חילוף חומרים- זוהי צריכת חומרים מזינים ונוזלים מהסביבה לגוף, עיכול, הטמעתם והפרשת מוצרים.

כל החומרים הנכנסים לגוף של בעל חיים עוברים בו טרנספורמציות משמעותיות. חלקם מתפרקים למוצרים פשוטים, בעיקר אנאורגניים, תוך שחרור אנרגיה המשמשת את הגוף הן לעבודת השרירים והן לתהליכי הפרשה ועצבים (התפזרות). תוצרי הריקבון שלהם מופרשים מהגוף. חומרים אחרים עוברים פיצול פחות עמוק ומתוכם מסונתזים חומרים, בדומה לחלקי הגוף המרכיבים (הטמעה – הטמעה). חומרים שזה עתה נוצרו הופכים לאלמנטים פעילים של תאים ורקמות או מופקדים ברזרבה, והופכים למקורות אנרגיה פוטנציאליים. חומרים אנאורגניים כלולים במטבוליזם הכללי של הגוף, עוברים טרנספורמציות מורכבות יחד עם חומרים אורגניים, המשתתפים בכל ביטויי החיים.

בכל התאים והרקמות החיים של הגוף, הן במצב רגוע והן בזמן פעילות, מתרחשים בו-זמנית שני תהליכים הפוכים: הרס של חומר וסינתזה שלו.

מטבוליזם מורכב משני תהליכים הקשורים זה בזה: הטמעה והתפזרות. שני תהליכים אלה אינם רק בו-זמנית, אלא גם תלויים הדדית. אחד בלתי אפשרי בלי השני, כי שום עבודה בגוף לא יכולה להתרחש ללא ריקבון של חומרים שהוטמעו בעבר בגוף. מצד שני, תהליכי הסינתזה בגוף דורשים אנרגיה המשתחררת בזמן ריקבון של חומרים.

שני תהליכים אלו מרכיבים את חילוף החומרים בגוף. חילופי החומרים מתרחשים באופן קבוע ומתמשך. כל התאים, כל רקמות הגוף, לא למעט צפופים ולכאורה בלתי ניתנים לערעור כמו עצמות ו תצורות קרניים, נמצאים בתהליך מתמיד של ריקבון והתחדשות. זה חל הן על חומרים אורגניים והן על חומרים אנאורגניים.

הטמעה (אנבוליזם)

הטמעה או אנבוליזם היא המעבר של החלקים המרכיבים של חומרים מזינים שנכנסו לגוף האדם מהסביבה החיצונית לתאים, כלומר, הפיכתם של חומרים פשוטים יותר לחומרים מורכבים מבחינה כימית. כתוצאה מהטמעה מתרחשת רביית תאים. ככל שהגוף צעיר יותר, כך תהליכי ההטמעה מתנהלים בו בצורה פעילה יותר, מה שמבטיח את צמיחתו והתפתחותו.

התפזרות (קטבוליזם)

חלבונים, או חלבונים, ממלאים תפקיד חשוב בבריאות, צמיחה והתפתחות תקינה של גוף האדם. הם מבצעים שני פונקציות פיזיולוגיות שונות: פלסטיק ואנרגיה.

פונקציות של חלבונים

התפקיד הפלסטי של חלבונים הוא שהם חלק מכל התאים והרקמות. תפקידם האנרגטי של חלבונים הוא שהם, בהיותם מחומצנים בנוכחות חמצן, מתפרקים ומשחררים אנרגיה. בעת פיצול 1 גרם חלבון, משתחררים 4.1 קק"ל של אנרגיה.

מבנה החלבונים

חלבונים מורכבים מחומצות אמינו. על ידי הרכב חומצות אמינוהם מחולקים לשלמות ולנחותות.

חלבונים מלאים

חלבונים מלאים נמצאים במוצרים מן החי (בשר, ביצים, דגים, קוויאר, חלב ומוצרי חלב). לצמיחה והתפתחות תקינים של הגוף בתזונה היומית של ילדים ומתבגרים, יש צורך בכמות מספקת של חלבונים מלאים.

חלבונים לא שלמים

חלבונים לא שלמים נמצאים במוצרים צמחיים (לחם, תפוחי אדמה, תירס, אפונה, שעועית מונג, אורז וכו').

לשומנים, כמו גם לחלבונים, בגוף האדם יש ערך פלסטי ואנרגיה. 1 גרם שומן, מחומצן בגוף בנוכחות חמצן, משחרר 9.3 קק"ל של אנרגיה. ישנם שני סוגים של שומנים: מן החי וירקות.

עבור גוף האדם, לפחמימות יש בעיקר חשיבות אנרגטית. בפרט, כאשר עושים עבודה פיזיתהפחמימות הן הראשונות להתפרק ומספקות לתאים, לרקמות ובעיקר לשרירים את האנרגיה הדרושה לפעילותם. כאשר 1 גרם פחמימות מתחמצנים בנוכחות חמצן, משתחררים 4.1 קק"ל של אנרגיה. פחמימות מצויות בכמויות גדולות במזונות ממקור צמחי (בלחם, תפוחי אדמה, פירות, מלונים) ובממתקים.

כמות המים בגוף

מים הם חלק מכל התאים והרקמות של גוף האדם. בהתאם לתכונות הפיזיולוגיות של כל רקמה, מים כלולים בה בכמויות שונות. 50 - 60% מגופו של מבוגר הוא מים, בגוף של צעירים תכולת המים גבוהה יותר. הדרישה היומית של הגוף של מבוגרים במים היא 2-3 ליטר.

השפעת המים על הגוף

מים ממלאים תפקיד חשוב בחילוף החומרים. אם אדם אינו אוכל כלל, אלא משתמש במים כמות רגילה, אז הוא יכול לחיות 40-45 ימים (עד שמשקל גופו יורד ב-40%). אבל אם, להיפך, האוכל נורמלי, ומים לא נצרכים, אז אדם יכול למות תוך שבוע אחד (עד ירידה במשקל ב-20-22%).

מים נכנסים לגוף דרך מזון ומשקאות. הוא נספג מהקיבה והמעיים לדם, משתתף בתהליכים מטבוליים בתאים וברקמות, חלקו העיקרי מופרש באמצעות נשימה, הזעה ושתן.

בתקופת הקיץ החמה יש איבוד גדול של מים בגוף בזמן הזעה ונשימה. לכן, הצורך של הגוף במים עולה. עם צמא ותחושת יובש בפה, מבלי להזדקק לשימוש מרובה במים, יש לשטוף את הפה לעיתים קרובות, מים מחומצנים (מים עם לימון, מים מינרליים) מרווים טוב יותר את הצמא ובמקביל הלב אינו חווה מתח נוסף.

מלח מינרליהם חלק מכל התאים והרקמות של גוף האדם. יש מאקרו ומיקרו-אלמנטים.

מקרונוטריינטים

מקרונוטריינטים כוללים נתרן, כלור, סידן, זרחן, אשלגן וברזל. הם נמצאים בכמויות גדולות בדם, בתאים, במיוחד בעצמות.

יסודות קורט

יסודות קורט כוללים מנגן, קובלט, נחושת, אלומיניום, פלואור, יוד, אבץ. הם נמצאים בדם, בתאים ובעצמות, אך בכמויות קטנות יותר. למלחים מינרליים תפקיד חשוב בחילוף החומרים, במיוחד בתהליכי עירור תאים.

נשימה של רקמות

נשימת רקמות היא השלב האחרון של פירוק חומרים אורגניים בתאי הגוף, בו מעורב חמצן ונוצר פחמן דו חמצני.

כדי להסביר מדוע, במהלך נשימת רקמות, חומרים עמידים בדרך כלל לחמצן מולקולרי מתחמצנים, הועלה הרעיון של הפעלת חמצן. ההנחה היא שחמצן יוצר חמצן, שממנו מתפצל חמצן פעיל. ישנה גם הפעלה של מימן, שעובר מחומר אחד למשנהו, וכתוצאה מכך מתברר שאחד החומרים עשיר יותר בחמצן, כלומר מתחמצן, ואילו השני נעשה עני יותר בו, כלומר, הוא מופחת.

חשיבות רבה בנשימת רקמות הם פיגמנטים תאיים המכילים ברזל וממוקמים על פני תאים וחומרים מחמצנים. ברזל הוא אחד הזרזים החזקים ביותר, כפי שניתן לראות במקרה של המוגלובין בדם. בנוסף, ישנם זרזים נוספים המקדמים העברת חמצן או מימן. מתוכם ידועים האנזים קטלאז והטריפפטיד-גלוטתיון המכילים גופרית, הקושרת מימן, ומפצלת אותו מחומרים מחמצנים.

כתוצאה משינויים כימיים, מכניים, תרמיים בחומרים אורגניים הכלולים במזון, האנרגיה הפוטנציאלית שלהם מומרת לאנרגיה תרמית, מכנית וחשמלית. רקמות ואיברים עושים את עבודתם, תאים מתרבים, מרכיביהם השחוקים מתחדשים, אורגניזם צעיר גדל ומתפתח עקב אנרגיה זו שנוצרת. קביעות הטמפרטורה של גוף האדם מובטחת גם על ידי אנרגיה זו.

ויסות חום

באיברים שונים בגוף, חילוף החומרים ממשיך בעוצמה שונה. ניתן לשפוט זאת בחלקו על פי כמות הדם שזורמת דרכם, מכיוון שהדם מספק להם חומרים מזינים וחמצן.

ויסות עצבי

בבעלי חיים גבוהים יותר, תהליכים מטבוליים מוסדרים על ידי מערכת העצבים, מה שמשפיע על מהלך כל התהליכים הכימיים. כל השינויים במהלך חילוף החומרים נתפסים על ידי מערכת העצבים, אשר באופן רפלקס מגרה היווצרות ושחרור של מערכות אנזימטיות המבצעות פירוק וסינתזה של חומרים.

ויסות הומורלי

תהליכים מטבוליים תלויים גם בוויסות הומורלי, אשר נקבע על פי מצב הבלוטות האנדוקריניות. איברי ההפרשה הפנימית, במיוחד בלוטת יותרת המוח, בלוטות יותרת הכליה, בלוטת התריס ובלוטות המין, קובעים במידה רבה את מהלך חילוף החומרים. חלקם משפיעים על עוצמת תהליך הפיזור, בעוד שאחרים משפיעים על חילוף החומרים של חומרים מסוימים של שומנים, מינרלים, פחמימות וכו'.

תפקיד הכבד במטבוליזם

גיל

חילוף החומרים שונה גם אצל בעלי חיים בגילאים שונים. בבעלי חיים צעירים, תהליכי הסינתזה הדרושים לצמיחתם שולטים (הסינתזה שלהם עולה על הריקבון פי 4-12). בבעלי חיים בוגרים, תהליכי ההטמעה וההתפרקות מאוזנים בדרך כלל.

חֲלָבִיוּת

התמורה מושפעת גם מהמוצרים שמייצר החיה. אז, חילוף החומרים של פרה מניקה נבנה מחדש בכיוון של סינתזה של חומרים ספציפיים של חלב-קזאין, סוכר חלב. חומר מהאתר

מזון

למיני בעלי חיים שונים יש חילוף חומרים שונה, במיוחד אם הם ניזונים מזון מגוון. אופי והיקף התהליכים המטבוליים מושפעים מאופי התזונה. חשיבות מיוחדת היא הכמות וההרכב של חלבונים, ויטמין, כמו גם הרכב מינרליםמזון. תזונה חד-צדדית עם כל חומר אחד הראתה שבעלי חיים יכולים לחיות אפילו עם עבודה שרירית, באכילת חלבונים בלבד. זאת בשל העובדה שחלבונים הם גם חומר בניין וגם מקור אנרגיה בגוף.

רָעָב

בזמן הרעבה, הגוף משתמש ברזרבות שלו, תחילה בגליקוגן בכבד, ולאחר מכן בשומן ממאגרי שומן. פירוק החלבונים בגוף יורד, וכמות החנקן בהפרשות יורדת. זה נמצא כבר מהיום הראשון לצום ומעיד על כך שהירידה בפירוק החלבון היא בעלת אופי רפלקסי, שכן עדיין יש הרבה רכיבים תזונתיים במעיים למשך יום או יומיים. עם הרעבה נוספת, חילוף החומרים של חנקן מוגדר ברמה נמוכה. רק לאחר שאספקת הפחמימות והשומנים בגוף כבר מוצתה, מתחיל פירוק מוגבר של חלבונים ושחרור החנקן עולה בחדות. כעת חלבונים הם מקור האנרגיה העיקרי לגוף. זה תמיד מבשר מוות קרוב. מקדם הנשימה בתחילת הצום הוא 0.9 - הגוף שורף בעיקר פחמימות, ואז יורד ל-0.7 - משתמשים בשומנים, עד סוף הצום הוא 0.8 - הגוף שורף את חלבוני גופו.

רעב מוחלט (בעת נטילת מים) יכול להימשך עד 50 ימים לאדם, למעלה מ-100 ימים עבור כלבים, ועד 30 ימים עבור סוסים.

ניתן להגדיל את משך הצום באימון מקדים, שכן התברר כי לאחר תקופות צום קצרות הגוף אוגר יותר מהרגיל, והדבר מקל על צום משני.

נתיחה של גופות בעלי חיים שמתו מרעב מראה זאת איברים שוניםירידה במשקל ב מעלות משתנות. לרדת הכי הרבה במשקל רקמה תת עורית, אז השרירים, העור ותעלת העיכול, בלוטות, כליות מאבדים עוד פחות משקל; הלב והמוח לא מאבדים יותר מ-2-3% ממשקלם.

הפעלת לחץ

חילוף החומרים בזמן פעילות גופנית מלווה בעלייה בתהליך ההתפרקות עקב הצורך הגדול של הגוף באנרגיה.

גם במנוחה מוחלטת, בעל החיים מוציא אנרגיה על עבודתם של איברים פנימיים, שפעילותם לא נפסקת לעולם: הלב, שרירי הנשימה, כליות, בלוטות וכו'. שרירי השלד נמצאים כל הזמן במצב של מתח ידוע, התחזוקה שלו דורשת גם הוצאה משמעותית של אנרגיה. בעלי חיים מוציאים אנרגיה רבה על קבלה, לעיסת מזון ועיכולו. בסוס, עד 20% מהאנרגיה של ההזנה המתקבלת מושקעת על כך. אבל צריכת האנרגיה עולה במיוחד בזמן עבודה שרירית, וככל שהעבודה נעשית קשה יותר. אז, סוס, כאשר נע לאורך כביש שטוח במהירות של 5-6 ק"מ לשעה, צורך 150 קלוריות חום לכל קילומטר מהשביל, ובמהירות של 10-12 ק"מ לשעה - 225 קלוריות.

מטבוליזם מטבוליזם תהליכים פיזייםב

חילוף החומרים מתרחש ב

תהליכים מטבוליים

שאלות למאמר זה:

אנשים רבים חושבים שחילוף החומרים ומהירות העיכול של המזון הם מילים נרדפות, אבל זה שגוי. אנו נותנים את ההגדרה הנכונה של חילוף החומרים ומבינים במה תלויה המהירות שלו ולמה עלולות להוביל תקלות וכשלים.

מטבוליזם (נקרא גם מטבוליזם) הוא הבסיס לחיים תהליכים חשוביםהמתרחשים בגוף. מטבוליזם מתייחס לכל התהליכים הביוכימיים המתרחשים בתוך התאים. הגוף כל הזמן דואג לעצמו, משתמש (או מאחסן במחסני מילואים) את חומרי המזון המתקבלים, הוויטמינים, המינרלים ויסודות הקורט כדי להבטיח את כל תפקודי הגוף.

לחילוף החומרים, שנשלט גם על ידי מערכת האנדוקרינולוגיה והעצבים, יש חשיבות רבה להורמונים ולאנזימים (אנזימים). באופן מסורתי הכי הרבה גוף חשובבחילוף החומרים, הכבד נחשב.

על מנת לבצע את כל תפקידיו, הגוף זקוק לאנרגיה, אותה הוא שואב מחלבונים, שומנים ופחמימות המתקבלות במזון. לכן, תהליך הטמעת המזון יכול להיחשב לאחד התנאים ההכרחיים לחילוף חומרים.

חילוף החומרים הוא אוטומטי. זה מה שמאפשר לתאים, איברים ורקמות להתאושש באופן עצמאי לאחר השפעת גורמים חיצוניים מסוימים או כשלים פנימיים.

מהי המהות של חילוף החומרים?

מטבוליזם הוא שינוי, טרנספורמציה, עיבוד של כימיקלים, כמו גם אנרגיה. תהליך זה מורכב מ-2 שלבים עיקריים המחוברים ביניהם:

• קטבוליזם (מהמילה היוונית ל"הרס"). קטבוליזם כרוך בפירוק של חומרים אורגניים מורכבים הנכנסים לגוף לחומרים פשוטים יותר. זהו חילופי אנרגיה מיוחדים המתרחשים במהלך חמצון או ריקבון של חומר כימי או אורגני מסוים. כתוצאה מכך משתחררת אנרגיה בגוף (רובה מתפזר בצורת חום, השאר משמש בהמשך בתגובות אנבוליות וביצירת ATP);
• אנבוליזם (מהמילה היוונית ל"עלייה"). בשלב זה, היווצרות חומרים חשובים לגוף - חומצות אמינו, סוכר וחלבון. החלפת פלסטיק זו דורשת הוצאה גדולה של אנרגיה.

במילים פשוטות, קטבוליזם ואנבוליזם הם שני תהליכים שווים בחילוף החומרים, המחליפים זה את זה ברציפות ובמחזוריות.

מה משפיע על מהירות התהליכים המטבוליים

סיבה אפשרית אחת לחילוף חומרים איטי היא פגם גנטי. ישנה הנחה שקצב תהליך שריפת האנרגיה תלוי לא רק בגיל (נדון בכך בהמשך) ובמבנה הגוף, אלא גם בנוכחות של גן בודד מסוים.

ב-2013 נערך מחקר, שבמהלכו התברר שמוטציה ב-KSR2, הגן האחראי על חילוף החומרים, עלולה להיות הגורם לחילוף חומרים איטי. אם יש בו פגם, אז למוביל שלו או למוביל שלו אין רק תיאבון מוגבר, אבל גם איטי יותר (בהשוואה לאנשים בריאים), חילוף חומרים בסיסי ( משוער. עריכה: חילוף חומרים בסיסי פירושו הכמות המינימלית של אנרגיה שהגוף צריך בבוקר לחיים נורמליים בתנוחת שכיבה וערות לפני הארוחה הראשונה). עם זאת, לאור העובדה שלפחות מ-1% מהמבוגרים ולפחות מ-2% מהילדים הסובלים מעודף משקל יש את הפגם הגנטי הזה, השערה זו בקושי יכולה להיקרא הנכונה היחידה.

עם הרבה יותר ביטחון, מדענים אומרים שקצב חילוף החומרים תלוי במין האדם.

אז, חוקרים הולנדים גילו שלגברים אכן יש חילוף חומרים פעיל יותר מנשים. הם מסבירים את התופעה בכך שלגברים לרוב יש יותר מסת שריר, העצמות שלהם כבדות יותר ואחוז השומן בגוף נמוך יותר, כך שבמנוחה (אנחנו מדברים על חילוף חומרים בסיסי), הם צורכים יותר אנרגיה בתנועה.

גם חילוף החומרים מאט עם הגיל, וההורמונים אשמים. לכן, ככל שהאישה מבוגרת יותר, הגוף שלה מייצר פחות אסטרוגן: הדבר גורם להופעה (או לעלייה בכמות הקיימים) של מצבורי שומן בבטן. אצל גברים רמות הטסטוסטרון יורדות, מה שמוביל לירידה ב מסת שריר. בנוסף - והפעם אנחנו מדברים על אנשים משני המינים - עם הזמן, הגוף מתחיל לייצר פחות ופחות הורמון גדילה סומטוטרופין, שנועד גם הוא לעורר פירוק שומן.

ענה על 5 שאלות כדי לגלות כמה מהיר חילוף החומרים שלך!

חם לך לעתים קרובות?אנשים עם חילוף חומרים טוב נוטים להתחמם לעתים קרובות יותר מאנשים עם חילוף חומרים ירוד (איטי), הם הרבה פחות קרים. אם לא התחלת את התקופה שלפני גיל המעבר, אז תשובה חיובית לשאלה זו יכולה להיחשב כאחד הסימנים לכך שחילוף החומרים שלך תקין.

כמה מהר אתה מתאושש?אם אתם נוטים לעלייה מהירה במשקל, אז ניתן להניח שחילוף החומרים שלכם אינו מתפקד כראוי. עם חילוף חומרים תקין, האנרגיה המתקבלת מתבזבזת כמעט מיד, ואינה מופקדת בצורת שומן במחסן.

האם אתה מרגיש לעתים קרובות עליז ומלא אנרגיה?אנשים עם חילוף חומרים איטי מרגישים לעתים קרובות עייפים ומוצפים.

האם אתה מעכל מזון מהר?אנשים עם חילוף חומרים טוב בדרך כלל מתהדרים בעיכול טוב. עצירות תכופה היא לעתים קרובות איתות שמשהו לא בסדר בחילוף החומרים.

באיזו תדירות וכמה אתה אוכל?האם אתה מרגיש רעב ואוכל הרבה? תיאבון טובבדרך כלל מעיד על כך שהמזון נספג במהירות בגוף, וזה סימן מטבוליזם מהיר. אבל, כמובן, זו לא סיבה לנטוש תזונה נכונה ואורח חיים פעיל.

שימו לב שחילוף חומרים מהיר מדי, שרבים חולמים עליו, טומן בחובו בעיות: הוא עלול להוביל לנדודי שינה, עצבנות, ירידה במשקל ואפילו בעיות בלב ובכלי הדם.

איך ליצור חילופים עם תזונה?

ישנם לא מעט מזונות שיכולים להשפיע לטובה על חילוף החומרים, למשל:

• ירקות עשירים בסיבים גסים (סלק, סלרי, כרוב, גזר);
• בשר רזה (פילה עוף ללא עור, בשר עגל);
• תה ירוק, פירות הדר, ג'ינג'ר;
• דגים עשירים בזרחן (במיוחד ימיים);
• פירות אקזוטיים (אבוקדו, קוקוס, בננות);
• ירקות (שמיר, פטרוזיליה, בזיליקום).

בדקו אם אתם עושים טעויות אכילה שמובילות להאטה מיותרת בחילוף החומרים!

טעות מס' 1. התזונה שלך דלה מדי בשומנים בריאים

מתלהבים ממוצרים שכותרתם אור? הקפידו לוודא שאתם צורכים מספיק חומצות שומן בלתי רוויות, שנמצאות באותו סלמון או אבוקדו. הם גם עוזרים לשמור על רמות האינסולין בגבולות הנורמליים ולמנוע האטה של ​​חילוף החומרים שלך.

טעות מס' 2. התזונה שלך מכילה הרבה מזונות מוגמרים למחצה ומוכנים

למד היטב את התוויות, סביר להניח שתגלה שסוכר כלול אפילו באותם מוצרים שבהם הוא לא אמור להיות כלל. הוא זה שאחראי לקפיצות ברמת הגלוקוז בדם. אל תיתן לגוף שלך רכבת הרים של אוכל. אחרי הכל, הגוף מתייחס להבדלים כאלה כאות שהגיע הזמן לאגור יותר שומן.

טעות מס' 3. לעתים קרובות אתה מתעלם מכאבי רעב ומדלג על ארוחות

חשוב לא רק מה אתה אוכל, אלא גם מתי אתה עושה את זה (צריך לאכול באופן קבוע ובו זמנית). כל מי שמחכה עד שהבטן מתחילה לסובב התכווצויות רעבות (או מתעלם לחלוטין מאותות הגוף) מסתכן בהשפעה שלילית על קצב חילוף החומרים. לא ניתן לצפות לשום דבר טוב במקרה זה. לפחות, התקפי רעב אכזריים בערבים, שאי אפשר להימנע מהם, בהחלט לא נכנסים לקטגוריית "הטוב".

גורמים והשפעות של כשלים מטבוליים

בין הסיבות לכישלון של תהליכים מטבוליים ניתן לקרוא שינויים פתולוגייםבעבודה של בלוטות יותרת הכליה, בלוטת יותרת המוח ובלוטת התריס.

בנוסף, התנאים המוקדמים לכישלונות כוללים אי ציות לתזונה (מזון יבש, אכילת יתר תכופה, תשוקה כואבת לדיאטות קפדניות), כמו גם תורשה לקויה.

ישנם מספר סימנים חיצוניים שבאמצעותם אתה יכול ללמוד באופן עצמאי לזהות את הבעיות של קטבוליזם ואנבוליזם:

1. תת משקל או עודף משקל;
2. עייפות סומטית ונפיחות של הגפיים העליונות והתחתונות;
3. צלחות ציפורניים מוחלשות ושיער שביר;
4. פריחות בעור, אקנה, קילוף, חיוורון או אדמומיות של העור.

אם המטבוליזם מצוין, אז הגוף יהיה דק, השיער והציפורניים יהיו חזקים, העור יהיה ללא פגמים קוסמטייםולהרגיש טוב.

מטבוליזם (מיוונית: μεταβολή metabolē, "שינוי") הוא סדרה של טרנספורמציות כימיות בתאים של אורגניזמים חיים הנחוצים לקיום חיים. שלושת המטרות העיקריות של חילוף החומרים הן הפיכת מזון/דלק לאנרגיה להפעלת תהליכים תאיים, הפיכת מזון/דלק לאבני בניין לחלבונים, שומנים, חומצות גרעין וחלק מהפחמימות, וסילוק תוצרי פסולת חנקן. תגובות אנזימטיות אלו מאפשרות לאורגניזם לגדול ולהתרבות, לשמור על המבנים שלו ולהגיב לסביבתו. המילה "מטבוליזם" יכולה להתייחס גם לסכום הכל תגובה כימיתהמתרחש באורגניזמים חיים, כולל עיכול והובלה של חומרים לתוך תאים שוניםוביניהם, במקרה זה מכלול התגובות בתוך התאים נקרא מטבוליזם ביניים. חילוף חומרים מחולק בדרך כלל לשתי קטגוריות: קטבוליזם, פירוק חומר אורגני, למשל על ידי נשימה תאית, ואנבוליזם, יצירת רכיבי תאים כגון חלבונים וחומצות גרעין. ככלל, בעת פיצול, אנרגיה משתחררת, וכאשר הצטברות היא נצרך.

התגובות הכימיות של חילוף החומרים מאורגנות במסלולים מטבוליים שבהם תרכובת כימיתהופך באמצעות סדרה של שלבים לתרכובת אחרת, תוך שימוש ברצף של אנזימים. אנזימים הם קריטיים לחילוף החומרים מכיוון שהם מאפשרים לאורגניזמים לבצע תגובות רצויות הדורשות הוצאת אנרגיה שלא הייתה מתרחשת לבד על ידי הצמדתם לתגובות ספונטניות המשחררות אנרגיה. אנזימים פועלים כזרזים המאפשרים לתגובות להתרחש יותר מַהֵר. אנזימים מאפשרים גם ויסות של מסלולים מטבוליים בתגובה לשינויים בסביבת התא או לאותות של תאים אחרים. המערכת המטבולית של אורגניזם מסוים קובעת אילו חומרים יהיו מזינים עבורו ואילו יהיו רעילים. לדוגמה, חלק מהפרוקריוטים משתמשים במימן גופרתי כחומר מזין, אך גז זה רעיל לבעלי חיים. קצב חילוף החומרים משפיע על כמות המזון שהגוף ידרוש, כמו גם כמה הוא יוכל לקבל את המזון הזה. סימן ההיכר של חילוף החומרים הוא הדמיון של מסלולים ורכיבים מטבוליים עיקריים בין מינים שונים אפילו לגמרי. לדוגמה, חומצות קרבוקסיליות רבות, המוכרות בעיקר כחומרי ביניים במחזור קרבס, קיימות בכל אורגניזמים ידועים. הם נמצאו במינים מגוונים כמו חיידקי E. coli חד-תאיים ואורגניזמים רב-תאיים ענקיים כמו פילים. קווי הדמיון המדהימים הללו במסלולי חילוף החומרים קשורים כנראה אליהם הופעה מוקדמתבהיסטוריה האבולוציונית, והתמדתם בשל יעילותם.

ביוכימיקלים בסיסיים

רוב המבנים המרכיבים בעלי חיים, צמחים וחיידקים מורכבים משלוש קבוצות עיקריות של מולקולות: חומצות אמינו, פחמימות ושומנים (הנקראים לעתים קרובות שומנים). מאז למולקולות אלה יש חיוני חֲשִׁיבוּתלכל החיים, תגובות מטבוליות מתמקדות בייצור של מולקולות אלו בתהליך בניית תאים ורקמות, או בפירוקן ושימושן כמקור אנרגיה, בתהליך העיכול. ביוכימיקלים אלו יכולים לשלב זה עם זה וליצור פולימרים כגון DNA וחלבונים החיוניים לחיי המקרומולקולה.

חומצות אמינו וחלבונים

חלבונים מורכבים מחומצות אמינו המסודרות בשרשרת ליניארית, המחוברות ביניהן על ידי קשרים פפטידים. חלבונים רבים הם אנזימים המזרזים תגובות כימיות בחילוף החומרים. לחלבונים אחרים יש פונקציות מבניות או מכניות, כמו חלבונים היוצרים את שלד הציטוס, המערכת השומרת על צורת התא. חלבונים ממלאים גם תפקיד חשוב באיתות התא, תגובות חיסוניות, היצמדות לתאים, הובלה פעילה על פני ממברנות ומחזור התא. חומצות אמינו גם מסייעות בחילוף החומרים של האנרגיה התאית על ידי מתן מקור לפחמן לכניסה למחזור. חוּמצַת לִימוֹן(מחזור חומצה טריקרבוקסילית), במיוחד כאשר מקור אנרגיה ראשוני כגון גלוקוז אינו מספיק, או כאשר התאים נמצאים במתח מטבולי.

ליפידים

ליפידים הם הקבוצה המגוונת ביותר של חומרים ביוכימיים. השימושים המבניים העיקריים שלהם הם כחלק מ ממברנות ביולוגיות, פנימי וחיצוני כאחד, כגון ממברנות תאים, או כמקור אנרגיה. ליפידים מוגדרים בדרך כלל כמולקולות ביולוגיות הידרופוביות או אמפיפתיות, אך הם מתמוססים בממיסים אורגניים כגון בנזן או כלורופורם. שומנים הם קבוצה גדולה של תרכובות המכילות חומצת שומןוגליצרין; מולקולת גליצרול מחוברת לשלושה אסטריםחומצות שומן נקראות טריאצילגליצריד. ישנן מספר וריאציות על מבנה בסיסי זה, כולל עמודי שדרה אלטרנטיביים כגון ספינגוזין על ספינגוליפידים וקבוצות הידרופיליות כגון פוספט על פוספוליפידים. סטרואידים כגון כולסטרול הם סוג חשוב נוסף של שומנים.

פחמימות

פחמימות הן אלדהידים או קטונים, עם קבוצות הידרוקסיל רבות מחוברות, שיכולות להתקיים כשרשראות או טבעות ישרות. פחמימות הן המולקולות הביולוגיות הנפוצות ביותר, וממלאות תפקידים רבים, כמו אחסון והובלת אנרגיה (עמילן, גליקוגן) ורכיבים מבניים (צלולוזה בצמחים, כיטין בבעלי חיים). היחידות הבסיסיות של הפחמימות נקראות חד-סוכרים וכוללות גלקטוז, פרוקטוז ובעיקר גלוקוז. חד סוכרים יכולים להיות מקושרים יחד ליצירת פוליסכרידים.

נוקלאוטידים

שתי חומצות גרעין, DNA ו-RNA, הן פולימרים של נוקלאוטידים. כל נוקלאוטיד מורכב מפוספט המחובר לקבוצת סוכר ריבוז או דאוקסיריבוז המחוברת לבסיס חנקני. חומצות גרעין הן קריטיות לאחסון ושימוש במידע גנטי ולפירושו באמצעות תהליכי שעתוק וביוסינתזה של חלבונים. מידע זה מוגן על ידי מנגנוני תיקון DNA ומופץ באמצעות שכפול DNA. לנגיפים רבים יש גנום RNA, כמו HIV, המשתמש בתעתיק הפוך כדי ליצור תבנית DNA מהגנום ה-RNA הנגיפי שלו. ה-RNA בריבוזומים כגון ספליזוזומים וריבוזומים דומה לאנזימים בכך שהוא יכול לזרז תגובות כימיות. נוקלאוזידים בודדים נוצרים על ידי הצמדת סוכר ריבוז לנוקלאובס. בסיסים אלו הם טבעות הטרוציקליות המכילות חנקן ומסווגים כפורינים או פירמידינים. נוקלאוטידים פועלים גם כקו-אנזימים בתגובות העברת קבוצות מטבוליות.

קו-אנזימים

מטבוליזם כולל טווח רחבתגובות כימיות, אך רוב התגובות הללו נכללות במספר סוגים בסיסיים של תגובות הכוללות העברה של קבוצות פונקציונליות של אטומים והקשרים שלהם במולקולות. תגובות כימיות אלו מאפשרות לתאים להשתמש בקבוצה קטנה של תוצרי ביניים מטבוליים כדי להעביר קבוצות כימיות ביניהן תגובות שונות. תוצרי ביניים אלה בתגובות העברה קבוצתיות נקראים קו-אנזימים. כל סוג של תגובות העברת קבוצה מתבצע על ידי קו-אנזים מסוים, המהווה מצע למספר אנזימים המייצרים אותו, כמו גם למספר אנזימים הצורכים אותו. לכן, קו-אנזימים אלה מיוצרים ללא הרף, נצרך, ולאחר מכן נעשה בהם שימוש חוזר. אחד הקואנזימים המרכזיים הוא אדנוזין טריפוספט (ATP), מקור אנרגיה אוניברסלי לתאים. נוקלאוטיד זה משמש להעברת אנרגיה כימית בין תגובות כימיות שונות. רק כמות קטנה של ATP קיימת בתאים, אך מכיוון שהיא מתחדשת באופן רציף, גוף האדם יכול להשתמש בכמות ATP ליום שהיא בערך המשקל שלו. ATP פועל כ"גשר" בין קטבוליזם לאנבוליזם. קטבוליזם מפרק מולקולות, בעוד אנבוליזם מפגיש אותן. תגובות קטבוליות יוצרות ATP ותגובות אנבוליות צורכות אותו. ATP משמש גם כנשא לקבוצות פוספט בתגובות זרחון. ויטמין הוא תרכובת אורגנית החיונית עבור כמויות קטנות, שלא ניתן לייצר בתאים. בתזונת האדם, רוב הוויטמינים מתפקדים כקו-אנזימים לאחר שינוי; למשל, כולם ויטמינים מסיסים במיםמפוספסים או מקושרים לנוקלאוטידים כאשר הם משמשים בתאים. Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+), נגזרת של ויטמין B3 (ניאצין), הוא קואנזים חשוב הפועל כמקבל מימן. מאות סוגים מסוימיםדהידרוגנאזות מסירים אלקטרונים מהמצעים שלהם ומפחיתים את NAD+ ל-NADH. צורה מופחתת זו של הקואנזים היא המצע לכל אחד מהרדוקטאזים בתא שחייבים לשחזר את הסובסטרטים שלהם. Nicotinamide adenine dinucleotide קיים בשתי צורות קשורות בתא, NADH ו-NADPH. צורת NAD+/NADH חשובה יותר בתגובות קטבוליות, בעוד ש-NADP+/NADH משמש בתגובות אנבוליות.

מינרלים וקו-פקטורים

אלמנטים אנאורגניים ממלאים תפקיד חשוב בחילוף החומרים; חלקם נמצאים בשפע בגוף (לדוגמה, נתרן ואשלגן), בעוד שאחרים פועלים בגוף ריכוזים מינימליים. כ-99% מהמסה של יונק מורכבת מפחמן, חנקן, סידן, נתרן, כלור, אשלגן, מימן, זרחן, חמצן וגופרית. תרכובות אורגניות (חלבונים, שומנים ופחמימות) מכילות את רוב הפחמן והחנקן; רוב החמצן והמימן נמצאים במים. היסודות האנאורגניים השופעים פועלים כאלקטרוליטים יוניים. היונים החשובים ביותר הם נתרן, אשלגן, סידן, מגנזיום, כלוריד, פוספט ויון הביקרבונט האורגני. שמירה על שיפועים יוניים מדויקים בממברנות התא שומרת על לחץ אוסמוטי ו-pH. יונים חשובים גם לתפקוד העצבים והשרירים, שכן פוטנציאל הפעולה ברקמות אלו נוצרים על ידי חילופי אלקטרוליטים בין הנוזל החוץ-תאי לנוזל התא, הציטוזול. אלקטרוליטים נעים פנימה והחוצה מהתאים דרך חלבונים בקרום התא הנקראים תעלות יונים. לדוגמה, התכווצות השרירים תלויה בתנועה של סידן, נתרן ואשלגן דרך תעלות יונים בקרום התא ובצינוריות ה-T. מתכות מעבר קיימות בדרך כלל באורגניזמים כיסודות קורט, כאשר אבץ וברזל נמצאים בגוף בריכוזים הגבוהים ביותר. מתכות אלו משמשות כקו-פקטורים בחלק מהחלבונים והן חיוניות לפעילותם של אנזימים כגון קטלאז וחלבונים נושאי חמצן כגון המוגלובין. גורמי מתכת קשורים קשר הדוק לאתרים ספציפיים בחלבונים; למרות שניתן לשנות קו-פקטורים של אנזים במהלך הקטליזה, הם תמיד חוזרים למצבם המקורי בסוף התגובה המזוזת. מתכות קורט נספגות באורגניזמים באמצעות טרנספורטרים ספציפיים ונקשרות לחלבוני אחסון כגון פריטין או מטלוטיונאין כאשר אינן בשימוש.

יְרִידַת חֳמָרִים

קטבוליזם הוא קבוצה של תהליכים מטבוליים המפרקים מולקולות גדולות. תהליכים אלו כוללים פירוק וחמצון של מולקולות מזון. מטרתן של תגובות קטבוליות היא לספק אנרגיה ורכיבים הדרושים במהלך תגובות אנבוליות. האופי המדויק של תגובות קטבוליות אלה שונה בין אורגניזמים שונים. ניתן לסווג אורגניזמים על סמך מקורות האנרגיה והפחמן שלהם (קבוצות המזון העיקריות שלהם). אורגנוטרופים משתמשים במולקולות אורגניות כמקור אנרגיה, בעוד שליטוטרופים משתמשים במצעים אנאורגניים, ופוטוטרופים משתמשים באור השמש כאנרגיה כימית. עם זאת, כל הצורות השונות הללו של חילוף חומרים תלויות בתגובות חיזור, הכוללות העברה של אלקטרונים ממולקולות תורם מופחתות כגון מולקולות אורגניות, מים, אמוניה, מימן גופרתי או יוני ברזל למולקולות מקבלות כגון חמצן, חנקה או סולפט. . בבעלי חיים, תגובות אלו מערבות מולקולות אורגניות מורכבות המתפרקות למולקולות פשוטות יותר כגון פחמן דו חמצניומים. באורגניזמים פוטוסינתטיים כמו צמחים וציאנובקטריה, תגובות העברת אלקטרונים אלו אינן משחררות אנרגיה, אלא משמשות כדרך לאגירת אנרגיה הנספגת מאור השמש. ניתן לחלק את התגובות הקטבוליות הנפוצות ביותר בבעלי חיים לשלושה שלבים עיקריים. בשלב הראשון, מולקולות אורגניות גדולות כמו חלבונים, פוליסכרידים או שומנים מתפרקות לרכיבים קטנים יותר מחוץ לתא. יתר על כן, מולקולות קטנות אלו נקלטות על ידי תאים ומומרות למולקולות קטנות עוד יותר, בדרך כלל אצטיל-קואנזים A (אצטיל-CoA), אשר משחרר אנרגיה מסוימת. לבסוף, קבוצת האצטיל על CoA מתחמצנת למים ולפחמן דו חמצני במחזור חומצת לימון ובשרשרת העברת האלקטרונים, ומשחררת אנרגיה שנאגרת על ידי הפחתת הקואנזים ניקוטינמיד אדנין דינוקלאוטיד (NAD+) ל-NADH.

אִכּוּל

מקרומולקולות כגון עמילן, תאית או חלבונים לא יכולות להיקלט במהירות על ידי תאים ויש לפרק אותן ליחידות קטנות יותר לפני שניתן יהיה להשתמש בהן במטבוליזם של התא. מספר סוגים כלליים של אנזימים מעכלים את הפולימרים הללו. אלה אנזימי עיכולכוללים פרוטאזות, הממירות חלבונים לחומצות אמינו, כמו גם הידרולאזות גליקוזידים, הממירות פוליסכרידים ל סוכרים פשוטיםהמכונה חד סוכרים. חיידקים פשוט משחררים אנזימי עיכול לסביבה, בעוד שבעלי חיים משחררים אנזימים אלה רק מתאי מיוחדים במעיים שלהם. חומצות האמינו או הסוכרים המשתחררים על ידי אנזימים תאיים אלה נשאבים לתאים באמצעות חלבוני הובלה פעילים.

אנרגיה מתרכובות אורגניות

קטבוליזם של פחמימות הוא פירוק פחמימות ליחידות קטנות יותר. פחמימות נלקחות בדרך כלל לתאים כשהן מתעכלות לחד-סוכרים. לאחר שנכנסים לגוף, דרך הפירוק העיקרית היא גליקוליזה, במהלכה סוכרים כמו גלוקוז ופרוקטוז מומרים לפירובט ונוצר ATP. פירובט הוא תוצר ביניים במספר מסלולים מטבוליים, אך רוב הפירובאט הופך לאצטיל-CoA ומעורב במחזור חומצת הלימון. למרות שחלק מה-ATP נוצר במחזור חומצת לימון, רובם מוצר חשובהוא NADH, שעשוי מ-NAD+ כאשר אצטיל-CoA מתחמצן. במהלך חמצון זה, כמו מוּצָר לְוָאִיפחמן דו חמצני משתחרר. בתנאים אנאירוביים, גליקוליזה מייצרת לקטט, באמצעות האנזים לקטט דהידרוגנאז, מחמצנת מחדש את NADH ל-NAD+ לשימוש חוזר בגליקוליזה. מסלול חלופי לפירוק גלוקוז הוא מסלול הפנטוז פוספט, המפחית את הקו-אנזים NADPH ומייצר פנטוזים כמו ריבוז, מרכיב הסוכר של חומצות גרעין. שומנים מתפצלים במהלך הידרוליזה לחומצות שומן חופשיות וגליצרול. גליצרול נכנס לגליקוליזה וחומצות שומן מתפרקות על ידי חמצון בטא, ומשחררות אצטיל-CoA, שמעורב אז במחזור חומצת הלימון. חומצות שומן משחררות יותר אנרגיה בעת חמצון מאשר פחמימות מכיוון שפחמימות מכילות יותר חמצן במבנים שלהן. סטרואידים מפורקים גם על ידי חיידקים מסוימים בתהליך דומה לחמצון בטא, ותהליך פירוק זה קשור לשחרור כמויות משמעותיות של אצטיל-CoA, פרופיוניל-CoA ופירובאט, אשר יכולים לשמש את התא לאנרגיה. . M. tuberculosis יכולה גם לצמוח על כולסטרול שומני כמקור הפחמן היחיד שלו, וגנים המעורבים במסלול ניצול הכולסטרול (ים) נטען כחשובים ב מצבים משתניםמחזור החיים של זיהום Mycobacterium tuberculosis. חומצות אמינו משמשות לסינתזה של חלבונים וביומולקולות אחרות, או מחומצנות לאוריאה ופחמן דו חמצני כמקור אנרגיה. מסלול החמצון מתחיל בהסרה של קבוצת האמינו על ידי טרנסמינאז. קבוצת האמינו נכנסת למחזור האוריאה ומשאירה שלד פחמן מרוקן בצורה של חומצת קטו. חלק מחומצות הקטו הללו הן תוצרי ביניים במחזור חומצת הלימון, למשל, דמינציה של גלוטמט מובילה ליצירת α-ketoglutarate. ניתן להמיר חומצות אמינו גלוקוגניות לגלוקוז באמצעות גלוקונאוגנזה.

טרנספורמציות אנרגיה

זרחן חמצוני

במהלך זרחון חמצוני, אלקטרונים מוסרים ממולקולות אורגניות באזורים כמו מחזור החומצה הפרוטגונית ומועברים לחמצן, והאנרגיה המשתחררת משמשת לייצור ATP. הדבר נעשה באוקריוטים על ידי סדרה של חלבונים בממברנות המיטוכונדריה הנקראות שרשרת הובלה של אלקטרונים. בפרוקריוטים, חלבונים אלו נמצאים בממברנה הפנימית של התא. חלבונים אלה משתמשים באנרגיה המשתחררת מהעברת אלקטרונים ממולקולות מופחתות כגון NADH לחמצן כדי לשאוב פרוטונים על פני הממברנה. שאיבת הפרוטונים מהמיטוכונדריה יוצרת הבדל בריכוז הפרוטונים על פני הממברנה, ויוצרת גרדיאנט אלקטרוכימי. זה גורם לפרוטונים לחזור למיטוכונדריה דרך הבסיס של אנזים הנקרא ATP synthase. זרימת הפרוטונים גורמת ליחידת המשנה להסתובב, מה שגורם לאתר הפעיל של תחום הסינתאז לשנות צורה ולזרחן ADP, ולהמיר אותו ל-ATP.

אנרגיה מתרכובות אנאורגניות

כימוליטוטרופיה היא סוג של מטבוליזם בפרוקריוטים שבו אנרגיה מופקת על ידי חמצון של תרכובות אנאורגניות. אורגניזמים אלו יכולים להשתמש במימן, תרכובות גופרית מופחתות (כגון גופרית, מימן גופרתי ותיוסולפט), ברזל ברזל (FeII) או אמוניה כמקורות להפחתת הכוח, והם מקבלים אנרגיה מחמצון תרכובות אלו עם קולטי אלקטרונים כגון חמצן או ניטריט. תהליכים מיקרוביאליים אלו ממלאים תפקיד חשוב במחזורים ביו-גיאוכימיים גלובליים כגון אצטוגנזה, ניטריפיקציה ודניטריפיקציה והם קריטיים לפוריות הקרקע.

אנרגיית אור

אנרגיית אור השמש משמשת צמחים, ציאנובקטריות, חיידקים סגולים, חיידקי גופרית ירוקה וכמה פרוטוזואה. תהליך זה קשור לרוב להמרה של פחמן דו חמצני לתרכובות אורגניות כחלק מהפוטוסינתזה. מערכות לכידת האנרגיה וקיבוע הפחמן, לעומת זאת, עשויות לעבוד בנפרד בפרוקריוטים, שכן חיידקים סגולים וחיידקי גופרית ירוקה יכולים להשתמש באור השמש כמקור אנרגיה תוך מעבר בין קיבוע פחמן לתסיסה אורגנית. באורגניזמים רבים, לכידת אנרגיה סולארית דומה באופן עקרוני לזרחון חמצוני, שכן היא כוללת אגירת אנרגיה בצורה של שיפוע ריכוז פרוטונים. הכוח המניע הזה של פרוטונים מוביל אז לסינתזה של ATP. האלקטרונים הדרושים להפעלת שרשרת העברת האלקטרונים הזו מגיעים מחלבונים אוספים אור הנקראים מרכזי תגובה פוטוסינתטיים או רודופסין. מרכזי תגובה מחולקים לשני סוגים על בסיס סוג הפיגמנט הפוטוסינתטי, כאשר לרוב החיידקים הפוטוסינתטיים יש סוג אחד בלבד ואילו לצמחים ולציאנובקטריה יש שניים. בצמחים, באצות ובציאנובקטריה, Photosystem II משתמשת באנרגיית אור כדי להסיר אלקטרונים מהמים, ולשחרר חמצן כתוצר לוואי. לאחר מכן האלקטרונים עוברים לקומפלקס הציטוכרום b6f, אשר משתמש באנרגיה שלהם כדי לשאוב פרוטונים על פני קרום התילקואיד בכלורופלסטים. פרוטונים אלה נעים בחזרה על פני הממברנה כשהם מניעים סינתאז ATP, כמו קודם. לאחר מכן, האלקטרונים עוברים דרך מערכת הצילום I ואז ניתן להשתמש בהם כדי ליצור מחדש את הקו-אנזים NADP+, לשימוש במחזור קלווין, או למחזר אותם ליצירת ATP נוספת.

אנבוליזם

אנבוליזם הוא קבוצה של תהליכים מטבוליים בונים שבהם האנרגיה המשתחררת על ידי קטבוליזם משמשת לסינתזה של מולקולות מורכבות. באופן כללי, המולקולות המורכבות המרכיבות מבנים תאיים בנויות ממבשרים קטנים ופשוטים. אנבוליזם כולל שלושה שלבים עיקריים. ראשית, ייצור של מבשרים כגון חומצות אמינו, חד-סוכרים, איזופרנואידים ונוקלאוטידים, שנית, הפעלתם לצורות תגובתיות באמצעות אנרגיה מ-ATP, ושלישית, הרכבה של מבשרים אלו למולקולות מורכבות כגון חלבונים, פוליסכרידים, שומנים וחומצות גרעין. . אורגניזמים שונים יכולים לבנות כמות שונהמולקולות בתאים. אוטוטרופים כמו צמחים יכולים לבנות מולקולות אורגניות מורכבות בתאים כמו פוליסכרידים וחלבונים ממולקולות פשוטות כמו פחמן דו חמצני ומים. אורגניזמים הטרוטרופיים, לעומת זאת, דורשים מקור ליותר חומרים מורכבים, כגון חד-סוכרים וחומצות אמינו, לייצור מולקולות מורכבות אלו. ניתן לסווג אורגניזמים עוד יותר לפי מקורות האנרגיה העיקריים שלהם: פוטואוטוטרופים ופוטטרוטרופים מקבלים את האנרגיה שלהם מאור, בעוד כימואוטוטרופים וכימוהטרוטרופים מקבלים את האנרגיה שלהם מתגובות חמצון אנאורגניות.

קיבוע פחמן

פוטוסינתזה היא סינתזה של פחמימות מאור השמש ופחמן דו חמצני (CO2). בצמחים, ציאנובקטריות ואצות, פוטוסינתזה חמצנית מפרקת מים, כאשר חמצן משתחרר כתוצר לוואי. תהליך זה משתמש ב-ATP ו-NADPH המיוצרים על ידי מרכזי תגובה פוטוסינתטיים כמתואר לעיל כדי להמיר CO2 לגליצרט 3-פוספט, אשר לאחר מכן ניתן להמיר לגלוקוז. תגובת קיבוע פחמן זו מתבצעת על ידי האנזים Rubisco כחלק ממחזור קלווין-בנסון. לצמחים שלושה סוגים של פוטוסינתזה, קיבוע פחמן C3, קיבוע פחמן C4 ופוטוסינתזה CAM. הם שונים בתוואי שבו נעשה שימוש בפחמן דו חמצני למחזור קלווין, כאשר צמחי C3 מקבעים CO2 ישירות, בעוד שפוטוסינתזה של C4 ו-CAM הופכת את CO2 לתרכובות אחרות קודם כל כהתאמה להתמודדות עם אור שמש עז ותנאי יובש. בפרוקריוטים פוטוסינתטיים, מנגנוני קיבוע הפחמן מגוונים יותר. כאן, ניתן לתקן פחמן דו חמצני באמצעות מחזור קלווין-בנסון, מחזור חומצת לימון הפוך, או קרבוקסילציה של אצטיל-CoA. כימואוטוטרופים פרוקריוטיים גם מקבעים CO2 דרך מחזור קלווין-בנסון, אך משתמשים באנרגיה מתרכובות אנאורגניות כדי להניע את התגובה.

פחמימות וגליקנים

באנבוליזם של פחמימות ניתן להמיר חומצות אורגניות פשוטות לחד-סוכרים כגון גלוקוז ולאחר מכן להשתמש בהן להרכבת פוליסכרידים כגון עמילן. יצירת גלוקוז מתרכובות כגון פירובט, לקטט, גליצרול, גליצראט 3-פוספט וחומצות אמינו נקראת גלוקונאוגנזה. גלוקונאוגנזה ממירה פירובט לגלוקוז-6-פוספט באמצעות מספר תוצרי ביניים, שרבים מהם נראים בגליקוליזה. עם זאת, מסלול זה אינו רק גליקוליזה המתרחשת בו כיוון הפוך, מאחר שמספר שלבים מזורזים על ידי אנזימים שאינם גליקוליטים. זה חשוב מכיוון שהוא מאפשר ויסות נפרד של ייצור ופירוק גלוקוז, וגם מונע משני המסלולים להתרחש בו זמנית במחזור חסר התוחלת. למרות ששומן הוא דרך נפוצה לאגירת אנרגיה, אצל בעלי חוליות כמו בני אדם, חומצות השומן הכלולות במאגרים אלו אינן ניתנות להמרה לגלוקוז באמצעות גלוקונאוגנזה, מכיוון שאורגניזמים אלו אינם יכולים להמיר אצטיל-CoA לפירובט; לצמחים, בניגוד לבעלי חיים, יש את המנגנונים האנזימטיים הדרושים לכך. כתוצאה מכך, לאחר הרעבה ממושכת, בעלי החוליות צריכים לייצר גופי קטון מחומצות שומן כדי להחליף גלוקוז ברקמות כמו המוח שאינן יכולות לבצע חילוף חומרים של חומצות שומן. באורגניזמים אחרים, כגון צמחים וחיידקים, משימה מטבולית זו מתבצעת על ידי מחזור הגלוקוקסילאט, אשר עוקף את שלבי הדקרבוקסילציה במחזור חומצת לימון ומקדם את ההמרה של אצטיל-CoA לאוקסלואצטט, שם ניתן להשתמש בו לייצור גלוקוז. פוליסכרידים וגליקנים מיוצרים על ידי הוספה רציפה של חד סוכרים על ידי גליקוזילטרנספראז מתורם סוכר-פוספט תגובתי כגון uridine diphosphate glucose (UDP-glucose) למקבל קבוצת הידרוקסיל על הפוליסכריד הגדל. מכיוון שכל אחת מקבוצות ההידרוקסיל על טבעת המצע יכולה להיות קבלנית, לפוליסכרידים המיוצרים יכולים להיות מבנים ישרים או מסועפים. לפוליסכרידים המיוצרים יכולים להיות תפקידים מבניים או מטבוליים בפני עצמם, או להיות מועברים לשומנים וחלבונים על ידי אנזימים הנקראים אוליגוסכרילטרנספראזות.

חומצות שומן, איזופרנואידים וסטרואידים

חומצות שומן מיוצרות על ידי סינתזות חומצות שומן, אשר מפילמרות ולאחר מכן מפחיתות יחידות אצטיל-CoA רדוקטאז. שרשראות אציל אלו בחומצות שומן מתארכות על ידי מחזור של תגובות המוסיפות קבוצת אציל, מפחיתות אותה לאלכוהול, מייבשות אותה לקבוצת אלקן, ואז מפחיתות אותה בחזרה לקבוצת אלקנים. אנזימים ביו-סינתטיים של חומצות שומן מתחלקים לשתי קבוצות: בבעלי חיים ובפטריות, כל תגובות סינתאז חומצות שומן אלו מבוצעות על ידי חלבון יחיד ורב-תכליתי מסוג I, בעוד שבפלסטידים צמחיים וחיידקיים, אנזימים נפרדים מסוג II מבצעים כל שלב בדרך . טרפנים ואיזופרנואידים מייצגים מחלקה גדולה של שומנים הכוללים קרוטנואידים ומהווים את המחלקה הגדולה ביותר של צמחים מוצרים טבעיים. תרכובות אלו נוצרות על ידי הרכבה ושינוי של יחידות איזופרן שנתרמו מהמבשרים התגובתיים isopentenyl pyrophosphate ו-dimethylallyl pyrophosphate. מבשרים אלה ניתן לייצר בדרכים שונות. בבעלי חיים ובארכאות, מסלול ה-mevalonate מייצר תרכובות אלו מאצטיל-CoA, בעוד שבצמחים ובחיידקים, המסלול הלא-mevalonate משתמש בפירובאט ובגליצראלדהיד-3-פוספט כמצעים. תגובה חשובה אחת באמצעות תורמי איזופרן פעיל אלה היא הביוסינתזה של סטרואידים. כאן, יחידות איזופרן מתחברות יחד לייצור סקוואלן ולאחר מכן יוצרות קבוצה של טבעות, המייצרות לנוסטרול. לאחר מכן ניתן להמיר לנוסטרול לסטרואידים אחרים כגון כולסטרול וארגוסטרול.

סנאים

סינתזת נוקלאוטידים

נוקלאוטידים עשויים מחומצות אמינו, פחמן דו חמצני ו חומצה פורמיתבמסלול שדורש הרבה אנרגיה מטבולית. כתוצאה מכך, לרוב האורגניזמים יש מערכות יעילות להצלת נוקלאוטידים שנוצרו מראש. פורינים מסונתזים כנוקלאוזידים (בסיסים בריבוז). גם אדנין וגם גואנין מיוצרים מהנוקלאוזיד המבשר אינוזין מונופוספט, המסונתז באמצעות אטומים מחומצות האמינו גליצין, גלוטמין ו חומצה אספרטית, כמו גם פורמט המועבר מקו-אנזים ה-tetrahydrofolate. פירמידינים, לעומת זאת, מסונתזים מהבסיס אורוטאט, שנוצר מגלוטמין ואספרטט.

קסנוביוטיקה ומטבוליזם חיזור

כל האורגניזמים נחשפים כל הזמן לתרכובות שהם לא יכולים להשתמש בהם כמזון ואשר עלולות להזיק אם הם מצטברים בתאים, מאחר שאין להם תפקידים מטבוליים. תרכובות אלה שעלולות להזיק נקראות קסנוביוטיקה. קסנוביוטיקה כגון תרופות סינתטיות, רעלים טבעיים ואנטיביוטיקה משחררים רעלים על ידי מספר אנזימים קסנוביוטיים המטבולים. בבני אדם, אנזימים אלה כוללים ציטוכרום P450 אוקסידאז, UDP-glucuronyltransferase וגלוטתיון S-transferase. מערכת אנזימים זו פועלת בשלושה שלבים, תחילה על ידי חמצון קסנוביוטיקה (שלב I) ולאחר מכן על ידי צימוד קבוצות מסיסות במים על המולקולה (שלב II). לאחר מכן ניתן לשאוב את הקסנוביוטיקה המסיס במים שהשתנה מהתאים, ובאורגניזמים רב-תאיים ניתן לבצע חילוף חומרים נוסף לפני שיסולקו מהגוף (שלב III). באקולוגיה, תגובות אלו חשובות במיוחד בהתפרקות ביולוגית מיקרוביאלית של מזהמים ובתיקון ביולוגי של קרקע מזוהמת ושפך נפט. רבים מהתגובות המיקרוביאליות הללו נראות באורגניזמים רב-תאיים, אך בשל המגוון המדהים של מינים מיקרוביאליים, אורגניזמים אלו יכולים להתמודד עם מגוון רחב הרבה יותר של קסנוביוטיקה מאשר אורגניזמים רב-תאיים, ויכולים גם לבזות אפילו מזהמים אורגניים מתמשכים כגון אורגנוכלורינים. בעיה קשורה עבור אורגניזמים אירוביים- עקה חמצונית. כאן, תהליכים הכוללים זרחון חמצוני ויצירת קשרים דיסולפידים במהלך קיפול חלבון מייצרים מיני חמצן תגובתיים כגון מי חמצן. חומרי החמצון המזיקים הללו מוסרים על ידי מטבוליטים נוגדי חמצון כגון גלוטתיון ואנזימים כגון קטלאזות ופרוקסידאזות.

תרמודינמיקה של אורגניזמים חיים

אורגניזמים חיים חייבים לציית לחוקי התרמודינמיקה, המתארים העברת חום ועבודה. החוק השני של התרמודינמיקה קובע שבכל מערכת סגורה, כמות האנטרופיה (הפרעה) אינה יכולה לרדת. למרות שנראה שהמורכבות המדהימה של אורגניזמים חיים סותרת את החוק הזה, החיים אפשריים מכיוון שכל האורגניזמים הם מערכות פתוחות המחליפות חומר ואנרגיה עם סביבתם. לפיכך, מערכות חיות אינן בשיווי משקל, אלא הן מערכות מתפזרות השומרות על מצבן של מורכבות גבוהה, וגורמות לעלייה גדולה יותר באנטרופיה של סביבתן. חילוף החומרים של התא משיג זאת על ידי שילוב של תהליכי קטבוליזם ספונטניים לתהליכי אנבוליזם לא ספונטניים. במונחים של תרמודינמיקה, חילוף החומרים שומר על סדר על ידי יצירת אי סדר.

רגולציה ובקרה

מכיוון שהסביבה של רוב האורגניזמים משתנה כל הזמן, תגובות מטבוליות חייבות להיות מווסתות היטב כדי לשמור על מערכת קבועה של תנאים בתוך התאים, מצב הנקרא הומאוסטזיס. ויסות מטבולי גם מאפשר לאורגניזמים להגיב לאותות ולקיים אינטראקציה פעילה עם סביבתם. שני מושגים הקשורים זה לזה חיוניים להבנת האופן שבו נשלטים מסלולים מטבוליים. ראשית, ויסות האנזים לאורך הדרך, כאשר פעילותו עולה ויורדת בתגובה לאותות. שנית, השליטה באנזים זה היא ההשפעה שיש לשינויים הללו על הרמה הכוללת של המסלול (הזרימה דרך המסלול). לדוגמה, אנזים עשוי להראות שינויים גדולים בפעילות (כלומר, מווסתת מאוד), אך אם לשינויים אלו יש השפעה מועטה על זרימת המסלול המטבולי, אזי אותו אנזים אינו מעורב בבקרת המסלול. ישנן מספר רמות של ויסות מטבולי. כאשר הוא מווסת פנימית, המסלול המטבולי מווסת את עצמו בתגובה לשינויים ברמות המצע או המוצר; לדוגמה, הקטנת כמות המוצר יכולה להגביר את הזרימה דרך מסלולי הפיצוי. סוג זה של ויסות כולל לרוב ויסות אלוסטרי של פעילותם של מספר אנזימים לאורך הדרך. ויסות חיצוני כולל את התא פנימה אורגניזם רב תאיעל ידי שינוי חילוף החומרים שלו בתגובה לאותות של תאים אחרים. אותות אלה הם בדרך כלל בצורה של שליחים מסיסים כגון הורמונים וגורמי גדילה ומתגלים על ידי קולטנים ספציפיים על פני התא. האותות הללו מועברים לתא באמצעות מערכות שליחים משניות, המעורבות לעתים קרובות בזרחון חלבון. דוגמה טובה מאוד לוויסות חיצוני היא ויסות חילוף החומרים של הגלוקוז על ידי הורמון האינסולין. אינסולין מיוצר בתגובה לעלייה ברמות הגלוקוז בדם. קישור ההורמון לקולטני אינסולין בתאים מפעיל אז מפל של קינאזות חלבון הגורמות לתאים לקלוט גלוקוז ולהמיר אותו למולקולות אגירה כגון חומצות שומן וגליקוגן. חילוף החומרים של הגליקוגן נשלט על ידי הפעילות של פוספורילאז, האנזים המפרק גליקוגן, וגליקוגן סינתאז, האנזים המייצר אותו. אנזימים אלה מווסתים הדדית, כאשר זרחון מעכב את הגליקוגן סינתאז אך מפעיל פוספורילאז. אינסולין מעורר סינתזת גליקוגן על ידי הפעלת חלבון פוספטאז ומייצר ירידה בזרחון של אנזימים אלה.

אבולוציה

חקירה ומניפולציה

באופן קלאסי, מטבוליזם נחקר בגישה רדוקציונית המתמקדת במסלול מטבולי אחד. חשוב במיוחד השימוש בתוויות רדיואקטיביות בכל האורגניזם, ברקמות ואילך ברמה התאית, המגדיר נתיבים מקודמים ל מוצרים סופייםעל ידי זיהוי חומרי ביניים עם תיוג רדיואקטיבי ומוצרים אחרים. לאחר מכן ניתן לטהר אנזימים המזרזים את התגובות הכימיות הללו ולחקור את הקינטיקה שלהם ותגובתם למעכבים. גישה מקבילה היא לזהות מולקולות קטנות בתא או ברקמות; הסט השלם של מולקולות אלו נקרא מטבולום. באופן כללי, מחקרים אלו מספקים תובנה טובה לגבי המבנה והתפקוד של מסלולים מטבוליים פשוטים, אך הם חסרים כאשר מיושמים על מערכות מורכבות יותר כגון חילוף חומרים של תאים שלמים. כעת ניתן להשתמש בנתונים הגנומיים הללו כדי לשחזר רשתות שלמות של תגובות ביוכימיות ולייצר מודלים מתמטיים הוליסטיים יותר שיכולים להסביר ולחזות את התנהגותם. מודלים אלה חזקים במיוחד כאשר משתמשים בהם כדי לשלב נתוני מסלול ונתונים מטבוליים המתקבלים בשיטות קלאסיות עם נתוני ביטוי גנים ממחקרי פרוטאומיקה ומיקרו-מערכי DNA. באמצעות טכניקות אלו, נוצר כעת מודל של חילוף חומרים אנושי שינחה גילוי תרופות עתידי ומחקר ביוכימי. מודלים אלה משמשים כיום בניתוח רשתות כדי לסווג מחלות אנושיות לקבוצות החולקות חלבונים או מטבוליטים משותפים. רשתות מטבוליות חיידקיות הן דוגמה מובהקתארגון "קשת", ארכיטקטורה המסוגלת להכניס מגוון רחב של חומרים מזינים ולייצר מגוון רחב של מוצרים ומקרומולקולות מורכבות עם מספר קטן יחסית של תוצרי ביניים. היישום הטכנולוגי העיקרי של מידע זה הוא הנדסה מטבולית. כאן, אורגניזמים כמו שמרים, צמחים או חיידקים עוברים שינוי גנטי כדי להיות שימושיים יותר בביוטכנולוגיה ולהקל על ייצור תרופות כמו אנטיביוטיקה או כימיקלים תעשייתיים כמו 1,3-פרופאנדיול וחומצה שיקימית. שינויים גנטיים אלו מכוונים בדרך כלל להפחתת כמות האנרגיה המשמשת לייצור מוצר, הגדלת גודל הייצור והפחתת ייצור הפסולת.

כַּתָבָה

המונח "חילוף חומרים" מגיע מיוונית Μεταβολισμός - "מטבוליסמוס", כלומר "שינוי" או "מהפכה". ההתייחסויות המתועדות הראשונות לחילוף החומרים נעשו על ידי אבן אל-נאפיס בעבודתו המתוארכת לשנת 1260 לספירה בשם אל-ריסאלח אל-קמילייה פיל סיירה אל-נבאויה (מסכת קמיל על הביוגרפיה של הנביא), שכללה את הביטוי הבא "שניהם הגוף וחלקיו נמצאים מצב קבועפירוק ותזונה, לכן הם בהכרח עוברים שינויים מתמידים. ההיסטוריה של המחקר המדעי של חילוף החומרים משתרעת על פני כמה מאות שנים ועוברת מחקר בעלי חיים שלמים במחקרים מוקדמים לבחינה של תגובות מטבוליות בודדות בביוכימיה המודרנית. הניסויים המבוקרים הראשונים על מטבוליזם אנושי פורסמו על ידי סנטוריו בשנת 1614 ב-Ars de statica Medicina שלו. הוא תיאר כיצד שקל את עצמו לפני ואחרי אכילה, שינה, עבודה, סקס, צום, שתייה והליכה לשירותים. הוא גילה שרוב המזון שבלע התבזבז בתהליך שהוא כינה "הזעה בלתי מורגשת". במחקרים מוקדמים אלה, המנגנונים של תהליכים מטבוליים אלה לא זוהו, והאמינו שכוח החיים מחייה רקמה חיה. במאה ה-19, בעודו חקר את התסיסה של סוכר לאלכוהול על ידי שמרים, לואי פסטר הגיע למסקנה שהתסיסה הייתה מזורזת על ידי חומרים בתאי השמרים, אותם כינה "אנזימים". הוא כתב כי "תסיסה אלכוהולית מתייחסת לחיים ולארגון של תאי השמרים, לא למוות או ריקבון של התאים". תגלית זו, יחד עם עבודתו של פרידריך ווהלר בשנת 1828 על סינתזה כימית של אוריאה, מתבדלת בכך שהיא התרכובת האורגנית הראשונה שהוכנה ממבשרים אנאורגניים לחלוטין. זה הוכיח שתרכובות אורגניות ותגובות כימיות בתאים אינן שונות באופן עקרוני מכל חלק אחר בכימיה. גילוי האנזימים בתחילת המאה ה-20 על ידי אדוארד בוכנר הפריד בין חקר התגובות הכימיות של חילוף החומרים לבין המחקר הביולוגי של תאים, וסימן גם את הולדת הביוכימיה. הידע הביוכימי גדל במהירות במהלך המחצית הראשונה של המאה ה-20. אחד הפוריים מבין הביוכימאים של אותה תקופה היה הנס קרבס, שתרם תרומה עצומה לחקר המטבוליזם.

מהו חילוף חומרים?

אף פעם לא חשבנו למה יש אנשים שאוכלים הכל (לא לשכוח לחמניות וקונדיטוריה), בזמן שהם נראים כאילו לא אכלו כבר כמה ימים, בעוד שאחרים, להיפך, כל הזמן סופרים קלוריות, עושים דיאטות, הולכים לאולמות כושר ו עדיין לא יכול להתמודד עם קילוגרמים עודפים. אז מה הסוד? מסתבר שהכל עניין של חילוף חומרים!

אז מה זה חילוף חומרים? ולמה אנשים שיש להם קצב חילוף חומרים גבוה אף פעם לא הופכים להשמנת יתר או עודף משקל? אם כבר מדברים על חילוף החומרים, חשוב לציין את הדברים הבאים, שזהו חילוף החומרים המתרחש בגוף וכל השינויים הכימיים, החל מרגע כניסתם של חומרים מזינים לגוף, ועד להוצאתם מהגוף אל הסביבה החיצונית. התהליך המטבולי הוא כל התגובות המתמשכות בגוף, שבגללן נבנים מרכיבי הרקמות המבניות, התאים, כמו גם כל אותם תהליכים שבזכותם הגוף מקבל את האנרגיה הדרושה לו כל כך לתחזוקה תקינה.

לחילוף החומרים חשיבות רבה בחיינו, מכיוון שבזכות כל התגובות והשינויים הכימיים הללו, אנו מקבלים את כל מה שאנו צריכים מהמזון: שומנים, פחמימות, חלבונים, כמו גם ויטמינים, מינרלים, חומצות אמינו, סיבים שימושיים, חומצות אורגניות, וכו' ד.

על פי תכונותיו ניתן לחלק את חילוף החומרים לשני חלקים עיקריים – אנבוליזם וקטבוליזם, כלומר לתהליכים התורמים ליצירת כל החומרים האורגניים הדרושים ולתהליכי הרס. כלומר, תהליכים אנבוליים תורמים ל"טרנספורמציה" של מולקולות פשוטות למורכבות יותר. וכל תהליכי הנתונים האלה קשורים בעלויות אנרגיה. תהליכים קטבוליים, להיפך, משחררים את הגוף מתוצרים סופיים של ריקבון, כמו פחמן דו חמצני, אוריאה, מים ואמוניה, מה שמוביל לשחרור אנרגיה, כלומר, באופן גס, מתרחש חילוף חומרים בשתן.

מהו מטבוליזם תאי?

מה זה מייצג חילוף חומרים תאיאו חילוף החומרים של תא חי? ידוע כי כל תא חי בגופנו הוא מערכת מתואמת ומאורגנת היטב. התא מכיל מבנים שונים, מקרומולקולות גדולות המסייעות לו להתפרק עקב הידרוליזה (כלומר פיצול התא בהשפעת מים) למרכיבים הקטנים ביותר.

בנוסף, התאים מכילים כמות גדולה של אשלגן ומעט מאוד נתרן, למרות העובדה שהסביבה התאית מכילה הרבה נתרן, ואשלגן, להיפך, הרבה פחות. בנוסף, קרום התא מעוצב בצורה כזו שהוא מסייע לחדירת נתרן ואשלגן כאחד. למרבה הצער, מבנים ואנזימים שונים יכולים להרוס את המבנה המבוסס הזה.

והתא עצמו רחוק מהיחס בין אשלגן ונתרן. "הרמוניה" כזו מושגת רק לאחר מותו של אדם בתהליך של אוטוליזה תמותה, כלומר, עיכול או פירוק של הגוף בהשפעת האנזימים שלו.

מהי אנרגיה לתאים?

קודם כל, תאים פשוט צריכים אנרגיה כדי לתמוך בעבודתה של מערכת שרחוקה משיווי משקל. לכן, כדי שתא יהיה במצב תקין עבורו (גם אם הוא רחוק משיווי משקל), עליו בהחלט לקבל את האנרגיה הדרושה לו. והכלל הזה הוא תנאי הכרחי לתפקוד סלולרי תקין. יחד עם זה, מתבצעת עבודה נוספת, שמטרתה אינטראקציה עם הסביבה.

למשל, אם יש התכווצות בתאי שריר, או בתאי כליה, ואפילו התחיל להיווצר שתן, או דחפים עצבייםב תאי עצבים, ובתאים האחראים על מערכת העיכול החל שחרור אנזימי עיכול, או החלה הפרשת הורמונים בתאי הבלוטות האנדוקריניות? או, למשל, התאים של גחליליות החלו לזהור, ובתאים של דגים, למשל, הופיעו פריקות חשמל? כדי להימנע מכל זה, יש צורך באנרגיה לשם כך.

מהם מקורות האנרגיה

בדוגמאות למעלה, אנו רואים שהתא משתמש לעבודתו באנרגיה המתקבלת עקב המבנה של אדנוזין טריפוספט או (ATP). הודות לו, התא רווי באנרגיה, ששחרורה יכול לזרום בין קבוצות פוספט ולשמש כעבודה נוספת. אבל, באותו זמן, עם שבירה הידרוליטית פשוטה של ​​קשרי פוספט (ATP), האנרגיה המתקבלת לא תהפוך לזמינה לתא, במקרה זה, האנרגיה תתבזבז כחום.

תהליך זה מורכב משני שלבים עוקבים. בכל שלב כזה מעורב מוצר ביניים, שמכונה HF. במשוואות למטה, X ו-Y מייצגים שני חומרים אורגניים שונים לחלוטין, האות F מייצגת פוספט, והקיצור ADP מייצג אדנוזין דיפוספט.

נורמליזציה של חילוף החומרים - המונח הזה נכנס חזק לחיינו היום, יתר על כן, הוא הפך לאינדיקטור למשקל תקין, שכן הפרעות מטבוליות בגוף או חילוף החומרים קשורות לעיתים קרובות לעלייה במשקל, עודף משקל, השמנת יתר או אי ספיקה שלו. ניתן לחשוף את מהירות התהליכים המטבוליים בגוף הודות לבדיקה על בסיס חילוף החומרים.

מהי החילוף העיקרי?! זהו אינדיקטור כזה לעוצמת ייצור האנרגיה על ידי הגוף. בדיקה זו מתבצעת בבוקר על קיבה ריקה, בזמן פסיביות, כלומר במנוחה. אדם מוסמך מודד (O2) ספיגת חמצן וכן הפרשת גוף (CO2). כאשר משווים נתונים, הם מגלים כמה אחוזים הגוף שורף חומרים מזינים נכנסים.

כמו כן, פעילותם של תהליכים מטבוליים מושפעת מ מערכת הורמונלית, בלוטת התריס והבלוטות האנדוקריניות, לכן, בעת זיהוי הטיפול במחלות הקשורות לחילוף החומרים, הרופאים מנסים גם לזהות ולקחת בחשבון את רמת העבודה של הורמונים אלו בדם ואת המחלות של מערכות אלו הזמינות.

שיטות בסיסיות לחקר תהליכים מטבוליים

בלימוד תהליכי חילוף החומרים של אחד (כל אחד) ממרכיבי המזון, כל השינויים שלו (שקרו לו) נצפים מצורה אחת שנכנסה לגוף ועד למצב הסופי שבו הוא מופרש מהגוף.

השיטות לחקר חילוף החומרים כיום מגוונות ביותר. בנוסף לכך, נעשה שימוש במספר שיטות ביוכימיות. אחת השיטות לחקר חילוף החומרים היא שיטת שימוש בבעלי חייםאו איברים.

לחיית הניסוי מוזרק חומר מיוחד, ולאחר מכן משתמשים בשתן ובהפרשות שלה לגילוי מוצרים אפשרייםשינויים (מטבוליטים) חומר נתון. ניתן לאסוף את המידע המדויק ביותר על ידי בחינת התהליכים המטבוליים של איבר מסוים, כגון המוח, הכבד או הלב. לשם כך, חומר זה מוזרק לדם, ולאחר מכן, מטבוליטים עוזרים לזהות אותו בדם הנובע מאיבר זה.

הליך זה הוא מאוד מסובך ועתיר סיכון, שכן לעתים קרובות עם שיטות מחקר כאלה נעשה שימוש בשיטה מורטים דקיםאו לעשות קטעים מהאיברים האלה. מקטעים כאלה מונחים באינקובטורים מיוחדים, שם הם נשמרים בטמפרטורה (בדומה לטמפרטורת הגוף) בחומרים מסיסים מיוחדים בתוספת החומר שמטבוליזם שלו נחקר.

בשיטת מחקר זו, התאים אינם נפגעים, בשל העובדה שהחתכים דקים עד כדי כך שהחומר נכנס בקלות ובחופשיות לתאים, ואז יוצא מהם. קורה שיש קשיים שנגרמים ממעבר איטי של חומר מיוחד דרך ממברנות התא.

במקרה זה, כדי להרוס את הממברנות בדרך כלל לטחון רקמה, על מנת שחומר מיוחד ידגור על דייסה התא. ניסויים כאלה הוכיחו שכל התאים החיים בגוף מסוגלים לחמצן גלוקוז לפחמן דו חמצני ומים, ורק תאי רקמה של הכבד יכולים לסנתז אוריאה.

האם אנו משתמשים בתאים?

לפי המבנה שלהם, תאים מייצגים מערכת מאורגנת מורכבת מאוד. ידוע היטב שהתא מורכב מגרעין, ציטופלזמה, ובציטופלזמה שמסביב יש גופים קטנים הנקראים אברונים. הם מגיעים במגוון גדלים ומרקמים.

הודות לטכניקות מיוחדות, ניתן יהיה לבצע הומוגניזציה של רקמות תאים, ולאחר מכן להכפיף אותן להפרדה מיוחדת (צנטריפוגה דיפרנציאלית), וכך לקבל תכשירים שיכילו רק מיטוכונדריה, רק מיקרוזומים, וכן פלזמה או נוזל שקוף. תכשירים אלה מודגרים בנפרד עם התרכובת שחילוף החומרים שלה נמצא במחקר על מנת לקבוע בדיוק אילו מבנים תת-תאיים מעורבים בשינויים הבאים.

היו ידועים מקרים כאשר התגובה הראשונית החלה בציטופלזמה, והתוצר שלה עבר שינויים במיקרוזומים, ולאחר מכן נצפו שינויים עם תגובות אחרות עם מיטוכונדריה. הדגירה של החומר הנחקר עם הומוגנית רקמה או תאים חיים לרוב אינה חושפת שלבים בודדים הקשורים לחילוף החומרים. כדי להבין את כל שרשרת הנתונים המתרחשים של אירועים, הניסויים הבאים בזה אחר זה, שבהם משתמשים במבנים תת-תאיים מסוימים לדגירה, עוזרים.

כיצד להשתמש באיזוטופים רדיואקטיביים

כדי ללמוד תהליכים מטבוליים מסוימים של חומר, יש צורך:

• להשתמש בשיטות אנליטיות כדי לקבוע את החומר הנתון ואת המטבוליטים שלו;
• יש צורך להשתמש בשיטות כאלה שיעזרו להבחין בין החומר שהוכנס לאותו חומר, אך כבר קיים בתכשיר זה.

עמידה בדרישות אלו הייתה המכשול העיקרי במהלך חקר התהליכים המטבוליים בגוף, עד למועד שבו התגלו איזוטופים רדיואקטיביים, כמו גם 14C, פחמימה רדיואקטיבית. ואחרי הופעת 14C ומכשירים המאפשרים למדוד אפילו רדיואקטיביות חלשה, כל הקשיים הנ"ל הגיעו לקיצם. אחרי זה, דברים עם מדידת תהליכים מטבוליים עלו, כמו שאומרים.

עכשיו זה למיוחד הכנה ביולוגית(לדוגמה, תרחיפים של מיטוכונדריה) מתווספת חומצת שומן 14C, ואז, לאחר מכן, אין צורך בניתוחים מיוחדים כדי לקבוע את המוצרים המשפיעים על ההמרה שלה. וכדי לגלות את קצב השימוש, זה הפך להיות אפשרי פשוט למדוד את הרדיואקטיביות של שברים מיטוכונדריאליים שהתקבלו ברצף.

טכניקה זו עוזרת לא רק להבין כיצד לנרמל את חילוף החומרים, אלא גם בזכותה קל להבחין בין המולקולות של חומצת השומן הרדיואקטיבית המוכנסת בניסוי לבין מולקולות חומצת השומן שכבר נמצאו במיטוכונדריה ממש בתחילת הניסוי.

אלקטרופורזה ו... כרומטוגרפיה

על מנת להבין מה וכיצד מנרמל את חילוף החומרים, כלומר כיצד מנרמל חילוף החומרים, יש צורך גם להשתמש בשיטות שיעזרו להפריד בין תערובות המכילות חומרים אורגניים בכמויות קטנות. אחת השיטות החשובות מבין השיטות הללו, המבוססת על תופעת הספיחה, היא שיטת הכרומטוגרפיה. הודות לשיטה זו, תערובת הרכיבים מופרדת.

במקרה זה, ההפרדה של מרכיבי התערובת מתרחשת, אשר מתבצעת או על ידי ספיחה על הסופג, או עקב נייר. כאשר מפרידים על ידי ספיחה על סורבנט, כלומר כאשר הם מתחילים למלא צינורות זכוכית מיוחדים כאלה (עמודים), עם elution הדרגתי ולאחר מכן, כלומר, עם השטיפה שלאחר מכן של כל אחד מהרכיבים הזמינים.

שיטת ההפרדה באלקטרופורזה תלויה ישירות בנוכחות של סימנים, כמו גם במספר המטענים המיוננים של מולקולות. כמו כן, אלקטרופורזה מתבצעת על חלק מהנשאים הלא פעילים, כגון תאית, גומי, עמילן, או, בסופו של דבר, על נייר.

אחד הרגישים וה שיטות יעילותהפרדת התערובת היא כרומטוגרפיה של גז. שיטת הפרדה זו משמשת רק אם החומרים הדרושים להפרדה נמצאים במצב גזי או, למשל, יכולים להיכנס למצב זה בכל עת.

כיצד משתחררים אנזימים?

כדי לגלות כיצד משתחררים אנזימים, לשם כך יש צורך להבין שזה המקום האחרון בסדרה זו: חיה, אחר כך איבר, ואז חתך רקמה, ואז חלק מאברוני התא והומוגנית תופסים אנזימים ש לזרז תגובה כימית מסוימת. לבודד אנזימים בצורה מטוהרת הפך לכיוון חשוב בחקר תהליכים מטבוליים.

החיבור והשילוב של השיטות הנ"ל אפשרו את המסלולים המטבוליים העיקריים ברוב האורגניזמים המאכלסים את הפלנטה שלנו, כולל בני אדם. בנוסף, שיטות אלו עזרו לקבוע תשובות לשאלה כיצד תהליכים מטבוליים מתנהלים בגוף וכן עזרו להבהיר את האופי המערכתי של השלבים העיקריים של מסלולים מטבוליים אלו. כיום, יש יותר מאלף כל מיני תגובות ביוכימיות שכבר נחקרו, כמו גם האנזימים המעורבים בתגובות אלו.

מכיוון ש-ATP נחוץ להופעה של כל ביטוי בתאי חיים, אין זה מפתיע שקצב התהליכים המטבוליים בתאי השומן מכוון בעיקר לסנתז ATP. כדי להשיג זאת, נעשה שימוש בתגובות עוקבות במורכבות משתנה. תגובות כאלה משתמשות בעיקר באנרגיה פוטנציאלית כימית, הכלולה במולקולות של שומנים (ליפידים) ופחמימות.

תהליכים מטבוליים בין פחמימות לשומנים

תהליך מטבולי כזה בין פחמימות לשומנים, בדרך אחרת, נקרא סינתזת ATP, מטבוליזם אנאירובי (כלומר ללא השתתפות חמצן).

התפקיד העיקרי של שומנים ופחמימות הוא שסינתזה של ATP היא זו שמספקת תרכובות פשוטות יותר, למרות העובדה שאותם תהליכים התרחשו בתאים הפרימיטיביים ביותר. רק באווירה חסרת חמצן אי אפשר היה לחמצן לחלוטין שומנים ופחמימות לפחמן דו חמצני.

אפילו בתאים הפרימיטיביים ביותר הללו, נעשה שימוש באותם תהליכים ומנגנונים, שבגללם עצם המבנה של מולקולת הגלוקוז סודר מחדש, שסנתז כמויות קטנות של ATP. בדרך אחרת, תהליכים כאלה במיקרואורגניזמים נקראים תסיסה. עד כה, "התסיסה" של גלוקוז למצב של אלכוהול אתילי ופחמן דו חמצני בשמרים נחקרה במיוחד.

על מנת להשלים את כל השינויים הללו וליצור מספר תוצרי ביניים, היה צורך לבצע אחת עשרה תגובות עוקבות, שבסופו של דבר הוצגו במספר מוצרי ביניים (פוספטים), כלומר אסטרים של חומצה זרחתית. קבוצת פוספטים זו הועברה לאדנוזין דיפוספט (ADP) וגם עם היווצרות ATP. רק שתי מולקולות היוו את התשואה נטו של ATP (עבור כל אחת ממולקולות הגלוקוז שנוצרו בתהליך התסיסה). תהליכים דומים נצפו גם בכל התאים החיים בגוף, שכן הם סיפקו את האנרגיה הנחוצה כל כך לתפקוד תקין. תהליכים כאלה נקראים לעתים קרובות מאוד נשימה של תאים אנאירוביים, אם כי זה לא לגמרי נכון.

גם אצל יונקים וגם אצל בני אדם, תהליך זה נקרא גליקוליזה, והתוצר הסופי שלו נחשב לחומצה לקטית, לא CO2 (פחמן דו חמצני) או אלכוהול. למעט שני השלבים האחרונים, כל רצף תגובות הגליקוליזה נחשב כמעט זהה לתהליך המתרחש בתאי שמרים.

מטבוליזם הוא אירובי, כלומר שימוש בחמצן

ברור שעם הופעת החמצן באטמוספירה, הודות לפוטוסינתזה של הצמח, הודות לאם הטבע, הופיע מנגנון שאיפשר להבטיח חמצון מוחלט של גלוקוז למים ו-CO2. תהליך אירובי כזה אפשר שחרור נטו של ATP (מתוך שלושים ושמונה מולקולות, המבוססות על כל מולקולה של גלוקוז, רק מחומצנות).

תהליך כזה של שימוש בחמצן על ידי תאים, להופעת תרכובות עשירות באנרגיה, מכונה היום נשימה אירובית, תאית. נשימה כזו מתבצעת על ידי אנזימים ציטופלזמיים (בניגוד לנשימה אנאירובית), ותהליכי חמצון מתרחשים במיטוכונדריה.

כאן, חומצה פירובית, שהיא תוצר ביניים, לאחר שנוצרה בשלב האנאירובי, מתחמצנת למצב של CO2 באמצעות רצף של שש תגובות, כאשר בכל תגובה זוג האלקטרונים שלהם מועבר למקבל של המשותף קואנזים ניקוטינמיד אדנין דינוקלאוטיד, מקוצר (NAD). רצף התגובות הזה נקרא מחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית, כמו גם מחזור חומצת לימון או מחזור קרבס, מה שמוביל לכך שכל מולקולת גלוקוז יוצרת שתי מולקולות של חומצה פירובית. במהלך תגובה זו, שנים עשר זוגות אלקטרונים מתרחקים ממולקולת הגלוקוז לצורך חימצון נוסף.

במהלך מקור האנרגיה... שומנים פועלים

מסתבר שחומצות שומן יכולות לשמש כמקור אנרגיה, כמו גם פחמימות. תגובת החמצון של חומצות שומן מתרחשת עקב רצף הביקוע מחומצת השומן (או ליתר דיוק, המולקולה שלה) של שבר דו-פחמן עם הופעת אצטיל קואנזים A, (במילים אחרות, זה אצטיל-CoA) ו העברה של שני זוגות אלקטרונים בו זמנית לשרשרת ההעברה שלהם.

לפיכך, האצטיל-CoA המתקבל הוא אותו מרכיב של מחזור החומצה הטריקרבוקסילית, שגורלו הנוסף אינו שונה מאוד מהאצטיל-CoA, המסופק עקב חילוף חומרים של פחמימות. המשמעות היא שהמנגנונים שמסנתזים ATP במהלך החמצון של שני מטבוליטים של גלוקוז וחומצות שומן כמעט זהים.

אם האנרגיה המסופקת לגוף מתקבלת למעשה עקב תהליך אחד בלבד של חמצון חומצות שומן (לדוגמה, בזמן רעב, עם מחלה כמו סוכרת וכו'), אזי, במקרה זה, עוצמת הופעת האצטיל -CoA יעלה על עוצמת החמצון שלו במחזור החומצה הטריקרבוקסילית עצמו. במקרה זה, מולקולות האצטיל-CoA (שיהיו מיותרות) יתחילו להגיב זו עם זו. בתהליך זה יופיעו חומצות אצטואצטית ו-b-hydroxybutyric. הצטברות זו עלולה לגרום לקטוזיס, סוג של חמצת שעלול להוביל לסוכרת חמורה ואף למוות.

למה עתודות אנרגיה?

כדי להשיג איכשהו אספקה ​​נוספת של אנרגיה, למשל, לבעלי חיים שניזונים באופן לא סדיר ולא שיטתי, הם פשוט צריכים איכשהו להצטייד באנרגיה הדרושה. כגון מאגרי אנרגיה נוצרים באמצעות מאגרי מזון,אליו הכל אותו דבר שומנים ופחמימות.

מסתבר, חומצות שומן יכולות להיות מאוחסנות בצורה של שומנים ניטרליים, המצויים הן ברקמת השומן והן בכבד . ופחמימות, עם הקבלה ל מספר ענקבמערכת העיכול, הם מתחילים לעבור הידרוליזה לגלוקוז ולסוכרים אחרים, שכאשר הם נכנסים לכבד, מסונתזים לגלוקוז. ואז פולימר ענק מתחיל להיות מסונתז מגלוקוז על ידי שילוב שאריות גלוקוז, כמו גם על ידי פיצול מולקולות מים.

לפעמים כמות הגלוקוז השיורית במולקולות הגליקוגן מגיעה ל-30,000. ואם יש צורך באנרגיה, אז הגליקוגן שוב מתחיל להתפרק לגלוקוז במהלך תגובה כימית, התוצר של האחרון הוא גלוקוז פוספט. גלוקוז פוספט זה נכנס למסלול של תהליך הגליקוליזה, שהוא חלק מהמסלול האחראי לחמצון הגלוקוז. גלוקוז פוספט יכול גם לעבור תגובת הידרוליזה בכבד עצמו, והגלוקוז שנוצר כך מועבר לתאי הגוף יחד עם הדם.

איך הסינתזה מפחמימות לשומנים?

אוהבים אוכל פחמימתי? מסתבר שאם כמות הפחמימות המתקבלת מהמזון בבת אחת עולה שיעור מותר, במקרה זה, פחמימות נכנסות ל"רזרבה" בצורה של גליקוגן, כלומר, מזון עודף פחמימות הופך לשומנים. ראשית, אצטיל-CoA נוצר מגלוקוז, ולאחר מכן הוא מתחיל להיות מסונתז בציטופלזמה של התא עבור חומצות שומן ארוכות שרשרת.

ניתן לתאר תהליך זה של "טרנספורמציה" כתהליך חמצון תקין של תאי שומן. לאחר מכן, חומצות שומן מתחילות להיות מופקדות בצורה של טריגליצרידים, כלומר שומנים ניטרליים המופקדים (בעיקר באזורים בעייתיים), ב חלקים שוניםגוּף.

אם הגוף זקוק בדחיפות לאנרגיה, אז שומנים ניטרליים העוברים הידרוליזה, כמו גם חומצות שומן, מתחילים להיכנס לזרם הדם. כאן הם רוויים במולקולות של אלבומינים וגלובולינים, כלומר חלבוני פלזמה, ואז מתחילים להיספג על ידי אחרים, רובם תאים שונים. לבעלי חיים אין מנגנון כזה שיכול לסנתז מגלוקוז וחומצות שומן, אבל לצמחים יש אותם.

סינתזה של תרכובות המכילות חנקן

בבעלי חיים, חומצות אמינו משמשות לא רק כביוסינתזה של חלבון, אלא גם כחומר הראשוני המוכן לסינתזה של תרכובות המכילות חנקן מסוימות. חומצת אמינו כגון טירוזין הופכת למבשר של הורמונים כמו נוראדרנלין ואדרנלין. וגליצרול (חומצת האמינו הפשוטה ביותר) משמש כחומר המוצא לביוסינתזה של פורינים, שהם חלק מחומצת הגרעין, כמו גם פורפירינים וציטוכרומים.

המבשר של פירמידינים חומצת גרעין היא חומצה אספרטית, וקבוצת המתיונין מתחילה לעבור במהלך הסינתזה של קריאטין, סרקוזין וכולין. המבשר של חומצה ניקוטינית הוא טריפטופן, ומוואלין (שנוצר בצמחים) ניתן לסנתז ויטמין כמו חומצה פנטותנית. ואלה רק כמה דוגמאות לשימוש בסינתזה של תרכובות המכילות חנקן.

כיצד מתרחש חילוף החומרים של שומנים

בדרך כלל, שומנים נכנסים לגוף בצורה של טריגליצרידים של חומצות שומן. ברגע שהם נמצאים במעי בהשפעת אנזימים המיוצרים על ידי הלבלב, הם מתחילים לעבור הידרוליזה. כאן הם שוב מסונתזים כשומנים ניטרליים, לאחר מכן הם נכנסים לכבד או לדם, ויכולים גם להיות מופקדים כרזרבה ברקמת השומן.

כבר אמרנו שניתן לסנתז מחדש חומצות שומן גם ממבשרי פחמימות שהופיעו בעבר. יש לציין גם שלמרות העובדה שבתאי בעלי חיים, ניתן להבחין בהכללה בו-זמנית של קשר כפול אחד במולקולות חומצות שומן ארוכות שרשרת. תאים אלו אינם יכולים לכלול את הקשר הכפול השני ואפילו השלישי.

ומכיוון שחומצות שומן בעלות קשרים כפולים שלושה ושני ממלאות תפקיד חשוב בתהליכים המטבוליים של בעלי חיים (כולל בני אדם), במהותן מדובר ברכיבים תזונתיים חשובים, אפשר לומר, ויטמינים. לכן לינולנית (C18:3) ולינולאית (C18:2) נקראות גם חומצות שומן חיוניות. עוד נמצא כי בתאים ניתן לכלול קשר רביעי כפול גם בחומצה הלינולנית. עקב התארכות שרשרת הפחמן, עשוי להופיע משתתף חשוב נוסף בתגובות מטבוליות חומצה ארכידונית (ס 20:4).

במהלך סינתזת שומנים ניתן להבחין בשאריות חומצות שומן הקשורות לקואנזים A. באמצעות סינתזה, שאריות אלו מועברות לאסטר הגליצרופוספט של גליצרול וחומצה זרחתית. כתוצאה מתגובה זו נוצרת תרכובת של חומצה פוספטית, כאשר אחת התרכובות שלה היא גליצרול אסתר בחומצה זרחתית, והשתיים האחרות הן חומצות שומן.

עם הופעת שומנים ניטרליים תוסר חומצה זרחתית בהידרוליזה ובמקומה תהיה חומצת שומן שהופיעה כתוצאה מתגובה כימית עם acyl-CoA. קו-אנזים A עצמו עשוי להגיע מאחד הוויטמינים חומצה פנטותנית. מולקולה זו מכילה קבוצת sulfhydryl, המגיבה לחומצות עם הופעת תיואסטרים. בתורו, חומצה פוספטידית פוספוליפידית מגיבה עם בסיסים חנקניים כמו סרין, כולין ואתנולמין.

לפיכך, כל הסטרואידים המצויים בגוף של יונקים (למעט ויטמין D) יכולים להיות מסונתזים באופן עצמאי על ידי הגוף עצמו.

כיצד מתרחש חילוף החומרים של חלבון?

הוכח שהחלבונים הקיימים בכל התאים החיים מורכבים מעשרים ואחד סוגים של חומצות אמינו, המחוברות ברצפים שונים. חומצות אמינו אלו מסונתזות על ידי אורגניזמים. סינתזה כזו מובילה בדרך כלל להופעת חומצה α-keto. כלומר, חומצה א-קטו או חומצה א-קטוגלוטרית מעורבת בסינתזה של חנקן.

גוף האדם, כמו גופם של בעלי חיים רבים, הצליח לשמור על היכולת לסנתז את כל חומצות האמינו הזמינות (למעט כמה חומצות אמינו חיוניות), אשר חייבות להיות מסופקות עם מזון.

כיצד מתרחשת סינתזת חלבון

תהליך זה מתנהל בדרך כלל כדלקמן. כל חומצת אמינו בציטופלזמה של התא מגיבה עם ATP ולאחר מכן מתחברת לקבוצה הסופית של מולקולת החומצה הריבונוקלאית, שהיא ספציפית לחומצת אמינו זו. לאחר מכן מחברים את המולקולה המסובכת לריבוזום, שנקבע במיקום של מולקולת חומצה ריבונוקלאית מוארכת יותר, המחוברת לריבוזום.

לאחר שכל המולקולות המורכבות מסתדרות, נוצר פער בין חומצת האמינו לחומצה הריבונוקלאית, חומצות אמינו שכנות מתחילות להיות מסונתזות וכך מתקבל חלבון. נורמליזציה של חילוף החומרים מתרחשת עקב סינתזה הרמונית של תהליכים מטבוליים חלבון-פחמימות-שומן.

אז מהו חילוף חומרים אורגני?

על מנת להבין ולהבין טוב יותר תהליכים מטבוליים, כמו גם לשקם את הבריאות ולשפר את חילוף החומרים, יש צורך להקפיד על ההמלצות הבאות לגבי נורמליזציה ושיקום חילוף החומרים.

• חשוב להבין שלא ניתן להפוך תהליכים מטבוליים. ריקבון החומרים לעולם אינו ממשיך בדרך הפשוטה של ​​היפוך תגובות סינתזה. אנזימים אחרים, כמו גם כמה תוצרי ביניים, לוקחים חלק בהכרח בדעיכה זו. לעתים קרובות מאוד, תהליכים המכוונים לכיוונים שונים מתחילים להתרחש בתאים שונים של התא. לדוגמה, חומצות שומן יכולות להיות מסונתזות בציטופלזמה של תא בהשפעת קבוצה מסוימת של אנזימים, בעוד שתהליך החמצון במיטוכונדריה יכול להתרחש עם קבוצה שונה לחלוטין.
• מספיק אנזימים נצפים בתאים חיים בגוף כדי לזרז את תהליך התגובות המטבוליות, אך למרות זאת, תהליכים מטבוליים לא תמיד מתקדמים במהירות, ולכן, הדבר מעיד על קיומם בתאים שלנו של כמה מנגנוני ויסות המשפיעים על תהליכים מטבוליים . עד כה, כמה סוגים של מנגנונים כאלה כבר התגלו.
• אחד הגורמים המשפיעים על הירידה בקצב התהליכים המטבוליים של חומר נתון הוא כניסתו של חומר זה לתא עצמו. לכן, ניתן לכוון את הוויסות של תהליכים מטבוליים לגורם זה. למשל, אם ניקח אינסולין, שתפקידו, כידוע, קשור בהקלה על חדירת הגלוקוז לכל התאים. קצב ה"טרנספורמציה" של גלוקוז, במקרה זה, יהיה תלוי בקצב שבו הוא הגיע. אם ניקח בחשבון סידן וברזל, כאשר הם נכנסים לדם מהמעיים, אז קצב התגובות המטבוליות, במקרה זה, יהיה תלוי ברבים, כולל תהליכי רגולציה.
• למרבה הצער, לא כל החומרים יכולים לנוע בחופשיות מתא תא אחד למשנהו. יש גם הנחה שההעברה התוך תאית נשלטת כל הזמן על ידי הורמונים סטרואידים מסוימים.
• מדענים זיהו שני סוגים של מנגנוני סרוו שאחראים למשוב שלילי בתהליכים מטבוליים.
• אפילו בחיידקים צוינו דוגמאות המוכיחות קיומן של איזושהי תגובות עוקבות. לדוגמה, הביוסינתזה של אחד האנזימים מדכאת את חומצות האמינו הנחוצות כל כך להשגת חומצת אמינו זו.
• על ידי לימוד מקרים בודדים של תגובות מטבוליות, נמצא כי האנזים שהביוסינתזה שלו הושפעה היה אחראי לשלב העיקרי במסלול המטבולי המוביל לסינתזה של חומצת האמינו.
• חשוב להבין שמספר קטן של אבני בניין מעורבים בתהליכים מטבוליים וביוסינתטיים, שכל אחד מהם מתחיל לשמש לסינתזה של תרכובות רבות. תרכובות אלו כוללות: אצטיל קואנזים A, גליצין, גליצרופוספט, קרבמיל פוספט ואחרים. מהרכיבים הקטנים הללו נבנות אז תרכובות מורכבות ומגוונות, שניתן לצפות בהן באורגניזמים חיים.
• לעתים רחוקות מאוד, תרכובות אורגניות פשוטות מעורבות ישירות בתהליכים מטבוליים. תרכובות כאלה, על מנת להראות את פעילותן, יצטרכו להצטרף לכמה סדרות של תרכובות המעורבות באופן פעיל בתהליכים מטבוליים. לדוגמה, גלוקוז יכול להתחיל בתהליכי חמצון רק לאחר שהוא עבר אסטרציה עם חומצה זרחתית, ולשינויים נוספים הבאים הוא יצטרך להיות אסטריר עם אורידין דיפוספט.
• אם ניקח בחשבון חומצות שומן, אז הן גם לא יכולות לקחת חלק בשינויים מטבוליים כל עוד הן יוצרות אסטרים עם קואנזים A. במקביל, כל מפעיל הופך להיות קשור לאחד מהנוקלאוטידים שהם חלק מחומצה ריבונוקלאית או נוצרים ממה - ויטמין. לכן, מתברר מדוע אנו זקוקים לוויטמינים רק בכמויות קטנות. הם נצרכים עקב קו-אנזים, כאשר בכל מולקולת קו-אנזים נעשה שימוש מספר פעמים במהלך חייה, בניגוד לחומרי הזנה, שהמולקולות שלהם משמשות פעם אחת (למשל מולקולות גלוקוז).

והאחרון! לסיום נושא זה, אני באמת רוצה לומר שהמונח "חילוף חומרים" עצמו, אם קודם לכן התכוון לסינתזה של חלבונים, פחמימות ושומנים בגוף, כעת הוא משמש כינוי לכמה אלפי תגובות אנזימטיות, שיכולות לייצג עצום רשת של מסלולים מטבוליים מחוברים זה לזה.

בקשר עם

חילוף חומרים. תהליכים מטבוליים.

חילוף חומרים(אוֹ חילוף חומרים, מיוונית μεταβολή - "טרנספורמציה, שינוי") (להלן "O.v") - זהו הסדר הטבעי של הטרנספורמציה של חומרים ואנרגיה במערכות החיים שבבסיס החיים, שמטרתו לשמרם ולהתרבותם העצמית; מכלול כל התגובות הכימיות המתרחשות בגוף.

ה-MH 3 החופשי נוצר במהלך חיסול חומצות אמינו עבור הגוף; הוא נקשר לחומצות או הופך לאוריאה, חומצת שתן, אספרגין או גלוטמין. בבעלי חיים, מלחי אמוניום, אוריאה ו חומצת שתןמופרשים מהגוף, בעוד שבצמחים, אספרגין, גלוטמין ואוריאה משמשים בגוף כמקורות רזרבה לחנקן. לפיכך, אחד ההבדלים הביוכימיים החשובים ביותר בין צמחים ובעלי חיים הוא כמעט היעדרות מוחלטתבפסולת החנקנית הראשונה. היווצרות אוריאה במהלך התפזרות חמצונית של חומצות אמינו מתבצעת בעיקר בעזרת מה שנקרא מחזור אורניתין, הקשור קשר הדוק לטרנספורמציות אחרות של חלבונים וחומצות אמינו בגוף. ההתפזרות של חומצות אמינו יכולה להתרחש גם על ידי דה-קרבוקסילציה שלהן, שבה נוצרים מחומצת האמינו CO 2 וכל אמין או חומצת אמינו חדשה (למשל, כאשר היסטידין עובר דה-קרבוקסילציה, נוצר היסטמין - חומר פעיל פיזיולוגית, וכאשר חומצה אספרטית היא decarboxylated - חומצת אמינו חדשה - (α- או β-alanine.) אמינים יכולים להיות מתילציה ליצירת בטאינים שונים ותרכובות חשובות כגון כולין. צמחים משתמשים באמינים (יחד עם כמה חומצות אמינו) לביוסינתזה של אלקלואידים.

III. הקשר של חילוף החומרים של פחמימות, שומנים, חלבונים ותרכובות אחרות

כל התהליכים הביוכימיים המתרחשים בגוף קשורים זה לזה באופן הדוק. הקשר בין חילוף החומרים של חלבון ותהליכי חיזור מתבצע בדרכים שונות. התגובות הביוכימיות הבודדות העומדות בבסיס התהליך מתרחשות עקב הפעולה הקטליטית של האנזימים המתאימים, כלומר חלבונים. במקביל, תוצרי פירוק החלבון - חומצות אמינו - יכולים לעבור טרנספורמציות חיזור שונות - דקרבוקסילציה, דמינציה וכו'.

לפיכך, תוצרי הדה-אמינציה של חומצות אספרטית וגלוטמיות - חומצות אוקסלו-אצטית ו-α-ketoglutaric - הם במקביל החוליה החשובה ביותר בטרנספורמציות החמצוניות של פחמימות המתרחשות בתהליך. חומצה פירובית, תוצר הביניים החשוב ביותר שנוצר במהלך התסיסה, וקשורה גם היא לחילוף החומרים של חלבון: באינטראקציה עם NH 3 והאנזים המקביל, היא נותנת את חומצת האמינו החשובה α-alanine. הקשר ההדוק ביותר בין תהליכי התסיסה והנשימה עם חילוף החומרים של שומנים בגוף מתבטא בעובדה שפוספוגליצרלדהיד, הנוצר בשלבים הראשונים של פיזור הפחמימות, הוא חומר המוצא לסינתזה של גליצרול. מאידך, כתוצאה מחמצון חומצה פירובית מתקבלות שאריות חומצה אצטית, מהן מסונתזות חומצות שומן מולקולריות גבוהות ואיזופרנואידים שונים (טרפנים, קרוטנואידים, סטרואידים). לפיכך, תהליכי התסיסה והנשימה מובילים להיווצרות תרכובות הנחוצות לסינתזה של שומנים וחומרים אחרים.

IV. תפקידם של ויטמינים ומינרלים בחילוף החומרים

בטרנספורמציות של חומרים בגוף, מים ותרכובות מינרלים שונות תופסים מקום חשוב. להשתתף בתגובות אנזימטיות רבות כחלק מקו-אנזימים. לכן, נגזרת של ויטמין B 1 - תיאמין פירופוספט - משמשת כקו-אנזים במהלך דקרבוקסילציה חמצונית (חומצות α-keto, כולל חומצה פירובית; ויטמין B 6 פוספט אסטר - פירידוקסלי פוספט - הכרחי עבור טרנסאמינציה קטליטית, דקרבוקסילציה וחומצות אמינו אחרות תגובות. נגזרת של ויטמין A כלולה בהרכב הפיגמנט החזותי.הפונקציות של מספר ויטמינים (לדוגמה, חומצה אסקורבית) לא הובהרו לחלוטין. סוגים שוניםאורגניזמים שונים הן ביכולתם לסנתז ויטמינים ביולוגית והן בצרכיהם לקבוצה של ויטמינים מסוימים שמגיעים עם המזון, הנחוצים לחילוף חומרים תקין.

תפקיד חשוב במטבוליזם המינרלים הוא Na, K, Ca, P, כמו גם אחרים. חומר אנאורגני. Na ו-K מעורבים בתופעות ביו-חשמליות ואוסמוטיות בתאים וברקמות, במנגנונים של חדירות ממברנה ביולוגית; Ca ו-P הם המרכיבים העיקריים ו; Fe הוא חלק מהפיגמנטים הנשימתיים - המוגלובין ומיוגלובין, וכן מספר אנזימים. יסודות קורט אחרים (Cu, Mn, Mo, Zn) נחוצים גם הם לפעילותם של האחרונים.

תפקיד מכריע ב מנגנוני אנרגיהחילוף החומרים מופעל על ידי אסטרים של חומצה זרחתית ומעל לכל, חומצות זרחתיות אדנוזין, אשר קולטים וצוברים אנרגיה המשתחררת בגוף בתהליכים של גליקוליזה, חמצון ופוטוסינתזה. אלו וכמה תרכובות עשירות באנרגיה אחרות (ראה תרכובות בעלות אנרגיה גבוהה) מעבירות את האנרגיה הכלולה בקשרים הכימיים שלהן לשימוש בתהליך של עבודה מכאנית, אוסמוטית ואחרת או לביצוע תגובות סינתטיות הנלוות לצריכה של אנרגיה (ראה גם ביו-אנרגטיקה).

V. ויסות חילוף החומרים

הקוהרנטיות והקוהרנטיות המפתיעות של תהליכים מטבוליים באורגניזם חי מושגת באמצעות תיאום קפדני ופלסטי של תהליכים מטבוליים. הן בתאים והן ברקמות ואיברים. תיאום זה קובע אורגניזם נתוןטבעו של חילוף החומרים שהתפתח בתהליך ההתפתחות ההיסטורי, נתמך ומכוון על ידי מנגנוני התורשה והאינטראקציה של האורגניזם עם הסביבה החיצונית.

ויסות חילוף החומרים ברמה התאית מתבצע על ידי ויסות הסינתזה והפעילות של אנזימים. הסינתזה של כל אנזים נקבעת על ידי הגן המתאים. תוצרי ביניים שונים של O. v., הפועלים על אתר מסוים, המכיל מידע על סינתזה של אנזים נתון, יכולים לעורר (להתחיל, לשפר) או להיפך, להדחיק (לעצור) את הסינתזה שלו. כך, coliעם עודף של איזולאוצין במדיום התזונתי, זה מפסיק את הסינתזה של חומצת אמינו זו. עודף איזולאוצין פועל בשתי דרכים:

• א) מעכב (מעכב) את פעילות האנזים ת'רונין דהידראז, המזרז את השלב הראשון בשרשרת התגובות המובילה לסינתזה של איזולאוצין, וכן
• ב) מדכא את הסינתזה של כל האנזימים הדרושים לביו-סינתזה של איזולאוצין (כולל תראון דיידדראז).

עיכוב של threonine dehydrase מתבצע על פי העיקרון של ויסות אלוסטרי של פעילות האנזים.

הצטברות בדם וברקמות של מספר מוצרים מטבוליים ביניים (לקטית, פירובית, חומצות אצטואצטית) נצפית תוך הפרה של תהליכי חמצון, הפרעות וברברי; הפרה של חילוף החומרים המינרלים יכולה להוביל לשינויים באיזון חומצה-בסיס. הפרעת חילוף החומרים של כולסטרול עומדת בבסיס סוגים מסוימים. הפרעות מטבוליות חמורות כוללות הפרה של ספיגת חלבון ב-thyrotoxicosis, suppuration כרוני, כמה; הפרה של ספיגת מים עם מלחי ליים וזרחן עם אוסטאומלציה ומחלות אחרות רקמת עצם, מלחי נתרן - עם מחלת אדיסון.

אבחון הפרעות מטבוליותמבוסס על חקר חילופי גזים, הקשר בין כמות החומר הנכנסת לגוף והפרשתו, קביעת המרכיבים הכימיים של דם, שתן והפרשות אחרות. כדי ללמוד הפרעות מטבוליות, מוצגים אינדיקטורים של איזוטופים (לדוגמה, יוד רדיואקטיבי - בעיקר 131 I - ב-thyrotoxicosis).

טיפול בהפרעות מטבוליותמטרתו בעיקר לחסל את הגורמים הגורמים להם. ראה גם "מחלות מולקולריות", מחלות תורשתיות וספרות מתחת למאמרים אלו. (ש.מ.לייטס)

קרא עוד על מטבוליזם בספרות:

• פ. אנגלס, דיאלקטיקה של הטבע, קרל מרקס, פ. אנגלס, יצירות, מהדורה 2, כרך 20;
• אנגלס פ., אנטי-דוהרינג, שם;
• Wagner R., Mitchell G., Genetics and metabolism מתורגם מאנגלית M., 1958;
• כריסטיאן בוהמר אנפינסן. בסיסים מולקולרייםאבולוציה, תורגם מאנגלית, מ', 1962;
• יעקב פרנסואה, מונו ז'אק. מנגנונים ביוכימיים וגנטיים של ויסות בתא חיידקי, [תורגם מצרפתית], בספר: ביולוגיה מולקולרית. בעיות וסיכויים, מוסקבה, 1964;
• אופרין אלכסנדר איבנוביץ'. הופעתם והתפתחותם הראשונית של החיים, מ', 1966;
• סקולאצ'ב ולדימיר פטרוביץ' צבירת אנרגיה בתא, מ', 1969;
• מולקולות ותאים, תורגם מאנגלית, ג. 1 - 5, מ', 1966 - 1970;
• קרטוביץ' וצלב לאונוביץ'. יסודות הביוכימיה של הצמחים, מהדורה 5, מ', 1971;
• זברסקי בוריס איליץ', איבנוב הראשון, מרדשב סרגיי רופוביץ'. כימיה ביולוגית, מהדורה 5, ל', 1972.