Обмін речовин

Що на НМТ входить у тему «Обмін речовин»

Тема ділиться на три поверхи, і кожен поверх дає на НМТ свій тип питання. Ось як це виглядає за програмою НМТ і підручниками.

Молекулярний і клітинний рівень

Тут працюють ферменти, АТФ і транспорт речовин крізь мембрану. На молекулярному рівні в обміні беруть участь біоелементи, біонеорганічні та біоорганічні речовини; у клітині обмін здійснюється за участі ферментів. Мембранне транспортування забезпечує перенесення речовин, енергії та інформації крізь клітинні мембрани: малі молекули та йони проходять шляхом пасивного або активного транспортування, а макромолекули переносяться завдяки ендо- й екзоцитозу.

Організмовий рівень

Тут програма НМТ вимагає знати функціональне значення для організму людини білків, жирів, вуглеводів, вітамінів, води та мінеральних солей, харчові й енергетичні потреби людини, значення збалансованого харчування, а також особливості знешкодження токсичних сполук в організмі людини. Треба вміти складати схеми обміну вуглеводів, ліпідів, білків в організмі людини та порівнювати енергетичне і пластичне значення різних речовин.

Екосистемний рівень

У екосистемах і біосфері обмін речовин й енергії називають біологічним кругообігом, тому що його здійснюють живі організми: продуценти, консументи й редуценти в харчових ланцюгах. Саме звідси беруться завдання на рівні організації живої природи, і одне таке ми розберемо нижче.

Як влаштований обмін речовин у клітині: три етапи

Обмін у клітині завжди йде за однією й тією ж схемою з трьох етапів, і в цю схему вкладається будь-яке завдання. Запамʼятайте саме послідовність, а не окремі слова.

1. Потік у клітину. Відбувається завдяки процесам живлення, дихання, транспортування речовин, травлення й подразливості. Ці процеси за участі поверхневого апарату забезпечують надходження в клітину поживних речовин, вуглекислого газу, води, кисню, світлової чи хімічної енергії, інформації про чинники середовища.
2. Внутрішньоклітинні перетворення (власне метаболізм). Речовини, енергія та інформація включаються в хімічні й фізичні перетворення енергетичного й пластичного обміну. У клітині синтезуються й розщеплюються, окиснюються й відновлюються, розчиняються й кристалізуються речовини. Світлова енергія перетворюється у хімічну, хімічна у механічну, електрична у хімічну, і всі ці перетворення супроводжуються втратами теплової енергії. Перебіг процесів забезпечується генетичною інформацією ядра чи нуклеоїду.
3. Потік із клітини. Видаляються кінцеві продукти обміну, теплова енергія, молекули чи енергія, що є інформацією для спілкування з іншими клітинами. Основа етапу: екскреція, секреція, тепловіддача й комунікація клітин.

Головна відмінність живого від неживого тут теж проста і її часто питають: обмін речовин у біосистемах забезпечує постійне самооновлення, саморегуляцію і самовідтворення та здійснюється завдяки злагодженій дії численних структур. У неживій природі обмін теж є, але цих трьох «само» там немає.

Чим відрізняється обмін речовин автотрофів

Обмін речовин у автотрофних організмів – це обмін, що характеризується надходженням неорганічних речовин, які є джерелом Карбону, Гідрогену й Нітрогену, переважанням у клітинах анаболічних реакцій, первинним синтезом власних органічних сполук і використанням кінцевих продуктів обміну для реакцій.

Що з цього реально питають:

• Автотрофи в реакціях катаболізму розщеплюють синтезовані ними ж органічні речовини, найчастіше глюкозу або крохмаль.
• АТФ синтезується не лише в процесі дихання після окиснення глюкози, а й під час світлової фази фотосинтезу завдяки фотофосфорилюванню.
• Кінцеві продукти обміну автотрофів (\(O_2\), \(CO_2\), вода) слугують вихідними сполуками для інших реакцій: у рослин \(CO_2\) використовується в темновій фазі фотосинтезу, а вода в світловій.
• Спеціалізованих органів екскреції у автотрофів немає. Відходи метаболізму відкладаються у відмерлих тканинах, у листках чи корі, що періодично видаляються. Вода у вигляді пари виводиться під час транспірації через продихи й сочевички, надлишок води – через водяні продихи, це гутація.
• Рослини ніколи не утворюють білків у надлишку, тому виділяють дуже мало нітрогеновмісних відходів.

Як регулюється обмін речовин в організмі людини

Регуляція метаболізму багаторівнева, і на НМТ важливо не змішувати рівні між собою. Ось вони від найповільнішого до найшвидшого за проявом.

• Генетична регуляція (молекулярний рівень) – визначає синтез ферментів. Концентрація ферментів зростає або зменшується через вплив на активність ферментних генів регуляторних білків-індукторів чи репресорів. Вирізняється високою специфічністю, але сам процес відбувається повільно, зазвичай годинами.
• Клітинна регуляція – ґрунтується на взаємодії ферменту і субстрату: за наявності субстрату клітина синтезує фермент, за відсутності припиняє синтез. Активність ферментів залежить від рН середовища, температури, концентрації як ферменту, так і субстрату. Наприклад, накопичення кислих продуктів реакції може сповільнити швидкість біокаталітичної реакції.
• Гуморальна регуляція – дія гормонів на активність ферменту або на діяльність тканин та органів. Тиреотропний гормон гіпофіза впливає на щитоподібну залозу, яка може секретувати більше чи менше тироксину, що веде до прискорення чи сповільнення обміну речовин. Гуморальна регуляція має повільну регулювальну дію, і її прояви підпорядковані нервовій системі.

Коментар викладачки. Щитоподібна залоза на НМТ майже завжди тягне за собою два питання: який елемент у складі її гормонів (Йод) і що вона в загальному контролює (обмін речовин). Тироксин прискорює обмін, і якщо його недостатньо – обмін сповільнений. Пригадайте аксолотля: у холодній водоймі обмін речовин сповільнений і він залишається аксолотлем, а якщо водойма прогрівається, обмін пришвидшується і він стає амбістомою. Це та сама логіка, тільки на іншій тварині.

Окремо запамʼятайте чинники, які змінюють інтенсивність метаболізму, бо вони дають готові тестові твердження:

• Приймання їжі підвищує інтенсивність обміну речовин, що триває протягом 5-6 год. Це специфічна динамічна дія їжі.
• Тривалий вплив низької температури підвищує обмін речовин: зі зниженням температури повітря на 10 °С рівень обміну підвищується на 2,5 %.
• Підвищення інтенсивності обміну спостерігається навесні та раннім літом, зниження – пізньої осені й узимку.
• Під час відпочинку обмін речовин знижується на 13 % за рахунок розслаблення скелетних мʼязів.
• Енергетичні системи забезпечення клітин енергією: фосфатна система АТФ (на час, менший за 30 с), гліколізна, тобто анаеробна (від 30 с до 3 хв), та аеробна (на час, більший за 3 хв).

Як знешкоджуються токсичні сполуки в організмі людини

Знешкодження небезпечних сполук в організмі людини здійснює печінка за участі спеціальних ферментів і мембранних рецепторів, які регулюють їхню активність; знешкоджені сполуки видаляються із сечею або жовчю. Знешкоджуються також кінцеві продукти метаболізму з потенційно токсичними властивостями (жовчні пігменти, амоніак) і продукти гниття білків у товстій кишці (феноли, індоли, скатоли).

Біотрансформація ксенобіотиків відбувається у дві фази:

1. Модифікація – окисно-відновні та гідролітичні реакції, що каталізуються ферментами ЕПС (цитохром Р450, епоксидгідролаза). Молекула ксенобіотика збагачується функціональними групами (\(-OH\), \(-COOH\), \(-SH\), \(-NH_2\)), що робить її розчинною у воді.
2. Конʼюгація – реакції синтезу за участі ферментів-трансфераз. До проміжних продуктів метаболізму приєднуються ендогенні молекули (глюкуронова кислота, сульфатна кислота, глутамін), у результаті чого утворюються полярні сполуки для видалення з організму.

Важливий нюанс, який любить перевірка формулювань: термін «біотрансформація» є точнішим, ніж «детоксикація», бо підвищення токсичності після перетворення є швидше правилом, аніж винятком.

І ще один сюжет із цього ж параграфа: наркотичні речовини – це чужорідні щодо обміну речовин сполуки, що спричиняють залежність унаслідок заміщення однієї з речовин природного метаболізму. Під час задоволення потреб підвищується синтез ендорфінів (енкефалінів), які викликають позитивні емоції, а при вживанні наркотиків організм сприймає наркотичні речовини як ендорфіни й енкефаліни.