voronina

і зливаються з нею, секретуючи їх вміст у позаклітинне середовище. Існує конститутивний і регульований екзоцитоз. Під час конститу- тивного шляху секреції речовини секретуються постійно клітинами, що їх виробляють (секреція фібронектину та колагену фібробласта- ми). Унаслідок регульованого шляху секреції певні білки й малі мо- лекули секретуються тільки після одержання клітиною відповідного сигналу ззовні (нервовий імпульс, вплив гормонів, медіаторів). Так, тучні клітини секретують гістамін у відповідь на зв'язування специ-

фічних лігандів з рецепторами на їх поверхні.

Міжклітинні взаємодії. Для того, щоб функціонувати як одне ці-

ле та координувати свою життєдіяльність, сусідні клітини однієї тка- нини повинні сполучатися одна з одною. Таке сполучення досягаєть- ся завдяки так званим щілинним контактам, які регулюють обмін іонів та молекул між клітинами. У місцях щілинних контактів утво- рюються пори, котрі з'єднують цитоплазму сусідніх клітин. Ці пори формуються із субодиниць, і відповідні структури називаються коне- ксонами. Конексони складаються із шести білкових субодиниць, які пронизують мембрану і зв'язані з конексонами сусідніх клітин так, що утворюється безперервний канал, з'єднуючий внутрішнє середо- вище двох клітин. Відкривання або закривання внутрішнього каналу відбувається внаслідок ковзання субодиниць відносно одна одної.

171

ГЛАВА 6. ОБМІН РЕЧОВИН І ЕНЕРГІЇ

Сутність життєдіяльності будь-якого організму становить постій- ний обмін речовин і енергії, із припиненням яких припиняється й жит- тя. Інакше кажучи, обмін речовин і енергії – неодмінна ознака життя.

Обмін речовин (або метаболізм) – це безперервний і саморегу- льований кругообіг речовин, який відбувається в процесі існування живих організмів і супроджується їхнім постійним самовідновленням. Це сукупність хімічних, фізико-хімічних, фізіологічних і біологічних процесів, спрямованих на самовідновлення живих організмів у тісно- му зв'язку з оточуючим середовищем. Вся сукупність реакцій, що про- тікають у живих організмах, складає зміст обміну речовин між органі- змом та зовнішнім середовищем. До цих реакцій відноситься засво- єння поживних речовин та кисню, які надходять із навколишнього се- редовища, аж до утворення кінцевих продуктів (CO2, вода, сечовина та ін.), що виділяються назовні. Живі організми здатні вбирати з навко- лишнього середовища й перетворювати енергію (енергетичний об- мін), яка потім витрачається на побудову й підтримку їхньої структур- ної організації (пластичний обмін).

Вивчення процесів обміну речовин показало дивовижне узго- дження хімічних реакцій у просторі й у часі. Хімічні реакції в організ- мах проходять у певній послідовності і тісно пов'язані між собою. Процеси обміну речовин знаходяться під регулюючим впливом центральної нервової й ендокринної систем. Обмін речовин здійсню- ється за допомогою біокаталізаторів – ферментів, що обумовлюють закономірний перебіг хімічних процесів в організмах. Виключення будь-якого з ферментів призводить до порушення нормального ходу обміну речовин, тобто до певної патології.

В обміні речовин прийнято виділяти два протилежні, але взає- мопов’язані процеси: катаболізм і анаболізм. Та частина загально- го обміну речовин, яка супроводжується поглинанням, нагрома- дженням і перетворенням організмом речовин навколишнього се- редовища в речовини власного організму називається анаболізмом (асиміляцією). При цьому завжди відбувається поглинання енергії.

Ту частину загального обміну речовин, яка супроводжується руйнуванням компонентів живого організму й виведенням продуктів їхнього розпаду з організму, називають катаболізмом або дисиміля- цією. При цьому виділяється енергія, значна кількість якої викорис- товується для процесів анаболізму, підтримання постійної темпера- тури тіла, механічної роботи тощо.

У ході катаболічних і анаболічних процесів відбувається онов- лення клітин та їх молекулярних компонентів. Так, еритроцити по- вністю оновлюють свій склад за 3–4 місяці. Хоча в результаті онов- лення різноманітні речовини, які входять до складу організму, весь час замінюються на нові, загальний склад дорослого організму про- тягом невеликих проміжків часу майже не змінюється. Живий орга- нізм являє собою стаціонарну систему, до того ж відкриту, оскільки він знаходиться в постійному обміні з навколишнім середовищем.

172

Обмін речовин як основний процес життєдіяльності можна роз- ділити на три етапи. Перший – ентеральний обмін (травлення) – це механічна й хімічна переробка складових частин їжі в органах трав- лення і всмоктування.

Другий – проміжний або внутрішньоклітинний обмін, який включає процеси розпаду й синтезу речовин тканин організму. Він супроводжується утворенням великої кількості проміжних, а надалі й кінцевих продуктів обміну. Проміжний обмін характеризується сту- пінчатістю процесів. При цьому високомолекулярні й низькомолеку- лярні сполуки, перед тим, як перетворитися на кінцеві продукти об- міну (CO2, H2O, сечовина та ін.), проходять ряд проміжних стадій, у яких реакції розпаду чергуються із процесами синтезу.

Третій етап – це виділення кінцевих продуктів обміну з організму із сечею, калом, повітрям, що видихається і т.ін.

У процесі обміну речовин в організмі утворюються речовини, які називаються метаболітами. Це, наприклад, амінокислоти, жирні та ароматичні кислоти, пуринові й піримідинові основи, моносаха- риди, аміни, гормони та інші властиві організму сполуки. До мета- болітів слід віднести також і речовини, які не синтезуються в органі- змі, а надходять до організму ззовні, наприклад, вітаміни та інші природні сполуки, необхідні для організму.

Слід зазначити самостійність шляхів катаболізму й анаболізму, яка забезпечується так званою компартменталізацією (від англ. compartment – відділок, відсік): біосинтетичні реакції й відповідні реак- ції розпаду часто локалізовані в різних ділянках або відсіках клітини. Наприклад, у клітині одночасно може відбуватися окислення жирних кислот з довгим вуглеводневим ланцюгом до стадії оцтової кислоти у вигляді ацетил-КоА, і протилежно спрямований процес– синтез жир- них кислот зацетил-КоА. Ці хімічно несумісні процеси у клітині можли- ві тому, що вони просторово розділені й відбуваються в різних її части- нах: окисленняжирних кислот– у мітохондріях, а синтез– у цитозолі.

Енергетика обміну речовин

Обмін речовин організмів нерозривно пов'язаний з обміном і перетворенням енергії, тобто обмін речовин неможливий без супут- нього обміну енергії. Різноманітні сторони прояву життя вимагають витрат енергії, організм потребує надходження енергії ззовні. Обмін енергії включає процеси вивільнення, трансформації, накопичення й використання енергії, що утворюється під час розпаду поживних ре- човин в організмі. Кожна органічна речовина, яка входить до складу живої матерії, має певний запас потенційної енергії, за рахунок якої може бути здійснена робота.

Розділ біохімії, який займається вивченням перетворення й ви- користання енергії в живих клітинах, має назву «біоенергетика». Енергія відома нам у різних формах: електричній, механічній, тепло- вій, хімічній, осмотичній, світловій та ін. Перетворення енергії в жи- вій клітині підпорядковується тим же законам термодинаміки, котрі діють у неживій природі. Існує два основні закони термодинаміки.

173

Згідно з першим законом різні види енергії можуть перетворю- ватися один в одний, але загальна кількість енергії у Всесвіті зали- шається сталою. Кількість загальної енергії в будь-якій системі може збільшуватися або зменшуватися за рахунок енергії оточуючого се- редовища. Перший закон – це закон збереження енергії. Його можна сформулювати й так: енергія не виникає й не зникає, вона може пере- ходити тільки в інші форми. Кожного разу, коли енергія використову- ється для виконання роботи або ж переходить з однієї форми в іншу, загальна кількість енергії залишається незмінною.

Згідно із другим законом енергія може існувати у двох фор- мах: у формі вільній чи корисній і у формі некорисній (розсіюва- ній), яка не використовується. За цим законом при будь-якому фі- зичному чи хімічному явищі спостерігається тенденція до змен- шення вільної енергії, до її розсіювання і збільшення ентропії.

Будь-яка обмежена система може перебувати по відношенню до оточуючого середовища в трьох різних станах: 1) відкрита система, якщо в ній відбувається обмін речовин і енергії із середовищем; 2) закрита система, де обмін речовин із середовищем відсутній, але присутній обмін теплової енергії; 3) ізольована система, коли із се- редовищем немає обміну ні речовиною, ні енергією. Останні дві сис- теми називаються також замкнутими.

В основі всіх процесів життєдіяльності лежить постійний обмін речовин і енергії між організмом і оточуючим середовищем, тому всі живі організми належать до відкритих систем.

Співвідношення між кількістю енергії, яка надходить із їжею, і кількістю енергії, що виділяється в зовнішнє середовище, являє со- бою енергетичний баланс організму. Вивчення цього балансу має важливе теоретичне і практичне значення. Кількісне вивчення енер- гетичного балансу надає матеріал для розрахунків харчових раціонів.

Для подальшого вивчення розділу необхідно згадати поняття ко- рисної енергії. Існують дварізновиди корисної енергії: вільна й теплова.

Вільна енергія. Найважливішим показником енергетичного ефек- ту– коефіцієнтом корисної дії реакції– є зміна величини вільної енергії. Кількість енергії, яка за певної температури й тиску може бути пере- творена на роботу, має назву вільної енергії. Зміни вільної енергії по- значають так: ∆F. Кількісне значення ∆F виражають у кілокалоріях, або кДж на 1 моль речовини. Величина ∆F – це різниця між кількістю зага- льної вільної енергії на початку реакції та її кількістю в момент досяг- нення рівноваги. Хімічні реакції звичайно перебігають або з виділен- ням енергії, або з її поглинанням. Якщо реакція йде з виділенням енер- гії, то вона супроводжується втратою чи зменшенням вільної енергії; такі реакції називають екзергонічними (екзотермічними). Реакція цього типу має негативне значення ∆F (-∆F) і може здійснюватися самовіль- но. До такого типу реакцій, наприклад, належать реакції гідролізу. Роз- пад складних речовин на простіші, як правило, супроводжується змен- шенням вільної енергії. Реакції, які йдуть з поглинанням енергії, нази- вають ендергонічними (ендотермічними). Вони супроводжуються збі- льшенням вільної енергії й мають позитивне значення ∆F (+∆F). Енде-

174

ргонічні реакції можуть існувати тільки в поєднанні з екзергонічними реакціями, тобто збільшення вільної енергії можливе лише за рахунок інших спряжених реакцій, що відбуваються зі зменшенням вільної енер- гії. Основні процеси, пов'язані з життєдіяльністю організму, більшість із різновидів клітинної роботи, реакції синтезу є ендергонічними, поєдна- ними з екзергонічними. Ендергонічні реакції в біологічних системах здійснюються за участю ферментів. Клітини одержують вільну енергію за рахунок вивільнення енергії хімічних зв'язків, зосередженої в біологі- чному «паливі» (вуглеводах, ліпідах, білках та ін.). Однак клітини вико- ристовують цюенергію специфічно.

Теплова енергія здатна здійснювати роботу тільки при зміні тем- ператури й тиску (їх перепаді). Тепло не є для клітин суттєвим дже- релом енергії, оскільки тепло здатне здійснювати роботу лише в тому випадку, якщо воно переходить від більш нагрітого тіла до менш нагрі- того. Цілком очевидно, що клітина не може спалювати своє «паливо» за температури згоряння вугілля (900°). Клітині доводиться добува- ти й використовувати енергію в умовах водного середовища, досить сталої й притому низької температури і дуже незначного коливання концентрації водневих іонів (pH). У таких умовах теплова енергія не може використовуватися для здійснення будь-якої роботи і є необхід- ною переважно для підтримання постійної температури організму.

Таким чином, корисною енергією для клітин є вільна енергія.

Особливості енергетики обміну речовини

Енергетика процесів біологічного обміну речовин ґрунтується на трьох головних принципах, які відрізняють їх від енергетичних реакцій, що здійснюються в неживій природі.

Першою, вельми важливою стороною енергетики обміну речовин у біологічних системах є перетворення хімічної енергії в інші форми без попереднього перетворення її в теплову енергію. Виходячи з цьо- го, живу систему розглядають як хемодинамічний, а не як тепловий двигун. Протягом мільйонів років еволюції клітини навчилися вико- ристовувати енергію економніше й ефективніше, ніж використовує її більшість машин, створених людиною. Наприклад, ККД звичайного двигуна – 20–25%, реактивного – до 45%, а мітохондрій – силових ста- нцій організму – 60–70%.

Другою особливістю біоенергетики є те, що вивільнення енер- гії під час хімічних і окислювальних процесів відбувається поступо- во, малими порціями, у довгому ланцюзі послідовних процесів, по- ки всі атоми водню й вуглецю не перетворяться на кінцеві продук- ти окислення – воду й вуглекислий газ. Наприклад, у результаті окислення 1 моля глюкози виділяється 2881,2 кДж енергії. Якби ця енергія виділилася одразу, то стався б вибух і, очевидно, жива сис- тема була б не в змозі використати всю енергію, що виділилася протягом такого короткого проміжку часу.

Третя особливість полягає в тому, що потенційна хімічна енер- гія, замкнута в хімічних зв'язках молекул вуглеводів, ліпідів, білків та інших органічних сполук і звільнювана при їх розпаді, може накопи- чуватися в інших речовинах, які є своєрідними біологічними акуму-

175

ляторами енергії. Вони одержали назву високоенергетичних або ма- кроергічних сполук і мають у своїх формулах знак (символ) ~ (тиль- да). Цим знаком позначають зв'язок, гідроліз якого супроводжується вивільненням значної кількості вільної енергії. Ця енергія надалі ви- користовується в різноманітних процесах життєдіяльності.

Основу енергетики складає енергетика елементарних одиниць– атомів і молекул. При розгляді енергетичного стану атома важливо враховувати взаємодію ядра й електрону, який обертається навколо нього. Позитивний заряд ядра з певною силою притягує негативно за- ряджений електрон. У свою чергу кінетична енергія електрона (чи його рух) дозволяє йому продовжувати політ на певній орбіталі навколо яд- ра. Надавши електрону додаткову кількість енергії, стає можливим пе- ревести його на більшу відстань, де сила притягання ядра слабко впли- ває на електрон. При поверненні електрона на вихідну орбіталь ми зно- ву одержимо витрачену енергію, яка виділиться у вигляді тепла, світло- вої чи іншої променевої енергії. Однак на зворотному шляху електрон може змінити ядро-хазяїн, особливо якщо в сусіднього ядра є вільне мі- сце на відповідній орбіталі. Коли довжина шляху повернення переви- щить шлях віддалення від ядра, певна кількість енергії виділиться воточуюче середовище. Більше того, переважну частину природних ре- човин можна підрозділити на дві групи: до однієї належать речовини, схильні електрони віддавати (донори електронів), а до іншої– такі, що схильні електрони приймати (акцептори електронів). При зближенні молекул з такими різними властивостями електрони прагнуть перейти від донорів до акцепторів. Тому умовно прийнято говорити, що в моле- кулі донора електрон знаходиться на більш високому енергетичному рі- вні відносно молекули акцептора, до складу якої він прагне перейти. Урезультатітакихпереходівенергіявиділяєтьсявоточуючесередовище.

Отже, основним носієм енергії є електрон (е–). Отримавши певну кількість енергії, він переходить на більш високий енергетичний рівень, тобто збуджується. Здійснюючи зворотнийперехідна нижчу електронну орбіталь, він вивільняє таку ж кількість енергії. Якщо ця енергія витра- чається для виконання будь-якої роботи, то вона, як уже зазначалося, називається вільною. Невикористана на роботу енергія переходить утепло івважається витраченою. Сказане стосується йживої природи.

Первинним джерелом енергії для всіх організмів на Землі є со- нячне випромінювання (електромагнітна енергія у вигляді фотонів або квантів), яке виникає внаслідок реакцій ядерного синтезу. Всю різноманітність живих організмів, що живуть на земній поверхні, можна розділити на дві основні групи, які відрізняються викорис- танням первинних джерел енергії: аутотрофи та гетеротрофи. Ау- тотрофи – це передусім зелені рослини, деякі водорості та інші ор- ганізми, що містять хлорофіл. Вони здатні безпосередньо викорис- товувати променеву енергію Сонця в процесі фотосинтезу, утворю- ючи органічні сполуки (вуглеводи, амінокислоти, жирні кислоти, лі- піди, білки тощо) з неорганічних речовин: вуглекислоти, азоту, фос- фору, сірки та інших мінеральних елементів. Інакше кажучи, проме- нева енергія перетворюється цими рослинами на потенційну енер- гію хімічних зв'язків вуглеводів, ліпідів, білків та ін.

176

Енергія сонячного світла передається у вигляді фотонів або кван- тів. У клітинах аутотрофів сонячне світло з певною довжиною хвиль по- глинається хлорофілом. Поглинута енергія переводить електрони ускладній молекулі хлорофілу з основного енергетичного рівня на більш високий рівень. Подібно «збуджені» електрони прагнуть знову повернутися на свій основний стабільний енергетичний рівень, віддаю- чи при цьому поглинуту ними енергію. Електрони відриваються від молекул хлорофілу й переносяться молекулами-переносниками елект- ронів, передаючи їх один одному по замкнутому ланцюгу реакцій. Про- ходячи цей шлях поза молекулою хлорофілу, збуджені електрони посту- пово віддають свою енергію й повертаються на свої колишні місця в молекулі хлорофілу, яка після цього стає готовою до поглинання друго- го фотона. Тим часом енергія, віддана електронами, використовується на утворення аденозинтрифосфату з аденозиндифосфату й фосфату, тобто на «зарядження» аденозинфосфатної системи фотосинтезу клі- тини. Кінцевий продукт фотосинтезу– глюкоза– має досить значну кі- лькість сонячної енергії, яка міститься в її молекулярній конфігурації. З вуглеводів клітини зелених рослин та інших організмів утворюються органічні молекули, які входять до складу цих клітин (амінокислоти, жирні кислоти, білки, ліпіди та інші різноманітні органічні молекули).

Гетеротрофи – це живі організми, не здатні до фотосинтезу. Во- ни одержують уже готові органічні речовини, використовуючи їх як джерело енергії або пластичний матеріал для побудови свого орга- нізму. До них належать організми людини і тварин. Гетеротрофи одержують енергію внаслідок згоряння або окислення вуглеводів, ліпідів, білків та інших органічних сполук у процесі, який називається клітинним диханням і в якому бере участь молекулярний кисень ат- мосфери. Енергія, яка вивільнилась при переході електронів на більш низьку енергетичну орбіталь, частково витрачається на тепло для підтримки температури тіла. Інша її частина переводиться в енергію хімічних зв'язків, головним чином фосфатного, з утворен- ням насамперед аденозинтрифосфату (АТФ), який являє собою най- важливішу легкодоступну форму енергії в організмі.

Врешті-решт усі живі організми одержують енергію від соняч- ного світла, причому рослинні клітини одержують її безпосередньо від сонця, а тварини – непрямим шляхом:

Основні високоенергетичні (макроергічні) сполуки. Провідна роль АТФ у біоенергетиці

У людини і тварин головними макроергічними сполуками є фос- фор- та сірковмісні сполуки. Це значною мірою зумовлено особливос- тями структури атомів фосфору й сірки. В обох цих елементів зовнішній енергетичний рівень знаходиться відносно далеко від ядра атома, тому електрони, які знаходяться на ньому, порівняно слабко зв'язані з ядром. Саме тому вони можуть легше приєднуватися або відщеплюватися від атома, у зв'язку з чим змінюється й енергетичний стан атомів фосфору

177

та сірки. Завдяки цьому органічні сполуки, до складу яких входить фос- форабосірка, упевнихумовахможутьпоглинатиабовіддаватиенергію.

Макроергічні сполуки фосфатних похідних у живих організмах можна розділити на декілька типів.

Ангідриди фосфорної кислоти. З них найважливішою є АТФ:

АТФ є похідною аденілової кислоти, до фосфатного залишку якої приєднані ще дві молекули неорганічного фосфату у вигляді пірофос- фату. У молекулі АТФ наявні два макроергічні зв'язки, а в молекулі АДФ – тільки один. Внаслідок синтезу АТФ шляхом окислювального фосфорилювання (див. нижче) до АДФ додається ще один зв'язок, тобто енергія окислення субстрату трансформується в енергію піро- фосфатних зв'язків у молекулі АТФ. Встановлено, що в живому орга- нізмі більшість процесів, які супроводжуються вивільненням вільної енергії, пов’язані здебільшого з одним і тим же процесом, а саме – із синтезом АТФ. З іншого боку, відомо й те, що процеси, які протікають зі зростанням вільної енергії (синтетичні, виконання певного виду ро- боти та ін.) пов’язані із процесом розщеплення АТФ. За цими даними АТФ являє собою поєднувальну ланку між енергопостачальними та енергопоглинаючими процесами в організмі.

178

Енергія, яка вивільняється при реакціях гідролізу різних речо- вин, як правило, невелика. Якщо вона перевищує 30 кДж/моль, то зв'язок, який гідролізується, називається високоенергетичним. Енер- гія гідролізу АТФ, залежно від локалізації в клітині, може змінюва- тися в межах від 40 до 60 кДж/моль, у середньому її прийнято вважа- ти рівною 50 кДж/моль.

АТФ не має якогось надлишкового запасу енергії, яка готова виді- лятися подібно вибуху. Величина останнього макроергічного зв'язку становить близько 33,0–42,0 кДж/моль (10–12 ккал/моль). АТФ є голо- вною поєднувальною ланкою між клітинними реакціями, які відбува- ються з виділенням і поглинанням енергії. Вона є термодинамічно не- стійкою молекулою й, гідролізуючись, утворює АДФ або АМФ і залиш- ки фосфатів. При цьому виділяється вільна енергія. Саме ця нестійкість молекули АТФ дозволяє їй виконувати функцію переносника хімічної енергії. Для утворення АТФ необхідні АДФ, неорганічний фосфат, пев- на кількістьенергії ∆F і наявність ферменту АТФ-синтетази:

АДФ + H3РO4 + ∆F АТФ + H2O

У ході цієї реакції енергія запасається в АТФ і в подальшому ви- користовується на різні види роботи. Реакція оборотна. У зворотному напрямку фермент працює як АТФаза, тобто розщеплює АТФ. В сут- ності, вільний неорганічний фосфат під час розкладу АТФ утворюєть- ся рідко. Звичайно він не залишається у вільному стані, а приєднується до іншої органічної сполуки, передаючи енергію. Цей тип реакції міжмолекулярного переносу називається трансфосфорилюванням.

Отже, у термодинаміці клітини АТФ можна розглядати як бага- ту на енергію або «заряджену» форму носія енергії, а АДФ – як бідну на енергію або «розряджену» форму.

АТФ забезпечує енергією практично всі процеси життєдіяльнос- ті в організмі:

Таким чином, енергія поживних речовин у клітині трансформу- ється спочатку в хімічну енергію АТФ, а потім AТФ служить безпо- середнім джерелом енергії для здійснення різного роду роботи в біохімічних і фізіологічних процесах. Звідси – вміст АТФ у клітинах має першорядне значення з точки зору енергетичного режиму.

179

Головний шлях синтезу АТФ – це біологічне окислення, спряжене із процесом фосфорилювання, який відбувається в мітохондріях.

До сполук, які містять макроергічний зв’язок, окрім АТФ нале- жать ГТФ, ЦТФ, УТФ, ТТФ.

Інший шлях синтезу АТФ з АДФ– субстратне фосфорилювання

(перефосфорилювання). Субстратне фосфорилювання локалізоване в цитоплазмі і зрештою енергія разом з активним залишком фосфату передається на АДФ з утворенням АТФ. У процесі субстратного фос- форилювання використовуються високоенергетичні сполуки: 2-фос- фоенолпіровиноградна кислота, 1,3-дифосфогліцеринова кислота і креатинфосфат.

Тіоефірні похідні. Крім фосфатних похідних, які мають макроергі- чні зв'язки, існують також тіоефірні сполуки, що утворюються в про- цесі активації молекул різних кислот, у тому числі й оцтової кислоти, за участю коферменту ацетилювання, що позначається КоА~SH (КоА – кофермент ацетилювання, а SH – функціональна група). Акти- вна форма оцтової кислоти має такий вигляд:

180