Зат жəне энергия алмасу. Метаболизм туралы түсінік. Маңызды энергетикалық процесстер. Аэробты жəне анаэробты тыныс алудың химизмі.
Зат жəне энергия алмасу. Зат алмасу немесе метаболизм дегенде биохимиялық жəне физиологиялық процесстердің реттелген жүйесін, яғни ағзаға қоректік жəне басқада заттардың түсуін, олардың жасуша ішінде сіңірілуі мен қорытылуын, сондай-ақ зат алмасуда пайда болған өнімнің сыртқы ортаға шығарылуын түсінеміз. Зат алмасу барлық жасуша құрылымының жаңару, өсу жəне даму процесстерін қамтамасыз етеді.
Зат алмасуда өзара байланысты, бірақ қарама-қарсы бағыттағы екі процесс – анаболизм жəне катаболизм жүреді.
Анаболизм (ассимиляция) – бұл жай молекулалардан күрделі химиялық заттардың түзілу процессі. Анаболизм процессі кезінде нуклеин қышқылдары, ақуыз жəне ағзадағы макромолекулалы басқада заттар түзіледі. Бұған тағыда, құрылыс материалдары жəне энергияның жасушаға түсуін қамтамасыз ететіндіктен, асқорыту кезіндегі қоректік заттардың ыдырау реакциялары жатады. Анаболизм реакциялары АТФ немесе НАДН түріндегі химиялық энергиялардың көмегімен өтеді.
Катаболизм (диссимиляция) — бұл ағза жасушасындағы күрделі заттардың жай заттарға немесе кішімолекулалы соңғы ыдырау өніміне (СО, НəО, NH3) дейін бұзылуы жəне соңғы өнімнің ағзадан сыртқы ортаға шығарылуы. Катаболизм процесі органикалық заттардың күделі молекулаларында ұсталып тұрған еркін энергияларды бөлу арқылы жүреді. Бұл энергияның бір бөлігі энергияның химиялық формасына (АТФ, НАДН) айналып, ағза жасушаларында сақталады.
Анаболизм жəне катаболизм – қарама-қарсы бағыттағы, бір-біріне бағынышсыз өтетін екі процесс. Бірақ олар өзара тығыз байланысты. Катаболизм процессі анаболизм процесіне қажетті метаболит пен энергияны жеткізеді. Анаболизм реакциялары катаболизм реакцияларының одан əрі жалғасуына қажет күрделі қоректік заттар мен энергияны жинақтайды.
Қоректік заттардың ыдырауы жəне олардан еркін энергияның бөлінуі бірнеше сатыда өтеді. Еркін энергия – бұл химиялық энергияның ағзадағы маңызды жұмыстарды атқаратын бөлігі. Ол жоғарыэнергетикалық қосылыстардың химиялық байланыстарында, негізінен АТФ молекулаларында жинақталады.
Жасушадағы энергетикалық алмасудың ортасында адениннуклеотидтер: АТФ пен АДФ орын алады. АТФ — жасушадағы метаболизм жəне ағзаның көптеген басқада қызметтерін атқаратын қажетті энергия көзі болып табылады, ал АДФ АТФ-ті синтездеу үшін қажет.
Жоғарыэнергетикалық заттарға гидролиз кезінде 21 кДж/моль – ден жоғары еркін энергия болетін химиялық байланысқа ие заттарды жатқызады. Фосфорорганикалық қосылыстар жоғарыэнергетикалық заттар болып есептеледі. Олардың гидролиз кезінде бөлінген еркін энергиясы фосфатты еркін энергиясы төмен екінші заттың молекуласына тасымалдауға жұмсалады. АТФ-тің гидролиз реакциясы кезінде бөлінген еркін энергия 30- 32 кДж/моль шамасында болады. Жасушада АТФ молекуласының құрамында көбіне Mg +2 катионымен байланысқан теріс зарядталған фосфат топтары кездеседі жəне олар Mg +2 АТФ комплексті қосылыс түзеді.
АТФ өзінің энергетикалық қызметін судың қатысуымен молекуласының ыдырауы кезінде іске асырады. Əдетте АТФ молекуласынан соңғы фосфат қалдығы үзіледі, яғни АДФ пен ортофосфор қышқылы пайда болады.
АТФ + H2O→АТФаза→ АДФ +Н3PO4 ∆G = -30,4 кДж/моль
Cпецификалық фермент – аденазинтрифосфатаза (АТФаза) катализатор қызметін атқарып, реакцияны жылдамдатады. АТФ гидролизі АМФ жəне пирофосфор қышқылын түзу арқылы да жүреді.
АТФ + H2O → АМФ + Н2P2O7 ∆G = -32,2 кДж/моль
Өзінің жоғары энергетикалық фосфатын өзге заттарға жеңіл беретіндіктен АТФ ағза жасушаларында жылдам жаратылады. 90%-ға дейінгі АТФ жасуша митохондрияларында түзіледі.
Негізгі энергетикалық процесстер. Клетканың өсуіне жəне көбеюіне энергия қажет. Олар энергияны органикалық заттарды бұзғанда алады. Сонымен глюкоза күрделі ферментативті процесстер нəтижесінде тыныс алу жəне ашуы, соңғы өнімдердің энергетикалық алмасуына дейін əкеледі:
1) Тыныс алу (О2 қатысымен)
С6Н12О6 + О2 = 6СО2 + 6Н2О + 2824 кДж 2) Спирттік ашу
С6Н12О6 = 2СН3СН2ОН + 2СО2 + 117 кДж
3) Сүт қышқылды ашуы
С6Н12О6 = 2СН3СНОНСООН + 75 кДж
Ауадағы оттегінің қатысуымен жүретін тотығу процестері — аэробты, ал ауадағы оттегінің қатысынсыз жүретін тотығу процестері – анаэробты деп аталады.
Теңдеулерде тек соңғы өнімдер ғана келтірілген. Бұл процесстер бірнеше этаптардан жүреді, бірақ демалуға да ашуға да ортақ теңдеу болады. Кейде катализатордың орнына ферменттерді де қолданады. Энергетикалық көзқараспен қарағанда демалу процессі эффективті болып табылады, онда өте көп көлемде энергия бөлінеді. Клетканың энергиясы АТФ-ғы макроэнергетикалық байланыста химиялық энергия түрінде қолданылады.
Глюкозаның пирожүзім қышқылына дейін анаэробты ферментативті гидролизін гликолиз деп атайды. Бұл əмбебап ферментативті процестің біреуіне жатады, себебі спирттік жəне сүтқышқылының ашуының демалуы жəне биохимиялық процестерден басталады. Гликолиз процесінен шығатын пируват микроағзалардың алмасуына өте маңызды аралық өнім болып саналады. Сүт қышқылының ашуында лактатдегидрогеназа ферменттердің қатысуымен пируваттан сүт қышқылын түзеді, ал спирттік ашуда фермент қатысуымен пируватдекарбоксилаза – ацетальдегид, одан алькольдегидрогеназа ферменті этил спиртіне əкеледі.
Аэробты жағдайда пируват үшкарбонқышқылды циклы бастапқы заты болып саналады, онда тотығу процесі СО2 мен Н2О дейін өтеді. Декарбоксирлеу тотығының басында пировиноград қышқылы сірке қышқылына айналады. Сірке қышқылының коферменті КоА щавель қышқылымен байланысады да лимон қышқылы түзіледі, ол цис-ако- никотин қышқылы мен изо-лимон қышқылы щавельянтарь қышқылына айналады.
Щавельянтарь қышқылы декарбоксирленгенде α-кетоглутарь қышқылына айналады.
Дегидратациямен декарбоксирлеу реакциясына соңғы өнім Кребс циклінен щавельсірке қышқылын түзеді.
Триоздың тотығуының нəтижесінде клеткада келесі құбылыстар өтеді:
1) Бөлінген энергияның бір бөлігі АТФ-ң макроэнергетикалық байланысына бөлінеді.
2) Дегидрогеназаның сутегісі тотығу процесінде қолданылуы мүмкін.
3) Циклдың аралық өнімдері клетка заттарының синтезінде қолданылады. Пируваттан аланин түзіліп, α-кетоглутарь қышқылынан – глутамин қышқылы, ал сірке қышқылы май қышқылдары жəне стероидтар синтезіне қатысады.
Зат алмасу прцесінде микроағзалардың клеткаларында заттар бөлінеді, олар энергетикалық зат алмасу жəне биосинтез өнімдеріне бөлінеді. Бірінші өнімдері сірке жəне сүт қышқылы, этил спирті жатады. Осы заттардың түзілуі микробиологиялық процестеріне жатады – оны ашу деп атайды. Биосинтез нəтижесінде ферменттер, токсиндер, антибиотиктер, аминқышқылдары, витаминдер, пуриндік немесе пиримидиндік негізіндегі заттар түзеді.