Біохімічні процеси в організмі
Гуморальні механізми регуляції в організмі здійснюються за допомогою хімічних речовин, які утворюються в процесі різних біохімічних реакцій.
Біохімічні процеси в організмі грунтуються на молекулярному будову речовини, атоми якого сполучені різними зв’язками. При цьому атоми одних речовин несуть на собі позитивний заряд, інші – негативний. При певних умовах, що роблять можливим протягом хімічних реакцій, молекули речовин обмінюються своїми складовими (атомами або іонами). В результаті комбінації атомів і молекул утворюються тисячі нових хімічних речовин. При цьому може виникнути враження, що речовини в клітці знаходяться у відносному спокої. Однак молекули речовин, подібно персонажам якогось світського балу, переміщаються в заданих напрямках, періодично обмінюючись між собою партнерами. При розгляді функціонування клітини і її складових (мембрани, цитоплазми, органел, ядра), в тому числі генетичного апарату з біохімічної точки зору все що відбуваються в них процеси зводяться до розриву одних хімічних зв’язків і утворення інших. Це дає можливість клітині підтримувати свою життєдіяльність отримуючи енергію, необхідну для підтримання підсистеми життєзабезпечення, і виконуючи специфічні функції. Біохімічні процеси є основою обміну речовин.
Обмін речовин забезпечує самозбереження, зростання, розвиток і самовідтворення клітин організму.
Живильні речовини, що надходять в клітину через один з її функціональних входів, перетворюються в речовини, необхідні для підтримки життєдіяльності клітини і виконання нею специфічних функцій. Залишкові продукти обміну виводяться через виходи системи (дивись малюнок 1.4.1 в розділі 1.4.1).
Кінцевою метою всіх біохімічних реакцій, що протікають в організмі, є виконання двох основних функцій. Перша з них – забезпечення сталості внутрішнього середовища (гомеостазу), безпосереднє підтримку стабільності “підсистеми життєзабезпечення”. Друга – виконання спеціальних функцій, які полягають в реагуванні на певні зовнішні впливи (наприклад, проведення нервового імпульсу нейроном, вироблення гормону, перенесення кисню еритроцитом, скорочення м’язової клітини).
Обидві ці завдання вирішуються з використанням механізму зворотного зв’язку, який описаний в попередньому розділі. Його суть полягає в тому, що клітина пам’ятає (часто на генетичному рівні) нормальне значення параметра і змінює значення поточного параметра до тих пір, поки воно не досягне нормального. У цьому сенсі часто не можна сказати, коли і де почався біохімічний процес. Можна назвати тільки параметр, який регулюється, і визначити його нормальне значення. Як же реалізується обмін речовин?
Для того щоб речовина надійшло до клітин, воно повинно спочатку потрапити в кров. Тільки після цього, подолавши низку внутрішніх бар’єрів, воно зможе дійти до мети, зв’язатися з клітинами-мішенями, викликати потрібні зміни у функціонуванні тканин, органів і систем (що і є проявом його біологічної дії) і, нарешті, піддавшись перетворенням (біотрансформації), або в незміненому вигляді покинути організм. При цьому, як правило, відбувається виділення енергії, в деяких випадках – її поглинання.
Якими шляхами поживні речовини можуть потрапляти в кровотік? Із шлунково-кишкового тракту поживні речовини проникають в кров, яка переносить їх по організму і доставляє в різні тканини органів і систем. Цей процес позначають терміном всмоктування (абсорбція). При надходженні білки, вуглеводи і ліпіди перетворюються в шлунково-кишковому тракті за участю активних ферментів, які виділяються залозами шлунка, кишечника, підшлункової залозою і надходять з жовчю. При всмоктуванні речовини проходять через клітинні мембрани, які відіграють основну роль у процесах транспорту речовин. Саме їх іонні канали та пори ( “ворота” клітини структурно відображають поняття функціональних входів і виходів, що беруть участь у виконанні основних завдань клітини.
Надалі з кров’яного русла поживні речовини проникають в тканини, де піддаються різним біохімічним процесам, в ході яких перетворюються в необхідні для клітини форми хімічних сполук. Графічне зображення процесів представлено на малюнку 1.4.8. Зверніть увагу, що на схемі не показана енергетична сторона обміну – вивільнення, запасання і використання енергії. Більш детально ці процеси будуть розглянуті в цьому розділі дещо пізніше.
Давайте по малюнку простежимо послідовність етапів обміну речовин в клітині. Джерелами матеріалів для поновлення структур і енергозабезпечення служать харчові продукти, у складі яких організм отримує вуглеводи, ліпіди, білки, деякі біологічно активні сполуки (наприклад, вітаміни) і мінеральні речовини. Вихідні сполуки надходять в клітину не в готовому вигляді, а у вигляді “заготовок” з поживних речовин, які вона, у міру необхідності, переробляє для своїх потреб і потреб організму. Виготовлення “заготовок” відбувається в процесі травлення, коли їжа в шлунково-кишковому тракті піддається розщепленню: білки – до амінокислот, вуглеводи – до моносахаридів (глюкози і інших з’єднань), жири – до жирних кислот і моногліцеридів. Низькомолекулярні біологічно активні та мінеральні речовини всмоктуються у внутрішнє середовище переважно без будь-якої попередньої хімічної трансформації. Хімічні сполуки з потоком крові надходять до клітин, де включаються в процеси синтезу (утворення специфічних білків, вуглеводів, ліпідів і регуляторних сполук для клітини) процеси окислювально-відновних реакцій, в ході яких вивільняється енергія хімічних зв’язків. Наступний це етап, на якому поживні речовини піддаються подальшому розщепленню і / або біотрансформації з метою отримання в процесі біосинтезу власних речовин. Основними реакціями, які при цьому протікають, є окислення, відновлення, відщеплення, гідроліз, синтез.
Отримані сполуки або відразу витрачаються “на будівельні, ремонтні та господарські потреби” клітини, або акумулюються в ній для подальшого використання. Запасаються головним чином високоенергетичні сполуки – жири, глюкоза в вигляді полімеру (глікогену), які при розщепленні вивільняють велику кількість енергії. Інші сполуки, синтезовані “на експорт” (гормони, медіатори та інші) виділяються (секретируются) за межі клітини з метою комунікації з сусідніми або віддалено розташованими клітинами.
Наприклад, оптимальна концентрація білків в клітині забезпечується їх синтезом з наявних у клітці амінокислот “в міру необхідності”. Реакції біосинтезу білка “запускаються” за механізмом зворотного зв’язку, про який розповідалося в попередньому розділі. Це стосується в першу чергу вироблення гормонів, медіаторів та інших сигнальних молекул. Синтез білка на потреби самої клітини регулюється інакше – без включення механізмів гуморальної та нервової регуляції. Ймовірно, клітина якимось чином відчуває брак певного білка (наприклад компонента клітинної мембрани), порівнює з генетично запрограмованої належною величиною, і це стає пусковим моментом для його вироблення. При розгляді механізмів біохімічних процесів, що протікають в клітині, і їх механізмів виникає багато питань. Що змушує клітину виробляти певний білок? Як утворюється таке різноманіття білкових молекул? Давайте спробуємо простежити на такому прикладі.
Припустимо, ми з’їли шоколадку. Аби не заглиблюватися в наслідки цього необачного кроку, скажімо, що після такої вуглеводного навантаження клітинам терміново потрібно переробити вуглеводи. “Потрібен інсулін!” – Кричать клітини, і мозок посилає вказівку бета-клітин підшлункової залози: “Прохання задовольнити. Виробити інсулін! “Далі починається найцікавіше. Як клітини виробляють білок, зокрема інсулін?
Білки, згідно з визначенням, – це складні високомолекулярні речовини, що складаються з амінокислот, які, в свою чергу, є органічними кислотами, що містять одну або більше аминогрупп. Всього амінокислот 20 (уявімо їх намистинами різних кольорів), а білки – це намисто, зібрані в потрібному порядку. Скільки ж число білкових молекул (бус) можна скласти, за умови, що кількість амінокислот (намистин) у однієї білкової ланцюга може досягати декількох сотень! Це визначає колосальна різноманітність білків.
Основний процес, який лежить в основі початку синтезу білка, досить складний і досі не вивчений. Вчені вважають, що у відповідь на вплив зовнішнього фактора (в даному випадку надлишок вуглеводів) сигнал якимось чином надходить до ядра клітини, який і є який ініціює та основоположним в запуску синтезу білка. Вважається, що синтез білка починається в ядрі клітини. ДНК – основний носій генетичної інформації, і, як ви вже знаєте, є подвійну спіраль, закручену навколо загальної осі. Ген – це ділянка ДНК, що містить програму побудови тільки одного певного білка, наприклад вище згаданого інсуліну. Афористична формула “Один ген – один білок” була відкрита всього півстоліття тому. Щоб “прочитати” інформацію, що стосується синтезу даного білка, треба розплести і роз’єднати нитки ДНК на ділянці потрібного гена (рисунок 1.4.9). Цим займається певний фермент (не перевантажувати вас запам’ятовуванням складних назв і специфічних термінів).
Важливо відзначити, що зчитування інформації з ДНК або з РНК можливо тільки в одному напрямку. Цей механізм дозволяє попередити помилки зчитування (пам’ятаєте – Оля і Яло з казки “Королівство кривих дзеркал”).
Отже, ген на матричної нитки ДНК готовий. За справу береться інший фермент (РНК-полімераза), і, як мозаїку, добудовує РНК навпаки гена. Пам’ятайте принцип “ключ – замок”? Процес переписування інформації з ДНК і одночасного добудовування РНК в біології називається транскрипцією. Отриману РНК називають первинним (неактивним) транскріптатом. Процес “дозрівання”, активації РНК проходить в ядрі за участю ферментів, як ножицями вирізали інтрони (що не несуть інформації, “мовчазні” ділянки РНК) і сшивающим залишилися “шматки”. Біологічне значення интронов досі не з’ясовано, і чергова Нобелівська премія чекає свого володаря. Після всіх цих перетворень ми маємо готову матричну, або інформаційну мРНК.
Треба зауважити, що в одній клітці з одного гена можна переписувати послідовно кілька копій м-РНК, що дозволяє, в кінцевому підсумку, значно збільшити обсяги вироблення потрібного білка.
У цитоплазму мРНК виходить і починається новий етап – безпосередньо синтез білкової ланцюга, або трансляція. Як тільки мРНК виявилася в цитоплазмі, її “приймає” в свої “обійми” рибосома (вид Б на малюнку 1.3.9).
Нагадаємо, що рибосома складається з великої і малої субодиниць, між якими є жолобок, своєрідний канал, по якому і протягується мРНК.
Інформація, записана в мРНК піддається перекладу в іншу систему знаків – на “мову білків” (його “алфавіт” – амінокислоти). Рибосома переміщується на один крок (кодон) по ланцюгу мРНК, в її активному центрі виявляється новий триплет (кодон), до якого підходить транспортна РНК, прикріплюється до рибосоми і передає ланцюжок з амінокислот, рибосома знову робить крок і так далі. Цей процес простіше зобразити, ніж описати (дивись малюнок 1.4.10). Для підвищення “продуктивності” процесу біосинтезу білка клітина утворює полірібосоми (вид В на малюнку 1.3.9), що представляють собою кілька рибосом, послідовно зчитують інформацію з мРНК.
Новоутворена білкова молекула не залишається в клітці у вигляді нитки бус (це всього лише первинна структура), вона компактно “упаковується” завдяки хімічним і фізичним зв’язків, що виникають між амінокислотами, у міру подовження білкової ланцюга. Вторинна структура білка схожа на спіраль, а третинна – на щільну кульку (глобулу). Так звана четвертичная структура утворюється при об’єднанні кількох білкових молекул між собою і / або з іншими молекулами.
Поки ви вникали в матеріал попереднього абзацу, в реальному клітці вже зібрана значна за розмірами білкова ланцюг: синтез молекули білка, що складається з 100 амінокислот, займає близько 2 хв. Закінчується збірка конкретної молекули білка, коли в активний ( “зчитує”) центр рибосоми потрапляє стоп-кодон мРНК, і білкова ланцюг обривається (малюнок 1.3.9, вид В).
Описуючи біохімічні реакції, ми опустили одну важливу деталь. Багато реакції можуть протікати і без допомоги каталізатора, але це займе колосальну час (з урахуванням часу життя конкретної клітини). А реакції в клітці йдуть з такими швидкостями, які недосяжні, при проведенні їх в пробірці. Тут працює ще один винахід природи – ферменти, про які ми згадували, говорячи про хімічному будову клітини.
Фермент – це каталізатор, що прискорює тільки одну хімічну реакцію. Швидкість протікання катализируемой ферментом реакції в організмі збільшується в сотні тисяч або мільйони разів (до 1014 разів). Наприклад, освіту всього лише однієї водневої зв’язку та поєднане з цим зміна енергії активації може прискорити реакцію в 106 разів.
Ферменти прискорюють протікання біохімічних реакцій в сотні тисяч або мільйони разів.
Назва ферменту найчастіше складається з двох частин, що відображають субстрат і виконувану їм функцію. Наприклад, сукцинатдегідрогеназа – це фермент, який від субстрату – з’єднання бурштинової кислоти (сукцинат) – забирає атом водню (дегідроген). Ліпаза – фермент, який розщеплює жири. Закінчення “аза” говорить лише про те, що дане слово позначає фермент, який в 100% випадків є білком.
Частина речовин, які утворюються в клітині, є “відходами” метаболізму, вони з потоком крові транспортуються до печінки і нирок, а потім виводяться з організму. Утворені продукти, як правило, позбавлені не тільки специфічної активності, а й, що дуже важливо, – токсичності.
Нагадаємо, що інтенсивність протікання біохімічних реакцій в клітині варіює на різних етапах життєвого циклу клітини (дивись малюнок 1.3.16). Під час поділу клітини вона мінімальна, в період активного функціонування клітини процеси метаболізму і енергетичного обміну протікають з максимальною швидкістю. Таким чином, біохімічні процеси, що протікають в організмі, підпорядковані головному генетичному алгоритму – життєвому циклу і націлені на виконання основних завдань.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)