Метаболизъм в биологията

Метаболизъм (метаболизъм) и енергия, наречена комбинация от химични и физически трансформации, които се случват в жив организъм и осигуряват неговата жизненоважна дейност във връзка с околната среда. Същността на метаболизма е поглъщането на различни вещества в организма от външната среда, усвояването и използването им в процеса на живот и разпределянето на получените продукти на метаболизма във външната среда. Метаболизъм и енергия - специфично свойство на жив организъм.

Целта на метаболизма и енергията е да осигури на организма химикалите, необходими за изграждането на всички негови структурни елементи и възстановяване на веществата, разпадащи се в организма.

Втората най-важна биологична цел на метаболизма е да осигури енергия на всички жизненоважни функции на организма.

Има две страни на метаболизма: анаболизъм и катаболизъм. Анаболизмът е набор от метаболитни реакции, водещи до изграждането на телесни тъкани, образуването на сложни органични вещества в тях. Анаболизмът се основава на асимилация - процесът на тялото, използващ вещества, външни за него, и синтеза на неговите сложни органични съединения.Катаболизмът е съвкупност от метаболитни реакции, водещи до разпадане на вещества в жив организъм, той се основава на дисимилация - унищожаване на органични вещества.

Процесите на асимилация и дисимилация са неразривно свързани: дисимилирането насърчава асимилационните процеси, а асимилацията се придружава от повишена дисимилация (в работещия мускул гликогенът се разгражда до млечна киселина и се отделя енергия, при разпадането се образуват фосфорни глюкозни естери, т.е. дисимилирането води до дисимилация).

През целия живот се наблюдават различни количествени съотношения на асимилативни и дисимилаторни процеси: асимилация преобладава в растящ организъм; при възрастен човек се установява относително равновесие на анаболизма и катаболизма; в старческия период асимилацията изостава от дисимилацията. Засилването на всяка дейност на тялото, особено на мускулите, засилва дисимилаторните процеси.

Основните етапи на метаболизма и тяхното биологично значение

Процесите на метаболизма на протеини, мазнини и въглехидрати имат свои собствени характеристики. Но има принципно общи закони, които ни позволяват да разграничим три етапа на метаболизма:

- обработка на храната в храносмилателната система;

- интерстициален метаболизъм;

- образуване на крайни продукти на метаболизма.

Етап 1 е последователното разграждане на химичните компоненти на храната в стомашно-чревния тракт до структури с ниско молекулно тегло и абсорбцията на получените прости химични продукти в кръвта или лимфата.

Разграждането на протеини, мазнини и въглехидрати става под въздействието на специфични ензими. Протеините се разцепват от пептидази до аминокиселини, мазнини - от липази до глицерол и мастни киселини, сложни въглехидрати - от амилази до монозахариди. Изброените вещества лесно се абсорбират в кръвта или лимфата, пренасят се от тока към кръвта, до черния дроб и тъканите, където претърпяват допълнителни трансформации.

Енергийната стойност на този етап е незначителна, но нейната стойност се състои в образуването на прости вещества, които в бъдеще служат като енергиен източник.

Етап 2 - интерстициалният метаболизъм комбинира превръщането на аминокиселини, монозахариди, глицерол и мастни киселини. Процесите на метаболизма на въглехидрати, мазнини и протеини са свързани помежду си на етапа на ключовите метаболитни продукти (пирувинова киселина, ацетил коензим А) и имат общ краен път - окислително разлагане на крайните продукти от въглехидрати, мазнини, ацетил коензим, който се нарича цикъл на трикарбоксилната киселина (цикъл на Кребс).

Процесите на интерстициален метаболизъм водят до синтеза на видоспецифични протеини, мазнини и въглехидрати и техните комплекси от нуклеопротеини, фосфолипиди и др., Т.е. до образуването на съставните части на тялото. Междуобменните процеси са основните източници на енергия. По-голямата част от енергията (2 3) се освобождава в резултат на окисляване в цикъла на Кребс.

Запазването на енергията се осъществява чрез преобразуването й в енергия на специални химични съединения - макроерги. При хора и животни функцията на макроергите се изпълнява от аденозин трифосфорна киселина (АТФ). АТФ акумулира 60-70% от цялата енергия. 30-40% от енергията, отделена по време на окисляването на протеини, мазнини и въглехидрати, се преобразува в топлинна енергия и се освобождава от тялото във външната среда по време на пренос на топлина.

Етап 3 на борсата е формирането и разпределението на крайните продукти на обмена. Продуктите, съдържащи азот, се екскретират с урината, изпражненията и през кожата. Въглеродът се отделя главно под формата на CO2 през белите дробове и частично с урината и изпражненията. Водородът се отделя предимно под формата на вода през белите дробове и кожата..

Общи принципи на метаболитна регулация

В процеса на живот жив организъм постоянно променя интензивността на метаболитните процеси, приспособявайки се към условията на съществуване. Основата на такова устройство е регулирането на метаболизма, същността на което е да повлияе на скоростта на биохимичните реакции, които протичат в клетките (основната промяна се отнася до активността на ензимите).

Има три нива на метаболитна регулация:

- автоматично регулиране на ниво клетка;

- нервна и хуморална регулация на метаболизма;

Автоматично регулиране на ниво клетка (саморегулация)

Всяка клетка има специализирани ултраструктурни елементи, чието взаимодействие осигурява вътреклетъчен метаболизъм. АТФ се образува в митохондриите, окисляването на пирувиновата киселина, мастните киселини. В лизозомите са хидролитични ензими с активност в кисела среда. Синтезът на протеини протича в рибозомите.

Принципът на обратната връзка е крайъгълният камък на клетъчната саморегулация, т.е. концентрацията на вещество в клетката регулира активността на химичния процес, влияе върху активността и синтеза на ензими (например чернодробната фосфорилаза катализира процеса на разлагане и синтез на чернодробен гликоген в зависимост от концентрацията на глюкоза, в случай на прекомерно присъствие процесът на синтез на глюкозен гликоген е активиран).

Храносмилането и асимилацията на храната става с участието на ензими. Синтезът и разграждането на протеини, нуклеинови киселини, липиди, хормони и други вещества в тъканите на тялото също е комбинация от ензимни реакции. Въпреки това, всяко функционално проявление на жив организъм - дишане, свиване на мускулите, невропсихична активност, репродукция и т.н. - също пряко свързани с действието на съответните ензимни системи. С други думи, няма живот без ензими. Тяхното значение за човешкото тяло не се ограничава до нормалната физиология. Основата на много човешки заболявания са нарушения на ензимните процеси.

Витамините могат да бъдат причислени към групата на биологично активни съединения, които упражняват ефекта си върху метаболизма в незначителни концентрации. Това са органични съединения на различни химически структури, които са необходими за нормалното функциониране на почти всички процеси в организма. Те повишават устойчивостта на организма към различни екстремни фактори и инфекциозни заболявания, допринасят за неутрализирането и елиминирането на токсични вещества и др..

Изпитен тест Биология 11 клас Свободен метаболизъм. Пластмасов обмен

Въведение

Тялото ни постоянно се нуждае от следните компоненти за живота:

  • енергия - за поддържане на постоянна вътрешна среда (например телесна температура на нормално ниво), за изграждане на клетъчни структури, за синтеза на вещества
  • различни органични и неорганични вещества, от които са изградени клетъчни структури - за освобождаване на енергия по време на окисляване, образуване на нови съединения (например мазнини могат да се образуват от въглехидрати)

В уроците в училище тялото на ученика изразходва много енергия по време на умствени и физически дейности..

Например за 6 урока ученик с тегло 45 кг изразходва около 324 kcal (1356 kJ) енергия.

Ако преведем тези данни в kW на час, получаваме 0,37 kW на час - тази енергия би била достатъчна, за да може лампата с мощност 100 W да изгори почти 4 часа (една лампа с мощност 100 W би консумирала 0,1 киловата електроенергия за 1 час)

За да може тази енергия да е необходима, хранителните вещества, които влизат в тялото ни чрез храната..

Във всеки жив организъм непрекъснато протичат биохимични процеси, необходими за поддържане на жизнената активност - всички тези процеси се наричат ​​метаболизъм или метаболизъм..

Метаболизъм (метаболизъм)

Метаболизмът е комбинация от биохимични трансформации на вещества и енергия в живи организми, както и обмен на вещества и енергия с околната среда.

Един от критериите за живот просто се счита за метаболизма..

Веществата, влизащи в организма, претърпяват различни химически трансформации по време на метаболитния процес, поради което така необходимата енергия на тялото се освобождава или абсорбира, образуват се прости вещества за изграждане на структурите на клетките, тъканите и органите.

Можем да кажем, че метаболизмът се състои от два взаимосвързани и противоположни процеса:

  • пластичен метаболизъм (анаболизъм или асимилация) - процесите на биосинтеза (образуване) на органични вещества, компоненти на клетки и тъкани с разхода на енергия (примери: биосинтеза на протеини, фотосинтеза)
  • енергиен метаболизъм (катаболизъм или дисимилация) - разделяне на сложни молекули и клетъчни компоненти с образуването на енергия (например, когато се разцепва един фосфорен остатък от АТФ, се генерира 40kJ енергия)

По време на енергийния метаболизъм се образуват няколко вида енергия:

  • топлинна (поддържане на постоянна телесна температура)
  • механичен (мускулна контракция)
  • механично-електрически (проводимост на нервните импулси)
  • химични (биосинтетични процеси, протичащи с усвояването на енергия)
  • енергия за работа, свързана с пренасянето на вещества през биологични мембрани (жлези, черва, бъбреци и др.)

Човешкото тяло за своето съществуване използва главно химическа енергия.

Таблицата показва данни за количеството енергия, отделена по време на разлагането на органични вещества:

вещество

Колко енергия се отделя

Какви са разделени

Допълнения

По време на окисляването на 1 g протеин се освобождават 17,2 kJ (4,1 kcal)

Разграждане на аминокиселини

В процеса на метаболизма протеините най-накрая се разграждат до въглероден диоксид, вода, съдържащи азот вещества

С разграждането на 1 g мазнини се отделят 38,9 kJ (9,3 kcal)

Разгражда се на мастни киселини и глицерин

Мастните молекули са изградени от въглерод, кислород и водород..

Когато са напълно окислени, от тях се образуват вода и въглероден диоксид.

С разграждането на 1 g въглехидрати се отделя 17,2 kJ (4,1 kcal) енергия.

По време на храносмилането се разпада на обикновена глюкозна захар

Основната част от глюкозата се окислява в организма до въглероден диоксид и вода

Пластмасовият обмен е необходим за „изграждането“ на изгубените части, създаването на нови клетки, за растежа и развитието не само на клетките, но и на целия организъм.

Средно при хората на всеки 80 дни половината от всички тъканни протеини се променя. Чернодробните ензими (особено интензивни реакции се проявяват в него) се актуализират след 2-4 часа, а някои след няколко десетки минути.

Балансът на равновесие или неравновесие на анаболизма и катаболизма зависи от възрастта.

При децата преобладават анаболните процеси, тоест децата активно и бързо растат, увеличават телесното тегло.

При възрастните и двата процеса са в равновесие, но съотношението им може да варира в зависимост от здравословното състояние, физическия и психоемоционалния стрес..

При възрастните хора преобладават процесите на катаболизъм, което води до частично разрушаване на тъканните структури, намаляване на телесното тегло; необходима е повече енергия за поддържане на хомеостазата.

Метаболитни функции:

  • получаване на енергия за функционирането на тялото, поддържане на постоянството на вътрешната среда
  • получаване на строителен материал за растеж и възстановяване на организма: синтез на протеини, нуклеинови киселини, въглехидрати, липиди и други клетъчни компоненти от вещества, получени с храна
  • съхранение на хранителни вещества в клетките и тъканите
  • екскреция на метаболитни продукти

Метаболитна скорост

Заслужава да се отбележи, че метаболизмът в жив организъм е непрекъснат, дори в състояние на пълна почивка, въпреки че интензивността му се забавя.

Метаболитната скорост се изчислява според общата консумация на енергия.

Ако тялото изпълнява голямо физическо натоварване, тогава консумацията на енергия ще бъде голяма. В допълнение към физическата работа, възрастта, полът и други фактори могат да повлияят на скоростта на метаболизма..

Ензимите служат като пряк помощник при метаболитните реакции..

Ензимите са биологични катализатори, които участват във всички химични реакции на разграждането на веществата, извършват превръщането на вещества в организма и ускоряват всички процеси, като по този начин насочват и регулират метаболизма.

Фактори, влияещи на метаболизма:

  • физическа активност (по време на физическа активност метаболизмът се увеличава)
  • възраст: започвайки от 5 години, интензивността на основния метаболизъм постепенно намалява, при възрастните хора метаболизмът се намалява
  • температура: при повишена телесна температура метаболизмът се увеличава (например с повишаване на телесната температура с 1 градус, стойността на основния метаболизъм се увеличава с 13%)

Ако температурата в околната среда е ниска, за да се поддържа постоянна телесна температура, се активират защитни механизми и се засилва метаболизмът, отделя се повече енергия за затопляне на тялото.

При някои организми, напротив, метаболитното забавяне се случва при ниска температура: влечуги, някои бозайници и насекоми попадат в хибернация.

  • сексуален фактор - при младите мъже основният метаболизъм е 1300-1600 килокалории (ккал) на ден, при жените основният метаболизъм е 1100-1400 ккал

Тест към раздела Метаболизъм (метаболизъм)

Можете да вземете теста и да получите оценката, след като влезете или се регистрирате.

Пластмасов обмен. Биосинтеза на протеини. Генетичен код

Протеиновите молекули са неразделна част от клетката, без която тя не може да съществува, тъй като протеините изпълняват много функции в организма, те са част от мембраните, хормоните, ензимите, мускулните влакна и др..

Организмите, независимо дали растенията, животните, бактериите, имат строго определен набор от протеинови молекули.

Именно протеините и различията в тяхната структура формират индивидуален и уникален набор от знаци в индивид, в цели популации и видове.

Около 400 грама различни протеини се разграждат на ден в човешкото тяло, следователно, отново трябва да се образува една и съща маса, така че в клетката протича постоянен процес на образуване на протеини, което е един пример за обмен на пластмаса.

Пластмасов обмен - съвкупност от реакции на образуването на органични вещества в клетка, използваща енергия.

Биосинтезата на белтъците, фотосинтезата, синтеза на нуклеинови киселини са примери за пластичен метаболизъм, по време на който се образува органична материя.

Стойността на обмяната на пластмаса:

  • образуването на строителен материал за създаване на клетъчни структури (синтез на протеини, въглехидрати, мазнини)
  • образуването на органични вещества, които могат да компенсират енергийните разходи на организма
  • образуването на нуклеинови киселини (ДНК, РНК), които са отговорни за съхранението на наследствена информация и синтеза на протеини

Един от най-важните процеси на пластичния метаболизъм е синтеза на протеини..

Синтез на протеини

Вещества и клетъчни структури, участващи в биосинтеза на протеини:

Вещества и клетъчни структури

Функции в протеиновата биосинтеза

Съдържа информация за структурата на протеина, служи като матрица за синтеза на протеини и за всички видове РНК

тРНК (пратеник или пратеник РНК)

Прехвърля информация от ДНК до мястото на сглобяване на протеиновата молекула.

Съдържа генетичен код

Прехвърляне на кодиращи аминокиселини в мястото на биосинтеза на рибозомата.

Органоидът, където се извършва биосинтеза на протеин

Катализиране на биосинтеза на протеини

Строителен материал за изграждане на протеинова молекула

Вещество, което осигурява енергия за всички процеси на биосинтеза на протеини и други процеси на пластичния метаболизъм

Автотрофните организми (растения) образуват протеин от неорганични вещества.

Хетеротрофните организми (животни) образуват протеин от аминокиселини.

Важно е да запомните, че протеинът се състои от аминокиселини, т.е. аминокиселина е мономер на протеин (най-малкият компонент на протеиновата молекула).

20 Аминокиселини (АК) в различни комбинации образуват огромен брой протеинови молекули.

Имам допълнителна информация за тази част от урока.!

Човешкото тяло може да формира независимо от 12 аминокиселини само 12, които се наричат ​​взаимозаменяеми.

Останалите осем аминокиселини трябва да влязат в тялото в завършен вид заедно с протеините на храната, така че те се наричат ​​незаменими.

Есенциални аминокиселини:

  • изолевцин
  • левцин
  • лизин
  • метионин
  • фенилаланин
  • треонин
  • триптофан
  • валин

Ако някакви необходими аминокиселини, необходими за спешното изграждане на протеин, не са навлезли в организма, тогава тялото може да предприеме мярка за унищожаване на собствените си протеини, съдържащи същата аминокиселина.

Повечето животински протеини съдържат всичките осем незаменими аминокиселини в достатъчни количества..

В растителните храни има и протеини с незаменими аминокиселини, например бобовите култури имат много високо съдържание.

Но не всички растителни храни са толкова богати на аминокиселини, нивото на някои незаменими аминокиселини е много ниско..

Генетичен код

Как протича синтезът на такава голяма и сложна протеинова молекула?

Разбира се, основната роля при определянето на структурата на протеина и последователността на аминокиселините в протеина принадлежи на молекулите на ДНК.

ДНК носител на цялата генетична информация в клетката, но не участва пряко в синтеза на протеини, въпреки че една ДНК молекула съдържа информация за няколко десетки протеини.

От предишните уроци не забравяме, че молекулата на ДНК е много дълга и различните й секции са отговорни за образуването на определен вид протеин.

Парче ДНК, което определя синтеза на една единствена протеинова молекула, се нарича ген..

Генът е ДНК двойна спирална област, която съдържа информация за първичната структура на един единствен протеин.

Информацията за протеините може да бъде записана в нуклеиновата киселина само по един начин: като последователност от нуклеотиди.

ДНК съдържа информация за аминокиселинната последователност на всички протеини в тялото. Тази информация се нарича генетична (наследствена) информация.

За превеждане на последователността на нуклеотиди от молекули на ДНК и мРНК в аминокиселинната последователност на синтезираната протеинова молекула се използва специален „код“ или генетичен код.

Генетичен код - запис на наследствена информация под формата на последователност от нуклеотиди в нуклеинови киселини.

Схематично изглежда така:

Реакциите на синтез на органични вещества на базата на друга органична молекула (матрица) се класифицират като реакции на матричен синтез.

Протеиновата биосинтеза се основава на мРНК, която е матрица в процеса на нейното създаване..

Една аминокиселина на протеин е кодирана от три нуклеотида и тази комбинация от три нуклеотиди на ДНК се нарича триплет или кодон.

Генетичният код вече е напълно декриптиран..

По-долу е таблица с аминокиселини, името им е съкратено.

Генетичен код (основите без скоби са бази на мРНК; в скоби червените са ДНК бази)

Как да използвате таблицата с генетичен код?

Таблицата показва три типа основи (първа, втора и трета). Моля, обърнете внимание, че те са дадени в два варианта: без скоби - нуклеотиди на РНК, и в скоби - нуклеотиди на ДНК.

Не е трудно да се използва.

Да предположим, че знаем, че в ДНК има сайт със следния нуклеотиден състав ACC-CTT-ATC. Така че имаме три тройки. Определете кодираните от тези тризнаци аминокиселини.

Търсим причини, които са в скоби (тъй като ни е дадена ДНК), но по-често в задачите е необходимо да намерим аминокиселините, кодиращи областта на тРНК, следователно ДНК обикновено не се търси и на самия изпит в задачите се дава таблица с бази само за мРНК.

Първата тройка от ДНК: A-C-C, погледнете първата основа в таблицата (A), това е първата хоризонтална колона.

На следващо място, потърсете втората основа (С) в пресечната точка на тези две колони, виждаме правоъгълник, в който са разположени четири аминокиселини. След това в най-дясната колона намираме третата основа (С) - това е четвъртият ред, аминокиселина три (триптофан) е посочена там.

Познавайки алгоритъма на действие, можем да решим биологични проблеми и да дешифрираме генетичния код на ДНК, използвайки таблицата на генетичния код.

Ще продължим да решаваме проблема си до края, CT-TT кодира аминокиселината Glu (глутаминова киселина).

ATC-тире е стоп кодон, той не кодира никаква аминокиселина и означава края на синтеза на този протеин.

По този начин ние декодирахме генетичния код и го преведохме в аминокиселинния състав на протеина.

Генетичният код има редица свойства:

1. Триплетен код

Необходимо е да се кодира 20 аминокиселини само в четири нуклеотида.

Ако един нуклеотид кодира една аминокиселина, беше възможно да се кодират само 4 аминокиселини.

За да се кодира 20 аминокиселини, са необходими комбинации от няколко нуклеотида.

Ако вземем комбинации от два нуклеотида, тогава получаваме 4 2 = 16 различни комбинации - това не е достатъчно, тъй като имаме 20 аминокиселини.

Вече ще има 64 комбинации от три нуклеотида (4 3 = 64), т.е. дори повече от необходимото, следователно кодът е триплет, тоест три нуклеотида (триплет) могат да кодират една аминокиселина.

2. Кодът има свойството уникалност и дегенерация

Изглежда неразбираемо, за което са необходими 64 комбинации от нуклеотиди, защото има само 20 аминокиселини?

Оказва се, че една аминокиселина може да бъде кодирана в няколко тройки (до 6), което ви позволява да разнообразите генетичния материал.

Например един и същ протеин в бактериите Е. coli и вирусът на тютюневата мозайка се регистрират в различни триплети.

Различните триплети също се разпознават по различен начин, което влияе върху скоростта на синтеза на протеини от рибозомите и повишава надеждността на кодирането на информацията.

Способността на различни кодони да кодират една аминокиселина се нарича дегенерация на кода.

По-късно се установи, че има три тройки, които не кодират аминокиселини - това са стоп кодони, те означават края на синтеза на един протеин.

Въпреки израждането обаче, неяснотата в генетичния код напълно липсва. Кодоните RNA-GAA и GAG кодират аминокиселината глутамат, но никой от тях не кодира в същото време никаква друга аминокиселина, т.е. всеки триплет кодира строго една конкретна аминокиселина - това свойство на генетичния код се нарича уникалност.

3. Генетичният код е универсален

Гените на всички организми по един и същи начин кодират информация за протеините, независимо от нивото на организация и системната позиция на тези организми.

Например протеинът актин е част от цитоскелета на човешките вируси и мускули.

Аминокиселините на този протеин могат да бъдат кодирани от същите нуклеотидни последователности в ДНК веригата в тялото на вируса, в човешката клетка.

Но не забравяйте за свойството на дегенерация на кода. Тоест, не винаги една аминокиселина е кодирана от едни и същи нуклеотидни последователности в различни организми.

Това свойство има голямо практическо значение и се използва активно в генното инженерство. Благодарение на универсалността на генетичния код, можем да накараме гените на един организъм да работят в друг организъм и да произвеждат функционално активни протеини.

Така генът за растежен хормон се прехвърля в бактерията, за да може да го произведе. По този начин за медицински цели се получава хормон на растежа, който се произвежда в много малки количества в нормалното тяло.

По същия начин на генно инженерство научихме как да произвеждаме хормона инсулин.

Универсалността на генетичния код обаче не е абсолютна.

Известни са няколко генетични системи, в които генетичният код е малко по-различен от универсалния - това е митохондриите. Отклонения от универсалния генетичен код бяха открити и при някои реснички и паразитни бактерии, но във всички тези случаи отклоненията са незначителни..

4. В гена няма „препинателни знаци“ - свойство на компактност

Няма препинателни знаци между кодоните в рамките на един и същи ген..

С други думи, триплетите не са разделени една от друга, например, от един безсмислен нуклеотид.

Отсъствието на „препинателни знаци“ в генетичния код е доказано в експериментите на Ф. Крик и С. Бренер.

По време на тези експерименти учените, използващи мутагенни вещества (акридинови багрила) в гените, причиняват появата на определен тип мутация - загуба или вмъкване на 1 нуклеотид.

Оказа се, че загубата или вмъкването на 1 или 2 нуклеотида винаги причинява разпад на кодирания протеин, но загубата или вмъкването на 3 нуклеотида (или кратния на 3) практически не влияе върху функцията на кодирания протеин..

5. Неприпокриване (дискретност)

Кодът може да се припокрива и да не се припокрива..

В повечето организми кодът не се припокрива, с изключение на вирусите.

Същността на кода без припокриване е, че нуклеотидът на един триплет не може едновременно да бъде нуклеотид на друг триплет.

6. Полярност

Четенето на информация от ДНК и иРНК става само в една посока.

Полярността е важна за определяне на протеиновите структури (първични, вторични и третични).

Етапи на биосинтеза на протеини

Процесът на биосинтеза на протеин може да бъде разделен на два етапа:

  • транскрипция - синтез на РНК - протича в клетъчното ядро
  • транслацията е процес на синтез на протеин - протича в цитоплазмата

За да се разберат етапите на биосинтеза на протеини, е необходимо да се припомнят основните понятия.

ДНК и РНК са изградени от много нуклеотиди.

Нуклеотидът е мономер на нуклеиновите киселини.

Целият нуклеотид обикновено се обозначава с всяка една азотна основа, например A (аденин) или G (гуанин).

Последователността на три нуклеотида се нарича триплет (кодон) и се обозначава например AGC.

Първият етап на протеиновата биосинтеза е транскрипцията

Транскрипцията е процес на транскрибиране на информация от нуклеотидна последователност на ДНК в нуклеотидна последователност на РНК. Този процес протича в клетъчното ядро..

В същото време всеки нуклеотид на една от веригите на ДНК е изправен пред комплементарен нуклеотид на мРНК.

Транскрипцията се предхожда от процеса на размотаване на ДНК сайт.

Двойната спирала на ДНК разгражда ензима ДНК полимераза и след това започва да чете информация от една ДНК спирала и образуването на матрична РНК (мРНК) поради работата на РНК полимеразата.

Процесът на пренаписване на информация върви по принципа на допълване.

Комплементарността е взаимно допълване на азотни основи в молекулата на ДНК и РНК.

Допълване на ДНК нуклеотиди към РНК:

Тъй като в една молекула на ДНК може да има много гени, е много важно РНК полимеразата да започне синтеза на мРНК от строго определен ДНК сайт, в противен случай информацията за протеин, който няма в природата, ще бъде записана в структурата на мРНК, което може да повреди синтезираната молекула катерица.

Следователно в началото на всеки ген е специална специфична нуклеотидна последователност, наречена промотор.

РНК полимераза „разпознава“ промотора, взаимодейства с него и по този начин започва синтеза на веригата на мРНК от правилното място.

Ензимът продължава да синтезира мРНК, добавяйки към него нови нуклеотиди, докато достигне следващия „стоп кодон“ (терминатор) в молекулата на ДНК (това е нуклеотидна последователност, показваща, че синтеза на мРНК трябва да бъде спрян).

След копирането образуваната иРНК напуска клетъчното ядро ​​в цитоплазмата към рибозомата и започва вторият етап на биосинтеза на протеина.

Имам допълнителна информация за тази част от урока.!

Учените „видяха“ как тРНК напускат ядрото.

Създавайки микроскоп, способен да постигне безпрецедентна резолюция, учени от Медицинския колеж на Алберт Айнщайн за първи път видяха транспортиране на иРНК в реално време през ядрените пори на живите клетки.

Учените видяха, че през самото време ядрото на мРНК преминава само за 5 милисекунди, но понякога докирането отнема 80 милисекунди чакане.

И още 80 милисекунди иРНК чака в другия край на пората, преди да се премести в цитоплазмата.

10 процента от иРНК молекулите остават в ядрените пори и чакат достъп, дори за секунди, а не милисекунди.

Учените предполагат, че в тези моменти очакванията за тРНК се тестват за качество.

Това откритие ще ви помогне да разберете как да лекувате определени заболявания, например миотонична дистрофия. В клетките на такива пациенти молекулите на тРНК не могат да излязат от ядрото и да влязат в цитоплазмата

Преди да преминем към втория етап на биосинтезата на протеина, нека разберем принципа на допълняемостта и да се опитаме да решим проблемите.

задача

Фрагмент от ДНК верига има нуклеотидна последователност:

Изградете мРНК според принципа на допълване.

Решение:

Ние знаем принципа на допълване

Ако нуклеотид А е върху ДНК, тогава нуклеотид U върху тРНК съответства на него според принципа на допълване.

Ако ДНК е нуклеотид G, тогава върху тРНК това е нуклеотид С и т.н..

По този начин, ние добавяме веригата на мРНК, използвайки принципа на допълване:

ДНК верига: A-G-C-T-A-C-G-A-T

мРНК верига: У-Ц-Г-А-У-Г-Ц-У-А

Вторият етап на биосинтеза на протеини - превод

Превод - превод на нуклеотидна последователност в протеинова аминокиселинна последователност.

Триплетът от нуклеотиди в горната част на тРНК се нарича антикодон.

Кодонът е тройка нуклеотиди върху тРНК.

При еукариотните организми мРНК се синтезира в ядрото, след което се прехвърля през ядрената мембрана към цитоплазмата до мястото на синтеза на протеини, към рибозомите.

В цитоплазмата задължително трябва да има пълен набор от аминокиселини, необходими за синтеза на протеини.

Тези аминокиселини се образуват при разграждането на протеини, получени от организма от храната..

Аминокиселините трябва да достигнат до рибозомата, а транспортната РНК (tRNA) ги прехвърля към рибозомата.

Една аминокиселина е свързана към една транспортна РНК; всяка аминокиселина има своя собствена тРНК.

В единия край на транспортната РНК има структура на дръжките, към която аминокиселината се прилепва здраво.

В горната част на тРНК е тройка нуклеотиди (антикодон), което съответства на кода за тази аминокиселина.

Триплет от нуклеотиди в горната част на t-РНК. наречен антикодон.

По принцип всички протеини (с изключение на някои случаи) започват с аминокиселината метионин, кодирана от кодона AUG, което е знак за началото на превода.

Рибозомата взаимодейства с иРНК от самия край, където се намира AUG метиониновият код.

След свързването, рибозомата започва да се движи по протежение на тРНК, от края на 3-ия удар до края на 5-ия удар, задържайки се на всеки от неговите участъци, състоящ се от 6 нуклеотида (2 кодона).

Петият край на инсулта е мястото, където е прикрепен фосфорният остатък, третият край на инсулта е мястото, където е прикрепена пентозата (рибоза, в дезоксирибозната ДНК).

Времето на закъснение е само 0,2 s.

През това време молекулата на тРНК, носеща аминокиселината, има време да разпознае комплементарен триплет, т.е. антикодонът на тРНК съответства на кодона на тРНК съгласно принципа на допълване.

Освен това, аминокиселината се отделя от "дръжката" на тРНК и се прикрепя за образуване на пептидна връзка към растящата протеинова верига.

В същия момент следващата t-РНК се приближава до рибозомата, чийто антикодон е допълващ следващия триплет в иРНК, а следващата аминокиселина, донесена от тази тРНК, е включена в растящата протеинова верига.

След това рибозомата се измества от мРНК, забавя се от следните нуклеотиди и всичко се повтаря първо.

На следващо място, рибозомата достига до един от така наречените стоп кодони (UAA, UAH или CAA), които не кодират аминокиселина и сигнализират за завършване на синтеза на този протеин.

Протеиновата верига се отделя от рибозомата, навлиза в цитоплазмата и образува определена структура (първична, вторична, третична, кватернерна, в зависимост от функцията на протеиновата молекула).

Процесът на синтез на протеин се осъществява в много кратки интервали.

Изчислено е, че синтезът на голяма протеинова молекула, състояща се от 300 аминокиселинни остатъка, отнема само около една до две минути. И например синтезата на актин, който се състои от 376 аминокиселини, ще отнеме малко повече от минута.

Имам допълнителна информация за тази част от урока.!

Молекулата на инсулина се състои от две полипептидни вериги.

Единият от тях съдържа 21 аминокиселинни остатъка (верига А), вторият - 30 аминокиселинни остатъци (верига В).

През 1963 г. е синтезиран първият изкуствен инсулинов протеин..

В днешно време методите за синтез на протеини са значително подобрени и синтезът им не е проблем.

Клетката се нуждае не от една, а от много молекули от всеки протеин, следователно, веднага щом рибозомата, първата, която започва синтеза на протеин върху молекулата на мРНК, се придвижва напред, втората рибозома се нанизва върху тази иРНК, която започва да синтезира същия протеин.

Третата и четвъртата рибозома и т.н. могат да бъдат нанизани на една иРНК..

Следователно рибозомите могат да бъдат наречени "растение" за производството на протеини.

Всички рибозоми, синтезиращи протеин върху една молекула на мРНК, се наричат ​​полисом..

Когато синтеза на протеин е завършен, рибозомата може да се свърже с друга молекула на мРНК и да започне да синтезира нов протеин, кодиран в тази молекула на мРНК.

Аминокиселинната последователност в първичната структура на протеина не зависи от рибозомите, а се определя само от нуклеотидната последователност на тРНК.

По този начин преводът е превод на нуклеотидната последователност на иРНК молекула в аминокиселинната последователност на протеинова молекула.

Кратка схема на биосинтеза на протеини:

Етапи на биосинтеза на протеин:

  • подготвителен етап за синтеза на протеини - удвояване на ДНК поради ДНК полимераза
  • Етап 1 - транскрипция: прехвърляне на информация от ДНК към иРНК, поради работата на РНК полимераза
  • Етап 2 - транслация - протеиновият синтез продължава на рибозомата, в посока от края на 3-ия удар до края на 5-ия удар на тРНК до стоп кодона с участието на tRNAs, които носят аминокиселини
  • рибозомата, като достигне стоп кодона, се разпада на 2 части (голяма и малка субединица) и образуваният протеин се освобождава, който е готов да изпълнява характерните си функции

Тест към раздела Пластмасов обмен. Биосинтеза на протеини. Генетичен код

Можете да вземете теста и да получите оценката, след като влезете или се регистрирате.

Регулиране на биосинтезата на протеини

Оперон и репресор

Гените на всички организми по един и същи начин кодират информация за протеините, независимо от нивото на организация и системната позиция на тези организми.

Тези гени съдържат информация за всички протеини, които всеки жив организъм може да синтезира..

Тоест, растителна клетка, например, може да синтезира всеки протеин, който е характерен за хората? и тази способност се използва в генното инженерство.

Веднага искам да задам този въпрос: защо клетките, съдържащи една и съща генетична информация в ядрото си, не произвеждат различни протеини и не синтезират всички протеини наведнъж?

Отговорът се крие в изучаването на механизмите за контрол на синтеза на протеини в клетките, въпреки че естеството на регулаторните процеси не е проучено достатъчно..

Сред теориите, които обясняват естеството на регулаторните процеси, „теорията на оперона“, формулирана от Ф. Якоб и Дж. Моно, придоби най-голяма популярност въз основа на изследвания за синтеза на ензими в бактериите.

Генетичната единица на механизма на регулиране на протеиновия синтез трябва да се счита за оперон.

Съставът на прокариотичния оперон включва:

1. Структурни гени

  • кодират протеини
  • може да бъде един или повече
  • по време на транскрипцията те работят като един-единствен ген: върху тях се синтезира една обща молекула на мРНК, която впоследствие се разцепва

2. Регулаторни елементи

  • промоторът е ДНК нуклеотидна последователност, разпозната от РНК полимераза като изходен тампон за транскрипция
  • Операторът е ДНК нуклеотидна последователност, към която се свързва регулаторен репресорен протеин или активатор
  • терминатор (да не се бърка с регулаторния ген) - част от ДНК в края на оперон, която се разпознава от РНК полимераза като сигнал за спиране на синтеза на РНК молекула

Работата на оператора оперон е повлияна от независим регулаторен ген, който синтезира съответния регулаторен репресорен протеин или активатор протеин.

Не е задължително генният регулатор да се намира до оперона.

Ако операторът има репресорен протеин, тогава РНК полимеразата не може да започне синтеза на мРНК, тъй като не може да се свърже с промотора.

Ако операторът има активатор протеин, тогава той може да бъде сравнен с лепило, което залепва РНК полимераза и оперон.

В резултат на това РНК полимеразата намира промотор и започва синтеза на мРНК.

РНК полимеразата напредва по протежение на структурния ген на ДНК и чете информация, превеждайки я в мРНК нуклеотиди.

След като РНК полимеразата достигне до терминатора, синтезата върху мРНК приключва. След това РНК полимеразата се отделя от ДНК сайта и отново се изпраща към процеса на образуване на мРНК.

Получената иРНК напуска ядрото и се изпраща в цитоплазмата, където на рибозомите се образува протеин.

При еукариотите регулирането на синтеза на протеини е много по-сложно и все още не се разбира добре, но е известно следното:

  • протеините могат да бъдат кодирани в гените на различни ДНК, а не в същата ДНК като в бактериите
  • самите гени са по-сложни, имат "мълчаливи" секции, от които иРНК не се чете, но които са в състояние да регулират работата на съседни ДНК секции
  • координацията на работата на гените се осъществява на нивото на целия организъм и главно с помощта на хормони, които могат да блокират работата на гена, а също така могат да активират

Трябва да се отбележи, че синтезът на протеини изисква голям разход на енергия от клетката..

Имам допълнителна информация за тази част от урока.!

Може да се предположи, че някои от "празните" гени в различни клетки се губят и унищожават, но редица експерименти са доказали, че това не е така..

При определени условия от чревната клетка на помпата може да се отглежда цяла жаба, което е възможно само ако цялата генетична информация е запазена в ядрото на тази клетка..

Следователно във всяка клетка на многоклетъчен организъм се използва само част от генетичната информация, съдържаща се в нейната ДНК..

Това означава, че трябва да съществуват механизми, които "включват" или "изключват" работата на определен ген в различни клетки.

МЕТАБОЛИЗЪМ

МЕТАБОЛИЗЪМ, или метаболизъм, химични трансформации, които се случват от момента, в който хранителните вещества влизат в живото тяло до изпускането на крайните продукти от тези трансформации във външната среда. Метаболизмът включва всички реакции, в резултат на които се изграждат структурните елементи на клетките и тъканите и процеси, при които енергия се извлича от вещества, съдържащи се в клетките. Понякога, за удобство, два аспекта на метаболизма се разглеждат отделно - анаболизъм и катаболизъм, т.е. процесите на създаване на органични вещества и процесите на тяхното унищожаване. Анаболните процеси обикновено се свързват с разхода на енергия и водят до образуването на сложни молекули от по-прости, докато катаболните процеси се съпровождат с освобождаване на енергия и завършват с образуването на такива крайни продукти (отпадъци) на метаболизма като урея, въглероден диоксид, амоняк и вода.

Терминът "метаболизъм" влезе в ежедневието, тъй като лекарите започнаха да свързват наднормено тегло или поднормено тегло, прекомерна нервност или, обратно, летаргия на пациент с повишен или намален метаболизъм. За да преценят метаболизма, те поставят тест за "базален метаболизъм". Базалният метаболизъм е показател за способността на организма да генерира енергия. Тестът се извършва на празен стомах в покой; измервайте поглъщането на кислород (O2) и отделянето на въглероден диоксид (CO2) Сравнявайки тези стойности, те определят колко пълноценно тялото използва ("изгаря") хранителни вещества. Интензивността на метаболизма се влияе от хормоните на щитовидната жлеза, следователно лекарите при диагностицирането на заболявания, свързани с метаболитни нарушения, през последните години все повече измерват нивото на тези хормони в кръвта. Вижте също THYROID GLAND.

Изследователски методи.

При изучаване на метаболизма на което и да е от хранителните вещества, всички негови трансформации се проследяват от формата, в която той влиза в тялото, до крайните продукти, изхвърлени от тялото. Такива изследвания използват изключително разнообразен набор от биохимични методи..

Използване на непокътнати животни или органи.

Изпитваното съединение се прилага на животното и след това се определят възможни продукти на трансформации (метаболити) на това вещество в неговата урина и екскременти. По-конкретна информация може да бъде получена чрез изследване на метаболизма на конкретен орган, като черен дроб или мозък. В тези случаи веществото се инжектира в съответния кръвоносен съд и метаболитите се определят в кръвта, изтичаща от този орган.

Тъй като подобни процедури са изпълнени с големи трудности, често за изследване се използват тънки участъци от органи. Те се инкубират при стайна температура или при телесна температура в разтвори с добавяне на веществото, чийто метаболизъм се изучава. Клетките в такива препарати не се повреждат и тъй като секциите са много тънки, веществото лесно прониква в клетките и лесно ги оставя. Понякога възникват трудности поради твърде бавното преминаване на вещество през клетъчните мембрани. В тези случаи тъканите се раздробяват, за да унищожат мембраните и целулозата се инкубира с изпитваното вещество. Именно в такива експерименти беше показано, че всички живи клетки окисляват глюкозата до СО2 вода и че само чернодробната тъкан е способна да синтезира урея.

Използване на клетки.

Дори клетките са много сложни организирани системи. Те имат ядро, а в заобикалящата цитоплазма има по-малки тела, т.нар органели с различни размери и консистенции. Използвайки подходящата техника, тъканта може да бъде "хомогенизирана" и след това да бъде подложена на диференциално центрофугиране (разделяне), за да се получат препарати, съдържащи само митохондрии, само микрозоми или бистра течност - цитоплазма. Тези лекарства могат да бъдат инкубирани индивидуално със съединението, чийто метаболизъм се изучава и по този начин е възможно да се установи кои субклетъчни структури участват в неговите последователни трансформации. Има случаи, когато първоначалната реакция протича в цитоплазмата, нейният продукт претърпява трансформация в микрозоми и продуктът на тази трансформация навлиза в нова реакция вече в митохондриите. Инкубацията на изследваното вещество с живи клетки или с тъканен хомогенат обикновено не разкрива отделни етапи от неговия метаболизъм, а само последователни експерименти, при които определени инцеклетъчни структури се използват за инкубация, ни позволяват да разберем цялата верига от събития.

Използването на радиоактивни изотопи.

За да се изследва метаболизма на дадено вещество, е необходимо: 1) подходящи аналитични методи за определяне на това вещество и неговите метаболити; и 2) методи за разграничаване на добавено вещество от същото вещество, което вече присъства в даден биологичен препарат. Тези изисквания послужиха като основна пречка при изследването на метаболизма до откриването на радиоактивни изотопи на елементи и на първо място радиоактивен въглерод от 14 С. С появата на съединения, обозначени с 14 С, както и инструменти за измерване на слаба радиоактивност, тези трудности бяха преодолени. Ако белязана 14 С мастна киселина се добави към биологичен препарат, например, към суспензия на митохондрии, тогава не се изискват специални анализи, за да се определят продуктите от неговите трансформации; за да се оцени скоростта на използването му, е достатъчно просто да се измери радиоактивността на последователно получените фитофракции на митохондриите. Същата техника улеснява разграничаването на молекулите на радиоактивната мастна киселина, въведена от експериментатора, и молекулите на мастните киселини, които вече присъстват в митохондриите до началото на експеримента..

Хроматография и електрофореза.

В допълнение към гореспоменатите изисквания, биохимиците също се нуждаят от методи за разделяне на смеси от малки количества органични вещества. Най-важната от тях е хроматографията, която се основава на феномена на адсорбция. Разделянето на компонентите на сместа се извършва или на хартия, или чрез адсорбция върху сорбента, който запълва колоните (дълги стъклени тръби), последвано от постепенно елуиране (излугване) на всеки от компонентите.

Разделянето на електрофорезата зависи от знака и броя на зарядите на йонизирани молекули. Електрофорезата се извършва на хартия или върху някакъв инертен (неактивен) носител, като нишесте, целулоза или каучук..

Високо чувствителен и ефективен метод за разделяне е газовата хроматография. Използва се в случаите, когато веществата, които трябва да се отделят, са в газообразно състояние или могат да се прехвърлят в него..

Ензимна изолация.

Последното място в описаната серия - животно, орган, тъканна секция, хомогенат и фракция от клетъчни органели - е заето от ензим, способен да катализира специфична химическа реакция. Пречистената ензимна изолация е важен раздел в изследването на метаболизма.

Комбинацията от тези методи ни позволи да проследим основните метаболитни пътища в повечето организми (включително хората), да установим къде точно се случват тези различни процеси и да открием последователните етапи на основните метаболитни пътища. Към днешна дата са известни хиляди индивидуални биохимични реакции и се изучават ензимите, участващи в тях..

Клетъчен метаболизъм.

Живата клетка е високо организирана система. Той има различни структури, както и ензими, които могат да ги унищожат. В него се съдържат и големи макромолекули, които могат да се разпаднат на по-малки компоненти в резултат на хидролиза (разделяне под въздействието на водата). Клетката обикновено има много калий и много малко натрий, въпреки че клетката съществува в среда, в която има много натрий, а калият е сравнително малък и клетъчната мембрана е лесно пропусклива и за двата йона. Следователно клетката е химическа система, която е много далеч от равновесието. Равновесието се проявява само в процеса на следсмъртна автолиза (самосмилане под действието на собствените му ензими).

Изискване за енергия.

За да поддържате системата в състояние, далеч от химическото равновесие, е необходима работа и това изисква енергия. Получаването на тази енергия и извършването на тази работа е задължително условие клетката да остане в неподвижно (нормално) състояние, далеч от равновесие. В същото време тя извършва и друга работа, свързана с взаимодействието с околната среда, например: в мускулните клетки - свиване; в нервните клетки - провеждане на нервен импулс; в клетките на бъбреците - образуването на урина, значително различна по състав от кръвната плазма; в специализирани клетки на стомашно-чревния тракт - синтез и секреция на храносмилателни ензими; в клетките на ендокринната жлеза - хормонална секреция; в клетките на светулките - сияят; в клетките на някои риби - генерирането на електрически разряди и т.н..

Енергиен източник.

Във всеки от горните примери, директният източник на енергия, който клетката използва за производство на работа, е енергията, съдържаща се в структурата на аденозин трифосфат (АТФ). Поради естеството на структурата си, това съединение е богато на енергия и разкъсването на връзките между неговите фосфатни групи може да се случи по такъв начин, че освободената енергия се използва за производство на работа. Въпреки това, енергията не може да стане достъпна за клетката с обикновен хидролитичен разрив на АТФ фосфатни връзки: в този случай тя се губи, отделя се под формата на топлина. Процесът трябва да се състои от два последователни етапа, във всеки от които е посочен междинен продукт, обозначен тук X - Ф (в дадените уравнения X и Y означават две различни органични вещества; Ф - фосфат; ADP - аденозин дифосфат):

Тъй като АТФ е необходим за почти всяка проява на активност на клетките, не е изненадващо, че метаболитната активност на живите клетки е насочена предимно към синтеза на АТФ. За тази цел се използват различни сложни реакционни последователности, в които потенциалната химическа енергия, съдържаща се в молекулите на въглехидрати и мазнини (липиди).

МЕТАБОЛИЗЪМ НА въглехидрати и липиди

ATP синтез.

Анаеробно (без кислород). Основната роля на въглехидратите и липидите в клетъчния метаболизъм е, че разцепването им в по-прости съединения осигурява синтез на АТФ. Няма съмнение, че същите процеси са се случвали в първите, най-примитивни клетки. Въпреки това, в атмосфера без кислород, пълното окисляване на въглехидрати и мазнини до СО2 беше невъзможно. Тези примитивни клетки обаче имаха механизми, чрез които пренареждането на структурата на глюкозната молекула гарантира синтеза на малки количества АТФ. Говорим за процеси, които микроорганизмите наричат ​​ферментация. Ферментацията на глюкозата до етанол и СО е най-добре проучена.2 в мая.

По време на 11 последователни реакции, необходими за завършване на тази трансформация, се образуват серия от междинни продукти, които са естери на фосфорната киселина (фосфати). Тяхната фосфатна група се прехвърля в аденозин дифосфат (ADP) с образуването на АТФ. Нетният добив на АТФ е 2 ATP молекули за всяка глюкозна молекула, разцепена по време на ферментацията. Подобни процеси протичат във всички живи клетки; тъй като доставят енергията, необходима за живота, понякога (не съвсем правилно) се наричат ​​анаеробно клетъчно дишане.

При бозайниците, включително хората, този процес се нарича гликолиза и неговият краен продукт е млечна киселина, а не алкохол и СО.2. Цялата последователност на реакции на гликолиза, с изключение на последните два етапа, е напълно идентична с процеса в клетките на дрожди..

Аеробни (с използване на кислород). С появата на кислород в атмосферата, източникът на който очевидно е фотосинтезата на растенията, механизъм, разработен по време на еволюцията, който осигурява пълното окисляване на глюкозата до СО2 и вода, аеробен процес, при който нетният добив на АТФ е 38 ATP молекули на окислена глюкозна молекула. Този процес на консумация на кислород от клетките за образуване на богати на енергия съединения е известен като клетъчно дишане (аеробно). За разлика от анаеробния процес, осъществяван от цитоплазмените ензими, в митохондриите протичат окислителни процеси. В митохондриите пировиновата киселина, междинен продукт, образуван в анаеробната фаза, се окислява до СО2 в шест последователни реакции, във всяка от които двойка електрони се прехвърлят към общ акцептор - коензим никотинамид аденинов динуклеотид (NAD). Тази реакционна последователност се нарича цикъл на трикарбоксилна киселина, цикъл на лимонена киселина или цикъл на Кребс. От всяка глюкозна молекула се образуват 2 молекули пировинова киселина; 12 двойки електрони се разцепват от молекулата на глюкозата по време на нейното окисляване, описано от уравнението:

Пренос на електрон.

Всяка митохондрия има механизъм, чрез който редуцираният NAD (NAD H, където Н е водород), образуван в цикъла на трикарбоксилната киселина, прехвърля електронната си двойка в кислород. Миграцията обаче не се осъществява директно. Електроните, като че ли, се предават „от ръка на ръка“ и, само преминавайки веригата от носители, са прикрепени към кислорода. Тази "верига за пренос на електрон" се състои от следните компоненти:

NADNH N ® Flavinadeninindincleotide ® Коензим Q ®

® Цитохром b ® Цитохром c ® Цитохром a ® O2

Всички компоненти на тази система, разположени в митохондриите, са фиксирани в пространството и свързани помежду си. Това състояние улеснява пренасянето на електрон.

NAD съдържа никотинова киселина (витамин ниацин), а флавин аденин динуклеотид съдържа рибофлавин (витамин В2) Коензим Q е високомолекулен хинон, синтезиран в черния дроб, а цитохромите са три различни протеини, всеки от които, подобно на хемоглобина, съдържа хемогрупа.

Във веригата за прехвърляне на електрони към всяка електронна двойка, прехвърлена от NAD H N в O2, 3 ATP молекули се синтезират. Тъй като 12 двойки електрони се разделят и се прехвърлят в NAD молекули от всяка глюкозна молекула, за всяка молекула глюкоза се образуват общо 3 ґ 12 = 36 ATP молекули. Този процес на образуване на АТФ по време на окисляване се нарича окислително фосфорилиране..

Липидите като източник на енергия.

Мастните киселини могат да се използват като източник на енергия по същия начин като въглехидратите. Окисляването на мастните киселини протича чрез последователно разцепване на дву въглероден фрагмент от молекула на мастна киселина до образуване на ацетил коензим А (ацетил-КоА) и едновременно прехвърляне на две двойки електрони във веригата за пренос на електрон. Полученият ацетил-КоА е нормален компонент от цикъла на трикарбоксилната киселина и впоследствие съдбата му не се различава от съдбата на ацетил-КоА, доставен чрез метаболизма на въглехидратите. По този начин механизмите на синтеза на АТФ по време на окислението както на мастните киселини, така и на метаболитите на глюкозата са почти идентични.

Ако тялото на животното получава енергия почти изцяло поради самото окисление на мастните киселини и това се случва например по време на глад или диабет, тогава скоростта на образуване на ацетил-КоА надвишава скоростта на окисляването му в цикъла на трикарбоксилната киселина. В този случай излишните молекули на ацетил-КоА реагират помежду си, в резултат на което в крайна сметка се образуват ацетооцетна и b-хидроксимаслена киселини. Натрупването им е причината за патологичното състояние, т.нар кетоза (вид ацидоза), която при тежък диабет може да причини кома и смърт.

Енергиен запас.

Животните се хранят нередовно и тялото им трябва по някакъв начин да запаси енергията, затворена в храната, чийто източник са въглехидратите и мазнините, абсорбирани от животното. Мастните киселини могат да се съхраняват като неутрални мазнини в черния дроб или в мастната тъкан. Въглехидратите, пристигащи в големи количества, се хидролизират в стомашно-чревния тракт до глюкоза или други захари, които след това се превръщат в същата глюкоза в черния дроб. Тук от глюкозата се синтезира гигантски гликогенен полимер чрез прикрепване на глюкозни остатъци един към друг с отстраняването на водни молекули (броят на глюкозните остатъци в гликогенните молекули достига 30 000). Когато има нужда от енергия, гликогенът отново се разгражда до глюкоза при реакция, продуктът на която е глюкозофосфат. Този глюкозен фосфат е насочен към пътя на гликолизата, процес, който представлява част от пътя на окисляване на глюкозата. В черния дроб глюкозният фосфат също може да бъде подложен на хидролиза, а получената глюкоза навлиза в кръвния поток и се доставя от кръвта до клетки в различни части на тялото..

Синтезът на липиди от въглехидрати.

Ако количеството въглехидрати, абсорбирани с храната наведнъж, е повече от това, което може да се съхранява под формата на гликоген, тогава излишъкът от въглехидрати се превръща в мазнини. Първоначалната последователност на реакциите съвпада с обичайния окислителен път, т.е. първо, ацетил-КоА се образува от глюкоза, но след това този ацетил-КоА се използва в клетъчната цитоплазма за синтеза на дълговерижни мастни киселини. Процесът на синтез може да бъде описан като обръщане на обичайния процес на окисляване на мастните клетки. Тогава мастните киселини се съхраняват под формата на неутрални мазнини (триглицериди), които се отлагат в различни части на тялото. Когато е необходима енергия, неутралните мазнини се подлагат на хидролиза и мастните киселини навлизат в кръвта. Тук те се адсорбират от молекули на плазмените протеини (албумин и глобулин) и след това се абсорбират от различни видове клетки. При животните няма механизми, способни да синтезират глюкоза от мастни киселини, но такива механизми съществуват в растенията..

Липиден метаболизъм.

Липидите влизат в тялото главно под формата на триглицериди на мастни киселини. В червата, под действието на панкреатичните ензими, те се подлагат на хидролиза, чиито продукти се абсорбират от клетките на чревната стена. Тук от тях отново се синтезират неутрални мазнини, които влизат в кръвта през лимфната система и се транспортират до черния дроб или се съхраняват в мастната тъкан. Вече беше посочено, че мастните киселини могат да се синтезират отново от прекурсори на въглехидрати. Трябва да се отбележи, че въпреки че включването на една двойна връзка в молекулите на дълговерижни мастни киселини (между C - 9 и C - 10) може да се случи в клетките на бозайниците, тези клетки не могат да включат втората и третата двойна връзка. Тъй като мастните киселини с две и три двойни връзки играят важна роля в метаболизма на бозайниците, те по същество са витамини. Следователно линолова (С18: 2) и линоленова (С18: 3) киселините се наричат ​​незаменими мастни киселини. В същото време, в клетките на бозайниците, четвърта двойна връзка може да бъде включена в линоленова киселина, а арахидоновата киселина може да се образува чрез удължаване на въглеродната верига (С20: 4), също необходим участник в метаболитните процеси.

В процеса на липиден синтез остатъците от мастни киселини, свързани с коензим А (ацил-КоА), се прехвърлят в глицерофосфат - естер на фосфорна киселина и глицерол. В резултат на това се образува фосфатидна киселина - съединение, в което една хидроксилна група глицерол се естерифицира с фосфорна киселина и две групи с мастни киселини. При образуването на неутрални мазнини фосфорната киселина се отстранява чрез хидролиза и трета мастна киселина заема мястото си в резултат на реакцията с ацил-КоА. Коензим А се образува от пантотенова киселина (един от витамините). Молекулата му има сулфхидрилна (- SH) група, способна да реагира с киселини, за да образува тиоестери. При образуването на фосфолипиди фосфатидната киселина реагира директно с активирано производно на една от азотните основи, като холин, етаноламин или серин.

С изключение на витамин D, всички стероиди (производни на сложни алкохоли), открити при животните, лесно се синтезират от самия организъм. Те включват холестерол (холестерол), жлъчни киселини, мъжки и женски полови хормони и надбъбречни хормони. Във всеки случай ацетил CoA е изходният материал за синтеза: въглеродният скелет на синтезираното съединение е изграден от ацетилни групи чрез многократно повтаряне на кондензация.

ПРОТЕЙН МЕТАБОЛИЗЪМ

Синтез на аминокиселини.

Растенията и повечето микроорганизми могат да живеят и да растат в среда, в която за храненето им са достъпни само минерали, въглероден диоксид и вода. Това означава, че всички организми, намиращи се в тях, се синтезират от самите тези организми. Протеините, открити във всички живи клетки, са изградени от 21 вида аминокиселини, свързани в различни последователности. Аминокиселините се синтезират от живи организми. Във всеки случай серия от химични реакции води до образуването на а-кетокиселина. Една такава а-кетокиселина, а-кетоглутаровата киселина (обичайният компонент на цикъла на трикарбоксилната киселина), участва в свързването на азота съгласно следното уравнение:

a-кетоглутанова киселина + NH3 + NAD H N ®

® глутаминова киселина + NAD.

Азотът на глутаминова киселина може след това да бъде прехвърлен към някоя от другите а-кетокиселини, за да образува съответната аминокиселина.

Човешкото тяло и повечето други животни запазиха способността да синтезират всички аминокиселини с изключение на девет т.нар незаменими аминокиселини. Тъй като кетокиселините, съответстващи на тези девет, не се синтезират, есенциалните аминокиселини трябва да идват от храната.

Синтез на протеини.

Аминокиселините са необходими за биосинтеза на протеини. Процесът на биосинтеза обикновено протича по следния начин. В клетъчната цитоплазма всяка аминокиселина се "активира" в реакция с АТФ и след това се свързва към крайната група на молекулата на рибонуклеиновата киселина, специфична за тази аминокиселина. Тази сложна молекула се свързва с малко тяло, т.нар рибозомата, в позиция, определена от по-дълга молекула рибонуклеинова киселина, прикрепена към рибозомата. След като всички тези сложни молекули са правилно подредени, връзките между първоначалната аминокиселина и рибонуклеиновата киселина се нарушават и възникват връзки между съседни аминокиселини - синтезира се специфичен протеин. Процесът на биосинтеза доставя протеини не само за растежа на тялото или за секрецията в околната среда. Всички протеини на живи клетки претърпяват разлагане във времето до съставните им аминокиселини и клетките трябва да бъдат синтезирани отново, за да поддържат живота..

Синтез на други съединения, съдържащи азот.

При бозайниците аминокиселините се използват не само за биосинтеза на протеини, но и като изходен материал за синтеза на много съединения, съдържащи азот. Тирозиновата аминокиселина е предшественик на хормоните адреналин и норепинефрин. Най-простият аминокиселина глицин е изходният материал за биосинтеза на пурини, които са част от нуклеиновите киселини, и порфирините, които са част от цитохромите и хемоглобина. Аспарагиновата киселина е предшественик на пиримидините на нуклеиновите киселини. Метиловата група метионин се предава на редица други съединения по време на биосинтезата на креатин, холин и саркозин. При биосинтезата на креатин гуанидиновата група аргинин също се прехвърля от едно съединение в друго. Триптофанът служи като прекурсор на никотиновата киселина, а витамин като пантотенова киселина се синтезира от валин в растенията. Всичко това са само някои примери за използването на аминокиселини в процесите на биосинтеза..

Азотът, абсорбиран от микроорганизмите и висшите растения под формата на амониев йон, се изразходва почти изцяло за образуването на аминокиселини, от които след това се синтезират много съединения, съдържащи азот от живи клетки. Нито растенията, нито микроорганизмите абсорбират прекомерните количества азот. За разлика от тях, при животните количеството на абсорбиран азот зависи от протеините, съдържащи се в храната. Целият азот, който е постъпил в тялото под формата на аминокиселини и не е бил използван в процеса на биосинтеза, бързо се отделя от организма с урината. Случва се по следния начин. В черния дроб неизползваните аминокиселини прехвърлят азота си в α-кетоглутаровата киселина, като образуват глутаминова киселина, която се дезаминира, освобождавайки амоняк. Освен това, амонячният азот може или временно да се съхранява чрез синтез на глутамин, или веднага да се използва за синтезиране на урея в черния дроб.

Глутаминът има друга роля. Той може да претърпи хидролиза в бъбреците с освобождаването на амоняк, който навлиза в урината в замяна на натриеви йони. Този процес е изключително важен като средство за поддържане на киселинно-алкален баланс в тялото на животно. Почти целият амоняк, произхождащ от аминокиселини и евентуално от други източници, се превръща в урея в черния дроб, така че обикновено в кръвта почти няма свободен амоняк. Въпреки това, при определени условия, урината съдържа доста значителни количества амоняк. Този амоняк се образува в бъбреците от глутамин и преминава в урината в замяна на натриеви йони, които по този начин се резорбират и задържат в организма. Този процес се засилва от развитието на ацидоза, състояние, при което тялото се нуждае от допълнителни количества натриеви катиони, за да свърже излишните бикарбонатни йони в кръвта.

Прекомерното количество пиримидини също се разгражда в черния дроб чрез серия от реакции, при които се отделя амоняк. Що се отнася до пурините, техният излишък претърпява окисляване с образуването на пикочна киселина, отделяна с урината при хора и други примати, но не и при други бозайници. При птиците няма механизъм за синтеза на урея и именно пикочната киселина, а не уреята, това е техният краен продукт от обмяната на всички съединения, съдържащи азот.

Нуклеинова киселина.

Структурата и синтезът на тези азотсъдържащи съединения са описани подробно в статията NUCLEIC ACIDS.

ОБЩИ ПРЕДСТАВИТЕЛИ ЗА МЕТАБОЛИЗМЕОРГАНИЧНИ ВЕЩЕСТВА

Можете да формулирате някои общи понятия или "правила" относно метаболизма. Следват няколко основни „правила“, за да разберем по-добре как протича и регулира метаболизма.

1. Метаболитните пътища са необратими. Разпадът никога не следва път, който би бил просто преобръщане на синтезните реакции. Други ензими и други междинни продукти участват. Често в различни клетъчни отделения протичат противно насочени процеси. И така, мастните киселини се синтезират в цитоплазмата с участието на един набор от ензими и се окисляват в митохондриите с участието на напълно различен набор.

2. Ензимите в живите клетки са достатъчни, така че всички известни метаболитни реакции да протичат много по-бързо, отколкото обикновено се наблюдава в организма. Следователно в клетките има някои регулаторни механизми. Открити са различни видове механизми..

а) Фактор, ограничаващ скоростта на метаболитните трансформации на дадено вещество, може да бъде навлизането на това вещество в клетката; именно в този случай регулацията е насочена именно към този процес. Ролята на инсулина, например, е свързана с факта, че той, очевидно, улеснява навлизането на глюкоза във всички клетки, докато глюкозата претърпява трансформации със скоростта, с която пристига. По подобен начин проникването на желязо и калций от червата в кръвта зависи от процесите, чиято скорост се регулира.

б) Вещества, далеч не винаги могат свободно да се движат от едно клетъчно отделение в друго; има доказателства, че вътреклетъчният транспорт се регулира от определени стероидни хормони.

в) Бяха идентифицирани два вида сервомеханизми с „отрицателна обратна връзка“.

При бактерии бяха открити примери, че наличието на продукт от реакционна последователност, например, аминокиселина, инхибира биосинтезата на един от ензимите, необходими за образуването на тази аминокиселина.

Във всеки случай ензимът, чиято биосинтеза е засегната, е отговорен за първия "определящ" етап (реакция 4 в схемата) на метаболитния път, водещ до синтеза на тази аминокиселина.

Вторият механизъм се разбира добре при бозайниците. Това е просто инхибиране от крайния продукт (в нашия случай аминокиселина) на ензима, отговорен за първия "определящ" етап на метаболитния път.

Друг вид контрол на обратната връзка е приложим в случаите, когато окисляването на междинните продукти от цикъла на трикарбоксилната киселина е свързано с образуването на АТФ от ADP и фосфат по време на окислително фосфорилиране. Ако целият запас от фосфат и (или) ADP вече е изчерпан, окисляването спира и може да се възобнови едва след като този запас стане достатъчен отново. По този начин окисляването, чиято цел е да доставя полезна енергия под формата на АТФ, възниква само когато е възможен синтез на АТФ.

3. Сравнително малък брой градивни елементи участват в биосинтетичните процеси, всеки от които се използва за синтезиране на много съединения. Сред тях са ацетил коензим А, глицерофосфат, глицин, карбамилфосфат, който доставя карбамил (Н2N - CO–) група, производни на фолиева киселина, които служат като източник на хидроксиметил и формил групи, S-аденозилметионин - източник на метилови групи, глутаминова и аспарагинова киселина, които доставят амино групи, и накрая, глутамин - източник на амидни групи. От този сравнително малък брой компоненти са изградени всички онези различни съединения, които намираме в живите организми.

4. Простите органични съединения рядко участват директно в метаболитните реакции. Обикновено те първо трябва да бъдат "активирани", като се прикрепят към едно от редица съединения, използвани универсално в метаболизма. Глюкозата, например, може да претърпи окисляване само след като се естерифицира с фосфорна киселина, като за останалите й трансформации трябва да се естерифицира с уридин дифосфат. Мастните киселини не могат да участват в метаболитни трансформации, преди да образуват естери с коензим А. Всеки от тези активатори е или свързан с един от нуклеотидите, съставляващи рибонуклеиновата киселина, или се образува от някакъв вид витамин. В това отношение е лесно да се разбере защо витамините се изискват в толкова малки количества. Те се изразходват за образуването на „коензими“ и всяка коензимна молекула се използва многократно през целия живот на организма, за разлика от основните хранителни вещества (например глюкоза), всяка молекула от които се използва само веднъж.

В заключение трябва да се каже, че терминът "метаболизъм", който по-рано означаваше нещо не по-сложно от просто използването на въглехидрати и мазнини в организма, сега се използва за обозначаване на хиляди ензимни реакции, цялата комбинация от които може да бъде представена като огромна мрежа от метаболитни пътища, които се пресичат много пъти ( поради наличието на общи междинни продукти) и контролирани от много фини регулаторни механизми.

МЕТАБОЛИЗЪМ НА МИНЕРАЛНИ ВЕЩЕСТВА

Относително съдържание.

Различни елементи, открити в живите организми, са изброени по-долу в низходящ ред в зависимост от относителното им съдържание: 1) кислород, въглерод, водород и азот; 2) калций, фосфор, калий и сяра; 3) натрий, хлор, магнезий и желязо; 4) манган, мед, молибден, селен, йод и цинк; 5) алуминий, флуор, силиций и литий; 6) бром, арсен, олово и вероятно някои други.

Кислородът, въглеродът, водородът и азотът са елементите, които изграждат меките тъкани на тялото. Те са част от съединения като въглехидрати, липиди, протеини, вода, въглероден диоксид и амоняк. Изброени в параграфи елементи. 2 и 3, обикновено са в тялото под формата на едно или повече неорганични съединения и елементите от параграфи. 4, 5 и 6 присъстват само в следи от количества и затова се наричат ​​микроелементи.

Разпределение в тялото.

калций.

Калцият присъства главно в костната тъкан и в зъбите, главно под формата на фосфат и в малки количества под формата на карбонат и флуорид. Калцият, идващ от храната, се абсорбира главно в горните черва, които имат слабо кисела реакция. Витамин D допринася за това усвояване (само 20-30% от хранителния калций се усвоява от хората). Под действието на витамин D чревните клетки произвеждат специален протеин, който свързва калция и улеснява прехвърлянето му през чревната стена в кръвта. На абсорбцията се влияе и наличието на някои други вещества, по-специално фосфат и оксалат, които в малки количества насърчават абсорбцията, но в големи количества, напротив, потискат го.

Около половината от калция в кръвта се свързва с протеина, останалата част са калциевите йони. Съотношението на йонизирани и нейонизирани форми зависи от общата концентрация на калций в кръвта, както и от съдържанието на протеин и фосфат и концентрацията на водородни йони (pH на кръвта). Фракцията неионизиран калций, която се влияе от нивото на протеина, ви позволява индиректно да прецените качеството на храненето и ефективността на черния дроб, в който се осъществява синтезът на плазмени протеини.

Количеството йонизиран калций се влияе, от една страна, на витамин D и фактори, влияещи на абсорбцията, а от друга - на паращитовидния хормон и, вероятно, и на витамин D, тъй като и двете вещества регулират както скоростта на отлагане на калций в костната тъкан, така и нейната мобилизация, т.е. излугване от кости. Излишъкът от паратиреоиден хормон стимулира отделянето на калций от костната тъкан, което води до повишаване на концентрацията му в плазмата. Чрез промяна на скоростта на абсорбция и екскреция на калций и фосфат, както и скоростта на образуване и разрушаване на костната тъкан, тези механизми строго контролират концентрацията на калций и фосфат в кръвния серум. Калциевите йони играят регулаторна роля в много физиологични процеси, включително при нервни реакции, свиване на мускулите и коагулация на кръвта. Екскрецията на калций от организма протича нормално главно (с 2/3) през жлъчката и червата и в по-малка степен (1/3) през бъбреците.

фосфор.

Метаболизмът на фосфора - един от основните компоненти на костната тъкан и зъбите - до голяма степен зависи от същите фактори като калциевия метаболизъм. Фосфорът под формата на фосфат също присъства в организма в стотици различни физиологично важни органични естери. Паратиреоидният хормон стимулира отделянето на фосфор с урината и освобождаването му от костната тъкан; по този начин той регулира концентрацията на фосфор в кръвната плазма.

натрий.

Натрият - основният катион на извънклетъчната течност - заедно с протеин, хлорид и бикарбонат играе решаваща роля за регулиране на осмотичното налягане и рН (концентрация на водородни йони) на кръвта. За разлика от тях, клетките съдържат много малко натрий, тъй като имат механизъм за отстраняване на натриеви йони и задържане на калиеви йони. Целият натрий над нуждите на организма се отделя много бързо чрез бъбреците..

Тъй като натрият се губи във всички процеси на екскреция, той трябва постоянно да се поглъща с храната. При ацидоза, когато е необходимо големи количества аниони (например хлорид или ацетоацетат) да се отделят от тялото, бъбреците предотвратяват прекомерната загуба на натрий поради образуването на амоняк от глутамин. Екскрецията на натрий през бъбреците се регулира от хормона на надбъбречната кора - алдостерон. Под действието на този хормон достатъчно количество натрий се връща в кръвта, за да се поддържа нормално осмотично налягане и нормален обем на извънклетъчната течност..

Дневната потребност от натриев хлорид е 5–10 г. Тази стойност се увеличава с усвояването на големи количества течност, когато потенето се засилва и се отделя повече урина.

калий.

За разлика от натрия, калият се намира в големи количества в клетките, но не е достатъчно в извънклетъчната течност. Основната функция на калия е регулирането на вътреклетъчното осмотично налягане и поддържането на киселинно-алкален баланс. Той също така играе важна роля в провеждането на нервните импулси в много ензимни системи, включително тези, които участват в свиването на мускулите. Калият е широко разпространен в природата и има много от него във всяка храна, така че недостигът на калий не може да възникне спонтанно. В плазмата концентрацията на калий се регулира от алдостерон, който стимулира отделянето му с урината..

С храната сярата навлиза в тялото главно като част от две аминокиселини - цистин и метионин. В последните етапи на метаболизма на тези аминокиселини серата се освобождава и в резултат на окисляване се превръща в неорганична форма. Като част от цистин и метионин, сярата присъства в структурни протеини. Важна роля играе и сулфхидрилната (-SH) група цистеин, от която зависи активността на много ензими.

Повечето сяра се отделя с урината като сулфат. Малко количество екскретиран сулфат обикновено се свързва с органични съединения като феноли.

магнезий.

Магнезиевият метаболизъм е подобен на калциевия метаболизъм, а под формата на комплекс с фосфат този елемент също е част от костната тъкан. Магнезият присъства във всички живи клетки, където той функционира като основен компонент на много ензимни системи; тази роля беше убедително демонстрирана от примера на въглехидратния метаболизъм в мускулите. Магнезият, подобно на калия, е широко разпространен и вероятността за неговия дефицит е много малка.

Желязо.

Желязото е част от хемоглобина и други хемопротеини, а именно миоглобин (мускулен хемоглобин), цитохроми (дихателни ензими) и каталаза, както и в някои ензими, които не съдържат хемогрупи. Желязото се абсорбира в горните черва и това е единственият елемент, който се абсорбира само когато снабдяването му в организма е напълно изчерпано. В плазмата желязото се транспортира заедно с протеин (трансферин). Желязото не се екскретира през бъбреците; излишъкът му се натрупва в черния дроб в комбинация със специален протеин (феритин).

Трейс елементи.

Всеки микроелемент, присъстващ в организма, има своя специална функция, свързана с факта, че стимулира действието на определен ензим или го въздейства по някакъв друг начин. Цинкът е необходим за кристализация на инсулин; в допълнение, той е компонент на въглеродна анхидраза (ензим, участващ в транспортирането на въглероден диоксид) и някои други ензими. Молибденът и медта също са необходими компоненти на различни ензими. Йодът е необходим за синтеза на трийодотиронин, хормон на щитовидната жлеза. Флуорът (част от зъбния емайл) помага да се предотврати кариес.

УПОТРЕБА НА МЕТАБОЛИТИ

Въглехидрати.

всмукване.

Монозахариди, или прости захари, освободени от храносмилането на хранителни въглехидрати, преминават от червата в кръвообращението в резултат на процес, наречен абсорбция. Механизмът на абсорбция е комбинация от обикновена дифузия и химическа реакция (активна абсорбция). Една хипотеза относно естеството на химическата фаза на процеса предполага, че в тази фаза монозахаридите се комбинират с фосфорна киселина в реакция, катализирана от ензим от киназната група, след това те проникват в кръвоносните съдове и се освобождават в резултат на ензимно дефосфорилиране (разкъсване на фосфатна връзка), катализирано една от фосфатазите. Именно активната абсорбция обяснява защо различните монозахариди се абсорбират с различна скорост и че въглехидратите се усвояват дори когато нивото на кръвната захар е по-високо, отколкото в червата, т.е. в условия, когато би било естествено да се очаква движението им в обратна посока - от кръв към червата.

Механизми на хомеостазата.

Монозахаридите, влизащи в кръвта, повишават кръвната захар. По време на гладно концентрацията на глюкоза в кръвта обикновено варира от 70 до 100 mg на 100 ml кръв. Това ниво се поддържа чрез механизми, наречени механизми на хомеостаза (самостабилизиране). Веднага след като нивото на захарта в кръвта в резултат на абсорбцията от червата се повиши, влизат в сила процеси, които премахват захарта от кръвта, така че нивото му да не се колебае твърде много.

Подобно на глюкозата, всички останали монозахариди идват от кръвния поток в черния дроб, където те се превръщат в глюкоза. Сега те са неразличими както от абсорбираната глюкоза, така и от тази, която вече е в организма, и претърпяват същите метаболитни трансформации. Един от механизмите на въглехидратната хомеостаза в черния дроб е гликогенезата, чрез която глюкозата преминава от кръв в клетки, където се превръща в гликоген. Гликогенът се съхранява в черния дроб, докато не настъпи понижаване на кръвната захар: в тази ситуация хомеостатичният механизъм ще доведе до разграждането на натрупания гликоген до глюкоза, която отново ще влезе в кръвта.

Трансформации и употреба.

Тъй като кръвта доставя глюкоза на всички тъкани на тялото и всички тъкани я използват за генериране на енергия, нивото на глюкоза в кръвта намалява главно поради употребата му.

В мускулите глюкозата в кръвта се превръща в гликоген. Въпреки това, мускулният гликоген не може да се използва за производство на глюкоза, която преминава в кръвта. Той съдържа запас от енергия, а скоростта на използването му зависи от мускулната активност. Мускулната тъкан съдържа две съединения с голям запас от лесно достъпна енергия под формата на богати на енергия фосфатни връзки - креатинфосфат и аденозин трифосфат (АТФ). Когато тези фосфатни групи се отделят от тези съединения, се отделя енергия за мускулна контракция. За да се свие отново мускулът, тези съединения трябва да бъдат възстановени до първоначалната си форма. Това изисква енергия, която се осигурява от окисляването на продуктите на разпадане на гликоген. При свиване на мускулите гликогенът се превръща в глюкозофосфат и след това чрез поредица от реакции до фруктоза дифосфат. Фруктозата дифосфат се разгражда на две три въглеродни съединения, от които след поредица от стъпки първо се образува пирувинова киселина и в крайна сметка млечна киселина, както е описано в описанието на метаболизма на въглехидратите. Това превръщане на гликоген в млечна киселина, придружено с освобождаване на енергия, може да се случи при липса на кислород.

При липса на кислород млечната киселина се натрупва в мускулите, дифундира в кръвообращението и навлиза в черния дроб, където от него отново се образува гликоген. Ако има достатъчно кислород, тогава млечната киселина не се натрупва в мускулите. Вместо това, както е описано по-горе, се окислява напълно чрез цикъл от трикарбоксилни киселини до въглероден диоксид и вода, за да се образува АТФ, който може да се използва за намаляване.

Метаболизмът на въглехидратите в нервната тъкан и червените кръвни клетки се различава от мускулния метаболизъм по това, че гликогенът не участва. Въпреки това, дори и тук, междинните продукти са пирувиновата и млечната киселини, образувани при разграждането на глюкозофосфата.

Глюкозата се използва не само при клетъчно дишане, но и в много други процеси: синтеза на лактоза (млечна захар), образуването на мазнини, както и специални захари, които са част от полизахаридите на съединителната тъкан и редица други тъкани.

Чернодробният гликоген, синтезиран чрез абсорбцията на въглехидрати в червата, е най-достъпният източник на глюкоза, когато абсорбцията отсъства. Ако този източник се изчерпи, процесът на глюконеогенеза започва в черния дроб. Глюкозата се образува от определени аминокиселини (58 g глюкоза се образува от 100 g протеин) и няколко други въглехидратни съединения, включително глицеролови остатъци от неутрални мазнини.

Някои, въпреки че не са толкова важни, бъбреците играят роля в метаболизма на въглехидратите. Те премахват излишната глюкоза от тялото, когато концентрацията му в кръвта е твърде висока; при по-ниски концентрации глюкозата практически не се отделя.

Няколко хормони участват в регулирането на въглехидратния метаболизъм, включително хормони от панкреаса, предната хипофизна жлеза и надбъбречната кора..

Панкреатичният хормон инсулин намалява концентрацията на глюкоза в кръвта и увеличава концентрацията му в клетките. Очевидно стимулира и съхранението на гликоген в черния дроб. Кортикостеронът, хормонът на надбъбречната кора и адреналинът, произведен от надбъбречната медула, влияят на въглехидратния метаболизъм, стимулирайки разграждането на гликоген (главно в мускулите и черния дроб) и синтеза на глюкоза (в черния дроб).

Липидите.

всмукване.

След храносмилането на мазнини, главно свободните мастни киселини остават в червата с малко примеси от холестерол и лецитин и следи от мастноразтворими витамини. Всички тези вещества са много фино диспергирани поради емулгиращото и солюбилизиращо действие на жлъчните соли. Солюбилизиращият ефект обикновено се свързва с образуването на нестабилни химични съединения между мастни киселини и жлъчни соли. Тези комплекси проникват в епителните клетки на тънките черва и тук се разлагат на мастни киселини и соли на жлъчните киселини. Последните се прехвърлят в черния дроб и отново се секретират с жлъчката, а мастните киселини влизат в контакт с глицерол или холестерол. Получените реконструирани мазнини влизат в лимфните съдове на мезентерията под формата на млечен сок, т.нар. "Chylus". От съдовете на мезентерията хилусът през лимфната система през гръдния канал навлиза в кръвоносната система.

След усвояване на храната съдържанието на липиди в кръвта се увеличава от приблизително 500 mg (ниво на гладно) до 1000 mg на 100 ml плазма. Липидите, присъстващи в кръвта, са смес от мастни киселини, неутрални мазнини, фосфолипиди (лецитин и цефалин), естери на холестерол и холестерол.

разпределение.

Кръвта доставя липиди до различни тъкани на тялото и особено до черния дроб. Черният дроб има способността да променя мастните киселини, влизащи в него. Това е особено изразено при видове, които съхраняват мазнини с високо съдържание на наситени или, обратно, ненаситени мастни киселини: в черния дроб на тези животни съотношението на наситени и ненаситени киселини се променя по такъв начин, че отложената мазнина в състава си да съответства на мазнините, характерни за този организъм.

Мазнините в черния дроб се използват или за производство на енергия, или преминават в кръвта и се доставят от нея в различни тъкани. Тук те могат да бъдат включени в структурните елементи на тъканите, но повечето от тях се депонират в мастните депа, където се съхраняват, докато не се наложи енергия; след това те отново се прехвърлят в черния дроб и тук се окисляват.

Метаболизмът на липидите, подобно на въглехидратите, се регулира хомеостатично. Механизмите на хомеостазата, които засягат метаболизма на липидите и въглехидратите, са очевидно тясно свързани, тъй като липидният метаболизъм се засилва, когато въглехидратният метаболизъм се забави, и обратно.

Трансформации и употреба.

Четири-въглеродните киселини - ацетооцетна (продукт на кондензацията на две ацетатни единици) и b-хидроксибутирова - и три-въглеродното съединение ацетон, образувани чрез отстраняване на един въглероден атом от ацетооцетна киселина, са известни като кетонови (ацетонови) тела. Обикновено кетоновите тела присъстват в кръвта в малки количества. Прекомерното им образуване при тежък диабет води до увеличаване на съдържанието им в кръвта (кетонемия) и в урината (кетонурия) - това състояние се обозначава с термина "кетоза".

катерици.

всмукване.

Когато протеините се усвояват от храносмилателните ензими, се образува смес от аминокиселини и малки пептиди, съдържащи от две до десет аминокиселинни остатъци. Тези продукти се абсорбират от чревната лигавица и тук хидролизата е завършена - пептидите също се разграждат до аминокиселини. Аминокиселините, които влизат в кръвта, се смесват със същите аминокиселини, открити тук. Кръвта съдържа смес от аминокиселини от червата, образувана по време на разграждането на тъканните протеини и синтезирана отново от организма.

синтез.

В тъканите протеинът се разгражда и тяхната неоплазма продължава непрекъснато. Съдържащите се в кръвта аминокиселини се абсорбират избирателно от тъканите като изходен материал за изграждане на протеини, а други аминокиселини навлизат в кръвта от тъканите. Не само структурните протеини, но и плазмените протеини, както и протеиновите хормони и ензими претърпяват синтез и разпад..

В организма на възрастни аминокиселините или протеините практически не се съхраняват, следователно, отстраняването на аминокиселини от кръвта става със същата скорост, както и навлизането им от тъканите в кръвта. В растящия организъм се образуват нови тъкани и в този процес се консумират повече аминокиселини, отколкото той влиза в кръвта поради разграждането на тъканните протеини..

Черният дроб участва в метаболизма на протеините по най-активен начин. Той синтезира плазмените протеини - албумин и глобулин - както и собствените си чернодробни ензими. Така със загубата на плазмени протеини съдържанието на албумини в плазмата се възстановява - поради интензивния синтез - доста бързо. Аминокиселините в черния дроб се използват не само за образуването на протеини, но и се подлагат на разцепване, при което енергията, която се съдържа в тях, се извлича.

Трансформации и употреба.

Ако аминокиселините се използват като енергиен източник, амино групата се отделя от тях (–NH2) се насочва към образуването на урея, а азотният остатък на молекулата се окислява по същия начин като глюкозата или мастните киселини.

Така нареченият „цикъл на орнитин“ описва как амонякът се превръща в урея. В този цикъл аминогрупата, която се разцепва от аминокиселината под формата на амоняк, се присъединява заедно с въглеродния диоксид към молекулата на орнитина с образуването на цитрулин. Цитрулинът свързва втори азотен атом, този път от аспарагинова киселина, и се превръща в аргинин. Освен това аргининът се хидролизира до образуването на урея и орнитин. Орнитинът вече може да влезе отново в цикъла, а уреята се отделя през бъбреците като един от крайните продукти на метаболизма. Вижте също ХОРМОНИТЕ; ензими; Мазнини и масла; НУКЛЕИНОВА КИСЕЛИНА; протеини; ВИТАМИНИ.

Ленингър А. Основи на биохимията, кн. 1-3. М., 1985
Striyer L. Биохимия, кн. 1-3. М., 1985
Murray R., Grenner D., Meyes P., Rodwell V. Human biochemistry, vols. 1-2. М., 1993
Alberts B., Bray D., Lews D. et al. Molecular cell biology, vols. 1-3. М., 1994