Поживні речовини розщеплюються в шлунково-кишковому тракті
Як ми вже з’ясували в попередньому параграфі, тварини не здатні самостійно синтезувати органічні речовини з вуглекислого газу та води, тому змушені отримувати їх із їжею. У цьому параграфі ми розглянемо, що відбувається з молекулами їжі, поглинутої людиною. Спочатку треба зазначити, що їжа містить у собі велику кількість полімерів (білків і полісахаридів), які клітини тонкого кишківника не можуть безпосередньо всмоктати. Тому ці речовини повинні бути розщеплені до мономерів (амінокислот і моносахаридів відповідно). Жири також не можуть бути поглинуті без розщеплення, тому вони розщеплюються з вивільненням жирних кислот. Саме ці процеси ми й опишемо зараз.
Розщеплення білків починається в шлунку
Білкова їжа є основою раціону людини, хоча вміст білків у їжі значно варіюється в різних національних культурах: на них дуже багата кухня Середньої Азії, натомість бідна — у полінезійців і африканських аборигенів. У шлунково-кишковому тракті білки розщеплюються в кілька етапів. Початкові етапи розщеплення білків відбуваються в шлунку. Тут, у кислому середовищі, у білків руйнується їхня тривимірна структура й вони піддаються початковому розщепленню ферментом пепсином. При цьому молекула білка розщеплюється на більш короткі амінокислотні ланцюжки, але не до вільних амінокислот. Після цього утворені амінокислотні ланцюжки потрапляють до тонкого кишківника. Там, у слабколужному середовищі, вони піддаються дії ферментів трипсину та хімотрипсину, що їх виділяє підшлункова залоза. Робота цих ферментів призводить до формування ще коротших амінокислотних ланцюжків (2-20 амінокислот). А остаточне розщеплення до амінокислот цих укорочених ланцюжків здійснюють інші травні ферменти тонкого кишківника. Лише вільні амінокислоти можуть бути поглинуті клітинами тонкого кишківника та потрапити в кров1.
Розщеплення вуглеводів відбувається в декілька етапів
У їжі є різноманітні вуглеводи: полісахариди (такі як крохмаль і целюлоза), дисахариди (такі як сахароза й лактоза), а також моносахариди, найважливішим із-поміж яких є глюкоза. Відносний уміст вільної глюкози в їжі зазвичай невеликий, а більшість вуглеводів представлена ди- та полісахаридами. Як і у випадку з амінокислотами, клітини епітелію тонкого кишківника здатні поглинути лише моносахариди, тому ди- й полісахариди треба розщепити в шлунково-кишковому тракті. Дисахариди розщеплюються в тонкому кишківнику: сахарозу розщеплює фермент сахараза, а лактозу — лактаза. Варто згадати, що зазвичай у ссавців лактаза утворюється тільки в період харчування материнським молоком, а з віком вони припиняють утворювати лактазу і, як наслідок, утрачають здатність засвоювати молоко. У деяких людських популяціях лактаза утворюється впродовж усього життя (докладніше в доповненні II).
Це твердження не зовсім правильне. Деякі білки здатні потрапляти в кров із просвіту тонкого кишківника цілими, не піддаючись розщепленню. Таким є, наприклад, білок молока лактоферин, що бере участь у перенесенні заліза від матері до немовляти, а також в антибактеріальному та противірусному захисті. Але такий приклад перенесення білків є радше винятком, аніж правилом.
Розщеплення полісахаридів відбувається складніше і в кілька етапів. Як приклад розглянемо розщеплення крохмалю, що міститься в багатьох продуктах харчування. Початок розщеплення крохмалю відбувається вже в ротовій порожнині, оскільки слина містить фермент амілазу. Амілаза розщеплює ланцюги крохмалю на коротші. Вони в тонкому кишківнику стикаються з дією амілази, що її продукує підшлункова залоза. Там відбувається рощеплення коротких ланцюгів до дисахариду мальтози, яка складається з двох залишків глюкози. Мальтоза розщеплюється до вільної глюкози ферментом мальтазою.
Як ми вже знаємо, більша частина глюкози в біосфері перебуває в складі целюлози. Розщеплення целюлози здійснюється ферментом целюлазою, що є в деяких бактерій, найпростіших і грибів. У хребетних тварин целюлази нема. Проте травоїдні тварини засвоюють целюлозу завдяки наявності в їхньому шлунково-кишковому тракті симбіотичних організмів. Ці організми віддають перевагу життю в безкисневому середовищі. У травоїдних ссавців симбіотичні мікроорганізми, що розщеплюють целюлозу, живуть у товстому та сліпому кишківнику (як у непарнокопитих і зайцеподібних) чи в спеціалізованому відділі стравоходу (як у жуйних парнокопитих). Так, рубець1 корови займає всю ліву половину її черевної порожнини й досягає об’єму 300 літрів (рис. 16.1).
A. Будова чотирикамерного «шлунка» корови з величезним рубцем.
Б. Корови з фістулами в боці, що з’єднані з рубцем, дають змогу вивчати процес травлення.
B. Основна «їжа» корови — інфузорії (2 млн/мл), що населяють рубець.
Г. Корабельний черв, незвичайний морський двостулковий молюск, що харчується деревиною. Він не лише містить у травному тракті симбіотичні мікроорганізми, що перетравлюють целюлозу, але й утворює власну целюлазу. Хоча молюск є шкідником, що псує дерев’яні судна й причали, проте має велике значення для природи: знищує мертву деревину у Світовому океані.
У рубці формується унікальна екосистема мікроорганізмів. Більшість «населення» рубця становлять бактерії, що розщеплюють целюлозу та поглинають глюкозу. Ними харчуються різноманітні інфузорії, що також мешкають у рубці жуйних. Саме ці інфузорії і є основою «харчування» жуйних. Можна сказати, що корова «харчується» не стільки травою, скільки мікробною біомасою, яку вона «вирощує» в себе в рубці.
Для розщеплення жирів потрібна їх емульгація
Жири також є важливою частиною раціону тварин. Особливо варто згадати високу енергетичну цінність жирів. «Спалювання» одного грама жиру даватиме значно більше енергії, ніж «спалювання» одного грама білка чи вуглеводу. Однак жири доволі непросто засвоювати. Як ми знаємо, жири є неполярними молекулами, які у водному розчині формують жирові краплі. Такі краплі не можуть бути поглинуті клітинами епітелію тонкого кишківника. Також велика неполярна молекула жиру не може проникнути крізь шар полярних голівок на поверхні мембрани клітини. Тому молекула жиру розщеплюється в тонкому кишківнику ферментом ліпазою, і лише потім її поглинають клітини кишківника (рис. 16.2).
Фермент ліпазу секретує підшлункова залоза. Як і багато інших ферментів, він є водорозчинною молекулою, тому може розщеплювати жири лише на поверхні жирових крапель. Очевидно, що швидкість такого процесу буде обмежена площею поверхні жирових крапель. Для збільшення площі поверхні потрібні жовчні кислоти, утворені печінкою. Жовчні кислоти емульгують жири — розбивають великі жирові краплі на дрібні, істотно збільшуючи поверхню, доступну для ліпази. Компоненти, що утворилися в процесі розщеплення жирів їжі, надходять до клітин епітелію тонкого кишківника, де з них знову синтезуються молекули жирів. Такі молекули в ендоплазматичному ретикулумі збираються в спеціальні краплі, що секретуються з протилежного боку клітини. Проте потрапляють вони не в кров, а в лімфатичний капіляр. Лише після цього з потоком лімфи краплі потраплять до кровотоку у венах шиї і верхній порожнистій вені.
Внутрішньоклітинне окиснення глюкози відбувається в кілька етапів
У попередніх розділах ми згадали, що ди-та полісахариди, які потрапляють до шлунково-кишкового тракту, розщеплюються ферментами до моносахаридів, найважливішим із яких є глюкоза. Глюкоза через клітини епітелію тонкого кишківника потрапляє в кров і розноситься по організму. Усередині клітини з глюкозою можуть статися такі зміни.
1. Вона може бути повністю окиснена до вуглекислого газу та води. При цьому буде накопичена енергія у формі АТФ. Цей процес відбувається за наявності кисню й називається диханням.
2. Вона може бути перетворена на молочну кислоту в процесі бродіння. Для цього процесу кисень не потрібний, а АТФ утворюється менше, ніж під час дихання.3. Вона може бути перетворена на інші моносахариди, а також на ліпіди й амінокислоти.
4. Вона може бути перетворена на полімер глікоген, у формі якого зберігатиметься в цитоплазмі. Найчастіше глікоген відкладається в печінці та скелетних м’язах. У разі потреби організму в глюкозі глікоген буде знову розщеплений.
Початковим етапом окиснення глюкози є гліколіз — розщеплення однієї молекули глюкози до двох молекул піровиноградної кислоти. Цей процес повністю відбувається в цитозолі клітини. Він становить собою лінійний метаболічний шлях, що включає 10 послідовних реакцій. Схема гліколізу наведена на рисунку 16.3.
Як ви можете помітити, у цьому процесі кисень участі не бере. Якщо уважніше придивитися до схеми гліколізу, то можна побачити, що у двох молекулах піровиноградної кислоти міститься стільки ж Карбону й Оксигену, скільки в одній молекулі глюкози, проте не вистачає чотирьох атомів Гідрогену. Ці чотири атоми Гідрогену переходять на спеціальний переносник. Із наступного параграфа ми дізнаємося, що відбувається далі з цими атомами Гідрогену, а також як молекули піровиноградної кислоти окислюються до вуглекислого газу. І у цьому вже буде задіяний кисень.
Яків Парнас
Народився 1884 року в Мокрянах, що поблизу Дрогобича на Львівщині. Освіту здобував у Львові, Страсбурзі, Цюріху. Викладав в університетах Страсбурга, Варшави, Львова. Основні наукові досягнення вченого — в галузі біохімії вуглеводного обміну. Найбільше відомий світові відкриттям процесів розщеплення глікогену в м'язах і розкриттям окремих реакцій гліколізу, який ще називають шляхом Ембдена-Мейєргофа-Парнаса. Після окупації радянськими військами Західної України в 1939 році мав змогу на запрошення колег виїхати до Лондона чи Нью-Йорка, утім залишився у Львові. З початком військових дій 1941 року був евакуйований до Уфи, а в 1943 році переїхав бо Москви. У Москві став одним із засновників Академії медичних наук СРСР, засновником і директором Інституту біологічної і медичної хімії. Проводив величезну просвітницьку роботу, організовуючи щочетверга семінари за участю видатних біохіміків, фізіологів, медиків. На початку 1949 року був арештований у справі Єврейського антифашистського комітету за нібито здійснення розвідувальної діяльності на користь іншої держави. Усі звинувачення проти Парнаса були сфабриковані й не були підтверджені. Утім на той час учений хворів на цукровий діабет і серцево-судинну недостатність. У січні 1949 року Яків Парнас помер на допиті від інфаркту. Принаймні так записано в документах НКВС. Як було насправді, на сьогодні не відомо. Як не відоме й місце, де видатний вчений Парнас був похований. У наші дні щодва роки Українське біохімічне товариство й Польське біохімічне товариство проводять наукову конференцію, присвячену пам’яті великого вченого.
Поміркуймо
Знайдіть одну правильну відповідь
Полімерні молекули не повинні потрапляти до внутрішнього середовища організму — крові та лімфи, тому розщеплюються на мономери. Це відбувається у
А серцево-судинній системі Б травній системі В видільній системі Г дихальній системі Д імунній системі
2. Кисле середовище шлункового соку сприяє
1) руйнуванню тривимірної структури білкової молекули;
2) активації пепсину;
3) емульгуванню жирів.
А 1 та 2 Б 2 та З В 1 та З Г лише 1 Д 1, 2 та З
3. У шлунково-кишковому тракті з ліпідами їжі відбувається емульгація. Її головна мета
А полегшити всмоктування ліпідів крізь мембрану Б сформувати харчову грудку
В зробити частинки їжі недоступними для кишкової мікрофлори Г збільшити площу поверхні ліпідних крапель Д збільшити поверхневий натяг ліпідів
Сформулюйте відповідь кількома реченнями
4. Люди, як і інші тварини, потребують надходження органічних речовин до організму. З якою метою люди мають регулярно отримувати органічні речовини?
Чому перед усмоктуванням у клітини організму білки розщеплюються до амінокислот? Чи лише великі розміри білкових молекул обмежують їхнє всмоктування? Якщо ні, то наведіть й інші причини.
Чи будь-яку їжу треба жувати? А якщо її можна легко проковтнути, як, наприклад, рідку манну чи вівсяну кашу? Обґрунтуйте відповідь, урахувавши склад їжі та фізіологію травлення.
Яких труднощів зазнають тварини, що харчуються травою та деревиною? Для чого майже всі вони вирощують у своїй травній системі симбіотичні мікроорганізми? Що ж, урешті-решт, є їжею корови?
8. Найпоширеніший моносахарид живої природи — глюкоза. Які можливі шляхи її використання організмом людини?
Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи
9. Корови мають масу симбіонтів у своїх рубцях, кролі — у сліпому кишків-нику. А як симбіонти туди потрапляють, адже ці тварини не народжуються з уже заселеним шлунково-кишковим трактом?
Відомо, що жовч сприяє емульгуванню жирів, що робить їх доступними для розщеплення. Які саме речовини жовчі відповідальні за цю дію? Які особливості молекул жовчі уможливлюють таку незвичайну функцію?
Дізнайся самостійно та розкажи іншим
Целюлаза — фермент, що є лише в небагатьох організмів. А чому? Наскільки простіше було б жити, якби ми могли харчуватися деревиною, тирсою, папером. Спробуй пояснити незначну поширеність такого корисного ферменту у тваринному світі.
12. 3 огляду на енергетику процесу поясни, чому від глюкози в ході гліколізу відщеплюється Гідроген, а не Карбон чи Оксиген.
Це матеріал з підручника Біологія 9 клас Шаламов