Նյութափոխանակություն․ ակնարկ

Ի՞նչ է տեղի ունենում քո օրգանիզմում հենց այս պահին։ Քո առաջին պատասխանը կարող է լինել այն, որ քաղցած ես, կամ մկաններդ ցավում են վազքից հետո, կամ հոգնած ես։ Բայց արի՛ ավելի խորն ուսումնասիրենք՝ անցնելով գիտակցական զգացողությունների շերտը, և հասկանանք, թե ինչ է տեղի ունենում քո բջիջներում։

Եթե կարողանայիր զննել քո բջիջներից որևէ մեկի ներսը, կտեսնեիր, որ այն գործողությունների ուշագրավ հանգույց է և ավելի շատ նման է բացօթյա բանուկ տոնավաճառի, քան՝ լուռ սենյակի։ Անկախ նրանից՝ արթուն ես, թե քնած, վազում ես, թե հեռուստացույց ես դիտում, քո բջիջների ներսում էներգիան վերափոխվում է՝ փոփոխվելով մի ձևից մյուսը, քանի որ մոլեկուլները քիմիական ռեակցիաների են մասնակցում, որոնց շնորհիվ դու առողջ ես և աշխատունակ։

Բջիջներում անընդհատ հազարավոր քիմիական ռեակցիաներ են տեղի ունենում, որոնք բջիջը և քո ամբողջ մարմինը ամբողջ, ողջ և առողջ են պահում։ Այս ռեակցիաները հիմնականում կապված են շղթաներով կամ ուղիներով։ Այս բոլոր ռեակցիաները, որոնք տեղի են ունենում բջիջում, միասին կոչվում են նյութափոխանակություն։

Հասկանալու համար, թե որքան բարդ գործընթաց է նյութափոխանակությունը, արի նայենք ստորև բերված նյութափոխանակության սխեմային։ Այս խառը գծերն ինձ հիշեցնում են մեծ երկաթուղային համակարգի քարտեզ կամ ճոխ էլեկտրական շղթայի գծագիր։ Իրականում այս գծագիրը ցույց է տալիս հիմնական նյութափոխանակության ուղիները էուկարիոտ բջիջում, որից կազմված է մարդու օրգանիզմը։ Յուրաքանչյուր գիծ ներկայացնում է մի ռեակցիա, իսկ ամեն մի շրջանակ՝ օգտագործվող կամ ստացվող նյութերը։

Բջջի նյութափոխանակության այս ցանցում որոշ քիմիական ռեակցիաներ էներգիա են արտադրում, և դա կարող է տեղի ունենալ ինքնաբերաբար (առանց սկզբնական էներգիայի ներդրման)։ Սակայն մյուս ռեակցիաները տեղի ունենալու համար կարիք ունեն որոշակի սկզբնական էներգիայի։ Ճիշտ այնպես, ինչպես կարիք ունես անընդհատ սնվելու, որպեսզի փոխարինես այն, ինչ օրգանիզմն օգտագործում է, բջիջներն էլ կարիք ունեն էներգիայի շարունակական ներհոսքի, որպեսզի իրականացնեն էներգիա պահանջող քիմիական ռեակցիաները։ Իրականում սնունդը, որ ուտում ես ամեն օր, հենց այդ էներգիան է քո բջիջների համար։

Որպեսզի նյութափոխանակության գաղափարն ավելի հստակ դարձնենք, արի աչքի անցկացնենք նյութափոխանակային երկու գործընթաց, առանց որոնց՝ կյանքը երկրագնդի վրա անհնար կլիներ՝ ռեակցիաներ, որոնց ընթացքում առաջանում են շաքարներ, և ռեակցիաներ, որոնց ընթացքում շաքարները ճեղքվում են։

Որպես էներգիա արտադրող ռեակցիայի օրինակ՝ արի դիտարկենք, թե ինչպես քո բջիջներից մեկը կարող է ճեղքել շաքարի մելեկուլը (օրինակ՝ այն քաղցրավենիքից, որ կերել ես)։

Շատ բջիջներ, նաև քո մարմնի բջիջների մեծ մասը, էներգիա են ստանում գլյուկոզից (${\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6$‍)։ Դա տեղի է ունենում բջջային շնչառություն կոչվող մի գործընթացի արդյունքում, որի ժամանակ գլյուկոզի մոլեկուլը բազմաթիվ մանր քայլերով աստիճանաբար ճեղքվում է։ Այդ ամբողջ գործընթացի ընդհանրացված ռեակցիան հետևյալն է․

${\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6$‍ + $6{\text{O}}_2$‍ $\to$‍ $6{\text{CO}}_2$‍ + $6{\text{H}}_2\text{O}$‍ + $\text{էներգիա}$‍

Գլյուկոզի ճեղքման արդյունքում արտադրվում է էներգիա, որը փոխանցվում է բջջին որպես ադենոզինեռֆոսֆատ կամ ԱԵՖ: ԱԵՖ-ը փոքր մոլեկուլ է, որը բջջում էներգիա պահեստավորելու արդյունավետ եղանակ է։

Առաջանալուց հետո ԱԵՖ-ը կարող է որպես էներգիայի աղբյուր օգտագործվել այլ ռեակցիաների համար։ Ինչպես մենք՝ մարդիկ, օգտագործում ենք գումարը, քանի որ այդպես ավելի հեշտ է, քան ամեն անգամ փոխանակություն անելը, բջիջն էլ օգտագործում է ԱԵՖ-ը՝ որպես էներգիա փոխադրելու ստանդարտ եղանակ։ Այս պատճառով ԱԵՖ-ը հաճախ նկարագրվում է որպես բջջի «էներգիական արժույթ»։

Որպես էներգիա պահանջող նյութափոխանակային ռեակցիայի օրինակ՝ արի շրջենք նախորդ օրինակն ու հասկանանք, թե ինչպես է կառուցվում շաքարի մոլեկուլը։

Շաքարները, ինչպես գլյուկոզը, արտադրվում են բույսերում լուսասինթեզ կոչվող գործընթացի ընթացքում։ Լուսասինթեզի ժամանակ բույսերն օգտագործում են արևի էներգիան, որպեսզի ածխաթթու գազը փոխակերպեն շաքարի մոլեկուլների։ Լուսասինթեզը տեղի է ունենում մի շարք փոքր քայլերով, բայց դրա ընդհանրացված ռեակցիան բջջային շնչառության ռեակցիան է, միայն թե հակառակ ուղղությամբ։

$6{\text{CO}}_2$‍ + $6{\text{H}}_2\text{O}$‍ + $\text{էներգիա}$‍ $\to$‍ ${\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6$‍ + $6{\text{O}}_2$‍

Ինչպես մենք, բույսերը նույնպես էներգիայի կարիք ունեն՝ բջջային գործընթացներն իրականացնելու համար, այնպես որ շաքարների մի մասն օգտագործվում են հենց բույսի կողմից։ Դրանք կարող են նաև սննդի աղբյուր լինել կենդանիների համար, որոնք ուտում են բույսը, ինչպես ներքևում պատկերված սկյուռը։ Երկու դեպքում էլ բջջային շնչառության ընթացքում գլյուկոզը ճեղքվում է՝ արտադրելով ԱԵՖ, որպեսզի պահպանի բջիջների աշխատունակությունը։

Գլյուկոզի արտադրման և ճեղքման գործընթացները՝ երկուսն էլ նյութափոխանակային ուղիների օրինակներ են։ Նյութափոխանակային ուղին փոխկապակցված քիմիական ռեակցիաների շղթա է, որոնք հաջորդում են մեկը մյուսին։ Ուղին վերցնում է ելանյութի մեկ կամ ավելի մոլեկուլ և մի շարք միջանկյալ ռեակցիաների արդյունքում փոխակերպում վերջանյութերի։

Նյութափոխանակային ուղիները բաժանվում են երկու հիմնական խմբի՝ կախված դրանց ազդեցություններից։ Լուսասինթեզը, որի ժամանակ ավելի փոքր մոլեկուլներից առաջանում են շաքարներ, «կառուցողական» է կամ անաբոլիկ ուղի։ Դրան հակառակ՝ բջջային շնչառության արդյունքում շաքարը ավելի փոքր մոլեկուլների է ճեղքվում և կոչվում է «ճեղքում» կամ կատաբոլիկ ուղի։

Անաբոլիկ ուղիներում ավելի պարզ մոլեկուլներից առաջանում են բարդ մոլեկուլներ, և, որպես ընդհանուր կանոն, անհրաժեշտ է էներգիա՝ ռեակցիան իրականացնելու համար։ Ածխաթթու գազից գլյուկոզի ստացումն այդպիսի օրինակ է։ Այլ օրինակ է սպիտակուցի սինթեզը ամինաթթուներից կամ ԴՆԹ-ի սինթեզը նուկլեոտիդներից։ Կենսասինթեզի այս գործընթացները շատ կարևոր են բջջի կյանքի համար, դրանք շարունակ կատարվում են՝ օգտագործելով ԱԵՖ-ի էներգիան, ինչպես նաև այլ էներգիա պահեստավորող այլ մոլեկուլներ։

Կատաբոլիկ ուղիները ներառում են բարդ մոլեկուլների ճեղքումը ավելի պարզ մոլեկուլների, որը հիմնականում ուղեկցվում է էներգիայի անջատումով։ Այն էներգիան, որը պահեստավորված է բարդ մոլեկուլների, օրինակ՝ գլյուկոզի և ճարպերի քիմիական կապերում, անջատվում է կատաբոլիկ ուղիներով։ Այնուհետև այն կուտակվում է այն տեսքով (օրինակ՝ ԱԵՖ-ի սինթեզի տեսքով), որը կարող է օգտագործվել բջջի աշխատանքի համար։

Որպես ամփոփում՝ շատ կարևոր է նաև հիշել, որ քիմիական ռեակցիաները նյութափոխանակության ընթացքում չեն կատարվում ինքնըստինքյան՝ առանց ուղղորդության։ Ընդհակառակը, յուրաքանչյուր ռեակցիա ուղու մի քայլ է, որը հեշտացվում կամ կատալիզվում է ֆերմենտ կոչվող սպիտակուցի միջոցով։ Կարող ես ավելին սովորել ֆերմենտների և այն մասին, թե ինչպես են ֆերմենտները վերահսկում կենսաքիմիական ռեակցիաները Ֆերմենտներ թեմայում։