Клетъчен метаболизъм

  • Продукти

Клетъчен метаболизъм

Метаболизмът е набор от процеси на биосинтеза и разцепване на сложни органични вещества в клетката и тялото.

Анаболизъм - пластичен метаболизъм, асимилация, биосинтез на органични вещества (синтезират се органични вещества - протеини, мазнини, въглехидрати), изразходва се енергия (консумира се АТР), фотосинтеза, хемосинтеза, биосинтеза на протеини.

Катаболизъм - енергиен метаболизъм, дисимилация, разлагане на органични вещества (органичните вещества се разделят на CO2 и H2O, енергията се освобождава и съхранява под формата на АТФ, клетъчно дишане (енергиен метаболизъм в клетката)).

Видове хранене (методи за получаване на енергия от АТФ)

Автотрофи - способни да създават органични вещества от неорганични.

Има фототрофи (използвайте слънчева енергия за биосинтеза, растения и синьо-зелени водорасли - цианобактерии) и хемотрофи (използвайте енергия от химически връзки за биосинтеза, серен бактерии, железни бактерии, азотфиксиращи, нитрифициращи и водородни бактерии).

Хетеротрофи - използвайте готови органични вещества.

Има сапротрофи (използват органични вещества от трупове или отпадъчни продукти от живи организми, сапротрофни бактерии, животни (сапрофаги) и гъби) и паразити (живеят за сметка на друг жив организъм, хранени с неговите сокове, тъкани или храносмилателни храни, многократно, без да убиват, постоянно или временно) използва организма-приемник като местообитание, бактерии, гъбички, растения, животни и вируси).

Кириленко А. А. Биология. Унифициран държавен изпит. Секция "Молекулярна биология". Теория, задачи за обучение. 2017.

Метаболизъм (метаболизъм) - набор от химични реакции, които се случват в живия организъм за нормалното му функциониране.

Метаболизмът се състои от разграждането на веществата (енергиен метаболизъм) и сглобяването на вещества (пластичен метаболизъм).

Пластичният метаболизъм (анаболизъм, асимилация) е комбинация от реакции на синтез, които се случват с консумацията на АТФ енергия.

Резултат: от хранителните вещества, които влизат в клетката, протеините, мазнините, въглехидратите, които се използват за създаване на нови клетки, техните органи и междуклетъчното вещество, са характерни за тялото.

Енергиен метаболизъм (катаболизъм, дисимилация) - набор от реакции на разпадане, които обикновено се случват с отделянето на енергия под формата на топлина и под формата на АТФ.

Резултат: сложните вещества се разлагат на по-прости (диференциация) или окисление на веществото.

Метаболизмът е насочен към запазването и самовъзпроизвеждането на биологичните системи.

Тя включва постъпването на вещества в организма в процеса на хранене и дишане, вътреклетъчния метаболизъм и освобождаването на крайните продукти от обмяната на веществата.

Метаболизмът е неразривно свързан с превръщането на някои видове енергия в други. Например, в процеса на фотосинтеза, светлинната енергия се съхранява под формата на химически връзки на сложни органични молекули, а в процеса на дишането се освобождава и изразходва за синтеза на нови молекули, механичен и осмотичен труд, разсейващи се под формата на топлина и др.

Ензимите са биологични катализатори на протеинова природа, които контролират химичните реакции в живите организми.

Ензимите намаляват енергията на активиране на химичните реакции, като значително ускоряват тяхното появяване или ги правят фундаментално възможни.

Ензимите могат да бъдат или прости, или сложни протеини, които, в допълнение към протеиновата част, включват непротеинов кофактор или коензим.

Ензимите се различават от не-белтъчните катализатори поради тяхната висока специфичност на действие: всеки ензим катализира специфични трансформации на определен вид субстрат.

Активността на ензимите в живите организми се регулира от множество механизми:

- чрез взаимодействие с регулаторни протеини, регулатори с ниско молекулно тегло и йони

- чрез промяна на реакционните условия, като рН на отделението

Етапи на енергийния метаболизъм

1. Подготвително

Извършва се чрез ензими на стомашно-чревния тракт, лизозомни ензими. Освободената енергия се разсейва като топлина. Резултат: разделяне на макромолекули на мономери: мазнини до мастни киселини и глицерин, въглехидрати до глюкоза, протеини до аминокиселини, нуклеинови киселини до нуклеотиди.

2. Анаеробен (аноксичен) етап или гликолиза (най-често субстратът на реакцията е глюкоза)

Място на курса: цитоплазма на клетките.

Резултатът: разцепването на мономерите до междинни продукти. Глюкозата губи четири водородни атома, т.е. окислява се, с образуването на две молекули пирувинова киселина, две молекули АТР и две молекули на подновен NADH + H +.

При липса на кислород, образуваната пировинова киселина се превръща в млечна киселина.

3. Аеробна (кислородна) фаза или тъканно (клетъчно) дишане

Окисляване на междинни съединения до крайни продукти (CO2 и H2O) с отделяне на голямо количество енергия.

Цикълът на Кребс: същността на трансформациите се състои в поетапното декарбоксилиране и дехидрогениране на пирувинова киселина, по време на което се образуват АТР, NADH и FADH2. В следващите реакции богатите на енергия NADH и FADH2 прехвърлят електроните си към електронната транспортна верига, която е мултиензимен комплекс на вътрешната повърхност на митохондриалните мембрани. Поради движението на електрона по протежение на веригата на носителя се образува АТР. 2С3 H6 O3 + 6O2 + 36F + 36 ADP → 6CO2 + 42H2 O + 36ATF

Пировидна (млечна) киселина реагира с оксалоцетна киселина (оксалоацетат), за да образува лимонена киселина (цитрат), която претърпява редица последователни реакции, превръщайки се в други киселини. В резултат на тези трансформации се образува оксалооцетна киселина (оксалоацетат), която отново реагира с пирувинова киселина. Свободният водород се комбинира с NAD (никотинамид аденин динуклеотид) за образуване на съединение NADH.

Източник: "Биология в схеми, термини, таблици" M.V. Железняк, Г.Н. Deripasco, Ed. "Феникс"

Източник: Биология, 100-те най-важни теми на В.Ю. Ямеев 2016

Генетична информация в клетката

Биосинтеза на протеини и нуклеинови киселини

Геном - набор от наследствен материал, съдържащ се в клетката на тялото.

Генетичната (наследствена) информация е кодирана като последователност от ДНК нуклеотиди, а в някои вируси - РНК.

Еукариотният геном е локализиран в ядрото, митохондриите и в растенията дори в пластидите.

Митохондриите и пластидите са относително автономни, но част от митохондриалните и пластидните протеини са кодирани от ядрения геном.

Генът е елементарна единица на генетична информация. Генът е ДНК регион, който кодира протеинова последователност (полипептиди) или функционална РНК.

Свойства на генетичния код

Генетичен код

1) триплет - всяка аминокиселина съответства на троен нуклеотиден ДНК (РНК) - кодон; 2) недвусмислено - един триплет кодира само една аминокиселина;

3) дегенерация - няколко различни триплета могат да кодират една аминокиселина;

4) универсален - един за всички организми, които съществуват на Земята;

5) не се припокрива - кодоните се четат едно след друго, от една конкретна точка в една посока (един нуклеотид не може да бъде част от два съседни триплета едновременно);

6) между гените има “разделителни знаци” - области, които не носят генетична информация, а само отделят някои гени от другите. Те се наричат ​​spacers.

Стоп кодоните на UAAA, UAG, UGA означават прекратяване на синтеза на една полипептидна верига, триплетът на AUG определя мястото на началото на синтеза на следващата.

Източници: Биология на 100-те най-важни теми на В.Ю. Ямеев 2016

"Биология в схеми, термини, таблици" М.В. Железняк, Г.Н. Deripasco, Ed. "Феникс"

Визуална референция. Биология. 10-11 класа. Krasil'nikova

Какво е метаболизъм?

Никога не си мислех защо някои хора ядат всичко (без да забравят кифлички и сладкиши), докато изглеждат като че ли не са яли от няколко дни, докато други, напротив, постоянно преброяват калории, седят на диети, отиват на фитнес зали и все още не могат да се справят с тези излишни килограми. И така, каква е тайната? Оказва се, че всичко е за метаболизма!

И така, какво е метаболизъм? И защо хората, които имат висока реакция на метаболизма, никога не страдат от затлъстяване или наднормено тегло? Говорейки за метаболизма, важно е да се отбележи следното: това е метаболизъм, който се случва в организма и всички химически промени, започвайки от момента, в който хранителните вещества навлязат в тялото, докато не бъдат отстранени от тялото във външната среда. Метаболитният процес е всички реакции, които се случват в организма, благодарение на което се изграждат структурните елементи на тъканите, клетките, както и всички процеси, чрез които тялото получава необходимата енергия за нормална поддръжка.

Метаболизмът играе огромна роля в нашия живот, защото благодарение на всички тези реакции и химични промени получаваме всичко необходимо от хранителни продукти: мазнини, въглехидрати, протеини, както и витамини, минерали, аминокиселини, здрави влакна, органични киселини и др. г.

Според неговите свойства, метаболизмът може да се раздели на две основни части - анаболизъм и катаболизъм, т.е. процесите, които допринасят за създаването на всички необходими органични вещества и за разрушителните процеси. Това означава, че анаболните процеси допринасят за "превръщането" на простите молекули в по-сложни. И всички тези процеси на данни са свързани с енергийните разходи. Катаболните процеси, от друга страна, освобождават тялото от крайни продукти на разлагане, като въглероден диоксид, урея, вода и амоняк, което води до освобождаване от енергия, т.е. можем грубо да кажем, че се случва метаболизма на урината.

Какво представлява клетъчният метаболизъм?

Какво е клетъчен метаболизъм или метаболизъм на живите клетки? Добре известно е, че всяка жива клетка в нашето тяло е добре координирана и организирана система. Клетката съдържа различни структури, големи макромолекули, които й помагат да се разпадне в резултат на хидролиза (т.е. раздробяване на клетката под въздействието на вода) в най-малките компоненти.

В допълнение, клетките съдържат голямо количество калий и доста малко натрий, въпреки факта, че клетъчната среда съдържа много натрий, а калийът, напротив, е много по-малко. В допълнение, клетъчната мембрана е проектирана по такъв начин, че помага за проникването както на натрий, така и на калий. За съжаление, различни структури и ензими могат да унищожат тази опростена структура.

А самата клетка е далеч от съотношението калий и натрий. Такава "хармония" се постига само след смъртта на човек в процеса на автолизата на смъртните, т.е. на храносмилането или разлагането на организма под влиянието на собствените му ензими.

Какво е енергия за клетките?

На първо място, енергията на клетките е просто необходима, за да подпомогне работата на системата, която е далеч от равновесието. Следователно, за да може една клетка да е в състояние, което е нормално за нея, дори и да е далеч от равновесие, то трябва да получи енергията, необходима за нея. И това правило е задължително условие за нормално клетъчно функциониране. Наред с това има и друга работа, насочена към взаимодействие с околната среда.

Например, ако има намаляване на мускулните клетки или в бъбречни клетки и дори урината започва да се образува, или нервните импулси се появяват в нервните клетки и в клетките, отговорни за стомашно-чревния тракт, започва секрецията на храносмилателни ензими, или започва хормонална секреция в клетките. ендокринни жлези? Или например светлините червеи започнаха да светят, а в клетките на рибата например имаше изхвърляне на електричество? За всичко това не беше, за това и се нуждаеше от енергия.

Какви са източниците на енергия

В горните примери виждаме. Че клетката използва за своята работа енергията, получена поради структурата на аденозин трифосфат или (АТР). Благодарение на нея, клетката е наситена с енергия, чието освобождаване може да попадне между фосфатните групи и служи за по-нататъшна работа. Но в същото време, с просто хидролитично разчупване на фосфатните връзки (АТФ), получената енергия няма да стане достъпна за клетката, в този случай енергията ще се загуби като топлина.

Този процес се състои от два последователни етапа. Във всеки такъв етап се включва междинен продукт, който е означен като HF. В следващите уравнения X и Y означават две напълно различни органични вещества, буквата F означава фосфат, а съкращението ADP се отнася до аденозин дифосфат.

Нормализиране на обмяната на веществата - този термин е вече твърдо установен в нашия живот, освен това той се превърна в индикатор за нормално тегло, тъй като нарушения на метаболитни процеси в организма или метаболизма често са свързани с наддаване на тегло, наднормено тегло, затлъстяване или неговата недостатъчност. Идентифициране на скоростта на метаболитни процеси в организма може да се дължи на теста на базата на обмен.

Каква е основната размяна? Това е индикатор за интензивността на производството на енергия от организма. Този тест се провежда сутрин на празен стомах, по време на пасивност, т.е. в покой. Квалифициран техник измерва (O2) поглъщането на кислород, както и отделянето от организма (CO2). Когато сравнявате данните, разберете колко процента тялото изгаря входящите хранителни вещества.

Също така, хормоналната система, щитовидната жлеза и ендокринните жлези влияят върху активността на метаболитните процеси, затова при откриване на лечението на метаболитни заболявания лекарите се опитват да идентифицират и вземат предвид нивото на работа на тези хормони в кръвта и наличните заболявания на тези системи.

Основните методи за изучаване на метаболитните процеси

Изучавайки метаболизма на един (всеки) от хранителните вещества, всички негови промени (срещащи се с него) се наблюдават от една форма, влязла в тялото до крайното състояние, при което се екскретира от тялото.

Методите за метаболитни изследвания днес са изключително разнообразни. В допълнение, за тази цел се използват редица биохимични методи. Един от методите за изучаване на метаболизма е методът на използване на животни или органи.

Тестваното животно се инжектира със специална субстанция и след това чрез урината и екскрементите се откриват възможни продукти от промени (метаболити) на веществото. Най-точната информация може да бъде събрана чрез изследване на метаболитните процеси на даден орган, например мозъка, черния дроб или сърцето. За да направите това, това вещество се инжектира в кръвта, след което метаболитите помагат да се идентифицират в кръвта, идваща от този орган.

Тази процедура е много сложна и изпълнена с риск, тъй като често с такива изследователски методи те използват тънкия метод на пинч или правят участъци от тези органи. Такива срезове се поставят в специални инкубатори, където се съхраняват при температура (подобна на телесната температура) в специални разтворими вещества с добавка на веществото, чийто метаболизъм се изследва.

С този метод на изследване, клетките не са повредени, тъй като участъците са толкова тънки, че веществото лесно и свободно прониква в клетките и след това ги оставя. Случва се, че има трудности, причинени от бавното преминаване на специална субстанция през клетъчните мембрани.

В този случай, за да се унищожат мембраните, тъканите обикновено се смачкват, така че специалната субстанция инкубира клетъчната пулпа. Такива експерименти доказват, че всички живи клетки на тялото са способни да окисляват глюкозата до въглероден диоксид и вода, а само клетките от чернодробната тъкан могат да синтезират урея.

Използвайте клетки ?!

Според тяхната структура, клетките представляват много сложна организирана система. Добре известно е, че клетката се състои от ядро, цитоплазма, а в околната цитоплазма има малки органи, наречени органели. Те са различни по размер и текстура.

Благодарение на специалните техники ще бъде възможно да се хомогенизират тъканите на клетките, а след това да се извърши специална сепарация (диференциално центрофугиране), като по този начин се получават лекарства, които ще съдържат само митохондрии, само микрозоми, както и плазма или бистра течност. Тези лекарства се инкубират отделно със съединението, чийто метаболизъм се изследва, за да се определи точно кои конкретни субклетъчни структури са включени в последователни промени.

Има случаи, когато началната реакция започва в цитоплазмата и продуктът е подложен на промени в микрозомите, а след това се наблюдават промени с други реакции с митохондрии. Изследваното вещество инкубация с тъкан хомогенат или живи клетки най-често не разкрива никакви отделни етапи, свързани с метаболизма. Следващите експерименти, при които една или друга субклетъчна структура се използва за инкубиране, помагат да се разбере цялата верига от тези събития.

Как се използват радиоактивни изотопи

За проучване на тези или други метаболитни процеси на дадено вещество е необходимо:

  • използват аналитични методи за определяне на веществото от него и неговите метаболити;
  • Необходимо е да се използват такива методи, които ще помогнат да се разграничи въведеното вещество от същото вещество, но вече присъства в този препарат.

Спазването на тези изисквания е основното препятствие по време на изследването на метаболитните процеси в организма дотогава, докато се открият радиоактивни изотопи и 14С, радиоактивен въглехидрат. И след появата на 14С и инструментите, които позволяват измерване дори на слаба радиоактивност, всички гореспоменати трудности стигнаха до края. След това, случаят с измерването на метаболитни процеси отиде, както се казва, нагоре по хълма.

Сега, когато белязана 14С-белязана мастна киселина се добавя към специален биологичен препарат (например, митохондриални суспензии), след това не са необходими специални анализи за определяне на продукти, които влияят на нейната трансформация. За да се определи скоростта на използване, сега е възможно просто да се измери радиоактивността на митохондриалните фракции, получени последователно.

Тази техника помага не само да се разбере как да се нормализира обмяната на веществата, но и благодарение на нея лесно могат да се разграничат експериментално молекулите на въведената радиоактивна мастна киселина от молекулите на мастните киселини, които вече присъстват в митохондриите в самото начало на експеримента.

Електрофореза и. хроматография

За да се разбере какво и как нормализира обмяната на веществата, т.е. как се нормализира метаболизмът, е необходимо да се използват и такива методи, които ще помогнат за отделянето на сместа, която включва органични вещества в малки количества. Един от най-важните такива методи, който се основава на явлението адсорбция, се счита за метод на хроматография. Благодарение на този метод се извършва разделяне на сместа от компоненти.

Когато това се случи, разделянето на компонентите на сместа, което се извършва или чрез адсорбция на сорбента, или благодарение на хартията. При разделянето чрез адсорбция на сорбента, т.е. когато те започват да запълват такива специални стъклени тръби (колони), с постепенно и последващо елуиране, т.е. с последващо излугване на всеки от наличните компоненти.

Методът на разделяне на електрофореза пряко зависи от наличието на признаци, както и от броя на йонизираните заряди на молекулите. Електрофореза се извършва също и върху който и да е от неактивните носители, като целулоза, каучук, нишесте или накрая, на хартия.

Един от най-чувствителните и ефективни методи за отделяне на смес е газова хроматография. Този метод на разделяне се използва само ако веществата, необходими за отделянето, са в газообразно състояние или например във всеки момент могат да влязат в това състояние.

Как се освобождават ензимите?

За да разберете как се освобождават ензимите, е необходимо да разберете, че това е последното място в тази серия: животно, след това орган, след това секция от тъкани, и след това част от клетъчни органели и хомогенат, който взема ензими, които се катализират от определена химична реакция. Изолирането на ензими в пречистена форма се превърна във важна посока в изследването на метаболитните процеси.

Комбинирането и комбинирането на горните методи позволява основните метаболитни пътища в повечето организми, обитаващи нашата планета, включително хората. В допълнение, тези методи спомогнаха за установяване на отговорите на въпроса как протичат метаболитните процеси в организма и помогнаха да се изясни последователността на основните етапи на тези метаболитни пътища. Днес има повече от хиляда от всички видове биохимични реакции, които вече са били проучени, а също и изследвани ензимите, които участват в тези реакции.

Тъй като появата на всяка проява в клетките на живота изисква АТФ, не е изненадващо, че скоростта на метаболитните процеси на мастните клетки е насочена предимно към синтезиране на АТФ. За да се постигне това, като се различават по сложност, се използват последователни реакции. Такива реакции използват предимно химична потенциална енергия, която се съдържа в молекулите на мазнините (липидите) и въглехидратите.

Метаболитни процеси между въглехидратите и липидите

Подобен метаболитен процес между въглехидратите и липидите, по различен начин, се нарича АТФ синтез, анаеробен (следователно без кислород) метаболизъм.

Основната роля на липидите и въглехидратите е, че синтезът на АТР осигурява по-прости съединения, въпреки че същите процеси се осъществяват в най-примитивните клетки. Само в атмосфера, лишена от кислород, пълното окисляване на мазнини и въглехидрати до въглероден диоксид става невъзможно.

Дори тези примитивни клетки използват същите процеси и механизми, чрез които се извършва преструктурирането на структурата на самата глюкозна молекула, която синтезира малки количества АТР. С други думи, такива процеси в микроорганизмите се наричат ​​ферментация. Днес "ферментацията" на глюкоза до състоянието на етилов алкохол и въглероден диоксид в дрождите е особено добре проучена.

За да се завършат всички тези промени и да се образуват редица междинни продукти, беше необходимо да се проведат единадесет последователни реакции, които накрая бяха представени в парламента на междинни продукти (фосфати), т.е. естери на фосфорната киселина. Тази фосфатна група се прехвърля в аденозин дифосфат (ADP) и също с образуването на АТР. Само две молекули съставляват нетния добив на АТР (за всяка от глюкозните молекули, получени в резултат на ферментационния процес). Подобни процеси се наблюдават и във всички живи клетки на тялото, тъй като те доставят необходимата енергия за нормално функциониране. Такива процеси често се наричат ​​дишане на анаеробни клетки, въпреки че това не е напълно правилно.

Както при бозайници, така и при хора, този процес се нарича гликолиза, а крайният му продукт е млечна киселина, а не CO2 (въглероден диоксид), а не алкохол. С изключение на последните два етапа, цялата последователност от реакции на гликолиза се счита за почти идентична с процеса, който се осъществява в дрождеви клетки.

Аеробният метаболизъм означава използване на кислород

Очевидно, с появата на кислород в атмосферата, благодарение на фотосинтезата на растенията, благодарение на майката природа, се появи механизъм, който позволява пълното окисляване на глюкозата във вода и СО2. Такъв аеробен процес позволява чистия добив на АТР (от тридесет и осем молекули, базирани на всяка глюкозна молекула, само окислени).

Такъв процес на използване на кислород от клетките, за появата на съединения с енергия, днес е известен като аеробно, клетъчно дишане. Такова дишане се извършва чрез цитоплазмени ензими (за разлика от анаеробни), а окислителните процеси протичат в митохондриите.

Тук, пирувинова киселина, която е междинен продукт, след като се образува в анаеробна фаза, се окислява до състояние на СО2 поради шест последователни реакции, където във всяка реакция двойка от техните електрони се прехвърля към акцептора, общия коензим никотинамид аденин динуклеотид, съкратен като NAD. Тази последователност от реакции се нарича цикъл на трикарбоксилната киселина, както и цикъла на лимонената киселина или на цикъл на Кребс, което води до факта, че всяка молекула глюкоза образува две молекули пирувинова киселина. По време на тази реакция дванадесет двойки електрони се отдалечават от глюкозната молекула за по-нататъшното му окисляване.

В хода на енергийния източник говорят. липиди

Оказва се, че мастните киселини могат да действат и като източник на енергия, както и на въглехидрати. Окислението на мастни киселини се дължи на последователността на разцепване от мастната киселина (или по-скоро на нейната молекула) на двувъглеродния фрагмент с появата на ацетил коензим А (иначе ацетил-СоА) и прехвърлянето на две електронни двойки към самата верига на тяхното прехвърляне.

Така, полученият ацетил СоА е същият компонент на цикъла на трикарбоксилната киселина, чиято по-нататъшна съдба не се различава много от ацетил СоА, която се доставя чрез метаболизъм на въглехидрати. Това означава, че механизмите, които синтезират АТФ по време на окислението както на глюкозните метаболити, така и на мастните киселини, са почти идентични.

Ако енергията, постъпваща в тялото, се получава почти само поради един процес на окисление на мастни киселини (например, по време на гладно, със заболяване като диатеза на захарта и т.н.), тогава в този случай интензивността на ацетил-CoA ще надвиши интензивността на неговото окисление в цикъла на трикарбоксилни киселини. В този случай, ацетил СоА молекулите (които са излишни) ще започнат да реагират един с друг. Чрез този процес ще се появят ацетооцетни и b-хидроксимаслени киселини. Такова натрупване може да предизвика кетоза, това е един от видовете ацидоза, която може да причини тежък диабет и дори смърт.

Защо да запазваме енергия ?!

За да може някак си да придобие допълнителни енергийни запаси, например, за животни, които нередовно и не систематично се хранят с тях, просто е необходимо някак си да се натрупа необходимата енергия. Такива запаси от енергия се произвеждат от хранителни резерви, които включват всички същите мазнини и въглехидрати.

Оказва се мастните киселини могат да отидат в резервата под формата на неутрални мазнини, които се съдържат както в мастната тъкан, така и в черния дроб. А въглехидратите, когато се погълнат в големи количества в стомашно-чревния тракт, започват да се хидролизират до глюкоза и други захари, които, когато се отделят в черния дроб, се синтезират в глюкоза. И точно там, гигантският полимер започва да се синтезира от глюкоза чрез комбиниране на остатъци от глюкоза и също така чрез отделяне на водни молекули.

Понякога остатъчното количество глюкоза в молекулите на гликоген достига 30 000. И ако има нужда от енергия, тогава гликогенът започва да се разлага отново до глюкоза по време на химическа реакция, продуктът на последния е глюкозен фосфат. Този глюкозен фосфат е по пътя на процеса на гликолиза, който е част от пътя, отговорен за окислението на глюкозата. Глюкозният фосфат може също да претърпи хидролизна реакция в самия черен дроб, и образуваната по този начин глюкоза се доставя в клетките на тялото заедно с кръвта.

Как се синтезира въглехидратите в липидите?

Харесвате ли въглехидратни храни? Оказва се, че ако количеството на въглехидратите, получено от храната наведнъж, надвишава допустимата норма, в този случай въглехидратите се прехвърлят в „запас“ под формата на гликоген, т.е. излишната въглехидратна храна се превръща в мазнина. Първоначално ацетил СоА се образува от глюкоза и след това започва да се синтезира в цитоплазмата на клетката за дълговерижни мастни киселини.

Този процес на "трансформация" може да бъде описан като нормален окислителен процес на мастни клетки. След това мастните киселини започват да се отлагат под формата на триглицериди, т.е. неутрални мазнини, които се отлагат (предимно проблемни области), в различни части на тялото.

Ако тялото спешно се нуждае от енергия, тогава неутралните мазнини се подлагат на хидролиза и мастните киселини започват да се вливат в кръвта. Тук те са наситени с албумин и молекули глобулин, т.е. плазмени протеини, и след това започват да се абсорбират от други, много различни клетки. Животните нямат такъв механизъм, който може да извършва синтеза на глюкоза и мастни киселини, но растенията ги имат.

Синтез на азотни съединения

При животните аминокиселините се използват не само като протеинова биосинтеза, но и като изходен материал, готов за синтез на определени азотсъдържащи съединения. Аминокиселина като тирозин става предшественик на хормони като норепинефрин и адреналин. А глицеринът (най-простата аминокиселина) е изходният материал за биосинтеза на пурини, които са част от нуклеиновата киселина, както и порфирини и цитохроми.

Прекурсорът на пиримидините на нуклеиновите киселини е аспарагинова киселина, а метиониновата група започва да се предава по време на синтеза на креатин, саркозин и холин. Прекурсорът на никотиновата киселина е триптофан, а от валин (който се образува в растенията) може да се синтезира витамин като пантотенова киселина. И това са само някои примери за използването на синтеза на азотни съединения.

Как действа липидният метаболизъм

Обикновено липидите влизат в тялото като триглицериди на мастни киселини. Веднъж попаднали в червата под въздействието на ензими, произвеждани от панкреаса, те започват да се подлагат на хидролиза. Тук те отново се синтезират като неутрални мазнини, след което или влизат в черния дроб, или в кръвта, и могат също да бъдат депозирани като резерв в мастната тъкан.

Вече споменахме, че мастните киселини могат също да бъдат ре-синтезирани от предишни появяващи се прекурсори на въглехидрати. Трябва също да се отбележи, че въпреки факта, че в животинските клетки може да се наблюдава едновременното включване на една двойна връзка в молекули с дълговерижни мастни киселини. Тези клетки не могат да включват втората и дори третата двойна връзка.

И тъй като мастните киселини с три и две двойни връзки играят важна роля в метаболитните процеси на животните (включително хората), по същество те са важни хранителни вещества, може да се каже, витамини. Ето защо линоленовата (С18: 3) и линолеумната (С18: 2) се наричат ​​също есенциални мастни киселини. Установено е също, че в клетките в линоленова киселина може да бъде включена и двойната четвърта връзка. Поради удължаването на въглеродната верига може да се появи друг важен участник в метаболитните реакции на арахидоновата киселина (С20: 4).

По време на липидния синтез могат да се наблюдават остатъци от мастни киселини, които са свързани с коензим А. Благодарение на синтеза, тези остатъци се прехвърлят в глицерол фосфатен естер на глицерол и фосфорна киселина. В резултат на тази реакция се образува съединение на фосфатидна киселина, където едно от неговите съединения е глицерол, естерифициран с фосфорна киселина, а другите две са мастни киселини.

Когато се появят неутрални мазнини, фосфорната киселина ще бъде отстранена чрез хидролиза и на нейно място ще бъдат мастни киселини в резултат на химическа реакция с ацил-CoA. Самият коензим А може да се появи поради витамини от пантотенова киселина. Тази молекула съдържа сулфхидрилна група, която реагира на киселини с появата на тиоестери. На свой ред, фосфолипидната фосфатидна киселина реагира на азотни бази, като серин, холин и етаноламин.

Така, всички стероиди, открити в бозайници (с изключение на витамин D), могат да бъдат независимо синтезирани от самия организъм.

Как се случва метаболизма на протеините?

Доказано е, че протеините във всички живи клетки се състоят от двадесет и един вида аминокиселини, които са свързани в различни последователности. Тези аминокиселини се синтезират от организми. Такъв синтез обикновено води до появата на а-кето киселини. А именно, а-кето киселина или а-кетоглутарова киселина и участват в синтеза на азот.

Човешкото тяло, подобно на тялото на много животни, е успяло да запази способността да синтезира всички налични аминокиселини (с изключение на няколко незаменими аминокиселини), които задължително трябва да идват от храната.

Как се синтезира протеина

Този процес обикновено протича по следния начин. Всяка аминокиселина в цитоплазмата на клетката реагира с АТФ и след това се присъединява към крайната група на молекулата на рибонуклеиновата киселина, която е специфична за тази аминокиселина. След това сложната молекула е свързана с рибозомата, която се определя в позицията на по-разширена молекула рибонуклеинова киселина, която е свързана с рибозомата.

След като всички сложни молекули се подредят, има пролука между аминокиселината и рибонуклеиновата киселина, съседните аминокиселини започват да се синтезират и по този начин се получава протеин. Нормализацията на метаболизма настъпва благодарение на хармоничния синтез на протеин-въглехидратно-мастни метаболитни процеси.

И така, какъв е метаболизмът на органичната материя?

За по-добро разбиране и разбиране на метаболитните процеси, както и за възстановяване на здравето и подобряване на метаболизма, трябва да се придържате към следните препоръки относно нормализирането и възстановяването на метаболизма.

  • Важно е да се разбере, че метаболитните процеси не могат да бъдат обърнати. Разлагането на вещества никога не протича по обикновения път на циркулация на синтезиращите реакции. Други ензими, както и някои междинни продукти, са задължително включени в този разпад. Много често процесите, насочени в различни посоки, започват да текат в различни отделения на клетката. Например, мастни киселини могат да бъдат синтезирани в цитоплазмата на клетката, когато са изложени на определен набор от ензими, а окислителният процес в митохондриите може да се случи с напълно различен набор.
  • Наблюдава се достатъчен брой ензими в живите клетки на тялото, за да се ускори процесът на метаболитни реакции, но въпреки това метаболитните процеси не винаги протичат бързо, следователно, това показва съществуването на някои регулаторни механизми в нашите клетки, които засягат метаболитните процеси. Към днешна дата вече са открити някои видове такива механизми.
  • Един от факторите, влияещи върху намаляването на скоростта на метаболитните процеси на дадено вещество, е приемането на дадено вещество в самата клетка. Следователно, регулирането на метаболитните процеси може да бъде насочено към този фактор. Например, ако приемаме инсулин, чиято функция, както знаем, е свързана с улесняване на проникването на глюкоза във всички клетки. Скоростта на "трансформация" на глюкоза, в този случай, ще зависи от скоростта, с която е пристигнал. Ако разгледаме калция и желязото, когато влязат в кръвта от червата, тогава скоростта на метаболитни реакции, в този случай, ще зависи от много, включително регулаторни процеси.
  • За съжаление, не всички вещества могат да се движат свободно от едно отделение на клетка към друго. Съществува и предположението, че вътреклетъчният трансфер постоянно се следи от определени стероидни хормони.
  • Учените са идентифицирали два вида сервомеханизми, които са отговорни за метаболитните процеси за отрицателна обратна връзка.
  • Дори бактериите са отбелязани примери, доказващи наличието на всякакви последователни реакции. Например, биосинтезата на един от ензимите, инхибира аминокиселините, така необходими за получаване на тази аминокиселина.
  • Изследвайки отделни случаи на метаболитни реакции, беше установено, че ензимът, чиято биосинтеза е засегната, е отговорен за основния етап на метаболитния път, който е довел до синтеза на аминокиселини.
  • Важно е да се разбере, че малък брой строителни блокове участват в процесите на метаболитен и биосинтетичен, всеки от които започва да се използва за синтеза на много съединения. Такива съединения включват: ацетил коензим А, глицин, глицерофосфат, карбамил фосфат и други. От тези малки компоненти се изграждат сложни и разнообразни съединения, които могат да се наблюдават в живите организми.
  • Много рядко се срещат прости органични съединения, които пряко участват в метаболитните процеси. Такива съединения, за да покажат тяхната активност, ще трябва да се присъединят към произволен брой съединения, които активно участват в метаболитните процеси. Например, глюкозата може да започне окислителни процеси само след като е изложена на етерификация на фосфорната киселина, а за други последващи промени трябва да бъде естерифицирана с уридин дифосфат.
  • Ако разгледаме мастни киселини, те също не могат да участват в метаболитни промени, стига да образуват естери с коензим А. В същото време, всеки активатор става свързан с някой от нуклеотидите, които са част от рибонуклеинова киселина или са образувани от нещо витамин. Затова става ясно защо се нуждаем от витамини само в малки количества. Те се консумират от коензими, като всяка молекула коензим се използва няколко пъти през целия си живот, за разлика от хранителните вещества, чиито молекули се използват веднъж (например, глюкозни молекули).

И последното! В заключение на тази тема бих искал да кажа, че самият термин "метаболизъм" означава синтез на протеини, въглехидрати и мазнини в тялото, но сега той се използва като обозначение на няколко хиляди ензимни реакции, които могат да представляват огромна мрежа от взаимосвързани метаболитни пътища.,

Клетъчен метаболизъм. Енергиен метаболизъм и фотосинтеза. Матрични реакции на синтез.

Концепцията за метаболизма

Метаболизмът е съвкупност от всички химични реакции, които се срещат в живия организъм. Стойността на метаболизма се състои в създаването на необходимите за тялото вещества и осигуряването на енергия.

Има два компонента на метаболизма - катаболизъм и анаболизъм.

Компоненти на метаболизма

Процесите на метаболизма на пластмасите и енергията са неразривно свързани. Всички синтетични (анаболни) процеси се нуждаят от енергията, доставена по време на дисимилационни реакции. Самите реакции на разцепване (катаболизъм) протичат само с участието на ензими, синтезирани в процеса на асимилация.

Ролята на FTF в метаболизма

Енергията, отделена по време на разлагането на органични вещества, не се използва веднага от клетката, а се съхранява под формата на високоенергийни съединения, обикновено под формата на аденозин трифосфат (АТФ). По своята химическа природа АТР се отнася до мононуклеотиди.

АТФ (аденозин трифосфатна киселина) е мононуклеотид, състоящ се от аденин, рибоза и три остатъка от фосфорна киселина, които са свързани заедно чрез макроергични връзки.

В тези връзки съхраняваната енергия, която се освобождава при счупване:
АТР + Н2O → ADP + H3PO4 + Q1
ADP + H2О → AMP + Н3PO4 + Q2
AMF + H2О → Adenine + Ribose + Н3PO4 + Q3,
където АТР е аденозин трифосфат; ADP - аденозин дифосфорна киселина; AMP - аденозин монофосфорна киселина; Q1 = Q2 = 30.6 kJ; Q3 = 13,8 kJ.
Запасът от АТФ в клетката е ограничен и попълнен поради процеса на фосфорилиране. Фосфорилирането е добавянето на остатък от фосфорна киселина към ADP (ADP + F → ATP). Той се проявява с различна интензивност по време на дишане, ферментация и фотосинтеза. АТФ се актуализира изключително бързо (при хора продължителността на живота на една АТР молекула е по-малко от 1 минута).
Енергията, съхранявана в АТФ молекулите, се използва от организма при анаболни реакции (реакции на биосинтеза). АТФ молекулата е универсален пазител и носител на енергия за всички живи същества.

Обмен на енергия

Енергията, необходима за живота, повечето организми се получават в резултат на окисляване на органични вещества, т.е. в резултат на катаболични реакции. Най-важното съединение, действащо като гориво, е глюкозата.
Във връзка със свободния кислород организмите са разделени на три групи.

Класификация на организмите по отношение на свободния кислород

При задължителни аероби и факултативни анаероби в присъствието на кислород, катаболизмът протича в три етапа: подготвителен, без кислород и кислород. В резултат на това органичната материя се разпада на неорганични съединения. При задължителните анаероби и факултативни анаероби с недостиг на кислород, катаболизмът протича на два етапа: подготвителен и безкислороден. В резултат се образуват междинни органични съединения, все още богати на енергия.

Етапи на катаболизъм

1. Първият етап - подготвителен - се състои в ензимното разцепване на сложни органични съединения в по-прости. Протеините се разграждат до аминокиселини, мазнини до глицерол и мастни киселини, полизахариди до монозахариди, нуклеинови киселини до нуклеотиди. При многоклетъчните организми това се случва в стомашно-чревния тракт, в едноклетъчните организми - в лизозомите под действието на хидролитични ензими. Освободената енергия се разсейва под формата на топлина. Получените органични съединения се окисляват допълнително или се използват от клетката за синтезиране на техните собствени органични съединения.
2. Вторият етап - непълно окисление (без кислород) - е по-нататъшното разделяне на органични вещества, извършва се в цитоплазмата на клетката без участието на кислород. Основният източник на енергия в клетката е глюкозата. Аноксично, непълно окисление на глюкозата се нарича гликолиза. В резултат на гликолизата на една молекула глюкоза се образуват две молекули пирувинова киселина (PVC, пируват) СН.3COCOOH, АТР и вода, както и водородни атоми, които са свързани с NAD + молекулата носител и се съхраняват като NAD · H.
Формулата за тотална гликолиза е както следва:
C6Н12О6 + 2H3PO4 + 2ADF + 2 NAD + → 2С3Н4О3 + 2H2O + 2ATP + 2NAD · H.
След това, в отсъствието на кислород в околната среда, продуктите на гликолизата (PVK и NAD · H) или се преработват в етилов алкохол - алкохолна ферментация (в дрожди и растителни клетки с липса на кислород)
СН3COCOOH → CO2 + СН3DREAM
СН3DREAM + 2NAD · N → C2Н5HE + 2NAD +,
или в млечна киселина - млечна ферментация (в животински клетки с липса на кислород)
СН3COCOOH + 2NAD · N → C3Н6О3 + 2nad +.
В присъствието на кислород в околната среда, продуктите на гликолиза се подлагат на допълнително разделяне до крайните продукти.
3. Третият етап - пълно окисление (дишане) - е окислението на PVC до въглероден диоксид и вода, извършва се в митохондриите с задължителното участие на кислород.
Той се състои от три етапа:
А) образуване на ацетил коензим А;
Б) окисление на ацетил коензим А в цикъла на Кребс;
Б) окислително фосфорилиране в електронната транспортна верига.

А. На първия етап, PVC се прехвърля от цитоплазмата в митохондриите, където взаимодейства с ензимите на матрицата и образува 1) въглероден диоксид, който се отстранява от клетката; 2) водородни атоми, които се транспортират от носещи молекули до вътрешната мембрана на митохондриите; 3) ацетил коензим А (ацетил СоА).
Б. На втория етап ацетилкоензим А се окислява в цикъла на Кребс. Цикълът на Кребс (цикъл на трикарбоновата киселина, цикъл на лимонената киселина) е верига от последователни реакции, при които една молекула ацетил-CoA образува 1) две молекули въглероден диоксид, 2) молекула АТР и 3) четири двойки водородни атоми, прехвърлени в молекули превозвачи - NAD и FAD. По този начин, в резултат на гликолизата и на цикъла на Кребс, молекулата на глюкозата се разделя на СО2, и енергията, отделена по време на този процес, се изразходва за синтез на 4 АТР и се натрупва в 10 NAD · H и 4 FAD · H2.
Б. На третия етап, водородни атоми с NAD · H и FAD · H2 окислена от молекулен кислород О2 с образуването на вода. Един NAD · N е способен да образува 3 АТР и един FAD · H2–2 ATP. Така енергията, освободена в този случай, се съхранява под формата на още 34 АТР.
Този процес протича по следния начин. Водородните атоми се концентрират около външната страна на вътрешната мембрана на митохондриите. Те губят електрони, които се прехвърлят по веригата на носещите молекули (цитохроми) на електронната транспортна верига (ETC) до вътрешната страна на вътрешната мембрана, където се комбинират с кислородни молекули:
ох2 + e - → o2 -.
В резултат на активността на ензимите на веригата за пренос на електрони, вътрешната мембрана на митохондриите се зарежда отрицателно отвътре (поради2 - ), а отвън - положително (поради H +), така че между неговите повърхности се създава потенциална разлика. Във вътрешната мембрана на митохондриите са вградени молекули на ензима АТФ синтетаза, притежаващи йонни канали. Когато разликата в потенциала на мембраната достигне критично ниво, положително заредените H + частици с сила на електрическо поле пробиват АТФазния канал и веднъж на вътрешната повърхност на мембраната взаимодействат с кислорода, за да образуват вода:
1 / 2O2 - +2H + → H2О.
Енергията на водородните йони H +, транспортирани през йонния канал на вътрешната мембрана на митохондриите, се използва за фосфорилиране на ADP в ATP:
ADP + F → ATP.
Такова образуване на АТР в митохондриите с участието на кислород се нарича окислително фосфорилиране.
Общото уравнение за разделяне на глюкозата в процеса на клетъчно дишане:
C6Н12О6 + 6о2 + 38H3PO4 + 38ADF → 6CO2 + 44h2O + 38ATP.
По този начин, по време на гликолиза, се образуват 2 АТР молекули, по време на дишането на клетките, други 36 АТФ молекули, като цяло, с пълно окисление на глюкоза, 38 АТР молекули.

Пластмасов обмен

Пластичният обмен, или асимилация, е набор от реакции, които осигуряват синтеза на сложни органични съединения от по-прости (фотосинтеза, хемосинтеза, биосинтеза на протеини и др.).

Хетеротрофните организми изграждат собствена органична материя от органичните хранителни компоненти. Хетеротрофната асимилация се свежда до молекулярно пренареждане:
хранителни органични вещества (протеини, мазнини, въглехидрати) → прости органични молекули (аминокиселини, мастни киселини, монозахариди) → телесни макромолекули (протеини, мазнини, въглехидрати).
Автотрофните организми са способни напълно самостоятелно да синтезират органична материя от неорганични молекули, консумирани от външната среда. В процеса на фото- и хемосинтеза настъпва образуването на прости органични съединения, от които допълнително се синтезират макромолекули:
неорганични вещества (СО2, Н2О) → прости органични молекули (аминокиселини, мастни киселини, монозахариди) → телесни макромолекули (протеини, мазнини, въглехидрати).

фотосинтеза

Фотосинтезата - синтеза на органични съединения от неорганични поради енергията на светлината. Общото уравнение на фотосинтезата:

Фотосинтезата протича с участието на фотосинтетични пигменти, които имат уникалното свойство да преобразуват енергията на слънчевата светлина в енергията на химическа връзка под формата на АТФ. Фотосинтетичните пигменти са протеинови вещества. Най-важният пигмент е хлорофилът. При еукариотите фотосинтетичните пигменти са вградени във вътрешната мембрана на пластидите, в прокариотите - при инвагинацията на цитоплазмената мембрана.
Структурата на хлоропласта е много подобна на структурата на митохондриите. Вътрешната мембрана на тилакоид гран съдържа фотосинтетични пигменти, както и протеини от веригата за пренос на електрони и молекули на ензима АТФ-синтетаза.
Процесът на фотосинтеза се състои от две фази: светла и тъмна.
1. Светлинната фаза на фотосинтезата протича само в светлината в мембраната на тилакоидите.
Това включва абсорбция на хлорофил от кванти на светлината, образуване на АТР молекула и фотолиза на вода.
Под действието на квант светлина (hv), хлорофилът губи електрони, преминавайки в възбудено състояние:

Тези електрони се пренасят от носители към външната, т.е. повърхността на тилакоидната мембрана, която е обърната към матрицата, където се натрупва.
В същото време в тилакоидите се появява фотолиза на водата, т.е. нейното разлагане под действието на светлината:

Получените електрони се пренасят от носители в молекули на хлорофил и ги възстановяват. Молекулите на хлорофила се връщат в стабилно състояние.
Протоните на водорода, образувани по време на фотолизата на водата, се натрупват вътре в тилакоида, създавайки H + резервоар. В резултат на това вътрешната повърхност на тилакоидната мембрана е положително заредена (от Н +), а външната повърхност е отрицателна (чрез е -). С натрупването на противоположно заредени частици от двете страни на мембраната, потенциалната разлика се увеличава. Когато се достигне разлика в потенциала, силата на електрическото поле започва да избутва протоните през АТФ синтетазния канал. Енергията, отделена по време на този процес, се използва за фосфорилиране на ADP молекулите:
ADP + F → ATP.

Образуването на АТФ по време на фотосинтезата под действието на светлинната енергия се нарича фотофосфорилиране.
Водородните йони, които се появяват на външната повърхност на тилакоидната мембрана, се срещат там с електрони и образуват атомен водород, който се свързва с молекулата на NADP водородния носител (никотинамид аденин динуклеотид фосфат):
2H + + 4e - + NADF + → NADF · N2.
По този начин, по време на светлинната фаза на фотосинтеза, се случват три процеса: образуването на кислород, дължащо се на разлагането на водата, синтеза на АТФ и образуването на водородни атоми под формата на NADPH.2. Кислородът дифундира в атмосферата и АТР и NADF · H2 участват в процесите на тъмната фаза.
2. Тъмната фаза на фотосинтезата протича в матрицата на хлоропласта както в светлината, така и в тъмното и представлява серия от последователни трансформации на СО2, идващи от въздуха, в цикъла на Калвин. Извършват се реакциите на тъмната фаза, дължащи се на енергията на АТФ. В цикъла на Calvin CO2 се свързва с водород от NADPH2 с образуването на глюкоза.
В процеса на фотосинтеза, освен монозахариди (глюкоза и др.) Се синтезират мономери на други органични съединения - аминокиселини, глицерол и мастни киселини. Така, благодарение на фотосинтезата, растенията осигуряват себе си и целия живот на Земята с есенциални органични вещества и кислород.
Сравнителните характеристики на фотосинтезата и дишането на еукариотите са представени в таблицата.