Біологія і екологія. Профільний рівень. Повторне видання. 10 клас. Задорожний

§ 54. Взаємозв'язок метаболічних шляхів

Поміркуйте

У результаті фотосинтезу рослини утворюють вуглеводи. Отримати інші органічні речовини з продуктами харчування, як тварини, вони не можуть. Звідки рослини беруть ліпіди, білки й нуклеїнові кислоти для своїх клітин?

Згадайте

• Метаболізм

• Біотехнології

• Цикл трикарбонових кислот

Взаємоперетворення між різними класами органічних речовин

Обмін речовин в організмі людини відбувається не хаотично. Він інтегрований і тонко настроєний. Усі перетворення органічних речовин тісно пов’язані один з одним. Наприклад, у разі надмірного споживання жирів вони можуть використовуватися для утворення глюкози. Білки й вуглеводи можуть перетворюватися на ліпіди, а вуглеводи в деяких випадках можуть перетворюватися на білки.

Взаємоперетворення окремих класів речовин можливі завдяки циклу трикарбонових кислот, в якому сполучаються всі основні шляхи розпаду й синтезу речовин (мал. 54.1). Взаємоперетворення здійснюються через ключові метаболіти, які є спільною ланкою на шляхах розпаду або синтезу. До таких метаболітів належать піруват, ацетил-КоА, фосфогліцерат, метаболіти циклу Кребса.

Мал. 54.1. Основні шляхи взаємоперетворення білків, жирів і вуглеводів

Вуглеводи в результаті гідролізу розпадаються на моносахариди (глюкозу), які здатні перетворюватися на тріози, зокрема піровиноградну кислоту, що надходить до циклу трикарбонових кислот. І, навпаки, тріози здатні утворити глюкозу.

Білки в результаті гідролізу утворюють різні амінокислоти, які в процесі окисного дезамінування дають амоніак і кетокислоти. Кетокислоти надходять у цикл трикарбонових кислот. Навпаки, піровиноградна кислота, а також кетокислоти циклу трикарбонових кислот (α-кетоглутарова, фумарова, щавелевооцтова) перетворюються на амінокислоти, які організм використовує в процесі біосинтезу білків.

Продукти гідролізу жирів — жирні кислоти — в результаті β-окиснення дають ацетил-КоА. Навпаки, тріози можуть дати гліцерин, а ацетил-КоА необхідний для синтезу високомолекулярних жирних кислот. У результаті можна знову отримати жири.

Метаболічна інженерія

Одним з перспективних нових напрямків у біотехнології є метаболічна інженерія — спрямована зміна клітинного метаболізму за допомогою введення, видалення або модифікації метаболічних шляхів з використанням технології рекомбінантних ДНК. Завданням метаболічної інженерії є створення в організмі метаболічних шляхів, які раніше в даному організмі не існували або взагалі не існували в природі.

Метаболічна інженерія здатна створювати біологічні системи, що вироблятимуть хімічні речовини, які важко й дорого одержувати традиційними способами хімічної індустрії. Такими речовинами можуть бути, наприклад, корисні білки з високим умістом незамінних амінокислот, їстівні вакцини, антитіла, нові полімери, що не засмічують навколишнє середовище.

Прикладами результатів метаболічної інженерії є створення бактерій-продуцентів етанолу (мал. 54.2), розгалужених спиртів, бурштинової кислоти, синтетичного каучуку та інших органічних речовин.

Мал. 54.2. Схема виробництва етанолу кишковою паличкою Е. coli за рахунок блокування паралельних метаболічних шляхів (х)

Системи метаболічної інженерії також використовували для створення штамів дріжджів, які виробляють опіоїди для знеболювання, і бактерій, які виробляють біорозкладні полімери для хірургічного шовного матеріалу.

Практична робота

Розв'язування задач на тему «Енергетичний обмін»

1. У процесі енергетичного обміну розщепилося 12 молекул глюкози. Повного розщеплення зазнали 3 молекули глюкози, а з рештою відбулися лише реакції безкисневого етапу обміну. Скільки молекул піровиноградної кислоти та АТФ утворилося?

2. У процесі енергетичного обміну утворилося 100 молекул АТФ. Повного розщеплення зазнали 2 молекули глюкози, а з рештою відбулися лише реакції безкисневого етапу обміну. Скільки всього молекул глюкози розщепилося?

Ключова ідея

Взаємоперетворення білків, жирів і вуглеводів в організмі здійснюються через ключові метаболіти обміну речовин — піруват, ацетил-КоА, фосфогліцерат та метаболіти циклу трикарбонових кислот. Одним з перспективних нових напрямків у біотехнології є метаболічна інженерія — спрямована зміна клітинного метаболізму за допомогою модифікації існуючих метаболічних шляхів.

Запитання та завдання

1. Як ви вважаєте, чому всі метаболічні шляхи в клітині взаємопов'язані? 2. Які, на вашу думку, переваги й перспективи, а може, і недоліки має метаболічна інженерія порівняно з традиційною хімічною промисловістю?