Основы физической, коллоидной и биологической химии. Курс лекций

5. Отщепление активной уксусной кислоты

Высокомолекулярные жирные кислоты за каждый такой цикл укорачиваются на два углеродных атома. ЖК с нечётным числом углеродных также окисляются путём бета-окисления с образованием ацетил-КоА и пропионил-КоА, который превращается в сукцинил-КоА и поступает в ЦТК.

Биосинтез жирных кислот. Известны два типа этого синтеза: митохондриальный и немитохондриальный, который идёт в гиалоплазме клеток. В реакциях участвуют ферменты класса синтетаз. В состав карбоксилазы входит витамин биотин.

Исходный продукт – ацетилкоэнзим А (активная уксусная кислота), которая взаимодействует с особым ацилпереносящим белком (АПБ-SН) из 86 аминокислот. Его простетическая группа – фосфорный эфир пантотеновой кислоты (витамин В3). В тканях

не синтезируются ненасыщенные жирные кислоты!

Схема биосинтеза жирных кислот: Ацетилкоэнзим А (активная уксусная кислота)

91

Активная ацетоуксусная кислота +2Н НАДФ-Н2

НАДФ Активная β-оксимасляная кислота

–Н2О

Активная кротоновая кислота НАДФ-Н2

Активная масляная кислота

За каждый цикл ЖК удлиняется на два углеродных атома.

Образование уксусной кислоты и пути ее превращения. Она образуется при распаде жиров, углеводов и белков. Ее превращения: 1. Полностью окисляется до СО2 и Н2О в ЦТК с образованием 12 АТФ. 2. Идет на синтез: жирных кислот, ацетоуксусной кислоты, ацетилхолина, холестерина и др.

Схема биосинтеза нейтральных жиров:

92

CH2–O–СО–R1

+R3–CO–S-КоА |CH–O–СО–R2

КоА-SН | CH2–O–СО–R3

Триглицерид (жир)

Образование ацетоуксусной кислоты и ее превращения.

1.Она образуется при бета-окислении масляной кислоты.

2.Синтезируется заново из двух молекул активной уксусной

кислоты (СН3СО–S-КоА).

При нарушениях углеводного обмена (сахарный диабет), при голодании, при избытке в рационе жиров в печени синтезируются и в крови накапливаются кетоновые тела – это бета-оксимасляная кислота, ацетоуксусная кислота, ацетон. Это заболевание называется ацетонэмией, а выделение кетоновых тел с мочой – кетонурией.

Ацетон образуется из ацетоуксусной кислоты по схеме: СН3–СО–СН2–СООН –СО2 СН3–СО–СН3

Окисление кетоновых тел идёт в мышцах, мозге, надпочечниках с образованием ацетил-КоА, который поступает в ЦТК.

12.2. ХИМИЯ ФОСФОЛИПИДОВ

Фосфатидилинозиты содержат глицерин, две жирные кислоты, фосфорную кислоту и шестиатомный спирт инозит. Их много в нервной ткани, особенно в миелиновых оболочках нервных волокон.

жирная кислота Схема строения: глицерин жирная кислота

фосфорная кислота – инозит

Сфингофосфолипиды– содержатаминоспиртсфингозин, жирную кислоту, фосфорную кислоту и холин. Входят в состав нервной ткани, селезенки, легких, почек.

Схема строения: сфингозин – фосфорная кислота

|

пальмитиновая кислота – холин

93

Гликолипиды: содержат углеводы и их производные. К ним относятся:

1) цереброзиды – много в тканях мозга.

Схема строения: сфингозин – галактоза

|

жирная кислота

2) цереброн – галактоза соединяется с цереброновой кислотой, в карнозине – с лигноцериновой кислотой, в невроне – с невроновой кислотой.

Строение, синтез и распад фосфолипидов. Фосфолипиды со-

держат глицерин, две жирные кислоты, фосфорную кислоту и азотистое основание (холин или этаноламин).

СН2О–СО–С15Н31

|

Кефалин содержит вместо холина этаноламин:

ОН–СН2–СН2–NН2

пальмитиновая кислота Схема строения: глицерин олеиновая кислота

фосфорнаякислота– этаноламин

Фосфолипиды, поступающиескормами, быстрогидролизируются втонкомкишечникеподдействиемферментовфосфолипаздоспирта (глицерина, инозина или сфингозина), двух жирных кислот, фосфорнойкислотыиазотистыхоснований(холина, этаноламина, серина).

Биосинтез фосфолипидов активно идёт в печени, причём при нарушении этого процесса жир, поступающий из кишечника в кровь, вызывает заболевание – липемию (жирокровие), а в печени наступает жировое перерождение клеток (например, у алкоголиков). Первые этапы биосинтеза фосфолипидов до стадии диглицерида такие же, как и при синтезе жиров. Фосфолипиды входят в состав мембран, накапливаются в нервной ткани и печени.

94

Пирофосфат Фосфатидная кислота Цитидиндифосфохолин

(ЦДФ-холин)

12.3. ОБМЕН СТЕРИНОВ

Стерины – это высокомолекулярные, циклические спирты. Например, холестерин, который в крови находится как в свободном состоянии, так и в виде эфиров с жирными кислотами (стероиды). Он используется для синтеза гормонов половых и коры надпочечников, желчных кислот, 7-дегидрохолестерина – провитамина Д3. Синтез холестерина идет в печени, стенке кишечника, селезенке, мозге. Исходные продукты: активная уксусная и ацетоуксусная кислоты, лейцин. Промежуточные продукты – мевалоновая кислота, сквален, ланостерин.

95

Схема синтеза холестерина:

Сквален

циклизация

Ланостерин

Холестерин

С возрастом содержание холестерина в крови увеличивается, он откладывается в стенках сосудов, суживая их просвет, вызывая склероз (в тканях мозга – атеросклероз).

Регуляция липидного обмена. Кровь транспортирует жиры в форме липопротеинов очень низкой плотности (ЛОНП) и хиломикронов. Перерезка нервных стволов приводит к накоплению жира в тканях, а раздражение симпатических нервов усиливает распад жиров. Мужскиеполовыегормоныусиливаютраспаджиров(дляускорения откорма применяют кастрацию). Ускоряют распад жиров соматотропин, тироксин, адреналин. Женскиеполовыегормонывпервуюполовинуплодоношенияповышаютсодержаниежиравтканях. Инсулин ускоряет синтез ацилсинтетазы, повышает активность липопротеинлипазы в адипоцитах. Жировые ткани содержат липазу, которая активируется протеинкиназой, и ЖК поступают в кровь, затем – в печень, где быстро окисляются.

Вопросы для самоконтроля

1.Каково химическое строение и константы жиров (триглицеридов)?

2.Как происходит гидролиз жиров в пищеварительном тракте? Какова роль желчных кислот в этом процессе?

3.Напишите реакции бета-окисления жирных кислот на примере масляной кислоты.

96

4.Напишите схему биосинтеза жировых кислот.

5.Что такое фосфолипиды? Какова их структура и биохимические функции?

6.Как синтезируются холестерин в животном организме и в какие биологически важные вещества он превращается?

13. ВЗАИМОСВЯЗЬ ОБМЕНА БЕЛКОВ, УГЛЕВОДОВ И ЛИПИДОВ

Единство обмена веществ обусловлено:

1)обратимостью процессов распада.

2)возможностью превращения одних веществ в другие, напри-

–NH3

3) общими обменными процессами (ЦТК) и продуктами (ПВК, ЩУК, уксусная кислота).

Синтез и распад может катализироваться различными ферментами и управляться различными гормонами.

Схема взаимосвязи обмена белков, жиров и углеводов:

97

14. ВОДНО-МИНЕРАЛЬНЫЙ ОБМЕН

14.1. ОБМЕН ВОДЫ

Содержание воды у животных (в %): эмбрион (1 месяц) – 95; новорожденные – 75; в возрасте двух месяцев – 70; взрослые – 65. Чемактивнееметаболизмвтканях, тембольшеонисодержатводы. Содержание воды в тканях (%): мозг (серое вещество) – 84; сердце – 78; кровь – 80; мышцы –75; кости – 20.

Функции воды: 1. Вода – полярная молекула и обладает растворяющими и мицеллообразующими свойствами. 2. Вызывает электролитическуюдиссоциациюсолей. Например, NaCl Na+ + Cl–. 3. Транспортная. 4. Участвует в реакциях гидролиза. 5. Принмает участие в ОВР. Например, перенос Н2 на О2 приводит к образованию Н2О. 6. Участвует в поддержании постоянства рН и осмотического давления в тканях. 7. Терморегулирующая. 8. Структурная – образует гидратные оболочки, гели. 9. Смазочное вещество – в суставных сумках.

Потребность в воде – около 40 г/кг ж. м. У молодняка –

в8–10 раз выше! Потребность в воде повышается при активной мышечной работе, образовании молока. В отсутствие воды животные погибают в 10 раз быстрее, чем при голодании.

Ворганизм поступает вода двух видов: экзогенная: 1) питьевая; 2) с кормами (трава, силос); эндогенная: образуется в тканях (око-

ло 15 %) при окислении (в мл Н2О на 100 г): белков – 40, углево-

дов – 60, жиров – 107.

Ворганизме вода находится в трех состояниях: 1) свободная –

вкрови, лимфе, пищеварительных соках; 2) слабосвязанная –

вгидратныхоболочкахбелков, нуклеиновыхкислот; 3) прочносвязанная – в третичной структуре белков, РНК, ДНК, в составе мембран, рибосом, митохондрий и др. Она не способна быть растворителем и замерзает при температуре ниже 0 °С.

Воды выделяется всегда больше, чем поступает. Так, через почки – 50 %, легкие и кожу – 35 %, кишечник – 15 %.

Регуляция обмена воды. Гормоны, которые стимулируют задержку воды – инсулин, вазопрессин; а стимулируют выделение воды – тироксин, половые гормоны. Минеральные вещества: ионы

98

Са2+ – вытесняют Н2О из тканей, а ионы Nа+ – задерживают Н2О. При нарушении водного обмена, например при водном голодании, возникают отеки, при заболеваниях почек и сердца – водянки.

14.2. МИНЕРАЛЬНЫЙ ОБМЕН

Важную роль в метаболизме играют 20 химических элементов, из них шесть Н, О, С, N, P и S называются биоэлементами. Элементы подразделяют на:

1)макроэлементы – Na, K, Ca, Mg, S, P, Cl;

2)микроэлементы – Fe, Cu, J, Zn, Co, Se, Mn, Mo, F, Br и др.;

3)ультраэлементы – Sr, Al, Cr, Au, Ag и др.

Академиком В. И. Вернадским создано учение о биосфере, т. е. о соотношении элементов в воде, почве, растениях и живых организмах, а В. В. Ковалевским – о биогеохимии (содержании этих элементов в отдельных районах страны). Так, в Ставропольском крае установлен избыток в почвах Fe и недостаток J, Cu, Zn, Со.

Функции минеральных веществ: 1. Структурная – Са вхо-

дит в состав костей, Р – в ДНК, РНК. 2. Поддерживают постоянство рН и осмотическое давление (буферные системы, NaCl). 3. Увеличивают (Na) или уменьшают (Са) гидрофильность коллоидов. 4. Активируют ферменты (NaCl – амилазу, НCl – пепсиноген). 5. Нейтрализуют яды – соли Н2SО4 (ФАФС), соединяясь с фенолом, образуют фенол-серную кислоту.

В организме наблюдается антагонизм отдельных элементов – избыток Р вытесняет Са, а избыток S – Cu.

Роль отдельных элементов. Макроэлементы.

Na, K, Cl. Na и К поступают с кормами и добавками, депонируются в коже, подкожной клетчатке, мышцах, причем Na концентрируется во внеклеточной жидкости, а К – внутри клеток. В плазме крови содержится Na – 300 мг% и К – 20 мг%. Na идет на образование NaCl, NaНСО3, NaН2РО4. Калий поддерживает осмотическое давление (вместе с Na), участвует в функционировании натрий-калиевого насоса, в передаче нервного импульса, регуляции работы сердца.

К – антогонист токсического действия Na.

Cl активирует амилазу, пептидазы, участвует в образовании НCl. При недостатке гормона альдостерона в крови снижается содержаниеNa иповышаетсяК. ВысокаяпотребностьвNaCl ужвачных и свиней.

99

Са – его 2 % от массы тела и 95 % его находится в костях, в основном в виде фосфорнокислых и углекислых солей. В крови Са – 9–15 мг%.

Функции Са: 1) cтруктурная – его соли сотавляют основу костнойткани; 2) стимулируетсвертываниекрови(передхирургическими операциями определяют содержание Са в крови); 3) уменьшает гидратацию коллоидов; 4) снижает возбудимость ЦНС, повышает тонус мышц; 5) активирует ферменты – АТФ-азу, лецитиназу.

Стимулируют всасывание Са в кишечнике желчные кислоты, витамин Д. Выделяется Са через почки, кишечник, с молоком (1 г/л), с яйцами (2 г/яйцо). Регулируют его обмен витамин Д, паратгормон, кальцитонин. При недостатке Са у молодняка развивается рахит, у взрослых – остеомаляция, остеопороз.

Mg – до 70 % находится в костях в виде MgСО3. n Са3 (РО4)2; Mg3 (РО4)2. В плазме крови и эритроцитах – 3 мг%. Это внутриклеточныйкатион. Активируетферменты– пептидазы, ацетилхолинэстеразу. Стимулирует синтез белков, в особенности иммуноглобулинов. При недостаткеMg – судороги («травянаятетония»), априизбытке– угнетениеЦНС(ранееприменялсядлямагнезиальногонаркоза).

Р – составляет около 1 % от массы тела, поступает с кормами в видесолейН3РО4. Содержится: 1) до70 % вкостяхввидеСа3(РО4)2 и Mg3(РО4)2; 2) вфосфопротеидах(например, казеинмолока); 3) вфосфолипидах (лецитин); 4) в фосфорных эфирах углеводов (глюкозо- 6-фосфат); 5) вРНКиДНК; 6) вмакроэргическихсоединенияхАТФ

иАДФ, креатинфосфат; 7) в коферментах – НАД, ФАД, ЛТПФ.

ВкровиРсодержится4–6 мг%. Участвуетвреакцияхфосфоролиза (например, гликогена). Выделяется через почки и кишечник.

S – составляет около 0,2 % от массы тела. Содержится: 1) в белках в виде аминокислот – метионина, цистина; 2) в витаминах – тиамин и биотин; 3) в хондроитин-серной кислоте; 4) в таурине

(NН2–СН2–СН2–SО2ОН). Образует S–S связи в белках. SН-группы в ферментах образуют активные центры. S образует парные серные кислоты (фенол-серная кислота).

До 2 % серы содержится в белках-кератинах (основной белок шерсти, перьев, рогов, копыт). С кормами поступает в составе метионина и цистина (85 %) и сульфатов (15 %). В тканях окисление серы идет по схеме:

R–SH S SO2 SO3 SO4

Сульфаты выделяются через почки.

100