Автор: admin | Розділ: Біохімія | 31-12-2012
Обмін речовин (метаболізм) живої клітини складається з двох протилежно спрямованих видів реакцій – катаболічних та анаболічних:
1) сукупність реакцій розпаду органічних сполук – катаболізм, або енергетичний обмін;
2) сукупність реакцій синтезу органічних сполук – анаболізм, або пластичний обмін.
Білки, ліпіди та полісахариди, з яких складається переважна частина нашої їжі, повинні розщепитися на менші за розміром молекули раніше, ніж клітини організму зможуть їх спожити.
Ферментативний розпад, або катаболізм, цих молекул відбувається у три стадії.
На 1-й стадії великі молекули полімерів розпадаються на мономерні субодиниці. Цей процес, що називається травленням, відбувається поза клітинами під дією травних ферментів.
На 2-й стадії невеликі молекули, що утворились, надходять у клітини організму та зазнають подальшого розщеплення у цитоплазмі. При цьому велика частина всіх мономерів перетворюється у піровиноградну кислоту (піруват), а потім – в ацетилкофермент А.
Остання, 3-я стадія катаболізму полягає у повному розщепленні ацетильної групи ацетил коферменту А до СО2 та Н2О, що супроводжується утворенням АТФ з АДФ та фосфорної кислоти:
АДФ+Н3РО4=АТФ+Н2О
3-я стадія катаболізму можлива тільки при наявності вільного кисню, тобто протікає винятково в аеробних організмах, і для її здійснення необхідні біомембрани. В еукаріотичних клітинах ця стадія проходить у мітохондріях. В анаеробів, у безкисневих умовах, катаболізм закінчується перетворенням пірувату в молочну кислоту (наприклад, молочнокислі бактерії) або в етиловий спирт (наприклад, дріжджі). Такі процеси називаються бродінням (молочнокисле, спиртове), а процес перетворення простих цукрів на піруват — ґліколізом.
Перевага аеробів перед анаеробами пов’язана з тим, що основна кількість енергії вивільняється з поживних речовин саме на 3-й стадії катаболізму, відсутньої в анаеробів.
Розщеплення ацетильної групи ацетилкоферменту А відбувається у мітохондріях у циклі лимонної кислоти (цикл Кребса). Реакції циклу поставляють редукційний потенціал у систему транспорту електронів, яка сполучена з синтезом АТФ. Таким чином мітохондрії виконують свою головну функцію — генераторів енергії у клітині .
Всі описані процеси (ґліколіз, цикл лимонної кислоти, синтез АТФ та ін.) становлять основу енергетичного обміну, тобто біохімічних реакцій, що забезпечують накопичення енергії у вигляді молекул АТФ.
Реакції синтезу органічних сполук, або пластичний обмін, протікають із витратою енергії. При цьому створюються необхідні для організму біополімери.
Катаболізм та анаболізм постійно пов’язані між собою потоком речовин та потоком енергії. У катаболічних та анаболічних процесах беруть участь одні й ті самі молекули, які складають потік речовин. Потік енергії представлений зворотним процесом синтезу — розпаду АТФ.
Окрім загальних форм метаболічної активності, деяким тваринам та рослинам притаманні й особливі типи обміну речовин. Зелені рослини, наприклад, здатні до фотосинтезу. Існують риби, що виробляють цілком відчутні електричні розряди. Багато рослин виробляють всілякі хімічні сполуки, зокрема піґменти, від яких залежить забарвлення квітки. Бактерії ж та плісняві гриби, що є, мабуть, кращими «хіміками» живого світу, можуть «приготувати» всі? — від смертельних отрут до антибіотиків. Деякі бактерії, плісняві гриби й тварини можуть випромінювати світло завдяки ферментативним реакціям. Тварини, що світяться, трапляються серед найпростіших, губок, кишечнопорожнинних, ракоподібних, ісомах, голкошкірих, риб та оболонників.
Єдиної еволюційної лінії форм, що світяться, очевидно, немає. Здатність випромінювати світло (люмінесціювати) з’являлась незалежно у різних групах організмів. Іноді нелегко буває встановити, чи дійсно організм люмінесціює сам: часто виявляється, що світло випромінюють бактерії, які живуть у ньому. У деяких тропічних риб під очима знаходяться органи, що світяться. У них живуть люмінуючі бактерії. Бактерії випромінюють світло безперервно, тимчасом як риби мають чорну перетинку, на зразок повік, якою вони можуть прикривати орган, що світиться, щоб «вимикати» світло.
Ніхто не знає, як бактерії накопичуються в органі, що світиться, проте вони якимось чином потрапляють туди після виведення кожної нової істоти з ікринки.
В одного з видів креветок такий орган оснащений лінзами, рефлекторами та світлофільтрами. Увесь механізм нагадує ліхтар.
Різні тварини випромінюють світло різних кольорів — червоне, зелене, жовте або блакитне. Уругвайський «залізничний черв’як» (личинка жука) примітний тим, що має ряд зелених «ліхтариків» обабіч тіла та двоє червоних — на передньому його кінці. Світло люмінуючих організмів належить до видимої ділянки спектра, ультрафіолетове та інфрачервоне випромінювання відсутнє. Біолюмінесценцію іноді називають «холодним світлом», оскільки вона супроводжується виділенням надто малої кількості теплоти.
Світіння пов’язане з ферментативною реакцією, що має свої особливості у різних організмів. Два компоненти системи, яка випромінює світло, дістали назву люциферину (субстрат) і люциферази (фермент), проте у тварин різних видів вони хімічно відрізняються. Реакція системи люциферин — люцифераза є особливою формою окислення й відбувається тільки у присутності кисню. Можна екстрагувати люциферин та люциферазу з світлячків, змішати їх у пробірці й додати АТФ і одержати світіння. Енергію для цієї реакції постачає АТФ, і за певних умов кількість світла, що випромінюється, пропорційна кількості введеного АТФ. Таку систему можна використовувати для вимірювання вмісту АТФ у тканинних екстрактах.
Визначено, що біолюмінесценція світлячків пов’язана з певними біохімічними процесами. Спочатку люцифераза (Е) реагує з відновленою формою люциферину (ЛН2) з утворенням проміжного комплексу фермент — люциферил — аденозинмонофосфат (АМФ) та звільнюється пірофосфат (ФФ):
Е + ЛН2 + АТФ – Е-ЛН2-АМФ + ФФ.
Потім при наявності кисню Е-ЛН2-АМФ окислюється до Е—Л—АМФ (комплекс ферменту з оксилюциферином Л та аденозинмонофосфатом). Нарешті Е—Л—АМФ дисоціює на вільну люциферазу, люциферин та АМФ. У цій послідовності реакцій і відбувається перетворення хімічної енергії АТФ у світлову.
Яку користь приносить світіння організму, досі не з’ясовано. Можливо, у глибоководних тварин, котрі мешкають у вічній темряві, органи, що світяться, служать ознакою, за якою представники цього виду пізнають одне одного. Не виключено, що світіння відіграє роль принади для поживи або перестороги для хижаків.