Питательные вещества как источники энергии и пластического материала для организма. Общая схема катаболизма питательных веществ. Общие и специфические пути катаболизма.

Источником свободной энергии в организмах гетеротрофов является распад питательных веществ, иначе говоря, катаболические процессы, протекающие в клетках и тканях. Катаболизм включает сотни химических реакций, десятки метаболических путей. В то же время в организации катаболических процессов прослеживается определенная логика.

Весь катаболизм питательных веществ в организме можно разделить на три этапа или, как принято называть, три фазы. В первой фазе происходит расщепление полимерных молекул на мономеры: белки расщепляются до аминокислот, олиго и полисахариды на моносахариды и их производные, липиды на высшие жирные кислоты, глицерол, аминоспирты и др. Следует заметить, что речь идет не только о расщеплении компонентов пищи в желудочнокишечном тракте, но и распаде биополимеров непосредственно в клетках. В этой фазе нет окислительных процессов, преобладают гидролиз и фосфоролиз. Выделение энергии не превышает 12% от её общего содержания в питательных веществах, причем вся энергия рассеивается в виде теплоты.Однако в этой фазе происходит одно важное событие резкое уменьшение числа соединений, которые поступают затем во вторую фазу катаболизма. Так, с разнообразными пищевыми продуктами продуктами в желудочнокишечный тракт поступают миллионы различных белков и все они расщепляются до 2025 мономероваминокислот, а несколько сотен различных липидов при расщеплении дают полтора десятка различных высших жирных кислот и спиртов; несколько сотен различных олигосахаридов и полисахаридов при распаде дают, в свою очередь, полтора десятка моносахаридов и их производных. Таким образом, вместо миллионов различных соединений, вступающих в первую фазу, на выходе из нее образуется около 50 соединений.

Во второй фазе эти пять десятков соединений подвергаются дальнейшему расщеплению, так что на выходе из этой фазы остается всего пять соединений: ацетилКоА, сукцинилКоА, фумарат, оксало ацетат и 2оксоглутарат. Таким образом, продолжающееся во второй фазе расщепление питательных веществ сопровождается еще большей унификацией промежуточных продуктов. Катаболические процессы, идущие во второй фазе, носят смешанный характер, т.к. в ней идут и фосфоролиз, и лиазное расщепление, и тиолиз и окислительные реакции. Во второй фазе выделяется до 1/3 всей заключенной в питательных веществах энергии, причем часть ее аккумулируется. В этой фазе катаболизма образуются все азотсодержащие конечные продукты катаболизма, а также часть СО2 и Н2О.Логика такой организации катаболических процессов заключается в том, что по мере углубления распада питательных веществ количество промежуточных продуктов метаболизма уменьшается. Такой принцип построения катаболических процессов получил название принцип конвергенции.

Метаболические пути первой и второй фазы катаболизма обычно индивидуальны для отдельных соединений или групп родственных по структуре веществ одного класса. Поэтому метаболические пути первой и второй фазы катаболизма получили название специфических путей катаболизма. В то же время метаболические процессы третьей фазы катаболизма одинаковы вне зависимости от того, какое соединение расщепляется. В связи с этим метаболические пути третьей фазы получили название общих путей катаболизма.

Наличие общих метаболических путей в третьей фазе катаболизма, в которой выделяется 2/3 всей свободной энергии, повышает адаптационные возможности живых организмов, т.к. позволяет сравнительно легко переключаться с одного типа питательных веществ на другой. Наличие общих метаболических путей в третьей фазе позволяет также уменьшить количество различных ферментов, необходимых клеткам и тканям для переработки разных питательных веществ. Все это помогает организмам в борьбе за выживание и является результатом длительной эволюции живых организмов.пути третьей фазы катаболизма: цикл трикарбоновых кислот Кребса и цепь дыхательных ферментов.

Незаменимые компоненты пищи. Суточная потребность в основных компонентах пищи: белках жирах, углеводах, воде и микроэлементах. Основные конечные продукты обмена, выделяемые из организма, их суточное количество.

Полноценное питание должно содержать:

1. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ (УГЛЕВОДЫ, ЖИРЫ, БЕЛКИ).

2. НЕЗАМЕНИМЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ.

3. НЕЗАМЕНИМЫЕ ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ.

4. ВИТАМИНЫ.

5. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ (МИНЕРАЛЬНЫЕ) КИСЛОТЫ.

6. КЛЕТЧАТКУ

7. Н₂О

Углеводы, жиры и белки являются макропитательными веществами. Их потребление зависит от роста, возраста и пола человека и определяется в граммах.

Углеводы составляют основной источник энергии в питании человека. За счет углеводов образуется основная часть энергии в организме человека.

Жиры - это один из основных источников энергии. Перевариваются в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) гораздо медленнее, чем углеводы, поэтому лучше способствуют возникновению чувства сытости. Триглицериды растительного происхождения являются не только источником энергии, но и незаменимымых жирных кислот: линолевой и линоленовой.

Белки - энергетическая функция не является для них основной. Белки - это исочники незаменимых и заменимых аминокислот, а также предшественники биологически активных веществ в организме. Однако при окислении аминокислот образуется энергия. Хотя она и невелика, но составляет некоторую часть энергетического рациона.

Для врослого человека при средней утомляемости требуется суточный рацион в 300 ккал. С увеличением энергозатрат возрастает и потребность в пищевых продуктах. Соостношение белков, жиров и углеводов должно быть 1:1:4. Белки обеспечивают15% суточной энергетической потребности, жиры 30% и углеводы 55%, причем белки животного происхождения долны составлять не менее половины от все белков.

75% всего количества жира должно приходиться на животные жиры и 20-25% на растительные масла.

23. Взаимосвязь обмена веществ и обмена энергии. Экзэргонические и эндэргонические реакции. Макроэргические соединения, их классификация и биологическая роль. Основные пути образования АТФ в клетке и пути ее использования.

Химические реакции, протекающие в клетках, могут иметь различные значения ∆Go: положительные или отрицательные. Большинство катаболических реакций имеет отрицательные значения ∆Gо, т.е. являются экзэргоническими и могут идти самопроизвольно. В то же время реакции клеточного анаболизма часто являются эндэргоническими и самопроизвольно идти не могут для их осуществления необходима энергия, поступающая извне. Необходимо использовать свободную энергию, выделяющуюся в экзэргонических реакциях катаболизма. Это использование свободной энергии экзэргонических реакция для осуществления эндэргонических реакций есть энергетическое сопряжение реакций.

Единственным условием эффективности энергетического сопряжения:суммарное изменение ∆G в двух сопряженных реакциях должно быть отрицательным. живые объекты эффективно используют энергию, заключенную в химических связях тех или иных соединений. Именно в виде химической энергии и передается энергия в системе сопряженных химических реакций.Соединения, выступающие в качестве переносчиков энергии, содержат в одной из своих связей большой запас химической энергии, которая высвобождается при их разрыве. Эти соединения называют «макроэргическими соединениями» или «макроэргами», а химические связи, при разрыве которых выделяется большое количество свободной энергии, получили название «макроэргических связей». Химическая связь в том или ином соединении считается макроэргической, если при её разрыве выделяется не менее 5 ккал (20 кДж) в расчете на 1 моль связи. Свободная энергия, выделяющаяся в ходе катаболической экзэргонической реакции первоначально накапливается (аккумулируется) в виде энергии макроэргической связи соединения переносчика энергии, а затем эта аккумулированная энергия высвобождается при разрыве макроэргической связи и используется в ходе анаболической эндэргонической реакции.

4 класса макроэргов:

1. Полифосфаты нуклеотидов (АТФ, ЦТФ, УТФ и др.) Макроэргическими связями в их составе являются фосфоангидридные пирофосфатные связи:

2. Ацилфосфата или карбонилфосфаты (ацетилфосфат, 1,3ди фосфоглицерат). Макроэргической связью является ангидридная связь между карбоксильной группой кислотного остатка и остатком фосфорной кислоты:

3. Тиоэфиры (ацетилКоА, сукцинилКоА). Макроэргической связью является ангидридная связь между карбоксильной группой кислоты и HSгруппой тиоспирта, входящего в состав КоА):

4. Гуанидинфосфаты (креатинфосфат, аргининфосфат). Макроэргической связью является ангидридная связь между гуанидиновой группой и остатком фосфорной кислоты

Несмотря на высокие значения ∆Go для процессов разрыва макроэргических связей богатые энергией соединения представляют собой достаточно стабильные в условиях живых систем вещества. Кроме того, это низкомолекулярные соединения, поэтому они могут сравнительно легко перемещаться в клетке. Совокупность их свойств: способность аккумулировать энергию и способность диффундировать в клетке и позволяет им выполнять функцию переносчиков энергии.

Центральное место в системе клеточных макроэргов принадлежит АТФ, поскольку она, во-первых, выступает первичным аккумулятором большей части энергии, выделяющейся при распаде питательных веществ; во-вторых, АТФ выступает в качестве источника свободной энергии для большинства внутриклеточных эндэргонических реакций и процессов, тогда как остальные макроэрги принимают участие в узком круге реакций; в третьих, большинство других макроэргов или сами образуются за счет энергии АТФ (креатинфосфат, ЦТФ и др.) или сами служат промежуточными продуктами при синтезе АТФ. Выделяющаяся в ходе окислительных процессов свободная энергия должна быть аккумулирована в виде энергии макроэргических связей АТФ или родственных ей соединений, поскольку в противном случае она превратиться в теплоту и будет рассеяна в окружающей среде. Синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата с использованием энергии, выделяющейся в ходе окислительных процессов, получил название «окислительное фосфорилирование».Принято выделять два варианта окислительного фосфорилирования: субстратное окислительное фосфорилирование и окислительное фосфорилирование в цепи дыхательных ферментов. Механизмы этих процессов существенно отличаются друг от друга. Принято считать, что за счет окислительного фосфорилирования в цепи дыхательных ферментов в клетке образуется до 90% необходимой ей АТФ и лишь около 10% АТФ синтезируется в ходе субстратного окислительного фосфорилирования

Биологическое окисление как главный путь расщепления питательных веществ в организме, его функции в клетке. Способы окисления веществ в биологических системах. Ферменты, катализирующие окислительные реакции в организме.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ - это совокупность окислительных процессов в живом организме, протекающих с обязательным участием кислорода. Синоним - ТКАНЕВОЕ ДЫХАНИЕ. Окисление одного вещества невозможно без восстановления другого вещества. Окислительно-восстановительных процессов в живой природе очень много. Часть окислительно-восстановительных процессов, протекающих с участием кислорода, относится к биологическому окислению.

Важнейшей функцией биологического окисления, безусловно, является высвобождение энергии, заключенной в химических связях питательных веществ. Выделяющееся энергия используется для осуществления энергозависимых процессов, протекающих в клетках, а также для поержания температуры тела.

Второй функцией биоокисления является пластическая: в ходе расщепления питательных веществ образуются низкомолекулярные промежуточные продукты, используемые в дальнейшем для биосинтезов. Например, при окислительном распаде глюкозы образуется ацетилКоА, который далее может пойти на синтез холестерола или высших жирных кислот.

Третьей функцией биоокисления является генерация восстановительных потенциалов, которые в дальнейшем используются в восстановительных биосинтезах. Главным источником восстановительных потенциалов в биосинтетических реакциях клеточного метаболизма является НАДФН+Н+, образующийся из НАДФ+ за счет атомов водорода, переносимых на него в ходе некоторых реакций дегидрирования.

Четвертая функция биоокисления участие в процессах детоксикации,т.е. обезвреживания ядовитых соединений или поступающих из внешней среды, или образующихся в организме.

Различные соединения в клетках могут окисляться тремя способами:

1. путем дегидрирования. Принято различать два вида дегидрирования: аэробное и анаэробное. если первичным акцептором отщепляемых атомов водорода служит кислород, дегидрирование является аэробным; если же первичным акцептором отщепляемых атомов водорода служит какоелибо другое соединение, дегидрирование является анаэробным. Примерами таких соединений акцепторов водорода могут служить НАД, НАДФ, ФМН, ФАД, окисленный глутатион (ГSSГ), дегидроаскорбиновая кислота и др.

2. Путем присоединения к молекулам окисляемого вещества кислорода, т.е. путем оксигенирования.

3. Путем отдачи электронов.

Все живые организмы принято делить на организмы аэробные и организмы анаэробные. Аэробные организмы нуждаются в кислороде, который,вопервых, используется в реакциях оксигенирования, вовторых, служит конечным акцептором атомов водорода, отщепленных от окисляемого субстрата. Причем, около 95% всего поглощаемого кислорода служит конечным акцептором атомов водорода, отщепленных в ходе окисления от различных субстратов, и лишь 5% поглощаемого кислорода участвует в реакциях оксигенации.

Все ферменты, участвующие в катализе окислительновосстановительных реакции в организме относятся к классу ОКСИДОРЕДУКТАЗ. В свою очередь, все ферменты этого класса могут быть разделены на 4 группы:

1. Ферменты, катализирующие реакции дегидрирования или дегидрогеназы. В зависимости от характера акцептора отщепляемых от окисляемого субстрата (SH2) атомов водорода различают:

а). Аэробные дегидрогеназы или оксидазы

б). Анаэробные дегидрогеназы с типовой реакцией:

2. Ферменты, катализирующие реакции оксигенирования или оксигеназы.

а). Монооксигеназы

б). Диоксигеназы

3. Ферменты, катализирующие отщепление электронов от окисляемых субстратов. называются цитохромы.

4. К оксидоредуктазам относится также группа вспомогательных ферментов, таких как каталаза или пероксидаза. Они играют защитную роль в клетке, разрушая перекись водорода или органические гидроперекиси, образующиеся в ходе окислительных процессов и представляющие собой достаточно агрессивные соединения, способные повреждать клеточные структуры.