Метаболізм

Метаболізм, або обмін речовин, хімічні перетворення, які протікають від моменту надходження поживних речовин в живий організм до моменту, коли кінцеві продукти цих перетворень виділяються в зовнішнє середовище. До метаболізму відносяться всі реакції, в результаті яких будуються структурні елементи клітин і тканин, і процеси, в яких містяться в клітинах речовин витягується енергія. Іноді для зручності розглядають окремо дві сторони метаболізму - анаболізм і катаболізм, тобто процеси творення органічних речовин і процеси їх руйнування. Анаболічні процеси зазвичай пов'язані з витратою енергії і призводять до утворення складних молекул з більш простих, катаболические ж супроводжуються вивільненням енергії та закінчуються утворенням таких кінцевих продуктів (відходів) метаболізму, як сечовина, діоксид вуглецю, аміак і вода.

Термін «обмін речовин» увійшов у повсякденне життя з тих пір, як лікарі стали пов'язувати надмірна або недостатня вага, надмірну нервозність або, навпаки, млявість хворого з підвищеним або зниженим обміном. Для судження про інтенсивність метаболізму ставлять тест на «Основний обмін». Основний обмін - це показник здатності організму виробляти енергію. Тест проводять натщесерце в стані спокою; вимірюють поглинання кисню (О2) і виділення діоксиду вуглецю (СО2). Зіставляючи ці величини, що визначають, наскільки повно організм використовує ( «спалює») поживні речовини. На інтенсивність метаболізму впливають гормони щитовидної залози, тому лікарі при діагностиці захворювань, пов'язаних з порушеннями обміну, останнім часом все частіше вимірюють рівень цих гормонів у крові.

Методи дослідження. При вивченні метаболізму якого-небудь одного з живильних речовин простежують всі його перетворення від тієї форми, в якій воно надходить в організм, до кінцевих продуктів, що виводяться з організму. У таких дослідженнях застосовується вкрай різноманітний набір біохімічних методів.

Використання інтактних тварин або органів. Тварині вводять досліджуване з'єднання, а потім в його сечі і екскрементах визначають можливі продукти перетворень (метаболіти) цього речовини. Більш певну інформацію можна отримати, досліджуючи метаболізм певного органу, наприклад печінки або мозку. У цих випадках речовину вводять до відповідного кровоносну судину, а метаболіти визначають у крові, відтікає від даного органу.

Оскільки такого роду процедури зв'язані з великими труднощами, часто для дослідження використовують тонкі зрізи органів. Їх інкубують при кімнатній температурі або при температурі тіла в розчинах з добавкою того речовини, метаболізм якого вивчають. Клітини в таких препаратах не пошкоджені, і так як зрізи дуже тонкі, речовина легко проникає в клітини і легко виходить з них. Іноді виникають труднощі через занадто повільного проходження речовини крізь клітинні мембрани. У цих випадках тканини подрібнюють, щоб зруйнувати мембрани, і з досліджуваним речовиною інкубують клітинну кашку. Саме в таких дослідах було показано, що всі живі клітини окислюють глюкозу до СО2 і води і що тільки тканину печінки здатна синтезувати сечовину.

Використання клітин. Навіть клітини представляють собою дуже складно організовані системи. У них є ядро, а в навколишньому його цитоплазмі знаходяться більш дрібні тільця, т.зв. органели, різних розмірів і консистенції. За допомогою відповідної методики тканину можна «Гомогенізувати», а потім піддати диференціальному центрифугування (поділу) та отримати препарати, що містять тільки мітохондрії, тільки мікросомах або прозору рідину - цитоплазму. Ці препарати можна по окремо інкубувати з тим з'єднанням, метаболізм якого вивчається, і таким шляхом встановити, які саме субклітинні структури беруть участь у його послідовних перетвореннях. Відомі випадки, коли початкова реакція протікає в цитоплазмі, її продукт піддається перетворенню в мікросомах, а продукт цього перетворення вступає в нову реакцію вже в мітохондріях. Інкубація досліджуваного речовини з живими клітинами або з гомогенат тканини зазвичай не виявляє окремі етапи його метаболізму, і тільки послідовні експерименти, в яких для інкубації використовуються ті чи інші субклітинні структури, дозволяють зрозуміти весь ланцюжок подій.

Використання радіоактивних ізотопів. Для вивчення метаболізму певної речовини необхідні: 1) відповідні аналітичні методи для визначення цієї речовини і його метаболітів; і 2) методи, що дозволяють відрізняти доданий речовина від того ж речовини, вже присутнього в даному біологічному препараті. Ці вимоги служили головною перешкодою при вивченні метаболізму до тих пір, поки не були відкриті радіоактивні ізотопи елементів і в першу чергу радіоактивний вуглець 14C. З появою з'єднань, «мічених» 14C, а також приладів для вимірювання слабкою радіоактивності ці труднощі були подолані. Якщо до біологічного препарату, наприклад до суспензії мітохондрій, додають мічену 14C жирну кислоту, то ніяких спеціальних аналізів для визначення продуктів її перетворень НЕ потрібно; щоб оцінити швидкість її використання, достатньо просто вимірювати радіоактивність послідовно одержуваних мітохондріальних фракцій. Ця ж методика дозволяє легко відрізняти молекули радіоактивної жирної кислоти, введеної експериментатором, від молекул жирної кислоти, вже присутніх в мітохондріях до початку експерименту.

Хроматографія і електрофорез. У доповнення до вищезазначених вимог біохіміку необхідні і методи, дозволяють розділяти суміші, що складаються з малих кількостей органічних речовин. Найважливіший з них - хроматографія, в основі якої лежить феномен адсорбції. Поділ компонентів суміші проводять при цьому або на папері, або шляхом адсорбції на сорбенті, яким заповнюють колонки (довгі скляні трубки), з подальшої поступової елюціей (вимиванням) кожного з компонентів.

Поділ методом електрофорезу залежить від знаку і числа зарядів іонізованих молекул. Електрофорез проводять на папері або на якому-небудь інертному (неактивному) носії, такому, як крохмаль, целюлоза або каучук.

Високочутливий і ефективний метод поділу - газова хроматографія. Ним користуються в тих випадках, коли що підлягають розподілу речовини знаходяться в газоподібному стані або можуть бути в нього перекладено.

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

Поєднання перерахованих методів дозволило простежити головні метаболічні шляхи у більшої частини організмів (у тому числі у людини), встановити, де саме ці різні процеси протікають, і з'ясувати послідовні етапи головних метаболічних шляхів. До теперішнього часу відомі тисячі окремих біохімічних реакцій, вивчені що беруть участь у них ферменти.

Клітинний метаболізм. Жива клітина -- це високоорганізована система. У ній є різні структури, а також ферменти, здатні їх зруйнувати. Містяться в ній і великі макромолекули, які можуть розпадатися на дрібніші компоненти в результаті гідролізу (розщеплення під дією води). У клітці звичайно багато калію і дуже мало натрію, хоча клітина існує в середовищі, де багато натрію, а калію щодо мало, і клітинна мембрана легко проникна для обох іонів. Отже, клітина - це хімічна система, дуже далека від рівноваги. Рівновага настає тільки в процесі посмертного автолізом (самопереваріванія під дією власних ферментів).

Потреба в енергії. Щоб утримати систему в стані, далекому від хімічної рівноваги, потрібно виробляти роботу, а для цього необхідна енергія. Отримання цієї енергії та виконання цієї роботи - неодмінна умова для того, щоб клітина залишалася у своєму стаціонарному (нормальному) стані, далекому від рівноваги. Одночасно в ній виконується і інша робота, пов'язана із взаємодією із середовищем, наприклад: в м'язових клітинах - скорочення; в нервових клітинах - проведення нервового імпульсу; в клітинах нирок - освіта сечі, що значно відрізняється по своїм складом від плазми крові; в спеціалізованих клітинах шлунково-кишкового тракту - синтез і виділення травних ферментів; в клітинах ендокринних залоз - секреція гормонів; в клітинах светляков - світіння; в клітинах деяких риб - генерування електричних розрядів і т.д.

Джерела енергії. У будь-якому з перерахованих вище прикладів безпосереднім джерелом енергії, яку клітина використовує для виробництва роботи, служить енергія, укладена в структурі аденозинтрифосфату (АТФ). Через особливості своєї структури це з'єднання багате енергією, і розрив зв'язків між його фосфатними групами може відбуватися таким чином, що вивільняється енергія використовується для виробництва роботи. Однак енергія не може стати доступною для клітини при простому гідролітичною розриві фосфатних зв'язків АТФ: у цьому випадку вона витрачається даремно, виділяючись у вигляді тепла. Процес повинен складатися з двох послідовних етапів, в кожному з яких бере участь проміжний продукт, позначений тут X-Ф (в наведених рівняннях X і Y означають два різних органічних речовини; Ф - фосфат; АДФ - Аденозиндифосфат):

Оскільки практично для будь-якого прояву життєдіяльності клітин необхідний АТФ, не дивно, що метаболічна активність живих клітин спрямована в першу чергу на синтез АТФ. Цій меті служать різні складні послідовності реакцій, в яких використовується потенційна хімічна енергія, укладена в молекулах вуглеводів та жирів (ліпідів).

Метаболізм вуглеводів і ліпідів

Синтез АТФ. Анаеробні (без участі кисню). Головна роль вуглеводів і ліпідів у клітинному метаболізмі полягає в тому, що їх розщеплення на простіші з'єднання забезпечує синтез АТФ. Безсумнівно, що ті ж процеси протікали і в першу, найбільш примітивних клітинах. Однак в атмосфері, позбавленої кисню, повне окислення вуглеводів і жирів до CO2 було неможливо. У цих примітивних клітин були всі ж механізми, за допомогою яких перебудова структури молекули глюкози забезпечувала синтез невеликих кількостей АТФ. Мова йде про процесах, які у мікроорганізмів називають бродінням. Найкраще вивчено зброджування глюкози до етилового спирту і CO2 у дріжджів.

У ході 11 послідовних реакцій, необхідних для того, щоб завершилося це перетворення, утворюється ряд проміжних продуктів, що представляють собою ефіри фосфорної кислоти (фосфати). Їх фосфатна група переноситься на Аденозиндифосфат (АДФ) з утворенням АТФ. Чистий вихід АТФ становить 2 молекули АТФ на кожну молекулу глюкози, розщеплення в процесі бродіння. Аналогічні процеси відбуваються у всіх живих клітинах; оскільки вони постачають необхідну для життєдіяльності енергію, їх іноді (не цілком коректно) називають анаеробним диханням клітин.

У ссавців, у тому числі у людини, такий процес називається гліколізу і його кінцевим продуктом є молочна кислота, а не спирт і CO2. Вся послідовність реакцій гліколізу, за винятком двох останніх етапів, повністю ідентична процесу, що протікає в дріжджових клітинах.

аеробних (з використанням кисню). З появою в атмосфері кисню, джерелом якого послужив, очевидно, фотосинтез рослин, в ході еволюції розвинувся механізм, що забезпечує повне окислення глюкози до CO2 і води, - аеробний процес, в якому чистий вихід АТФ складає 38 молекул АТФ на кожну окислених молекулу глюкози. Цей процес споживання клітинами кисню для утворення багатих енергією з'єднань відомий як клітинне дихання (аеробне). На відміну від анаеробного процесу, здійснюваного ферментами цитоплазми, окислювальні процеси протікають в мітохондріях. У мітохондріях піровиноградна кислота - проміжний продукт, утворився в анаеробної фазі - окислюється до СО2 в шести послідовних реакціях, в кожній з яких пара електронів переноситься на загальний акцептор -- кофермент нікотінамідаденіндінуклеотід (НАД). Цю послідовність реакцій називають циклом трикарбонових кислот, циклом лимонної кислоти або циклом Кребса. З кожної молекули глюкози утворюється 2 молекули піровиноградної кислоти; 12 пар електронів відщеплюється від молекули глюкози в ході її окислення, що описується рівнянням:

Перенесення електронів. У кожній мітохондрії є механізм, за допомогою якого відновлений НАД (НАД