2 курс / Биохимия / Н.Ю.Коневалова - Биохимия

мента их поступления до образования конечных продуктов. Метаболизм – это совокупность химических превращений ве-

ществ, происходящих с участием ферментов в организме. Метаболизм выполняет 4 функции:

1.Снабжение организма химической энергией, полученной при расщеплении 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 клетки и организма.

Вещества, участвующие в метаболизме, называются метаболита-

ми.

В живой клетке многие тысячи метаболитов вступают в химические 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 клетках вся глюкоза реагирует только с АТФ и превращается в глюкозо-6- фосфат. Образовавшийся глюкозо-6-фосфат является заряженным веществом и поэтому не может покинуть клетку. Дальнейшие превращения глюкозо-6-фосфата определяются набором ферментов, катализирующих последовательные реакции, и условиями в клетке. Так, в анаэробных условиях конечным продуктом распада глюкозы в мышцах б удет лактат (молочная кислота). Т.е. метаболический путь превращения глюкозы в мышцах в анаэробных условиях заканчивается образованием молочной кислоты, а в аэробных условиях – СО2 и Н2О.

По форме усвоения углерода все живые организмы делятся на 2 группы. Автотрофные клетки («сами себя питающие») усваивают СО2 воздуха в процессе фотосинтеза, и из него строят все свои органические вещества (фотосинтезирующие бактерии, зеленые растения). Гетеротрофные клетки («питающиеся за счет других») получают углерод из сложных органических молекул, т.е. они питаются продуктами жизнедеятельности других клеток. Это клетки высших животных, большинство микроорганизмов. В биосфере автотрофы и гетеротрофы являются участниками кругооборота углерода и кислорода между животным и растительным миром.

91

По отношению к кислороду гетеротрофы делят на несколько ви-

дов:

1.Аэробы – требуют наличие кислорода для окисления питательных 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 бескислородной среде.

Большинство гетеротрофов – факультативные анаэробы.

2.Ферменты и метаболизм. Понятие о регуляции метаболизма

Метаболизм регулируется за счет регуляции активности и количества ферментов. Еще в 19 веке Клод Бернар предложил концепцию гомеостаза. Согласно ей, внутриклеточные константы сохраняются, не взирая на изменения окружающей среды. В своей основе теория гомеостаза опирается на координированную деятельность многих ферментативных реакций. Для идеализированной клетки используют камерную модель метаболизма.

Врач судит о метаболизме, изучая входные и выходные параметры. Изучение самих метаболических путей затруднено. Здесь необходимы специальные приемы, например, изотопная техника.

Камерная модель метаболизма

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

1. Быстрое реагирование, связанное с действием аллостерических ферментов, каталитическая активность которых может меняться под влиянием особых веществ – эффекторов, оказывающих стимулирующее или тормозящее действие, т.е. при изменении условий в клетке

92

первыми реагируют аллостерические ферменты.

2.Нейрогормональная регуляция у высших организмов. Это регуляция посредством дистанционных гуморальных сигналов, действующих 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 синтеза 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 макроэргических связей.

Стадии катаболизма:

I. Распад полимеров до мономеров:

–крахмал, гликоген → глюкоза

–белки → аминокислоты

–триацилглицерины → глицерин + жирные кислоты

II. 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 (пирувата), ацетил КоА и NH3, 2-3 АТФ;

–β 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, СО2.

–окисление ацетил-КоА в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК) с об-

разованием СО2; Н2О; 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 катаболизма.

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 (гликолиз) 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 регуляции активности ферментов регулируются суммарные скорости распада и синтеза глюкозы. Кроме того, реакции катаболизма и анаболизма часто разделены мембранами и протекают в разных отсеках (компартментах) клеток. Например, распад жирных кислот идет в митохондриях,

аих синтез – в цитозоле.

4.Введение в биохимию пищеварения. Состав пищи человека

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

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

Незаменимые компоненты пищи не синтезируются в организме

94

Белки животного происхождения содержат полный набор незаменимых аминокислот. Незаменимые жирные кислоты содержатся в растительных маслах. Незаменимым компонентом углеводной пищи являются 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 употреблять 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 химических элементов, например, при нехватке в пище J возникает зоб, F – кариес зубов.

5. Переваривание пищи

Переваривание идет в 3-х отделах пищеварительного тракта: в ротовой полости, в желудке и в тонком кишечнике. Сюда выделяются секреты экзокринных пищеварительных желез, содержащие соответствующие 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 кишечного эпителия и одновременно сочетается с транспортом продук-

тов гидролиза внутрь клетки.

95

96

6.Нарушения структуры питания 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, Fе.

6.Дефицит микроэлементов –I, F, селена.

7.Выраженный дефицит пищевых волокон.

Последствия нарушений структуры питания для здоровья

1.Прогрессирующее увеличение в последние годы числа взрослых 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 неблагоприятным факторам окружающей среды.

4.Увеличение частоты алиментарно-зависимых заболеваний:

–железодефицитные анемии;

–эндемический зоб (дефицит йода);

–заболевания опорно-двигательного аппарата (дефицит Са).

У французов есть пословица, что человек роет себе могилу соб-

ственными челюстями. Но у них же имеется и другая поговорка прямо противоположного смысла: «Что недоплатишь мяснику, то переплатишь 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 потребляемой пищи, как источника энергии.

Иначе – переедание, избыточный вес и все связанные с этим заболевания: гипертония, диабет, инфаркт и т.п.

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

Наша средняя суточная потребность в витамине В1 составляет всего 1,5-2,0 мг. Но, чтобы получить это, казалось бы ничтожное количество, 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 свидетельствует: наиболее эффективным и экономически доступным способом кардинального улучшения обеспеченности населения витаминами является регулярное включение в рацион специализированных пищевых продуктов, 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 предлагается широкое применение БАД – биологически активных добавок к пище и нутрицевтиков.

БАД – биологически активные добавки – это концентраты натуральных или идентичных натуральным биологически активных веществ, предназначенные для непосредственного приема или введения в

состав пищевых продуктов.

Нутрицевтики – природные компоненты пищи, такие как витамины или их близкие предшественники (Например, β каротины), полиненасыщенные 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 п и- щевых веществах больного человека.

–Повысить неспецифическую резистентность организма к воздействию неблагоприятных факторов внешней среды.

98

–Ускорить и усилить связывание и выведение ксенобиотиков из организма.

–Направленно изменить обмен токсических веществ.

–Профилактика ожирения, атеросклероза, рака, иммунодефицита.

Примеры нутрицевтиков и БАД:

1.Дополнительные источники белка и аминокислот (лиз) – готовые 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 ω3: линоленовая, эйкозопентаеновая, докозагексаеновая кислоты.

3. Дополнительные источники витаминов.

ПНЖК необходимы для структурно-функциональной организации мембран, для синтеза эйкозаноидов. Такие природные источники ПНЖК ω3 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 усиливают активность антиоксидантных систем организма, нормализуют процесс транспорта липидов, репарацию мембран, активируют иммунокомпетентные клетки и усиливают процесс всасывания жира в кишечнике.

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

99

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 желудке незначительно (за исключением этанола). Более 90% продуктов переваривания всасывается в тонком кишечнике. Большая часть воды всасывается в толстом кишечнике. Механизм трансмембранного транспорта веществ в кишечнике зависит от растворимости их и градиента концентрации. Водонерастворимые продукты переваривания жиров переносятся через клеточные мембраны эпителия кишечника в составе мицелл. Мицеллы образуются желчными кислотами. Существует два

100