Биохимия пособие Коновалова 2012

ента их поступления до образования конечных продуктов.

М° Метаболизм - это совокупность химических превращений версТВ происходящих с участием ферментов в организме.

ШМетаболизм выполняет 4 функции:

1. Снабжение организма химической энергией, полученной при

сщеплении богатых энергией пищевых веществ.

2. Превращение пищевых веществ в строительные блоки, кото­ рые используются в клетке для биосинтеза собственных макромоле­

кул. 3. Сборка макромолекулярных (биополимеры) и надмолекуляр­ ных структур, т.е. пластическое и энергетическое поддержание структуры живого организма.

4. Синтез и разрушение тех молекул, которые необходимы для выполнения специфических функций (слетай и организма.

Вещества, участвующие в метаболизме, называются метаболита­

ми.

В живой клетке многие тысячи метаболитов вступают в химиче­ ские реакции. Реакционная способность метаболитов зависит от ряда условий и, прежде всего, от наличия соответствующих ферментов. Ферментативная цепь химических реакций называется метаболиче­ ским путем. Метаболические пути всех веществ связаны друг с другом общими метаболитами и образуют единую сетку реакций - карту ме­ таболизма.

Рассмотрим примеры метаболических путей. В мышечных клет­ ках вся глюкоза реагирует только с АТФ и превращается в глюкозо-6- фосфат. Образовавшийся глюкозо-б-фосфат является заряженным ве­ ществом и поэтому не может покинуть клетку. Дальнейшие превраще­ ния глюкозо-6-фосфата определяются набором ферментов, катализи­ рующих последовательные реакции, и условиями в клетке. Так, в ана­ эробных условиях конечным продуктом распада глюкозы в мышцах бу­ дет лактат (молочная кислота). Т.е. метаболический путь превращения глюкозы в мышцах в анаэробных условиях заканчивается образованием молочной кислоты, а в аэробных условиях - С02 и Н20.

По форме усвоения углерода все живые организмы делятся на 2 группы. Автотрофные клетки («сами себя питающие») усваивают С02 воздуха в процессе фотосинтеза, и из него строят все свои органические вещества (фотосинтезирующие бактерии, зеленые растения). Гетеро­ трофные клетки («питающиеся за счет других») получают углерод из сложных органических молекул, т.е. они питаются продуктами жизне­ деятельности других клеток. Это клетки высших животных, большинст­ во микроорганизмов. В биосфере автотрофы и гетеротрофы являются Участниками кругооборота углерода и кислорода между животным и растительным миром.

91

По отношению к кислороду гетеротрофы деляг на несколько ви­

дов:

1. Аэробы - требуют наличие кислорода для окисления питатель­ ных веществ.

2. Анаэробы —для окисления питательных веществ кислород не требуется.

2.1.Факультативные анаэробы - существуют в кислородной и бескислородных средах.

2.2.Облигатные (строгие) анаэробы - живут только в бескисло­ родной среде.

Большинство гетеротрофов - факультативные анаэробы.

2. Ферменты и метаболизм. Понятие о регуляции метаболизма

Метаболизм регулируется за счет регуляции активности и ко­ личества ферментов. Еще в 19 веке Клод Бернар предложил концеп­ цию гомеостаза. Согласно ей, внутриклеточные константы сохраняются, не взирая на изменения окружающей среды. В своей основе теория го­ меостаза опирается на координированную деятельность многих фер­ ментативных реакций. Для идеализированной клетки используют ка­ мерную модель метаболизма.

Врач судит о метаболизме, изучая входные и выходные парамет­ ры. Изучение самих метаболических путей затруднено. Здесь необхо­ димы специальные приемы, например, изотопная техника.

продукты

метаболизма

^выходные

параметры

Камерная модель метаболизма

Регуляция метаболических путей по Ленинджеру происходит на 3-х уровнях:

1. Быстрое реагирование, связанное с действием аллостерич ских ферментов, каталитическая активность которых может меняться под влиянием особых веществ - эффекторов, оказывающих стимули­ рующее или тормозящее действие, т.е. при изменении условий в клетке

92

первыми реагируют аллостерические ферменты.

2.Нейрогормональная регуляция у высших организмов. Это регудядия посредством дистанционных гуморальных сигналов, действую­ щих через мембраны или геном клетки.

3.Долговременная регуляция метаболизма связана с изменением концентрации фермента в клетке. Концентрация всякого фермента в любой данный момент определяется соотношением скоростей его син­ теза и распада.

3. Катаболизм и анаболизм. Основные конечные продукты метаболизма

Метаболизм складывается из двух фаз - катаболизма и анаболиз­

ма.

Катаболизм - ферментативное расщепление крупных пищевых или депонированных молекул до более мелких с выделением энергии и запасанием ее в виде макрозргических связей.

Стадии катаболизма:

I.Распад полимеров до мономеров:

-крахмал, гликоген —* глюкоза

-белки —*■аминокислоты

-триацилглицерины —* глицерин + жирные кислоты

И. Специфические пути катаболизма мономеров с образованием общих промежуточных продуктов - ацетил КоА, пирувата.

Примеры специфических путей катаболизма

-окисление глюкозы до пирувата, 2 АТФ

-окислительное дезаминирование аминокислот до кетокислот (пи­ рувата), ацетил КоА и NH3, 2-3 АТФ

-р окисление жирных кислот до ацетил КоА, 5 АТФ (1 акт)

III. Образование конечных продуктов в ходе общих путей катаболизма:

-окислительное декарбоксилирование пирувата с образованием ацетил КоА, 3 АТФ, С02

-окисление ацетил-КоА в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК) с об­ разованием С 02; Н20; 12 АТФ

Анаболизм —ферментативный синтез крупных полимерных мо­ лекул из простых предшественников с затратой энергии.

Стадии анаболизма

I.Третья стадия катаболизма (амфиболическая).

II. Образование мономеров по реакциям, обратным реакциям ка­ таболизма.

III. Синтез полимеров из мономеров.

93

Параллельные катаболические и анаболические пути должны различаться хотя бы одной из ферментативных реакций, чтобы регулироваться независимо.

Например, специфический путь распада глюкозы до лактата (гли­ колиз) включает 11 реакций; обратный процесс - синтез глюкозы из лактата включает 8 обратимых реакций и 3 дополнительные реакции с новыми наборами ферментов. Именно на этих стадиях за счет регуля­ ции активности ферментов регулируются суммарные скорости распада и синтеза глюкозы. Кроме того, реакции катаболизма и анаболизма час­ то разделены мембранами и протекают в разных отсеках (компартментах) клеток. Например, распад жирных кислот идет в митохондриях, а их синтез - в цитозоле.

4. Введение в биохимию пищеварения. Состав пищи человека

Человек является гетеротрофом, т.е. получает питательные веще­ ства и энергию извне в виде органических соединений.

«...влияние питания является определяющим в обеспечении оптималь­ ного роста и развития человеческого организма, его трудоспособно­ сти, адаптации к воздействию различных агентов внешней среды, и в конечном итоге можно считать, что фактор питания оказывает оп­ ределяющее влияние на длительность жизни и активную деятельность человека»

А.Н.Покровский

^ — Состав пищи

Незаменимые компоненты пищи не синтезируются в организме

94

Белки животного происхождения содержат полный набор незаме- „ямых аминокислот. Незаменимые жирные кислоты содержатся в рас- •г и т е л ь н ы х маслах. Незаменимым компонентом углеводной пищи явля­ ются пищевые волокна (клетчатка). В ЖКТ человека нет ферментов для их переваривания, но они необходимы для перистальтики кишечника и

адсорбции токсинов.

При энергозатратах 2500 ккал в сутки человек должен употреб­ лять 100 г белков (50% - белки животного происхождения), 100 г жиров (25%- жиры растительного происхождения) и 400 г углеводов.

Незаменимы витамины, исключение — потребность в холине удовлетворяется при поступлении метионина (творог); в витамине РР — при поступлении триптофана, витамин Д может синтезироваться в коже под действием ультрафиолета. Необходимо поступление с пищей хими­ ческих элементов, например, при нехватке в пище J возникает зоб, F - кариес зубов.

5. Переваривание пищи

Переваривание идет в 3-х отделах пищеварительного тракта: в ро­ товой полости, в желудке и в тонком кишечнике. Сюда выделяются сек­ реты экзокринных пищеварительных желез, содержащие соответст­ вующие гидролитические ферменты.

В зависимости от расположения ферментов пищеварение может быть 3-х видов:

1. Полостное (гидролиз ферментами, находящимися в свободном

виде);

2.Мембранное или пристеночное (гидролиз ферментами, нахо­ дящимися в составе мембран);

3.Внутриклеточное (ферменты находятся в органеллах клетки). Мембранное пищеварение происходит в ворсинках кишечника.

Особенность его в том, что гидролиз небольших молекул (дипептидов, Дисахаридов) происходит на поверхности клеточной мембраны ки­ шечного эпителия и одновременно сочетается с транспортом продук­ тов гидролиза внутрь клетки.

95

Жидкости пищеварительного тракта

96

■Декрет тонкого ксншечника pH 6,5-7,8

6.Нарушения структуры питаний в настоящее время

1.Избыточное потребление животных жиров.

2.Дефицит полиненасыщенных жирных кислот.

3.Дефицит полноценных (животных) белков.

4.Дефицит большинства витаминов.

5.Дефицит минеральных веществ - Са, Fe.

6.Дефицит микроэлементов -I, F, селена.

7.Выраженный дефицит пищевых волокон.

Последствия нарушений структуры питания для здоровья

1.Прогрессирующее увеличение в последние годы числа взрос­ лых со сниженной массой тела и детей раннего возраста со сниженными антропометрическими показателями.

2.Широкое распространение различных форм ожирения.

3.Частое выявление лиц с различными формами иммунодефицитов, со сниженной резистентностью к инфекциям и другим неблагопри­

ятным факторам окружающей среды.

4.Увеличение частоты алиментарно-зависимых заболеваний:

-железодефицитные анемии;

-эндемический зоб (дефицит йода);

-заболевания опорно-двигательного аппарата (дефицит Са).

Уфранцузов есть пословица, что человек роет себе могилу собст­ венными челюстями. Но у них же имеется и другая поговорка прямо противоположного смысла: «Что недоплатишь мяснику, то перепла­ тишь аптекарю». Эти два высказывания как нельзя лучше отражают то трудноразрешимое противоречие, с которым сталкиваются современная наука о питании, да и каждый из нас.

97

С одной стороны, в связи со значительным снижением энерготрат мы должны столь же существенно уменьшать общее количество по­ требляемой пищи, как источника энергии.

Иначе —переедание, избыточный вес и все связанные с этим забо­ левания: гипертония, диабет, инфаркт и т.п.

Но, с другой стороны, где же тогда взять то необходимое количе­ ство витаминов и других нужных организму биологически активных веществ, носителем которых является пища?

Наша средняя суточная потребность в витамине Bt составляет всего 1,5-2,0 мг. Но, чтобы получить это, казалось бы ничтожное коли­ чество, мы должны ежедневно съедать по килограмму черного хлеба или 400-500 г нежирного мяса, лучше телятины —именно эти продукты, а не фрукты и овощи, как думают многие, являются наиболее богатым источником витаминов группы В.

Весь мировой и отечественный опыт убедительно свидетельству­ ет: наиболее эффективным и экономически доступным способом карди­ нального улучшения обеспеченности населения витаминами является регулярное включение в рацион специализированных пищевых продук­ тов, обогащенных этими ценными биологически активными пищевыми веществами. Особенно удобны в этом отношении быстрорастворимые поливитаминные и поливитаминно-минеральные комплексы, мгновенно образующие освежающие напитки.

В настоящее время для коррекции структуры питания предлагает­ ся широкое применение БАД - биологически активных добавок к пище и нутрицевтиков.

БАД - биологически активные добавки - это концентраты на­ туральных или идентичных натуральным биологически активных ве­ ществ, предназначенные для непосредственного приема или введения в

состав пищевых продуктов.

Нутрицевтики - природные компоненты пищи, такие как вита­ мины или их близкие предшественники (Например, р каротины), полиненасьпценные жирные кислоты семейства омега-3 (ПНЖК), некоторые моно- и дисахариды; пищевые волокна (целлюлоза, пектины) и др.

Использование БАД и нутрицевтиков позволяет:

-Ликвидировать дефицит эссенциальных пищевых веществ.

-Индивидуализировать питание конкретного здорового человека в зависимости от потребностей, физиологического состояния, пола.

-Удовлетворить изменения физиологических потребностей в пи­ щевых веществах больного человека.

-Повысить неспецифическую резистентность организма к воздей­

ствию неблагоприятных факторов внешней среды.

98

оРгаН^ аПравленно изменить обмен токсических веществ.

"Профилактика ожирения, атеросклероза, рака, иммунодефицита.

Примеры нутрицевтиков и БАД:

1. Дополнительные источники белка и аминокислот (лиз) - гото­ вые к употреблению смеси, содержащие высокие концентрации яичных, молочных и соевых белков.

Применяют: при уменьшении массы тела, _ спортсмены с целью наращивания мышечной массы,

-зондовое питание,

_ дополнительное лечебное питание при хронических заболеваниях печени и сосудов.

2. Дополнительные источники ПНЖК и фосфолипидов. Рацион здорового человека:

Дефицит ПНЖК соЗ: линоленовая, эйкозопентаеновая, докозагексаеновая кислоты.

3. Дополнительные источники витаминов.

ПНЖК необходимы для структурно-функциональной организации мембран, для синтеза эйкозаноидов. Такие природные источники ПНЖК m3 как соевое масло, льняное масло у нас редко используются, поэтому следует применять концентраты этих кислот. Они эффективны при гипертонической болезни, ИБС, тромбозах, сахарном диабете, некоторых иммунодефицитных состояниях.

Высоко эффективны БАД, содержащие фосфолипиды. Они усили­ вают активность антиоксидантных систем организма, нормализуют процесс транспорта липидов, репарацию мембран, активируют иммунокомпетенгные клетки и усиливают процесс всасывания жира в кишеч­ нике.

БАД используются как дополнительные источники витаминов для профилактики гиповитаминозов. Разновидности - витаминноминеральные БАД.

9 9

7. Регуляция пищеварения

Осуществляется рефлекторно. На молекулярном уровне регуляция осуществляется гормоноподобными веществами, которые вырабаты­ ваются в одних органах и тканях, а действуют через кровь на дру­ гие органы. Выделение регуляторов происходит под действием пищи и определяется ее составом.

Характеристика гормоноподобных веществ

8. Всасывание продуктов пищеварения

Всасывание продуктов переваривания и компонентов пищи в же­ лудке незначительно (за исключением этанола). Более 90% продуктов переваривания всасывается в тонком кишечнике. Большая часть воды всасывается в толстом кишечнике. Механизм трансмембранного транс­ порта веществ в кишечнике зависит от растворимости их и градиента концентрации. Водонерастворимые продукты переваривания жиров пе­ реносятся через клеточные мембраны эпителия кишечника в составе мицелл. Мицеллы образуются желчными кислотами. Существует два

100