Тема 9 - Введение в обмен веществ

Обмен веществ и энергии между организмом и внешней средой составляет главную сущность жизнедеятельности биологической системы. В процессе обменных реакций организм усваивает питательные вещества, подвергает их химической переработке и использует для энергетических и пластических целей.

Живая материя поддерживает собственное существование путем постоянного и непрерывно протекающего процесса поглощения химических соединений из внешней среды, преобразования их в структурные элементы тела или более простые соединения и, наконец, выведения во внешнее пространство продуктов распада, как собственного тела, так и преобразованных в процессе жизнедеятельности организма.

Различие заключается в том, что при этом неживая система любого типа не воспроизводится, а только видоизменяется.

Вся совокупность химических реакций, протекающих в живых организмах, включая усвоение веществ, поступающих извне (ассимиляция, анаболизм) и их расщепление (диссимиляция, катаболизм) вплоть до образования конечных продуктов, подлежащих выделению, составляет сущность и содержание обмена веществ.

Основные конечные продукты диссимиляции во всех организмах - вода, углекислый газ и аммиак. У животных основная часть этих конечных продуктов по мере накопления выделяется наружу, и только незначительная часть используется для различных биосинтетических процессов. В растительных организмах, наоборот, СО₂ и Н₂О используются для биосинтеза органических веществ, являясь исходным материалом для ассимиляции.

Обмен веществ включает поступление питательных продуктов в организм, процессы их распада и синтеза, выведение продуктов метаболизма. Катаболизм пищевых продуктов включает:

Первый этап – пищеварение, т.е. процесс механической и химической обработки составных частей корма и пищи в пищеварительных органах животного и человека. Пищеварение - это процесс распада белков, углеводов и липидов, под воздействием гидролитических ферментов, на простые вещества – аминокислоты, моносахариды, и глицерин и высшие жирные кислоты (ВЖК).

Второй этап — промежуточный обмен, который протекает в клетках организма, и поэтому, также называется (внутриклеточный обмен). Это процессы дальнейшего окислительного распада (в присутствии кислорода) аминокислот, моносахаридов, глицерина и ВЖК, в результате которых образуется ключевой продукт – ацетил-

кофермент А- О

СН₃– С ∕∕

\ S-КоА.

Специфические пути катаболизма – это процессы распада белков, углеводов и липидов до образования ключевого продукта катаболизма – ацетил-кофермента-А.

Далее следуют общие пути катаболизма - цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) и процесс биологического окисления - окислительный распад ацетил-кофермента – А до углекислого газа и воды. Биологическое окисление - ряд окислительно-восстановительных реакций, в результате которых осуществляется передача водорода, выделившегося в результате ЦТК к кислороду, с образованием молекул воды. За счет энергии, выделяющейся в процессе окислительно-восстановительных реакций, осуществляется синтез АТФ.

В процессах обмена веществ важную роль играет вода, одной из главных функций которой является растворение питательных веществ и метаболитов в организме. Структура клеточных компонентов, жизнедеятельность всех живых организмов определяются уникальными физико-химическими свойствами воды. Молекула воды имеет полярную структуру в виде диполя, поэтому в присутствии других положительно и отрицательно заряженных ионов, ориентируется соответствующими концами вокруг них, образуя гидратную оболочку. Вода гидратной оболочки называется связанной (иммобилизованной) водой, в отличие от воды, служащей растворителем, которая называется свободной водой. Исследования, проведенные с помощью ядерного магнитного резонанса, показали, что в тканях значительная часть воды находится в связанном виде со структурными компонентами клеток – белками, углеводами, липидами и придает клеткам особые биологические свойства, ее количество не меняется в зависимости от условий жизни, но с возрастом уменьшается ее содержание. Поэтому вода также выполняет структурную функцию, кроме того, терморегулирующую, благодаря большой теплоте испарения, высокой температуре кипения. Вода как субстрат участвует в ферментативных

реакциях катаболизма, и анаболизма, с водой связаны явления осмоса и диализа, благодаря которым создается определенное осмотическое давление и клетки имеют соответствующую форму (тургор). Вода начинает всасываться в желудке, основная масса всасывается в тонком кишечнике, а около одной десятой части – в толстом кишечнике. Основным депо воды является кожа. Выведение воды из организма осуществляется через почки. Потребность в воде регулируется чувством жажды, которая возникает при изменении осмотического давления плазмы крови и возбуждается корой головного мозга. Примерно 1/6 часть потребности в воде удовлетворяется за счет ее образования в результате органических веществ в тканях. Окисление 100 г жира дает 107 г воды, 100 г. углеводов – 55 г воды, 100 г белков – 42 г воды. Обмен воды тесно связан с минеральным обменом. Минеральные вещества также всасываются в кишечнике. Ионы натрия и хлора способствуют задержке воды в организме, ионы кальция и калия стимулируют удаление воды из организма. Поступление питательных веществ в клетку и выведение продуктов метаболизма осуществляются через клеточные мембраны. Различают пассивный и активный транспорт веществ. Пассивный транспорт называют диффузией. Диффузию растворенного вещества через полупроницаемую мембрану называют диализ, диффузию воды или другого растворителя называют осмос. Активным транспортом называют перенос растворенного вещества через мембрану клетки из области с более низкой концентрации в область с высокой концентрацией, т.е. вещество переносится против градиента концентрации.

Задание: Составить таблицу биологической роли минеральных веществ. Роль воды в организме.

Тема 10 – Метаболизм углеводов

Обмен углеводов включает целый ряд последовательно протекающих процессов.

Вместе с пищей в организм животного и человека поступает большое количество углеводов. В ежесуточном пищевом рационе взрослого человека содержится 350-450 г углеводов, что составляет на 1 кг веса тела его 5-7 г. Энергетические потребности организма человека на 60% покрываются энергией поступающих в него углеводов. Сложные углеводы подвергаются в пищеварительном тракте гидролитическому расщеплению, перевариванию в результате которого, возникают простые углеводы, моносахариды, всасывающиеся в кишечнике.

В переваривании сложных углеводов участвует ряд ферментов – гликозидазы: амилаза, мальтаза, сахараза и лактаза, целлюлаза.

Конечными продуктами переваривания углеводов являются пентозы и гексозы, которые, в конечном счете, превращаются в глюкозу.

Промежуточный (внутриклеточный) обмен углеводов включает процессы окислительного распада глюкозы, который включает три процесса – аэробный (непрямой) гликолиз, анаэробный гликолиз, и пентоное окисление глюкозы. Аэробный гликолиз состоит из трех этапов. Первый этап – гликолиз глюкозы до ПВК – пировиноградной кислоты:

Глюкоза+АТФ → глюкоза-6-фосфат → фруктоза-6-фосфат→ фруктозо- 1,6 дифосфат → ФГА ← ФДА→1,3 дифосфоглицериновая кислота→ 3 фосфоглицериновая кислота→ 2 фосфоглицериновая кислота→фосфоенолпировиноградная кислота→ пировиноградная кислота.

Второй этап- окислительное декарбоксилирование ПВК до ацетил –кофермента А.

CH₃ О

| пируватдегидрогеназа //

C=O ТПФ (В₁) С ~ КоА + СО₂+Н₂О + 3 АТФ

| НАД (В₅) НАД*Н₂ Ацетил-КоА

COOH ФАД (В₂) ФАД*Н₂

ПВК HSKoA (B₃) ½ O₂

3 этап – Цикл трикарбоновых кислот.

В цикле Кребса (ЦТК) из 1 молекулы ацетил-кофермента А образуется 12 молекул АТФ (всего –из двух молекул глюкозы -24 мол.АТФ):

а) изоцитрат- оксалоацетат- 3 АТФ

б) кетоглутарат- сукцинил-КоА- 3 АТФ

в) сукцинил-КоА- сукцинат- 1 АТФ

г) сукцинат- фумарат- 2 АТФ

д) малат – оксалоацетат- 3 АТФ

Всего при оксилительном распаде глюкозы синтезируется 38 молекул АТФ, из них 24 – в ЦТК.

2. Анаэробный гликолиз – до образования пировиноградной кислоты (ПВК) протекает аналогично аэробному, ПВК восстанавливается в молочную кислоту. 80% молочной кислоты поступает в печень, где превращается в глюкозу из которой синтезируется гликоген, 20% при переходе в н.у. (аэробные) включается в аэробный гликолиз.

Третий путь – пентозный цикл. В пентозном цикле образуется 36 молекул АТФ:

6 глюкоза-6-фосфат + 12 НАДФ + Н₂О 6 СО₂ + 12 НАДФ*2Н + 6 рибулоза-5 фосфат 5 глюкоза-6-фосфат

12 НАДФ*2Н = 36 молекула АТФ

гексокиназа

3 путь: глюкоза + АТФ глюкоза -6-фосфат

3-кето-6-фосфоглюконат рибулоза-5-фосфат рибоза-5-фосфат

Процессы биосинтеза липидов: гликогенез:

Глюкоза+ АТФ гексокиназа глюкозо-6-фосфат + АДФ

Глюкоза-6фосфат фосфоглюкомутаза глюкозо -1-фосфат

Глюкозо-1-фосфат + УТФ уридил-трансфераза УДФ-глюкоза

(С₆ Н₁₀О₅)_n + УДФ = глюкоза (С₆ Н₁₀О₅)_n+1+ УДФ

Регуляция углеводного обмена: уровень глюкозы в крови снижает гормон инсулин, повышают – антагонисты инсулина: адреналин, норадреналин, глюкагон, глкюкортикоиды.

Избыточное содержание глюкозы в крови называют гипергликемия, пониженное содержание – гипогликемия.

Глюконеогенез – синтез глюкозы из неуглеводных компонентов.

ПВК

↓

+Н₂О

+ АТФ

- АДФ

- 2Фн

-

+ Н₂О

- Н₃РО₄

+ Н₂О

- Н₃РО₄

Задание для СРС. Написать химические реакции аэробного гликолиза глюкозы, цикла трикарбоновых кислот.

Заполнить таблицу:

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: