Биохимические особенности стареющего организма реферат
Обновлено: 03.07.2024
Синтез белков (как и все биосинтезы) идет с поглощением энергии, которая черпается из процессов биологического окисления, в ходе которых создаются молекулы АТФ. Окислительные процессы в растущем организме протекают более напряженно. Поглощение кислорода на 1 м² поверхности тела у 3-х летнего ребенка больше, чем у взрослого – на 95%,
у 6-ти летнего – на 66%,
у 9-ти летнего – на 36%,
у 12-ти летнего – на 25%.
Содержание гемоглобина в крови и миоглобина в мышцах у детей ниже, чем у взрослых, поэтому кислородная емкость организма детей меньше. При расчете на 1 кг веса тела ребенка поглощается меньше О2при каждом входе, а с каждым сокращением сердца у них переносится меньше О2 к мышцам, нервной системе и другим органам.
Сердечно-сосудистая и дыхательная системы у детей и подростков в состоянии покоя функционируют с большим напряжением, чем у взрослых, а поэтому обладают меньшим функциональным резервом.
При выполнении одинаковой физической нагрузки повышение уровня молочной кислоты в крови у детей больше, чем у взрослых. Многие физические упражнения (особенно неинтенсивные и длительные) быстро приводят у детей к снижению уровня сахара в крови.
Лишь эмоционально насыщенные занятия с разнообразными упражнениями и, особенно с игровыми элементами способствуют сохранению повышенного уровня сахара в крови до конца урока.
Характерной особенностью стареющего организма является снижение интенсивности обмена веществ. Самообновление белков замедляется, что приводит к уменьшению скорости деления клеток. Многие клетки атрофируются и гибнут.
Например: у 20-30 –летнего вес мышц около 36 кг,
у 70-80 –летнего – 23-24 кг.
Уменьшается число нервных клеток в коре головного мозга. Содержание белков в головном мозгу становится меньше, а содержание липидов - больше. Идет замедление размножения костных клеток и уменьшение прочности костей. Замедляется новообразование эритроцитов. Ухудшается заживление ран. Так, у 20-летнего рана в 20 см² заживает за 1 месяц, у 60-летних – за 3 месяца.
С возрастом уменьшается содержание ДНК в большей степени, чем РНК. Изменяется структура белков (изменяется аминокислотный состав белков, состояние активных центров, возможны мутации, влияние радиации). Это вызывает изменение в структуре нуклеиновой кислоты, а далее – в синтезируемом белке.
С возрастом имеют место изменения соотношения белков (альбуминов и глобулинов в сыворотке крови в сторону увеличения глобулинов и уменьшения альбуминов на 10%):
У человека от 10 до 20 лет: Аlb – 57 %,
У человека от 40 до 50 лет: Аlb – 52 %,
У человека от 80 до 90 лет: Аlb – 48 %,
В целом Аlb и Нlb в сыворотке крови с возрастом уменьшается. Изменяется количество белка, которое откладывается в организме. Если белок пищи принять за 100%, то у новорожденных в первые дни откладывается в организме 83%, у 1-1,5 месячного – 53%, у 6-ти месячного – 20%.
С возрастом претерпевает изменение обмен липидов. В почках, печени, мозге, сердце, скелетных мышцах содержание жира остается неизменным. Изменение жира идет в жировом депо: сальнике, околосердечной сумке, вокруг почек. С возрастом синтез жира остается на одном уровне, но затруднен его распад, а это ведет к накоплению жира в организме. Повышается содержание холестерина в сыворотке крови. Количество гликогена в печени с возрастом уменьшается, так как она становится менее способна к синтезу гликогена. Содержание сахара в крови повышается: у 20-ти летнего – 97 мг%, 90-то летнего – 176 мг%.
Это объясняется двумя причинами:
1. С возрастом меньше образуется гормона инсулина, который переводит глюкозу крови в гликоген.
2. С возрастом снижается активность ферментов, в том числе гексокиназы, которая активизирует глюкозу.
Уровень процессов ассимиляции с возрастом уменьшается. Изменяется степень участия веществ в образовании энергии. Так в юношеском возрасте скелетные мышцы не используют жирные кислоты как источник энергии, а используются углеводы, а в старческом возрасте наоборот.
Интенсивность окисления углеводов в сердечной мышце возрастает с возрастом. С возрастом уменьшается количество воды и увеличивается количество сухого вещества в организме. Снижается эластичность и прочность кровеносных сосудов, а это ведет к атеросклерозу.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Методическая разработка на тему:
Возрастные особенности биохимической адаптации к физическим нагрузкам людей различного возраста.
Биохимическая характеристика растущего организма.
Особенности биоэнергетика растущего организма.
Биохимическое обоснование методики проведения занятий физической культурой и спортом с детьми и подростка
Биохимическая характеристика стареющего организма.
Особенности биоэнергетических процессов у людей пожилого возраста.
Обоснование методики занятий физической культурой с пожилыми людьми.
1. Обмен веществ, представляет собой сложнейшую цепь процессов, заключающихся в усвоении веществ из окружающей среды, их химических превращениях в организме и выделении в окружающую среду конечных продуктов этих превращений. В процессе обмена веществ в организм из окружающей среды поступают продукты питания и кислород: сложные молекулы белков, липидов, углеводов и некоторых других веществ распадаются на более мелкие молекулы, лучше растворимые в воде и более легко распределяемые по организму.
Период роста характеризуется неинтенсивным, синтезом белка и нуклеиновых кислот. Происходит увеличение процентного отношения мышечной ткани к весу тела.
Интенсивный синтез белков и нуклеиновых кислот требует значительных энергетических затрат.
Для ребенка характерна также повышенная двигательная активность и значительные теплопотери (отношение поверхности тела к весу у детей выше, чем у взрослых). Это также, требует значительных затрат энергии.
Высокий уровень энергозатрат растущего организма обеспечивается высокой интенсивностью процессов аэробного окисления. Это связано с постоянной напряженностью в работе дыхательного и сердечно-сосудистого аппарата. В то же время для детей характерны относительно низкие функциональные возможности органов дыхания и кровообращения, невысокая кислородная емкость крови и организма в целом, связанная с понижением содержания гемоглобина и миоглобина, несовершенство механизма регуляции дыхания и кровообращения.
Для растущего организма характерны также пониженные анаэробные возможности. Это связано с относительно низким содержанием креатин фосфата и гликогена, ограниченными буферными возможностями организма, меньшей устойчивостью к продуктам анаэробного обмена.
Рост живого организма - это процесс интенсивного синтеза белков и нуклеиновых кислот. В соответствии с этим потребность в белках у детей значительно выше, чем у взрослых. В период роста происходит увеличение размеров и веса всех органов и тканей. Особенно интенсивно увеличивается мышечная масса. Возрастает процентное отношение мышечной массы к весу тела. Особенно активно синтезируются мышечные белки в период полового созревания. В этот период заметно увеличивается мышечная сила и быстрота.
Интенсивный синтез белков и нуклеиновых кислот требует значительных энергетических затрат. Высокий уровень энерготратрастущего организма обеспечивается интенсивно идущими процессами аэробного окисления. Эго находит отражение в более высоком, чем у взрослых, потреблении О2на 1кг веса тела (общее количество потребляемого в единицу времени О2у взрослых выше из- за большего веса тела).
Потребление кислорода детьми в покое.
Потребление 02 (в мл/кг мин)
Повышенное потребление О2 обеспечивается постоянным напряжением в работе дыхательной и сердечно-сосудистой систем. В тоже время для детей характерен более низкий уровень развития систем организма, обеспечивающих потребление, транспорт и использование О2 клетками организма. У детей слабее развиты дыхательные мышцы, ниже диффузионная способность легких.
В детском возрасте ниже кислородная емкость крови, обусловленная пониженным содержанием гемоглобина в крови. Ограниченные возможности детей потреблять кислород и небольшие запасы его в организме объясняются также невысоким содержанием миоглобина. Растущий организм уступает взрослому и по количеству, и по активности ферментов, осуществляющих аэробные превращения.
Еще одним и фактором, ограничивающим возможности аэробного обмена у детей и подростков, является высокая степень разобщения окисления с фосфорилированием (то есть перенос пары водородов с НАД * Н2 по дыхательным ферментам на кислород очень часто сопровождается ре синтезом не трех, а меньшего количества молекул АТФ).
Ограниченность углеводных ресурсов организма объясняется тем, что часть углеводов используется в качестве строительного материала.
При выполнение мышечной работы содержание сахара в крови у детей и подростков снижается значительно быстрее, чем у взрослых. Это объясняется не только меньшими запасами углеводов в печени и в организме в целом, но и особенностями регуляции углеводного обмена, выражающимся в недостаточной мобилизационной способности печени к выделению сахара в кровь.
Таким образом, растущий организм характеризуется высокой интенсивностью обменных процессов, преобладанием процессов ассимиляции над диссимиляцией, что обеспечивает его рост и развитие. Это приводит к высокой интенсивности процессов энергообмена в организме. Кроме того, повышенные энерготраты организма детей и подростков связанны с их повышенной двигательной активностью и большой теплоотдачей.
Большие энерготраты растущего организма приводят к тому, что системы аэробного энергообеспечения даже в состоянии покоя функционируют с большой напряженностью.
Наряду с ограниченными аэробными возможностями, растущий организм характеризуется невысокими анаэробными возможностями. Ограниченные возможности креатинфосфатного механизма ресинтеза АТФ в растущем организме связанны преимущественно с невысоким содержанием креатин фосфата в мышцах. Увеличение содержания креатинфосфата в мышцах происходит параллельно с ростом организма вплоть дозрелого возраста.
Ограниченные возможности гликолитического механизма энергообеспечения связанны с пониженным содержанием гликогена в мышцах, меньшим возможностям буферных систем организма, более низкой устойчивостью к продуктам анаэробного обмена и меньшей активностью ряда ферментов гликолиза.
Небольшие анаэробные возможности с одной стороны, и высокая интенсивность аэробных процессов, с другой - определяют более высокую скорость восстановительных процессов у детей и подростков.
3. У детей и подростков сравнительно низкая мощность и устойчивость деятельности желез внутренней секреции. Некоторые вырабатываемые ими гормоны (адреналин) выполняют важные функции при работе. Они способствуют лучшему обеспечению работающих мышц и других органов и тканей источниками энергии, повышают активность ферментов, осуществляющих химические реакции. Особенностями растущего организма позволяет детям и подросткам сравнительно легко переносить кратковременные интенсивные нагрузки, при которых энергетическое обеспечение осуществляется преимущественно за счет расщепления креатин фосфата, При менее интенсивной, но более продолжительной нагрузке (от 20-30сек. до 4-5 мин)большое значение приобретают гликолитические механизмы энергообеспечения.
Таким образом, дети и подростки проявляют сравнительно невысокую работоспособность в упражнениях, требующих проявления выносливости. Особенно трудны и даже опасны для здоровья юных спортсменов упражнения на выносливость лактатной анаэробной направленности. Развитие скоростной выносливости целесообразно проводить не ранее 17-18 лет. В 19-20-летнем возрасте создаются оптимальные предпосылки для достижения высоких результатов в скоростно-силовых видах легкой атлетики, оптимальные предпосылки к достижению высоких результатов создаются в возрасте22-24 лет и старше.
При занятиях с юными спортсменами не следует применять очень больших физических нагрузок. Не рекомендуются длительные усилия и статистические напряжения. Наиболее целесообразны кратковременные интенсивные упражнения, разнообразные по характеру, с достаточным временем отдыха. При многолетней тренировки следует ориентироваться на постепенное возрастание объема, а не интенсивности тренировочных нагрузок и с 60 лет для мужчин (возможны значительные индивидуальные колебания). В школьном возрасте происходят существенные изменения в обмене веществ. До 10 лет жировой обмен у мальчиков и девочек протекает одинаково, а затем в возрасте 14—Л 5 лет у девочек увеличивается отложение жира в подкожную клетчатку, у мальчиков же жир в основном расходуется на восполнение энергетических затрат. К 14—15 годам происходит интенсивное увеличение мышечной ткани и силы мышц — главным образом у девочек. У мальчиков этот процесс заканчивается позже. Потребность в углеводах у мальчиков-подростков выше, чем у девочек.
В период полового созревания высок уровень минерального обмена, обусловливающий рост скелета. У подростков увеличивается функциональная нагрузка на все органы и системы и прежде всего на ЦНС, сердечно-сосудистую и пищеварительную системы.
За период детства увеличивается объем желудка и возрастает кислотность желудочного сока, в 10 раз увеличивается в объеме печень; параллельно с этим повышается ее функциональная активность.
Основной обмен у детей по сравнению со взрослыми повышен более чем в 1,5—2 раза за счет расхода энергии на построение новых тканей. Соответственно этому у детей более высокий, чем у взрослых, уровень энерготрат на 1 кг массы тела.
Эти данные необходимо учитывать при разработке рационов для детей разного возраста.
Поскольку питание должно покрыть не только расход энергии, но и обеспечить нормальные условия для роста и физического развития ребенка, общая калорийность суточного рациона должна быть выше энергетических затрат на 10%. В настоящее время наблюдается характерное явление — акселерация, которая проявляется в негармоничном ускорении роста и массы тела, а также в более раннем половом созревании детей и подростков. От динамики увеличения роста и массы тела отстает функциональная и морфологическая зрелость отдельных органов и систем, что увеличивает неустойчивость организма к действию различных повреждающих факторов внутренней и внешней среды.
4. Для стареющего организма характерно общее снижение интенсивности обменных процессов, значительное снижение пластического обмена. Процесс распада белков начинает преобладать над их синтезом, что приводит к снижению содержания общего белка и его фракций в клетках и жидкостях организма. Атрофируются многие нервные, мышечные и др. клетки, снижается содержание и активность белков-ферментов, содержание гемоглобина крови и миоглобина мышц.
Снижается содержание мобильных источников энергии, уменьшаются буферные возможности и устойчивость ферментов к изменениям р Н внутренней среды.
К старости увеличивается содержание солей в костной ткани, что снижает их эластичность и повышает ломкость. Снижается эластичность и прочность связок, ухудшается кровоснабжение мышц и других органов и тканей. Все это делает опасным для здоровья выполнение интенсивных упражнений скоростного и скоростно-силового характера: спринтерского бега, различных прыжков, упражнений с большим отягощением и т. п.
5. В процессе старения человека снижаются функциональная активность всех отделов пищеварения: жевательного аппарата, пищевода, желудка, поджелудочной железы, печени, кишечника. В результате нарушений затрудняется глотание, ухудшается процесс прохождения пищи по пищеводу, пища долго задерживается в полости желудка, вызывая усиленное газообразование с отрыжкой и повышением давления в желудке, происходит неполное переваривание белков, жиров, углеводов, а отсюда хронический дефицит важнейших питательных веществ и нарушения обменных процессов в органах и тканях, гиповитаминозы, иммунодефицит, расстройства многих функций организма. Характерно также развитие дисбактериоза кишечника, усиление запоров, всасывание вредных для организма веществ, которые не успевает обезвредить нарушенная бактериальная флора кишечника.
Эти изменения в деятельности органов пищеварения у лиц пожилого и старческого возраста носят медленно развивающийся характер, от образа жизни человека в молодом и среднем возрасте зависит то, на что настраивается его организм: либо на раннее старение, либо на формирование поздних (отсроченных) процессов старения.
Также, особую актуальность приобретают медико-социальные проблемы, связанные с профилактикой и коррекцией заболеваний пожилого возраста. Особое место в этом процессе занимают витамины, обладающие высокой биологической активностью. В отличие от других незаменимых пищевых веществ витамины участвуют в обмене веществ в качестве ко-ферментов многих биохимических и физиологических процессов.
Лица пожилого и старческого возраста, испытывают хронический дефицит микронутриентов (минералов и витаминов), особенно в зимнее время в силу экономических причин и традиций питания. Зимний рацион питания пожилого человека, состоящий преимущественно из рафинированных продуктов, практически полностью лишен витаминов.
Длительный и глубокий дефицит витаминов ведет к снижению качества жизни и может явиться причиной развития тяжелых заболевании - таковы результаты некоторых исследований, проведенных в развитых странах.
Недостаточная обеспеченность организма витаминами, характерная для большинства пожилых людей, коих лишь условно можно отнести к категории здоровых, усугубляется при наличии любого заболевания, в первую очередь при болезнях желудочно-кишечного тракта, печени и почек, при которых имеет место нарушение всасывания и утилизации витаминов.
Очевидно, что в настоящее время есть возможность повысить эффективность усвоения компонентов витаминно-минерального комплекса, для этого необходимо исключить отрицательные (антагонистические) взаимодействия микронутриентов и учесть положительные (синергические) взаимодействия.
6. Задача физических упражнений в пожилом возрасте – замедлить развитие возрастных изменений и сохранить работоспособность.
Лицам пожилого возраста всесторонне воздействовать на организм, умеренная интенсивность работы и достаточное время для отдыха.
Стареющий организм характеризуется рядом особенностей, отличающих его от растущего и зрелого организма. Прежде всего, это общее снижение интенсивности обменных процессов.
Известно, что к 70 годам инволюции подвергается до 40% нефронов (даже при отсутствии первичной патологии почек), на 30—40% снижается дезинтоксикационная функция печени, у 48—60% лиц пожилого и старческого возраста развивается анемия, обусловленная жировым перерождением костного мозга. Наличие вредных привычек (курение, регулярное употребление алкоголя) усугубляет выраженность возрастных функциональных изменений органов и систем. В связи с изменениями объемов водных пространств организма (> 20%) и снижением основного обмена (50—60%) существенно изменяется фармакокинетика лекарственных препаратов. Все это заставляет существенно корректировать традиционные методы анестезии у пациентов пожилого и старческого возраста.
По этой причине целесообразно коснуться наиболее значимых аспектов клинической морфофизиологии стареющего организма.
Нарушается синаптическая передача, снижается продукция нейротрансмиттеров. Вследствие этого позднее пробуждение больного нередко ошибочно трактуется анестезиологами, как передозировка анестетиками.
В процессе старения снижается объем циркулирующей крови (ОЦК) на 10— 30%, отмечается сгущение крови, гипопротеинемия. Уменьшается гидратация тканей, водный сектор внеклеточного пространства. Увеличивается дефицит клеточного К+, снижается концентрация Na+ в крови.
Изменения дыхательной системы при старении. На фоне уменьшения общей массы тела (возрастная дистрофия скелетной мускулатуры) снижается эффективность работы диафрагмы и межреберных мышц. Повышается ригидность грудной клетки, дыхание становится преимущественно абдоминальным.
Морфологические изменения бронхов и легочной ткани заключаются в дегенеративно-дистрофических изменениях эластических волокон, частичной атрофии альвеол (альвеолокапиллярный фиброз), атрофии слизистой оболочки бронхов, снижении активности мерцательного эпителия и дренажной функции бронхов, снижении продукции сурфактанта (нестабильность альвеол, вероятность возникновения ателектазов), возрастной эмфиземе, пневмосклерозе и в результате — в уменьшении дыхательной поверхности легких.
Все это обусловливает развитие возрастной дыхательной недостаточности различной степени выраженности даже у пациентов, не имеющих исходной патологии бронхолегочного аппарата.
Возрастные морфофункциональные изменения паренхиматозных органов. Для печени характерно уменьшение массы органа за счет снижения количества общей воды, атрофия паренхимы, жировое перерождение, снижение белковосинтезирующей и детоксикационной функций, нарушение желчевыделения и функции запирательного механизма холедохо-дуоденального соединения, снижение перфузии ткани печени на 12—22%. Все эти факторы обусловливают снижение детоксицирующей функции печени на 15—30%.
В почках у пожилых отмечено склерозирование к 70 годам 30—50% нефронов (старческий нефросклероз), увеличение экскреции Na+, снижение на 30— 40% скорости клубочковой фильтрации, уменьшение до 30—40% реабсорбции в дистальных отделах почечных канальцев, снижение диуреза до 25—40 мл/час. Ослабление выделительной функции почек (на 20—40%) крайне важно учитывать при использовании медикаментозных средств, элиминируемых почками.
Желудочно-кишечный тракт отличает повышение рН желудочного сока, частое развитие кишечного дисбактериоза, появление склонности к запорам, снижение тонуса пищеводного жома кардии, возникновение эзофагиального рефлюкса, высока вероятность регургитации, развивается недостаточность островков Лангерганса за счет склерозирования ткани поджелудочной железы, способствующих развитию сахарного диабета II типа.
Кроветворение и иммунитет характеризуются снижением иммунитета (инволютивное уменьшение титра естественных изоагглютининов до 70%), активности фагоцитов, накоплением в крови циркулирующих активных комплексов, увеличением популяции В-лимфоцитов в крови на фоне снижения числа Т-лимфоцитов, снижением количества лимфоцитов в периферической крови на 20—30%, увеличением количества циркулирующих иммуноглобулинов IgG, IgA на 20—30%, снижением уровня IgM, IgE (на 15—20%), постепенной инволюцией вилочковой железы (Т-иммунодефицит), замещением красного костного мозга жировой тканью (к 70 годам — на 30—40%), угнетением гемопоэза, уменьшением числа эритроцитов до 4 млн., частое развитие тромбоцитопении, лейкопении, склонностью к тромбообразованию за счет угнетения фибринолиза.
Сложные процессы, происходящие в стареющем организме человека, сказываются самым неблагоприятным образом на проявлениях и симптомах возникающего заболевания, нарушают метаболические процессы в нем, снижают естественные защитные механизмы, процесс восстановления нарушенных функций в органах и системах.
Длительно существующие хронические заболевания и их проявления нередко удерживают на себе внимание пациента и отвлекают его от основных признаков, имеющих прямое отношение к причине госпитализации.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Гуморальные механизмы регуляции в организме осуществляются с помощью химических веществ, которые образуются в процессе различных биохимических реакций.
Биохимические процессы в организме основываются на молекулярном строении вещества, атомы которого соединены разными связями. При этом атомы одних веществ несут на себе положительный заряд, другие – отрицательный. При определенных условиях, делающих возможным течение химических реакций, молекулы веществ обмениваются своими составляющими (атомами или ионами). В результате комбинации атомов и молекул образуются тысячи новых химических веществ. При этом может создаться впечатление, что вещества в клетке находятся в относительном покое. Однако молекулы веществ, подобно персонажам какого-нибудь светского бала, перемещаются в заданных направлениях, периодически обмениваясь между собой партнерами. При рассмотрении функционирования клетки и ее составляющих (мембраны, цитоплазмы, органелл, ядра), в том числе генетического аппарата с биохимической точки зрения все происходящие в них процессы сводятся к разрыву одних химических связей и образованию других. Это дает возможность клетке поддерживать свою жизнедеятельность получая энергию, необходимую для поддержания подсистемы жизнеобеспечения, и выполняя специфические функции. Биохимические процессы являются основой обмена веществ.
Питательные вещества, поступающие в клетку через один из ее функциональных входов, превращаются в вещества, необходимые для поддержания жизнедеятельности клетки и выполнения ею специфических функций. Остаточные продукты обмена выводятся через выходы системы (смотри рисунок 1.4.1 в разделе 1.4.1).
Конечной целью всех биохимических реакций, протекающих в организме, является выполнение двух основных функций. Первая из них – обеспечение постоянства внутренней среды (гомеостаза), непосредственное поддержание стабильности “подсистемы жизнеобеспечения”. Вторая – выполнение специальных функций, заключающихся в реагировании на определенные внешние воздействия (например, проведение нервного импульса нейроном, выработка гормона, перенос кислорода эритроцитом, сокращение мышечной клетки).
Обе эти задачи решаются с использованием механизма обратной связи, который описан в предыдущем разделе. Его суть состоит в том, что клетка помнит (часто на генетическом уровне) нормальное значение параметра и меняет значение текущего параметра до тех пор, пока оно не достигнет нормального. В этом смысле часто нельзя сказать, когда и где начался биохимический процесс. Можно назвать только параметр, который регулируется, и определить его нормальное значение. Как же реализуется обмен веществ?
Для того чтобы вещество поступило к клеткам, оно должно сначала попасть в кровь. Только после этого, преодолев ряд внутренних барьеров, оно сможет дойти до цели, связаться с клетками-мишенями, вызвать нужные изменения в функционировании тканей, органов и систем (что и является проявлением его биологического действия) и, наконец, подвергнувшись превращениям (биотрансформации), или в неизмененном виде покинуть организм. При этом, как правило, происходит выделение энергии, в некоторых случаях – ее поглощение.
Какими путями питательные вещества могут попадать в кровоток? Из желудочно-кишечного тракта питательные вещества проникают в кровь, которая переносит их по организму и доставляет в различные ткани органов и систем. Этот процесс обозначают термином всасывание (абсорбция). При поступлении белки, углеводы и липиды преобразуются в желудочно-кишечном тракте при участии активных ферментов, которые выделяются железами желудка, кишечника, поджелудочной железой и поступают с желчью. При всасывании вещества проходят через клеточные мембраны, играющие основную роль в процессах транспорта веществ. Именно их ионные каналы и поры (“ворота” клетки структурно отражают понятие функциональных входов и выходов, участвующих в выполнении основных задач клетки.
В дальнейшем из кровяного русла питательные вещества проникают в ткани, где подвергаются различным биохимическим процессам, в ходе которых превращаются в необходимые для клетки формы химических соединений. Графическое изображение процессов представлено на рисунке 1.4.8. Обратите внимание, что на схеме не показана энергетическая сторона обмена – высвобождение, запасание и использование энергии. Более подробно эти процессы будут рассмотрены в этом разделе несколько позже.
Рисунок 1.4.8. Течение биохимических процессов в клетки. Схема обмена веществ
Давайте по рисунку проследим последовательность этапов обмена веществ в клетке. Источниками материалов для обновления структур и энергообеспечения служат пищевые продукты, в составе которых организм получает углеводы, липиды, белки, некоторые биологически активные соединения (например, витамины) и минеральные вещества. Исходные соединения поступают в клетку не в готовом виде, а в виде “заготовок” из питательных веществ, которые она, по мере необходимости, перерабатывает для своих нужд и нужд организма. Изготовление “заготовок” происходит в процессе пищеварения, когда пища в желудочно-кишечном тракте подвергается расщеплению: белки – до аминокислот, углеводы – до моносахаридов (глюкозы и других соединений), жиры – до жирных кислот и моноглицеридов. Низкомолекулярные биологически активные и минеральные вещества всасываются во внутреннюю среду преимущественно без какой-либо предварительной химической трансформации. Химические соединения с током крови поступают к клеткам, где включаются в процессы синтеза (образование специфических белков, углеводов, липидов и регуляторных соединений для клетки) процессы окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых высвобождается энергия химических связей. Следующий это этап, на котором питательные вещества подвергаются дальнейшему расщеплению и/или биотрансформации с целью получения в процессе биосинтеза собственных веществ. Основными реакциями, которые при этом протекают, являются окисление, восстановление, отщепление, гидролиз, синтез.
Полученные соединения либо сразу расходуются “на строительные, ремонтные и хозяйственные нужды” клетки, либо аккумулируются в ней для последующего использования. Запасаются главным образом высокоэнергетические соединения – жиры, глюкоза в виде полимера (гликогена), которые при расщеплении высвобождают большое количество энергии. Другие соединения, синтезированные “на экспорт” (гормоны, медиаторы и другие) выделяются (секретируются) за пределы клетки с целью коммуникации с соседними или отдаленно расположенными клетками.
Например, оптимальная концентрация белков в клетке обеспечивается их синтезом из имеющихся в клетке аминокислот “по мере необходимости”. Реакции биосинтеза белка “запускаются” по механизму обратной связи, о котором рассказывалось в предыдущем разделе. Это касается в первую очередь выработки гормонов, медиаторов и других сигнальных молекул. Синтез белка на нужды самой клетки регулируется иначе – без включения механизмов гуморальной и нервной регуляции. Вероятно, клетка каким-то образом ощущает нехватку определенного белка (например компонента клеточной мембраны), сравнивает с генетически запрограммированной должной величиной, и это становится пусковым моментом для его выработки. При рассмотрении механизмов биохимических процессов, протекающих в клетке, и их механизмов возникает много вопросов. Что заставляет клетку вырабатывать определенный белок? Как образуется такое многообразие белковых молекул? Давайте попробуем проследить на следующем примере.
Предположим, мы съели шоколадку. Не углубляясь в последствия этого опрометчивого шага, скажем, что после такой углеводной нагрузки клеткам срочно потребуется переработать углеводы. “Нужен инсулин!” – кричат клетки, и мозг посылает указание бета-клеткам поджелудочной железы: “Прошение удовлетворить. Выработать инсулин!” Дальше начинается самое интересное. Как клетки вырабатывают белок, в частности инсулин?
Белки, согласно определению, – это сложные высокомолекулярные вещества, состоящие из аминокислот, которые, в свою очередь, являются органическими кислотами, содержащими одну или более аминогрупп. Всего аминокислот 20 (представим их бусинами разных цветов), а белки – это бусы, собранные в нужном порядке. Сколько же число белковых молекул (бус) можно составить, при условии, что количество аминокислот (бусин) в одной белковой цепи может достигать нескольких сотен! Это определяет колоссальное разнообразие белков.
Основной процесс, который лежит в основе начала синтеза белка, довольно сложен и до сих пор не изучен. Ученые считают, что в ответ на воздействие внешнего фактора (в данном случае избыток углеводов) сигнал каким-то образом поступает к ядру клетки, который и является инициирующим и основополагающим в запуске синтеза белка. Считается, что синтез белка начинается в ядре клетки. ДНК – основной носитель генетической информации, и, как вы уже знаете, представляет собой двойную спираль, закрученную вокруг общей оси. Ген – это участок ДНК, содержащий программу построения только одного определенного белка, например выше упомянутого инсулина. Афористическая формула “Один ген – один белок” была открыта всего полвека назад. Чтобы “прочитать” информацию, касающуюся синтеза данного белка, надо расплести и разъединить нити ДНК на участке нужного гена (рисунок 1.4.9). Этим занимается определенный фермент (не будем перегружать вас запоминанием сложных названий и специфических терминов).
Рисунок 1.4.9. Транскрипция (первый этап биосинтеза белка)
Важно отметить, что считывание информации с ДНК или с РНК возможно только в одном направлении. Этот механизм позволяет предупредить ошибки считывания (помните – Оля и Яло из сказки “Королевство кривых зеркал”).
Итак, ген на матричной нити ДНК готов. За дело берется другой фермент (РНК-полимераза), и, как мозаику, достраивает РНК напротив гена. Помните принцип “ключ – замок”? Процесс переписывания информации с ДНК и одновременного достраивания РНК в биологии называется транскрипцией. Полученную РНК называют первичным (неактивным) транскриптатом. Процесс “созревания”, активации РНК проходит в ядре с участием ферментов, как ножницами вырезающим интроны (не несущие информации, “молчащие” участки РНК) и сшивающим оставшиеся “куски”. Биологическое значение интронов до сих пор не выяснено, и очередная Нобелевская премия ждет своего обладателя. После всех этих преобразований мы имеем готовую матричную, или информационную мРНК.
Надо заметить, что в одной клетке с одного гена можно переписывать последовательно несколько копий м-РНК, что позволяет, в конечном итоге, значительно увеличить объемы выработки нужного белка.
В цитоплазму мРНК выходит и начинается новый этап – непосредственно синтез белковой цепи, или трансляция. Как только мРНК оказалась в цитоплазме, ее “принимает” в свои “объятья” рибосома (вид Б на рисунке 1.3.9).
Напомним, что рибосома состоит из большой и малой субъединиц, между которыми имеется желобок, своеобразный канал, по которому и протягивается мРНК.
Информация, записанная в мРНК подвергается переводу в другую систему знаков – на “язык белков” (его “алфавит” – аминокислоты). Рибосома перемещается на один шаг (кодон) по цепи мРНК, в ее активном центре оказывается новый триплет (кодон), к которому подходит транспортная РНК, прикрепляется к рибосоме и передает цепочку из аминокислот, рибосома вновь делает шаг и так далее. Этот процесс проще изобразить, чем описать (смотри рисунок 1.4.10). Для повышения “производительности” процесса биосинтеза белка клетка образует полирибосомы (вид В на рисунке 1.3.9), представляющие собой несколько рибосом, последовательно считывающих информацию с мРНК.
Образовавшаяся белковая молекула не остается в клетке в виде нити бус (это всего лишь первичная структура), она компактно “упаковывается” благодаря химическим и физическим связям, возникающим между аминокислотами, по мере удлинения белковой цепи. Вторичная структура белка похожа на спираль, а третичная – на плотный шарик (глобулу). Так называемая четвертичная структура образуется при объединении нескольких белковых молекул между собой и/или с другими молекулами.
Пока вы вникали в материал предыдущего абзаца, в реальной клетке уже собрана значительная по размерам белковая цепь: синтез молекулы белка, состоящей из 100 аминокислот, занимает около 2 мин. Заканчивается сборка конкретной молекулы белка, когда в активный (“считывающий”) центр рибосомы попадает стоп-кодон мРНК, и белковая цепь обрывается (рисунок 1.3.9, вид В).
Описывая биохимические реакции, мы опустили одну важную деталь. Многие реакции могут протекать и без помощи катализатора, но это займет колоссальное время (с учетом времени жизни конкретной клетки). А реакции в клетке идут с такими скоростями, которые недостижимы, при проведении их в пробирке. Здесь работает еще одно изобретение природы – ферменты, о которых мы упоминали, говоря о химическом строении клетки.
Фермент – это катализатор, ускоряющий только одну химическую реакцию. Скорость протекания катализируемой ферментом реакции в организме увеличивается в сотни тысяч или миллионы раз (до 10 14 раз). Например, образование всего лишь одной водородной связи и сопряженное с этим изменение энергии активации может ускорить реакцию в 10 6 раз.
Название фермента чаще всего состоит из двух частей, отражающих субстрат и выполняемую им функцию. Например, сукцинатдегидрогеназа – это фермент, который от субстрата – соединения янтарной кислоты (сукцинат) – отнимает атом водорода (дегидроген). Липаза – фермент, расщепляющий жиры. Окончание “аза” говорит лишь о том, что данное слово обозначает фермент, который в 100% случаев является белком.
Часть веществ, которые образуются в клетке, являются “отходами” метаболизма, они с током крови транспортируются к печени и почкам, а затем выводятся из организма. Образующиеся продукты, как правило, лишены не только специфической активности, но и, что очень важно, – токсичности.
Напомним, что интенсивность протекания биохимических реакций в клетке варьирует на различных этапах жизненного цикла клетки (смотри рисунок 1.3.16). Во время деления клетки она минимальна, в период активного функционирования клетки процессы метаболизма и энергетического обмена протекают с максимальной скоростью. Таким образом, биохимические процессы, протекающие в организме, подчинены главному генетическому алгоритму – жизненному циклу и нацелены на выполнение основных задач.
Читайте также: