KNP biochimia Lekcii

9. Обмін речовин.

Загальні уявлення про обмін речовин і енергії
Обмін речовин і енергії є однією з найважливіших і найсуттєвіших ознак живого організму. Живі організми – відкриті системи, для існування яких необхідний постійний двосторонній зв'язок (обмін) з навколишнім середовищем. З навколишнього середовища вони одержують поживні речовини та енергію, перетворюють їх, видозмінюють, використовуючи утворені сполуки для власних потреб, та повертають в навколишнє середовище кінцеві продукти обміну. Вся сукупність процесів поглинання, засвоєння речовин з навколишнього середовища та утворення і виділення кінцевих продуктів – суть обміну речовин.
Розглядаючи життя як вищу форму руху живої матерії, як спосіб існування біополімерних тіл та систем, здатних до самооновлення і самовідтворення в умовах постійного взаємозв'язку з навколишнім середовищем, незаперечним є те, що обмін речовин є основою всіх проявів життєдіяльності. Припинення обміну речовин рівнозначне припиненню життя. Обмін речовин відбувається і в неживій природі, однак цей процес значно відрізняється від обміну в живих системах. Ця відмінність зумовлена насамперед тим, що обмін речовин у живих організмах забезпечує постійне самооновлення та самовідтворення його складових частин і здійснюється завдяки злагодженій дії численних систем та специфічних факторів, що забезпечують процеси життєдіяльності. У неживій природі обмін відбувається в одному напрямі, що призводить до видозміни, а часто і руйнування неживих тіл. Оскільки обмін речовин між організмом та навколишнім середовищем зумовлює всі прояви життєдіяльності, його можна розглядати як своєрідну норму реагування організму на зміну умов середовища, тобто в процесі еволюції в живих організмах виникли і вдосконалились специфічні функції, що забезпечили виживання та їх розвиток. Отже, обмін речовин в живих організмах має багато суттєвих ознак. Насамперед для обміну речовин у живих організмах характерним є скоординованість біохімічних перетворень у просторі і часі, завдяки чому різні процеси, інколи прямо протилежні, здійснюються одночасно, не заважаючи один одному. Це значною мірою забезпечується за рахунок кампартменізації – окремі біохімічні перетворення відбуваються на певних ділянках клітин чи в специфічних органелах клітин. Досить важливим є і те, що перебіг процесів проходить у суворо визначеній послідовності, при цьому кожна попередня реакція створює умови для здійснення наступної. В цьому важлива роль належить біологічним каталізаторам – ферментам, які мають багато специфічних властивостей і забезпечують складні біохімічні перетворення численних субстратів та спряженість цих перетворень на метаболічному та енергетичному рівнях. Це створює умови для забезпечення саморегуляції та підтримання гомеостазу – необхідної умови існування живих організмів.
Умовно обмін речовин поділяють на загальний, проміжний та внутрішньоклітинний. Загальний обмін включає процеси надходження поживних речовин в організм, їх перетворення і виділення продуктів обміну. Проміжний обмін – це перетворення речовин в організмі з моменту надходження їх до утворення кінцевих продуктів обміну. Внутрішньоклітинний обмін – це перетворення речовин після всмоктування. Оскільки, за винятком процесів перетравлювання і всмоктування, а також утворення деяких міжклітинних рідин і мінеральних речовин у кістковій тканині, всі інші процеси відбуваються в клітинах організму, то поняття проміжного і внутрішньоклітинного обміну майже співпадають. Загальний обмін складається з проміжного і внутрішньоклітинного. Специфічними функціями обміну речовин є вбирання (акумуляція) енергії з навколишнього середовища, яка потрапляє у формі хімічних сполук або у вигляді енергії сонячного випромінювання і перетворення екзогенних сполук для синтезу біополімерів, властивих даному організму, та вилучення енергії. Енергія необхідна для процесів синтезу і виконання різних специфічних функцій, властивих живому, для росту, розвитку, руху, секреції, подразливості, скоротливості.
Обмін речовин складається з фізіологічних (травлення, всмоктування, виділення) і фізичних (сорбція, дифузія, осмос), хімічних (окислення, відновлення, гідроліз, фосфороліз) процесів, які здійснюються при проміжному та внутрішньоклітинному обміні. Особливе місце серед них належить хімічним перетворенням органічних сполук, різноманітність яких зводиться до двох основних реакцій – синтезу та розщеплення. Реакції синтезу відбуваються в напрямі ускладнення молекул, що призводить до перетворення простих сполук на складніші. Це так звані анаболічні реакції (від лат. anabole – синтез). Реакції розщеплення характеризуються протилежним процесом – розщепленням складних сполук з утворенням простіших. Це так звані катаболічні реакції (від лат. katabole – розклад), тобто обмін речовин можна розглядати як діалектичну єдність двох протилежних і взаємопов'язаних процесів – розщеплення і синтезу – асиміляції і дисиміляції.
Асиміляція – це частина загального обміну, що супроводжується поглинанням органічних сполук з навколишнього середовища, засвоєнням, перетворенням та синтезом за їх рахунок різних структур організму. Цей процес включає численні хімічні реакції та перетворення органічних сполук, які забезпечують використання організмом поживних речовин, що потрапляють з навколишнього середовища. За рахунок асиміляції забезпечуються процеси росту, розвитку, самооновлення організму. Асиміляція супроводжується анаболічними реакціями, які забезпечують синтез складних органічних сполук. Основними анаболічними реакціями є реакції відновлюючого синтезу, які супроводжуються використанням енергії, тобто є ендергонічними.
Дисиміляція – це частина загального обміну, в процесі якого відбувається руйнування та розщеплення складних органічних сполук, які потрапляють з продуктами харчування, та тих, що входять до складу власних структур організму – білків, вуглеводів, ліпідів з утворенням простіших сполук та кінцевих продуктів обміну. Органічні сполуки, що потрапляють з продуктами харчування, перетворюються за участю численних ферментів до простіших сполук. Певна послідовність ферментативних перетворень називається метаболізмом (від лат. metabole – перетворення). Речовини, що утворюються в процесі метаболізму, називаються метаболітами. Інколи поняття метаболізм ототожнюється з поняттям обміну, оскільки з хімічної точки зору метаболізм – це сукупність різноманітних ферментативних реакцій окислення, відновлення, гідролізу та ін.
Для дисиміляції характерні катаболічні реакції, які супроводжуються виділенням енергії, тобто є екзергонічними. Основними катаболічними реакціями, що здійснюються при дисиміляції, є гідроліз, фосфороліз та окислення. Гідроліз і фосфороліз складних органічних сполук до простіших здійнюються за участю певних ферментних систем. Реакції окислення характерні переважно для внутрішньоклітинного обміну і мають багато особливостей. В організмі процеси окислення відбуваються за рахунок таких процесів: приєднання атомів кисню до субстрату; відщеплення атомів водню з субстратів, що окислюються; віддачі електронів. Усі реакції каталізуються специфічними ферментними системами. Так, використання кисню в процесах окислення в організмі може забезпечуватись за рахунок кількох груп ферментів: оксидаз і оксигеназ, а відщеплення водню та електронів з субстрату, що окислюється, забезпечують ферменти дегідрогенази. Деякі реакції є спряженими – окислення однієї сполуки, як правило, супроводжується відновленням іншої (реакції оксидоредукції). Особливістю перебігу даних реакцій в живих організмах є те, що вони в більшості випадків складають ланцюги взаємопов'язаних послідовних перетворень, які забезпечують поетапне виділення енергії. Процеси асиміляції і дисиміляції в організмі відбуваються одночасно і є двома сторонами єдиного процесу обміну. Анаболічні реакції, що характерні для асиміляції, забезпечують утворення органічних сполук, необхідних для побудови структур організму, а катаболічні реакції, які характерні для дисиміляції,– виділення енергії, необхідної для синтезу складних органічних сполук та утворення кінцевих продуктів обміну.
Співвідношення між процесами асиміляції і дисиміляції є досить важливим показником функціонального стану організму. Найінтенсивніше процеси асиміляції проходять у період росту та розвитку організму. Переважання процесів дисиміляції над процесами асиміляції має місце при деяких патологічних процесах та при старінні організму. За нормальних фізіологічних умов в організмі забезпечується стабільна рівновага даних процесів. Разом з тим слід зазначити, що незважаючи на те, що процеси асиміляції і дисиміляції є взаємоузгодженими і відбуваються одночасно, анаболічні реакції, як правило, є не оборотними реакціями катаболізму, оскільки різні етапи їх каталізують різні ферментні системи та здійснюються в різних кампартментах клітини.
Так, процеси синтезу різних біополімерів клітини здійснюються в цитоплазмі, де локалізовані відповідні ферментні системи, а процеси розщеплення різних субстратів, спряжені із виділенням енергії, проходять у мітохондріях. Прикладом може бути розщеплення та синтез жирних кислот, вуглеводів, білків. Незважаючи на те що анаболічні і катаболічні реакції розмежовані в просторі і часі, їх об'єднують спільні стадії та проміжні продукти обміну (метаболіти). Динамічна єдність двох протилежних процесів – асиміляції та дисиміляції – є досить важливою ознакою обміну речовин у живих системах та необхідною умовою їх існування.
У процесі еволюції в живих організмах сформувались певні регуляторні механізми, які забезпечують високий ступінь упорядкованості та узгодженості процесів, що в них здійснюються. Дані регуляторні механізми діють на різних рівнях – клітинному, метаболічному, організменному – і є спільними для всіх живих організмів. Координація та взаємоузгодженість процесів асиміляції і дисиміляції, інтенсивність та направленість біохімічних перетворень переважно регулюються шляхом зміни активності ферментних систем та за участю інших регуляторних механізмів (нервових та гуморальних), що забезпечує динамічну рівновагу між організмом та навколишнім середовищем як важливу умову існування живих систем. Процеси асиміляції і дисиміляції можна проілюструвати схемою:


Енергетичний баланс організму. Макроергічні сполуки
Обмін речовин в організмі тісно пов’язаний з обміном енергії. Постійне надходження та використання енергії є необхідною умовою існування живих організмів як відкритих систем. За рахунок надходження енергії забезпечується підтримання стабільного, впорядкованого стану живої системи, що запобігає дезорганізації, хаосу та її загибелі. Енергія необхідна організму для забезпечення таких процесів: виконання різної роботи (механічної, осмотичної, фізичної); руху, скорочення та розслаблення м'язів; синтезу та розщеплення різних сполук; транспорту речовин та іонів; підтримання гомеостазу; виконання специфічних функцій, що забезпечують процеси життєдіяльності.
У процесі еволюції в живих організмах сформувались механізми, які забезпечують сприймання або вилучення енергії, генерацію, акумулювання її та використання організмом. Різні форми енергії, що існують у живих системах – хімічна, електрична, світлова, теплова, можуть взаємоперетворюватись одна в одну.
Залежно від способу вилучення енергії всі живі організми поділяють на фото- і хемотрофи. Фототрофи у вигляді джерела енергії використовують енергію квантів світла. До фототрофів належать зелені рослини, водорості, деякі бактерії. Дані організми синтезують складні органічні сполуки з неорганічних (CO2 і H2O) за рахунок енергії сонячного випромінювання, тобто вони здатні до сприймання і перетворення енергії електромагнітних коливань потоку сонячного випромінювання на енергію хімічних зв'язків органічних сполук. За типом живлення дані організми належать до аутотрофних (від грец. aytos – сам, trofos – живлення). Хемотрофні організми у вигляді джерела енергії використовують енергію окислення органічних чи неорганічних сполук. У першому випадку їх відносять до органотрофів, а в другому – до літотрофів. За типом живлення хемотрофні організми є гетеротрофами (від грец. heteros – інший і trofos – живлення). Гетеротрофи не можуть синтезувати складні органічні сполуки з неорганічних і використовувати їх в готовому вигляді. До гетеротрофів належать організми людини, тварин та деякі мікроорганізми. Слід зазначити, що поділ живих організмів на гетеро- та аутотрофи дещо умовний. Досить часто один і той самий організм може мати клітини обох типів. Так, у вищих рослин клітини листків – аутотрофи, а клітини коренів – гетеротрофи.
Для гетеротрофних організмів основним джерелом енергії, яка необхідна для забезпечення процесів життєдіяльності, є енергія хімічних зв'язків між атомами складних органічних сполук – білків, вуглеводів, ліпідів. Такі органічні сполуки гетеротрофні організми одержують з навколишнього середовища як компоненти їжі (поживні речовини). Поживні речовини гетеротрофними організмами використовуються у вигляді джерела енергії та джерела вуглецю. Енергія, яка акумульована в хімічних зв'язках органічних сполук, може бути виділена при розриві їх у результаті гідролізу, фосфоролізу. Так, при гідролітичному розщепленні пептидних зв’язків виділяється 2600 кДж/моль енергії, при розщепленні хімічних зв'язків у молекулі глюкози – відповідно 2881 кДж/моль, тобто кожна органічна сполука, що входить до складу живої матерії, має певний запас потенціальної енергії, акумульованої в хімічних зв'язках. Це так звана загальна внутрішня енергія системи, або енергія зв'язку. Загальна потенціальна енергія сполуки, яка при згоранні її перетворюється на теплоту, називається ентальпією і позначається буквою Н.
Під час перетворення зв'язків рівень загальної потенціальної енергії змінюється. При цьому енергія, що міститься в хімічних зв'язках, розсіюється у вигляді теплоти частково, тобто вивільнення енергії проходить не одномоментно, а поступово і частина її використовується для виконання роботи. В зв'язку з цим у клітині різких температурних змін не спостерігається. Зміна ентальпії ((Н) при розриві хімічних зв'язків має такий вираз:
(Н = (F + р(V
де (F – зміна загальної енергії системи; р – тиск; (V – зміна об'єму.

Оскільки в біологічних системах зміною об'єму можна знехтувати, то (H ( (F.
Частина загальної енергії системи, за рахунок якої може бути виконана певна робота, називається вільною енергією G0. Отже, за рахунок вільної енергії підтримується стабільний стан біологічної системи. Зміна рівня стандартної вільної енергії позначається (G0. Під цим розуміють зміну вільної енергії за нормальних умов: тиск 101,3 кПа, концентрація 1 M і температура 25 (C. Зміну рівня стандартної вільної енергії при рН = 7,0 позначають (G0'. Зміна стандартної вільної енергії хімічної реакції визначається як різниця між вільною енергією вихідних сполук та вільною енергією кінцевих продуктів реакції, тобто зміна вільної енергії системи при переході її з одного стану в інший є критерієм, який дає змогу стверджувати можливість хімічного перетворення згідно з законами термодинаміки.
Зміну вільної енергії системи можна визначити як ту частину зміни загальної енергії, яка може бути використана для виконання роботи системою, що прагне до рівноваги за нормальних умов. Так, зміна вільної енергії в ході реакції А ( В дорівнює:

(G0’ = ( H + T(S,
звідки (H = (G0' + T(S, де (G0' – зміна стандартної вільної енергії системи; (H – зміна загальної енергії системи; T – абсолютна температура; (S– зміна ентропії.

Ентропія – це частина загальної енергії системи, яка не використовується для виконання роботи і розсіюється у вигляді теплоти. При будь-якому перетворенні енергії значення ентропії збільшується. Виділення теплоти з точки зору термодинаміки слід розглядати як марну втрату енергії. З наведеного вище рівняння видно, що зміна загальної енергії системи ((H) складається з суми зміни стандартної вільної енергії (G0', яка використовується організмом, та зміни тієї частини загальної енергії, яка розсіюється у вигляді теплоти (T(S). Залежно від знака члена (плюс чи мінус) рівняння (T(S) вільна енергія може бути більшою чи меншою від теплоти реакції. (G0' може мати як додатне, так і від'ємне значення. Його використовують для кількісної характеристики хімічних реакцій, що дає змогу виразити енергетичний стан клітини. Так, у ході реакції A ( В від'ємне значення (G0' свідчить про те, що продукти реакцій містять менше вільної енергії, ніж вихідні сполуки ((G0'В < (G0'A), тобто реакція проходить з виділенням енергії і є екзергонічною. В цьому випадку рівновага реакції зміщується в бік утворення продуктів реакції (самовільні процеси). Якщо (G0' мaє додатне значення, тобто енергоємність продуктів реакції більша, ніж вихідних сполук ((G0'В > (G0'A), реакція без додаткового надходження енергії не відбувається. Дані реакції є ендергонічними і проходять з поглинанням енергії, що надходить ззовні (світлова, теплова, електрична), чи від інших екзергонічних реакцій окислення. Отже, перетворення енергії в організмі підкоряється законам термодинаміки: енергія не зникає і не виникає, а перетворюється з одного виду на інший без зміни загального рівня енергії, тобто організм виграшу в енергії не має. При будь-якому перетворенні енергії відбувається зростання ентропії системи і навколишнього середовища. Ця тенденція зберігається доти, поки не настане стан рівноваги, при якому ентропія має максимальне значення для даних умов. Процес проходить спонтанно за умов збільшення суми ентропії системи ((Sc) і навколишнього середовища ((SH.C.)
(Sc + (SH.C. > 0.

Зміна ентропії кількісно пов'язана із зміною загальної енергії системи, яку можна виразити як функцію (G0'. Обмін енергії включає такі процеси, як виділення, перетворення, акумулювання та використання енергії організмом, тобто обмін речовин в організмі супроводжується постійним обміном енергії завдяки тісному взаємозв'язку анаболічних реакцій, характерних для асиміляції, та катаболічних реакцій, характерних для дисиміляції. Слід зазначити, що для енергетичних процесів, які здійснюються в живих організмах, властиві певні особливості, наприклад вивільнення, акумулювання та використання енергії. Так, виділення енергії, що міститься в хімічних зв'язках органічних сполук, здійснюється в процесі дисиміляції на певних етапах проміжного обміну. При цьому процес вивільнення енергії здійснюється не одномоментно, а поступово і включає три основні етапи: підготовчий, анаеробне та аеробне окислення.
Підготовчий етап – перетравлювання та всмоктування поживних речовин. На цьому етапі відбувається ферментативне розщеплення високомолекулярних біополімерів (білків, вуглеводів, ліпідів) до мономерних сполук. Так, білки розщеплюються до амінокислот, вуглеводи – до моносахаридів, ліпіди – до гліцерину та жирних кислот. На даному етапі виділяється незначна кількість енергії – менш як 1 %, яка переважно розсіюється у вигляді теплоти. Катаболічними реакціями, що забезпечують виділення енергії на даному етапі, є гідроліз і фосфороліз.
Наступний етап виділення енергії включає анаеробне окислення продуктів гідролітичного розщеплення біополімерів (амінокислот, моносахаридів, жирних кислот) до метаболітів, таких як ацетил-КоА, (-кетоглутарова та щавелевооцтова кислоти. На даному етапі виділяється близько 1/3 енергії, акумульованої в хімічних зв'язках органічних сполук.
Утворені метаболіти включаються далі в наступний етап виділення енергії – аеробне окислення до кінцевих продуктів. При цьому виділяється 2/3 енергії. Аеробне окислення метаболітів здійснюється у циклі Кребса, в якому поєднуються анаболічні та катаболічні реакції, тобто в даному циклі проходить інтеграція анаболічних реакцій, характерних для асиміляції, та катаболічних реакцій, характерних для дисиміляції. Субстрати, що утворюються в циклі Кребса, можуть бути використані як при розщепленні, так і підчас синтезу різних речовин. Як правило, завершальна фаза катаболізму стикується з початковою фазою анаболізму, тобто кінцеві продукти розщеплення можуть бути використані як вихідні продукти синтезу.
У процесі аеробного окислення в циклі Кребса нагромаджуються відновні еквіваленти у вигляді НАД(H2, НАДФ(H2, ФАД(H2, які є генераторами енергії і забезпечують синтез АТФ у процесі тканинного дихання.
Анаболічні реакції, як і катаболічні, складаються з кількох стадій. Синтез складних органічних сполук починається з простих метаболітів, що утворюються в процесі розкладання. При цьому спочатку синтезуються прості сполуки (мономери), які далі перетворюються під час складних ферментативних реакцій на важливі біополімери клітини – білки, вуглеводи, ліпіди. Синтез складних органічних сполук відбувається з використанням енергії АТФ. Тісний взаємозв'язок між анаболічними і катаболічними реакціями здійснюється на кількох рівнях:
1) на рівні джерел вуглецю (кінцеві продукти катаболізму часто є вихідними сполуками анаболічних реакцій);
2) на рівні відновних еквівалентів (при аеробному окисленні нагромаджуються відновні еквіваленти, які використовуються для відновлюючого синтезу складних органічних сполук);
3) на енергетичному рівні (при катаболізмі виділяється та нагромаджується (акумулюється) енергія, яка може бути використана для процесів синтезу).
Анаболічні та катаболічні реакції спряжені за рахунок так званих амфіболічних (об'єднуючих) шляхів метаболізму, одним з яких є цикл Кребса. Треба зазначити, що анаболічні та катаболічні реакції на окремих етапах не співпадають і каталізуються різними ферментними системами. Отже, реакції синтезу не завжди є оборотними реакціями розщеплення. Так, розщеплення та синтез вуглеводів відрізняються трьома суворо специфічними реакціями, які каталізуються різними ферментами. При цьому процеси синтезу часто проходять обхідними шляхами, спряженими з меншими енерговитратами. Використання специфічних шляхів розщеплення і синтезу різних сполук у живих організмах є досить доцільним з багатьох точок зору. Насамперед це дає змогу здійснювати процеси розщеплення і синтезу одночасно і незалежно один від одного.
В організмі існує тісний взаємозв'язок між процесами звільнення та використання енергії. Основна маса енергії, акумульованої в хімічних зв'язках органічних сполук, виділяється при катаболізмі на другому і третьому етапах (анаеробне та аеробне окислення). Однак виділена енергія не використовується безпосередньо для потреб організму, а попередньо перетворюється на доступну форму. Такою універсальною сполукою є ATФ, яка може бути в ролі донора, акцептора та трансформатора енергії. Однак енергія окислення органічних сполук на АТФ не передається, оскільки в клітині безпосередня передача енергії від низько- до високоенергетичних сполук не відбувається. Цей процес здійснюється за участю посередників – макроергічних сполук, які утворюються під час окислення субстратів, і нагромаджують енергію окислення в макроергічних зв'язках.
Макроергічні зв'язки – це зв'язки, при перетворенні яких рівень зміни вільної енергії становить понад 20 кДж/моль. Макроергічні зв'язки позначають знаком тільда ((). Якщо при перетворенні зв'язків рівень зміни вільної енергії становить 12 – 20 кДж/моль, такі сполуки є нормальними в енергетичному відношенні. Таку розмірність зміни рівня стандартної вільної енергії мають більшість органічних сполук. Слід мати на увазі, що поняття „макроергічні зв'язки” не треба плутати з поняттям „енергія зв'язку”. Поняття „енергія зв'язку” включає характеристику енергетичного рівня хімічного зв'язку з точки зору фізичної хімії, тобто величини енергії, необхідної для розриву зв'язку між атомами. Поняття макроергічні зв'язки полягає у врахуванні енергетичного ефекту в результаті перетворення зв'язку через хімічну реакцію. Отже, в розумінні „енергія зв'язку” обидва види зв'язку близькі між собою. Основна відмінність між ними полягає в тому, що при перетворенні макроергічних зв'язків виділяється значно більше енергії, ніж при перетворенні звичайних зв'язків. Так, енергія хімічного зв'язку між двома кінцевими залишками фосфату в молекулі макроергічної сполуки (АТФ) і енергія зв'язку між залишком фосфорної кислоти і глюкози в молекулі глюкозо-6-фосфату приблизно однакові, тобто для розриву зв'язків в першому і другому випадках необхідно витратити однакову кількість енергії. Однак при дослідженні енергетичного ефекту гідролітичного розриву даних зв'язків є суттєва відмінність. Для АТФ зміна рівня стандартної вільної енергії становить 37 – 42 кДж/моль, а для глюкозо-6-фосфату – 13,1 кДж/моль, тобто АТФ є макроергічною сполукою, а глюкозо-6-фосфат – нормальною в енергетичному відношенні.
Макроергічні сполуки, як правило, містять фосфатну групу в (-положенні, яка при розриві макроергічного зв'язку може переноситись на інші сполуки у вигляді радикалу – активного фосфорилу: –PО3Н2.
Залежно від того, між якими атомами виникають макроергічні зв'язки, розрізняють п'ять груп макроергічних сполук: нуклеозидфосфати (АТФ, ГТФ, УТФ); карбоксилфосфати (ацетилфосфат); ацилтіолові ефіри (ацетил KoA); фосфоамідні ефіри (кретинфосфат); енолфосфати (фосфоенолпіровиноградна кислота). У цих сполуках макроергічні зв'язки найчастіше виникають між атомами фосфору і сірки, фосфору і кисню, фосфору і вуглецю, фосфору і водню.
Отже, енергія, що виділяється при окисленні органічних сполук, акумулюється в макроергічних зв'язках, з яких вона разом з активними фосфорними групами передається на АДФ, внаслідок чого синтезується ATФ.
У загальному цей процес можна записати так:

Макроергічні сполуки виконують роль посередників передачі енергії від низькоенергетичних сполук до АТФ. Постійний вміст АТФ у клітинах забезпечується фосфорилюванням АДФ як за рахунок енергії сонячного випромінювання (аутотрофні організми), так і за рахунок аеробного та анаеробного окислення біополімерів (гетеротрофні організми). Крім того синтез АТФ забезпечується за рахунок внутрішньоклітинних систем, що виконують резервну роль. Такою є система креатин-фосфат ( креатин, яка може вступати в обмінну реакцію з нуклеозидфосфатами.
Біологічне окислення
Вивчення процесів окислення було започатковано M.В. Ломоносовим та А. Лавуазьє на основі дослідження продуктів згорання. А. Лавуазьє, співставляючи процеси горіння з процесами дихання в живих організмах, звернув увагу на подібність між ними.
При диханні, як і при згоранні, відбувається поглинання кисню і утворення CO2 і H2O. Енергетичний ефект окислення органічних сполук в організмі та згорання їх також виявились тотожними. Так, при окисленні глюкози до кінцевих продуктів і при згоранні її в колориметрі виділяється однакова кількість енергії 2881 кДж/моль. В зв’язку з цим А. Лавуазье висловив припущення, що сполуки в організмі окислюються в результаті їх повільного згорання. Не зрозумілим було ще те, чому „горіння” різних сполук в організмі відбувається при низькій температурі, без полум'я і за наявності води.
Перші спроби з'ясувати особливості та механізм окислення сполук в організмі (біологічного окислення) зробив Ф. Шенбайн, який висловив припущення, що біологічне окислення – це каталітичний процес, необхідною умовою перебігу якого є активація кисню.
На початку XX cт. O.H. Бах та K. Енглер одночасно і незалежно один від одного запропонували гіпотезу, згідно з якою біологічне окислення проходить за рахунок активування кисню і першим етапом даного процесу є утворення пероксидних сполук. Активування кисню здійснюється за рахунок енергії сполук, здатних до самоокислення, та ферментів оксидаз. Такими сполуками є каротини, терпени, полієнові вищі жирні кислоти, в молекулах яких є кратні подвійні зв'язки, внаслідок чого вони легко взаємодіють з молекулярним киснем, утворюючи пероксидні сполуки, які розщеплюються за участю ферментів пероксидаз і утворюють активний кисень. Останній окислює молекули інших органічних сполук, які з молекулярним киснем не реагують.
Оскільки окислення проходить через утворення пероксидних сполук, то теорія O.M. Баха дістала назву пероксидної теорії окислення.
Значний внесок у розуміння процесів біологічного окислення зробив російський біохімік В.І. Палладін. Вивчаючи окислення речовин у рослинах, він встановив, що воно може відбуватися і при відсутності кисню, якщо в реакційному середовищі є речовини, які здатні приєднувати водень. Такими речовинами виявились пігменти – хромогени. Приєднуючи водень від субстратів, які окислюються, вони відновлюються і стають безбарвними. Потім – віддають водень, тобто окислюються, знову набувають забарвлення, перетворюючись на хінони, причому, перетворення проходить за участю кисню повітря.
Слід зазначити, що В.І. Палладін надавав великого значення кисню як акцептора водню і цим самим показав важливу роль кисню в процесах біологічного окислення. Дослідження В.І. Палладіна були підтверджені працями Віланда. Він висловив думку, що дегідрування субстратів є основним процесом, який лежить в основі біологічного окислення, і що кисень взаємодіє вже з активованими атомами водню. Отже, була створена теорія окислення речовин шляхом їх дегідрування, яка дістала назву теорії Палладіна-Віланда.
Основою в підтвердженні даної теорії було відкриття і вивчення цілого ряду дегідрогеназ – ферментів, які каталізують відщеплення атомів водню від різних субстратів. Було доведено, що процеси окислення субстратів – це цілий ланцюг послідовних реакцій, які починаються з дегідрування субстратів і закінчуються перенесенням електронів на кисень та взаємодією останнього з протонами водню з утворенням води. Оскільки при такому окисленні постійно має місце поглинання кисню, то його ще називають тканинним диханням.
Отже, на основі вищенаведених теорій і досліджень створено сучасні уявлення про механізм біологічного окислення, в основі якого лежить пероксидна теорія Баха і теорія Палладіна-Віланда про дегідрування субстратів.
Суть біологічного окислення. Біологічне окислення, яке проходить в організмах людини і тварин, є досить складним процесом. У ньому беруть участь десятки і сотні різних ферментів, внаслідок чого потенціальна енергія, яка міститься в молекулах органічних речовин, вивільняється і використовується в найрізноманітніших процесах життєдіяльності організму.
Процес біологічного окислення проходить поетапно. У ньому беруть участь ферментні системи, які містять у вигляді: небілкової частини НАД+, НАДФ+; ФМН, ФАД, убіхінони і залізопорфіринові комплекси.
На першому етапі біологічного окислення здійснюється дегідрування субстратів – продуктів розщеплення білків, жирів і вуглеводів. Цей процес відбувається за участю ферментів дегідрогеназ (оксидоредуктаз), які містять коферменти НАД+ і НАДФ+. Вони є майже універсальними акцепторами водню для багатьох субстратів – спиртів, альдегідів, дикарбонових і кетокислот, амінів тощо. Віднімаючи від субстратів атоми водню (електрони і протони), вони самі відновлюються, а субстрати при цьому окислюються.
Прикладом дегідрогеназ може бути лактатдегідрогеназа, яка каталізує реакцію дегідрування молочної кислоти.
Далі, на наступному етапі, акцептором атомів водню є група флавінових ферментів, які у вигляді небілкової частини містять ФМН. Вони здійснюють перенесення атомів водню від відновлених НАД або НАДФ.
Наступним етапом є перенесення електронів і протонів від відновлених форм ФМН на убіхінони (коензим Q).
На наступному етапі з коензиму Q протони атомів водню переходять у навколишнє середовище, а електрони поступають на цитохромну систему. Цитохромна система складається з ряду оксидоредуктаз, небілковою частиною яких є залізопорфірини, близькі за своєю будовою до гему. Відомо понад 20 різних цитохромів. Вони позначаються латинськими буквами – а, в, с, d і т.д. В цитохромну систему входять цитохроми і фермент – цитохромоксидаза (аа3). Характерною особливістю цієї системи ферментів є те, що вони переносять електрони з відновленого коензиму Q на кисень, а останній, сполучаючись з іонізованими атомами водню, утворює воду.
Отже, на завершальному етапі дихання здійснюються два процеси – приєднання до кисню електронів і перетворення його на негативно заряджений іон (іонізація), а потім приєднання до іонізованого кисню протонів з утворенням молекули води. Молекулярний кисень O2 приєднує до себе 4 електрони і 4 протони, а оскільки через систему цитохромів переноситься лише 2 електрони, використовується Ѕ O2 (див. нижче).
У процесі перенесення електронів через систему дихального ланцюга проходить поступове вивільнення акумульованої в них енергії і до кисню вони переносяться вже енергетично бідними, тому утворення води в організмі не супроводжується вибухом, як у випадку утворення гримучого газу.
Отже, в ланцюгу окисно-відновних процесів створюється своєрідний електронний каскад. Послідовність розміщення основних компонентів дихального ланцюга визначається співвідношенням швидкості окислення і відновлення окремих компонентів системи, а також величиною редокс-потенціалів, що виникають між сусідніми компонентами. Перенесення електронів здійснюється завжди від меншого потенціалу до більшого. Для більшості органічних субстратів нормальні редокс-потенціали окисно-відновних систем дорівнюють – 0,6 В.
Окисно-відновна рівновага, окисно-відновний потенціал. Зміна вільної енергії, яка характеризує реакції окислення і відновлення, пропорційна здатності реактантів віддавати або приєднувати електрони. Відповідно, зміну вільної енергії окисно-відновного процесу можна характеризувати не тільки величиною (G, але і величиною окисно-відновного потенціалу системи (Е0). За звичай окисно-відновний потенціал системи (Е0) порівнюють з потенціалом водневого електрону, приймаючи останній за 0,00 В при рН = 0. Однак, для біологічних систем правильніше використовувати окисно-відновний потенціал при рН = 7 (Е0'); при такому рН потенціал водневого електрону дорівнює – 0,42 В. Окисно-відновні потенціали деяких систем, які представляють особливий інтерес для біохімії ссавців, наведені в таблиці 1. Використовуючи цю таблицю, можна передбачити, в якому напрямку піде потік електронів при спряженні однієї окисно-відновної системи з іншою.
Ферменти і коферменти, які приймають участь в окисно-відновних процесах. Ферменти, які каталізують окисно-відновні процеси, називаються оксидоредуктазами. Їх ділять на 5 груп.

Таблиця 1
Стандартні потенціали деяких окисно-відновних систем
Система
Е’0, вольт

Кисень / вода
+ 0,82

Цитохром a: Fe3+ / Fe2+
+ 0,29

Цитохром с: Fe3+ / Fe2+
+ 0,22

Убіхінон: окислений / відновлений
+ 0,10

Цитохром b: Fe3+ / Fe2-
+ 0,08

Фумарат / сукцинат
+ 0,03

Флавопротеїн («жовтий фермент»): окислений / відновлений
– 0,12

Оксалоацетат / малат
– 0,17

Піруват / лактат
– 0,19

Ацетоацетат / (-гідроксибутират
– 0,27

Ліпоат: окислений / відновлений
– 0,29

НАД+ / НАДН
– 0,32

Н+ / Н2
– 0,42

Сукцинат / (-кетоглутарат
– 0,67


1) Оксидази. Істинні оксидази каталізують видалення водню із субстрату, використовують як акцептор тільки кисень. Вони обов’язково містять мідь, продуктом реакції є вода (виключення складають реакції, які каталізуються уриказою і монооксидазою, в результаті яких утворюється Н2О2 ):

Цитохромоксидаза – гемопротеїн, широко розповсюджений в рослинних і тваринних тканинах. Вона служить кінцевим компонентом ланцюга дихальних переносників, локалізованих в мітохондріях, і каталізує реакцію, в результаті якої електрони, вивільняються із молекул субстрату при їх окисленні дегідрогеназами, переносяться на кінцевий акцептор – кисень. Даний фермент отруюється оксидом вуглецю, ціанідом сірководнем. Інколи цитохромоксидазу називають цитохромом аа3. Спочатку припускали, що цитохром а і цитохром а3 – це автономні гемопротеїни, оскільки кожний з них характеризується визначеним спектром, крім того, вони виявляють різну чутливість до дії оксиду вуглецю і ціаніду. Однак було доведено, що вони входять до складу комплексу, який одержав назву цитохром аа3. Він містить дві молекули гема, у кожній з який атом заліза може переходити зі стану Fe2+ у стан Fe3+ і назад у ході окислення і відновлення, а також два атоми Сu, кожний з яких взаємодіє з одним з гемів.
Фенолаза (тирозиназа, поліфенолоксидаза, катехолоксидаза) – це мідьвмісний фермент із широкою специфічністю. Він каталізує перетворення монофенолу (у присутності о-дифенолу) у о-хінон. Мідь виявлена в ряді інших ферментів, зокрема в уриказі, яка каталізує окислення сечової кислоти в алантоїн, і в моноамінооксидазі, яка окислює адреналін і тирамін у мітохондріях.
2) Аеробні дегідрогенази – ферменти, які каталізують видалення водню із субстрату; на відміну від оксидаз вони як акцептор водню можуть використовувати не тільки кисень, а і штучні акцептори, такі, як метиленовий синій. Ці дегідрогенази відносяться до флавопротеїнів, і продуктом реакції, яку вони каталізують є пероксид водню, а не вода:
,


Аеробні дегідрогенази – флавопротеїни; містять простетичні групи – флавінмононуклеотид (ФМН) або флавінаденіндинуклеотид (ФАД).
До ферментів групи аеробних дегідрогеназ відноситься дегідрогеназа L-амінокислот (оксидаза L-амінокислот) ФМН-вмісний фермент, який знаходиться в нирках і володіє широкою специфічністю, каталізує окисне дезамінування природних L-амінокислот. Широко поширена ксантиндегідрогеназа (ксантиноксидаза); вона виявлена в молоці, у тонкому кишечнику, нирках і печінці.
Ксантиндегідрогеназа містить молібден; відіграє важливу роль у перетворенні пуринових основ у сечову кислоту в печінці і нирках. Особливе значення має для птахів, які екскретують сечову кислоту як головний кінцевий азотовмісний продукт метаболізму пуринів, а також катаболізму білків і амінокислот.
Альдегіддегідрогеназа – ФАД-вмісний фермент, що знаходиться в печінці. Це – металофлавопротеїн – містить молібден і негемове залізо, окислює альдегіди і N-гетероциклічні субстрати.
Глюкозооксидаза – ФАД-специфічний фермент, який одержують із грибів. Вона важлива тим, що використовується при визначенні глюкози.
Механізм окислення і відновлення, що здійснюється цими ферментами, дуже складний. Судячи з наявних даних, відбувається двостадійне відновлення ізоаллоксазонового кільця з проміжним утворенням семіхінона (вільного радикала):

3) Анаеробні дегідрогенази – ферменти, які каталізують видалення водню із субстрату, але не здатні використовувати кисень як акцептор водню. До цього класу належить велике число ферментів. Вони виконують дві функції:
а) перенесення водню з одного субстрату на інший в спряженій окисно-відновній реакції:

Ці дегідрогенази специфічні до субстратів, але часто використовують один і той же кофермент або переносник водню. Оскільки реакції, які розглядаються оборотні, то вони забезпечують у клітині вільне перенесення відновних еквівалентів. Реакції цього типу призводять до окислення одного субстрату за рахунок відновлення іншого, особливо важливі для здійснення окисних процесів за відсутності кисню.
б) функцію компонентів дихального ланцюга забезпечуючи транспорт електронів від субстрату на кисень:

Поділяються на:
Дегідрогенази, залежні від нікотинамідних коферментів. До цієї категорії належить багато дегідрогеназ. Вони специфічні або до нікотинамідаденіндинуклеотиду (НАД+), або до нікотинамідаденіндинуклеотидфосфату (НАДФ+), які виконують роль коферментів (рис. 1). НАД+ і НАДФ+ утворюються в організмі людини з вітаміну В5. Для синтезу НАД+ чи НАДФ+ ферменти, які знаходяться в цитозолі більшості клітин, використовують тільки нікотинову кислоту, але не нікотинамід. Нікотинамідний фрагмент НАД+ утворюється з нікотинатного фрагмента, коли останній знаходиться в складі нуклеотиду; амідна група надходить від глутаміну (рис. 1).



Рис 1. Синтез і розклад нікотинамідаденіндинуклеотиду (НАД).

Є дані про те, що в мітохондріях для синтезу НАД+ використовується нікотинамід. Коферменти відновлюються специфічними субстратами дегідрогеназ і окислюються адекватним акцептором електронів (рис. 2).


НАД+ + AH2 ( НАДH + H+ + A

Рис 2. Механізм окислення і відновлення нікотинамідних коферментів.

У загальному випадку НАД-залежні дегідрогенази каталізують окисно-відновні реакції окисних шляхів метаболізму – гліколізу, циклу лимонної кислоти, дихального ланцюга мітохондрій. НАДФ-залежні дегідрогенази беруть участь у процесах відновного синтезу, зокрема у позамітохондріальному синтезі жирних кислот і стероїдів; вони також є коферментами дегідрогеназ пентозофосфатного шляху. Деякі дегідрогенази, які функціонують з нікотинамідними коферментами, містять іон цинку, зокрема алкогольдегідрогеназа печінки і гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназа скелетних м'язів. Припускають, що іони цинку не беруть участь безпосередньо в процесах окислення і відновлення.
Рибофлавінзалежні дегідрогенази. Флавінові групи цих дегідрогеназ ті ж, що й в аеробних дегідрогеназ, ФМН і ФАД. Більшість рибофлавін-залежних анаеробних дегідрогеназ або бере участь у транспорті електронів по дихальному ланцюзі, або поставляє електрони для цього ланцюга. НАДФ-дегідрогеназа – компонент дихального ланцюга, яка переносить електрони від НАДН до більш електропозитивних компонентів. Інші дегідрогенази, наприклад сукцинатдегідрогеназа, ацил-СоА-дегідрогеназа і мітохондріальна гліцерол-3-фосфат-дегідрогеназа переносять відновні еквіваленти від субстрату безпосередньо на дихальний ланцюг. Ще одна функція флавін-залежних дегідрогеназ – каталіз дигідроліпоїл-дегідрогеназою дегідрування відновленого ліпоату (інтермедіату при окисному декарбоксилуванні пірувату й (-кетоглутарату). У цьому випадку внаслідок низького значення окисно-відновного потенціалу системи ліпоату переносником водню від відновленого ліпоату до НАД+ є флавопротеїн (ФАД). Електрон-переносний флавопротеїн є проміжним переносником електронів між ацил-СоА-дегідрогеназою і дихальним ланцюгом.
в) Цитохроми. За винятком розглянутої вище цитохромоксидази, цитохроми класифікуються як анаеробні дегідрогенази. Їх ідентифікація і вивчення полегшуються тією обставиною, що у відновленому стані вони мають характерні смуги в спектрі поглинання, які зникають при окисленні. У дихальному ланцюзі вони служать переносниками електронів від флавопротеїнів до цитохромоксидази. Цитохроми є залізовмісними гемопротеїнами, у яких атом заліза переходить зі стану Fe2+ у Fe3+ і назад у процесі окислення і відновлення. До складу дихального ланцюга входять цитохроми b, с1, с, а і а3 (цитохромоксидаза). З них розчинним є тільки цитохром с. Крім дихального ланцюга цитохроми містяться в ендоплазматичному ретикулумі (цитохроми Р450 і b5), у рослинних клітинах, бактеріях і дріжджах.
Відновлення нікотинаміду субстратом (АН2) по положенню 4 відбувається стереоспецифічно. Один з атомів водню переноситься від субстрату в положення 4 у виді ядра водню з двома електронами (гідрид-іон, Н- ): він може приєднатися або в А-, або у В-положенні в залежності від специфічності дегідрогенази, яка каталізує дану реакції. Інший водень, який відщеплюється від субстрату, залишається вільним у виді іона водню.
4) Гідроксипероксидази – ферменти, які використовують як акцептор перекис водню або органічні перекиси. До цієї категорії відносяться два типи ферментів: пероксидази, які знаходяться в складі молока, в рослинах, лейкоцитах, тромбоцитах, еритроцитах і т.д., і каталаза, яка функціонує в тканинах тварин і рослин.
Пероксидаза. Спочатку пероксидази вважалися рослинними ферментами, пізніше вони були виявлені також у молоці, лейкоцитах, тромбоцитах, а також у тканинах, у яких відбувається метаболізм ейкозаноїдів. Простетичною групою є протогем, який на відміну від гемових груп більшості гемопротеїнів дуже слабко зв'язаний з апоферментом. У реакції, яку каталізує пероксидаза, перекис водню відновлюється за рахунок сполук, що виступають як донори електронів, таких, як аскорбат, хінони чи цитохром с. Реакція, яку каталізує пероксидаза, має складний характер; сумарна реакція виглядає в такий спосіб:

Н2О2 + АН2 2Н2О + А
В еритроцитах глутатіонпероксидаза, яка містить як простетичну групу – селен, каталізує розклад Н2О2 і гідроперекисів ліпідів відновленим глутатіоном і в такий спосіб захищає ліпіди мембран і гемоглобін від окислення перекисами.
Каталаза. Гемопротеїн, який містить чотири гемові групи. Поряд з пероксидазною активністю каталаза здатна використовувати одну молекулу Н2О2 як донор електронів, а іншу – як окислювач, тобто акцептор електронів. In vivo у більшості випадків каталаза розкладає пероксид водню:
2Н2О2 2Н2О + О2
Каталаза міститься у крові, кістковому мозку, мембранах слизових оболонок, нирках і печінці. Її функція – розкладання перекису водню, що утворюється при дії аеробних дегідрогеназ. У багатьох тканинах, включаючи і печінку, виявлені мікротільця, пероксисоми, які багаті аеробними дегідрогеназами і каталазою. Очевидно, біологічно вигідно групувати як ферменти, що призводять до утворення Н2О2, так і ферменти, що розкладають його в одному місці:

До ферментів, що забезпечують утворення Н2О2, крім пероксисомних ферментів відносяться також мітохондріальні і мікросомні системи транспорту електронів.
5) Оксигенази – ферменти, які каталізують пряме введення кисню в молекулу субстрату.
Оксигенази не належать до ферментів, що каталізують реакції, які збагачують клітину енергією; вони беруть участь у синтезі і розкладі багатьох типів метаболітів. Ферменти цієї групи каталізують включення кисню в молекулу субстрату.
Воно відбувається в дві стадії: 1) кисень зв'язується з активним центром ферменту; 2) відбувається реакція, у результаті якої зв'язаний кисень відновлюється чи переноситься на субстрат. Оксигенази діляться на дві підгрупи.
а) Діоксігенази (кисень-трансферази, істинні оксигенази). Ці ферменти каталізують включення в молекулу субстрату обох атомів молекули кисню:
А + О2 ( АО2.
Приклад – залізовмісні ферменти гомогентизатдіоксігеназа і 3-гідроксиантранілат-діоксігеназа із супернатантної фракції гомогенату печінки, а також гемвмісні ферменти, зокрема L-триптофандіоксігеназа (триптофанпіролаза) з печінки.
б) Монооксигенази (оксидази зі змішаною функцією, гідроксилази). Ці ферменти каталізують включення в субстрат тільки одного з атомів молекули кисню. Інший атом кисню відновлюється до води; для цього необхідний додатковий донор електронів (косубстрат):
А–Н + О2 + ZH2 ( А–ОН + Н2О + Z
Мікросомні цитохром Р450-вмісні монооксигеназні системи. До цієї групи належать ферменти, які беруть участь у метаболізмі багатьох лікарських речовин шляхом їх гідроксилювання. Вони знаходяться в мікросомах печінки разом з цитохромом Р450 і цитохромом b5. Відновниками цих цитохромів є НАДН і НАДФН (рис. 3); цитохроми окислюються субстратами в результаті серії ферментативних реакцій, які складають так званий гідроксилазний цикл (рис. 4):
Лік–Н + О2 + 2Fe2+(P450) + Н+ Лік–ОН + Н2О + 2Fe3+
(Лік – лікарська речовина).

Рис 3. Ланцюг транспорту електронів в мікросомах.
Ціанід (CN-) гальмує стадію, вказану на рисунку.


Рис 4. Цитохром Р450-гідроксилазний цикл у мікросомах.

До лікарських речовин, метаболізм яких відбувається за участю розглянутих систем, відносяться: бенз[a]пірен, амінопірин, анілін, морфін і бензофетамін. Багато лікарських речовин, наприклад фенобарбітал, здатний індукувати синтез мікросомних ферментів і цитохрому Р450.
Мітохондріальні цитохром Р450-вмісні монооксигеназні системи. Ці системи знаходяться в стероїдогенних тканинах – у корі наднирників, у сім’яниках, яєчниках і плаценті; вони беруть участь у біосинтезі стероїдних гормонів з холестеролу (гідроксилювання по С22 і С20 при відщепленні бічного ланцюга і по положеннях 11( і 18). Ферменти ниркової системи каталізують гідроксилювання 25-гідроксихолекальциферолу по положеннях 1( і 24; у печінці відбувається гідроксилювання холестеролу по положенню 26 при біосинтезі жовчних кислот. У корі наднирників вміст мітохондріального цитохрома Р450 у шість разів вище, ніж вміст цитохромів дихального ланцюга. Монооксигеназна система складається з трьох компонентів, локалізованих у внутрішній мітохондріальній мембрані на границі з матриксом: НАДФ-специфічного ФАД-вмісного флавопротеїну, Fе2S2-білка (адренодоксину) і цитохрома Р450 (рис. 5).

Рис 5. Мітохондріальна цитохром Р450-монооксигеназна система.

Наведена система типова для гідроксилаз стероїдів у корі наднирників. Мікросомна цитохром Р450-гідроксилаза печінки не має потреби в присутності залізо-сірчаного білка Fe2S2. Оксид вуглецю (СО) гальмує зазначену на рисунку стадію.
Fe2S2 – залізо-сірчаний білок (адренодоксин). Оскільки НАДФ(H) не може проникати в мітохондріальну мембрану, джерелами відновних еквівалентів є такі субстрати, як малат і ізоцитрат, для яких усередині мітохондрій є специфічні НАДФ-залежні дегідрогенази.
Метаболізм супероксид-радикала. Кисень є потенційно токсичною речовиною. Донедавна його токсичність пов'язували з утворенням Н2О2. Однак останнім часом, приймаючи на увагу, по-перше, ту обставину, що кисень у тканинах легко відновлюється в супероксидний аніон-радикал (O2-.), і, по-друге, наявність в аеробних організмів супероксиддисмутази (СОД) (її немає в облігатних анаеробів), було висунуто припущення про те, що токсичність кисню обумовлена його перетворенням у супероксид. Однак прямих даних про токсичність супероксид-радикала поки не отримано.
Супероксид утворюється в ході одноелектронного окислення молекулярним киснем відновленого флавіну, наприклад флавіну в складі ксантиндегідрогенази. Він утворюється також при одноелектронному окисленні молекулярним киснем відновленого компонента дихального ланцюга:
Enz–H2 + O2 ( Enz–H + O2-. + H+.
Супероксид може відновлювати окислений цитохром с:
О2-. + Цит с (Fе3+) ( О2 + Цит с (Fе2+).
Він відщеплюється також специфічним ферментом – супероксиддисмутазою:
О2-. + О2-. + 2Н+ Н2О2 + О2
У цій реакції супероксид виступає одночасно як окислювач, так відновник. Хімічна дія супероксиду в тканинах підсилюється в результаті ініціювання ланцюгової реакції утворення вільних радикалів. Було висловлено припущення, що О2-., зв'язаний з цитохромом Р450, є інтермедіатом при активації кисню в процесі реакцій гідроксилювання (рис 4).
Функцією супероксиддисмутази є, очевидно, захист аеробних організмів від ушкоджуючої дії супероксиду. Фермент виявляється в декількох внутрішньоклітинних кампартментах. Цитозольний фермент складається з двох подібних субодиниць, які містять по одному іонові Сu2+ і Zn2+; мітохондріальний фермент, так само як і фермент, виявлений у бактерій, містить іон Мn2+. Ця обставина служить ще одним доказом на користь гіпотези про походження мітохондрій із прокаріот, що вступили в симбіоз із протоеукаріотами. Дисмутаза присутня у всіх основних тканинах аеробів. Перебування тварин в атмосфері 100%-ного кисню викликає адаптивне підвищення вмісту дисмутази, особливо в легенях; тривале перебування в такій атмосфері призводить до ушкодження легень і летальному результату. Антиоксиданти, наприклад (-токоферол (вітамін Е), здатні вловлювати вільні радикали, такі, як О2-., знижуючи тим самим токсичність кисню.
Окислювальне фосфорилювання
Розглянуті вище реакції окислення – відновлення різних субстратів, що здійснюються в живих організмах у процесі внутрішньоклітинного обміну, дістали назву біологічного окислення. Процеси біологічного окислення, що проходять у клітинах гетеротрофних організмів, є основним джерелом енергії, необхідної для забезпечення їхньої життєдіяльності. Енергія, що виділяється при анаеробному та аеробному окисленні різних субстратів, нагромаджується в макроергічних зв'язках АТФ – універсальної сполуки, яка може виступати в ролі акумулятора, трансформатора та донора енергії. Близько 50 % енергії окислення органічних сполук резервується в макроергічних зв'язках АТФ. Утворюється АТФ з АДФ і активного фосфату, причому активація останнього і перетворення його на активний фосфорил відбуваються за рахунок енергії окислення органічних сполук. Синтез АТФ з АДФ і неорганічного фосфату, активація якого спряжена з процесами окислення в організмі, називається фосфорилюючим окисленням. Залежно від принципу енергетичного спряження розрізняють фосфорилююче окислення на рівні субстрату та на рівні електронно-транспортного ланцюга. Фосфорилююче окислення на рівні субстрату – це синтез АТФ з АДФ і активного фосфорилу внаслідок перенесення його з продукту окислення субстрату на АДФ. Так синтезується незначна кількість АТФ. Реакції фосфорилюючого окислення на рівні субстрату здійснюються зокрема в процесі анаеробного окислення вуглеводів. Так, у процесі окислення глюкозо-6-фосфату утворюється субстрат, що має макроергічний зв'язок – 1,3-дифосфогліцеринова кислота, яка може передавати активний фосфорил на АДФ, внаслідок чого утворюється молекула АТФ (див. обмін вуглеводів).
У процесі гліколізу проходить ще одна реакція фосфорилюючого окислення (на рівні субстрату) – при перенесенні активного фосфорилу з фосфоенолпірувату, продукту окислення глюкозо-6-фосфату на АДФ (див. обмін вуглеводів).
На третьому етапі виділення енергії (під час аеробного окислення в циклі Кребса) також відбувається реакція фосфорилюючого окислення на рівні субстрату – під час перенесення активного фосфорилу з сукцинілфосфату на ГДФ (див. обмін вуглеводів). Утворена молекула ГТФ вступає в обмінну реакцію АДФ, внаслідок чого утворюється молекула АТФ:
ІТФ + АДФ ( АТФ + ГДФ.
Другий вид енергетичного спряження – фосфорилююче окислення на рівні електронно-транспортного ланцюга – здійснюється в процесі тканинного дихання або біологічного окислення на рівні електронно-транспортного ланцюга.
Значний внесок у з'ясування цього механізму зробили В.П. Скулачов, С.Є. Северин, П. Мітчелл. Дослідженнями було встановлено, що в процесі біологічного окислення під час перенесення протонів та електронів по системі дихального ланцюга, спряжених з процесами окислення, на певних його ділянках відбувається активація неорганічного фосфату і перетворення його на активний фосфорил, який взаємодіє з АДФ і забезпечує синтез АТФ. При перенесенні електронів по системі дихального ланцюга вільна енергія системи поступово зменшується. Згідно з розрахунками, стандартна зміна вільної енергії системи при перенесенні двох електронів по системі дихального ланцюга становить 220 кДж, що достатньо для синтезу 6 – 7 молекул АТФ (враховуючи, що вільна енергія гідролізу АТФ в середньому дорівнює 30,6 кДж; 220 : 30,6 = 7). Однак дослідженнями було встановлено, що при перенесенні двох електронів по системі дихального ланцюга синтезується лише три молекули АТФ, тобто існує три пункти спряження, на яких процес окислення забезпечує активацію неорганічного фосфату і перенесення активного фосфорилу на АДФ. Саме на цих ділянках рівень зміни вільної енергії системи достатній для синтезу АТФ:

Перша молекула АТФ синтезується при перенесенні електронів і протонів від нікотинамідних до флавінових коферментів, друга – при перенесенні електронів від цитохрому b до цитохрому с, третя – утворюється на ділянці перенесення електронів з цитохромоксидази (аа3) на кисень. Отже, під час окислення двох атомів водню в дихальному ланцюгу утворюється три молекули АТФ.
Ступінь спряження окислення і фосфорилювання може бути різний, залежно від умов та стану клітини. Показником спряження окислення і фосфорилювання є коефцієнт Р/О (коефіцієнт фосфорилювання) або відношення зв'язаного неорганічного фосфату до поглиненого в процесі дихання кисню (Р/О = 3, якщо первинною дегідрогеназою є НАД+ і Р/О = 2, якщо водень з субстрату відщеплюють флавінові дегідрогенази). Інтенсивність процесу фосфорилюючого окислення регулюється співвідношенням АТФ/АДФ. Чим менше це співвідношення, тим інтенсивніше відбувається дихання та утворення АТФ.
Фосфорилююче окислення на рівні електронно-транспортного ланцюга відбувається в мітохондріях. Ферментні системи, що каталізують даний процес, локалізовані у внутрішніх мембранах мітохондрій:

Враховуючи їхні функції в спряженні процесів окислення і фосфорилювання, В.П. Скулачов назвав їх „спряжуючими”. Оскільки в процесі фосфорилюючого окислення на рівні електронно-транспортного ланцюга утворюється основна маса АТФ – сполуки, якій належить центральна роль в енергозабезпеченні організму, мітохондрії дістали назву „енергетичних станцій” клітини. Існує кілька гіпотез щодо пояснення механізму фосфорилюючого окислення в процесі біологічного окислення на рівні електронно-транспортного ланцюга.
Хімічна гіпотеза. В основу всіх хімічних гіпотез покладено уявлення про те, що окислення субстратів сприяє утворенню макроергічних зв'язків між неорганічним фосфатом та певними органічними сполуками, з яких він переноситься на АДФ. Хімічна гіпотеза була запропонована Ліпманом. Суть її полягає в тому, що енергія, яка виділяється при перенесенні електронів у дихальному ланцюгу, спочатку використовується для утворення певних гіпотетичних, багатих на енергію сполук, а потім передається для синтезу АТФ. Схематично цей процес можна показати так:
А-Н2 + Х + Б ( А~X + Б-Н2; А~Х + Фн = А + Х~Ф; X(Ф + АДФ = X + АТФ,
де А і Б – речовини, що переносять електрони; Фн – неорганічний фосфат; X – невідома, гіпотетична речовина.

Однак хімічна гіпотеза до цього часу не дістала експериментального підтвердження.
Конформаційні гіпотези. Ці гіпотези пояснюють синтез АТФ з АДФ і неорганічного фосфату внаслідок конформаційних переходів, які виникають під час окислення. Проте гіпотези експериментального підтвердження не знайшли, хоча окремі моменти їх були використані П. Мітчеллом при розробці хеміосмотичної концепції спряження процесів окислення та фосфорилювання на рівні електронно-транспортного ланцюга, яка нині є загальноприйнятою. Основним постулатом гіпотези є те, що під час функціонування електронно-транспортних ланцюгів виникає осмотична енергія (енергія концентраційного градієнта), яка використовується для здійснення хімічної роботи – синтезу АТФ (звідки і назва – хеміосмотична гіпотеза), тобто гіпотеза передбачає перехід хімічної енергії, що виділяється під час транспорту електронів, на градієнт мембранного електрохімічного потенціалу іонів водню та перетворення останнього на стабільну енергію макроергічних зв'язків АТФ. Рушійною силою процесу фосфорилювання є градієнт електрохімічного потенціалу протонів водню ((((Н+), що виникає на спряжуючій мембрані, яка має високий електричний опір та низьку проникність для заряджених часточок (іонів Н+ та ОН–). Перенесення їх забезпечується протонними насосами, які відкачують протони з матрикса в міжмембранний простір (проти градієнта концентрації), внаслідок чого відбувається закислення міжмембранного простору. Зовнішня частина спряжуючої мембрани при цьому набуває позитивного заряду. Однак у матриксі створюється надлишок іонів ОН–, що призводить до підлуження середовища та появи негативного заряду на внутрішній частині спряжуючої мембрани (збоку матрикса). Отже, електрохімічний потенціал ((((Н+), який виникає на спряжуючій мембрані, складається з двох компонентів – електричного (різниці електричних потенціалів – (() та осмотичного (концентраційного – (рН):
(((Н+ = (( + (рН.
Зворотний потік протонів (за градієнтом концентрації) відбувається через Н+–АТФ-азний комплекс. Саме цей потік протонів забезпечує синтез АТФ. Н+–АТФ-азний комплекс спряжуючої мембрани – це фермент АТФ-синтетаза, який складається з фактора F1 та мембранних компонентів (комплексу F0). Фактор F1-мультимер з молекулярною масою 360 тис., складається з п'яти типів субодиниць – (, (, (, (, (. Основні каталітичні функції даного комплексу забезпечуються (- і (-субодиницями. На (-субодиниці локалізується активний центр фактора, а на (-субодиниці – центр зв'язування субстрату (АДФ, Фн). До складу комплексу F0 входять кілька видів білків з молекулярною масою 19 – 30 тис., які забезпечують утворення протонпровідного каналу та спрямованість потоку протонів. Комплекс F0 виконує роль рецепторної та спряжуючої ділянок ферменту, а фактор F1 – каталітичної. Н+–АТФ-азний комплекс локалізується в спряжуючій мембрані мітохондрій так, що комплекс F0 пронизує всю мембрану, а фактор F1 – локалізується на внутрішньому боці мембрани мітохондрій (з боку матрикса). Цей комплекс нагадує грибоподібні вирости, в яких ніжка гриба пронизує товщу мембрани, а головка – локалізується на поверхні крист.
Нині існує кілька пояснень механізму спряження окислення і фосфорилювання. Суть більшості з них полягає в тому, що процес спряження здійснюється внаслідок використання енергії ((((Н+) при нагромадженні протонів (Н+) в активному центрі Н+–АТФ-азної системи, розміщеної у факторі F1. Нагромадження їх призводить до активації неорганічного фосфату, утворення активного фосфорилу, зв'язаного (-субодиницею фактора F1 внаслідок зняття з нього групи ОН та елімінації (видалення) води у матрикс. Одночасно відбувається й активація АДФ, зв'язаного з цією самою субодиницею фактора F1 після втрати протона при взаємодії з групою ОН матрикса. Активований фосфат і АДФ, сполучаючись, утворюють молекулу АТФ. Згідно з іншою концепцією, утворення АТФ відбувається так: протони Н+ в активному центрі спряжуючого фактора активують фосфат і карбоксильну групу однієї з субодиниць фактора F1, внаслідок чого утворюється фосфоензим з макроергічним зв'язком. При взаємодії АДФ з фосфоензимом утворюється АТФ. Існує також припущення, що роль протонів Н+ полягає у зміні конформації фактора F1 і що саме конформаційні видозміни активного центру Н+–АТФ-азного комплексу є рушійною силою для синтезу АТФ.
В результаті досліджень П. Бойєра було встановлено, що швидкий і зворотний синтез АТФ може відбуватися в активному центрі АТФ-ази без затрат енергії ((((Н+). Стадією, що лімітує дану реакцію, є виділення синтезованої АТФ з активного центру ферменту в матрикс, тобто з гідрофобної фази у водну.
Саме цей процес прискорюється при енергизації мембрани. Згідно з гіпотезою П. Мітчелла, на кожній мембрані є два протони, що транспортуються по електронно-транспортнсму ланцюгу крізь мембрану, внаслідок чого синтезується одна молекула АТФ. Отже, ланцюг перенесення електронів має три протонних насоси, що відповідають трьом ділянкам спряження. Дихальний ланцюг тричі перетинає внутрішню мембрану, при цьому кожна пара електронів, що переносяться від НАД(Н2 до кисню, виділяє три пари протонів із внутрішнього матрикса і переносить у міжмембранний простір. Цим зумовлене чергування в дихальному ланцюгу переносників протонів і електронів.
Крім окислення, спряженого з процесами фосфорилювання та синтезом АТФ, існує так зване вільне або нефосфорилююче окислення. Ферментні системи вільного окислення локалізовані на зовнішньому боці внутрішньої мембрани мітохондрій, а також на мембранах ендоплазматичного ретикулуму та інших клітинних органел. Вільне окислення, як правило, процесами фосфорилювання та спряженими з ними процесами синтезу АТФ не супроводжується. Енергія, що утворюється в процесі вільного окислення, розсіюється у вигляді теплоти. Вважають, що система дихального ланцюга, яка забезпечує фосфорилююче окислення, може переключатись на процеси вільного окислення, що відіграє важливу роль у процесах адаптації організму до умов навколишнього середовища. Зокрема, досліджено, що при охолодженні організму фосфорилююче окислення послаблюється, а вільне окислення, навпаки, посилюється. Внаслідок цього енергія окислення органічних сполук генерується на теплоту тіла, тобто в організмі існують механізми, що забезпечують зміну співвідношення між фосфорилюючим та вільним окисленням. Сполуки, що гальмують спряженість процесів окислення та фосфорилювання, називаються роз'єднуючими факторами.
У ролі роз'єднувачів можуть виступати різні метаболіти, біологічно активні сполуки, хімічні агенти, лікарські препарати тощо. Так, гормон тироксин послаблює спряженість процесів окислення і фосфорилювання, а інсулін, навпаки, посилює даний процес. У зв'язку з цим при надмірній секреції тироксину внаслідок гіперфункції щитовидної залози, як правило, спостерігається підвищення температури, хворі погано переносять тепло. Із хімічних агентів у ролі роз'єднувачів виступають такі сполуки, як динітрофенол, дикумарини та ін. Значно послаблюють спряженість процесів окислення і фосфорилювання також токсини патогенних мікроорганізмів, які викликають інфекційні захворювання, що супроводжуються підвищенням температури. За цих умов лікарські препарати, такі як ацетилсаліцилова кислота, фенацетин та інші, згубно діють на збудників захворювань і сприяють відновленню спряження між процесами окислення та фосфорилювання, в результаті чого знижується температура організму.
Зміна співвідношення між процесами фосфорилюючого та вільного окислення досить важлива для тварин, які впадають в анабіоз. Процеси життєдіяльності в цих тварин підтримуються на низькому рівні й енергетичні витрати мінімальні, тому в них процеси вільного окислення переважають над фосфорилюючим окисленням. Такі тварини мають запаси бурого жиру, що містить велику кількість мітохондрій, які спеціалізуються на продукуванні теплоти, що зігріває кров. У вигляді роз'єднувачів у даному випадку є жирні кислоти, що утворюються при розщепленні жирів і надходять у кров. Як тільки запаси жиру вичерпуються, процеси фосфорилювання поновлюються і тварини виходять з анабіозу. Це досить часто трапляється з тваринами, в яких запаси жиру недостатні, внаслідок чого стан анабіозу припиняється серед зими.
Зміна співвідношення між процесами фосфорилюючого та вільного окислення відіграє важливу роль в адаптації організмів до зміни умов навколишнього середовища. Отже, основною сполукою, що відіграє вирішальну роль в енергозабезпеченні організму, є АТФ, синтез якої здійснюється спряжено з процесами окислення в організмі. Енергія, що акумулюється в макроергічних зв'язках АТФ, може бути використана для різних потреб організму, процесів синтезу, руху, транспорту іонів, виконання роботи. Це зумовлено тим, що АТФ може виступати не лише в ролі акумулятора енергії, але і її трансформатора та донора. АТФ відіграє провідну роль в енергообміні, що пов'язано з особливостями її будови. Завдяки наявності сильного негативного заряду, за рахунок іонізованих фосфатних груп, відбувається зближення пуринового циклу з залишками фосфату. При цьому стабільна енергія, що вивільнюється під час розриву макроергічних зв'язків у молекулі АТФ, передається на пуриновий цикл і трансформується на мобільну енергію збудження електронів системи спряжених подвійних зв'язків пуринового циклу. Це викликає перехід у збуджений стан електронів хімічних сполук, що підлягають перетворенню, і надає їм підвищену реакційну здатність, створюючи потенційну можливість для зворотного перетворення мобільної енергії збуджених електронів на стабільну енергію хімічних зв'язків. Трансформація стабільної енергії фосфоангідридних зв'язків на мобільну енергію збуджених електронів пуринового циклу та зворотній процес – перетворення мобільної енергії збуджених електронів в стабільну енергію хімічних зв'язків органічних сполук є першим етапом перетворення енергії в організмах.
При енергетичному обміні в організмі основною ланкою є аденілатна система: АТФ та продукти її гідролізу – АДФ, АМФ, Фн і пірофосфат. Ця система подібно до акумулятора може заряджатись енергією від певних генераторів і передавати її на інші сполуки, забезпечуючи процеси енергетичного обміну, тобто в організмі проходить постійне утворення АТФ (нагромадження енергії) та її розщеплення, що супроводжується вивільненням енергії:
АДФ + Фн ( АТФ; АТФ ( АДФ + Фн.
При гідролізі АТФ утворюються молекула АДФ і неорганічний фосфат. Рівень зміни стандартної вільної енергії при цьому становить 37 – 42 кДж/моль. Під час гідролізу кінцевої фосфатної групи АДФ спостерігається близька величина зміни рівня стандартної вільної енергії, однак АДФ не є макроергічною сполукою, оскільки виділена енергія розсіюється у вигляді теплоти. При гідролізі АМФ рівень зміни стандартної вільної енергії становить 9,6 кДж/моль, тобто АМФ і АДФ не є макроергічними сполуками.
Крім схеми, наведеної вище, гідроліз АТФ може проходити з відщепленням двох залишків фосфату:
АТФ ( АМФ + Н4Р2О7
Пірофосфат, що утворюється при цьому, є макроергічною сполукою, однак його використання в обмінних процесах обмежене в зв'язку з тим, що під час гідролізу його макроергічних зв'язків вивільнюється теплова енергія.
Лекція № 10. Обмін вуглеводів.

Обмін вуглеводів є складовою частиною загального обміну речовин і енергії в організмах людини і тварини. Він складається з чотирьох етапів: перетравлювання, всмоктування, проміжного і кінцевого обмінів.
Перетравлювання вуглеводів
Вуглеводи складають основу рослинних кормів. У більшості з них вони знаходяться у вигляді оліго-, гомо- і гетерополісахаридів, складових частин глюко- і мукопротеїдів, нуклеїнових кислот, біокомплексних сполук. Для засвоєння таких вуглеводів організмом необхідне їх попереднє гідролітичне розщеплення до простих цукрів: глюкози, фруктози, манози, галактози, рибози, дезоксирибози, арабінози, ксилози і т.д. Таке розщеплення починається з моменту попадання їжі в ротову порожнину.
У ротовій порожнині їжа механічно подрібнюється, змочується слиною, перемішується і перетворюється на харчову грудку.
Слина – змішаний секрет трьох залоз: привушної, підщелепної і під'язикової. Це мутнувата рідина (інколи – прозора), з ( = 1,002 – 1,010 і ( – 0,25 – 0,50. Значення рН коливається від 7,2 – 7,6 до 8,2 – 8,5. Містить до 99,4% води і 0,6% нерозчинного залишку, до складу якого входять муцини, альбуміни, глобуліни, амінокислоти, ферменти (амілаза, мальтаза, лактаза, ін.), холестерин, глюкоза, молочна кислота, вітаміни та ін. Мінеральний склад слини представлений аніонами хлоридів, гідрокарбонатів, фосфатів, роданідів, сульфатів, йодидів, бромідів і катіонами Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe3+, Cu2+, Mn2+, Ni2+, Li+, Zn2+, ін.
Їжа, що містить крохмаль, інулін і глікоген, під впливом ферменту амілази піддається гідролітичному розщепленню:
(C6H10O5)n + nH2O nС12Н22O11.
Цей процес починається у порожнині рота під впливом ферменту амілази слини, яка належить до класу гідролаз, підкласу мікозидаз.
У природі виявлено (-, (-, (-амілази, кожна з яких вузько специфічна. Так, (-амілаза каталізує гідроліз 1,4-зв’язків у молекулах полісахаридів, послідовно відщеплюючи залишки глюкози від кінця їх молекул. Цей фермент досить поширений у тканинах тварин. (-Амілаза інтенсифікує гідроліз 1,4-зв’язків, послідовно відщеплюючи від кінця молекули полісахариду по два залишки глюкози, тобто молекули мальтози. Цей фермент поширений в основному в рослинних організмах. (-Амілаза належить до ендоамілаз. Вона каталізує гідролітичне розщеплення внутрішніх 1,4-зв’язків у молекулах полісахаридів. За цих умов утворюються відносно великі уламки молекул полісахаридів (декстрини), олігосахариди, а також частково дисахарид мальтоза.
(-Амілаза містить у своїх активних центрах іони кальцію, які забезпечують її каталітичну дію.
Амілаза слини складається в основному з (-амілази. Її ще називають птіаліном, або діастазою. Крім (-амілази у слині міститься також фермент мальтаза ((-глюкозидаза), яка розщеплює мальтозу на дві молекули глюкози. Тому при тривалому перебуванні вуглеводної їжі у порожнині рота відчувається солодкий смак.
Цікавим є той факт, що на вміст ферментів у слині впливає склад їжі. Так, вміст амілази у слині хижаків, які харчуються м’ясом, практично відсутній. У людей, які споживають їжу, багату на вуглеводи, вміст амілази у слині вищий, ніж у тих, які споживають бідну на вуглеводи їжу.
Амілаза найбільш активно впливає на крохмаль вареної їжі, розщеплюючи його до мальтози. Під впливом мальтази мальтоза може розщеплюватися до глюкози:
С12Н22O11 + Н2O ( 2C6H12O6.
Їжа у ротовій порожнині знаходяться недовго (1 – 5 хв.), де ферменти частково розщеплюють вуглеводи. Більшість полісахаридів залишаються незмінними і у такому вигляді поступають у шлунок або передшлунки. Найбільша активність амілази і мальтази – в слині людини і мавп, найнижча – в слині собак і кішок.
Після ротової порожнини харчова грудка по стравоходу проходить у шлунок. Тут розщеплення вуглеводів поступово припиняється. У міру просочення кормових мас шлунковим соком амілаза і мальтаза слини інактивуються, (через 20 – 30 хв.) унаслідок різкої зміни реакції середовища. Зміна рН середовища (рН шлункового соку дорівнює 1,5 – 2) повністю інактивує ферменти, оптимальна каталітична дія яких виявляється при рН – 6,8...7,2.
На відміну від інших вуглеводів, перетравлювання клітковини має свої особливості. У травному каналі організмів людини і тварин відсутні ферменти, які здійснюють гідролітичне розщеплення клітковини, зокрема (-амілаза. Цей фермент продукується в основному симбіотичними з організмом тварини мікроорганізмами. Симбіоз починається з перших днів постнатального онтогенезу і якнайповніше виражений під час переходу тварин на рослинне живлення.
Основним місцем перетравлювання клітковини є нижні відділи тонкої і особливо товста кишка у людини і рубець у жуйних тварин, де під впливом ферментів мікрофлори проходить її ферментативний гідроліз. Наявність мікроорганізмів, здатних гідролізувати клітковину, має особливо важливе значення для жуйних тварин, для яких клітковина є основою харчового раціону. Наприклад, у 1 г вмісту рубця міститься до 1010 мікроорганізмів, в основному, інфузорій, а також різних видів бактерій, актиноміцетів, дріжджів, мікроскопічних грибів і водоростей. Під впливом ферментів, що виробляються цими мікроорганізмами, клітковина гідролізується до (- і (-глюкоз:

C12H22O11 + H2O C6H12О6 + C6H12О6.
Надалі під впливом ферментів мікроорганізмів (- і (-глюкоза піддається різним видам бродіння. Продуктами бродіння є жирні кислоти (оцтова, пропіонова, масляна, валеріанова, капронова, молочна, ін.), альдегіди і кетони, спирти, гази. Так, під впливом Вact. lactis з глюкози утворюється молочна кислота:
C6H12O6 ( 2CH3CHOH–COOH.
Основна маса жирних кислот всмоктується слизовою оболонкою шлунку. Частина з них витрачається на живлення мікроорганізмів і є матеріалом для синтезу ними амінокислот, білків, нуклеїнових кислот, ліпідів та інших речовин. Мікроорганізми, перетравлюючись в нижніх відділах харчового каналу, служать джерелом для отримання організмом-господарем біологічно важливих сполук.
Перетравлювання вуглеводів закінчується в тонкій кишці (дванадцятипалій і клубовій). Тут кормові маси піддаються дії соку підшлункової залози і кишкового соку.
Сік підшлункової залози – безбарвна рідина, без запаху, рН > 7,5, ( ( 1,010. У людини за добу виділяється 1,5 – 2 л, корови – 3 – 4, свині – 8, собаки – 0,2 л соку. Сік складається з води (90%) і нерозчинного залишку (10%), який містить білки, в основному ферменти (амілазу, мальтазу, лактазу, інвертазу, протеази, нуклеази), а також ліпіди і мінеральні солі, основу яких складає гідрокарбонат натрію. Найбільше соку виділяється під час надходження вуглеводного корму, менше – під час надходження м’ясного корму.
Кишковий сік – безбарвна або жовта рідина, з ( = 1,007 – 1,010 і рН > 7,5. Складається з води (98,5 – 98,8%) і нерозчинного залишку (1,5 – 1,2%). Залишок за хімічним складом схожий із складом злущених епітеліальних клітин стінок кишки. В кишковому сокові містяться муцин, ферменти, сироваткові білки, ліпіди, мінеральні речовини, ін. Сік виробляється кишковими, а в дванадцятипалій кишці ще і дуоденальними залозами.
Кормові маси, що поступили з шлунку в тонку кишку, просочуються соком підшлункової залози і кишковим соком і ретельно перемішуються, перетворюючись на рідку кашку – химус. Полісахариди (глікоген, крохмаль, інулін) та їх похідні (декстрини) під впливом (-амілази розщеплюються до дисахаридів:
2(C6H10О5)n + nН2O ( 2nС12Н22О11.
Подальше розщеплення дисахаридів здійснюється різними ферментами. Наприклад, мальтоза розщеплюється під впливом ферменту мальтази:

Лактоза і сахароза розщеплюються лактазою ((-галактозидазою) і сахаразою або інвертазою ((-фруктофуранозидазою):


Розщеплення дисахаридів відбувається в основному на поверхні кишкового епітелію на його мікроворсинках і між ними. Деяка частина моносахаридів утворюється також у результаті гідролітичного розщеплення нуклеїнових кислот, глікопротеїдів, гліколіпідів та інших сполук.
Що стосується клітковини, то в організмах людини і хижих тварин значна частина її не розщеплюється, а виводиться з організму. Однак клітковина повинна бути обов’язковим компонентом харчового раціону, оскільки вона є важливим стимулятором секреторної і моторної функцій кишок і необхідна для формування калу. При тривалій відсутності в харчовому раціоні клітковини в організмах людини і жуйних тварин розвивається атонія кишок.
Крім клітковини в овочах і фруктах, які споживає людина, міститься певна кількість пектинових речовин, що позитивно впливають на процеси травлення, пригнічують процеси гниття в кишках, поліпшують умови життєдіяльності корисної мікрофлори. Пектинові речовини виявляють також антитоксичні властивості і здатні знешкоджувати деякі отруйні речовини. Отже, споживання овочів і фруктів сприяє не лише збалансуванню дієти за окремими вуглеводами, а й має важливе значення для нормального функціонування травного апарата і протікання процесів травлення.
Всмоктування вуглеводів
Всмоктування – це складний біохімічний процес переходу молекул моносахаридів і їх ефірів через епітелій слизової оболонки тонкої кишки в кров і лімфу. Слід зазначити, що деяка кількість моносахаридів (до 10%) всмоктується слизовою оболонкою шлунку. Тонка кишка має величезну всмоктуючу поверхню (у людини вона досягає 500 м2). Збільшенню такої поверхні сприяє наявність в слизовій оболонці ворсинок (2 – 2,5 тис. на 1 см2) і мікроворсинок (2 – 3 тис. на 1 клітину). Тут кормові маси перебувають в середньому 8 – 9 год. За такий проміжок часу практично всі моносахариди які є в химусі всмоктуються через слизову оболонку в кров.
Пентози всмоктуються повільніше, ніж гексози. Гексози всмоктуються, головним чином, у вигляді гексозофосфатів, що перешкоджає вирівнюванню осмотичної концентрації в епітелії у міру всмоктування і забезпечує безперервне надходження гексоз. На швидкість всмоктування впливає лише структура молекули гексози. Наприклад, якщо швидкість всмоктування глюкози прийняти за 100, то швидкість всмоктування галактози буде 110, фруктози – 43, манози – 19. Після переходу через кишкову стінку гексозофосфати гідролізуються: моносахариди поступають в кровоток, а H3PO4 використовується для фосфорилювання нових порцій вуглеводів, що всмоктуються. Під час всмоктування частина моносахаридів (фруктоза, галактоза, маноза) таутомеризуються в глюкозу. Зокрема, фруктоза:
,
,
.
Перетворення галактози в глюкозу відбувається дещо складніше:



Використання сучасних методів дослідження розширило уявлення про механізм всмоктування моносахаридів та інших речовин. Механізм всмоктування пояснює теорія переносників, згідно якої транспортування моносахаридів в клітину епітелію ворсинки здійснюється за допомогою спеціальних білків з молекулярною масою 10 – 30 тис. Вони знаходяться на мембранах мікроворсинок і відразу ж після ферментативного розщеплення дисахаридів сприймають на певні „майданчики” своїх молекул моносахариди, які потім переносять у глиб клітини до базального її краю. Переносник з’єднується з моносахаридами і їх дериватами. Мітохондрії в цих процесах є джерелом хімічної енергії. Комплекс переносник–моносахарид може пересуватися в глиб клітини по ендоплазматичній мережі та іншим органоїдам. На базальній поверхні клітини комплекс розпадається. Переносник повертається назад до поверхні клітини і з’єднується з новими порціями моносахаридів. Моносахариди потрапляють в міжклітинну рідину, потім в судинну систему – капіляри, підепітеліальну і підслизову венозну мережу, вени брижейки і ворітну вену. Процес всмоктування активується іонами Na+, які створюють натрієвий насос, що забезпечує активне транспортування моносахаридів через мембрани ентероцита.
У товстій кишці (сліпа, ободова, пряма) частина полісахаридів, яка не піддалася гідролізу, розкладається під впливом мікробів. Продукти, що утворилися при цьому, всмоктуються слизовою оболонкою в кровоносне русло. При споживанні недоброякісних продуктів і деяких захворюваннях харчового каналу утворюються продукти гниття, які токсично впливають на організм. У товстій кишці людини і тварин мікроорганізми синтезують деякі вітаміни (К, В1, B2, B6, B3, B5, С та ін.).
Проміжний обмін
Він протікає в органах, тканинах, клітинах та інтрацелюлярних структурах. При цьому моносахариди крові використовуються для різних потреб організму – енергетичних, пластичних, захисних та ін. Так, у людини, що вживає їжу рослинного і тваринного походження, 3 – 5% глюкози крові використовується для синтезу глікогену, 30 – 35% – для синтезу ліпідів, 60 – 70% служить джерелом хімічної енергії. Проміжний обмін часто називають: внутрішньотканинним або внутрішньоклітинним обміном. При розщепленні молекули вуглеводу до CO2 і Н2О в тканинах і клітинах утворюється велика кількість інших проміжних продуктів обміну.
Цукор крові. Цукор крові, в основному, представлений глюкозою, частково – фруктозою і глікогеном (табл. 1).
Таблиця 1
Вміст цукру в крові людини і деяких тварин
Об'єкт дослідження
Вміст цукру,
ммоль/л
Об'єкт дослідження
Вміст цукру, ммоль/л

Ссавці

Птахи
8,2 – 11,0

людина
4,5 – 6,6
Рептилії


3,2 – 11,0 (залежно від сезону)

велика рогата худоба

5,6 – 5,8



вівці
3,4 – 3,6
Амфібії
0,8 – 3,0

кози
4,5 – 4,8
Риби
1,0 – 2,0

кролі
5,6 – 5,8
Безхребетні


собаки
4,5 – 5,6
молюски
0,8 – 2,5

Морські свинки
6,6 – 6,7
ракоподібні
0,09 – 1,5


комахи
11,0 – 12,5


Глюкоза знаходиться у вільному і зв'язаному станах. У деяких випадках кількість зв'язаної глюкози досягає 40 – 50% загального її вмісту в крові, вміст глікогену – до 15 – 50 мг%. Артеріальна кров, що поступає в головний мозок по сонних артеріях, на 98 – 105 мг% багатша глюкозою, ніж венозна кров, що відтікає від мозку по яремних венах.
Існує два основні шляхи поповнення вмісту глюкози у крові – всмоктування простих цукрів, в основному глюкози, у тонкій кишці та розкладання глікогену в печінці.
Печінка виділяє у кров у середньому 3,5 мг глюкози на 1 кг маси тіла за 1 хв. Виділення глюкози печінкою залежить від вмісту цукру, що потрапляє в печінку з кров'ю. При низькому вмісті цукру у крові печінка виділяє глюкозу в кров, а при високому – захоплює її і використовує для синтезу глікогену.
Отже, однією з найважливіших функцій печінки є підтримування сталого рівня глюкози у крові – глюкостатична, або гомеостатична, функція, в основі якої лежить здатність ферментних систем клітин печінки змінювати свою активність залежно від концентрації цукру в крові.
На вміст цукру в крові може впливати і м'язова тканина, яка в період інтенсивної роботи поглинає значну кількість глюкози з крові і використовує її для синтезу глікогену. Розкладання глікогену, синтезованого у м’язах, є важливим джерелом енергії, необхідної для забезпечення їх здатності до скорочення.
Оскільки при фізичній роботі обмін вуглеводів у м’язах проходить в анаеробних умовах, то глюкозо-6-фосфат, який утворюється під час розкладання глікогену, перетворюється на молочну кислоту.
В період відпочинку організму частина молочної кислоти використовується для синтезу глікогену в м’язах, а інша частина може надходити у кров, звідки захоплюється печінкою і використовується для синтезу глікогену. Отже, між глікогеном, синтезованим у м'язах і печінці, існує динамічний взаємозв'язок: глікоген печінки постачає кров глюкозою, яка використовується для синтезу глікогену у м'язах; глікоген, синтезований у м'язах, розкладається на молочну кислоту, з якої синтезується глікоген у печінці. Цей взаємозв'язок дістав назву циклу Корі:

Синтез глікогену

Глікоген як джерело хімічної енергії і регулятор осмотичного тиску крові має велике значення для організму. В органах відкладається у вигляді зерен.
Вміст глікогену в печінці людини і тварин при надмірному вуглеводному живленні іноді складає 15 – 20% загальної сухої маси органу. В печінці людини міститься до 150 г глікогену. Багато полісахариду нагромаджується в інших органах і тканинах. Так, у м'язах вміст глікогену досягає 0,2 – 2%, у нервовій тканині – 0,15% загальної сухої маси.
Якщо для синтезу глікогену джерелом служить глюкоза, цей процес називають глікогенез, якщо інші сполуки (аміно-, кето-, оксикислоти і низькомолекулярні жирні кислоти) – гліконеогенез.
Глікогенез. Утворення глікогену детально вивчено в печінці. В гепатоцитах глюкоза під впливом гексокінази фосфорилюється:



Далі глюкозо-6-Ф під впливом фосфоглюкомутази ізомеризується в глюкозо-1-фосфат:

Глюкозо-1-фосфат під впливом ферменту глюкозо-1-фосфат-уридилтрансферази вступає в реакцію з УТФ, утворюючи УДФ-глюкозу:

УДФ-глюкоза під дією ферменту глікогенсинтетази і за наявності невеликої кількості „затвравки” глікогену переносить залишок глюкози на молекулу глікогена, що призводить до подовження ланцюга полісахариду за рахунок утворення зв'язку 1,4:
(C6H10O5)n + УДФ-глюкоза ( (C6H10О5)n+1 + УДФ.
УДФ фосфорилується за рахунок АТФ, перетворюється в УТФ і вступає в реакцію з новими молекулами глюкозо-1-фосфата. При утворенні зв'язків 1,6 в реакції бере участь фермент (-глюкан-розгалуджуюча глікозилтрансфераза (фермент розгалуження). Для подовження ланцюга молекули глікогену на один мономер затрачується один макроергічний зв'язок (~), що містить у собі 32 – 40 кДж. В окремих випадках молекула глікогену може синтезуватися на поліпептидному ланцюзі білка – ініціатора синтезу глікогену, без участі „затравки”. Іноді молекула глікогену утворюється без витрати енергії АТФ під впливом ферменту фосфорилази.
Гліконеогенез. Глікоген, так само як і глюкоза, може синтезуватися із сполук невуглеводної природи. Попередниками глікогену в даному випадку є: піровиноградна і молочна кислоти; проміжні компоненти циклу Кребса; глікогенутворюючі амінокислоти, тобто ті амінокислоти які можуть перетворюватися на піровиноградну кислоту, в проміжні продукти циклу Кребса або в пропіоніл-КоА і нарешті гліцерин, який утворюється в обміні ліпідів.
Такого роду синтез глікогену, який відбувається головним чином в печінці і нирках, називають гліконеогенезом. Цей процес дозволяє поповнювати резерви глікогену, але у разі потреби ланцюг перетворень не доходить до глікогену, а закінчується на глюкозо-6-фосфаті, який гідролізується до глюкози, що поступає далі через кров до клітин.
Ланцюг, що починається з піровиноградної кислоти. Гліконеогенез – це оборотний гліколізу процес, де два етапи каталізуються в протилежних напрямах не одними і тими ж, а різними ферментами. Ці етапи мають принципове значення.
Біосинтез фосфоенолпіровиноградної кислоти з піровиноградної кислоти. Цей синтез не може ефективно здійснюватися безпосередньо в прямому напрямку через дуже високий енергетичний бар'єр реакції, тому він відбувається в два етапи:
1) карбоксилування піровиноградної кислоти до щавелевооцтової кислоти, реакцію каталізує фермент піруваткарбоксилаза. Ця реакція відбувається в мітохондріях. Фермент є тетрамером, до його складу входять чотири молекули біотину:

2) фосфорилююче декарбоксилювання. Щавелевооцтова кислота декарбоксилюється, приєднуючи фосфат (ГТФ або ІТФ) з утворенням фосфоенолпіровиноградної кислоти, реакцію каталізує фосфоенолпіруваткарбоксикіназа:

ГТФ (або ІТФ) ресинтезується за рахунок АТФ. Таким чином, на синтез фосфоенолпіровиноградної кислоти, витрачається дві молекули АТФ.
Дефосфорилування фруктозо-1,6-дифосфата до фруктозо-6-фосфата. Фруктозо-1,6-дифосфат гідролізується на фруктозо-6-фосфат і фосфорну кислоту. Реакцію каталізує фермент фруктозодифосфатаза. Цей фермент, виділений з печінки, вдалося отримати в кристалічній формі. Він утворений двома субодиницями, його молекулярна маса 127000. Фермент каталізує реакцію:
Фруктозо-1,6-дифосфат + Н2О ( Фруктозо-6-фосфат + Н3РО4
Реакцію у зворотному напрямку каталізує фосфофруктокіназа у присутності АТФ. Активністю обох ферментів, діючих на одні і ті ж субстрати, але каталізуючих реакції, що йдуть в протилежних напрямках, управляють алостеричні інгібітори: фосфофруктокіназу гальмує АТФ; фруктозодифосфатазу – АМФ. Решта ферментів ланцюга гліколіза діє оборотно і бере участь однаково як при гліколізі, так і при гліконеогенезі.
Ланцюг, що починається з щавелевооцтової кислоти. Щавелевооцтова кислота є попередником фосфоенолпіровиноградної кислоти. В той же час вона є продуктом окислення ацетил-КоА у циклі Кребса. Тому, всі проміжні продукти циклу Кребса можуть служити попередниками глюкози і глікогену, а також, всі амінокислоти, які здатні перетворюватися в компоненти циклу Кребса, є глікогенутворюючими амінокислотами. Таким чином, щавелевооцтова кислота відіграє фундаментальну роль в гліконеогенезі, оскільки через неї в ланцюг біосинтезу глікогену і глюкози вступають піровиноградна кислота, проміжні продукти циклу Кребса і глікогенутворюючі амінокислоти.
Ланцюг, що починається з гліцерину. Гліцерин входить в ланцюг синтезу глікогену через реакцію:

У такий спосіб гліцерин теж виявляється попередником глікогену.
Гліконеогенез (схема 1) є фізіологічно важливим процесом, оскільки глюкоза абсолютно необхідна для клітин.
Разом з тим завдяки цьому процесу не обов'язково, щоб глюкоза входила до складу їжі – у разі відсутності в раціоні вуглеводів як попередники глікогену і глюкози можуть виступати білки. Відповідні реакції контролюються гормоном кори наднирників гідрокортизоном, а також панкреатичним гормоном глюкагоном.

Розпад глікогену

Глікоген – лабільна сполука. Протягом доби в організмі людини і тварин синтезується і розщеплюється 65 – 70% глікогену печінки.
Зменшення вмісту цукру в крові рефлекторно призводить до розпаду глікогену в печінці і нормалізації вмісту глюкози в крові. Ці процеси регулюються гормонально (синтез – інсуліном, розпад – адреналіном і глюкагоном).
Розщеплення глікогену здійснюється двома шляхами: фосфоролізом і гідролізом. Велика частина глікогену розщеплюється фосфоролітичним шляхом. Так, під впливом ферменту фосфорилази відбувається поступове зменшення молекули глікогену з утворенням глюкозо-1-фосфата.
Бічні відгалуження молекули глікогену відщеплюються під впливом гідролітичного ферменту аміло-1,6-глюкозидази.
Далі глюкозо-1-фосфат під впливом ферменту фосфоглюкомутази перетворюється в глюкозо-6-фосфат. Глюкозо-6-фосфат під впливом ферменту глюкозо-6-фосфатази розщеплюється до глюкози і неорганічного фосфату (H3PO4). Глюкоза поступає в кровоносне русло, а неорганічний фосфат використовується для реакцій фосфорилування.
Деяка частина глікогену розщеплюється гідролітично під впливом ферменту амілази з утворенням декстринів і мальтози:
(C6H10О5)n + nH2O ( (C6H10O5)x + nC12H22O11.
декстрини мальтоза
Потім під впливом ферменту мальтази мальтоза розщеплюється до глюкози, яка поступає в кровоносне русло:
С12Н22О11 + H2O ( 2C6H12O6.
Реакції фосфоролізу глікогену оборотні. Їх швидкість залежить від вмісту глікогену, глюкозо-6-фосфата і H3PO4. Так, при збільшенні концентрації глюкозо-6-фосфата реакція йде у напрямі утворення глікогену. Глюкоза крові в основному використовується для енергетичних потреб організму.
Процеси перетравлювання, всмоктування і перетворення основної маси вуглеводів у печінці і тканинах показані на схемі 2.
У тканинах і клітинах основними енергетичними перетвореннями вуглеводів є: анаеробне розщеплення, цикл трикарбонових кислот Кребса і пентозофосфатний шлях (ПФШ), або пентозний цикл. Всі три процеси взаємозв'язані, оскільки в кожному з них є загальні для всього проміжного обміну вуглеводів продукти хімічних реакцій, і беруть участь одні і ті ж ферментативні системи.


Схема 1. Глюконеогенез.

Схема 2. Процеси перетворення вуглеводів у печінці та тканинах.

Анаеробне розщеплення вуглеводів

Цей процес протікає в органах, тканинах і клітинах живого організму без участі кисню. Його основні реакції схожі з хімізмом спиртового бродіння, названого Л. Пастером „життям без кисню”. Відмінності полягають в наступному: при спиртовому бродінні вуглеводів кінцевими продуктами є етанол і CO2, а при анаеробному розщепленні – молочна або піровиноградна кислоти.
Анаеробне розщеплення вуглеводів може починатися фосфоролітичним розщепленням глікогену (глікогеноліз) або фосфорилуванням глюкози (гліколіз). У скелетній мускулатурі обидва процеси виражені однаковою мірою, в головному мозку і міокарді переважає гліколіз. Анаеробне розщеплення супроводжується утворенням у тканинах і клітинах АТФ – сполуки з великим запасом енергії.
Фосфоролітичне розщеплення глікогену до глюкозо-1-фосфата відбувається під впливом ферменту фосфорилази:

Під впливом ферменту фосфоглюкомутази глюкозо-1-фосфат перетворюється в глюкозо-6-фосфат:

Якщо процес починається з глюкози, то її фосфорилування відбувається під впливом ферменту фосфоглюкокінази з утворенням глюкозо-6-фосфата:

Подальші етапи глікогеноліза і гліколіза подібні і можуть розглядатися спільно.
1. Глюкозо-6-фосфат під дією ферменту глюкозофосфатізомерази перетворюється у фруктозо-6-фосфат. Між обома ефірами встановлюється рівновага при вмісті 70% глюкозо-6-фосфата і 30% фруктозо-6-фосфата:

2. Під впливом фосфофруктокінази, за наявності АТФ та йонів Mg2+, утворюється фруктозо-1,2-дифосфат:

3. Наявність двох залишків фосфату на протилежних кінцях молекули гексози призводить до різкого ослаблення зв'язків між третім і четвертим атомами вуглецю. В результаті цього вуглевод легко розщеплюється на дві фосфотріози під впливом ферменту альдолази:

При цьому утворюється 3-фосфогліцериновий альдегід (ФГА) – 3% і діоксіацетонфосфат – 97%, який таутомеризується в 3-фосфогліцериновий альдегід:

4. 3-Фосфогліцериновий альдегід під впливом ферменту гліцеральдегідфосфатдегідрогенази та НАД вступає в реакцію оксиредукції, що призводить до утворення макроергічного зв'язку, а потім 1,3-дифосфогліцеринової кислоти:


5. 1,3-Дифосфогліцеринова кислота під впливом ферменту фосфогліцераткінази віддає свій макроергічний зв'язок АДФ:

6. 3-Фосфогліцеринова кислота під впливом ферменту фосфогліцеромутази перетворюється на 2-фосфогліцеринову кислоту:

7. 2-Фосфогліцеринова кислота, під впливом ферменту фосфопіруватгідратази у присутності іонів Mg2+, втрачає молекулу води, перетворюючись на енольну форму фосфопіровиноградної кислоти, яка містить макроергічний зв'язок:

8. Фосфопіровиноградна кислота під впливом ферменту піруваткінази за наявності іонів Mg2+ і K+, віддає свій макроергічний зв'язок АДФ, перетворюючись на енольну форму піровиноградної кислоти:

Енольна форма піровиноградної кислоти таутомеризується в кетоформу:

9. При недостатній кількості кисню піровиноградна кислота під дією ферменту лактатдегідрогенази і за наявності НАД(Н2 перетворюється на молочну кислоту, яка є кінцевим продуктом анаеробного розпаду вуглеводів в тканинах:

Реакції гліколізу (глікогенолізу) часто поділяють на дві стадії. На першій стадії відбувається енергозалежний процес фосфорилування глюкози та її розкладання на дві тривуглецеві сполуки – фосфотріози. Реакції першої стадії ендергонічні, вони проходять з поглинанням енергії АТФ. Цю стадію вважають підготовчою.
Друга стадія гліколізу (глікогенолізу) забезпечує перетворення фосфотріоз на кінцевий продукт – молочну кислоту. В зв'язку зі специфічністю частини реакцій, які відбуваються на цій стадії, вони дістали назву гліколітичної оксиредукції. В процесі утворення молочної кислоти синтезується також макроергічна сполука АТФ, тобто друга стадія гліколізу проходить з виділенням енергії і є екзергонічним процесом (схема 3).


Схема 3. Анаеробний обмін вуглеводів (глікогеноліз і гліколіз)

Як видно з наведених вище рівнянь хімічних реакцій, під час гліколізу з однієї молекули глюкози утворюється дві молекули фосфотріоз. Кожна з них у процесі перетворення на молочну кислоту зумовлює утворення двох молекул АТФ, тобто всього утворюється чотири молекули АТФ. Однак дві з них використовуються для фосфорилування глюкози (гексокіназна реакція) та утворення фруктозо-1,6-дифосфату (фруктокіназна реакція), тому енергетична ефективність гліколізу становить дві молекули АТФ. Оскільки в макроергічному зв'язку АТФ акумулюється в середньому 42 кДж енергії, то всього під час гліколізу нагромаджується 84 кДж енергії. Експериментально встановлено, що внаслідок перетворення глюкози у дві молекули молочної кислоти зміна вільної енергії дорівнює 210 кДж/моль. На основі цього неважко обчислити, що під час гліколізу близько 40 % вивільненої енергії акумулюється в макроергічних зв'язках АТФ, а решта розсіюється у вигляді теплоти. Отже, коефіцієнт корисної дії гліколізу становить 0,35 – 0,40. Загальну схему можна записати так:
C6H12O6 + 2H3PO4 + 2АДФ ( 2CH3–CHOH–COOH + 2АТФ.
Під час глікогенолізу також утворюється чотири молекули АТФ, однак на першій стадії цього процесу використовується лише одна молекула АТФ (у фосфофруктокіназній реакції), тому енергетичний ефект глікогенолізу становить 3 молекули АТФ, або 126 кДж/моль.
На перший погляд енергетичний ефект глікогенолізу більший, ніж гліколізу. Однак, якщо врахувати, що частина молекул АТФ використовується для синтезу глікогену, стане зрозумілим, що ці два процеси в енергетичному відношенні майже рівноцінні. Для організму і гліколіз, і глікогеноліз не вигідні, оскільки для компенсування енергетичних витрат необхідна велика кількість вуглеводів. Однак як фізіологічні процеси вони досить важливі, оскільки дають змогу забезпечити організм енергією за умов недостатнього постачання тканин киснем.
Під час вивчення енергетичних ефектів окремих реакцій анаеробного перетворення вуглеводів було встановлено, що більшість реакцій цього процесу близькі до рівноваги і можуть проходити як у прямому, так і в зворотному напрямках. Це дає змогу організму з одних і тих самих речовин діставати як хімічну енергію, так і сполуки, необхідні для забезпечення протікання різних метаболічних реакцій. Однак три реакції анаеробного перетворення вуглеводів (гексокіназна, фруктокіназна і піруваткіназна) супроводжуються значним зменшенням вільної енергії, тому є практично необоротними. Перебіг цих реакцій у зворотному напрямку потребує подолання певного енергетичного бар'єру та наявності специфічних ферментів (схема 3).

Спиртове бродіння

У нижчих організмів – дріжджових і цвілевих грибів, деяких мікроорганізмів – процес анаеробного перетворення вуглеводів завершується утворенням етилового спирту, тому він дістав назву спиртового бродіння:
C6H12O6 ( 2С2Н5ОН + 2СО2.
Хімізм цього процесу досить близький до гліколізу, який протікає в тканинах вищих організмів. Усі стадії перетворення глюкози до утворення піровиноградної кислоти включно в обох випадках проходять однаково і каталізуються одними і тими самими ферментними системами. Відмінність між цими процесами виявляється, починаючи з етапу перетворення піровиноградної кислоти. Так, під час гліколізу і глікогенолізу піровиноградна кислота відновлюється до молочної, а під час спиртового бродіння вона піддається декарбоксилюванню і перетворюється на оцтовий альдегід:

Фермент піруватдекарбоксилаза, що каталізує цю реакцію, містить у вигляді простетичної групи тіамінпірофосфат, який зв'язується з піровиноградною кислотою з утворенням оксіетилтіамінпірофосфату. В процесі перетворення останнього утворюється оцтовий альдегід і тіамінпірофосфат. Каталітична активність ферменту забезпечується наявністю іонів Mg2+.
Утворений за цією реакцією оцтовий альдегід далі за участю НАД(H2 відновлюється до кінцевого продукту спиртового бродіння – етилового спирту Реакцію каталізує алкогольдегідрогеназа:

Слід зазначити, що деяким мікроорганізмам властиві специфічні шляхи утилізації тривуглецевих сполук, які утворюються під час розкладання глюкози. Тому крім спиртового бродіння існують також інші його види: молочнокисле, пропіоновокисле, ацетоетилове, маслянокисле тощо.
Під час молочнокислого бродіння у бактеріях піровиноградна кислота відновлюється до молочної, подібно як під час гліколізу в тканинах вищих організмів. Відома також інша група молочнокислих бактерій, які здатні перетворювати кожну молекулу глюкози в молекулу молочної кислоти, молекулу етанолу і CO2. Це так зване гетероферментативне (змішане) молочнокисле бродіння.

Аеробне перетворення вуглеводів

Аеробне й анаеробне перетворення вуглеводів тісно зв'язані між собою. Це насамперед виявляється в тому, що обидва процеси проходять однаково включно до стадії утворення піровиноградної кислоти. В них беруть участь одні й ті самі ферменти та утворюються однакові проміжні продукти. Відмінність між анаеробним і аеробним розкладанням вуглеводів починається з перетворення піровиноградної кислоти.
Якщо вуглеводи перетворюються в анаеробних умовах, то піровиноградна кислота, як уже зазначалося, відновлюється до молочної кислоти. При перетворенні вуглеводів в аеробних умовах піровиноградна кислота піддається декарбоксилюванню з утворенням ацетил-KoA, який далі окислюється до кінцевих продуктів – CO2 і H2O з виділенням значної кількості енергії, що акумулюється в молекулах ATФ.
Процес перетворення піровиноградної кислоти до ацетил-КоА дістав назву окислювального декарбоксилування. Каталізується він складним поліферментним комплексом – піруватдегідрогеназою, який пов'язаний з дією п'яти коферментів: тіамінпірофосфату, ліпоєвої кислоти, коензиму А, НАД і ФАД. Дослідженнями доведено, що окислювальне декарбоксилування піровиноградної кислоти в тканинах організмів людини і тварин проходить лише в аеробних умовах. Загальну схему можна подати так:

У зв'язку зі значним зменшенням вільної енергії ця реакція є необоротною. Вона проходить у декілька стадій.
На першій стадії піровиноградна кислота взаємодіє з тіамінпірофосфатом з утворенням проміжної сполуки, де вона перебуває в активному стані. Далі під каталітичною дією піруватдекарбоксилази піровиноградна кислота, що входить до складу тіамінпірофосфату, декарбоксилується. В результаті цієї реакції утворюється оксіетилтіамінпірофосфат, який під впливом ферменту ліпоїлредуктази ацетил-трансферази, коферментом якого є ліпоєва кислота, розкладається на вільний тіамінпірофосфат і ацетилліпоєву кислоту. Ацетилліпоєва кислота утворюється внаслідок переходу залишку оцтової кислоти від оксіетилтіамінпірофосфату до ліпоєвої кислоти:


З ацетилліпоєвої кислоти залишок ацетилу далі переноситься на KoA–SH. Продуктами реакції є ацетил-КоА і дигідроліпоєва кислота. Слід підкреслити, що дигідроліпоєва кислота під впливом ФАД здатна переходити у ліпоєву кислоту:


За цих умов відновлений ФАД передає атоми водню на окислений НАД:

Відновлений НАД, що утворився, за допомогою цитохромної системи окислюється киснем повітря:
НАД(H2 + [O] ( H2O + НАД+.
У результаті окислення, спряженого з процесами фосфорилування, синтезується три молекули АТФ, тобто акумулюється 126 кДж енергії.
Частина ацетил-КоА, що утворився під час декарбоксилювання піровиноградної кислоти, використовується для синтезу жирів, вуглеводів та інших сполук, а інша вступає в цикл трикарбонових кислот, де окислюється до CO2 і H2O. При цьому вивільнюється певна кількість енергії.

Цикл трикарбонових кислот Кребса (ЦТК)

Основна маса хімічної енергії вуглеводів звільняється в аеробних умовах за участю кисню. Цикл трикарбонових кислот Кребса називають ще циклом лимонної кислоти, або клітинним диханням.
Між анаеробним і аеробним розщепленням вуглеводів існує тісний зв'язок. Перш за все це виявляється в наявності загальної зв'язуючої ланки – піровиноградної кислоти, якою завершується анаеробне розщеплення вуглеводів і починається клітинне дихання. Обидві фази каталізують одні і ті ж ферменти (дегідрогенази, кінази, ін.). Хімічна енергія, яка вивільняється при фосфорилуванні, резервується у вигляді макроергів АТФ. У хімічних реакціях беруть участь одні і ті ж коферменти (НАД, НАДФ) і катіони. Відмінності полягають в наступному. Якщо ферменти анаеробного розщеплення вуглеводів локалізуються в гіалоплазмі, то реакції клітинного дихання протікають переважно в мітохондріях – енергетичних підстанціях клітини. За певних умов виявляється антагонізм між обома фазами. Так, у присутності кисню швидкість реакцій гліколіза різко зменшується (ефект Пастера). Продукти гліколіза можуть гальмувати аеробний обмін вуглеводів (ефект Кребтрі).
Цикл трикарбонових кислот є ланцюгом послідовних хімічних реакцій, у результаті яких продукти розщеплення вуглеводів окислюються до CO2 і Н2О, а хімічна енергія акумулюється у вигляді макроергічних сполук. У ході клітинного дихання утворюється „носій” – щавелевооцтова кислота (ЩОК). Далі відбувається конденсація з „носієм” активованого залишку оцтової кислоти. Утворюється трикарбонова кислота – лимонна. В ході хімічних реакцій відбувається кругообіг залишку оцтової кислоти в циклі. Під час функціонування циклу мають місце процеси дегідрування і декарбоксилування. З кожної молекули піровиноградної кислоти утворюється 18 молекул АТФ. В кінці циклу звільняється „носій”, який вступає в реакцію з новими молекулами активованого залишку оцтової кислоти. Розглянемо послідовність реакцій ЦТК:
1. Якщо кінцевим продуктом анаеробного розщеплення вуглеводів є молочна кислота, то під впливом лактатдегідрогенази вона окислюється в піровиноградну кислоту:

2. Частина молекул піровиноградної кислоти йде на синтез „носія” ЩОК під впливом ферменту піруваткарбоксилази і присутності іонів Mg2+:

3. Інша частина молекул піровиноградної кислоти служить джерелом утворення „активного ацетату” (окислювальне декарбоксилування) – ацетилкоензиму А (ацетил–KoA). Реакція протікає під впливом піруватдегідрогенази:


Ацетил-КоА має в своїй молекулі макроергічний зв'язок, в якому акумулюється близько 5 –7% енергії. Основна маса хімічної енергії утворюється в результаті окислення „активного ацетату”.
4. Під впливом цитратсинтази починає функціонувати власне цикл трикарбонових кислот, що призводить до утворення лимонної кислоти:

5. Лимонна кислота під впливом ферменту аконітатгідратази дегідрується і перетворюється на цис-аконітову кислоту, яка після приєднання молекули води перетворюється в ізолимонну:


Між трьома трикарбоновими кислотами встановлюється динамічна рівновага. Наступні реакції протікають за рахунок ізолимонної кислоти, на яку перетворюються дві інші.
6. Ізолимонна кислота окислюється в щавелевоянтарну кислоту, яка декарбоксилується і перетворюється в (-кетоглутарову кислоту. Реакцію каталізує фермент ізоцитратдегідрогеназа:

7. (-Кетоглутарова кислота під впливом ферменту 2-оксо-((-кето)-глутаратдегідрогенази декарбоксилується, внаслідок чого утворюється сукциніл-КоА, що містить макроергічний зв'язок:

8. На наступній стадії сукциніл-КоА під впливом ферменту сукциніл-КоА – синтетази передає макроергічний зв'язок ГДФ (гуанозиндифосфату):


ГТФ під впливом ферменту ГТФ-аденілаткінази віддає макроергічний зв'язок АМФ:
ГТФ + АМФ ( ТДФ + АДФ.
9. Янтарна кислота під впливом ферменту сукцинатдегідрогенази (СДГ) окислюється до фумарової. Коферментом СДГ є ФАД:

10. Фумарова кислота під впливом ферменту фумаратгідратази перетворюється на яблучну:

11. Яблучна кислота під впливом ферменту малатдегідрогенази (МДГ) окислюється, утворюючи ЩОК:

За наявності в реагуючій системі ацетил-КоА ЩОК знову включається в цикл трикарбонових кислот (див. 4-у стадію).
Таким чином, відносно невелика кількість щавелевооцтової кислоти, вступаючи кілька разів у реакцію конденсації з ацетил-KoА, забезпечує окислення значної кількості оцтової кислоти, яка утворюється в процесі обміну не тільки вуглеводів, а й ліпідів і білків. Внаслідок усіх перетворень циклу Кребса оцтова кислота у вигляді ацетил-КоА розкладається на CO2 і H2O:
CH3–COOH + 2O2 = 2CO2 + 2H2O.
Енергія, що вивільнюється під час окислення оцтової кислоти, акумулюється в макроергічних зв'язках АТФ (схема 4).
Як видно з рівнянь реакцій, у циклі Кребса утворюється чотири молекули відновлених форм коферментів: одна молекула НАДФ(H2, дві молекули НАД(H2 і одна молекула ФАД(H2. При цьому доведено, що під час окислення однієї молекули НАД(H2 або НАДФ(H2 шляхом відщеплення атома водню в ланцюгу дихальних ферментів синтезується три молекули АТФ. Внаслідок окислення ФАД(H2 утворюється дві молекули АТФ. Отже, всього під час окислення відновлених форм коферментів утворюється 3 ( 3 + 2 = 11 молекул АТФ. Крім того, одна молекула АТФ утворюється на рівні субстрату під час перетворення сукциніл-КоА в янтарну кислоту.
У процесі перетворення однієї молекули ацетил-КоА в циклі трикарбонових кислот синтезується 11 + 1 = 12 молекул АТФ. Разом з тим три молекули АТФ синтезуються внаслідок окислення однієї молекули НАД(H2, яка утворюється в процесі перетворення піровиноградної кислоти до ацетил-KoА. Всього в процесі перетворення однієї молекули піровиноградної кислоти до ацетил-KoА і останнього до CO2 і H2O синтезується 12 + 3 = 15 молекул АТФ. Оскільки з однієї молекули глюкози утворюється дві молекули піровиноградної кислоти, то всього утворюється 15 ( 2 = 30 молекул АТФ. Крім того, 6 молекул АТФ утворюється внаслідок окислення двох молекул НАД(H2, які вивільнюються під час гліколітичної оксиредукції, і дві молекули синтезується в процесі гліколізу. Toму загальний енергетичний ефект аеробного розкладання однієї молекули глюкози до кінцевих продуктів – CO2 і Н2О – становить 30 + 6 + 2 = 38 молекул АТФ. Оскільки в одній молекулі АТФ зосереджено 42 кДж енергії, то всього під час аеробного перетворення однієї молекули глюкози акумулюється 1596 кДж енергії. Перетворення однієї молекули глюкози за анаеробних умов, як зазнавалось раніше, дає лише дві молекули ATФ, тобто в макроергічннх зв'язках її акумульовано 2 ( 42 = 84 кДж енергії.
Отже, основним джерелом енергії для організму є аеробне окислення органічних сполук. Коефіцієнт корисної дії ЦТК рівний 0,5. Решта енергії розсіюється у вигляді теплоти. У ЦТК в середньому окислюється 16 – 33% молочної кислоти, інша частина використовується для ресинтезу глікогену.

Схема 4. Цикл трикарбонових кислот Кребса (( – місця гальмування циклу фторацетатом, малонатом, арсенатом)

Пентозний цикл

Пентозний цикл – це ланцюг послідовних хімічних перетворень вуглеводів, у результаті якого в тканинах і клітинах звільняється хімічна енергія і утворюються пентози, необхідні для синтезу нуклеїнових кислот, нуклеотидів і коферментів. Його часто називають апотомічним циклом, оскільки при окисленні глюкози відщеплюється один атом вуглецю. Іноді його називають прямим, або гексозомонофосфатним шляхом окислення вуглеводів, оскільки тут глюкозо-6-фосфат піддається прямому окисленню (з відщепленням CO2) без утворення фруктозо-1,6-дифосфата і двох фосфотріоз (схема 5).


Схема 5. Перетворення пентозофосфатів

Частка пентозного циклу в кількісному перетворенні глюкози невелика. У ссавців активність циклу висока в ембріональних тканинах, печінці, наднирниках, пухлинах, молочній і щитовидній залозах, еритроцитах. Пентозний цикл дає організму відновлений НАДФ – донор водню для біосинтезу жирних кислот, холестерину, пуринових і піримідинових основ, кетостероїдів, глюкози, ін. Пентозний цикл складається з таких стадій:
1. Глюкозо-6-фосфат, що утворюється в результаті фосфороліза глікогену або фосфорилування глюкози, під впливом глюкозо-6-фосфатдегідрогенази окислюється і перетворюється в 6-монофосфоглюкон:

2. 6-Монофосфоглюкон під впливом ферменту глюконолактонази приєднує молекулу води, перетворюючись на 6-фосфоглюконову кислоту:

3. 6-Фосфоглюконова кислота за участю фосфоглюконатдегідрогенази піддається окислювальному декарбоксилуванню, що призводить до утворення кетопентози – D-рибулозо-5-фосфата і другої молекули НАДФ(H2:

4. D-Рибулозо-5-фосфат під впливом ферменту рибулозофосфат-3-епімерази оборотно перетворюється на свій епімер – D-ксилулозо-5-фосфат (а). У деяких випадках D-рибулозо-5-фосфат може оборотно перетворюватися на свій альдоізомер – D-рибозо-5-фосфат (б):
а)



б)


D-Рибозо-5-фосфат використовується клітинами для синтезу РНК і нуклеотидів (АМФ, АДФ, АТФ). Часто пентозний цикл на даній стадії завершується. Його можна підсумувати рівнянням:
Глюкозо-6-фосфат + 2НАДФ+ ( D-Рибозо-5-фосфат + CO2 +2HАДФ(H2
Пентози, які не використані для синтезу нуклеїнових кислот і нуклеотидів, витрачаються на біосинтез інших сполук, регенерацію глюкози, з якої починався пентозний цикл.
5. З D-кcилулозо-5-фосфата і D-рибозо-5-фосфата під впливом транскетолази може утворюватися D-седогептулозо-7-фосфат і 3-фосфогліцериновий альдегід:

6. 3-Фосфогліцериновий альдегід може включатися в 4-у стадію анаеробного розщеплення вуглеводів або під впливом ферменту трансальдолази взаємодіяти з D-седогептулозо-7-фосфатом, утворюючи фруктозо-6-фосфат і еритрозо-4-фосфат:


Фруктозо-6-фосфат може ізомеризуватися в глюкозо-6-фосфат і вступати в 1-у стадію пентозного циклу або включатися в 2-у стадію анаеробного розщеплення вуглеводів.
7. Еритрозо-4-фосфат під впливом ферменту транскетолази взаємодіє з ксилулозо-5-фосфатом, що призводить до утворення фруктозо-6-фосфата і 3-фосфогліцеринового альдегіду (їх перетворення див. вище):

Реакції пентозного циклу можна підсумувати рівнянням:
6 Глюкозо-6-фосфат + 7Н2О + 12НАДФ+ ( 6СО2 + 12НАДФ(Н2 + 5 Глюкозо-6-фосфат + H3PO4.

Отже, виходячи із сумарного рівняння бачимо, що при повному окисленні 1 молекули глюкози утворюється 12 молекул відновленого НАДФ, які в процесі окислення у мітохондріях можуть дати 12 ( 3 = 36 молекул АТФ. У макроергічних зв’язках 36 молекул АТФ зосереджено 36 ( 42 = 1512 кДж енергії. Однак останнім часом прийнято вважати, що утворені за пентозним циклом відновлені форми НАДФ використовуються в основному в процесах синтезу різних сполук (жирних кислот, холестерину, тощо) в організмі.
Пентозному циклу належить важлива роль в синтезі жирів. Так, у жировій тканині його питома вага складає 50% по відношенню до гліколізу, у печінці – 2,5 – 3 і в м'язовій тканині – 0,3%. Припускають, що останні стадії пентозного циклу забезпечують жирові клітини гліцерином, який утворюється з 3-фосфогліцеринового альдегіду.
Окрім описаних вище шляхів перетворення вуглеводів, в тканинах тваринних організмів були знайдені інші цикли, зокрема, перетворення моносахаридів шляхом їх з'єднання з піримідиновими основами і т.д.
Співвідношення між аеробним і анаеробним процесами перетворення вуглеводів в організмі. Основним шляхом перетворення вуглеводів у тканинах організму є поєднання анаеробного перетворення (гліколіз і глікогеноліз) і аеробного окислення за циклом трикарбонових кислот. Ці фази перетворення вуглеводів мають багато спільного. Обидва процеси розпочинаються з утворення фосфорних ефірів глюкози. Крім того, в обох випадках утворюються однакові проміжні продукти (3-фосфогліцериновий альдегід, фосфогліцеринова і фосфоенолпіровиноградна кислота, тощо). Центральною спільною ланкою, яка об'єднує ці процеси, є піровиноградна кислота, наступне перетворення якої залежно від умов може проходити як аеробним, так і анаеробним шляхом. Спряження процесів гліколізу і тканинного дихання зумовлено також тим, що багато реакцій гліколізу та аеробного перетворення вуглеводів каталізуються одними і тими самими ферментами і коферментами – зокрема НАД+, НАДФ+, ФМН, ФАД та деякими іншими.
Важливим шляхом регуляції співвідношення і зв'язку між анаеробною й аеробною фазами перетворення вуглеводів є ефект, виявлений Л. Пастером і названий на честь дослідника ефектом Пастера. Суть його полягає в тому, що під впливом кисню (за аеробних умов) анаеробне перетворення вуглеводів пригнічується. Отже, при наявності кисню анаеробний процес (гліколіз або спиртове бродіння) замінюється енергетично більш економним для клітини процесом перетворення вуглеводів – аеробним. За цих умов при менших витратах субстрату (глюкози) організм отримує значно більшу кількість енергії. Тому при наявності кисню значно зменшується використання субстрату – глюкози.
Дослідженнями O.В. Палладіна, В.O. Енгельгардта та інших учених встановлено, що основною причиною, яка зумовлює пастерівський ефект є, очевидно, своєрідна конкуренція між ферментними системами, які забезпечують аеробне й анаеробне перетворення вуглеводів, та захоплення неорганічного фосфату, необхідного для утворення АТФ.
У процесі обміну АДФ легко переходить із гіалоплазми в мітохондрії, де за аеробних умов інтенсивно використовується для синтезу АТФ, тобто ферментні системи аеробного перетворення вуглеводів ефективніше використовують неорганічний фосфат і АДФ. Зменшення вмісту АДФ у гіалоплазмі зумовлює гальмування гліколізу. Однак взаємозв'язок анаеробного й аеробного перетворення вуглеводів, очевидно, вивчено ще не повністю. Відомо, що в деяких органах і тканинах (сітківка ока, лейкоцити, ембріональна тканина, злоякісні пухлини) гліколіз досить ефективно проходить і за аеробних умов.
За певних умов гліколіз здатний пригнічувати аеробне перетворення вуглеводів. Пригнічення процесу дихання гліколізом дістало назву ефекту Кребтрі. Цей ефект найчастіше спостерігається при високих концентраціях глюкози, коли резерви АТФ досить швидко використовуються для синтезу гексозофосфорних ефірів – глюкозо-6-фосфату і фруктозо-1,6-дифосфату. При цьому вміст АТФ у гіалоплазмі значно зменшується, що призводить до переходу частини її з мітохондрій, де виникає дефіцит макроергів і пригнічується аеробний процес. Послабити ефект Кребтрі можна шляхом додаткового введення АТФ, що сприятиме активуванню процесів фосфорилювання глюкози. Глюкозо-6-фосфат стимулює і гліколіз, і дихання, тому залежно від умов у більшій або меншій мірі виявляються ефект Пастера або ефект Кребтрі.

Біосинтез дисахаридів

Важливими представниками дисахаридів є сахароза, лактоза, мальтоза та деякі інші. Біосинтез їх здійснюється в основному за реакціями трансглікозування. При цьому процес перенесення глікозильного залишку на один моносахарид проходить з фосфорного ефіру другого моносахариду. Реакція каталізується ферментом – специфічною глікозилтрансферазою. За приклад можна взяти синтез – сахарози:

Фермент, який каталізує цю реакцію, виділений з бактерій. Очевидно, в них так відбувається синтез сахарози.
Синтез сахарози може проходити й іншим способом, зокрема шляхом взаємодії уридиндифосфоглюкози з фруктозою. Реакцію каталізує фермент сахарозосинтаза:


Так синтезується сахароза в рослинах.
Розглянемо біосинтез іншого дисахариду – лактози, яка складається з двох моноз – глюкози і галактози. Він проходить у кілька стадій. Спочатку галактозо-1-фосфат взаємодіє з уридиндифосфоглюкозою. При цьому утворюється уридиндифосфогалактоза і глюкозо-1-фосфат. Далі сполуки, що утворились, взаємодіють між собою, при цьому синтезуються лактоза та виділяється уридинтрифосфат. Першу стадію реакції каталізує фермент уридинтрансфераза, другу – глікозилтрансфераза:

Кінцевий обмін
Основними кінцевими продуктами обміну вуглеводів є вода і вуглекислий газ. Вода виділяється з сечею, потом, каловими масами, повітрям, що видихається. Вуглекислий газ виділяється легенями з повітрям, що видихається. В сечі міститься деяка кількість глюкуронової кислоти, яка, знешкоджуючи отруйні речовини, утворює парні сполуки. В калі містяться неперетравлені через якісь причини або важко переварювані (лігнін, клітковина) вуглеводи.
Регуляція вуглеводного обміну
У регуляції вуглеводного обміну беруть участь нервова система, залози внутрішньої секреції, печінка і деякі вітаміни. Центри, які регулють вуглеводний обмін, розміщені в корі великих півкуль, проміжному і довгастому мозку, в гангліях вегетативної нервової системи. Фістульні досліди, проведені І.П. Павловим і його послідовниками на залозах харчового каналу, свідчать про головну роль центральної нервової системи в регуляції вуглеводного обміну, оскільки її функціональним станом визначається характер і інтенсивність секреції травних соків, ступінь глікогенеза і гліконеогенеза, швидкість реакцій глікогеноліза і гліколіза.
Існує прямий зв'язок між вмістом глюкози в крові і функціональним станом центральної нервової системи. Так, зменшення концентрації глюкози в крові викликає збудження відповідних нервових центрів в гіпоталамусі і довгастому мозку. Нервові імпульси по аксонах через прикордонний симпатичний стовбур поступають в сонячне сплетення, потім у печінку, де активується фосфорилаза, яка розщеплює глікоген до глюкозо-1-фосфата. Відновлюється рівень глюкози в крові.
У регуляції вуглеводного обміну беруть участь гормони гіпофіза, коркової і мозкової речовини наднирників, підшлункової і щитовидної залоз. Так, гормон підшлункової залози інсулін, потрапляючи з потоком крові в печінку, активує гексокіназу, гальмує активність глюкозо-6-фосфатази. Це призводить до утворення глюкозо-6-фосфата і глікогену. Глюкагон стимулює розпад глікогену шляхом активізації фосфорилази. Фосфорилаза активується гормонами наднирників – адреналіном і норадреналіном. Під їх впливом відбувається розпад глікогену до глюкози. Аналогічною дією володіють соматотропний гормон гіпофіза (СТГ), глюкокортикоїди коркового шару наднирників і гормон щитовидної залози тироксин. Так, СТГ гальмує фосфорилування глюкози і активує інсуліназу. Глюкокортикоїди активують глюкозо-6-фосфатазу, піруваткарбоксилазу, фосфопіруваткіназу, ферменти гліконеогенеза.
Посередником між гормонами і ферментами є циклічна форма АМФ (цАМФ), яка „вмонтована” в мембрани клітин. Її діяльність активується адреналіном, глюкагоном і AKTГ. При збільшенні вмісту цАМФ – зростає інтенсивність фосфороліза глікогену. Між дією інсуліну, адреналіну, глюкагона й інших гормонів встановлюється динамічна рівновага, яка регулюється центральною нервовою системою. Таким чином здійснюється загальна нейрогуморальна регуляція вуглеводного обміну.
Гепатоцити володіють здатністю регулювати насичення протікаючої через печінку крові глюкозою. Так, при високих концентраціях глюкози в крові вони можуть поглинати надлишок вуглеводу, а при низьких – віддавати його.
Майже всі вітаміни групи В беруть участь у регуляції вуглеводного обміну, особливо вітамін В1 (складова частина ТПФ), PP (входить до складу НАДФ+), біотин (входить до складу піруваткарбоксилази), пантотенова кислота (складова частина коензиму А) й ін.
Патологія вуглеводного обміну
Причинами патології вуглеводного обміну можуть бути багато інфекційних, інвазивних і незаразних хвороб. Патологія вуглеводного обміну найчастіше виявляється у вигляді гіперглікемії і глюкозурії, ацетонемії і ацетонурії, порушень азотного, водного і мінерального обмінів, ін.
Гіперглікемія – збільшення вмісту цукру в крові вище за норму. Гіперглікемія призводить до глюкозурії – появі глюкози в сечі. Причиною цих явищ може бути цукровий діабет – захворювання, яке характеризується зниженим вмістом інсуліну, що необхідний для перетворення глюкози в глікоген. У ряді випадків спостерігається гіпоглікемія – зменшення вмісту глюкози в крові нижче за норму. Причини можуть бути різні: підвищення вмісту інсуліну, зменшення інтенсивності синтезу антагоністів інсуліну, голодування, захворювання харчового каналу та ін.
З порушеннями обміну вуглеводів пов'язані порушення обміну інших речовин і, перш за все, ліпідів (ще в минулому столітті з'явився крилатий вираз: жири згоряють у полум'ї вуглеводів). Ці порушення характеризуються ацетонемією – збільшенням у крові вмісту ацетонових тіл (ацетону, (-оксимасляної і ацетооцтової кислот) до 0,5 г/л (норма – 0,06 – 007 г/л) і ацетонурією – насиченням сечі ацетоновими тілами до 2,5 – 3 г/л (норма 0,09 – 0,01 г/л). Такий стан називають кетозом. Він виникає при неправильно складеному вуглеводному раціоні. Це призводить до ацидозу – надмірному вмісту кислот в організмі і до діабетичної коми – загрожуючому життю стану, який характеризується втратою свідомості, різким порушенням серцево-судинної діяльності, дихання, температурної регуляції.
Порушення процесів гліконеогенеза викликає надмірне руйнування білків і збільшення вмісту в крові і сечі продуктів азотного обміну. Необхідність видалення з організму отруйних продуктів спричинює за собою порушення водного і мінерального обміну. У ряді випадків (при цукровому діабеті) виникає поліурія – надмірне виділення сечі і збіднення організму водою. З сечею „вимивається” багато мінеральних речовин, необхідних організму.
Зустрічаються і інші порушення вуглеводного обміну: ідіопатична пентозоурія (з сечею виділяється велика кількість пентоз), генетичного походження галактозонемія і галактозоурія, непереносимість організмом лактози і сахарози, глікогенози, ін.

Лекція № 11. Обмін ліпідів.

Обмін ліпідів – багатоступінчатий процес, який складається з чотирьох етапів: перетравлювання, всмоктування, проміжного і кінцевого обміну.
Біологічна роль ліпідів в організмі
Ліпіди, як і білки, вуглеводи та інші речовини, відіграють в організмі важливу біологічну роль. Вона насамперед визначається тим, що ці речовини характеризуються комплексом своєрідних фізико-хімічних властивостей.
В організмах людини і тварин ліпіди входять до складу всіх клітин. Однак розподілені вони між різними органами і тканинами нерівномірно і кількість різних груп ліпідів у них також неоднакова.
Значна частина ліпідів входить до складу клітин організму як пластичний матеріал. Вони утворюють в основному комплекси з білками (ліпопротеїди), вуглеводами (гліколіпіди) та деякими іншими речовинами. Такі комплекси і становлять основу структури клітин і тканин організму. Значна кількість ліпопротеїдних комплексів входить до складу клітинних мембран та мітохондрій, в яких проходять важливі метаболічні процеси – фосфорилююче, вільне окислення, (-окислення жирних кислот та інші реакції проміжного обміну. Ліпіди, що сходять до складу мембран, беруть безпосередню участь у процесах активного транспорту крізь мембрани молекул та іонів, специфічної рецепції на поверхні клітин, передачі нервових імпульсів тощо. Оскільки клітинні мембрани є важливими регуляторами багатьох біохімічних процесів, то зміна структури, складу та орієнтації мембранних ліпідів викликає значні порушення клітинного метаболізму.
Ліпіди в організмі виконують важливу енергетичну функцію. За рахунок жирів їжі в середньому на 25 – 35 % задовольняється добова потреба людини в енергії. Під час окислення 1 г жиру вивільняється 36,5 – 39,9 кДж енергії, тобто значно більше, ніж під час окислення такої самої кількості білків і вуглеводів.
Разом з тим деякі ліпіди є субстратом для утворення біологічно активних речовин в організмі. Це вітаміни груп А і D, гормони кори наднирникових залоз, статеві гормони, жовчні кислоти, простагландини та інші сполуки.
Жири виконують важливі механічну і термоізоляційну функції. Так, відкладаючись під шкірою, в сальнику та інших органах, вони захищають організм від різних травм та змін температурного режиму.
В організмі є два види жирів – резервний і конституційний. Резервний жир виконує в основному енергетичну, механічну і термоізоляційну функції. Значні кількості його відкладаються в організмі у підшкірній жировій клітковині (40 – 50 %), сальнику (20 – 25 %), м'язах (5 – 8 %). У середньому кількість резервних жирів становить 10 – 15 % маси тіла, а при ожирінні може коливатись у межах 30 – 50 %. Вміст конституційних, або протоплазматичних, жирів змінюється у вузьких межах. Кількість їх в організмі в основному стала. Навіть під час голодування організму вміст протоплазматичних жирів практично не змінюється. За цих умов в основному зменшується кількість резервних жирів.
Ліпіди потрапляють до організму з їжею у комплексах з білками, вуглеводами та іншими речовинами. Потреба в жирах для організму людини залежить від характеру її трудової діяльності (табл. 1). Важливе значення має температура навколишнього середовища. Так, потреба в жирах для людини похилого віку та при незначних фізичних навантаженнях знижується, а при низьких температурах і виконанні важкої фізичної роботи – підвищується.
Досить важливим для організму є співвідношення у продуктах харчування між жирами тваринного й рослинного походження та між вмістом окремих ліпідів – фосфоліпідів, ненасичених жирних кислот і стеринів та стеридів. Вважають, що доросла людина залежно від умов зовнішнього середовища і виду трудової діяльності щодобово повинна одержувати 8 – 10 г фосфоліпідів, 8 – 15 г ненасичених жирних кислот і 0,3 – 0,5 г холестерину. Для забезпечення збалансованості харчового раціону необхідно також підтримувати належне співвідношення між білками, ліпідами і вуглеводами (1 : 1 : 4).

Таблиця 1.
Добова потреба організму людини в жирах залежно від характеру
трудової діяльності

Вид діяльності
Жир


тваринний
рослинний

Розумова праця:

чоловіки
87
26

жінки
73
25

Легка фізична праця:

чоловіки
106
36

жінки
90
27

Важка фізична праця:

чоловіки
143
43


Перетравлювання ліпідів
Більшість ліпідів засвоюється організмом тільки після попереднього розщеплення. Під впливом травних соків вони гідролізуються до простих сполук (гліцерину, вищих жирних кислот, стеринів, гліколів, H3PO4, азотистих основ, вищих спиртів та ін.), які і всмоктуються слизовою оболонкою харчового каналу.
У ротовій порожнині харчі, що містять ліпіди, механічно подрібнюються, перемішуються, змочуються слиною і перетворюються на харчову грудку. У складі слини немає ферментів, здатних гідролітично розщеплювати ліпіди.
Подрібнені харчові маси по стравоходу поступають в шлунок (у жуйних – передшлунок і сичуг). Тут вони перемішуються і просочуються шлунковим соком. У шлунку харчові маси знаходяться від 4 до 12 годин. Шлунковий сік містить деяку кількість ліпази, здатної гідролітично розщеплювати емульгований жир.
З шлунку кормові маси невеликими порціями поступають в дванадцятипалу кишку, потім в тонку і клубову. Тут завершується перетравлювання ліпідів і відбувається всмоктування продуктів їх розщеплення. У перетравлюванні ліпідів беруть участь: жовч, сік підшлункової залози і кишковий сік.
Жовч – це секрет, який синтезується гепатоцитами. Печінка людини щодоби виробляє до 1 літра жовчі, коня – 6 – 7 л, великої рогатої худоби – 6 – 7, свиней – 0,5 – 1, собак – 0,25 – 0,3 л. Розрізняють жовч міхура і печінкову. Густина печінкової жовчі складає 1,009 – 1,013; рН=7,5; вміст води – 96 – 99%. Густина жовчі міхура – 1,026 – 1,048; рН=6,8; вміст води – 80 – 86%. Жовч – в'язка рідина гірка на смак, має специфічний запах, забарвлена в золотисто-жовтий (у людини, свині), червоно-жовтий (у м'ясоїдних) або темно-зелений (у травоїдних) кольори. Має складний хімічний склад. Основу залишку жовчі складають жовчні кислоти, жовчні пігменти, продукти розпаду гемоглобіну, муцин, холестерин, лецитин, жири, деякі ферменти, гормони та ін.
Значення жовчі. Вона нейтралізує харчові маси, що поступають з шлунку в тонку кишку; бере участь в емульгуванні ліпідів, їх розщепленні і всмоктуванні; сприяє нормальній перистальтиці кишок; бактеріостатично діє на мікрофлору кишок. З жовчю виділяються отрути екзо- і ендогенного походження.
Жовчні кислоти синтезуються в печінці з холестерину. Вони знаходяться в жовчі у вільному і зв'язаному (у вигляді парних сполук) стані. Окремі жовчні кислоти – гліко- і таурохолева – існують у вигляді натрієвих солей. Гліко- і таурохолева кислоти містяться в жовчі всіх тварин, холева та літохолева переважає в жовчі травоїдних. Всі жовчні кислоти – похідні холанової кислоти:




Жовчні кислоти знижують поверхневий натяг жирових і інших ліпідних крапель, емульгуючи їх. Це робить субстрат доступним дії гідролітичних ферментів. Жовчні кислоти беруть участь в транспортуванні нерозчинних у воді компонентів (стеринів) через клітинні мембрани в кровоносне і лімфатичне русло. Вони стимулюють виділення соку підшлункової залози і активують діяльність ферментів ліпідного, вуглеводного і білкового обміну.
В тонкій кишці харчові маси просочуються також соком підшлункової залози в якій містяться гідрокарбонат натрію і ліполітичні ферменти: ліпази, холінестерази, фосфоліпази, фосфатази та ін. На ліпіди діють ферменти кишкового соку (ліполітичний фермент, лужна фосфатаза, ін.), які завершують процеси гідролітичного розщеплення „уламків” ліпідних молекул. Перетравлювання різних ліпідів має свої особливості.
Перетравлювання жирів. Основна маса жирів (95 – 97%) перетравлюється в тонкій кишці і, перш за все, в дванадцятипалій. Перетравлювання складається з двох процесів: емульгування і гідролітичного розщеплення жиру. Емульгування відбувається під впливом солей жовчних кислот, вищих жирних кислот, моногліцерину, NaHCO3, CO2, білків, ін. Жирові краплі подрібнюються, утворюючи найдрібнішу жирову емульсію внаслідок різкого зниження поверхневого натягу жирових крапель, розпаду їх на дрібні частинки і утворення адсорбата – жир + ліпаза.
Гідроліз. Ліпаза спочатку гідролітично розкладає зовнішні складноефірні зв'язки:


(-Моногліцериди можуть частково всмоктуватися стінкою кишки, йти на ресинтез тригліцеридів організму в тій же стінці кишки або піддаватися подальшому розпаду:

Перетравлювання стеридів. Стериди емульгуються під впливом тих же чинників, що і жири, після чого розщеплюються ферментом холестеролестеразою до холестерину і вищих жирних кислот.
Стериди, що містять залишки насичених жирних кислот розщеплюються важче.
Перетравлювання фосфатидів. Фосфатиди емульгуються під впливом тих же речовин, що і дві попередні групи ліпідів. Гідролітичне розщеплення фосфатидів відбувається під впливом фосфоліпаз А, В, С і D. Кожний фермент діє на певний складноефірний зв'язок ліпіду. Так, під впливом фосфоліпази А гідролізується зв'язок в положенні 2:

Лізолецитин – сильна отрута, міститься у вільному стані в зміїній отруті. В організмі він відразу ж розщеплюється фосфоліпазою В:

Кефаліни і серинфосфатиди під впливом фосфоліпази А гідролізуються до лізокефалін- і лізосеринфосфатидів, які далі розщеплюються фосфоліпазою В.
Гліцерофосфорилхолін під впливом фосфоліпази С гідролізується до гліцерину і холінфосфата:

Фосфоліпаза D гідролізує холінфосфат до холіна і фосфорної кислоти:

Решта ліпідів (діольні ліпіди, віск, інозит- і сфінгозинфосфатиди, ацеталь- і треонінфосфатиди, гліколіпіди, сульфатиди) істотного значення в харчовому балансі не мають.
Всмоктування ліпідів
Більшість ліпідів всмоктується в нижній частині дванадцятипалої і у верхній частині тонкої кишки, інші – в інших ділянках тонкої кишки. Продукти розщеплення ліпідів всмоктуються епітелієм ворсинок. Всмоктуюча поверхня епітеліальної клітини збільшена за рахунок мікроворсинок. Епітеліальна клітина в середньому містить до 3000 мікроворсинок. Кожна мікроворсинка має один субмікроскопічний каналець.
Ліпідні речовини і продукти їх розщеплення проникають у порожнину клітини покривного епітелію двома способами: через субмікроскопічні канальці мікроворсинки і через інтерстеціальні щілини. В першому випадку процес відбувається за допомогою дифузії, осмосу і активного транспортування, в другому – завдяки піноцитозу, тобто захопленню клітинною поверхнею найдрібніших харчових частинок.
У людини і тварин 10% жиру всмоктується у вигляді тригліцеридів, 10% – у ди- і моногліцеридів, 80% – у вигляді продуктів кінцевого гідролізу.
Продукти перетворення ліпідів складаються з дрібних частинок жиру, ди- і моногліцеридів, вищих жирних кислот, гліцерину, гліцерофосфатів, азотистих основ, холестерину, вищих спиртів, фосфорної кислоти та ін. Вони розподіляються в двох фазах: ліпідній і міцелярній. У ліпідній фазі основними компонентами є найдрібніші частинки три- і дигліцеридів, у міцелярній – вищі жирні кислоти, моногліцериди та інші продукти перетворення ліпідів.
Продукти перетворення ліпідів всмоктуються неоднаково. Легко всмоктуються гліцерин і гліцерофосфати, інозин і сфінгозин. Фосфорна кислота всмоктується у вигляді натрієвих і калієвих солей. Азотисті основи всмоктуються за участю нуклеотидів типу цитидиндифосфата, утворюючи комплекс, наприклад цитидин-дифосфатхолін:

Вищі жирні кислоти не розчиняються у воді, але за наявності жовчних кислот утворюють розчинні комплекси – холеїнові кислоти. На одну молекулу вищої жирної кислоти в розчинних комплексах доводиться в середньому 2 – 4 молекули жовчних кислот. Співвідношення між ними в комплексах може бути наступним: 4:1, 7:2, 8:3, 9:3 і т.д. У розчинному комплексі гідрофобний радикал вищої жирної кислоти оточений з усіх боків молекулами жовчних кислот. Гідрофільна частина молекул жовчних кислот розміщується зовні розчинного комплексу і легко взаємодіє з водою. В результаті цього розчинний комплекс легко проникає в порожнину епітеліальної клітини. Найбільший ступінь всмоктування мають олеїнова і масляна кислоти (98 – 90%), менший – пальмітинова і стеаринова (88 – 60%). Стерини теж не розчиняються у воді. Їх всмоктування відбувається після взаємодії з жовчними кислотами і утворення холеїнових кислот. Багато стеринів, особливо рослинного походження, всмоктуються повільно, гальмуючи засвоєння організмом холестерину.
При всмоктуванні окремих ліпідів спостерігається синергізм. Так, ступінь всмоктування жирів і холестерину зростає при збільшенні в кишках екзогенного і ендогенного лецитину. Останній бере участь в утворенні стійких емульсій і хіломікронів. Припускають, що лецитин здійснює перенесення гліцеридів через слизову оболонку кишки в кровоносне русло.
У товстій кишці немає ферментів які б проявляли гідролітичну дію на ліпіди. Ліпідні речовини, які не зазнають змін в тонкій кишці, в цій ділянці харчового каналу піддаються гнильному розкладанню під впливом ферментів мікрофлори. Слиз товстої кишки містить деяку кількість фосфатидів. Частина з них резорбується. Холестерин, що не всмоктався, відновлюється до копростерина.

Проміжний обмін
Обмін ліпідів тісно пов'язаний з обміном вуглеводів, білків, мінеральних сполук і вітамінів, оскільки вони мають багато загальних продуктів метаболізму, що зв'язують обмін речовин в єдине ціле. Проміжний обмін ліпідів має і свої особливості, які заключаються в тому, що в тонкій кишці відразу ж після всмоктування продуктів гідролізу ліпідів в слизовій оболонці відбувається їх ресинтез.
Ресинтез ліпідів. В епітеліальних клітинах слизової оболонки відбувається розпад комплексів на ліпідну частину і переносник. Якщо переносником були жовчні кислоти, то після розпаду комплексу вони поступають у міжклітинний простір, потім – у венозну сітку ворсинки, вени брижейки, ворітну вену і печінку. Жовчні кислоти знову поступають у жовчний міхур, потім по жовчній протоці в дванадцятипалу кишку. У дорослої людини за добу в печінці синтезується 50 г жовчних кислот, а для травлення необхідні 200 г жовчних кислот, тому кожна молекула жовчної кислоти щодоби виконує в середньому чотири „кругообіги”.
Ресинтез ліпідів починається в ендоплазматичній сітці апікальної частини і завершується в базальній частині епітеліальної клітини. В цьому процесі беруть участь мітохондрії (хімічна енергія), пластинчатий комплекс Гольджі (транспорт ліпідів), лізосоми (утилізація продуктів метаболізму) й інші органоїди клітини. Ресинтез ліпідів каталізується багатьма ферментними системами, до складу яких входять гідролази, трансферази, ізомерази, синтетази та ін.
В епітеліальних клітинах з молекул синтезованих ліпідів, крапельок жиру, що всмокталися, вітамінів (А, D, E, К, F) і білків утворюються хіломікрони діаметром 150 – 200 (іноді 500) нм (рис. 1).

Рис. 1. Схема будови хіломікрона

Хіломікрони, які утворилися, дифундують у міжклітинну рідину через бічні поверхні і базальний край клітини. Потім вони поступають у лімфатичний капіляр ворсинки (рис. 2), з нього – в підепітеліальну і підслизову сітку кишки, брижові вузли, грудну лімфатичну протоку і краніальну порожнисту вену. Хіломікрони лімфи грудної лімфатичної протоки містять 86 % гліцеридів, 1,6 – вільного холестерину, 1,6 – стеридів, 8,6 – фосфатидів і 1,5% білків.
Частина ліпідів, в основному, фосфатиди, після ресинтезу поступають з міжклітинного простору в кровоносне русло, печінку і використовується для різних потреб організму.
Ліпіди крові. Різні органи і тканини одержують ліпіди і продукти їх розщеплення з током крові. Кров, що відтікає від тонкої кишки, більш багата ліпідами, ніж кров, що поступає в загальне кровоносне русло від інших систем і органів. У плазмі крові вміст ліпідів досягає 0,7%.
Існує декілька видів транспортування ліпідів: за допомогою хіломікронів, ліпопротеїдів і вільних жирних кислот. Хіломікрони добре розчиняються в плазмі крові, оскільки мають ліофільну білкову оболонку. В основному переносять тригліцериди. Можуть розщеплюватися ліпопротеїд-ліпазою на дрібні частинки, що сприяє їх засвоєнню.

Рис. 2. Механізм перетравлювання і всмоктування ліпідів

Розрізняють (- і (-ліпопротеїди крові. Їх молекули складаються з білкової і ліпідної частин. (-Ліпопротеїди є основними переносниками фосфатидів. (-Ліпопротеїди – переносники холестерину і його ефірів.
Вільні жирні кислоти – найрухоміша форма транспортування ліпідів крові. За допомогою мічених атомів встановлено, наприклад, що пальмітинова кислота зникає з току крові протягом 2 – 3 хвилин. У транспортуванні жирних кислот з мітохондрій у гіалоплазму, де вони піддаються (-окисленню, бере участь карнітин – вітамін Вт.
Важлива роль в активному транспортуванні належить форменим елементам крові. Так, еритроцити беруть участь в перенесенні до тканин і клітин фосфатидів і холестерину, лейкоцити – жирів і фосфогліцеридів. У лейкоцитах міститься багато ліполітичних ферментів, які здійснюють гідроліз ліпідів.
Ліпіди крові використовуються в організмі для пластичних потреб, як джерело хімічної енергії і сировина для синтезу багатьох біологічно важливих речовин. У загальному ліпідному обміні важлива роль належить печінці і жировим депо.
Обмін ліпідів у печінці. У печінці частина ліпідів, що всмокталися, піддається істотним змінам. Решта маси ліпідів після проходження через печінку стає придатною для відкладення в жирових депо у вигляді запасних речовин. У тканинах печінки, перш за все, здійснюється синтез ліпідів, необхідних для її власних потреб. Тут відбувається подовження і вкорочення вуглецевих ланцюгів, утворення і гідрування подвійних зв'язків у радикалах вищих жирних кислот, синтез кетонових тіл, ін.
Молекули вищих жирних кислот в тканинах печінки, як показали досліди з міченими атомами, обновляються протягом 1 – 2, холестерину – 6 – 30 діб. У печінці утворюється щодня близько 5% всіх жирних кислот організму. Печінка – основний орган, де синтезуються різні види фосфатидів для плазми крові.
Обмін ліпідів в жирових депо. Основна маса ліпідів і їх похідних, що поступили, з харчового каналу, відкладається в жирових депо – підшкірній і принирковій клітковині, сальнику, брижі, м'язовій тканині. Жирова тканина на 95% складається з ліпідів.
Хімічний склад резервних жирів визначається складом їжі. Будь-який жир перед тим, як використовуватися тканинами і клітинами, повинен обов'язково побувати в жировому депо. У міру необхідності жири і інші ліпіди з депо поступають у плазму крові, а потім розносяться по всьому організму. Вихід ліпідів з депо регулюється нервовою і гуморальною системами.
Обмін ліпідів в інших органах і тканинах. Ліпіди крові і їх складові частини поступають до різних органів і тканин. У крові хіломікрони під впливом гепарина подрібнюються до дрібних частинок. З током крові вони поступають у міжклітинну рідину, де і піддаються розщепленню під впливом тканинних ферментів. Далі складові частини ліпідів йдуть на синтез специфічних ліпідів для органів, тканин і клітин.
Біосинтез ліпідів
Біосинтез різних груп ліпідів має свої особливості.
Біосинтез жирів. Біосинтез жирів складається з трьох основних етапів: синтез гліцерину, вищих жирних кислот і сполучення їх в молекули тригліцеридів.
Синтез гліцерину. Близько 60% гліцерину утворюється з продукту проміжного обміну вуглеводів – діоксіацетонфосфата, решта поступає за рахунок тріоз пентозного циклу. Під впливом ферменту гліцерофосфатдегідрогенази діоксіацетонфосфат перетворюється в (-гліцерофосфат:

Частина гліцерину утворюється в результаті гідролізу гліцеридів клітин і міжклітинної рідини під впливом ліпаз:

Далі гліцерин під впливом ферменту гліцеролкінази перетворюється в (-гліцерофосфат:

Фосфорилування гліцерину відбувається в більшості тканин і органів, окрім жирової тканини і слизової оболонки тонкої кишки, в яких фермент відсутній.
Біосинтез вищих жирних кислот. Головним компонентом, з якого утворюються вищі жирні кислоти, є ацетил-KoA. Він утворюється в процесі аеробного розпаду вуглеводів, (-окислення жирних кислот та ін.
Розрізняють два типи біосинтезу вищих жирних кислот: мітохондріальний і немітохондріальний. Перший з них протікає в основному в мітохондріях клітин багатьох органів (печінки, серця, мозку, нирок) і деяких тканин (жировій). Реакції каталізують ферменти синтетази, які локалізуються на мембранах органоїдів і здатні подовжувати молекули вже існуючих активованих залишків вищих жирних кислот за рахунок ацетил-КоА і НАД(Н2:

Другий тип біосинтезу вищих жирних кислот відбувається в гіалоплазмі різних клітин. У ньому беруть участь ферменти карбоксилази, НАДФ(Н2, АТФ і Mg2+. У складі молекул карбоксилази простетична група містить залишок вітаміну біотину, який здатний зв'язувати CO2.
На першому етапі біосинтезу відбувається вбудовування CO2 в молекулу біотин-ферменту (ацетил-КоА – карбоксилази) під впливом ферменту карбоксилази:


Потім CO2 переноситься на ацетил-КоА, що призводить до утворення малоніл-КоА:

На наступному етапі йде поступове нарощування вуглеводневого радикала жирних кислот до потрібної величини за рахунок малоніл-КоА і ацетил-КоА з участю відповідних синтетаз. При цьому на кожному етапі ланцюг жирної кислоти подовжується на два вуглецеві атоми.
Якщо при біосинтезі утворюється пальмітинова кислота, то хімізм взаємодії ацетил-КоА і малоніл-КоА можна виразити так:

Останніми роками встановлений ще один шлях біосинтезу вищих жирних кислот – за допомогою білка ацилпереносника (АПБ), що містить простетичну групу, схожу з KoA. При цьому ацильні групи ацетил-КоА і малоніл-КоА переносяться на тіолові групи АПБ ферментами ацетил- і малонілтрансферазами. Koферментом є НАДФ(Н2, який утворюється в результаті функціонування пентозного циклу, окислення глутамінової кислоти, ін.
Біосинтез вищих жирних кислот з участю АПБ складається з ряду стадій:
; ;
;
; ; ;

Далі відбувається нарощування вуглеводневого радикала жирної кислоти до величини, необхідної для біосинтезу потрібних клітині ліпідів.
Біосинтез тригліцеридів здійснюється в більшості тканин. Джерелом для синтезу є гліцерофосфат і ацил-KoA. Реакція протікає в декілька стадій. Спочатку утворюється фосфатидна кислота:

Реакцію каталізує мультиферментний комплекс – гліцерофосфатацилтрансфераза, яка локалізується в мікросомах.
Далі фосфатидна кислота під впливом ферменту фосфатидатфосфогідролази перетворюється в (-, (-дигліцерид – проміжний продукт біосинтезу жирів і фосфатидів:

На останній стадії (-, (-дигліцерид під впливом того ж мультиферментного комплексу взаємодіє з ацил-КоА, утворюючи тригліцерид:

Біосинтез стеринів і стеридів. Стериди синтезуються з екзогенного і ендогенного холестерину та вищих жирних кислот. Найбільша кількість холестерину утворюється в тканинах печінки, головного мозку, наднирниках. Сировиною для біосинтезу служить оцтова кислота, оцтовий альдегід, ацетооцтова кислота, ацетон, ізовалеріанова кислота та ін. Будівельним блоком є ацетил-КоА. Біосинтез холестерину складається з ряду стадій, що включають конденсацію ацетилових одиниць в сквален, циклізацію сквалена в ланостерин, деметилювання ланостерина і утворення холестерину. В цих реакціях беруть участь багато ферментів, коферментів, гормонів, макроергічні сполуки (АТФ) та ін.
Розглянемо послідовність стадій біосинтезу холестерину.
1. Спочатку три молекули ацетил-КоА конденсуються у (-окси-(-метилглутарил-КоА:

2. (-Окси-(-метилглутарил-КоА під впливом ферменту редуктази перетворюється на мевалонову кислоту:

3. Під впливом ферменту кінази мевалонова кислота фосфорилується і перетворюється на пірофосфатмевалонову кислоту:

4. Під впливом ферменту декарбоксилази відбувається декарбоксилування пірофосфатмевалонової кислоти; утворюється ізопентилпірофосфат – „активний ізопрен”:

5. Під впливом ферменту ізомерази частина молекул ізопентилпірофосфата ізомеризується в диметилалілпірофосфат:

6. Молекули ізопентилпірофосфата і диметилалілпірофосфата конденсуються з утворенням геранілпірофосфата:

7. Геранілпірофосфат взаємодіє з ізопентилпірофосфатом з утворенням фарнезилпірофосфата:

8. Дві молекули фарнезилпірофосфата конденсуються у вуглеводень сквален С30Н50, що містить шість подвійних зв'язків. Сквален в аеробних умовах циклізується, перетворюючись в ланостерин. Ланостерин деметилюється (втрачає три метильні групи), перетворюючись спочатку в зимостерин, потім – в десмостерин і, нарешті, в холестерин:

Невелика частина холестерину в тканинах синтезується з деяких амінокислот (лейцина). Після дезамінування і окислення утворюється ацетооцтова кислота – джерело (-окси-(-метилглутарил-KoA.
Холестерин характеризується високим ступенем обміну. Так, протягом доби 20% холестерину з міткою в бічному ланцюзі окислюється до CO2 і H2O. В окремих органах холестерин служить основою для біосинтезу молекул гормонів і біологічно важливих речовин (жовчних кислот).
Біосинтез фосфатидів. У тканинах і клітинах синтезуються окремі види гліцеро-, інозит- і сфінгозинфосфатидів. Перші стадії синтезу гліцерофосфатидів співпадають з такими при біосинтезі жирів (див. вище). Спочатку утворюються фосфатидні кислоти з фосфотріоз. Потім до них приєднуються вищі жирні кислоти у вигляді ацил-КоА. При утворенні молекули гліцерофосфатида один із залишків вищої жирної кислоти повинен належати ненасиченій жирній кислоті (олеїновій, лінолевій, ліноленовій), що поступає в організм у складі раціону. Під впливом фосфатаз фосфатидні кислоти гідролізуються, перетворюючись і (, (-дигліцериди. (, (-Дигліцериди взаємодіють з активованими азотистими основами, утворюючи молекули відповідних фосфатидів. Активація відбувається так:
Азотиста основа фосфорилується. Холін під впливом ферменту холінкінази перетворюється на фосфорилхолін:

Фосфорилхолін під впливом ферменту холінфосфатцитидилилтрансферази взаємодіє з цитидинтрифосфатом (ЦТФ), перетворюючись в цитидиндифосфат-холін (ЦДФ-холін):

ЦДФ-холін під впливом ферменту холінфосфотрансферази вступає в реакцію з (, (-дигліцеридом, що призводить до утворення фосфатида і виділення цитидинмонофосфата (ЦМФ):

ЦМФ взаємодіє з АТФ під впливом ферменту ГТФ-аденілаткінази, перетворюючись в ЦТФ:
ЦМФ + 2АТФ ( ЦТФ + 2АДФ.
ЦТФ вступає в реакцію з новими порціями фосфатів азотистих основ, виконуючи функції специфічного каталізатора.
Біосинтез інших гліцерофосфатидів протікає аналогічно. В синтезі інозитфосфатидів центральне місце належить цитидиндифосфатдигліцериду, який взаємодіючи з молекулами інозиту, утворює моно-, ди- і триінозитфосфатиди.
Фосфатиди синтезуються у всіх клітинах тваринного організму. Найбільша кількість фосфатидів утворюється в печінці і тонкій кишці. Фосфатиди гепатоцитів запобігають печінковому ожирінню. Для фосфатидів характерний високий ступінь метаболізму.
Біосинтез гліколіпідів. Із всіх гліколіпідів найбільш детально вивчений біосинтез цереброзидів. У цьому процесі беруть участь багато ферментів, коферменти, іони Mn2+ та інші речовини. Реакції протікають в такій послідовності.
1. З пальмітил-КоА утворюється пальмітиновий альдегід:

2. Пальмітиновий альдегід конденсується з серином, що призводить до утворення дигідросфінгозина:

3. Дигідросфінгозин дегідрується, утворюючи сфінгозин:

4. Відбувається ацилювання сфінгозина з утворенням цераміда:

5. Церамід вступає в реакцію з УДФ-галактозою, що призводить до утворення цереброзида:

Ліполіз
Ліполізом називається процес ферментативного розщеплення ліпідів тканин і клітин до їх складових частин, які використовуються для задоволення різних потреб організму енергетичних, пластичних та ін. Обмін різних груп ліпідів, разом із загальними ознаками, має певні особливості.
Перетворення жирів. Під впливом тканинних ліпаз, які активуються солями фосфорної кислоти, нейтральні жири розщеплюються до гліцерину і вищих жирних кислот:

Цей процес найбільш інтенсивно протікає в печінці і легенях. Продукти розпаду жиру відрізняються за своєю хімічною структурою і шляхами перетворення в тканинах і клітинах.
Обмін гліцерину. Після гідролізу жиру гліцерин під впливом ферменту гліцеролкінази фосфорилується. (-Гліцерофосфат, що утворився під впливом ферменту гліцеральдегід-фосфатдегідрогенази окислюється у фосфогліцериновий альдегід, який включається в четверту стадію анаеробного розщеплення вуглеводів або служить джерелом для біосинтезу специфічних жирів тканин, гліцерофосфатів і інших речовин:

Обмін вищих жирних кислот. Механізм розпаду вищих жирних кислот в організмі пояснює теорія (-окислення жирних кислот, запропонована в 1904 р. німецьким біохіміком Ф. Кноопом. Згідно цієї теорії розпад жирних кислот протікає ступінчасто: від молекули жирної кислоти поступово відщеплюються двохвуглецеві фрагменти, розміщені в (-положенні.
Підставою для створення теорії (-окислення послужили такі факти. В кінці XIX ст. було встановлено, що ароматичні кислоти з організму виводяться з сечею в знешкоджуваному стані – у вигляді парних сполук з глікоколом: бензойна – у вигляді гіпурової, фенілоцтова – у вигляді фенацетурової кислот:
,

Ф. Кнооп почав „мітити” жирні кислоти раціону ароматичними радикалами. Якщо мітилась жирна кислота з парним числом атомом вуглецю (масляна, капронова, каприлова і т.д.), то в сечі виявлялася фенацетурова кислота. Якщо в раціоні були присутні кислоти з непарним числом атомів вуглецю (пропіонова, валеріанова), в сечі виявлялася гіпурова кислота. Отже, припустив Ф. Кнооп, в тканинах відбувається розпад жирної кислоти на двохвуглецеві фрагменти, а сама „мітка” в печінці з'єднується з цими фрагментами, утворюючи фенацетурову і гіпурову кислоти. Так була створена схема (-окислення вищих жирних кислот.
Припущення Ф. Кноопа були підтверджені в 1937 р. дослідами Шенхеймера і Ріттенберга. Вони згодовували мишам мічену D2 (дейтерієм) стеаринову кислоту і через деякий час знаходили в тканинах D-пальмітинову кислоту. Незабаром А. Ленінджер встановлює, що двовуглецевий залишок включається в цикл трикарбонових кислот. А. Ленінджер і співробітники в 1949 р. встановлюють, що процес (-окислення відбувається в мітохондріях. Уточнюються деталі (-окиcлення (Д. Грін, Ф. Лінен, С. Очоа та ін.). Встановлюється, що ненасичені жирні кислоти перед (-окисленням перетворюються в ненасичені. Створюється наступна сучасна схема (-окислення жирних кислот:
1. Під впливом аденілаткінази жирна кислота активується з утворенням ациладенілата:

2. Ациладенілат взаємодіє з HS-KoA під впливом ферменту ацил-КоА-синтетази з утворенням ацил-КоА:

3. Під впливом флавін-залежної дегідрогенази відбувається дегідрування активованого залишку жирної кислоти:

4. Залишок жирної кислоти під дією еноїл-КоА-гідратази гідрується в ділянці розриву подвійного зв'язку з утворенням (-оксиацил-КоА:

5. (-Оксиацил-КоА під впливом (-оксиацил-КоА-дегідрогенази у присутності НАД+ дегідрується, перетворюючись в кетоформу ацил-КоА:

6. Молекула кетоформи ацил-КоА під впливом ферменту ацетоацетил-КоА-тіолази і за наявності однієї молекули KoA розривається на дві частини: ацетил-KoA і ацил-КоА (останній має на два вуглеці менше початкової кислоти):

Ацил-КоА знову піддається (-окисленню до тих пір, поки вся молекула жирної кислоти не розпадеться на двохвуглецеві фрагменти – ацетил-КоА. Ацетил-КоА вступає в цикл трикарбонових кислот і інші реакції.
Вищі жирні кислоти є найважливішим джерелом хімічної енергії в організмі. При повному окисленні одного двохвуглецевого фрагмента жирної кислоти – ацетил-КоА – в мітохондріях утворюється п'ять молекул АТФ (дві – за рахунок ФАД(Н2 і три – за рахунок НАД(H2). При повному розпаді стеаринової кислоти утворюється дев'ять молекул ацетил-КоА, які дають 45 молекул АТФ (5 ( 9 = 45). Якщо молекула ацетил-КоА включається в цикл трикарбонових кислот, то при її окисленні утворюється 12 молекул АТФ. Таким чином, дев'ять молекул ацетил-КоА, які утворилися при розпаді стеаринової кислоти, після окислення в циклі трикарбонових кислот є джерелом 108 молекул АТФ (12 ( 9 = 108). Повне окислення однієї молекули стеаринової кислоти дає організму 153 молекули АТФ (45 + 108 = 153).
Перетворення стеридів і стеринів. Під впливом тканинних холестеринестераз стериди розщеплюються на холестерин і вищі жирні кислоти:

Вищі жирні кислоти використовуються як джерело хімічної енергії, сировина для синтезу ліпідів і інших речовин. Холестерин піддається різним перетворенням: у печінці з нього утворюються жовчні кислоти, в наднирниках – кортикостероїди, в статевих залозах – андро- і естрогени, ін. Частина холестерину дециклізується з утворенням ацетил-КоА, який бере активну участь в обміні речовин (схема 1).


Схема 1. Використання Ацетил-КоА

В деяких органах (печінка, нирки) двовуглецеві фрагменти молекули холестерину, що розпався, використовуються для біосинтезу глюкози й інших вуглеводів.
Перетворення фосфатидів. Молекула фосфатида розщеплюється в тканинах до спирту (гліцерину, інозиту, сфінгозину), вищих жирних кислот, фосфорної кислоти і азотистих основ. Гідроліз здійснюють ферменти типу фосфоліпаз. Гідроліз може бути повним і частковим. При частковому гідролізі найшвидше оновлюється та частина молекули, в якій був розміщений залишок азотистої основи, повільніше – „скелетна частина”. Фосфатидна кислота використовується тканинами для багатьох цілей – біосинтезу нових молекул різних фосфатидів, утворення нейтральних жирів, ін. Продукти кінцевого гідролізу молекули фосфатида можуть використовуватися тканинами для енергетичних, структурних і інших потреб. Високим ступенем метаболізму характеризуються фосфатиди печінки.
Перетворення решти ліпідів в тканинах. Експериментальні дані свідчать про те, що різні підгрупи гліколіпідів (цереброзиди, гангліозиди, страндин) і сульфатидів характеризуються високим ступенем обміну, особливо в нервовій тканині. Деталі їх тканинного метаболізму вивчені недостатньо.
Кінцевий обмін
Основними кінцевими продуктами ліпідного обміну є дві речовини – вуглекислий газ і вода. Вони виділяються легенями, нирками, товстою кишкою, пітними залозами. Вода виділяється переважно у складі сечі і поту, частково – у складі калу, повітря, що видихається. Основним органом, що виділяє вуглекислий газ, є легені. Кінцевий обмін для окремих груп ліпідів має деякі особливості.
Жири. При повному окисленні жиру в тканинах утворюється вуглекислий газ і вода. Так, якщо до складу молекули жиру входять залишки стеаринової, пальмітинової і лінолевої кислот, то загальне рівняння тканинного розпаду матиме наступний вигляд:
С55Н104О6 + 78O2 = 55СО2 + 52H2O.
Дихальний коефіцієнт (співвідношення між кількістю вуглекислого газу, який утворився при окисленні жиру, і кількістю кисню, необхідного для окислення) тут рівний 0,71.
Стерини і стериди. При окислювальному розпаді стеринів і стеридів кінцевими продуктами є вуглекислий газ і вода. Вони утворюються переважно в результаті (-окислення бічного ланцюга холестерину і залишків вищих жирних кислот. Надлишок холестерину в організмі виводиться разом з жовчю і калом. У тканинах холестерин відновлюється до дигідрохолестерина, а в товстій кишці – до копростерина. Обидві речовини є ізомерами: перша – транс-, друга – цис-формами. Відновлення холестерину протікає в декілька стадій і захоплює нижні ділянки молекули циклічного спирту:

Фосфатиди. Кінцеві продукти обміну фосфатидів – вуглекислий газ і вода – утворюються при окисленні гліцерину, інозиту, сфінгозина, частково азотистих основ; натрієві і калієві солі фосфорної кислоти, сечовина, сечова кислота, креатинін – є продуктами перетворення азотистих основ.
Гліколіпіди і сульфатиди. Кінцевими продуктами розпаду гліко- і сульфоліпідів є вуглекислий газ, вода і деяка кількість азотистих речовин. Залишок сірчаної кислоти, що входить до складу молекули сульфатида, знешкоджується в печінці і виділяється нирками з сечею у вигляді парних сполук: індикана, фенол- і крезолсірчаних кислот.
Регуляція ліпідного обміну
Процеси обміну ліпідів регулюються нейрогуморальним шляхом. Центральна нервова система впливає на ліпідний обмін безпосередньо або через залози внутрішньої секреції. Відповідні ділянки кори великих півкуль головного мозку через вегетативні нервові волокна регулюють склад травних соків, процеси перетравлювання і всмоктування ліпідів, їх біосинтез і мобілізацію. Так, імпульси, які йдуть по симпатичних нервових волокнах, сприяють розпаду ліпідів у жирових депо, імпульси, які йдуть по парасимпатичних, – їх накопиченню. Пошкодження гіпоталамуса викликає ожиріння.
Центральна нервова система корелює різні гормональні впливи на ліпідний обмін. Окремі гормони сприяють накопиченню організмом ліпідів (наприклад, інсулін сприяє накопиченню жирів, ліпокаїн – фосфатидів), інші стимулюють їх розщеплення. Ці явища використовують для направленої дії на ліпідний обмін.
Інтенсивність і спрямованість ліпідного обміну залежать і від складу раціону. Високий вміст в їжі вуглеводів і жирів сприяє надмірному накопиченню жиру. При недостатній кількості в раціоні метіоніна – джерела метильних груп для холіна, порушується ліпідний обмін і наступає патологічне ожиріння печінки.
Патології ліпідного обміну
Ліпідний обмін порушується при багатьох інфекційних, інвазивних і незаразних хворобах. Часто причиною порушення обміну є неправильно складені раціони. Патологія ліпідного обміну спостерігається при порушенні нейрогуморальної регуляції процесів перетравлювання, всмоктування, біосинтезу і ліполізу ліпідів в цілому і різних груп окремо. Так, при гіпофункціях передньої частини гіпофіза, щитовидної залози, статевих залоз виникають патологічні відкладення жиру. При гіперфункціях щитовидної залози і мозкового шару наднирників відбувається підвищений розпад жирів і різке схуднення організму.
При зниженому синтезі ліполітичних ферментів травними залозами і зменшенні секреції жовчі (фасциолез, гепатити) порушуються процеси перетравлювання і всмоктування ліпідів. Це призводить до виділення неперетравлених ліпідів.
Відсутність у раціоні ліпотропних речовин (холіна і метіоніна) викликає жирове переродження печінки, відсутність жиророзчинних вітамінів зменшує всмоктування, знижує секрецію жовчі, веде до появи дерматитів.
Ліпідний обмін порушується при кетозах. Вони виникають при цукровому діабеті, гепатитах, різних отруєннях. Їх причиною може бути неправильно складений раціон. Так, кетози з'являються при підвищеному маслянокислому бродінні в шлунку і після тривалого голодування. В крові різко зростає вміст кетонових тіл, недоокислених продуктів жирового обміну: ацетооцтової і (-оксимасляної кислот, ацетону. Виникає ацетонемія. При кетозах виникає ацидоз, зменшується вміст глюкози в крові.
Часто зустрічаються порушення обміну холестерину. У хворих виникає надлишок холестерину в крові – гіперхолестеринемія. У внутрішніх органах, особливо в тканинах печінки, спостерігається підвищене відкладення холестерину. Виникає холестериновий цироз печінки. З'являється жовчно-кам'яна хвороба, коли в жовчних ходах і жовчному міхурі відкладається жовчне каміння, що складається на 90 – 99% з холестерину. У ряді випадків на внутрішніх стінках кровоносних судин, особливо артерій, відкладаються частинки холестерину і інших речовин. Це призводить до втрати судинами еластичності, закриттю їх просвіту і виникненню атеросклерозу, а у результаті – до розривів судин, виникненню інфарктів і інсультів, обширних крововиливів.
Іноді спостерігається патологічне відкладення в тканинах центральної нервової системи, селезінки і печінки гангліозидів.



























Лекція № 12. Обмін білків.

Обмін білків – центральна ланка всіх біохімічних процесів, які лежать в основі існування живого організму. Інтенсивність обміну білків характеризується балансом азоту, оскільки основна маса азоту організму доводиться на білки. При цьому враховується азот їжі, азот організму і азот продуктів виділення. Баланс азоту може бути позитивним (відбувається надбавка у масі і затримка азоту в організмі), рівним нулю або спостерігатися азотна рівновага (з організму виводиться стільки ж азоту, скільки й поступає) і негативним (розпад білків не компенсується білками їжі). Це слід враховувати при складанні раціонів. Баланс азоту характеризується білковим мінімумом – найменшою кількістю білка в харчовому раціоні, яка необхідна для збереження в організмі азотної рівноваги.
Білки раціону ділять на повноцінні і неповноцінні. Повноцінний білковий раціон містить залишки незамінних амінокислот, які не можуть синтезуватися організмом людини і тварин: валін, ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, треонін, триптофан і фенілаланін. До умовно незамінних амінокислот відносять гістидин (частково синтезується мікрофлорою в харчовому каналі). Решта амінокислот – замінні і можуть синтезуватися в організмах: аланін, аспарагінова і глутамінова кислоти, серин. П'ять амінокислот вважають частково замінними – аргінін, гліцин, тирозин, цистин і цистеїн. Імінокислоти пролін і оксипролін можуть синтезуватися в організмі людини і тварин.
У різних харчових продуктах міститься неоднакова кількість білків, у %: боби гороху – 26; дріжджі – 16; боби сої – 35; зерно пшениці – 13; картопля 2,0 – 5; кукурудза – 9,5; капуста – 1,1 – 1,6; рис – 7,5; морква – 0,8 – 1; буряк – 1,6. Багаті повноцінними білками продукти тваринництва, у %: яловичина – 21,5; баранина – 19,8 – 25; сир – 20 – 36; яйця – 12,6; свинина – 16,5; молоко коров'яче – 3,5; риба – 19 – 20; масло коров'яче – 0,5.
Еталоном повноцінного білка є казеїн, що містить всі незамінні амінокислоти. При складанні раціонів слід враховувати амінокислотний склад білків.
Перетравлювання білків
У харчовому каналі білки піддаються розщепленню до амінокислот, які потім засвоюються організмом.
У ротовій порожнині їжа, що містить білки, механічно подрібнюється, змочується слиною і перетворюється на харчову грудку, яка по стравоходу поступає в шлунок (у жуйних – в передшлунок і сичуг, у птахів – в залозистий і м'язовий шлунки). У складі слини немає ферментів, здатних гідролітично розщеплювати білки корму.
Пережовані харчові маси поступають у шлунок (у жуйних в сичуг), перемішуються і просочуються шлунковим соком.
Шлунковий сік – біологічна рідина, яка синтезується залозами слизової оболонки шлунку. Це безбарвна і злегка опалесціююча речовина (=1,002 – 1,010. У людини протягом доби утворюється близько 2 л, великої рогатої худоби – 30, коней – 20, свиней – 4, собак – до 3 л шлункового соку. Виділення шлункового соку в першій (складно-рефлекторній) фазі визначається видом, запахом і смаком їжі, у другій (нейрогуморальній) – її хімічним складом і механічним роздратуванням рецепторів слизової оболонки. До складу шлункового соку входить 99,5% води і 0,5% нерозчинного залишку. Він включає ферменти – пепсин, ренін, гастриксин, желатиназу, ліпазу; білки – сироваткові альбуміни і глобуліни, мукопротеїни слизу, фактор Касла; з мінеральних речовин – кислоти (в основному соляну) і солі.
Основний фермент шлункового соку – пепсин, а кислотою, яка створює умови для його каталітичної дії, є соляна. В утворенні пепсину беруть участь головні клітини залоз дна шлунку, в утворенні соляної кислоти – обкладочні. Джерелом хлорид-іонів є NaCl, джерелом іонів – H+-протони, що поступають із крові в цитоплазму обкладочних клітин внаслідок окисно-відновних реакцій. Так, гістохімічно встановлено, що обкладочні клітини містять СДГ, яка відщеплює при функціонуванні циклу три карбонових кислот (ЦТК) від янтарної кислоти протони і електрони. Протони проникають у шлунковий сік (рН~1) через мембрани судин стінки шлунку (рН~7) проти градієнта концентрації за рахунок різниці електрохімічного потенціалу. При „секреції” 1 г/екв H+ з плазми крові в шлунковий сік вільна енергія (G змінюється так:

Джерелом хімічної енергії в обкладочних клітинах є реакції ЦТК.
Соляна кислота створює необхідну кислотність для каталітичної дії ферментів. Так, у людини рН шлункового соку рівний 1,5 – 2, великої рогатої худоби – 2,17 – 3,14, коней – 1,2 – 3,1, свиней – 1,1 – 2,0, птахів – 3,8. Соляна кислота створює також умови для перетворення пепсиногена в пепсин, прискорює розщеплення білків на складові частини, їх денатурацію, набухання і розпушування, перешкоджає розвитку в шлунку гнильних і бродильних процесів, стимулює синтез гормонів кишечнику та ін.
У лабораторній практиці визначають загальну, вільну і зв'язану кислотність шлункового соку. Загальна кислотність характеризує суму всіх кислотореагуючих речовин (зв'язаної і вільної соляної кислоти, органічних кислот, фосфорнокислих солей і ін.) і визначається числом мілілітрів 0,1 н, розчину NaOH, що пішов на титрування 100 мл шлункового соку до появи малинового забарвлення індикатора (фенолфталеїна). Вільна кислотність характеризує вміст у шлунковому сокові вільної соляної кислоти. Її прийнято виражати числом мілілітрів 0,1 н. розчину NaOH, що пішов на титрування 100 мл шлункового соку до появи оранжевого забарвлення індикатора (диметиламінобензола). Зв'язана кислотність характеризує кількість зв'язаних з білками кислот (в основному, соляної кислоти).
У шлунках дітей і молодих тварин синтезується проренін, який при значенні рН <5 перетворюється на ренін. Під його впливом казеїноген молока перетворюється на казеїн.
У шлунку відбувається гідролітичне розщеплення більшості білків. Так, нуклеопротеїди під впливом соляної кислоти і пепсину розпадаються на нуклеїнові кислоти і прості білки. Тут же відбувається розщеплення і інших протеїдів. Під впливом ферментів шлункового соку (пепсину, реніну й ін.) прості білки розщеплюються до складових частин. Так, під впливом пепсину розриваються пептидні зв'язки по краях білкових молекул. Найлегше розриваються пептидні зв'язки, утворені ароматичними і дикарбоновими кислотами. Пепсин легко розщеплює білки тваринного походження (казеїн, міоглобін, міоген, міозин) і деякі рослинні білки, побудовані в основному з моноамінодикарбонових кислот (гліадин і глутелін злаків). Пепсин розщеплює більшість білків, за винятком кератинів шерсті, фіброїнів шовку, муцинів слизу, овомукоїдів, деяких білків кісток і хрящів.
Частина білків розщеплюється іншими протеолітичними ферментами шлункового соку, наприклад, колаген – желатиназою, казеїн – реніном.
Під впливом складових частин шлункового соку, перш за все соляної кислоти і ферментів, білки в шлунку гідролізуються до простетичних груп, поліпептидів, олігопептидів, дипептидів і навіть амінокислот.
Шлункова секреція стимулюється гормоноїдами, які синтезуються ендокринними клітинами слизової оболонки харчового каналу: гастрином, ентерогастрином (в кишках), гістаміном (в шлунку та інших органах).
З шлунку кормові маси порціями поступають в дванадцятипалу кишку і решту відділів тонкої кишки, де завершується гідролітичне розщеплення білків. У ньому беруть участь протеолітичні ферменти секрету підшлункової залози і кишкового соку. Ці реакції протікають в нейтральному і слаболужному середовищі (рН = 7 – 8,7). У тонкій кишці гідрокарбонати секрету підшлункової залози і кишкового соку нейтралізують соляну кислоту:
HCl + NaНCO3 ( NaCl + H2СО3
Вугільна кислота під впливом ферменту карбоангідрази розщеплюється до CO2 і H2O. Наявність CO2 сприяє утворенню в химусі стійкої емульсії, що полегшує процеси травлення.
Близько 30% пептидних зв'язків білків розщеплюється ферментом підшлункової залози трипсином. Він виділяється у вигляді неактивного трипсиногена, але під впливом ферменту слизової оболонки кишок, ентерокінази, перетворюється на активний трипсин. Трипсин розщеплює пептидні зв'язки, утворені COOH-групами аргініну і лізину і NН2-группами інших амінокислот.
Майже 50% пептидних зв'язків розщеплюється іншим протеолітичним ферментом підшлункової залози – хімотрипсином. Він виділяється у вигляді неактивного хімотрипсиногена, який під впливом трипсину перетворюється на активний хімотрипсин. Фермент розщеплює пептидні зв'язки, утворені СООН-групами фенілаланіна, тирозина і триптофана і NН2-групами інших амінокислот.
Решта пептидних зв'язків розщеплюється пептидазами кишкового соку і соку підшлункової залози – карбоксипептидазами і амінопептидазами.
У складі соку підшлункової залози є колагеназа (розщеплює колаген) і еластаза (гідролізує еластин). Діяльність травних ферментів активується мікроелементами: Mn2+, Mg2+, Со2+ і ін. Заключний етап перетравлювання білків відображає схема:

Перетравлювання білків відбувається в порожнині кишок і на поверхні слизової оболонки (пристінне травлення). В порожнині кишок відбувається розщеплення білкових молекул, а на поверхні слизової оболонки (і між мікроворсинками) – їх „уламків”: поліпептидів, трипептидів і дипептидів.
Таким чином, під впливом травних соків білки розщеплюються до амінокислот і складових частин – простетичних груп.
Білки і їх похідні, які не розклалися в тонкій кишці у товстій кишці піддаються гнильним процесам. Гниття – багатоступінчастий процес, на різних етапах якого беруть участь різні мікроорганізми: анаеробні і аеробні бактерії роду Bacillus і Pseudomonas, інфузорії та ін. Під впливом бактерійних пептидгідролаз складні білки розщеплюються на протеїни і простетичні групи. Протеїни, у свою чергу, гідролізуються до поліпептидів, дипептидів і амінокислот. Амінокислоти піддаються складним біохімічним перетворенням: дезамінуванню, декарбоксилуванню, внутрішньомолекулярному розщепленню, окисленню, відновленню, метилюванню, деметилюванню і т.д. Виникає ряд отруйних продуктів, які всмоктуються через слизову оболонку кишок у кровоносну і лімфатичну системи і розносяться по всьому організму, отруюючи його органи, тканини і клітини. Частина цих речовин знешкоджується в печінці з утворенням продуктів кінцевого обміну, які виводяться з організму.
Так, у процесі гниття в товстій кишці амінокислоти піддаються декарбоксилуванню, що призводить до утворення отруйних амінів, наприклад трупних отрут – кадаверина і путресцина:


При дезамінуванні (відновному, внутрішньомолекулярному, гідролітичному, окислювальному) утворюється аміак, насичені і ненасичені карбонові кислоти, оксикислоти і кетокислоти:

Бактерійні декарбоксилази можуть викликати подальше розкладання карбонових кислот з утворенням вуглеводнів, альдегідів, спиртів та ін.:

Ці процеси протікають зв'язано і поетапно, що у результаті призводить до виникнення різних продуктів гниття. Так, при гнильному розкладанні циклічних амінокислот утворюються феноли:

При гнильному розкладанні триптофана утворюється скатол і індол:



При гнильному розкладанні цистину і цистеїну утворюються меркаптани, сірководень, метан, вуглекислий газ:


Процеси гниття білків інтенсивно розвиваються при вживанні недоброякісних харчів, порушенні режиму харчування, захворюваннях харчового каналу (атонії шлунку, запорах), інфекційних (паратифі, колібацильозі) і інвазивних (аскаридозі) хворобах. Це негативно позначається на стані здоров'я.
Всмоктування білків
Білки всмоктуються у вигляді амінокислот, низькомолекулярних пептидів (частково) і складових частин простетичних груп. У новонароджених всмоктується частина нерозщеплених білків молозива і молока. Місце всмоктування – мікроворсинки ворсинок епітелію слизової оболонки тонкої кишки. Основна маса продуктів всмоктується в кінці дванадцятипалої, на початку тонкої і клубової кишок. Амінокислоти проникають в клітину через субмікроскопічні канальці мікроворсинок і екзоплазматичну мембрану завдяки процесам дифузії, осмосу, за допомогою білкових переносників проти концентраційного і електрохімічного градієнтів. Перш за все, амінокислота з'єднується з переносником. Це полівалентний іон, який має чотири ділянки для скріплення з нейтральними, кислими і основними амінокислотами, а також з іоном Na+. Пройшовши мембрану, амінокислота відщеплюється від переносника і по ендоплазматичній сітці та пластинчатому комплексу поступово переміщується від апікального краю до базальної ділянки ентероцита (рис. 1).


Рис. 1. Схема транспортування амінокислот через мембрану:
А – амінокислота; П – переносник; ПФ – активований переносник; Ф – фосфорна кислота.

Дослідження, проведені з різними ізольованими клітинами, тканинними препаратами, а також у дослідах in vivo, дозволили припустити, що в перенесенні амінокислот через біологічні мембрани перуть участь не менше п'яти специфічних систем. Кожна з них відповідає за перенесення лише певної групи амінокислот, близьких за будовою і властивостями.
Нещодавно одержано дані щодо активного перенесення амінокислот крізь клітинні мембрани в кишках, нирках і мозку. Механізм цього процесу дістав назву (- глутамілтрансферазного циклу. В ньому беруть участь: один мембранно-зв'язаний фермент і п'ять ферментів цитоплазми, а також глутатіон ((-глутамілцистеїнілгліцин), який міститься в усіх тканинах організму. Головну роль у (-глутамілтрансферазному циклі відіграє мембранно-зв'язаний фермент (-глутамілтрансфераза, яка каталізує реакцію:

(-Глутамілтрансфераза, перебуваючи в клітинній мембрані, здійснює транслокацію амінокислот з позаклітинного простору внаслідок реакції транспептидування залишку (-глутамінової кислоти з глутатіону на транспортовану амінокислоту і перенесення утвореної сполуки (-глутаміламінокислоти в клітину. Сюди ж надходить і цистеїнілгліцин. Слід зазначити, що донорами залишку (-глутамінової кислоти можуть бути й інші глутамілпептиди, а всі амінокислоти, крім проліну, можуть виступати у ролі акцепторів.
На наступному етапі (-глутаміламінокислота за участю ферменту (-глутамілциклотрансферази розщеплюється з утворенням вільної амінокислоти і 5-оксипроліну:

Інша сполука, яка утворюється на першому етапі реакції (цистеїнілгліцин), під впливом ферменту пептидази розщеплюється на цистеїн і гліцин.
У процесі здійснення зазначених вище трьох реакцій відбувається перенесення в клітину однієї молекули амінокислоти, при цьому використовується енергія пептидних зв'язків глутатіону.
Для продовження процесу в клітинах відбувається регенерація глутатіону з використанням енергії АТФ. Спочатку 5-оксипролін за участю ферменту 5-оксипролінази перетворюється на L-глутамінову кислоту:

Далі ця кислота взаємодіє з цистеїном з утворенням дипептиду (-глутамілцистеїну:

Реакцію каталізує (-глутамілцистеїнсинтетаза і, нарешті, (-глутамілцистеїн взаємодіє з гліцином, внаслідок чого утворюється глутатіон. Реакцію каталізує глутатіонсинтетаза:

Глутатіон, що утворився, може вступати в новий цикл і переносити в клітину наступну молекулу амінокислоти.
Ферменти (-глутамілтрансферазного циклу виявлено в ряді тканин, в яких проходить активний транспорт амінокислот. Ключовий фермент циклу – (-глутамілтрансфераза у високих концентраціях наявна в епітелії ворсинок тонкої кишки, нирках та інших органах. Разом з цим слід наголосити, що (-глутамілтрансферазний цикл є, очевидно, лише одним з кількох механізмів, які забезпечують транспорт амінокислот у клітинах. Після всмоктування амінокислоти надходять у кров і по системі ворітної вени потрапляють у печінку.
Швидше всмоктуються аргінін, метіонін, лейцин; повільніше – фенілаланін, цистеїн, тирозин; дуже повільно – аланін, серин і глутамінова кислота.
У процесах всмоктування важливе місце належить натрієвому насосу (додавання до суміші амінокислот хлориду натрію прискорює всмоктування). Хімічну енергію, що витрачається при цьому, забезпечують мітохондрії.
Вважають, що в пересуванні амінокислоти по клітині бере участь білковий переносник. У базальній і латеральній ділянках клітини комплекс переносник + амінокислота розщеплюється. Амінокислота дифундує в міжклітинний простір і поступає в кровоносну або лімфатичну системи ворсинок, а іони Na+ повертаються до поверхні клітини і взаємодіють з новими порціями амінокислот. Ці процеси регулюються нервовою і гуморальною системами. У товстій кишці білки не всмоктуються. Тут всмоктуються продукти їх гниття: фенол, крезол, індол, скатол та ін.
Проміжний обмін
Продукти всмоктування білків через систему ворітної вени поступають у печінку. Амінокислоти, що залишилися в крові після проходження через печінку, з печінкової вени потрапляють у велике коло кровообігу і розносяться до окремих органів, тканин і клітин. Деяка частина амінокислот з міжклітинної рідини поступає в лімфатичну систему – лімфатичні капіляри ворсинок, підепітеліальну і підслизову сітку судин тонкої кишки, брижові вузли, грудну лімфатичну протоку і краніальну порожнисту вену.
Основна маса амінокислот витрачається на біосинтез білків, частина – на біосинтез біологічно активних речовин (небілкових гормонів, пептидів, амінів та ін.), частина, дезамінуючись, використовується як енергетична сировина і матеріал для біосинтезу ліпідів, вуглеводів, нуклеїнових кислот та ін.
Біосинтез білків. Проблема біосинтезу білка є однією з основних проблем біохімії. Вона має важливе теоретичне і практичне значення, тісно пов'язана з найактуальнішими питаннями сучасної біологічної науки: виясненням законів спадковості і мінливості, керуванням ростом і розвитком організмів, розкриттям причин виникнення і розробкою методів профілактики та лікування багатьох спадкових захворювань тощо.
Біосинтез білка протікає у всіх органах, тканинах і клітинах. Найбільша кількість білка синтезується в печінці. Синтез білка здійснюють рибосоми. За хімічною природою рибосоми – нуклеопротеїди, що складаються з РНК (50 – 65%) і білків (35 – 50%). У процесі біосинтезу білка рибосоми здійснюють функції: 1) специфічного скріплення і утримання компонентів білок-синтезуючої системи; 2) каталітичної підстанції (при утворенні пептидного зв'язку і гідролізі ГТФ); 3) транслокатора (при механічному переміщенні і- і тРНК).
Рибосоми утворюються самочинно із заздалегідь синтезованих РНК і білків. Вони є складовими частинами гранулярної ендоплазматичної сітки, яка є своєрідною транспортною системою клітини, де відбувається біосинтез і переміщення синтезованих молекул білка.
Рибосоми в клітині знаходяться у вигляді скупчень від 3 до 100 одиниць – полісом (полірибосом, ергосом). Рибосоми сполучені між собою своєрідною ниткою, видимою під електронним мікроскопом, – іРНК (рис. 2). Кожна рибосома здатна синтезувати самостійно один поліпептидний ланцюг, група – декілька таких ланцюгів і молекулу білка. Прикладом великої полірибосомної системи є полісоми м'язової тканини, які синтезують міозин. Полісома складається з 60 – 100 рибосом і здійснює біосинтез молекули білка, який складається з 1800 амінокислотних залишків.

Рис 2. Схема будови рибосоми:
1 – 30S субодиниця; 2 – 50S субодиниця; 3 – іРНК; 4 – аміноацил-тРНК-фермент

Відомо, що в організмах людини і тварин синтезуються мільйони різних білків. Вони відрізняються один від одного, насамперед, хімічною природою та послідовністю розташування залишків амінокислот у поліпептидних ланцюгах, тобто первинною структурою. Інформація про те, яким повинен бути білок, закладена в ДНК у вигляді певної послідовності нуклеотидних залишків у полінуклеотидному ланцюгу.
Оскільки ДНК знаходиться в ядрі, а біосинтез білка відбувається на рибосомах, то ДНК передає інформацію щодо процесу синтезу білка через іРНК, яка синтезується на певній ділянці (гені) одного з нуклеотидних ланцюгів ДНК.
В основі передачі інформації лежить принцип комплементарності. У синтезованій іРНК послідовність нуклеотидів відповідає послідовності нуклеотидів в одному з полінуклеотидних ланцюгів ДНК. Відмінність полягає лише в тому, що замість тимідинового нуклеотиду в іРНК міститься уридиновий нуклеотид. Процес копіювання даної інформації з ДНК на іРНК називається транскрипцією.
Далі іРНК, діставши інформацію від ДНК, виходить з ядра і переміщується до рибосом. На рибосомах іРНК реалізує цю інформацію в процесі синтезу білка. Іншими словами, на іРНК як на матриці відбувається синтез білка, первинна структура якого визначається інформацією, що іРНК отримала від ДНК. Процес передачі інформації з іРНК, яка закодована в певній послідовності нуклеотидів в її молекулі, на процес розміщення залишків амінокислот у білкових молекулах називається трансляцією.
Отже, передачу інформації від ДНК на синтез білка можна подати схемою:
.
Для синтезу білків використовуються активовані форми амінокислот, які перебувають у зв'язаному стані з відповідними тРНК. Останні переносять їх до місця біосинтезу білка – рибосом. Процес сполучення амінокислот із „своїми” тРНК за участю ферменту аміноацил-тРНК – синтетази називають рекогніцією (від англ. recognice – пізнавати).
Згідно з сучасними уявленнями, біосинтез білків включає ряд складних біохімічних процесів, в яких беруть участь нуклеїнові кислоти, різні ферментні системи, іони металів тощо. Він поділяється на три основні стадії: транскрипцію, рекогніцію і трансляцію. Стадія транскрипції детально описана в темі „ обмін нуклеїнових кислот”, стадії рекогніції і трансляції описані нижче.
Рекогніція. Активація амінокислот відбувається у цитоплазмі за участю високоенергетичної сполуки – АТФ і ферментів – аміноацил-тРНК-синтетаз (аміноацил-синтетаз). Для кожної амінокислоти в клітині є специфічні ферменти, які називаються кодазами. Для виявлення ними максимальної активності необхідні, іони магнію. Дещо меншу активуючу дію мають іони інших двовалентних металів, зокрема марганцю, кобальту і кальцію. Реакцію активації амінокислот схематично можна подати так:

Ця реакція відбувається на поверхні ферменту, що каталізує її, і утворений аміноациладенілат не переходить у розчин, а залишається в комплексі з ферментом. У молекулі аміноациладенілату залишок амінокислоти сполучається з залишком АМФ макроергічним зв'язком, який посилює реакційну здатність амінокислоти.
На наступному етапі комплекс аміноациладенілату з ферментом взаємодіє з тРНК, специфічною для кожної амінокислоти. При цьому аміноацильна група з аміноациладенілату переходить до тРНК з утворенням нового комплексу – аміноацил-тРНК і виділяються АМФ та фермент:

Залишок амінокислоти приєднується до третього атома вуглецю рибози кінцевого нуклеотиду тРНК, макроергічний зв'язок зберігається. Реакцію каталізує той самий фермент, що й реакцію активації амінокислоти – аміноацил-тРНК-синтетаза. У молекулі даного ферменту є дві специфічні ділянки, завдяки яким він здатний „впізнавати”, з однієї сторони, „свою” амінокислоту, а з другої – „свою” тРНК.
Деякі аміноацилсинтетази (наприклад, валінова, лейцинова, ізолейцинова) побудовані з одного поліпептидного ланцюга, інші – з двох, чотирьох і більшої кількості поліпептидних ланцюгів (наприклад, серинова аміноацилсинтетаза складається з двох субодиниць, метіонінова – з чотирьох). Молекулярна маса кожної субодиниці становить 45000. Виявлено аміноацилсинтетази, побудовані з двох і більшої кількості різних субодиниць. Наприклад, гліцинова аміноацилсинтетаза складається з чотирьох субодиниць, дві з яких мають молекулярну масу по 33000, а дві інші – по 80000.
Аміноацилсинтетази виявляють високу специфічність. Для кожної з 20 амінокислот, що входять до складу білків, є своя, і притому лише одна аміноацилсинтетаза. Водночас кожна з них „впізнає” всі тРНК, специфічні для однієї амінокислоти.
Трансляція. Трансляція включає три основні етапи – ініціацію, елонгацію і термінацію.
Ініціація синтезу поліпептидного ланцюга – це утворення ініціюючого комплексу і формування функціонально активної рибосоми. Розміри рибосом характеризують константами седиментації (виражають одиницями Сведберга S). Чим більші розміри мають часточки, тим швидше вони осідають під час ультрацентрифугування і тим вища константа їх седиментації.
Для прокаріот характерні рибосоми, константа седиментації яких становить 70S, а молекулярна маса 3(106. В еукаріотів рибосоми дещо більші. Константа їх седиментації досягає 80S, а молекулярна маса 4,5(106.
Кожна рибосома складається з двох субодиниць – малої і великої. У прокаріот 70S рибосоми побудовані з малої (30S) і великої (50S) субодиниць. Мала субодиниця містить молекулу 16S-PHK і 21 молекулу білків з різною молекулярною масою. 16S-РНК виконує в субодиниці структурну роль, вона необхідна для контакту рибосом з іРНК. Для контакту з іРНК у цій самій субодиниці є зона, в якій розміщена спеціальна акцепторна ділянка (Аср-ділянка) для зв'язування тРНК, яка доставляє активовані амінокислоти.
50S субодиниця містить дві молекули PHK: 23S-РНК, 5S-РНК і 34 молекули різних білків. 23S-РНК виконує структурну роль, а 5S-РНК необхідна для взаємодії субодиниці з тРНК. Отже, iРНК сполучається як з малою, так і з великою субодиницею рибосоми.
На 50S субодиниці рибосоми є дві ділянки – пептидильна, або П-ділянка, і аміноацильна, або А-ділянка; П-ділянка призначена для розміщення поліпептидного ланцюга, що синтезується, а в А-ділянку поступають аміноацил-тРНК.
Рибосоми еукаріот 80S побудовані з малої (40S) і великої (60S) субодиниць. Мала субодиниця містить молекулу 18S-РНК і близько 30 молекул різних білків. До складу великої субодиниці входять молекули 28S-PHK i 5S-РНК, а також близько 50 молекул різних білків. На субодиницях рибосом еукаріот також є система зон і ділянок для контакту і зв'язування iРНК, тРНК та ряду інших компонентів, необхідних для синтезу білка.
За певних умов рибосоми можуть розщеплюватись на субодиниці, тобто дисоціювати, а потім знову сполучатися – асоціювати, що має велике значення в процесі синтезу білка.
Для ініціації синтезу білка крім рибосом і рибонуклеїнових кислот важливим є наявність формілметіоніл-тРНК (тРНКфмет), факторів ініціації (1F-1, 1F-2, 1F-3), ГТФ, іонів магнію тощо.
Формілметіонін утворюється після приєднання метіоніну до тРНК за участю 10-формілтетрагідрофолієвої кислоти і специфічного ферменту – трансформілази. Така тРНК за будовою відрізняється від звичайної метіонінової тРНК. Обидві метіонін-тРНК (формілметіоніл-тРНК і метіоніл-тРНК) „впізнають” на іРНК триплет (кодон) АУГ. Однак даний триплет кодує формілметіонін лише тоді, коли він є початковим (ініціюючим), тобто коли з нього починається синтез поліпептидного ланцюга молекули білка. Якщо даний триплет розміщений не в тому місці іРНК, з якого починається синтез білкової молекули, а далі, всередині полінуклеотидного ланцюга іРНК, то він кодує звичайний метіонін.
Основна роль формільного залишку в метіоніні полягає в тому, що він, зв'язуючи аміногрупу, зумовлює взаємодію карбоксильної групи першої амінокислоти з аміногрупою наступної амінокислоти, тобто відбувається синтез поліпептидного ланцюга в напрямку NH2 ( СООН. Після закінчення синтезу поліпептидного ланцюга від нього може відщеплюватись формільна група або повністю формілметіонін.
Перед початком процесу ініціації рибосома розщеплюється на субодиниці. Ініціація розпочинається з утворення двох комплексів (рис. 3). Перший подвійний комплекс 1F-3-30S утворюється внаслідок взаємодії меншої субодиниці рибосоми 30S з фактором ініціації 1F-3 (І). Другий трикомпонентний 1F-2(ГТФ(тРНКфмет комплекс утворюється внаслідок взаємодії формілметіонін-тРНК з фактором ініціації 1F-2 і ГТФ (ІІ). Далі ці два комплекси сполучаються в один, який має склад 1F-3-30S-1F-2(ГТФ(тРНКфмет (ІІІ). На наступному етапі цей комплекс за участю фактора 1F-1 взаємодіє з іРНК, утворюючи ініціюючий комплекс (IV). Останній взаємодіє з 50S субодиницею рибосоми, що супроводжується вивільненням факторів ініціації і розщепленням ГТФ на ГДФ і H3PO4 (V). За цих умов утворюється функціонально активна 70S рибосома (30S(50S(PHK(тРНКфмет). Механізм ініціації синтезу поліпептидного ланцюга в еукаріот на 80S рибосомах в основному подібний до механізму цього процесу в прокаріот, проте має і специфічні особливості, зокрема число факторів ініціації в еукаріот значно більше, ніж у прокаріот, що, очевидно вказує на їх регулюючу дію.
Елонгація (ріст) поліпептидного ланцюга у момент закінчення ініціації формілметіонін-тРНК розміщена в П-ділянці рибосоми, а А-ділянка вільна і може приймати наступну аміноацил-тРНК.
Перший етап елонгації полягає в доставці аміноацил-тРНК до рибосоми і сполученні її з відповідним кодоном іРНК, розміщеним поряд з початковим (ініціюючим) кодоном АУГ. У цьому процесі беруть участь ГТФ і фактори елонгації EF–Tu, EF–Ts і EF–G (рис. 4). Спочатку перший фактор елонгації взаємодіє з ГТФ і аміноацил-тРНК з утворенням потрійного комплексу EF-Tu(ГТФ(аміноацил-тРНК. Далі цей комплекс доставляється в А-ділянку рибосоми, де й відбувається його дисоціація. Аміноацил-тРНК залишається зв'язаною з рибосомою, а ГТФ гідролізує до ГДФ і відщеплюється від рибосоми у вигляді ГДФ-EF-Tu. Під впливом другого фактора елонгації (EF–Ts) цей комплекс розкладається й обидва фактори знову включаються в доставку наступної молекули аміноацил-тРНК в А-ділянку рибосоми. Джерелом енергії служить нова молекула ГТФ.
На другому етапі елонгації формується пептидний зв'язок в А-ділянці, де розміщується доставлена відповідна аміноацил-тРНК. Сюди з П-ділянки переміщується формілметіонін-тРНК і утворюється перший пептидний зв'язок за рахунок етерифікованої карбоксильної групи формілметіонін-тРНК і аміногрупи, доставленої аміноацил-тРНК. При цьому утворюється пептидил-тРНК:

Процес утворення пептидного зв'язку каталізує фермент пептидил-трансфераза.
Вивільнена тРНК утримується в П-ділянці, а пептидил-тРНК в А-ділянці рибосоми.
На третьому етапі відбувається переміщення (транслокація) пептидил-тРНК з А-ділянки в П-ділянку. Цей процес проходить за рахунок енергії гідролізу другої молекули ГТФ. Реакцію каталізує білковий фактор EF-G, який часто називають рибосомо-залежною гуанозинтрифосфатазою.
Під час транслокації з П-ділянки видаляється вільна тРНК, а іРНК переміщується по рибосомі на довжину одного кодону. За цих умов А-ділянка вивільнюється і може приймати нову амінокислоту з тРНК.



Рис. 3. Схема ініціації білкового синтезу (утворення ініціюючого
комплексу і формування активної рибосоми)

Рис 4. Основні етапи росту пептидного ланцюга
Термінація (закінчення синтезу) поліпептидного ланцюга. Термінація поліпептиду розпочинається при появі певних сигналів, якими є триплети УАА, УАГ, УГА. Ці триплети часто називають беззмістовними, термінаторними або нонсенс-триплетами. У процесі термінації беруть участь фактори RF1 і RF2, які каталізують відщеплення синтезованих поліпептидних ланцюгів від рибосоми. Фактор RF1 реагує на появу УАГ і УАА, фактор RF2 – на УАА і УГА.
В еукаріот термінація проходить за участю лише одного фактора – RF, для дії якого необхідна ГТФ.
Процес термінації відбувається в кілька етапів. Спочатку поліпептидний ланцюг з А-ділянки рибосоми, де утворюється останній пептидний зв'язок, переміщується в П-ділянку. Далі розривається складноефірний зв'язок між С-кінцевою амінокислотою та її тРНК і білок виходить із рибосоми. Комплекс рибосома(іРНК(тРНК розкладається, рибосома дисоціює на субодиниці. Вивільнені рибонуклеїнові кислоти, очевидно, можуть використовуватись у наступних циклах синтезу білка. Даний процес досить складний і повністю ще не вивчений.
Обчислено, що синтез типового білка, побудованого з ~150 – 200 залишків амінокислот на рибосомах, триває 1 – 3 xв. Отже, кожний цикл роботи рибосоми, що забезпечує подовження поліпептидного ланцюга білка на один залишок амінокислоти, триває частки секунди. З'ясування основних етапів синтезу білка є значним досягненням біології на молекулярному рівні. Уже експериментально встановлена генетична роль нуклеїнових кислот, розкрита суть генетичного коду, основаного на молекулярній структурі ДНК, і цим самим конкретизована природа мутацій – основа еволюції і мінливості живих організмів.
У гіалоплазмі з поліпептидних ланцюгів утворюються відповідні прості і складні білки. Формується вторинна, третинна і у ряді випадків четвертна структура білкової молекули.
Оновлення білків в організмі. Білки знаходяться в динамічному стані і піддаються постійним процесам синтезу і розпаду. У ході життєдіяльності білки поступово „зношуються” – руйнуються їх четвертна, третинна, вторинна і первинна структури. Інактивуются білкові функціональні групи і руйнуються зв'язки в білковій молекулі. Виникає необхідність в заміні „зношених білкових молекул” новими.
В залежності, від ступеня пошкодження білкової молекули походить її часткове або повне оновлення. В першому випадку під впливом спеціальних ферментів оновлюються невеликі ділянки поліпептидних ланцюгів або окремі амінокислотні залишки (транспептидація). В другому випадку відбувається повна заміна „зношеної молекули” білка новою. Пошкоджена молекула білка розпадається під впливом тканинних протеаз або катепсинів I, II, III і IV, що локалізуються в лізосомах. Молекула протеїду розпадається на простетичну групу і простий білок, які піддаються звичайним для цих речовин перетворенням.
Швидкість оновлення білків різних органів і тканин неоднакова. Білки організму людини в цілому оновлюються протягом 135 – 155 діб. Білки печінки, підшлункової залози, стінки кишок і плазми крові оновлюються протягом 10 діб, м'язів – 30, колаген – 300 діб. Синтез молекули білка в клітині протікає швидко – протягом 2 – 5 с. За 1 с в тілі людини руйнується близько 3 млн. еритроцитів, а один еритроцит містить близько 280 млн. молекул гемоглобіну. В організмі дорослої людини щодоби синтезується 90 – 100 г білка (1,3 г на 1 кг маси). Ступінь оновлення зменшується при старінні, хворобах і т.д.
Біосинтез пептидів. Частина ендо- і екзогенних амінокислот йде на синтез пептидів.
Глутатіон. Це трипептид, утворений із залишків глутамінової кислоти, цистеїна і гліцина.
Біосинтез протікає в дві стадії. Так, спочатку під впливом ферменту (-глутамілцистеїнсинтетази утворюється дипептид, потім за участю трипептидсинтетази – трипептид глутатіон:
L-Глутамінова кислота + L-цисцеїн + АТФ ( (-Глутамілцистеїн + АДФ + Н3РО4;
(-Глутамілцистеїн + Гліцин + АТФ ( Глутатіон + АДФ + Н3РО4.
Глутатіон (G–SH) міститься у всіх тканинах і клітинах. Йому належить ведуча роль в окисно-відновних реакціях. Він є складовою частиною багатьох ферментів, захищає SH-групи білків від окислення (див. ферменти). Входить до складу тканинних катепсинів.
Карнозин і ансерин. Дипептиди м'язової тканини. Карнозин утворюється з гістидина і (-аланіна, ансерин – з 1-метил-гістидина і (-аланіна:


Пептиди синтезуються під впливом специфічних ферментів, за участю АТФ і Mg2+ іонів. Реакції протікають в дві стадії, наприклад синтез карнозина:
(-Аланін + АТФ + Фермент ( Фермент-(-аланінаденілат + Пірофосфат;
Фермент-(-аланінаденілат + L-Гістидин ( АМФ + Фермент + Карнозин
Біосинтез окремих амінокислот. Замінні амінокислоти синтезуються в тканинах організму. Незамінні амінокислоти поступають в організм у складі їжі і кормів. Умовно замінні амінокислоти синтезуються в тканинах обмежено (аргінін і гістидин) або за наявності попередників (тирозин і цистеїн). Деяка кількість амінокислот синтезується симбіотичною мікрофлорою в харчовому каналі. Синтез і обмін амінокислот – багатоступінчатий процес, що складається з ряду стадій і каталізується багатьма ферментними системами.
Матеріалом для синтезу амінокислот найчастіше є (-кето- і (-оксикислоти, які утворюються в тканинах при проміжному обміні вуглеводів, ліпідів і інших сполук. Джерелом азоту є аміак і амонійні солі, водню – НАД(H2 або НАДФ(H2.
Якщо джерелом амінокислоти є кетокислота, то вона може піддаватися відновному амінуванню, яке протікає в дві стадії: спочатку утворюється імінокислота, потім – амінокислота:

Так утворюється аланін з піровиноградної кислоти.
Щавелевооцтова кислота – джерело утворення аспарагінової і глутамінової кислот:

Частина глутамінової кислоти може синтезуватися з (-кетоглутарової кислоти під дією ферменту L-глутаматдегідрогенази:

Глутамінова кислота використовується тканинами як донор аміногрупи.
Окремі амінокислоти можуть утворюватися з інших амінокислот трансамінуванням під впливом ферментів амінофераз або трансаміназ:

Так утворюється гліцин з серина або треоніна; аланін – з глутамінової і аспарагінової кислот, триптофана або цистеїна; тирозин з фенілаланіна; цистеїн і цистин – з серина або метіоніна; глутамінова кислота – з проліна або аргініна та ін.
Молекулярні механізми специфічності біосинтезу білків. Генетичний код. Як зазначалось вище, синтез білка відбувається на рибосомах ферментативним шляхом відповідно до інформації, закладеної в структурі ДНК. Саме ДНК є матрицею, штампом, у якому запрограмовано відповідну первинну структуру білка, що синтезується. Відомо, що ДНК знаходиться в ядрі клітини, а синтез білка відбувається на рибосомах, тому природно виникає питання, яким шляхом ДНК впливає на специфічність синтезу білка, як саме структура ДНК визначає порядок розташування залишків амінокислот у полінуклеотидному ланцюгу.
Встановлено, що зв'язуючою ланкою між ДНК ядра і рибосомами – місцем біосинтезу білка – є іРНК. Вона передає інформацію від ДНК до рибосом. Цей процес полягає в тому, що на ланцюгу ДНК ядра як на матриці проходить біосинтез іРНК. При цьому іРНК точно копіює послідовність розташування нуклеотидів одного з полінуклеотидних ланцюгів ДНК з тією лише відмінністю, що на місці тимінового нуклеотиду розташовується уридиловий нуклеотид.
Вважають, що на поверхні ДНК, згідно з законом комплементарності, може синтезуватися кілька молекул іРНК. Ділянка, на якій синтезується одна молекула PHK, називається структурним геном, або цистроном.
іРНК, отримавши інформацію від ДНК, у процесі біосинтезу переходить з ядра до рибосом, де бере безпосередню участь у формуванні первинної структури відповідного білка.
Виникає питання, як саме послідовність чотирьох різних нуклеотидів, що становлять структуру нуклеїнових кислот, визначає послідовність розташування 20 залишків амінокислот у білку. Як було розшифровано код білкового синтезу? На перший погляд можливість передачі невеликою кількістю умовних знаків інформації значної кількості можливих комбінацій залишків амінокислот у білкових молекулах може здатись сумнівною. Однак незаперечним є той факт, що всього 32 букви алфавіту передають всю красу і багатство нашої мови, і ці 32 букви можуть бути закодовані азбукою Морзе – комбінацією лише двох знаків – крапки і тире.
Використовуючи чотирьохбуквений алфавіт азотистих основ, можна скласти 4 однобуквених слова – сиглетний код, 16 двобуквених (4 ( 4 = 16) – дуплетний код або 64 трибуквених слова (4 ( 4 ( 4 = 64) – триплетний код. Для 20 амінокислот шістнадцяти двобуквених слів мало, а 64 трибуквених достатньо. У 1954 р. було запропоновано кодове слово з трьох азотистих основ – триплетний код. Однак необхідно було вивчити, які нуклеотиди і в якому порядку у молекулі ДНК (іРНК) відповідають різним амінокислотам. Ці дослідження провели M. Шренберг і Г. Корана, за що були удостоєні Нобелівської премії.
Вчені добули синтетичний PHK-полімер – поліуридилову кислоту. При добавлянні її в систему, де проходив синтез білка, відбувався синтез поліфенілаланіну, а інші 19 амінокислот не включалися в полінуклеотидний ланцюг. Отже, було доведено, що три уридилових залишки (УУУ) кодують включення в поліпептидний ланцюг молекули білка амінокислоти фенілаланіну. Згодом було вияснено склад кодонів для інших амінокислот. Так, кодон ГГГ у структурі нуклеїнової кислоти забезпечує включення в поліпептидний ланцюг глутамінової кислоти, AAA – лізину, ЦЦЦ – проліну тощо (табл. 1).
Перший нуклео-тид
Другий нуклеотид
Третій нуклео-тид


У
Ц
А
Г


У
УУУ
УУЦ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Фен
УЦУ
УЦЦ
УЦА
УЦГ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Сер
УАУ
УАЦ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Тир
УГУ
УГЦ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Цис
У
Ц
А
Г


УУА
УУГ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Лей



УАА*
УАГ*
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Терм
УГА*
УГГ

Терм
Три


Ц
ЦУУ
ЦУЦ
ЦУА
ЦУГ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Лей
ЦЦУ
ЦЦЦ
ЦЦА
ЦЦГ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Про
ЦАУ
ЦАЦ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Гіс
ЦГУ
ЦГЦ
ЦГА
ЦГГ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Арг
У
Ц
А
Г








ЦАА
ЦАГ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Глн





А
АУУ
АУЦ
АУА
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Ілей
АЦУ
АЦЦ
АЦА
АЦГ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Тре
ААУ
ААЦ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Асн
АГУ
АГЦ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Сер
У
Ц
А
Г








ААА
ААГ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Ліз
АГА
АГГ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Арг



АУГ

Мет











Г
ГУУ
ГУЦ
ГУА
ГУГ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Вал
ГЦУ
ГЦЦ
ГЦА
ГЦГ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Ала
ГАУ
ГАЦ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Асп
ГГУ
ГГЦ
ГГА
ГГГ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Глі
У
Ц
А
Г








ГАА
ГАГ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Глу






Таблиця 1. Генетичний код

Наведені в таблиці дані свідчать, що амінокислоти мають по кілька кодонів. Слід наголосити, що з 64 кодонів 61 визначає послідовність розміщення залишків амінокислот у поліпептидному ланцюгу, при цьому кодони ГУГ (валіновий), АУГ (метіоніновий) є також ініціюючими, стартовими кодонами. Три інших кодони – УАГ, УАА, УГА – називають беззмістовними, вони виконують функцію сигналів про закінчення синтезу поліпептидного ланцюга. В таблиці вони позначені зірками.
Аналізуючи таблицю генетичного коду, можна помітити, що перші два нуклеотиди в кодоні важливіші, ніж третій. Деякі дослідники вважають, що заміна третього нуклеотиду в значній частині кодонів не впливає на їх здатність кодувати відповідну амінокислоту. Наприклад, кодування аланіну здійснюється кодонами ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ, які відрізняються між собою третім нуклеотидом.
У зв'язку з високою специфічністю перших двох нуклеотидів у кодоні, Ф. Крік у 1965 р. запропонував теорію неоднозначної відповідності, що в точному перекладі означає коливання. З неї випливає, що головне значення при „впізнаванні” кодона антикодоном на рибосомі мають перші два нуклеотиди. Вони повністю підпорядковані комплементарному принципу взаємодії азотистих основ. Третій нуклеотид кодона може вступати у взаємодію більш ніж з одним типом нуклеотидів антикодона. Це сприяє підвищенню стійкості генетичної інформації при пошкодженні ДНК.
Особливості генетичного коду. Насамперед, слід зазначити, що код, очевидно, є універсальним. Він однаковий для всіх організмів – бактерій, рослин і тварин. Правда, одні організми віддають перевагу одним триплетам, другі – іншим. Універсальність коду свідчить про те, що він з'явився на ранніх етапах розвитку живих систем і, очевидно, мало змінюється в ході еволюції.
Іншою характерною особливістю коду є його виродженість, оскільки два і більше триплетів можуть кодувати одну амінокислоту. Хоча код і вироджений, однак він не є неоднозначним. Жоден кодон, крім ініціюючих ГУГ і АГУ, не кодує більше ніж одну амінокислоту.
У більшості випадків виродженість коду зумовлює наявність декількох тРНК для однієї амінокислоти, які відрізняються між собою антикодонами.
Особливістю коду є те, що він не перекривається, тобто нуклеотиди, які входять до складу триплету, не беруть участі в формуванні наступних триплетів. Після зчитування інформації з одного триплету механізм зчитування переміщується відразу на всі три нуклеотиди.
Характерною особливістю коду є його неперервність. Кожний триплет, який кодує відповідну амінокислоту, перебуває поряд з іншим триплетом без проміжних розділяючих ділянок (факторів).
Досить важливою особливістю коду є його однонапрямленість. Кодони під час синтезу білка транслюються в одному напрямку, починаючи з першої нуклеотидної основи. Перша азотиста основа знаходиться біля 5'-нуклеотидного кінця, а остання – біля 3'-кінця, тобто зчитування інформації проходить у напрямку 5' ( 3'.
Слід зазначити також, що протягом останніх років з'явились дані, які свідчать про окремі відхилення від загальноприйнятих особливостей генетичного коду. Так, Б. Берел із співробітниками, вивчаючи нуклеотидну послідовність ДНК мітохондрій людини, встановили, що в цілому в них генетичний код подібний до встановленого раніше. Разом з тим виявлено, що чотири кодони змінили свій зміст. Кодон УГА відповідає триптофану, кодон АУА – метіоніну, а кодони – АГА і АГГ стали термінуючими. В мітохондріях дріжджів всі чотири лейцинових кодони, які починаються з ЦУ, перейшли до треоніну. Отже, у лейцину залишилось лише два кодони, а у треоніну їх стало шість. В одній клітині, зокрема організму людини, виявлено існування двох різних кодів. Ці дані, очевидно, є доказом того, що код зазнав певних, незначних еволюційних змін, і універсальність коду має свої нюанси.
Потребує певних корективів і особливість коду, що він не перекривається. В дослідах з вірусами і деякими бактеріями встановлено, що одна і та сама ділянка ДНК може кодувати кілька різних білків за принципом зміщення рамки зчитування. Так, якщо взяти будь-який код з певною послідовністю нуклеотидів, наприклад ТАГАТГЦГЦА, то при зчитуванні його з першої букви дістанемо триплети ТАГ, АТГ, ЦГЦ, а при зчитуванні з другої букви – зовсім інші триплети: АГА, ТГЦ, ГЦА і т. д. Разом з цим встановлено, що для окремих білків частина послідовностей нуклеотидів спільна. Наприклад, якщо для одного білка дана послідовність нуклеотидів закінчується, то для іншого вона може продовжуватися. Одержані дані свідчать про те, що транскрипція генетичного коду підпорядкована певним контрольним механізмам, які забезпечують вибір певного правильного коду.
Встановлено ряд нових фактів, які підтверджують, що в генах еукаріот є некодуючі ділянки. Іншими словами, гени вищих організмів не неперервні, а побудовані з окремих частин, розділених іншими послідовностями нуклеотидів. Проміжки між цими частинами бувають різними – від 10 до 20 000 пар нуклеотидів.
Генна інженерія і біосинтез білка. Генна інженерія відкриває нову еру в біології. Це пояснюється насамперед тим, що з'явилися нові можливості для проникнення в глибину біологічних явищ з метою повнішої характеристики форм існування живої матерії, ефективнішого вивчення структури і функцій генів на молекулярному рівні для розуміння тонких механізмів роботи генетичного апарата. Разом з цим генна інженерія забезпечує моделювання на молекулярному рівні мутацій і рекомбінацій – основних генетичних процесів, факторів еволюції.
Успішне проведення досліджень у галузі генної інженерії має крім теоретичного важливе практичне значення. Генна інженерія створює основи для пізнання способів та шляхів „конструювання” нових або направленої зміни існуючих організмів, сприяє позитивному розв'язуванню проблеми направленого біосинтезу важливих для організму сполук, зокрема білків. Суть цього процесу полягає в тому, що за допомогою певних методів (синтез на іРНК за участю ревертази, звичайний хімічний синтез) добувають ген, який визначає синтез відповідного білка. Далі такий ген вбудовується у відповідну систему, яка дає йому можливість швидко розмножуватися. Такою системою, яку часто називають вектором, служать плазміди – автономні структури, що несуть свою інформацію у вигляді невеликої циклічної молекули ДНК. Вони виявлені в клітинах бактерій разом з бактеріальною хромосомою. Крім плазмід можна використовувати також інші системи – віруси, фаги і т.д.
Плазміди, що містять вбудований ген (рекомбінантні ДНК), вводять у клітини бактерій, які завдяки цьому набувають здатності синтезувати нові для них речовини. Це основний принцип генної інженерії, мета якої – добування білків людини, тварин і рослин, які особливо необхідні в практичній діяльності, наприклад у медицині. До таких важливих білків належить, наприклад, гормон інсулін. Нестача інсуліну в організмі людини призводить до тяжкого і досить поширеного захворювання – діабету. Для його лікування використовують інсулін тваринного походження, добутий з підшлункової залози великої рогатої худоби або свиней.
Однак останнім часом з'ясовано, що для частини людей він не ефективний або ж викликає сильну алергію. Це пояснюється тим, що інсулін людського і тваринного організмів характеризується певною структурною відмінністю. Отже, виникла потреба у виробництві інсуліну людини. Добувати його синтетично економічно невигідно.
Генна інженерія дала рентабельніший шлях синтезу інсуліну. Добуто штами бактерій з рекомбінантними ДНК, які виробляють проінсулін людини, з якого далі легко добути інсулін.
Другим важливим здобутком генної інженерії є інтерферон – універсальний противірусний препарат. Основою його є білок, який виробляється клітинами організму для боротьби з вірусною інфекцією. Вивчення властивостей інтерферону показало, що він виявляє високу видову специфічність. Тому для лікування людей можна використовувати інтерферон лише людини.
Інтерферон добувають в основному із лейкоцитів донорської крові. Однак такий шлях добування інтерферону досить дорогий і, крім того, не здатний повністю забезпечити потребу в ньому. Тому інтенсивно ведуться роботи по розробці нових методів добування інтерферону, зокрема шляхом генної інженерії. В цьому плані програма добування штаму – продуцента інтерферону – успішно завершена, що дало змогу виробляти препарат у достатніх кількостях. Крім того, методом генної інженерії добуто ще один важливий білок – соматотропін. Це гормон росту людини, до складу якого входить 191 залишок амінокислот. Соматотропін застосовують для лікування карликовості, при переломах кісток, опіках та при інших захворюваннях.
Отже, генна інженерія відкриває нову технологію (біотехнологію) синтезу важливих для організмів людини і тварин речовин, зокрема білків. Це дає можливість значно знизити вартість і розширити асортимент виробництва гормонів, ферментів та інших білкових препаратів, які використовуються в медицині та сільському господарстві.
Регуляція синтезу білка. Необхідною умовою існування живих систем, забезпечення їх життєдіяльності є наявність узгодженої системи регулювання найважливіших процесів, які протікають в них. Це, насамперед, стосується синтезу білка, оскільки оптимальне співвідношення між кількістю і якістю різних білків відіграє важливу роль у забезпеченні ряду життєво важливих процесів як для одноклітинних, так і для багатоклітинних організмів. За участю білків-ферментів здійснюється регуляція обміну речовин, адаптація організмів до зміни умов зовнішнього і внутрішнього середовищ, процеси онтогенезу та диференціації клітин, органів і систем. Тому досить важливим є здійснення контролю за синтезом саме тих білків-ферментів, які необхідні клітині за даних умов залежно від функцій, які вона повинна виконувати. В зв'язку з цим у процесі тривалого еволюційного розвитку живих організмів, незалежно від ступеня їх організації, сформувався досить складний, узгоджений механізм регуляції синтезу білка, який забезпечує сталі якісний та кількісний склад білків, необхідний для виконання певних фізіологічних функцій.
З'ясування суті механізму регуляції синтезу білка є досить складною проблемою, яка ще не повністю розв'язана. Над вирішенням цієї проблеми протягом кількох десятиріч працювала велика група різних дослідників-генетиків, біохіміків, молекулярних біологів. Логічним розвитком даних досліджень стала концепція регуляції синтезу білка, розроблена в 1961 р. лауреатами Нобелівської премії французькими вченими Ф. Жакобо і Ж. Моно. Ґрунтується вона на спостереженнях за індукцією і репресією утворення ферментів у клітинах бактерій E. соlі.
Дослідженнями виявлено збільшення концентрації деяких ферментів бактерій при добавлянні в середовище субстратів, на які вони діють, і зниження концентрації ферментів при наявності кінцевих продуктів реакцій, що каталізуються даними ферментами. Отже, між цими процесами встановлено тісний взаємозв'язок.
Концепція Ф. Жакобо і Ж. Моно, сформульована в дослідах на прокаріотах, дістала широке визнання і вважається загальноприйнятою. Згідно з цією концепцією, регуляція синтезу білка здійснюється на рівні ДНК, молекула якої складається з певних функціональних ділянок – генів, згрупованих залежно від функцій, які вони виконують. Одна група таких функціональних ділянок названа структурними генами, або цистронами, вони містять інформацію про синтез певних поліпептидних ланцюгів білка, на них відбувається синтез молекул іРНК, яка далі надходить до рибосом, де виконує роль матриці в процесі синтезу білка. Початок синтезу іРНК – зчитування генетичної інформації – розпочинається з функціональної ділянки ДНК, яка має назву промотора і є точкою ініціації її синтезу.
Іншу групу функціональних ділянок ДНК становлять регуляторні гени, які регулюють активність структурних генів шляхом їх „включення” та „виключення”. Регуляторні гени представлені геном-оператором, що знаходиться безпосередньо біля групи структурних генів, і геном-регулятором, що знаходиться від них на деякій відстані.
Ген-оператор є ніби пусковим механізмом, який, залежно від умов, дозволяє або гальмує синтез іРНК на структурних генах ДНК. Вважають, що ген-оператор локалізований на крайньому відрізку цистронів і є, очевидно, вихідним пунктом дії ДНК-залежної РНК-полімерази.
Гени-оператори разом з групами структурних генів утворюють групи узгоджено діючих блоків – оперонів, кожен з яких відповідає за взаємозв'язаний синтез ряду специфічних білків, тобто оперон є одиницею транскрипції. Якщо ген-оператор не діє, то весь оперон стає бездіяльним – гальмується синтез іРНК, а отже, і білків, ферментів. Діяльність гена-оператора регулюється геном-регулятором. Оскільки ген-регулятор і структурні гени оперона розташовані на різних ділянках ДНК, то зв'язок між ними забезпечують речовини-посередники – білки-репресори, що утворюються в рибосомах на матриці специфічної мРHK, яка синтезується на гені-регуляторі.
Свою назву білок-репресор дістав завдяки тому, що його дія на ген-оператор гальмує (репресує) діяльність останнього, внаслідок чого припиняється функціонування всієї групи структурних генів. Білки-репресори виявляють спорідненість до гена-оператора і здатність до зворотного зв'язування з ним. Крім того, білок-репресор здатний до специфічного зв'язування з певними низькомолекулярними речовинами, так званими індукторами, або ефекторами.
За звичайних фізіологічних умов репресори можуть перебувати в активному або пасивному стані. Перехід з одного стану в інший регулюється продуктами внутрішньоклітинного обміну або речовинами, що надходять із зовнішнього середовища.
Залежно від стану білка-репресора розрізняють індуцибельну і репресибельну системи генної регуляції синтезу білка.
При індуцибельній системі регуляції білок-репресор, що утворюється на гені-регуляторі, перебуває в активному стані. Його вплив на ген-оператор призводить до блокування діяльності оперона і припинення синтезу іРНК і певних білків-ферментів. Синтез їх може відновлюватися лише тоді, коли в клітині з'являються продукти, для утилізації яких необхідні дані ферменти. Білок-репресор, сполучаючись з цими продуктами (індукторами), втрачає здатність контролювати ген-оператор, внаслідок чого відновлюється синтез іРНК.
Вважають, що індуктор, сполучаючись з білком-репресором, зумовлює зміну його третинної структури, внаслідок чого останній втрачає здатність до зв'язування з субстратом – геном-регулятором. Разом з тим оператор, який виходить з-під контролю гена-регулятора, набуває активності і приводить у дію блок структурних генів, на яких здійснюється синтез іРНК, необхідних для утворення певних ферментів. Оскільки дані ферменти спрямовані на утилізацію Індуктора, білок-репресор буде пасивним доти, поки під впливом ферментів не відбудеться повне розщеплення індуктора. Після цього білок-репресор вивільнюється, переходить в активний стан і блокує оперон, внаслідок чого синтез іРНК, що кодує первинну структуру даних ферментів, припиняється.
Крім індукції генів у клітинах відбувається їх репресія. Особливо часто цей процес спостерігається при процесах синтезу, коли концентрація багатьох ферментів значно знижується при збільшенні концентрації кінцевих продуктів реакцій, що каталізуються даними ферментами. При репресибельній системі регуляції синтезу білка білок-репресор, що синтезується на рибосомах клітини, перебуває в пасивному стані і не може пригнічувати діяльність гена-оператора, а отже, і не контролює діяльність оперона, на якому проходить синтез іРНК. Активація білка-репресора, блокування оперона і припинення синтезу іРНК відбуваються під впливом корепресора, який утворює комплекс з опероном. Корепресорами є кінцеві продукти реакції синтезу, або один з цих продуктів. Є дані, що корепресором у процесі синтезу ферментів обміну амінокислот може бути не вільна амінокислота, як кінцевий продукт реакції біосинтезу, а її комплекс з тРНК (аміноацил-тРНК).
Блокування гена-оператора припиняється тоді, коли вичерпується весь корепресор. Внаслідок цього за відсутності активатора (корепресора) білок-репресор переходить у свій звичайний пасивний стан, вивільнює ген-оператор і групу структурних генів, на яких відновлюється синтез білків-ферментів.
Як зазначалось раніше, концепція Ф. Жакобо і Ж. Моно відносно регуляції синтезу білка стосується нижчих організмів – прокаріот. Механізм регуляції цих процесів у клітинах високоорганізованих організмів – еукаріот – значно складніший. Певний внесок, у розв'язання цієї проблеми зробив Г.П. Георгієв. Згідно з його гіпотезою, в клітинах вищих організмів гени також згруповані в оперони, однак їхній склад не такий простий, як у мікроорганізмів. Основна відмінність полягає в тому, що оперон має ряд генів-операторів і кожен з них реагує з іншим білком-репресором. Блокування будь-якого гена-оператора перешкоджає просуванню ферменту ДНК-залежної PHK-полімерази. Як результат цього синтез іРНК на структурних генах сповільнюється або припиняється зовсім.
Із-за наявності кількох генів-операторів на активність оперона впливає кілька різних факторів. Наприклад, один ген-оператор може блокуватися з підвищенням концентрації певного гормона, інший – з нагромадженням у клітині певного продукту обміну і т.д. Крім цього, один і той самий ген-оператор входить до складу різних оперонів. Тому ці оперони реагують на один і той самий фактор. Це свідчить про те, що будь-який один фактор може регулювати відразу кілька оперонів, а активність одного оперона може залежати від кількох різних факторів. Це створює досить точну і разом з тим гнучку систему саморегуляції.
Слід зазначити, що ряд питань, які стосуються механізмів, що зумовлюють специфічність біосинтезу білків, а також регуляції синтезу білків, вивчено ще недостатньо.
Перетворення амінокислот. В основі перетворення амінокислот лежать три основні види реакцій: реакції за аміногрупою, за карбоксильною групою і за радикалом амінокислоти. Перші два види реакцій однотипні для всіх L-амінокислот. Реакції амінокислот за радикалом досить різноманітні ї специфічні майже для кожної амінокислоти.
Перетворення амінокислоти за аміногрупою. До таких реакцій належать два основні види перетворення амінокислот: дезамінування і переамінування.
Дезамінування – процес відщеплення аміногрупи від амінокислоти з утворенням молекули аміаку. Відомо чотири види дезамінування: окислювальне, відновне, гідролітичне і внутрішньомолекулярне. Під час окислювального дезамінування амінокислоти перетворюються на кетокислоти. Під час відновного дезамінування амінокислоти перетворюються на насичені жирні кислоти. Гідролітичне дезамінування пов'язане з перетворенням амінокислот на оксикислоти. Внутрішньомолекулярне дезамінування характеризується перетворенням амінокислот на ненасичені жирні кислоти (див. розклад білків).
Зазначені вище реакції каталізують специфічні ферменти. Найбільш поширеним в організмах людини і тварин є окислювальне дезамінування. Розглянемо його механізм на прикладі глутамінової кислоти. Спочатку амінокислота при каталітичній дії глутаматдегідрогенази, коферментом якої є НАД+ або НАДФ+ (для дегідрогеназ інших амінокислот коферментом є ФМН), окислюється до іміноглутарової кислоти:

Далі іміноглутарова кислота спонтанно, без участі ферменту гідролізує з утворенням (-кетоглутарової кислоти й аміаку:

Слід зазначити, що обидві реакції оборотні. Це свідчить про те, що з (-кетоглутарової кислоти може утворюватись глутамінова кислота. Іншим видом перетворення амінокислот за аміногрупою є переамінування (трансамінування) амінокислот. Цей процес перетворення амінокислот дослідили радянські біохіміки O.Є. Браунштейн і M.Г. Кріцман у 1937 р. Вони експериментально встановили, що під час взаємодії глутамінової і піровиноградної кислот можуть утворюватись (-кетоглутарова кислота та аланін без проміжного утворення аміаку. Ці дані наштовхнули вчених на думку, що аміногрупа з амінокислоти за допомогою ферментативних систем може переноситись на кетокислоти. При цьому амінокислота перетворюється на кетокислоту, а кетокислота – в амінокислоту:

Дослідження механізму переамінування показало, що в цьому процесі беруть участь ферменти амінотрансферази, коферментом яких є фосфорний ефір вітаміну B3 (піридоксальфосфат). Під час реакції піридоксальфосфат приєднує аміногрупу амінокислоти і перетворюється на фосфопіридоксамін, після чого віддає аміногрупу кетокислоті і знову перетворюється на піридоксальфосфат. Розглянемо механізм процесу переамінування на прикладі взаємодії глутамінової і піровиноградної кислот. Для зручності піридоксальфермент позначимо:

На першій стадії відбувається взаємодія глутамінової кислоти з піридоксальферментом, в результаті чого утворюється фермент-субстратний комплекс. Далі відбувається таутомерне перегрупування комплексу, пов'язане з переміщенням атома водню від залишку глутамінової кислоти до піридоксалю, внаслідок чого подвійний зв'язок також переміщується і виникає між атомами азоту і вуглецю глутамінової кислоти:


Після таутомерного перегрупування відбувається гідролітичне розщеплення фермент-субстратного комплексу з утворенням (-кетоглутарової кислоти і піридоксамін-ферменту:

Піридоксамін-фермент, що утворився, взаємодіє з піровиноградною кислотою з утворенням іншого фермент-субстратного комплексу:

У цьому комплексі знову відбувається перегрупування:

Далі відбувається гідроліз комплексу з утворенням амінокислоти (аланіну) і виділенням піридоксаль-ферменту:

Отже, у процесі переамінування амінокислота (глутамінова) перетворилась на кетокислоту ((-кетоглутарову), а кетокислота (піровиноградна) – на амінокислоту (аланін). Переамінування амінокислот відбувається у різних органах і тканинах. Воно відіграє важливу роль у процесах синтезу необхідних для організму амінокислот. Кетокислоти, що утворюються внаслідок переамінування, можуть використовуватись для синтезу ліпідів, вуглеводів та інших речовин.
Слід зазначити, що між переамінуванням і окислювальним дезамінуванням існує певний зв'язок. Він полягає в існуванні непрямого дезамінування, тобто в перенесенні аміногрупи (-амінокислоти на (-кетоглутарову кислоту шляхом трансамінування. При цьому (-амінокислота перетворюється на кетокислоту, а глутамінова кислота піддається дезамінуванню з утворенням (-кетоглутарової кислоти й аміаку:



Зазначені реакції свідчать про те, що дезамінування вихідної амінокислоти відбувається не безпосередньо, а через трансамінування за участю (-кетоглутарової кислоти як акцептора аміногрупи.
Перетворення амінокислот за карбоксильною групою. До таких реакцій належать реакції декарбоксилування амінокислот з утворенням аміноациладенілатів.
Процес декарбоксилування амінокислот досить поширений як у тваринних, так і в рослинних організмах. Він пов'язаний з відщепленням від молекули амінокислоти CO2 за рахунок карбоксильної групи, в результаті чого утворюються відповідні аміни.
Реакції декарбоксилування каталізують ферменти декарбоксилази. У вигляді коферменту в їх складі виступає піридоксальфосфат. Винятком є декарбоксилаза гістидину.
Аміни, що утворюються в процесі декарбоксилування, мають високу біологічну активність, тому їх називають також біогенними амінами. Наприклад, під час декарбоксилування глутамінової кислоти утворюється (-аміномасляна кислота:

Ця амінокислота відіграє важливу роль у функціональній діяльності центральної нервової системи.
Іншим прикладом є декарбоксилування гістидину з утворенням гістаміну:

Гістамін здатний розширювати судини, знижувати кров'яний тиск, а також активізувати діяльність залоз внутрішньої секреції.
Слід зазначити, що аміни виявляють фізіологічну дію при досить малих концентраціях.
Нагромадження їх в організмі може викликати порушення ряду біохімічних процесів. Щоб запобігти цьому, в тканинах є активна амінооксидаза, яка каталізує процеси окислення амінів до альдегідів і кислот, частина яких виводиться з організму з сечею, а інша частина піддається перетворенням.
Процеси декарбоксилування більш характерні для мікроорганізмів і протікають дещо обмежено в організмах людини і тварин.
Іншою характерною реакцією амінокислот за карбоксильною групою є утворення аміноациладенілатів.
Реакція відбувається за участи специфічного ферменту і АТФ:

Утворення аміноациладенілатів має важливе значення для активації амінокислот, які включаються в процес біосинтезу білка.
Перетворення амінокислот за радикалами. Для амінокислот, крім реакцій за аміно- та карбоксильною групами, властиві хімічні перетворення, пов'язані з реакціями за радикалом.
Характерною особливістю радикалів амінокислот є те, що вони містять різні функціональні групи, рухомі атоми водню тощо. Цим зумовлена активна участь їх в багатьох хімічних реакціях, частина з яких приводить до утворення ряду замінних амінокислот в організмі.
Для прикладу розглянемо реакції окислення окремих амінокислот. Так, під час окислення радикала амінокислоти фенілаланіну утворюється амінокислота тирозин:

Реакцію каталізує фермент фенілаланін-гідроксилаза.
Активну участь в окисно-відновних процесах беруть радикали сірковмісних амінокислот – цистеїну і цистину. Наприклад, під час окислення двох молекул цистеїну утворюється молекула амінокислоти цистину:

Реакція відбувається за участю ферменту цистеїнредуктази, коферментом якої є НАД+.
При повному окисленні сульфгідрильної групи цистеїну утворюється цистеїнова кислота, яка під час декарбоксилування перетворюється на таурин:

Важливе значення для організму мають реакції трансметилування, які здійснюються за участю АТФ. У цих процесах універсальним донором метальної групи є амінокислота метіонін. Спочатку метіонін взаємодіє з АТФ, внаслідок чого утворюється S-аденозилметіонін – активна форма метіоніну:


Цю реакцію каталізує фермент S-аденозилметіонінсинтетаза. Далі метильна група за участю S-метиладенозилметіоніну переноситься на сполуку, яка піддається метилюванню, наприклад на диметиламіноетанол. При цьому утворюється холін і S-аденозилгомоцистеїн. Реакція каталізується метилтрансферазою:


Іншим прикладом перетворення амінокислот за радикалом може бути гідролітичне розщеплення аргініну за участю ферменту аргінази. При цьому утворюється амінокислота орнітин і сечовина:

Слід підкреслити що радикалу кожної амінокислоти властиві певні хімічні перетворення.
Обмін окремих амінокислот має індивідуальні особливості.
Гліцин. Бере участь у ряді найважливіших реакцій біосинтезу. Так, з нього утворюються:

У тканинах печінки гліцин бере участь в процесах знешкодження отруйних сполук – бензойної, фенілоцтової кислот і фенолів, утворює парні сполуки, які виводяться з сечею з організму.
Аланін. Утворюється трансамінуванням піровиноградної кислоти (див. вище). Існує у вигляді (- і (-форм. Бере участь у біосинтезі:

Аспарагінова кислота. Утворюється трансамінуванням щавелевооцтової кислоти (див. вище). Разом з глутаміновою кислотою забезпечує взаємозв'язок між обміном білків, вуглеводів і ліпідів. Служить донатором аміногруп в реакціях трансамінування. Основні реакції відображає схема:

Глутамінова кислота. Міститься в тканинах у складі білків, у вільному стані і у вигляді аміда. Донатор аміногрупи в реакціях трансамінування. Основні речовини, в синтезі яких бере участь кислота:

Серин і треонін. Їх обмін тісно пов'язаний з обміном гліцина. Серин у тканинах утворюється з 3-фосфогліцеринової кислоти. З серина утворюється гліцин у результаті перенесення одновуглецевого фрагмента (C1) на тетрагідрофолієву кислоту (ТГФК). Гліцин може утворюватися з треоніна. Фрагмент C1 використовується для синтезу гістидина і пуринів. З серина і треоніна утворюється піровиноградна кислота, яка за допомогою ацетил-КоА включається в ЦТК. Частину перетворень відображає схема:

Гідроксильна група серина входить до складу активного центру багатьох ферментів: трипсину, хімотрипсину, естераз, фосфорилаз, фосфатаз.
Метіонін. Є складовою частиною багатьох білків. Служить донатором метильної групи для утворення в організмі багатьох важливих сполук. Передача метильної групи в процесі переметилування відбувається під впливом відповідних метилтрансфераз через S-аденозилметіонін:

Попередником метіоніна є аспарагінова кислота, яка під впливом ряду ферментів через декілька стадій (гомосерин, О-сукциніл-гомосерин, цистеїн, цистатіонін, гомоцистеїн) перетворюється в метіонін.
Цистеїн і цистин. Складові частини багатьох білків, пептидів, гормонів і інших сполук. SH-група цистеїну – складова частина активних центрів ряду ферментів. Участь цистеїну в обміні речовин частково відображає схема:


Аргінін і орнітин. Аргінін утворюється в процесі перетворення вуглекислого газу і аміаку в сечовину. Обидві амінокислоти беруть участь в утворенні ряду життєво важливих речовин:


Лізин. Найважливіша амінокислота. Бере участь у синтезі багатьох речовин:

(-Аміногрупа залишку лізину бере участь у формуванні зв'язку між апо- і коферментами, особливо при утворенні біотин-ферменту. Лізину належить важлива роль в скріпленні фосфору при мінералізації кісткової тканини і інших процесах.
Фенілаланін і тирозин. У організмі ці амінокислоти використовуються при біосинтезі білків і пептидів, утворенні протеїногенних амінів, гормонів і пігментів, піддаються окисленню до кінцевих продуктів з розривом ядра та ін.:


Триптофан. ого перетворення ілюструються схемою:

Гістидин. Відноситься до незамінних амінокислот. Бере участь в біосинтезі і обміні багатьох життєво важливих речовин:

Пролін і оксипролін. Оксипролін утворюється з проліну. Процес необоротний. Обидві імінокислоти використовуються для біосинтезу білків, пептидів, гормонів і інших речовин:

Перетворення безазотистого залишку амінокислот. Частина амінокислот, які не використані в синтезі білків і їх похідних, піддається необоротним процесам розпаду до аміаку і карбонових кислот. Аміак знешкоджується у печінці в орнітиновому циклі. З декількох видів дезамінування, що протікають в органах і тканинах організму, переважає окислювальне дезамінування. Кетокислоти, що утворилися при цьому можуть використовуватися тканинами для різних потреб.
За напрямом використання безазотистого залишку амінокислоти ділять на дві групи: глюкопластичні і ліпопластичні. З глюкопластичних амінокислот (аланін, серин, цистеїн, ін.) утворюється піровиноградна кислота, яка використовується як початкова речовина для біосинтезу глюкози і глікогену.
З ліпопластичних амінокислот (лейцин, ізолейцин, аргінін, орнітин, лізин, оксилізин, ін.) після дезамінування утворюється ацетооцтова кислота – джерело біосинтезу вищих жирних кислот.
(-Кетокислоти, що утворилися при окислювальному дезамінуванні амінокислот, декарбоксилуються і одночасно окислюються в жирні кислоти. Жирні кислоти, що утворилися, можуть піддаватися (-окисленню, де кінцевим продуктом є ацетил-КоА – джерело хімічної енергії або сировина для біосинтезу багатьох речовин.
Особливості проміжного обміну складних білків. В організмі синтезуються численні складні білки, які беруть участь в різних реакціях обміну, що визначають існування живої матерії. Біосинтез складних білків протікає аналогічно біосинтезу протеїнів. При цьому формуються первинна, вторинна, третинна і четвертна структури білкової молекули, з приєднанням відповідної простетичної групи: для нуклеопротеїдів – ДНК або РНК, хромопротеїдів – гема або іншої речовини, ліпопротеїдів – ліпіду, глюкопротеїдів – вуглеводу, фосфопротеїдів – фосфорної кислоти.
Кінцевий обмін
Під час проміжного обміну утворюється ряд хімічних сполук, які виділяються з організму як продукти розпаду білків. Зокрема, вуглекислий газ, що утворився, виділяється легенями, вода – нирками, потом, у складі калу, з повітрям, що видихається. Багато інших продуктів обміну білків, особливо азотні, виділяються в знешкоджуваному вигляді – у вигляді сечовини, парних сполук і т.д.
Перетворення аміаку. Аміак утворюється при дезамінуванні амінокислот, пуринових і піримідинових основ, нікотинової кислоти і її похідних, інших азотовмісних сполук. За добу в організмі людини дезамінується 100 – 120 г амінокислот, утворюється 1,6 – 19 г азоту або 18 – 23 г аміаку. В основному аміак в організмі людини і тварин знешкоджується у вигляді сечовини, частково – у вигляді алантоїну, сечової кислоти і амонійних солей (амоніотелічні). У ссавців, птахів і рептилій основним кінцевим продуктом азотного обміну є сечова кислота (уреотелічні організми).
Сечовина – головний кінцевий продукт азотного обміну у більшості хребетних і людини. Вона складає 80 – 90% всіх азотних речовин сечі. Процеси біосинтезу сечовини вперше були вивчені M.В. Ненцьким (90-ті роки XIX століття). Він представляв ці реакції у такому вигляді:

Деталі утворення сечовини вивчалися С.С. Caлазкіним, І.Я. Ратнером, X.А. Кребсом і ін. Була створена сучасна теорія утворення сечовини в печінці – орнітиновий цикл Кребса. Процес утворення сечовини протікає в декілька стадій.
1. NH3 і CO2, що відщепилися в процесі дезамінування і декарбоксилування під впливом ферменту карбамоїлфосфатсинтази з'єднуються, утворюючи карбамоїлфосфат:

2. Карбамоїлфосфат реагує з орнітином за участю ферменту орнітин-карбамоїлтрансферази, що призводить до утворення цитруліну:

3. Під впливом ферменту аргініносукцинат-синтетази цитрулін взаємодіє з аспарагіновою кислотою, утворюючи аргінінянтарну кислоту:

4. Аргінінянтарна кислота під впливом ферменту аргініносукцинат-ліази розщеплюється на аргінін і фумарову кислоту:

5. Аргінін під впливом ферменту аргінази розщеплюється на орнітин і сечовину, яка видаляється з організму з сечею і потом:

Орнітин вступає в реакцію з новими порціями карбамоїл-фосфату, і цикл повторюється.
Частина аміаку в тканинах зв'язується в процесі утворення амідів – аспарагіну або глютаміну, які транспортуються в печінку. В печінці вони гідролізуються, після чого з аміаку утворюється сечовина.
Деяка кількість аміаку використовується тканинами для відновного амінування кетокислот, що приводить до утворення амінокислот.
Крім того, в тканинах нирок аміак бере участь в процесі знешкодження органічних і неорганічних кислот, утворюючи з ними нейтральні і кислі солі:
H2SO4 + NH3 ( (NH4)2SO4;
H3PO4 + NH3 ( NH4H2PO4
Перетворення інших продуктів кінцевого обміну білків. У процесі обміну білків утворюються й інші продукти кінцевого обміну, зокрема, похідні пуринових і піримідинових основ, гази (виділяються у складі кишкових газів при дефекації), феноли, індол, скатол, сірчана кислота та ін. Особливо багато таких речовин утворюється в товстій кишці при гнитті білків.
Ці отруйні сполуки нейтралізуються в печінці з утворенням парних кислот, які виділяються у складі сечі, частково – поту і калу:

Індол і скатол, що утворюються при гнильному розкладанні триптофана, перетворюються на індоксил і скатоксил, які далі утворюють парні сполуки з глюкуроновою або сірчаною кислотами:

Перетворення продуктів розпаду хромопротеїдів. При розщепленні хромопротеїдів утворюються глобін і гем. Глобін піддається звичним перетворенням, типовим для протеїнів. Гем в печінці і кишках служить джерелом утворення пігментів жовчі, сечі і калу. Ці процеси відбуваються поетапно. Гемоглобін, окислюючись, перетворюється у вердогемоглобін (холеглобін). Вердогемоглобін втрачає білкову частину і атоми заліза, що призводить до утворення речовини зеленого кольору – білівердина. Білівердин відновлюється в пігмент червоного кольору – білірубін. З білірубіну після відновлення утворюється мезобілірубін, який після чергового відновлення стає уробіліногеном. Уробіліноген в кишках перетворюється на пігменти калу – стеркобіліноген і стеркобілін, в нирках – в пігмент сечі уробілін.
Продукти розпаду гема використовуються організмом для різних потреб. Так, залізо депонується в органах, де розпадається гемоглобін, у складі білків феритинів. Білівердин та білірубін є пігментами жовчі, решта речовин – пігментами сечі і калу. Розщеплення міоглобіна в організмі протікає аналогічно.
Регуляція білкового обміну
Всі етапи білкового обміну регулюються центральною нервовою системою та залозами внутрішньої секреції. Особливе місце в регуляції належить корі великих півкуль головного мозку і підкоровим центрам. У гіпоталамусі знайдений центр білкового обміну. Регуляція здійснюється рефлекторно, у відповідь на роздратування.
Дія гормонів на біосинтез білка здійснюється шляхом стимуляції утворення іРНК. Гормон передньої частини гіпофіза – соматотропін – посилює синтетичні процеси білка. Біосинтез білків стимулюється інсуліном, деякі андро- і естрогеном, тироксином. Глюкокортикоїди кори наднирників стимулюють розщеплення білків і виділення азотних речовин. Дія гормонів на обмін білків пов'язана зі зміною швидкості і напряму ферментативних реакцій. Біосинтез і, отже, активність ферментів, що беруть участь в обміні білків, залежить від наявності в продуктах харчування достатньої кількості вітамінів, які беруть участь в утворенні коферментів і простетичних груп багатьох ферментів. Зокрема, піридоксальфосфат є коферментом декарбоксилаз амінокислот, вітамін B2 – складова частина кофермента амінооксидаз, вітамін В5 – основа дегідрази глутамінової кислоти, без вітаміну С не може проходити біосинтез проліна і оксипроліна і т.д.
Патології білкового обміну
Обмін білків порушується при багатьох інфекційних, інвазивних і незаразних хворобах. Часто причиною порушень білкового обміну є неправильно складений раціон, недотримання режиму прийому їжі та ін.
Патології білкового обміну виявляються у різних формах.
Білкове голодування. Розрізняють два види білкового голодування: первинне, коли в їжі немає достатньої кількості незамінних амінокислот, і вторинне, викликане захворюваннями харчового каналу, печінки, підшлункової залози.
Порушення обміну амінокислот. При деяких хворобах печінки (гепатитах, цирозах, жовтяниці) у крові і сечі різко збільшується вміст амінокислот – наступає алкаптонурія. Зокрема, при порушенні обміну тирозина розвивається алкаптонурія, яка супроводжується різким потемнінням сечі після стояння на повітрі. При цистинозі відбувається відкладення цистину в печінці, нирках, селезінці, лімфатичних вузлах, кишках і спостерігається поява великої кількості цистину в сечі (цистинурія). При фенілкетонурії в сечі з'являється велика кількість фенілпіровиноградної кислоти. Часто причиною таких порушень є авітамінози.
Порушення обміну складних білків. Найчастіше це виявляється у вигляді порушень нуклеїнового і порфіринового обміну. В останньому випадку порушується обмін гемоглобіну, міоглобіну і інших залізовмісних білків. Так, при різних ураженнях печінки (гепатитах, фасціольозі, ін.) виникає гіпербілірубінемія, при якій вміст білірубіну в крові зростає до 0,3 – 0,35 г/л. Сеча стає темною, оскільки в ній з'являються великі кількості уробіліна, виникає уробілінурія. Іноді спостерігається порфірія – різке збільшення в крові і тканинах вмісту порфіринів. Це приводить до порфінурії і сеча стає червоною.





















Лекція № 13. Обмін нуклеїнових кислот.

Нуклеїнові кислоти характеризуються високим ступенем метаболізму, оскільки з їх діяльністю пов'язаний, перш за все, біосинтез білкових речовин.
Перетравлювання та всмоктування нуклеїнових кислот
Нуклеїнові кислоти в їжі та кормах знаходяться в основному у вигляді нуклеопротеїдів.
У ротовій порожнині їжа, що містить нуклеопротеїди, механічно подрібнюється, змочуються слиною і у вигляді харчової грудки по стравоходу поступає в шлунок (у жуйних – передшлунок і сичуг). Деяка частина нуклеїнових кислот, головним чином тРНК, частково розщеплюється РНК-азою слини до оліго- і мононуклеотидів.
У шлунку більшість нуклеопротеїдів під впливом пепсину і соляної кислоти розщеплюється до нуклеїнових кислот і простих білків.
Процес перетравлювання нуклеопротеїдів завершується в тонкій кишці, де трипсин розщеплює залишки нуклеопротеїдів на нуклеїнові кислоти і прості білки. Прості білки (протаміни і гістони, альбуміни і глобуліни) поступово під впливом ферментів соку підшлункової залози і кишкового соку розщеплюються до амінокислот і всмоктуються слизовою оболонкою тонкої кишки. Нуклеїнові кислоти піддаються дії нуклеаз. Так, під впливом панкреатичної ДНК-ази частина дезоксинуклеопротеїдів (ДНП) розщеплюється на ДНК і протеїни.
Це розщеплення активується гістидином, аргініном і лізином. Потім фермент „атакує” двоспіральну молекулу ДНК по всій довжині ланцюга безладно і в декілька стадій (рис. 1).

Рис. 1. Гідроліз ДНК під дією панкреатичної ДНК-ази: 1 – 7 – стадії гідролізу.

Спочатку виникають двоспіральні уламки молекули ДНК, вони поступово коротшають, утворюючи односпіральні ділянки нуклеїнової кислоти. ДНК-аза розщеплює ДНК на олігонуклеотиди, що містять в середньому по чотири нуклеотидних залишки, з вільною –OH групою в 3'-му і фосфатною групою в 5'-положеннях залишку дезоксирибози. Процес активується іонами Mg2+.
Панкреатична РНК-аза спочатку атакує неспіралізовані ділянки РНК і гідролітично їх розщеплює. При цьому слабшають комплементарні зв'язки, які утворюють вторинну структуру молекули РНК, що сприяє подальшій деспіралізації і утворенню нових уламків молекули РНК. Розрив фосфорнодиефірних зв'язків відбувається між залишком фосфорної кислоти і 3'-м вуглецевим атомом рибозного залишку.
Далі відбувається перефосфорилювання всередині уламків молекули РНК з утворенням 2', 3'-фосфорних похідних.
Прогресує дроблення уламків молекули РНК на оліго- і мононуклеотиди, причому похідні цитозина гідролізуються швидше, ніж урацила.
Потім нуклеотиди розщеплюються під впливом неспецифічних фосфатаз або специфічних гідролітичних ферментів. Так, якщо азотною основою є аденін (A), пентозою – рибоза (P), фосфорною кислотою залишок (Ф), то подальше розщеплення мононуклеотидів можна представити так:

Нуклеозидази можуть розривати глікозидні зв'язки і на стадії нуклеотида:

Всі процеси розщеплення нуклеопротеїдів у харчовому каналі відображає схема:

Всмоктування нуклеїнових кислот. Продукти розщеплeння нуклеїнових кислот всмоктуються в тонкій кишці у вигляді мононуклеотидів, нуклеозидів, пентоз, пуринових і піримідинових основ, фосфорної кислоти (її ефірів і солей). Вони поступають у клітини покривного епітелію, потім – у міжклітинний простір, міжклітинну рідину, капіляри, венули, підепітеліальну і підслизову венозні сіті кишкової ворсинки, вени брижі, комірну вену і печінку. В печінці використовуються для різних потреб організму, у тому числі і для синтезу власних нуклеїнових кислот.
Значна частина продуктів гідролітичного розщеплення нуклеїнових кислот з печінки поступає в загальне кровоносне русло (сюди поступає деяка кількість продуктів травлення, які всмокталися і через лімфатичну систему кишок) і розноситься по всьому організму, де і використовується клітинами для різноманітних пластичних (синтезу ДНК і РНК) і енергетичних потреб.
Проміжний обмін нуклеїнових кислот
Біосинтез нуклеїнових кислот
Матеріалом для синтезу нуклеїнових кислот у клітинах можуть бути екзогенні продукти гідролітичного розщеплення ДНК і РНК їжі. Частину матеріалів для цих процесів клітини одержують у вигляді продуктів вуглеводного, ліпідного і білкового обміну. З трьох складових частин нуклеотидів – пуринових і піримідинових основ, пентоз і фосфатів – дві останніх завжди є в клітині як продукти проміжного обміну. Пуринові і піримідинові основи клітина одержує в результаті всмоктування поживних речовин або біосинтезу з більш простих сполук.
Біосинтез пуринових нуклеотидів. Використання мічених атомів (15N і 13C) показало, що в утворенні пуринового ядра бере участь ряд речовин. Так, два атоми азоту пуринового ядра походять від амідної групи глутаміна, по одному атому азоту – від гліцина і аспарагінової кислоти, атоми вуглецю – від форміата, гліцина і вуглекислого газу (рис.2).

Рис. 2. Походження атомів пуринового ядра
Біосинтез пуринових нуклеотидів відбувається поетапно.
1. Рибозо-5-фосфат під впливом ферменту рибозофосфат-пірофосфокінази взаємодіє з АТФ, що призводить до утворення (-5-фосфорибозил-1-пірофосфата (ФРПФ):

2. ФРПФ під впливом ферменту амідофосфорибозил-трансферази амінується за рахунок глутаміна, утворюючи (-5-фосфорибозил-1-амін:

3. (-5-фосфорибозил-1-амін під впливом ферменту фосфорибозилгліцинамід-синтетази вступає в реакцію з гліцином, утворюючи гліцинамідрибонуклеотид:

4. Гліцинамідрибонуклеотид за участю ферменту фосфорибозилгліцинамід-форміл-трансферази вступає в реакцію з N5, Н10-метилентетрагідрофолієвою кислотою, утворюючи N-форміл-гліцинамід-рибонуклеотид:

5. Далі під впливом ферменту фосфорибозилформіл-гліцинамідинсинтетази, речовина, що утворилася вступає в реакцію з глутаміном і перетворюється на формілгліцинамідин-рибонуклеопротеїд (форміл-ГАМ):

6. Форміл-ГАМ взаємодіє з АТФ під впливом ферменту фосфорибозиламіноімідазол-синтетази у присутності іонів Mg2+. Відбувається замикання кільця, що призводить до утворення 5-аміноімідазолрибонуклеотида:

7. Останній під впливом фосфорибозиламіноімідазол-карбоксилази карбоксилюється і перетворюється на рибонуклеотид 5-аміноімідазол-4-карбонової кислоти:

8. Сполука, яка утворилася, за участю ферменту 5-аміноімідазолсукцинокарбоксамід-синтетази і АТФ, взаємодіє з аспарагіновою кислотою:

9. 5-Аміноімідазол-4-N-сукцинокарбоксамід-рибонуклеотид реагує під впливом ферменту фосфорибозилгліцинамід-формілтрансферази з N10-формілтетрагідрофолієвою кислотою:

10. 5-Формамідімідазол-4-карбоксамідрибонуклеотид під впливом ферменту ІМФ-циклогідролази втрачає молекулу води, циклізується і перетворюється на інозинову кислоту – попередник аденілової і гуанілової кислот:

Далі інозинова кислота під впливом ферменту 5-аміноімідазол-сукцинокарбоксамід-синтетази взаємодіє з аспарагіновою кислотою з утворенням аденілоянтарної кислоти, молекула якої надалі розпадається на аденілову і фумарову кислоти. Донором енергії є ГТФ:

При утворенні молекули гуанілової кислоти інозинова кислота окислюється до ксантозин-5'-фосфата, який після взаємодії з глутаміном перетворюється на гуанілову кислоту:

Для біосинтезу полінуклеотидів потрібні макроергічні зв'язки. Вони утворюються за рахунок АТФ або іншого донатора енергії. Реакція протікає в дві стадії під впливом ферментів нуклеозидмонофосфат- і нуклеозиддифосфаткіназ:
ГМФ + АТФ ( ГДФ + АДФ;
ГДФ + АТФ ( ГТФ + АДФ.
Біосинтез піримідинових нуклеотидів. Початковою речовиною для синтезу піримідинових нуклеотидів є уридин-5'-монофосфат, який синтезується з урацила, пентози і фосфату. Пентози і фосфат завжди є в клітинах і міжклітинній рідині. Піримідинове кільце виникає з амінокислот, вуглекислого газу і форміата. Використання мічених атомів показало, що головним постачальником азоту є аспарагінова кислота і глутамін, вуглецю – CO2 і форміат.
Процес утворення нуклеотидів протікає поетапно.
1. Спочатку під впливом ферменту карбамоїлфосфатсинтази за наявності NH3 і CO2 енергії АТФ утворюється карбамоїл фосфат:

2. Під впливом ферменту аспартат-карбамоїлтрансферази карбамоїл фосфат взаємодіє з аспарагіновою кислотою, що призводить до утворення карбамоїласпартата:

3. У результаті взаємодії аміногрупи карбамоїласпартата з карбоксильною групою виникає циклічна сполука – дигідрооротова кислота, яка під впливом ферменту дегідрогенази перетворюється на оротову кислоту:

4. Під впливом оротидин-5'-фосфат-пірофосфорилази оротова кислота вступає в реакцію з 5-фосфорибозил-1-пірофосфатом, утворюючи оротидин-5-фосфат, який декарбоксилується і перетворюється на уридин-5'-фосфат:


5. Уридин-5'-фосфат – попередник інших піримідинових нуклеотидів. Для цього УМФ під впливом кіназ за рахунок АТФ перетворюється в УДФ і УТФ:
УМФ + АТФ ( УДФ + АДФ;
УДФ + АТФ ( УТФ + АДФ.
6. Перетворення урацила в цитозин відбувається на рівні нуклеозидтрифосфатів під впливом ЦТФ-синтетази:
УТФ + NH3 + АТФ ( ЦТФ + АДФ + Фн
де Фн – фосфат неорганічний.
7. Перетворення урацила в тимін відбувається внаслідок реакції метилювання з S-аденозилметіоніном (CH3–R) утворюється ТТФ:
УТФ + CH3–R + АТФ ( ТТФ + АДФ + Фн + R
Перетворення піримідинових і пуринових рибонуклеотидів у дезоксирибонуклеотиди відбувається в результаті реакції відновлення, наприклад:
ТТФ дТТФ.
Матричний синтез нуклеїнових кислот. Біосинтез ДНК відбувається під час інтерфази мітотичного поділу клітини. ДНК концентрується в хромосомах і хроматині.
Синтез ДНК. Оскільки у молекулах ДНК закодована вся генетична інформація організму, синтез і відтворення їх є необхідним і життєво-важливим процесом.
Процес синтезу ДНК називається реплікацією (копіювання, самоподвоєння), оскільки передача інформації відбувається в межах одного виду нуклеїнових кислот (від ДНК до ДНК). Реплікація відбувається у процесі росту і нормального поділу ДНК-вмісних структур (ядер, мітохондрій, пластид в еукаріот), а також у процесі поділу бактеріальних клітин та під час розмноження вірусів.
Гіпотезу щодо механізму реплікації запропонували Д. Уотсон і Ф. Крік після того, як було встановлено, що молекула ДНК складається з двох взаємокомплементарних полінуклеотидних ланцюгів. Суть даного механізму полягає в тому, що синтез ДНК здійснюється на одноланцюговій матриці, роль якої виконує ланцюг молекули ДНК, що реплікується. Подвійна спіраль ДНК при цьому розкручується і на кожному з ланцюгів добудовується новий комплементарний ланцюг (утворюється репліка).
Пізніше було встановлено, що для ДНК характерним є напівконсервативний механізм реплікації (від англ. conserve – зберігати) – у кожній новій синтезованій молекулі один ланцюг „старий”, одержаний з вихідної материнської ДНК, а другий – „новий”, синтезований (дочірній), тобто реплікація проходить так, що два ланцюги – вихідний і реплікований, сполучаючись між собою, утворюють наступне покоління молекул ДНК. Внаслідок цього процесу з однієї вихідної молекули ДНК утворюються дві молекули – точні копії, репліки, абсолютно ідентичні одна одній і вихідній матричній молекулі ДНК (рис. 3).
Як якісний, так і кількісний вміст залишків нуклеотидів у полінуклеотидних ланцюгах материнської і дочірніх ДНК повністю співпадає. Напівконсервативний механізм синтезу ДНК відіграє важливу роль у забезпеченні видоспецифічної передачі генетичної інформації від покоління до покоління і є запорукою збереження сталості видів організмів.
Згідно з дослідженнями А. Корнберга, вихідними сполуками для синтезу ДНК є вільні дезоксирибонуклеозид-5-трифосфати азотистих основ (аденіну, гуаніну, цитозину, тиміну), які під впливом відповідних ферментів сполучаються між собою з утворенням полінуклеотидних ланцюгів. Загальну схему синтезу ДНК можна подати так:


Реплікація ДНК – багатоступінчастий процес, для здійснення якого необхідні певні умови і наявність чотирьох видів рибо- і дезоксирибонуклеозид-5-трифосфатів, матриці у вигляді дволанцюгової ДНК, ферментів і білкових речовин, затравки (праймера), іонів (Mg2+, Mn2+).

Рис. 10. Схема реплікації ДНК

Матрицею служить молекула ДНК, яка реплікується. Разом з дим для здійснення реплікації необхідно близько 20 реплікативних факторів, що називаються ДНК-репліказною системою, або репліосомою. Важливими компонентами ДНК-репліказної системи є ферменти синтезу ДНК. У процесі реплікації беруть участь ферменти ДНК-залежні ДНК-полімерази (І, II, ІІІ) РНК-полімерази, ДНК-ліази, екзонуклеази, ДНК-лігази. Кожен з цих ферментів забезпечує здійснення певних етапів синтезу ДНК і часто виявляє кілька видів ферментативної активності. Зокрема, вважають, що ДНК-полімераза III, яка відіграє головну роль у процесі реплікації, має 5' ( 3' полімеразну і 3' ( 5' екзонуклеазну активності, ДНК-полімераза І має три види ферментативної активності: 5( ( 3' полімеразну, 3' ( 5' екзонуклеазну і 5' ( 3' екзонуклеазну. Цей фермент забезпечує розщеплення PHK затравки на матриці ДНК та процеси репарації пошкоджених ділянок молекули. ДНК-полімераза II за властивостями подібна до ДНК-полімерази І, однак для неї не характерна 5' ( 3' екзонуклеазна активність. Функції цього ферменту в клітині вивчені не достатньо. РНК-полімераза забезпечує синтез затравного ланцюга PHK (праймера) на ДНК-матриці.
Важливими компонентами ДНК-репліказної системи є також білкові речовини, які забезпечують протікання ряду необхідних етапів синтезу ДНК, зокрема таких, як:
1) „впізнавання” місця початку реплікації ДНК ферментами ДНК-полімеразами;
2) локальне розкручування дуплексу ДНК і вивільнення одноланцюгових матриць;
3) стабілізація утвореної структури;
4) синтез затравних ланцюгів (праймерів) для ініціації ДНК-полімерази III;
5) переміщення реплікативної вилки в ході копіювання;
6) закінчення синтезу та утворення нативної конформації молекули ДНК.
Ці процеси забезпечуються ДНК-зв’язуючими білками (ДЗБ), ДНК-розкручуючими білками (хеліказами), ДНК-стабілізуючими білками (гіразами) тощо.
Слід зазначити, що реплікація ДНК має певні особливості, зокрема, напівконсервативний механізм, одночасність синтезу обох ланцюгів, двонапрямленість реплікації, синтез дочірніх ланцюгів у напрямку 5' ( 3( , наявність праймера з вільною 3' –ОН групою дезоксирибози, фрагментарний характер реплікації.
Процес реплікації ДНК включає три взаємозалежні і взаємозв'язані етапи: ініціацію, елонгацію і термінацію.
Ініціація. Цей етап синтезу ДНК об'єднує процеси, які забезпечують початок синтезу полінуклеотидного ланцюга. Суть їх полягає у формуванні реплікативної вилки та синтезі праймера.
Оскільки для забезпечення напівконсервативного механізму синтезу ДНК необхідна наявність одноланцюгової матриці, важливою умовою початку реплікації є дестабілізація трьохмірної структури ДНК та розкручування її подвійної спіралі з утворенням реплікативної вилки (рис. 4).

Рис. 4. Реплікативна вилка
В еукаріот, на відміну від прокаріот, утворюється багато стартових точок реплікації – від 10 до 100 тисяч. Кожна з них розміщується в окремих ділянках полінуклеотидного ланцюга, і реплікація їх проходить незалежно. Такі самостійні одиниці реплікації називаються репліконами. У бактерій роль реплікону виконує хромосома.
Отже, в еукаріот молекула ДНК – це полірепліконна система, що містить велику кількість репліконів, з середини яких у двох напрямках рухаються реплікативні вилки.
ДНК при утворенні реплікативної вилки розкручується не по всій довжині, а невеликими ділянками – відрізками, що містять до 2 тисяч неспарепих основ. Утворення реплікативної вилки забезпечується білковими речовинами, які визначають точку старту реплікації та зумовлюють розкручування подвійної спіралі ДНК. У клітинах еукаріот ці процеси забезпечуються комплексною дією ДНК-розкручуючих білків. Так, топоізомерази руйнують суперспіралізовану структуру ДНК хроматину, свівелази або релаксуючі білки, зумовлюють розрив одного з ланцюгів ДНК, внаслідок чого стає можливим розкручування двоспіральної структури ДНК за участю хеліказ.
У результаті поетапної дії вищезазначених факторів двоспіральна молекула ДНК розкручується й утворюється дві одноланцюгові матриці. Оскільки в двоспіральній молекулі ДНК ланцюги антипаралельні – один з них має напрямок 5( ( 3', а інший – 3' ( 5', то після розкручування дуплексу утворюються одноланцюгові антипаралельні матриці. В зв'язку з тим, що реплікація за участю ДНК-полімерази III може проходити лише в напрямку 5' ( 3( напрямок реплікації одного ланцюга співпадає з напрямком реплікативної вилки, цей ланцюг називається ведучим, а ланцюг, реплікація якого протилежна напрямку реплікативної вилки, – тим, що запізнюється, другорядним.
Після розкручування подвійної спіралі та утворення реплікативної вилки наступає друга стадія ініціації – синтез праймера, або затравного ланцюга, PHK на структурі ДНК-матриці. Необхідність цього процесу зумовлена тим, що ДНК-полімераза III не здатна самостійно розпочати синтез ДНК на структурі матриці з використанням вільних нуклеозидтрифосфатів. Тому для ініціації синтезу ДНК необхідна затравка, яка б містила вільну 3'–ОН групу, за якою може здійснюватись ДНК-полімеразна ІІI реакція. Встановлено, що функцію затравки виконують невеликі олігонуклеотидні фрагменти PHK, комплементарні ДНК-матриці. Затравка в середньому містить 8 – 10 нуклеотидів. Синтез затравного полінуклеотидного ланцюга каталізує мультиферментний комплекс, так звана „праймосома”. До складу праймосоми входять ферменти – специфічна ДНК-залежна РНК-полімераза (ДНК-праймаза), ДНК-залежна АТФ-аза, а також білкові фактори: ДНК-зв'язуючий білок (білок В), білок n( тощо. ДНК-зв'язуючий білок визначає місце старту, з якого праймаза розпочинатиме синтез затравного ланцюга в напрямку 5' ( 3'. Праймосома рухається по ланцюгах матриці і синтезує праймер. Цей процес розпочинається із приєднання до стартової точки ведучого полінуклеотидного ланцюга матриці ДНК-зв(язуючого білка. Далі за участю праймази проходить синтез затравкого ланцюга PHK, комплементарного матриці ДНК. Після закінчення синтезу на ведучому ланцюгу праймосома переміщується на ланцюг, що запізнюється, й ініціює синтез праймера на ньому. По ланцюгу ДНК, що запізнюється, праймосома рухається до наступного місця ініціації в напрямку, протилежному напрямку синтезу ДНК, але однонапрямленому з реплікативною вилкою, синтезує затравку і знову переміщується вперед. Враховуючи це, білок В називають мобільним промотором реплікації. Енергія для руху праймосоми забезпечується завдяки активності АТФ-аз білка n'.
Отже, в результаті дії праймосоми синтезується РНК-затравка на структурі ДНК-матриці. На 3'–ОН кінці затравки замість праймосоми приєднується ДНК-залежна ДНК-полімераза III, яка використовує 3(–ОН групу для продовження копіювання матричної молекули ДНК. Синтезом праймерів завершується процес ініціації.
Елонгація, або подовження полінуклеотидного ланцюга, включає два процеси: реплікацію ділянок материнської ДНК і сполучення синтезованих ділянок між собою. Ці процеси забезпечуються ДНК-полімеразою III, яка виявляє полімеразну та нуклеотидилтрансферазну активність. Отже, в цьому випадку ДНК-полімераза III діє на два субстрати: на спарений з матрицею кінець затравки, яка містить вільну 3'–ОН групу рибози, і на дезоксирибонуклеозид-5-трифосфати (дРТФ). Хімізм реакції поліконденсації полягає в нуклеофільній атаці (-атома фосфату дРТФ 3'–ОН групою, яка міститься на кінці затравки. В результаті реакції дезоксирибокуклеозид-5-монофосфат приєднується за місцем атома водню гідроксильної групи з утворенням 3' ( 5'-фосфодіефірного зв'язку і вивільненням пірофосфату. Продукт реакції містить вільну 3'–ОН групу, за якою знову повторюється аналогічна реакція, що дістала назву „ріст з хвоста”.
В результаті багаторазового повторення цієї реакції здійснюється поступовий ріст нового полінуклеотидного ланцюга, комплементарного матричному ланцюгу ДНК.
Дослідженнями, японський вчений Оказакі в 1968 р., встановив, що синтез полінуклеотидів ДНК на матричній ДНК проходить не безперервно, а окремими фрагментами, які дістали назву фрагментів Оказакі. Утворюються вони внаслідок приєднання до 3'–ОН групи праймерів 1000 – 2000 дезоксирибонуклеотидних залишків. Послідовність нуклеотидів синтезованих фрагментів комплементарна нуклеотидній послідовності відповідної ділянки ланцюга матриці. Поступове нарощування фрагментів Оказакі триває доти, поки не досягне місця, де розташована нова затравка, з якої розпочинається ріст нового фрагменту полінуклеотидного ланцюга.
Тепер вважають, що фрагментарний механізм реплікації властивий в основному полінуклеотидному ланцюгу, що запізнюється. Вважають, що для ведучого ланцюга фрагментація не характерна.
За даними Оказакі, в живих клітинах має місце човниковий механізм реплікації. Суть його полягає в тому, що спочатку реплікація відбувається в напрямку 5' ( 3' під час просування вперед по одному ланцюгу, а потім у напрямку 5' ( 3' продовжується в протилежному напрямку по другому полінуклеотидному ланцюгу матричної ДНК. Інакше кажучи, один полінуклеотидний ланцюг синтезується в напрямку реплікативної вилки, а інший – у протилежному.
Синтезовані фрагменти Оказакі на 5'-кінці дезоксирибози містять ковалентно зв'язану РНК-затравку. Остання за участю ДНК-полімерази І, яка виявляє ендонуклеазну активність, видаляється. В міру видалення рибонуклеозидних мономерів праймера проходить їх заміна на комплементарні дезоксирибонуклеозидмонофосфати. Здійснюється цей процес за участю ДНК-полімерази І. Далі фрагменти Оказакі під каталітичним впливом ферменту лігази сполучаються між собою й утворюють дочірній ланцюг ДНК. Два новосинтезованих ланцюги, сполучаючись із своїми комплементарними матрицями, утворюють дві дочірні молекули ДНК, кожна з яких містить один материнський і один дочірній ланцюги.
Термінація. Механізм термінації, або завершення синтезу ДНК, вивчено недостатньо. В геномі деяких бактерій термінацію здійснює спеціальний термінатор, в інших такий термінатор відсутній. Тому припускають, що реплікація завершується після зустрічі двох реплікативних вилок, які рухаються назустріч одна одній.
Процес реплікації проходить з досить високою швидкістю: 1000 – 2000 нуклеотидів за секунду у прокаріот і близько 100 нуклеотидів у еукаріот. Для цього процесу характерна велика точність. Так, у процесі реплікації на 1010 пар нуклеотидів трапляється лише одна помилка. Помилково включений нуклеотид (наприклад, урацил замість тиміну) миттєво видаляються із синтезованого полінуклеотидного ланцюга, і на його місце вводиться новий. Забезпечення точності реплікації є одним з важливих етапів передачі спадкової інформації від одного покоління до іншого.
Синтез PHK на матриці PHK. Учений М.C. Гершенсон і американський біохімік Г. Тимін встановили, що крім реплікації існує й інший шлях синтезу ДНК, коли матрицею служить молекула PHK.
Оскільки передача генетичної інформації між різними видами нуклеїнових кислот (ДНК ( PHK) називається транскрипцією (переписування), то процес, що протікає у протилежному напрямку (PHK ( ДНК), дістав назву зворотної транскрипції. Каталізує процес фермент РНК-залежна ДНК-полімераза, або ревертаза (зворотна транскриптаза). Цей фермент було виділено в 1969 – 1970 pp. із тканин, інфікованих онкогенними вірусами, а також із самих вірусів цієї групи, зокрема вірусу Раушера лейкемії мишей і вірусу саркоми Рауса. Ревертаза активується іонами Mn2+, Mg2+, причому першими ефективніше, ніж другими.
Вивчення будови ферменту, виділеного із вірусів мієлобластозу птахів, показало, що він складається з двох білкових субодиниць з молекулярною масою 110 000 і 70 000 і містить два атоми зв'язаного цинку. Для функціонування ферменту ревертази необхідна затравка і матричний ланцюг PHK. Спочатку на одноланцюговій РНК-матриці за участю ферменту ревертази синтезується одноланцюгова ДНК. Внаслідок цього утворюється гібридна PHK – ДНК молекула, яка далі виконує роль матриці для синтезу комплементарного полінуклеотидного ланцюга ДНК. Цей етап каталізує фермент РНК-залежна ДНК-полімераза. На останньому етапі за участю ферменту РНК-ази від PHK відщеплюється молекула ДНК. Далі така ДНК включається в геном інфікованої, клітини і зумовлює переродження її в ракову. Однак зворотну транскриптазу виявлено і в культурах синцитіальних вірусів, які не викликають злоякісного переродження клітин. За певних умов здатність каталізувати синтез ДНК на PHK виявляють і ДНК-полімераза І та еукаріотичні ДНК-полімерази.
Відкриття процесу зворотної транскрипції має важливе теоретичне і практичне значення. Якщо раніше вважалось, що передача генетичної інформації в усіх організмів, за винятком РНК-вмісних вірусів, проходить лише від ДНК до ДНК і від ДНК до PHK, то нині встановлено, що вона може здійснюватись і від PHK до ДНК. Виявлення ферменту ревертази має важливе значення для ранньої діагностики онкологічних захворювань. Ревертаза становить значний інтерес і для генної інженерії (синтез окремих генів).
Біосинтез PHK на матриці ДНК. На матриці ДНК синтезується переважна більшість PHK тварин, бактерій і ДНК-вмісних вірусів.
Цей процес називають транскрипцією. Він здійснюється за принципом комплементарності азотистих основ нуклеотидів. Інакше кажучи, синтезується ланцюг PHK, нуклеотидна послідовність якого комплементарна послідовності нуклеотидів одного з ланцюгів ДНК. Відмінність полягає лише в тому, що замість азотистої основи тиміну, характерної для ДНК, у PHK включається урацил.
Шляхом транскрипції утворюються всі основні види рибонуклеїнових кислот. Це, по-перше, інформаційні або матричні PHK, які надходять у рибосоми і реалізують одержану інформацію в процесі синтезу білка. Інформаційна PHK може нести інформацію про структуру одного, двох і більшої кількості полінуклеотидних ланцюгів. У першому випадку таку іРНК називають моноцистронною, а в другому – поліцистронною. Моноцистронні іРНК характерні для еукаріотів, а поліцистронні – для прокаріотів. Крім іРНК у процесі транскрипції утворюються рРНК і тРНК, які також відіграють важливу роль у біосинтезі білка.
Для синтезу PHK на матриці ДНК необхідна наявність усіх чотирьох видів нуклеотидів у формі трифосфатів. Цей процес можна подати схемою:

Реакцію каталізує фермент ДНК-залежна РНК-полімераза або просто РНК-полімераза. Її виявлено в усіх прокаріотичних і еукаріотичних організмах. Найкраще вивчено РНК-полімеразу, виділену з кишкової палички. Вважають, що в кишковій паличці є лише один вид полімерази, яка каталізує процеси синтезу всіх трьох видів PHK. Полімераза – це складний білковин комплекс із загальною молекулярною масою 480000. До складу цього ферменту входить 5 білкових субодиниць: дві (-субодиниці, (-, ((- і (-субодиниці. Комплекс, який містить дві (-, (-, ((-субодиниці, носить назву корферменту (від англ. core – серцевина). Він виявляє певну каталітичну активність, однак не здатний вибирати точку (місце) початку транскрипції. Взаємодія корферменту з (-субодиницею приводить до утворення холоензиму РНК-полімерази, який має всі її властивості. Всі субодиниці у холоферменті сполучені між собою слабкими хімічними зв'язками.
Характерною особливістю РНК-полімерази, по-перше, є те, що вона за допомогою (-субодиниці здатна вибирати ланцюг ДНК, з якого здійснюватиметься транскрипція, а також місце, з якого розпочинатиметься цей процес. По-друге, для початку синтезу PHK не потребує затравки, як ДНК-полімераза. Слід підкреслити, що РНК-полімераза не просто синтезує PHK, а й регулює цей процес за участю ряду додаткових кофакторів. Тому повністю оправдано застосування до PHK-полімерази поняття „РНК-полімеразна система”.
РНК-полімерази виділено також і з культури клітин людини, тимусу телят, печінки щурів. У кожному випадку з ядерної фракції було виділено три різні ферменти: РНК-полімеразу І (A), РНК-полімеразу II (В) і РНК-полімеразу III (C), які відрізнялися між собою кількістю субодиниць у молекулі і їх молекулярною масою. Вважають, що РНК-полімераза І каталізує в основному синтез рибосомальних PHK, РНК-полімераза II – синтез матричних PHK, a PHK-полімераза III, очевидно, – синтез транспортних PHK і 5S рРНК.
РНК-полімерази мають два активних центри. Один з них зв'язує 3'–ОН групи рибози кінцевого нуклеотиду ланцюга PHK, який синтезується, і має назву Т-центр, а другий – нуклеотиди, які приєднуються до ланцюга PHK, що росте, і має назву П-центр.
Процес матричного синтезу PHK за участю РНК-полімераз поділяють на три стадії: ініціація синтезу, елонгація (подовження) нуклеотидного ланцюга і термінація – завершення синтезу PHK і вивільнення ферменту. В цілому всі ці стадії становлять цикл транскрипції.
Ініціація. На цій стадії РНК-полімераза взаємодіє з невеликою ділянкою ДНК, утворюючи комплекс, який здатний розпочинати зв'язування рибонуклеозидтрифосфатів і ініціювати синтез PHK. Хоч РНК-полімераза виявляє велику спорідненість до всіх ділянок ДНК, проте найміцніше вона сполучається лише ділянками, які характеризуються певними послідовностями нуклеотидів на одному з ланцюгів матричної ДНК. Ці ділянки називають промоторами. Вони багаті АТ-парами нуклеотидів і піримідиновими блоками. Вважають, що специфічність взаємодії PHK-полімерази з певними ділянками ДНК-матриці зумовлена наявністю в цих ферментах (-субодиниць ((-факторів).
Зв'язування РНК-полімерази з промоторною ділянкою ДНК приводить до часткового розходження спіралі ДНК, що важливо для початку транскрипції PHK. На цій стадії РНК-полімераза за участю Т-центру взаємодіє з 3–ОН групою рибози першого нуклеозидтрифосфату, з якого розпочинається синтез нової молекули рибонуклеїнової кислоти. При цьому від нього не відщеплюється залишок пірофосфату. Першим нуклеотидтрифосфатом в основному є АТФ або ГТФ. Далі РНК-полімераза другим активним центром (П-центром) взаємодіє з другим нуклеотидтрифосфатом. Останній за участю фосфодіефірного зв'язку приєднується до 3'-вуглецевого атома рибози першого нуклеозидтрифосфату. При цьому вивільнюється Т-центр ферменту і відщеплюється пірофосфат від другого нуклеозидтрифосфату.
Елонгація. На стадії елонгації перший активний центр ферменту зв'язується з 3(–ОН групою рибози другого нуклеотиду і РНК-полімераза переміщується (транслокується) на поверхні ДНК в напрямку росту ланцюга. За цих умов другий активний центр ферменту сполучається з наступним (третім) нуклеотидом. Останній знову за участю фосфодіефірного зв'язку сполучається з другим нуклеозидмонофосфатом. Так відбувається ріст (синтез) нуклеотидного ланцюга в напрямку 5 ( 3 до повного завершення біосинтезу PHK.
Спід зазначити, що в системах in vivo швидкість елонгації досягає близько 40 – 50 нуклеотидів за секунду, у системах in vitro цей процес проходить менш інтенсивно – 15 – 40 нуклеотидів за секунду. Разом з цим транскрипція здійснюється з досить великою точністю. Частота помилок становить 2(10-3 – 2(10-4 тобто на 2000 – 20 000 нуклеотидів може включатись один неправильний нуклеотид. Хоч ці помилки і малі, однак вони значно більші, ніж помилки при реплікації ДНК, де частота помилок становить 10-10. Однією з причин цього є те, що в процесі реплікації бере участь додатковий механізм контролю – виправляння помилок за участю ДНК-полімерази І.
Термінація. Процес обриву ланцюга, порівняно з іншими процесами синтезу PHK менш вивчений. Вважають, що ДНК має специфічні, термінуючі послідовності нуклеотидів. РНК-Полімераза, підходячи до них, перестає функціонувати. При цьому синтезований полінуклеотидний ланцюг PHK і молекула ферменту відділяються від ДНК-матриці.
Безпосереднім продуктом транскрипції є різні види PHK. Їх називають первинними транскриптами, або попередниками відповідних цитоплазматичних PHK, і позначають пре-РНК. Процес перетворення даних пре-РНК у функціонально активні форми PHK називається процесингом, або дозріванням. Процесинг відбувається в ядрі і має свої особливості для кожного виду PHK.
Важливою групою первинних транскриптів в ядрі є так звана гетерогенна ядерна PHK (гя-РНК). Основну фракцію гя-РНК становить матрична (інформаційна) PHK (пре-мРНК).
Для більшості пре-мРНК, синтезованих в ядрі еукаріот, існує три основні етапи процесингу: кепування і метилювання 5'-кінця, поліаденілування 3(-кінця, видалення (вирізання) некодуючих ділянок (інтронів) з полінуклеотидного ланцюга та сполучення (зшивання) кодуючих ділянок (екзонів). Цей процес називається сплайсингом (від англ. Spticing – з'єднувати, зплітати).
Для мPHK, які синтезуються в клітинах прокаріот, процесинг не характерний.
Модифікація полінуклеотидних кінців пре-мPHK відбувається так. До 5'-кінця пре-мРНК приєднується олігонуклеотид, який називають „кепом”, або „ковпаком”. „Кеп” складається з двох-трьох метильованих нуклеотидів. Кінцевим нуклеотидом „кепа” є 7-мегилгуанозин, сполучений з полінуклеотидним ланцюгом PHK не по типу 5' ( 3', а 5' ( 5'-фосфодіефірним зв'язком. Вважають, що метильований „кеп” захищає мРНК від руйнування ферментами.
До 3'-кінця пре-мРНК приєднується поліаденіловий фрагмент – полі (А), який складається з 150 – 200 аденілових нуклеотидів. Вважають, що полі (А) – фрагмент, очевидно, необхідний для транспорту мРНК з ядра в цитоплазму, а також для підвищення її стабільності. Сплайсинг пре-мРНК відбувається шляхом вилучення неінформативних ділянок (інтронів), починаючи з 5(-кінця за участю екзо- та ендонуклеаз. Інформативні ділянки, які залишились, тобто екзони, за участю спеціальних РНК-лігаз сполучаються в єдиний полінуклеотидний ланцюг.
Певним змінам (процесингу) піддаються й інші пре-РНК, зокрема пре-рРНК і пре-тРНК.
Пре-рРНК є попередником рибосомних PHK як у клітинах прокаріот, так і еукаріот. У прокаріот всі три рРНК – 25S, 16S і 5S утворюються з однієї молекули пре-рРНК – 30S, яка має молекулярну масу ~ 2(106. Спочатку окремі азотисті основи, що входять до її складу, піддаються етилюванню. На наступному етапі пре-рРНК розщеплюється з утворенням 17S- і 25S-проміжних PHK. Далі від них поступово за участю нуклеаз відщеплюються нуклеотиди й утворюються характерні для прокаріот 16S і 23S-рРНК. 5S-рРНК утворюється окремо з 3'-кінцевої ділянки пре-рРНК.
В еукаріот 18S, 28S і 5,8S-рРНК утворюються в декілька етапів з великої 45S пре-рРНК. Процесинг відбувається в ядерці. Спочатку проходить також метилювання нуклеотидів, а потім відщеплення нуклеотидів, що призводить до утворення 18S, 28S і 5,8S-pPHK.
тРНК також утворюються з довших полінуклеотидних ланцюгів пре-тРНК шляхом ферментативного відщеплення зайвих нуклеотидів з 5'- і 3'-кінців молекули. У багатьох випадках з однієї молекули пре-тРНК утворюється дві і більше (до 7) молекул тРНК. У ході процесингу крім відщеплення нуклеотидів з кінців полінуклеотидного ланцюга проходить ще ряд змін. По-перше, з окремих пре-тРНК до 3'-кінця приєднується нуклеотидна послідовність ЦЦА, в інших пре-тРНК цей 3'-кінцевий триплет утворюється в процесі транскрипції. По-друге, багато азотистих основ нуклеотидів зазнають різних модифікацій (деякі метилюються, інші – дезамінуються, відновлюються тощо).
І, нарешті, слід зазначити, що синтез PHK істотно відрізняється від реплікації ДHK. Насамперед, він є консервативним, а не напівконсервативним – продукт синтезу не включає жодних компонентів матриці. Цікавим є і той факт, що ферменти синтезу PHK, тобто PHK-полімерази, специфічні відносно різних матриць і навіть їх окремих ділянок. Крім того, для матричного синтезу PHK не потрібна затравка. Процес синтезу починається взаємодією двох нуклеотидів. І, нарешті, процес транскрипції, на відміну від реплікації, проходить переважно з одного полінуклеотидного ланцюга ДНК-матриці.

Розпад нуклеїнових кислот в тканинах
В процесі життя відбувається постійне самооновлення клітин організму. Ці явища пов'язані з синтезом і розпадом молекул ДНК і РНК. Клітини епітелію дванадцятипалої кишки оновлюються протягом 1,6 діб, рогівки ока – 6,9, мезотелія плеври – 33,9, миготливого епітелію трахеї – 47,6 діб. Тривалість життя тромбоцита до 8 діб, лейкоцита до 13, еритроцита до 120 діб.
Нуклеїнові кислоти клітин під впливом нуклеаз (ДНК-ази і РНК-ази) розщеплюються до мононуклеотидів. Екзонуклеази розщеплюють до мононуклеотидів зовнішні ділянки молекул ДНК і РНК, ендонуклеази – внутрішні. Частина мононуклеотидів може використовуватися новою клітиною, для синтезу власних нуклеїнових кислот, інші мононуклеотиди розщеплюються на нуклеозид і фосфат, потім – на пентозофосфат і пуринову або піримідинову основу:

На другому етапі розщеплення реакцію каталізують ферменти, специфічні для кожного нуклеозида.
Таким чином, у результаті розщеплення нуклеотидів утворюються пуринові і піримідинові основи, фосфати пентоз, фосфорна кислота. Пентози можуть використовуватися як енергетичний матеріал. Основи зазнають ряд глибоких перетворень.
Кінцевий обмін нуклеїнових кислот
Пуринові і піримідинові основи, що утворилися в тканинах при розщепленні нуклеїнових кислот, отруйні і знешкоджуються в печінці (в меншій мірі – в слизовій оболонці кишок, селезінці та інших органах) до кінцевих продуктів обміну, які видаляються з організму з сечею, калом і потом.
Загальна схема розпаду пуринових основ для людини і тварин універсальна. Спочатку вони дезамінуються до гіпоксантина і ксантина, потім окислюються до кінцевих продуктів обміну – сечової кислоти і алантоїна. У ряді випадків дезамінування відбувається на рівні нуклеозидів і нуклеотидів:

В утворенні кінцевих продуктів обміну пуринових основ беруть участь декілька специфічних ферментів:


У риб і амфібій алантоїн може піддаватися подальшому розщепленню:

У різних хребетних тварин кінцеві продукти розпаду нуклеїнових кислот неоднакові. Так, у людини і людиноподібних мавп сечова кислота – кінцевий продукт пуринового обміну. В тканинах аміак зв'язується глутаміновою кислотою в глутамін, який переноситься в печінку, де і утворюється сечовина. У птахів і рептилій сечова кислота – основний кінцевий продукт всього азотного обміну. Система знешкодження аміаку шляхом утворення мало розчинної у воді сечової кислоти виникла у цих класів хребетних в результаті еволюції. У всіх тварин (окрім птахів) сечова кислота перетворюється в алантоїн – кінцевий продукт обміну пуринів, який виділяється з сечею.
Перетворення піримідинових основ має в порівнянні з пуриновими деякі особливості. Перш за все, піримідинові кільця в тканинах і печінці відновлюються до дигідропохідних, потім розмикаються, що приводить до утворення уреїдокислот, які далі розщеплюються на більш прості речовини.
Зокрема, цитозин дезамінується і перетворюється в урацил:

Урацил розпадається до (-аланіна, аміаку і вуглекислого газу; тимін – до (-аміноізомасляної кислоти, аміаку і вуглекислого газу:


По мірі утворення ці продукти видаляються з організму з сечею, потом, калом, а вуглекислий газ – з повітрям, що видихається. Аміак знешкоджується в печінці.
Регуляція нуклеїнового обміну
Нуклеїновий обмін регулюється на різних рівнях, починаючи від цілого організму і закінчуючи молекулою нуклеїнової кислоти. Провідне місце належить центральній нервовій системі і її вищому відділу – корі великих півкуль головного мозку. В гіпоталамусі знаходиться центр білкового обміну.
Нуклеїновий обмін регулюється залозами внутрішньої секреції. Так, синтез РНК і ДНК стимулюється соматотропіном, гідрокортизоном, естрадіолом. Дія гормону зазвичай виявляється разом з ферментом, що здійснює синтез або розпад нуклеїнової кислоти. Деякі стероїдні гормони є репресорами оперонів, що призводить до інтенсивного синтезу іРНК і білків. Реакція активується іонами Mg2+ і Mn2+.
Гальмування синтезу нуклеїнових кислот використовується в лікувальній практиці, особливо при лікуванні пухлин. Підбираються такі антиметаболіти, які можуть гальмувати новоутворення нуклеїнових кислот, наприклад 5-хлор-5-йод-піримідини, актиноміцин D, ін.
Патологія нуклеїнового обміну
Порушення нуклеїнового обміну різні. Найхарактернішою з них є подагра. Її причиною є порушення нейрогуморальної регуляції нуклеїнового обміну. В суглобах, хрящах, сухожильних піхвах і слизових сумках, у нирках, шкірі і м'язах відкладаються вузлики кристалів сечової кислоти і її солей. Навкруги вузликів розвивається запалення. Найбільше подагричні вузли виражені в області суглобів пальців.
Нуклеїновий обмін різко порушується при променевій хворобі. При цьому порушується процес реплікації ДНК, синтез РНК, гальмується клітинний поділ, пригнічується еритропоез, виникає лейкопенія, розвиваються язви.
З патологією нуклеїнового обміну пов'язаний патогенез сечокам'яної хвороби, коли в нирках і сечовивідних шляхах відкладаються солі сечової кислоти та інші нерозчинні речовини. Утворюється „каміння”.

Лекція № 14. Вода і обмін води.

Значення і розподіл води в організмі
Вода складає близько 3Д біомаси Землі. Перші живі організми виникли у водному середовищі. Життя без води неможливе. Собака, позбавлена корму, може прожити до 100 діб, без води – до 10, людина без води до – 7 діб. Тривале зневоднення можуть переносити лише деякі форми життя, що знаходяться у стані спокою – насіння і спори. Втрата організмом тварини до 10% води призводить до важких порушень обміну речовин, втрата 20 – 25% – до загибелі.
Фізико-хімічна характеристика води. Хімічно чиста вода – це прозора рідина без запаху і смаку. Молекула води містить 11,19% водню і 88,81% кисню. Молекулярна маса води складає 18,016, температура замерзання – 0°С, температура кипіння – 100°C, густина води при +4°C – 1 г/см3.
Вода – добрий розчинник багатьох органічних і мінеральних речовин, що пов'язано із структурою її молекули. Молекула води – електричний диполь, який має чотири полюси зарядів; два позитивних, пов'язаних з атомами водню, і два негативних, створених електронними хмарами неспарених електронів атома кисню.
Середній кут зв'язку Н–О–H рівний 104,5°, середня міжатомна відстань Н–О – 0,0965 нм. Дипольний момент води – 1,86. Вода має високу діелектричну постійну – 80. Це дає можливість її частинкам легко руйнувати кристалічні решітки (наприклад, NaCl), утворені позитивними і негативними іонами, і здійснювати їх гідратацію.
Для води характерний водневий зв'язок, що визначає в значній мірі її властивості і значення. Водневі зв'язки виникають між частковим негативним зарядом атома кисню однієї молекули води і частковим позитивним зарядом атома водню сусідньої. Довжина водневого зв'язку – 0,177 нм, відстані між атомами кисню двох сусідніх молекул води – 0,276 нм.
Водневі зв'язки утворюються між молекулами води і полярними групами багатьох неіонних сполук (спиртів, альдегідів, кетонів і ін.), обумовлюючи їх розчинність.
Водневі зв'язки беруть участь в проникності біологічних мембран, у формуванні вищих рівнів організації молекули білка, нуклеїнових кислот, ліпідів і ін.
Вода – слабий електроліт.
При дисоціації води утворюються іони гідроксонію H3O+ і гідроксильні іони ОН-. Іони гідроксонію найчастіше зображаються у вигляді іонів H+. Концентрацію іонів водню в біологічних системах виражають через водневий показник рН.
Розрізняють прісну, солонувату і солону воду. В прісній воді міститься до 1 г/кг солей, солонуватій – 1 – 25 г/кг, солоній – понад 25 г/кг. Вода містить неорганічні іони, в основному HCO3-, Ca2+ і Mg2+, гази – CO2, O2, N2 (рідше H2S), а також домішки органічних речовин: в річковій – в межах 20 мг/кг, дещо менше – в підземних, мало (до 4 мг/кг) – морській. Вода, забруднена побутовими і промисловими відходами, містить високий відсоток органічних домішок, які погіршують її якість. У забрудненій воді мешкає багато груп і видів мікробів. Епізоотична і санітарна безпека води забезпечується її очищенням і санітарною охороною водоймищ.
Розподіл води в організмі тварин. Вода – головна складова частина живого організму. Багато вищих тварин містять 60 – 75% води, медузи – до 98%. Вміст води змінюється в онтогенезі. Вода в тканинах і органах тварин розподілена неоднаково. Так, найбільше води організму зосереджено в м'язах (50,8%), найменше – в нирках (0,6%). Різні органи і тканини відрізняються між собою вмістом води. Так, наприклад, кістки містять 22% води, хрящі – 55,0, легені – 79,1, кора головного мозку – 83,3%. Біологічні рідини характеризуються високим вмістом води – до 99,5% (слина, піт). Близько 72% всієї води організму зосереджено в клітинах, 28% – в міжклітинних рідинах. 8 – 10% води організму зосереджено в плазмі крові, лімфі, лікворі, синовії, плевральній рідині.
При складанні раціонів слід враховувати, що на 1 кг маси потрібно в середньому 35 – 40 г води на добу. Для молодих організмів ця потреба в 2 – 4 рази вище.
Стан води в організмі. В органах, тканинах і клітинах вода знаходиться у вигляді вільної, гідратаційної і імобільної. Вільна вода складає основу багатьох біологічних рідин: кров, лімфа, ліквор. Вона бере участь в доставці поживних речовин і видаленні продуктів обміну з органів, тканин і клітин. Частина води входить у міцели колоїдних частинок, беручи участь в утворенні гідратних оболонок. Так, в бактерійній клітині на 1 молекулу ДНК або РНК доводиться близько 1 млн. молекул води. Деяка кількість води зв'язана з неорганічними іонами. Її називають гідратаційною водою. Вона складає близько 4% всієї води тканин. 10 – 80% такої води зв'язують білки. Втрата колоїдною частинкою гідратаційної води приводить до синерезису. Така вода не замерзає при пониженні температури до 0°C і нижче, не може розчиняти деякі речовини і т.д.
Усередині клітин міститься вода, яка не входить до складу гідратних оболонок, – імобільна вода. Її молекули розміщуються між мембранами клітини, волоконними молекулами і структурами. Імобільна вода замерзає при температурі нижче 0°C, розчиняє багато речовин, легко бере участь у реакціях обміну речовин.
Між різними видами води існує динамічна рівновага. Кількість вільної води зростає при патології (нефриті, перикардитах, абсцесах, флегмонах). Виникають набряки. При короткочасній роботі (10 – 15 хв) в організмі нагромаджується міжклітинна (вільна) вода, при тривалій (понад 30 – 60 хв) – внутрішньоклітинна (імобільна) вода.
Біологічне значення води. Вода в організмі виконує ряд життєво важливих функцій. Перш за все, вона є універсальним розчинником мінеральних і органічних речовин, що входять в корми, і продуктів обміну речовин. Вода – активний учасник багатьох реакцій обміну речовин; гідролізу, гідратації, окислення, відновлення і т.д. Вона може взаємодіяти з атомами, іонами, окремими молекулами і їх групами. Її здатність до дисоціації створює на різних ділянках організму і навіть клітини відповідну реакцію середовища, що визначає напрям і хід багатьох реакцій обміну речовин. Всі поживні речовини засвоюються в харчовому каналі з участю води (реакції гідролізу).
Вода – пластичний матеріал, з якого побудовані органи, тканини і клітини.
Вода бере участь в терморегуляції організму. Близько 25% надлишку теплової енергії виділяється з організму в результаті випаровування води з поверхні шкіри. Приблизно стільки ж тепла виділяється з організму з парами повітря, що видихається. Це дає можливість зберегти в організмі температуру, властиву для даного виду тварини і необхідну для повноцінного протікання багатьох реакцій обміну.
Молекули води беруть участь у створенні вторинної і третинної структури молекул білків.
Обмін води
Тканини і клітини використовують два види води: екзо- і ендогенну. Екзогенна вода поступає в організм ззовні. В загальній масі вона складає 6/7 всієї води, необхідної для життя організму. 1/7 Загальної маси води утворюється в тканинах тварин як кінцевий продукт окислення нуклеїнових кислот, білків, ліпідів, вуглеводів. Це ендогенна вода. Встановлено, що при повному окисленні 100 г жирів організм одержує 107,1 г води, вуглеводів – 55,6 і білків – 41,3 г. Кількісне співвідношення екзо- і ендогенної води в організмі залежить від виду і віку тварин, рівня їх продуктивності і умов зовнішнього середовища (навколишньої температури, вогкості, зони проживання), раціону, сезону року та ін. Ендогенний шлях отримання організмом води має велике значення для мешканців безводних пустель і степів, для тварин, які впадають у зимову сплячку.
Всмоктування води. Вода всмоктується слизовою оболонкою всього харчового каналу, починаючи від ротової порожнини і закінчуючи прямою кишкою. Невелика кількість води всмоктується в ротовій порожнині і в стравоході, частина – в шлунку, основна маса – в тонкій кишці, частина – в товстій кишці.
Частинки води разом з перевареними поживними речовинами проникають углиб епітеліальних слизових оболонок у результаті дифузії і осмосу, частково – піноцитоза і активного транспорту. По ендоплазматичній сітці вони поступово переміщуються від апікального краю клітини до базального, поступають в міжклітинний простір, а потім – в міжклітинну рідину, капіляри, венули, підепітеліальну і підслизову венозні сітки кишкової ворсинки, вени брижі, ворітну вену і печінку і далі у великий круг кровообігу. Деяка кількість води поступає через лімфатичну систему.
Проміжний обмін води. Після всмоктування вода транспортується до різних органів, тканин і клітин, де використовується для різних потреб. Транспортування води до тканин і клітин в основному здійснюють білки крові – альбуміни і глобуліни. Вода проникає в клітини прямим (безпосередньо) або непрямим (через міжклітинну рідину) шляхами. Обмін води в організмі є частиною загального обміну речовин і тісно пов'язаний з обміном нуклеїнових кислот, білків, ліпідів, вуглеводів. Солі натрію, особливо хлориди, сприяють накопиченню води тканинами, викликаючи набухання колоїдів. Солі кальцію, навпаки, зменшують зв’язування води білками, стимулюючи її видалення з організму. Тому хворим при запальних процесах рекомендують вводити хлорид кальцію внутрішньовенно, оскільки він зменшує процеси ексудації.
Обмін води характеризується водним балансом – співвідношенням прийнятої і виділеної з організму води. При водній рівновазі кількість води, що поступила в організм рівна кількості виділеної. Позитивний водний баланс типовий для молодих організмів, водна рівновага – для дорослих, негативний водний баланс – для старіючих організмів.
Кінцевий обмін води. Вода виділяється з організму з сечею (до 50%), потом і повітрям (до 35%), що видихається, і з калом (до 15%). Частка участі органів виділення у водному обміні змінюється залежно від умов зовнішнього середовища, виду і віку тварин, їх функціонального стану.
Регуляція водного обміну. Регуляція водного обміну здійснюється нейрогуморальним шляхом, зокрема, різними відділами центральної нервової системи: корою великих півкуль, проміжним і довгастим мозком, симпатичними і парасимпатичними гангліями.
У регуляції водного обміну беруть участь багато залоз внутрішньої секреції. Частина гормонів володіє антидиуретичною дією: наприклад, гормони задньої частки гіпофіза – вазопресин і кори наднирників – альдостерон, дезоксикортикостерон. Інші гормони стимулюють виділення води нирками: тироксин – гормон щитовидної залози, паратгормон – гормон паращитовидної залози, андрогени і естроген – гормони статевих залоз.
Гормони щитовидної залози стимулюють виділення води через пітні залози.
Вміст води в організмі регулюється наявністю в ньому катіонів. Іони Na+ сприяють зв’язуванню її колоїдними частинками білків, іони K+ і Ca2+ стимулюють виділення води з організму.
Патологія водного обміну. Водний обмін порушується при багатьох інфекційних, інвазивних і незаразних хворобах. В основі цих порушень лежать морфофункціональні зміни в органах, що беруть участь в загальному водному обміні, і розлади нейрогуморальної регуляції.
Часто причиною патології водного обміну може бути загальне і водне голодування організму. При цьому розвиваються голодні набряки. При деяких хворобах (правець, ботулізм, сказ) ускладнюється прийом води і виникає негативний водний баланс. Окремі хвороби (холера, чума, цукровий і нецукровий діабет, гастрити і ентерити) приводять до надмірної втрати тканинами води. При деяких патологічних станах у тканинах і органах ускладнюється циркуляція води і виникає позитивний водний баланс, особливо при хворобах нирок, фасциольозі, хворобах серця і ін.
Часто причинами порушень водного обміну є пухлини або травми центрів нервової системи і залоз внутрішньої секреції, що беруть участь у його регуляції.







Лекція № 15. Мінеральні речовини та їх обмін.

Загальна характеристика мінеральних речовин
У живих організмах виявлено близько 70-ти хімічних елементів, із них 47 присутні в ньому постійно. Це біогенні хімічні елементи.
За кількісним вмістом у живій матерії всі біогенні елементи ділять на дві групи: макро- і мікроелементи. Вміст макроелементів (О, H, С, N, Ca, S та ін.) у організмі тварин і людини обчислюється відсотками і сотими частками відсотка. Вміст мікроелементів (Cu, Co, Bi, I, F, Fe, Zn, ін.) у організмі складає тисячні частки відсотка і менше. Деякі автори в мікроелементах виділяють ультрамікроелементи – елементи, вміст яких в тканинах менше мільйонних часток відсотка (U, Ra, Au, Ag, Се, ін.). Макроелементи складають основну масу живої матерії (99,4%). Тканини тварин і рослин на 95 – 96,5% складаються з вуглецю, кисню, водню і азоту.
Біогенні елементи утворюють неорганічні і органічні речовини. Неорганічні речовини в середньому складають 71,5% загальної маси організму. Основою неорганічних речовин є вода і мінеральні сполуки – солі, основи, кислоти. Органічні речовини в тканинах у середньому складають 28,5% загальної маси.
Найбільше мінеральних речовин міститься в кістках (48 – 74% загальної маси) і хрящах (2 – 10%). Решта органів і тканин містить невелику кількість мінеральних речовин, хоча вміст окремих елементів може досягати значних величин.
Мінеральні речовини в тканинах і клітинах організму можуть бути у вільному і зв'язаному стані. Так, у кістках, хрящах і дентині вони знаходяться у вигляді міцних нерозчинних відкладень – неорганічних солей вугільної, ортофосфорної та інших кислот. У окремих біологічних рідинах (крові, лімфі, молоці, травних соках) багато мінеральних речовини містяться у вільному стані або у вигляді окремих іонів. Значна частина елементів входить до складу біоорганічних сполук. Так, залізо – складова частина гемоглобіну, міоглобіну, каталази і трансферинів. Фосфор – необхідний хімічний елемент нуклеїнових кислот, багатьох білків, фосфатидів, фосфорних ефірів вуглеводів, макроергів (АТФ, АДФ) й ін. Сірка є компонентом коэнзиму А, глутатіону, цистеїну, цистину і т.д. Йод входить до складу молекул гормонів щитовидної залози, ін.
В організмі мінеральні речовини виконують ряд життєво важливих функцій. Так, вони служать матеріалом, з якого будуються тканини (наприклад, кісткова) і клітинні мембрани. Розчинені неорганічні речовини беруть участь у регуляції ряду фізико-хімічних процесів і, в першу чергу, явищ осмосу і осмотичного тиску. Натрієві і калієві солі фосфорної, вугільної і деяких органічних кислот утворюють з білками тканин і крові буферні системи, беручи участь у регуляції кислотно-лужної рівноваги і підтримці постійності рН у клітинах.
З наявністю, концентрацією і присутністю заряду неорганічних іонів пов'язані фізико-хімічні властивості колоїдів організму: явища гідратації, в'язкість, розчинність, здатність до набухання й ін. Окремі катіони, наприклад кальцію, магнію, марганцю, цинку, служать активаторами або паралізаторами ферментів. Деякі метали входять до складу вітамінів, гормонів і інших органічних сполук.
З присутністю певних мінеральних, речовин (хлориду натрію) у раціоні зв'язано їх засвоєння організмом і секреторна функція харчового каналу. Деякі мінеральні речовини (сірчана кислота) беруть участь в нейтралізації отруйних продуктів, які виникають в організмі в результаті обміну речовин або поступають ззовні.
Потреба організму в мінеральних речовинах визначається багатьма чинниками. До них, в першу чергу, слід віднести вік, стать і фізіологічний стан, рівень продуктивності, склад раціону, питної води і зону проживання.
Обмін мінеральних речовин
Мінеральні речовини, що входять до складу раціону, в організмі піддаються складним перетворенням. Так, основну масу мінеральних речовин, що знаходяться у вільному стані, організм засвоює без якої-небудь попередньої переробки. Частина мінеральних речовин, що знаходяться в зв'язаному стані, засвоюється тільки після розщеплення їжі різними ферментами харчового каналу. Це, перш за все, фосфорна кислота – складова частина нуклеїнових кислот, фосфопротеїдів або фосфатидів, залізо – складова частина гемоглобіну і міоглобіну, магній – складова частина хлорофілу й ін. При цьому їжа спочатку розщеплюється ферментами до органічних і неорганічних речовин, а потім до молекул, окремі з яких розпадаються на іони, після чого і засвоюються організмом.
Всмоктування мінеральних речовин. Певна кількість мінеральних речовин всмоктується в шлунку, основна маса – слизовою оболонкою тонкої кишки, частково – товстої кишки. Зокрема, фосфорна кислота всмоктується у вигляді мінеральних солей або фосфорних ефірів, наприклад мононуклеотидів або ефірів моноз. Всмоктування двовалентних або полівалентних катіонів – багатоступінчастий процес, залежний від багатьох чинників. Так, всмоктування багатьох катіонів стимулюється присутністю в химусі жирів, жовчі і соку підшлункової залози. Всмоктування кальцію стимулюється наявністю в химусі вітаміну D. З аніонів найшвидше всмоктуються хлорид-іони, повільніше – йодид- і бромід-іони, дуже повільно – нітрат- і сульфат-іони.
Частинки мінеральних речовин проникають у цитоплазму клітин покривного епітелію слизової оболонки в результаті дифузії або осмосу, деяка частина – піноцитозом або у вигляді сполук з білковими переносниками. По ендоплазматичній сітці вони переміщуються від апікального до базального краю клітини, потім поступають у міжклітинний простір, з нього в кровоносну (частково в лімфатичну) систему ворсинок, брижі і, нарешті, в печінку і краніальну порожнисту вену, після чого розносяться по всьому організму, де використовуються його тканинами і клітинами. В печінці і в інших органах частина мінеральних речовин депонується. Інтенсивність процесів всмоктування залежить від мінерального складу раціону і ступеня забезпеченості організму тією або іншою речовиною, присутністю в їжі інших речовин і температури суміші, віку, цілісності слизової оболонки.
Надлишок мінеральних речовин може викликати підвищення осмотичного тиску в організмі і зміну іонного складу біологічних рідин. Ці явища усуваються рефлекторно – з появою відчуття спраги вживається відповідна кількість води, а надлишок мінеральних речовин видаляється нирками, пітними залозами і слизовою оболонкою кишок.
Проміжний обмін мінеральних речовин. Мінеральні речовини, що всмокталися в харчовому каналі, частково залишаються в крові і лімфі, більшість їх відкладається в органах і тканинах або використовується окремими клітинами для різних потреб: структурних, функціональних і метаболічних.
Існує локальність у депонуванні і відкладенні мінеральних речовин. Так, кальцій і магній у вигляді фосфатів, карбонатів і апатитів відкладаються в кістковій тканині. В кістках скелета концентруються багато мікроелементів – фтор, титан, стронцій, цезій, рубідій, алюміній, берилій, свинець, олово й ін. Залізо нагромаджується в тканинах печінки і в кістковому мозку, де утворюються еритроцити. Багато заліза концентрується в селезінці – місці руйнування еритроцитів. Цинк і марганець в основному накопичуються в тканинах підшлункової залози. Місцем депонування йоду є щитовидна залоза. Іонами натрію і калію багаті шкіра, підшкірна клітковина і м'язова тканина, плазма крові, лімфа, ліквор. Іони калію зосереджені усередині клітин, натрію – в позаклітинній рідині (табл. 1). Обмін іонів між клітиною і міжклітинною рідиною протікає за законами осмосу: рух іонів (окрім іонів, калію і кальцію) направлений у бік більш низького осмотичного тиску. В біологічних рідинах мінеральні речовини знаходяться в зв'язаному з білками (глобулінами або альбумінами) стані, у вигляді окремих іонів (активна форма) або солей.
В організмі відбувається безперервний обмін мінеральних речовин. В епіфізі, великій гомілковій кістці протягом 9 діб оновлюється до 11%, а за 50 діб – 28,6% фосфору. Протягом доби в організмі миші обмінюється приблизно 20% кальцію і 5% стронцію. 50% радіоактивного йоду в тканинах щитовидної залози обмінюється через 5 годин після введення, через 3 години з організму видаляється 13%, через добу – 50% радіоактивного йоду. Радіоактивне залізо, введене в організм, через декілька годин з'являється в гемоглобіні, а протягом 3 тижнів оновлюється до 60% заліза еритроцитів.
Таблиця 1.
Вміст мінеральних речовин у тваринних тканинах і органах
мг% на сиру тканину
Орган або тканина
К
Na
Ca
Mg
Cl
P

М'язи
360
72
7
23
66
220

Серце
250
185
10
17
135
270

Легені
150
250
17
7
260
120

Мозок
330
170
12
16
150
380

Печінка
215
190
12
22
160
210

Еритроцити
460
80

5
190
60

Нирки
175
175
20
21
220
140

Сироватка крові
20
335
10
2
370
15

Кісткова тканина
61
180
11000
105
190
5050

Зубна емаль
50
250
36000
400
300
17000


Кінцевий обмін мінеральних речовин. Продукти кінцевого обміну мінеральних речовин видаляються з сечею, потом і калом. Легені майже не беруть участь у видаленні цих продуктів. Основними факторами, які визначають інтенсивність кінцевого обміну мінеральних речовин, є їх надлишок в раціоні і питній воді, швидкість обміну органічних сполук, в які вони входять, наявність в організмі речовин, йому не властивих (ліків, мінеральних домішок). Частина мінеральних речовин у самок виділяється з молоком.
Через нирки з сечею виділяється натрій, калій, кобальт, кальцій, магній, вісмут, літій, сурма, хлор, бор, бром, йод, фтор, сірка та деякі інші елементи. Натрій і калій виділяються у вигляді хлоридів і сульфатів, сірка – у вигляді сульфатів і парних сполук, фосфор – у вигляді середніх і кислих солей ортофосфорної кислоти.
З калом виділяються головним чином залізо, кальцій, мідь, стронцій, алюміній, берилій, марганець, цинк, молібден і взагалі важкі метали у вигляді різних солей. Слизова оболонка кишок здатна виділяти лужноземельні солі фосфорної кислоти. Крім того, з калом виділяються з організму мінеральні речовини, які не потрібні організму і входять до складу раціону (кремнієва кислота, силікати, ін.).
Частина мінеральних речовин виділяється з потом. Мінеральні речовини виділяються у вигляді хлоридів, сульфатів, фосфатів та ін.
Стан мінерального обміну в організмі характеризує мінеральний баланс. У молодих організмів і вагітних він позитивний, у старих – негативний, у тих, що знаходяться на стадії морфо-функціональної зрілості і розквіту продуктивності, спостерігається мінеральна рівновага, тобто кількість мінеральних речовин, що виділяються з організму, рівна кількості тих речовин, що поступили з раціоном.
Регуляція мінерального обміну. Мінеральний обмін регулюється нервовою системою, залозами внутрішньої секреції і складом їжі.
Мінеральний обмін, перш за все, регулюється центральною нервовою системою. Встановлено, що видалення у експериментальних тварин кори великих півкуль різко зменшує кількість мінеральних речовин в кістках, м'язах і збільшує їх вміст в печінці. Зростає виділення солей кальцію, натрію, калію і заліза з сечею, калом і потом.
Участь залоз внутрішньої секреції в регуляції мінерального обміну досить значна. Зокрема, паратгормон регулює обмін кальцію, магнію і фосфору. Мінералокортикоїди кори наднирників беруть участь у регуляції обміну кальцію і натрію, а також виділення їх надлишку з сечею. Альдостерон регулює розподіл іонів натрію і калію між плазмою крові і клітинами: він сприяє переходу іонів натрію з клітин у плазму і переходу іонів калію з плазми крові в клітини. Під впливом антидиуретичного гормону задньої частки гіпофіза зменшується виділення сечі з організму і відбувається затримка мінеральних речовин в органах, тканинах і клітинах. Статеві гормони стимулюють діурез і сприяють виділенню надлишку мінеральних речовин з організму.
На обмін кальцію і фосфору впливає також наявність вітамінів групи D. Між окремими мінеральними речовинами існує синергізм і антагонізм. Так, якщо у ферментативних процесах іони K+, NH4+ або Pb2+ є активаторами (наприклад, для альдегіддегідрогенази), то іони Na+, Li+ – інгібіторами. Це типово також для іонів Mg2+ і Ca2+, Mn2+ і Zn2+, ін.
Патологія мінерального обміну. Розрізняють первинні і вторинні порушення обміну мінеральних речовин. Первинні порушення виникають при недостатній кількості або надлишку в їжі і воді окремих мінеральних речовин. Прикладом може бути ендемічний зоб, що виникає при недостатній кількості в раціоні йоду. Основною причиною карієсу зубів є недостатня кількість в їжі і воді фтору, флюороз виникає при надлишку фтору.
Вторинні порушення мінерального обміну виникають через порушення обміну інших речовин або нейрогуморальної регуляції. Так, при пухлинах головного мозку різко зменшується вміст мінеральних речовин у кістковій і м'язовій тканинах. При недостатній кількості в раціоні вітамінів групи D зменшується ступінь засвоюваності організмом кальцію і фосфору. Гіпофункція паращитовидної залози призводить до виникнення тетанії – захворювання, яке супроводжується зменшенням вмісту кальцію в крові і т.д.
Мінеральний обмін порушується при багатьох інфекційних і інвазивних хворобах, при захворюваннях харчового каналу, печінки, нирок, шкіри.
Значення і обмін деяких хімічних елементів

Макроелементи

Чотири макроелементи складають органічну основу живих організмів. Це кисень (62,43%), вуглець (21,15%), водень (9,86%) і азот (3,10%). Решту макроелементів прийнято вважати мінеральними. З них найбільше значення мають такі:
Кальцій. На частку кальцію доводиться майже третина всіх мінеральних речовин організму (1,9% загальної маси тіла). 97% кальцію зосереджено в скелеті у вигляді солей фосфорної і вугільної кислот. Близько 1 % кальцію знаходиться в іонізованому стані.
Всмоктування кальцію відбувається переважно в тонкій кишці. Інтенсивність всмоктування залежить від вмісту кальцію в раціоні, потреби і наявності вітаміну D. При нормальному складі раціонів всмоктується близько 50% кальцію. Вітамін D є складовою частиною білкового переносника – кальцій-зв’язуючого протеїну, який виконує при всмоктуванні три функції: стимулятора дифузії, носія і концентратора. Всмоктування відбувається в два етапи – поглинання кальцію клітинами кишкового епітелію і транспортування його до серозної оболонки. 40% кальцію організму зв'язано з альбумінами крові, які беруть участь в транспортуванні кальцію до тканин і клітин.
Кальцій бере участь у регуляції порозності ендотелію судин, у створенні структури кісткової тканини, в процесах зсідання крові. Він знижує збудливість нервової системи, стимулює діяльність серцевого м'яза, знижує проникність клітинних мембран, зменшує здатність колоїдів зв'язувати воду, бере участь у регуляції діяльності багатьох ферментів. Так, кальцій є інгібітором енолази і дипептидази, активатором лецитинази і актоміозин-АТФ-ази. При недостатній кількості в раціоні кальцію виникає гіпокальційемія. Вона супроводжується гіперфосфатеміею, підвищенням проникності клітинних мембран, остеопорозом, ламкістю і викривленням кісток, остеомаляцією, рахітом, судомами.
Обмін кальцію в організмі регулюється паратгормоном і кальцитоніном. Надлишок кальцію з організму видаляється з калом (в основному шляхом секреції слизових оболонок кишок) і сечею.
Фосфор. Вміст фосфору в організмі в середньому складає 1% загальної маси. В організмі фосфор є складовою частиною кісток і зубів, компонентом нуклеїнових кислот, фосфопротеїдів і фосфатидів, входить до складу буферних систем, макроергічних фосфатів і посередника гормональної регуляції (3', 5'-АМФ), бере участь в багатьох реакціях обміну речовин, перш за все, гліколізу, глікогенолізу і окислювального фосфорилування.
Всмоктується фосфор в проксимальній ділянці тонкої кишки. Для всмоктування фосфору необхідна наявність іонів Ca2+ і, мабуть, K+ в химусі. Всмоктування фосфору через стінку кишок здійснюється проти градієнта концентрації з участю білкових переносників. Фосфор, всмоктується у вигляді аніона РО3-4, поступає в кров, швидко поглинається печінкою, нирками, селезінкою, повільніше – нервовою, м'язовою і кістковою тканинами. Фосфор характеризується високим ступенем метаболізму, наприклад фосфор кісток і зубів оновлюється протягом 4 діб. Виділяється з сечею, калом і потом.
Обмін фосфору в організмі регулюється паратгормоном, частково – статевими гормонами. При недостатній кількості фосфору, порушенні співвідношення Ca:P або захворюваннях паращитовидної залози виникає рахіт, остеомаляція і фіброзний остит.
Mагній. Магній складає близько 0,05% загальної маси. В основному магній міститься в скелеті і м'яких тканинах. Магній входить до складу кісток і зубів, бере участь у функціонуванні нервово-м'язового апарату й імунобіологічних процесах, є складовою частиною і активатором багатьох ферментів (АТФ-ази м'язів, АХЕ, фосфатаз), регулятором окислювального фосфорилування, бере участь у біосинтезі білка (служить своєрідним містком між рРНК і тРНК+іРНК) і ацетилхоліну, діяльності мітохондрій, терморегуляції й ін.
Всмоктування магнію відбувається в шлунку і дванадцятипалій кишці. Мабуть, для кальцію і магнію існує одна і та ж система всмоктування (див. вище). Найкраще всмоктується магній молока. Дещо гірше всмоктується магній у вигляді солей MgSO47H2O і MgCO3. У крові знаходиться у вигляді іонів, солей і сполук з альбумінами і глобулінами. Депонується в печінці, потім поступає в м'язову і кісткову тканини. Магній – антагоніст кальцію. Виділяється з сечею, калом і потом у вигляді солей.
При недостатній кількості магнію виникає трав'яна тетанія або гіпомагнезія, яка виявляється в м'язових судомах, уповільненні росту, порушенні нервово-м'язової діяльності.
Калій. Його вміст в організмі досягає 0,22 – 0,23% загальної маси. Калій бере участь в підтримці осмотичного тиску всередині клітини, передачі нервових імпульсів, регуляції скорочень серцевого й інших м'язів, входить до складу буферних систем крові і тканин, підтримує гідратацію іонів і колоїдних частинок, активує діяльність багатьох ферментів (АТФ-ази, піруват- і фруктокіназ й ін.), є складовою частиною натрій-калієвого насоса.
Найбільше калію зосереджено в тканинах печінки, нирок, шкіри, м'язів і нервової системи. Калій в основному зосереджений у клітинах (540 – 620 мг%), мало його в міжклітинній рідині (15,5 – 21 мг%). Знаходиться у вигляді солей – хлоридів, фосфатів, карбонатів і сульфатів, в іонізованому стані і у зв'язаному стані з білками або іншими органічними сполуками.
Всмоктування калію відбувається всіма частинами харчового каналу. Через кишкову стінку калій проникає в результаті дифузії. Екзогенний калій спочатку потрапляє в міжклітинний простір, потім у кровоносну систему і печінку. Надлишок калію з організму видаляється з сечею, калом і потом.
Обмін калію в організмі регулюється мінералокортикостероїдами кори наднирників. Гіперкаліємія спостерігається при посиленому розпаді тканин, травмах, інфекціях, порушеннях регуляції з боку наднирників. При цьому гальмуються реакції гліколізу, клітинне дихання, окислювальне фосфорилування, збудливість, наступає інтоксикація. Гіпокаліємія виникає при недостатній кількості калію і виявляється у вигляді блювоти, ентеритів і ін. Це призводить до появи парезів, паралічів, нефриту і ін.
Натрій. Обмін натрію тісно пов'язаний з обміном калію. Його вміст в організмі складає 0,08% загальної маси. Натрій є складовою частиною буферних систем, разом з калієм бере участь у створенні в організмі і його клітинах відповідного осмотичного тиску, в підтримці кислотно-лужної рівноваги і проведенні нервових імпульсів. Невелику кількість гідрокарбонату натрію секретують слинні і підшлункова залози. Він і створює необхідну реакцію середовища для процесів травлення в ротовій порожнині і кишках. Натрій поступає в організм в основному у вигляді хлориду натрію. Основна маса натрію зосереджується в плазмі крові, лімфі, лікворі й інших біологічних рідинах у вигляді хлоридів, гідрокарбонатів, фосфатів і т.д. Багата натрієм шкіра, легені, мозок.
Велика кількість натрію всмоктується в тонкій кишці, а також в шлунку і товстій кишці. Натрій проникає через стінку кишок проти градієнта концентрації з участю спеціальних переносників. 90 – 95% поглиненого натрію виділяється з сечею, 5 – 10% – з калом і потом.
Обмін натрію в організмі регулюється альдостероном. Гіпонатріємія виникає при недостатній кількості натрію в раціоні, посиленій роботі, діабеті, захворюваннях наднирників. Це призводить до ослаблення апетиту, млявості, зменшення продукції залозами дна шлунку соляної кислоти, посиленої евакуації химуса з шлунку в кишки, гальмуванню виділення соку підшлункової залози. Гіпернатріємія виникає при зменшенні реадсорбції натрію в ниркових канальцях і порушенні інкреції альдостерону або антидиуретичного гормону гіпофіза. Розвиваються набряки в тканинах. Ці явища спостерігаються при нефриті, цирозах печінки, міо- і перикардитах.
Хлор. Хлор складає близько 0,08% загальної маси. Бере участь у регуляції осмотичного тиску, служить компонентом для синтезу соляної кислоти залозами шлунку. Є активатором амілази і поліпептидази. Всмоктується хлор головним чином у тонкій кишці. Концентрується в позаклітинних рідинах (до 85%), усередині клітин хлор в основному зосереджений в еритроцитах. Найбільше хлору міститься в сироватці крові. В організмі в середньому утримується 31% спожитого хлору. Надлишок хлору видаляється з сечею, калом і потом.
Обмін хлору в організмі регулюється мінералокортикоїдами кори наднирників.
Сірка. Вміст сірки в організмі коливається від 0,08 до 0,5% загальної маси. Сірка – складова частина багатьох білків, глутатіону, коензиму А, вітамінів, мукополісахаридів, деяких жовчних кислот, сульфатидів, парних сполук і ін.
Поступає з їжею у вигляді органічних (білків, амінокислот, вітамінів) і неорганічних (сульфатів) сполук. З неорганічних сполук сульфат-іони відразу ж всмоктуються кишками. Частина сірки засвоюється бактеріями харчового каналу і перетворюється в органічну. Органічні сірковмісні сполуки (білки, пептиди) організм засвоює після попереднього їх розщеплення в харчовому каналі. Частина екзогенної сірки нагромаджується в організмі у вигляді біологічно активних речовин.
Сірка бере участь в біосинтезі кератинів шерсті і волосся, в утворенні багатьох білків, гормонів, хондроітинсірчаної і таурохолевої кислот. Деяка частина сірки піддається окисленню, перетворюючись на сірчану кислоту, яка використовується клітинами печінки для нейтралізації токсичних продуктів у вигляді парних сполук – фенолсірчаної кислоти, тваринного індикана. З організму сірка виводиться з сечею, калом, потом у вигляді сульфатів або ефірів з фенолами. При недостатній кількості сірки спостерігається втрата апетиту, випадання шерсті і волосся, слюно- і сльозотеча й ін.

Мікроелементи

Йод. В організмі йоду міститься до 0,027% загальної маси. Йод необхідний для синтезу гормонів щитовидної залози. В організм йод поступає з кормом, водою і повітрям. Всмоктується в шлунку і проксимальних ділянках харчового каналу. Йодиди всмоктуються швидше, ніж йод, зв'язаний з білками і амінокислотами. Частина йоду всмоктується за допомогою білкових переносників. У крові міститься 0,5 – 10 мкг% йоду. До 90% всього йоду поглинається щитовидною залозою, інше – тканинами тонкої кишки, нирок, яєчників, плаценти, шкіри, волосся і шерсті. Найбільше йоду міститься в тканинах щитовидної залози, печінки, шкіри, нирок, яєчників, лімфовузлів і кори великих півкуль. Близько 2/3 йоду крові знаходиться у вигляді тироксина, ди- і трийодтиронінів, решта йоду зв'язана з білками, в основному з альбумінами.
Характеризується інтенсивним обміном (після введення 131J він через 10 – 15 хв з'являється в щитовидній залозі).
Надлишок йоду з організму видаляється з сечею, потом, молоком, калом, повітрям, що видихається.
Обмін йоду в організмі регулюється тиреотропним гормоном гіпофіза. Через нестачу йоду розвивається ендемічний зоб, гальмується основний обмін, окислювальне фосфорилування, пригнічується синтез білка, патологічно відкладається жир, сповільнюється ріст.
Фтор. В організмі фтор складає 0,009% загальної маси. Бере участь в утворенні опорних тканин, особливо кісткової, і зубів. Впливає на активність багатьох ферментів і на обмін речовин в цілому.
В організм поступає більше з водою, ніж з їжею. В харчовому каналі всмоктується до 80% екзогенного фтору. Швидко поглинається спочатку щитовидною залозою, потім нирками і наднирниками. Депонується в емалі зубів, дентині, діафізах і епіфізах кісток, селезінці, волоссі і шерсті, плазмі крові, еритроцитах, лікворі і молоці у вигляді фторапатита й інших сполук. З віком вміст фтору в організмі зростає. Основна маса фтору депонується в кістках (до 95%). Виділяється з сечею, калом і потом.
При недостатній кількості фтору в раціоні і питній воді розвивається карієс зубів і остеопороз кісток. Надлишок фтору в раціоні і питній воді призводить до фторозу зубів (поява темних плям на зубній емалі) і їх швидкому зношуванню, деформації кісток скелета і суглобів, обмеженню рухливості і виникненню парезів.
Залізо. В організмі залізо складає до 0,005% загальної маси. В основному воно зосереджено в гемоглобіні, феритині і гемосидерині, міоглобіні, цитохромах, каталазі, трансферинах і інших сполуках. Залізо є складовою частиною багатьох білків, необхідним мікроелементом для кровотворення і біологічного окислення. В організм поступає з їжею й питною водою.
Всмоктування відбувається в тонкій кишці, шлунку і частково в товстій кишці. Спочатку залізо поглинається слизовою оболонкою кишок, потім за допомогою білкових переносників або іншим шляхом проникає в кров. На адсорбцію заліза впливають різні екзо- і ендогенні чинники. Під впливом HCl шлункового соку іони Fe2+ перетворюються на іони Fe3+ і за допомогою феритину слизових оболонок всмоктуються. Близько 90% концентрується в червоному кістковому мозку, де використовується для утворення еритроцитів. Частина заліза депонується в печінці, селезінці, стінці кишок у вигляді феритинів і гемосидерина. Надмірний зміст заліза виділяється з калом, частково з сечею, молоком, у птахів – у складі яйця.
Обмін заліза в організмі регулюється центрами гіпоталамуса на рівні ретикуло-ендотеліальної системи і печінки. Вміст заліза в крові зменшується при анеміях, отруєннях гемолітичними отрутами, гемолітичних жовтяницях. Іноді в організмі відкладається екзогенне залізо (у вигляді Fe2O3).
Цинк. Кількісний вміст цинку в організмі складає 0,003% загальної маси. Цинк – складова частина металоензимів: дегідрогеназ, пептидаз, трансфосфорилаз, карбангідрази, урикази, фосфатаз, альдолази, уреази. Є активатором і інгібітором багатьох ферментів. Зокрема, цинк активує каталітичну дію аргінази, енолази, лецитинази, дегідро-, три- і амінопептидаз. Він входить до складу молекули інсуліну, активує дію адреналіну, тестостерону, фолікуліну, пролану, антидиуретичного і гонадотропного гормонів. З наявністю Zn в організмі пов'язані процеси клітинного дихання, росту і розвитку, обмін білків, нуклеїнових кислот, ліпідів і вуглеводів, імунітет, гемопоез, енергетичний обмін.
В організм цинк поступає головним чином у складі раціону. Всмоктується в тонкій кишці. Депонується в печінці, після чого поступає до інших органів і тканин. В організмі знаходиться у вигляді комплексних сполук з білками. Найбільше цинку міститься в тканинах ока, особливо в сітківці (249,5 мг%), а також печінці, підшлунковій залозі, аорті (161,6 мг%), селезінці. Кров і нервова тканина бідні на цинк.
Обмін цинку в організмі регулюється щитовидною залозою. При недостатній кількості цинку в раціоні сповільнюється ріст, випадає шерсть і волосся, виникають дерматити, анемія, наступає безплідність, виснаження. Вміст цинку в тканинах зростає при аноксії і асфіксії, зменшується – при лейкозі, ракових захворюваннях, нефриті, гепатитах, артритах.
Кобальт. В організмі міститься 0,000001 – 0,000075% від загальної маси. Кобальт – складова частина металоензимів: ізомераз, транскарбоксилази, гліцилгліциндипептидази. В багатьох реакціях обміну речовин він є активатором ферментів: піруваткарбоксилази, рибофлавінкінази, кісткової лужної фосфатази, аргінази й ін. Кобальт – складова частина вітаміну B12, інсуліну й інших речовин. Активує процеси кровотворення, прискорює ріст, синтез нуклеїнових кислот і м'язових білків, асиміляцію азоту і основний обмін.
В організмі всмоктується в харчовому каналі. Тут же він використовується мікробами для біосинтезу вітаміну B12. Після надходження в кровоносне русло депонується спочатку в печінці, потім в інших органах: у підшлунковій і вилочковій залозі, нирках, селезінці, наднирниках. Видаляється з організму з сечею, секретами харчового каналу і жовчю. Відсутність кобальту в раціоні призводить до акобальтозу (сповільнюється ріст, знижується продуктивність, розвивається анемія).
Мідь. В організмі міститься близько 0,00015% міді. Мідь входить до складу багатьох білків печінки, червоного кісткового мозку, плаценти, молока, пігментів і металоензимів: ЦХО, тирозинази, аскорбіноксидази, аскорбінкінази, альдолази й ін. Мідь бере участь у біосинтезі гемоглобіну, еластину, ферментів каталази і пероксидази. В організмі мідь знаходиться в зв'язаному (в основному з білками) і вільному (у вигляді іонів) стані. Іони Cu2+ володіють окислювальними властивостями: вони можуть перетворювати сульфгідрильні групи в дисульфідні. Іони Cu2+ гальмують дію лужної фосфатази, амілаз, ліпаз, пепсину,
·-глюкуронідази і прискорюють окислення вітаміну С. Вітамін А і каротиноїди інактивують каталітичну дію міді. Мідь посилює використання тканинами вітамінів E і К, активує дію інсуліну і гальмує дію адреналіну, стимулює діяльність гормонів гіпофіза, усуває токсичну дію тироксина.
Всмоктується мідь у шлунку і тонкій кишці. Інтенсивність всмоктування залежить від складу раціону. Солі міді з амінокислотами і жирними кислотами всмоктуються краще, ніж солі мінеральних кислот. Транспортується мідь білками крові, в основному альбумінами, в купферовські клітини печінки, де і депонується. З печінки мідь поступає до інших органів і тканин. Надлишок міді виділяється з жовчю через кишки, нирками, шкірою, слизовими оболонками дихального апарату. У самок під час лактації частина міді виділяється з молоком.
При недостатній кількості міді розбивається анемія, порушуються функції нервової, м'язової, кровоносної і статевої систем. Надлишок міді в раціонах призводить до отруєнь – метгемоглобінемії, жовтяниці, гемоглобінурії.
Бром. В організмі брому міститься до 0,002% загальної маси. Бром бере участь в регуляції нервової діяльності – посилює процеси гальмування і еякуляції. Він є інгібітором амілаз.
В організм поступає з їжею, водою і повітрям (узбережжя морів і океанів). Основним місцем всмоктування брому є тонка кишка. Депонується в печінці, потім поступає до інших органів і тканин.
За певних умов бром може витісняти йод з його органічних похідних, що призводить до йодної недостатності. Адреналін затримує виведення брому з організму. Надлишок брому видаляється з організму з сечею, калом і потом, молоком.
Бор. В організмі бор складає 0,000001 – 0,00001% загальної маси. Найбільше його міститься в зубах і кістках (16 – 138 мг/кг сухої речовини). Біологічна роль бору повністю не з'ясована. Відомо, що бор уповільнює азотний обмін, сприяє відкладенню жиру, посилює гіпоглікемічний ефект інсуліну, інактивує діяльність деяких ферментів (лужної фосфатази, уреази, аргінази, холінестерази), інактивує дію вітамінів B2 і B12.
Бор поступає в організм з їжею і питною водою. Всмоктується в тонкій кишці. Близько 50% депонується в кістках і інших органах. Надлишок бору виділяється з сечею і частково з калом. При підвищеному вмісті бору виникають борні ентерити, нефрит, гепатити, стерильність, набряки мозку.
Марганець. В організмі ссавців марганцю в середньому міститься 0,00005% загальної маси. Марганець посилює процеси зсідання крові, кровотворення, біосинтез нуклеїнових кислот, білків, холестерину, антитіл. Він є складовою частиною деяких металоензимів: аргінази, глутамілтрансферази, дипептидази, ізоцитратдегідрогенази, карбоксилази й ін., активатором глюкокінази, фосфатаз і гексокіназ. Стимулює дію гормонів передньої частки гіпофіза, андрогенів, інсуліну. Активує ряд реакцій гліколізу і циклу трикарбонових кислот.
Марганець поступає в організм з їжею і частково з водою. Всмоктується в тонкій кишці, потім з током крові поступає в печінку й інші органи і тканини. В м'язах і крові концентрація марганцю зазвичай не перевищує 1 мг/кг. Велика частина екзогенного марганцю виділяється з жовчю в кишечник, решта – з сечею, потом, у самок – з молоком, у самців – з еякулятом.
При недостатній кількості марганцю зменшуються процеси росту, окостеніння, розвивається анемія, тетанія, знижується молочна продуктивність. Надлишок марганцю призводить до виникнення марганцевого рахіту.
Молібден. В організмі вміст молібдену визначається стотисячними частками відсотка по відношенню до загальної маси. Молібден бере участь в окисно-відновних процесах, входить до складу молекул деяких ферментів, впливає на обмін пуринових і піримідинових основ, білків, ліпідів, вуглеводів, вітамінів і ін.
В організмі молібден всмоктується всіма частинами харчового каналу, потім з током крові поступає в печінку й інші органи. Міститься в кістках (0,2 – 12 мг/кг сухої маси), печінці, жовчі. Багата молібденом біла і сіра речовина мозку, підшлункова і щитовидна залози, сім’яники. Надлишок молібдену виділяється з сечею, калом і потом, у самок – з молоком.
При підвищеному вмісті молібдену виникає токсикоз, який виявляється в порушеннях пуринового обміну і сильному виснаженні. При токсикозі порушується міцність кісток, виникає анемія, у самців гальмується сперматогенез, розвивається безплідність.
Селен. Більшість тварин містить до 0,0000035 – 0,000035% селену по відношенню до загальної маси. Селен володіє антиоксидантними властивостями, бере участь в окислювальному фосфорилуванні, разом з вітаміном E виконує функції каталізатора в процесах перенесення електронів, у комплексі з вітамінами А і E виявляє радіозахисну дію, бере участь в імунобіологічній реактивності організму і виробленні стійкості до анафілактичного шоку, гальмує дію цитратгідролази, підвищує сприйняття сітківкою ока світлового проміння.
Селен всмоктується всіма частинами харчового каналу. З білками селен всмоктується легше, ніж з неорганічними сполуками. В процесі всмоктування беруть участь білкові переносники. Частина мінеральних солей селену під впливом ферментів мікрофлори включається в амінокислоти і у такому вигляді всмоктується. В організмі селен транспортується спочатку альбумінами крові, потім
·- і
·-глобулінами. Близько 80% селену поглинається еритроцитами, решта маси депонується клітинами нирок, печінки і інших органів. У крові селен знаходиться у складі сполук з білками, пептидами і амінокислотами, а також у вигляді вільних іонів. Видаляється соками кишок, з повітрям, що видихається, частково з сечею, у самок – з молоком. Підвищений вміст селену призводить до токсикозу, який проявляється у вигляді гострої і хронічної форм. При цьому порушується діяльність оксидоредуктаз (особливо СДГ), біосинтез метіоніну, ріст покривних і опорних тканин, виникають анемії. Недостатня кількість селену призводить до виникнення білом’язової хвороби, коли атрофується скелетна мускулатура, з'являється безплідність, ексудативний діатез і некротична дегенерація печінки.
Хром. Відноситься до життєво необхідних елементів. Його вміст в організмі може досягати 0,001 – 0,0001%. Є дані про участь хрому в остеогенезі, обміні нуклеїнових кислот і вуглеводів, у регуляції діяльності щитовидної залози. Хром бере участь в процесах кровотворення, активує трипсиноген, посилює гіпоглікемічну дію інсуліну.
В організмі хром всмоктується в кишках. До 50% хрому депонується в кістках, м'язах і шкірі. Багато хрому міститься в гіпофізі (3 мг%), щитовидній і підшлунковій залозах, наднирниках і яєчниках. З організму видаляється в основному з сечею, частково – з калом і потом, у лактуючих самок – з молоком.
Великі дози хрому (особливо шестивалентного) викликають отруєння.
Нікель. В організмі нікелю міститься 0,000001%. Біологічне значення цього мікроелемента вивчено недостатньо. Відомо, що він активує аргіназу, впливає на окислювальні процеси. В організм поступає з їжею, частково з водою. Всмоктується в основному в тонкій кишці. Нагромаджується в печінці, нирках, підшлунковій залозі й інших органах. З організму виводиться з калом, сечею і потом.
При надмірній кількості розвивається токсикоз, який найчастіше виявляється в кератитах і керато-кон'юнктивітах. На ураженій роговій оболонці ока розвиваються язви або більмо. Захворювання зазвичай завершується сліпотою.
Миш'як. Вміст миш'яку в організмі досягає 0,0000008 – 0,00002% загальної маси. Біологічна роль миш'яку вивчена недостатньо. Встановлено, що він бере участь в реакціях гліколізу, окислювальному розпаді складних вуглеводів, бродінні й інших процесах. Арсенати прискорюють реакції гліколізу і розпад гексозофосфатів, арсеніти гальмують окисно-відновні реакції і процеси дихання еритроцитів.
Всмоктується у складі органічних сполук на 50% швидше, ніж у складі мінеральних. Депонується в шкірі і її похідних, щитовидній залозі, печінці, міокарді, слизовій оболонці матки. З організму миш'як виводиться в основному з сечею, потом, калом, у лактуючих самок – з молоком.
Його надлишок викликає отруєння: втрату апетиту, дерматити, паралічі, і смерть. Ссавці більш чутливі до цього, ніж птахи.
Стронцій. В золі, одержаній при спалюванні тіла тварин, міститься 0,0005% стронцію. Цей мікроелемент бере участь в остеогенезі, процесах зсідання крові та деяких ферментативних реакціях як інгібітор або активатор.
В організмі стронцій всмоктується в краніальній частині тонкої кишки. Нагромаджується в кістковій тканині, частково в інших органах і тканинах. З віком його кількість в організмі зростає. У жуйних надлишок стронцію з організму видаляється переважно з калом, у людини і мавп – з сечею. Багато стронцію містять жовчне і ниркове каміння.
При надлишку стронцію виникає стронцієвий рахіт: сповільнюється ріст, наступає виснаження організму, розм'якшуються кістки і виникають переломи. При цій хворобі іони Sr2+ витісняють іони Ca2+ з молекул апатиту в кістковій тканині. Велику небезпеку для організму представляє 90Sr – радіоактивний стронцій, який швидко всмоктується і може нагромаджуватися в кістках, сприяючи розвитку лейкемії і ракових захворювань. Накопичення 90Sr можна загальмувати, обмежуючи наявність в раціоні вітамінів групи D і збільшуючи вміст в організмі фосфору і кальцію.
В тканинах організму знайдені й інші мікроелементи: ванадій, олово, рубідій, цезій, титан, ртуть, срібло, золото, свинець, уран і ін. Однак біологічна роль їх вивчена недостатньо.















Лекція № 16. Обмін речовин як єдине ціле.

Біохімічні перетворення різних речовин у тваринних організмах взаємозв'язані. Порушення обміну якої-небудь однієї групи речовин, наприклад нуклеїнових кислот, як правило, спричиняє за собою зміну обміну речовин організму в цілому. Відомо, що обмін речовин складається з двох процесів: асиміляції і дисиміляції. У молодого організму, який росте, процеси асиміляції переважають над процесами дисиміляції. У дорослих тварин між процесами асиміляції і дисиміляції встановлюється динамічна рівновага. У старіючих і хворих – розпад речовин переважає над їх синтезом.
Реакції обміну речовин, що протікають в організмі, характеризуються високим ступенем узгодженості. Вони являють собою впорядковану і цілісну систему, яка склалася в результаті тривалої еволюції живого світу, закріпилася генетично і передається від покоління до покоління. Обмін речовин є закономірним порядком перетворень речовин і енергії в організмі.
Взаємозв'язок і взаємообумовленість реакцій обміну речовин координуються центральною нервовою системою і залозами внутрішньої секреції, які утворюють чітку систему нейрогуморальної регуляції асиміляції і дисиміляції. Регуляція здійснюється за допомогою ферментів, гормонів, цАМФ, медіаторів нервового збудження, загальних продуктів біохімічних реакцій. Кожна ферментативна реакція – це ланка відповідного метаболічного циклу, а всі метаболічні шляхи в сукупності складають обмін речовин. Біохімічні реакції також взаємозв'язані і протікають в певному порядку і послідовності. Так, обмін нуклеїнових кислот, білків, ліпідів, вуглеводів на перших етапах відбувається різними шляхами, але у результаті утворюються одні й ті ж кінцеві продукти. При окисленні всіх органічних речовин в організмі утворюються СО2 і Н2О, а при окисленні нуклеїнових кислот і білків, крім того, азотовмісні сполуки: сечовина, сечова кислота та ін.
Одним з „вузлових” метаболітів, який як би стоїть на перетині багатьох метаболічних шляхів, є піруват. В одних випадках ним завершується розщеплення складних речовин (наприклад, глікогену), в інших – починається біосинтез. Взаємозв'язок різних видів обміну в основному здійснюється через реакції циклу трикарбонових кислот. З окремих метаболітів, що містяться в клітинах, при необхідності утворюються структурні одиниці нуклеїнових кислот, білків, вуглеводів, ліпідів і т.д.
Взаємозв'язок обміну нуклеїнових кислот із обміном інших речовин. Обмін нуклеїнових кислот пов'язаний з іншими видами обміну речовин. Зокрема, інтенсивність біосинтезу залежить від наявності в клітині відповідної „сировини” і білків-ферментів: ДНК- і РНК-полімераз, полінуклеотидфосфорилази, синтетаз пуринових і піримідинових основ та ін. При розпаді пуринових основ утворюється гліоксилова кислота, з якої утворюється гліцин. При розпаді піримідинових основ утворюється (-аланін – джерело утворення пантотенової кислоти і коензима А. Гліцин і (-аланін можуть служити матеріалом для біосинтезу білків.
Існує зв'язок між обміном нуклеїнових кислот і вуглеводів. Так, D-рибоза і D-дезоксирибоза використовуються для біосинтезу нуклеозидів, нуклеотидів і нуклеїнових кислот. Біосинтез вуглеводів залежить від біосинтезу нуклеїнових кислот. Частина УТФ використовується для утворення уридиндифосфоглюкози – основи для біосинтезу поліглюканів.
(-Окислення вищих жирних кислот дає клітині макроергічні сполуки – нуклеозиди- і нуклеозидтрифосфати, які є джерелами хімічної енергії для утворення багатьох речовин. Біосинтез деяких фосфоліпідів залежить від ЦТФ.
Утворення нейтральних жирів із вуглеводів. Вуглеводи служать джерелом утворення жирів. Зв'язуючими ланками переходу вуглеводів у жири і назад є піруват і ацетил-КоА. З них залежно від потреби організму можуть утворюватися інші ліпіди. Гліцерин може утворюватися шляхом відновлення 3-фосфогліцеринового альдегіду або фосфодіоксіацетона (продуктів глікогеноліза або гліколіза). З піровиноградної кислоти утворюється ацетил-КоА, а з нього – вищі жирні кислоти.
Утворення вуглеводів із жирів. Вуглеводи в організмі можуть синтезуватися з жирів. Цей процес має особливе значення для тварин, які впадають в зимову сплячку. Запаси жиру у цих тварин до моменту сплячки досягають 50% загальної маси, дихальний коефіцієнт взимку низький – 0,4 – 0,6. Під впливом клітинних ліпаз жир гідролізується. Гліцерин окислюється в гліцериновий альдегід, який фосфорилується і може бути джерелом утворення глюкози і глікогену. З вищих жирних кислот при (-окисленні утворюється ацетил-Ко А, з нього – піруват і інші речовини, характерні для анаеробіозу. З глюкози утворюється, глікоген, ацетил-КоА виникає при розпаді інших ліпідів.
Утворення білків із вуглеводів. Між вуглеводним і білковим обміном існує взаємозв'язок через загальні метаболічні шляхи перетворення:

І в даному випадку ключовим продуктом обміну є піруват, з якого можуть утворитися аланін, фенілаланін, тирозин, триптофан, гістидин та ін. Крім того, з пірувата утворюється щавелевооцтова кислота, з якої синтезується аспарагінова. В ході функціонування циклу трикарбонових кислот утворюється (-кетоглутарова кислота, з якої синтезується глутамінова, і т.д. Процеси перетворення вуглеводів у білки і білків у вуглеводи регулюються глюкокортикоїдами.
Єдність обміну речовин в організмі. Обмін різних речовин в організмі є єдиним цілим. Залежно від потреб організму в тканинах і клітинах із загальних продуктів хімічних реакцій можуть синтезуватися необхідні для життєдіяльності речовини. Ведуча роль в цих процесах належить ферментам. Наявність у клітині ДНК забезпечує передачу генетичної інформації і сувору специфічність у структурі найважливіших біополімерів. При розщепленні вуглеводів і ліпідів, а іноді і білків, поновлюються запаси АТФ та інших макроергічних сполук.
Таким чином, живий організм є саморегульованою системою, яка за рахунок безперервного обміну речовин забезпечує своє існування. Порушення реакцій обміну і діяльності цієї системи призводить до патології.






































Лекція № 17. Контроль і регуляція метаболізму.

Живі організми – відкриті системи, важливою умовою існування яких є підтримання сталості складу внутрішнього середовища, стабільності біохімічних параметрів, що визначають поняття гомеостазу. Все це забезпечується за участю специфічних внутрішніх та зовнішніх факторів у процесі тісної взаємодії організму з навколишнім середовищем. Забезпечення регуляції процесів життєдіяльності є необхідною умовою існування організмів. Злагоджений перебіг біохімічних перетворень, їх тісний взаємозв'язок і взаємозумовленість, можливість взаємоперетворення різних класів органічних сполук, швидка мобілізація внутрішніх резервів організму забезпечує існування живих організмів в умовах взаємодії їх з навколишнім середовищем.
При зміні умов навколишнього середовища включаються механізми, які забезпечують динамічну стабілізацію основних параметрів, що визначають життєдіяльність. Механізми регуляції сформувались у процесі тривалої еволюції і відповідають завданню максимального виживання організму. Дані механізми включаються на самих ранніх рівнях організації живих систем і здійснюються на молекулярному, субклітинному, клітинному та організменному рівнях. Для кожного з них характерні певні специфічні закономірності та загальні принципи, що реалізуються як на рівні окремих клітин, так і на рівні організму в цілому. Розрізняють декілька рівнів регуляції процесів життєдіяльності – метаболітний, оперонний, клітинний, організменний, популяційний та ін.
Регуляція на рівні мембрани
У дослідженнях на бактеріях вдалося точно охарактеризувати механізми, що забезпечують активне і специфічне проникнення в клітину деяких метаболітів завдяки участі в них білків пермеаз, які переносять ці метаболіти через мембрани. Деякі з пермеаз, наприклад білок М, що відповідає за активне перенесення
·-галактозидів, вже стають відомі. Значно менше вивчений активний специфічний транспорт субстратів всередину тваринних клітин. Наведемо декілька прикладів.
– Всмоктування вуглеводів в кишечнику є специфічним і активним процесом. Швидкість всмоктування для різних вуглеводів неоднакова. Активний транспорт забезпечує всмоктування вуглеводів тільки D-ряду. Глюкоза і галактоза переносяться активно, але фруктоза не піддається активному транспорту.
– Проникнення вуглеводів усередину клітини ставить складні проблеми. В загальному, фундаментальне значення тут приписують інсуліну. Цей гормон сприяє активному надходженню глюкози і галактози, але не фруктози. Гіперглікемія, яка спостерігається при панкреатичному діабеті, частково пояснюється порушенням транспорту глюкози в клітини.
– Рух води і іонів в нирках до певної міри знаходяться під гормональним контролем. Іони Na+ реабсорбуються в основному в проксимальній частині каналу, проте частина їх абсорбується і на дистальній ділянці. Ця остання реабсорбція активується альдостероном. Реабсорбція іонів Na+ супроводжується секрецією іонів К+. Вазопресин сприяє проходженню води через мембрани, стимулюючи також і реабсорбцію води в нирках.
– Мембрана нервового волокна володіє вибірковою проникністю по відношенню до іонів. Зміни проникності відповідальні за формування току дії нервового імпульсу.
Мембрани беруть участь в регуляції ще і завдяки іншим своїм властивостям, частково зв'язаним між собою, а саме:
– здатність мембран фіксувати гормони. Мембрани різних типів клітин містять специфічні ділянки фіксації (рецептори) нестероїдних гормонів. Наявність специфічного для даного гормону рецептора на мембрані обумовлює активність цього гормону в клітині.
– ферментативній активності мембран. Клітинні мембрани містять ферменти; деякі з них, наприклад аденілатциклаза, зв'язані з рецепторами гормонів. Інші ферменти, такі, як АТФ-ази, беруть участь у проникненні іонів до клітини.
– участь у регуляції клітинного росту, ймовірно за допомогою регуляції синтезу ДНК. Контактне гальмування здійснюється через посередництво мембрани.
Регуляція за участю циклічного АМФ (цАМФ)
цАМФ відіграє основну регуляторну роль на різних рівнях. Синтез цАМФ сам по собі є об'єктом регуляції. Цей синтез управляється мембранним ферментом – аденілатциклазою, активність якого контролюється гормонами, що фіксуються на специфічних ділянках мембрани. Молекули цАМФ відіграють, таким чином, роль „вторинних вісників” цих гормонів. Два гормони, які впливають на одну і ту ж клітину шляхом активації аденілатциклази, наприклад адреналін і глюкагон у печінці, володіють однаковою фізіологічною активністю. цАМФ гальмується ферментом фосфодіестеразою, який наявний в цитозолі і в плазматичній мембрані. Вважають, що дія цАМФ у еукаріот завжди виявляється через посередництво тієї або іншої протеїнкінази, яку він активує. Специфічність різних протеїнкіназ дуже різноманітна. Вони локалізовані головним чином у цитозолі, плазматичній мембрані і в білках хроматина (останні, проте, не активуються цАМФ). Перерахуємо основні види регуляторної активності цАМФ:
– Метаболічна роль. цАМФ активує глікогеноліз і ліполіз і гальмує глікогеногенез.
– Дія на синтез і виділення гормонів. Виділення гіпофізарних гормонів знаходиться під контролем гормонів гіпоталамуса. Гіпофізарні гормони направляють синтез і виділення гідрокортизону, статевих гормонів і тиреоїдних гормонів. Всі ці явища управляються цАМФ, який стимулює також і виділення інсуліну.
– Дія на секрецію. цАМФ стимулює секрецію амілази, НСl, шлункового соку, простагландину і кальцитоніну.
– Дія на мембранну проникність. Вазопресин і окситоцин сприяють проникненню води і активному транспорту іонів Na+. цАМФ діє також на синаптичні мембрани і тим самим на проведення нервового імпульсу.
– Дія на білковий синтез. цАМФ активує протеїнкінази, які фосфорилують рибосомальні білки, проте наслідки цього фосфорилування невідомі. цАМФ стимулює синтез певних білків, наприклад синтез тирозинтрансамінази. Він, є медіатором індукції ферментів деякими гормонами.
– Дія на транскрипцію. Ця дія добре вивчена у бактерій. У еукаріот вона менш очевидна, хоча фосфорилювання білків хроматина і стимулює транскрипцію, але протеїнкинази хроматина нечутливі до цАМФ.
– Дія на ріст клітин. цАМФ є інгібітором клітинного росту. Чим швидше росте клітина, тим менше вона містить цАМФ. цАМФ, ймовірно, бере участь у контактному гальмуванні. Ракові клітини бідні цАМФ. Додавання цАМФ до ракових клітин уповільнює їх ріст і сприяє нормалізації їх морфології.
– Дія на гладеньку мускулатуру і серцевий м'яз. цАМФ викликає пониження тонусу гладеньких м'язів. Для серцевого м'яза він є медіатором дії норадреналіну.
– Дія на агрегацію клітин. цАМФ гальмує агрегацію кров'яних пластинок, стимулює дисперсію меланофорів шкіри, викликаючи її пігментацію.
– Вплив на рухливість. цАМФ стимулює рухливість сперматозоїдів і найпростіших. Він проявляє свою активність в мікротрубочках, що відповідають за переміщення внутрішньоклітинних компонентів.
Метаболічний рівень регуляції
Метаболічний рівень регуляції забезпечує узгодженість процесів обміну за рахунок зміни концентрації метаболітів. Метаболіти – це низькомолекулярні сполуки, які потрапляють в організм з продуктами харчування або утворюються в результаті послідовних ферментативних перетворень різних сполук. Оскільки основна маса метаболітів утворюється внаслідок ферментативних перетворень, то даний рівень регуляції забезпечується за рахунок заміни активності ферментних систем.
Регуляція активності ферментних систем здійснюється кількома шляхами – за участю специфічних і неспецифічних механізмів та зміни об'єму синтезу ферментів. Перший та другий механізми регуляції включають ізостеричну та алостеричну взаємодію, а також вплив температури, значення рН, концентрації субстратів та ін. Зміна об'єму синтезу ферментів забезпечується, як правило, за рахунок індукції та репресії.
Зміна концентрації субстратів досягається переважно за рахунок компартменізації, скоординованості біохімічних перетворень у просторі і часі. Окремі біохімічні перетворення локалізовані на певних ділянках клітин – в органелах, цитоплазмі чи мембранних системах, де і зосереджені відповідні ферментні системи. Синтез білка здійснюється на рибосомах, гліколіз – у цитоплазмі, процеси біологічного окислення – на внутрішній мембрані мітохондрій. Завдяки цьому численні біохімічні перетворення, досить часто зовсім протилежні (розщеплення і синтез), здійснюються одночасно, не заважаючи один одному, тобто за рахунок компартменізації забезпечується просторова скоординованість біохімічних перетворень.
Перебіг біохімічних реакцій у живих організмах здійснюється також у суворій послідовності, внаслідок чого створюється, як правило, ланцюг взаємопов'язаних реакцій, в яких кінцеві продукти одного перетворення можуть бути використані у вигляді вихідних продуктів для наступного перетворення. Так, анаеробне перетворення вуглеводів (гліколіз) включає одинадцять послідовних реакцій, кожна з яких створює умови для перебігу наступної, тобто швидкість кожної з цих реакцій залежить від метаболітів, що утворюються в результаті попередньої. При цьому швидкість процесу гліколізу може регулюватись як певними метаболітами, що утворюються внаслідок даного перетворення, так і кінцевими продуктами гліколізу (молочна кислота може гальмувати утворення вихідного субстрату – глюкозо-6-фосфату).
Регуляція метаболічних реакцій здійснюється за принципом зворотного зв'язку (ретрогальмування). Важлива роль у забезпеченні даного процесу належить мультиферментним комплексам і системам, в яких індивідуальні ферменти організовані так, що продукт попередньої реакції є субстратом наступної. Прикладом може бути піруватдекарбоксилазний комплекс, синтетаза жирних кислот та ін.
Метаболіти, за участю яких забезпечується регуляція швидкості ферментативних перетворень, можуть мати екзогенне походження. Так, синтез білка в гетеротрофних організмах лімітується надходженням незамінних амінокислот.
Регуляція активності ферментних систем може здійснюватись за рахунок зміни концентрації ефекторів (активаторів та інгібіторів) алостеричних ферментів. Зв'язуючись з алостеричним центром, ефектори можуть кооперативно змінювати конформацію субодиниць, що призводить до зміни просторової орієнтації як усієї молекули ферменту, так і ділянок її, що відповідають за перетворення субстрату (активних центрів), а це спричиняє зміну активності ферменту в бік її зниження чи підвищення. Ефекторами, як правило, є низькомолекулярні метаболіти, іони металів, гормони. Кількість алостеричних ферментів при цьому не змінюється.
Слід зазначити, що метаболіти можуть виступати і в ролі ізостеричних (конкурентних) інгібіторів ферментів.
Активність ферментів значною мірою залежить від зміни умов, в яких проходить ферментативне перетворення. Ферменти досить чутливі до зміни температури, рН середовища, іонної сили тощо.
Регуляція активності ферментних систем може забезпечуватись також за рахунок зміни кількості ферментів. Кількість ферментів у клітині залежить від наявності білків-репресорів, які кодуються геном-регулятором. Залежно від того, в якому стані утворюється білок-репресор, розрізняють індукцію (збільшення) та репресію (зменшення) синтезу ферментів.
У вигляді індукторів, як правило, виступають низькомолекулярні сполуки, продукти ферментативних перетворень (метаболіти). Ферменти, що утворюються внаслідок індукції, називаються індукованими.
Оперонний рівень регуляції
Даний рівень регуляції процесів життєдіяльності забезпечується на рівні оперона. Оперон – ділянка ДНК, обмежена промотором і термінатором, яка знаходиться під регуляторною дією гена-регулятора і забезпечує синтез молекул іРНК. Оперон може бути моно- і поліцистронним. У першому випадку він забезпечує синтез однієї молекули іРНК, яка може виступати в ролі матриці в процесі синтезу білка, а в другому – кількох молекул іРНК. Отже, на рівні оперона забезпечується регуляція синтезу іРНК, які використовуються в ролі матриці в процесі синтезу білка на рибосомах. Білки – ферменти, синтез яких здійснюється при трансляції, забезпечують численні ферментативні перетворення різних субстратів. Слід зазначити, що при трансляції здійснюється також синтез білків, які не мають ферментативних властивостей (гістонові, рибосомальні й ін.), які забезпечують перебіг досить важливих процесів обміну. Синтез цих білків також регулюється на рівні оперона за рахунок зміни об'єму синтезу іРНК при транскрипції.
Регуляція синтезу іРНК на оперонному рівні забезпечується за рахунок кількох механізмів, серед яких важливе значення має індукція і репресія, посттранскрипційна модифікація, взаємодія з хроматином гормон-рецепторних комплексів тощо. За участю даних механізмів здійснюється зміна метаболічної активності та регуляція функцій геному.
Клітинний рівень регуляції
Якщо врахувати, що клітина є основною структурною одиницею живих організмів, то інтенсивність перебігу обмінних процесів у ній відіграє вирішальну роль у забезпеченні процесів життєдіяльності. Механізми, що забезпечують регуляцію процесів життєдіяльності на клітинному рівні, досить різноманітні. Серед них найважливіше значення мають ядерно-цитоплазматичні відносини, посттранскрипційні та посттрансляційна модифікації макромолекул, макромолекулярна взаємодія, транспорт речовин та іонів.
Суть ядерно-цитоплазматичних взаємовідносин полягає у взаємозалежному контролі синтезу важливих біополімерів клітин. Так, синтез структурних компонентів деяких біополімерів, зокрема субодиниць ферментів, може здійснюватись на рибосомальному апараті в цитоплазмі та автономному апараті білкового синтезу в мітохондріях чи хлоропластах.
Регуляція синтезу субодиниць ферментів у першому випадку забезпечується за рахунок ядерного апарата клітини, а в другому – відповідно хлоропластного чи мітохондріального геному, локалізованого в цитоплазмі.
Такий ядерно-цитоплазматичний контроль характерний для синтезу багатьох білків-ферментів, зокрема таких, як цитохромоксидаза, протонна Н+-АТФ-аза, рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилаза, а також білків, що входять до складу мембранних структур клітини. За рахунок ядерно-цитоплазматичних відносин забезпечується злагоджена робота білок-синтезуючих систем клітини, внаслідок чого здійснюється синтез численних білків з характерними властивостями та функціями, підтримуються на належному рівні всі процеси обміну в клітині.
Суть посттранскрипційної та посттрансляційної модифікацій біомолекул полягає у перетворенні попередників, що утворюються в результаті транскрипції чи трансляції на функціонально-активні молекули. Посттранскрипційна модифікація різних видів РНК, що утворюються в процесі транскрипції (тРНК, мРНК, рРНК), полягає в метилюванні азотистих основ мононуклеотидів, вирізанні певної послідовності нуклеозидмонофосфатів, приєднанні певних олігонуклеотидних фрагментів та функціональних груп тощо. Забезпечується це з участю специфічних ферментів, характерних для певного виду модифікацій. Прикладом може бути посттранскрипційна модифікація іРНК, яка здійснюється в результаті процесингу і сплайсингу первинного транскрипту.
Процеси посттранскрипційної модифікації різних видів РНК клітини називаються дозріванням. Формування функціонально-активних молекул у процесі посттранскрипційної модифікації значною мірою визначає інтенсивність білкового синтезу в клітині.
Важливе значення у забезпеченні перебігу метаболічних процесів в організмі має також посттрансляційна модифікація білкових молекул, синтез яких здійснюється на рибосомальному апараті клітини. Суть посттрансляційної модифікації полягає у відщепленні пептидних фрагментів, приєднанні функціональних груп та модифікації залишків амінокислот тощо. Прикладом посттрансляційної модифікації є глікозилювання білків – приєднання вуглеводних компонентів, залишків фосфату, внаслідок чого утворюються різні групи складних білків. Посттранскрипційна модифікація забезпечує утворення множинних форм ферментів, які відіграють важливу роль у регуляції метаболічних процесів. Регуляція процесів життєдіяльності на клітинному рівні забезпечується також за рахунок взаємодії між макромолекулами (білок – білкової, білок – нуклеїнової, білок – ліпідної, вуглевод – білкової взаємодії).
Взаємодія між різними біомолекулами в клітині забезпечує злагодженість та скоординованість біохімічних перетворень, характерних для живих систем. Найсуттєвішим серед інших видів взаємодії є білок – білкова взаємодія.
Даний вид взаємодії сприяє утворенню мультиферментних комплексів, ферментів мультимерів, які забезпечують поетапне перетворення різних субстратів, а також утворення гормон-рецепторних комплексів, що забезпечують дію гормонів пептидної та білкової природи.
Внаслідок білок-ліпідної взаємодії забезпечується структура та функції мембранних систем клітини, визначається рівень біологічної активності мембранно-зв'язаних ферментів, ступінь проникності мембран для різних метаболітів тощо.
Організменний і популяційний рівні регуляції
Організменний рівень регуляції забезпечується за рахунок складних механізмів, для здійснення яких необхідна наявність спеціальних диференційованих клітин і систем, що виявляють контрольну функцію (нервові клітини, ендокринні залози). Отже, регуляція процесів життєдіяльності на організменному рівні відбувається на рівні нервової та ендокринної систем (нейрогуморальний механізм регуляції). Нервові клітини та ендокринні залози забезпечують досить тонкі механізми регуляції процесів життєдіяльності. Зв'язок між ними здійснюється на рівні гіпоталамічної ділянки мозку і гіпофіза. Нервова регуляція, як система екстреного реагування та більш повільна гормональна регуляція, складають дві сторони єдиного важливого процесу, який забезпечує існування живих організмів в умовах постійного двостороннього зв'язку з навколишнім середовищем.
Суть популяційного рівня регуляції полягає у взаємодії між певними популяціями за рахунок впливу хімічних сполук, що продукуються одними з них, на обмін речовин та поведінкові реакції інших. Реалізуються популяційні взаємовідносини через систему рецепторів тканин – мішеней реципієнтів. Найчастіше внутрішньовидова та міжвидова взаємодії забезпечуються за допомогою таких сполук, як антибіотики, терпени, фітонциди, фітоалексини, фітогормони та ін.
Дослідження взаємовідносин між популяціями є предметом науки – хімічної екології, яка займається розробкою екологічної стратегії та з'ясуванням суті механізмів біохімічних зв'язків між організмами в живій природі.









13PAGE 142215
Комплексний навчальний посібник: лекційний курс


13PAGE 142315
Комплексний навчальний посібник: лекційний курс

















































































































































































Приложенные файлы

  • doc 24056069
    Размер файла: 3 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий