Підручник з Біології і екології. 10 клас. Шаламов - Нова програма

§ 21. Основи метаболізму

Метаболізм складається з двох спрямованих у протилежні боки потоків реакцій

Ви вже знайомі зі загальними принципами метаболізму: він складається з процесів синтезу складних речовин із простих та з процесів розщеплення складних молекул на прості. У цьому параграфі ми розглянемо ці процеси докладніше.

Розщеплення складних поживних речовин відбувається з подвійною метою — отримати енергію й «будівельний» матеріал

Молекули речовин їжі, які ми поглинаємо, перш за все мають бути розщепленими до окремих простих сполук. Цей процес отримав назву травлення. Він починається з механічного подрібнення в ротовій порожнині й продовжується на рівні ферментативного розщеплення макромолекул до більш коротких і простих речовин. У людини ці процеси відбуваються в травній системі (рис. 21.1). У різних її частинах розщеплюються окремі групи поживних речовин під дією специфічних ферментів (табл. 21.1). Значний внесок у дослідження роботи травних ферментів зробив професор Харківського університету Олександр Данилевський.

Така обробка уможливлює всмоктування продуктів розщеплення у внутрішнє середовище організму, що дозволяє забезпечити всі клітини поживними речовинами.

Рис. 21.1. Травна система людини

Основною метою процесу травлення є утворення універсальних хімічних субстратів. Організми можуть живитися їжею різного походження з багатоманітним хімічним складом. Молекули тисяч різних речовин їжі — білків, жирів, вуглеводів, нуклеїнових кислот — складаються лише з декількох десятків елементарних «будівельних блоків». Травлення дозволяє об’єднати всю хімічну різноманітність їжі до невеликої кількості основних молекул, які організм може легко використати для отримання енергії або в процесах синтезування речовин.

Таблиця 21.1. Основні ферменти травної системи людини

Фермент

Субстрати

Продукти

Відділ травної системи й секрет, із яким виділяється фермент

Амілаза

Крохмаль,

глікоген

Декстрини (олігосахариди), мальтоза (дисахарид)

Ротова порожнина (слина), тонкий кишківник (підшлунковий сік)

Мальтаза

Мальтоза

Глюкоза

Тонкий кишківник (кишковий сік)

Пепсин

Білки

Пептиди

Шлунок (шлунковий сік)

Трипсин

Білки

Пептиди

Тонкий кишківник (підшлунковий сік)

Пептидази

Пептиди

Амінокислоти

Тонкий кишківник (підшлунковий сік і кишковий сік)

Ліпази

Жири

Гліцерол, жирні кислоти, моно- і диацилгліцероли

Ротова порожнина (слина), шлунок, тонкий кишківник (підшлунковий сік)

Нуклеази

ДНК і РНК

Нуклеотиди

Тонкий кишківник (підшлунковий сік)

Синтез складних речовин неможливий без незамінних компонентів

Хоча наш організм може синтезувати майже всі необхідні прості молекули, енергетично вигідніше використати речовини з їжі, ніж утворити їх знову. Водночас існує ряд незамінних біомолекул, які ми можемо отримати тільки з їжею. До них належать вітаміни, незамінні жирні кислоти й незамінні амінокислоти.

Усього для синтезу людських білків потрібна 21 амінокислота. Дев’ять із них — незамінні, тобто не синтезуються в організмі. Це означає, що для їх отримання нам необхідно вживати в їжу різноманітні білки. Звичайно, найбагатшим джерелом білка є м’ясо, однак для людей, що практикують вегетаріанство, також є чимало інших джерел незамінних амінокислот: насінини сої містять до 35 % білка, квасолі до 24 %, сочевиці до 9 %, арахіс та мигдаль також мають високий вміст білка. Утім варто пам’ятати, що не тільки наявність білка в продукті є важливим чинником, а також і те, наскільки добре він засвоюється. У продуктів тваринного походження засвоюваність білка, як правило, краща ніж у рослинних. Саме тому укласти повноцінний, виключно вегетаріанський, раціон дуже складно.

У § 15 ви ознайомилися з жирними кислотами — ключовими компонентами нейтральних жирів і фосфоліпідів, що формують наші клітинні мембрани. Серед багатьох жирних кислот дві не синтезуються в організмі ссавців — це α-ліноленова та лінолева. Обидві кислоти є поліненасиченими жирними кислотами, тобто мають кілька подвійних зв’язків (—СН=СН—). α-ліноленову кислоту відносять до омега-3, а лінолеву до омега-6 жирних кислот: цифри 3 і 6 вказують на атом Карбону, що зв’язаний із сусіднім подвійним зв’язком, якщо рахувати атоми Карбону від кінця молекули1 (тобто від метильної групи (СН3—) (рис. 21.2).

Рис. 21.2. Незамінні жирні кислоти

А. α-ліноленова кислота складається з 18-ти атомів Карбону й містить три подвійні зв’язки. Найближчий до СН3-кінця молекули подвійний зв’язок розташований на третьому атомі Карбону. Б. Лінолева кислота теж містить 18 атомів Карбону, але вона є двічі ненасиченою, тобто містить два подвійні зв’язки, крайній із яких знаходиться на шостому від кінця атомі Карбону.

Навіщо нам потрібні ці жирні кислоти? По-перше, з них синтезуються ейкозаноїди2 — ліпідні молекули, що беруть участь у імунних процесах у місцях запалення. По-друге, вони є джерелом для синтезу специфічних нейромедіаторів — ендоканабіноїдів3. Звичайно, у них є й інші функції. Значна кількість поліненасичених жирних кислот міститься в риб’ячому жирі. Риби їх не синтезують, але накопичують, поїдаючи водорості й дрібних рачків (криль). Звичайно, одним із найбагатших джерел цих речовин є рослинні олії: гірчиці, льону, соняшника, волоських горіхів і арахісу.

1 Омега (ω) — остання літера грецького алфавіту.

2 Від давньогрец. eicosa — двадцять, за кількістю атомів Карбону в молекулах цих сполук.

Процеси розкладання й синтезу речовин тісно пов’язані між собою

Хоча процеси розкладання й синтезу речовин є протилежно спрямованими, вони тісно пов’язані один із одним (рис. 21.3).

У § 19 ми вже розглянули цикл Кребса як властиву майже всім організмам циклічну послідовність реакцій, мета якої — окиснення ацетил-КоА до двох молекул СO2 з отриманням НАД*Н, що в подальшому використовується мітохондріями для синтезу АТФ. Однак іншою, не менш важливою функцією циклу Кребса, є синтез вихідних речовин для біосинтезу макромолекул, властивих цьому організму.

3 Від давньогрец. endo — усередині, вдома і лат. Cannabis — коноплі. Ці нейромедіатори й міжклітинні сигнальні молекули внутрішнього походження, що зв’язуються з канабіноїдними рецепторами й за своєю дією схожі на активні речовини з конопель — канабіноїди.

Рис. 21.3. Процеси розщеплення й синтезу речовин тісно пов’язані

Роль циклу Кребса в цьому — утворення вихідних речовин для реакцій синтезу. Ба більше, цикл Кребса об’єднує метаболізм вуглеводів, ліпідів та білків у одну систему.

Розгляньте уважно рисунок 21.3. Глюкоза, деякі амінокислоти й жирні кислоти разом із гліцеролом можуть бути перетворені в ацетил-КоА, що вступає в цикл Кребса. Він складається з восьми реакцій, проміжні продукти яких можуть бути використані для синтезу амінокислот. Амінокислоти, своєю чергою, потрібні для синтезування білків або мають змогу перетворитися на глюкозу в процесі глюконеогенезу. Жирні кислоти можуть бути синтезовані з ацетил-КоА. Саме ацетил-КоА, отриманий у процесі розщеплення жирних кислот, може бути використаний як попередник у ресинтезі1 ліпідів (жирних кислот і холестеролу) або як джерело енергії. Таким чином, цикл Кребса об’єднує метаболічні шляхи ліпідів, вуглеводів та білків.

Певні частини клітин й окремі органи відповідають за різні процеси метаболізму

Також варто звернути увагу на ті частини клітини, де відбуваються описані вище процеси. Реакції деградації речовин відбуваються в цитоплазмі так само, як і реакції біосинтезу. А цикл Кребса проходить у матриксі мітохондрій. Це означає, що для утворення ацетил-КоА в мітохондріях, продукти розщеплення мають постійно транспортуватися з цитоплазми до мітохондрій спеціальними переносниками. Ті ж процеси відбуваються з усіма проміжними продуктами циклу, що мають транспортуватися до мітохондрій або назад до цитоплазми для синтезу складніших молекул.

Клітини різних органів спеціалізуються на виконанні різноманітних груп хімічних реакцій. Так, глікоген накопичується в печінці та м’язах, тому саме там, при потребі, він може розщеплюватися до глюкози. З іншого боку, окрім печінки, глюкоза синтезується й у нирках, звідки вона транспортується кров’ю до мозку, м’язів та живить інші клітини організму. Розщеплення білків відбувається переважно в печінці, хоча деякі амінокислоти можуть використовуватися як джерело енергії в м’язах, жирових клітинах, нирках і мозку. За метаболізм нейтральних жирів відповідають печінка та клітини жирової тканини — адипоцити. Так, печінка здебільшого розкладає або синтезує жирні кислоти, тоді як адипоцити поглинають їх із внутрішнього середовища й зберігають у вигляді нейтральних жирів.

1 Від лат. re префікса, що означає зворотну або повторну дію.

Процеси метаболізму зазнають тонкої нейрогуморальної регуляції

Звичайно, одночасне протікання реакцій розщеплення й синтезу речовин було б досить безглуздим. Уявіть, якщо б клітини печінки витрачали АТФ на синтез глюкози й утворення глікогену, у той час як інші ферменти розкладали б глікоген до глюкози, а потім «спалювали» її для синтезу АТФ. Це призводило б лише до витрати енергії АТФ на вироблення теплоти — побічного продукту будь-якого хімічного перетворення. Щоб уникнути таких ситуацій і контролювати процеси синтезування та розщеплення, організм регулює біохімічні процеси за допомогою гормонів, тобто завдяки гуморальній регуляції.

За допомогою гормонів регулюється концентрація глюкози в крові (рис. 21.4). Після їжі глюкози у крові стає більше. Це призводить до посилення утворення клітинами підшлункової залози гормону інсуліну. Інсулін знижує рівень глюкози у крові, посилюючи її поглинання клітинами. Також він активує синтез глікогену й жирів та використання глюкози клітинами. Отже, якщо глюкоза, що надійшла з їжею, не буде використана для отримання енергії одразу після їжі, то вона відкладеться у вигляді глікогену в печінці та м’язах та у вигляді нейтральних жирів у жировій тканині. За кілька годин після прийому їжі рівень глюкози у крові знижується. Це гальмує виділення інсуліну й активує виділення іншого гормону підшлункової залози — глюкагону. Глюкагон працює з точністю до навпаки: він активує розпад глікогену до глюкози й вивільнення глюкози у кров, активує її утворення та мобілізує жирні кислоти з жирової тканини. Під час голодування протягом доби метаболізм вуглеводів підтримується лише за рахунок глюкози печінки й м’язів. Після цього активується розпад амінокислот для синтезу глюкози, якою живиться мозок. І лише після кількох днів голодування мобілізуються жири. Це є однією з причин, чому так легко набрати зайву вагу, але так важко її позбутися.

Рис. 21.4. Гуморальна регуляція концентрації глюкози в крові інсуліном і глюкагоном

У стресових ситуаціях мозковий шар наднирників виділяє адреналін і норадреналін. Вони розширюють дихальні шляхи, збільшують частоту й силу серцевих скорочень, підвищують тиск крові та впливають на метаболізм глюкози подібно до глюкагону. Понад те, вони інгібують синтез інсуліну й активують секрецію глюкагону.

Різноманітні стресові чинники такі, як фізична чи емоційна напруга, вплив токсичних речовин, травми і хвороби тощо, стимулюють виділення корковою речовиною наднирників кортизолу. Функція кортизолу — підвищити рівень глюкози у крові, надаючи організму ресурси для переживання стресу. Його ефекти також подібні до ефектів глюкагону, але вони проявляються набагато повільніше.

Рис. 21.5. Нейрогуморальна регуляція обміну речовин

Робота ендокринних залоз, що виділяють гормони, контролюється нервовою системою. Річ у тім, що в проміжному відділі головного мозку є спеціальні рецептори, які визначають рівень глюкози у крові. За його зміни нервові клітини нижньої частини проміжного мозку — гіпоталамусу — виділяють спеціальні речовини, що впливають на роботу гіпофізу. Гіпофіз є тією частиною ендокринної системи, що ніби «диригує» роботою інших залоз. Зміна рівня виділення гормонів гіпофізом призводить до активування чи послаблення утворення гормонів у інших залозах. Крім того, стресові умови сприймаються й аналізуються головним мозком, який впливає на роботу гіпофізу з усіма наслідками, що за цим слідують. Отже, у мозку існує гіпоталамо-гіпофізарна система регуляції, що пов’язує нервову систему з ендокринною. Тому коректніше говорити про нейрогуморальну регуляцію обміну речовин (рис. 21.5).

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. У чому проявляється синтетична функція циклу Кребса? А в окисненні ацетил-КоА для синтезу НАД*Н

Б в утворенні ацетил-КоА, необхідного для утворення жирів

В у розщепленні глюкози

Г в утворенні вуглекислого газу

Д в окисненні жирних кислот

• 2. До незамінних біомолекул належить

А α-ліноленова кислота

Б усі амінокислоти

В холестерол

Г глікоген

Д ейкозаноїди

• 3. Який із наведених процесів стимулює глюкагон?

А посилення всмоктування глюкози з крові клітинами печінки, м’язів і адипоцитами

Б вивільнення глюкози клітинами печінки

В посилення синтезу жирів

Г прискорення розщеплення глюкози у клітинах

Д синтез глікогену

• 4. Розташуйте події у правильній послідовності, починаючи від потрапляння глюкози до клітини.

А утворення ацетил-КоА

Б утворення проміжних продуктів циклу Кребса

В синтезування амінокислот

Г синтезування нових молекул глюкози

Д транспортування ацетил-КоА в мітохондрію

• 5. Увідповідніть наведені процеси й місця, де вони відбуваються.

1. синтезування глікогену

2. синтезування жирних кислот

3. синтезування нейтральних жирів

4. синтезування інсуліну

А жирова тканина

Б печінка

В підшлункова залоза

Г м’язи та печінка

Д мозок

У житті все просто

• 6. Спираючись на текст параграфу та рисунок 21.3, укладіть схему, яка б зображувала взаємоперетворення біологічних речовин різних класів: білків, жирів і вуглеводів.

У житті все не так просто

• 7. Уявіть, що ви берете участь у жорстокому реаліті-шоу, де кожному з учасників і учасниць пропонується вибір: харчуватися виключно жирами, тільки білками або лише вуглеводами. Незамінні амінокислоти й жирні кислоти, а також вітаміни отримують усі учасники/учасниці, незалежно від вибору. Ваше завдання — вижити. Якому класу біомолекул ви віддали б перевагу й чому?

• 8. Уявіть, що ви — лікар/лікарка. Ваша пацієнтка скаржиться на такі симптоми: слабкість та тремтіння, а також є постійно голодною. Пізніше у хворої виявили пухлину в підшлунковій залозі. Як такий стан може пояснити виявлені симптоми? Чому, якщо це порушення не вилікувати, пацієнтка може зазнати пошкодження мозку?

Практична робота

Складання схем обміну вуглеводів, ліпідів та білків в організмі людини

Мета: узагальнити відомості про метаболічні процеси, що відбуваються в клітинах людини, розглянути взаємозв’язок між обміном вуглеводів, ліпідів та білків.

Хід роботи

• 1. Складіть схеми обміну вуглеводів, ліпідів та білків, використавши наведені в таблиці процеси і речовини. Додайте у відповідні місця схеми амілазу, ліпази, протеази. Виокремте процеси, що відбуваються у травній системі, цитозолі клітин і мітохондріях.

• 2. На схему обміну вуглеводів додайте позначення впливу інсуліну та глюкагону.

• 3. Схарактеризуйте спільні й відмінні риси обміну вуглеводів, ліпідів та білків, взаємозв’язок цих обмінів. Зробіть висновки.

Характеристики

Вуглеводи

Ліпіди

Білки

Процеси

Травлення, транспортування кров’ю, утворення ацетил-КоА, цикл Кребса, утворення глікогену, розщеплення глікогену, глюконеогенез

травлення, транспортування кров’ю, утворення ацетил-КоА, цикл Кребса, синтез жирних кислот

травлення, транспортування кров’ю, відщеплення амоніаку, синтез сечовини, утворення ацетил-КоА, цикл Кребса, біосинтез білка, синтез амінокислот

Речовини

глюкоза, крохмаль, глікоген, ацетил-КоА, вуглекислий газ, вода, АТФ

жири, жирні кислоти, гліцерол, ацетил-КоА, вуглекислий газ, вода, АТФ

білки, амінокислоти, амоніак, сечовина, безнітрогеновицй залишок амінокислоти, ацетил-КоА, вуглекислий газ, вода, АТФ