Понятие о метаболизме, метаболических путях. Ферменты и метаболизм Понятие о регуляции метаболизма. Концентрация метаболитов - пределы изменений в норме и при патологии.

МЕТАБОЛИЗМ

Напомним, что вещества в организме последовательно превращаются сначала в один метаболит, из которого образуется другой, и т. д. Такие последовательнос­ти превращений называют метаболическими путями. Метаболизм — это совокуп­ность всех метаболических путей; она может быть представлена в форме карты метаболизма.

Катаболизм и анаболизм

В метаболизме выделяют два основных направления превращений веществ: ката­болизм и анаболизм. При катаболизме органические вещества распадают­ся в конечном счете до диоксида углерода и воды. Процесс катаболизма экзерго-нический. У взрослого человека при распаде веществ до конечных продуктов об­мена освобождается энергия в количестве 8000-12 000 кДж (2000-3000 ккал) в сутки. Эта энергия используется клетками организма для совершения разного рода работы, а также для поддержания температуры тела на постоянном уровне. Анаболизм — это превращение более простых веществ в более сложные, слу­жащие структурно-функциональными компонентами клетки, такие, как кофер-менты, гормоны, белки, нуклеиновые кислоты и др. Многие реакции анаболизма относятся к числу эндергонических; источником энергии для них служит процесс катаболизма. Кроме того, энергия катаболизма используется для обеспечения фун­кциональной активности клетки (двигательной, секреторной и др.).

Промежуточным звеном в превращениях энергии при катаболизме и анабо­лизме служит АТФ. Энергия окисления пищевых веществ обеспечивает синтез АТФ из АДФ и Н3Р04, а энергия гидролиза АТФ, в свою очередь, используется клеткой для совершения разного рода работы. Реакции фосфорилирования АДФ и последующего использования АТФ в качестве источника энергии образуют цик­лический процесс (цикл АДФ-АТФ).

В клетках организма происходит непрерывный распад ее структурно-функци­ональных компонентов, и за счет этого образуются аминокислоты, моносахари­ды, жирные кислоты, нуклеотиды и другие вещества. Они смешиваются с такими же веществами, образующимися из пищи, составляя общий фонд метаболитов организма. Этот фонд расходуется по двум направлениям: анаболическому (возоб­новление распавшихся структурно-функциональных компонентов) и катаболичес-кому В растущем организме скорость образования структурно-функциональных компонентов превышает скорость распада, и общая их масса увеличивается. У взрослого человека скорости этих процессов одинаковы.

Основные конечные продукты метаболизма у человека: углекислый газ, мочевина, вода. Другие продукты выделения

Плазма крови: конечные продукты обмена (шлаки)

Конечные продукты обмена (шлаки), которые не могут быть использованы, подлежат удалению из организма. Важнейшие из них - это двуокись углерода, мочевина, мочевая кислота, креатинин, билирубин и аммиак. Все эти вещества, кроме углекислого газа, содержат азот и выводятся почками. При нарушении функции почек уровень азотсодержащих продуктов обмена в крови увеличивается.

 

Умеренно активный человек, потребляющий в день около 300 г углевод ов, 100 г жир а и 100 г пищевого белка, должен за сутки выделять около 16,5 г азот а. 95% азота удаляется через почки и остальные 5% - в составе фекалий. Главный путь экскреции азота у человека - в составе мочевины, которая синтезируется в печени, затем поступает в кровь и экскретируется почками. У людей с режимом питания, характерным для западных стран, на долю мочевины приходится 80-90% экскретируемого азота.

 

Почки регулируют состав и объем плазмы, а тем самым - и всей внеклеточной жидкости. Кроме того, поскольку вода и многие растворенные вещества переходят через клеточные мембраны, от функции почек зависят также состав и объем внутриклеточной жидкости. Эндогенная вода образуется до 400мл в полной дыхательной цепи.

Методы изучения обмена веществ. Исследования на целых организмах, органах, срезах тканей Гомогенаты тканей, растворимые фракции гомогенатов, субклеточные структуры Выделение метаоолитов и ферментов и определение последовательности превращения веществ. Изотопные методы.

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ

Обмен веществ можно изучать на целом живом организме (эксперименты in vivo) или используя изолированные части организма — органы, клетки, субклеточные структуры (эксперименты in vitro, т. е. вне организма; буквально — «в стекле», в пробирке).

 

Исследования на целом организме

Классический пример исследований на целом организме, проведенных еще в на­чале прошлого века, составляют эксперименты Кноопа. Он изучал способ распа­да жирных кислот в организме. Для этого Кнооп скармливал собакам различные жирные кислоты с четным (I) и нечетным (II) числом атомов углерода, в которых один атом водорода в метильной группе был замещен на фенильный радикал С6Н5:

В первом случае с мочой собак всегда выводилась фенилуксусная кислота С6Н5—СН2—СООН, а во втором — бензойная кислота С6Н5—СООН. На осно­вании этих результатов Кнооп сделал вывод, что распад жирных кислот в орга­низме происходит путем последовательного отщепления двууглеродных фрагмен­тов, начиная с карбоксильного конца.

Позднее этот вывод был подтвержден другими методами.

По существу, в этих исследованиях Кнооп применил метод мечения молекул: он использовал в качестве метки фенильный радикал, не подвергающийся изме­нениям в организме. Начиная примерно с 40-х годов XX в. получило распростра­нение применение веществ, молекулы которых содержат радиоактивные или тя­желые изотопы элементов. Например, скармливая экспериментальным живот­ным разные соединения, содержащие радиоактивный углерод (14С), установили, что все атомы углерода в молекуле холестерина происходят из углеродных атомов ацетата. С помощью изо­топной метки изучают также время полужизни белков и других соединений, т. е. скорость обновления тканей.

В исследованиях на целых организмах изучают и потребности организма в пищевых веществах: если устранение из рациона какого-либо вещества приводит к нарушению роста и развития или физиологических функций организма, значит, это вещество является незаменимым пищевым фактором. Сходным образом оп­ределяются и необходимые количества пищевых веществ.

 

Исследования in vitro

В экспериментах in vitro объектами исследования являются изолированные части организма — отдельные органы, срезы тканей, субклеточные фракции, вплоть до очень простых биохимических систем, например таких, как система, содержащая индивидуальный фермент и его субстрат, или система из фермента, субстрата и аллостерического ингибитора. Разумеется, эти методы имеют ценность только как этап, необходимый для решения конечной цели — понимания функциониро­вания целого организма.

 

Изолированные органы. Если в артерию изолированного органа вводить раствор какого-либо вещества и анализировать вещества в жидкости, вытекающей из вены, то можно установить, каким превращениям подвергается это вещество в органе. Например, таким путем было найдено, что в печени за счет азота амино­кислот образуется мочевина. Сходные опыты можно проводить на органах без их выделения из организма (метод артериовенозной разницы): в этих случаях кровь для анализа отбирают с помощью канюль, вставленных в артерию и вену органа, или с помощью шприца. Таким путем, например, можно установить, что в крови, оттекающей от работающих мышц, увеличена концентрация молочной кислоты, а протекая через печень, кровь освобождается от молочной кислоты.

 

Срезы тканей. Срезы — это тонкие кусочки тканей, которые изготовляются с помощью микротома или просто бритвенного лезвия. Срезы инкубируют в ра­створе, содержащем питательные вещества (глюкозу или другие) и вещество, превращения которого в клетках данного типа хотят выяснить. После инкуба­ции анализируют продукты метаболизма исследуемого вещества в инкубацион­ной жидкости. Применение срезов ограничивается тем, что клеточные мембра­ны непроницаемы для многих веществ.

 

Гомогенаты тканей. Гомогенаты — это бесклеточные препараты. Их получа­ют путем разрушения клеточных мембран растиранием ткани с песком или в спе­циальных приборах — гомогенизаторах.

 

Фракционирование гомогенатов. Из гомогената можно выделить субклеточ­ные частицы, как надмолекулярные (клеточные органеллы), так и отдельные со­единения (ферменты и другие белки, нуклеиновые кислоты, метаболиты). Например, с помощью дифференциального центрифугирования можно получить фракции ядер, митохондрий, микросом (микросомы — это фрагменты эндоплазматического ретикулума). Эти органеллы различаются размерами и плот­ностью и поэтому осаждаются при разных скоростях центрифугирования. После осаждения микросом в надосадочной жидкости остаются растворимые компонен­ты клетки — растворимые белки, метаболиты. Каждую из этих фракций можно разными методами фракционировать дальше, выделяя составляющие их компо­ненты. Из выделенных компонентов можно реконструировать биохимические системы, например простую систему «фермент + субстрат», и такие сложные, как системы синтеза белков и нуклеиновых кислот.

 

Особенности изучения биохимии человека

В молекулярных процессах разных организмов, населяющих Землю, имеется да­леко идущее сходство. Такие фундаментальные процессы, как матричные биосин­тезы, механизмы трансформации энергии, основные пути метаболических пре­вращений веществ, примерно одинаковы у организмов — от бактерий до высших животных. Поэтому многие результаты исследований, проведенных с кишечной палочкой, оказываются применимыми и к человеку. Чем больше филогенетичес­кое родство видов, тем больше общего в их молекулярных процессах. Подавляю­щую часть знаний о биохимии человека получают таким путем: исходя из извест­ных биохимических процессов у других животных, строят гипотезу о наиболее вероятном варианте данного процесса в организме человека, а затем проверяют гипотезу прямыми исследованиями клеток и тканей человека. Такой подход по­зволяет проводить исследования на небольшом количестве биологического мате­риала, получаемого от человека. Чаще всего используют ткани, удаляемые при хирургических операциях, клетки крови (эритроциты и лейкоциты), а также клет­ки тканей человека, выращиваемые в культуре in vitro.

Изучение наследственных болезней человека, необходимое для разработки эффективных методов их лечения, одновременно дает много информации о био­химических процессах в организме человека. В частности, врожденный дефект фермента приводит к тому, что в организме накапливается его субстрат; при изу­чении таких нарушений обмена иногда открывают новые ферменты и реакции, количественно незначительные (поэтому они и не были замечены при изучении нормы), которые имеют, однако, витальное значение.

 

Биологические мембраны