Основы физической, коллоидной и биологической химии. Курс лекций

ОН

CH3

О

Тестостерон

61

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое гормоны?

2.Каково химическое строение и механизм действия гормонов?

3.Дайте краткую характеристику основных гормонов.

4.Что такое простагландины, какова их химическая природа и функции?

7. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

Обмен веществ (метаболизм) состоит из двух взаимосвязанных и взаимоисключающих процессов, находящихся в единстве. Диссимиляция (катаболизм) – распад белков, жиров и углеводов в пищеварительном тракте и тканях с выделением энергии; ассимиляция (анаболизм) – биосинтез белков, жиров, углеводов и других веществ с потреблением энергии.

Условно единый обмен веществ делят на следующие этапы: 1. Пищеварение – механическая и химическая обработка корма (переваривание) ивсасываниеобразующихсяпродуктов. 2. Промежуточный обмен (метаболизм) – происходит ступенчато и сопровождается взаимопревращениями веществ (метаболитов). 3. Об-

разование и выделение конечных продуктов – через почки, ки-

шечник, легкие и кожу выделяются в основном Н2О, СО2 и NН3. В тканях отмечается эффект сопряжения, когда продукт одной

реакции служит субстратом для следующей реакции..

Современные методы изучения обмена веществ. В зависимо-

сти от цели и задач проводятся на различном уровне: на целом организме– изучениебиологическихжидкостей(кровь, моча, молоко, слюна, желудочныйсок), методбалансовыхопытов, фистульныйметод, метод радиоактивных изотопов; определение дыхательного коэффициента; на уровне органа: метод изолированных органов, методангиостомии; наклеточномуровне: методыгистологическихи гистохимических исследований; на субклеточном уровне: выделение ядер, митохондрий, рибосом, лизосом и изучение их функций; на молекулярном уровне: электронная микроскопия, хроматография, электрофорез, рентгеноструктурный анализ.

62

8. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

Это система окислительно-восстановительных реакций (ОВР), идущих при участии ферментов, которые являются основными источниками энергии в тканях.

Сходство с горением – биологическое окисление идет с поглощением О2 и выделением СО2, Н2О и энергии. Отличия от горения: 1) это ферментативный процесс; 2) многоступенчатый процесс; 3) коло 40 % энергии запасается в виде химических связей в АТФ и других соединениях; 4) идёт при температуре 37–40 °С;

5)процесс идет в водных растворах.

8.1.ФЕРМЕНТЫ И КОФЕРМЕНТЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ

Ферменты относятся к классу оксидоредуктазы.

1.Анаэробныедегидрогеназы(пиридинзависимыефермен-

ты) содержат коферменты НАД и НАДФ. Катализируют от-

нятие Н2 от субстрата с переносом его на промежуточные соединения (не на О2). Участвуют в окислении первичных и вторичных спиртов, альдегидов и других веществ.

2.Аэробные дегидрогеназы (флавиновые ферменты, ок-

сидазы) содержат коферменты ФАД и ФМН. Отнимают Н2 от субстрата с переносом его на О2. Участвуют в окислении аминокислот, янтарной кислоты и других веществ.

3.Убихиноны содержат кофермент Q (КоQ), переносят электроны.

4.Ферменты геминовой природы (цитохромы а, в, с, цитохромоксидаза, каталаза, пероксидаза) содержат гем, как у Нв. Участвуют в переносе электронов. Железо в цитохроме отдаёт электроны (е–) на О2, переводя его в ионное состояние.

8.2. СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ

О БИОЛОГИЧЕСКОМ ОКИСЛЕНИИ

Окисление(тканевоедыхание) чащеначинаетсясотнятияН2 от субстрата (дегидрирования) с переносом его через ряд промежуточных соединений на О2 (рис. 8).

Дыхательная цепь – ряд окислительных ферментов в митохондриях, которые переносят Н2 от субстрата на О2.

63

2H+

H2O

3АТФ

Рис. 8. Схема механизма биологического окисления

По основной схеме окисляется большинство субстратов и при этом часть выделившейся энергии запасается в трёх молекулах АТФ.

Однако существуют и побочные пути: при окислении альдегидов, ксантинов и других веществ Н2 от субстрата переносится сразу на флавиновый фермент (флавопротеид) и далее по схеме. При этом образуется только две АТФ. При окислении аминокислот и других веществ оксидазами Н2 от субстрата сразу переносится на флавиновый фермент(флавопротеид) иот него наО2. Приэтомобразуется только одна АТФ.

8.3.ТИПЫ РЕАКЦИЙ ДЕГИДРИРОВАНИЯ

Взависимости от субстрата их выделяют четыре типа:

1) окисление насыщенных соединений в ненасыщенные

64

2) окисление первичных и вторичных спиртов с образованием

8.4. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

Синтез АТФ и других макроэргических соединений за счет энергии биологического окисления путём фосфорилирования, например

АДФ, называется окислительным фосфорилированием (В. А. Эн-

гельгардт, 1930). ВсоответствиисхемиосмотическойтеориейН. Мит- челлаАТФ-синтетазапроводитсопряжениемеждудвижениемэлек- троновподыхательнойцепиисинтезомАТФ(рис. 9).

65

Рис. 9. Схема окислительного фосфорилирования

8.5. МАКРОЭРГИЧЕСКИЕ ФОСФОРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Это вещества, которые содержат в молекуле запас потенциальной химической энергии в виде макроэргических (богатых энергией) связей. Эта связь обозначается символом тильда (~). Макроэргическими называются вещества, при распаде которых выделяется более 4 ккал/моль энергии, которая используется для биосинтеза белков, жиров и углеводов, мышечной работы, активного транспорта ионов, превращения химической энергии в электрическую

исветовую.

Косновным макроэргическим соединениям относят: нуклеозидди- и нуклеозидтрифосфаты, причём наиболее важную роль играет АТФ; креатинфосфат и аргининфосфат, фосфоенолпируват и др. Синтез АТФ за счёт фосфорилирования АДФ идёт как в митохондриях, так и в цитоплазме.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)

66

АТФ + Н2О АДФ + Н3РО4 + 32,5 кДж/моль АТФ + 2Н2О АМФ + 2Н3РО4 + 34,7 кДж/моль

8.6. СВОБОДНОЕ ОКИСЛЕНИЕ (РАЗОБЩЕНИЕ ОКИСЛЕНИЯ И ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ)

Это явление, когда идет биологическое окисление, но синтеза АТФ и других макроэргических соединений не происходит, и почти вся энергия превращается в тепло. Так происходит, например, при переохлаждении организма. Вещества, вызывающие это явление, называются разобщающими агентами. К ним относятся: гормоны половые, щитовидной железы и надпочечников, ненасыщенные жирные и желчные кислоты, эфир, амитал, антимицин А, цианид, олигомицин и др.

До 85 % О2 расходуется в электронно-транспортной системе, а до 5 % О2 превращается в активные кислородные радикалы (АКР): супероксидный радикал (О2–), гидроксильный радикал (НО), синглетный кислород (О), перекись водорода Н2О2.

АКР образуются в митохондриях, микросомах и пероксисомах. Все они очень токсичны и способны разрушать белки, РНК, ДНК, липиды и др. Для их уничтожения используют природные антиоксиданты: аскорбиновую кислоту, токоферол, бета-каротин, глютатион и детоксицирующие ферменты: супероксид-дисмутазу, каталазу, глутатион-пероксидазу и др. Так, супероксид-дисмутаза превращает супероксидный радикал в перекисный радикал, что снижает образование наиболее опасного гидроксильного радикала. Каталаза вызывает разрушение Н2О2 до О2 и Н2О.

67

Вопросы для самоконтроля

1.Охарактеризуйте процесс биологического окисления.

2.Какие ферменты и коферменты принимают участие в процессах биологического окисления?

3.Дайте понятие «окислительное фосфорилирование».

4.Какие вещества называют макроэргическими фосфорными соединениями? Как они используются в организме животных?

5.Что такое свободное окисление? Каково его биологическое значение?

9. ОБМЕН БЕЛКОВ

Потребность в белках. Запасов белков в организме практически нет, и они должны поступать ежедневно. Нормы белкового питания устанавливают с помощью азотистого баланса – это соотношение поступившего и выделившегося азота. Положительный баланс – больше азота поступает, чем выделяется (при росте, откорме), отрицательный – больше азота выделяется, чем поступает (при голодании), азотистое равновесие – сколько азота поступает, столько и выделяется (у взрослого в покое).

Белковый минимум – это наименьшее количество белка, которое поддерживает азотистое равновесие (около 1 г/кг ж. м.).

9.1. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ КОРМОВОГО БЕЛКА

Зависит от его аминокислотного состава, который должен быть близок к белкам тканей. Эталоном служит белок молока –

казеин.

Заменимые аминокислоты могут синтезироваться в тканях из других веществ (аланин, серин, аспарагиновая и глютаминовая кислоты).

Незаменимые аминокислоты не синтезируются в тканях и должны поступать с кормами (треонин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, лизин, фенилаланин, триптофан, гистидин). В послед-

68

ние годы к частично заменимым аминокислотам относят цистеин и цистин, аргинин, тирозин, гистидин.

Качественный белковый показатель (КБП) показывает от-

ношение содержания триптофана к оксипролину (триптофаноксипролиновый показатель). Мышечные белки всегда содержат триптофан, а коллаген – оксипролин.

9.2. ПЕРЕВАРИВАНИЕ БЕЛКОВ

Эндопептидазы расщепляют внутримолекулярные пептидные связи.

Схемы процессов расщепления пептидных связей:

автокатализ 5) коллагеназа расщепляет коллаген

Поступающиеизжелудкакислыепродуктыстимулируютвыделение гормона секретина, который вызывает выделение бикарбонатов, повышающих рН до 7. В двенадцатиперстной кишке образуется холецистокинин, который стимулирует выделение панкреатических ферментов.

69

Экзопептидазы – отщепляют концевые аминокислоты: 1) карбоксипептидаза

NН2 – лиз – ала – фен – асп –СООН

2)аминопептидаза;

3)дипептидаза – расщепляет дипептид на две аминокислоты. Аминокислоты всасываются в кровь, причём быстрее всасыва-

ются мет, лей, арг, а медленнее – глу, ала и сер.

Особенности переваривания белков у жвачных. Белки корма уже в преджелудках расщепляются ферментами микроорганизмов (бактерии, грибки, инфузории) до аминокислот, которые используют для синтеза микробного белка, а часть подвергается декарбоксилированию и дезаминированию, причем образовавшиеся аммиак и углекислый газ могут использоваться для синтеза новых аминокислот, в том числе незаменимых. Источником NН3 и СО2 может служить мочевина, которая гидролизуется по схеме:

До 20–25 % белка корма у животных на откорме можно заменить добавками мочевины при условии постепенного введения более высоких ее доз с одновременным добавлением крахмала.

9.3. ГНИЕНИЕ БЕЛКОВ В ТОЛСТОМ КИШЕЧНИКЕ И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ПРОДУКТОВ ГНИЕНИЯ

При гниении белков образуются аминокислоты, которые распадаются под влиянием ряда анаэробных и аэробных бактерий по схеме:

–NН3 –СН4

70