14

ЗАТТАР ЖӘНЕ ЭНЕРГИЯ АЛМАСУЫ.

Заттар алмасуы – бұл ағзаның тіршілігі үшін қажетті заттар мен энергия алмасуын қамтамасыз ететін ағзадағы химиялық реакциялардың жиыны. Заттар алмасуын келесі 3 этапқа бөледі: 1 - ағзаға заттардың түсуі; 2 - аралық алмасу немесе метаболизм; 3 - соңғы өнімдердің шығарылуы.

Ағзаға заттардың түсуі тыныс алу (оттегі), қоректену және асқорыту нәтижелерінде өтеді. Тағам құрамында түскен белоктар, майлар, көмірсулар асқорыту жолы ферменттерінің әсерінен қанға оңай сіңірілетін қарапайым құрам бөліктеріне (аминоқышқылдар, май қышқылдары және моносахаридтер) ыдырайды.

Тағам құрамында түсетін қосылыстар метаболизмнің субстраттары деп аталады.

Метаболизм (зат алмасуы) – бұл химиялық реакциялардың жиыны болып табылады. Метаболизм қарама қарсы бағыттағы екі фазадан катаболизм және анаболизмнен тұрады.

Катаболизм – бұл күрделі заттардың қарапайым құрам бөліктеріне ыдарауы процесі. Катаболизм процесінде күрделі органикалық молекулалар соңғы өнімдер СО₂, Н₂О және мочевинаға дейін ыдырайды. Катаболизм реакциялары энергия бөлініп жүретін болғандықтан экзергоникалық болады.

Анаболизм қарапайым заттардан күрделі қосылыстардың синтезделуі процесі. Анаболизм реакциялары энергия қабылдау арқылы жүретіндіктен эндергоникалық болады.

Амфиболизм – бұл катаболизм мен анаболизмнің аралығындағы фаза. Ол бір заттың ыдырауында басқа заттың синтезделуі қосарланып жүретін процесс.

Метаболиттік цикл – бұл осы метаболиттік жолдағы соңғы өнімдердің бірінің осы процеске бастапқы қосылыс ретінде қосылуы.

Метаболиттік жол - бұл ағзадағы белгілі бір заттың химиялық реакцияларының кезектескен реті мен сипаттамасы. Метаболизм процессінде түзілген аралық өнімдер метаболиттер деп аталады, ал метаболиттік жолдағы соңғы қосылыс – соңғы өнім деп аталады.

Метаболизмнің интенсивтілігі жасушаның қандай да бір затқа немесе энергияға қажеттілігімен айқындалады және келесі төрт жолмен реттеледі:

1) Белгілі бір метаболиттік жолдың реакцияларының қосынды жылдамдығы бұл жолдағы әрбір ферменттің концентрациясына, ортаның рН-мәніне, бұл жолдағы аралық өнімдердің жасушаішілік концентрациясына, кофактор және кофермент концентрацияларына тәуелді;

2) Метаболиттік жолдың бастапқы және соңғы этаптарын катализдейтін реттеуші (аллостерлік) ферменттердің активтілігіне байланысты;

3) Қандай да бір реакцияға қатысушы ферменттің синтезделу жылдамдығын айқындаушы генетикалық бақылау бойынша;

4) Гормондық реттелу. Кейбір гормондар метаболиттік жолдың ферменттерін активтендіруге немесе ингибирлеуге қабілетті.

Энергия алмасуында маңызды рольді АТФ  АДФ + Фк циклі атқарады. АТФ молекуласында үш макроэргиялық байланыс болады. АТФ-тің АДФ пен Н₃РО₄-ке гидролиттік ыдырауында макроэргиялық байланыстан 7,3 ккал /моль энергия бөлінеді. Ағзада энергия АТФ күйінде аккумуляцияланады және оның АДФ пен фосфор қышқылынан түзілуінде соншалықты энергия (7,3 ккал /моль) қабылданады. АТФ молекуласының макроэргиялық байланыстарына қажетті энергия катаболизм процесінде бөлінеді. Ағзада АТФ энергиясы келесі 5 жұмысқа жұмсалады: 1. механикалық жұмыс; 2. тасымалдану жұмысы; 3. химиялық жұмыс (синтез); 4. электрлік жұмыс; 5. жылу түзілуі.

Қалыпты жағдайда, адам тәулігіне орта есеппен 27 моль оттегіні қабылдайды. Оның негізгі бөлігі (25 моль) тыныс алу тізбегінде АТФ синтезі үшін жұмсалады. Сондықтан тәулік сайын 125 моль немесе 62 кг АТФ синтезделеді. Бірақ, бүкіл ағзадағы АТФ массасы небары 20-30 г. Бұл әрбір АТФ молекуласының бір тәулікте 2500 рет синтезделіп және сонша рет энергия беру үшін гидролизденетінін көрсетеді. Бұл АТФ  АДФ + Фк циклінің интенсивтілігін көрсетеді.

АТФ энергиясы жұмсалатын негізгі процестер:

1. Механикалық жұмыс, бұл бұлшықеттердің жиырылуы мен босаңсуының реакциялары.

2. Тасымалдану жұмысы-негізінен заттардың жасуша мембранасы арқылы активті тасымалдануы АТФ 30%-ті Na/K –АТФ-аза қызметі үшін жұмсалады.

3. Химиялық жұмыс – бұл ағзадағы синтез және молекулаішілік изомерлену реакциялары.

4. Электрлік жұмыс – бұл жүйке импульстерін беру жұмыстары.

5. Жылу түзілу жұмысы – бұл ағза ферменттерінің оптимальды қызметі үшін қажетті температура мәнін тұрақты ұстау.

Катаболизмнің жалпы және арнайы жолдары.

Катаболизм жалпы үш этапқа бөлінеді:

Белоктар Көмірсулар Майлар

І-этап

аминоқышқылдар глюкоза майқышқылдар

глицерин

пируват

NН₃

ІІ этап

ацетил-КоА

І ІІ этап

СО₂ Н₂О АТФ

Сурет 1. Тағамның негізгі заттарының катаболизмі.

Катаболизмнің бастапқы этапы немесе спецификалық жолы әрбір кластағы қосылыстардың спецификалық ферменттерінің қатысуымен өтеді. Нәтижесінде көп мөлшердегі бастапқы заттардан аралық өнімдер арқылы пируват және ацетил-КоА түзіледі. Ацетил-КоА пируваттың тотығып декарбоксилденуі және дегидрленуінен түзіледі. Екінші және үшінші этаптың реакциялары катаболизмнің жалпы жолдары деп аталады. Ол тағамдық заттардың ыдырап пируваттан соңғы өнімдер СО₂, Н₂О және АТФ түзілуінен тұрады.

Екінші этап реакциясы - бұл пируваттың тотығып декарбоксилденуі. үшінші этап реакциялары-бұл цитрат циклі.

Катаболизмнің жалпы жолдарында ғана дегидрлену реакцияларына арналған субстраттардың негізгі массасы түзіледі. Ары қарай тыныс алу тізбегі мен фосфорлану реакциялары катаболизм жолына қосарланып энергия АТФ формасына жиналады. Катаболизмнің жалпы жолдарының (КЖЖ) реакциялары митохондрия матриксінде өтеді.

Пирожүзім қышқылының (пируват) тотығып декарбоксилденуі.

Көп сатылы күрделі реакциялардың теңдеуі келесі түрде беріледі.

СООН КоА

 

С = О + NAD⁺ + HSKoA  С = О + NADН + Н⁺ + СО₂

 

СН3 СН3

Пируват ацетил-КоА

Сурет 2.

Реакция кезектескен ретпен жұмыс істейтін бір комплекске жинақталған пируватдегидрогеназалық комплекс арқылы атқарылады. Ол үш ферменттен тұрады.

Сурет 3.

Пируватдегидрогеназалық комплекс және оның жұмысы.

Бұл комплекс митохондрияның ішкі мембранасында орналасқан және оған матрикс жағынан қосылады.

Ферменттердің бұл комплексі конвейер тәрізді жұмыс істеп, өнімдерді эстафета бойынша бір ферменттен келесі ферментке береді.

1-ші фермент - пируватдекарбоксилаза. Оның коферменті ретінде реакцияға В₁ витаминінің туындысы - тиаминпирофосфат қатысады. Фермент карбоксилдік топты СО₂ түрінде бөледі де ацетилдік қалдықты екінші ферменттің коферменті липой қышқылына қосады.

Нәтижесінде ацетил-липоат қосылысы түзіледі.

2-ші фермент – дигидролипоат-ацетилтрансфераза липой қышқылындағы ацетилдік қалдықтың екінші коферменті НS-КоА-ға қосылуын катализдейді. Нәтижесінде ацетил-КоА түзіледі. Сонымен, бұл реакцияға екі кофермент қатысады: липой қышқылы - ферментпен мықты байланысқан кофермент, ал кофермент А (НS-КоА) ферментпен реакция кезінде қосылады. Сутегі липой қышқылына байланысқан күйінде қалады да, оны дигидролипоатқа айналдырады.

3-ші фермент-дигидролипоатдегидрогеназа липой қышқылынан сутегі атомдарын бөліп, оны қайтадан қалпына келтіреді (липоатта күкіртті көпірше байланысы -S-S-қайта түзіледі). Ал, сутекті қабылдағанда түзілген НАДН-ы ары қарай тыныс алу тізбегіне қосылады.

Сурет 4. НS-КоА-ның құрылысы.

Ары қарай, негізгі түзілген өнім ацетил-КоА цитрат циклінде тотығады.

Ацетил-КоА май қышқылдарының, холестериннің, кетондық денелердің синтезінің реакцияларына қатысады. Оның ең үлкен бөлігі лимон қышқылын синтездеп үшкарбон қышқылының цикліне қосылады.

Цитрат циклі.

Цитрат циклі (Кребс циклі үшкарбон қышқылы циклі, лимон қышқылының циклі) - бұл қос көміртекті ацетилдік фрагменттің толық тотығуына әкелетін реакциялар жүйесі (Сур. 5 және 6). Циклдің Ханс Кребс көптеген реакцияларын ашып зерттегендіктен оның атын берген және 1953 жылы Новель сыйлығы берілді.

Цитрат циклі белоктар, көмірсулар, майлар тотығуының жалпы және соңғы жолы болып табылады. Цитрат циклінің барлық реакциялары митохондрияда шоғырланған.

Толық цикл жолында келесі процестер өтеді:

 ацетилдік қалдықтың толығымен СО₂-нің екі молекуласына дейін тотығуы;

 тотықсызданған НАД⁺ -тің 3 молекуласы және ФАДН₂ -тің 1 молекуласы түзіледі;

 субстраттық фосфорлану нәтижесінде ГТФ-тің 1 молекуласы түзіледі.

Сурет 6. Цитрат циклінің ферменттері.

1-пируватдегидрогеназалық комплекс, 2-цитратсинтаза, 3-аконитаза, 4-изоцитратдегидрогеназа, 5--кетоглутаратдегидрогеназалық комплекс, 6-сукцинил-КоА-синтетаза, 7-сукцинатдегидрогеназа, 8-фумараза, 9-малатдегидрогеназа.

Цитратсинтаза.

Циклдің бірінші реакциясы-бұл оксалоацетат пен ацетил-КоА-ның конденсациялануы. Реакция АТФ-тің гидролизденуінен бөлінген энергияны пайдаланып, цитратсинтазаның катализдеуімен цитрат түзіп өтеді.

Аконитаза.

Циклдің екінші реакциясы - бұл цитраттың аконитаза ферменті әсерінен молекулаішілік қайта құрылып (изомерленіп) изоцитраттың түзілуі. Құрамында гемдік емес темірі болатын, стереоспецификалық фермент аконитаза -ОН тобын көрші көміртегіне ауыстырады.

Изоцитратдегидрогеназа.

Циклдің үшінші реакциясы бұл изоцитраттың тотығып декарбоксильденіп және дегидрленіп, изоцитратдегидрогеназа катализдеуімен -кетоглутараттың түзілуі. Реакцияда ИДГ кофакторы НАД⁺ протонды қосып алып НАДН⁺ - ге айналады және бір протон ортаға бөлініп шығады.. ИДГ митохондриялық -кофакторы НАД⁺ және цитоплазмалық пен митохондриялық -кофакторы НАДФ⁺ түрлеріне бөлінеді. Бұл реакциядағы түзілген СО₂ цитрат синтезіне жұмсалады.

-Кетоглутаратдегидрогеназа.

Циклдің төртінші реакциясы-бұл -кетоглутараттың декарбоксилденіп және дегидрленіп, -кетоглутаратдегидрогеназа катализдеуімен, сукцинил-КоА түзіледі. Реакция барысында СО₂ екінші молекуласы түзіледі және тотықсызданған НАДН⁺ пен ортаға бір протон бөлінеді. Бұл қайтымсыз реакция. Сукцинил-КоА- макроэргиялық тиоэфирлік байланысы бар қосылыс.

Сукцинил-КоА-синтетаза (сукцинилтиокиназа).

Циклдік бесінші реакциясы. Бұл реакция нәтижесінде сукцинил-КоА сукцинатқа айналады. Макроэргиялық байланыстың үзілуінен түзілген энергиядан ГДФ фосфорланып ГТФ түзіледі және бұл субстраттық фосфорлану реакциясы болып табылады.

Сукцинатдегидрогеназа. Циклдің алтыншы реакциясы. Сукцинатдегидрогеназа сукцинаттың тотығып дегидрленіп фумаратқа айналуы реакциясын катализдейді.

Реакцияда ФАД екі протонды қабылдап ФАДН₂-ге айналады.

Фумараза. Циклдің жетінші реакциясы – бұл фумараза ферментінің әсерінен малаттың түзілуі.

Малатдегидрогеназа. Циклдің сегізінші реакциясы, бұл - малаттың тотығып дегидрленіп оксалоацетатқа айналуы. Реакция нәтижесінде НАД-тің үшінші тотықсызданады.

Осы реакциямен циклдің бір айналымы аяқталады. Түзілген оксалоацетат жаңа келген ацетил-КоА молекуласымен циклдің жаңа айналымын бастауға қатыса алады.

Циклдің қосынды теңдеуі.