Обмін речовин (метаболізм)— сукупність біохімічних реакцій перетворення хімічних сполук (метаболітів), що відбуваються в живих організмах. Постійний обмін речовинами та енергією з навколишнім середовищем є головною ознакою живої клітини, що визначає її термодинамічно стаціонарний стан та протидіє зростанню ентропії в будь-якій біологічній системі.
Обмін речовин в організмі людини та вищих тварин характеризується з декількома послідовними стадіями:
— надходження біоорганічних речовин (поживних сполук) — білків, ліпідів, вуглеводів, вітамінів, мінеральних елементів, води до організму в складі продуктів харчування;
— перетворення поживних сполук (білків, полісахаридів, жирів) у травному каналі до простих сполук (амінокислот, моносахаридів, жирних кислот, гліцерину);
— біотранспорт молекул — продуктів травлення поживних речовин кров’ю та лімфою, надходження їх через мембрани судин та клітинні мембрани до певних органів і тканин;
— внутрішньоклітинний метаболізм біомолекул в органах і тканинах (проміжний обмін);
— виділення (екскреція) з організму кінцевих продуктів обміну речовин (діоксиду вуглецю, аміаку, сечовини, води, продуктів кон’югації деяких органічних молекул та продуктів їх окиснення).
Реакції внутрішньоклітинного метаболізму включають у себе такі біохімічні перетворення:
а) розщеплення біоорганічних молекул (глюкози, жирних кислот, амінокислот, гліцерину) до кінцевих продуктів проміжного обміну (діоксиду вуглецю, води, аміаку) з вивільненням хімічної енергії та акумуляцією її у формі аденозинтрифосфорної кислоти (аденозинтрифосфату, АТФ), інших макроергічних фосфатів або протонного потенціалу, що забезпечує енергетичні потреби основних процесів життєдіяльності. Сукупність процесів розщеплення біомолекул з вивільненням енергії отримала назву катаболізму;
б) синтез специфічних, генетично притаманних даному організмові біомолекул (білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів, ліпідів, біорегуляторів тощо), що необхідні для утворення власних клітинних та позаклітинних біоструктур. Ці процеси отримали назву анаболізму та потребують використання енергії у формі АТФ.
в) використання енергії (у формі АТФ або протонного потенціалу) для забезпечення таких процесів клітинної фізіології, як функціонування скоротливих структур (м’язове скорочення, діяльність елементів цитоскелета, війок і джгутиків тощо), екзо- та ендоцитоз, генерація мембранного потенціалу, активний транспорт метаболітів та неорганічних іонів.
При катаболізмі різних складних біомолекул в організмі шляхом ферментативних гідролітичних реакцій розщеплення виділяють три основних стадії:
На першій стадії катаболізму складні молекули (макромолекули вуглеводів, білків, нуклеїнових кислот та молекули ліпідів) розщеплюються до простих компонентів:
На другій стадії катаболізму декілька десятків метаболітів, що утворились на першій стадії, підлягають ферментативним реакціям розщеплення з вивільненням певної кількості хімічної енергії, яка акумулюється у високоенергетичних (макроергічних) зв’язках АТФ.
— для моносахаридів — гліколіз, кінцевим метаболітом якого є піровиноградна кислота (піруват), що в подальшому окиснюється до активної форми оцтової кислоти — ацетил-коензиму А (ацетил-КоА); для жирних кислот — β-окиснення, кінцевим продуктом якого є ацетил-КоА;
— для гліцеролу — розщеплення до пірувату, який перетворюється в ацетил-КоА;
— для амінокислот та нуклеотидів — дезамінування з виділенням аміаку та розщепленням безазотистих молекулярних скелетів до дво- і тривуглецевих карбонових кислот та їх похідних; більшість із цих метаболітів у кінцевому підсумку також утворюють ацетильний радикал у формі ацетил-КоА.
Таким чином, ацетил-КоА – це загальний кінцевий продукт другої стадії внутрішньоклітинного катаболізму вуглеводів, ліпідів та амінокислот.
На третій стадії катаболізму відбувається окиснення ацетил-КоА до кінцевих метаболітів — двоокису вуглецю та води. Ця стадія має місце в мітохондріях і складається з двох процесів:
—циклу трикарбонових кислот (ЦТК, циклу Кребса), в результаті функціонування якого утворюється СО2, а атоми водню використовуються для відновлення коферментів нікотинамідаденіндинуклеотиду (НАД+) та флавінаденінди-нуклеотиду (ФАД);
— системи електронного транспорту в мембранах мітохондрій, що спряжена з окисним фосфорилюванням, в результаті якого енергія реакцій біологічного окиснення використовується для синтезу молекул АТФ, а атоми водню (протони та електрони) переносяться на кисень з утворенням Н2О.
Основні шляхи внутрішньоклітинного катаболізму глюкози настуні:
— аеробне окиснення, в результаті якого глюкоза розщеплюється до двоокису вуглецю та води;
— гліколітичний шлях розщеплення (гліколіз), в результаті якого глюкоза утворює проміжні продукти катаболізму (піровиноградну або молочну кислоту).
Метаболічна карта загальних шляхів та стадій катаболізму подана на рис. 1.
Рис. 1. Схема загальних шляхів катаболізму біомолекул
Література
1. Губський Ю.І. Біологічна хімія: Підручник. – Київ-Тернопіль: Укрмедкнига, 2000. – 508 с.
2. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии. Учеб. для хим. и биол. спец.-4-е изд.- М.: Агар, 1999.- 512 с.
3. Ленинджер А. Основы биохимии. В 3-х томах. — М.: Мир, 1985.
4. Кнорре Д.Г. Мызина С.Д. Биологическая химия. Учеб. для вузов. М.: Высш. шк., 1998.- 479 с.
5. Биологическая химия. Практикум / Под ред. Ю.В. Хмелевского). – К.: Вища шк., 1985.- 207 с.
6. Чиркин А.А. Практикум по биохимии: Учеб. пособие / Под ред. А.А. Чиркина. Мн.: Новое знание, 2002. 512 с.
7. Практикум з біологічної хімії / Д.П. Бойків, О.Л. Іванків, Л.І. Кобилінська та ін. /За ред. О.Я. Склярова. – К.: Здоров’я, 2002.- 298 с.
8. Біохімія: Підручник / М.Є. Кучеренко, Ю.Д. Бабенюк та ін. –К.: Либідь, 1995, 1996.- 464 с.
9. Березов И.В., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. Учебник. — М.: Высш. шк., 1998. – 750 с.
10. Біологічна хімія: Тести та ситуаційні задачі: Навч. посіб. /Д.П. Бойків, Т.І. Бондарчук та ін.; За ред. О.Я. Склярова. – Львів: Світ, 2006. – 272 с.