Նյութափոխանակություն

Էներգետիկ նյութափոխանակության կենտրոնական միջնորդանյութ ադենոզինեռֆոսֆատի (ԱԵՖ) կառուցվածքը

Նյութափոխանակություն կամ մետաբոլիզմ (հուն․՝ μεταβολή metabolē նշանակում է փոփոխություն), օրգանիզմների կենսապահովման քիմիական ռեակցիաների ամբողջություն։ Մետաբոլիզմի 3 հիմնական ուղղություններն են՝ սննդանյութերի փոխակերպումն էներգիայի՝ բջջային գործընթացների իրականացման համար, սննդանյութերի փոխարկումը սպիտակուցների, լիպիդների, նուկլեինաթթուների և որոշ ածխաջրերի կառուցվածքային միավորների և ազոտային արգասիքների հեռացումը։ Ֆերմենտներով կատալիզվող այս ռեակցիաներն օրգանիզմներին թույլ են տալիս աճել և բազմանալ, պահպանել իրենց կառուցվածքը և պատասխանել իրենց շրջակա միջավայրի ազդակներին։

Մետաբոլիզմ բառը կարող է վերաբերվել նաև կենդանի օրգանիզմներում տեղի ունեցող բոլոր քիմիական ռեակցիաներին, այդ թվում՝ մարսողությանը և դեպի բջիջներ, ինչպես նաև տարբեր բջիջների միջև նյութերի փոխադրմանը, որոնց դեպքում բջջում տեղի ունեցող ռեակցիաների ամբողջությունն անվանում են միջանկյալ կամ միջնորդավորված մետաբոլիզմ։

Նյութափոխանակությունը սովորաբար բաժանում են 2 կատեգորիայի. կատաբոլիզմ՝ օրգանական միացությունների ճեղքումն է, օրինակ՝ բջջային շնչառության ընթացքում գլյուկոզի ճեղքումը մինչև ԱԵՖ-ի անջատում և պիրուվատ (պիրոխաղողաթթու), և անաբոլիզմ՝ բջջի կառուցվածքային բաղադրիչների սինթեզն է, որոնցից են սպիտակուցներն ու նուկլեինաթթուները։ Սովորաբար ճեղքման արդյունքում էներգիան արտադրվում է, սինթեզի ժամանակ՝ օգտագործվում։

Նյութափոխանակության քիմիական ռեակցիաները խմբավորված են նյութափոխանակային ուղիներում, որոնցում հաջորդաբար գործող ֆերմենտների շնորհիվ մեկ քիմիական միացությունը մի քանի փուլերով փոխակերպվում է մեկ այլ քիմիական միացության։ Ֆերմենտները կարևոր նշանակություն ունեն նյութափոխանակության գործընթացում, քանի որ նրանք թույլ են տալիս օրգանիզմներին իրականացնել էներգիա պահանջող ցանկացած ռեակցիա, որն ինքնուրույն տեղի ունենալ չի կարող, դրանք զուգակցում են էներգիայի անջատմամբ ուղեկցվող սպոնտան (ինքնակամ) ռեակցիաների հետ։ Ֆերմենտները գործում են որպես կատալիզատորներ, որոնց շնորհիվ ռեակցիաներն ավելի արագ են կատարվում։ Բացի այդ ֆերմենտները հնարավորություն են տալիս կարգավորել մետաբոլիկ ուղիներն ու ռեակցիաների արագությունը ի պատասխան բջջի շրջակա միջավայրի փոփոխություններին կամ այլ բջիջներից եկող ազդակներին։

Որոշակի օրգանիզմի նյութափոխանակային համակարգով որոշվում է, թե որ միացություներն են տվյալ օրգանիզմի համար սննդանյութեր և որոնք թունավոր նյութեր։ Օրինակ՝ որոշ պրոկարիոտներ ծծմբաջրածինն օգտագործում են որպես սննդանյութ, մինչդեռ կենդանիների համար այս գազը թունավոր է։ Նյութափոխանակության արագությունը կամ ինտենսիվությունն ազդում է օրգանիզմի կողմից պահանջվող սննդանյութերի քանակի, ինչպես նաև նրա կողմից այդ սննդանյութերի ստացման ունակության վրա։

Նյութափոխանակության զարմանալի առանձնահատկությունը նույնիսկ իրարից նշանակալիորեն տարբերվող տեսակների միջև մետաբոլիկ ուղիների և նրանց բաղադրամասերի նմանությունն է։ Օրինակ՝ կարբոնաթթուների հավաքածուն, որոնք առավել հայտնի են որպես լիմոնաթթվային ցիկլի միջանկյալ միացություններ, առկա են բոլոր օրգանիզմներում, հայտնաբերվել են այնպիսի տարատեսակ օրգանիզմներում, ինչպիսիք են միաբջիջ Escherichia coli բակտերիան և հսկայական բազմաբջիջ օրգանիզմները, ինչպիսիք են փղերը։ Մետաբոլիկ ուղիների այս զարմանալի նմանությունները հավանաբար կապված են էվոլյուցիայի վաղ փուլերում ի հայտ գալու և և արդյունավետության շնորհիվ պահպանվելու հետ։

Բանալի կենսաքիմիական մոլեկուլներ

Տրիացիլգլիցերոլի կառուցվածքը

Հիմնական հոդվածներ՝ Բջիջ, Կենսաքիմիա

Մարդու օրգանիզմի նյութափոխանակային ուղիների ընդարձակ ցանցը նկարագրող դիագրամ

Միացությունների մեծամասնությունը, որոնք մտնում են կենդանիների, բույսերի և մանրէների կազմության մեջ, բաղկացած են մոլեկուլների 3 հիմնական դասերից՝ ամինաթթուներ, ածխաջրեր և լիպիդներ (հաճախ անվանում են նաև ճարպեր)։ Քանի որ այդ մոլեկուլները կենսական նշանակություն ունեն, նյութափոխանակային ռեակցիաները կենտրոնացած են այս մոլեկուլների առաջացման վրա՝ բջիջների և հյուսվածքների նորոգման ընթացքում, կամ նրանց ճեղքման վրա, երբ դրանք օգտագործվում են որպես էներգիայի աղբյուր։ Այս միացությունները կարող են միանալ իրար և առաջացնել այնպիսի պոլիմերներ, ինչպիսիք են՝ ԴՆԹ-ն և սպիտակուցները՝ կյանքի համար անհրաժեշտ մակրոմոլեկուլները։

Մոլեկուլի տիպը	Մոնոմերի անվանումը	Պոլիմերի անվանումը	Պոլիմերների օրինակներ
Ամինաթթուներ	Ամինաթթու	Սպիտակուցներ (բաղկացած են պոլիպեպտիդներից)	Ֆիբրիլյար և գլոբուլյար սպիտակուցներ
Ածխաջրեր	Մոնոսախարիդ	Պոլիսախարիդներ	Օսլա, գլիկոգեն և ցելյուլոզ
Նուկլեինաթթուներ	Նուկլեոտիդ	Պոլինուկլեոտիդներ	ԴՆԹ և ՌՆԹ

Ամինաթթուներ և սպիտակուցներ

Սպիտակուցները բաղկացած են ամինաթթուներից, որոնք դասավորված են գծային շղթայում և իրար միացած են պեպտիդային կապերով։ Շատ սպիտակուցներ ֆերմենտներ են, որոնք կատալիզում են նյութափոխանակության քիմիական ռեակցիաները։ Այլ սպիտակուցներ ունեն կառուցվածքային կամ մեխանիկական ֆունկցիաներ, որոնցից են բջջակմախքը ձևավորող սպիտակուցները։ Սպիտակուցները կարևոր դեր ունեն նաև բջջի ազդանշանման, իմունային պատասխանների, ադհեզիայի, թաղանթներով ակտիվ տրանսպորտի գործընթացներում և բջջային ցիկլում։ Ամինաթթուները մասնակցում են նաև բջջային էներգետիկ մետաբոլիզմին՝ ածխածնի աղբյուր հանդիսանալով լիմոնաթթվային ցիկլի համար (եռկարբոնաթթվային ցիկլ), հատկապես այն ժամանակ, երբ էներգիայի հիմնական աղբյուրը, ինչպիսին է գլյուկոզը, անբավարար է, կամ էլ բջիջների մետաբոլիկ սթրեսի ընթացքում։

Լիպիդներ

Լիպիդները կենսաքիմիկատների ամենաբազմազան խումբն են կազմում։ Նրանք հիմնականում հանդիսանում են արտաքին և ներքին կենսաբանական թաղանթների կառուցվածքային բաղադրամասեր, որոնցից է բջջի թաղանթը, կամ էներգիայի աղբյուր։ Լիպիդները բնութագրվում են որպես հիդրոֆոբ կամ ամֆիպատիկ կենսաբանական մոլեկուլներ, բայց լուծվում են օրգանական լուծիչներում, ինչպիսիք են՝ բենզոլը կամ քլորոֆորմը։ Ճարպերը գլիցերին և ճարպաթթուներ պարունակող միացությունների մեծ խումբ են կազմում։ Գլիցերինի և նրան միացած 3 ճարպաթթուների էսթերն անվանում են տրիացիլգլիցերիդ։ Գոյություն ունեն այս հիմնական կառույցի մի քանի տարբերակներ, որոնք ներառում են այլընտրանքային բաղադրիչներ, ինչպիսիք են սֆինգոզինը՝ սֆինգոլիպիդներում, և հիդրոֆիլ խմբերը, որոնցից են ֆոսֆոլիպիդների ֆոսֆատային խմբերը։ Լիպիդների մեկ այլ խոշոր դաս են կազմում ստերոիդները, որոնցից է խոլեստերոլը։

Ածխաջրեր

Գլյուկոզի մոլեկուլը կարող է գոյություն ունենալ ուղիղ շղթայի և ցիկլի ձևով

Ածխաջրերը կամ շաքարները մի քանի հիդրօքսիլ խմբեր պարունակող ալդեհիդներ կամ կետոններ են, որոնք կարող են հանդես գալ գծային կամ ցիկլային ձևով։ Սրանք ամենատարածված կենսաբանական մոլեկուլներն են և կատարում են հետևյալ ֆունկցիաները՝ էներգիայի պահեստավորում և փոխադրում (օսլա, գլիկոգեն), կառուցվածքային ֆունկցիա (ցելյուլոզը բույսերի մոտ, խիտինը սնկերի և կենդանիների մոտ)։ Ածխաջրերի կառուցվածքային միավորները կոչվում են մոնոսախարիդներ։ Դրանց թվին են պատկանում գալակտոզը, ֆրուկտոզը և ամենակարևորը՝ գլյուկոզը։ Մոնոսախարիդները (միաշաքարներ) կարող են միմյանց միանալով ձևավորել պոլիսախարիդներ (բազմաշաքարներ)։

Նուկլեինաթթուներ

ԴՆԹ-ն և ՌՆԹ-ն նուկլեոտիդների պոլիմերներ են։ Յուրաքանչյուր նուկլեոտիդ բաղկացած է ազոտային հիմքից, ռիբոզ կամ դեզօքսիռիբոզ ածխաջրից և ֆոսֆատային խմբից։ Նուկլեինաթթուները որոշիչ դեր ունեն գենետիկական տեղեկատվության պահպանման և դրսևորման գործընթացում, որն իրականացվում է տրանսկրիպցիայի և սպիտակուցի կենսասինթեզի միջոցով։ Այս ինֆորմացիան պահպանվում է ԴՆԹ-ի վերականգնման (ռեպարացիոն) մեխանիզմների շնորհիվ և սերնդեսերունդ փոխանցվում է կրկնապատկման (ռեպլիկացիայի) միջոցով։ Բազմաթիվ վիրուսների գենոմը ներկայացված է ՌՆԹ-ի ձևով, օրինակ՝ ՄԻԱՎ-ը, որը հետադարձ տրանսկրիպցիայի մեխանիզմով ստեղծում է իր վիրուսային ՌՆԹ-ին համապատասխան ԴՆԹ։ ՌՆԹ-ների որոշ մոլեկուլներ օժտված են կատալիտիկ ֆունկցիայով (ռիբոզիմներ) և մտնում են սփլայսոսոմների ու ռիբոսոմների կազմի մեջ։

Նուկլեոզիդները կազմված են ազոտային հիմքից և նրան միացած ռիբոզ ածխաջրից։ Ազոտային հիմքերն ազոտ պարունակող հետերոցիկլիկ օղակներ են, որոնք դասակարգվում են 2 խմբի՝ պուրինային և պիրիմիդինային հիմքեր։ Որոշ նուկլեոտիդներ ֆունկցիոնալ խմբերի փոխանակման ռեակցիաներում հանդես են գալիս որպես կոֆերմենտներ։

Կոֆերմենտներ

Հիմնական հոդված՝ Կոֆերմենտներ

Ացետիլացման կոֆերմենտի կառուցվածքը: Մոլեկուլի ձախ ծայրում՝ ծծմբի ատոմին միացած է շարժական ացետիլ խումբը

Մետաբոլիզմն ընդգրկում է քիմիական ռեակցիաների լայն շրջանակ, սակայն դրանց մեծ մասը հիմնված է ատոմների ֆունկցիոնալ խմբերի և մոլեկուլներում նրանց միջև եղած կապերի տեղափոխության վրա։ Այս ընդհանրությունը բջիջներին հնարավորություն է տալիս մետաբոլիկ միջնորդանյութերի փոքր հավաքածուի միջոցով իրականացնել քիմիական խմբերի տեղափոխություն տարբեր ռեակցիաների ընթացքում։ Ֆունկցիոնալ խմբեր փոխադրող այդ միջնորդանյութերը կոչվում են կոֆերմենտներ։ Ֆունկցիոնալ խմբերի տեղափոխման ռեակցիաների յուրաքանչյուր դաս իրականացվում է մի որոշակի կոֆերմենտով, որը սուբստրատ է հանդիսանում այն արտադրող և յուրացնող ֆերմենտների համար։ Այդ պատճառով էլ կոֆերմենտներն անընդհատ առաջանում, յուրացվում և վերաօգտագործվում են։

Կենտրոնական կոֆերմենտներից մեկն ադենոզինեռֆոսֆատն է (ԱԵՖ)՝ բջիջների էներգիայի ունիվերսալ աղբյուրը։ Այս նուկլեոտիդն օգտագործվում է տարբեր քիմիական ռեակցիաների ընթացքում մակրոէրգիկ կապերում պահեստավորված քիմիական էներգիայի փոխանցման համար։ Բջիջներում քիչ քանակությամբ ԱԵՖ է պարունակվում, սակայն այն մշտապես վերականգնվում է ԱԿՖ-ից և ԱՄՖ-ից։ Օրվա ընթացքում մարդու օրգանիզմում օգտագործվում է նրա զանգվածին հավասար քանակությամբ ԱԵՖ։ ԱԵՖ-ը "կամուրջ" է հանդիսանում կատաբոլիզմի և անաբոլիզմի միջև։ Կատաբոլիզմի ժամանակ մոլեկուլների ճեղքման ընթացքում առաջանում է ԱԵՖ, իսկ անաբոլիկ ռեակցիաների ընթացքում՝ մոլեկուլների միացման ժամանակ ԱԵՖ-ը ծախսվում է։ Այն հանդիսանում է նաև ֆոսֆատային խմբերի դոնոր՝ ֆոսֆորիլացման ռեակցիաների ժամանակ։

Վիտամինները փոքր քանակություններով անհրաժեշտ ցածրամոլեկուլային օրգանական միացություններ են, ընդ որում՝ օրինակ մարդու օրգանիզմում վիտամիններ չեն սինթեզվում, այլ ստացվում են սննդից կամ ստամոքս-աղիքային ուղու միկրոֆլորայի միջոցով։ Մարդու օրգանիզմում վիտամինների մեծ մասը մոդիֆիկացիայի ենթարկվելուց հետո գործում են որպես կոֆերմենտներ, օրինակ՝ ջրալուծ վիտամինները ֆոսֆորիլացվում են կամ կապվում նուկլեոտիդների հետ։

Նիկոտինամիդադենինդինուկլեոտիդը (ՆԱԴ⁺) վիտամին B3-ի (նիացին) ածանցյալն է, որը նաև կարևոր կոֆերմենտ է և գործում է որպես ջրածնի ակցեպտոր։ Հարյուրավոր տարատեսակ դեհիդրոգենազներ իրենց սուբստրատներից էլեկտրոնը տեղափոխում են ՆԱԴ⁺-ի վրա, վերականգնելով այն ՆԱԴH-ի։ Այս կոֆերմենտի վերականգնված ձևը սուբստրատ է հանդիսանում բջջի տարբեր ռեդուկտազների համար։ Նիկոտինամիդադենինդինուկլեոտիդը բջջում 2 ձևով է հանդիպում՝ ՆԱԴH և ՆԱԴՖH: ՆԱԴ⁺/ՆԱԴH ձևն ավելի կարևոր է կատաբոլիկ ռեակցիաներում, մինչդեռ ՆԱԴՖ⁺/ՆԱԴՖH-ն օգտագործվում է անաբոլիկ պրոցեսներում։

Անօրգանական միացություններ և կոֆակտորներ

Հիմնական հոդվածներ՝ Մետաղների նյութափոխանակություն, Կենսաանօրգանական քիմիա

Հեմոգլոբինի կառուցվածքը: Սպիտակուցի ենթամիավորները ներկված են կարմիրով և կապույտով, իսկ երկաթ-պարունակող հեմային խմբերը՝ կանաչով

Անօրգանական միացություններն էական դեր են կատարում նյութափոխանակության մեջ։ Որոշների պարունակությունը բարձր է (օրինակ՝ նատրիումկամ կալիում), մինչդեռ մյուսները գործում են աննշան կոնցենտրացիաներով։ Կաթնասունների օրգանիզմի զանգվածի շուրջ 99%-ը կազմում են ածխածինը, ազոտը, կալցիումը, նատրիումը, քլորը, կալիումը, ջրածինը, ֆոսֆորը, թթվածինը և ծծումբը։ Ածխածնի և ազոտի մեծ մասը պարունակվում է օրգանական միացություններում (սպիտակուցներ, լիպիդներ և ածխաջրեր), իսկ թթվածինն ու ջրածինը հիմնականում ջրի կազմում են հանդես գալիս։

Անօրգանական միացությունների մեծ մասը գործում է որպես իոնային էլեկտրոլիտներ։ Օրգանիզմի համար առավել կարևոր են նատրիումի, կալիումի, կալցիումի, մագնեզիումի, քլորի, ֆոսֆատ և բիկարբոնատ իոնները։ Բջջաթաղանթի 2 կողմերում իոնային գրադիենտի հաստատունությունն ապահովում է օսմոտիկ ճնշման և pH-ի պահպանումը։ Իոնների կոնցենտրացիան կարևոր դեր է կատարում նաև նյարդերի և մկանների գործունեության համար, քանի որ այս հյուսվածքներում գործողության պոտենցիալն առաջանում է արտաբջջային հեղուկի և ցիտոպլազմայի միջև իոնների փոխանակման արդյունքում։ Էլեկտրոլիտները բջիջ են մտնում և դուրս են գալիս բջջաթաղանթի սպիտակուցների միջոցով, որոնց անվանում են իոնային անցքուղիներ։ Օրինակ՝ մկանային կծկումը կապված է բջջաթաղանթի իոնային անցքուղիներով և T-խողովակներով կալցիումի, նատրիումի և կալիումի իոնների շարժման հետ։

Օրգանիզմում անցումային մետաղները ներկայացված են միկրոտարրերի ձևով, որոնցից ամենահայտնին ցինկն ու երկաթն են։ Այս մետաղները կոֆակտորներ են հանդիսանում որոշ սպիտակուցների համար և անհրաժեշտ են ֆերմենտների ակտիվության համար, ինչպիսիք են կատալազը և թթվածին-կապող սպիտակուցները, որոնցից է հեմոգլոբինը։ Մետաղական կոֆակտորներն ամուր կապվում են սպիտակուցների սպեցիֆիկ տեղամասերին, սակայն ֆերմենտների կոֆակտորները կատալիզի ընթացքում կարող են մոդիֆիկացվել և ռեակցիայի ավարտին վերադառնալ իրենց նախնական վիճակին։ Օրգանիզմում մետաղ-միկրոտարրերը յուրացվում են հատուկ փոխադրիչ սպիտակուցների միջոցով և ազատ վիճակում չեն հանդիպում, քանի որ կապվում են պահեստային սպիտակուցների հետ, որոնցից են ֆերիտինը և մետալլոթիոնեինը։

Օրգանիզմների դասակարգումն ըստ մետաբոլիզմի տիպերի

Կախված օգտագործվող էներգիայի, ածխածնի աղբյուրից և էլեկտրոնների դոնորից (օքսիդացվող սուբստրատից) բոլոր կենդանի օրգանիզմներին կարելի է բաժանել 8 խմբերի՝

1. Որպես էներգիայի աղբյուր կենդանի օրգանիզմները կարող են օգտագործել լուսային էներգիան (ֆոտոտրոֆներ) կամ քիմիական կապերի էներգիան (քեմոտրոֆներ)։ Մակաբույծ օրգանիզմների բնութագրման համար, որոնք օգտագործում են տեր բջջի էներգետիկ ռեսուրսները, կիրառվում է պարատրոֆհասկացությունը։
2. Որպես էլեկտրոնների դոնոր (վերականգնիչ) կենդանի օրգանիզմները կարող են օգտագործել անօրգանական (լիթոտրոֆ) կամ օրգանական (օրգանոտրոֆ) միացությունները։
3. Որպես ածխածնի աղբյուր կենդանի օրգանիզմներն օգտագործում են ածխաթթու գազը (ավտոտրոֆներ) կամ օրգանական միացությունները (հետերոտրոֆներ)։ Երբեմն ավտոտրոֆ և հետերոտրոֆ հասկացությունները վերաբերվում են կենսաբանական մոլեկուլների կազմի մեջ մտնող և վերականգնված վիճակում գտնվող տարրերին (օր.՝ ազոտ, ծծումբ)։ Այս դեպքում, "ըստ ազոտի ավտոտրոֆ" կհամարվեն այն տեսակները, որոնք որպես ազոտի աղբյուր օգտագործում են օքսիդացած անօրգանական միացությունները (օր.՝ բույսերն իրականացնում են նիտրատների վերականգնում)։ Իսկ "ըստ ազոտի հետերոտրոֆ" կհամարվեն այն օրգանիզմները, որոնք ունակ չեն իրականացնել ազոտի օքսիդացած ձևերի վերականգնում և որպես ազոտի աղբյուր օգտագործում են օրգանական միացություններ (օր.՝ կենդանիները, որոնց համար ազոտի աղբյուր են հանդիսանում ամինաթթուները)։

Մետաբոլիզմի տիպի անվանումը կազմվում է համապատասխան արմատներից, և վերջում ավելացվոււմ է -տրոֆ բառը։ Աղյուսակում ներկայացված են մետաբոլիզմի հնարավոր տիպերն ու օրինակները.

Էներգիայի աղբյուր	Էլեկտրոնների դոնոր	Ածխածնի աղբյուր	Մետաբոլիզմի տիպ	Օրինակներ
Արևային լույս Ֆոտո-	Օրգանական միացություններ -օրգանո-	Օրգանական միացություններ -հետերոտրոֆ	Ֆոտոօրգանոհետերոտրոֆներ	Ծիրանագույն ոչ ծծմբային բակտերիաներ, Հալոբակտերիաներ, որոշ ցիանոբակտերիաներ
		Ածխաթթու գազ -ավտոտրոֆ	Ֆոտոօրգանոավտոտրոֆներ	Մետաբոլիզմի հազվադեպ հանդիպող տիպ, որը կապված է չյուրացվող կամ բարդ յուրացվող միացությունների օքսիդացման հետ։ Բնորոշ է որոշ ծիրանագույն բակտերիաների։
	Անօրգանական միացություններ -լիթո-*	Օրգանական միացություններ -հետերոտրոֆ	Ֆոտոլիթոհետերոտրոֆներ	Որոշ ցիանոբակտերիաներ, ծիրանագույն և կանաչ բակտերիաներ, ինչպես նաև հելիոբակտերիաներ։
		Ածխաթթու գազ -ավտոտրոֆ	Ֆոտոլիթոավտոտրոֆներ	Բարձրակարգ բույսեր, ջրիմուռներ, ցիանոբակտերիաներ, ծիրանագույն ծծմբային բակտերիաներ, կանաչ բակտերիաներ։
Քիմիական կապի էներգիա Քեմո-	Օրգանական միացություններ -օրգանո-	Օրգանական միացություններ -հետերոտրոֆ	Քեմոօրգանոհետերոտրոֆներ	Կենդանիներ, Սնկեր, ռեդուցենտ միկրոօրգանիզմների մեծամասնությունը։
		Ածխաթթու գազ -ավտոտրոֆ	Քեմոօրգանոավտոտրոֆներ	Դժվար յուրացվող նյութերի օքսիդացում, օր.՝ ֆակուլտատիվ մեթիլոտրոֆները, որոնք օքսիդացնում են մրջնաթթուն։
	Անօրգանական միացություններ -լիթո-*	Օրգանական միացություններ -հետերոտրոֆ	Քեմոլիթոհետերոտրոֆներ	Մեթանառաջացնող արքեյներ, ջրածնային բակտերիաներ
		Ածխաթթու գազ -ավտոտրոֆ	Քեմոլիթոավտոտրոֆներ	Երկաթաբակտերիաներ, ջրածնային բակտերիաներ, նիտրիֆիկացնող բակտերիաներ, ծծմբային բակտերիաներ

*Որոշ հեղինակներ -լիթո- բառի փոխարեն օգտագործում են -հիդրո-, երբ էլեկտրոնների դոնորը ջուրն է։

Դասակարգումը մշակվել է մի շարք հեղինակների կողմից (Ա. Լվով, Կ. վան Նիլ, Ֆ. Ջ. Ռայան, Է. Տեյտեմ) և հաստատվել Քոլդ-Սփրինգ-Հարբորի լաբորատորիայի 11-րդ սիմպոզիումին։ Սկզբում այն կիրառվում էր միկրոօրգանիզմների սնուցման տիպերի բնութագրման համար։ Սակայն, ներկայումս այն կիրառվում է նաև այլ օրգանիզմների մետաբոլիզմի բնութագրման համար։

Աղյուսակից երևում է, որ պրոկարիոտների նյութափոխանակային հնարավորությունները զգալիորեն ավելի բազմազան են էուկարիոտների համեմատ, որոնք բնութագրվում են մետաբոլիզմի ֆոտոլիթոավտոտրոֆ և քեմոօրգանոհետերոտրոֆ տիպերով։

Պետք է նշել, որ որոշ միկրոօրգանիզմներ կախված շրջակա միջավայրի պայմաններից (լուսավորություն, օրգանական միացությունների հասանելիություն և այլն) և ֆիզիոլոգիական վիճակից, կարող են իրականացնել տարբեր տիպերի մեաբոլիզմ։ Մետաբոլիզմի մի քանի տիպերի այդպիսի համակցումն անվանում են միքսոտրոֆիա կամ խառը սնուցում։

Այս դասակարգումը բազմաբջիջ օրգանիզմներին վերագրելիս, կարևոր է հաշվի առնել, որ մի օրգանիզմի ներսում կարող են լինել բջիջներ, որոնք տարբերվում են նյութերի փոխանակության տիպով։ Այսպես, բազմաբջիջ բույսերի վերգետնյա, ֆոտոսինթեզող օրգանների բջիջները բնութագրվում են նյութափոխանակության ֆոտոլիթոավտոտրոֆ տիպով, մինչդեռ ստորգետնյա օրգանների բջիջներն ըստ իրենց մետաբոլիզմի քեմոօրգանոհետերոտրոֆ են։ Ինչպես միկրոօրգանիզմների, այնպես էլ բազմաբջիջ օրգանիզմների բջիջների մետաբոլիզմի տիպը կարող է փոխվել՝ շրջակա միջավայրի պայմանների, զարգացման փուլի և ֆիզիոլոգիական վիճակի փոփոխման դեպքում։ Օրինակ՝ բարձրակարգ բույսերի բջիջները մթության մեջ և սերմի ծլման փուլում իրականացնում են քեմոօրգանոհետերոտրոֆ տիպի մետաբոլիզմ։

Սնուցման ավտոտրոֆ և հետերոտրոֆ եղանակները

Կախված նրանից, թե կենսասինթեզի համար քիմական տարրերն, առաջին հերթին ածխածինն ինչ ձևով են անցնում բջիջ, կենդանի օրգանիզմները բաժանվում են ավտոտրոֆների և հետերոտրոֆների։ Ավտոտրոֆները որպես ածխածնի աղբյուր օգտագործում են անօրգանական միացություն CO₂ և սինթեզում են օրգանական միացություններ։ Ավտոտրոֆ սննդառության եղանակներից են ֆոտոսինթեզը և քեմոսինթեզը։ Ֆոտոսինթեզի դեպքում որպես էներգիայի աղբյուր ծառայում է լուսային էներգիան, իսկ քեմոսինթեզի դեպքում՝ անօրգանական միացությունների օքսիդացումից անջատված էներգիան։ Երկրի վրա ապրող օրգանիզմներից ֆոտոսինթեզ իրականացնում են բույսերի մեծ մասը, ֆոտոսինթեզող բակտերիաները և կապտականաչ ջրիմուռները, որոշ նախակենդանիներ։ Էներգիայի սկզբնաղբյուրն Արեգակի էներգիան է, որն այս օրգանզիմները վերափոխում են քիմիական կապի էներգիայի։ Հետագայում այդ էներգիան սնման շղթաներով օգտագործվում է հետերոտրոֆ օրգանիզմների կողմից։ Քեմոսինթեզ իրականացնում են որոշ բակտերիաներ(ծծմբաբակտերիաներ)։

Հետերոտրոֆ օրգանիզմներն ընդունակ չեն անօրգանական միացություններից սինթեզելու օրգանական միացություններ։ Նրանք իրենց կենսագործունեության համար անհրաժեշտ օրգանական նյութերը՝ օրինակ՝ ածխաջրերը լիպիդները, սպիտակուցները, նուկլեինաթթուները, սինթեզում են օգտագործելով արտաքին միջավայրից ստացված օրգանական նյութերը։ Հետերոտրոֆ սննդառության եղանակներից են՝ սապրոֆիտները և մակաբույծները։ Սապրոֆիտները մահացած օրգանիզմների օրգանական նյութերի հաշվին սնվողներն են։ Այդպիսիք են կենդանիների մի մասը, նեխման և խմորման բակտերիաները, գլխարկավոր սնկերը, բորբոսասնկերը և դրոժները։ Մակաբույծները կենդանի օրգանիզմների օրգանական նյութերի հաշվին սնվողներն են։ Այդպիսիք են որոշ նախակենդանիներ, մակաբույծ որդեր, տզեր, արյունածուծ միջատներ, բակտերիոֆագեր, հիվանդություն առաջացնող բակտերիաներ, մակաբույծ սնկեր, ծաղկավոր բույսեր։ Արտաքին միջավայրից տարբեր կենդանի օրգանիզմների բջիջների թափանցող և դրանցից արտազատվող նյութերի բնույթն էապես տարբերվում է միմյանցից։ Օրինակ՝ կանաչ բույսերն արտաքին միջավայրից կլանում են ածխաթթու գազ, ջուր,հանքային նյութեր, իսկ արտաքին միջավայր են արտազատում ֆոտոսինթեզի արդյունքում առաջացած թթվածինը։ Միևնույն ժամանակ ամբողջ օրվա ընթացքում շնչառության համար կլանում են թթվածին և արտազատում՝ ածխաթթու գազ։

Մարդն արտաքին միջավայրից ստանում է ածխաջրեր, լիպիդներ, սպիտակուցներ, ջուր, հանքային աղեր,վիտամինները, իսկ միջավայր է արտազատում կենսագործունեության արդյունքում առաջացած և օրգանիզմին արդեն ոչ պիտանի ածխաթթու գազ, միզանյութ, միզաթթու, ջրի ու աղերի ավելցուկները և այլն։

Մարդու, կենդանիների մեծ մասի և որոշ մանրէների կողմից կլանված և արտաքին միջավայր արտազատված նյութերը բնույթով նման են։

Ազոտ ֆիքսող բակտերիաները մթնորոլտից կլանելով մոլեկուլային ազոտն՝ այն վերածում են ամոնիակի, ինչն իրականանում է նիտրոգենազ ֆերմենտի միջոցով։ Գոյություն ունեն ինչպես ազատ ապրող, այնպես էլ սիմբիոտիկ հարաբերությունների մեջ գտնող ազոտ ֆիքսող բակտերիաներ։ Ավելի հաճախ ազոտ ֆիքսող բակտերիաները սիմբիոզի մեջ են մտնում ընդավորների ընտանիքին պատկանող բույսերի հետ՝ լոբի, ոլոռ, սոյա և այլն։ Ազոտ ֆիքսող բակտերիաների դերը շատ մեծ է ազոտի շրջապտույտում, քանի որ դրանք մոլեկուլային ազոտը, որը բույսերն ուղղակիորեն ընդունակ չեն յուրացնել, վերածում են բույսերի համար պիտանի վիճակի։

Ֆոտոսինթեզող ծծմբաբակտերիաներն արտաքին միջավայրից կլանում են ածխաթթու գազ, ծծմբաջրածին և արտազատում են ծծումբ, որը փառի ձևով կարող է ծածկել ջրի և հողի մակերևույթը։

Այսպիսով, քանի դեռ բջիջը կենդանի է, արտաքին միջավայրից նյութերը թափանցում են բջիջ, իսկ բջջից՝ արտաքին միջավայր, ընդ որում նյութերի կոնցենտրացիաները բջջում և արտաքին միջավայրում էապես կարող են տարբերվել միմյանցից։

Աերոբ և անաերոբ օրգանիզմներ

Մեր մոլորակի կենդանի օրգանիզմների մեծ մասի կենսագործունեության համար անհրաժեշտ է թթվածնի առկայությունն, առանց որի այդ օրգանիզմները չեն կարող գոյատևել։ Դրանք աէրոբ օրգանիզմներ են։

Անաէրոբ օրգանիզմների կենսագործունեության համար թթվածնի առկայությունը պարտադիր չէ։ Դրանց մի մասի համար նույնիսկ թթվածինը թույն է հանդիսանում, այդ պատճառով դրանք կարող են ապրել միայն անթթվածին պայմաններում։ Ֆակուլտատիվ (ոչ պարտադիր) անաէրոբ օրգանիզմներն աճում են ինչպես թթվածնի առկայության, այնպես էլ դրա բացակայության պայմաններում։ Դրանց մի մասն անաէրոբ են, ինչպես թթվածնի առկայության, այնպես էլ նրա բացակայության պայմաններում, իսկ մյուս մասը թթվածնի բացակայության պայմաններում իրենց դրսևորում են որպես անաէրոբ, իսկ թթվածնի առկայության պայմաններում որպես աէրոբ օրգանիզմներ։

Պլաստիկ և էներգետիկ նյութափոխանակություն

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։

Բջջում ընթացող ռեակցիաները կարելի է բաժանել երկու խմբի։ Ռեակցիաների առաջին խումբը նպատակաուղղված է բջիջն էներգիայով ապահովելուն։ Սրանք ճեղքավորման ռեակցիաներ են, որոնց ամբողջությունը կազմում է բջջի էներգիական փոխանակությունը, դիսիմիլյացիա կամ կատաբոլիզմը (հուն․՝ καταβολή - ներքև հատում, ճեղքում)։ Այս 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), և մի ձևից այն կարող է ձևափոխվել մեկ այլ ձևի։

Կենսաբանական օքսիդացման ընթացքում առաջանում են ածխաթթու գազ, ամոնիակ, նատրիումի, ֆոսֆորի, քլորի միացություններ, որոնք 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։

Ռեակցիաների երկրորդ խումբը նպատակաուղղված է բջջի կառուցվածքային բաղադրամասերով ապահովմանը, որոնք անհրաժեշտ են բջջի աճի, նորոգման, նոր պայմաններին հարմարվելու համար։ Դրանք սինթեզի ռեակցիաներն են, որոնց ամբողջությունը կոչվում է պլաստիկ փոխանակություն (հուն․՝ πλαστός -ծեփել, քանդակել), ասիմիլյացիա կամ անաբոլիզմ (հուն․՝ ἀναβολή - վերելք, բարձրացում)։ 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։ Պլաստիկ փոխանակության ռեակցիաներն ընթանում են ինչպես երիտասարդ, այնպես էլ աճը և զարգացումը ավարտած բջիջներում։ Օրինակ՝ սպիտակուցների «կյանքի տևողությունը» մի քանի ժամից մինչև մի քանի օր, հազվադեպ՝ տարիներ, և անընդհատ անհրաժեշտ է դրանց փոխարինումը նոր սինթեզված սպիտակուցներով։

Պլաստիկ և էներգետիկ փոխանակությունները միասին կազմում են բջջի նյութափոխանակությունը կամ մետաբոլիզմը, որի միջոցով իրականանում է բջջի կապն արտաքին միջավայրի հետ։

Պլաստիկ և էներգիական փոխանակություններն անքակտելիորեն կապված են միմյանց հետ։ Նախ՝ պլաստիկ փոխանակության ելանյութերն էներգիական փոխանակության վերջանյութերն են և հակառակը։ Երկրորդ՝ միջանկյալ նյութերը նույնն են։ Երրորդ՝ էներգիական փոխանակության արդյունքում անջատվում է էներգիա, իսկ պլաստիկ փոխանակության ռեակցիաներն ուղեկցվում են էներգիայի կլանմամբ։ Չորրորդ՝ և՛ պլաստիկ, և՛ էներգիական փոխանակության ռեակցիաները հիմնականում իրականանում են ֆերմենտների մասնակցությամբ, որոնք սինթեզվում են պլաստիկ փոխանակության արդյունքում։ Նշենք նաև, որ կենդանի օրգանիզմների բջիջներում կան շատ նուրբ համակարգեր, որոնք կարգավորում են նյութափոխանակությունն, ապահովում տարբեր քիմիական ռեակցիաների համաձայնեցված ընթացքը։ Տարբեր կենդանի օրգանիզմներում նյութափոխանակությունը կարող է ընթանալ ընդհանուր և միանման ուղիներով, սակայն կան նաև նյութափոխանակային գործընթացների յուրահատուկ ուղիներ։

Կատաբոլիզմ

Հիմնական հոդված՝ Կատաբոլիզմ

Կատաբոլիզմ անվանում են նյութափոխանակային գործընթացների ամբողջությունը, որոնց ընթացքում տեղի է ունենում հարաբերականորեն խոշոր օրգանական մոլեկուլների ճեղքում։ Կատաբոլիզմի արդյունքում առաջանում են ավելի պարզ օրգանական մոլեկուլներ, որոնք անհրաժեշտ են անաբոլիզմի՝ կենսասինթետիկ ռեակցիաների համար։ Սննդի մարսման ընթացքում առաջացած օրգանական մոլեկուլների քիմիական կապերի էներգիան կատաբոլիկ ռեակցիաների ընթացքում փոխակերպվում է ավելի հասանելի ձևերի. ԱԵՖ, վերականգնված կոֆերմենտներ և տրանսթաղանթային էլեկտրաքիմիական պոտենցիալ։ "Կատաբոլիզմ" և "էներգետիկ նյութափոխանակություն" հասկացությունները հոմանիշներ չեն. բազմաթիվ օրգանիզմների (օր.՝ ֆոտոտրոֆների) մոտ էներգիայի պահեստավորման հիմնական գործընթացներն ուղղակիորեն կապված չեն օրգանական մոլեկուլների ճեղքման հետ։ Ինչպես նշված է վերևում, օրգանիզմների դասակարգումն ըստ նյութափոխանակության տիպերի կարող է հիմնված լինել էներգիայի աղբյուրի վրա։ Քեմոտրոֆներն օգտագործում են քիմիական կապերի, իսկ ֆոտոտրոֆները՝ արևի լուսային էներգիան։ Սակայն, նյութերի փոխանակության այս բոլոր տարատեսակները կախված են օքսիդավերականգնման ռեակցիաներից, որոնք կապված են վերականգնված-դոնոր մոլեկուլներից ակցեպտորներին էլեկտրոնների փոխանցման հետ։ Էլեկտրոնների դոնորներ են օրգանական մոլեկուլները, ջուրը, ամոնիակը, ծծմբաջրածինը, իսկ ակցեպտորներ են թթվածինը, նիտրատները կամ սուլֆատը։ Կենդանիների մոտ այս ռեակցիաները զուգակցված են բարդ օրգանական մոլեկուլների մինչև ավելի պարզ նյութերի ճեղքման հետ, որոնցից են ածխաթթու գազը և ջուրը։ Ֆոտոսինթեզող օրգանիզմներում՝ բույսերում և ցիանոբակտերիաներում, էլեկտրոնների փոխանցման ռեակցիաների ընթացքում էներգիա չի անջատվում, բայց դրանք օգտագործվում են որպես արևի լուսային էներգիայի պահեստավորման ձև։

Կենդանիների մոտ կատաբոլիզմը բաժանվում է 3 հիմնական փուլերի։ Առաջին փուլում խոշոր օրգանական մոլեկուլները, ինչպիսիք են սպիտակուցները, բազմաշաքարները (պոլիսախարիդներ) և լիպիդները, բջիջներից դուրս ճեղքվում են ավելի փոքր բաղադրիչների։ Այնուհետև այդ ոչ մեծ մոլեկուլները թափանցում են բջիջներ և վերածվում են էլ ավելի փոքր մոլեկուլների, օրինակ՝ ացետիլ-KoA-ի։ Կոֆերմենտ A-ի ացետիլ խումբն էլ իր հերթին Կրեբսի ցիկլում և շնչառական շղթայում օքսիդանում է մինչև ջուր և ածխաթթու գազ, ընդ որում՝ անջատվում է էներգիա, որը պահեստավորվում է ԱԵՖ-ի ձևով։

Մարսողություն

Հիմնական հոդվածներ՝ Մարսողություն և Ստամոքս-աղիքային ուղի

Այնպիսի մակրոմոլեկուլները, ինչպիսիք են օսլան, ցելյուլոզը կամ սպիտակուցները, մինչև բջիջների կողմից յուրացվելը պետք է ճեղքվեն ավելի պարզ մոլեկուլների։ Դրանց ճեղքավորման գործընթացին մասնակցում են մի քանի դասի ֆերմենտներ. պրոտեազներ, որոնք ճեղքում են սպիտակուցները մինչև պեպտիդներ և ամինաթթուներ, գլիկոզիդազները, որոնք էլ բազմաշաքարները ճեղքում են մինչև օլիգոշաքարներ և մոնոշաքարներ։

Միկրոօրգանիզմները հիդրոլիտիկ ֆերմենտներ են արտազատում դեպի իրենց շրջակա միջավայր, մինչդեռ կենդանիների օրգանիզմում նման ֆերմենտներ արտազատվում են աղիների, ինչպես նաև ստամոքսի, ենթաստամոքսային գեղձի և թքագեղձերի, այսինքն՝ մասնագիտացված գեղձային բջիջներից։ Արտաբջջային ֆերմենտների ազդեցությամբ առաջացած ամինաթթուներն ու մոնոշաքարներն ակտիվ տրանսպորտի միջոցով թափանցում են բջջի մեջ:

Սպիտակուցների, ածխաջրերի և ճարպերի կատաբոլիզմի պարզեցված սխեման

Էներգիայի ստացում

Հիմնական հոդվածներ՝ Բջջային շնչառություն, Խմորում, Ածխաջրերի կատաբոլիզմ, Ճարպերի կատաբոլիզմ, Սպիտակուցների կատաբոլիզմ

Ածխաջրերի կատաբոլիզմի ընթացքում բարդ շաքարները ճեղքվում են մինչև մոնոշաքարներ, որոնք յուրացվում են բջիջների կողմից։ Շաքարները (օրինակ՝ գլյուկոզը և ֆրուկտոզը) թափանցելով բջջի մեջ ճեղքավորվում են գլիկոլիզի ընթացքում, վերածվում պիրոխաղողաթթվի (պիրուվատ), ընդ որում՝ առաջանում է որոշակի քանակությամբ ԱԵՖ։ Պիրոխաղողաթթուն հանդիսանում է մի քանի մետաբոլիկ ուղիների միջանկյալ միացություն, սակայն նրա հիմնական մասն աերոբ գլիկոլիզի միջոցով փոխակերպվում է ացետիլ-КоА-ի, որն էլ ներգրավվում է եռկարբոնաթթվային ցիկլի մեջ։ Կրեբսի ցիկլում ավելի շատ ԱԵՖ է առաջանում, բայց եռկարբոնաթթվային ցիկլի ամենակարևոր արգասիքը ՆԱԴH-ն է, որն առաջանում է ՆԱԴ⁺-ից՝ ացետիլ-КоА-ի օքսիդացման ընթացքում։ Օքսիդացման արդյունքում որպես վերջնական արգասիք անջատվում է ածխաթթու գազ։ Անաերոբ պայմաններում, լակտատ-դեհիդրոգենազա ֆերմենտով պիրուվատից առաջանում է լակտատ, տեղի է ունենում ՆԱԴH-ի օքսիդացում մինչև ՆԱԴ⁺, որն էլ կրկին օգտագործվում է գլիկոլիզի ընթացքում։ Մոնոշաքարների ճեղքավորման այլընտրանքային ուղին պենտոզոֆոսֆատային ուղին է, որի ընթացքում տեղի է ունենում էներգիայի պահեստավորում ՆԱԴՖH-ի ձևով և պենտոզների առաջացում, որոնցից է ռիբոզը՝ նուկլեինաթթուների ածխաջրային բաղադրիչը։

Ճարպերն իրենց կատաբոլիզմի առաջին փուլում հիդրոլիզվում են, առաջացնելով ազատ ճարպաթթուներ և գլիցերին։ Գլիցերինը ներգրավվում է գլիկոլիզի մեջ, իսկ ճարպաթթուները ճեղքավորվում են բետա-օքսիդացման արդյունքում, առաջացնելով ացետիլ-КоА: Վերջինս ընդգրկվում է եռկարբոնաթթվային ցիկլի մեջ։ Ճարպաթթուների օքսիդացման արդյունքում ավելի շատ էներգիա է անջատվում, քան ածխաջրերի դեպքում, քանի որ ածխաջրերն իրենց կառուցվածքում ավելի շատ թթվածին են պարունակում։ Ստերոիդները քայքայվում են որոշ բակտերիաների կողմից մի գործընթացի արդյունքում, որը նման է բետա-օքսիդացմանը։ Այդ ճեղքավորման գործընթացի արդյունքում առաջանում են ացետիլ-КоА-ի, պրոպիոնիլ-КоА-ի և պիրուվատի նշանակալի քանակություններ։ Դրանք կարող են օգտագործվել բջջին էներգիայով ապահովելու համար։ M. tuberculosis-ը կարող է աճել այնպիսի պայմաններում, երբ ածխածնի միակ աղբյուրը խոլեստերինն է, ընդ որում՝ հաստատվել է, որ այն գեները, որոնք պատասխանատու են խոլեստերինի յուրացման համար, կարևոր են M. tuberculosis-ի կենսացիկլի տարբեր փուլերում։

Ամինաթթուներն օգտագործվում են սպիտակուցների և այլ կենսամոլեկուլների սինթեզի համար, կամ օքսիդանում են մինչև միզանյութ և ածխածնի երկօքսիդ, հանդիսանալով էներգիայի աղբյուր։ Օքսիդացումը սկսվում է տրանսամինազ ֆերմենտով ամինո-խմբի հեռացմամբ։ Ամինո-խումբն անցնում է միզանյութի ցիկլ, իսկ դեզամինացված ածխածնային կմախքից առաջանում է կետոթթու։ Այդ կետոթթուներից որոշները լիմոնաթթվային ցիկլի միջնորդանյութեր են, օրինակ՝ գլուտամինաթթվի դեզամինացումից առաջացած ալֆա-կետո-գլյուտարաթթուն։ Գլյուկոգեն ամինաթթուները գլյուկոնեոգենեզի միջոցով փոխարկվում են գլյուկոզի։

Էներգիայի փոխակերպումներ

Օքսիդացիոն ֆոսֆորիլացում

ԱԵՖ-սինթազի աշխատանքի մեխանիզմը: Կարմիրը ԱԵՖ-ն է, վարդագույնը՝ ԱԿՖ-ն և ֆոսֆատը, իսկ սևը՝ պտտվող ենթամիավորը

Հիմնական հոդվածներ՝ Օքսիդացիոն ֆոսֆորիլացում, Քեմիօսմոս, Միտոքոնդրիում

Օքսիդացիոն ֆոսֆորիլացման ընթացքում օրգանական մոլեկուլներից պոկված էլեկտրոնները փոխանցվում են թթվածնին և անջատված էներգիան օգտագործվում է ԱԵՖ-ի սինթեզի համար։ Էուկարիոտների մոտ այս գործընթացն իրականացվում է միտոքոնդրիումների թաղանթներին ամրացած մի շարք սպիտակուցների միջոցով, որոնց ամբողջությունն անվանում են էլեկտրոնների փոխանցման շղթա։ Պրոկարիոտների մոտ այս սպիտակուցները տեղակայված են բջջի ներքին թաղանթում։ Էլեկտրոնների փոխանցման շղթայի սպիտակուցները վերականգնված մոլեկուլներից (օրինակ՝ NADH) թթվածնին էլեկտրոնների անցման ժամանակ անջատված էներգիան օգտագործում են թաղանթով պրոտոնների արտամղման համար։

Պրոտոնների դուրսմղման արդյունքում միտոքոնդրիումների ներքին թաղանթի երկու կողմերում ստեղծվում է ջրածնի իոնների կոնցենտրացիոն տարբերություն և առաջանում է էլեկտրաքիմիական գրադիենտ։ Վերջինս էլ շարժիչ ուժ է հանդիսանում է պրոտոններն ԱԵՖ-սինթազ մղելու համար։ Պրոտոնների հոսքը նպաստում է c-ենթամիավորների պտույտին, ինչը հանգեցնում է սինթազի ակտիվ տեղամասի կոնֆորմացիոն փոփոխության և ադենոզին կրկնաֆոսֆատի ֆոսֆորիլացման՝ ԱԵՖ-ի առաջացման։

Անօրգանական միացությունների էներգիան

Լրացուցիչ տեղեկություններ՝ Մանրէների նյութափոխանակություն, Ազոտի շրջապտույտ

Քեմոլիթոտրոֆիան պրոկարիոտների մոտ հայտնաբերված նյութափոխանակության տիպերից մեկն է, որի դեպքում էներգիան ստացվում է անօրգանական միացություններից։ Այս օրգանիզմները որպես էներգիայի աղբյուր կարող են օգտագործել մոլեկուլային ջրածինը, ծծմբի միացությունները (օրինակ՝ սուլֆիդները, ծծմբաջրածինը և թիոսուլֆատները), երկարժեք երկաթը, ամոնիակը, ընդ որում՝ այս միացությունների օքսիդացումից էներգիան առաջանում է էլեկտրոնների ակցեպտորների միջոցով, որոնցից են թթվածինը և նիտրիտները։ Այս մանրէաբանական գործընթացները կարևոր են համաշխարհային կենսաերկրաքիմիական շրջապտույտներում, որոնցից են ացետոգենեզը, նիտրիֆիկացումը և դենիտրիֆիկացումը։

Լուսային էներգիա

Լրացուցիչ տեղեկություններ՝ Ֆոտոտրոֆ, Ֆոտոֆոսֆորիլացում, Քեմոտրոֆ

Արևային էներգիան կլանվում է բույսերի, ցիանոբակտերիաների, ծիրանագույն բակտերիաների, կանաչ ծծմբային բակտերիաների և որոշ պարզագույն օրգանիզմների կողմից։ Այս գործընթացը հաճախ զուգակցվում է ածխածնի երկօքսիդը օրգանական միացությունների փոխակերպման հետ, որպես ֆոտոսինթեզի մի մաս։ Սակայն, որոշ պրոկարիոտների մոտ էներգիայի կլանման և ածխածնի ֆիքսման համակարգերը կարող են գործել առանձին-առանձին, օրինակ՝ ծիրանագույն բակտերիաների և կանաչ ծծմբային բակտերիաները։

Շատ օրգանիզմների կողմից արևային էներգիայի կլանումը սկզբունքորեն նման է օքսիդատիվ ֆոսֆորիլացմանը, քանի որ այն ներառում է էներգիայի պահեստավորում պրոտոնային կոնցենտրացիոն գրադիենտի ձևով։ Այս պրոտոնաշարժ ուժն էլ հանգեցնում է ԱԵՖ-ի սինթեզին։ Էլեկտրոնները, որոնք անհրաժեշտ են էլեկտրոնների փոխանցման շղթայի աշխատանքի համար, գալիս են լուսահավաք սպիտակուցներից, որոնք կոչվում են ֆոտոսինթետիկ ռեակցիոն կենտրոններ։ Դրանցից են օրինակ ռոդօփսինները։ Ռեակցիոն կենտրոնները առկա ֆոտոսինթետիկ պիգմենտի տիպից կախված երկու դասերի են բաժանվում։ Ֆոտոսինթետիկ բակտերիաների մեծ մասն ունի միայն մեկ տիպը, մինդեռ բույսերը և ցիանոբակտերիաները՝ երկուսը։

Բույսերի, ջրիմուռների և ցիանոբակտերիաների մոտ ֆոտոհամակարգ II-ն օգտագործում է լուսային էներգիան ջրից էլեկտրոններ պոկելու համար, ընդ որում՝ որպես ռեակցիայի կողմնակի պրոդուկտ անջատվում է թթվածին։ Այնուհետև էլեկտրոններն անցնում են ցիտոքրոմ b6f կոմպլեքս, որն օգտագործում է նրանց էներգիան՝ պրոտոնները քլորոպլաստի տիլակոիդների թաղանթից դուրս մղելու համար։ Ստեղծված էլեկտրաքիմիական գրադիենտի հաշվին պրոտոնները շարժվում են հակառակ ուղղությամբ և խթանում են ԱԵՖ-սինթազի աշխատանքը։ Այնուհետև էլեկտրոններն անցնում են ֆոտոհամակարգ I-ով և կարող են օգտագործվել ՆԱԴՖ⁺-ի վերականգնման համար՝ Կալվինի ցիկլում օգտագործվելու համար, կամ էլ վերացիկլացվել՝ ԱԵՖ-ի առաջացման համար։

Անաբոլիզմ

Լրացուցիչ տեղեկություններ՝ Անաբոլիզմ

Անաբոլիզմը կառուցողական նյութափոխանակային գործընթացների ամբողջություն է, երբ կատաբոլիզմի ընթացքում անջատված էներգիան օգտագործվում է բարդ մոլեկուլների սինթեզի համար։ Այդ բարդ մոլեկուլները, որոնք հանդիսանում են բջջային կառույցների կառուցվածքային բաղադրիչներ, սինթեզվում են ավելի փոքր և պարզ նախանյութերից՝ հաջորդական ռեակցիաների արդյունքում։ Անաբոլիզմն ընդգրկում է երեք հիմնական փուլեր։ Առաջինը՝ նախանյութ-մոլեկուլների սինթեզն է, որոնցից են ամինաթթուները, միաշաքարները, տերպենոիդները և նուկլեոտիդները։ Երկրորդ փուլում տեղի է ունենում նախանյութերի ակտիվացում, ինչը կատարվում է ԱԵՖ-ի էներգիայի հաշվին։ Երրորդ փուլում ակտիվացած նախանյութ-մոլեկուլներից առաջանում են այնպիսի բարդ մոլեկուլներ, ինչպիսիք են սպիտակուցները, բազմաշաքարները, լիպիդները և նուկլեինաթթուները։

Ոչ բոլոր կենդանի օրգանիզմները կարող են սինթեզել օրգանական միացություններ։ Ավտոտրոֆները (օրինակ՝ բույսերը) պարզ անօրգանական միացություններից, որոնցից են ածխածնի երկօքսիդը և ջուրը, կարող են սինթեզել բարդ օրգանական մոլեկուլներ, օրինակ՝ բազմաշաքարներ։ Մինչդեռ հետերոտրոֆ օրգանիզմներին նման բարդ մոլեկուլների սինթեզի համար անհրաժեշտ են ավելի բարդ օրգանական մոլեկուլներ, ինչպիսիք են՝ միաշաքարները և ամինաթթուները։ Օրգանիզմներն ըստ էներգիայի հիմնական աղբյուրի բաժանվում են հետևյալ խմբերի՝ ֆոտոավտոտրոֆներ և ֆոտոհետերոտրոֆներ, որոնք էներգիան ստանում են լույսից, քեմոավտոտրոֆներ և քեմոհետերոտրոֆներ, որոնք էլ էներգիան ստանում են անօրգանական միացությունների օքսիդացման ռեակցիաներից։

Ածխածնի ֆիքսումը

Լրացուցիչ տեղեկություններ՝ Ֆոտոսինթեզ, Ածխածնի ֆիքսում, Քեմոսինթեզ

Բուսական բջիջները, որոնք պարունակում են կանաչ քլորոպլաստներ

Ֆոտոսինթեզն ածխաջրերի սինթեզն է ածխածնի երկօքսիդից՝ լուսային էներգիայի հաշվին։ Բույսերի, ցիանոբակտերիաների և ջրիմուռների մոտ թթվածնային ֆոտոսինթեզի ժամանակ տեղի է ունենում ջրի ֆոտոլիզ, ընդ որում՝ որպես կողմնակի պրոդուկտ առաջանում է թթվածին։ CO₂-ից 3-ֆոսֆոգլիցերատի առաջացման ժամանակ օգտագործվում է ֆոտոսինթետիկ ռեակցիոն կենտրոններում պահեստավորված ԱԵՖ-ի և ՆԱԴՖH-ի էներգիան։ 3-ֆոսֆոգլիցերատը հետագայում փոխակերպվում է գլյուկոզի։ Ածխածնի ֆիքսման այս ռեակցիան իրականացվում է ռիբուլոզոբիֆոսֆատկարբօքսիլազա ֆերմենտով և հանդիսանում է Կալվինի ցիկլի մի մաս։ Բույսերի մոտ առանձնացնում են ֆոտոսինթեզի 3 տիպ՝ C3-ուղի, C4-ուղի և CAM-ֆոտոսինթեզ։ Ֆոտոսինթեզի այս 3 տիպերը տարբերվում են ածխաթթու գազի կապման և Կալվինի ցիկլ նրա մուտք գործելու ուղիներով։ Այսպես՝ C3-բույսերի մոտ CO₂-ի կապումը տեղի է ունենում հենց Կալվինի ցիկլում, իսկ C4 և CAM-ֆոտոսինթեզի դեպքում սկզբում ածխածծու գազից առաջանում են այլ միացություններ։ Ֆոտոսինթեզի տարբեր ձևերը հարմարողական մեխանիզմներ են արևի ճառագայթների ինտենսիվ հոսքի և չոր պայմանների նկատմամբ։

Ֆոտոսինթեզող պրոկարիոտների մոտ ածխածնի ֆիքսման մեխանիզմներն ավելի բազմազան են։ Նրանց մոտ ածխածնի երկօքսիդը կարող է ֆիքսվել Կալվինի ցիկլում, հետադարձ Կրեբսի ցիկլում կամ ացետիլացման կոֆերմենտի կարբօքսիլացման ժամանակ։ Քեմոավտոտրոֆ պրոկարիոտները CO₂-ը ֆիքսում են նաև Կալվինի ցիկլում, սակայն օգտագործում են անօրգանական միացությունների էներգիան։

Ածխաջրեր և գլիկաններ

Լրացուցիչ տեղեկություններ՝ Գլյուկոնեոգենեզ, Գլիօքսալատային ցիկլ, Գլիկոգենեզ, Գլիկոզիլացում

Ածխաջրերի անաբոլիզմի ընթացքում պարզ օրգանական թթուները կարող են փոխակերպվել միաշաքարների, օրինակ՝ գլյուկոզի, այնուհետև օգտագործվել բազմաշաքարների կենսասինթեզում, ինչպիսին է օսլան։ Գլյուկոզի առաջացումն այնպիսի միացություններից, ինչպիսիք են պիրոխաղողաթթուն, կաթնաթթուն, գլիցերոլը, 3-ֆոսֆոգլիցերատը և ամինաթթուները, անվանում են գլյուկոնեոգենեզ։ Գլյուկոնեոգենեզի ընթացքում պիրոխաղողաթթվից գլյուկոզո-6-ֆոսֆատի առաջացումը կատարվում է այնպիսի միջանկյալ միացությունների միջոցով, որոնց մեծ մասն առաջանում են նաև գլիկոլիզի ընթացքում։ Այնուամենայնիվ, գլյուկոնեոգենեզը գլիկոլիզի հետադարձ ուղղությունը չէ, քանի որ մի քանի ռեակցիաներ կատալիզվում են ոչ գլիկոլիտիկ ֆերմենտներով։ Հենց սա էլ հնարավորություն է տալիս գլյուկոզի սինթեզն ու քայքայումը կարգավորել առանձին-առանձին և կանխում է այսպես կոչված անօգուտ կամ սուբստրատային ցիկլը, այսինքն՝ 2 հակառակ ուղիների միաժամանակյա աշխատանքը։

Կենդանի օրգանիզմների մեծամասնության մոտ էներգիայի հիմնական պահեստային ձևը ճարպն է, սակայն ողնաշարավորների, այդ թվում՝ մարդկանց օրգանիզմում ճարպաթթուները գլյուկոնեոգենեզի ընթացքում չեն կարող փոխակերպվել գլյուկոզի, քանի որ այս օրգանիզմներում բացակայում են ացետիլացման կոֆերմենտը պիրոխաղողաթթվի փոխակերպող ֆերմենտները։ Բույսերի մոտ այս գործընթացն իրականացվում է։ Երկարատև քաղցի պայմաններում ողնաշարավորների օրգանիզմում ճարպաթթուներից սինթեզվում են կետոնային մարմիններ, որոնք կարող են փոխարինել գլյուկոզին այնպիսի հյուսվածքներում, ինչպիսին ուղեղային հյուսվածքն է, որը չի կարող յուրացնել ճարպաթթուները։ Այլ օրգանիզմներում, որոնցից են բույսերը, բակտերիաները, այս մետաբոլիկ խնդիրը լուծվում է գլիօքսալատային ցիկլի միջոցով, որը շրջանցում է լիմոնաթթվային ցիկլի դեկարբօքսիլացման քայլը և թույլ է տալիս ացետիլացման կոֆերմենտը փոխակերպել օքսալոացետատի և հետագայում օգտագործել գլյուկոզի սինթեզի համար։

Բազմաշաքարները և գլիկաններն առաջանում են միաշաքարներից, երբ գլիկոզիլտրանսֆերազա ֆերմենտն աճող բազմաշաքարային շղթային հաջորդաբար միացնում է ակտիվացած շաքարի մնացորդը (ուրիդին-դիֆոսֆո-գլյուկոզ (ՈւԴՖ-գլյուկոզ))։ Քանի որ այդ աճող շղթայի միավորներից յուրաքանչյուրի հիդրօքսիլ խումբը կարող է ակցեպտոր հանդիսանալ նոր մնացորդի միացման համար, այդ պատճառով էլ առաջացած բազմաշաքարները կարող են ունենալ ուղիղ և ճյուղավորված կառուցվածքներ։ Բազմաշաքարները կարող են ունենալ կառուցողական կամ նյութափոխանակային ֆունկցիաներ, կամ օլիգոսախարիլտրանսֆերազա ֆերմենտներով միացվել լիպիդների և սպիտակուցների։

Ճարպաթթուներ, տերպենոիդներ և ստերոիդներ

<figure class="mw-default-size"><figcaption>Ստերոիդների սինթեզի պարզեցված ուղին, որտեղ ներկայացված են իզոպենտենիլ-պիրոֆոսֆատը, դիմեթիլալլիլ պիրոֆոսֆատը, գերանիլ պիրոֆոսֆատը և սքվալենը։</figcaption></figure>Լրացուցիչ տեղեկություններ՝ Ճարպաթթուների կենսասինթեզ, ստերոիդների նյութափոխանակություն

Ճարպաթթուները սինթեզվում են ացետիլ-CoA-ից՝ ճարպաթթվային սինթազ ֆերմենտներով։ Ճարպաթթվի ածխածնային կմախքը երկարում է հաջորդաբար ընթացող ռեակցիաների արդյունքում, որոնց ընթացքում նախ տեղի է ունենում ացետիլ խմբի միացում, ապա կարբոնիլային խմբի վերականգնում հիդրօքսիլ խմբի, դեհիդրատացում և նորից վերականգնում։ Ճարպաթթուների կենսասինթեզի ֆերմենտները բաժանվում են երկու խմբի. կենդանիների և սնկերի մոտ բոլոր ճարպաթթուները սինթեզվում են I տիպի բազմաֆունկցիոնալ սպիտակուցով, մինչդեռ բույսերի պլաստիդներում և բակտերիաների մոտ յուրաքանչյուր քայլը կատալիզվում է II տիպի տարբեր ֆերմենտներով։

Տերպենները և տերպենոիդները բուսական ծագման լիպիդների մեծ խումբ են կազմում։ Այս միացությունները հանդիսանում են իզոպրենի ածանցյալներ և առաջանում են իզոպենտիլ-պիրոֆոսֆատի և դիմեթիլալլիլ պիրոֆոսֆատի ակտիվացած նախանյութերից, որոնք իրենց հերթին առաջանում են նյութափոխանակության տարբեր գործընթացներում։ Կենդանիների և արքեյների մոտ այս միացությունները սինթեզվում են մևալոնատային ուղիում՝ ացետիլ-CoA-ից, մինչդեռ բույսերի և բակտերիաների մոտ՝ ոչ մևալոնատային ուղիում՝ պիրուվատից և գլիցերալդեհիդ-3-ֆոսֆատից։ Ստերոիդների կենսասինթեզի ժամանակ իզոպրենի մոլեկուլները միավորվում են, առաջացնելով սքվալեն, որն էլ հետագայում առաջացնում է ցիկլիկ կառուցվածքով լանոստերոլ։ Վերջինս կարող է փոխակերպվել այլ ստերոիդների, որոնցից են խոլեստեոլը և էրգոստերոլը։

Սպիտակուցներ

Լրացուցիչ տեղեկություններ՝ Սպիտակուցների կենսասինթեզ, Ամինաթթուների սինթեզ

Օրգանիզմները տարբերվում են 20 հիմնական ամինաթթուները սինթեզելու ունակությամբ։ Բազմաթիվ բակտերիաներ և բույսեր սինթեզում են բոլոր 20 ամինաթթուները, բայց կաթնասունները կարողանում են սինթեզել միայն 11 ամինաթթուներ, իսկ մնացած 9-ը ամինաթթուներն օրգանիզմ են ներմուծվում սննդի հետ։ Որոշ պարզագույն մակաբույծներ, ինչպիսին է ''Mycoplasma pneumoniae''-ն, ոչ մի ամինաթթու չեն սինթեզում և իրենց անհրաժեշտ ամինաթթուները ստանում են անմիջապես իրենց տեր-օրգանիզմից։ Բոլոր ամինաթթուները սինթեզվում են գլիկոլիզի, լիմոնաթթվային ցիկլի կամ պենտոզոֆոսֆատային ուղու միջնորդանյութերից։ Սինթեզի ընթացքում ազոտի աղբյուր են հանդիսանում գլյուտամատը և գլյուտամինը։ Ամինաթթուների սինթեզը կախված է համապատասխան կետո-թթվի առաջացումից, որն այնուհետև տրանսամինացվում է, առաջացնելով ամինաթթու։

Ամինաթթուներն իրար միանալով պեպտիդային կապի միջոցով ձևավորում են սպիտակուցներ։ Յուրաքանչյուր սպիտակուց ունի ամինաթթվային մնացորդների որոշակի հաջորդականություն, որն էլ սպիտակուցի առաջնային կառուցվածքն է։ Ինչպես այբուբենի տառերի կապակցումներից կարող են առաջանալ գրեթե անվերջ թվով բառեր, այնպես էլ ամինաթթուները կարող են իրար միանալ տարբեր հաջորդականություններով և առաջացնել ապիտակուցների հսկայական բազմազանություն։ Սպիտակուցներն առաջանում են ամինաթթուներից, որոնք ակտիվանում են փ-ՌՆԹ-ի մոլեկուլին էսթերային կապով միանալու շնորհիվ։ Ամինոացիլ-փ-ՌՆԹ-սինթետազ ֆերմենտը կատալիզում է ամինաթթվի կապումը փ-ՌՆԹ-ին բարդ եթերային կապով, որը ԱԵՖ-կախյալ գործընթաց է և հանգեցնում է ամինոացիլ-փ-ՌՆԹ-ի առաջացման։ Վերջինս էլ սուբստրատ է հանդիսանում ռիբոսոմի համար, որն էլ ի-ՌՆԹ-ի ինֆորմացիայի հիման վրա հաջորդաբար միացնում է ամինաթթուները՝ երկարացնելով սպիտակուցային շղթան։

Նուկլեոտիդների սինթեզը և փրկության ուղիները

Լրացուցիչ տեղեկություններ՝ Նուկլեոտիդների փրկության ուղիներ, Պիրիմիդինների կենսասինթեզ, Պուրինների նյութափոխանակություն

Նուկլեոտիդները սինթեզվում են ամինաթթուներից, ածխածնի երկօքսիդից և մրջնաթթվից՝ մեծ քանակությամբ էներգիա պահանջող նյութափոխանակային ուղիներում։ Հետևաբար, բազմաթիվ օրգանիզմներ ունեն սինթեզված նուկլեոտիդների փրկության արդյունավետ համակարգեր։ Պուրինները սինթեզվում են նուկլեոզիդներից, որոնք բաղկացած են ազոտային հիմքից և նրան միացած ռիբոզ ածխաջրից։ Ե՛վ ադենինը, և՛ գուանինը սինթեզվում են միևնույն նախորդ-միացությունից՝ ինոզին մոնոֆոսֆատից, որն էլ սինթեզվում է օգտագործելով գլիցինի, գլյուտամինի և ասպարագինաթթվի, ինչպես նաև մեթենիլ-տետրահիդրոֆոլաթթվից փոխադրված ատոմներ։ Պիրիմիդինները սինթեզվում են օրոտաթթվից, որն էլ իր հերթին առաջանում է գլյուտամինից և ասպարտատից։

Քսենոբիոտիկներ և օքսիդավերականգնողական նյութափոխանակություն

Լրացուցիչ տեղեկություններ՝ Քսենոբիոտիկների նյութափոխանակություն, Դեղամիջոցների նյութափոխանակություն, Ալկոհոլների նյութափոխանակություն, Հակաօքսիդանտներ

Բոլոր օրգանիզմներին մշտապես հանդիպում են այնպիսի միացություններ, որոնք նրանք չեն կարող օգտագործել որպես սնունդ։ Բացի այդ նման նյութերը կարող են վնասակար ազդեցություն թողնել բջիջներում կուտակվելու դեպքում, քանի որ նրանք նյութափոխանակային ֆունկցիա չունեն։ Այսպիսի պոենցիալ վնաս ներկայացնող բաղադրիչները կոչվում են քսենոբիոտիկներ։ Քսենոբիոտիկները, որոնցից են սինթետիկ դեղամիջոցները, բնական թույները և հակաբիոտիկները, չեզոքացվում են քսենոբիոտիկների նյութափոխանակությունն իրականացնող ֆերմենտներով։ Մարդու օրգանիզմում այդ ֆերմենտների շարքին են դասվում ցիտոքրոմ P450-օքսիդազները, ՈՒԿՖ-գլյուկուրոնոզիլտրանսֆերազները և գլյուտատիոն-S-տրանսֆերազը։ Ֆերմենտների այս համակարգը գործում է 3 փուլերով. առաջին փուլում կատարվում է քսենոբիոտիկի օքսիդացում, երկրորդ փուլում՝ մոլեկուլի ջրալուծ խմբերի կոնյուգացում, իսկ երրորդ փուլում մոդիֆիկացված ջրալուծ քսենոբիոտիկը կարող է դուրս մղվել բջիջներից կամ ենթարկվել հետագա նյութափոխանակության՝ արտազատումից առաջ։ Այս ռեակցիաները կարևոր են աղտոտիչների մանրէային կենսաքայքայման և աղտոտված հողերի ու վառելանյութի կենսամաքրման (բիոռեմեդիացիայի) համար, ընդ որում՝ այդ ռեակցիաներից շատերն ընդհանուր են նաև բազմաբջիջ օրգանիզմների համար։ Սակայն, մանրէների տեսակների անհավանական բազմազանության պատճառով, այս օրգանիզմներն ունակ են ներգործել քսենոբիոտիկների ավելի լայն սպեկտրի վրա, քան բազմաբջիջ օրգանիզմները և կարող են քայքայել նույնիսկ այնպիսի կայուն օրգանական աղտոտիչներ, որոնցից են քլոր-օրգանական միացությունները։

Աերոբ օրգանիզմների համար սրա հետ կապված խնդիր է օքսիդատիվ սթրեսը։ Օքսիդացիոն ֆոսֆորիլացման և սպիտակուցների ֆոլդինգի ժամանակ դիսուլֆիդային կապերի առաջացման ընթացքում արտադրվում են թթվածնի ակտիվ ձևեր, որոնցից է ջրածնի պերօքսիդը։ Այսպիսի վնասակար օքսիդանտները հեռացվում են հակաօքսիդանտներով, որոնցից են գլյուտատիոնը և կատալազ, պերօքսիդազ ֆերմենտները։

Կենդանի օրգանիզմների թերմոդինամիկան

Լրացուցիչ տեղեկություններ՝ Կենսաբանական թերմոդինամիկա

Կենդանի օրգանիզմները ենթարկվում են թերմոդինամիկայի օրենքներին, որոնք բնութագրում են ջերմության և աշխատանքի փոխակերպումները։ Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի համաձայն ցանկացած մեկուսացված համակարգում էնտրոպիայի մակարդակը չի նվազում։ Սակայն, կենդանի օրգանիզմների զարմանալի կոմպլեքսայնությունը հակասում է այս օրենքին. կյանքը հնարավոր է, քանի որ բոլոր օրգանիզմները բաց համակարգեր են, որոնք նյութեր և էներգիա են փոխանակում շրջակա միջավայրի հետ։ Այսպիսով, կենդանի օրգանիզմները չեն գտնվում թերմոդինամիկ հավասարակշռության մեջ, բայց փոխարենը հանդես են գալիս որպես դիսիպացիոն համակարգեր, որոնք պահպանում են իրենց բարդ կազմավորման վիճակը` շրջակա միջավայրում էնտրոպիայի մեծ փոփոխություններ առաջացնելով։ Այս ամենը տեղի է ունենում շնորհիվ բջիջների նյութափոխանակության ընթացքում կատաբոլիզմի սպոնտան (ինքնակամ) գործընթացների և անաբոլիզմի ոչ սպոնտան գործընթացների զուգակցման։

Կարգավորումը և վերահսկումը

Լրացուցիչ տեղեկություններ՝ Նյութափոխանակային ուղիներ, Նյութափոխանակային վերահսկման վերլուծություն, Հորմոններ, Կարգավորիչ ֆերմենտներ, Բջջային ազդանշանում

Հոմեոստազը օրգանիզմի ներքին միջավայրի հաստատունությունն է։ Օրգանիզմների մեծամասնության շրջակա միջավայրն անընդհատ փոփոխվում է և բջիջների ներսում միջավայրի հաստատունության պահպանման համար նյութափոխանակային ռեակցիաները պետք է կարգավորվեն։ Նյութափոխանակության կարգավորումն օրգանիզմներին հնարավորություն է տալիս նաև պատասխանել ազդակներին և ակտիվորեն փոխազդել շրջակա միջավայրի հետ։ Նյութափոխանակային ուղիների վերահսկման գործընթացի պարզաբանման համար կարևոր նշանակություն ունեն 2 սկզբունքներ. Առաջինը վերաբերում է տվյալ նյութափոխանակային ուղուն մասնակցող ֆերմենտի կարգավորմանը, թե ինչպես է փոխվում նրա ակտիվությունը` բարձրանում կամ նվազում, ի պատասխան ազդանշանների։ Երկրորդ` ֆերմենտը վերահսկում է նյութափոխանակային ուղին, ինչը դրսևորվում է որպես ֆերմենտի ակտիվության փոփոխության հետևանք։ Օրինակ` ֆերմենտը կարող է ցուցաբերել ակտիվության լայն փոփոխություններ, այսինքն` խիստ կարգավորվել, սակայն եթե այդ փոփոխությունները քիչ ազդեցություն են թողնում նյութափոխանակային ուղու վրա, ապա այդ ֆերմենտը ներգրավված չէ ուղու կարգավորման գործընթացում։<figure class="mw-default-size"><figcaption>Ինսուլինի ազդեցությունը գլյուկոզի կլանման և նյութափոխանակության վրա։ Ինսուլինը կապվում է իր ռեցեպտորին (1), ինչը հանգեցնում է կասկադային մեխանիզմով բազմաթիվ սպիտակուցների ակտիվացման (2)։ Այս գործընթացը ներառում է GLUT4 փոխադրիչի տրանսլոկացիա պլազմային թաղանթում և գլյուկոզի անցում դեպի բջիջ (3), գլիկոգենի սինթեզ (4), գլիկոլիզ (5) և ճարպաթթուների սինթեզ (6)։</figcaption></figure>Նյութափոխանակության կարգավորման մի քանի մակարդակներ են առանձնացվում։ Ներքին վերահսկման դեպքում նյութափոխանակային ուղին ենթարկվում է ինքնակարգավորման` ի պատասխան սուբստրատների կամ պրոդուկտների մակարդակների փոփոխության, օրինակ` պրոդուկտի քանակության նվազումը կարող է փոխհատուցվել տվյալ նյութափոխանակային ուղիում սուբստրատի հոսքի կամ մատակարարման ավելացմամբ։ Կարգավորման այս տիպը հաճախ ընդգրկում է տվյալ ուղու բազմաթիվ ֆերմենտների ակտիվության ալլոստերիկ կարգավորումը։ Արտաքին վերահսկումը ներառում է բազմաբջիջ օրգանիզմի բջջին, որը փոփոխում է իր նյութափոխանակությունն ի պատասխան այլ բջիջներից եկող ազդանշանների։ Այդ ազդանշանները հիմնականում հանդես են գալիս լուծելի "մեսենջերների" ձևով, որոնցից են հորմոնները և աճի գործոնները, և հայտնաբերվում են բջջի մակերևութային հատուկ ռեցեպտորների կողմից։ Այնուհետև այդ ազդանշանները փոխադրվում են բջջի ներս` երկրորդային մեսենջերների համակարգերով, որոնք հաճախ ընդգրկում են սպիտակուցների ֆոսֆորիլացում։

Նյութափոխանակության արտաքին վերահսկման ամենալավ ուսումնասիրված օրինակը գլյուկոզի նյութափոխանակությունն է, որը կարգավորվում է ինսուլին հորմոնով։ Ինսուլինն արտադրվում է ի պատասխան արյան մեջ գլյուկոզի մակարդակի բարձրացման։ Հորմոնի կապումը բջջի ինսուլինային ռեցեպտորին ակտիվացնում է պրոտեին կինազների կասկադը, ինչն էլ իր հերթին հանգեցնում է բջիջների կողմից գլյուկոզի կլանման և նրա պահեստավորմանը այնպիսի պաշարային մոլեկուլների ձևով, ինչպիսիք են ճարպաթթուները և գլիկոգենը։ Գլիկոգենի նյութափոխանակությունը վերահսկվում է գլիկոգենը քայքայող ֆերմենտ ֆոսֆորիլազի և գլիկոգեն սինթեզող ֆերմենտ` գլիկոգեն-սինթազի ակտիվությամբ։ Այս ֆերմենտները փոխկապակցված են միմյանց հետ. ֆոսֆորիլացմամբ գլիկոգեն-սինթազի ակտիվությունը ճնշվում է, մինչդեռ ֆոսֆորիլազն ակտիվանում է։ Ինսուլինը խթանում է գլիկոգենի սինթեզը պրոտեին ֆոսֆատազների ակտիվացմամբ, որոնք դեֆոսֆորիլացնում և այդպիսով ակտիվացնում են ֆոսֆորիլազ ֆերմենտներին։

Էվոլյուցիան

Լրացուցիչ տեղեկություններ՝ Էվոլյուցիա, Ֆիլոգենետիկա

Օրգանիզմների ֆիլոգենետիկական ծառը, որը ցույց է տալիս բոլոր 3 դոմենների օրգանիզմների ընդհանուր ծագումը: Բակտերիաների դոմենը նշված է կապույտով, էուկարիոտներինը` կարմիրով, իսկ արքեյներինը` կանաչով: Ծառի շուրջը ներկայացված է որոշ տիպերի փոխադարձ կամ ազգակցական կապը:

Վերևում նկարագրված նյութափոխանակության կենտրոնական ուղիները, որոնցից են գլիկոլիզը և Կրեբսի ցիկլը, առկա են կենդանի օրգանիզմների բոլոր 3 դոմեններում և հայտնաբերված են վերջին ունիվերսալ ընդհանուր նախնի օրգանիզմի մոտ։ Այդ նախնի օրգանիզմը պրոկարիոտ էր, հավանաբար մեթանոգեն և ուներ ամինաթթվային, նուկլեոտիդային, ածխաջրային և լիպիդային նյութափոխանակություն։ Էվոլյուցիայի ընթացքում այս հնագույն ուղիների պահպանման պատճառը կարող է լինել այն, որ այս ռեակցիաներն օպտիմալ են նյութափոխանակային կոնկրետ խնդիրների լուծման համար։ Այսպես, գլիկոլիզի և Կրեբսի ցիկլի վերջնական պրոդուկտներն առաջանում են բարձր արդյունավետությամբ և նվազագույն թվով ռեակցիաների արդյունքում։ Առաջին ֆերմենտային նյութափոխանակային ուղիները կարող են պուրինային նուկլեոտիդների նյութափոխանակության մի մասը լինել, մինչդեռ նախորդ նյութափոխանակային ուղիները հնագույն ՌՆԹ-աշխարհի ման են կազմում։

Առաջարկվել են բազմաթիվ մոդելներ, որոնցով բացատրվում են նյութափոխանակային ուղիների էվոլյուցիայի մեխանիզմները։ Սա ներառում է մի շարք ֆերմենտների հաջորդական ավելացումը կարճ նախնական ուղիում, կրկնապատկումը (դուպլիկացիա) և բոլոր ուղիների տարամիտումը, ինչպես նաև արդեն առկա ֆերմենտների վերաօգտագործումը և դրանց ներգրավումը նոր նյութափոխանակային ուղիներում։ Այս մեխանիզմների հարաբերական կարևորությունը դեռևս ամբողջությամբ պարզաբանված չէ, բայց գենոմային ուսումնասիրություններով ցույց է տրվել, որ նյութափոխանակային ուղու ֆերմենտներն ընդհանուր ծագում ունեն։ Սա ենթադրում է, որ շատ ուղիներ առաջացել են քայլ առ քայլ` նոր ֆունկցիաներով, որոնք ստեղծվել են նախորդ քայլում եղած ուղու հիման վրա։ Այլընտրանքային մոդելը հիմնված է այն հետազոտությունների վրա, որոնք արտացոլում են նյութափոխանակային ցանցում սպիտակուցների կառուցվածքի էվոլյուցիան։ Ենթադրվում է, որ ֆերմենտները հավաքվել են տարբեր նյութափոխանակային ուղիներում նման ֆունկցիաների իրականացման համար (MANET տվյալների բազա)։ Հավաքման այս գործընթացները բերել են ֆերմենտատիվ խճանկարի էվոլյուցիայի։ Երրորդ տարբերակն էլ այն է, որ նյութափոխանակության որոշ գործընթացներ գոյություն են ունեցել մոդուլների ձևով, որոնք կարող էին օգտագործվել տարբեր ուղիներում և իրականացնել նման ֆունկցիաներ։

Էվոլյուցիան կարող է հանգեցնել նաև նյութափոխանակային ուղիների կորստի։ Օրինակ` որոշ մակաբույծների նյութափոխանակային գործընթացներ, որոնք պարտադիր չեն նրանց գոյության համար, կորսվել են։ Դրա փոխարեն այդ օրգանիզմներն իրենց անհրաժեշտ պատրաստի ամինաթթուները, նուկլեոտիդները և ածխաջրերը վերցնում են տեր-օրգանիզմից։ Նյութափոխանակային ունակությունների այսպիսի ռեդուկցիա, այսինքն` կրճատում, հայտնաբերված է էնդոսիմբիոտիկ օրգանիզմների մոտ։

Հետազոտության մեթոդները

Լրացուցիչ տեղեկություններ՝ Սպիտակուցների ուսումնասիրման մեթոդներ, Պրոտեոմիկա, Մետաբոլոմիկա, Նյութափոխանակային ցանցերի մոդելավորում

Arabidopsis thaliana-ի եռկարբոնաթթվային ցիկլի նյութափոխանակային ցանցը: Ֆերմենտները և միջանկյալ միացությունները (մետաբոլիտները) նշված են կարմիր քառակուսիներով, իսկ սև գծերը ցույց են տալիս դրանց միջև եղած փոխազդեցությունները

Նյութափոխանակության ուսումնասիրման դասական եղանակի հիմքում պարզեցված մոտեցումն է, որը կենտրոնացած է որոշակի նյութափոխանակային ուղու վրա։ Կարևոր նշանակություն ունի նշադրված ատոմների կիրառումն ամբողջական օրգանիզմային, հյուսվածքային և բջջային մակարդակներում։ Ելանյութերի փոխակերպման ուղին մինչև վերջնական արգասիքներ կարելի է որոշել ռադիոակտիվ նիշը կրող միջանկյալ միացությունների և արգասիքների նույնականացմամբ։ Ֆերմենտները, որոնք կատալիզում են այս քիմիական ռեակցիաները, կարող են անջատվել` կինետիկ ցուցանիշների և ինհիբիտորներին պատասխանելու յուրահատկության ուսումնասիրման համար։ Զուգահեռ մոտեցման էությունը կայանում է բջիջներում և հյուսվածքներում ոչ մեծ մոլեկուլների նույնականացման մեջ։ Այդ մոլեկուլների հավաքածուն կոչվում է մետաբոլոմ։ Ընդհանուր առմամբ այսպիսի հետազոտությունները բավարար պատկերացում են տալիս պարզ նյութափոխանակային ուղիների կառուցվածքի և ֆունկցիայի մասին, սակայն արդյունավետ չեն ավելի բարդ համակարգերում կիրառման դեպքում, ինչպիսին է բջջի ամբողջ նյութափոխանակային ցանցը։

Բջջի հազարավոր տարբեր ֆերմենտներ ընդգրկող նյութափոխանակային ցանցերի բարդությունը ներկայացված է աջ կողմում պատկերված նկարում, որն արտացոլում է 43 սպիտակուցների և 40 մետաբոլիտների փոխազդեցություն, իսկ գենոմի սեքվենավորման արդյունքում հայտնաբերվել են 45000 գեներ։ Գենոմային տվյալների օգտագործմամբ այժմ հնարավոր է վերակառուցել կենսաքիմիական ռեակցիաների ամբողջական ցանցեր և ստանալ ավելի ամբողջական մաթեմատիկական մոդելներ, որոնցով հնարավոր կլինի բացատրել և կանխատեսել դրանց ընթացքը։ Այս մոդելները նշանակալի դեր ունեն հատկապես այն դեպքում, երբ կատարվում է դասական մեթոդների հիման վրա նյութափոխանակային ուղիների և մետաբոլիտների մասին ստացված տվյալների ինտեգրում` պրոտեոմային և ԴՆԹ-միկրոչիպերի մեթոդով գեների էքսպրեսիայի ուսումնասիրության տվյալների հետ միասին։ Այս տեխնիկաների կիրառման միջոցով այժմ ստեղծվում է մարդու օրգանիզմի նյութափոխանակության մոդելը, որն ուղենիշ կհանդիսանա ապագայում դեղամիջոցների հայտնաբերման և կենսաքիմիական հետազոտությունների համար։ Այս մոդելները ներկայումս օգտագործվում են նյութափոխանակային ցանցերի վերլուծության, ընդհանուր սպիտակուցներ կամ մետաբոլիտներ ունեցող հիվանդությունների խմբավորման համար։

Բակտերիալ նյութափոխանակային ցանցերի վառ օրինակն այսպես կոչված թիթեռնիկ-փողկապն է, որը հնարավորություն է տալիս ներմուծել լայն շրջանակի սննդանյութեր, ստանալ բազմազան արգասիքներ և բարդ մակրոմոլեկուլներ` օգտագործելով ոչ մեծ բազմազանության ընդհանուր միջանկյալ միացություններ։

Այս ինֆորմացիան հիմնականում տեխնիկապես կիրառվում է նյութափոխանակային ինժեներիայում։ Այս ոլորտում, օրգանիզմները, ինչպիսիք են խմորասնկերը, բույսերը կամ բակտերիաները գենետիկորեն մոդիֆիկացվում են կենսատեխնոլոգիական արդյունավետության բարձրացման և դեղամիջոցների արտադրության նպատակով, որոնցից են հակաբիոտիկները կամ արտադրական քիմիկատները (1,3-պրոպանդիոլ, շիկիմաթթու)։ Այսպիսի գենետիկակական փոփոխություններն ուղղված են արտադրության ժամանակ օգտագործվող էներգիայի նվազեցմանը, շահույթի բարձրացմանը և արտադրական թափոնների նվազեցմանը։

Պատմությունը

Լրացուցիչ տեղեկություններ՝ Կենսաքիմիայի պատմություն, Մոլեկուլային կենսաբանության պատմություն

Նյութափոխանակության բաց հոսքի մոդելն ըստ Արիստոտելի

Մետաբոլիզմ անավնումն առաջացել է հունարեն Μεταβολισμός` մետաբոլիզմոս բառից, որը նշանակում է փոփոխություն կամ քայքայում։

Արիստոտելն իր "Կենդանիների մասերի մասին" աշխատությունում բաց հոսքով նյութափոխանակային մոդելի վերաբերյալ բավական մանրամասներ է ներկայացրել։ Նա կարծում էր, որ գործընթացի յուրաքանչյուր փուլում սննդանյութերը փոխակերպվում են, անջատվում է ջերմություն և առաջանում են կողմնակի նյութեր` մեզ, լեղի և կղանք, որոնք էլ արտազատվում են։

Նյութափոխանակություն հասկացությունը հանդիպում է Իբն ալ-Նաֆիսի (1213-1288թթ.) աշխատանքներում։ Նա գրել է. "Մարմինը և նրա մասերը մշտապես գտնվում են քայքայման և սնուցման վիճակում, այնպես որ դրանք անխուսափելիորեն ենթարկվում են փոփոխության": Մետաբոլիզմի գիտական հետազոտությունների պատմությունն ընդգրկում է մի քանի դարեր։ Վաղ հետազոտությունները կատարվել են ամբողջական կենդանիների վրա, սակայն ժամանակի ընթացքում անցում է կատարվել առանձին նյութափոխանակային ռեակցիաների ուսումնասիրմանը։ Մարդու նյութափոխանակության վերաբերյալ առաջին վերահսկվող ուսումնասիրությունները հրապարակվել են Սանտորիո Սանտորիոյի կողմից` 1614թ. նրա Ars de statica medicina գրքում։ Նա նկարագրել է, թե ինչպես է կշռել իր քաշը ուտելուց առաջ և հետո, քնելուց, աշխատանքից, սեռական հարաբերություններից առաջ և հետո, ծարավ վիճակում, ջուր խմելուց և միզելուց հետո։ Նա հայտնաբերեց, որ սննդի մեծ մասը, որը նա ընդունում էր, ծախսվում էր մի գործընթացի ժամանակ, որը նա անվանեց "աննկատ գոլորշացում":

Սանտորիո Սանտորիոն և պողպատե կշեռքը, նկարը 1914թ. հրատարակված Ars de statica medicina գրքից

Վաղ հետազոտություններում նյութափոխանակային գործընթացները հայտնաբերված չէին և կար կարծիք այն մասին, որ կենդանի հյուսվածքը կառավարվում է կենդանի ուժով։ 19-րդ դարում Լուի Պաստյորը խմորասնկերի կողմից շաքարների խմորումն ուսումնասիրելիս եկավ այն եզրակացության, որ խմորումը կատալիզվում է խմորասնկային բջիջների որոշակի բաղադրիչներով, որոնց անվանեցին ֆերմենտներ։ Նա գրել է, որ սպիրտային խմորումը կյանքի հետ կապված գործընթաց է և իրականացվում է խմորասնկային բջիջների կողմից, այն կապված չէ մահվան և բջիջների քայքայման հետ։ Այս հայտնագործությունը և 1828թ. միզանյութի քիմիական սինթեզի վերաբերյալ Ֆրիդրիխ Վյոլերի հրատարակած հոդվածը էական նշանակություն ունեն, քանի որ այն առաջին օրգանական միացությունն էր, որը սինթեզվեց անօրգանական նախանյութերից։ Սա ապացուցում էր, որ բջիջներում հայտնաբերված օրգանական միացությունները և քիմիական ռեակցիաները սկզբունքորեն չեն տարբերվում քիմիայի այլ բաժիններից։

20-րդ դարի սկզբին Էդուարդ Բյուխների կողմից ֆերմենտների հայտնաբերումից հետո նյութափոխանակային ռեակցիաների և բջիջների ուսումնասիրությունները տարանջատվեցին և սկիզբ դրեցին կենսաքիմիային որպես գիտություն։ Դրանից հետո սկսվեց կենսաքիմիայի բնագավառում գիտելիքների արագ կուտակումը։ Այդ ժամանակաշրջանի հայտնի կենսաքիմիկոսներից մեկը Հանս Կրեբսն էր, ով հսկայական ներդրում է ունեցել նյութափոխանակության ուսումնասիրման գործընթացում։ Նա հայտնաբերեց միզանյութի ցիկլը, իսկ հետագայում աշխատելով Հանս Կորնբերգի հետ, հայտնաբերեց նաև լիմոնաթթվային և գլիօքսալատային ցիկլերը։ Ժամանակակից կենսաքիմիական հետազոտություններում կիրառվում են նորագույն մեթոդներ, որոնցից են քրոմատոգրաֆիան, ռենտգենակառուցվածքային անալիզը, ՄՄՌ-սպեկտրոսկոպիան, ռադիոիզոտոպային նշադրումը, էլեկտրոնային մանրադիտարկումը և մոլեկուլային դինամիկայի մեթոդները։ Այս մեթոդները հնարավորություն են տալիս բացահայտել և մանրամասն ուսումնասիրել բազմաթիվ մոլեկուլներ և նյութափոխանակային ուղիներ:Էներգետիկ փոխանակություն

Բջիջն էներգիայով ապահովելու համար օգտագործում են օրգանական նյութեր՝ ածխաջրեր, ճարպեր, սպիտակուցներ։

Բջիջների մեծ մասը որպես էներգիայի աղբյուր առաջին հերթին օգտագործում են ածխաջրերը։ Օրինակ՝ կաթնասուննների գլխուղեղի բջիջների համար էներգիայի աղբյուր է գլյուկոզը։ Պոլիսախարիդները ներգրավվում են կատաբոլիզմի ռեակցիաներում նախապես հիդրոլիզվելով մինչև մոնոսախարիդների։

Ճարպերը նախապես ճեղքվում են գլիցերինի և ճարպաթթուների և որպես էներգիայի աղբյուր սկսվում են օգտագործվել, գլխավորապես այն ժամանակ, երբ վերջանում են ածխաջրերը։ Սակայն կան բջիջներ, որոնք գերադասում են որպես էներգիայի աղբյուր օգտագործել ճարպաթթուները։

Սպիտակուցները նախապես ճեղքվում են ամինաթթուների և որպես էներգիայի աղբյուր օգտագործվում, եթե վերջացել են բջջում աշծաջրերը և ճարպերը, քանի որ սպիտակուցները բջջում իրականացնում են այլ շատ կարևոր ֆունկցիաներ։ Սպիտակուցները որպես էներգիայի աղբյուր կարող են օգտագործվել միայն երկար սովահարության պայմաններում։

Բջջում գլյուկոզի ճեղքումը (որի հետևանքով կատարվում է ԱԵՖ-ի սինթեզը) տեղի է ունենում իրար հաջորդող երկու փուլով։ Առաջինը կոչվում է գլիկոլիզ կամ անթթվածին ճեղքում։ Երկրորդ փուլն անվանում են շնչառություն կամ թթվածնային ճեղքում։

Գլիկոլիզ (անթթվածին ճեղքում)

Գլյուկոզի անթթվածին ճեղքումը կոչվում է գլիկոլիզ, որն ընդհանուր է ինչպես անաէրոբ, այնպես էլ աէրոբ ճեղքավորումների համար։ Դիտարկենք գլյուկոզի անթթվածին ճեղքման գումարային հավասարումը.

C₆H₁₂O₆ + 2ԱԿՖ + 2H₃PO₄ → C₃H₆O₃ + 2ԱԵՖ + 2H₂Օ

Գլիկոլիզի արդյունքում մեկ մոլեկուլ գլյուկոզից առաջանում են երկու մոլեկուլ պիրոխաղողաթթու և ջրածնի չորս ատոմ։ Անջատված էներգիայի հաշվին սինթեզվում են երկու մոլեկուլ ԱԵՖ։ Ջրածինների (նաև էլեկտրոնների) համար որպես ակցեպտոր հանդես է գալիս ՆԱԴ⁺-ը (նիկոտինամիդադենինդինուկլեոտիդը),որն, իրեն միացնելով ջրածինները, վերականգնվում է՝ ՆԱԴ •H + H⁺ (ՆԱԴ•H₂)։ Գլիկոլիզը էուկարիոտ բջիջներում տեղի է ունենում ցիտոպլազմայում,և այդ գործընթացի իրականացման համար անհրաժեշտ չէ թթվածնի առկայությունը։

Գլյուկոզի մինչև պիրոխաղողաթթու ճեղքման գումարային հավասարումը կարելի է ներկայացնել հետևյալ տեսքով.

C₆H₁₂O₆ + 2 ՆԱԴ⁺ + 2ԱԿՖ + 2H₃PO₄→CH₃COCOOH+2ՆԱԴ•H₂+2ԱԵՖ+2H₂O

Գլիկոլիզի գումարային հավասարումը գործընթացի մեխանիզմի մասին պատկերացում չի տալիս։ Իրականում, գլիկոլիզը բազմաստիճան բարդ պրոցես է։ Այն իրար հաջորդող 10 ռեակցիաների ամբողջություն է։ Յուրաքանչյուր ռեակցիա կատալիզվում է հատուկ ֆերմենտով։ Յուրաքանչյուր ռեակցիայի հետևանքով փոքր քանակությամբ էներգիա է անջատվում, իսկ գումարում կազմում է 150 կՋ/մոլ։ Այդ էներգիայի մի մասը (60 %), որպես ջերմային էներգիա, ցրվում է, իսկ մյուս մասը (40 %) պահպանվում է ԱԵՖ-ի ձևով։

Գլիկոլիզի պրոցեսը կարելի է բաժանել երկու փուլի. առաջին փուլի ընթացքում գլյուկոզի փոխարկումների արդյունքում ծախսվում է երկու մոլ ԱԵՖ, իսկ հետագա ճեղքավորման արդյունքում սինթեզվում է չորս մոլեկուլ ԱԵՖ, այսինքն գլիկոլիզի մաքուր ելքը կազմում է երկու մոլեկուլ ԱԵՖ։ Պիրոխաղողաթթվի վերջնական ճակատագիրը կախված է բջջում թթվածնի առկայությունից և քանակից։

Որոշ օրգանիզմներ ԱԵՖ-ի սինթեզը կարող են իրականացնել՝ օգտագործելով միայն անթթվածին ճեղքումը։ Այդ դեպքում միջավայրում կուտակվում է որևէ օրգանական վերջնանյութ։ Դրանք խմորման պրոցեսներն են, որոնց թվում կամ նաև գերակշռող վերջնանյութով գործընթացներ։ Եթե գերակշռող վերջնանյութն էթիլ սպիրտն է, ապա պրոցեսը կոչվում է սպիրտային խմորում, եթե կաթնաթթուն է՝ կաթնաթթվային խմորում, եթե քացախաթթուն է՝ քացախաթթվային խմորում և այլն։ Խմորման տարբեր տիպերը բնորոշ են տարբեր օրգանիզմներին։

Խմորման տարբեր գործընթացները հիմնականում նման են և տարբերվում են վերջին փուլերով։ Կաթնաթթվային խմորման դեպքում առաջացած պիրոխաղողաթթուն ֆերմենտների ազդեցության տակ վերածվում է կաթնաթթվի։ Նույնը տեղի է ունենում մկաններում թթվածնի պակասի հետևանքով.

CH₃COCOOH+2ՆԱԴ•H₂→ CH₃CH(OH)COOH + ՆԱԴ⁺

Կաթնաթթվային խմորման գումարային հավասարումն է.

C₆H₁₂O₆+2ԱԿՖ+2H₃PO₄→2C₃H₆O₃+2H₂O

Խմորման այս տեսակն է ընկած կաթի թթվեցման, կաթից՝ մածուն, հում սերից՝ թթվասեր ստանալու և այլ պրոցեսների հիմքում։ Կաթնաթթուն կարող է կուտակվել նաև աէրոբ օրգանիզմներում թթվածնի պակասի հետևանքով։

Սպիրտային խմորման դեպքում, որը բնորոշ է որոշ բակտերիաներին և խմորասնկերին (դրոժներին, առաջանում են էթիլ սպիրտ և ածխաթթու գազ։

Անջատված էներգիայի քանակը կազմում է 210 կՋ/մոլ։

C₆H₁₂O₆+2ԱԿՖ+2H₃PO₄→2C₂H₅OH+2CO₂+2ԱԵՖ+2H₂O

Սպիրտային խմորման վրա են հիմնված գինու, գարեջրի, կվասի, հացաթխման և այլ արտադրությունները։

Բջջային շնչառություն

Գլիկոլիզի ավարտին հաջորդում է երկրորդ փուլը՝ բջջային շնչառությունը կամ թթվածնային ճեղքումը։ Թթվածնային գործընթացին, բացի սուբստրատից, մասնակցում են բազմաթիվ ֆերմենտներ, փոխադրիչ մոլեկուլներ, ջուր և մոլեկուլային թթվածին։ Թթվածնային ճեղքման բնականոն ընթացքի հիմնական պայմանը՝ միտոքոնդրիումների չվնասված թաղանթներն են։

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

C₃H₆O₆+3H₂O→3CO+12H

Առաջացած ածխածնի (IV) օքսիդն ազատ անցնում է միտոքոնդրիումի թաղանթով և հեռանում է շրջապատող միջավայր։ Ջրածնի ատոմները վերցվում են փոխադրիչ մոլեկուլների կողմից և տեղափոխում են միտոքոնդրիումների ներքին թաղանթի վրա, որտեղ օքսիդանում են, այսինքն էլեկտրոն են կորցնում.

H₂-2e→2H⁺

Էլեկտրոնները և ջրածնի իոնները (H⁺) փոխադրիչ-մոլեկուլների կողմից տեղափոխում են թաղանթի հակադիր կողմեր. էլեկտրոնները՝ թաղանթի ներքին կողմը, իսկ ջրածնի իոնները՝ թաղանթի արտաքին կողմը։

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⁺→2H₂O

Մոլեկուլային 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) այս արժեքին հասնելուն պես դրական լիցքավորված մասնիկները 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։

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

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։

Կաթնաթթվի թթվածնային ճեղքումը ներկայացվում է հետևյալ հավասարումով.

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

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

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

Գլյուկոզի լրիվ ճեղքման գումարային հավասարումը պրոկարիոտ օրգանիզմներում կլինի.

C₆H₁₂O₆+6O₂+26H₃PO₄+26ԱԿՖ→6CO₂+26ԱԵՖ+32H₂O

Անթթվածին և թթվածին ճեղքման պրոցեսների հիման վրա կարելի է հանգել որոշ եզրակացությունների.

1.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։

2.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։

3.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։

Ֆոտոսինթեզ

Բույսերի բջիջներում, որոնցում քլորոֆիլ է պարունակվում, տեղի են ունենում կենդանի աշխարհի համար վիթխարի նշանակություն ունեցող ուրույն գործընթացներ։ Բուսական բջիջներն ընդունակ են օրգանական նյութեր սինթեզելու պարզ անօրգանական միացություններից՝ դրա համար օգտագործելով Արեգակի ճառագայթային էներգիան։ Արեգակնային (լուսային) ճառագայթման հաշվին կատարվող օրգանական միացությունների սինթեզը կոչվում է ֆոտոսինթեզ։

Ֆոտոսինթեզն արտահայտվում է հետևյալ գումարային հավասարումով.

6CO₂+6H₂O→C₆H₁₂O₆+6O₂

Այս գործընթացում էներգիայով աղքատ նյութերից՝ ածխածնի (IV) օքսիդից և ջրից առաջանում է էներգիայով հարուստ ածխաջուր (գլյուկոզ,C₆H₁₂O₆)։ Ֆոտոսինթեզի հետևանքով առաջանում է նաև մոլեկուլային թթվածին։ Ֆոտոսինթեզը բաժանվում է երկու փուլի՝ լուսային և մթնային։ Լուսային փուլը ընթանում է միայն լույսի առկայության պայմաններում, իսկ մթնային փուլը կարող է իրականանալ ինչպես լուսային, այնպես էլ մթնային պայմաններում։ Ֆոտոսինթեզի պրոցեսում կարևոր նշանակություն ունեն ֆոտոսինթեզող գունակի՝ քլորոֆիլի դերը։ Գունակները ներդրված են քլորոպլաստի գրանների մեջ և շրջապատված են սպիտակուցները,լիպիդների և այլ նյութերի մոլեկուլներով։ Քլորոֆիլն իր կառուցվածքով նման է հեմոգլոբինում պարունակվող հեմին, բայց այն տարբերությամբ, որ հեմում պարունակվում է երկաթ, իսկ քլորոֆիլում մագնեզիում։ Քլորոֆիլը հիմնականում կլանում է կարմիր և կապտամանուշակագույն լույսը, իսկ կանաչն անդրադարձնում է, որի պատճառով բույսերը հիմնականում կանաչ գույն ունեն, իհարկե, եթե դրան չեն խանգարում այլ գունակներ։

Ֆոտոսինթեզի լուսային փուլը

Ֆոտոսինթեզը բարդ, բազմաստիճան գործընթաց է։ Նրա մեջ կենտրոնական դերը պատկանում է քլորոֆիլին՝ կանաչ գույնի օրգանական նյութին, որի միջոցով արեգակնային ճառագայթման էներգիան փոխակերպվում է քիմիական կապի էներգիայի։

Ֆոտոսինթեզը սկսվում է՝ քլորոպլաստը տեսանելի լույսով լուսավորվելով։ Ֆոտոնը, ընկնելով քլորոֆիլի մոլեկուլի վրա, գրգռում է նրան. մոլեկուլի էլեկտրոններն անցնում են բարձր մակարդակի, այսինքն՝ միջուկից ավելի հեռու գտնվող ուղեծրի վրա։ Դրա շնորհիվ հեշտանում է էլեկտրոնների անջատումը մոլեկուլներից։ Գրգռված էլեկտրոններից մեկն անցնում է փոխադրիչ մոլեկուլի վրա, որը նրան տանում և տեղափոխում է թաղանթի մյուս կողմը։ Քլորոֆիլի մոլեկուլը վերականգնում է էլեկտրոնի կորուստը՝ այն վերցնելով ջրի մոլեկուլից։ Էլեկտրոնների կորցնելու հետևանքով ջրի մոլեկուլներն ենթարկվում են ֆոտոլիզի.

2H₂O→4H⁺+4e+O₂

Թթվածնի ատոմներից առաջանում է մոլեկուլային թթվածին, որն անցնում է թաղանթով դիֆուզիայի եղանակով և արտամղվում մթնոլորտ։ Ջրածնի իոնները (H⁺) թաղանթով դիֆուզվել չեն կարող, հետևաբար կուտակվում են նիստերում (գրաններում)։ Այսպիսով, թաղանթի մի կողմում հավաքվում են դրական լիցքավորված պրոտոնները, իսկ մյուս կողմում՝ բացասական լիցքով լիցքավորված մասնիկները։

Թաղանթի երկու կողմում հակադիր լիցքերով լիցքավորված մասնիկների կուտակմանը զուգընթաց աճում է ջրածնի իոնների տարբեր կոնցենտրացիաներով պայմանավորված պոտենցիալների տարբերությունը (պրոտոնային պոտենցիալ)։ Ինչպես միտոքոնդրիումների, այնպես էլ նիստերի թաղանթներում դասավորված են ԱԵՖ սինթեզող ֆերմենտի մոլեկուլները (ԱԵՖ սինթետազ)։ ԱԵՖ սինթետազի ներսում կան անցքուղի, որի միջով կարող են անցնել պրոտոններ։ Երբ պրոտոնային պոտենցիալի մեծությունը հասնում է կրիտիկական մակարդակի, էլեկտրական դաշտի ուժը խողովակից պրոտոնները ծախսվում է ԱԵՖ-ի սինթեզի վրա։ Առաջացած ԱԵՖ-ն ուղղվում է քլորոպլաստի այն մասերը, որտեղ ածխաջրերի սինթեզ է տեղի ունենում։

Թաղանթի մյուս կողմում գտնվող ջրածնի իոնները հանդիպում են փոխադրիչ-մոլեկուլների միջոցով բերված էլեկտրոնների։ Պրոտոնները փոխարկվում են ջրածնի ատոմի, որոնք շարժվում են դեպի քլորոպլաստի այն մասը, որտեղ տեղի է ունենում ածխաջրերի սինթեզը։

Այսպիսով, արեգակնային ճառագայթման էներգիան առաջացնում է երեք պրոցես՝ ջրի քայքայման հետևանքով մոլեկուլային թթվածնի առաջացում, ԱԵՖ-ի սինթեզ, ատոմային ջրածնի առաջացում։ Այս 3 գործընթացներն ընթանում են լույսի առկայության պայմաններում և կազմում ֆոտոսինթեզի լուսային փուլը։

Ֆոտոսինթեզի մթնային փուլը

Ֆոտոսինթեզի հետագա ռեակցիաները կապված են ածխաջրերի առաջացման հետ։ Այս ռեակցիաներն ընթանում են ինչպես լույսի տակ, այնպես էլ մթության մեջ (եթե առկա են ԱԵՖ և H) և կոչվում են մթնային փուլի ռեակցիաներ։ Ֆոտոսինթեզի մթնային փուլը կազմված է մի շարք հաջորդական ֆերմենտային ռեակցիաներից։ Այդ ռեակցիաների հետևանքով ածխածնի (IV) օքսիդից և ջրածնից առաջանում են ածխաջրեր։ Մթնային ռեակցիաների համար անընդհատ ելանյութեր են թափանցում լուսային փուլից։ Ածխածնի օքսիդը թափանցում է շրջապատող մթնոլորտից և ֆիքսվում հատուկ ֆերմենտի ռիբուլոզաբիֆոսֆատ-կարբօքսիլազի միջոցով, որի արդյունքում առաջանում է վեցածխածնային միացություն։ Ռիբուլոզաբիֆոսֆատ-կարբօքսիլազ ֆերմենտը մեծ քանակությամբ գտնվում է քլորոպլաստների պարունակության մեջ՝ ստրոմայում։ Այն բնության մեջ ամենաշատ տարածված ֆերմենտներից է։ Ջրածինն առաջանում է ֆոտոսինթեզի լուսային փուլում ջրի ֆոտոլիզի հետևանքով։ Էներգիայի աղբյուր է ԱԵՖ-ը, որը սինթեզվում է ֆոտոսինթեզի լուսային փուլում։ Այս բոլոր նյութերի շնորհիվ քլորոպլաստներում իրականանում է ածխաջրերի սինթեզը։

6CO₂+24H→C₆H₁₂O₆+6H₂O

Առաջացած գլյուկոզից կարող են սինթեզվել այլ ածխաջրեր։ Կարևոր ածխաջրերից են սախարոզը և օսլան։ Տերևներից ածխաջրերը կարող են լուբով փոխադրվել հիմնականում դիսախարիդ սախարոզի ձևով, իսկ պահեստավորվում են հիմնականում պոլիսախարիդ օսլայի ձևով։ Բուսական բջիջները կարող են սինթեզել իրենց անհրաժեշտ բոլոր նյութերը։ Սինթեզի համար անհրաժեշտ ազոտը, ֆոսֆորը, ծծումբը և այլ տարրեր բույսերը ստանում են հողից արմատների միջոցով։

Ֆոտոսինթեզի վրա ազդող գործոններ

Գյուղատնտեսական մշակաբույսերի բերքատվության համար կարևոր նշանակություն ունեն ֆոտոսինթեզի արագությունը, որը կախված է բազմաթիվ գործոններից։ Լուսավորվածությունը, ածխաթթու գազի կոնցենտրացիան և ջերմաստիճանը այն գլխավոր գործոններից են, որոնցից կախված է ֆոտոսինթեզի արագությունը։

Լույսի ազդեցության գնահատման համար կարևոր են լույսի ուժգնությունը (ինտենսիվությունը), որակը (սպեկտրային կազմը) և ազդելու ժամանակամիջոցը։ Մթնային փուլի ռեակցիաների իրականացման համար անհրաժեշտ են ԱԵՖ և ջրածին, որոնք ստացվում են լույսի ազդեցության տակ։ Ցածր լուսավորվածության պայմաններում այս նյութերի սինթեզի արագությունը պակասում է, որից դանդաղում են նաև մթնային փուլի ռեակցիաները։ Լուսավորվածության ավելացման զուգընթաց, ֆոտոսինթեզի արագությունն սկզբնական շրջանում է ուղիղ համեմատական կարգով, սակայն հետագա գործընթացը դանդաղում է և գալիս է մի պահ, երբ լուսավորվածության ավելացումը չի մեծացնում ֆոտոսինթեզի արագությունը։ Լույսի շատ բարձր ինտենսիվության պայմաններում, երբեմն քլորոֆիլը սկսվում է գունազրկվել, որը դանդաղեցնում է ֆոտոսինթեզը։

Հիմնականում ածխաթթու գազի կոնցենտրացիայի նվազումն է դանդաղեցնում ֆոտոսինթեզը։ Դրա ավելացումը էապես արագացնում է ֆոտոսինթեզը, ինչը կիրառվում է ջերմոցային տնտեսություններում որոշ բույսերի աճեցման ժամանակ։

Ջերմաստիճանը, ջուրը, քլորոֆիլի քանակը նույնպես ազդում են ֆոտոսինթեզի արագության վրա։ Թթվածնի բարձր կոնցենտրացիան ֆոտոսինթեզի պրոցեսի վրա ունի ճնշող ազդեցություն, որովհետև պարզ է, որ թթվածինը մրցակցում է ածխաթթու գազի է հետ ռիբուլոզաբիֆոսֆատ-կարբօսիլազ ֆերմենտի ակտիվ կենտրոնի համար, որը իջեցնում է ֆոտոսինթեզի գումարային ինտենսիվությունը։ Ֆոտոսինթեզի վրա բացասաբար են ազդում նաև շրջապատող միջավայրի աղտոտվածության աստիճանը, հատկապես արդյունաբերական ծագում ունեցող տարբեր գազերը։

Ֆոտոսինթեզի նշանակությունը բնության համար

Ֆոտոսինթեզի ժամանակ ածխաթթու գազը յուրացման ընթացքում լույսի և քլորոֆիլի դերի ուսումնասիրության մեջ մեծ ավանդ է ներդրել ռուս խոշորագույն գիտնական Կ.Ա. Տիմիրյազևը։ Նա ֆոտոսինթեզի մասին գրել է այսպես. «դա մի գործընթաց է, որից ի վերջո կախված են կյանքի բոլոր դրսևորումները մեր մոլորակի վրա»։ Այդ կարծիքը միանգամայն հիմնավորված է, որովհետև ֆոտոսինթեզը Երկրի վրա ոչ միայն օրգանական միացությունների, այլև ազատ թթվածնի հիմնական մատակարարն է։

Ֆոտոսինթեզն ունի համամոլորակային նշանակություն, քանի որ արեգակնային էներգիան վերափոխվում է քիմիական կապի էներգիայի, առաջանում են օրգանական միացություններ, որոնք օգտագործվում են ինչպես ավտոտրոֆ, այնպես էլ հետերոտրոֆ օրգանիզմների կողմից։ Ֆոտոսինթեզի շնորհիվ պահպանվում է Երկրի մթնոլորտի որոշակի բադադրությունը։ Ֆոտոսինթեզի արդյունքում առաջանում է մոլեկուլային թթվածին, որն անհրաժեշտ է բոլոր աէրոբ օրգանիզմների համար։ Բացի դրանից առաջացած մոլեկուլային թթվածնի հետ է կապված նաև օզոնային էկրանի գոյությունը, որը պաշտպանում է բոլոր երկրային կենդանի օրգանիզմները մահացու ուլտրամանուշակագույն ճառագայթներից։

Կարևոր է նաև ածխաթթու գազի կլանումը ֆոտոսինթեզի գործընթացում, որի արդյունքում նվազում է նրա քանակը մթնոլորտում, և ածխածինը անօրգանական նյութից անցնում է օրգանական նյութի բաղադրության մեջ, ինչը կաևոր դեր ունի ածխածնի շրջապտույտում։

Երկրի բուսականությունը տարեկան կապում է 75 • 10⁹ տ ածխածին։ Բացի այդ, բույսերը սինթեզի մեջ ներառում են միլիարդավոր տոննաներով ազատ ֆոսֆոր, ծծումբ, կալցիում, մագնեզիում, կալիում և այլ տարրեր։ Որպես արդյունք տարեկան սինթեզվում է մոտավորապես 15 • 10¹⁰ տ օրգանական նյութ։

Չնայած վիթխարի մասշտաբներին՝ ֆոտոսինթեզը դանդաղ և քիչ արդյունավետ գործընթաց է. կանաչ տերևը ֆոտոսինթեզի համար օգտագործում է իր վրա ընկած արեգակնային էներգիայի ընդամենը 1 %-ը։ Ֆոտոսինթեզի արդյունավետությունը 1 ժամում կազմում է, մոտավորապես, 1 գ օրգանական նյութ 1 մ² տերևային մակերեսի վրա։ Այսպիսով, ամռանը մեկ օրում 1 մ² տերևային մակերեսը սինթեզում է 15-16 գ օրգանական նյութ։ Ֆոտոսինթեզի արդյունավետությունը կարելի է բարձրացնել՝ մեծացնելով ածխածնի (IV) օքսիդի պարունակությունը մթնոլորտում, բարելավելով լուսավորվածությունը, ջրամատակարարումը և այլն։ Անհրաժեշտ է նաև հիշել, որ բուսական բջիջները, ինչպես և այլ բջիջները, մշտապես շնչում են, այսինքն կլանում են թթվածին և անջատում ածխածնի (IV) օքսիդ։ Ցերեկը, շնչառության հետ միասին, բուսական բջիջները լուսային էներգիան փոխարկում են քիմիական էներգիայի և օրգանական նյութեր են սինթեզում։ Այդ ընթացքում, որպես ռեակցիայի կողմնակի նյութ, անջատվում է մոլեկուլային թթվածին։ Ֆոտոսինթեզի ընթացքում բուսական բջջի կողմից արտադրված թթվածնի քանակը 20-30 անգամ ավելին է, այդ նույն ընթացքում շնչառության համար կլանվող թթվածնի քանակից։

Ֆոտոսինթեզի առանձնահատկությունները նախակորիզավոր բջիջներում

Ամենայն հավանականությամբ, ֆոտոսինթեզն առաջին անգամ ի հայտ է եկել պրոկարիոտ բջիջներում, այդ պատճառով, այն առանձնակի հետաքրքրություն է ներկայացնում։ Նախակորիզավոր օրգանիզմներից ֆոտոսինթեզի ընդունակ են կապտականաչ ջրիմուռները և որոշ բակտերիաներ։

Բակտերիաներում ընթացող ֆոտոսինթեզն որոշակիորեն տարբերվում է բույսերում ընթացող ֆոտոսինթեզի գործընթացից։ Նախ բակտերիաներում բացակայում են քլորոպլաստները, և քլորոֆիլի փոխարեն հանդիպում է բակտերիաքլորոֆիլը և այլ ֆոտոսինթեզի գունակներ։ Այդ գունակները, ավելի հաճախ կապված են լինում պլազմային թաղանթին։ Բացի դրանից, բակտերիաները որպես ջրածնի դոնոր կարող են օգտագործել մոլեկուլային ջրածինը, ծծմբաջրածինը, նաև որոշ օրգանական միացություններ, ուստի բակտերիաների ֆոտոսինթեզի դեպքում թթվածին չի անջատվում։ Օրինակ՝ որոշ ծծմբակտերիաների ֆոտոսինթեզի արդյունքում միջավայրում ծծումբ է կուտակվում։ Որոշ բակտերիաներ ֆոտոսինթեզն իրականացնում են աէրոբ, իսկ մյուսներն՝ անաէրոբ պայմաններում։ Ֆոտոսինթեզող բակտերիաների գերակշռող մեծամասնությունը կարողանում է նաև ֆիքսել մոլեկուլային ազոտը։ Կապտականաչ ջրիմուռներում նույնպես բացակայում են քլորոպլաստները, բայց դրանք պարունակում են քլորոֆիլ և որպես ջրածնի աղբյուր օգտագործում են ջուրը, այդ պատճառով դրանց ֆոտոսինթեզն ուղեկցվում է թթվածնի անջատումով։

Քեմոսինթեզ

Անօրգանական նյութերից օրգանական նյութեր սինթեզելու ընդունակություն ունեն նաև բակտերիաների որոշ տեսակներ։ Այն եղանակը, որի շնորհիվ դրանք էներգիա են կուտակում սինթեզի ռեակցիաների համար, սկզբունքորեն այլ է բուսական բջիջների համեմատությամբ։ Փոխանակության այս տիպը հայտնաբերել է ռուս գիտնական, մանրէաբան Ա.Ն. Վինոգրադսկին։ Այդ բակտերիաներն օժտված են հատուկ ֆերմենտային ապարատով, որը նրանց հնարավորություն է տալիս օրգանական միացություններ։ Այս գործընթացը կոչվում է քեմոսինթեզ։ Էներգիա կարող է անջատվել ջրածնի, ծծմբաջրածնի, ծծմբի, երկաթի (II),ամոնիակի, նիտրիտի և այլ անօրգանական միացությունների օքսիդացումից։

Կարևոր քեմոսինթեզողներից են նիտրիֆիկացնող բակտերիաները։ Դրանից մի տեսակի համար էներգիայի աղբյուրն ամոնիակի օքսիդացումն է ազոտային թթվի, իսկ նիտրիֆիկացնող բակտերիաների մյուս խումբն օգտագործում է ազոտային թթուն ազոտականի օքսիդացնելու ժամանակ անջատվող էներգիան։

NH₃→NO₂^-+էներգիա

NO₂^-→NO₃^-+էներգիա

Ամոնիակը (ամոնիում իոնը), որը կարող է առաջանալ ինչպես ազոտֆիքսացիայի, այնպես էլ օրգանական նյութերի հանքայնացման արդյունքում, թթվածնի առկայության պայմաններում, հողում արագ ենթարկվում է օքսիդացման։ Կատիոնի փոխարկումն անիոնի բերում է հողի թթվայնության մեծացմանը, դրանով իսկ մեծացնելով հանքային աղերի լուծելիությունը։

Ավտոտրոֆ քեմոսինթեզողներ են նաև երկաթաբակտերիաները և ծծմբակատերիաները։ Դրանցից առաջիններն օգտագործում են երկվալենտ երկաթն, եռավալենտ երկաթի փոխարկվելուց անջատվող էներգիան, երկրորդներն՝ օրինակ, անգույն ծծմբակտերիաները, ծծումբը օքսիդացնում են մինչև ծծմբական թթու.

Fe²⁺→Fe³⁺+էներգիա

S→SO₄^-+էներգիա

Երկաթ և ծծումբ օքսիդացնող որոշ բակտերիաներ օգտագործվում են աղքատ հանքաքարերից տարբեր մետաղների՝ պղնձի, ցինկի, նիկելի, մոլիբդենի, ուրանի և այլ մետաղների կորզման համար։ Ներկայումս այդ մեթոդը լայն կիրառություն ունի հանքարդյունաբերության բնագավառում։

Բոլոր քննարկված բակտերիաներն աէրոբ օրգանիզմներ են։ Քեմոսինթեզողների դերը շատ մեծ է։ Դրանք կարևոր նշանակություն ունեն նյութերի և տարրերի շրջապտույտում։

Սպիտակուցների փոխանակություն

Սպիտակուցներն ամինաթթուներից կազմված, ազոտ պարունակող բարդ միացություններ են, որոնք բջջի կառուցվածքային հիմնական բաղադրամասեր են։ Սպիտակուցների հետ են կապված կենսական շատ ֆունկցիաներ, ինչպիսին են թթվածնի փոխադրումը, մկանների կծկումը, հորմոնային կարգավորման իրականացումը, իմունիտետի ապահովումը և ուրիշ։ Բուսական և կենդանական բոլոր սպիտակուցները կազմված են ամինաթթուներից, որոնց քանակը մոտավորապես 20 է։ Ամինաթթուների տարբեր զուգակցումներից առաջանում են տարբեր կառուցվածքի սպիտակուցներ։ Մարսողական խողովակում սննդի բարդ սպիտակուցները մարսողական հյութերի ազդեցությամբ ճեղքվում են և վերածվում ամինաթթուների։ Վերջիններս ներծծվում են բարակ աղիքի թավիկներով և արյան միջոցով հասնում օրգանիզմի բոլոր բջիջներին։ Յուրաքանչյուր բջիջ ամինաթթուներից սինթեզում է իրեն մենահատուկ սպիտակուցները։ Սպիտակուցների կենսասինթեզի անհրաժեշտ պայմանն ամինաթթուների անընդհատ ներմուծումն է օրգանիզմ։

Ածխաջրերի փոխանակություն

Ածխաջրերն օրգանիզմի էներգիայի հիմնական աղբյուրն են, մտնում են բջիջների կազմության մեջ։ Ածխաջրերով առավել հարուստ է բուսական ծագում ունեցող սննդամթերքը։ Մարսողական խողովակում բարդ ածխաջրերը ճեղքվում են մինչև գլյուկոզի, որն աղիքի թավիկներից ներծծվում են արյան մեջ, անցնում լյարդ,մկաններ և վերափոխվում կենդանական օսլայի՝ գլիկոգենի։

Երկարատև քաղցի ժամանակ արյան մեջ գլյուկոզի մակարդակի իջեցման դեպքում գլիկոգենը ճեղքվում է և առաջացած գլյուկոզը անցնում է արյունատար հուն։ Ընդհակառակը, արյան մեջ գլյուկոզի ավելցուկի դեպքում այն լյարդում վերափոխվում է գլիկոգենի։ Այսպիսի ինքնակարգավորման շնորհիվ արյան մեջ պահպանվում է գլյուկոզի հաստատուն մակարդակը։

Ճարպերի փոխանակություն

Ճարպերն ունեն կառուցողական, ջերմամեկուսիչ նշանակություն,էներգիայի կաևոր աղբյուր են, կատարում են պաշտպանական, մեխանիկական ֆունկցիա։ Սննդի հետ ընդունած ճարպերը մարսողական խողովակում ճեղքվում են, վերածվում ճարպաթթուների և գլիցերինի, որոնցից բարակ աղիքի էպիթելային բջիջներում սինթեզվում են օրգանիզմին մենահատուկ ճարպեր և ներծծվում ավշի մեջ, այնուհետև արյունով փոխադրվում օրգաններ և հյուսվածքներ։ Ճարպերի մեծ մասը կուտակվում է ենթամաշկային բջջանքում, ներքին որոշ օրգանների շուրջը, լյարդում, մկաններում։ Այդ պաշարներն օգտագործվում են սննդի պակասի ժամանակ։

Սննդի մեջ ճարպի պակասի դեպքում խանգարվում է կենտրոնական նյարդային համակարգի և բազմացման օրգանների գործունեությունը, թուլանում օրգանիզմի դիմադրողականությունը զանազան հիվանդությունների նկատմամբ։ Ճարպերի հետ օրգանիզմ են անցնում կենսաբանորեն կարևոր նշանակություն ունեցող ճարպալույծ վիտամիններ (A,D,E)։

Ջրի և հանքային աղերի փոխանակություն

Ջուրը և հանքային աղերը սննդանյութեր չեն համարվում, էներգիայի աղբյուր չեն ծառայում, սակայն նրանց մուտքը և ելքը համարվում է օրգանիզմի կենսագործունեության պարտադիր և անհրաժեշտ պայման։

Ջուրը և հանքային աղերը մասնակցում են օրգանիզմի ներքին միջավայրի կազմավորմանը։ Ջուրն արյան, ավշի, հյուսվածքային հեղուկի, մարսողական հյութերի հիմնական բաղադրամասն է։ Բոլոր նյութերի փոխարկումները տեղի են ունենում ջրային միջավայրում։ Ջուրը կազմում է մարմնի զանգվածի 2/3-ը։ Օրգանիզմում ջրի պակասից առաջանում են ծանր խանգարումներ, նույնիսկ մահ։ Ջրի օրական պահանջը 1,5-2 լ է, որի մի մասն օրգանիզմն ընդունում է խմելու ջրի, մյուս մասը՝ թեյի և այլ հեղուկների ձևով։ Մարսողական խողովակում ջուրը ներծծվում է արյան մեջ բարակ և հաստ աղիներից։ Արյունից ջուրը սննդանյութերի և աղերի հետ անցնում է հյուսվածքներ, մասնակցում նյութափոխանակության գործընթացներին։ Օրգանիզմից ջուրը հեռանում է երիկամներով, մաշկով, թոքերով և կղանքով։

Օրգանիզմին անհրաժեշտ են նաև հանքային աղեր։ Հանքային «քաղցի» դեպքում չնայած օրգանիզմը ստանում են սննդանյութեր և ջուր, սակայն դիտվում է ախորժակի բացակայություն, հյուծում և մահ։ Աղերի նշանակությունը տարբեր է։ Կալցիումի և ֆոսֆորի աղերը մտնում են ոսկրերի բաղադրության մեջ։ Կալցիումը մասնակցում է նաև արյան մակարդմանը, մկանների կծկմանը։ Ֆոսֆորը մտնում է էներգիայիով հարուստ միացությունների, երկաթը՝ հեմոգլոբինի կազմի մեջ։ Սովորաբար սնունդ օրգանիզմի համար պարունակվում է բավարար չափով հանքային աղեր, բացի կերակրի աղից, որի պակասը լրացվում է սննդի խոհարարական մշակման ժամանակ։ Նրա շատ օգտագործումը վնասակար է օրգանիզմի համար։

Օրգանական միացությունների փոխարկումն օրգանիզմում

Սննդի մեջ որևէ օրգանական միացության պակասը որոշակիորեն փոխարկվում է մյուսով։ Այսպես, սպիտակուցները կարող են փոխարկվել ճարպերի, իսկ դրանք՝ ածխաջրերի։ Այս գործընթացները կատարվում են հատուկ ֆերմենտների ներգործությամբ։ Միայն սննդի մեջ եղած սպիտակուցների պակասը չի լրացվում, որովհետև դրանք առաջանում են ամինաթթուներից։ Այդ պատճառով օրգանիզմի համար հատկապես վտանգավոր է սպիտակուցային «քաղցը»։

Նյութափոխանակության կարգավորումը

Նյութափոխանակությունը կարգավորվում է նյարդային և հումորալ ճանապարհով։

Նյարդային կարգավորումն իրականանում է միջանկյալ ուղեղի, մեծ կիսագնդերի կեղևի միջոցով։ Առանձնապես կարևոր նշանակություն ունի ենթատեսաթումբը, որտեղ տեղակայված են ածխաջրային, սպիտակուցային, ճարպային, ջրա-հանքային փոխանակությունը կարգավորող կենտրոններ։ Ենթատեսաթմբի որոշ կորիզների քայքայման դեպքում առաջանում է ճարպակալում, այլ կորիզների քայքայման դեպքում՝ հյուծում։ Իսկ որոշ կորիզների գրգռման դեպքում բարձրանում է արյան գլյուկոզի մակարդակը, առաջանում է շաքարամիզություն։ Ենթատեսաթմբի որոշ կորիզների վնասման դեպքում կտրուկ ուժեղանում է սպիտակուցների ճեղքումը։

Ենթատեսաթմբում կան հատուկ նյարդաբջիջներ, որոնք զգայուն են ջրի և իոնների խտության փոփոխությունների նկատմամբ։

Հումորալ կարգավորումն իրականանում է վահանագեղձի, ենթաստամոքսային գեղձի, հիպոֆիզի, մակերիկամների, սեռական գեղձերի հորմոններով, որոնք հաստատում են պահում շաքարի, սպիտակուցների, հանքային աղերի, ճարպաթթուների մակարդակը։

Տես նաև

• Ֆոտոսինթեզ
• Քեմոսինթեզ
• Կատաբոլիզմ
• Անաբոլիզմ
• Գլիկոլիզ
• Բջջային շնչառություն
• Ավտոտրոֆներ
• Հետերոտրոֆներ

Արտաքին հղումներ

• Metabolism (biology)-ը Բրիտանիկա հանրագիտարանում
• The Biochemistry of Metabolism
• Sparknotes SAT biochemistry Արխիվացված 2019-03-17 Wayback Machine Overview of biochemistry. School level.
• MIT Biology Hypertextbook Արխիվացված 2016-05-19 Portuguese Web Archive Undergraduate-level guide to molecular biology.
• Topics in Medical Biochemistry Guide to human metabolic pathways. School level.
• http://themedicalbiochemistrypage.org/ THE Medical Biochemistry Page] Comprehensive resource on human metabolism.
• Flow Chart of Metabolic Pathways at ExPASy
• IUBMB-Nicholson Metabolic Pathways Chart
• SuperCYP: Database for Drug-Cytochrome-Metabolism Արխիվացված 2011-11-03 Wayback Machine
• Metabolism reference Pathway Արխիվացված 2009-02-23 Wayback Machine
• The Nitrogen cycle and Nitrogen fixation Wayback Machine (արխիվ index)

Վիքիպահեստն ունի նյութեր, որոնք վերաբերում են «Նյութափոխանակություն» հոդվածին։