Соединения регулирующие обмен веществ

В статье «Витамины» охарактеризованы вещества, не содержащиеся в организме, поступающие в него извне, регулирующие обмен веществ и некоторые функции отдельных органов или систем органов (витамины). Однако в организме имеются вещества, без которых невозможна реализация биохимических процессов, лежащих в основе обмена веществ, а также соединения, реализующие согласование отдельных цепей превращений, координацию физиологических функций организма, а также вещества, выполняющие выделительную либо запасающую функции, в виде отдельных включений. Ниже рассмотрены некоторые из этих соединений.

Краткая характеристика ферментов

Ферменты (биологические катализаторы) — это вещества, небольшие количества которых изменяют скорость и состав конечных продуктов биохимических реакций, протекающих в живых организмах.

Биологические катализаторы, как и неорганические катализаторы, в результате реакции остаются химически неизменными, а в процессе реакции претерпевают изменения, образуя с субстратом (веществами, вступающими в реакцию) промежуточный активированный комплекс. Ферменты, в отличие от неорганических катализаторов, обладают высокой специфичностью (избирательностью, т. е. катализируют только строго определенную реакцию, а не группу процессов), «работают» в «мягких» условиях (обычное давление и температура организма — 35-40°С) и обладают высоким уровнем воздействия. Необходимо иметь представление о следующих ферментах.

1. Птиалин — фермент, вырабатываемый слюнными железами человека, способствующий первичному перевариванию (гидролизу) крахмала; активен в щелочной среде.

2. Пепсин — фермент, содержащийся в желудочном соке, активен в сильнокислой среде, катализирует превращение белков до более мелких образований — пептидов (в желудочном соке содержатся также ферменты: химозин, способствующий гидролизу белка молока — казеина, и липаза, гидролизующая жиры, содержащиеся в молоке).

3. Трипсин — фермент, содержащийся в секрете поджелудочной железы (панкреатическом соке), в щелочной среде (в тонком кишечнике), вызывающий окончательное переваривание белков до смеси природных альфа-аминокислот.

4. Липаза — расщепляет жиры, поступившие в организм, до глицерина и высших жирных кислот в щелочной среде (липазы входят в состав панкреатического сока).

5. Амилаза — фермент, содержащийся в панкреатическом соке, вызывает гидролиз амилозы (составной части крахмала) до дисахаридов, которые под действием особого фермента (мальтазы) расщепляются до глюкозы.

Ферменты, содержащиеся в организмах, весьма многообразны, имеют сложную классификацию. Рассмотренные ферменты относятся к классу гидролаз (они вызывают гидролиз сложных органических веществ). Интересно отметить, что некоторые ферменты могут одновременно активизировать взаимно противоположные процессы. Так, липазы могут активизировать как процесс гидролиза, так и процесс синтеза жиров; мальтаза может кроме расщепления мальтозы вызывать и процесс ее синтеза из глюкозы — все зависит от условий осуществления процесса и потребностей организма. Направленность процесса в этом случае определяется особыми веществами, которые называют гормонами.

Некоторые сведения о гормонах

Гормонами называют физиологически активные вещества, с помощью которых реализуется гуморальная регуляция жизнедеятельности организма.

Регуляция деятельности органоидов клетки, органов, систем органов и организма в целом может осуществляться нервным и гуморальным путем.

Гуморальная регуляция реализуется химическими соединениями, вырабатываемыми в особых органах — железах внутренней секреции. Гормоны входят в состав секретов желез внутренней секреции и поступают в кровь, которая распространяет их по всему организму. Гормоны, воздействуя на тот или иной орган, регулируют деятельность как органа, так и организма в целом (гуморальная и нервная регуляции организма тесно взаимосвязаны). Необходимо иметь представления о следующих гормонах.

1. Адреналин. Вырабатывается мозговым слоем надпочечников, ускоряет работу сердца, суживает кровеносные сосуды, что приводит к повышению кровяного давления; регулирует углеводный обмен, усиливая превращение глюкозы в гликоген и окисление ее в мышцах; тормозит работу пищеварительного тракта. Излишнее выделение адреналина вредно для организма, так как при этом нарушается деятельность сердечнососудистой системы, повышается давление и т.д. Образование избыточного количества адреналина происходит в случае, когда человек испытывает большие нервные перегрузки, поэтому необходимо соблюдать гигиену высшей нервной деятельности, не нервничать по пустякам и т. д.

2. Тироксин (один из гормонов, содержащих йод). Вырабатывается железистым эпителием щитовидной железы; он повышает возбудимость нервной системы, усиливает обмен веществ в клетках. Недостаток тироксина (и других гормонов щитовидной железы) приводит к миксидеме — заболеванию, характеризуемому резким торможением обмена веществ, снижением температуры тела, апатией, ослаблением нервной деятельности, ожирением и отеком кожи. Миксидема возникает в зрелом возрасте. При недостатке тироксина в молодом возрасте может развиваться «кретинизм», при котором наблюдается задержка роста, умственного и полового развития. Повышенное содержание тироксина приводит к развитию «базедовой болезни», при которой общий обмен веществ усиливается, ускоряются окислительные процессы, температура тела повышается, масса тела уменьшается, у больных наблюдается сильная раздражительность.

3. Инсулин. Этот гормон вырабатывается в особых скоплениях железистых клеток поджелудочной железы — в островках Лангерганса. Он повышает проницаемость клеточных мембран к глюкозе и она переходит из крови в клетки разных органов, прежде всего в скелетные мышцы и печень (в последней она превращается в гликоген, за счет чего поддерживается постоянный уровень глюкозы в крови). Отсутствие или большой недостаток инсулина в крови приводит к резкому снижению проницаемости стенок кровеносных сосудов, что является причиной резкого увеличения содержания глюкозы в крови и глюкоза выводится из организма с мочой, возникает заболевание «сахарный диабет», при котором снабжение клеток организма глюкозой резко уменьшается, а это, в свою очередь, приводит к общему нарушению углеводного обмена и внутриклеточного обмена веществ в целом.

4. Глюкан. Этот гормон, как и инсулин, является гормоном островков Лангерганса. Он активирует процесс превращения гликогена в глюкозу и повышает содержание глюкозы в крови. Совместное присутствие глюкана и инсулина способствует тонкой регуляции углеводного обмена.

5. Кортикоиды. Вырабатываются в корковом слое надпочечников. Их влияние на организм различно. Одни из них (альдостерон) регулируют минеральный обмен — усиливают реасорбцию (поглощение) из первичной мочи ионов натрия и хлора, другие (кортизол) влияют на белковый, жировой и углеводный обмен, ускоряя внутриклеточный распад белков и жиров и их превращение в глюкозу.

6. Гормон роста, вырабатываемый гипофизом. Регулирует рост человеческого организма в молодом возрасте. Его избыток приводит к проявлению «гигантизма» (рост более двух метров); недостаток вызывает задержку роста, при этом развиваются «карлики» (взрослые люди имеют рост пятилетнего ребенка), при этом ни умственное, ни половое развитие не нарушается (сравните с кретинизмом). Избыток этого гормона в зрелом возрасте приводит к заболеванию «микромегалия», при котором сильно увеличиваются кости лица, плоские кости черепа и кости конечностей.

7. Антидиуретический гормон. Вырабатывается в задней доле гипофиза. Регулирует водно-солевой обмен, усиливая поглощение воды из первичной мочи.

8. Гормоны гипофиза регулируют деятельность щитовидной железы и половых желез, а также надпочечников.

9. Половые гормоны. Различают мужские и женские половые гормоны. Они вырабатываются в мужских и женских половых железах (яичках и яичниках, соответственно), но могут вырабатываться в небольших количествах и в коре надпочечников. В любом организме одновременно вырабатываются и мужские, и женские гормоны, но в женском организме больше женских гормонов, и наоборот. Мужской половой гормон (тестостерон) влияет на развитие вторичных мужских половых признаков. Женские гормоны (их несколько), например эстрогены, вызывают развитие женских вторичных половых признаков, регулируют менструальный цикл; прогестерон поддерживает беременность, подавляет овуляцию и т. д.

Существуют и другие гормоны.

Вещества, регулирующие взаимосвязь организма с окружающей средой, и соединения, образующие включения в клетках

В регуляции взаимоотношений между отдельными организмами большую роль играют химические соединения, являющиеся «сигналом» о присутствии того или иного организма с целью привлечения или отпугивания других организмов. Так, для привлечения к цветкам насекомоопыляемые растения выделяют особые ароматические вещества, обладающие различным запахом (как благовонным, так и резко неприятным). Вкус и запах веществ являются сигналами о съедобности или несъедобности растений.

Еще большую роль играют различные химические соединения в жизни животных. Животные выделяют особые химические соединения — телергоны, которые выполняют различные функции по реализации взаимодействия отдельных особей животных. Так, гомотелергоны обеспечивают взаимодействие особей одного вида, например, феромоны привлекают друг к другу самцов и самок данного вида. Гетеротелергоны обеспечивают взаимодействие особей разных видов, например, животные выделяют ядовитые или резко пахнущие вещества, отпугивающие других животных. Человек использует телергоны как средства биологической борьбы с различными вредителями его хозяйственной деятельности.

Клетки разных организмов могут содержать включения различных химических соединений, выполняющих ту или иную функцию. Так, крахмальные зерна или капли масла играют роль запасных веществ в клетках, образования из оксалата кальция, накапливающиеся в листьях, являются способом нейтрализации вредного воздействия щавелевой кислоты и способом выделения продуктов обмена из растений и т. д.

Характеристика обмена веществ и энергии в организмах

Органические, биоорганические и неорганические вещества, образующие особое состояние — «живое вещество», находятся друг с другом в особом равновесии, образуя относительно устойчивую, обладающую относительно постоянными свойствами систему. Устойчивость этой системе придает метаболизм — обмен веществ и энергии.

Метаболизм состоит из двух взаимосвязанных частей — катаболизма (диссимиляции) и анаболизма (ассимиляции). Иногда обмен веществ и энергии (метаболизм) представляют как совокупность двух частей — пластического и энергетического обмена.

Пластическим называют обмен веществ, а энергетическим — обмен энергии. Некоторые авторы отождествляют пластический обмен с ассимиляцией, а энергетический — с диссимиляцией, что не совсем точно, так как и при диссимиляции, и при ассимиляции одновременно осуществляется и обмен веществ (синтез при ассимиляции и распад при диссимиляции), и энергии (при ассимиляции энергия накапливается соединениями и организмом, при диссимиляции энергия выделяется и используется организмом для осуществления физиологических функций и для процессов ассимиляции).

Ассимиляция (анаболизм) — совокупность процессов, при которых из более простых химических соединений синтезируются сложные органические и биоорганические вещества, при этом организм аккумулирует энергию, используя энергию распада АТФ до АДФ и фосфорной кислоты.

Диссимиляция (катаболизм) — совокупность процессов окисления сложных органических и биоорганических соединений, в результате которых освобождается энергия, переходящая в энергию макроэргических связей за счет синтеза АТФ, которая в дальнейшем используется организмом для реализации жизнедеятельности и процессов ассимиляции.

Ассимиляция и диссимиляция тесно взаимосвязаны, за счет этих процессов осуществляется как жизнедеятельность организмов, так и круговорот элементов и веществ в природе.

Обзор наиболее важных процессов ассимиляции и их экологической роли

Как было показано в определении сущности процессов ассимиляции, они относятся к синтетическим, при этом происходит накопление энергии организмом и образование различных биоорганических и органических соединений. Процессами, составляющими ассимиляцию, являются синтез нуклеиновых кислот (репликация и транскрипция), белка (трансляция), углеводов, жиров, витаминов и других веществ. Биосинтез белков и нуклеиновых кислот описан выше.

Необходимо знать различия в сущности процессов ассимиляции в автотрофных и гетеротрофных организмах.

Автотрофные организмы для ряда процессов ассимиляции, в частности для фотосинтеза и хемосинтеза используют энергию, поступающую или в виде излучения, или за счет процессов окисления неорганических веществ. Гетеротрофные организмы используют энергию химических связей между атомами в веществах, поступающих в пищу.

Общим в ассимиляции автотрофов и гетеротрофов является то, что синтез нуклеиновых кислот, белков, жиров и вторичных (для автотрофов) и любых углеводов (для гетеротрофов) по принципиальной схеме осуществляется одинаково (есть различия в деталях для отдельных организмов, связанные с наличием разных соединений, входящих в состав этих организмов).

Синтез жиров у автотрофов и гетеротрофов происходит примерно одинаково и состоит из взаимодействия глицерина и высших жирных карбоновых кислот; вместо глицерина в образовании жиров могут участвовать и другие спирты особого строения. Глицерин и жирные кислоты могут синтезироваться из углеводов (это характерно для автотрофов, но возможно и для гетеротрофов при наличии избытка в их пище углеводов). Глицерин у гетеротрофов может и не синтезироваться, так как поступает в организм в составе пищи (в виде жиров).

Синтез углеводов у гетеротрофов осуществляется из моносахаров, которые образуются из полисахаров, поступающих с пищей (моносахариды также могут входить в состав пищи (например, глюкоза входит в состав винограда и других фруктов, это относится и к фруктозе). У автотрофов углеводы, входящие в состав их тела, синтезируются из первичных углеводов, образующихся в результате процессов фотосинтеза. У хемосинтетиков первичные углеводы также синтезируются из неорганических веществ (углекислого газа и воды), но они синтезируются за счет энергии химических процессов окисления (например, у серобактера — это энергия окисления серы до сульфатов и т. д.).