34

с дефицитом тех или иных микроэлементов. В данных регионах развиваются эндемические заболевания. Например, эндемический зоб при недостатке йода, кариес при дефиците фтора,

В детском возрасте рациональное питание особенно важно в критические периоды роста. К таким этапам относятся:

1.эмбриональный период, во время которого необходимо правильное питание будущей матери;

2.период новорожденности, во время которого возникают так называемые транзиторные состояния (гипогликемия, гипопротеинемия, гипокальциемия, гипотермия, потеря массы тела). Эти состояния при правильном питании носят временный характер, при дефектах вскармливания могут приводить к патологии;

3.грудной период, для которого оптимальным является естественное вскармливание;

4.подростковый период - период полового созревания, когда происходит гормональная перестройка метаболизма.

3.3.Биохимия витаминов

Витамины - это минорные компоненты пищи, которые выполняют регуляторную роль в обмене веществ. Термин витамины возник в связи с тем, что первый витамин, открытый К. Функом в 1911 году содержал аминогруппу и предотвращал развитие полиневрита.

3.3.1. Номенклатура витаминов

Каждый витамин имеет три вида названий:

1.буквы латинского алфавита;

2.название, отражающее химическую природу витамина (например, ретинол – спирт);

3.название, образующееся путём сочетания приставки анти с названием заболевания, возникающего при отсутствии витамина (например, антирахитический, антианемический витамины).

3.3.2. Классификация витаминов

По растворимости витамины делятся на две группы:

-водорастворимые (С, В, Н, РР)

-жирорастворимые (А, Д, Е, К).

Иногда выделяют витаминоподобные вещества, например инозит, пангамовая кислота.

3.3.3.Биологическая роль витаминов

1.Коферментная: витамин РР (противопеллагрический) входит в состав кофермента НАД, витамин В2 (рибофлавин) – в состав кофермента ФАД.

2.Являются аллостерическими активаторами (регуляторами) многих ферментов.

3.Некоторые витамины входят в состав более сложных белков, например витамин А (антиксерофтальмический) входит в состав родопсина сетчатки.

4.Антирадикальная (антиоксидантная) функция. Витамины блокируют свободные радикалы, в том числе, радикалы кислорода. Данная функция наиболее характерна для витаминов Е, А, С.

3.3.4.Обмен витаминов

•Всасывание. Для некоторых витаминов имеются специальные белки-переносчики, во всасывании жирорастворимых витаминов принимают участие жёлчные кислоты.

•Транспорт витаминов. Для жирорастворимых витаминов необходимы транспортные белки (например, ретинолсвязывающий белок для витамина А).

•В тканях витамины встраиваются в состав коферментов.

•Инактивация витаминов происходит в печени.

35

•Продукты распада витаминов выводятся через почки. По их концентрации в моче судят об обмене витаминов в организме.

В обмене витаминов возможны нарушения:

-авитаминозы – патологические состояния, развивающиеся при отсутствии витаминов в пище и при нарушении их усвоения и обменных превращений;

-гипервитаминозы – патологические состояния вследствие избыточного поступления

ворганизм;

-гиповитаминозы – патологические состояния, возникающие при недостаточном поступлении или частичном нарушении обмена витаминов, а также при повышенной потребности в них (беременность, ранний детский возраст, работа в жарких цехах и др.)

Различают экзогенные и эндогенные причины гиповитаминозов. Экзогенные (алиментарные) гиповитаминозы лечат путём назначения витаминных препаратов и продуктов, богатых недостающим витамином.

К эндогенным причинам относятся нарушение всасывания при заболеваниях желудочно-кишечного тракта, заболевания печени и жёлчевыводящих путей, дисбактероиозы, гельминтозы. Эндогенные гиповитаминозы лечат путём инъекций витаминов, минуя желудочно-кишечный тракт.

Вдетском возрасте могут встречаться особые витаминорезистентные состояния, при которых нарушено включение витаминов в состав коферментов. Эти состояния корректируют назначением готовых коферментных форм витаминов.

3.3.5. Краткая характеристика некоторых витаминов

Витамин А, ретинол, антиксерофтальмический витамин (препятствующий сухости глаз). По химической природе является циклическим ненасыщенным спиртом. Распространён в продуктах животного происхождения: желток, сливочное масло, печень. Растительные продукты (морковь, красный перец) содержат провитамин каротин. Суточная потребность до 5 мг.

Биологическая роль:

-участвует в синтезе зрительного пигмента родопсина;

-стимулирует рост и развитие эпителия, костной, хрящевой ткани способствуя синтезу в них нуклеиновых кислот, сложных углеводов (гликозаминогликанов);

-является инактиватором радикальных форм кислорода.

Авитаминоз проявляется нарушением сумеречного зрения (куриная слепота). Развивается сухость роговицы глаза (ксерофтальмия) в результате ороговевания эпителия слёзной железы, закупорки её протока и прекращения слезоотделения. Страдают эпителиальные ткани дыхательных путей, мочевыводящих путей (дерматиты, бронхиты, пиелиты), нарушается репродуктивная функция. Возможен и гипервитаминоз А при использовании большого количества продуктов, содержащих этот витамин.

Витамин РР, никотиновая кислота, противопеллагрический витамин. Содержится в злаках, дрожжах. Суточная потребность в нём составляет до 10 мг.

Биологическая роль: входит в состав коферментов НАД и НАДФ, участвует в процессах биологического окисления. Авитаминоз проявляется заболеванием пеллагра (шершавая кожа). К её симптомам относятся дерматит, слабоумие (деменция), расстройства функций кишечника (диарея) - болезнь «трёх Д».

Витамин В2, рибофлавин, витамин роста. Он включает флавин и рибитол, распространён в оболочке злаков, в дрожжах. Суточная потребность 1-2 мг. Биологическая роль: входит в состав коферментов ФМН и ФАД, участвует в биологическом окислении. Авитаминоз проявляется в виде дерматита, катаракты, анемии, поражении сердечной мышцы

Липоевая кислота – витаминоподобное вещество, представляет собой восьмиуглеродную жирную кислоту с двумя SH - группами. Биологическая роль: является коферментом окислительного декарбоксилирования α-кетокислот.

36

Пантотеновая кислота является витамином, который, в свою очередь, включает β- аланин и производное масляной кислоты. Она распространена в животных и растительных продуктах. Суточная потребность до 10 мг. Биологическая роль: входит в состав HSКоА, участвует в окислительном декарбоксилировании α-кетокислот, в активации жирных кислот. Авитаминоз проявляется дерматитом, депигментацией волос, поражением нервной системы.

Витамин В1, тиаминдифосфат, антиневритный витамин включает в свой состав пиримидиновое кольцо, содержит аминогруппу. Суточная потребность 2 мг, содержится в злаках, дрожжах. Биологическая роль: входит в состав кофермента тиаминдифосфата (ТДФ) и участвует в окислительном декарбоксилировании α - кетокислот, является коферментом транскетолазы при окислении глюкозы по пентозофосфатному пути. Авитаминоз проявляется полиневритами (болезнь бери-бери).

3.4. Биохимические основы рационального вскармливания грудных детей

При составлении оптимального по количеству и качественным критериям питания для детей грудного возраста нужно учитывать многие факторы.

-Для детей энергетическая потребность выше, чем у взрослых: для ребёнка 0-6 месяцев

–125-120 ккал / кг, 6-12 месяцев – 110 ккал /кг, 5-6 лет – 50-60 ккал/ кг.

-Организм ребёнка более чувствителен к недостатку незаменимых компонентов питания.

-У детей повышена потребность в витаминах и микроэлементах в расчёте на массу тела.

-Для детей первого года жизни соотношение между Б : Ж :У должно составлять 1:2:4.

3.4.1. Химический состав грудного молока Молозиво отличается небольшим объёмом, высокой плотностью и калорической

ценностью. Калорийность 1 литра молозива в первый день лактации составляет 1500 ккалорий. В молозиве содержится более низкая концентрация лактозы, жира, водорастворимых витаминов по сравнению со зрелым молоком, но более высокая концентрация белков, жирорастворимых витаминов, некоторых минеральных веществ (таких как натрий, цинк). Содержание белков в молозиве достигает 2,3 г/100 мл, что примерно в два раза выше, чем в зрелом молоке. Концентрация жиров в молозиве, наоборот, значительно ниже, чем в зрелом молоке (2,9 г/100 мл в молозиве по сравнению с 4,5 г/100 мл в зрелом молоке). В молозиве существенно выше по сравнению со зрелым молоком содержание природных антиоксидантов, таких как витамин А, Е, β- каротины, селен. В нём высок уровень иммуноглобулинов и других защитных факторов

Зрелое молоко начинает образовываться на 3-14-ый дни лактации. Оно необычайно разнообразно по химическому составу, содержит около 400 различных органических и минеральных компонентов.

Среднее содержание белка в грудном молоке составляет 11,5 г/л (0,9-1,3 г/100 мл). Белки женского молока представлены в основном α- лактоальбумином, лактоферрином и иммуноглобулинами. Казеиновый коэффициент (отношение сывороточные белки /казеиновые белки) в женском молоке составляет 55:45. Казеиновое соотношение в грудном молоке позволяет образовывать более мягкий для желудка ребёнка творожок, облегчающий пищеварение у грудного ребёнка. Казеиновые белки в грудном молоке в основном представлены β- казеинами. Сывороточные альбумины молока характеризуются более благоприятным для ребёнка аминокислотным составом. Среди иммуноглобулинов в женском молоке преобладает Jg A (95% всех иммуноглобулинов), который повышает защитные свойства слизистой кишечника ребёнка от инфекций. Для грудного молока характерно высокое содержание белка лактоферрина (170 мг/100 мл), который обеспечивает всасывание железа в кишечнике. Лактоферрину свойственно также и

37

антимикробное действие. В силу отмеченных особенностей белки грудного молока отличаются высокой усвояемостью и биологической ценностью.

В грудном молоке высока доля небелкового азота - мочевины, мочевой кислоты, креатинина, аминосахаров, аминокислот. На него приходится до 25% общего азота молока. Женское молоко имеет своеобразный аминокислотный состав: высокий уровень свободных аминокислот - цистеина, таурина, триптофана и более низкое содержание метионина и лизина.

Содержание липидовв зрелом молоке составляет примерно 40-45 г/л, хотя его значения могут колебаться в широком диапазоне: от 31 г/л до 52 г/л.

Липиды в женском молоке находятся в виде тонкой эмульсии, что облегчает их переваривание. Среди липидов грудного молока преобладают триацилглицерины. В меньшем количестве в нём присутствуют фосфолипиды. Женское молоко богато холестерином. В женском молоке преобладают ненасыщенные жирные кислоты: оно содержит 42% насыщенных и 57% ненасыщенных жирных кислот, богато длинноцепочечными мононенасыщенными и ПНЖК. Важной особенностью ТАГ и фосфолипидов грудного молока является наиболее оптимальное пространственное расположение в их составе соответствующих остатков жирных кислот. В женском молоке также содержится карнитин - важный компонент, обеспечивающий внутриклеточный транспорт жирных кислот. Женское молоко может содержать значительные количества биологически активных простагландинов. Липиды грудного молока обеспечивает для ребёнка 35-50% дневной энергетической нормы.

Содержание углеводов в женском молоке составляет 68-74 г/л. 85% всех углеводов приходится на лактозу, но в нём присутствуют также галактоза, фруктоза, а также другие олигосахариды.

Лактоза служит субстратом для бродильной микрофлоры, обеспечивает всасывание ряда минеральных веществ, например, кальция, железа, магния, марганца. Лактоза обеспечивает около 40% энергетических потребностей грудного ребёнка. Она также является источником галактозы для синтеза гликолипидов и гликопротеидов.

Очень важным компонентом грудного молока являются присутствующие в нём специфические смешанные олигосахариды. Роль олигосахаридов женского молока состоит, прежде всего, в обеспечении организма ребёнка различными производными моносахаров, синтез которых в тканях затруднён. Кроме того, показано участие олигосахаридов в поддержании роста молочной и бифидофлоры в кишечнике ребёнка, а также ингибирование адгезии патогенных микроорганизмов на клетках слизистой оболочки кишечника.

Грудное вскармливание стимулирует развитие бифидофлоры в кишечнике ребёнка. Бифидофлора (БФ) - анаэробная флора, продуцирующая молочную, уксусную кислоты из лактозы и смешанных олигосахаридов грудного молока. Образующиеся короткоцепочечные кислоты закисляют рН кишечника и тем самым оказывают антибактериальное действие. Они обладают антитоксическим эффектом, связывая некоторые токсические амины кишечника. БФ продуцирует некоторые витамины группы В, ферменты, в частности, лизоцим, казеин - фосфатазы. БФ активирует дисахаридазы кишечника младенца, защищает его организм от дефицита цинка. БФ активирует пролиферацию энтероцитов, оказывает иммуномодулирующий эффект.

Содержание витаминов в молоке правильно питающихся женщин, как правило, соответствует потребностям ребёнка, вскармливаемого грудью.

Общее содержание минеральных веществ в женском молоке оптимально соответствует потребностям ребёнка. Оно составляет 2 г/л. Выявлено, что содержание таких минеральных веществ как кальций, фосфор, железо, магний, цинк, фториды в грудном молоке мало зависит от рациона матери. Содержание кальция в грудном молоке составляет 7,0 ммоль/л (260 -300 мг/л). Содержание фосфора в женском равняется 4,5 ммоль/л (140 мг/л). Содержание натрия в женском молоке составляет 7 ммоль/л (113 - 264

38

мг/л), концентрация калия - 14 ммоль/л (400 - 700 мг/л), уровень хлоридов - 11 ммоль/л (366

- 421 мг/л

Несмотря на относительно низкое содержание в грудном молоке таких микроэлементов как железо, цинк, марганец, йод, обеспеченность ими детей первых месяцев жизни, находящихся на грудном вскармливании, является вполне достаточной.

Грудное молоко богато биологически активными веществами, которые уникальны по своему подбору. К ним относятся многие гормоны: окситоцин, пролактин, либерины, гонадотропин, соматотропин, тиреотропин, инсулин, соматостатин, кальцитонин, релаксин, тироксин, трийодтиронин, кортикостероиды, половые гормоны, эритропоэтин, гормонально активные пептиды: бомбезин и нейротенсин.

Биологически активные компоненты грудного молока.

В женском молоке представлены также многочисленные факторы роста (фактор роста эпидермиса, инсулиноподобный фактор роста (ИФР) гранулоцитарномакрофагальный колониестимулируемый (ГМ-КСФ), фактор роста нервной системы).

Женское молоко включает в свой состав огромное количество антибактериальных, антивирусных факторов.

Защитные факторы женского молока могут быть разделены на несколько групп: -иммуноглобулины, главным образом секреторный JgA, который обеспечивает

местную иммунную защиту слизистых оболочек пищеварительного тракта. В молоке человека присутствует некоторое количество JgG. Содержание же JgM и JgE незначительно. Особенностью молока матери является высокое содержание в нём каталитически активных антител (абзимов).

-иммунокомпетентные клетки: Т-лимфоциты, нейтрофилы, макрофаги, а также комплекс белковых факторов (интерлейкины, интерфероны), регулирующие их активность.

-белковые вещества, обладающие неспецифическим противоинфекционным действием (лактоферрин, лизоцим, лактопероксидаза). В женском молоке присутствует до 70 различных ферментов.

-бифидогенные факторы (пребиотики): лактоза, олигосахариды, цистеин, пантотеновая кислота, которые обеспечивают развитие в кишечнике нормальной микрофлоры.

39

4. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

4.1. Функции биологического окисления

Биологическое окисление – совокупность окислительных процессов, протекающих в живых организмах. Биологическое окисление выполняет ряд важных функций:

•энергетическая функция – окислительные процессы снабжают биологические процессы энергией;

•биосинтетическая функция – путём окислительных реакций могут синтезироваться новые вещества, необходимые для организма;

•обезвреживающая (детоксикационная) функция - путём окислительных реакций многие вещества лишаются своей токсичности.

По современным представлениям процесс окисления веществ заключается в потере ими электронов. Вещество, теряющее электроны – донор электронов, вещество, присоединяющее электроны – акцептор электронов. Все живые организмы, в зависимости от вида конечного акцептора электронов, делятся на аэробные и анаэробные организмы. У аэробов конечным акцептором электронов служит кислород. У анаэробных организмов электроны переносятся не на кислород, а на какие-то другие вещества

4.2. Краткая история учения о биологическом окислении

На первых этапах изучения процессов окисления были предложены теории активации кислорода, в которых предполагался какой-то механизм активации кислорода, поскольку кислород в организме является более активным окислителем, чем вне организма. К теориям данного направления относится, в частности, перекисная теория А.Н. Баха (1847 г.). Согласно ей, в организме есть вещества, которые, взаимодействуя с молекулярным кислородом, образуют перекисные вещества, в которых кислород становится более активным.

O

O O R RO

Впоследствии кислород в составе перекиси окисляет многие субстраты в организме.

Врезультате к окисленному веществу присоединяется кислород. Эта теория носит частный характер.

Позже (1911 г.) возникла теория дегидрирования А.В. Палладина. Согласно ей,

вещества окисляются не путём присоединения кислорода, а путём потери атомов водорода.

Впервую анаэробную фазу окисления происходит перенос атомов водорода с субстрата (RH2) на акцептор (X) при участии ферментов дегидрогеназ:

По теории Палладина допускалось участие в окислительных процессах кислорода воды. Теория Палладина более универсальна и положена в основу современных представлений о биологическом окислении.

4.3. Виды биологического окисления

Процессы биологического окисления могут протекать в разных отделах клетки. Принято выделять 2 вида окисления: внутримитохондриальное и внемитохондриальное.

Внутримитохондриальное окисление протекает в матриксе и на внутренней мембране митохондрий, выполняет энергетическую функцию.

Внемитохондриальное окисление протекает в цитозоле, эндоплазматической сети, пероксисомах и на внешней мембране митохондрий. Оно в основном участвует в биосинтетических и детоксикационных процессах.

41

Витамин РР (никотиновая кислота, противопеллагрический витамин) содержится в основном в злаках. Суточная потребность в нём составляет 10 мг.

Биологическая роль РР – входит в состав НАД и НАДФ, участвует в процессах биологического окисления. Авитаминоз РР носит название пеллагра (шершавая кожа). К её симптомам относятся дерматит, слабоумие (деменция), расстройства функций кишечника ( диарея) - болезнь «трёх Д».

4.4.2. Флавопротеиды (флавиновые дегидрогеназы)

Флавопротеиды - сложные белки, состоящие из белка и небелковой части, представленной флавинмононуклеотидом (ФМН) или флавинадениндинуклеотидом (ФАД). Белковая часть флавопротеидов имеет большую молекулярную массу около 200 тыс. д. и прочно связывается с небелковой частью.

ФМН – флавинмононуклеотид, состоит из флавина, рибитола, Н3РО4.

ФАД – флавинадениндинуклеотид, включает флавиновый и адениловый нуклеотиды:

1.флавин – рибитол - Н3РО4.

2.аденин – рибоза - Н3РО4.

Общий вид реакции с участием флавопротеидов (2 стадии):

В качестве субстратов для флавопротеидов служат янтарная кислота, активные формы жирных кислот. В этом случае флавопротеиды являются первичными акцепторами протонов и электронов для этих веществ. Донором водорода для флавопротеидов может также служить молекула НАДН2. В этом случае флавопротеиды являются промежуточными акцепторами протонов и электронов. В качестве акцепторов электронов для флавопротеидов могут являться убихинон (во внутримитохондриальном окислении) или кислород (во внемитохондриальном окислении). В этом случае флавопротеиды называют не дегидрогеназами, а оксидазами. Непосредственным переносчиком протонов и электронов в составе флавопротеидов служит флавин.

Схема восстановления флавина:

Основу флавиновой группировки составляет витамин В2

4.4.2.1. Витамин В2

Витамин В2 (рибофлавин, витамин роста) включает флавин (изоаллоксазин) и рибитол. Рибофлавин распространён в злаках, в дрожжах. Суточная потребность в нём составляет 1-2 мг. Биологическая роль – входя в состав ФМН и ФАД, участвует в биологическом окислении.

Авитаминоз проявляется в виде дерматита, катаракты, анемии, поражении сердечной мышцы

4.4.3. Убихинон (КоQ)

43

становится более положительной Вещества с более высоким положительным потенциалом легче принимают электроны. Таким образом, в результате перепада потенциалов в дыхательной цепи происходит спонтанное, самопроизвольное перемещение электронов от начала цепи до её конца. В митохондриях принято различать короткую и длинную дыхательные цепи.

4.5.1. Длинная дыхательная цепь

Длинная дыхательная цепь включает в себя окисление, начинающееся в матриксе митохондрий при участии НАД (НАДФ)- дегидрогеназ. В длинной цепи окисляются, например, изолимонная кислота, яблочная кислота, жирные кислоты, молочная кислота.

В матриксе происходит дегидрирование субстратов, образующихся в процессе метаболизма с переносом электронов и протонов на кофермент НАД (НАДФ).

НАД - зависимая дегидрогеназа выполняет роль акцептора электронов и протонов от окисляемых веществ. Образующаяся восстановленная форма НАД затем окисляется при участии флавопротеидов, встроенных в мембрану митохондрий по схеме:.

В последующем электроны с восстановленной формы флавопротеидов переносятся при участии железосеросодержащих белков (Fe-S комплексов) на следующий компонент: КоQ по схеме:

КоQН2 окисляется системой цитохромов, на которые с КоQ перебрасываются только электроны, а протоны выталкиваются в межмембранное пространство:

KoQН2 цB(FeS) цС1 цС цА,А3

Н+ в межмембранное пространство

Под действием цитохромоксидазы на молекулу кислорода перебрасываются 4 электрона с образованием восстановленной формы кислорода 2О2-, который в последующем взаимодействует с 4Н+ с образованием Н2О.

4.5.2.Короткая дыхательная цепь

Вкороткой дыхательной цепи окисляются субстраты, для которых первичным акцептором электронов является флавопротеид (отсутствует этап окисления субстрата при участии НАД-ДГ). Веществами, окисляющимися в короткой цепи, являются, напимер, янтарная кислота, активные формы жирных кислот, глицерофосфат.

Первая стадия окисления:

Н*

RН2 ФАД ФП R ФАДН2

В последующем ФАДН2 при участии комплекса флавопротеидов(FeS), окисляется

КоQ:

ФАДН2(FeS) KoQ ФП ФАД KoQН2

Восстановленный КоQ далее окисляется также, как и в длиной дыхательной цепи, системой цитохромов.

44

4.5.3. Окислительные комплексы и их ингибиторы

Длинная и короткая дыхательные цепи включают в свой состав структурнофункциональные фрагменты, которые называются окислительными (дыхательными) комплексами. В длинной цепи выделяют три основных комплекса (I, III, IV), а в короткой два (III, IV).

I комплекс - НАДН - дегидрогеназный комплекс, располагается между НАДН2 и КоQ, включает в себя ФП и FeS – белки.

III комплекс - КоQН2-дегидрогеназный или (цитохром С - редуктазный комплекс), располагается между КоQ и цС, включает в себя цВ, FeSбелки, цС1.

IV комплекс - цитохромоксидазный комплекс – окисляет цС и включает в себя цА,А3 II дополнительный сукцинатдегидрогеназный комплекс включает ФП* и FeS*,

Каждый дыхательный комплекс может быть выключен из работы дыхательной цепи определёнными веществами – ингибиторами, блокирующими передачу электронов и протонов.

Ингибиторы первого комплекса – амитал, барбитураты, ротенон. Ингибитор второго комплекса – малонат.

Ингибитор третьего комплекса – антимицин А. Ингибиторы четвертого комплекса – Н2S, цианиды, СО.

4.6. Энергетический обмен

Внутримитохондриальное окисление тесно связано с энергетическим обменом. Энергетический обмен – сбалансированное протекание реакций образования и реакций использования энергии.

Реакции, идущие с высвобождением энергии, называется экзэргоническими реакциями, а идущие с поглощением энергии - эндэргоническими. Основным экзэргоническим процессом в организме является транспорт электронов по дыхательной цепи. Окислительно-восстановительный потенциал начальных компонентов НАД окисленный /НАД восстановленный составляет -0,32 в. Окислительно-восстановительный потенциал конечных компонентов дыхательной цепи равен +0,82 в.

В результате разницы потенциалов в ЦПЭ происходит перемещение электронов с высвобождением энергии. Та энергия, которая может быть использована на выполнение какой-либо работы – свободная энергия. Энергия, освобождающаяся в дыхательной цепи, рассчитывается по

формуле: F = -23*n*Δе,

где n- количество переносимых электронов на один атом кислорода (2е),

е – перепад окислительно-восстановительного потенциала между началом и концом цепи переноса электронов.

е = 0,82 –(-0,32) = 1,14 в

47

3.синтез АТФ из других макроэргов (за счёт креатинфосфата);

4.синтез АТФ из двух молекул АДФ.

АТФ является энергетической «разменной валютой» клетки.

4.6.2. Особенности энергетического обмена у детей

Они определяются повышенными энергозатратами в детском возрасте. Для детей скорость окислительных процессов в течение первого года в три раза выше, чем у взрослых людей, а в более позднем возрасте - в два раза. Это проявляется в более высокой потребности в кислороде, калорической ценности рациона, скорости обмена АТФ, активности ферментов энергетического обмена. В то же время, у детей существует несовершенство регуляции энергетического обмена. Может возникать несоответствие между процессами образования энергии и теплоотдачей. В детском возрасте органом термогенеза или теплообразования является бурая жировая ткань, в которой происходит нефосфорилирующее окисление (энергия окисления субстрата используется не на работу, а на образовании тепла).

4.6.3. Нарушение энергетического обмена.

Снижения энергетического обмена - гипоэргические состояния могут возникать при недостатке кислорода, питательных веществ, повреждении митохондрий, разобщении окислительного фосфорилирования под действием токсинов микроорганизмов. Для лечения гипоэргических состояний используют цитохромы, КоQ, витамины. В последнее время расширяются представления об особых гипоэргических состояний, которые называются митохондриальными болезнями. Их связывают с мутациями ДНК как митохондриальных, так и ядерных.

4.7. Внемитохондриальное окисление

Внемитохондриальное окисление протекает в ЭПС, пероксисомах, на внешней мембране митохондрий, в цитозоле. Этот вид окисления в разных тканях расходует разное количество кислорода.

Основные функции внемитохондриального окисления:

•антитоксическая функция – обезвреживание путём окисления токсических веществ;

•синтез новых соединений путём окислительных реакций.

Различают несколько видов внемитохондриального окисления в зависимости от их

внутриклеточной локализации и вида участвующих в них компонентов. Во внемитохондриальном окислении принимают участие флавопротеиды, цитохром Р450, цитохром В5, ферменты оксигеназы, пероксидазы.

4.7.1. Окисление с участием оксидаз. Активные формы кислорода

Окисление с участием оксидаз происходит в основном на внешней мембране митохондрий. Оксидазы – аэробные флавиновые дегидрогеназы, которые переносят электроны от окисляемых субстратов по короткой цепи на кислород. Примеры: окисление некоторых аминокислот ферментами аминокислотоксидазами, аминов – аминооксидазами, ксантина – ксантиноксидазами. В результате такого окисления в тканях образуется очень активные радикалы кислорода (АФК)

O2 H2O2 O2΄ OH+ OH - гидроксильный радикал

В физиологических условиях образуется очень незначительное количество активных форм О2. Они выполняют функцию регуляции проницаемости клеточных мембран путём

48

окисления липидов в составе мембран, активности мембранных ферментов, участвуют в синтезе биологически активных эйкозаноидов. Особо важную роль в физиологических условиях АФК играют в фагоцитозе т.к. принимают участие в нескольких механизмах фагоцитоза.

•При контакте с чужеродными веществами в фагоцитах активируется мембранная флавиновая оксидаза. Под действием её образуются ион-радикалы О2, вызывающие окисление чужеродного вещества.

•В фагоцитах активируется фермент миелопероксидаза. Она путём окисления хлоридов через образование НСLО образует атомарный кислород, который окисляет чужеродные вещества, повышает проницаемость мембран фагоцитов и облегчает эндоцитоз.

•Образующийся из NО сильный окислитель пероксинитрил ONOO так же участвует в фагоцитозе.

•Пептиды – дефензины формируют в оболочках поглощаемых микроорганизмов дополнительные ионные каналы и способствуют разрушению микроорганизмов.

При фагоцитозе потребление кислорода увеличивается в 2-5 раз, и это явление получило название «окислительный взрыв»

В патологических условиях высокие концентрации активных форм кислорода оказывают токсический эффект, окисляют липиды, белки, нуклеиновые кислоты. NO обладает угнетающим действием на окислительное фосфорилирование. Поэтому в организме для разрушения избыточных концентраций активных форм кислорода существует защитная антиокислительная система. Она представлена ферментами и веществами неферментативной природы. К антиоксидантным ферментам относятся:

•супероксиддисмутаза – разрушает ион-радикал кислорода;

•каталаза – разрушает пероксид;

•глютатионпероксидаза – разрушает пероксидазы при участии пептида глютатиона.

Кнеферментативным веществам относят: белки, содержащие SH - группы, глютатион, витамины Е, А, С, некоторые гормоны, белки крови (трансферрин, церулоплазмин), селен.

4.7.2. Окисление с участием оксигеназ.

Окисление с участие оксигеназ наиболее активно протекает в ЭПС. В нём участвуют диоксигеназы и монооксигеназы.

Диоксигеназы – катализируют окисление субстрата путём присоединения двух атомов кислорода по схеме: R + O2 → RO2. Примерами могут служить: окисление гомогентизиновой кислоты диоксигеназой гомогентизиновой кислоты, окисление триптофана триптофанпирролазой с разрывом пиррольного кольца.

Монооксигеназы катализируют окисление субстратов путём присоединения одного атома кислорода. Данный вид окисления активно происходит в ЭПС печени, где на него тратится до 50% поглощаемого кислорода. В микросомальном окислении участвуют дополнительные вещества – косубстраты НАДНФ2 или витамин С, выполняющие функцию донора водорода для связывания второго атома кислорода. Микросомальное окисление в основном выполняет антитоксическую функцию (обезвреживаются продукты гниения белков, лекарственные вещества). Путём данного варианта окисления синтезируются

49

некоторые аминокислоты (тир), биогенные амины. Благодаря микросомальному окислению происходит биотрансформация различных ксенобиотиков. В них формируется гидроксильная группа, к которой в последующем присоединяются глюкуроновая кислота, Н2SО4, глютатион.

4.7.3. Пероксидазное окисление.

Пероксидазное окисление происходит по схеме:

RН2 + Н2О2 = R + 2 Н2О

Примеры пероксидаз: каталаза, глютатионпероксидаза, йодидпероксидаза (участвует в синтезе тиреоидных гормонов).

5. ОБЩИЕ ПУТИ КАТАБОЛИЗМА

Схема общих путей катаболизма

Катаболизм основных органических веществ протекает в несколько этапов. На первом этапе происходит распад сложных веществ до их составных компонентов: белков – до аминокислот, жиров – до глицерина и жирных кислот, углеводов - до моносахаридов. Эти реакции специфичны и не сопровождается высвобождением энергии.

На втором этапе образующиеся мономеры с помощью специфических реакций превращаются в два общих продукта распада: пировиноградную кислоту и ацетил-КоА. На втором этапе высвобождается четверть энергии, заключённой в исходных органических веществах.

На третьем этапе общие продукты катаболизма: пировиноградная кислота (ПВК) и ацетил - КоА включаются в дальнейшее окисление. На этом этапе высвобождается 2/3 всей энергии.

5.1. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

Если в процессе катаболизма белков, жиров, углеводов образуется ПВК, для дальнейшего окисления необходим переход её в ацетил-КоА. Этот процесс называется окислительным декарбоксилированием пировиноградной кислоты. Он включает два вида реакций: окисление и образование СО2 путём разрушения карбоксильной группы. Окислительное декарбоксилирование пирувата осуществляется при участии пируватдегидрогеназного комплекса.

50

5.1.1. Пируватдегидрогеназный комплекс

Пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) молекулярной массой 6*106 д., включает в себя три вида ферментов (Е1-Е3) и пять видов коферментов. При этом 2 кофермента (НАД и HS-КоА) находятся в свободном состоянии и входят в состав комплекса только в момент реакции. Общий вид реакции окислительного декарбоксилирования пирувата:

Ферменты пируватдегидрогеназного комплекса

Е1 – пируватдегидрогеназа декарбоксилирующая; Е2 – дигидролипоилацетилтрансфераза (трансацетилаза); Е3 – дигидролипоилдегидрогеназа.

Коферменты пируватдегидрогеназного комплекса

1.Тиаминдифосфат (ТДФ, ТПФ), содержащий витамин В1, кофактор пируватдегидрогеназы.

2.Липоевая кислота, кофактор трансацетилазы.

3.Кофермент ФАД, содержащий витамин В2, кофактор дегидрогеназы дигидролипоевой кислоты.

4.Кофермент НАД, содержащий витамин РР.

5.Кофермент НS-КоА, содержащий аденин, рибозу, два остатка фосфорной кислоты, пантотеновую кислоту (витамин В3).

Окислительное декарбоксилирование ПВК протекает в несколько стадий, в процессе которых двухуглеродный фрагмент, образующийся из ПВК, переносится на липоевую кислоту, а затем на HS-КоА.

E3 -восст

Витамины, входящие в состав пируватдегидрогеназного комплекса

В состав ПДК входит пять витаминов (РР. В2, липоевая кислота, В1, пантотеновая кислота).

Липоевая кислота

Липоевая кислота - витаминоподобное вещество, представляет собой восьмиуглеродную жирную кислоту с двумя -SH группами. Биологическая роль: является коферментом ПДК, участвует в окислении α - кетокислот.

Пантотеновая кислота, витамин В3

Пантотеновая кислота является витамином, который, в свою очередь, включает β - аланин и производное масляной кислоты. Она распространена в животных и растительных продуктах. Суточная потребность в пантотеновой кислоте составляет до 10 мг. Биологическая роль: входит в состав НSКоА и участвует в окислительном декарбоксилировании α - кетокислот, участвует в активации жирных кислот. Авитаминоз проявляется дерматитом, депигментацией волос, поражением нервной системы.

Витамин В1, тиамин, антиневритный витамин

51

Витамин В1 включает в свой состав пиримидиновое кольцо, содержит аминогруппу. Суточная потребность в нём составляет 2 мг. Тиамин содержится в злаках, дрожжах. Биологическая роль: входит в состав кофермента ТДФ и участвует в окислительном декарбоксилировании α - кетокислот, а также является коферментом транскетолазной реакции в пентозофосфатном пути окисления глюкозы. Авитаминоз проявляется полиневритами (болезнь бери-бери).

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса осуществляется путём фосфолирирования - дефосфолирирования пируватдегидрогеназы

Активаторами ПДК служат АДФ и НАД окисленный. Ингибиторами этого комплекса являются АТФ и НАДН2..

5.1.2. Биологическая роль окислительного декарбоксилирования пирувата

Биологическое значение процесса окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты заключается в том, что оно является важным этапом катаболизма, позволяющим включаться в цикл Кребса тем веществам, при распаде которых образуется ПВК. Образовавшаяся молекула НАДН2 окисляется в длинной дыхательной цепи с образованием 3-х молекул АТФ. Окислительное декарбоксилирование пирувата протекает внутри митохондрий.

5.2. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Г. Кребса)

Ацетил-КоА окисляется в цикле трикарбоновых кислот - цикле Кребса.

5.2.1. Химизм цикла Кребса (цикла трикарбоновых кислот)

52

В данном цикле происходит полное окисление ацетил-КоА. Цикл начинается с взаимодействия ацетил-КоА с щавелевоуксусной кислотой (ЩУК), а заканчивается образованием щавелевоуксусной кислоты. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) протекает внутри митохондрий.

5.2.2. Биологическое значение цикла Кребса

Энергетическая функция. Энергетическая эффективность выражается количеством молекул АТФ

В цикле Кребса выделяют 3 реакции, идущие с образованием НАДН2 по схеме: RH2 + НАД→ R + НАДН2.

Их катализируют ферменты изоцитратдегидрогеназа, кетоглютаратдегидрогеназный комплекс, малатдегидрогеназа.

Образовавшиеся в ЦТК 3 молекулы НАДН2 в последующем окисляются в длинной ЦПЭ с образованием 9 молекул АТФ (при окислении каждой НАДН2 синтезируется 3 молекулы АТФ).

В ЦТК одна реакция (сукцинатдегидрогеназная) протекает по схеме: RН2 + ФАД→ R + ФАДН2

Образовавшийся в ЦТК ФАДН2 окисляется в короткой ЦПЭ, давая энергию для синтеза 2 молекул АТФ.

Всукцинилтиокиокиназной реакции ЦТК непосредственно образуется 1 макроэрг – ГТФ (1 ГТФ = 1 АТФ).

Вцелом общая энергетическая эффективность ЦТК составляет 12 молекул АТФ. Анаболическая функция заключается в том, что некоторые метаболиты цикла Кребса не окисляются в нём, а используются для синтеза новых веществ.

Например, α - кетоглютаровая используется на синтез глютаминовой кислоты.

Сукцинил-КоА используется на синтез гема. Ацетил КоА идёт на синтез жирных кислот, холестерина. Щавелевоуксусная кислота может участвовать в синтезе аспарагиновой кислоты.

Взаимосвязь обмена белков, жиров, углеводов.

Аминокислоты Цикл Кребса Углеводы

Липиды

5.2.3. Регуляция активности цикла трикарбоновых кислот

Ключевыми ферментами ЦТК являются цитратсинтаза и изоцитратдегидрогеназа. Они ингибируются высокой концентрацией АТФ и НАДН2. Активаторами этих ферментов являются АДФ и НАД окисленный.

Лимитирующим фактором цикла Кребса являются запасы щавелевоуксусной кислоты. Запасы щавелевоуксусной кислоты могут пополняться 2 путями:

54

Аминосахара – производные моносахаридов, у которых ОН - группа во 2 положении замещена на аминогруппу.

Ацетиламиносахара – производные аминосахаров, у которых к аминогруппе присоединён остаток уксусной кислоты.

Гексуроновые кислоты – производные гексоз, у которых в 6-ом положении содержится СООН - группа.

О - гликозиды – производные циклических форм моносахаридов, у которых к гликозидному гидроксилу присоединён какой-либо спирт.

N-гликозиды – производные моносахаридов, в которых к полуацетальному гидроксилу присоединяется азотсодержащее вещество.

6.2.2. Олигосахариды

Олигосахариды представлены дисахаридами и смешанными олигосахаридами.

К наиболее распространённым дисахаридам относятся мальтоза (2 глюкозы), сахароза (глюкоза и фруктоза), лактоза (галактоза и глюкоза).

Лактоза - специфический дисахарид молока (в грудном молоке её содержится 6,5% или 65 г/л).

Смешанные олигосахариды представлены несколькими углеводами, соединёнными гликозидными связями. Чаще всего в их составе содержатся моносахариды манноза, фруктоза, нейраминовая кислота, галактоза. Олигосахариды в комплексе с белками определяют групповую специфичность крови, резус - фактор, входят в состав иммуноглобулинов, клеточных рецепторов, определяют межклеточные взаимодействия.

В грудном молоке присутствует большое количество специфичных олигосахаридов, например: фукозилактоза (фукоза, галактоза, глюкоза); лакто- N -тетраоза (галактоза, глюкоза, фукоза, N-ацетилглюкозамин), бифидус-фактор.

55

6.2.3. Полисахариды

Полисахариды представлены гомополисахаридами (состоят из одного вида моносахарида) и гетерополисахаридами (включают разные моносахара и их производные).

6.2.3.1. Гомополисахариды

Основными гомополисахаридами для организма являются крахмал (пищевой полисахарид) и гликоген (резервный полисахарид организма).

Наиболее высокая концентрация гликогена находится в печени – 5%, в мышцах – 2%. Он состоит из цепей циклических форм глюкозы, соединенных 1,4-α-гликозидной связью, ветвящихся за счёт 1,6-альфа-гликозидных связей. Молекулярная масса гликогена высока, достигает 107-109 д. Биологическая роль гликогена: является резервным энергетическим материалом, который не связывает воду и очень легко может перейти в глюкозу.

6.2.3.2. Гетерополисахариды (гликозаминогликаны)

Гетерополисахариды гликозаминогликаны (ГАГ) – линейные неразветвлённые полисахариды, построенные из дисахаридных фрагментов, которые, в свою очередь, в свой состав включают гексуроновую кислоту и N - ацетилгексозаминсульфат.

Взависимости от состава дисахаридных фрагментов выделяют несколько видов ГАГ:

•гиалуроновая кислота;

•хондроитинсульфаты;

•кератансульфаты;

•гепарин, гепарансульфат.

Гиалуроновая кислота включает в свой состав глюкуроновую кислоту и N- ацетилглюкозамин. Её молекулярная масса достигает 105-107 д. Гиалуроновая кислота содержится в межклеточном веществе соединительной ткани, в синовиальной жидкости, в

56

слизистых секретах. За счёт присутствия большого количества полярных групп гиалуроновая кислота очень гидрофильна (1 грамм её может связать до 500 мл воды). Биологическая роль:

•играет роль тканевого цемента, соединяет клетки, волокнистые структуры в единую ткань;

•участвует в водно-солевом обмене;

•определяет сосудисто-тканевую проницаемость;

•придаёт тургор ткани.

Хондроитинсульфаты содержат в своём составе глюкуроновую кислоту, N- ацетилгалактозаминсульфат. Они распространены в хрящевой ткани, коже, сухожилиях. Молекулярная масса их составляет 18-28 тысяч д. Выделяют несколько видов хондроитинсульфатов: хондроитин-4-сульфаты (остаток сульфата в N- ацетилгалактозамине находится в 4 положении), хондроитин-6-сульфаты (сульфат находится в 6 положении), дерматансульфаты (содержат идуроновую кислоту). Биологическая роль хондроитинсульфатов: структурные компоненты соединительной ткани.

Кератансульфаты содержат в своём составе N-ацетилглюкозаминсульфат, галактозу. С возрастом содержание кератансульфатов в межпозвоночных хрящах, в роговице возрастает.

Гепарин включает в свой состав глюкуронатсульфат (или идуронатсульфат), N- ацетилглюкозаминсульфат. Гепарин синтезируется в тучных клетках. Биологическая роль гепарина: является антикоагулянтом, структурным компонентом базальных мембран, активатором некоторых ферментов, выполняет дезинтоксикационную функцию.

Гликозаминогликаны чаще всего находятся в тканях не в свободном состоянии, а в составе протеогликанов.

Протеогликаны (ПГ) – это белковоуглеводные комплексы, в которых содержатся белки (<5%), а углеводная часть представлена гликозаминогликанами. В хрящевой ткани протеогликаны образуют особые структуры – протеогликановые агрегаты. Наиболее распространённым среди них является агрекан. Он имеет структуру, представленную на рисунке. Этот агрегат имеет молекулярную массу до 1 миллиарда д. Наряду большими агрегатами в соединительной ткани присутствуют малые протеогликановые агрегаты, например, бигликаны, в которые входят одна полипептидная цепь и две - три углеводные цепочки.

гиалуроновая кислота

белки КС

Агрекан

6.2.3.3. Особенности содержания и обмена гликозаминогликанов и протеогликанов у детей.

•Повышено содержание протеогликанов, что обуславливает физиологическую гипергидратацию новорожденных.

•Иное распределение ГАГ: преобладает содержание гиалуроновой кислоты по сравнению с уровнем хондроитинсульфатов и кератансульфатов.

•Более активен обмен ГАГ.

•Относительно высокое выделение ГАГ с мочой.