ГМ-20 біологія 25.11.2020

 Виконану роботу надіслати на електронну пошту

nataliasuhina15@gmail.com 

25.11.2020

Комбіноване заняття (2 год.)

Тема 2.5. Біологічно активні речовини: ферменти, вітаміни, гормони.

 

Опрацювати: Біологія 10 клас (за посиланням «Підручники»), §§25, 26, 28, 32, с.98- 105, 109-112, 125-128.

Виконати (письмово):

1. Підготувати доповідь про один (на вибір) вітамін, гормон або фермент:

вітаміни: А, Д, Е, К, С, В₁, В₆, В₁₂;

гормони: соматотропін, вазопресин, окситоцин, тестостерон, прогестерон, пролактин, інсулін, адреналін, кортизол, тироксин, АКТГ, фолікулостимулюючий гормон, естрадіол, тиреотропний гормон;

ферменти: ліпаза, пепсин, трипсин, ренін, лізоцим, амілаза, сахараза, лактаза, ДНК-полімераза, рестриктази, ДНК-лігаза, ревертаза.

2. Виписати в біологічний словник терміни, що зустрічаються по ходу лекції (виділені жовтим кольором).

 

ФЕРМЕНТИ (від лат. fermentum – закваска), або ензими, – високоспецифічні

білкові молекули, які є біологічними каталізаторами процесів обміну речовин і перетворення енергії у клітинах та організмі.

Термін «фермент» запропонував ще в XVII ст. нідерландський хімік і фізіолог Я. ван Гельмонт (1580–1644). Наука про ферменти виокремилася в окрему галузь біохімічної науки – ферментологію (ензимологію), що інтенсивно розвивається в тісному зв'язку з хімією, фізіологією, токсикологією, мікробіологією, генетикою, фармакологією та ін.

Загальними особливостями усіх ферментів є:

• наявність активних (каталітичних) центрів – ділянок, до яких приєднуються молекули субстрату. Ці ділянки у простих ферментах утворюють амінокислоти, а у складних – небілкові частини-кофактори (вітаміни, йони Купруму, Феруму, Магнію);

• наявність регуляторних центрів, до яких можуть приєднуватися різні молекули й спричиняти збільшення або зменшення каталітичної активності. Через ці центри на активність ферментів впливають такі регуляторні чинники, як продукти реакцій, гормони, нейромедіатори та ін. Регуляторні чинники, що підвищують активність ферментів, називають активаторами (йони кислот, жовчні кислоти для ліпаз), а ті, що зменшують, – інгібіторами (наприклад, катіони важких металів);

• специфічність, що визначається здебільшого комплементарною відповідністю між ділянкою ферменту й молекулою субстрату;

• залежність активності від певних умов (рН, температури, тиску, концентрації субстрату та ферментів);

• невитратність – прискорюють реакції, але самі при цьому не витрачаються

та ін.

Отже, здатність ферментів впливати на швидкість біохімічних реакцій є вирішальною умовою для процесів обміну речовин і перетворення енергії у клітинах та організмах.

Як класифікують ферменти?

У сучасній ензимології відомо понад 3000 ферментів; їх класифікують за різними критеріями.

За місцем утворення ферменти поділяють на ендо- й екзоферменти. Переважна більшість ферментів діють всередині клітин або організму, де вони утворилися, тобто є ендоферментами. Зазвичай фермент іменують за типом реакції, яку він каталізує, додаючи суфікс –аза до назви субстрату (наприклад, лактаза – фермент, що бере участь у перетворенні лактози).

Паразитичні бактерії та гриби-паразити використовують екзоферменти (виділяються клітиною назовні) як чинники, що послаблюють організм хазяїна, руйнують його захисні системи, розщеплюють макромолекули. Травні ферменти хижих тварин (павуки, змії, личинки жуків-плавунців) секретуються для зовнішнього травлення, захисту від хижаків.

Класифікація ферментів за хімічним складом включає прості та складні ферменти. Прості ферменти (однокомпонентні) містять лише білкову частину. Більшість ферментів цієї групи можуть кристалізуватися. Прикладами простих ферментів є рибонуклеаза, гідролази, уреаза та ін. Складні ферменти (двокомпонентні) складаються з білкового (апоферменту) й небілкового (кофактора) компонентів. Білковий компонент визначає специфічність ферментів, синтезується, як правило, організмом та є чутливим до зміни температури. Небілковий компонент визначає активність складних ферментів і, як правило, надходить в організм у вигляді попередників або в готовому вигляді та зберігає стабільність за несприятливих умов. Кофактори можуть бути як неорганічними молекулами (наприклад, йони металів), так і органічними (наприклад, флавін). Прикладами складних ферментів є оксидоредуктази (наприклад, каталаза), лігази (наприклад, ДНК-полімераза, тРНК-синтетази), ліази та ін.

Існує класифікація ферментів і за типом реакцій, згідно з якою їх поділяють на 6 класів: оксидоредуктази, трансферази, гідролази, ліази, ізомерази та лігази.

Отже, ферменти класифікують за місцем утворення, хімічним складом і типом каталітичних реакцій.

Яка біологічна роль ферментів?

За біологічним значенням ферменти поділяють на метаболічні, травні й захисні.

Метаболічні ферменти – група ферментів, що каталізують анаболічні й катаболічні реакції у клітинах. Вони можуть міститися в гіалоплазмі (ферменти бродіння), в ядрі (РНК-полімераза, ДНК-полімераза), в мітохондріях (дегідрогенази й цитохроми дихального ланцюга), на рибосомах (синтетази білків), у хлоропластах (рибулозо-біфосфаткарбоксилаза – фермент фіксації СО₂) та ін. У клітинах метаболічні перетворення субстратів здійснюються послідовно декількома ферментами. Кожний з цих ферментів каталізує певну ділянку загального метаболічного шляху. Сукупність ферментів, які каталізують перетворення субстрату через ланцюг послідовних реакцій, називається мультиферментним комплексом (мультиферментною системою). Метаболічні ферменти беруть участь у процесах дихання, росту, подразливості, скорочення м’язів тощо.

Травні ферменти – група ферментів, що розщеплює складні органічні сполуки та їх комплекси до простіших. Ці ферменти в живій природі спостерігаються в лізосомах твариноподібних організмів, секреторних міхурцях грибів, травних секретах комахоїдних рослин, травній системі тварин. Травні ферменти належать до групи гідролаз, що каталізують реакції гідролізу. Так, у травному тракті хребетних тварин й людини наявні протеази (пепсин (діє в шлунку), трипсин (діє в кишечнику) - каталізують розщеплення білків), ліпази (ферменти розщеплення ліпідів), амілази (ферменти розщеплення вуглеводів), нуклеази (розщеплюють нуклеїнові кислоти до нуклеотидів).

Серед ферментів є й такі, що захищають від токсичних речовин (наприклад, антиоксидантні ферменти пероксидаза, каталаза й супероксиддисмутаза), від

втрат крові (наприклад, ферменти зсідання крові – тромбін, фібрин). Основним захисним ферментом багатьох організмів є лізоцим, що міститься в лейкоцитах, яєчному білку, шкірі, слизових оболонках і рідинах організму (слини, слізної рідини). Лізоцим розщеплює речовини, що є основою клітинної оболонки бактерій і захищає слизові оболонки ока, порожнини рота, кишечнику від інфекцій.

Отже, роль ферментів полягає в забезпеченні метаболізму клітин, перетравлюванні складних речовин до простіших і забезпеченні захисту від несприятливих чинників.

 

ВІТАМІНИ ( від лат. vitae – життя та amin – амін) – біологічно активні речовини різної хімічної природи, необхідні в невеликих кількостях для нормального обміну речовин і життєдіяльності живих організмів. Вітаміни не виконують в організмі ані енергетичної, ані структурної функції, але є необхідними для обміну речовин і перетворення енергії.

Існування і значення вітамінів для життя наприкінці минулого століття встановив М. І. Лунін (1881). Пізніше польський хімік К. Функ (1912) назвав речовину, що виділили з висівок, «вітаміном», оскільки її молекула містила аміногрупу. Ця назва збережена до цього часу, хоча Нітроген є не в усіх вітамінах. У 1913 р. американський біохімік Е. В. Макколлум запропонував називати вітаміни літерами латинської абетки. Нідерландський лікар К. Ейкман довів, що захворювання бері-бері спричиняє нестача важливих для організму речовин (вітаміну В₁). Нині відомо близько 50 вітамінів, що їх вивчає наука вітамінологія.

За властивостями вітаміни поділяють на водо- та жиророзчинні. Розчинність впливає на всмоктування, транспортування, зберігання та екскрецію вітамінів.

Так, гідрофільні вітаміни містяться у соковитих складниках їжі, а гідрофобні – в жирах і оліях. Водорозчинні вітаміни всмоктуються безпосередньо в кров,

жиророзчинні потрапляють спочатку в лімфу, а потім у кров і переносяться транспортними білками. У клітинах водорозчинні вітаміни вільно циркулюють у цитоплазмі, в той час як жиророзчинні депонуються у вигляді включень. Невеликий надлишок водорозчинних вітамінів може легко виводитись через органи виділення. Через те що жиророзчинні вітаміни накопичуються в тілі, їх вживають у відносно великих кількостях час від часу, щоб задовольнити потреби організму, а ось водорозчинні мають надходити регулярно.

Автотрофні мікроорганізми й зелені рослини синтезують вітаміни самостійно. Не всі вітаміни є обов'язковими для різних видів тварин. Так, вітамін С є необхідним для людини, людиноподібних мавп і морських свинок, а для кроликів, щурів, мишей він не є вітаміном, оскільки синтезується в організмі.

Гетеротрофні організми використовують синтезовані вітаміни в складі їжі або вступають в мутуалістичні відносини з організмами, здатними їх утворювати. І лише деякі вітаміни можуть синтезуватися в клітинах гетеротрофів. Так, у клітинах росткового шару шкіри людини синтезується вітамін D, у клітинах печінки утворюються вітаміни В₁ й В₃, але в недостатній кількості. Усі інші вітаміни в організмі людини не синтезуються взагалі, тому мають обов'язково надходити в складі харчових продуктів.

Отже, вітаміни потрібні організму в невеликій кількості, вони є водо- і жиророзчинними; їхнє значення визначається участю в життєво важливих процесах обміну речовин.

Які особливості й значення водорозчинних вітамінів?

Водорозчинні вітаміни є гідрофільними сполуками, що нерозчинні в жирах і органічних розчинниках. Ці вітаміни містять Нітроген, не накопичуються в клітинах і виявляють свою дію в складі ферментів; можуть спричиняти гіповітамінози. До групи водорозчинних вітамінів належать вітаміни В₁ (тіамін), B₂ (рибофлавін), B₃ (нікотинова кислота), В₅ (пантотенова кислота), B₆ (піридоксин), B₉ (фолієва кислота), B₁₂ (ціанокобаламін), Н (біотин), С (аскорбінова кислота).

Вітамін В₁ (тіамін, антиневритний) – кристалічна сполука, добре розчинна у воді, стійка проти світла, кисню, нагрівання у кислому середовищі. Тіамін в складі ферментів активно впливає на обмін речовин, а також на нервову регуляцію. Нестача цього вітаміну призводить до захворювання бері-бері.

Вітамін В₂ (рибофлавін, вітамін росту) широко розповсюджений у рослинному світі, синтезується мікроорганізмами. Є попередником флавінових складних ферментів, що беруть участь у регулюванні окисно-відновних процесів. У такий спосіб рибофлавін відіграє важливу роль у вуглеводному, білковому й жировому обміні.

Вітамін В₁₂ (ціанокобаламін, антианемічний) тканинами тварин не утворюється. Його синтез у природі здійснюється тільки мікроорганізмами. Потреби людини й тварин у ньому забезпечуються мікрофлорою кишечнику. Ціанокобаламін входить до складу ферментів синтезу нуклеїнових кислот, є чинником росту й стимулятором гемопоезу, впливає на функції печінки й нервової системи, активує обмін вуглеводів і ліпідів.

Вітамін C (аскорбінова кислота, антицинготний) – безколірна кристалічна речовина, має кислий смак, розчиняється у воді і руйнується за тривалого кип'ятіння. Міститься в значних кількостях у плодах шипшини, капусті, лимонах, апельсинах, хріні, ягодах, хвої та ін. Відкриття вітаміну С пов’язане із захворюванням під назвою «цинга», або «скорбут». Вітамін C є антиоксидантом, регулює всі види обміну речовин, зсідання крові, регенерацію тканин, синтез колагену, підвищує проникність капілярів, стійкість до інфекцій.

Отже, водорозчинні вітаміни синтезуються переважно рослинами й мікроорганізмами. Ці вітаміни впливають на процеси кровотворення в організмі, у складі ферментів регулюють обмін речовин, підвищують стійкість до інфекцій та ін.

Яке значення жиророзчинних вітамінів для організму людини?

Жиророзчинні вітаміни нерозчинні у воді, але розчиняються в органічних розчинниках, термостійкі й нечутливі до змін рН середовища; можуть накопичуватися в організмі й спричиняти гіпервітамінози. До жиророзчинних вітамінів належать вітаміни А (ретинол), D (кальцифероли), Е (токофероли), К (філохінони).

Вітамін А (ретинол, антиксерофтальмічний) синтезується тільки у тваринних тканинах. Рослини позбавлені цього вітаміну, однак багато з них містять каротин, що є попередником ретинолу. Вітамін А – антиоксидант, регулює процеси зроговіння, бере участь у синтезі родопсину, необхідний для підтримки імунітету й протипухлинного захисту організму. Нестача вітаміну А в організмі людини спричиняє захворювання, відоме як куряча сліпота.

Вітамін D (кальциферол, антирахітний) міститься переважно в організмах тварин й людини. У рослин й грибів є їхні попередники – стерини. Вітамін D чинить гормоноподібну дію, бере участь у метаболізмі Кальцію та Фосфору. У разі нестачі вітаміну D у людини розвиваються рахіт, остеомаляція й деякі форми остеопорозу.

Вітамін Е (токоферол, антистерильний) міститься в рослинних оліях й чинить антиоксидантний вплив. Відсутність цих вітамінів у їжі негативно позначається на здатності організму до розмноження. Через те вітамін Е називають також вітаміном розмноження. Авітаміноз Е порушує обмін речовин.

Вітамін К (філохінон, антигеморагічний) називають вітаміном коагуляції, оскільки підвищує зсідання крові. Крім того, він прискорює загоювання ран і регенерацію тканин після опіків. У людей авітаміноз К трапляється дуже рідко, його синтезують організми кишкової мікрофлори.

Отже, жиророзчинні вітаміни визначають здатність організму до розмноження, забезпечують зсідання крові, регулюють обмін солей, впливають на функцію зору та ін.

Які чинники впливають на процеси метаболізму в організмі людини?

Чинники регуляції метаболізму визначають інтенсивність процесів надходження, перетворення й видалення речовин та енергії. Їх поділяють на статичні й динамічні, зовнішні й внутрішні.

Чинники регуляції метаболізму, що не піддаються корекції з боку людини, називаються статичними. Це спадковість, стать, тип статури тіла, вік, нервові ендокринні впливи регуляторних систем.

Так, з віком інтенсивність обміну знижується на 7 – 10 % кожні десять років, досягаючи в старості свого мінімуму, а простуда чи травми активізують обмінні процеси. Обмін речовин у чоловіків у середньому на 10 – 20 % вищий, ніж у жінок, оскільки у них відсоткова частка м’язів є більшою відносно маси тіла. Високий рівень обміну речовин у дитячому віці пояснюється високою активністю процесів, посиленим ростом тканин. У похилому віці поряд із зниженням вмісту води, кількості й активності клітин знижується й м’язова активність.

В іншу групу об’єднують чинники, вплив яких людина може змінювати. Їх назвали динамічними. Це раціон і режим харчування, маса тіла, психоемоційний стан, сон, фізична активність, хронічні хвороби. Важливим є вплив на обмін речовин загальної кількості й складу їжі. Разом із генетичними чинниками та способом життя саме їжа визначає стан здоров'я кожної конкретної людини. Недарма існують приказки «Ми є те, що ми їмо», «Свою хворобу шукай на дні своєї тарілки». Приймання їжі підвищує інтенсивність обміну речовин, що триває протягом 5 – 6 год. Такий вплив їжі на рівень обміну речовин та енергії називається специфічною динамічною дією їжі. Механізм такої дії їжі більшість дослідників пояснюють впливом на клітини продуктів розпаду й проміжного обміну, активізацією перистальтики кишечнику і посиленням роботи травних залоз.

На метаболізм впливають зовнішні й внутрішні чинники. Так, тривалий вплив на організм людини низької температури підвищує обмін речовин (зі зниженням температури повітря на 10 °С рівень обміну підвищується на 2,5 %). Добові та сезонні зміни в природі визначають спадкову ритмічність процесів обміну речовин. Так, підвищення інтенсивності обміну речовин спостерігається навесні та раннім літом, а зниження – пізньої осені й узимку. Під час відпочинку обмін речовин знижується на 13 % (за рахунок розслаблення скелетних м’язів). На рівень обміну впливають й такі внутрішні чинники, як гормони та участь енергетичних систем у забезпеченні клітин енергією. Це фосфатна система АТФ (забезпечення енергією на час, менший за 30 с), гліколізна (анаеробна) (від 30 с до 3 хв) та аеробна (на час, більший за 3 хв) системи.

Отже, на метаболізм впливають статичні й динамічні, зовнішні та внутрішні чинники; їхня взаємодія визначає особливості обміну речовин у кожної людини.

Як регулюється метаболізм в організмі людини?

Регуляція обміну речовин та енергії – сукупність рівнево організованих біохімічних й фізіологічних процесів, що здійснюють пристосування обміну речовин й енергії до потреб організму. На молекулярному рівні організації організму людини відбувається генетична регуляція, що визначає синтез ферментів. Регуляція на рівні генів веде до збільшення чи зменшення концентрації тих чи інших ферментів шляхом впливу на активність ферментних генів регуляторних білків-індукторів чи репресорів. Цей тип регуляції обміну речовин вирізняється високою специфічністю, але сам процес відбувається повільно (зазвичай годинами).

Клітинна регуляція ґрунтується на особливостях взаємодії ферменту і субстрату. За наявності субстрату клітина синтезує фермент, за відсутності –

припиняє синтез. Окрім того, активність ферментів у клітинах залежить від умов, в яких діє фермент, а саме від рН середовища, температури, концентрації як ферменту, так і субстрату. Наприклад, накопичення кислих продуктів реакції може сповільнити швидкість біокаталітичної реакції.

Гуморальна регуляція обміну речовин на рівні організму полягає в дії гормонів на активність ферменту або на діяльність тканин та органів. Наприклад, тиреотропний гормон гіпофіза впливає на щитоподібну залозу, яка може секретувати більше чи менше тироксину, що веде до прискорення чи сповільнення обміну речовин. Гуморальна регуляція обміну речовин має повільну регулювальну дію, і її прояви підпорядковані нервовій системі. Регулювальна дія гормонів є різнобічною і може бути реалізована через активацію й пригнічення ферментів, біосинтезу білків, зміну проникності клітинних мембран тощо. Гормони беруть важливу участь як у терміновій регуляції, так і у тривалій регуляції (адаптації) обміну речовин до умов середовища, кількості та якості вживаної їжі, регуляції надходження і засвоєння кількості рідини та електролітів в організмі. Після реалізації своїх функцій відбувається руйнування гормонів. Невелика частина залишків гормональних продуктів може знову ресинтезуватись у гормони, але більша їх частина піддається незворотному катаболізму. Видалення гормонів та їхніх метаболітів здійснюється переважно із сечею й жовчю.

Найвищим рівнем регуляції обміну речовин в організмі людини є нервова регуляція. Контроль за обміном речовин й перетворенням енергії належить до інтегративних процесів, що регулюються гіпоталамусом. Крім центрів голоду, ситості й спраги, центрів, що регулюють обмін білків, вуглеводів, ліпідів, водно-сольовий обмін, у гіпоталамусі розміщений і центр терморегуляції. Вони поєднані в один інтегративний центр, який регулює усі ці процеси. Найчастіше нервова система свою регуляторну функцію здійснює через ендокринну систему. Яскравим прикладом цього зв’язку є вплив емоцій на обмін речовин. Нервова регуляція обміну речовин перебуває також під контролем кори великого мозку, тому людина може свідомо й швидко впливати на процеси харчування й чинники, від яких залежить обмін речовин. Така регулювальна дія кори головного мозку називається кортикальною регуляцією.

Нервова регуляція обміну речовин здійснюється трьома шляхами:

1) виділенням нейромедіаторів – біологічно активних речовини, за допомогою яких передаються імпульси з нейронів через синапси (наприклад, серотонін, адреналін, гістамін, ацетилхолін);

2) зміною концентрації йонів, що активують або сповільнюють дію ферментів;

3) за допомогою впливів на ендокринні залози (наприклад, дія гіпоталамаса через гіпофіз на ендокринні залози).

Отже, регуляція обміну речовин в організмі людини здійснюється на різних рівнях його організації.