Ainevahetus bioloogias

Ainevahetus (metabolism) ja energia, mida nimetatakse elusorganismis toimuvate keemiliste ja füüsikaliste muutuste kombinatsiooniks, mis tagavad selle elutähtsuse koos keskkonnaga. Ainevahetuse põhiolemus on erinevate ainete kehasse sissevõtmine väliskeskkonnast, nende assimileerimine ja kasutamine eluprotsessis ning saadud ainevahetusproduktide jaotamine väliskeskkonda. Ainevahetus ja energia - elusorganismi konkreetne omadus.

Ainevahetuse ja energia eesmärk on varustada keha kemikaalidega, mis on vajalikud kõigi selle struktuurielementide ehitamiseks ja kehas lagunevate ainete taastamiseks.

Ainevahetuse teine ​​kõige olulisem bioloogiline eesmärk on energiaga varustamine kõigi keha elutähtsate funktsioonidega.

Ainevahetusel on kaks külge: anabolism ja katabolism. Anaboolia on metaboolsete reaktsioonide kogum, mis viib keha kudede ehitamiseni, neis keerukate orgaaniliste ainete moodustumiseni. Anaboolia põhineb assimilatsioonil - keha protsessil, mis kasutab väljaspool seda asuvaid aineid, ja selle keerukate orgaaniliste ühendite sünteesil. Katabolism on metaboolsete reaktsioonide kogum, mis viib ainete lagunemiseni elusorganismis, see põhineb dissimilatsioonil - orgaaniliste ainete hävitamisel..

Assimilatsiooni ja dissimilatsiooni protsessid on lahutamatult seotud: dissimilatsioon soodustab assimilatsiooniprotsesse ja assimileerimisega kaasneb suurenenud dissimilatsioon (töötavas lihas laguneb glükogeen piimhappeks ja vabaneb energia, lagunemisel tekivad fosfor-glükoosiestrid, s.o dissimilatsioon viib dissimilatsioonini)..

Elu jooksul täheldatakse assimilatiivsete ja dissimilatsiooniprotsesside erinevaid kvantitatiivseid suhteid: kasvavas organismis domineerib assimilatsioon; täiskasvanul on anaboolismi ja katabolismi suhteline tasakaal; seniilsel perioodil jääb assimilatsioon maha dissimilatsioonist. Keha mis tahes aktiivsuse tugevdamine, eriti lihaste, tugevdab hajuvaid protsesse.

Ainevahetuse peamised etapid ja nende bioloogiline tähtsus

Valkude, rasvade ja süsivesikute ainevahetusprotsessidel on oma eripärad. Kuid on olemas põhimõtteliselt üldised seadused, mis võimaldavad meil eristada ainevahetuse kolme etappi:

- toidu töötlemine seedesüsteemis;

- interstitsiaalne ainevahetus;

- ainevahetuse lõpptoodete moodustumine.

1. etapp on toidu keemiliste komponentide järjestikune lagundamine seedetraktis madala molekulmassiga struktuurideks ja saadud lihtsate keemiatoodete imendumine verre või lümfi.

Valkude, rasvade ja süsivesikute lagunemine toimub spetsiifiliste ensüümide mõjul. Valgud lõhustatakse peptidaasi teel aminohapeteks, rasvad - lipaaside abil glütserooliks ja rasvhapeteks, keerulised süsivesikud - amülaaside abil monosahhariidideks. Loetletud ained imenduvad kergesti verre või lümfi, kanduvad voolu kaudu verre, maksa ja kudedesse, kus need toimuvad veelgi.

Selle etapi energeetiline väärtus on tühine, kuid selle väärtus seisneb lihtsate ainete moodustamises, mis tulevikus toimib energiaallikana.

2. etapp - interstitsiaalne metabolism ühendab aminohapete, monosahhariidide, glütserooli ja rasvhapete muundamise. Süsivesikute, rasvade ja valkude ainevahetusprotsessid on omavahel ühendatud peamiste ainevahetusproduktide (püruviinhape, atsetüülkoensüüm A) etapis ja neil on ühine lõpptee - süsivesikute, rasvade, atsetüülkoensüümi lõpptoodete oksüdatiivne lagunemine, mida nimetatakse trikarboksüülhappe tsükliks (Krebsi tsükkel)..

Interstitsiaalse metabolismi protsessid viivad liigispetsiifiliste valkude, rasvade ja süsivesikute ning nende nukleoproteiinide, fosfolipiidide jms komplekside sünteesini, s.o. kehaosade moodustumisele. Vahetusprotsessid on peamised energiaallikad. Krebsi tsüklis vabaneb suurem osa energiast (2 3) oksüdeerimise tagajärjel.

Energia säästmine toimub selle muundamisel spetsiaalsete keemiliste ühendite - makroergide - energiaks. Inimestel ja loomadel täidab makroergide funktsiooni adenosiintrifosforhape (ATP). ATP kogub 60–70% kogu energiast. 30–40% valkude, rasvade ja süsivesikute oksüdeerumisel eralduvast energiast muundub soojusenergiaks ja eraldub soojusülekande käigus kehast väliskeskkonda.

Vahetuse 3. etapp on vahetustoodete moodustamine ja jaotamine. Lämmastikku sisaldavad tooted erituvad uriiniga, roojaga ja naha kaudu. Süsinik eraldub peamiselt süsinikdioksiidi kujul kopsude kaudu ja osaliselt uriini ja väljaheitega. Vesinik eraldub kopsude ja naha kaudu peamiselt vee kujul..

Ainevahetuse regulatsiooni üldpõhimõtted

Eluprotsessis muudab elusorganism pidevalt ainevahetusprotsesside intensiivsust, kohandudes olemistingimustega. Sellise seadme alus on ainevahetuse reguleerimine, mille põhieesmärk on mõjutada rakkudes toimuvate biokeemiliste reaktsioonide kiirust (peamine muutus on seotud ensüümide aktiivsusega).

Ainevahetuse regulatsiooni on kolmel tasemel:

- automaatne reguleerimine lahtri tasemel;

- ainevahetuse närvi- ja humoraalne reguleerimine;

Automaatne reguleerimine raku tasemel (isereguleerimine)

Igas rakus on spetsiaalsed ultrastrukturaalsed elemendid, mille koostoime tagab rakusisese metabolismi. ATP moodustub mitokondrites, püruviinhappe, rasvhapete oksüdeerumisel. Lüsosoomides on happelises keskkonnas aktiivsed hüdrolüütilised ensüümid. Valkude süntees toimub ribosoomides.

Tagasiside põhimõte on raku eneseregulatsiooni nurgakivi, s.o aine kontsentratsioon rakus reguleerib keemilise protsessi aktiivsust, mõjutades ensüümide aktiivsust ja sünteesi (näiteks maksa fosforülaas katalüüsib maksa glükogeeni lagunemise ja sünteesi protsessi sõltuvalt glükoosikontsentratsioonist, liigse olemasolu korral glükoosi glükogeeni sünteesi protsess on aktiveeritud).

Toidu seedimine ja assimilatsioon toimub ensüümide osalusel. Valkude, nukleiinhapete, lipiidide, hormoonide ja muude ainete süntees ja lagundamine keha kudedes on ka ensümaatiliste reaktsioonide kombinatsioon. Kuid elusorganismi mis tahes funktsionaalsed ilmingud - hingamine, lihaste kokkutõmbumine, neuropsühhiline aktiivsus, paljunemine jne. - on otseselt seotud ka vastavate ensüümsüsteemide toimimisega. Teisisõnu, pole ensüümideta elu. Nende olulisus inimkeha jaoks ei piirdu ainult normaalse füsioloogiaga. Paljude inimeste haiguste aluseks on ensümaatiliste protsesside rikkumised.

Vitamiine võib omistada bioloogiliselt aktiivsete ühendite rühma, mis avaldavad oma mõju ainevahetusele tühistes kontsentratsioonides. Need on mitmesuguste keemiliste struktuuridega orgaanilised ühendid, mis on vajalikud peaaegu kõigi kehas toimuvate protsesside normaalseks toimimiseks. Need suurendavad keha vastupanuvõimet erinevatele ekstreemsetele teguritele ja nakkushaigustele, aitavad kaasa toksiliste ainete neutraliseerimisele ja kõrvaldamisele jne..

Eksamikatse Bioloogia 11. klassi vaba ainevahetus. Plastivahetus

Sissejuhatus

Meie keha vajab kogu eluks pidevalt järgmisi komponente:

  • energia - püsiva sisekeskkonna (näiteks normaalse kehatemperatuuri) hoidmiseks, rakustruktuuride loomiseks, ainete sünteesiks
  • mitmesugused orgaanilised ja anorgaanilised ained, millest rakustruktuurid on üles ehitatud - energia vabastamiseks oksüdatsiooni ajal moodustuvad uued ühendid (näiteks võivad süsivesikutest moodustuda rasvad)

Koolitundides kulutab õpilase keha vaimse ja füüsilise tegevuse ajal palju energiat..

Näiteks kulutab 45 kg kaaluv õpilane 6 tunni jooksul umbes 324 kcal (1356 kJ) energiat.

Kui me teisendame need andmed kW-ni tunnis, saame 0,37 kW tunnis - sellest energiast piisab, kui 100W lamp põleb peaaegu 4 tundi (100W lamp tarbib 0,1 kilovatti elektrit 1 tunni jooksul).

Selleks, et see energia oleks, on vaja toitaineid, mis sisenevad meie kehasse toidu kaudu..

Mis tahes elusorganismis toimuvad elutähtsa aktiivsuse säilitamiseks vajalikud biokeemilised protsessid pidevalt - kõiki neid protsesse nimetatakse ainevahetuseks ehk ainevahetuseks..

Ainevahetus (ainevahetus)

Ainevahetus on segu elusate organismide ainete ja energia biokeemilistest muutustest, samuti ainete ja energia vahetusest keskkonnaga.

Üheks elamise kriteeriumiks peetakse lihtsalt ainevahetust..

Kehasse sisenevad ained toimuvad metaboolse protsessi käigus mitmesuguste keemiliste muutuste kaudu, mille tulemusel kehale vajalik energia eraldub või imendub, rakkude, kudede ja elundite struktuuride moodustamiseks moodustatakse lihtsaid aineid.

Võib öelda, et ainevahetus koosneb kahest omavahel seotud ja vastupidisest protsessist:

  • plastiline metabolism (anabolism või assimilatsioon) - orgaaniliste ainete, rakkude ja kudede komponentide biosünteesi (moodustumise) protsessid energiakuluga (näited: valkude biosüntees, fotosüntees)
  • energia metabolism (katabolism või dissimilatsioon) - keerukate molekulide ja rakukomponentide lõhenemine energia moodustumisega (näiteks kui ATP fosforijääk lõhustatakse, tekib 40kJ energiat)

Energia metabolismi käigus moodustub mitut tüüpi energia:

  • termiline (püsiva kehatemperatuuri hoidmine)
  • mehaaniline (lihaste kokkutõmbumine)
  • mehaaniline-elektriline (närviimpulsside juhtivus)
  • keemilised (energia imendumisega toimuvad biosünteetilised protsessid)
  • energia bioloogiliste membraanide (näärmete, soolte, neerude jne) kaudu toimuvate ainete siirdamisega seotud tööks

Inimkeha kasutab eksisteerimiseks peamiselt keemilist energiat.

Tabelis on esitatud andmed orgaaniliste ainete lagunemisel vabaneva energiakoguse kohta:

Aine

Kui palju energiat vabaneb

Mis on lõhenenud

Lisandused

1 g valgu oksüdeerimise käigus eraldub 17,2 kJ (4,1 kcal)

Jaotage aminohapeteks

Ainevahetusprotsessis lagunevad valgud lõpuks süsinikdioksiidiks, veeks, lämmastikku sisaldavateks aineteks

1 g rasva lagunemisel vabaneb 38,9 kJ (9,3 kcal)

Jaotada rasvhapeteks ja glütseriiniks

Rasvamolekulid koosnevad süsinikust, hapnikust ja vesinikust..

Täieliku oksüdeerumise korral moodustuvad neist vesi ja süsinikdioksiid.

1 g süsivesikute lagunemisel vabaneb 17,2 kJ (4,1 kcal) energiat.

Lagundage seedimise ajal lihtsaks glükoosisuhkruks

Suurem osa glükoosist oksüdeeritakse kehas süsinikdioksiidiks ja veeks

Plastivahetus on vajalik kaotatud osade "ehitamiseks", uute rakkude loomiseks, mitte ainult rakkude, vaid kogu organismi kasvamiseks ja arenguks.

Keskmiselt muutub inimesel iga 80 päeva järel pool kõigist koevalkudest. Maksaensüümid (eriti selles esinevad intensiivsed reaktsioonid) uuenevad 2–4 tunni pärast ja mõned juba mitmekümne minuti pärast.

Anabolismi ja katabolismi tasakaalu või tasakaalu tasakaal sõltub vanusest.

Lastel domineerivad anaboolsed protsessid, see tähendab, et lapsed kasvavad aktiivselt ja kiiresti, suurendavad kehakaalu.

Täiskasvanutel on mõlemad protsessid tasakaalus, kuid nende suhe võib varieeruda sõltuvalt tervislikust seisundist, füüsilisest ja psühho-emotsionaalsest stressist..

Eakatel inimestel domineerivad katabolismi protsessid, mis põhjustab kudestruktuuride osalist hävimist, kehakaalu langust; homöostaasi säilitamiseks on vaja rohkem energiat.

Ainevahetusfunktsioonid:

  • energia saamine keha toimimiseks, sisekeskkonna püsivuse säilitamine
  • keha kasvu ja taastamiseks vajaliku ehitusmaterjali hankimine: valkude, nukleiinhapete, süsivesikute, lipiidide ja muude rakuliste komponentide süntees toidust saadavatest ainetest
  • toitainete säilitamine rakkudes ja kudedes
  • ainevahetusproduktide eritumine

Ainevahetuse kiirus

Väärib märkimist, et ainevahetus elusorganismis on pidev, isegi täieliku puhkeoleku ajal, ehkki selle intensiivsus aeglustub.

Ainevahetuse kiirust hinnatakse kogu energiatarbimise järgi.

Kui keha teostab suurt füüsilist koormust, on energiatarbimine suur. Lisaks füüsilisele tööle võivad ainevahetust mõjutada ka vanus, sugu ja muud tegurid..

Ensüümid on metaboolsete reaktsioonide otseseks abistajaks..

Ensüümid on bioloogilised katalüsaatorid, mis osalevad ainete lagunemise kõigis keemilistes reaktsioonides, viivad läbi ainete muundamise kehas ja kiirendavad kõiki protsesse, suunates ja reguleerides seeläbi ainevahetust.

Ainevahetuse kiirust mõjutavad tegurid:

  • füüsiline aktiivsus (füüsilise tegevuse ajal suureneb ainevahetus)
  • vanus: alates viiest aastast väheneb järk-järgult põhiainevahetuse intensiivsus, vanematel inimestel väheneb ainevahetus
  • temperatuur: kõrgendatud kehatemperatuuri korral suureneb ainevahetuse kiirus (näiteks kehatemperatuuri tõusuga 1 kraadi võrra suureneb peamise metabolismi väärtus 13%)

Kui keskkonna temperatuur on madal, siis püsiva kehatemperatuuri hoidmiseks aktiveeritakse kaitsemehhanismid ja tõhustatakse ainevahetust, keha soojendamiseks eraldatakse rohkem energiat.

Mõnes organismis toimub seevastu metaboolne aeglustumine madalal temperatuuril: roomajad, mõned imetajad ja putukad satuvad talvituma.

  • seksuaalne tegur - noortel meestel on peamine ainevahetus 1300-1600 kilokalorit (kcal) päevas, naistel on metaboolne baaskiirus 1100-1400 kcal

Test sektsiooni Ainevahetus (ainevahetus)

Pärast sisse logimist või registreerumist võite testi teha ja hinde saada.

Plastivahetus. Valkude biosüntees. Geneetiline kood

Valgu molekulid on raku lahutamatu osa, ilma milleta ta ei saa eksisteerida, kuna valgud täidavad kehas paljusid funktsioone, nad on osa membraanidest, hormoonidest, ensüümidest, lihaskiududest jne..

Organismidel, olgu need taimed, loomad, bakterid, on rangelt määratletud valgu molekulide komplekt.

Just valgud ja erinevused nende struktuuris moodustavad individuaalse ja ainulaadse tegelaskuju indiviidis, tervetes populatsioonides ja liikides.

Inimese kehas laguneb päevas umbes 400 grammi erinevaid valke, seetõttu tuleb uuesti moodustuda sama mass, seega toimub rakus pidev valkude moodustumise protsess, mis on üheks plastivahetuse näiteks.

Plastiline vahetus - raku orgaaniliste ainete moodustumise reaktsioonide kogum, kasutades energiat.

Valkude biosüntees, fotosüntees, nukleiinhapete süntees on näited plastilisest metabolismist, mille jooksul moodustatakse orgaaniline aine.

Plastivahetuse väärtus:

  • ehitusmaterjali moodustamine rakustruktuuride loomiseks (valkude, süsivesikute, rasvade süntees)
  • orgaaniliste ainete moodustumine, mis võivad tasakaalustada keha energiakulusid
  • päriliku teabe salvestamise ja valkude sünteesi eest vastutavate nukleiinhapete (DNA, RNA) moodustumine

Plastilise metabolismi üks olulisemaid protsesse on valkude süntees..

Valkude süntees

Valkude biosünteesis osalevad ained ja rakustruktuurid:

Ained ja rakustruktuurid

Funktsioonid valkude biosünteesis

Sisaldab teavet valgu struktuuri kohta, toimib maatriksina valkude sünteesiks ja kõigi RNA tüüpide jaoks

mRNA (Messenger või Messenger RNA)

See edastab teavet DNA-st valgu molekuli kogunemiskohta.

Sisaldab geneetilist koodi

Kodeerivate aminohapete ülekandmine ribosoomi biosünteesi kohale.

Organoid, kus toimub valkude biosüntees

Katalüüsitakse valkude biosünteesi

Ehitusmaterjal valgu molekuli ehitamiseks

Aine, mis annab energiat kõikidele valkude biosünteesi protsessidele ja muudele plastilise ainevahetuse protsessidele

Autotroofsed organismid (taimed) moodustavad anorgaanilistest ainetest valgu.

Heterotroofsed organismid (loomad) moodustavad aminohapetest valgu.

Oluline on meeles pidada, et valk koosneb aminohapetest, st aminohape on valgu monomeer (valgu molekuli väikseim komponent).

20 Aminohapped (AK) erinevates kombinatsioonides moodustavad tohutu hulga valgu molekule.

Mul on tunni selle osa kohta lisateavet.!

Inimkeha võib iseseisvalt moodustada ainult 12 aminohapet, millest 12 on nn vahetatavad.

Ülejäänud kaheksa aminohapet peavad kehasse jõudma valmis kujul koos toiduvalkudega, mistõttu neid nimetatakse hädavajalikeks.

Asendamatud aminohapped:

  • isoleutsiin
  • leutsiin
  • lüsiin
  • metioniin
  • fenüülalaniin
  • treoniin
  • trüptofaan
  • valiin

Kui mõnda valgu kiireloomuliseks ehitamiseks vajalikke aminohappeid ei ole kehasse jõudnud, saab keha võtta meetmeid oma sama aminohapet sisaldavate oma valkude hävitamiseks..

Enamik loomseid valke sisaldab kõiki kaheksat asendamatut aminohapet piisavas koguses..

Taimses toidus leidub ka asendamatute aminohapetega valke, näiteks kaunviljade sisaldus on väga kõrge.

Kuid mitte kõik taimsed toidud pole nii aminohapete rikkad, et mõnede asendamatute aminohapete sisaldus on väga madal..

Geneetiline kood

Kuidas toimub nii suure ja keeruka valgu molekuli süntees?

Muidugi kuulub valgu struktuuri ja valgu aminohapete järjestuse määramisel peamine roll DNA molekulidele.

Raku kogu geneetilise teabe DNA kandja, kuid ei osale otseselt valkude sünteesis, ehkki üks DNA molekul sisaldab teavet mitmekümne valgu kohta.

Eelmistest õppetundidest mäletame, et DNA molekul on väga pikk ja selle erinevad sektsioonid vastutavad teatud tüüpi valkude moodustumise eest.

DNA tükki, mis määrab üksiku valgu molekuli sünteesi, nimetatakse geeniks..

Geen on DNA topeltheeliksi piirkond, mis sisaldab teavet üksiku valgu primaarstruktuuri kohta.

Informatsiooni valkude kohta saab nukleiinhappes registreerida ainult ühel viisil: nukleotiidide jadana.

DNA sisaldab teavet kõigi kehavalkude aminohappejärjestuse kohta. Seda teavet nimetatakse geneetiliseks (pärilikuks) infoks.

Nukleotiidide jada transleerimiseks DNA ja mRNA molekulidest sünteesitud valgu molekuli aminohappejärjestusesse kasutatakse spetsiaalset koodi või geneetilist koodi.

Geneetiline kood - päriliku teabe register nukleiinhapete nukleotiidide jada kujul.

Skemaatiliselt näeb see välja järgmine:

Orgaanilise aine sünteesireaktsioonid, mis põhinevad teisel orgaanilisel molekulil (maatriksil), klassifitseeritakse maatriksisünteesi reaktsioonideks.

Valkude biosüntees põhineb mRNA-l, mis on maatriks selle loomisprotsessis..

Valgu ühte aminohapet kodeerivad kolm nukleotiidi ja seda DNA kolme nukleotiidi kombinatsiooni nimetatakse tripletiks või koodoniks.

Geneetiline kood on nüüd täielikult dekrüpteeritud..

Allpool on tabel aminohapetega, nende nimi on lühendatud.

Geneetiline kood (sulgudeta alused on mRNA alused; sulgudes punased on DNA alused)

Kuidas kasutada geneetilise koodi tabelit??

Tabelis on esitatud kolme tüüpi alused (esimene, teine ​​ja kolmas). Pange tähele, et neid antakse kahes versioonis: sulgudeta - RNA nukleotiidid ja sulgudes - DNA nukleotiidid.

Seda pole keeruline kasutada.

Oletame, et me teame, et DNA-s on sait järgmise nukleotiidkoostisega ACC-CTT-ATC. Nii et meil on kolm kolmikut. Määratlege nende kolmikute kodeeritavad aminohapped.

Otsime sulgudes olevaid põhjuseid (kuna meile on antud DNA), kuid sagedamini on ülesannetes vaja leida mRNA piirkonda kodeerivad aminohapped, seetõttu tavaliselt DNA-d ei otsita ja eksamil endal ülesannetes antakse tabel, mille alused on mõeldud ainult mRNA-le.

Esimene DNA kolmik: A-C-C, vaadake tabeli (A) esimest alust, see on esimene horisontaalne veerg.

Järgmisena otsige nende kahe kolonni ristumiskohas üles teine ​​alus (C), näeme ristkülikut, milles asuvad neli aminohapet. Järgmisena leiame parempoolsest veerust kolmanda aluse (C) - see on neljas rida, seal on märgitud aminohape Kolm (trüptofaan).

Teades toimingu algoritmi, saame geneetilise koodi tabeli abil lahendada bioloogilised probleemid ja dešifreerida DNA geneetilise koodi.

Jätkame oma probleemi lahendamist lõpuni, CT-TT kodeerib aminohapet Glu (glutamiinhape).

ATC-kriips on stoppkoodon, see ei kodeeri ühtegi aminohapet ja tähendab selle valgu sünteesi lõppu.

Nii dekodeerisime geneetilise koodi ja tõlkisime selle valgu aminohapete koostisse.

Geneetilisel koodil on mitmeid omadusi:

1. Kolmekordne kood

Ainult neljas nukleotiidis on vaja kodeerida 20 aminohapet.

Kui üks nukleotiid kodeeris ühte aminohapet, oli võimalik kodeerida ainult 4 aminohapet.

20 aminohappe kodeerimiseks on vaja mitme nukleotiidi kombinatsioone.

Kui võtta kahe nukleotiidi kombinatsioonid, siis saame 4 2 = 16 erinevat kombinatsiooni - sellest ei piisa, kuna meil on 20 aminohapet.

Seal on juba 64 kolme nukleotiidi kombinatsiooni (4 3 = 64), s.t isegi rohkem kui vaja, seetõttu on kood kolmik, see tähendab, et kolm nukleotiidi (triplett) võivad ühte aminohapet kodeerida.

2. Koodil on ainulaadsuse ja degeneratsiooni omadus

See tundub arusaamatu, milleks on vaja 64 nukleotiidide kombinatsiooni, sest aminohappeid on ainult 20?

Selgub, et ühte aminohapet saab kodeerida mitmesse kolmikusse (kuni 6), mis võimaldab geneetilist materjali mitmekesistada.

Näiteks registreeritakse erinevates kolmikutes sama valk E. coli bakterites ja tubaka mosaiikviirus.

Erinevaid kolmikuid tuntakse ka erinevalt, mis mõjutab ribosoomide poolt valkude sünteesi kiirust ja suurendab teabe kodeerimise usaldusväärsust.

Erinevate koodonite võimet kodeerida ühte aminohapet nimetatakse koodidegeneratsiooniks.

Hiljem selgus, et on kolm kolmikut, mis ei kodeeri aminohappeid - need on stoppkoodonid, need tähendavad ühe valgu sünteesi lõppu.

Vaatamata degeneratsioonile puudub aga ebaselgus geneetilises koodis täielikult. Koodonid RNA-GAA ja GAG kodeerivad aminohapet glutamaati, kuid ükski neist ei kodeeri samaaegselt ühtegi teist aminohapet, s.o. iga kolmik kodeerib rangelt ühte kindlat aminohapet - seda geneetilise koodi omadust nimetatakse ainulaadsuseks.

3. Geneetiline kood on universaalne

Kõigi organismide geenid kodeerivad samal viisil teavet valkude kohta, sõltumata nende organismide organiseerituse tasemest ja süstemaatilisest asendist.

Näiteks on aktiini valk inimese viiruste ja lihaste tsütoskeleti osa.

Selle valgu aminohappeid võivad kodeerida samad nukleotiidijärjestused viiruse kehas, inimese rakus olevas DNA ahelas.

Kuid ärge unustage koodi degeneratsiooni omadusi. See tähendab, et mitte alati ei kodeeri ühte aminohapet eri organismides samad nukleotiidijärjestused.

Sellel omadusel on suur praktiline tähtsus ja seda kasutatakse aktiivselt geenitehnoloogias. Geneetilise koodi universaalsuse tõttu võime panna ühe organismi geenid töötama teises organismis ja tootma funktsionaalselt aktiivseid valke.

Nii kantakse kasvuhormooni geen bakterisse, et see saaks seda toota. Sel viisil saadakse meditsiinilistel eesmärkidel kasvuhormoon, mida toodetakse normaalses kehas väga väikestes kogustes.

Samal geenitehnoloogia viisil õppisime, kuidas toota hormooni insuliini.

Geneetilise koodi universaalsus polnud aga absoluutne.

On teada mitmeid geneetilisi süsteeme, mille geneetiline kood erineb pisut universaalsest - see on mitokondrid. Kõrvalekaldeid universaalsest geneetilisest koodist leiti ka mõnedes tsiliaatides ja parasiitbakterites, kuid kõigil neil juhtudel on kõrvalekalded ebaolulised.

4. Geenis puuduvad kirjavahemärgid - kompaktsuse omadus

Sama geeni koodonite vahel ei ole kirjavahemärke..

Teisisõnu, kolmikud pole üksteisest eraldatud, näiteks ühe mõttetu nukleotiidi abil.

F. Cricki ja S. Brenneri katsetes tõestati "kirjavahemärkide" puudumine geneetilises koodis.

Nende katsete ajal põhjustasid mutageenseid aineid (akridiinvärvaineid) geenides kasutavad teadlased teatud tüüpi mutatsiooni - 1 nukleotiidi kadumise või sisestamise..

Selgus, et 1 või 2 nukleotiidi kadumine või sisestamine põhjustab alati kodeeritud valgu lagunemist, kuid 3 nukleotiidi (või 3-kordne) kadumine või sisestamine praktiliselt ei mõjuta kodeeritud valgu funktsiooni.

5. kattuvus (diskreetsus)

Kood võib olla kattuv ja mitte kattuda..

Enamikus organismides kood ei kattu, välja arvatud viirused.

Mittekattuva koodi olemus on see, et ühe kolmiku nukleotiid ei saa samaaegselt olla teise kolmiku nukleotiid.

6. Polaarsus

DNA ja mRNA-st teabe lugemine toimub ainult ühes suunas.

Polaarsus on oluline valgu struktuuride (primaarse, sekundaarse ja tertsiaarse) määramiseks.

Valgu biosünteesi etapid

Valgu biosünteesi protsess võib jagada kahte etappi:

  • raku tuumas toimub transkriptsioon - RNA süntees
  • translatsioon on valkude sünteesi protsess - toimub tsütoplasmas

Valgu biosünteesi etappide mõistmiseks on vaja meelde tuletada põhimõisted.

DNA ja RNA koosnevad paljudest nukleotiididest.

Nukleotiid on nukleiinhapete monomeer.

Tervet nukleotiidi tähistatakse tavaliselt ühe lämmastiku alusega, näiteks A (adeniin) või G (guaniin).

Kolme nukleotiidi järjestust nimetatakse kolmiks (koodoniks) ja seda tähistatakse näiteks AGC-ga.

Valgu biosünteesi esimene etapp on transkriptsioon

Transkriptsioon on DNA nukleotiidijärjestusest teabe transkriptsioon RNA nukleotiidijärjestusesse. See protsess toimub rakutuumas..

Samal ajal on ühe DNA ahela iga nukleotiid silmitsi komplementaarse mRNA nukleotiidiga.

Transkriptsioonile eelneb DNA saidi kerimise protsess.

Topelt DNA spiraal lõhub DNA polümeraasi ensüümi ja hakkab seejärel lugema teavet ühest DNA spiraalist ning maatriksi RNA (mRNA) moodustumist RNA polümeraasi töö tõttu.

Teabe ümberkirjutamise protsess toimub täiendavuse põhimõttel.

Komplementaarsus on lämmastikaluste vastastikune komplement DNA ja RNA molekulis.

DNA nukleotiidide komplementaarsus RNA-ga:

Kuna ühes DNA molekulis võib olla palju geene, on väga oluline, et RNA polümeraas alustaks mRNA sünteesi rangelt määratletud DNA saidist, vastasel juhul registreeritakse mRNA struktuuris teave valgu kohta, mida looduses pole, mis võib kahjustada sünteesitud molekuli orav.

Seetõttu on iga geeni alguses spetsiaalne spetsiifiline nukleotiidjärjestus, mida nimetatakse promootoriks.

RNA polümeraas “tunneb ära” promootori, interakteerub sellega ja alustab seega mRNA ahela sünteesi õiges kohas.

Ensüüm jätkab mRNA sünteesi, lisades sellele uusi nukleotiide, kuni see jõuab DNA molekulis järgmisele stoppkoodonile (terminaatorile) (see on nukleotiidijärjestus, mis näitab, et mRNA süntees tuleb peatada).

Pärast kopeerimist lahkub moodustunud mRNA tsütoplasmas olevast rakutuumast ribosoomi ja algab valgu biosünteesi teine ​​etapp.

Mul on tunni selle osa kohta lisateavet.!

Teadlased “nägid”, kuidas mRNA-d lahkuvad tuumast.

Luues mikroskoobi, mis on võimeline saavutama enneolematut eraldusvõimet, nägid Albert Einsteini meditsiinikolledži teadlased esimest korda mRNA reaalajas transporti läbi elavate rakkude tuumapooride.

Teadlased nägid, et kogu aja jooksul läbib mRNA tuum vaid 5 millisekundit, kuid dokkimine võtab vahel 80 millisekundit ootamist.

Ja veel 80 millisekundit mRNA-d ootab pooride teises otsas enne tsütoplasmasse liikumist.

10 protsenti mRNA molekulidest jääb tuuma pooridesse, oodates juurdepääsu isegi sekunditeks, mitte millisekundites.

Teadlased viitavad sellele, et nendes punktides kontrollitakse mRNA ootusi kvaliteedi osas.

See avastus aitab mõista, kuidas ravida teatud haigusi, näiteks müotoonilist düstroofiat. Selliste patsientide rakkudes ei saa mRNA molekulid tuumast väljuda ega siseneda tsütoplasmasse

Enne valgu biosünteesi teise etappi siirdumist mõistame täiendavuse põhimõtet ja proovime probleeme lahendada.

Ülesanne

DNA ahela fragmendil on nukleotiidjärjestus:

Ehitage mRNA vastavalt komplementaarsuse põhimõttele.

Otsus:

Me teame täiendavuse põhimõtet.

Kui nukleotiid A on DNA-l, vastab mRNA nukleotiid U sellele vastavalt komplementaarsuse põhimõttele.

Kui DNA on nukleotiid G, siis mRNA-l on see nukleotiid C jne..

Seega lisame mRNA ahela, kasutades komplementaarsuse põhimõtet:

DNA ahel: A-G-C-T-A-C-G-A-T

mRNA ahel: У-Ц-Г-А-У-Г-Ц-У-А

Valgu biosünteesi teine ​​etapp - translatsioon

Tõlge - nukleotiidijärjestuse translatsioon valgu aminohappejärjestusesse.

Nukleotiidide kolmikut tRNA ülaosas nimetatakse antikodooniks.

Koodon on mRNA nukleotiidide triplett.

Eukarüootsetes organismides sünteesitakse mRNA tuumas, seejärel kantakse see läbi tuumamembraani tsütoplasmasse valkude sünteesi kohale, ribosoomidesse.

Tsütoplasmas peab tingimata olema täielik aminohapete komplekt, mis on vajalik valkude sünteesiks.

Need aminohapped moodustuvad valkude lagundamisel, mida keha saab toidust..

Aminohapped peavad jõudma ribosoomi ja transport RNA (tRNA) kannab need ribosoomi.

Üks transporthape RNA-ga on seotud üks aminohape; igal aminohappel on oma tRNA.

Transpordi RNA ühes otsas on petioolstruktuur, mille külge aminohape tihedalt kleepub.

TRNA ülaosas on nukleotiidide kolmik (antikodoon), mis vastab selle aminohappe koodile.

Nukleotiidide kolmik t-RNA tipus. nimetatakse antikodooniks.

Põhimõtteliselt algavad kõik valgud (välja arvatud mõned juhtumid) aminohappest metioniiniga, mida kodeerib AUG koodon, mis on märk translatsiooni algusest.

Ribosoom interakteerub mRNA-ga alates otsast, kus asub AUG-i metioniini kood.

Pärast seondumist hakkab ribosoom liikuma mööda mRNA-d, alates 3. takti lõpust kuni 5. takti lõpuni, püsides kõigil selle lõikudel, mis koosnevad 6 nukleotiidist (2 koodonist).

Viies käigu ots on koht, kus fosforijäägid kinnituvad, kolmas käigu ots on koht, kus kinnitatakse pentoos (riboos, desoksüribose DNA-s).

Viiteaeg on ainult 0,2 s.

Selle aja jooksul on aminohapet kandval tRNA molekulil aega komplementaarset kolmikut ära tunda, st tRNA antikoodon vastab komplementaarsuse põhimõttele mRNA koodonile.

Lisaks eraldatakse aminohape tRNA "petioolist" ja kinnitatakse kasvava valguahelaga peptiidsideme moodustamiseks.

Samal hetkel läheneb järgmine t-RNA ribosoomile, mille antikoodon täiendab mRNA järgmist kolmikut ja selle tRNA poolt toodud järgmine aminohape sisaldub kasvavas valguahelas.

Pärast seda nihkub ribosoomi mRNA, lükkab edasi järgmised nukleotiidid ja kõik kordub kõigepealt.

Järgmisena jõuab ribosoom ühte niinimetatud stoppkoodonitest (UAA, UAH või CAA), mis ei kodeeri aminohapet ja annavad märku selle valgu sünteesi lõpuleviimisest.

Valguahel eraldub ribosoomist, siseneb tsütoplasmasse ja moodustab teatud struktuuri (primaarne, sekundaarne, tertsiaarne, kvaternaarne, sõltuvalt valgu molekuli funktsioonist).

Valkude sünteesi protsess viiakse läbi väga lühikese intervalliga.

Hinnanguliselt võtab 300 aminohappejäägist koosneva suure valgu molekuli süntees ainult umbes kaks kuni kaks minutit. Ja näiteks 376 aminohappest koosneva aktiini süntees võtab veidi rohkem kui minut.

Mul on tunni selle osa kohta lisateavet.!

Insuliini molekul koosneb kahest polüpeptiidahelast.

Üks neist sisaldab 21 aminohappejääki (ahel A), teine ​​- 30 aminohappejääki (ahel B).

1963. aastal sünteesiti esimene kunstlik insuliinivalk..

Tänapäeval on valkude sünteesi meetodid märkimisväärselt paranenud ja nende süntees pole probleem.

Rakk vajab mitte ühte, vaid paljusid kummagi valgu molekule, seetõttu, niipea kui ribosoom, esimene, mis alustab mRNA molekuli valkude sünteesi, liigub edasi, teine ​​ribosoom nihutatakse sellele mRNA-le, mis hakkab sünteesima sama valku..

Kolmanda ja neljanda ribosoomi jne saab nöörida ühele mRNA-le..

Seetõttu võib ribosoome nimetada "taimeks" valkude tootmiseks.

Kõiki ribosoome, mis sünteesivad valku ühel mRNA molekulil, nimetatakse polüsoomiks..

Kui valkude süntees on lõpule jõudnud, saab ribosoom seonduda mõne teise mRNA molekuliga ja hakata sünteesima selles mRNA molekulis kodeeritud uut valku.

Aminohappejärjestus valgu primaarstruktuuris ei sõltu ribosoomidest, vaid määratakse ainult mRNA nukleotiidijärjestuse järgi.

Seega on translatsioon mRNA molekuli nukleotiidijärjestuse translatsioon valgu molekuli aminohappejärjestusesse.

Valkude biosünteesi lühike skeem:

Valgu biosünteesi etapid:

  • valkude sünteesi ettevalmistav etapp - DNA kahekordistumine DNA polümeraasi tõttu
  • 1. etapp - transkriptsioon: teabe edastamine DNA-st mRNA-le RNA polümeraasi töö tõttu
  • 2. etapp - translatsioon - valkude süntees toimub ribosoomis, suunas mRNA 3. takti lõpust 5. takti lõpuni stoppkoodoniga aminohappeid viivate tRNA-de osalusel
  • ribosoom laguneb stoppkoodonini jõudmisel kaheks osaks (suureks ja väikeseks subühikuks) ja eraldub moodustunud valk, mis on valmis oma iseloomulikke funktsioone täitma

Test sektsiooni Plastivahetus. Valkude biosüntees. Geneetiline kood

Pärast sisse logimist või registreerumist võite testi teha ja hinde saada.

Valkude biosünteesi reguleerimine

Operon ja repressor

Kõigi organismide geenid kodeerivad samal viisil teavet valkude kohta, sõltumata nende organismide organiseerituse tasemest ja süstemaatilisest asendist.

Need geenid sisaldavad teavet kõigi valkude kohta, mida iga elusorganism saab sünteesida..

See tähendab, et näiteks taimerakk suudab sünteesida ükskõik millist valku, mis on inimesele iseloomulik? ja seda võimet kasutatakse geenitehnoloogias.

Tahan kohe küsida seda küsimust: miks ei toodeta tuumas sama geneetilist teavet sisaldavad rakud erinevaid valke ja ei sünteesita kõiki valke korraga?

Vastus peitub rakkudes valkude sünteesi kontrollimise mehhanismide uurimisel, ehkki regulatiivsete protsesside olemust pole piisavalt uuritud..

Regulatiivsete protsesside olemust selgitavate teooriate hulgas on bakterite ensüümide sünteesi uuringute põhjal suurimat populaarsust kogunud F. Jacobi ja J. Mono sõnastatud “operoni teooria”..

Valkude sünteesi reguleerimise mehhanismi geneetilist ühikut tuleks pidada operoniks.

Prokarüootse operoni koostis sisaldab:

1. Struktuurgeenid

  • kodeerivad valke
  • võib olla üks või mitu
  • transkriptsiooni ajal toimivad nad ühe geenina: neile sünteesitakse üks ühine mRNA molekul, mis seejärel lõhustatakse

2. Normatiivsed elemendid

  • promootor on DNA nukleotiidijärjestus, mida RNA polümeraas tunneb transkriptsiooni käivituspadjana
  • Operaator on DNA nukleotiidijärjestus, millega regulatiivne repressorvalk või aktivaator seondub
  • terminaator (mitte segi ajada regulatoorse geeniga) - osa operonist otsas olev DNA osa, mida RNA polümeraas tunneb ära signaalina RNA molekuli sünteesi peatamiseks

Operoni operaatori tööd mõjutab sõltumatu regulatiivne geen, mis sünteesib vastavat regulatoorset repressorvalku või aktivaatorvalku.

Geeniregulaator ei asu tingimata operoni kõrval.

Kui operaatoril on repressorvalk, ei saa RNA polümeraas alustada mRNA sünteesi, kuna ta ei saa kontakti promootoriga.

Kui operaatoril on aktivaatorvalk, siis saab seda võrrelda liimiga, mis liimib RNA polümeraasi ja operoni.

Selle tulemusel leiab RNA polümeraas promootori ja algab mRNA süntees.

RNA polümeraas liigub mööda DNA struktuurigeeni ja loeb teavet, muutes selle mRNA nukleotiidideks.

Pärast RNA polümeraasi jõudmist terminaatorisse lõpeb mRNA süntees. Seejärel eraldatakse RNA polümeraas DNA saidist ja saadetakse uuesti mRNA moodustumise protsessi.

Saadud mRNA väljub tuumast ja saadetakse tsütoplasmasse, kus ribosoomides toimub valkude moodustumine.

Eukarüootides on proteiinisünteesi reguleerimine palju keerulisem ja sellest pole veel hästi aru saadud, kuid teada on järgmine:

  • valke saab kodeerida erinevate DNA geenides ja mitte samas DNA-s nagu bakterid
  • geenid ise on keerukamad, neil on “vaiksed” lõigud, millest mRNA-d ei loeta, kuid mis suudavad reguleerida naabruses asuvate DNA sektsioonide tööd
  • geenide töö koordineerimine toimub kogu organismi tasemel ja peamiselt hormoonide abil, mis võivad blokeerida geeni tööd ja aktiveerida

Tuleb märkida, et valkude süntees nõuab rakult suuri energiakulutusi..

Mul on tunni selle osa kohta lisateavet.!

Võib eeldada, et osa erinevates rakkudes sisalduvaid “jõudeolevaid” geene on kadunud ja hävinud, kuid mitmed katsed on tõestanud, et see pole nii..

Teatavatel tingimustel võib tüstapooli soolestikust kasvatada tervet konna, mis on võimalik ainult siis, kui kogu raku tuumas on säilinud kogu geneetiline teave..

Seetõttu kasutatakse mitmerakulise organismi igas rakus ainult osa tema DNA-s sisalduvast geneetilisest informatsioonist..

See tähendab, et erinevates rakkudes peavad olema mehhanismid, mis "lülitavad sisse" või "lülitavad välja" konkreetse geeni töö.

METABOLISM

METABOLISM ehk ainevahetus, keemilised muundumised, mis toimuvad hetkest, kui toitained satuvad elavasse kehasse, kuni nende muundumiste lõppsaadused väljutatakse väliskeskkonda. Ainevahetus hõlmab kõiki reaktsioone, mille tulemusel ehitatakse rakkude ja kudede struktuurielemente ning protsesse, mille käigus energia eraldatakse rakkudes sisalduvatest ainetest. Mõnikord käsitletakse mugavuse huvides eraldi kahte metabolismi aspekti - anabolismi ja katabolismi, s.t. orgaaniliste ainete tekkeprotsessid ja nende hävitamise protsessid. Anaboolsed protsessid on tavaliselt seotud energia kulutamisega ja viivad keerukate molekulide moodustumiseni lihtsamatest, samas kui kataboolsete protsessidega kaasneb energia vabanemine ja need lõppevad selliste ainevahetuse lõppsaaduste (jäätmete) moodustamisega nagu uurea, süsinikdioksiid, ammoniaak ja vesi..

Mõiste "ainevahetus" on jõudnud igapäevaellu sellest ajast, kui arstid hakkasid seostama suurenenud või vähenenud ainevahetusega patsiendi ülekaalu või alakaalu, liigset närvilisust või vastupidi, letargiat. Ainevahetuse kiiruse hindamiseks panid nad proovile „põhilise metabolismi“. Basaalne metabolism on näitaja keha võimest energiat toota. Test viiakse läbi tühja kõhuga puhkeasendis; mõõta hapniku omastamist (O2) ja süsinikdioksiidi (CO2) Neid väärtusi kõrvutades määravad nad, kui täielikult organism toitaineid kasutab (“põleb”). Ainevahetuse intensiivsust mõjutavad kilpnäärmehormoonid, seetõttu mõõdavad arstid ainevahetushäiretega seotud haiguste diagnoosimisel viimastel aastatel üha enam nende hormoonide taset veres. Vt ka türoidi nääre.

Uurimismeetodid.

Mis tahes toitaine metabolismi uurimisel jälgitakse kõiki selle muutusi alates keha sisenemise vormist kuni kehast eritunud lõpptoodeteni. Sellistes uuringutes kasutatakse äärmiselt mitmekesist kogust biokeemilisi meetodeid..

Tervete loomade või elundite kasutamine.

Testitavat ühendit manustatakse loomale ja seejärel määratakse selle aine uriinist ja väljaheitest selle aine võimalikud transformatsioonide (metaboliitide) saadused. Täpsemat teavet saab konkreetse organi, näiteks maksa või aju, metabolismi uurimisel. Nendel juhtudel süstitakse aine vastavasse veresoonde ja metaboliidid määratakse sellest elundist voolavas veres.

Kuna sellised protseduurid on silmitsi suurte raskustega, kasutatakse uuringuteks sageli õhukesi elundilõike. Neid inkubeeritakse toatemperatuuril või kehatemperatuuril lahustes koos ainega, mille metabolismi uuritakse. Selliste preparaatide rakud ei ole kahjustatud ja kuna sektsioonid on väga õhukesed, tungib aine kergesti rakkudesse ja lahkub neist kergesti. Mõnikord tekivad raskused aine liiga aeglase läbimise kaudu rakumembraanide kaudu. Nendel juhtudel purustatakse kuded membraanide hävitamiseks ja tselluloosi inkubeeritakse uuritava ainega. Selliste katsete käigus näidati, et kõik elusad rakud oksüdeerivad glükoosi CO-ks2 ja vesi ning et ainult maksakude on võimeline sünteesima karbamiidi.

Rakkude kasutamine.

Isegi rakud on väga keerulised organiseeritud süsteemid. Neil on tuum ja ümbritsevas tsütoplasmas on väiksemad kehad, nn erineva suuruse ja konsistentsiga organellid. Sobivat tehnikat kasutades saab kude “homogeniseerida” ja seejärel diferentsiaalse tsentrifuugimisega (eraldamisega) saada preparaate, mis sisaldavad ainult mitokondreid, ainult mikrosoome või selget vedelikku - tsütoplasmat. Neid ravimeid saab individuaalselt inkubeerida ühendiga, mille metabolismi uuritakse, ja sel viisil on võimalik kindlaks teha, millised rakuvälised struktuurid osalevad selle järjestikuses muundumises. On juhtumeid, kui algne reaktsioon toimub tsütoplasmas, selle produkt transformeerub mikrosoomides ja selle muundamise produkt siseneb uude reaktsiooni juba mitokondrites. Uuritud aine inkubeerimine elusrakkude või koehomogenaadiga ei ilmuta tavaliselt ainevahetuse üksikuid etappe ning ainult järjestikused katsed, milles inkubatsiooniks kasutatakse teatud rakusiseseid struktuure, võimaldavad mõista kogu sündmuste ahelat.

Radioaktiivsete isotoopide kasutamine.

Aine metabolismi uurimiseks on vaja: 1) selle aine ja selle metaboliitide määramiseks sobivaid analüüsimeetodeid; ja 2) lisatud aine eristamise meetodid samast ainest, mis antud bioloogilises valmistises juba on. Need nõuded olid peamiseks takistuseks ainevahetuse uurimisel kuni elementide radioaktiivsete isotoopide ja ennekõike 14 ° C radioaktiivse süsiniku avastamiseni. Nii 14 C-ga märgistatud ühendite kui ka nõrga radioaktiivsuse mõõtmise instrumentide tulekuga need raskused ületati. Kui bioloogilisele preparaadile, näiteks mitokondrite suspensioonile lisatakse märgistatud 14 C-rasvhape, ei ole selle muundumissaaduste määramiseks vaja spetsiaalseid analüüse; selle kasutamise määra hindamiseks on piisavalt lihtne mõõta järjestikku saadud mitokondriaalsete fraktsioonide radioaktiivsust. Sama tehnika abil on eksperimentaatori poolt sisse viidud radioaktiivse rasvhappe molekulide ja katse alguses mitokondrites juba esinevate rasvhapete molekulide eristamine lihtne..

Kromatograafia ja elektroforees.

Lisaks eelnimetatud nõuetele vajavad biokeemikud ka meetodeid orgaaniliste ainete väikestes kogustes segude eraldamiseks. Neist kõige olulisem on kromatograafia, mis põhineb adsorptsiooni nähtusel. Segu komponendid eraldatakse kas paberil või adsorbeerimise teel sorbendil, mis täidavad kolonnid (pikad klaastorud), millele järgneb järkjärguline iga komponendi elueerimine (leostumine)..

Elektroforeesi eraldamine sõltub ioniseeritud molekulide märgist ja laengute arvust. Elektroforees viiakse läbi paberil või mõnel inertsel (mitteaktiivsel) kandjal, näiteks tärklisel, tselluloosil või kummil..

Väga tundlik ja tõhus eraldusmeetod on gaasikromatograafia. Seda kasutatakse juhtudel, kui eraldatavad ained on gaasilises olekus või neid saab sinna üle kanda..

Ensüümi eraldamine.

Kirjeldatud seeria viimast kohta - looma, organit, koelõiku, homogenaati ja raku organellide murdosa - hõivab ensüüm, mis on võimeline katalüüsima konkreetset keemilist reaktsiooni. Ensüümide puhastatud eraldamine on oluline osa metabolismi uurimisel.

Nende meetodite kombinatsioon võimaldas meil jälgida enamiku organismide (sealhulgas inimeste) peamisi metaboolseid radu, teha kindlaks, kus need erinevad protsessid toimuvad, ja selgitada välja peamiste metaboolsete radade järjestikused etapid. Praeguseks on teada tuhandeid individuaalseid biokeemilisi reaktsioone ja uuritakse nendes osalevaid ensüüme..

Rakkude metabolism.

Elav rakk on hästi organiseeritud süsteem. Sellel on mitmesuguseid struktuure, samuti ensüüme, mis võivad neid hävitada. Selles sisalduvad ka suured makromolekulid, mis võivad hüdrolüüsi (vee mõjul lõhestades) laguneda väiksemateks komponentideks. Rakus on tavaliselt palju kaaliumi ja väga vähe naatriumi, ehkki rakk eksisteerib keskkonnas, kus on palju naatriumi ja kaalium on suhteliselt väike ning rakumembraan on mõlemale ioonile kergesti läbilaskev. Seetõttu on rakk keemiline süsteem, mis on tasakaalust väga kaugel. Tasakaal toimub ainult surmajärgse autolüüsi käigus (iseseedimine omaenda ensüümide toimel).

Energiavajadus.

Süsteemi hoidmiseks keemilisest tasakaalust kaugel olevas olukorras on vaja tööd teha ja see nõuab energiat. Selle energia saamine ja selle töö tegemine on hädavajalik tingimus, et rakk püsiks paigal (normaalses) olekus, tasakaalust kaugel. Samal ajal täidab see muud keskkonnaga suhtlemisega seotud tööd, näiteks: lihasrakkudes - kontraktsioon; närvirakkudes - närviimpulsi läbiviimine; neerude rakkudes - uriini moodustumine, koostises oluliselt erinev vereplasmast; seedetrakti spetsialiseeritud rakkudes - seedeensüümide süntees ja sekretsioon; endokriinsetes näärmerakkudes - hormooni sekretsioon; jaanilehtede lahtrites - kuma; mõne kala rakkudes - elektrilahenduste tekitamine jne..

Energiaallikad.

Mis tahes ülaltoodud näites on otsene energiaallikas, mida rakk töö tegemiseks kasutab, adenosiintrifosfaadi (ATP) struktuuris sisalduv energia. Selle struktuuri olemuse tõttu on see ühend rikas energia poolest ja selle fosfaatrühmade vahelised sidemed võivad puruneda nii, et vabanenud energiat kasutatakse töö tootmiseks. Kuid ATP fosfaatsidemete lihtsa hüdrolüütilise purunemise korral ei saa energiat rakule kättesaadavaks teha: sel juhul läheb see raisku, eraldub soojuse kujul. Protsess peaks koosnema kahest järjestikusest etapist, millest igaühes on märgitud vahesaadus, mida tähistatakse siin X - Ф (antud võrrandites X ja Y tähendavad kahte erinevat orgaanilist ainet; Ф - fosfaat; ADP - adenosiinidifosfaat):

Kuna ATP on vajalik rakkude aktiivsuse peaaegu igasuguse avaldumise jaoks, pole üllatav, et elusate rakkude metaboolne aktiivsus on suunatud peamiselt ATP sünteesile. Mitmesugused keerulised reaktsioonijärjestused, milles süsivesikute ja rasvade (lipiidide) molekulides sisalduvat potentsiaalset keemilist energiat kasutatakse.

Süsivesikute ja lipiidide metaboolsus

ATP süntees.

Anaeroobne (ilma hapnikuta). Süsivesikute ja lipiidide peamine roll raku ainevahetuses on see, et nende lõhustamine lihtsamateks ühenditeks tagab ATP sünteesi. Pole kahtlust, et samad protsessid toimusid esimestes, kõige primitiivsemates rakkudes. Kuid hapnikuvabas atmosfääris toimub süsivesikute ja rasvade täielik oksüdeerimine CO-ks2 oli võimatu. Nendel primitiivsetel rakkudel olid sellegipoolest mehhanismid, mille abil glükoosimolekuli struktuuri ümberkorraldamine tagas väikestes kogustes ATP sünteesi. Me räägime protsessidest, mida mikroorganismid kutsuvad kääritamiseks. Parim on uurida glükoosi kääritamist etanooliks ja CO-ks.2 pärmis.

Selle muundamise lõpuleviimiseks vajalike 11 järjestikuse reaktsiooni käigus moodustub rida vahesaadusi, mis on fosforhappe estrid (fosfaadid). Nende fosfaatrühm kantakse ATP moodustumisel üle adenosiindifosfaadile (ADP). ATP puhassaak on 2 ATP molekuli iga glükoosimolekuli kohta, mis lõhustatakse kääritamise ajal. Sarnased protsessid toimuvad kõigis elavates rakkudes; kuna need varustavad eluks vajalikku energiat, nimetatakse neid mõnikord (mitte päris õigesti) rakkude anaeroobseks hingamiseks.

Imetajatel, sealhulgas inimestel, nimetatakse seda protsessi glükolüüsiks ja selle lõppsaadus on piimhape, mitte alkohol ja CO.2. Glükolüüsireaktsioonide kogu järjestus, välja arvatud kaks viimast etappi, on täiesti identne pärmirakkudes toimuvaga.

Aeroobne (kasutades hapnikku). Hapniku ilmumisega atmosfääri, mille allikaks oli ilmselgelt taimede fotosüntees, evolutsiooni käigus välja töötatud mehhanism, mis tagas glükoosi täieliku oksüdeerimise CO-ks2 ja vesi, aeroobne protsess, kus ATP neto saagis on 38 ATP molekuli oksüdeeritud glükoosimolekuli kohta. Seda rakkude hapnikutarbimise protsessi energiarikaste ühendite moodustamiseks nimetatakse rakuliseks hingamiseks (aeroobseks). Erinevalt anaeroobsest protsessist, mida viivad läbi tsütoplasmaatilised ensüümid, toimuvad mitokondrites oksüdatiivsed protsessid. Mitokondrites oksüdeeritakse pürurovihape, anaeroobses faasis moodustunud vahesaadus CO-ks2 kuue järjestikuse reaktsiooni käigus, milles igas elektronide paar kantakse üle ühisesse aktseptori - koensüümi nikotiinamiidadeniini dinukleotiidi (NAD). Seda reaktsioonijärjestust nimetatakse trikarboksüülhappe tsükliks, sidrunhappe tsükliks või Krebsi tsükliks. Igast glükoosimolekulist moodustub 2 püruviinhappe molekuli; Selle oksüdatsiooni käigus lõhustatakse glükoosimolekulist 12 paari elektrone, mida kirjeldatakse valemiga:

Elektroniülekanne.

Igas mitokondrites on mehhanism, mille abil trikarboksüülhappe tsüklis moodustunud redutseeritud NAD (NAD H, kus H on vesinik) kannab oma elektronipaari üle hapnikule. Ränne ei toimu aga otseselt. Elektronid kanduvad "käest kätte" ja kinnituvad hapniku külge alles pärast kandjate ahela läbimist. See "elektronide ülekandeahel" koosneb järgmistest komponentidest:

NADNH N ® Flavinadeninindincleotide ® koensüüm Q ®

® tsütokroom b ® tsütokroom c ® tsütokroom a ® O2

Kõik selle süsteemi mitokondrites asuvad komponendid on fikseeritud ruumis ja ühendatud üksteisega. See olek hõlbustab elektronide ülekandmist..

NAD sisaldab nikotiinhapet (vitamiin niatsiin) ja flaviini adeniini dinukleotiid sisaldab riboflaviini (B-vitamiin2) Koensüüm Q on maksas sünteesitav suure molekulmassiga kinoon ja tsütokroomid on kolm erinevat valku, millest igaüks, nagu ka hemoglobiin, sisaldab hemogrupi.

Iga elektronipaari elektronide ülekandeahelas kantakse NAD H N-st üle O-ni2, Sünteesitakse 3 ATP molekuli. Kuna igast glükoosimolekulist jaotatakse 12 paari elektronid ja kantakse NAD-molekulidesse, moodustatakse iga glükoosimolekuli kohta kokku 3 x 12 = 36 ATP-molekuli. Seda ATP moodustumise protsessi oksüdatsiooni ajal nimetatakse oksüdatiivseks fosforüülimiseks..

Lipiidid kui energiaallikas.

Rasvhappeid saab energiaallikana kasutada samamoodi kui süsivesikuid. Rasvhappe oksüdatsioon toimub kahe süsiniku fragmendi järk-järgulise lõhestamise teel rasvhappemolekulist, moodustades atsetüülkoensüümi A (atsetüül-CoA) ja viies samaaegselt kaks elektronide paari elektronide ülekandeahelasse. Saadud atsetüül-CoA on trikarboksüülhappe tsükli normaalne komponent ja hiljem ei erine selle saatus atsetüül-CoA saatusest, mida pakub süsivesikute metabolism. Seega on ATP sünteesi mehhanismid nii rasvhapete kui ka glükoosi metaboliitide oksüdeerumisel peaaegu identsed.

Kui looma keha saab energiat peaaegu täielikult ainult rasvhapete oksüdeerimise tõttu ja see juhtub näiteks nälgimise või diabeedi ajal, siis atsetüül-CoA moodustumise kiirus ületab tema oksüdatsiooni kiirust trikarboksüülhappe tsüklis. Sel juhul reageerivad liigsed atsetüül-CoA molekulid üksteisega, mille tulemusel moodustuvad lõpuks atseetatseetikhappe ja b-hüdroksüvõihapped. Nende kogunemine on patoloogilise seisundi põhjus, nn ketoos (teatud tüüpi atsidoos), mis raske diabeedi korral võib põhjustada kooma ja surma.

Energia salvestamine.

Loomad söövad ebaregulaarselt ja nende keha peab kuidagi varuma toidus sisalduvat energiat, mille allikaks on looma omastatavad süsivesikud ja rasvad. Rasvhappeid saab säilitada maksas või rasvkoes neutraalsete rasvadena. Suurtes kogustes saabuvad süsivesikud hüdrolüüsitakse seedetraktis glükoosiks või muudeks suhkruteks, mis seejärel muundatakse maksas samasuguseks glükoosiks. Siin sünteesitakse glükoosist hiiglaslik glükogeenpolümeer, kinnitades üksteisele glükoosijäägid veemolekulide eemaldamisega (glükogeeni molekulides ulatub glükoosijääkide arv 30 000-ni). Kui on vaja energiat, laguneb glükogeen reaktsioonis taas glükoosiks, mille produkt on glükoosfosfaat. See glükoosfosfaat suunatakse glükolüüsi rajale - protsessile, mis moodustab osa glükoosi oksüdatsiooni rajast. Maas võib glükoosfosfaat ka hüdrolüüsida ning saadud glükoos siseneb vereringesse ja edastatakse vere kaudu keha erinevatesse osadesse kuuluvatesse rakkudesse..

Lipiidide süntees süsivesikutest.

Kui toiduga imenduvate süsivesikute kogus korraga on suurem kui glükogeeni vormis talletatav, siis süsivesikute liig muutub rasvadeks. Reaktsioonide esialgne järjestus langeb kokku tavapärase oksüdatiivse teega, s.o. Esiteks moodustatakse atsetüül-CoA glükoosist, kuid siis kasutatakse seda atsetüül-CoA raku tsütoplasmas pika ahelaga rasvhapete sünteesiks. Sünteesiprotsessi võib kirjeldada kui rasvarakkude tavapärase oksüdatsiooniprotsessi ümberpööramist. Seejärel säilitatakse rasvhappeid neutraalsete rasvade (triglütseriidide) kujul, mis ladestuvad keha erinevatesse osadesse. Kui energiat on vaja, siis neutraalsed rasvad hüdrolüüsuvad ja rasvhapped sisenevad vereringesse. Siin adsorbeerivad nad plasmavalgu molekulid (albumiin ja globuliin) ja seejärel imenduvad erinevat tüüpi rakud. Loomadel puuduvad mehhanismid, mis suudaksid glükoosi sünteesida rasvhapetest, kuid taimedes on sellised mehhanismid olemas..

Lipiidide metabolism.

Lipiidid sisenevad kehasse peamiselt rasvhapete triglütseriidide kujul. Soolestikus toimub kõhunäärme ensüümide toimel hüdrolüüs, mille saadused imenduvad sooleseina rakkudesse. Siin sünteesitakse neist uuesti neutraalsed rasvad, mis sisenevad vereringesse lümfisüsteemi kaudu ja kas transporditakse maksa või säilitatakse rasvkoes. Eespool on juba märgitud, et ka rasvhappeid saab sünteesida uuesti süsivesikute eellastest. Tuleb märkida, et kuigi imetajarakkudes võib toimuda ühe kaksiksideme pika ahelaga rasvhapete (C-9 ja C-10) molekulides, ei suuda need rakud teist ja kolmandat kaksiksidet liita. Kuna kahe ja kolme kaksiksidemega rasvhapped mängivad imetajate ainevahetuses olulist rolli, on need põhiliselt vitamiinid. Seetõttu linoolne (C18: 2) ja linoleenhape (C18: 3) happeid nimetatakse asendamatuteks rasvhapeteks. Samal ajal saab imetajarakkudes neljanda kaksiksideme linoleenhappesse lisada ja arahhidoonhape võib moodustuda süsinikuahela (C20: 4), samuti vajalik osaleja ainevahetusprotsessides.

Lipiidide sünteesi käigus kantakse koensüümiga A (atsüül-CoA) seotud rasvhappejäägid glütserofosfaadile - fosforhappe ja glütserooli estrile. Selle tulemusena moodustub fosfatiidhape - ühend, milles üks glütserooli hüdroksüülrühm on esterdatud fosforhappega ja kaks rühma rasvhapetega. Neutraalsete rasvade moodustumisel eemaldatakse fosforhape hüdrolüüsi teel ja atsüül-CoA-ga reageerimise tulemusel saab selle asemele kolmas rasvhape. Koensüüm A moodustub pantoteenhappest (üks vitamiinidest). Selle molekulis on sulfhüdrüül- (- SH) rühm, mis on võimeline reageerima hapetega tioestrite moodustamiseks. Fosfolipiidide moodustumisel reageerib fosfatiidhape otseselt ühe lämmastikaluse aktiveeritud derivaadiga nagu koliin, etanoolamiin või seriin.

Kõik loomadel leiduvad steroidid (komplekssete alkoholide derivaadid), välja arvatud D-vitamiin, sünteesitakse kehas hõlpsasti. Nende hulka kuuluvad kolesterool (kolesterool), sapphapped, mees- ja naissuguhormoonid ning neerupealiste hormoonid. Mõlemal juhul on sünteesi algmaterjaliks atsetüül CoA: sünteesitud ühendi süsiniku skelett ehitatakse atsetüülrühmadest, korrates korduvalt kondensatsiooni.

VALGU METABOLISM

Aminohappe süntees.

Taimed ja enamik mikroorganisme saavad elada ja kasvada keskkonnas, kus nende toitumiseks on saadaval ainult mineraale, süsinikdioksiidi ja vett. See tähendab, et kõik neis leiduvad organismid sünteesitakse nende organismide endi poolt. Kõigis elavates rakkudes leiduvad valgud on valmistatud 21 tüüpi aminohappest, mis on ühendatud erinevates järjestustes. Aminohappeid sünteesivad elusorganismid. Mõlemal juhul viib keemiliste reaktsioonide seeria a-ketohappe moodustumiseni. Üks selline a-ketohape, nimelt a-ketoglutaarhape (trikarboksüülhappe tsükli tavaline komponent), on seotud lämmastiku sidumisega järgmise võrrandi kohaselt:

a-ketoglutaarhape + NH3 + NAD H N ®

® glutamiinhape + NAD.

Seejärel saab glutamiinhappe lämmastikku üle viia ükskõik millisesse teise a-ketohappesse, moodustades vastava aminohappe.

Inimese keha ja enamus teisi loomi säilitasid võime sünteesida kõiki aminohappeid, välja arvatud üheksa nn asendamatud aminohapped. Kuna neile üheksale vastavaid ketohappeid ei sünteesita, peavad asendamatud aminohapped tulema toidust.

Valkude süntees.

Aminohappeid on vaja valkude biosünteesiks. Biosünteesi protsess kulgeb tavaliselt järgmiselt. Rakkude tsütoplasmas "aktiveeritakse" iga aminohape reaktsioonis ATP-ga ja kinnitub seejärel sellele aminohappele spetsiifilise ribonukleiinhappe molekuli lõpprühmaga. See keeruline molekul seostub väikese kehaga, nn ribosoomi positsioonis, mille määratleb ribosoomi külge kinnitatud pikem ribonukleiinhappemolekul. Kui kõik need keerulised molekulid on korralikult üles pandud, purunevad sidemed algupärase aminohappe ja ribonukleiinhappe vahel ning tekivad sidemed naabruses asuvate aminohapete vahel - sünteesitakse spetsiifiline valk. Biosünteesi protsess tarnib valke mitte ainult keha kasvamiseks või keskkonda eritumiseks. Kõik elusate rakkude valgud lagunevad aja jooksul nende koostisosadeks olevateks aminohapeteks ning elu säilitamiseks tuleb rakud uuesti sünteesida..

Muude lämmastikku sisaldavate ühendite süntees.

Imetajates kasutatakse aminohappeid mitte ainult valkude biosünteesiks, vaid ka paljude lämmastikku sisaldavate ühendite sünteesi lähtematerjalina. Türosiini aminohape on hormoonide adrenaliini ja norepinefriini eelkäija. Lihtsaim aminohape glütsiin on lähtematerjal puriinide, mis on osa nukleiinhapetest, ja porfüriinide biosünteesiks, mis on osa tsütokroomidest ja hemoglobiinist. Asparagiinhape on nukleiinhapete pürimidiinide eelkäija. Metioniini metüülrühm kantakse kreatiini, koliini ja sarkosiini biosünteesi käigus edasi paljudesse teistesse ühenditesse. Kreatiini biosünteesis kandub arginiini guanidiinirühm ka ühest ühendist teise. Trüptofaan toimib nikotiinhappe eellasena ja taimedest sünteesitakse vitamiin, näiteks pantoteenhape. Kõik need on vaid mõned näited aminohapete kasutamisest biosünteesi protsessides..

Mikroorganismide ja kõrgemate taimede poolt ammooniumiiooni kujul imendunud lämmastik kulub peaaegu täielikult aminohapete moodustamiseks, millest seejärel sünteesitakse elusate rakkude paljud lämmastikku sisaldavad ühendid. Taimed ega mikroorganismid ei absorbeeri liiga palju lämmastikku. Seevastu loomadel sõltub imenduva lämmastiku kogus toidus sisalduvatest valkudest. Kogu lämmastik, mis sattus kehasse aminohapete kujul ja mida ei kasutatud biosünteesi protsessides, eritub organismist kiiresti uriiniga. See juhtub järgmiselt. Maas kannavad kasutamata aminohapped lämmastiku α-ketoglutaarhappeks, moodustades glutamiinhappe, mis deamineeritakse, vabastades ammoniaagi. Lisaks võib ammooniumlämmastikku ajutiselt säilitada glutamiini sünteesi teel või kasutada seda kohe uurea sünteesimiseks maksas.

Glutamiinil on teine ​​roll. See võib neerudes hüdrolüüsida ammoniaagi eraldumisega, mis siseneb uriini naatriumioonide eest. See protsess on äärmiselt oluline happe-aluse tasakaalu säilitamiseks looma kehas. Peaaegu kogu aminohapetest ja võimalusel ka muudest allikatest pärinev ammoniaak muundatakse maksas karbamiidiks, nii et veres pole tavaliselt peaaegu ammoniaaki. Kuid teatud tingimustel sisaldab uriin üsna märkimisväärses koguses ammoniaaki. See ammoniaak moodustub neerudes glutamiinist ja eritub uriini naatriumiioonide eest, mis imenduvad ja säilivad kehas. Seda protsessi soodustab atsidoosi teke - seisund, mille korral keha vajab veres liigsete vesinikkarbonaatioonide sidumiseks täiendavaid koguseid naatriumkatioone.

Liigne kogus pürimidiine laguneb maksas ka reaktsioonide seeria kaudu, mille käigus vabaneb ammoniaak. Mis puudutab puriine, siis nende liig oksüdeerub, moodustades kusihappe, mis eritub inimestel ja teistel primaatidel, kuid mitte teistel imetajatel, uriiniga. Lindudel puudub uurea sünteesimehhanism ja kusihape, mitte karbamiid, on nende lõpptulemus lämmastikku sisaldavate ühendite vahetuses.

Nukleiinhapped.

Nende lämmastikku sisaldavate ühendite struktuuri ja sünteesi on üksikasjalikult kirjeldatud artiklis NUCLEIC happed.

METABOLISMEORGAANILISTE AINETE ÜLDISED ESINDUSED

Võite sõnastada mõned ainevahetuse üldmõisted või "reeglid". Järgnevalt on toodud mõned peamised reeglid, mis võimaldavad paremini mõista, kuidas ainevahetus toimub ja kuidas seda reguleeritakse.

1. Metaboolsed rajad on pöördumatud. Decay ei lähe kunagi teele, mis oleks sünteesireaktsioonide lihtne ümberpööramine. Kaasatud on muud ensüümid ja muud vaheühendid. Sageli toimuvad erinevates raku sektsioonides vastupidiselt suunatud protsessid. Niisiis sünteesitakse rasvhapped tsütoplasmas ühe ensüümikomplekti osalusel ja oksüdeeritakse mitokondrites täiesti erineva komplekti osalusel.

2. Ensüümidest elusrakkudes piisab, et kõik teadaolevad metaboolsed reaktsioonid saaksid kulgeda palju kiiremini, kui kehas tavaliselt täheldatakse. Seetõttu on rakkudes mõned regulatiivsed mehhanismid. Avastatud on erinevat tüüpi mehhanisme..

a) Teatava aine metaboolsete muundumiste kiirust piirav tegur võib olla selle aine sisenemine rakku; just sel juhul on reguleerimine suunatud just sellele protsessile. Näiteks insuliini roll on seotud tõsiasjaga, et see hõlbustab ilmselt glükoosi tungimist kõigisse rakkudesse, samal ajal kui glükoos saabub selle saabumise kiirusel. Sarnasel viisil sõltub raua ja kaltsiumi tungimine sooltest verre protsessidest, mille kiirus on reguleeritud.

b) ained, mis kaugeltki mitte alati võivad vabalt liikuda ühest lahtriruumist teise; on tõendeid selle kohta, et rakusisest transporti reguleerivad teatud steroidhormoonid.

c) On tuvastatud kahte tüüpi negatiivse tagasiside servomehhanisme.

Bakterites leiti näiteid, et reaktsioonijärjestuse saaduse, näiteks aminohappe, esinemine pärsib selle aminohappe moodustamiseks vajaliku ensüümi biosünteesi.

Mõlemal juhul vastutas ensüüm, mille biosünteesi see on mõjutatud, selle aminohappe sünteesi viiva metaboolse raja esimese “määrava” etapi (skeemis reaktsioon 4) esimese etapi.

Teine mehhanism on imetajatel hästi mõistetav. See on metaboolse raja esimese "määrava" etapi eest vastutava ensüümi lõppprodukti (meie puhul aminohappe) pärssimine.

Teist tüüpi tagasiside kontroll on rakendatav juhtudel, kui trikarboksüülhappe tsükli vaheproduktide oksüdeerimine on seotud ATP moodustumisega ADP-st ja fosfaadist oksüdatiivse fosforüülimise ajal. Kui kogu rakus sisalduv fosfaadi ja (või) ADP varu on juba ammendatud, siis oksüdatsioon peatub ja saab jätkuda alles pärast seda, kui see varu on jälle piisav. Seega toimub oksüdatsioon, mille eesmärk on tarnida kasulikku energiat ATP kujul, ainult siis, kui ATP süntees on võimalik.

3. Biosünteesiprotsessides osaleb suhteliselt väike arv ehitusplokke, millest igaüht kasutatakse paljude ühendite sünteesimiseks. Nende hulgas on atsetüülkoensüüm A, glütserofosfaat, glütsiin, karbamüülfosfaat, mis tarnib karbamüüli (H2N - CO–) rühm, foolhappe derivaadid, mis toimivad hüdroksümetüül- ja formüülrühmade allikana, S-adenosüülmetioniin - metüülrühmade, glutamiin- ja asparagiinhapete allikas, mis varustavad aminorühmi, ja lõpuks, glutamiin - amiidrühmade allikas. Sellest suhteliselt väikesest arvust komponentidest on üles ehitatud kõik need erinevad ühendid, mida elusorganismides leiame.

4. Lihtsad orgaanilised ühendid osalevad vahetult metaboolsetes reaktsioonides. Tavaliselt tuleb need kõigepealt "aktiveerida", kinnitudes ühele hulgast ainevahetuses üldiselt kasutatavatest ühenditest. Näiteks võib glükoos oksüdeeruda alles pärast seda, kui see on esterdatud fosforhappega, teiste muundamiste jaoks tuleb see esterdada uridiindifosfaadiga. Rasvhapped ei saa metaboolsetes transformatsioonides osaleda enne, kui nad moodustavad koensüümiga A estrid. Kõik need aktivaatorid on kas seotud ühe nukleotiidiga, mis moodustavad ribonukleiinhappe, või on moodustatud mingist vitamiinist. Sellega seoses on lihtne aru saada, miks vitamiine nõutakse nii väikestes kogustes. Need kulutatakse "koensüümide" moodustamiseks ja iga koensüümi molekuli kasutatakse kogu organismi elu jooksul korduvalt, erinevalt põhitoitainetest (näiteks glükoos), mille iga molekuli kasutatakse ainult üks kord.

Kokkuvõtteks tuleb öelda, et mõistet "metabolism", mis varem tähendas midagi keerulisemat kui lihtsalt süsivesikute ja rasvade kasutamist kehas, kasutatakse nüüd tuhandete ensümaatiliste reaktsioonide tähistamiseks, mille kogu kombinatsiooni võib kujutada tohutult mitu korda ristuvate ainevahetusradade võrgustikuna ( ühiste vaheainete olemasolu tõttu) ja kontrollitakse väga peenete regulatsioonimehhanismide abil.

MINERAALEAINETE METABOLISM

Suhteline sisu.

Allpool on loetletud elusorganismides leiduvad mitmesugused elemendid kahanevas järjekorras sõltuvalt nende suhtelisest sisaldusest: 1) hapnik, süsinik, vesinik ja lämmastik; 2) kaltsium, fosfor, kaalium ja väävel; 3) naatrium, kloor, magneesium ja raud; 4) mangaan, vask, molübdeen, seleen, jood ja tsink; 5) alumiinium, fluor, räni ja liitium; 6) broom, arseen, plii ja võib-olla mõned teised.

Hapnik, süsinik, vesinik ja lämmastik on elemendid, mis moodustavad keha pehmed kuded. Need on osa sellistest ühenditest nagu süsivesikud, lipiidid, valgud, vesi, süsinikdioksiid ja ammoniaak. Punktides loetletud üksused. 2 ja 3, on kehas tavaliselt ühe või mitme anorgaanilise ühendi ja lõikude kujul. 4, 5 ja 6 esinevad ainult mikrokogused ja seetõttu nimetatakse neid mikroelementideks.

Jaotus kehas.

Kaltsium.

Kaltsiumi leidub peamiselt luukoes ja hammastes, peamiselt fosfaadi kujul ning vähestes kogustes karbonaadi ja fluoriidi vormis. Toidust pärit kaltsium imendub peamiselt soolestiku ülaosadesse, millel on kergelt happeline reaktsioon. D-vitamiin aitab selle imendumisele kaasa (inimestel imendub ainult 20–30% toidukaltsiumist).D-vitamiini toimel toodavad soolerakud spetsiaalset valku, mis seob kaltsiumi ja hõlbustab selle edastamist sooleseina kaudu verre. Imendumist mõjutavad ka teatud muud ained, eriti fosfaat ja oksalaat, mis väikestes kogustes soodustavad imendumist, suurtes kogustes aga vastupidiselt.

Ligikaudu pool vere kaltsiumist on seotud valkudega, ülejäänud on kaltsiumiioonid. Ioniseeritud ja ioniseerimata vormide suhe sõltub kaltsiumi kontsentratsioonist veres, samuti valgu ja fosfaadi sisaldusest ning vesinikioonide kontsentratsioonist (vere pH). Ioniseerimata kaltsiumi fraktsioon, mida mõjutab valgu tase, võimaldab teil kaudselt hinnata toitumise kvaliteeti ja maksa efektiivsust, milles toimub plasmavalkude süntees..

Ioniseeritud kaltsiumi kogust mõjutavad ühelt poolt D-vitamiin ja imendumist mõjutavad tegurid ning teiselt poolt paratüreoidhormoon ja võib-olla ka D-vitamiin, kuna mõlemad need ained reguleerivad nii kaltsiumi ladestumise kiirust luukoes kui ka selle mobiliseerimist, s.t. luudest leostumine. Paratüreoidhormooni liig stimuleerib kaltsiumi vabanemist luukoest, mis põhjustab selle kontsentratsiooni suurenemist plasmas. Muutes kaltsiumi ja fosfaadi imendumise ja eritumise kiirust, samuti luukoe moodustumise ja hävimise kiirust, kontrollivad need mehhanismid rangelt kaltsiumi ja fosfaadi kontsentratsiooni vereseerumis. Kaltsiumiioonid mängivad regulatiivset rolli paljudes füsioloogilistes protsessides, sealhulgas närvireaktsioonides, lihaste kokkutõmbumisel ja vere hüübimisel. Kaltsium eritub organismist peamiselt (2/3 võrra) sapi ja soolte kaudu ning vähemal määral (1/3) neerude kaudu..

Fosfor.

Fosfori metabolism - luukoe ja hammaste üks peamisi komponente - sõltub suuresti samadest teguritest nagu kaltsiumi metabolism. Fosfori vormis olev fosfor on kehas ka sadades erinevates füsioloogiliselt olulistes orgaanilistes estrites. Paratüreoidhormoon stimuleerib fosfori eritumist uriiniga ja selle vabanemist luukoest; seeläbi reguleerib see fosfori kontsentratsiooni vereplasmas.

Naatrium.

Naatrium - rakuvälise vedeliku peamine katioon - mängib koos valgu, kloriidi ja vesinikkarbonaadiga üliolulist rolli vere osmootse rõhu ja pH (vesinikioonide kontsentratsiooni) reguleerimisel. Seevastu rakud sisaldavad väga vähe naatriumi, kuna neil on mehhanism naatriumioonide eemaldamiseks ja kaaliumioonide hoidmiseks. Kogu keha vajadusi ületav naatrium eritub neerude kaudu väga kiiresti..

Kuna naatrium kaob kõigis eritumisprotsessides, tuleb seda pidevalt toiduga alla neelata. Atsidoosi korral, kui on vaja, et kehast väljutataks suures koguses anioone (nt kloriid või atsetoatsetaat), takistavad neerud glutamiinist ammoniaagi moodustumisest tingitud liigset naatriumi kaotust. Naatriumi eritumist neerude kaudu reguleerib neerupealise koore hormoon aldosteroon. Selle hormooni toimel suunatakse verre tagasi piisavalt naatriumi normaalse osmootse rõhu ja rakuvälise vedeliku normaalse taseme säilitamiseks..

Naatriumkloriidi päevane vajadus on 5–10 g. See väärtus suureneb suure hulga vedeliku imendumisel, kui higistamine intensiivistub ja uriini eraldub rohkem.

Kaalium.

Erinevalt naatriumist leidub kaaliumi rakkudes suurtes kogustes, kuid rakuvälises vedelikus sellest ei piisa. Kaaliumi põhifunktsioon on rakusisese osmootse rõhu reguleerimine ja happe-aluse tasakaalu säilitamine. Samuti mängib see olulist rolli närviimpulsside juhtivuses paljudes ensüümsüsteemides, sealhulgas nendes, mis on seotud lihaste kokkutõmbumisega. Kaalium on looduses laialt levinud ja seda leidub palju mis tahes toidus, seega ei saa kaaliumipuudus tekkida spontaanselt. Plasmas reguleerib kaaliumi kontsentratsiooni aldosteroon, mis stimuleerib selle eritumist uriiniga..

Toiduga satub väävel kehasse peamiselt kahe aminohappe - tsüstiini ja metioniini - osana. Nende aminohapete metabolismi viimastes etappides eraldub väävel ja oksüdeerimise tulemusel muundatakse see anorgaaniliseks vormiks. Tsüstiini ja metioniini osana on väävel struktuurvalkudes. Olulist rolli mängib ka tsüsteiini sulfhüdrüül- (–SH) rühm, millest sõltub paljude ensüümide aktiivsus.

Enamik väävlit eritub uriiniga sulfaadina. Väike kogus eritunud sulfaati on tavaliselt seotud orgaaniliste ühenditega nagu fenoolid.

Magneesium.

Magneesiumi metabolism sarnaneb kaltsiumi metabolismiga ja fosfaadiga kompleksi kujul on see element ka luukoe osa. Magneesiumi on kõigis elavates rakkudes, kus see toimib paljude ensüümsüsteemide olulise komponendina; seda rolli näitas veenvalt lihaste süsivesikute ainevahetuse näide. Magneesium, nagu ka kaalium, on laialt levinud ja selle puuduse tõenäosus on väga väike.

Raud.

Raud on osa hemoglobiinist ja teistest hemoproteiinidest, nimelt müoglobiinist (lihaste hemoglobiin), tsütokroomidest (hingamisteede ensüümid) ja katalaasist, samuti mõningatest ensüümidest, mis ei sisalda hemogruppe. Raud imendub soolte ülaosas ja see on ainus element, mis imendub alles siis, kui selle varustamine kehas on täielikult ammendatud. Plasmas transporditakse rauda koos valgu (transferriiniga). Raud ei eritu neerude kaudu; selle liig koguneb maksas koos spetsiaalse valgu (ferritiiniga).

Mikroelemendid.

Igal kehas esineval mikroelemendil on oma eriline funktsioon, mis on seotud asjaoluga, et see stimuleerib konkreetse ensüümi toimet või mõjutab seda mõnel muul viisil. Insuliini kristallimiseks on vajalik tsink; lisaks on see süsiniku anhüdraasi (süsinikdioksiidi transpordis osaleva ensüümi) ja mõnede teiste ensüümide komponent. Molübdeen ja vask on ka mitmesuguste ensüümide vajalikud komponendid. Jood on vajalik kilpnäärmehormooni trijodotüroniini sünteesiks. Fluoriid (hambaemaili osa) aitab vältida hammaste lagunemist.

METABOLIITIDE KASUTAMINE

Süsivesikud.

Imemine.

Toidu süsivesikute lagundamisel vabanevad monosahhariidid ehk lihtsad suhkrud kanduvad soolestikust vereringesse protsessi, mida nimetatakse imendumiseks. Neeldumismehhanism on lihtsa difusiooni ja keemilise reaktsiooni (aktiivne imendumine) kombinatsioon. Üks hüpotees protsessi keemilise faasi olemuse kohta viitab sellele, et selles faasis ühendavad monosahhariidid fosfaathappega kinaasirühma ensüümi katalüüsitavas reaktsioonis, seejärel tungivad nad veresoontesse ja vabanevad ensümaatilise defosforüülimise (fosfaatsideme purunemise) tagajärjel katalüüsitud kujul. üks fosfataasidest. Just aktiivne imendumine seletab, miks erinevad monosahhariidid imenduvad erineva kiirusega ja süsivesikud imenduvad ka siis, kui veresuhkru tase on kõrgem kui soolestikus, s.o. tingimustes, kus oleks loomulik oodata nende liikumist vastupidises suunas - verest soolestikku.

Homöostaasi mehhanismid.

Vereringesse sisenevad monosahhariidid suurendavad veresuhkru taset. Paastumise ajal varieerub glükoosi kontsentratsioon veres tavaliselt 70–100 mg 100 ml vere kohta. Seda taset hoitakse mehhanismide kaudu, mida nimetatakse homöostaasi mehhanismideks (enesestabiliseerumine). Niipea kui veresuhkru tase imendumise tagajärjel veres tõuseb, jõustuvad protsessid, mis eemaldavad verest suhkru, nii et selle tase ei kõigu liiga palju.

Nagu glükoos, tulevad ka kõik muud monosahhariidid vereringest maksa, kus need muundatakse glükoosiks. Nüüd on nad eristatavad imendunud glükoosist ja juba kehas sisalduvast glükoosist ning läbivad samasugused metaboolsed muutused. Üks maksas süsivesikute homöostaasi tekkemehhanisme on glükogenees, mille kaudu glükoos liigub verest rakkudesse, kus see muundatakse glükogeeniks. Glükogeeni hoitakse maksas kuni veresuhkru taseme languseni: sellises olukorras põhjustab homöostaatiline mehhanism lagunenud glükogeeni lagunemist glükoosiks, mis taas siseneb verre.

Ümberkujundamine ja kasutamine.

Kuna veri tarnib glükoosi keha kõigisse kudedesse ja kõik koed kasutavad seda energia saamiseks, väheneb veresuhkru tase peamiselt selle kasutamise tõttu.

Lihastes muundatakse vere glükoos glükogeeniks. Lihasglükogeeni ei saa siiski kasutada vereringesse siseneva glükoosi tootmiseks. See sisaldab energiavarustust ja selle kasutamise kiirus sõltub lihaste aktiivsusest. Lihaskude sisaldab kahte ühendit, kus on palju energiat saadavaid energiaallikaid fosfaatsidemeid - kreatiinfosfaat ja adenosiintrifosfaat (ATP). Kui nendest ühenditest fosfaatrühmad eraldatakse, vabaneb energia lihaste kokkutõmbumiseks. Et lihas taas kokku tõmbuda, tuleb need ühendid taastada oma algses vormis. Selleks on vaja energiat, mida varustatakse glükogeeni lagunemisproduktide oksüdeerimisega. Lihaste kokkutõmbumisel muundatakse glükogeen glükoosfosfaadiks ja seejärel rea reaktsioonide kaudu fruktoosdifosfaadiks. Fruktoosdifosfaat laguneb kaheks kolme süsiniku ühendiks, millest pärast rea etappe moodustub kõigepealt püruviinhape ja lõpuks piimhape, nagu on kirjeldatud süsivesikute metabolismi kirjelduses. See glükogeeni muundamine piimhappeks, millega kaasneb energia eraldumine, võib toimuda hapniku puudumisel.

Hapnikuvaeguse korral koguneb piimhape lihastesse, difundeerub vereringesse ja siseneb maksa, kus sellest taas moodustub glükogeen. Kui hapnikku on piisavalt, ei kogune lihasesse piimhape. Selle asemel, nagu eespool kirjeldatud, oksüdeeritakse see täielikult trikarboksüülhapete tsükli käigus süsinikdioksiidiks ja veeks, moodustades ATP, mida saab kasutada redutseerimiseks.

Süsivesikute metabolism närvikoes ja punastes verelibledes erineb lihaste metabolismist selle poolest, et glükogeen ei osale selles. Kuid ka siin on vahesaadusteks püruviir- ja piimhapped, mis moodustuvad glükoosfosfaadi lagunemisel.

Glükoosi kasutatakse mitte ainult rakulises hingamises, vaid ka paljudes teistes protsessides: laktoosi (piimasuhkru) sünteesis, rasvade moodustamisel, samuti spetsiaalsetes suhkrutes, mis on osa sidekoe ja paljude teiste kudede polüsahhariididest..

Maksa glükogeen, sünteesitud süsivesikute imendumise kaudu soolestikus, on kõige odavam glükoosiallikas, kui imendumist ei toimu. Kui see allikas on ammendatud, algab glükoneogeneesi protsess maksas. Teatud aminohapetest (58 g glükoosi moodustatakse 100 g valgust) moodustatakse glükoos ja mitmetest muudest süsivesikutevabadest ühenditest, sealhulgas neutraalsete rasvade glütseroolijääkidest.

Mõned, ehkki mitte nii olulised, mängivad neerud süsivesikute metabolismis rolli. Nad eemaldavad kehast liigse glükoosi, kui selle kontsentratsioon veres on liiga kõrge; madalama kontsentratsiooni korral glükoos praktiliselt ei eritu.

Süsivesikute metabolismi reguleerimises osalevad mitmed hormoonid, sealhulgas kõhunääre, hüpofüüsi eesmise osa ja neerupealise koore hormoonid..

Pankrease hormooninsuliin vähendab vere glükoosisisaldust ja suurendab selle kontsentratsiooni rakkudes. Ilmselt stimuleerib see ka glükogeeni ladustamist maksas. Neerupealise koore hormoon kortikosteroon ja neerupealise medulla toodetav adrenaliin mõjutavad süsivesikute ainevahetust, stimuleerides glükogeeni (peamiselt lihastes ja maksas) lagunemist ning glükoosi sünteesi (maksas)..

Lipiidid.

Imemine.

Pärast rasvade seedimist jäävad soolestikku peamiselt vabad rasvhapped koos väikese kolesterooli ja letsitiini lisandiga ning rasvas lahustuvate vitamiinide jälgedega. Kõik need ained on sapisoolade emulgeeriva ja lahustava toime tõttu väga peeneks hajutatud. Lahustuv toime on tavaliselt seotud ebastabiilsete keemiliste ühendite moodustumisega rasvhapete ja sapisoolade vahel. Need kompleksid tungivad peensoole epiteelirakkudesse ja lagunevad siin rasvhapeteks ja sapphapete sooladeks. Viimased kantakse maksa ja sekreteeritakse taas sapiga ning rasvhapped puutuvad kokku glütserooli või kolesterooliga. Saadud rekonstrueeritud rasvad sisenevad mesenteri lümfisoontesse piimmahla kujul, nn. "Chylus". Mesenteeria veresoontest siseneb tsüaal rindkere kaudu lümfisüsteemi kaudu vereringesüsteemi.

Pärast toidu seedimist suureneb vere lipiidide sisaldus umbes 500 mg-lt (tühja kõhuga) kuni 1000 mg 100 ml plasma kohta. Veres sisalduvad lipiidid on segu rasvhapetest, neutraalsetest rasvadest, fosfolipiididest (letsitiin ja tsefaliin), kolesteroolist ja kolesterooli estritest.

Levitamine.

Veri tarnib lipiide keha erinevatesse kudedesse ja eriti maksa. Maksal on võime modifitseerida sinna sisenevaid rasvhappeid. See on eriti ilmne liikide puhul, kus säilitatakse rasvu, milles on kõrge küllastunud või vastupidi, küllastumata rasvhapete sisaldus: nende loomade maksas muutub küllastunud ja küllastumata hapete suhe selliselt, et selle koostises ladestunud rasv vastab sellele organismile iseloomulikele rasvadele.

Maas olevad rasvad kasutatakse kas energia tootmiseks või need kanduvad verre ja toimetavad selle kaudu erinevatesse kudedesse. Siin saab neid lisada kudede struktuurielementidesse, kuid suurem osa neist ladestub rasvaladudesse, kus neid hoitakse kuni energiavajaduse tekkimiseni; siis viiakse need uuesti maksa ja oksüdeeritakse siin.

Lipiidide, nagu süsivesikute, ainevahetust reguleeritakse homöostaatiliselt. Homöostaasi mehhanismid, mis mõjutavad lipiidide ja süsivesikute metabolismi, on ilmselt tihedalt seotud, kuna süsivesikute ainevahetuse aeglustumisel suureneb lipiidide metabolism ja vastupidi.

Ümberkujundamine ja kasutamine.

Nelja süsiniku hapet - atsetoäädikhapet (kahe atsetaatühiku kondenseerumise saadus) ja b-hüdroksübutüürhapet - ja trissüsiniku ühendi atsetooni, mis on moodustunud atsetoäädikhappest ühe süsinikuaatomi eemaldamise teel, nimetatakse ühiselt ketooni (atsetoon) kehadeks. Tavaliselt esinevad ketoonikehad veres väikestes kogustes. Nende liigne moodustumine raske diabeedi korral põhjustab nende sisalduse suurenemist veres (ketoonemia) ja uriinis (ketoonuria) - seda seisundit tähistatakse terminiga "ketoos".

Oravad.

Imemine.

Kui valgud lagundatakse seedeensüümide toimel, moodustub aminohapete ja väikeste peptiidide segu, mis sisaldab kaks kuni kümme aminohappejääki. Need tooted imenduvad soole limaskesta ja siin on hüdrolüüs lõppenud - peptiidid lagunevad ka aminohapeteks. Verre sisenevad aminohapped segatakse samade aminohapetega, mida siin leidub. Veri sisaldab aminohapete segu soolestikust, mis moodustub kudede valkude lagunemisel ja mida organism sünteesib uuesti.

Süntees.

Kudedes laguneb valk ja nende neoplasm jätkub pidevalt. Veres sisalduvad aminohapped imenduvad kudedes valkude ehitusmaterjalidena valikuliselt ja kudedest satuvad verre teised aminohapped. Sünteesitakse ja lagundatakse mitte ainult struktuurvalgud, vaid ka plasmavalgud, samuti valguhormoonid ja ensüümid..

Täiskasvanud kehas aminohappeid ega valke praktiliselt ei hoita, seetõttu toimub aminohapete eemaldamine verest sama kiirusega, nagu nende sisenemine kudedest verre. Kasvavas organismis moodustuvad uued kuded ja selle protsessi käigus kulub rohkem aminohappeid kui see siseneb verre kudede valkude lagunemise tõttu.

Maks on valkude metabolismis osalenud kõige aktiivsemal viisil. See sünteesib plasmavalke - albumiini ja globuliini - ning ka oma maksaensüüme. Nii et plasmavalkude kaotamisega taastub üsna kiiresti albumiini sisaldus plasmas - intensiivse sünteesi tõttu. Maas kasutatavaid aminohappeid kasutatakse mitte ainult valkude moodustamiseks, vaid need ka lõhustatakse, mille käigus ekstraheeritakse neis sisalduv energia.

Ümberkujundamine ja kasutamine.

Kui energiaallikana kasutatakse aminohappeid, siis eraldub aminorühm neist (–NH2) on suunatud karbamiidi moodustumisele ja molekuli lämmastikuvabad jäägid oksüdeeritakse samamoodi nagu glükoos või rasvhapped.

Nn ornitiinitsükkel kirjeldab, kuidas ammoniaak muundatakse karbamiidiks. Selles tsüklis ühineb aminorühm, mis lõhustatakse aminohappest ammoniaagi kujul, koos süsinikdioksiidiga ornitiini molekuliks tsitrulliini moodustumisega. Tsitrulliin seob teise lämmastikuaatomi, seekord asparagiinhappega, ja muutub arginiiniks. Lisaks hüdrolüüsitakse arginiin karbamiidi ja ornitiiniks. Ornitiin võib nüüd tsüklisse uuesti siseneda ja uurea eritub neerude kaudu metabolismi ühe lõppsaadusena. Vaata ka HORMOONID; ENSÜÜMID; RASVAD JA ÕLID; NUKLEIINHAPPED; VALGUD; VITAMIINID.

Leninger A. Biokeemia alused, vol. 1.-3. M., 1985
Striyer L. Biokeemia, tk. 1.-3. M., 1985
Murray R., Grenner D., Meyes P., Rodwell V. Inimese biokeemia, tk. 1-2. M., 1993
Alberts B., Bray D., Lews D. jt, Molecular cell biology, vols. 1.-3. M., 1994