2 курс / Биохимия / Лекции_по_Биохимии

41

Углеводы должны содержаться в рационе взрослого человека количестве 400-600 г/сутки. Углеводы не содержат незаменимых компонентов, но растительная пища богата пищевыми волокнами (клетчатка, пектины). Клетчатка усиливает моторику желудочно-кишечного тракта, обеспечивает объём пищевых продуктов, создаёт чувство сытости, служит субстратом для бродильной микрофлоры, адсорбирует многие токсины. Для детей потребность в углеводах составляет 12-14 г/ кг.

Минеральные вещества делятся на макроэлементы и микроэлементы (пограничная концентрация 0.01%).

Макроэлементы: кальций, фосфор, натрий, калий выполняют пластическую функцию, определяют физико-химические свойства биологических жидкостей, участвуют в свёртывании крови, в нервно-мышечной возбудимости.

Микроэлементы: железо, цинк, медь, фтор, йод и др.. Микроэлементы выполняют регуляторную функцию для ферментов, входят в состав некоторых гормонов (йод в тироксине), в состав некоторых сложных белков (железо в гемоглобине). Источником минеральных веществ являются растения и почвенная вода, поэтому встречаются регионы с дефицитом тех или иных микроэлементов. В данных регионах развиваются эндемические заболевания. Например, эндемический зоб при недостатке йода, кариес при дефиците фтора,

В детском возрасте рациональное питание особенно важно в критические периоды роста. К таким этапам относятся:

1.эмбриональный период, во время которого необходимо правильное питание будущей матери;

2.период новорожденности, во время которого возникают так называемые транзиторные состояния (гипогликемия, гипопротеинемия, гипокальциемия, гипотермия, потеря массы тела). Эти состояния при правильном питании носят временный характер, при дефектах вскармливания могут приводить к патологии;

3.грудной период, для которого оптимальным является естественное вскармливание;

4.подростковый период - период полового созревания, когда происходит гормональная перестройка метаболизма.

3.3.Биохимия витаминов

Витамины - это минорные компоненты пищи, которые выполняют регуляторную роль в обмене веществ. Термин витамины возник в связи с тем, что первый витамин, открытый К.Функом в 1911 году содержал аминогруппу и предотвращал развитие полиневрита.

3.3.1. Номенклатура витаминов Каждый витамин имеет три вида названий:

1.буквы латинского алфавита;

2.название, отражающее химическую природу витамина (например, ретинол

– спирт);

3.название, образующееся путём сочетания приставки анти с названием заболевания, возникающего при отсутствии витамина (например,

42

антирахитический, антианемический витамины).

3.3.2. Классификация витаминов По растворимости витамины делятся на две группы:

-водорастворимые (С, В, Н, РР)

-жирорастворимые (А, Д, Е, К).

Иногда выделяют витаминоподобные вещества, например инозит, пангамовая кислота.

3.3.3.Биологическая роль витаминов

1.Коферментная: витамин РР (противопеллагрический) входит в состав кофермента НАД, витамин В2 (рибофлавин) – в состав кофермента ФАД.

2.Являются аллостерическими активаторами (регуляторами) многих ферментов.

3.Некоторые витамины входят в состав более сложных белков, например витамин А (антиксерофтальмический) входит в состав родопсина сетчатки.

4.Антирадикальная (антиоксидантная) функция. Витамины блокируют свободные радикалы, в том числе, радикалы кислорода. Данная функция наиболее характерна для витаминов Е, А, С.

3.3.4.Обмен витаминов

∙Всасывание. Для некоторых витаминов имеются специальные белки-переносчики, во всасывании жирорастворимых витаминов принимают участие жёлчные кислоты.

∙Транспорт витаминов. Для жирорастворимых витаминов необходимы транспортные белки (например, ретинолсвязывающий белок для витамина А).

∙В тканях витамины встраиваются в состав коферментов.

∙Инактивация витаминов происходит в печени.

∙Продукты распада витаминов выводятся через почки. По их концентрации в моче судят об обмене витаминов в организме.

В обмене витаминов возможны нарушения:

-авитаминозы – патологические состояния, развивающиеся при отсутствии витаминов в пище и при нарушении их усвоения и обменных превращений;

-гипервитаминозы – патологические состояния вследствие избыточного поступления в организм;

-гиповитаминозы – патологические состояния, возникающие при недостаточном поступлении или частичном нарушении обмена витаминов, а также при повышенной потребности в них (беременность, ранний детский возраст, работа в жарких цехах и др.)

Различают экзогенные и эндогенные причины гиповитаминозов. Экзогенные (алиментарные) гиповитаминозы лечат путём назначения витаминных препаратов и продуктов, богатых недостающим витамином.

К эндогенным причинам относятся нарушение всасывания при

43

заболеваниях желудочно-кишечного тракта, заболевания печени и жёлчевыводящих путей, дисбактероиозы, гельминтозы. Эндогенные гиповитаминозы лечат путём инъекций витаминов, минуя желудочно-кишечный тракт.

В детском возрасте могут встречаться особые витаминорезистентные состояния, при которых нарушено включение витаминов в состав коферментов. Эти состояния корректируют назначением готовых коферментных форм витаминов.

3.3.5. Краткая характеристика некоторых витаминов Витамин А, ретинол, антиксерофтальмический витамин (препятствующий

сухости глаз). По химической природе является циклическим ненасыщенным спиртом. Распространён в продуктах животного происхождения: желток, сливочное масло, печень. Растительные продукты (морковь, красный перец) содержат провитамин каротин. Суточная потребность до 5 мг.

Биологическая роль:

-участвует в синтезе зрительного пигмента родопсина;

-стимулирует рост и развитие эпителия, костной, хрящевой ткани способствуя синтезу в них нуклеиновых кислот, сложных углеводов (гликозаминогликанов);

-является инактиватором радикальных форм кислорода. Авитаминоз проявляется нарушением сумеречного зрения (куриная

слепота). Развивается сухость роговицы глаза (ксерофтальмия) в результате ороговевания эпителия слёзной железы, закупорки её протока и прекращения слезоотделения. Страдают эпителиальные ткани дыхательных путей, мочевыводящих путей (дерматиты, бронхиты, пиелиты), нарушается репродуктивная функция. Возможен и гипервитаминоз А при использовании большого количества продуктов, содержащих этот витамин.

Витамин РР, никотиновая кислота, противопеллагрический витамин. Содержится в злаках, дрожжах. Суточная потребность в нём составляет до 10 мг.

Биологическая роль:входит в состав коферментов НАД и НАДФ, участвует в процессах биологического окисления. Авитаминоз проявляется заболеванием пеллагра (шершавая кожа). К её симптомам относятся дерматит, слабоумие (деменция), расстройства функций кишечника (диарея) - болезнь «трёх Д».

Витамин В2, рибофлавин, витамин роста. Он включает флавин и рибитол, распространён в оболочке злаков, в дрожжах. Суточная потребность 1-2 мг. Биологическая роль: входит в состав коферментов ФМН и ФАД, участвует в биологическом окислении. Авитаминоз проявляется в виде дерматита, катаракты, анемии, поражении сердечной мышцы

Липоевая кислота – витаминоподобное вещество, представляет собой восьмиуглеродную жирную кислоту с двумя SH - группами. Биологическая роль: является коферментом окислительного декарбоксилирования α-кетокислот.

Пантотеновая кислота является витамином, который, в свою очередь, включает β-аланин и производное масляной кислоты. Она распространена в животных и растительных продуктах. Суточная потребность до 10 мг.

44

Биологическая роль: входит в состав HSКоА, участвует в окислительном декарбоксилировании α-кетокислот, в активации жирных кислот. Авитаминоз проявляется дерматитом, депигментацией волос, поражением нервной системы.

Витамин В1, тиаминдифосфат, антиневритный витамин включает в свой состав пиримидиновое кольцо, содержит аминогруппу. Суточная потребность 2 мг, содержится в злаках, дрожжах. Биологическая роль: входит в состав кофермента тиаминдифосфата (ТДФ) и участвует в окислительном декарбоксилировании α -кетокислот, является коферментом транскетолазы при окислении глюкозы по пентозофосфатному пути. Авитаминоз проявляется полиневритами (болезнь бери-бери).

3.4. Биохимические основы рационального вскармливания грудных детей При составлении оптимального по количеству и качественным критериям

питания для детей грудного возраста нужно учитывать многие факторы.

-Для детей энергетическая потребность выше, чем у взрослых: для ребёнка

0-6 месяцев – 125-120 ккал / кг, 6-12 месяцев – 110 ккал /кг, 5-6 лет – 50-60

ккал/ кг.

-Организм ребёнка более чувствителен к недостатку незаменимых компонентов питания.

-У детей повышена потребность в витаминах и микроэлементах в расчёте на массу тела.

-Для детей первого года жизни соотношение между Б : Ж :У должно составлять 1:2:4.

3.4.1. Химический состав грудного молока Молозиво отличается небольшим объёмом, высокой плотностью и

калорической ценностью. Калорийность 1 литра молозива в первый день лактации составляет 1500 ккалорий. В молозиве содержится более низкая концентрация лактозы, жира, водорастворимых витаминов по сравнению со зрелым молоком, но более высокая концентрация белков, жирорастворимых витаминов, некоторых минеральных веществ (таких как натрий, цинк). Содержание белков в молозиве достигает 2,3 г/100 мл, что примерно в два раза выше, чем в зрелом молоке. Концентрация жиров в молозиве, наоборот, значительно ниже, чем в зрелом молоке (2,9 г/100 мл в молозиве по сравнению с 4,5 г/100 мл в зрелом молоке). В молозиве существенно выше по сравнению со зрелым молоком содержание природных антиоксидантов, таких как витамин А, Е, β- каротины, селен. В нём высок уровень иммуноглобулинов и других защитных факторов

Зрелое молоко начинает образовываться на 3-14-ый дни лактации. Оно необычайно разнообразно по химическому составу, содержит около 400 различных органических и минеральных компонентов.

Среднее содержание белка в грудном молоке составляет 11,5 г/л (0,9-1,3 г/100 мл). Белки женского молока представлены в основном α- лактоальбумином, лактоферрином и иммуноглобулинами. Казеиновый коэффициент (отношение сывороточные белки /казеиновые белки) в женском молоке составляет 55:45. Казеиновое соотношение в грудном молоке позволяет

45

образовывать более мягкий для желудка ребёнка творожок, облегчающий пищеварение у грудного ребёнка. Казеиновые белки в грудном молоке в основном представлены β- казеинами. Сывороточные альбумины молока характеризуются более благоприятным для ребёнка аминокислотным составом. Среди иммуноглобулинов в женском молоке преобладает Jg A (95% всех иммуноглобулинов), который повышает защитные свойства слизистой кишечника ребёнка от инфекций. Для грудного молока характерно высокое содержание белка лактоферрина (170 мг/100 мл), который обеспечивает всасывание железа в кишечнике. Лактоферрину свойственно также и антимикробное действие. В силу отмеченных особенностей белки грудного молока отличаются высокой усвояемостью и биологической ценностью.

В грудном молоке высока доля небелкового азота - мочевины, мочевой кислоты, креатинина, аминосахаров, аминокислот. На него приходится до 25% общего азота молока. Женское молоко имеет своеобразный аминокислотный состав: высокий уровень свободных аминокислот - цистеина, таурина, триптофана и более низкое содержание метионина и лизина.

Содержание жиров в зрелом молоке составляет примерно 40-45 г/л, хотя его значения могут колебаться в широком диапазоне: от 31 г/л до 52 г/л.

Жиры в женском молоке находятся в виде тонкой эмульсии, что облегчает их переваривание. Среди жиров грудного молока преобладают триацилглицерины. В меньшем количестве в нём присутствуют фосфолипиды. Женское молоко богато холестерином. В женском молоке преобладают ненасыщенные жирные кислоты: оно содержит 42% насыщенных и 57% ненасыщенных жирных кислот, богато длинноцепочечными мононенасыщенными и ПНЖК. Важной особенностью ТАГ и фосфолипидов грудного молока является наиболее оптимальное пространственное расположение в их составе соответствующих остатков жирных кислот. В женском молоке также содержится карнитин - важный компонент, обеспечивающий внутриклеточный транспорт жирных кислот. Женское молоко может содержать значительные количества биологически активных простагландинов. Жиры грудного молока обеспечивает для ребёнка 35-50% дневной энергетической нормы.

Содержание углеводов в женском молоке составляет 68-74 г/л. 85% всех углеводов приходится на лактозу, но в нём присутствуют также галактоза, фруктоза, а также другие олигосахариды.

Лактоза служит субстратом для бродильной микрофлоры, обеспечивает всасывание ряда минеральных веществ, например, кальция, железа, магния, марганца. Лактоза обеспечивает около 40% энергетических потребностей грудного ребёнка. Она также является источником галактозы для синтеза гликолипидов и гликопротеидов.

Очень важным компонентом грудного молока являются присутствующие в нём специфические смешанные олигосахариды. Роль олигосахаридов женского молока состоит, прежде всего, в обеспечении организма ребёнка различными производными моносахаров, синтез которых в тканях затруднён. Кроме того, показано участие олигосахаридов в поддержании роста молочной и бифидофлоры в кишечнике ребёнка, а также ингибирование адгезии патогенных

46

микроорганизмов на клетках слизистой оболочки кишечника.

Грудное вскармливание стимулирует развитие бифидофлоры в кишечнике ребёнка. Бифидофлора (БФ) - анаэробная флора, продуцирующая молочную, уксусную кислоты из лактозы и смешанных олигосахаридов грудного молока. Образующиеся короткоцепочечные кислоты закисляют рН кишечника и тем самым оказывают антибактериальное действие. Они обладают антитоксическим эффектом, связывая некоторые токсические амины кишечника. БФ продуцирует некоторые витамины группы В, ферменты, в частности, лизоцим, казеин - фосфатазы. БФ активирует дисахаридазы кишечника младенца, защищает его организм от дефицита цинка. БФ активирует пролиферацию энтероцитов, оказывает иммуномодулирующий эффект.

Содержание витаминов в молоке правильно питающихся женщин, как правило, соответствует потребностям ребёнка, вскармливаемого грудью.

Общее содержание минеральных веществ в женском молоке оптимально соответствует потребностям ребёнка. Оно составляет 2 г/л. Выявлено, что содержание таких минеральных веществ как кальций, фосфор, железо, магний, цинк, фториды в грудном молоке мало зависит от рациона матери. Содержание кальция в грудном молоке составляет 7,0 ммоль/л (260 -300 мг/л). Содержание фосфора в женском равняется 4,5 ммоль/л (140 мг/л). Содержание натрия в женском молоке составляет 7 ммоль/л (113 - 264 мг/л), концентрация калия -14 ммоль/л (400 - 700 мг/л), уровень хлоридов -11 ммоль/л (366 - 421 мг/л

Несмотря на относительно низкое содержание в грудном молоке таких микроэлементов как железо, цинк, марганец, йод, обеспеченность ими детей первых месяцев жизни, находящихся на грудном вскармливании, является вполне достаточной.

Грудное молоко богато биологически активными веществами, которые уникальны по своему подбору. К ним относятся многие гормоны: окситоцин, пролактин, либерины, гонадотропин, соматотропин, тиреотропин, инсулин, соматостатин, кальцитонин, релаксин, тироксин, трийодтиронин, кортикостероиды, половые гормоны, эритропоэтин, гормонально активные пептиды: бомбезин и нейротенсин.

Биологически активные компоненты грудного молока.

В женском молоке представлены также многочисленные факторы роста (фактор роста эпидермиса, инсулиноподобный фактор роста (ИФР) гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулируемый (ГМ-КСФ), фактор роста нервной системы).

Женское молоко включает в свой состав огромное количество антибактериальных, антивирусных факторов.

Защитные факторы женского молока могут быть разделены на несколько групп:

-иммуноглобулины, главным образом секреторный JgA, который обеспечивает местную иммунную защиту слизистых оболочек пищеварительного тракта. В молоке человека присутствует некоторое количество JgG. Содержание же JgM и JgE незначительно. Особенностью молока матери является высокое содержание в нём каталитически активных антител (абзимов).

-иммунокомпетентные клетки: Т-лимфоциты, нейтрофилы, макрофаги, а также комплекс белковых факторов (интерлейкины, интерфероны), регулирующие их активность.

-белковые вещества, обладающие неспецифическим противоинфекционным действием (лактоферрин, лизоцим, лактопероксидаза) В женском молоке присутствует до 70 различных ферментов.

-бифидогенные факторы (пребиотики): лактоза, олигосахариды, цистеин, пантотеновая кислота, которые обеспечивают развитие в кишечнике нормальной микрофлоры.

4. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

4.1. Функции биологического окисления Биологическое окисление – совокупность окислительных процессов,

протекающих в живых организмах. Биологическое окисление выполняет ряд важных функций:

∙энергетическая функция – окислительные процессы снабжают биологические процессы энергией;

∙биосинтетическая функция – путём окислительных реакций могут синтезироваться новые вещества, необходимые для организма;

∙обезвреживающая (детоксикационная) функция - путём окислительных

48

реакций многие вещества лишаются своей токсичности.

По современным представлениям процесс окисления веществ заключается в потере ими электронов. Вещество, теряющее электроны – донор электронов, вещество, присоединяющее электроны – акцептор электронов. Все живые организмы, в зависимости от вида конечного акцептора электронов, делятся на аэробные и анаэробные организмы. У аэробов конечным акцептором электронов служит кислород. У анаэробных организмов электроны переносятся не на кислород, а на какие-то другие вещества

4.2. Краткая история учения о биологическом окислении На первых этапах изучения процессов окисления были предложены теории

активации кислорода, в которых предполагался какой-то механизм активации кислорода, поскольку кислород в организме является более активным окислителем, чем вне организма. К теориям данного направления относится, в частности, перекисная теория А.Н. Баха (1847 г.). Согласно ей, в организме есть вещества, которые, взаимодействуя с молекулярным кислородом, образуют перекисные вещества, в которых кислород становится более активным.

Впоследствии кислород в составе перекиси окисляет многие субстраты в организме. В результате к окисленному веществу присоединяется кислород. Эта теория носит частный характер.

Позже (1911 г.) возникла теория дегидрирования А.В.Палладина. Согласно ей, вещества окисляются не путём присоединения кислорода, а путём потери атомов водорода. В первую анаэробную фазу окисления происходит перенос атомов водорода с субстрата (RH2) на акцептор (X) при участии ферментов дегидрогеназ:

Во вторую аэробную стадию окисления атомы водорода переносятся с восстановленного акцептора (ХН2) на кислород. Акцептор при этом окисляется и

повторно участвует в дегидрировании субстрата.

По теории Палладина допускалось участие в окислительных процессах кислорода воды. Теория Палладина более универсальна и положена в основу современных представлений о биологическом окислении.

4.3. Виды биологического окисления Процессы биологического окисления могут протекать в разных отделах

клетки. Принято выделять 2 вида окисления: внутримитохондриальное и внемитохондриальное.

Внутримитохондриальное окисление протекает в матриксе и на внутренней мембране митохондрий, выполняет энергетическую функцию.

Внемитохондриальное окисление протекает в цитозоле, эндоплазматической сети, пероксисомах и на внешней мембране митохондрий. Оно в основном участвует в биосинтетических и детоксикационных процессах.

49

4.4.Ферменты и коферменты биологического окисления

Впроцессах окисления участвует большое количество ферментов, коферментов, переносчиков электронов. К ферментам участвующим в биологическом окислении относятся дегидрогеназы, цитохромы, оксигеназы, пероксидазы.

Дегидрогеназы в зависимости от состава небелковой части фермента делят на никотинамидзависимые и флавиновые ферменты.

4.4.1. Никотинамидзависимые дегидрогеназы (НАД, НАДФ-зависимые) Никотинамидзависимые дегидрогеназы - сложные белки, состоящие из

белковой и небелковой части. Белковая часть дегидрогеназ определяет их специфичность, имеет молекулярную массу, порядка 70 – 100 тыс. д. В активном центре дегидрогеназ присутствуют SH группы. Кофермент дегидрогеназ представлен динуклеотидами НАД и НАДФ.

НАД – никотинамидадениндинуклеотид

Всостав НАД входят два нуклеотида:

1.аденин – рибоза – Н3 РО4

2.никотинамид – рибоза - Н3 РО4

НАДФ – никотинамидадениндинуклеотидфосфат. Состав НАДФ:

1.аденин - рибоза (Н3 РО4) - Н3 РО4

2.никотинамид – рибоза - Н3 РО4

Коферменты НАД и НАДФ влияют на третичную структуру дегидрогеназ, придают активность белковой части фермента и участвуют в переносе водорода. В организме встречаются дегидрогеназы, активные только в присутствии НАД: лактатдегидрогеназа, малатдегидрогеназа. Имеются ферменты, где коферментом является только НАДФ: глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, 6-фосфоглюконатдегидрогеназа. Для фермента глютаматдегидрогеназы в качестве кофермента может выступать как НАД, так и НАДФ,

Общий вид реакции, катализируемой НАД (НАДФ)- дегидрогеназами заключается в отщеплении водорода от окисляемого субстрата и переносе его на кофермент:

НАД и НАДФ непрочно связаны с белковой частью фермента. В данной реакции непосредственным акцептором протонов и электронов в составе НАД или НАДФ является никотинамид (витамин РР).

В последующем НАДН2 используется в энергетических процессах, а НАДФН2 служит источником водорода для восстановительных синтезов (синтез жирных кислот, стероидных гормонов, холестерина).

Механизм восстановления кофермента

50

4.4.1.1. Витамин РР Витамин РР (никотиновая кислота, противопеллагрический витамин)

содержится в основном в злаках. Суточная потребность в нём составляет 10 мг. Биологическая роль РР – входит в состав НАД и НАДФ, участвует в процессах биологического окисления. Авитаминоз РР носит название пеллагры (шершавая кожа). К её симптомам относятся дерматит, слабоумие (деменция),

расстройства функций кишечника ( диарея) - болезнь «трёх Д».

4.4.2. Флавопротеиды (флавиновые дегидрогеназы)

Флавопротеиды - сложные белки, состоящие из белка и небелковой части, представленной флавинмононуклеотидом (ФМН) или флавинадениндинуклеотидом (ФАД). Белковая часть флавопротеидов имеет большую молекулярную массу около 200 тыс. д. и прочно связывается с небелковой частью.

ФМН – флавинмононуклеотид, состоит из флавина, рибитола, Н3РО4.

ФАД – флавинадениндинуклеотид, включает флавиновый и адениловый нуклеотиды:

1.флавин – рибитол - Н3РО4.

2.аденин – рибоза - Н3РО4.

Общий вид реакции с участием флавопротеидов (2 стадии):

В качестве субстратов для флавопротеидов служат янтарная кислота, активные формы жирных кислот. В этом случае флавопротеиды являются первичными акцепторами протонов и электронов для этих веществ. Донором водорода для флавопротеидов может также служить молекула НАДН2. В этом случае флавопротеиды являются промежуточными акцепторами протонов и электронов. В качестве акцепторов электронов для флавопротеидов могут являться убихинон (во внутримитохондриальном окислении) или кислород (во внемитохондриальном окислении). В этом случае флавопротеиды называют не дегидрогеназами, а оксидазами. Непосредственным переносчиком протонов и электронов в составе флавопротеидов служит флавин.

Схема восстановления флавина: