Природничі науки. 1 частина. 11 клас. Гільберг

Ідуть різними шляхами, а результат один

Саме внутрішньоклітинний обмін речовин розгляньмо докладніше. Його ще називають метаболізмом (від грец. μεταβολισμό — зміна). В організмі людини безперервно відбуваються водний, сольовий, білковий, жировий і вуглеводний обміни. Відбуваються сотні й тисячі різних хімічних реакцій, проте можна прослідкувати й описати центральні метаболічні шляхи, які, до речі, мають єдину природу для всіх істот.

Принцип «біохімічної єдності» — одна з небагатьох догм, яку визнають у наш час. Згідно із цим принципом, усі істоти на Землі подібні біохімічно.

Наприклад, у всіх них однакові «будівельні блоки» для синтезу клітини, АТФ є універсальним носієм біологічної енергії. Вони схожі універсальністю генетичного коду та плазматичної мембрани, єдністю способів перетворення цукрів, природою дихального ланцюга. Майже ідентичні в усіх істот і центральні метаболічні шляхи. Є лише декілька груп бактерій, у яких основні схеми метаболізму так чи інакше модифіковані, — переважають якісь певні шляхи, а інші є скороченими або якось зміненими. Усі варіанти обміну речовин у мікроорганізмів можна звести до загальної схеми. Метаболічні шляхи формувалися, вочевидь, у процесі еволюції, і можна вважати, що типовий для аеробних організмів біохімічний апарат виник відносно пізно, коли в повітрі з’явився кисень. У наш час важко з’ясувати, що являють собою скорочені метаболічні шляхи в деяких бактерій — примітивні особливості чи результат деградації.

Головним джерелом енергії є вуглеводи, оскільки процес їхнього окиснення найшвидший порівняно з іншими «паливними» молекулами. Друге місце посідають ліпіди, які містять значно більший запас енергії, ніж вуглеводи, однак вивільнення цієї енергії можливе лише тоді, коли в клітині активовано процеси катаболізму, зокрема й вуглеводів. Тож справедливим є таке твердження: «ліпіди згорають у полум’ї вуглеводів». Саме тому швидкість катаболізму ліпідів менша. Білки підключаються до процесів продукування енергії останніми й стають активними постачальниками енергії в разі дефіциту вуглеводів і ліпідів. Використання значної кількості білків (понад 20 %) для продукування енергії може призвести до розвитку патологічних станів (про це ми згадаємо, коли розглядатимемо дієти, зокрема білкову).

Вивільнення енергії вуглеводів, ліпідів і білків відбувається під час їхнього катаболізму (від. грец. καταβολή — скидання, руйнування), у якому виокремлюють три етапи.

Перший етап, як ми вже зазначали, відбувається ще в травному тракті, а на клітинному рівні — у лізосомах. Цей процес відбувається за участі води й під дією травних ферментів:

  • білки + Н2О —> амінокислоти + Q;
  • вуглеводи + Н2О —> моносахариди + Q;
  • ліпіди + Н2О —> гліцерил + жирні кислоти + Q.

Уся енергія (Q), що виділяється, розсіюється у вигляді тепла.

На другому етапі структурні компоненти, що утворилися (амінокислоти, моносахариди, жирні кислоти, гліцерол), поступово розщеплюються до спільного ключового метаболіту для всіх видів обміну — ацетил-КоА — активної форми етанової (оцтової) кислоти.

Реакції, що ведуть до утворення піровиноградної кислоти (ПВК, або піруват), відбуваються в цитозолі, а перетворення самого пірувату на ацетил-КоА — у мітохондріях. До процесів катаболізму цієї стадії належать (мал. 3.12):

  • для моносахаридів (основним є глюкоза) — це реакції гліколізу до пірувату й далі до ацетил-КоА;
  • для амінокислот — це реакції дезамінування, деякі з них супроводжує утворення пірувату, а потім ацетил-КоА; в інших — одразу утворюється ацетил-КоА;
  • для жирних кислот — реакції β-окиснення, кінцевим продуктом яких є ацетил-КоА;
  • для гліцеролу — реакції розщеплення з утворенням пірувату й ацетил-КоА.

Другий етап супроводжується незначним виділенням енергії.

Третій етап відбувається за участі кисню (аеробний етап). На цій стадії відбувається окиснення ацетил-КоА до кінцевих продуктів — води Н2О та вуглекислого газу СО2, які виводяться з організму. Для амінокислот додатковим продуктом розщеплення є сечовина CO(NH2)2.

Третій етап відбувається в мітохондріях і складається з таких процесів: ЦЛК (цикл лимонної кислоти, або цикл Кребса) та функціонування електронтранспортного мітохондріального ланцюга (дихальний ланцюг мітохондрій), робота якого пов’язана з окисним фосфорилюванням — основним процесом синтезу АТФ (скорочено від аденозинтрифосфату) у клітинах. Це молекула, що складається з трьох компонентів: рибози (вуглевод, що формує основу ДНК), аденину (азотиста основа), триортофосфату (залишки ортофосфатної кислоти).

Мал. 3.12. Катаболізм

Саме аеробний етап енергетичного обміну відіграє основну роль у забезпеченні клітин енергією. Енергія, що виділяється під час цього етапу, акумулюється у вигляді макроергічних зв’язків синтезованих молекул АТФ.

Перша і друга стадії належать до специфічних шляхів катаболізму — розпад паливних молекул до ацети-КоА відбувається власними шляхами, які для білків, вуглеводів і ліпідів не збігаються, тобто є специфічними. Третя стадія — загальні шляхи катаболізму, оскільки відбувається подальший розпад ацетильного залишку — загального проміжного метаболіту — до кінцевих продуктів. Тобто загальні шляхи катаболізму — це ЦЛК та окисне фосфорилювання.

Що криється за словами: «...відбувається окиснення ацетил-КоА до кінцевих продуктів Н2О та СО2»? Які фізико-хімічні процеси відбуваються під час цього? Ви можете докладніше про це дізнатися самостійно. В інтернеті достатньо відеоматеріалів з науковим поясненням.

Цикл Кребса https://www.youtube.com/watch?v=F6vQKrRjQcQ

Якщо уважно подивитися на схему (мал. 3.12), то видно, що в результаті циклу лимонної кислоти утворюються йони Гідрогену. А це означає, що під час цього вивільняються електрони. Звільнившись від протона за допомогою спеціального біокаталізатора — ферменту флавопротеїдів, електрон потрапляє на інший фермент — цитохром В, потім на цитохром С, на цитохром А і, нарешті, на атом Оксигену. Прийнявши два електрони, атом Оксигену набуває від’ємного заряду, приєднує два протони й утворює молекулу води. Так відбувається акт клітинного дихання — споживання кисню, який надходить у наш організм із повітрям через легені, а кров переносить його до клітин тканин.