Рр. Биоенергетика-1. Обмен веществ и энергии
 Скачать 1.61 Mb.
|
|
Методы изучения обмена веществ Для изучения обменных процессов в организме используются разнообразные методические подходы на разных уровнях организации живого: целостного организма, изолированных органов, тканевых cpезов, гомогенатов, экстрактов, субклеточных структур, биожидкостей и др. При этом используются современные физико-химические и биохимические методы выделения, разделения, идентификации и количественного определения веществ: 1) балансовые – на целостном организме определяются общие количественные сдвиги веществ по их поглощению и выделению конечных продуктов обмена (расчет баланса прихода-расхода); 2) манометрические – для изучения общих обменных процессов в специальных аппаратах; 3) хроматографические – для выявления наличия и определения количественных сдвигов тех или иных молекул; 4) авторадиографические – с использованием меченых атомов для выявления на целостном организме распределения, биосинтеза и распада тех или иных веществ в органах и тканях; 5) гистохимические – для установления наличия тех или иных молекул в клетках разных органов и тканей; 6) спектрофотометрические – для определения количественных сдвигов по спектру поглощения; 7) электрофорез – для разделения, идентификации и количественных определений веществ; 8) ферментативные методы – по специфичности действия ферментов и др. Балансовые методы. Определение содержания введенного в организм вещества и продуктов его распада, выведенных из организма (с мочой, калом, потом и выдыхаемым воздухом), дает основание для расчета баланса, т.е. разницы между приходом и расходом данного вещества. На основании определения баланса можно сделать важное заключение о потребностях организма в том или ином веществе. Так, например, для изучения состояния обмена белков большое значение имеет определение азотистого баланса – разницы между количеством азота, поступившего в организм с пищей, и количеством азота, выведенного из организма в виде конечных азотистых продуктов обмена. Азотистый баланс может быть положительным, равным нулю (равновесие) или отрицательным. При положительном азотистом балансе происходит задержка азота в организме. Это показывает, что происходит накопление белка в тех или других органах и тканях. В норме положительный баланс имеет место в молодом растущем организме или у женщин во время беременности. Азотистое равновесие наблюдается, если взрослый человек с пищей потребляет достаточное количество белка. Если же азота выводится из организма больше, чем его было введено, то имеет место отрицательный баланс. Это свидетельствует о том, что в организме происходит распад белков органов и тканей, который не компенсируется белками пищи. Отрицательный азотистый баланс наблюдается при различных заболеваниях, связанных с усиленным распадом белков тканей, при голодании, в глубоком старческом возрасте. Определение азотистого баланса важно при установлении нормы белков в питании. Манометрические методы. Для изучения обмена веществ в различных тканях и мелких организмах, микроорганизмах и пр. пользуются аппаратом, предложенным немецким ученым Варбургом. Принцип метода заключается в том, что срезы тканей или другие объекты помещают в особые сосудики, соединенные с манометрами, при помощи которых можно измерить поглощение или выделение газа по изменению давления в системе с постоянной температурой и постоянным объемом. Промежуточный обмен в организме и методы его изучения. Определив химическую природу веществ, выделяющихся из организма в виде конечных продуктов (CO2, H2O, мочевина и т.п.), далее необходимо выяснить пути, а также биохимические превращения исходных веществ, в результате которых образовались эти конечные соединения. При изучении обмена веществ необходимо знать не только начальные (исходные) и конечные, но и промежуточные продукты превращений, а также участие определенных органов в их превращении. Промежуточным обменом называют обмен отдельных веществ, включая образование промежуточных соединений, который совершается в органах и тканях организма. Промежуточный обмен отражает последовательность биохимических превращений веществ внутри организма, их материальный и энергетический баланс, локализацию этих превращений в определенных органах и тканях, взаимосвязь отдельных органов в едином процессе обмена веществ целостного организма и его колебания в зависимости от ряда условий. Для выяснения путей обмена того или иного вещества в целом организме или в отдельных органах существуют самые разнообразные методы, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому для всестороннего изучения той или иной стороны промежуточного обмена желательно применять несколько методов. При этом недостатки одного метода компенсируются соответствующими преимуществами другого. Изотопный метод или метод меченых атомов. Принцип метода заключается в том, что синтезируются вещества, в молекулы которых вводятся атомы радиоактивных или тяжелых изотопов, обычно не встречающихся или встречающихся в ничтожных количествах в природных соединениях. Обычно используют или стабильные изотопы элементов, отличающиеся по массе от обычных элементов, или радиоактивные изотопы. В соответствии с этим применяют и различные методы их обнаружения либо по массе, применяя, например, масс-спектрометр, либо по радиоактивности, измеряя радиацию при помощи специальных счетчиков. Из стабильных изотопов в биохимических исследованиях применяют: водород с массой 2 (Д, дейтерий H2), азот с массой 15 (N15) и углерод с массой 13 (C13). Из радиоактивных изотопов нашли применение изотопы углерода (C14), фосфора (P32), серы (S35), йода (I131), железа (Fe59), натрия (Na24), кальция (Ca45), водорода (тритий-H3). Особенно важным для этого метода является то обстоятельство, что живые организмы относятся одинаково к обмену меченых и немеченых веществ, что и обусловило возможность их применения. Пометив при помощи изотопов молекулу исследуемого вещества и введя его в организм, находят затем изотопные атомы в определенных соединениях и делают заключение о путях превращения меченого вещества в организме. С помощью метода изотопной индикации можно изучать самые различные процессы, например, пути всасывания, распределения, перемещения и превращения тех или иных веществ, в том числе и лекарственных. Этот метод обладает необычайно высокой чувствительностью. Так, при помощи весовых и объемно-аналитических методов можно доказать присутствие вещества в концентрации 10-6г, а посредством весьма чувствительных спектроскопических исследований – порядка 10-10 г, измерения радиоактивного излучения дают возможность определить 10-18 г вещества. Метод ангиостомии предложен русским ученым Е.С. Лондоном и позволяет изучать обмен веществ на целостном организме путем изучения химического состава крови, притекающей к органу и оттекающей от него. Сущность этого метода заключается в том, что в стенки определенных кровеносных сосудов, выведенных наружу, вживляют серебряные или платиновые трубочки (канюли), а затем берут кровь у животного для исследования. Этот метод позволяет изучать изменение химического состава крови, притекающей к органу и оттекающей от него. Метод изолированных органов разработан был в лаборатории русского ученого И.П. Павлова. При помощи этого метода удавалось установить, какие биохимические процессы происходят в определенных органах. Недостатком этого метода являлось то, что он давал возможность изучать обмен веществ в органе, изолированном от целого организма, и, следовательно, отключенном от влияния центральной нервной и эндокринной систем. Метод срезов, экстрактов и гомогенатовиз тканей широко применяется в биохимических лабораториях для изучения процессов обмена веществ в тех или иных тканях, но он также несовершенен, так как исключено влияние центральной нервной системы. Получают водные, солевые и другие экстракты (вытяжки), а также тонкие срезы из тканей при помощи микротома или бритвы. Затем наблюдают, какие вещества получаются из данного соединения после прибавления его к срезам, экстрактам или кашицам из тканей. Если прибавленное вещество подвергается тем или другим превращениям, то можно выяснить участие в этих реакциях различных ферментов. Огромное значение в изучении процессов обмена веществ на гомогенатах и экстрактах из органов и тканей имела разработка всевозможных методов фракционирования этих материалов. Для этого широко используются методы хроматографии, электрофореза, дифференциального центрифугирования и др. С помощью ультрацентрифугирования можно изучать процессы обмена веществ в различных органеллах клетки (ядре, рибосомах, митохондриях, лизосомах и др.). Гистохимический метод. Этот метод в биохимии используется для обнаружения на срезах из тканей мест распределения тех или иных соединений при помощи специфических химических реагентов. Так, для определения наличия нуклеиновых кислот применяют реактив фуксинсернистой кислоты, наличия крахмала – реакцию с йодом, липидов – суданом и т.д. Конечные продукты обмена. Последний этап обмена веществ в организме связан с образованием конечных продуктов обмена и выведением их из организма во внешнюю среду. Конечные продукты выводятся из организма через различные органы, в том числе и через органы, специально приспособленные для этого. Для человека и большинства животных важнейшими органами выделения являются почки, кишечник, легкие и кожа. Биохимический анализ продуктов выделения составляет основу лабораторного анализа в клинике и оказывает огромную помощь врачу при диагностике и лечении различных заболеваний (см. Клиническая биохимия). Зачетные вопросы по теме Дайте определение обмена веществ и энергии. Охарактеризуйте катаболические, анаболические, амфиболические пути обмена веществ, их значение и взаимосвязь. Охарактеризуйте деление живых организмов по типу питания и источникам энергии. Понятие о свободной и полезной энергии. Перечислите основные макроэргические соединения, образуемые в организме. Фазы освобождения энергии из питательных веществ и их энергетическая ценность. «Универсализация» пищи в организме и ее биологическое значение. Структурная организация митохондрий и их роль в энергетическом обмене клеток. Понятие о биологическом окислении (тканевом дыхании) и локализация ферментов, обеспечивающих его. Характеристика ферментов дыхательной цепи. Участие ферментов дыхательной цепи в окислительно-восстановительных реакциях. Схема тканевого дыхания, его биологический смысл и энергетическая ценность. Механизм сопряжения дыхания и фосфорилирования в митохондриях. Схема образования протонного потенциала в ходе дыхания и его роль в процессе фосфорилирования. Хемиосмотическая теория Митчелла. Структура и локализация Н+-АТФ-синтетазы и ее роль в процессе фосфо- рилирования. Характеристика пунктов сопряжения тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Роль транслоказы фосфата и АДФ-АТФ-транслоказы. Работа Н+-АТФ-синтетазы как Н+-АТФазы. Пути синтеза АТФ в клетке (субстратное и окислительное фосфорилирование). Методы изучения обмена веществ. Полная и короткая дыхательная пець, их энергетическая ценность. Свободное нефосфорилирующее окисление. Свободнорадикальное окисление и его регуляторы. Вещества, влияющие на энергетический обмен в клетках. Лекарственные препараты как регуляторы энергетического обмена. Тестовые задания для самопроверки усвоения темы Заключительным ферментом дыхательной цепи выступает: 1 – цитохром b 2 –цитохром а·а3 3 – цитохром с 4 – цитохром с1 В состав дегидрогеназ, участвующих в тканевом дыхании, в качестве коферментов входят производные витаминов: 1 – В5 2 – В1 3 – В2 4 – В3 Энергетическая ценность какой фазы освобождения энергии из питательных веществ максимальна? 1 – энтерального обмена 2 – внутриклеточного обмена (цитоплазма) 3 – тканевого дыхания (митохондрии) 4 В тканевом дыхании в большинстве случаев первичным акцептором водо- рода является: 1 – флавинзависимая дегидрогеназа (ФМН) 2 – убихинон (кофермент Q) 3 – пиридинзависимая дегидрогеназа (НАД+) 4 – цитохромоксидаза 5 Энергетическая ценность короткой дыхательной цепи составляет: 1 – 3 молекулы АТФ 2 – 4 молекулы АТФ 3 – 2 молекулы АТФ 4 – 5 молекул АТФ 6 В результате нефосфорилирующего окисления в митохондриях образуется: 1 – 3 молекулы АТФ 2 – не образуется АТФ 3 – энергия выделяется в виде тепловой 4 – 2 молекулы АТФ 7. Какой из перечисленных витаминов обладает выраженным антиоксидантным действием. 1 – вит А (ретинол) 2 – вит. В6 9пиридоксин) 3 – вит. Е (токоферол) 4 – вит В2 (рибофлавин) |