Перетравлювання і всмоктування ліпідів

Ліпіди їжі в основному представлені тригліцеридами. Інші групи ліпідів —фосфо- та гліколіпіди, холестерин і холестериди —містяться у продуктах харчування в значно менших кількостях. Гідролітичне розщеплення ліпідів різних груп крім спільних ознак має ряд характерних особливостей, які визначаються їх складом.

Перетравлювання ліпідів, які потрапляють в організм з їжею, починається у шлунку, але тут розщеплюється незначна кількість ліпідів із-за відсутності необхідних умов. Незначна кількість ліпази, що міститься в шлунку дорослих людей, малоактивна, оскільки оптимальна активність цього ферменту виявляється при рН = 5,5,......, 7,5, а в шлунку реакція середовища кисла. Крім цього, ліпаза здатна розщеплювати лише емульговані жири, а фактори, що сприяють їх емульгації, у шлунку відсутні. Частковому гідролізу в шлунку піддаються лише емульговані жири молока. Важливу роль має цей

процес для немовлят, у яких рН шлункового соку становить близько 5, що сприяє перетравлюванню емульгованих жирів молока ліпазою, що міститься у їх шлунку.

Основні процеси розщеплення ліпідів проходять у верхніх відділах тонкої кишки. Серед них найважливіше значення мають три взаємозв'язані процеси —емульгування жирів, їх гідролітичне розщеплення і міцелоутворення. Всі ці процеси протікають у тонкій кишці завдяки наявності відповідних ферментів (ліпаз,.фосфоліпаз, естераз) та факторів, що сприяють емульгуванню і міцелоутворенню (жовчні кислоти, жирні кислоти, моиогліцериди, фосфоліпіди тощо).

Після надходження хімусу з шлунку % дванадцятипалу кишку під впливом вугільної кислоти, яка виділяється внаслідок нейтралізації соляної кислоти, що потрапила з шлунку, гідрокарбонатами панкреатичного соку, проходить активне перемішування харчової маси і часткове емульгування жирів. Цьому сприяють солі жирних кислот (мила), а також жовчні кислоти, які разом з жовчю виділяються у дванадцятипалу кишку.

Жовчні кислоти синтезуються у печінці із холестерину. Вони є похідними холанової кислоти:

Холанива кислота

У жовчі містяться в основному такі кислоти, як холева (3, 7, 12-тригідроксихоланова), дезоксихолева (3, 12-дигідроксихоланова) і хе-нодезоксихолева (3,7-дигідроксихоланова) (див. с 461).

Однак ці жовчні кислоти виділяються із жовчю в кишки не у вільному стані, а в кон'югованій формі, тобто у сполуках з гліцином і тау-рином. Це такі жовчні кислоти, як глікохолева, глікодезоксихолева, глікохенодезоксихолева, або таурохолева, тауродезоксихолева і тауро-хенодезоксихолева:

Сполуки жовчних кислот з гліцином або таурином інакше називають парними жовчними кислотами, оскільки вони складаються з двох компонентів. В організмі людини співвідношення гліцинових і тауринових кон'югатів становить 3:1. Загальна кількість жовчних кислот в організмі людини досягає 3—5 г, а синтезується їх щодобово 0,5—0,8 г.

Роль жовчних кислот у забезпеченні процесу травлення в топкій кишці досить різноманітна. Так, крім емульгування жирів вони беруть участь у процесах резорбції жирних кислот та інших компонентів

 

розщеплення ліпідів. Жовчні кислоти регулюють синтез холестерину в печінці, посилюють перистальтику кишок тощо.

Доведено, що в верхніх відділах тонкої кишки одночасно існує дві фази —масляна емульсія і міцелярний розчин* в утворенні яких вирішальна роль належить глікохолатам і таурохолатам натрію. Утворення цих фаз зумовлено властивостями солей жовчних кислот як аніонних детергентів, що містять неполярну гідрофобну (стероїдну) і полярну гідрофільну (гліцин, таурин) групи. Тому ці сполуки виявляють амфіпатичні властивості.

Гідрофобний кінець молекул солей жовчних кислот легко взаємодіє з жировою фазою, а гідрофільний «- полегшує контакт з водною фазою кишок. Тому під час формування жирової емульсії гідрофобні залишки солей жовчних кислот адсорбуються на поверхні жирових крапель, утворюючи плівку (інтерфазу) на межі поділу ліпіди — вода. Це запобігає злипанню жирових часточок і значно зменшує поверхневий натяг, що сприяє не лише емульгуванню ліпідів, а й стабілізації емульсії, що вже утворилась. Діаметр часточок жирової емульсії не перевищує 0,5 мкм, тому у вигляді емульсії жири здатні частково проникати навіть крізь стінки кишок у лімфатичну систему. На добре емульговані жири інтенсивно діють ліполітичні ферменти.

Розщеплення тригліцеридів. Ферментативний гідроліз цієї групи ліпідів проходить за участю ферментів панкреатичної ліпази і кишкової ліпази, яка виробляється в невеликій кількості клітинами кишок. Активність кишкової ліпази значно'нижча, ніж панкреатичної.

Під дією ліпаз тригл іцерйди розщеплюються в основному до мопо-гліцеридів і вільних жирних кислот. Гідроліз жирів відбувається ступінчасто.

На першій стадії від тригліцериду з а-положення відщеплюється
одна молекула жирної кислоти, при цьому^творюєр^я а, {5-дигліце-
рид: ^

На другій стадії відщеплюється друга молекула жирної кислоти, також з а-положення. При цьому утворюється Р-моногліцерид:

 

Деяка кількість Р-моногліцеридів може розщеплюватись до гліцерину і вільної жирної кислоти:

 

Розщеплення фосфоліпідів і стеридів. Процес відбувається за участю ферментів фосфоліпаз, які виділяються у складі панкреатичного соку. Існує кілька видів фосфоліпаз (А_ь А₂, С, D), кожна з яких здатна гідролізувати ревний складпоефірний зв'язок у молекулах гліцерофосфоліиідів.

Розщеплення фосфоліпідів можна показати на прикладі фосфати-дилхоліну (лецитину).

На першій стадії процесу від молекули лецитину з Р-положення відщеплюється молекула жирної кислоти за участю ферменту фосфолі-пази А₂. При цьому утворюється лізолецитин:

О

II СН₂— О— C-R

О

II СН-0-C-tf,

о II сн_а—о-с—я

снон

/О" _+/СН,

СН₂-О-Р$-0—СН,—СН,—N^-CH_S + Я_а-СООН.

^о \сн,

Лізолецитин

Лізолецитин та інші лізогліцерофосфоліпіди досить токсичні і можуть викликати руйнування клітинних мембран (лізис еритроцитів). У вільному стані ці сполуки у значній кількості містяться в отруті змій та скорпіонів, де фосфоліпаза А₂ виявляє високу активність.

В організмах людини і тварин лізолецитин та інші подібні сполуки дуже швидко руйнуються під впливом фосфоліпази Aj. За участю цього ферменту від молекули лізолецитину відщеплюється друга молекула жирної кислоти й утворюється а-гліцерофосфохолін:

О

II СН₂— О-С—Я

СНОН

CH₂-0-P^8lcH₂-CH₂-N^CH_s³ + H_aO ^Фол.пзза А_а _

^о \сн₃

Лізолецитин СН₂ОН

СНОН

_o--p/o-ch₂-ch₂-n^chJ + я/соон.

^О ' \(

а-Гл і церофосфохол і н

Від молекули а-гліцерофосфохоліну під дією ферменту фосфоліпази D відщеплюється молекула холіну і він перетворюється в а-гліце-рофосфат:

сн₂он

снон

_о-р/о1сн,_сн₂-^с5: ^{фосфоліпаза D} -»
^о N:Hs

а-Гліцерофосфохолін

/ОН +/СН,

_* CH₂-0-PfO -Ь HOCH₂-CH₂-Nf СН,

Он чсн3.

а-Гліцерофосфат Холін

Далі від се-гліцерофосфату при каталітичній дії фосфоліпази С відщеплюється фосфорна кислота та утворюється гліцерин:

СН₂ОН СН₂ОН

J,^,_т. г. *ч Фосфоліпаза С

Отже, кінцевим продуктом розщеплення лецитину є гліцерин, жирні кислоти, холін і фосфорна кислота.

Аналогічно розщеплюються інші гліцерофосфоліпіди.

У тонкій кишці піддаються розщепленню і сіерщш. — ефіри холестерину. Гідроліз їх проходить під впливом ферменту панкреатичного і кишкового соків — холестеринестерази. При цьому утворюються холестерин і вищі жирні кислоти:

СН., ОН₃

СН, І І

сн-сн,-сн,-сн,-сн-сн_а

Холестерин Жирна кисло

Всмоктування продуктів розщеплення жирів та ресинтез їх у стінках кишок. Внаслідок розщеплення ліпідів у кишках утворюються

вільні жирні кислоти, гліцерин, моногліцериди, фосфорна кислота, азотовмісні сполуки та деякі інші речовини. Всмоктування продуктів гідролізу жирів проходить у проксимальній^ частині тонкої кишки. Тут вільно всмоктуються жирні кислоти з коротким вуглецевим ланцюгом (<Qo) і гліцерин, які добре розчинні у воді. Дещо складніше \ проходить процес всмоктування жирних кислот, які мають довгий вуглецевий ланцюг, і моногліцеридів. Всмоктування цих сполук проходить за участю жовчних кислот і фосфоліпідів, з якими вони утворюють міцели (міцелярні розчини). Міцели побудовані так, що в середині їх, у гідрофобному ядрі, розміщені жирні кислоти, гліцериди, холестерин і деякі інші ліпіди, а зовнішньою гідрофільною оболонкою є жовчні кислоти і фосфоліпіди. Міцели майже в 100 разів менші, ніж краплі емульгованого жиру. Єдиної думки щодо механізму всмоктування міцел поки що немає. Деякі дослідники вважають, що міцели шляхом 'міцелярної дифузії, або піноцитозу, здатні цілими проникати в епітеліальні клітини ворсинок кишок, після чого у клітинах відбувається розкладання жирових міцел. За цих умов жовчні кислоти через кровоносну систему потрапляють у печінку, звідки разом з жовчю знову надходять у тонку кишку.

Інші дослідники допускають, що в епітеліальні клітини ворсинок
кишок всмоктуються не цілі міцели, а лише їх ліпідні компоненти.
Жовчні кислоти, які виконали свою функцію, залишаються у кишках
і далі з клубової кишки всмоктуються у кров, попадають у печінку
і виділяються з жовчю в кишки. Отже, в обох випадках має місце по
стійна циркуляція жовчних кислот між печінкою і кишками, щодо
бово вони здійснюють 5—б циклів. Щодо вемоктування інших сполук,
які утворюються при гідролізі ліпідів, можна зазначити, що фосфорна
кислота всмоктується стінками кишок в основному у вигляді солей
калію або натрію. Азотисті основи гліцерофосфолілідів — холін, ета-
ноламін та інші — всмоктуються в тонкій кишці у своїх активних
формах. \

В епітеліальних клітинах із продуктів всмоктування синтезуються (ресинтезуються) ліпіди, специфічні для даного організму. Однак цей -процес дещо обмежений. Свідченням цього є те, що при з'їданні тваринами значної кількості чужорідних жирів частина їх відкладається у жировому депо в незміненому вигляді. Вважають, що це депо є єдиною тканиною в організмі, де можуть відкладатися чужорідні жири.

ТРАНСПОРТНІ ФОРМИ ЛІПІДІВ

Ресинтезовані ліпіди (тригліцериди, гліцерофосфати тощо), холестерин, який всмоктався з порожнини кишок, і деякі продукти розщеплення жирів (жирні кислоти), які не були використані в ресинтезі, здатні сполучатися з білком і утворювати транспорті форми Ліпідів.

Серед них важливе значення мають хіломікрони, а- і р-ліпопротеїди та вільні жирні кислоти.

Хіломікрони. Хіломікрони мають форму крапель діаметром 100— 500 нм, які оточені тонким шаром білків і фосфоліпідів. Формування білкової мембрани хіломікронів відіграє важливу роль у стабілізації цих структур та виведенні їх з епітеліальних клітин. Сформовані хіломікрони переміщаються вздовж латеральної поверхні клітини і через базальну мембрану дифундують у міжклітинний простір (позаклітинну рідину). Звідси вони через грудні лімфатичні судини потрапляють у кров ворітної вени. Близько 75—80 % загальної кількості ліпідів потрапляє у кров у вигляді хіломікронів. Частина ліпідів, в основному фосфолініди, після ресинтезу потрапляє з міжклітинного простору безпосередньо в кров'яне русло і далі в печінку, де зазнають наступних перетворень.

Хіломікрони містять в середньому 1,5—2 % білка, 7—10 фосфоліпідів, 5—8 холестерину та його ефірів, 75—80 % гліцеридів. Після засвоєння поживних речовин їжі вміст хіломікронів у крові значно підвищується, внаслідок чого вона стає мутною (хілезною). Найбільша хілезність крові спостерігається через 3—4 год після споживання *ч'жі. Далі відбувається поступове звільнення крові від хіломікронів. У цьому процесі важливе значення має фермент ліпоПротеїдліпаза (просвітлюючий фактор). За його участю хіломікрони в крові розкладаються па дрібніші часточки.

важливу роль у звільненні крові від хіломікронів відіграють печінка і жирова тканина. Так, частина хіломікронів із плазми крові потрапляє в печінку. У клітинах печінки, а також на їх поверхні відбувається гідроліз тригліцеридів хіломікронів, що також призводить' до розкладання останніх. ІЦо стосується жирової тканини, то хіломікрони із-за великих розмірів не можуть проникати в середину її клітин. Тому тригліцериди хіломікронів гідролізуються на поверхні ендотелію капілярів жирової тканини. Частина продуктів гідролізу (жирні кислоти і гліцерин) потрапляє в середину клітин, а інша частина надходить у кров.

а-Ліпопротеїди —це комплекси білків з ліпідами —фосфоліпіда-ми, холестерином і гліцеридами. Найбільша кількість а-ліпопротеїдів міститься в фосфоліпідах. Тому вважають, що вони є основною транспортною формою фосфоліпідів.

(і-Ліпопротеїди — також комплекси білків з ліпідами, однак в них переважає холестерин. Отже, ці комплекси є основною транспортною формою вільного холестерину та його ефірів.

Вільні жирні кислоти циркулюють у крові також у сполуках з білками. Ці комплекси є найрухомішою транспортною формою ліпідів.

З током крові ліпіди у вигляді комплексів з білками надходять до органів і тканин організму, де одна частина їх відкладається в запас, а інша зазнає різних перетворень, залежно від умов і потреб організму.

ВНУТРІШНЬОКЛІТИННИЙ ОБМІН ЛІПІДІВ

Цей етап обміну ліпідів є найважливішою ланкою в ланцюгу численних перетворень їх в організмі. Саме на цьому етапі проходять катаболічні й анаболічні реакції, які забезпечують як асішілящю ліпідів у вигляді пластичного матеріалу, так і окислення їх до кінцевих продуктів. Під час окислення ліпідів вивільнюється значна кількість енергії, яка нагромаджується в макроергічних зв'язках АТФ. Внутрішньоклітинний метаболізм різних груп ліпідів крім спільних ознак має специфічні особливості.

ОБМІН ТРИГЛІЦЕРИДІВ

Розщеплення тригліцеридів. Одним з досить важливих етапів використання тригліцеридів у тканинах організму є розщеплення їх на складові частини — гліцерин і вищі жирні кислоти. Процес проходить за участю тканинних ліпаз. Перетворення гліцерину і жирних кислот протікає різними шляхами, що видно з наведеної схеми:

Окислення гліцерину. Як видно з наведеної схеми, гліцерин, незалежно від дальшого використання у тканинах організму, насамперед піддається реакції фос4юрилювання за участю АТФ при каталітичній

дії ферменту гліцераткінази:

Найінтенсивніше цей процес проходить у клітинах печінки. Далі утворений 3-фосфогліцерин окислюється в тканинах до 3-фосфодіоксіа-цетону. Реакцію каталізує фермент гліцерофосфатдегідрогеназа:

я

З-Фосфодіоксіацетон, що утворився, ізомеризується в 3-фосфоглі-цериновий альдегід, який далі вступає в процеси перетворення, властиві для вуглеводів.

Окислення насичених жирних кислот. Уперше припущення щодо механізму окислення жирних кислот висловив німецький дослідні к Кнооп у 1904 р. Пізніше він експериментально довів, що цей процес здійснюється поступовим відсіканням двовуглецевих фрагментів від вуглецевих ланцюгів жирних кислот з боку карбоксильної групи, внаслідок чого вищі жирні кислоти перетворюються на жирні кислоти з меншою кількістю вуглецевих атомів. Так, під час окислення жирних кислот, що входять до складу природних жирів і містять парну кількість вуглецевих атомів, кінцевими продуктами окислення є оцтова кислота та одна молекула чотирьохвуглецевої сполуки — масляної кислоти або її похідних (ацетооцтова або Р-оксимасляна кислота). Кінцевими продуктами окислення жирних кислот з непарною кількістю вуглецевих атомів є оцтова та одна молекула пропіонової кислоти.

Оскільки процес окислення жирних кислот розпочинається від вуглецевого атома, який знаходиться в [J-положенні й окислюгться в найбільшій мірі, він дістав назву ^-окислення.

На початку 50-х років нашого століття гіпотеза Кноопа була доповнена новими даними завдяки дослідженням Лінена, Гріна, Очоа та і^шіих учених. Так, було встановлено, що процес р-окислення жирних кислот здійснюється Лише після активації їх специфічними фер_:.

ментами, що містять у вигляді коферменту КоА—SH, який за участю сульфгідрильної групи утворює з жирними кислотами тіоефіри.

Процес^ р-окислення відбувається у мітохондріях клітин різних органів — печінки, нирок, серцевого м'яза, скелетних м'язів тощо. Він включає такі основні етапи: активацію жирних кислот за участю АТФ і утворення тіоефірів КоА; (5-окислення тіоефірів ацил-КоА, що утворились шляхом послідовного відщеплення атомів водню від алкіль-ного ланцюга і відсікання двовуглецевих фрагментів у вигляді ацетил-КоА; окислення молекул ацетил-КоА в циклі Кребса до С0₂ і Н_гО.

Активація жирних кислот є енергозалежиим процесом, що здійснюється за рахунок енергії АТФ. Спочатку за участю ферменту аденілаткінази і АТФ утворюється ациладеніЯат:

Далі ациладенілат взаємодіє з коензимом А. При цьому утворюється активна форма жирної кислоти — ацил-КоА.

Процес активації жирних кислот є ключовою реакцією, підготовкою жирних кислот до всіх наступних перетворень.

Процес утворення ацил-КоА в клітинах більшості тканин організму відбувається на зовнішній мембрані мітохондрій, а наступний процес Р-окислення ацил-КоА — в іитермітохондріальному просторі (матриксі). Важливу роль у проникненні ацил-КоА через мембранні системи відіграє азотиста основа — карнітин.

Експериментально встановлено, що стимулююча дія карнітину на транспорт ацил-КоА через мітохондріальні мембрани /виявляється при наявності специфічного ферменту — цитоплазматичної ацил-КоА — карнітин-О-ацилтрансферази. За участю цього ферменту розривається тіоефірний зв'язок в ацил-КоА і залишок жирноік^кислоти транслокується на гідроксильну групу карнітину:

Вважають, що при утворенні комплексу ацил-карнітин значно знижується кислотність і підвищується розчинність ацилів, що сприяє їх транспорту через мембранні системи.

Цей комплекс проникає крізь мембрани мітохонд^ій у матрикс. Далі під впливом ферменту — мітохопдріальної карнітин-ацил-КоА-траисферази — ацильний залишок переноситься від карнітину до внутрішньомітохондріального КоА— SH. Внаслідок реакції карнітин дифундує в цитоплазму, а мітохондріальний ацил-КоА, що утворився, піддається наступним перетворенням.

Р-Окислення ацил-КоЛ в мітохондріях розпочинається з дегідрування його в а- і р-положеннях за участю ФАД-залежного ферменту ацил-КоА-дегідрогенази. При цьому утворюється а, р-ненасичений ацил-КоА:

tf_CH₂-CJ4₂-CH₂-CO~S-KOA + ФАД Адил-КоА-Дегідрогеназа _>

^ а -*• /?-СН₂—СН=СН—CO~S—КоА -f ФАД • Н₂.

а. 0-Депдроацил-КоА

Прийнято вважати, що існує кілька видів ФАД-залежних ацил-КоА-дегідрогеназ, які відповідають ацил-похідним жирних кислот з різною довжиною вуглецевого ланцюга.

Далі а, р-дегідроацил-КоА, що утворився, піддається гідратації при каталітичній дії ферменту еноїл-КоА-гідратази:

На наступній стадії р-гідроксіацил-КоА, що утворився, окислюється за участю фермой гу р-оксіацил-КоА-дегідрогенази, коферментом якої є НАД+. Окислення проходить так, що два атоми водню відщеплюються від атома вуглецю, що знаходяться в Р-положенні. При цьому утворюється р-кетоацил-КоА:

Остання стадія циклу Р-окислення вищих жирних кислот полягає в розщепленні р-кетоацил-КоА за участю вільного КоА—SH на молекули ацетил-КоА і ацил-КоА, який має на два атоми вуглецю менше, ніж кислота, що зазнала окислення. Реакцію каталізує фермент Р-ке-тоацил-КоА-тіолаза:

Ацил-КоА, який утворився при цьому, знову вступає в цикл Р-окислення. Процес триває доти, поки вся жирна кислота не розщепиться на молекули ацетил-КоА. Наприклад, стеаринова кислота в результаті р-окислення розщеплюється на 9 молекул ацетил-КоА, пальмітинова — па 8 молекул і т. д. Основна кількість молекул ацетил-КоА, що утворились, вступає в цикл трикарбонових кислот, де залишок оцтової кислоти окислюється до С0₂ та Н^О і вивільнюється КоА—SH. Частина молекул ацетил-КоА використовується в біосинтезі холестерину, жирних кислот та багатьох інших сполук.

р-Окислепня є основним процесом перетворення вищих жирних кислот в організмах людини і тварин. Воно відбувається в мітохонд-ріях, де локалізовані необхідні ферменти, а також ферменти, що каталізують процес окислювального фосфорилювання, в зв'язку з чим Р-окислення жирних кислот є важливим джерелом енергії для організму. Так, під час розщеплення жирних кислот до ацетил-КоА вивільнюється ЗО % енергії, акумульованої в них, а 70 % енергії вивільнюється під час окислення ацетил-КоА до С0₂ і Н₂0 в циклі трикарбонових кислот.

Встановлено, що за один цикл Р-окислення синтезується 5 молекул АТФ: 3 молекули за рахунок окислення НАД • Н + Н+ і 2 молекули за рахунок ФАД. Отже, при повному розщепленні жирної кислоти, наприклад стеаринової, яка містить 18 атомів вуглецю, таких циклів буде 8, внаслідок чого утвориться 5 • 8 = 40 молекул АТФ. Крім того, при р-окислениі стеаринової кислоти утворюється також 9 молекул ацетил-КоА, кожна з яких внаслідок окислення в циклі Кребса зумовлює утворення 12 молекул АТФ, тобто всього утвориться 9 • 12 = 108 молекул АТФ. Отже, внаслідок розщеплення однієї молекули стеаринової кислоти до кінцевих продуктів—С0₂ і Н₂0 — всього утворюється 40 + 108 = 148 молекул АТФ.

Оскільки в тригліцеридах містяться три залишки жирних кислот, то під час розщеплення однієї молекули тристеарину утворюватиметься 148 • 3 = 444 молекули АТФ. Крім того, слід врахувати 19 моле- / кул АТФ, що утворюються під час окислення гліцерину. Тому загальний енергетичний ефект розщеплення однієї молекули тристеарину становитиме 444 + 19 = 463 молекули АТФ. Однак на початковій

стадії активації трьох молекул жирних кислот використовується З молекули АТФ, тому всього залишиться 463 — 3 =* 460 молекул АТФ, у макроергічних зв'язках яких зосереджено 460 • 42 = 19 320 кДж енергії.

Вище розглянуто процес окислення насичених жирних кислот з парним числом атомів вуглецю у молекулах. Відомо, що з продуктами харчування в організм потрапляють також жирні кислоти з непарним числом атомів вуглецю. їх окислення проходить аналогічно описаному вище процесу, відрізняються лише кінцеві продукти. Так, під час розщеплення жирних кислот з парною кількістю атомів вуглецю передостанньою сполукою є ацетоацетил-КоЛ, який далі розкладаєтеся на дві молекули ацетил-КоА, а під час розщеплення жирних кислот з непарною кількістю атомів вуглецю утворюється Р-кетова-лерил-КоА, який розкладається на ацетил-КоА і пропіоніл-КоА. Останній за участю біотинферменту перетворюється на метилмалоніл-КоА:

Метилмалоніл-КоА, що утворився, за участю ферменту метилма-лоніл-КоА-мутази ізомеризується в сукциніл-КоА. В ролі коферменту даного ферменту виступає похідне вітаміну В₁₂ (5-дезоксіаденозил-кобаламін):

Далі сукциніл-КоА вступає в цикл Кребса й окислюється до CO, і Н₂0.

Зардяки численним експериментальним дослідженням було встановлено, що крім р-окислення жирних кислот існує інший, другорядний шлях їх перетворення, який відбувається в цитоплазмі. Це, зокрема, процес а-окислення. Проміжними продуктами даного процесу є а-оксикислоти і а-кетокислоти, які далі перетворюються на жирні кислоти з непарною кількістю атомів вуглецю. В процесі а-окислення беруть участь пероксид водню і ферменти пероксидаза та альдегідде-гідоогеназа жирних кислот:

16 5-287

Альдегід жирної кислоти, що утворився, за участю НАД-залежної дегідрогенази окислюється до жирної кислоти, яка має на один атом

Bvr.fiPirjn мрніпр. ніж йиуіліія киглптя*

Далі процес повторюється. Отже, а-окислення жирних кислот є двостадійним процесом.

БІОСИНТЕЗ ЛІПІДІВ •

Біосинтез гліцерину. В організмах людини і тварин основним шляхом утворення гліцерину є відновлення діоксіацетонмонофосфату — проміжною продукту обміну вуглеводів за участю ферменту гліцеро-фосфатдегідрогенази:

Сн.он

С~0 + НАД • Н + Н+ Гл1_ВДрофосфтдегІдрогея_а»а ,

/ОН СН,—О-Р^О

Он

Діоксіацетонмонофосфат

СН₂ОН

-* СНОН + НАД+.

•в \он З-Фосфогліцерин З-Фосфогліцерин, що утворюється внаслідок цієї реакції, є активною формою гліцерину і може використовуватися для синтезу триглі-церидів і фосфоліпідів. Частина гліцерофосфату при каталітичній дії фосфатази може гід ролізуватися з утворенням гліцерину і фосфорної кислотні СН,ОН СН2ОН снон + нао фосфатаза > снон + н8ро4. /ОН ^І2ОН -CH2-0-Pf=0 \он З-Фосфо гліцерин Гліцерив

ЮН

н₂-о-р£=о

Утворення гліцерину в організмі проходить також при гідролітичному розщепленні тригліцеридів і фосфогліцеридів під впливом тканинних ліпаз.

Біосинтез жирних кислот. Цей процес, на відміну від р-окислення, проходить у розчинній частині цитоплазми за складним механізмом, який забезпечується рядом факторів і цитоплазматичних ферментних систем. Мітохондрії й ендоплазматичний ретикулум не беруть безпосередньої участі в цьому синтезі. Проте в них здійснюються процеси нарощування (подовження) вуглецевих ланцюгів жирних кислот, які містять від 12 до 16 атомів вуглецю.

Дослідженнями було встановлено, що в процесі синтезу жирних кислот важливу роль відіграють ацетил-КоА, малоніл-КоА, НАДФ- Н + Н+, іони гідрокарбонату натрію та двовалентних металів

Перший етап відновлення

4' -Фосфопантотеїновий бічний ланцюг АПБ Рис. 71. Схема дії синтетази жирних кислот (за Ф. Ліненом)

16*

(Mg²+), а також складний поліферментний комплекс синтетаза жирних кислот.

Відновлені форми НАДФ, які використовуються в синтезі жирних кислот, утворюються переважно в пентозофосфатному циклі та в циклі Кребса під час окислення ізолимонної кислоти. До складу ферментного комплексу синтетази жирних кислот входять сім специфічних ферментів, кожен з яких каталізує певний етап багатоступінчастого процесу біосинтезу.

Важливим компонентом поліферментного комплексу, який бере участь в усіх етапах синтезу, є низькомолекулярний білок, просте-тична група якого містить похідне вітаміну пантотенової кислоти — 4-фосфопантотеїн. За участю тіолової груяи цього білка здійснюється яеренесення ацильних залишків, тому він дістав назву ацил-неренос-ний білок (АІІБ—SH). Тіолова група, до якої приєднуються ефірним зв'язком ацильні проміжні продукти, належить 4-фосфопаитотеїну, що ковалентно зв'язаний з гідроксильною групою залишку серину ноліпептидпого ланцюга.

Функції АПБ аналогічні функціям, які виконує КоА під час {ї-окис-лення жирних кислот, а ацильними проміжними продуктами у цьому процесі є не тіоефіри КоА, а тіоефіри АПБ. Транспортна функція АІІБ регулюється за участю відповідних ферментів поліферментної системи, з якою він здатний утворювати різні комплекси (рис. 71).

.„■■Вихідною сполукою в синтезі жирних кислот є ацетил-КоА, значна кількість якого утворюється в мітохондріях при р-окисленні жирних кислот і при окислювальному декарбоксилюваииі піровиноградної кислоти. Однак відомо, що мітогондріальний ацетил-КоА у вільному стані не може проникати в цитоплазму, оскільки мембрана мітохондрії непроникна для цього субстрату.

Вважають, що перенесення його здійснюється за участю цитратсин-тетазної реакції, внаслідок чого залишок оцтової кислоти переноситься на щавлевооцтову кислоту з утворенням цитрату:

Далі цитрат, що утворився, переходить у цитоплазму, де під впливом ферменту АТФ-цитратліази розщеплюється на ацетил-КоА і ща-

влевооцтову кислотуз

У цьому процесі лимонна кислота виконує роль переносника ацетильного залишку. Є дані, що переносником ацетильного залишку з міто-хондрій у цитоплазму може бути також карнітин, однак цей процес має. другорядне значення.

Перенесений з мітохондрій ацетил-КоА є ініціатором пронесу біосинтезу жирних кислот і джерелом атомів вуглецю для подовження їх ланцюга.

На першій стадії синтезу жирних кислот синтезується малоніл-КоА з ацетил-КоА і С0₂- Каталізує цей процес ацетил-КоА-карбо- • ксилаза, що містить у вигляді коферменту біотин. Карбоксильна група біотину зв'язана пептидним зв'язком з є-аміногрупою залишку лізину ферментного білка. Біотин служить проміжним переносником молекул С0₂ в двохступінчастій реакції

X

00а * атф + не---------- сн " '

Н/" Ін-іСН^-СО- ЧН-фермені

Ця стадія є лімітуючою і визначає інтенсивність всього процесу синтезу жирних кислот.

На наступній стадії ацетил-КоА і малоніл-КоА взаємодіють з АПБ—SH за участю специфічних ферментів синтетазного комплексу — ацил- і малонілтрансацилази:

Далі під впливом конденсуючого ферменту синтетазного комплексу ацил-АПБ малоні л-АП Б-л і гази відбувається взаємодія малоніл-Б-АПБ з ацетил-Б-АПБ. За цих умов декарбоксилюється малонільний залишок і утворюється ацетоацетил-5-АПБ:

Ацетоацетил-5-АПБ, що утворився, відновлюється з утворенням р-гідроксибутирил-Б-АПБ. Реакцію каталізує НАДФ-залежний фермент р-кетоацил-АПБ^^д^кт;:

Під впливом ферменту еноїл-АПБгдегідратази синтетазного комплексу р-гідроксибутирил-Б-АПБ втрачає молекулу води (дегідрату-ється) і перетворюється на кротоніл-Б-АПБ:

На наступній стадії к ротон і л-S- АПБ за участю НАДФ-залежної кротоніл-АПБ-редуктази відновлюється до бутирил-Б-АПБ:

Н₈С—СН=СН—CO—S—АПБ + НАДФ • Н + Н+ -* Кротоніл-Б-АПБ

•+ Н,С-СН,-СН_а—CO^S-АПБ + НАДФ+. Бутирил-Б-АПБ

Бутирил-Б-АПБ є кінцевим продуктом, який завершує перший цикл синтезу жирних кислот. Кількість таких циклів залежить від довжини вуглецевого ланцюга жирних кислот, які синтезуються. Кожен з цих циклів розпочинається з приєднання молекули малоніл-S-АПБ до карбоксильного кінця ланцюга жирної кислоти, що росте. При цьому відщеплюються молекула АПБ—SH і вільна карбоксильна група малоніл-Б-АПБ у вигляді СО_а. Бутирил-Б-АПБ, що утворився у першому циклі, знову взаємодіє з малоніл-$-АПБ, внаслідок чого утворюється р-кетокапроніл-Б-АПБ:

Далі повторюється послідовність реакцій відновлення і гідратації, внаслідок яких вуглецевий ланцюг жирної кислоти подовжується ще на два атоми вуглецю. При синтезі пальмітинової кислоти таких циклів буде сім. Завершується синтез жирної кислоти гідролітичним відщепленням АПБ—SH від синтезованого ацил-Б-АПБ під впливом ферменту деацилази

Крім того, АПБ—S похідні жирних кислот здатні вступати у взаємодію з КоА—SH. При цьому утворюються активні форми відповідних жионих кислот аиил-КоА:

Утворені ацил-КоА можуть використовуватися у синтезі тригліцери-дів, фосфоліпідів та в деяких інших процесах.

При дослідженні взаємозв'язку між процесами синтезу і (3-окислен-ня жирних кислот було встановлено, що ці два процеси здійснюються за різними механізмами і в різних субцелюлярних структурах. Порівняно з р-окислениям біосинтез жирних кислот має ряд особливостей, які полягають насамперед у тому, що [^-окислення жирних кислот проходить у мітохондріях, а синтез — у розчинній фракції цитоплазми. Разом з цим в усіх стадіях синтезу жирних кислот бере участь АПБ—SH, а при ^-окисленні жирних кислот — КоА—SH.

Біосинтез тригліцеридів. Процес проходить у різних органах і тканинах організму при наявності двох вихідних сполук — активного гліцерину (сс-фосфогліцерину) та активних жирних кислот (ацил-КоА) і відповідних ферментних систем. Залежно від типу тканин організму біосинтез тригліцеридів може проходити двома шляхами — ф"°^сФ^атиА" ним і р-моногліцеридним.

Перший шлях характерний для більшості органів і тканин організмів людини і тварин. Він розпочинається з анулюванням вільних гідроксильних груп а-гліцерофосфату двома молекулами аиил-КоА, внаслідок чого утворюється фосфатидна кислота. Реакцію каталізує

фермент гліцерофосфатацилтрансфераза:

—--- о

/ОН _а-0-Р^О

\ОН СНг-О—Р^О

\он

а-Гліцерофосфат Ацил-КоА Фосфатидна кислота

У цій реакції здебільшого беруть участь насичені і иенасичені С_1$—С₁₈ похідні КоА.

У клітинах фосфатидна кислота міститься в мізерних кількостях Однак, незважаючи на це, вона є важливою проміжною сполукою що утворюється при синтезі як тригліцеридів, так і фосфоліпідів

На наступній стадії біосинтезу тригліцеридів фосфатидна кислота що утворилась, піддається гідролізу за участю ферменту а^^осфатид^ фосфогідролази. При цьому утворюється а, р-дигліцерид і виділяєть ~ся~ц5Ьсфорна кислота:

О О

Сн-о-с-я + н_ао — сн-о-с-д + н₈ро₄.
он ^сн*^он

Фосфатидна СН₂—О—Р^=0
кислота \ОН а, р-Ди гліцерид

Далі а, р-дигліцерид взаємодіє з іншою молекулою ацил-КоА з
утворенням тригл і церйду:

о о

|(II

СН₂—0-е— R СН₂— О—С— R

0 0 О

II II II

СН—0-С— R + R— C~S— КоА -+ СН— О— С— R + КоА— SH.

О

Описаний вище процес біосинтезу тригліцеридів називають фос-фатидним, оскільки проміжним продуктом є фосфатидна кислота.

Другий шлях біосинтезу тригліцеридів — моногліцеридний — характерний в основному для слизової оболонки кишок. Він здійснюється шляхом взаємодії р-моногліцериду з двома молекулами ацил-КоА. При цьому утворюється відповідний тригліцерид. Реакцію каталізує фермент дигліцерид-т/?анс-ацилаза!

О

II
сн₂он сн,-о-с-я

сн_а_о-с-я

р-Моногліцерид Тригліцерид

Біосинтез холестерину. Холестерин в організмах людини і тварин має двояке походження. Частина його надходить до організму через травний канал з продуктами харчування, а частина синтезується. Так, щоденно з їжею в організм надходить 0,2—1,2 г холестерину. Ще більша кількість його в організмі може синтезуватися — в організмі людини близько 1 г, причому ~80 % у печінці.

Шляхи ферментативного синтезу холестерину було вивчено експериментально з використанням ацетату, міченого по метильній і карбоксильній групах. Виявлено, що обидва атоми вуглецю ацетату включаються у молекулу холестерину. На основі цих даних було встановлено, то всі 27 атомів вуглецю холестерину надходять з ацетату, при-чсму 15 атомів вуглецю з метильної групи і \2 — з карбоксильної. Пізніше було виявлено, що мічений ацетат включається в ізопреновий вуглеводень — сквален, безпосереднім попередником якого є мевало-нова кислота. Так, поступово було з'ясовано послідовність реакцій синтезу холестерину: ацетат -»- мевалонова кислота -+- сквален -+■ ла-иостерин -*- холестерин. У загальному вигляді процес синтезу холестерину з ацетату можна подати так:

Джерелом ацетату для синтезу холестерину в організмі можуть бути оцтова кислота, ацетон, оцтовий альдегід, ацетооцтова кислота та інші сполуки, які утворюються під час метаболічних реакцій.

Першою стадією біосинтезу холестерину є утворення попередника мевалонової кислоти — Р-гідрокси-р-метилглутарил-КоА. Утворення його в організмі може здійснюватись двома шляхами — під час взає-

модії ацетил-КоА з ацето-ацетил-КоА, а також у результаті реакції між ацетил-КоА і малоніл-КоА. Каталізує дані реакції фермент,гідро-ксиметилглутарат-КоА-синтетаза. Досить інтенсивно цей процес проходить у печінці, корі надниркових залоз, дещо повільніше у м'язах і головному мозку:

Далі {3-гідрокси-р-метилглутарил-КоА, що утворився, за участю ферменту НАДФ+-залежної р-гідрокси-р-метилглутарил-КоА-редук-тази відновлюється до мевалонової кислоти:

Ця реакція необоротна і може проходити лише в напрямку утворення мевалонової кислоти, тому вона має важливе значення в регуляції біосинтезу холестерину.

На наступній стадії мевалонова кислота через ряд проміжних сполук перетворюється на фарнезилпірофосфат. Далі внаслідок дефосфо-рилювання і наступної конденсації двох молекул фарнезилпіро;! фату утворюється сквален — сполука, що має шість подвійних зв'язків. Потім сквален піддається циклізації з утворенням ланостеролу, який далі перетворюється на холестерин.

/ Біосинтез ефірів холестерину. Процес відбувається шляхом пере-іїесення залишку вищої жирної кислоти від ацил-КоА до гідроксильної групи холестерину (див. с 483).

Реакцію етерифікації холестерину каталізує фермент ацил-КоА: холестерин-О-ацилтрансфераза. Реакція практично необоротна, ос-

 

кільки внаслідок гідролізу ацил-КоА вивільнюється значна кількість енергії.

Біосинтез фосфоліпідів. Головна роль у біосинтезі фосфоліпідів належить фосфатидній кислоті і цитидиновим нуклеотидам. Спочатку фосфатидна кислота взаємодіє з цитидинтрифосфатом (ЦТФ) з утворенням цитидиндифосфат-дигліцериду (ЦДФ-дигліцериду).

На наступних стадіях синтезу певних фосфоліпідів цитидинмонв-фосфат у молекулі ЦДФ-дигліцериду може заміщуватись на серин, інозит або гліцерофосфат. При цьому утворюватимуться відповідне фосфатидилсерин, фосфатидилінозит або 3-фосфатидилгліцерол-1-фосфат (див. с 483, 484).

Важливе значення має утворення фосфатидилсерину, який може перетворюватись на фосфатидилетаноламін, а останній — у фосфати-дилхолін.

характеру трудової діяльності, температури навколишнього середовища, дієти та ін. Так, дітям на добу необхідно більше води, ніж дорослим, оскільки в них інтенсивніше відбувається обмін речовин. На добу в організм дітей повинно надходити близько 120мл на 1 кгмаси.

Організм людини і вищих тварин досить чутливий до нестачі води. Якщо без їжі, але при забезпеченні водою, людина може жиш ЗО і більше діб, то позбавлена води — гине через 10—12 діб. Втрата організмом 10—12 % води викликає значне порушення функцій нервовсї системи, обмінних процесів в організмі, втрату свідомості, а втрата 25 % води викликає незворотні зміни і може стати причиною смерті.

При значному зневодненні організму зменшується вміст не лише вільної, а й зв'язаної та внутрішньоклітинної води. При цьому порушуються процеси обміну в клітинах, що супроводжується дегідратацією тканинних колоїдів, зокрема білків, в результаті чого виникають глибокі порушення їхньої структури та біологічних функцій.

^v' Обмін води включає пронеси її надходження в організм, використання для різних потреб та виділения^Основна маса води надходить в організм з продуктами харчування рослинного і тваринного походження, а також з рідинами.*JB основному добова потреба людини в воді забезпечується за рахунок таких джерел: 1) продуктів харчування — 2000—2500 мл (овочів і фруктів — 700—900 мл; різних рідин— чай, компот, супи — 700—900 мл; твердих продуктів харчування — 650— 700 мл); 2) питної води — 700—800 мл. Всього за добу в організм лю-і надходить у середньому 3,5 л водиЦ

Зміна співвідношення між компонентами, за рахунок яких задовольняється добова потреба організму в воді, залежить від температури навколишнього середовища, пори року, виду організму та особливостей обміну. Так, людина і ссавці, як правило, не можуть задовольняти добову потребу в воді лише за рахунок продуктів харчування і потребують надходження питної води. Тварини, що харчуються соковитими кормами, можуть певний час обходитись без питної води. Дрібні гризуни — миші, хом'яки, ховрахи, які харчуються сухими продуктами, забезпечують потребу в воді за рахунок ендогенних резервів — води, що утворюється в процесі обміну.

Всмоктування води відбувається в основному в шлунку і товстій кишці. Вода, що потрапляє в кров, досить швидко розноситься до різних органів і тканий (печінки, м'язів, шкіри), внаслідок чого вміст води в крові підтримується на певному сталому рівні.

Виділення води з організму проходить через нирки, шкіру, кишки та легені. При цьому слід зазначити, що постійна втрата води внаслідок виділення її з організму повинна бути компенсована надходженням її в організм. В організмі, як правило^підтримується динамічна рівновага між кількістю води, що надходить в організм, та кількістю води, яка виділяється з організму J

шарах земної кори, впливають на хімічний склад живих організмів. В.І. Вернадський вважав, що в складі живих організмів можна виявити всі ті хімічні елементи, які є в земній корі. Дальший розвиток ідеї В. І. Вернадського розвинутий у працях А. П. Виноградова, який досліджував закономірності розподілу та нагромадження хімічних елементів у живих організмах. Ним було встановлено, що існує один і той самий закон розподілу хімічних елементів у літосфері і біосфері, і що хімічний склад живих організмів характеризує хімічний склад навколишнього середовища. А. П. Виноградов розробив вчення про біогеохімічні провінції, території яких відрізняються складом та кількісним вмістом хімічних елементів у навколишньому середовищі, що значною мірою впливає на вміст їх у живих організмах і визначає особливості обміну речовин. Ним було вивчено біогеохімічні провінції з високим та низьким вмістом того чи іншого елемента та досліджено характер порушення обміну речовин за цих умов. Нині в організмі людини виявлено понад 70 хімічних елементів, з яких 47 присутні постійно і відіграють важливу роль у забезпеченні процесів життєдіяльності. Ці елементи називаються біогенними.

І Ірипускають, що в живих організмах знаходяться всі відомі хімічні елементи і їх нукліди.

Маса живих організмів на 90 % складається з шести хімічних елементів: вуглецю, азоту, кисню, водню, сірки, фосфору. Враховуючи роль цих хімічних елементів у будові живого організму, їх назвали органогенними. Решта хімічних елементів складають лише 1 % маси живих організмів. За кількісним вмістом усі хімічні елементи, які входять до складу живих організмів, поділяють на макро-, мікро-та ультрамікроелементи. Вміст макроелементів в організмі знаходиться в межах 0,001 % (10~² /о). До них залежать такі хімічні елементи, як О, С, Н, Са, К, Na, S, P, Mg, Fe, СІ. Вміст мікроелементів у живих організмах становить від 10^_3 до 10 -• °о. До мікроелементів відносять Mn, Zn, Си, В, Mo, Co та ін. Елементи, вміст яких в організмі менше ніж 10^-12 %, називаються ультрамікроелементами — Hg, Au, Ag та in.

Існують і інші класифікації хімічних елементів. Так, А. П. Виноградов запропонував класифікацію хімічних елементів залежно від електронної будови атомів та положення в періодичній системі Д. І. Менделєєва. Він вважав, що кількісний хімічний елементний склад живого — це періодична функція атомного номера, тобто біологічна активність і кількісний вміст хімічних елементів у живих організмах знаходяться в безпосередньому зв'язку з будовою атомів.

Деякі дослідники пропонують поділяти всі хімічні елементи, які входять до складу живих організмів, на три групи:

І) незамінні для живих організмів (Fe, I, Cu, Zn, Mo, Mn, Co, Se, Sn);

2) частково необхідні (Ni, F, Br, V, Au та ін.);

3) елементи, біологічну роль яких не з'ясовано.

В. В. Ковальський запропонував класифікацію хімічних елементів залежно від значення їх для організму. Згідно з цією класифікацією всі хімічні елементи поділяють на три групи:

1) незамінні елементи, які постійно містяться в організмі і відіграють важливу роль в обмінних процесах (О, С, Н, N, Ca, P, S, CI, Na, К, Mg, Zn, Fe, Cu, I, Mn, Mo, Co, Se);

2) елементи, що містяться в організмі, проте біологічна роль їх вивчена недостатньо (Sr, Cd, Br, F, В, Si, Cr, Be, Ni, Li, Cs, Sn, Al, Ba, Rb, Ті, Ag, La, Ge, As, Hg, Pb, Bi, Sb, Th, Ra);

3) виявлені в живих організмах, однак біологічна роль їх не з'ясована (Sc, Nb, Те, La, Au, Nd, Sm).

A. I. Венчиков запропонував класифікацію хімічних елементів залежно від їхнього фізіологічного впливу на організм. За цією класифікацією всі хімічні елементи, що беруть участь в обмінних процесах організму, незалежно від їх кількісного вмісту, назвали біогенними. Біогенні елементи, залежно від функцій, поділяють на органогенні (входять до складу організмів і виконують пластичну роль), метаболічні (забезпечують умови для перебігу метаболічних процесів — Ca, K, Mg, СІ, Р) і каталітичні (забезпечують перебіг ферментативних процесів — Cu, Mn, Zn, Co, Ni, Cr, Sn). Недоліком даної класифікації є недостатньо з'ясована біологічна роль певних елементів (крім того, фізіоюгічна роль окремих хімічних елементів буває проміжна), внаслідок чого ускладнюється віднесення їх до тієї чи іншої групи.

Характерними особливостями біогенних елементів є: сталий вміст в організмі, порушення обміну речовин при їхньому надлишку чи нестачі, участь у забезпеченні процесів життєдіяльності, фізіологічний вплив на організм у значних кількостях.

Згідно з даними А. П. Виноградова, прямої залежності між кількісним вмістом хімічних елементів у навколишньому середовищі та в біосфері, незважаючи на їх досить близький якісний склад, не існує. Живі організми вибірково асимілюють з навколишнього середовища певні хімічні елементи. Вважають, що досить важливим критерієм, який відіграє вирішальну роль у виборі того чи іншого хімічного елемента живими організмами, є його доступність. Підтвердженням цього є те, що основну масу біосфери складають легко розчинні та газоподібні сполуки, вміст яких у земній корі незначний (вуглець, азот, фосфор, сірка). Елементи, для яких такі особливості не характерні, входять до складу живих організмів у незначних кількостях, незважаючи на високий вміст їх у земній корі. Так, у земній корі найпоширенішими елементами є кремній, алюміній, масова частка яких становить відповідно 27,6 і 8,5 %, а в організмі людини їх вміст 10^-5 %. Вміст йолу в земній корі 10⁵ т, тобто иа кожну людину припадає близько тисячі тонн, однак масова частка йоду в організмі лише ІО*⁴ %.

Існує певна залежність між вмістом хімічних елементів у біосфері та положенням їх у періодичній системі елементів Д. І. Менделєєва. При збільшенні молекулярної маси елементів у межах однієї підгрупи збільшується їх токсичність і зменшується вміст у живих організмах. Біогенні елементи, які становлять 99,5 % живого, мають багато властивостей, які визначають участь їх у будові живих систем: здатність до утворення кратних та макроергічних зв'язків, які є джерелом енергії для забезпечення процесів життєдіяльності; малий розмір молекул з мінімальними міжатомними відстанями; здатність до комплексоу-творення з органічними біолігандами, що сприяє засвоєнню їх живими організмами.

У тканинах і рідинах організму хімічні елементи можуть знаходитись у складі органічних і неорганічних сполук та в іонному вигляді. Більшість хімічних елементів у тканинах і рідинах організму утворює комплексні сполуки з біополімерами (білками, нуклеїновими кислотами), які виконують роль біолігандів. Особливістю біолігандів є наявність у складі їхніх молекул різних функціональних груп, здатних до утворення координаційних зв'язків з іонами металів. Найчастіше комплекси з біолігандами утворюють іони Fe²⁺ (залізопорфірини), Со²+ (вітамін В₁₂), Mg^J (магнійпорфірин). Важливу роль в організмі викопують також біокомплекси Си, Мп, Сг, А1 та ін.

У складі біокомплексів іони металів зв'язані з лігандами слабкими координаційними зв'язками, що легко руйнуються під дією різних факторів. Так, у складі біокомплексів іони одних металів можуть замінюватись іонами інших, які мають подібну електронну структуру і мають близькі комплексоутворюючі властивості. Такі хімічні елементи виявляють подібну біологічну дію і називаються синергічними (Мп і Mg, Ca і St).

Біологічна роль макро- і мікроелементів у живих організмах досить різноманітна. Вони є структурною та функціональною основою існування живих систем, забезпечують нормальний перебіг численних метаболічних процесів, підтримання показників гомеостазу організму — осмотичного тиску, кислотно-лужної рівноваги, стимулюють нормальне функціонування серцево-судинної, нервової і м'язової систем, кровотворення та енергетичні процеси.

Значний внесок у вивчення біологічної ролі хімічних елементів зроблено В. В. Ковальським. На основі наукових досліджень ним було створено геохімічну екологію — вчення про біохімічну і фізіологічну адаптацію організму до мікроелементного складу, характерного для регіону, в якому існує живий організм. В. В. Ковальський встановив, що в геохімічних провінціях, які відзначаються підвищеним чи зниженим вмістом певних біоелементів, розвиваються специфічні порушення обміну речовин, внаслідок чого виникають ендемічні захворювання (зоб, анемії).

З'ясування механізму впливу іонів металів на обмінні процеси в організмі дає підстави стверджувати, що він значною мірою зумовлений взаємозв'язком їх з ферментними системами організму. Вони можуть забезпечувати активність ферментів за участю кількох механізмів. По-перше, іони металів беруть участь у формуванні нативної структури ферментів. Так, відомо, що іони одновалентних металів забезпечують формування активних центрів багатьох ферментів, виділених з рослинних і тваринних організмів. Особливо важлива роль іонів металів у формуванні ферментів-мультимерів — забезпеченні контактів між окремими протомерами. В цих процесах важливе значення мають іони Mg², Zn-~, Mn²+, Са²⁺. Так, відомо, що іони Са-~ забезпечують формування третинної і четвертинної структур ферменту а-амілази. Іони металів можуть забезпечувати каталітичну активність ферментів, виступаючи в ролі кофакторів. При цьому вони можуть бути як у ролі простетичних груп, так і коферментів. Прикладом ферментів, у яких метал виконує роль простетичної групи, є цитохроми. Цито-хроми містять гемінове угруповання, до складу якого входять іони заліза. Дане угруповання зв'язане з білковою частиною за допомогою міцних ковалентних зв'язків.

У деяких випадках іони металів можуть забезпечувати каталітичну активність ферментів за рахунок участі їх у формуванні фермент-субстрати их комплексів, зв'язуючи або субстрат з ферментом, або кофактор з апоферментом. Досить часто в цій ролі виступають іони Fe²+, Мо²+, Cu²+, Zn²+. Велика кількість іонів металів є активаторами ферментів. Так, іони міді забезпечують активність аскор-батоксидази, поліфенолоксидаз, карбоксилаз, іони Со²^ і Zn²⁺ активують карбоксипептидази, фосфатази, карбоксилази, іони Мп²⁺ і Mg²+ — фосфоглюкомутази, аміноацил—тРНК-синтетази, аміноацил-тра нефе рази, гексокінази тощо.

Майже всі ферменти, які беруть участь у розщепленні та синтезі складних біополімерів клітин (білків, нуклеїнових кислот, вуглеводів, ліпідів), активуються іонами металів. Слід зазначити, що іони металів можуть виявляти як позитивний, так і негативний вплив на активність ферментів. Одні і ті самі іони металів можуть виконувати роль активаторів одних ферментів і інгібіторів каталітичної активності інших. Так, іони Са²+ і Ва²+ підвищують активність ферменту РНК-ази, а іони Си²+ — навпаки, гальмують його дію.

Іони Мо²+ активують ксантиноксидазу, а іони Си²⁺ — гальмують дію даного ферменту. Деякі іони металів виявляють синергічну дію і можуть заміщувати один одного в процесі біокаталізу. Так, іони Mg²+, які забезпечують перебіг гліколітичного розщеплення вуглеводів, можуть бути замінені іонами Мп²⁺. Більшість ферментативних реакцій циклу Кребса активується іонами Мп²+. Аналогічна дія характерна для іонів Со²+ і Zn²+. Дані іони позитивно діють на синтез

вуглеводів (процеси глюконеогенезу). Відома велика група ферментів, в яких метал утворює досить міцний зв'язок з апоферментом. Це так звані істинні металоферменти, наприклад ксантиндсгідрогеназа, тіола-за, оксидаза. Тісний взаємозв'язок мікроелементів з ферментними системами організму зумовлює вплив їх на різний обмін речовин в організмі.

Поряд з загальними закономірностями впливу мікро- і макроелементів на метаболічні процеси в організмі кожний з біоелементів виконує свою характерну лише для нього функцію.