Сайт дистанционных консультаций  для студентов заочной формы обучения товароведческого факультета ФГОУ ВПО ИВМ ОмГАУ специальностей "Товароведение и экспертиза товаров" и "Стандартизация и сертификация".

Биохимия продуктов питания

Лекция 4.

Тема: Обмен веществ и энергии

План

1. Понятие об обмене веществ. Метаболизм. 

2. Макроэргические соединения. Строение и функции АТФ.

3.  Тканевое дыхание.

5. Цепь переноса электронов митохондрий.

6. Окислительное фосфорилирование.

7. Свободнорадикальное окисление и антиоксидантная система клетки.

8. Основной обмен.

     1. Понятие об обмене веществ. Через живой организм проходит непрерывный поток веществ и энергии, другими словами, живые организмы  являются открытыми термодинамическими системами.  Прекращение этого потока означает прекращение жизни. Используя питательные вещества, живые организмы не только сами постоянно удаляются от классического термодинамического равновесия, но и делают неравновесной окружающую среду. Потребляемые с пищей вещества превращаются в собственные вещества и структуры клетки и являются источником энергии для организма. В организм из окружающей среды поступают вещества, а в окружающую среду выделяются продукты распада. Эти процессы и составляют сущность обмена веществами между организмом и средой. Наиболее характерная особенность обмена веществ � постоянное обновление структуры организма и размножение. Обмен веществ включает:

�     поступление веществ из внешней среды в организм (питание и дыхание);

�     перемещение и превращение веществ в организме (промежуточный обмен);

�     выведение конечных продуктов. Основные химические элементы организма � С, О, Н, N, они же входят и в конечные продукты (СО₂, Н₂О, NH₃).

   Наиболее сложно протекает промежуточный обмен, он включает множество химических реакций, приводящих к образованию различных соединений.

   Совокупность всех химических реакций в организме называется метаболизм (от лат. metabole � изменение, превращение). Совокупность последовательных реакций превращения одного какого-либо вещества носит название метаболического пути, а вещества, образующиеся в этих реакциях, называются метаболитами (например, анаэробный путь окисления глюкозы включает 11 последовательных реакций, приводящих к образованию конечного метаболита этого процесса � молочной кислоты; промежуточными метаболитами являются, например, фруктозо-6-фосфат, 3-фосфоглицериновый альдегид).

   В метаболизме выделяют два основных направления:

1) Анаболизм � совокупность реакций превращения относительно простых по структуре веществ в более сложные; анаболические процессы  идут с затратой энергии.

2) Катаболизм � совокупность реакций распада сложных по структуре веществ до конечных продуктов, протекающих с выделением энергии.

Катаболизм - трехэтапный процесс. Первый гидролитический этап происходит в органах пищеварительной системы (и в лизосомах), без участия кислорода, при этом высвобождается приблизительно 1% энергии субстратов, она рассеивается в виде тепла. Второй этап бескислородного цитоплазматического расщепления представлен гликолизом и аналогичными процессами распада липидов и белков, приводящими к образованию универсального катаболита � ацетил-КоА. На втором этапе высвобождается 30% энергии, при этом запасается только 43%.

Все клетки организма, за исключением эмбриональных и злокачественных, а также эритроцитов способны подавлять анаэробное окисление в присутствии кислорода (эфект Л. Пастера).

На третьем этапе катаболизма в процесс вовлекаются митохондрии, ацетил-КоА окисляется до конечных продуктов, причем кислород включается именно в молекулу воды (а не углекислого газа). Образование молекулы воды в митохондриях из водорода коферментов дегидрогеназ и кислорода сопровождается самым большим энергетическим эффектом. При этом запасается 66% выделившейся энергии. (Срочная мобилизация теплоты используется при адаптации к гипотермии и контролируется гормонами житовижной железы и надпочечников).

Энергия катаболизма резервируется клетками в двух взаимопревращаемых формах, главным образом, в макроэргических фосфатных связях, а также разности потенциалов внутренней мембраны митохондрий.

Тесная связь между анаболизмом и катаболизмом протекает на уровнях:

�    источников атома углерода � продукты катаболизма являются исходными субстратами для анаболических реакций;

�    на энергетическом уровне � в процессах катаболизма образуется АТФ и другие макроэргические соединения, энергия которых затрачивается в анаболических процессах;

�    на уровне восстановленных эквивалентов � реакции катаболизма в основном окислительные, а анаболические реакции потребляют восстановленные эквиваленты.

Функции метаболизма:

�     снабжение энергией, которая выделяется при распаде веществ корма;

�     превращение молекул пищевых веществ в строительные блоки, которые используются клеткой для синтеза макромолекул;

�     сборку собственных макромолекул из этих строительных блоков;

�     синтез и разрушение биомолекул, необходимых для выполнения специфических функций клетки (гормонов).

Метаболические пути необратимы. Распад никогда не идет по пути, который являлся бы простым обращением реакций синтеза. В нем участвуют другие ферменты и другие промежуточные продукты. Нередко противоположно направленные процессы протекают в разных отсеках клетки. Так, жирные кислоты синтезируются в цитоплазме при участии одного набора ферментов, а окисляются в митохондриях при участии совсем другого набора.

2. Макроэргические соединения. Строение и функции АТФ.  Любое проявление жизнедеятельности � движение, дыхание, рост, воспроизведение связаны с преобразованием энергии. Главными материальными носителями свободной энергии являются химические связи органических соединений (первичным источником энергии на Земле является солнечное излучение). При преобразовании химических связей уровень свободной энергии соединения также изменяется. Обычным значением энергии связи является 12 кДж/моль, но есть соединения, содержащие химические связи с большей энергией. Такие соединения называются макроэргическими (греч. "makros" большой и "ergon" работа, действие), а связи � макроэргическими (табл.1).

Таблица 1. Макроэргические вещества  организма  (энергия в кДж/моль)

Нетрудно заметить, что большинство из них являются фосфорными эфирами, а АТФ является связующим звеном между макроэргическими соединениями. Замечательной особенностью макроэргических соединений является то, что они могут передавать богатую энергией фосфатную группу другим веществам. А АТФ подобна аккумулятору, который заряжается энергией от разных генераторов и снабжает ею множество машин и механизмов. В клетке никогда не происходит прямого переноса фосфата от макроэргических соединений к низкоэнергетическим веществам.  Практически все реакции переноса происходят с участием аденилатной системы АДФ-АТФ. Молекула аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ или ATP) является нуклеозидтрифосфатом с азотистым основанием аденозином, второй и третий фосфорильный остаток связан макроэргической связью.

Гидролитический распад АТФ:

АТФ + Н₂О = АДФ + Ф_н + 37 кДж

При распаде АТФ происходит перенос богатого энергией фосфат на другие вещества, тем самым эти вещества активируются, либо происходит преобразование химической энергии в механическую, электрическую, осмотическую и т.п. Перенос макроэргического фосфата от АТФ на другой субстрат катализируют ферменты фосфотрансферазы (киназы):

глюкоза + АТФ → глюкозо-6-фосфат + АДФ

Синтез АТФ происходит по схеме:

АДФ + Ф_н + 37 кДж =АТФ

Образование АТФ из АДФ называется �фосфорилирование�. В зависимости от источника энергии различают два вида фосфорилирования: субстратное и окислительное.

При субстратном фосфорилировании АТФ образуется при переносе богатого энергией фосфата с макроэргического субстрата (например, с креатинфосфата или с фосфоенолпирувата) на АДФ. Для такого фосфорилирования  не требуется участия мембранных структур. Например,

Окислительное (или мембранное)  фосфорилирование происходит при участии мембран митохондрий, в которых происходит преобразование химической энергии в энергию электрохимического потенциала ионов водорода на мембране. Затем эта энергия вновь преобразуется в химическую энергию связей АТФ. Так образуется АТФ в аэробной фазе окисления. Энергия АТФ расходуется организмом на различные виды работы (рис. 1).

Рис. 1. Расходование энергии АТФ

Несмотря на относительно высокую эффективность биосистем (так к.п.д здорового сердца приближается к 43% по сравнению с 3-6%) у паровой машины), организм человека подчиняется второму началу термодинамики и не создает негэнтропию из ничего. При любом виде работы существенная часть высвобождаемой энергии рассеивается в виде тепла. Любое нарущение функционирования органов снижает к.п.д. энергетического процесса, и больше тепла рассеивается. Высокая физическая активность увеличивает энергозатраты организма на 30-50%, при карйнем физическом напряжении уровень энергозатрат может увеличиваться в 8 раз (и даже жевание резинки по данным Л.Перельмана способно дать до 175 прибавки к базовым энергозатратам). Большие затраты энергии требуют: поднятием тяжести, бег. в то же время мозг стабильно окисляет 5-6 г глюкозы в час как в покое, так и в период напряженной творческой работы. Однако эмоциональные эквиваленты умственной деятельности способны, даже без шевеления пальцем вызвать стресс, который приведет к значительному увеличению энергозатрат и теплопродукции вне мозга.

3. Тканевое дыхание. Органические вещества в условиях Земли являются  термодинамически нестабильными � они самопроизвольно распадаются, при этом выделяется энергия. В тканях аэробных организмов этот распад сопровождается потреблением кислорода.

Процесс окислительного распада веществ в тканях, идущий с потреблением кислорода называется тканевым дыханием. Тканевое дыхание можно наблюдать на срезах тканей. Срезы различных тканей инкубируют в растворе глюкозы в закрытом сосуде. Через некоторое время происходит уменьшение концентрации глюкозы, а над жидкостью уменьшается содержание кислорода и увеличивается содержание углекислого газа. Интенсивность тканевого дыхания разных тканей неодинакова.

 Потребление кислорода на 1 мг ткани (мкл/час):

сетчатка � 31; почки � 21; печень � 15; кора мозга � 12;  легкие � 8              мышцы в покое � 5; кожа � 0,8

Окисление субстратов у аэробных организмов происходит при участии кислорода, при этом субстрат окисляется, а кислород восстанавливается до воды. Образованияе воды при дыхании идет по уравнению  2Н⁺  + 2е  +1/2 О₂  = Н₂О + Е.  На каждую пару переносимых на атом кислорода электронов приходится разность свободной энергии 210 кДж, этой бы энергии хватило на синтез четырех молекул АТФ.

Но непосредственно кислородом в условиях живой клетки субстраты окисляться не могут, т.к. у кислорода очень высокий электродный потенциал. На первом этапе окисления происходит отщепление от субстрата атомов водорода � дегидрирование. Реакция протекает при участии фермента дегидрогеназы. Кофермент дегидрогеназы (НАД или ФАД) имеет электродный потенциал близкий к субстрату. В качестве примеров  первичного окисления субстратов можно привести окисление этанола, молочной, яблочной, янтарной кислот. Эти реакции протекают в цикле трикарбоновых кислот, который является общим путем катаболизма для всех питательных веществ и поставляет атомы водорода (в составе коферм ентов дегидрогеназ) в ЦПЭ.

Внутриклеточными центрами тканевого дыхания являются митохондрии. В зависимости от функции ткани в клетках может находиться от нескольких десятков до нескольких тысяч митохондрий. В гепатоцитах их около 2 тысяч.  В митохондриях различают две мембраны � внутреннюю и наружную, внутреннее и межмембранной пространство заполнено матриксом.  Внешняя и внутренняя мембраны митохондрий различаются химическим составом и функциями. Во внутреннюю мембрану встроены ферменты  так называемой цепи переноса электронов (ЦПЭ), или дыхательной цепи.

5. Цепь переноса электронов. Атомы водорода (протоны и электроны), отщепляющиеся  от субстратов, поступают в дыхательную цепь митохондрий. Первичными акцепторами атомов водорода служат коферменты дегидрогеназ: НАД, НАДФ, ФАД, ФМН. На внутренней мембране митохондрий находятся остальные участники процесса переноса атомов водорода субстратов на конечный акцептор � кислород находится в матриксе митохондрий. Перенос атомов водорода от кофермента НАД к кислороду включает переносчиков, локализованных на внутренней мембране митохондрий (за исключением убихинона и цитохрома с. Эти переносчики составляют так называемую дыхательную цепь. Ее еще называют редокс-цепью, окислительно-восстановительной или цепью переноса электронов (ЦПЭ).

Таблица 2. Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы веществ цепи переноса электронов

У веществ, представленных в таблице 2 способность отдавать электроны (то есть окисляться) убывает сверху вниз, а способность принимать электроны (то есть восстанавливаться) нарастает сверху вниз.

Компоненты дыхательной  цепи, осуществляющие перенос электронов и окислительное фосфорилирование слиты в единое целое с внутренней мембраной митохондрий и функционируют в форме полиферментных комплексов или ансамблей. Одну полную цепь переноса составляет большое число молекул (до 80 белковых молекул), 2/3 из которых выполняют вспомогательные функции, а 1/3 � непосредственно участники переноса электронов.

В установлении последовательности переноса электронов между компонентами дыхательной цепи решающее значение имело применение специфических ингибиторов. Так, инсектицид ротенон ингибирует НАД-дегидрогеназу, и при его действии все компоненты дыхательной цепи переходят в окисленное состояние. Барбитурат натрия препятствует восстановлению убихинона. Цианиды и  сероводород связывают цитохромоксидазу, при этом нарушается последний этап � восстановление атома кислорода. Эти вещества являются ядами для организма потому, что блокируют энергетический обмен.

На основании этих определений, а также термодинамических расчетов переносчики электронов в ЦПЭ располагаются  в следующем порядке:

НАД �ФАД �КоQ�цит b�цит c₁� цит c �цит a �цит a₃� � О₂

Каждый компонент дыхательной цепи встроен между своим восстановителем и окислителем. Все реакции направлены   от компонента с максимально отрицательным потенциалом  к кислороду, имеющему большую положительную величину потенциала (0,82В). В результате этого создаются условия для потока электронов от субстрата  через последовательно расположенные переносчики к кислороду. Все белки погружены в толщу мембраны, входят в ее состав, лишь цитохром с подвижно соединен с наружной поверхностью мембраны. Когда протоны и электроны передвигаются по цепи,  они теряют свою энергию, на определенных участках величина энергии так значительная, что ее достаточно для образования молекулы АТФ. Это участки сопряжения окисления и фосфорилирования. В образовании АТФ из АДФ и неорганического фосфата участвуют белки, образующие сопрягающий комплекс или H⁺ - АТФ-азный комплекс. Он пронизывает внутреннюю  мембрану митохондрий, которая поэтому и называется сопрягающей. Эти участки фосфорилирования в полной цепи (начинающейся с НАД) расположены между НАД и ФАД, цит.b и цит. с, цит. а и цит. а₃.Переносчики атомов водорода к кислороду  организованы на внутренней мембране митохондрий в 4 комплекса: первый � NAD-дегидрогеназа; второй � FAD-дегидрогеназа; третий � QH₂-дегидрогеназа; четвертый � цитохромокисдаза.  Протоны и электроны, отщепившиеся от субстратов, передвигаясь от одного переносчика к другому, опускаются на все более низкие энергетические уровни, теряя при этом энергию небольшими порциями. В последнем звене цепи электроны восстанавливают атомарный кислород. Восстановленный таким образом кислород взаимодействует с двумя протонами и образуется вода. Энергия, выделяющаяся при переносе электронов и протонов по дыхательной цепи, запасается в фосфатных связях АТФ.

6. Окислительное фосфорилирование. Сопряжение окисления и фосфорилирования в митохондриях довольно прочно. Фосфорилирование сопряжено с переносом электронов и поэтому называется окислительным фосфорилированием. Если невозможен синтез АТФ, то прекращается перенос электронов в дыхательной цепи.

При переносе электронов по дыхательной цепи происходит выделение энергии.  На некоторых участках ЦПЭ выделившейся энергии достаточно для образования макроэргической связи в молекуле АТФ. Это участки сопряжения окисления и фосфорилирования, всего в ЦПЭ их  три. Количество этих участков определено путем измерения коэффициента фосфорилирования. Коэффициент фосфорилирования � это отношение связанного фосфора к поглощенному кислороду � Р/О.  Если субстрат окисляется при участии НАД-зависимой ДГ (яблочная, молочная, альфа-кетоглутаровая, изолимонная кислоты)  образуется 3 АТФ, ФАД-зависимой (янтарная кислота, амины, ацил-КоА) � 2 АТФ. Б. Чанс, используя спектрометрический метод определил положение участков сопряжения окисления и фосфорилирования:

1)   между НАД и ФАД

2)   между цитохромом в и цитохромом с

3)   на участке цитохромоксидазы.

На этих трех участках выделяется энергии больше, чем 34,5 кДж/моль, поэтому возможен синтез АТФ. Таким образом, дыхательная цепь разделяет энергию, выделяющуюся при переносе электронов, на отдельные �порции�.

Как энергия электронов дыхательной цепи трансформируется в энергию фосфатных связей АТФ объясняет хемиоосмотическая теория Митчелла � Скулачева. Согласно этой теории, во внутренней мембране митохондрий имеются ферменты � протонные насосы, которые используя энергию электронов дыхательной цепи, выкачивают протоны из матрикса в межмембранное пространство. В результате этого процесса наружная часть мембраны получает положительный заряд. В матриксе митохондрий при этом образуется избыток гидроксильных  ионов, внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно. Таким образом, на сопрягающей мембране возникает одновременно с градиентов концентрации ионов водорода градиент электрического потенциала. Обратный поток протонов по градиенту концентрации к матриксной стороне мембраны осуществляется через АТФ-синтетазу. АТФ-синтетаза � протонный насос, использующий движение протонов вниз по градиенту для того, чтобы синтезировать АТФ. Нобелевская премия 1997 года за прямую демонстрацию механохимических свойств Н⁺-АТФазной системы.

7. Свободнорадикальное окисление и антиоксидантная система клетки. Реакции биологического окисления приводят к образованию промежуточных по степени окисления кислорода соединений � активных форм кислорода  (АФК), таких как свободные радикалы и пероксиды. К ним относятся пергидроксильный радикал (НО₂^-), супероксидный анион-радикал (О₂^-), пероксид водорода, гидроксил-анион (НО^-) и гидроксильный радикал (НО^�). Эти соединения обладают высокой окислительной способностью и их образование вызывает окислительную модификацию различных субстратов, главным образом липидов и нуклеиновых кислот.

 Свободные радикалы необходимы клетке для активации некоторых ферментов, обладающих бактерицидным действием. Пероксидное окисление липидов (ПОЛ), протекающее преимущественно в биологических мембранах, способствует обновлению и нормальному функционированию мембран.

 К нарушению структуры мембран клеток, ингибированию их ферментных систем  приводит длительная активация процессов свободно-радикального окисления под действием различного рода излучений, прооксидантов (табачный дым, выбросы транспорта и промышленных предприятий,  ксенобиотики, в том числе лекарства, анестетики, пестициды, промышленные растворители, озон,  компоненты пищи (некачественный, окисленный жир, избыток ПНЖК, железа, витамина D),  а также чрезмерная физическая нагрузка, стресс, переутомление, воспалительные процессы.

Поддержание процессов свободнорадикального окисления на уровне, необходимом  для нормального течения окислительных процессов поддерживается  при участии антиоксидантной системы (АОС) клетки. Эта система представлена веществами, образующими два звена антиоксидантной защиты. Неферментативное звено представлено антиоксидантами небелковой природы. Водорастворимыми компонентами являются низкомолекулярная небелковая тиолдисульфидная система на основе глутатиона, аскорбатная  окислительно-восстановительная система и флавоноиды (витамин Р). Жирорастворимые компоненты представлены витаминами Е (токоферолы), А, К и полифенолами (убихинон).  Эти вещества служат либо �ловушками� свободных радикалов, либо разрушают пероксидные соединения. Ферментативное звено включает антирадикальными и антиперекисными окислительно-восстановительными ферментами. Такими как, супероксиддисмутаза (СОД), каталаза, глутатионпероксидаза, глутатионредуктаза. Эти ферменты ингибируют реакции СРО на стадии  образования свободных радикалов и пероксидов. Исключительное значение для стабилизации гомеостаза антиоксидантов имеют ферментативные механизмы восстановления их окисленных форм. Центральное звено этих механизмов � каталитическое дегидрирование субстратов биологического окисления, осуществляемое в первой фазе пентозомонофосфатного цикла, в цикле трикарбоновых кислот и в процессе b-окисления жирных кислот. Недостаточность АОС является одной из первых причин, приводящих к срыву всей системы детоксикации и развитию отравления организма. Повысить эффективность АОС и естественной системы детоксикации можно с помощью биологически активных веществ и синтетических препаратов.

8. Основной обмен

Итак, энергия поглощается в форме энергии химических связей органических соединений, которая затем преобразуется в другие виды энергии. Внешняя среда используется животными как источник энергии и как источник структурных материалов.

     Вы считаете, что в моменты отдыха ваше тело накапливает энергию? Это не так, даже в состоянии абсолютного покоя организм теряет энергию. Куда и в каких количествах расходуется энергия организма в моменты покоя?

Главная общая энергетическая характеристика организма � основной обмен (ОО). Это не какой-то отдельный вид обмена веществ, а лишь лабораторный показатель, характеризующий сумму затрат организма в определенных условиях, приближенных к наиболее экономичному режиму жизнедеятельности. Если измерять тепловые потери организма в период, когда не происходит массированное усвоение новых пищевых субстратов и свести к минимуму рассеяние тепла, связанное со всеми видами работы, то в этих контролируемых условиях теплопродукция становится основным путем потери телом энергии, а главным источником этого тепла может быть раннее запасенная энергия. В этих условиях измерение тепловых потерь организма дает относительно точное представление об энергетических потребностях тех процессов, которые связаны с постоянными базовыми проявлениями жизнедеятельности     По определению основного обмена, данному комитетом экспертов ВОЗ-ФАО основной обмен - это лабораторный показатель, отражающий энергетические затраты  животного в состоянии абсолютного покоя. Энергия при температуре 25^оС, необходимая для всех процессов ОО, выделяется из организма в виде тепла.

Печень потребляет 27% энергии от основного обмена; мозг � 19%; мышцы � 18%; почки � 10%; сердце � 7%; остальные органы и ткани � 19%

На основной обмен влияют пол, возраст, конституция человека, состояние его здоровья.  При подавляющем    большинстве болезней ОО возрастает.

Величина ОО может быть выражена на массу тела, на 1 кг массы, на 1м² поверхности тела.  Например, 106,59 � для 45-ти летнего мужчины;   106,1 � для 45-ти летней женщины.  При экстремальной физической нагрузке скорость энергозатрат может за секунды превысить уровень ОО в 200 раз, но лишь тренированные атлеты могут удержать уровень энергозатрат в 50 раз больше ОО в течение нескольких минут.

Традиционно считается, что ОО обеспечивает уровень максимально экономичного функционирования организма при сохранении базовых анаболических процессов и функциональной готовности. Вклад в ОО вносят сердечная деятельность, перистальтика кишечника, работа системы дыхания, поддержание всех электрических процессов в клетках, терморегуляция, энергорассеяние, сопровождающее анаболизм. Основной обмен выражается количеством энергозатрат из расчета 1 ккал на 1 кг массы тела в час [1 ккал/(кг�ч)]

Основной обмен определяют в строго контролируемых, искусственно создаваемых условиях:

утром, натощак (через 12�14 часов после последнего приема пищи);

в положении лежа на спине, при полном расслаблении мышц, в состоянии спокойного бодствования;

в условиях температурного комфорта (18�20 �С);

за 3 суток до исследования из организма исключают белковую пищу;

Самый интенсивный основной обмен отмечается у детей (у новорожденных � 53 ккал/кг в сутки, у детей первого года жизни � 42 ккал/кг в сутки).

Средние величины основного обмена у взрослых здоровых мужчин составляют 1300�1600 ккал/сут, у женщин эти величины на 10% ниже. Это связано с тем, что у женщин меньше масса и поверхность тела.С возрастом величина основного обмена неуклонно снижается. Средняя величина основного обмена у здорового человека приблизительно 1 ккал/(кг�ч).

Закон поверхности Рубнера.

Энергетические затраты теплокровного организма пропорциональны площади поверхности тела.

Зависимость интенсивности основного обмена от площади поверхности тела была показана немецким физиологом Рубнером для различных животных. Согласно этому правилу, интенсивность основного обмена тесно связана с размерами поверхности тела:

у теплокровных организмов, имеющих разные размеры тела, с 1 м2 поверхности рассеивается одинаковое количество тепла.

Расчет суточной затраты энергии (уравнение Гарриса�Бенедикта):

Для женщин = 65,5 + [9,6 � Вес(кг)] � [1,8 � Рост(см)] � [4,7 � Возраст(годы)]

Для мужчин = 65 + [13,7 � Вес(кг)] + [5 � Рост(см)] � [6,8 � Возраст(годы)]