Состав и свойства белков

3. ОБМЕН БЕЛКОВ

БЕЛКИ - сложные вещества - полимеры, состоящие из аминокислот, связанных между собой пептидной  связью.

Функции белков:

 Основной строительный  материал в организме.

 Являются переносчиками  витаминов, гормонов, жирных кислот  и др. веществ.

 Обеспечивает  нормальное функционировании иммунной  системы.

 Обеспечивает  состояние "аппарата наследственности".

 Являются катализаторами  всех биохимических метаболических  реакций организма.

 Организм человека  в нормальных условиях (в условиях, когда нет необходимости пополнения  дефицита ами- нокислот за счет  распада сывороточных и клеточных  белков) практически лишен резервов  белка (мобилизу- емый резерв - 45г  : 40г в мыщцах, 5г в крови и  печени), поэтому единственным источником  пополнения фонда аминокислот,  из которых синтезируются белки  организма, могут служить только  белки пищи.

Различают заменимые  аминокислоты (синтезируются в организме) и незаменимые аминокислоты (не могут  синтезироваться в организме, а  поэтому должны поступать в организм в пищей). К незаменимым амино- кислотам относятся: валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин.

Недостаток незаменимых  аминокислот в пище приводит к  нарушениям белкового обмена.

Кроме основной функции  белков - белки как пластический материал, он может использоваться и как источник энергии при  недостатке других веществ (углеводов  и жиров). При окислении 1 г белка  освобождается около 4,1 ккал.

Поступая в организм с пищей белки окончательно расщепляются в ки-шечнике до аминокислот, всасываются  в кровь и транспортируется в  печень. Из печени аминокислоты поступают в ткани, где и используются в основ- ном для синтеза белков. Конечными продуктами метаболизма белков является аммиак, мочевина, мочевая кис- лота. Они выводятся из организма почками и частично потовыми железами.

При избыточном поступлении  белков в организм, превышающем потреб-ность, они могут превращаться в углеводы и жиры. Избыточное потребление белка  вызывают перегрузку работы печени и  почек, участвующих в обезвреживании и элиминации их метаболитов. Повышается риск формирования аллергических реакций. Уси- ливаются процессы гниения в  кишечнике - расстройство пищеварения  в кишечнике.

Дефицит белка в  пище приводит к явлениям белкового  голодания - истощению, дистрофии внутренних орга- нов, голодные отеки, апатия, снижению резистентности организма к действию повреждающих факторов внеш- ней среды, мышечной слабости, нарушении функции  центральной и периферической нервной  системы, нару- шению ОМЦ, нарушение  развития у детей.

Суточная потребность  в белках - 1 г/кг веса при условии  достаточного содержания незаменимых  аминокислот (например, при приеме около 30 г животного белка), старики  и дети - 1,2-1,5 г/кг, при тяжелой  работе, росте мышц - 2 г/кг.

Большую роль в обмене белков играет азот. Азот является обязательной составной частью белка и продуктов  его расщепления. Азот поступает  в организм только с белковой пищей. Белки содержат в среднем 16% азота.

Азотистым балансом называется разность между количеством  азота поступившего в организм и  количест- вом азота выведенного  из организма. Различают: азотистое  равновесие, положительный и отрицательный  азо- тистый баланс.

Для здорового в  обычных условиях характерно азотистое  равновесие. В период роста, во время  беременности, при интенсивных физических нагрузках наблюдается (при росте  мышечной массы) положительный азотистый  баланс. Отрицательный азотистый  баланс формируется при белковом голодании, лихорадочных состояниях, нарушениях нейроэндокринной регуляции белкового  обмена.

4. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

УГЛЕВОДЫ - органические соединения, содержащиеся во всех тканях организма в свободном виде в  соединениях с липидами и белками  и являющиеся основным источникам энергии.

Функции углеводов  в организме:

 Углеводы являются  непосредственным источником энергии  для организма.

 Участвуют в  пластических процессах метаболизма.

 Входят в состав  протоплазмы, субклеточных и клеточных  структур, выполняют опорную функцию  для клеток.

 Углеводы делят  на 3 основных класса: моносахариды, дисахариды и полисахариды.

Моносахариды - углеводы, которые не могут быть расщеплены до более простых форм (глюкоза, фруктоза).

Дисахариды - углеводы, которые пригидролизе дают две молекулы моносахаров (сахароза, лактоза).

Полисахариды - углеводы, которые при гидролизе дают более  шести молекул моносахаридов (крахмал, гликоген, клетчатка).

В пищеварительном  тракте полисахариды ( крахмал, гликоген; клетчатка и пектин в кишечнике  не перевариваются ) и дисахариды под  влиянием ферментов подвергаются расщеплению  до моносахаридов (глюкоза и фруктоза) которые в тонком кишечнике всасываются  в кровь. Значительная часть моносахаридов  поступает в печень и в мышцы  и служат материалом для образования  гликогена.

В печени и мышцах гликоген откладывается в резерв. По мере необходимости гликоген мобилизуется из депо и превращается в глюкозу, которая поступает к тканям и  используется ими в процессе жизнедеятельности.

Продукты распада  белков и жиров могут частично в печени превращаться в гликоген. Избыточное количество углеводов превращается в жир и откладывается в  жировом "депо".

В организме происходит постоянное использование глюкозы  различными тканями. Одним из главных  потребителей глюкозы являются скелетные  мышцы. Расщепление в них углеводов  осуществляется с использованием аэробных и анаэробных реакций. При преобладании анаэробных реакций метаболизма  глюкозы в мышцах накапливается  большое количество молочной кислоты.

Суточная потребность  организма в углеводах - не менее 100-150 г. Депо глюкозы (гликоген) в печени, мышцах в среднем 300-400 г.

При недостаточности  углеводов развивается похудание, снижение трудоспособности, обменные нарушения, интоксикация организма.

Избыток потребления  углеводов может привести к ожирению, развитию бродильных процессов в  кишечнике, повышенной аллергизации организма, сахарному диабету.

Биосинтетические  процессы, протекающие в клетках, нуждаются не только в энергии, им необходимы также восстановительные  эквиваленты в виде НАДФН+Н+и целый  ряд моносахаридов, имеющих в  своем составе пять атомов углерода, такие как рибоза, ксилоза и  др. Образование восстановленного НАДФ идет в пентозном цикле окисления  углеводов, а образование пентоз может происходить как в пентозном  цикле окисления, так и в других метаболических путях.

Пентозный путь окисления  углеводов

Этот метаболический путь известен также как пентозофосфатный цикл окисления глюкозы или апотомический  путь окисления. Пентозный путь окисления  углеводов включает в себя достаточно много отдельных парциальных  реакций. Он может быть разделен на две части: окислительный его  этап и неокислительный этап. Мы с вами остановимся преимущественно  на его окислительном этапе, поскольку  этого вполне достаточно, чтобы понять биологическую роль рассматриваемого метаболического процесса.

Итак, как обычно, первой реакцией является реакция фосфорилирования глюкозы: Глюкоза + АТФ ------> Гл-6-ф + АДФ  катализируемая гексокиназной.

На следующей стадии происходит окисление Гл-6-ф путем  его дегидрирования: СН2ОРО3Н2 СН2ОРО3Н2 | НАДФН+Н+ | С--- О НАДФ+ ^ С--- О Н/Н \ОН -------- Н/Н \ С С -------------> С С=О НО\ОН Н/Н НО\ОН Н/ С--- С С--- С Н ОН Н ОН Гл-6-ф 6-фосфоглюконолактон Реакция катализируется глюкозо-6-фосфатдегидрогеназай.

Далее идет взаимодействие 6-фосфоглюконолактона с молекулой  воды, что сопровождается разрывом цикла с образование 6-фосфоглюконовой  кислоты. Реакция катализируется ферментом  лактоназой. А затем 6-фосфоглюконат  подвергается окислительному декарбоксилированию  с образованием рибулозо-5-фосфата, углекислого газа и восстановленного НАДФ; эта реакция катализируется 6-фосфоглюконатдегидрогеназой. Последовательность из двух описанных реакций представлена на приведенной ниже схеме: СН2ОРО3Н2 СООН СН2ОН | | НАДФН+Н+ | С--- О НСОН НАДФ+ ^ С=О Н/Н \ | -------- | С С=О + Н2О ----> НОСН ----------------> НСОН НО\ОН Н/ | СО2 | С--- С  НСОН НСОН Н ОН | | НСОН Н2СО-РО3Н2 6-фосфоглюконо- | Рибулозо-5- лактон Н2СО - РО3Н2 фосфат 6-фосфоглюконат  Суммарное уравнение окислительного этапа пентозного цикла окисления: Глюкоза + АТФ 2 НАДФ+ + Н2О -- > Рибулозо-5-ф -> СО2+ 2НАДФН+Н+ + АДФ

Часто началом пентозного цикла окисления углеводов считают  реакцию окисления Гл-6-ф, в последнем  случае суммарное уравнение окислительного этапа цикла приобретает вид: Гл 2НАДФ Н2О -> Рибулозо СО2 2НАДФН

В ходе неокислительного этапа цикла в результате изомеризации образуются необходимые для клетки фосфорилированные пентозы: рибозо-5-фосфат и ксилулозо-5-фосфат. Кроме того, важно отметить, что на этом этапе образуются промежуточные продукты, идентичные с промежуточными продуктами первого этапа аэробного окисления глюкозы: 3-фосфоглицериновый альдедид и Фр-6-ф. За счет этих общих промежуточных соединений создается возможность переключения потока метаболитов с пентозного цикла окисления на путь аэробного (или анаэробного) окисления глюкозы и наоборот.

За шесть оборотов пентозного цикла окисления полностью  сгорает один остаток глюкозы, так  что суммарное уравнение окисления  глюкозы в цикле, начиная с  Гл-6-ф, можно представить в следующем  виде: Гл 7 Н2О 12 НАДФ -> 6 СО2 Ф 12 НАДФН

Пентозофосфатный  цикл активно функционирует в  печени, жировой ткани, коре надпочечников, семенниках и в молочной железе в  период лактации. В этих тканях активно  идут процессы синтеза высших жирных кислот, аминокислот или стероидов, нуждающиеся в восстановительных  эквивалентах в виде НАДФН+Н+. Цикл интенсивно работает также в эритроцитах, в  которых НАДФН+Н+ используется для  подавления перекисного окисления  мембранных липидов. Мышечная ткань  содержит очень малые количества глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы и 6-фосфоглюконатдегидрогеназы, тем не менее, она также способна синтезировать необходимую клеткам  рибозу.

Путь образования  глюкуроновой кислоты 

Глюкуроновая кислота  является соединением, выполняющим  в организме несколько функций: а) она входит в состав гетероолиго- и гетерополисахаридов, выполняя таким  образом структурную функцию, б) она принимает участие в процессах  детоксикации, в) она может быть преобразована  в клетках в пентозу - ксилулозу (которая, кстати, является общим промежуточным  метаболитом с пентозным циклом окисления глюкозы) .

В организме большинства  млекопитающих по этому метаболическому  пути идет синтез аскорбиновой кислоты; к сожалению, у приматов и морских  свинок не синтезируется один из ферментов, необходимых для превращения  глюкуроновой кислоты в аскорбиновую и человек нуждается в поступлении  аскорбиновой кислоты с пищей.

Схема метаболического  пути синтеза глюкуроновой кислоты: СН2ОН СН2ОРО3Н2 СН2ОН | АТФ АДФ | | С----О | ^ С----О С----О Н /Н \Н ------- Н /Н \Н Н /Н \ОН С С ---------> С С ----> С С ---> НО\ОН Н/ОН Гексоки- НО\ОН Н/ОН ФГМ НО\ОН Н/О-РО3Н2 С--- С наза С--- С С--- С Н  ОН Н ОН Н ОН СН2ОН СООН УТФ Ф-Ф | 2НАД+ 2НАДН+Н+ | | ^ С--О | ^ С--- О ------ Н /Н \Н -------- Н /Н \Н -----------> С С ---------------> С  С УДФ-глюкозо-НО\ОН Н/О - УДФ Дегидрогеназа  НО\ОН Н/О УДФ пирофосфори- С--- С  УДФ-глюкозы С--- С лаза Н ОН Н  ОН 3.3. Г л ю к о н е о  г е н е з В условиях недостаточного поступления углеводов в пище или даже их полного отсутствия все  необходимые для организма человека углеводы могут синтезироваться  в клетках. В качестве соединений, углеродные атомы которых используются при биосинтезе глюкозы, могут выступать  лактат, глицерол, аминокислоты и др. Сам процесс синтеза глюкозы из соединений неуглеводной природы носит название глюконеогенез. В дальнейшем из глюкозы или из промежуточных продуктов ее метаболизма могут быть синтезированы все другие соединения, относящиеся к углеводам.

Рассмотрим процесс  синтеза глюкозы из лактата. Как  мы уже упоминали, в гепатоцитах  примерно 4/5 поступающего из крови лактата  преобразуется в глюкозу. Синтез глюкозы из лактата не может быть простым обращением процесса гликолиза, так как в гликолиз включены три  киназные реакции: гексокиназная, фосфофруктокиназная  и пируваткиназная - необратимые  по термодинамическим причинам. Вместе с тем, в ходе глюконеогенеза используются ферменты гликолиза, катализирующие соответствующие  обратимые равновесные реакции, типа альдолазы или енолазы.

Глюконеогенез из лактата  начинается с превращения последнего в пируват с участием фермента лактатдегидрогеназы: СООН СООН | | 2 НСОН + 2 НАД+ ------> 2 С=О + 2 НАДН+Н+ | | СН3 СН3 Лактат Пируват Наличие индекса "2" перед каждым членом уравнения реакции  обусловлено тем, что для синтеза  одной молекулы глюкозы требуется  две молекулы лактата.