биохимия. Учебникрепетитор Издательские решения По лицензии Ridero 2019 удк 61 ббк 53 К82 Рецензенты

• Название: Учебникрепетитор Издательские решения По лицензии Ridero 2019 удк 61 ббк 53 К82 Рецензенты
• Анкор: биохимия
• Дата: 30.05.2022
• Размер: 1.49 Mb.
• Имя файла: Biokhimia_dostupnym_yazykom.docx
• Тип: Учебник; #557681
• страница: 4 из 10

ОБМЕН

I. ОСНОВЫ ОБМЕНА

1. Обмен веществ и энергии — совокупность энергетического и вещественного взаимодействия организма с внешним миром и сопутствующие им внутриклеточные процессы.

Всю общность процессов обмена можно условно разбить на три составляющие:

а) процессы поглощения вещества и энергии из окружающей

среды;

б) метаболизм — совокупность всех внутриклеточных (внут-

риорганизменных) биохимических процессов;

в) выведение ненужных организму продуктов метаболизма

во внешнюю среду, а также энергетические потери.

Надеюсь, теперь вы поняли, что метаболизм и обмен — не одно и то же. Метаболизм представляет сложнейшую составляющую обмена, но является более узким понятием, включающим хоть и самую объемную, но только внутриклеточную часть обмена.

Среди метаболических процессов выделяют:

Анаболизм — совокупность всех реакций синтеза крупных органических субстратов из более мелких. Биологическая роль анаболизма — рост, обновление структур. Он превалирует при беременности, в детском возрасте. Все без исключения реакции анаболизма нуждаются в энергетических затратах (эндэргонические реакции).

Катаболизм — совокупность внутриклеточных процессов распада. Если реакции синтеза требуют затрат энергии, то процессы катаболизма, наоборот, протекают с ее выделением, т. е. являются экзергоническими. Следовательно, основной биологической функцией катаболических процессов является энергетическая функция. Это главный источник энергии для гетеротрофов.

Индифферентные процессы — протекают без энергетического эффекта. Это самая большая группа биохимических реакций (трансферазные, изомеразные, обменные, ассоциативно-диссоциативные и др.).

2. Типы поглощения

Как было сказано выше, структура обмена веществ представлена тремя суперсоставляющими: поглощение, межуточный обмен и выведение. И если процессы выведения и, особенно, метаболизма, будут подробно представлены в последующих разделах данного курса, то поглощение как афферентная часть обмена рассматривается в данной подглавке.

Поглощение является единственным источником усвоения вещества и энергии из окружающей среды. Выделяют три типа поглощения:

а) утилизация световой энергии (фотосинтез);

б) дыхание;

в) питание.

По типу поглощения все организмы делят на:

1. 
   Аутотрофы — усваивают энергию и вещества всеми тремя перечисленными способами. Их подразделяют на: фототрофы, для которых главный путь потребления энер-
   

гии — свет (зеленые клетки растений, некоторые бактерии); хемотрофы — редчайшая группа, использующая энергию

неорганических веществ;

2. 
   Гетеротрофы — используют только дыхание и питание (животные, грибы, микроорганизмы). Причем органические вещества, получаемые в процессе питания, являются для них единственным источником внешней энергии. Градацию гетеротрофов мы разберем чуть ниже.
   

3. Энергетический обмен

Жизнь представляет собой равновесный динамический процесс стабильного движения энергии. Именно энергетическая составляющая обмена определяет суть существования жизни.

Вам, как будущим медикам, белее интересны гетеротрофы (к которым относится человек). О них и поговорим.

Для гетеротрофных организмов единственным внешним источником энергии является сила химических связей органических веществ, находящихся в пищевых продуктах. Перед гетеротрофами встает проблема извлечения этой энергии, а лучшим способом такого «раскупоривания» являются реакции распада, т. е. катаболические процессы (см. выше), наиболее эффективными из которых являются реакции окисления.

По типу усвоения этой энергии, гетеротрофы делят на:

Аэробы — извлекают энергию органических связей путем окисления при участии кислорода (дыхание); Анаэробы — подразделяются на:

— факультативные — способны получать органическую энергию как анаэробным, так и аэробным способом;

— облигатные — используют только бескислородные механизмы окисления. Более того, кислородная атмосфера для них смертельна.

Преимуществом аэробного окисления является гораздо больший̀ выход энергии. Пример: при полном аэробном окислении одной молекулы глюкозы образуется 36—38 молекул АТФ, тогда как при анаэробном окислении этого вещества синтезируется лишь 2 молекулы АТФ. Таким образом, мы видим, что в количественном плане, аэробный энергетический катаболизм гораздо эффективнее анаэробного, что определяет большую эволюционную прогрессивность организмов, использующих дыхание.

4. Питание

Для человека (как и иных гетеротрофов) питание является основным типом поглощения. Именно питание дает нам большую часть вещества и всю энергию.

В биомедицинском аспекте следует рассматривать качественный и количественный состав пищи, регулярное употребление которой способно обеспечить нормальный метаболизм человеческого организма.

В качественном плане пища человека должна включать шесть необходимых компонентов:

— белки;

— липиды;

— углеводы;

— витамины; — минералы; — вода.

Пища выполняет две основных функции:

а) структурная. Здесь первую скрипку играют белки, поскольку наше тело построено преимущественно их этих веществ. Важна также роль фосфолипидов, образующих мембраны всех живых клеток;

б) энергетическая. Роль главного источника энергии играют углеводы (4,1 кКал/г), по причине своей распространенности и легкости утилизации. Липиды (нейтральные жиры) также выполняют эту функцию, и хоть они более энергоемки (9,3 кКал/г), но являются «энергетиком №2» в силу вышеназванных причин.

Рассмотрим количественный состав белков, липидов и углеводов.

В пище человека нормальной считается пропорция: 1:1:4, т.

е. на одну массовую часть белка должна приходиться одна часть жиров и четыре части углеводов. Общая калорийность (энергозапас) суточного рациона зависит от физической нагрузки и температуры окружающей среды и колеблется от 2800 до 4500 кКал/сут.

На долю пищевого белка должно приходиться примерно 15% от общего калоража (80—160 г/сут). Не менее 50% этой массы белок животного происхождения.

Липиды должны составлять около 30% от суточного калора-

жа (90—145 г/сут). Соотношение животных и растительных жиров 3:1.

Углеводы составляют основную массу сухого остатка пищи. Большая их часть должна быть представлена естественными углеводными компонентами (овощи, фрукты, каши, серый хлеб и др.). Легкоусвояемые углеводы (сахар, кондитерские изделия, сдоба, макароны и др.) желательно свести к минимуму.

Незаменимые компоненты пищи — вещества органического происхождения, не синтезирующиеся в организме, но необходимые для обеспечения его жизнедеятельности. Следовательно, они должны присутствовать в пище.

Незаменимые пищевые компоненты можно разделить на три группы:

а) витамины (см. гл. III);

б) незаменимые (эссенциальные) жирные кислоты — их всего две: линолевая и линоленовая. Иногда их объединяют под термином «витамин F», хотя, исходя из критериев (см. гл. III), они ни коим образом не относятся к витаминам;

в) незаменимые аминокислоты — вал, лей, иле, тре, лиз, мет, фен, три. Выделяют также условно незаменимые аминокислоты (арг, гис), которые синтезируются в организме человека, но в таких незначительных количествах, что должны присутствовать в пище (особенно у детей).

II. ОСНОВЫ БИОЭНЕРГЕТИКИ

1. Терминология, строение митохондрий

Ну что ж, разберемся, откуда берется энергия в организме человека.

Сначала — основные понятия и их взаимосвязь.

Энергетический обмен — совокупность всех энергетических процессов в организме, включающий: потребление, обмен и расход энергии (сокращенно — Э). Подобно обмену веществ, он состоит из трех процессов: получение энергии (афферентная часть), внутриклеточные превращения Э и потери Э; Биологическое окисление — первая, афферентная часть энергетического обмена, включающая процессы катаболизма с выделением энергии;

Тканевое дыхание — кислородная часть биологического окисления, протекает в митохондриях. На ее долю приходится более 90% биологического окисления.

Как видите, каждое последующие понятие является частью предыдущего (самое широкое — энергетический обмен, самое узкое — дыхание), т. е., они соотносятся между собой, как матрешки, находящиеся внутри друг друга.

Суть и строение митохондрий

Митохондрии — главные дыхательные органеллы, энергетические станции клетки, синтезирующие АТФ¹.

Основные компоненты митохондрий:

а) Внешняя мембрана — отделяет пространство митохондрии

от цитоплазмы, ее основная функция — ограничивающая;

б) Внутренняя мембрана — сложная структура, образующая многочисленные складки и выпячивания (кристы), увеличивающие ее поверхность. На ней фиксированы дыхательные цепочки (о них — ниже) и АТФ-аза, т. е. структуры, отвечающие за синтез АТФ;

в) Межмембранное пространство — щель между внешней и внутренней мембраной, участвующая в синтезе АТФ путем формирования потенциала рН;

г) Матрикс — центральная часть митохондрии, окруженная внутренней мембраной, в нем расположены ферменты главных окислительных процессов: цикла Кребса, окисления глицерина, бета-окисления. Матрикс подобен топке: в нем окисляются, «сгорают» органические вещества (как правило: углеводы и жиры), высвобождая огромное количество энергии, примерно 50% которой рассеивается в виде тепла, а вторая половина улавливает-



ся компонентами дыхательной цепи и, таким образом — идёт на образование АТФ.

Некогда (в архейскую. эру), далекие предки митохондрий были самостоятельными организмами, бактериями, паразитировавшими внутри одноклеточных. В какой-то момент они «научились» дышать, т. е. образовывать огромное количество АТФ путем окисления с участием О₂. Забирая органику, избыток АТФ они отдавали клетке-хозяину. Так паразитизм превратился в самый глобальный пример симбиоза. За миллиарды лет эти создания упростились, редуцировались до органелл, хотя митохондрии до сих пор имеют свидетельство бывшей самостоятельности — собственный геном (ДНК).

2. Дыхательная цепь (цепь переноса электронов, ЦПЭ) — фундаментальная мультиферментная система, обеспечивающая превращение выделенной в матриксе энергии в энергию АТФ.

К сожалению, ни в одном учебнике или пособии я не нашел нормальную схему ЦПЭ, поэтому предлагаю свою, упрощенную:

Как видите, любой пищевой субстрат (глюкоза, глицерин, жирная кислота и др.), сгорающий в матриксе, отдает свою энергию (в виде электронов (ē) и Н⁺) на дыхательную цепь, имеющую целую серию посредников (НАД, ФАД, коэнзим Q, цитохромы b, c, c₁, aa₃). По пути к кислороду, в дыхательной цепи имеется три выплеска энергии, которые (как указано на схеме) идут на синтез трех молекул АТФ.

Коэффициент Р/О — среднее число АТФ, образующееся в дыхательной цепи за один проброс. Как видно из схемы, это число должно быть равно трем. В действительности — чуть ниже, но стремится к 3. Это объясняется тем, что не все субстраты начинают окисляться с НАД, есть такие (пример — сукцинат), которые минуют первый этап и отдают свою энергию сразу на ФАД. Как видите, в этом случае первая АТФ теряется, образуются лишь две молекулы.

Запомните (это пригодится во втором семестре), в митохондриях НАД^. Н дает 3 АТФ, ФАД^. Н₂ — 2 АТФ.

3. Синтез АТФ

Пусть вас не пугает непонятный термин «фосфорилирование», этим словом часто обозначают образование АТФ.

Выделяют два типа синтеза АТФ:

а) Субстратное фосфорилирование — АТФ образуется непосредственно в реакции (самый простой и древний способ, возникший с появлением жизни);

б) Окислительное фосфорилирование — двойной процесс, состоящий из сопряженных между собой окисления органики в матриксе и синтеза АТФ на внутренней мембране, в дыхательной цепи (см. выше). Этот процесс более эффективен, чем субстратный синтез. Немудрено, что большая часть АТФ в организме образуется этим путем.

Различить эти два процесса на бумаге очень легко. Если перед вами уравнение реакции, в правой части которого образуется АТФ — это субстратное фосфорилирование, если в правой части вы видите образование НАД^. Н, или ФАД^. Н₂ — окислительное.

Химиоосмотическая теория Митчелла

В 1961 г. англичанин Питер Митчелл вывел гипотезу, объясняющую механизм синтеза АТФ в митохондриях.

В большинстве учебников этот вопрос дан не совсем понятно. Попытаюсь объяснить попроще. Для начала найдите в своем учебнике рисунок: «Механизм образования АТФ согласно химиоосмотической гипотезе». Теперь слушайте. Как вы уже знаете, окисляясь в матриксе, субстрат отдает электроны на дыхательную цепь, двигаясь по которой, они выделяют энергию, которая идёт на перекачку Н⁺ из матрикса в межмембранное пространство (сквозь внутреннюю мембрану). В ходе процесса, в этом пространстве накапливается избыток Н⁺, т. е. положительный заряд, а в матриксе — отрицательный. В результате разности потенциалов, Н⁺ вновь стремятся назад, в матрикс, чтобы вернуть прежнее равновесие. Они продираются через тонкие каналы фермента АТФ-азы (которые соединяют эти два пространства), попутно возбуждая этот фермент.

Возбужденная АТФ-аза превращает АДФ + фосфат в АТФ.

Вот и все.

Цикл Кребса. Как вы заметили, мы начали с конца — с синтеза АТФ (так удобнее для восприятия), а теперь вернемся к процессам окисления в матриксе, что дают энергию для всего этого.

Важнейший окислительный процесс (не только в матриксе, но и в организме в целом) — цикл Кребса (цитратный цикл, цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), цикл лимонной кислоты…), открытый Х. А. Кребсом в середине прошлого века. Это ключевой процесс распада, в который, как в воронку водоворота, стекаются все катаболические пути. Это главный механизм получения энергии гетеротрофами. ЦТК выполняет не только энергетическую функцию, но и функцию центрального процесса взаимосвязи обменов. Цикл Кребса состоит из 8 последовательных реакций. Обязан предупредить: все восемь вам придется выучить (они есть в вашем учебнике).

Вы должны знать, сколько энергии дает цитратный цикл. Давайте разберем его энергетический баланс (напомню: НАД^. Н — 3 АТФ, ФАД^. Н₂ — 2):

3-я, 4-я и 8-я реакции: 3 НАД^. Н = 3х3 = 9 АТФ;

5-я реакция: 1 ГТФ — идентично 1 АТФ;

6-я реакция: 1 ФАД^. Н₂ = 2 АТФ; ВСЕГО = 12 АТФ

4. Регуляция и патология дыхания

Регуляция дыхания включает два аспекта: физиологический и молекулярный:

а) Дыхательный контроль — изменение интенсивности дыхания в зависимости от соотношения: АТФ/АДФ по принципу обратной связи. Тут все просто, поскольку именно дыхание снабжает организм энергией, следовательно, избыток АТФ (носителя Э) будет тормозить интенсивность дыхания, а избыток АДФ (его антагониста) — стимулировать.

б) Молекулярная регуляция ЦТК. Вы уже знакомы с системой аллостерического управления. В координации работы цикла Кребса те же принципы: лимитирующей является реакция №3, следовательно, аллостерический фермент — №3 — изоцитратдегидрогеназа. Он ингибируется избытком АТФ и НАД^. Н (как косвенных продуктов процесса), а активируется АДФ и НАД.

Разобщение — процесс, при котором окислительная энергия (матрикс) идет не на синтез АТФ (внутр. мембрана), а рассеивается в форме тепла. Разобщение не бывает полным (это повлекло бы мгновенную смерть). Для этого процесса характерны два ярких признака: коэффициент P/O снижается, а теплопродукция повышается.

Типы разобщения:

— Токсическое — при отравлении разобщающими ядами

(2,4-нитрофенол);

— Физиологическое — при замерзании, способствует согреванию за счет усиленной теплопродукции.

Гипоксия — патологическое состояние, при котором отмечается общая нехватка кислорода в организме.

Классификация гипоксий:

1. 
   экзогенная — возникает при снижении уровня О₂ во внешней среде (пожар, закрытые помещения, высокогорье);
   
2. 
   Эндогенная — возникает в результате нарушений функций организма. Делят на:
   

а) дыхательная:

— респираторная — в результате дисфункции дыхательных путей (инородное тело, удушение, бронхиальная астма);

— легочная — при поражении паренхимы легких (пневмония, туберкулез);

б) гемическая:

— анемическая — при значительном снижении гемоглобина, ответственного за транспорт кислорода (анемии);

— циркуляторная — возникает при тяжелых поражениях сердца приводящих к сердечной недостаточности;

в) тканевая — при нарушении дыхательных процессов на уровне митохондрий (отравление цианидами, сероводородом).

Не следует путать гипоксию с ишемией — местным дефицитом О₂ в конкретной ткани.

5. Микросомальное окисление

Львиная доля вдыхаемого нами кислорода идет на энергетические процессы, описанные выше. Но какая-то часть тратится на иные нужды — микросомальное окисление. Этот процесс протекает в эндоплазматической сети (не в микросомах, таких органелл нет) печени и надпочечников. Основные ферменты: диоксигеназы (присоединяющие 2 атома кислорода) и более распространенные монооксигеназы (гидроксилазы), образующие гидроксильную группу на основе одного атома кислорода.

Цепь микросомального окисления (см. учебник) немного напоминает ЦПЭ, но значительно короче. Ее основное назначение — предотвращение образования перекисных свободных радикалов в ходе этого процесса. Функции микросомального окисления:

а) Синтез веществ, содержащих кислород (адреналин, холе-

стерин и др.).

б) Дезинтоксикационная функция печени — ключевую роль в этом процессе играет главный фермент микросомального окисления: цитохром Р-450. Полезнейшее свойство этого белка — способность повышать свою концентрацию при регулярном попадании яда в организм. Это способствует активной борьбе с интоксикацией. Подробнее о дезинтоксикации — в конце второго раздела (семестра).