Ответы БХ. Предмет, разделы и задачи биологической химии. Вклад русских и зарубежных учёных в развитие биологической химии
 Скачать 329.13 Kb.
|
Часть глюкозы поступивший в печень или "мобилизованной" из него путем распада гликогена, направляется затем в большой круг кровообращения и разносится во все ткани организма. Благодаря резервированию избытка глюкозы в виде гликогена, а также при необходимости "мобилизации" её из этого депо уровень сахара содержится в определенных пределах (мг %): у свиней 80-100, лошадей 80-120, крупного рогатого скота 40-60.
Обмен углеводов играет важную роль в жизнедеятельности организма. Катаболизм углеводов, с одной стороны, сопровождается освобождением энергии, которая может накапливаться в макроэргических связях АТФ и использоваться в дальнейшем для синтеза необходимых молекулярных компонентов клетки и совершения различных видов работы, с другой стороны, образующиеся метаболиты служат исходными веществами для образования биологически важных соединений, таких как аминокислоты, липиды, нуклеотиды. Аэробным называется окисление биологических субстратов с выделением энергии, протекающее при использовании кислорода в качестве конечного акцептора водорода в дыхательной цепи. В качестве доноров водорода выступают восстановленные формы коферментов (НАД Н, ФАД Н2 и НАДФ Н), образующиеся в промежуточных реакциях окисления субстратов. Аэробное дихотомическое окисление глюкозы является основным путём катаболизма глюкозы в организме человека и может происходить во всех органах и тканях. В результате этих реакций глюкоза расщепляется до СО2 и Н2О, а выделяющаяся энергия аккумулируется в АТФ. В этом процессе можно условно выделить три стадии:
Теперь можно подвести итог тому, каков энергетический выход при окислении молекулы глюкозы, осуществляемом в максимально отлаженной энергетической системе, функционирующей в эукариотных клетках гликолиз => ЦТК => дыхательная цепь митохондрий. На первом этапе в процессе гликолитического разложения молекулы глюкозы образуются по 2 молекулы пирувата, АТФ и НАД Н2. Конечными продуктами реакции окислительного декарбоксилирования 2 молекул пирувата, катализируемой пируватдегидрогеназным комплексом, являются 2 молекулы ацетил-КоА и НАД Н2. Окисление 2 молекул ацетил-КоА в ЦТК приводит к образованию 6 молекул НАД Н2 и по 2 молекулы ФАД Н2.
Гликолиз – это ферментативный распад глюкозы в аэробных условиях до двух молекул пировиноградной кислоты (аэробный гликолиз), а в анаэробных условиях – до двух молекул молочной кислоты (анаэробный гликолиз). В анаэробных условиях гликолиз протекает в тканях без потребления кислорода и является единственным процессом, поставляющим АТФ, так как окислительное фосфорилирование в этих условиях не функционирует. Первая стадия гликолиза является подготовительной и включает реакции превращения молекулы глюкозы в две молекулы фосфотриоз. Эта стадия сопровождается затратой молекул АТФ. Начальной реакцией превращения глюкозы в клетке является её фосфорилирование в результате взаимодействия с АТФ. В следующей реакции глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат. Продукт реакции изомеризации подвергается повторному фосфорилированию за счёт АТФ. На следующем этапе фруктозо-1,6-дифосфат подвергается расщеплению на две фосфотриозы. Далее происходит изомеризация триозофосфатов. Вторая стадия гликолиза включает реакции превращения двух молекул глицеральдегид-3-фосфата в две молекулы лактата. На этой стадии гликолиза происходит синтез молекул АТФ. Глицеральдегид-3-фосфат подвергается дегидрированию при участии НАД-зависимой дегидрогеназы. 1,3-Дифосфоглицерат вступает в реакцию первого субстратного фосфорилирования. В следующей реакции происходит внутримолекулярное перемещение фосфатной группы 3-фосфоглицерата ко 2-му углеродному атому. Тем самым облегчается последующее отщепление молекулы воды, которое приводит к появлению в продукте реакции макроэргической фосфатной связи. Фосфоенолпируват (ФЕП) вступает в реакцию второго субстратного фосфорилирования, в ходе которого образуется молекула АТФ. При участии НАД-зависимой лактатдегидрогеназы пируват восстанавливается в молочную кислоту. При подсчёте энергетического баланса гликолиза следует учитывать, что каждая из реакций второй стадии этого метаболического пути повторяется дважды. Таким образом, в первой стадии было затрачено 2 молекулы АТФ, а во второй стадии путём субстратного фосфорилирования образовалось 2х2 = 4 молекулы АТФ; следовательно, при окислении одной молекулы глюкозы в клетке накапливается 2 молекулы АТФ. Биологическое значение процесса гликолиза заключается прежде всего в образовании богатых энергией фосфорных соединений. Гликолиз является единственным процессом, который позволяет в анаэробных условиях синтезировать АТФ.
Гликоген - основная форма депонирования глюкозы в клетках животных. Это разветвленный полимер, состоящий из множества молекул глюкозы. Гликоген синтезируется в период пищеварения (абсорбтивный период) 1-2 ч после приема углеводной пищи. Процесс синтеза – гликогенез - интенсивно протекает в печени и в скелетных мышцах. В целом это происходит следующим образом: Во время приема пищи углеводы, к которым в первую очередь относится крахмал, а также дисахариды сахароза, лактоза и мальтоза, под действием фермента слюны амилазы расщепляются на менее крупные чем крахмал молекулы. Далее в тонком кишечнике уже другие ферменты (панкреатическая амилаза, сахараза, мальтаза и лактаза) гидролизируют углеводные остатки до моносахаридов, одним из которых является глюкоза. Затем половина всосавшейся глюкозы поступает в печень, а остальная часть транспортируется в остальные ткани. Поступление глюкозы в клетки во многих органах регулируется инсулином, за исключением печени и мозга где скорость диффузии зависит только от концентрации глюкозы. Часть попадающей с пищей глюкозы не идет на образование АТФ, а откладывается про запас в виде гликогена у животных и в виде крахмала у растений. Гликоген и крахмал — это разветвленные цепочки из молекул глюкозы. Процесс гликогенеза, т.е. образование гликогена из глюкозы представляет собой процесс полимеризации, т.е. происходит последовательное присоединение друг к другу мономеров глюкозы и образование полисахаридной цепи гликогена. Мышечный гликоген является источником глюкозы для самой мышечной клетки, а печеночный поддерживает физиологическую концентрацию глюкозы в крови.
 Цикл Кребса — центральная часть общего пути катаболизма, циклический биохимический процесс, в ходе которого ацетильные остатки (СН3СО–) окисляются до диоксида углерода (CO2). При этом за один цикл образуется 2 молекулы CO2, 3 НАД Н, 1 ФАД H2 и 1 ГТФ (или АТФ). Электроны, находящиеся на НАД Н и ФАД H2, в дальнейшем переносятся на дыхательную цепь, где в ходе реакций окислительного фосфорилирования образуется АТФ. Цикл трикарбоновых кислот — это ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме, промежуточный этап между гликолизом и электронтранспортной цепью. Кроме значительной энергетической роли циклу отводится также и существенная пластическая функция, то есть это важный источник молекул-предшественников, из которых в ходе других биохимических превращений синтезируются такие важные для жизнедеятельности клетки соединения, как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др. В ЦТК образуется 2 молекулы СО2 (в изоцитратдегид рогеназной и α-кетоглутарат дегидрогеназной реакциях) и 3 молекулы НАД Н2 и одна молекула ФАД Н2. Окисление НАД Н2 в дыхательной цепи митохондрий дает по 3 молекулы АТФ на каждую молекулу НАД Н2 и по 2 молекулы АТФ на каждую молекулу ФАД Н2.
В пентозофосфатном пути (ПФП) выделяют 2 части:
Все реакции ПФП происходят в цитозоли клетки. Коферментами дегидрогеназ, участвующих в 1 пути является НАДФ (никотинамиддинуклеотидфосфат), который восстанавливается в ходе реакции в НАДФ Н2 и используется в восстановительных синтезах (синтез ЖКТ, синтез холлистерола) и в реакциях обезвреживания ксенобиотиков в печени (ксенобиотики - чужеродные вещества, которые организмом не используются в качестве энергетического и строительного материала). В окислительном пути образуется СО2, который является резервом щелочности и необходим для реакций карбоксилирования (+СОО-); образуются пентозы, которые необходимы для синтеза нуклеиновых кислот (РНК, ДНК), для синтеза макроэргов (соединений, богатые энергией: АТФ, ГТФ и др.) В ходе неокислительной части - путь взаимопревращения пентоз и возвращение пентоз в фонд гексоз, т.е. в процесс ПФП вступает 6 молекул глюкозы-6-фосфата, а в конце образуется 5 молекул гексоз + энергия. Если клетке требуется энергия, то глюкоза будет окислятся по пути гликолиза, если клетка готовится к делению и ей необходим пластический материал в виде пентоз, то окисление переключится на пентозофосфатный путь.
Минеральные вещества в целом связывают воедино превращение и использование питательных веществ в организме, так как они необходимы для построения клеток, белков, ферментов, гормонов, участвуют физиологических процессах – нервном возбуждении, мышечном сокращении, свертывании крови и др. В организме более 80 элементов, из них 15 жизненно необходимых. Их подразделяют на макро- и микроэлементы. К макроэлементам относят кальций, фосфор, калий, натрий, хлор, серу и магний, к микроэлементам – железо, медь, цинк, йод, марганец, кобальт, молибден, селен и др. Обмен их осуществляется в три фазы: поступление с кормом и водой; освобождение и всасывание в кровь с использованием во всех процессах; выведение отдельно в основном с мочой и калом при поступлении в избытке и в составе различных соединений. Минеральные вещества в организме играют многосторонние и важные функции:
Белки - высокомолекулярные органические полимеры, построенные из аминокислот, связанных между собой пептидной связью. В состав белков входят аминокислоты, связанные пептидной связью - очень прочная связь между -СООН одной кислоты и -NH2 другой. Функции:
Основное свойство - способность их связываться с различными веществами. У каждого белка имеются центры, которые состоят из аминокислот, участвующие в связи с другими веществами (лигандами).
По возможности синтеза в организме: заменимые (синтезируются организме), незаменимые (условно заменимые - для их синтеза необходимо поступление незаменимой аминокислоты (тирозин в организме образуется из фенилаланина (незаменим.)), частично заменимые - образуются в недостаточном количестве и часть должна поступать с пищей (аргенин, дистидин)). Белки не являются незаменимыми пищевыми факторами, они являются источником содержания в них незаменимых аминокислот, необходимых для развития. Питательная ценность белка зависит от аминокислотного состава и способности усваиваться организмом. Если белок содержит все незаменимые аминокислоты в необходимых пропорциях и легко перевариваются, то биологическая ценность белка условно принимается за 100%, и он считается полноценным (белок яйца и молока).
Азотистый баланс - разница между количеством азота, поступающим с пищей, и количеством азота, выводимого из организма. Если количество поступающего и выделяемого азота равны, то это состояние называется азотистое равновесие. Баланс может быть положительным: поступающего азота больше выделяемого (у молодняка и у выздоровевших после тяжелой болезни); отрицательный баланс: выделяемого азота больше поступившего (наблюдается при старении, голодании и во время тяжелых заболеваний, при безбелковой диете).
Ферментативный гидролиз белка. 1) Переваривание белков в желудке. Здесь есть все условия. В желудочном соке — пепсин, реннин, гастриксин и свободная соляная кислота, играющая роль:
Желудочный сок — бесцветная прозрачная жидкость с очень кислой средой (рН 1,5). Состоит из воды и плотных веществ. Содержит фосфаты, сульфаты, гидрокарбонаты. Протеазы желудка — пепсиногены, активация которых запускается соляной кислотой, а дальше протекает аутокаталитически под действием уже образовавшихся пепсинов. Они являются Эндопетидазами. В белковых молекулах расщепляются пептидные связи, образуя полипептиды. Наиболее интенсивный гидролиз белков происходит в близи от слизистой оболочки фундального отдела желудка, где рН 1,5-2. 2) Переваривание в тонкой кишке В 12-К поступают панкреатический и кишечные соки с полным набором ферментов для гидролиза белков, жиров, углеводов. Ферменты поджелудочного сока: -Протеазы (трипсин, химотрипсин, эластаза) — расщепляют внутренние пептидные связи в белковых молекулах, образуя олигопептиды. Эластаза гидролизует белки соединительной ткани. Карбоксипептидазы — экзопептидазы, отщепляют в молекулах белков и пептидов С-концевые связи. Это приводит к освобождению аминокислот. 3) Всасывание продуктов гидролиза. Белки всасываются через мембраны эпителиальных клеток в виде дипептидов, трипептидов и свободных аминокислот. Энергия для транспорта этих веществ обеспечивается натриевым контранспортным механизмом, подоюным механизму контранспорта глюкозы. Ион натрия движется по электрохимическому градиенту внутрь клетки и проводит аминокислоту или пептид за собой. Некоторые белки переносятся специальными транспортными белками. Экзо- и эндопептидазы. Эндопептидазы синтезируются в виде неактивных предшественников-проферментов. Таким способом секретирующие клетки защищают свои собственные белки от разрушения этими ферментами. После секреции проферменты активируются путем частичного избирательного протеолиза. Слизистая оболочка желудка и кишечника также защищены от действия протеаз слоем слизи. Кроме того, поверхностный полисахаридный слой плазматической мембраны так же предохраняет клетку от действия протеаз. Экзопептидазы. Карбоксипептидазы и аминопептидазы гидролизуют пептиды, отщепляя аминокислоты соответственно от С и N конца пептида. Дипептидазы гидролизуют дипептиды. Карбоксипептидаза синтезируется в поджелудочной железе в виде прокарбоксипептидазы и активируется в кишечнике под действием трипсина. Амино - и дипептидазы синтезируются в клетках тонкого кишечника. Все экзопептидазы функционируют в основном внутриклеточно в кишечном эпителии, хотя могут в небольшом количестве выделяться в просвет кишечника. Эндопептидазы и экзопептидазы в совокупности доводят гидролиз белков до образования аминокислот:
(не нужно!)
Механизмы обезвреживания аммиака: 1. Восстановительное аминирование. Одним из путей связывания и обезвреживания аммиака в организме, в частности в мозге, сетчатке, почках, печени и мышцах - это биосинтез амидов глутаминовой и аспарагиновой кислот (глутамина или аспарагина): Эта реакция протекает во многих тканях, но наиболее важна для нервной, особенно чувствительной к токсическому действию аммиака. Первая реакция представляет собой обращение глутаматдегидрогеназной реакции (обратная окислительному дезаминированию ГЛУ). Обезвреживание аммиака путем синтеза глутамина имеет и анаболическое значение, поскольку глутамин используется для синтеза ряда соединений. Прежде всего нужно отметить, что глутамин — одна из 20 аминокислот, входящих в белки. Кроме того, амидная группа глутамина используется для синтеза аспарагина, глюкозамина и других аминосахаров, пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. Таким образом, в этих реакциях азот аммиака включается в разнообразные структурно-функциональные компоненты клетки. Глутамин затем может поступать во все ткани, где осуществляется его гидролиз при участии глутаминазы: Подобным образом происходит образование аспарагина (через ЩУК). 2. Образование аммонийных солей. Экскреция аммиака с мочой в норме невелика — около 0,5 г в сутки. Но она в несколько раз повышается при ацидозе, т. е. при увеличении содержания кислот в организме. Аммиак в почках образуется главным образом за счет амидной группы глутамина. Глутамин гидролизуется активируемой фосфатом глутаминазой, имеющейся в клетках эпителия канальцев почки. Часть аммиака (примерно 30%) образуется другим путем — в результате непрямого дезаминирования аминокислот. Образующийся аммиак нейтрализует кислоты: NH3 + Н+ → NH4+. Неионизированные аммиак и кислоты в клетках находятся в равновесии с их ионизированными формами. Через клеточные мембраны проникают преимущественно неионизированные аммиак и кислоты, и в просвете почечного канальца (т. е. уже в моче) аммиак акцептирует протон кислоты, образуя аммонийную соль, которая выводится из организма. Экскреция аммиака почками служит для выведения именно кислот, а не азота, на что указывает значительная скорость экскреции при ацидозе, малая — при нормальной кислотности межклеточной жидкости и крови, и отсутствие экскреции аммиака при алкалозе. Одновременно этот процесс обеспечивает сохранение организмом ионов Na+, которые в отсутствие ионов аммония выводились бы с анионами кислот. Потеря таких количеств Na+, которые необходимы для выведения кислот при ацидозе, могла бы вызвать снижение осмотического давления межклеточной жидкости и крови, а вследствие этого уменьшение объема межклеточной жидкости, т. е. обезвоживание тканей. 3. Синтез мочевины в печени. Главным механизмом обезвреживания аммиака в организме человека является синтез мочевины, поэтому мочевина является главным конечным продуктом азотистого обмена. |