidrolazės, liazės, izomerazės ir ligazės. Daugelis fermentų buvo išskirti iš gyvų ląstelių ir gauti kristalinės formos (pirmą kartą 1926 m.).

Fermentų vaidmuo organizme

Fermentai dalyvauja įgyvendinant visus medžiagų apykaitos procesus, įgyvendinant genetinę informaciją. Maistinių medžiagų virškinimas ir asimiliacija, baltymų, nukleorūgščių, riebalų, angliavandenių ir kitų junginių sintezė ir skaidymas visų organizmų ląstelėse ir audiniuose – visi šie procesai neįmanomi be fermentų dalyvavimo. Bet koks gyvo organizmo funkcijų pasireiškimas – kvėpavimas, raumenų susitraukimas, neuropsichinė veikla, dauginimasis ir kt. – užtikrinamas veikiant fermentams. Tam tikras funkcijas atliekančių ląstelių individualias savybes daugiausia lemia unikalus fermentų rinkinys, kurio gamyba yra genetiškai užprogramuota. Net vieno fermento nebuvimas ar koks nors jo trūkumas gali sukelti rimtų neigiamų pasekmių organizmui.

Katalizinės fermentų savybės

Fermentai yra aktyviausi tarp visų žinomų katalizatorių. Dauguma reakcijų ląstelėje vyksta milijonus ir milijardus kartų greičiau nei tuo atveju, jei jos vyktų be fermentų. Taigi viena katalazės fermento molekulė per sekundę gali paversti vandeniu ir deguonimi iki 10 tūkstančių ląstelėms toksiško vandenilio peroksido, susidariusio oksiduojant įvairius junginius, molekulių. Katalizinės fermentų savybės atsiranda dėl jų gebėjimo ženkliai sumažinti į reakciją patenkančių junginių aktyvacijos energiją, tai yra, esant fermentams, šiai reakcijai „paleisti“ reikia mažiau energijos.

Fermentų atradimo istorija

Procesai, vykstantys dalyvaujant fermentams, žmogui žinomi nuo senų senovės, nes duonos, sūrio, vyno ir acto ruošimas grindžiamas fermentiniais procesais. Tačiau tik 1833 m. pirmą kartą iš dygstančių miežių grūdų buvo išskirta veiklioji medžiaga, kuri krakmolą paverčia cukrumi ir buvo pavadinta diastaze (dabar šis fermentas vadinamas amilaze). pabaigoje – XIX a įrodyta, kad sultyse, gautose trinant mielių ląsteles, yra sudėtingas fermentų mišinys, užtikrinantis alkoholinės rūgimo procesą. Nuo to laiko buvo pradėtas intensyvus fermentų – jų struktūros ir veikimo mechanizmo – tyrimas. Kadangi tiriant fermentaciją buvo atskleistas biokatalizės vaidmuo, būtent su šiuo procesu buvo susieti du procesai, kurie buvo nustatyti nuo XIX a. pavadinimai yra „fermentas“ (iš graikų kalbos išvertus „iš mielių“) ir „fermentas“. Tiesa, paskutinis sinonimas vartojamas tik rusakalbėje literatūroje, nors mokslinė kryptis, užsiimanti fermentų ir procesų, kuriuose dalyvauja, tyrimai, tradiciškai vadinama enzimologija. XX amžiaus pirmoje pusėje buvo nustatyta, kad fermentai pagal cheminę prigimtį yra baltymai, o antroje amžiaus pusėje daugeliui šimtų fermentų jau buvo nustatyta aminorūgščių likučių seka, susiformavo erdvinė struktūra. 1969 metais pirmą kartą buvo atlikta cheminė fermento ribonukleazės sintezė. Buvo padaryta didžiulė pažanga, siekiant suprasti fermentų veikimo mechanizmą.

Fermentų vieta organizme

Ląstelėje kai kurie fermentai yra citoplazmoje, tačiau dažniausiai fermentai yra susieti su tam tikromis ląstelių struktūromis, kur pasireiškia jų veikimas. Pavyzdžiui, branduolyje yra fermentų, atsakingų už replikaciją – DNR sintezę (DNR polimerazė), už jos transkripciją – RNR susidarymą (RNR polimerazė). Mitochondrijose yra fermentų, atsakingų už energijos kaupimą, lizosomose – dauguma hidrolizinių fermentų, dalyvaujančių skaidant nukleino rūgštis ir baltymus.

Fermentų veikimo sąlygos

Visos reakcijos, kuriose dalyvauja fermentai, daugiausia vyksta neutralioje, silpnai šarminėje arba silpnai rūgštinėje terpėje. Tačiau didžiausias kiekvieno atskiro fermento aktyvumas atsiranda esant griežtai apibrėžtoms pH vertėms. Daugumos fermentų veikimui šiltakraujams gyvūnams palankiausia 37-40oC temperatūra. Augaluose esant žemesnei nei 0 o C temperatūrai, fermentų veikimas visiškai nenutrūksta, nors augalų gyvybinė veikla smarkiai sumažėja. Fermentiniai procesai, kaip taisyklė, negali vykti aukštesnėje nei 70 o C temperatūroje, nes fermentai, kaip ir visi baltymai, yra termiškai denatūruojami (struktūrinis sunaikinimas).

Fermentų dydžiai ir jų struktūra

Fermentų, kaip ir visų kitų baltymų, molekulinė masė svyruoja nuo 10 tūkstančių iki 1 milijono (bet gali būti ir daugiau). Jie gali būti sudaryti iš vienos ar daugiau polipeptidinių grandinių ir gali būti sudėtingi baltymai. Pastarojo sudėtis kartu su baltyminiu komponentu (apofermentu) apima mažos molekulinės masės junginius - kofermentus (kofaktorius, kofermentus), įskaitant metalų jonus, nukleotidus, vitaminus ir jų darinius. Kai kurie fermentai susidaro neaktyvių pirmtakų (profermentų) pavidalu ir suaktyvėja po tam tikrų molekulės struktūros pakitimų, pavyzdžiui, nuo jos atskilus nedideliam fragmentui. Tai apima virškinimo fermentus tripsiną ir chimotripsiną, kuriuos kasos ląstelės sintezuoja neaktyvių pirmtakų (tripsinogeno ir chimotripsinogeno) pavidalu ir įgyja aktyvumo plonojoje žarnoje kaip kasos sulčių dalis. Daugelis fermentų sudaro vadinamuosius fermentų kompleksus. Tokie kompleksai, pavyzdžiui, yra įterpti į ląstelių membranas arba ląstelių organoidus ir yra susiję su medžiagų transportavimu.

Transformuojama medžiaga (substratas) jungiasi prie tam tikros fermento vietos, prieš aktyvųjį centrą, kurį sudaro aminorūgščių šoninės grandinės, kurios dažnai yra viena nuo kitos gerokai nutolusiose polipeptidinės grandinės atkarpose. Pavyzdžiui, aktyvųjį chimotripsino molekulės centrą sudaro histidino liekanos, esančios polipeptidinėje grandinėje 57 padėtyje, serinas – 195 padėtyje, o asparto rūgšties – 102 padėtyje (chimotripsino molekulėje yra 245 aminorūgštys). Taigi, kompleksinis polipeptidinės grandinės lankstymas baltymo molekulėje – fermentas suteikia galimybę kelioms šoninėms aminorūgščių grandinėms būti griežtai apibrėžtoje vietoje ir tam tikru atstumu viena nuo kitos. Kofermentai taip pat yra aktyvaus centro dalis (baltyminė dalis ir nebaltyminė dalis atskirai nepasižymi fermentiniu aktyvumu ir įgyja fermento savybes tik susijungus).

Procesų, kuriuose dalyvauja fermentai, eiga

Daugumai fermentų būdingas didelis veikimo specifiškumas (selektyvumas), kai kiekvieno reagento (substrato) pavertimas reakcijos produktu yra atliekamas specialiu fermentu. Šiuo atveju fermento veikimas gali būti griežtai apribotas iki vieno substrato. Pavyzdžiui, ureazės fermentas, dalyvaujantis karbamido skaidyme iki amoniako ir anglies dioksido, nereaguoja į panašios struktūros metilkarbamidą. Daugelis fermentų veikia kelis struktūriškai susijusius junginius arba vieno tipo cheminius ryšius (pavyzdžiui, fosfatazės fermentą, kuris skaido fosfodiesterio ryšį). Fermentas veikia susidarant fermento-substrato kompleksui, kuris vėliau suyra, sudarydamas fermentinės reakcijos produktus ir atpalaiduodamas fermentą. Susidarius fermento-substrato kompleksui, substratas keičia savo konfigūraciją; Šiuo atveju susilpnėja konvertuojamas fermento-cheminis ryšys ir reakcija vyksta su mažesnėmis pradinėmis energijos sąnaudomis, taigi ir daug didesniu greičiu. Fermentinės reakcijos greičio matas yra substrato kiekis, kuris buvo transformuotas per laiko vienetą, arba susidariusio produkto kiekis. Daugelis fermentinių reakcijų, priklausomai nuo substrato ir reakcijos produkto koncentracijos terpėje, gali vykti tiek pirmyn, tiek atgal (substrato perteklius nukreipia reakciją link produkto susidarymo, o per didelis pastarojo kaupimasis lems substrato sintezę). Tai reiškia, kad fermentinės reakcijos gali būti grįžtamos. Pavyzdžiui, kraujyje esanti angliarūgštė anglies dioksidą, ateinantį iš audinių, paverčia anglies rūgštimi (H2CO3), o plaučiuose, atvirkščiai, katalizuoja anglies rūgšties pavertimą vandeniu ir anglies dioksidu, kuris pasišalina iškvėpimo metu. Tačiau reikia atsiminti, kad fermentai, kaip ir kiti katalizatoriai, negali pakeisti cheminės reakcijos termodinaminės pusiausvyros, o tik žymiai pagreitina šios pusiausvyros pasiekimą.

Fermentų pavadinimų nomenklatūra

Vardinant fermentą ca, pagrindu imamas substrato pavadinimas ir pridedama priesaga „aza“. Taigi visų pirma atsirado proteinazės – baltymus (baltymus) skaidantys fermentai, lipazės (lipidus ar riebalus skaidantys) ir kt. Kai kurie fermentai gavo specialius (trivialus) pavadinimus, pavyzdžiui, virškinimo fermentai – pepsinas, chimotripsinas ir tripsinas.

Kūno ląstelėse vyksta keli tūkstančiai skirtingų medžiagų apykaitos reakcijų, todėl fermentų yra tiek pat. Siekiant įtraukti tokią įvairovę į sistemą, buvo priimtas tarptautinis susitarimas dėl fermentų klasifikavimo. Pagal šią sistemą visi fermentai, priklausomai nuo jų katalizuojamų reakcijų tipo, buvo suskirstyti į šešias pagrindines klases, kurių kiekviena apima keletą poklasių. Be to, kiekvienas fermentas gavo keturių skaitmenų kodo numerį (šifrą) ir pavadinimą, nurodantį reakciją, kurią šis fermentas katalizuoja. Fermentai, katalizuojantys tą pačią reakciją skirtingų rūšių organizmuose, gali labai skirtis savo baltymų struktūra, tačiau nomenklatūroje jie turi bendrą pavadinimą ir vieną kodo numerį.

Ligos, susijusios su sutrikusia fermentų gamyba

Bet kurio fermento nebuvimas arba jo aktyvumo sumažėjimas (dažnai per didelis aktyvumas) žmonėms sukelia ligų (enzimopatijų) išsivystymą arba organizmo mirtį. Taigi, paveldima vaikų liga - galaktozemija (sukelia protinį atsilikimą) - išsivysto dėl fermento, atsakingo už galaktozės pavertimą lengvai virškinama gliukoze, sintezės pažeidimu. Kitos paveldimos ligos - fenilketonurijos, lydimos psichikos sutrikimu, priežastis yra kepenų ląstelių gebėjimo sintetinti fermentą, katalizuojantį aminorūgšties fenilalanino pavertimą tirozinu, praradimas. Daugelio fermentų aktyvumo nustatymas kraujyje, šlapime, nugaros smegenyse, sėklose ir kituose kūno skysčiuose naudojamas diagnozuojant daugybę ligų. Tokios kraujo serumo analizės pagalba galima ankstyvoje stadijoje nustatyti miokardo infarktą, virusinį hepatitą, pankreatitą, nefritą ir kitas ligas.

Fermentų naudojimas žmonėms

Kadangi fermentai išlaiko savo savybes už kūno ribų, jie sėkmingai naudojami įvairiose pramonės šakose. Pavyzdžiui, papajų proteolitinis fermentas (iš papajų sulčių) – verdant, mėsai minkštinti; pepsinas - gaminant "gatavus" grūdus ir kaip vaistą; tripsinas - gaminant produktus kūdikių maistui; reninas (šliužo fermentas iš veršelio skrandžio) – gaminant sūrį. Katalazė plačiai naudojama maisto ir gumos pramonėje, o polisacharidus skaidančios celiuliazė ir pektidazė – vaisių sultims skaidrinti. Fermentai reikalingi nustatant baltymų, nukleino rūgščių ir polisacharidų struktūrą, genų inžinerijoje ir kt. Fermentų pagalba gaunami vaistai, kompleksiniai cheminiai junginiai.

Buvo atrastas kai kurių ribonukleino rūgščių formų (ribozimų) gebėjimas katalizuoti atskiras reakcijas, tai yra, veikti kaip fermentai. Galbūt organinio pasaulio evoliucijos metu ribozimai tarnavo kaip biokatalizatoriai, kol fermentinė funkcija buvo perkelta į baltymus, geriau pritaikytus šiai užduočiai atlikti.

Metabolizmas (iš graikų μεταβολή - „transformacija, pasikeitimas“) arba metabolizmas - cheminių reakcijų, vykstančių gyvame organizme, visuma siekiant palaikyti gyvybę. Šie procesai leidžia organizmams augti ir daugintis, išlaikyti savo struktūras ir reaguoti į aplinkos dirgiklius. Metabolizmas paprastai skirstomas į du etapus: katabolizmo metu sudėtingos organinės medžiagos skaidomos iki paprastesnių; anabolizmo procesuose su energijos sąnaudomis sintetinamos tokios medžiagos kaip baltymai, cukrūs, lipidai ir nukleorūgštys. Tarp kūno ląstelių ir tarpląstelinio skysčio, kurio sudėties pastovumą palaiko kraujotaka, vyksta medžiagų apykaita: kraujui praeinant kapiliaruose per laidžias kapiliarų sieneles, kraujo plazma 40 kartų visiškai atnaujinama intersticiniu skysčiu. Fermentai vaidina svarbų vaidmenį medžiagų apykaitos procesuose, nes: ----- veikia kaip biologiniai katalizatoriai ir mažina cheminės reakcijos aktyvacijos energiją; ----- leidžia reguliuoti medžiagų apykaitos kelius reaguojant į ląstelės aplinkos pokyčius arba signalus iš kitų ląstelių. ~~~~~~~~~~~ Katabolizmas (iš graikų καταβολή, „nuleidimas, sunaikinimas“) arba energijos apykaita – tai medžiagų apykaitos skilimo, skaidymo į paprastesnes medžiagas (diferencijavimas) arba medžiagos oksidacijos procesas, dažniausiai vykstantis energijos išsiskyrimu šilumos pavidalu ir ATP pavidalu. Katabolinės reakcijos yra disimiliacijos pagrindas: sudėtingų medžiagų specifiškumo tam tikram organizmui praradimas dėl skilimo į paprastesnes. Pavyzdžiai: etanolio pavertimas acetaldehido (etanolio) ir acto rūgšties (etano rūgšties) etapais į anglies dioksidą ir vandenį arba glikolizės procesas – gliukozės pavertimas pieno rūgštimi arba piruvo rūgštimi, o tada jau kvėpavimo cikle – vėl anglies dioksidu ir vandeniu. ~~~~~~~~~~~ Anabolizmas (iš graikų kalbos ἀναβολή, „kilimas“) arba plastinis metabolizmas – cheminių procesų, sudarančių vieną iš organizmo metabolizmo pusių, rinkinys, skirtas ląstelių ir audinių formavimuisi. Anabolizmas yra susijęs su priešingu procesu - katabolizmu, nes įvairių junginių skilimo produktai gali būti pakartotinai naudojami anabolizmo metu, formuojant naujas medžiagas kituose deriniuose. Anabolizmo procesai, vykstantys žaliuose augaluose su saulės energija sugerti, turi didelę reikšmę gyvybės palaikymui planetų lygmeniu, vaidindami lemiamą vaidmenį organinių medžiagų sintezėje iš neorganinių. Anabolizmas apima aminorūgščių, monosacharidų, riebalų rūgščių, nukleotidų, polisacharidų, baltymų makromolekulių, nukleorūgščių, ATP sintezės procesus. Iš maistinių medžiagų, patenkančių į ląstelę, susidaro organizmui būdingi baltymai, riebalai, angliavandeniai, kurie savo ruožtu patenka į naujų ląstelių, jų organų ir tarpląstelinės medžiagos kūrimą. ~~~~~~~~~~~ Asimiliacija – gyvame organizme vykstančių anabolizmo (biosintezės) procesų visuma, kurios metu į jo sudėtį patenka įvairios medžiagos. Stambiamolekulinių junginių (baltymų, nukleorūgščių, polisacharidų, lipidų) sintezė. Neįmanoma be energijos. Paprastos medžiagos (sudėtingos iš pradžių skaidomos į paprastas), nespecifinės jokiam organizmui, virsta šiam junginių tipui būdingais kompleksiniais junginiais (asimiliuotais).

Instrukcija

Ląstelių sudėtį sudaro šie cheminiai junginiai: organiniai (baltymai, angliavandeniai, riebalai ir nukleorūgštys), neorganiniai (vanduo, druskos). Vandens ląstelėse gali būti iki 80%, jis būtinas visiems gyvybės procesams ir yra geras tirpiklis. Čia vyksta cheminė sąveika. Taip pat vanduo padeda pašalinti skilimo produktus, susidariusius dėl vykstančių reakcijų. Pagrindinės ląstelės gyvybinės savybės yra: biosintezė, organinių junginių skilimas, jaudrumas, augimas, dauginimasis, medžiagų apykaita.

Metabolizmas ląstelėje vyksta taip. Iš aplinkos į organizmą patenka maistinės medžiagos, vanduo, deguonis, vitaminai ir mineralinės druskos. Jie reikalingi statant, atnaujinant ląstelių konstrukcinius elementus, taip pat formuojant energiją, kuri suteikia gyvybės procesus. Iš išorės gauti riebalai, baltymai, angliavandeniai, mikroelementai, vitaminai naudojami ląstelėms reikalingoms medžiagoms sintetinti ir ląstelių struktūroms kurti. Skilimo produktai per membraną pašalinami į audinių skystį.

Metabolizmas yra du procesai: asimiliacija ir disimiliacija. Asimiliacija yra reakcijų rinkinys, skirtas sudėtingoms organinėms molekulėms susidaryti iš paprastesnių, vykstant energijos kaupimui. Disimiliacija yra sudėtingų organinių medžiagų skilimo į paprastesnes reakcijų visuma, kurią lydi energijos išsiskyrimas. Disimiliacija ir asimiliacija yra tarpusavyje susiję, nes medžiagų sintezė neįmanoma be energijos, išsiskiriančios skaidant sudėtingas organines molekules, sąnaudas. Šių procesų disbalansas sukelia medžiagų apykaitos sutrikimą.

Metabolinės reakcijos gyvoje ląstelėje vyksta esant vidutinei temperatūrai, nedideliems rūgštingumo svyravimams ir normaliam slėgiui. Fermentai, kurie atlieka katalizatorių vaidmenį, dalyvauja metabolizme. Fermentų aktyvumas yra labai didelis, todėl norint užtikrinti normalų medžiagų apykaitos greitį, reikalingas nedidelis šių medžiagų molekulių kiekis. Tačiau jie veikia selektyviai, todėl ląstelei reikia daugelio rūšių fermentų.

Skilimo metu organinėms medžiagoms išsiskiria energija, kurios dalis prarandama, o dalį kaupia ląstelės ATP molekulių (adenozintrifosfato) pavidalu. Jei reikia, ATP energija naudojama ląstelių energijos sąnaudoms, ypač asimiliacijos procesui. Pagrindinė statybinė medžiaga ir vienintelis organizmo energijos šaltinis yra organinės maisto medžiagos. Kadangi ląstelės maistinės medžiagos ir atliekos patenka į kraują, metabolizmas turi didelę įtaką jos būklei ir visam organizmui.

Ląstelė nuolat keičiasi medžiagomis ir energija su aplinka. Metabolizmas (metabolizmas)- pagrindinė gyvų organizmų savybė. Ląstelių lygmenyje medžiagų apykaita apima du procesus: asimiliaciją (anabolizmą) ir disimiliaciją (katabolizmą). Šie procesai ląstelėje vyksta vienu metu.

Asimiliacija(plastiniai mainai) – biologinės sintezės reakcijų visuma. Iš paprastų medžiagų, patekusių į ląstelę iš išorės, susidaro šiai ląstelei būdingos medžiagos. Medžiagų sintezė ląstelėje vyksta naudojant ATP molekulėse esančią energiją.

Disimiliacija(energijos apykaita) – skilimo medžiagų reakcijų visuma. Skilstant stambiamolekuliniams junginiams, išsiskiria biosintezės reakcijoms reikalinga energija.

Pagal asimiliacijos tipą organizmai gali būti autotrofiniai, heterotrofiniai ir miksotrofiniai.

Autotrofinė asimiliacija

Autotrofiniai organizmai geba sintetinti organines medžiagas iš neorganinių medžiagų (CO 2 ir H 2 O). Tai apima žalius augalus ir mikroorganizmus. Priklausomai nuo to, kokį energijos šaltinį autotrofiniai organizmai naudoja organinių medžiagų sintezei, jie skirstomi į dvi grupes: fototrofus ir chemotrofus.

Fotosintezė

Žalieji augalai yra fototrofai. Asimiliacijai jie naudoja energiją, išsiskiriančią neorganinių medžiagų oksidacijos metu. Žaliųjų augalų chloroplastuose yra chlorofilo. Fotosintezė vyksta dalyvaujant chlorofilui. Fotosintezė yra procesas, kai saulės energija paverčiama potencialia cheminių jungčių organinėse medžiagose energija. Fotosintezė susideda iš dviejų fazių: šviesios ir tamsios.

šviesos fazė.Veikiant šviesai, chloroplasto grūduose esanti chlorofilo molekulė gauna energijos perteklių. Dalis šios energijos patenka į vandens molekulės skaidymą (fotolizę).

Vandenilio jonai prijungia prie savęs elektroną, virsta laisvu vandenilio atomu.

Vandenilis H naudojamas nešikliui NADP + (nikotinamido adenino dinukleotido fosfatui) atkurti.

NADP? H patenka į chloroplasto stromą, kur dalyvauja angliavandenių sintezėje.

OH – jonai, paaukoję elektroną, virsta laisvaisiais radikalais, kurie sąveikaudami vienas su kitu sudaro vandenį ir laisvą deguonį.

Kita energijos dalis naudojama ATP sintezei iš ADP.

Šviesiojoje fotosintezės fazėje susidaro: 1) energetinių ryšių turtinga medžiaga - ATP; 2) laisvasis deguonis - O 2; 3) prie nešiklio prisijungia H (vandenilis), susidaro NADP? N.

Šviesos fazės reakcijos vyksta nedalyvaujant fermentams.

tamsi fazė.Tamsiojoje fazėje įvyksta CO 2 surišimas. Tamsiosios fazės reakcijose dalyvauja ATP molekulės ir vandenilio atomai, susidarę fotolizės metu ir susieti su nešiklio molekulėmis. Šios fazės reakcijos vyksta chloroplastų stromoje dalyvaujant fermentams.

Monosacharido - gliukozės molekulės, gautos tamsiosios fotosintezės fazės metu, per daugybę fermentinių reakcijų paverčiamos polisacharidais. Taigi saulės šviesos energija paverčiama sudėtingų organinių medžiagų cheminių ryšių energija.

Bendra fotosintezės reakcija:

Dėl fotosintezės atmosferoje susidaro organinės medžiagos ir deguonis.

Chemosintezė

Organinių medžiagų sintezė autotrofinėse bakterijose vyksta naudojant energiją, išsiskiriančią vykstant neorganinių junginių oksidacijos cheminėms reakcijoms: sieros vandenilio, sieros, amoniako, azoto rūgšties. Šis procesas vadinamas chemosinteze.

Nitrifikuojančios bakterijos priklauso chemosintetinių autotrofų grupei. Viena bakterijų grupė gauna energiją, reikalingą organinių medžiagų sintezei, oksiduojant amoniaką į azoto rūgštį.

Chemosintetinės bakterijos vaidina svarbų vaidmenį medžiagų cikle gamtoje.

Heterotrofinė asimiliacija

Heterotrofinisorganizmai savo kūno organines medžiagas kuria iš jau esamų paruoštų organinių medžiagų. Heterotrofai apima gyvūnus, grybus ir kai kurias bakterijas.

Heterotrofiniai organizmai savo specifinius baltymus, riebalus, angliavandenius sugeba sukurti tik iš baltymų, riebalų, angliavandenių.

dov, kurį jie gauna su maistu. Virškinimo metu šios medžiagos skyla į monomerus. Iš monomerų ląstelėse sintetinamos tam tikram organizmui būdingos medžiagos. Visos šios reakcijos vyksta dalyvaujant fermentams ir naudojant ATP energiją.

Medžiagų transformacijos heterotrofiniame organizme schema

Mixotrofinė asimiliacija

Mixotrofinisorganizmai (pavyzdžiui, žalioji euglena) turi pigmento chlorofilo, todėl gali būti autotrofai. Trūkstant šviesos, jie tampa heterotrofai.

Disimiliacija

Pagal disimiliacijos tipą organizmai skirstomi į aerobinis Ir anaerobinis.

Žmogaus kūne, gyvūnuose ir daugumoje mikroorganizmų energija susidaro dėl katabolizmo reakcijų kvėpavimas arba fermentacija.Ši energija pereina į ypatingą formą – ATP molekulių makroerginių ryšių energiją. Naudojant ATP energiją, vyksta biosintezė, ląstelių dalijimasis, raumenų susitraukimas ir kiti procesai. ATP sintezė vyksta mitochondrijose.

Aerobinė disimiliacija

Energijos mainai vyksta 3 etapais. 1 etapas - parengiamieji.

Šiame etape sudėtingų medžiagų (baltymų, riebalų, angliavandenių, nukleorūgščių) molekulės skyla į monomerus. Išsiskiria nedidelis energijos kiekis, kuris išsisklaido kaip šiluma. ATP sintezė nevyksta.

2 etapas - anoksinis (anaerobinis).

Anoksinis skilimas vyksta ląstelių citoplazmoje. Pirmajame etape susidarę monomerai suskaidomi nedalyvaujant deguoniui, keliais etapais. Skilimas vyksta veikiant fermentams, kai susidaro ATP energija. Pavyzdžiui, raumenyse (ląstelių citoplazmoje) gliukozės molekulė skyla į dvi pieno rūgšties ir dvi ATP molekules.

3 etapas - deguonies skaidymas (aerobinis kvėpavimas).

Visos šios stadijos reakcijos yra katalizuojamos fermentų ir vyksta mitochondrijose dalyvaujant deguoniui. Ankstesniame etape susidariusios medžiagos oksiduojamos iki galutinių produktų – CO 2 ir H 2 O.

Taip išsiskiria didelis energijos kiekis.

Šis procesas vadinamas ląstelinis kvėpavimas. Kai oksiduojasi dvi pieno rūgšties molekulės, susidaro 36 ATP molekulės. Dėl antrojo ir trečiojo etapų, skaidant vieną C 6 H 12 O 6 molekulę, išsiskiria 38 ATP molekulės.

Suvestinė lygtis:

Anaerobinė disimiliacija

Gliukozės skilimas į anaerobinis Bakterijos gali patekti į anoksines sąlygas. Šis procesas vadinamas fermentacija. Fermentacijos metu išsiskiria ne visa medžiagoje esanti energija, o tik dalis jos. Likusi energijos dalis lieka cheminiuose ryšiuose gautoje medžiagoje.

Alkoholio fermentacijos metu susidaro alkoholis ir dvi molekulės

ATP.

Taigi, aerobinėmis sąlygomis skaidant gliukozę, visa energija išsiskiria ir skilimas patenka į galutinius produktus (CO 2 ir H 2 O), o fermentacijos metu dalis energijos išsiskiria ir skilimas patenka į tarpinius reakcijos produktus.