Նյութափոխանակություն կամ մետաբոլիզմ

Երևանի Անանիա Շիրակացու Անվան Ճեմարան

Նյութափոխանակություն

Ըստ կենսաբան Մարիամ Օհանյանի

ՆՅՈՒԹԱՓՈԽԱՆԱԿՈՒԹՅՈՒՆ

մետաբոլիզմը (μεταβολή [մետաբոլե]- փոփոխություն) բոլոր կենդանի էակների հիմնական հատկությունն է։

Այն անընդհատ և ներդաշնակ ընթացող ռեակցաների ամբողջություն է, որի ընթացքում միջավայրից օրգանիզմ ներթափանցած նյութերը վերափոխվում են բազմաթիվ միջանկյալ ու վերջնական բաղադրամասերի, և առաջանում է էներգիա։ Այդ էներգիայի շնորհիվ սինթեզվում են օրգանիզմին բնորոշ միացություններ, որոնք մտնում են բջջի կառուցվածքային տարրերի կազմության մեջ։ Էներգիան միաժամանակ օգտագործվում է բջիջների կենսագործունեության այլ գործընթացներում և աշխատանք կատարելու համար։

ՆՅՈՒԹԱՓՈԽԱՆԱԿՈՒԹՅՈՒՆ

Պլաստիկ ԷներգետիկԱյս ռեակցիաների արդյունքում խոշոր

մոլեկուլները ճեղքվում են ավելի փոքր և պարզ մոլեկուլների, ինչն ուղեկցվում է

էներգիայի անջատմամբ։ Այդ էներգիան բջիջն օգտագործում է իր

կենսագործունեության տարբեր գործընթացների իրականացման համար (շարժում, նյութերի կենսասինթեզ, բջջի

բաժանում և այլն):

Պլաստիկ փոխանակության արդյունքում սինթեզվում են բջջի

կառուցվածքային բաղադրամասերը, դրանց թվում՝

ածխաջրեր, լիպիդներ, սպիտակուցներ,

նուկլեինաթթուներ և այլն, որոնք օգտագործվում են ինչպես բջջի աճը և նորոգման, այնպես էլ

կենսագործունեության ապահովման համար։

Յուրաքանչյուր կենդանի օրգանիզմ, ինչպես նաև առանձին բջիջ, իրենից ներկայացնում է բարդ, կազմվավորված բաց համակարգ, որն արտաքին միջավայրի հետ գտնվում է նյութերի, էներգիայի և տեղեկատվության փոխանակության մեջ։ Շրջապատող միջավայրից նյութերն անընդհատ թափանցում են բջիջներ, որտեղ դրանք ենթարկվում են տարբեր փոխարկումների որոնց հետևանքով սինթեզվում են բջիջներին անհրաժեշտ նյութեր, իսկ նյութափոխանակության ոչ պիտանի արգասիքները դուրս են բերվում բջիջներից։

Աղբյուրը.՝ https://www.google.am/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwi_-eLrlubPAhXJK5oKHcIRC3oQjRwIBw&url=http%3A%2F%2Fwww.platinumtraininginstitute.com%2Fmetabolism-part-1%2F&psig=AFQjCNHUUkIYPgLhw0bf4kW-Lb9rvyw7vg&ust=1476942795933129

Մետաբոլիզմ կամ

ՆյութափոխանակությունԱնաբոլիզմ Կատաբոլիզմ

Սինթեզի ռեակցիաների ամբողջություն

Քայքայման ռեակցիաների ամբողջություն

գլյուկոզ գլյուկոզ գլիկոգեն

էներգիա

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

էներգիա

Կենսաբանական օքսիդացում

Կենսաբանական օքսիդացման ընթացքում առաջանում են ածխաթթու գազ, ամոնիակ, նատրիումի, ֆոսֆորի, քլորի միացություններորոնք հեռացվում են օրգանիզմից։ Այդ ընթացքում առաջանում է նաև էներգիա, որն օգտագործվում է բջջի կենսագործունեության, ինչպես նաև նոր նյութերի սինթեզման համար։ Հաշվարկները ցույց են տվել, որ 70 կգ զանգված ունեցող մարդու օրգանիզմում ֆիզիկական ծանրաբեռնվածության պայմաններում 1 օրում քայքայվող ածխաջրերի, ճարպերի, սպիտակուցների ճեղքման հետևանքով առաջանում է 12600 կՋ էներգիա։

Նատրիում Ածխաթթու գազ ֆոսֆոր աղղաթթու

Նյութափոխանակությունը ընթանում է 3 էտապներով՝

1. նախապատրաստական փուլ,2. միջանկյալ փոխանակություն,3. եզրափակիչ փուլ:

Աղբյուրը: http://g.wieszjak.polki.pl/p/_wspolne/pliki_infornext/446000/kanapka.jpg

Նախապատրաստական փուլ

Ապահովում է սննդի ընդունումը և վերամշակումը: Նրա իրականացմանը մասնակցում են լոկոմոտոր համակարգը սոմատիկ մկաններով, մարսողական համակարգը, ԿՆՀ-ը իր բարձրագույն բաժնի՝ մեծ կիսագնդերի կեղևի հետ միասին, որը ստեղծում է համապատասխան հուզական ֆոն և ձևավորում է սննդի հայթայթման վարք:Այս էտապում սննդի քիմիական բաղադրամասերը ստամոքսաղիքային ուղում հաջորդաբար ճեղքվում են ցածրամոլեկուլային նյութերի՝ սպիտակուցները պրոտեոլիզային ֆերմենտների ազդեցությամբ' ամինոթթուների, ճարպերը լիպազների ազդեցությամբ' գլիցերինի և ճարպաթթուների, ածխաջրերը կարբոհիդրազների ազդեցությամբ' մոնոսախարիդների: Այս էտապի հիմնական նշանակությունը կայանում է նրանում, որ սննդանյութերը դառնում են հեշտ ներծծվող, անցնում են արյան և ավշի մեջ և ելանյութ են մատակարարում անաբոոլիզմի գործընթացներին:

ՊրոտեոլիզՍպիտակուց

Ամինոթթու

Կրեբսի ցիկլՑիտոպլազմա

Թաղանթ

Արտաբջջային հեղուկ

Պրոտեազ ֆերմենտ

Կատաբոլիզմի կարևորագույն ռեակցիաներից մեկը պրոտեոլիզի ռեակցիան է, որի ընթացքում սպիտակուցները ճեզքվում են մինչև ամինոթթուներ:

Ճարպեր Ածխաջրեր Սպիտակուցներ

Ճարպաթթուներ և գլիցերին

Գլյուկոզ և այլ ածխաջրեր

Ամինոթթուներ

Սննդանյութեր

Պարզագույն մոլեկուլներ

Արտազատում Անաբոլիզմ

Բջջային շնչառություն

• Բջջին էներգիայով /ԱԵՖ-ի սինթեզի միջոցով/ ապահովելու համար բջիջները օգտագործում են օրգանական նյութեր՝ ածխաջրեր, ճարպեր , սպիտակուցներ:

• Բջջում ածխաջրերի /օրինակ.՝ գլյուկոզի/ ճեղքումը տեղի է ունենում իրար հաջորդող երկու փուլով։ Այդ գործընթացի արդյունքում տեղի է ունենում -ի սինթեզ:

• Առաջինը փուլը կոչվում է կամ անթթվածին ճեղքում։ Երկրորդ փուլն անվանում են բջջային շնչառություն կամ

ճեղքում ։

ԱԵՖ

գլիկոլիզթթվածնային

ԱԵՖ

ԱԵՖ/ադենոզին եռֆոսֆորական թթու/

Ֆոսֆատային խումբ

ռիբոզ

ադենին

Գլիկոլիզ Glyco- շաքար, Lysis - քայքայում

• Գլյուկոզը ճեղքվում է մինչև 2 մոլեկուլ կաթնաթթու• Որտե՞ղ – ցիտոպլազմայում

• Գլիկոլիզի արդյունքում առաջանում է 2 մոլեկուլ ԱԵՖ և 2 ՆԱԴH:

կաթնաթթու

Գլյուկոզ 6-ֆոսֆատ Ֆրուկտոզ 6-ֆոսֆատ

Ֆրուկտոզ 1,6 -կրկնաֆոսֆատ

Գլյուկոզ

Գլիկոլիզի երկրորդ փուլը

ԱԵՖ

ՆԱԴ H

ԿԱԹՆԱԹԹՈՒ

ԱԵՖ

Գլիկոլիզի վերջնական արդյունքը՝ կաթնաթթուն, թափանցում է միտոքոնդրիումի մեջ, որտեղ լրիվ քայքայվում է.

C3H6O6+3H2O→3CO+12HԱռաջացած ածխածնի օքսիդն ազատ անցնում է

միտոքոնդրիումի թաղանթով և հեռանում է շրջապատող միջավայր։ Ջրածնի ատոմները վերցվում են և տեղափոխում են միտոքոնդրիումների ներքին թաղանթի վրա, որտեղ օքսիդանում են, այսինքն էլեկտրոն են կորցնում.

H2-2e→2H+

Միտոքոնդրիումների ներքին թաղանթ

Արտաքին թաղանթ

էլեկտրոնները և ջրածնի իոնները (H+) փոխադրիչ-մոլեկուլների կողմից տեղափոխում են թաղանթի հակադիր կողմեր: Միտոքոնդրիումների չվնասված թաղանթն իոնների համար անթափանցել է։ Դրա հետևանքով թաղանթի արտաքին կողմում կուտակվում են դրական լիցքավորված մասնիկներ (H+)։եվ այսպես թաղանթը դրսից լիցքավորվում է դրական լիցքով։ Իոնների կոնցենտրացիայի մեծացման հետևանքով այդ հատվածը արտաքին կողմում ձեռք է բերում դրական լիցքավորում։

Թաղանթի ներքին մակերեսի վրա էլեկտրոնները ջրածնի իոնների հետ միասին փոխազդում են թթվածնի մոլեկուլի հետ.

Օ2+4e+4H+→2H2OՄոլեկուլային թթվածինը դիֆուզիայի ճանապարհով անցնում

է միտոքոնդրիումների մեջ շրջապատող միջավայրից, իսկ H+ իոնները մատակարարվում են ջրից:

H2Օ⇌H++ OH-

Դրա արդյունքում թաղանթի ներքին կողմում H+ իոնների կոնցենտրացիան փոքրանում է, և,հետևաբար, OH- իոնների խտությունը մեծանում։ Թաղանթի այդ կողմը ձեռք է բերում հիմնայնություն և դառնում է էլեկտրաբացասական։Թաղանթի երկու կողմում հակառակ լիցքեր ունեցող մասնիկների կոնցենտրացիաների մեծացմանը զուգընթաց աճում է նաև նրանց միջև էլեկտրական պոտենցիալների տարբերությունը։

Հաստատված է, որ այդ թաղանթի որոշ հատվածներում ներառված են ԱԵՖ-ի մոլեկուլը սինթեզող ֆերմենտներ (ԱԵՖ-սինթետազ)։ Ֆերմենտի մոլեկուլում կա անցքուղի, որի միջով կարող են անցնել ջրածնի իոնները (H+)։ Սակայն դա տեղի չի ունենում այն դեպքում, երբ թաղանթի վրա ջրածնի իոնների տարբեր կոնցենտրացիաներով պայմանավորված պոտենցիալների տարբերությունը (պրոտոնային պոտենցիալներ) հասնում է որոշ սահմանային (կրիտիկական) մակարդակը (մոտավորապես 200 մվ):

Աղբյուր.՝ https://cdn.rcsb.org/pdb101/motm/images/F1-rasmol.gif

Աեֆ սինթետազ

Միտոքոնդրիումի մատրիքսըՄիտոքոնդրիումի թաղանթըԱրտաքին և ներքին թաղանթների միջև տարածությունը

Աղբյուրը.՝ http://ichef.bbci.co.uk/news/660/media/images/82528000/jpg/_82528200_mitoc0156765-mitochondrial_structure,_artwork-spl.jpg

Էլեկտրոնների տեղափոխման շղթա

Միտոքոնդրիումի մատրիքսը

Արտաքին և ներքին թաղանթների միջև տարածությունը

ՆԱԴ H

Աղբյուրը. ՝ http://daily.jstor.org/wp-content/uploads/2016/05/mitochondria_1050x700.jpg

ԱԵՖ սինթետազ ֆերմենտը

Աղբյուր.՝ http://www.education.mrsec.wisc.edu/nanoquest/molecular_motor/images/synthase.jpg

երբ թաղանթի վրա ջրածնի իոնների տարբեր կոնցենտրացիաներով պայմանավորված պոտենցիալների տարբերությունը (պրոտոնային պոտենցիալներ) հասնում է 200 մվ, դրական լիցքավորված մասնիկները (H+) էլեկտրական դաշտի ուժի հաշվին անցքուղով հրվում են ԱԵՖ-սինթետազ ֆերմենտի մոլեկուլի մեջ և անցնում թաղանթի ներքին մասը՝ դրանով իսկ վերականգնվելով մոլեկուլային թթվածնի վերականգման ռեակցիայում ծախսված H+ իոնները:

Միտոքոնդրիումի մատրիքսը

Թթվածնային ճեղքման շատ ռեակցիաներ (ջրածնի ատոմների օքսիդացում, էլեկտրոնների փոխադրում, թթվածնի վերականգնում և այլն) ուղեկցվում են էներգիայի ազատմամբ։ Գումարային արդյունքում յուրաքանչյուր 2 մոլեկուլ կաթնաթթվից լրիվ ճեղքումից անջատվում է 2800 կՋ էներգիա։ Այդ էներգիայի մոտ կեսը կուտակվում է ԱԵՖ-ի ձևով, իսկ մնացածը ցրվում է որպես ջերմություն։

ԱԵՖ-սինթետազ ֆերմենտի անցքուղով ջրածնի իոնի (H+) անցման հաշվին տեղի է ունենում ԱԿՖ-ից և ֆոսֆորական թթվից ԱԵՖ-ի սինթեզ։

2C3H6O3+6O2+36ԱԿՖ+36H3PO4→36ԱԵՖ+6CO2+42H2O

http://image.slidesharecdn.com/atpsynthesisinorganelles-111130125401-phpapp01/95/atp-synthesis-in-organelles-8-728.jpg?cb=1322658339

Գումարելով անթթվածին և թթվածնային գործընթացների հավասարումները՝ կստանանք գլյուկոզի մոլեկուլի լրիվ ճեղքման հավասարումը.

C6H12O6+6O2+38ԱԿՖ+38H3PO4→38ԱԵՖ+6CO2+44H2O

Գլյուկոզի մոլեկուլի լրիվ ճեղքման հավասարումը

Եզրակացություններ

Ա. ԱԵՖ-ի սինթեզը գլիկոլիզի ընթացքում թաղանթի առկայության կարիք չի զգում։ Այն ընթանում է նաև փորձանոթում, եթե առկա են բոլոր անհրաժեշտ նյութերը և ֆերմենտները։ Թթվածնային ճեղքման իրականացման համար անհրաժեշտ է միտոքոնդրիումների չվնասված ներքին թաղանթ, քանի որ որոշիչ դերն են խաղում նրանում ընթացող էլեկտրական երևույթները։

Բ. Բջջում մեկ մոլեկուլ գլյուկոզի ճեղքումը մինչև ածխաթթու գազ և ջուր՝ ապահովում է 38 մոլեկուլ ԱԵՖ-ի սինթեզ, որից 2 մոլեկուլը սինթեզվում է անթթվածին փուլում, իսկ 36 մոլեկուլը՝ թթվածնային։ Վերջին տարիներին պարզաբանվել է, որ միտոքոնդրիումներում գլյուկոզի թթվածնային ճեղքման փուլում առավելագույնս սինթեզվում է ԱԵՖ-ի 30 (ոչ թե 36) մոլեկուլ, ու հետևաբար բջջում գլյուկոզի լրիվ ճեղքումը զուգորդվում է 32 մոլեկուլ ԱԵՖ-ի սինթեզի հետ։ Այսպիսով, թթվածնային գործընթացը համարյա 20 անգամ ավելի արդյունավետ է, քան անթթվածինը։

38 ՄՈԼԵԿՈՒԼ ԱԵՖ

Գ. Նորածին երեխաների, կենդանիների մերկ ծնված ձագերի, ձմեռային քուն մտած կենդանիների մեջքի մասում կա գորշ գույնի ճարպ։ Նրա բջիջներում շատ միտոքոնդրիումներ կան, որոնց թաղանթը ներթափանցված է ծակոտիներով։ Դրանցով ազատորեն անցնում են ջրածնի իոնները։

Աղբյուրը.՝ https://s-media-cache-ak0.pinimg.com/originals/de/26/a5/de26a54938460a231c4d68d3f057f7bd.jpg

Աղբյուրը.՝https://drscdn.500px.org/photo/38710368/m%3D900/8bcfc42624473244aa455cd900e2a970