Загальні поняття про обмін речовин і енергії

Загальні поняття про обмін речовин і енергії

Обмін речовин (або метаболізм) - це безперервний і саморегульований кругообіг речовин, який відбувається в процесі існування живих організмів і супроджується їхнім постійним самовідновленням. Це сукупність хімічних, фізико-хімічних, фізіологічних і біологічних процесів, спрямованих на самовідновлення живих організмів у тісному зв'язку з оточуючим середовищем.

В обміні речовин прийнято виділяти два протилежні, але взаємопов'язані процеси: катаболізм і анаболізм. Та частина загального обміну речовин, яка супроводжується поглинанням, нагромадженням і перетворенням організмом речовин навколишнього середовища в речовини власного організму називається анаболізмом (асиміляцією). При цьому завжди відбувається поглинання енергії.

Ту частину загального обміну речовин, яка супроводжується руйнуванням компонентів живого організму й виведенням продуктів їхнього розпаду з організму, називають катаболізмом або дисиміляцією. При цьому виділяється енергія, значна кількість якої використовується для процесів анаболізму, підтримання постійної температури тіла, механічної роботи тощо.

Обмін речовин як основний процес життєдіяльності можна розділити на три етапи. Перший - ентеральний обмін (травлення) - це механічна й хімічна переробка складових частин їжі в органах травлення і всмоктування.

Другий - проміжний або внутрішньоклітинний обмін, який включає процеси розпаду й синтезу речовин тканин організму. Він супроводжується утворенням великої кількості проміжних, а надалі й кінцевих продуктів обміну. Проміжний обмін характеризується сту-пінчатістю процесів.

Третій етап - це виділення кінцевих продуктів обміну з організму із сечею, калом, повітрям, що видихається і т.ін.

У процесі обміну речовин в організмі утворюються речовини, які називаються метаболітами. Це, наприклад, амінокислоти, жирні та ароматичні кислоти, пуринові й піримідинові основи, моносахариди, аміни, гормони та інші властиві організму сполуки.

Енергетика обміну речовин

Обмін речовин організмів нерозривно пов'язаний з обміном і перетворенням енергії, тобто обмін речовин неможливий без супутнього обміну енергії. Обмін енергії включає процеси вивільнення, трансформації, накопичення й використання енергії, що утворюється під час розпаду поживних речовин в організмі.

Перетворення енергії в живій клітині підпорядковується тим же законам термодинаміки, котрі діють у неживій природі. Існує два основні закони термодинаміки.

Згідно з першим законом різні види енергії можуть перетворюватися один в одний, але загальна кількість енергії у Всесвіті залишається сталою.

Згідно із другим законом енергія може існувати у двох формах: у формі вільній чи корисній і у формі некорисній (розсіюваній), яка не використовується.

Будь-яка обмежена система може перебувати по відношенню до оточуючого середовища в трьох різних станах: 1) відкрита система, якщо в ній відбувається обмін речовин і енергії із середовищем; 2) закрита система, де обмін речовин із середовищем відсутній, але присутній обмін теплової енергії; 3) ізольована система, коли із середовищем немає обміну ні речовиною, ні енергією. Останні дві системи називаються також замкнутими.

В основі всіх процесів життєдіяльності лежить постійний обмін речовин і енергії між організмом і оточуючим середовищем, тому всі живі організми належать до відкритих систем.

Співвідношення між кількістю енергії, яка надходить із їжею, і кількістю енергії, що виділяється в зовнішнє середовище, являє собою енергетичний баланс організму.

Існують два різновиди корисної енергії: вільна й теплова.

Вільна енергія. Найважливішим показником енергетичного ефекту є зміна величини вільної енергії. Кількість енергії, яка за певної температури й тиску може бути перетворена на роботу, має назву вільної енергії.

Хімічні реакції звичайно перебігають або з виділенням енергії, або з її поглинанням. Якщо реакція йде з виділенням енергії, то вона супроводжується втратою чи зменшенням вільної енергії; такі реакції називають екзергонічними (екзотермічними).

Теплова енергія здатна здійснювати роботу тільки при зміні температури й тиску (їх перепаді).

Енергетика процесів біологічного обміну речовин ґрунтується на трьох головних принципах, які відрізняють їх від енергетичних реакцій, що здійснюються в неживій природі.

Першою, вельми важливою стороною енергетики обміну речовин у біологічних системах є перетворення хімічної енергії в інші форми без попереднього перетворення її в теплову енергію.

Другою особливістю біоенергетики є те, що вивільнення енергії під час хімічних і окислювальних процесів відбувається поступово, малими порціями, у довгому ланцюзі послідовних процесів, поки всі атоми водню й вуглецю не перетворяться на кінцеві продукти окислення - воду й вуглекислий газ.

Третя особливість полягає в тому, що потенційна хімічна енергія, замкнута в хімічних зв'язках молекул вуглеводів, ліпідів, білків та інших органічних сполук і звільнювана при їх розпаді, може накопичуватися в інших речовинах, які є своєрідними біологічними акумуляторами енергії. Вони одержали назву високоенергетичних або ма-кроергічних сполук і мають у своїх формулах знак (символ) ~ (тильда). Цим знаком позначають зв'язок, гідроліз якого супроводжується вивільненням значної кількості вільної енергії. Ця енергія надалі використовується в різноманітних процесах життєдіяльності.

Біоенергетика

Як уже зазначалося, організми людини і вищих тварин є гетеро-трофами - вони отримують енергію з поживними речовинами. Однак енергія, яка міститься в хімічних зв'язках вуглеводів, ліпідів, білків та інших органічних сполук, відразу не може бути використана безпосередньо для виконання тієї або іншої роботи в клітині. Тому ці групи речовин в обмінних процесах зазнають розщеплення, а потім -окислення.

У зв'язку з тим, що джерелом енергії у клітині виступає головним чином електрон водню, то процес її вивільнення можна уявити як процес вивільнення водню й умовно розбити на три етапи (фази)

1) підготовчий етап - відбувається переведення ви-сокомолекулярних біополімерів, які надходять з їжею або знаходяться всередині клітин, у зручну для вилучення енергії форму - мономери. На цьому етапі звільнюється незначна кількість енергії, приблизно до 1\% енергії субстратів, але й вона розсіюється у формі тепла.

На другому етапі мономери розпадаються в клітинах тканин і органів на більш прості сполуки, які можуть бути однаковими в різних мономерів.

На другому етапі, який відбувається в анаеробних умовах, звільнюється близько 25-30\% енергії вихідних речовин. Частина цієї енергії акумулюється у фосфатних зв'язках АТФ (субстратне фосфорилювання), а частина розсіюється у вигляді тепла. Перетворення мономерів протікає в гіалоплазмі, а кінцеві реакції - в мітохондріях.

Третя фаза - остаточний розпад речовин до С02 і Н20 за участю кисню і з повним звільненням енергії. Близько 70-80\% усієї енергії хімічних зв'язків речовин звільнюється в цій фазі. Всі реакції цієї фази локалізовані в мітохондріях.

5. Біологічне окислення. Сучасні уявлення про біологічне окислення і тканинне дихання

Більша частина енергії, необхідної для життєдіяльності, утворюється внаслідок окислювально-відновних реакцій.

Окислення речовин може здійснюватися такими шляхами: а) відщепленням водню від субстрату, який окислюється (процес дегідрування); б) віддачею субстратом електрона; в) приєднанням кисню до субстрату.

Окисленням називають усі хімічні реакції, під час яких відбувається віддача електронів, що супроводжується збільшенням позитивних валентностей. Але одночасно з окисленням однієї речовини повинне відбуватися й відновлення, тобто приєднання електронів до іншої речовини.

Таким чином, біологічне окислення й відновлення - це відповідні реакції переносу електронів, що відбуваються в живих організмах, а тканинне дихання - такий вид біологічного окислення, при якому акцептором електрона є молекулярний кисень.

Вивчення процесів біологічного окислення започаткував у XVIII ст. А. Лавуазьє. Він звернув увагу на наявність певної тотожності процесів горіння органічних речовин поза організмом і диханням тварин. Виявилося, що при диханні, як і при горінні, поглинається кисень і утворюються С02 и Н20, проте процес «горіння» в організмі йде дуже повільно, до того ж, без полум'я.

Проте залишалося незрозумілим, чому це особливе повільне «горіння» в організмі відбувається за незвичайних умов:за певної низької температури (36-37°С), без виникнення полум'я (як це має місце при горінні) і в присутності води, вміст якої досягає в тканинах 75-80\% від загальної маси і яка у звичайних умовах горінню заважає

Одна з перших теорій біологічного окислення, пов'язаних з «активацією» кисню, була розвинута російським вченим О.М.Бахом (1897), який вважав, що молекула кисню здатна діяти як окислювач органічних речовин тільки після своєї активації внаслідок розриву одного із зв'язків у його молекулі (-0-0-).

У цих реакціях окислення йде паралельно з відновленням. У такий спосіб О.М. Бах уперше сформулював ідею про спряженість окислювально-відновних процесів при диханні. Теорія О.М. Баха отримала назву «перекисної теорії» активації кисню.

Значну роль у розвитку теорії біологічного окислення відіграли роботи іншого російського вченого - В.І. Палладіна (1907). Він розвинув уявлення про дихання як систему ферментативних процесів і особливого значення надавав окисленню субстратів шляхом відщеплення водню (процес дегідрування).

Таким чином, В. І. Палладін надавав великого значення процесу процесу дегідрування, а також вказував на важливу роль кисню як акцептора водню в процесах біологічного окислення.

Дослідження В. І. Палладіна були підтверджені роботами Г. Віланда, котрий встановив, що процес дегідрування субстратів є основним процесом, який лежить в основі біологічного окислення, і що кисень взаємодіє вже з активованими атомами водню. Отже, була створена концепція окислення речовин шляхом їх дегідрування, яка стала називатися теорією Пал-ладіна-Віланда. Велику роль у підтвердженні цієї теорії відіграло відкриття й вивчення цілого ряду ферментів-дегідрогеназ, які каталізують відщеплення атомів водню від різних субстратів.

Обмін кетонових тіл

До кетонових тіл відносять ацетооцтову кислоту (ацетоацетат), бета оксимасляну кислоту (бета-оксибутират) і ацетон. Синтезуються вони в печінці із ацетил-КоА. Останній утворюється при розпаді вуглеводів, жирних кислот і амінокислот, але переважно для синтезу кетонових тіл використовується ацетил-КоА, що утворюється із жирних кислот. Ацетоацетат і бета-оксибутарат надходять із печінки у кров і транспортуються як водорозчинні сполуки до позапечінкових тканин. Там бета-оксибутарат окиснюється до ацетоацетату, який перетворюється в активну форму – ацетоацетил-КоА. У тканинах є 2 шляхи активації ацетоацетату. У першому ацетоацетат перетворюється в ацетоацетил-КоА в реакції з сукциніл-КоА. У другому шляху ацетоацетил-КоА утворюється в реакції з КоА при участі АТФ та ферменту ацетоацетил КоА-синтетази.

У нормі в печінці утворюється невелика кількість кетонових тіл, які дифундують у кров і швидко утилізуються периферичними тканинами. Концентрація кетонових тіл у крові – не більше 30 мг/л. Окиснення кетонових тіл відбувається у серцевому і скелетних м'язах, нирках і навіть, при тривалому голодуванні, у мозку. Таким чином, біологічний зміст утворення кетонових тіл полягає в тому, що частина ацетил-КоА, який утворюється при бета-окисненні жирних кислот у печінці, не окиснюється тут, а направляється у формі кетонових тіл в інші органи і тканини як додаткове джерело енергії. Знову, як і у випадку з глюкозою, печінка служить органом, що постачає в інші тканини й органи клітинне паливо.

Вміст кетонових тіл у крові в біля 10-20 мг/л. При голодування і цукровому діабеті їх рівень різко підвищується (кетонемія). Збільшується їх виділення з сечею (кетонурія). Причиною кетонемії є зменшення утилізації ацетил-КоА в ЦТК при порушенні вуглеводного обміну. Входження ацетил-КоА в ЦТК потребує оксалоацетату, який синтезується з пірувату, а основним постачальником його є гліколіз. При зменшенні в клітині глюкози оксалоацетат використовується на глюконеогенез, а ацетил-КоА - на кетогенез. Сприяє накопиченню ацетил-КоА і стимуляція ліполізу в жировій тканині. Ці закономірності пояснюють давній вислів "Жири згоряють у полум'ї вуглеводів". При відсутності лікування концентрація ацетонових тіл у хворих на цукровий діабет зростає в десятки разів, супроводжуючись зміщенням реакції в кислу сторону, небезпечним для головного мозку.

Кетоацидо́з — це патологічний стан організму, при якому спостерігається висока концентрація кетонових тіл, що формуються внаслідок активного розщеплення жирних кислот та дезамінуванням амінокислот. При кетоацидозі утворюються переважно ацетоацетонова кислота та β-гідоксибутират.

Біосинтез жирів

Біосинтез жирних кислот і жирів в організмі людини є досить активним метаболічним процесом. Значною мірою це зумовлено тим, що жири можуть запасатися у великих кількостях. Так, в організмі людини масою 70 кг міститься близько 12 кг жирів. Жирні кислоти входять також до складу фосфоліпідів і гліколіпідів. Ці речовини в організмі не запасаються, але як структурні компоненти мембран постійно оновлюються. Таким чином, в організмі інтенсивно синтезуються вищі жирні кислоти. Найбільш інтенсивно цей процес перебігає у печінці й жировій тканині.

Процес розпаду жирних кислот, тобто бета-окиснення, полягає у поступовому відщепленні ацетильних груп у вигляді ацетил-КоА. Проте синтез жирних кислот не є зворотним процесом поступового приєднання ацетильних груп за допомогою таких же ферментативних реакцій, а здійснюється іншим шляхом – за участю інших ферментів, коферментів і в іншій частині клітини.

Вихідна речовина для синтезу жирних кислот – ацетил-КоА. Джерелами ацетил-КоА є розпад глюкози (шляхом гліколізу й окиснювального декарбоксилювання пірувату), бета-окиснення жирних кислот, а також розпад вуглецевих скелетів аміноксилот. Утворюється ацетил-КоА в мітохондріях, а синтез жирних кислот відбувається в цитоплазмі. Молекули ацетил-КоА не можуть проникати через мітохондріальну мембрану, тому спочатку ацетил-КоА перетворюється в речовину, яка переноситься через мембрану. Такою речовиною є цитрат. І в тих умовах, коли цикл Кребса загальмований, що має місце за умов достатнього нагромадження АТФ, цитрат проникає із мітохондрій у цитозоль за допомогою спеціальної транспортної системи і тут розпадається до ацетил-КоА і оксалоацетату під дією ферменту цитратліази.

Перенесення оксалоацетату назад у мітохондрії здійснюється за допомогою піруват-малатного циклу. Функціонування цього циклу призводить також до відновлення НАДФ+ до НАДФН, який використовується під час синтезу жирних кислот.

Але безпосереднім субстратом для синтезу жирних кислот служить не ацетил-КоА, а речовина, яка утворюється при карбоксилюванні ацетил-КоА і називається малоніл-КоА. Тому попередньо молекула ацетил-КоА під дією ферменту ацетил-КоА-карбоксилази перетворюється у малоніл-КоА.

Ацетил-КоА-карбоксилаза є регуляторним ферментом і активується цитратом. Таким чином, як тільки в мітохондріях зростає кількість цитрату, він виходить із мітохондрій у цитоплазму і одночасно виступає як попередник ацетил-КоА і активатор ацетил-КоА-карбоксилази.

Безпосередній синтез жирних кислот забезпечує складний ферментативний комплекс – синтетаза жирних кислот (пальмітилсинтетаза). До складу цього комплексу входять 6 ферментів і спеціальний ацилпереносний білок, який має 2 вільні НS-групи. Одна HS-група належить активному залишку цистеїну, а друга – простетичній групі 4-фосфопантотеїну, похідному пантотенової кислоти. Функція ацилпереносного білка в біосинтезі жирних кислот аналогічна функції коензиму А у бета‑окисненні жирних кислот. Побудова ланцюга жирної кислоти починається з того, що до однієї HS-групи ацилпереносного білка приєднується ацетильна група із ацетил-КоА, а до другої HS-групи – малонільна група із малоніл-КоА.

Наступні реакції синтезу протилежні до реакцій бета-окиснення жирних кислот. Кетогрупа у бета-положенні відновлюється до гідроксильної ­групи (реакція гідрування), далі відбувається дегідратація з утворенням подвійного зв'язку між 2 і 3 положеннями і знову реакція відновлення подвійного зв'язку. Відновником служить НАДФН. У результаті утворюється залишок жирної кислоти із чотирьох атомів вуглецю, приєднаний до ферменту. Тепер починається новий цикл реакцій, що приводить до зростання ланцюга до 6 атомів вуглецю:

– перенесення малонільної групи, зв'язаної з КоА, на HS-АПБ;

– конденсація із вивільненням СО2, утворенням бета-кетоацилу із 6 атомів вуглецю;

– послідовні реакції відновлення, дегідратації і відновлення.

Далі цикл повторюється і після семи таких циклів утворюється 16-ти-вуглецевий пальмітил, зв'язаний з ферментом, із якого під дією гідролази вивільняється пальмітинова кислота.

Регуляція ліпідного обміну

Гідроліз триацилглщеринів у жировій тканині каталізується трьома ліпазами: триацилгліцерин-, діацилгліцерин- і моноацилгліцеринліпазою. Стимулюється процес гідролізу жирів гормонами — адреналіном, глюкагоном, кортикостероїдами і гіпофізарними гормонами.

Активна триацилглщеринліпаза гідролізує триацилгліцерин на ді­ацилгліцерин і жирну кислоту. Далі дигліцеринліпаза і моногліцеринліпа-за розщеплюють діацилгліцерин через моноацилгліцерин до вільного гліце­рину і жирних кислот. Обидва продукти виходять шляхом дифузії із жир­них клітин у кров. Гліцерин у вільному вигляді, а жирні кислоти у формі нековалентних комплексів з альбумінами переносяться кров'ю до органів тканин.

Регуляторний фермент у процесі синтезу жирних кислот – ацетил-КоА-карбоксилаза, яка каталізує утворення малоніл-КоА. Активується вона цитратом, тобто тоді, коли в мітохондріях накопичується цитрат, який не надходить у цикл лимонної кислоти, а виходить у цитоплазму. Поява цитрату в цитоплазмі служить сигналом, що цикл лимонної кислоти заповнений "паливом" і надлишок ацетил-КоА повинен запасатися у вигляді жиру.

Гальмує активність ацетил-КоА-карбоксилази пальмітил-КоА, тобто кінцевий продукт синтезу жирних кислот. Пальмітил-КоА гальмує активність і пальмітилсинтетази. Таким чином, накопичення продукту синтезу жирних кислот автоматично блокує процес їх синтезу. Жирні кислоти у вигляді ацил-КоА використовуються для синтезу жирів і фосфоліпідів. Регуляція через вплив на активність ферментів короткочасна. В організмі здійснюється і довготривала регуляція шляхом зміни кількості ферментів. Так, при переході організму на раціон, багатий вуглеводами чи бідний жирами, в печінці зростає синтез ферментів ацетил-КоА-карбоксилази, пальмітилсинтетази, цитратліази, а також ферментів пентозофосфатного шляху, що забезпечують утворення відновленого НАДФН2.

Наступним фактором, що контролює синтез і розпад жирних кислот, є рівень енергії в клітинах (енергетичний заряд клітини). Так, високі концентрації АТФ гальмують окиснення жирних кислот та стимулюють синтез жирних кислот і далі утворення із них жирів і фосфоліпідів. І навпаки, коли клітинні запаси енергії низькі (висока концентрація АДФ), збільшується швидкість окиснення жирних кислот та пригнічується їх синтез.

Біосинтез нуклеотидів

Пуринових

пуринове кільце утворюється з попередників аміаку, амінокислот вуглекислого газу.

Синтез пуринових нуклеотидів починається з формування пуринових основ на рибозо-5-фосфаті з утворенням фосфорибозилпірофосфату і фосфорибозиламіну.

Ad рибозо 5 фосфат = фосфорибозилпірофосфат = фосфорибозиламін

Пуринові нуклеотиди які синтезуються неново в результаті послідовного зєднання карбону і нітрогену до рибозо5 фосфату є інозинмонофосфат

Піриміди нових

Відбувається з карбокоїлфосфату і аспарагінової кислоти при їх взаємодії утворюється уреїдобурштинова кислота.

В подальших реакціях синтезується оротова кислота, яка взаємодіє з фосфорибозил пірофосфатом

Утв уридинмонофосфат, який займає центральне місце в синтезі піримідинових нуклеотидів.

Гниття білків у кишечнику

У процесі перетравлювання у шлунку і тонкому кишечнику основна маса білків розщеплюється і всмоктується переважно у вигляді амінокислот. Проте частина білків сухожиль, апоневрозів шкіри, які важко перетравлюються, і деяка кількість вільних амінокислот надходять у товсту кишку.

Товстий кишечник населений мікроорганізмами, які використовують харчові амінокислоти для свого росту. Вони мають ферментні системи, що каталізують різноманітні перетворення харчових білків і вільних амінокислот (гідроліз, окислення, відновлення, дезамінування, декарбоксилювання, деметилювання).

У процесі поступового і глибокого розпаду сірковмісних амінокислот (цистину, цистеїну і метіоніну) в кишечнику утворюються сірководень (H2S) і метилмеркаптан (CH3SH).

Диамінокислоти зазнають процесу декарбоксилювання з утворенням амінів. Два з них - путресцин і кадаверин - давно відомі через їх неприємний запах. Путресцин (putrificatio - гниття, лат.) - утворюється при декарбоксилюванні орнітину, а кадаверин (cadaver - труп, лат.) - при декарбоксилюванні лізину.

Путресцин і кадаверин, знешкоджуються в клітинах слизової оболонки кишечника під впливом специфічних диаміно-оксидаз, після чого легко всмоктуються в кров і виділяються з сечею.

Із циклічних амінокислот тирозину і триптофану за послідовного руйнування їх бічного ланцюга в результаті реакції декарбок-силювання, дезамінування, а потім і деметилювання утворюються токсичні продукти: крезол і фенол - із тирозину, скатол та індол - із триптофану.

Після всмоктування ці продукти через ворітну вену надходять у печінку, де знешкоджуються

індол зв'язується у вигляді ефіру сірчаної кислоти, калієва або натрієва сіль якої отримала назву тваринного індикану.

За кількістю індикану в сечі у людини роблять висновки про інтенсивність процесів гниття білків у кишечнику, а також про функціональний стан печінки.

Джерелом ендогенної бензойної кислоти може стати амінокислота фенілаланін. Під час її дезамінування утворюється фенілпіро-виноградна кислота, яка, декарбоксилюючись, перетворюється на фенілоцтову. Фенілоцтова кислота далі декарбоксилюється і перетворюється на толуол, а останній окислюється в бензойну кислоту.

Джерелом екзогенної бензойної кислоти можуть бути харчові продукти, зокрема, багаті на неї зелені частини рослин (салат, шпі-нат тощо), а також деякі лікарські речовини.

Бензойна кислота є менш отруйною речовиною, ніж зазначені вище сполуки, але має певну токсичність і знешкоджується (головним чином у печінці) шляхом сполучення з гліцином і утворення нетоксичної парної сполуки - гіпурової кислоти.

Реакція потребує доставки енергії і присутності КоА.

Дезамінування амінокислот

Дезамінування - це відщеплення аміногруп від амінокислот з утворенням аміаку. Можливі чотири типи дезамінування:

1) відновне, при якому утворюються насичена жирна кислота і аміак:

2) гідролітичне - з утворенням оксикислоти і аміаку:

3) внутрішньомолекулярне, при якому внутрішньомолекулярна перебудова супроводжується утворенням ненасиченої жирної кисло-і аміаку:

4) окислювальне, котре має найбільше значення і є основним для вищих тварин і людини:

Ця реакція в різних тканинах протікає з різною інтенсивністю і каталізується різними ферментами - специфічними оксидазами Ь-амі-нокислот або дезамінуючими дегідрогеназами. Серед дезамінуючих дегідрогеназ найбільш активною є глутама-тдегідрогеназа, яка каталізує окислювальне дезамінування глутаміно-вої кислоти. Найактивніше окислювальне дезамінування відбувається в печінці і в меншій мірі - у нирках та інших органах.

Синтез амінокислот

Будь-яка із замінних амінокислот може синтезуватися в організмі у необхідних кількостях. При цьому вуглецева частина амінокислоти утворюється з глюкози, а аміногрупа вводиться з інших амінокислот шляхом трансамінування.

Центральне місце в біосинтезі амінокислот займають глутама-тдегідрогеназа, глутамінсинтетаза та трансамінази. Завдяки сумісній дії цих ферментів каталізується включення неорганічного іону амонію до амінокислоти.

Аланін, аспартат, глутамат утворюються із пірувату, оксалоаце-тату й а-кетоглутарату - відповідно.

Глутамін утворюється з глутамінової кислоти під час дії глута-мінсинтетази.

Аспарагін синтезується із аспарагінової кислоти й глутаміну, який служить донором амідної групи; реакцію каталізує аспарагінсинтетаза.Аспарагінсинтетаза ссавців як джерело азоту використовує не іон амонію, а глутамін і, таким чином, не фіксує неорганічний азот.

Серин утворюється з гліколітичного проміжного продукту 3-фосфогліцерату.

Синтез гліцину в тканинах здійснюється В цитозолі печінки міститься гліцинтрансаміназа, що каталізує синтез гліцину з гліоксилату й глутамату (або аланіну) шляхом переаміну-вання.

Цистеїн утворюється з метіоніну (донор сірки) та серину (вуглецевий ланцюг та аміногрупа). Як результат ряду реакцій відбувається заміна ОН-групи серину на сульфгідрильну групу гомоцистеїну, який утворюється з метіоніну.

Тирозин утворюється з незамінного фенілаланіну за участю ферменту фенілаланінгідроксилази. Реакція необоротна, у зв'язку з чим тирозин не може замінити харчовий фенілаланін.

Пролін та гідроксипролін. У ссавців пролін утворюється з глу-тамату шляхом обертання реакції катаболізму проліну.

Гідроксипролін міститься в тканинах практично тільки в складі колагену, на частку якого припадає значна частина білка в організмі ссавців.

Відмінною особливістю метаболізму гідроксипроліну є те, що гідроксипролін, який входить до складу їжі, не включається у колаген.

Гістидин - це так звана «напівзамінна» амінокислота, В організмі гістидин може синтезуватися з АТФ і рибози:

Незамінні амінокислоти, за винятком лізину й треоніну, беруть участь у реакціях трансамінування. Таким чином, за наявності відповідних а-кетокислот вони також могли б синтезуватися в організмі (окрім лізину і треоніну). Незамінні, по суті, а-кетокислоти, котрі відповідають незамінним амінокислотам. Проте їжа людини не містить скільки-небудь помітних кількостей таких кетокислот, тому їх єдиним джерелом є незамінні амінокислоти їжі. З цього випливає, що трансамінування незамінних амінокислот служить етапом тільки їх катаболізму, а не синтезу, на відміну від замінних амінокислот, для яких трансамінування може бути початковою стадією катаболізму або кінцевою стадією синтезу.

Поняття про синтез білків

Біосинтез білка є центральним питанням біохімії. Розкриття його має важливе теоретичне і практичне значення. Вчення про біосинтез білка тісно пов'язане з такими найважливішими проблемами, як спадковість, мінливість, пристосовуваність, природний відбір, виведення нових форм рослинних і тваринних організмів, розробка методів керування процесами життєдіяльності організму.

Розшифровка процесів біосинтезу білка і його регуляції має першорядне значення і для охорони здоров'я, у тому числі, - для фармації, дозволяє розібратися в природі спадкових захворювань,

Вперше на наукових засадах це питання стало розглядатися у другій половині XIX сторіччя.

На той час більшість вчених вважали, що біосинтез білка в організмі йде за реакцією, зворотною протеолізу (гідролізу) завдяки оборотності дії ферментів протеїназ, але для цього їм необхідно створювати дещо інші умови дії. Отже, білки можуть синтезуватися в присутності протеолітичних ферментів шляхом сполучення вільних амінокислот.

Проте отримати вихідний білок з певною біологічною активністю не вдавалося, в цих дослідах розташувати амінокислоти (як продукти гідролізу білка) у визначеному порядку було неможливо, оскільки синтез ішов хаотично.

На початку XX ст. німецькі вчені Е.Фішер і Е.Абдергальден намагались вирішити ці питання хімічним шляхом. Е.Фішеру вдалося синтезувати поліпептидний ланцюг із 18 амінокислот, а Е. Абдер-гальдену - із 19, але більшого вони не змогли досягти, оскільки до цього часу мало що було відомо про будову білкової молекули, і рівень експериментальної техніки був низьким. На той час у науці про білки продовжувало панувати помилкове уявлення, що обов'язковою частиною протоплазми є особлива речовина білкової природи -«протеїн», яка й забезпечує в усіх живих організмах життєві функції

У 30-40-х роках ХХ сторіччя з'явилася теорія про шляхи біосинтезу білка, згідно з якою з амінокислот в організмі спочатку будуються невеликі пептиди, а потім вони об'єднуються й утворюють довгі поліпептидні ланцюги. Надалі це було спростовано за допомогою методу мічених атомів, який показав, що вихідними продуктами для біосинтезу білка є амінокислоти.

Великі успіхи в цій галузі були досягнуті починаючи з 50-х років, коли була остаточно розкрита структура білків.

У шістдесяті роки було здійснено перший синтез специфічного білка - гормону інсуліну. Синтез тривав довго: було проведено 223 хімічні операції, робота здійснювалась 10 співробітниками протягом 3 років (Ф.Сенгер та ін.). Вихід був мізерним, і синтезований гормон спочатку був біологічно неактивним. Це пояснювалось тим, що амінокислоти - це активні сполуки і, щоб вони вбудувалися у певне місце поліпептидного ланцюга, їх активні групи необхідно було захистити, а потім захист усунути, що вимагало багато часу і зайвих операцій. В організмі такі білки синтезуються протягом 1-3 хвилин, оскільки біосинтез є матричним. Потім синтез інсуліну було здійснено в багатьох країнах, але з меншими витратами часу.

У 1962 році Р. Меррифільдом було запропоновано конструктив-ніший метод одержання пептидів, так званий твердофазний синтез (матричний). Його сутність полягала в тому, що поліпептидний ланцюг нарощувався на твердому носії - полімерній смолі. Йому вдалося за невеликий строк синтезувати фермент рибонуклеазу, яка складається зі 124 амінокислот.

Починаючи десь із 50-х років XX сторіччя, численні та різнобічні дослідження великої групи вчених багатьох країн показали, що місцем біосинтезу білка є рибосоми; були відкриті тРНК, встановлено роль ДНК, різних видів РНК і ферментів у процесі білкового синтезу. Це сприяло розкриттю основних етапів біосинтезу білків та їх послідовності.

Етапи біосинтезу білків

1. Активація амінокислот, сполучення їх із тРНК та перенос до рибосом.

Цей процес йде в одну стадію, але для зручності й кращого тлумачення його розбивають на два етапи.

а ) Активування амінокислот - утворення аміноациладенілатів.

Амінокислоти в цитоплазмі знаходяться в неактивному стані. Вони активуються за карбоксильною групою завдяки енергії АТФ, у присутності солей ІУ^2+ за допомогою спеціальних ферментів амі-ноацил-тРНК-синтетаз, що позначаються скорочено АРСази. Ці ферменти забезпечують обидва етапи процесу - активацію амінокислот і з'єднання їх із тРНК. Кожен фермент виявляє подвійну специфічність: до певної амінокислоти і до відповідної їй тРНК.

Спочатку, внаслідок взаємодії АТФ з амінокислотою, утворюється сполучений із ферментом проміжний продукт - аміноациладе-нілат, тобто змішаний ангідрид двох кислот: амінокислоти й АТФ. При цьому СООН-група амінокислоти сполучається ангідридним зв'язком із 5'-фосфатною групою АМФ із виділенням пірофосфату і утворенням макроергічного зв'язку, енергія якого використовується в подальшому для утворення пептидного зв'язку.

б) Перенесення аміноациладенілатів до місця синтезу білка - до рибосом.

Активовані амінокислоти повинні переноситися до рибосом. Це перенесення здійснюється тРНК.

Транспортні РНК - найбільш низькомолекулярні РНК, полі-нуклеотидний ланцюг їх складається в середньому з 75-90 нуклео-тидів, М.м.=23000-30000, вони розчинні у воді, тому їх ще позначають Б-РНК. На їх частку припадає 10-20\% сумарної РНК клітин. Їх основна роль полягає в тому, щоб транспортувати амінокислоти до рибосом з наступним утворенням поліпептидного ланцюга, тобто тРНК виконує роль адаптора - своєрідного посередника між послідовністю нуклеотидів мРНК та послідовністю амінокислотних залишків у білковій молекулі, оскільки між кодонами мРНК й амінокислотами неможливі специфічні взаємодії за типом нуклеотидних пар (А...Т, Г...Ц). Кожна тРНК зв'язується з одного боку комплементарно з мРНК, а з другого - з певною амінокислотою. Різновидів тРНК стільки, скільки амінокислот, тобто кожна з 20 амінокислот має свою тРНК, а деякі й більше. Наприклад, існують п'ять різних тРНК, які переносять серин. Всього ж у клітині присутні близько 60 різновидів тРНК.

У всіх тРНК знайдено, крім чотирьох звичайних рибонуклеотидів (А, Г, Ц, У), 8-19\% мінорних нукле-отидів. Виявлено близько 60 мінорних основ, серед яких - різні ме-тильовані піримідини (в тому числі й тимін), аденіни, гуаніни тощо, але найрозповсюдженішими й найуніверсальнішими серед них є псе-вдоуридин і дигідроуридин:

Молекули тРНК являють собою одиночний полінуклеотидний ланцюг, який утворює складну просторову структуру. Для зручності розкриття ролі просторової конформації тРНК у процесі біосинтезу білка його зображують у вигляді «листка конюшини» (рис. 78, а).

«Листок конюшини» містить 4 спіралізовані петлі (дигідроуридинова, антикодонова, додаткова, псевдоуридинова) й 2 стебла:

Реакцію каталізує той же фермент, що й реакцію активації амінокислот - аміноацил-тРНК-синтетаза.. Частина з них побудована з одного поліпептидного ланцюга (валінова, лейцинова, ізолейцинова), інші складаються із двох, чотирьох і більше однакових субодиниць (наприклад, серинова побудована із двох субодиниць, а метіонінова - з чотирьох), а деякі містять різні за структурою субодиниці. У молекулі зазначеного ферменту є дві специфічні ділянки (активні центри), завдяки яким він «впізнає» «свою» амінокислоту і «свою» тРНК.

Процес «впізнавання» і приєднання АРСазами амінокислоти й тРНК називають рекогніцією. Для кожної з 20 амінокислот, які входять до складу білка, є своя, причому єдина аміноацил-тРНК-синтетаза, яка «впізнає» усі тРНК, що специфічні для даної амінокислоти. Такий контроль дозволяє зменшити кількість мутацій.

2. Процес трансляції на рибосомах.

Процес перекладу нуклеотидної послідовності мРНК на амінокислотну одержав назву трансляції. Трансляція складається із трьох етапів: ініціації (початок синтезу поліпептидного ланцюга), елонгації (його подовження) і термінації (завершення синтезу).

а) Ініціація трансляції

Ініціація - це одна з найважливіших і найскладніших стадій процесу трансляції.

Перед початком ініціації рибосома дисоціює. Ініціація відбувається таким чином:

1. На першому етапі 30Б-субодиниця зв'язує фактор ініціації ІF-3 і приєднується до 5'-кінця мРНК за участю фактора

2. Потім утворений комплекс сполучається з фактором ініціації ІF-2, з'єднаним із ГТФ і з ініціюючою -формілметіоніл-тРНКфмет, яка прикріплюється своїм антикодоном до ініціюючого кодону (АУГ) Мрнк.

3. На третьому етапі ініціації відбувається взаємодія цього комплексу з 508-субодиницею рибосоми; одночасно молекула ГТФ, зв'язана з Іf-2, гідролізується до ГДФ і Н3Р04, які, як і фактори ініціації, вивільняються з комплексу. Унаслідок цього утворюється функціонально активна 70Б-рибосома, яка називається ініціюючим комплексом.