Биохимия

Біохімічні процеси, які  вивчаються на рівні тканин і клітин, охоплюють хімічні перетворення і видозміни структур білків, жирів  і вуглеводів, що надходять в організм у вигляді їжі. Всі ці процеси відбуваються за участю великої кількості ферментів, які забезпечують певну послідовність обмінних реакцій у часі, місце і швидкість перебігу їх. Одночасно з процесом розкладання складних органічних сполук на простіші у клітині відбуваються також процеси синтезу складних органічних сполук (біологічний синтез, або біосинтез). Цим терміном позначають усі біохімічні процеси, які відбуваються в живих організмах і супроводжуються утворенням із простих, низькомолекулярних речовин складних високомолекулярних сполук (нуклеїнових кислот, білків, полісахаридів). Основні хімічні сполуки (амінокислоти, нуклеотиди тощо) синтезуються в клітині із глюкози та аміаку в результаті перебігу кількох сотень послідовних хімічних реакцій. Кожний етап у цій послідовності реакцій здійснюється специфічним ферментом. Отже, глюкоза — це джерело енергії в клітині й основна хімічна сполука для синтезу найважливіших органічних речовин. Процеси розщеплення і синтезу в клітині узгоджені так, що близько половини вуглецевих атомів входить до складу різних хімічних сполук, а решта окиснюється до вуглекислого газу.

Сукупність усіх реакцій  біосинтезу прийнято називати асиміляцією (анаболізмом) (лат. assimilatio — уподібнення), або пластичним обміном. Усі реакції пластичного обміну відбуваються з поглинанням енергії (ендотермічні). Протилежний процес — розщеплення й окиснення органічних сполук у клітині — має назву дисиміляції (катаболізму) (лат. dissimilatio — робити несхожим), або енергетичного обміну. Всі реакції енергетичного обміну відбуваються з виділенням енергії (екзотермічні).

Реакції, які відбуваються під час асиміляції і дисиміляції, хоча й протилежні, однак у живих організмах тісно взаємозв'язані і невіддільні одні від одних. Вони становлять дві сторони єдиного процесу обміну речовин.

Обмін речовин і енергії  в клітині (сукупність пластичного та енергетичного обмінів) — це основна умова підтримання життя клітини, основа її функціонування й розвитку.

Для життєдіяльності  клітини, її функціонування, росту, розмноження, синтезу органічних сполук необхідна  енергія. Основним джерелом втримання енергії клітиною є глюкоза. Якщо у клітину потрапляє не глюкоза, а якийсь інший вуглевод, то він перетворюється на глюкозу або на одну із проміжних сполук, які утворюються в процесі розщеплення глюкози, а далі ці речовини розщеплюються подібно до глюкози. У цьому процесі високомолекулярні органічні сполуки перетворюються на прості органічні і неорганічні. Процес енергетичного обміну дуже складний. Схематично він може бути зведений до двох етапів.

Як відомо, в процесі  травлення складні органічні сполуки розщеплюються в травному каналі на простіші: жири - на гліцерин і жирні кислоти, полісахариди — на моносахариди, білки — на амінокислоти. Всмоктуючись, вони надходять до внутрішнього середовища організму. Цей процес іноді розглядають як підготовчий етап енергетичного обміну речовин в організмі. Він супроводжується виділенням порівняно невеликої кількості енергії, яка розсіюється у вигляді теплоти.

На першому етапі енергетичного обміну речовини, які утворилися під час підготовчого етапу, включаються в подальший процес розщеплення без участі кисню. Це складний, багатоступінчастий процес, який відбувається на внутрішньоклітинних мембранах, де є відповідні ферменти. Речовини переміщуються по цих ферментах, як по конвеєру. Розглянемо це на прикладі розщеплення глюкози, яке має спеціальну назву — гліколіз. У процесі гліколізу кисень участі не бере, тому його називають безкисневим розщепленням. Реакція гліколізу в клітині відбувається за участю фосфорної кислоти та АДФ.

Другий етап енергетичного обміну — повне, або кисневе, розщеплення. Основною умовою етапу є надходження в клітину достатньої кількості кисню. Як і гліколіз, кисневе розщеплення — це низка послідовних реакцій, кожну з яких каталізує певний фермент. Усі ці процеси відбуваються на мембранах мітохондрій. Проміжні реакції розщеплення молочної кислоти до кінцевих продуктів (CO₂ і Н₂О) відбуваються з виділенням енергії.

6. Ліпіди та їх обмін

Ліпіди (від грецького lipos — жир) являють собою складні органічні сполуки, до складу яких входять жирні кислоти. За хімічною природою більшість ліпідів (за винятком стеринів) є складними ефірами, вони не розчиняються у воді, а розчиняються в органічних розчинниках (ефірі, бензолі).

Ліпіди входять до складу будь-яких тканин як структурний  елемент клітини, а також як запасний матеріал сполучної тканини, насіння рослин, м'якоті плодів та ін. Кількість ліпідів досягає в насінні деяких рослин до 55—60%, у жирових тканинах до 95%.

До складу ліпідів  входять жири (суміш тригліцеридів) та ліпоїди (жироподібні речовини).

Жири беруть активну  участь у пластичних процесах і виступають важливим джерелом енергії. При повному окиснюванні 1 г жиру виділяється близько 39 Кдж енергії, що у два з лишком рази більше, ніж з такої ж кількості білків чи вуглеводів. Жири — це носії жиророзчинних вітамінів та біологічно активних ліпоїдів (фосфогліцеридів). Людині на добу потрібно від 80 до 100 г жирів.

Залежно від характеру  зв'язку атомів вуглецю у вуглеводневому ланцюжку всі жирні кислоти поділяються на насичені і ненасичені.

Насичені жирні кислоти мають загальну формулу С_пН_2п+,СООН. Залежно від кількості атомів вуглецю в молекулі кислоти вони поділяються на низькомолекулярні (мають до 9 вуглецевих атомів) та високомолекулярні.

Важливою властивістю  насичених (і ненасичених) кислот є їхня температура плавлення. Вона залежить, перш за все, від молекулярної маси кислоти.

Ненасичені жирні кислоти  мають більш низьку температуру топлення, ніж насичені з тією ж кількістю атомів вуглецю.

Характерною особливістю  ненасичених жирних кислот є їх легка змінюваність, здатність до окиснення і реакцій приєднання, що обумовлюється наявністю в їхніх молекулах подвійних (потрійних) зв'язків.

Поліненасичені жирні  кислоти (лінолева, ліноленова, арахідонова) називаються незамінними жирними кислотами, бо вони не можуть утворюватися в організмі людини, а повинні надходити з їжею. Ці кислоти відіграють важливу біологічну роль: регулюють холестериновий обмін, підвищують еластичність і знижують проникність стінок кровоносних судин.

Джерелом лінолевої та ліноленової кислот виступають жири рослинного походження, арахідонова кислота потрапляє в організм з жирами тваринного походження. Крім того, тваринний організм здатний синтезувати арахідонову кислоту з лінолевої кислоти в присутності вітаміну В₆.

Ліпоїди — це жироподібні речовини, які містяться разом з жирами (від 0,2 до 6,0%). За походженням їх можна поділити на дві групи. Одні з них називають супутниками жирів або домішками першого роду. Ці речовини завжди містяться в сирих жирах, бо являють собою складові частини клітин жирових тканин. Як правило, за хімічною природою ці речовини, як і жири,— складні ефіри. Це фосфогліцериди, стерини і воски. Але деякі супутники жирів мають і іншу хімічну природу, наприклад, каротиноїди.

Фосфатиди (фосфогліцериди) належать до складних ефірів, у складі яких, крім гліцерину, жирних кислот, є залишок фосфорної кислоти.

Фосфатиди — біологічно активні речовини, входять до складу всіх клітин живого організму рослин і тварин. Вони регулюють міжклітинний обмін жирів, переносять кисень, проявляють антиокиснювальні властивості, прискорюють розсмоктування жиру в печінці. Фосфатиди як емульгатори застосовуються при виробництві майонезу, борошняних кондитерських виробів, шоколаду.

Фосфатиди гігроскопічні, набухають у воді, утворюють колоїдні розчини. Ці властивості фосфатидів використовуються при рафінації жирів. Фосфатиди легко окиснюються киснем, при цьому вони набувають темного кольору.

Серед фосфатидів найбільше  вивчені лецитини, кефаліни, фосфосерини.

Лецитини являють собою тригліцериди, в яких одна спиртова група етерифікована фосфорною кислотою, з'єднаною з холіном (CH₂OHCH₂N(CH₃)3OH), а дві інші — високомолекулярними жирними кислотами.

Кефаліни відрізняються від лецитинів тим, що замість холіну до них входить коламін (СН₂ОН—СН₂—NH₂).

У продуктах лецитини і кефаліни зустрічаються разом, причому в продуктах рослинного походження здебільшого містяться кефаліни, а тваринного — лецитини.

Фосфосерини містять у своєму складі амінооксикислоту серин (CH₂OHCHNH₂COOH). Фосфосерини входять до складу речовини головного мозку. Є вони в насінні олійних рослин.

Стерини. У жирах, які не зазнали дії активних хімічних речовин, завжди містяться стерини (стероли) — поліциклічні ненасичені спирти гідроароматичного ряду.

Типовим представником  стеринів тваринного походження є холестерин. У невеликих кількостях він зустрічається  у вільному вигляді або як складний ефір — холестерид. Холестерин присутній у всіх клітинах і тканинах, бере участь в утворенні багатьох гормонів, затримує вологу, забезпечує необхідний тургор клітин. Під впливом ультрафіолетового проміння деякі стерини (ергостерин) перетворюються на вітамін Д₃, який відзначається високою біологічною активністю. Але поряд з важливим фізіологічним значенням холестерин виступає як фактор, що каталізує розвиток атеросклерозу. У крові здорової людини за норму вважається 140—200 мг % холестерину.

Крім стеринів у жирах  містяться і складні ефіри  стеролів і високомолекулярних жирних кислот, тобто стериди. Стеридів більше міститься в жирах рослинного походження, ніж у жирах тваринного походження.

Нейтральні ліпіди — це похідні вищих жирних кислот і трьохатомного спирту гліцерину.

Фосфоліпіди — найбільша частина ліпідів, які входять до складу клітинних мембран. Якщо в середньому на ліпіди припадає 40 % сухої маси мембран, то 80 % з них— на фосфоліпіди. Отже, основні функції мембран (регулювання проникності різних речовин і клітинного вмісту, функціонування іонних насосів, сприйняття, оброблення і передавання всередину клітини інформації з її поверхні, імунна відповідь, синтез білків і багато іншого) здійсняються за участю фосфолінідів.

Ліпіди не розчинні у  воді і добре розчинні в органічних розчинниках (бензині, ефірі тощо). Самі ліпіди є розчинниками для деяких вітамінів.

7. Вітаміни і  ферменти в життєдіяльності організмів

Для підтримання нормальної життєдіяльності організму крім білків, жирів, вуглеводів, мінеральних речовин і води потрібні вітаміни. Цим терміном називають групу додаткових речовин їжі, що належать до різних класів органічних сполук і за рідкісним винятком не синтезуються в організмі людини. Вони мають сильний і певною мірою специфічний вплив на процеси обміну, причому в дуже невеликих кількостях.

Вітаміни надходять  в організм з продуктами харчування, переважно рослинного походження. В тканинах організму людини вони засвоюються, утворюючи більш складні речовини, їх значення полягає в тому, що вони є складовою частиною молекул багатьох ферментів та деяких фізіологічне активних речовин, які беруть участь в обміні речовин. Отже, якщо вітаміни не надходять з їжею, то організм не отримує необхідних речовин, що згубно позначається на здоров'ї людини.

Нині відомо понад 20 вітамінів, які мають безпосереднє значення для здоров'я людини. Усі вони розподілені на дві групи: жиророзчинні (кальцифероли — віт. D, каротиноїди— провітаміни А, ретинол — віт. А, токофероли — віт. Е, філохінони — віт. К) і водорозчинні (аскорбінова кислота — віт. С, біотин — віт. Н, нікотинова кислота — віт. РР, пантотенова кислота — віт. В₅, рибофлавін — віт. В₂, ціанокобаламін — віт. В₁₂).

За нормального раціону  і здорового способу життя  потреба у вітамінах задовольняється природним шляхом. Проте навіть за цих умов узимку й навесні доцільно вживати додатково аскорбінову кислоту (віт. С). У разі одноманітного харчування, збідненого на натуральні рослинні продукти, спостерігається порушення обміну вітамінів. Дещо вища потреба у вітамінах у молоді, а також у осіб, що працюють у шкідливих умовах, живуть у суворих кліматичних умовах, під час захворювань. У таких випадках люди потребують додаткового збагачення їжі вітамінами.

Значення вітамінів  для організму. Нині добре відомо, що при нестачі (гіповітаміноз, або авітаміноз) або надлишку (гіпервітаміноз) вітамінів в організмі розвиваються захворювання.

Добова потреба людини у вітамінах значною мірою  залежить від її віку, роду занять, маси тіла, статі, загального стану здоров'я тощо.

Аскорбінова кислота (віт. С) не синтезується в організмі людини і потреба в ній задовольняється тільки з продуктами харчування. Тому в умовах голодного або напівголодного існування нестача аскорбінової кислоти найбільше позначається на здоров'ї. Якщо організм тривалий час не отримує цього вітаміну, розвивається авітаміноз— цинга, її ознаки — виснажене обличчя, набряклі, кровоточиві ясна; на тілі безліч червоних плям, синців від крововиливів. Те саме й на внутрішніх органах — серці, печінці, легенях, м'язах. Якщо до цього додати ламкість кісток, втрату апетиту, знижену опірність до інших захворювань, нервово-психічні розлади, то можна уявити-більш-менш повну картину захворювання на цингу. У людей, що живуть у зонах помірного, різко континентального і арктичного клімату, гіповітаміноз спостерігається навесні у зв'язку з нестачею в цей час продуктів рослинного походження. Слід нагадати, що нагрівання їжі призводить до руйнування цього вітаміну.