Лекція № 6. Загальні уявлення про обмін речовин та енергії в організмі

План лекції

1. Обмін речовин як основна ознака життєдіяльності організму.

2. Види процесів обміну речовин в організмі - пластичний та енергетичний, їх характеристика.

3. Продукти харчування - основне джерело пластичного матеріалу та енергії для забезпечення життєдіяльності організму.

4. Основні етапи вивільнення енергії харчових речовин. Біологічне окислення.

5. Регуляція обміну речовин та енергії.

1. Обмін речовин як основна ознака життєдіяльності організму

Живий організм тісно пов’язаний з зовнішнім середовищем, яке поставляє необхідні йому харчові продукти та кисень. В харчових про­дуктах багато мінеральних речовин і поживних речовин: білків, жирів, вуглеводів, води і мінеральних солей.

В шлунково-кишковому тракті вони перетравлюються і всмоктуються, а потім при участі кисню, окислюються з виділенням енергії.

Далі з продуктів розпаду синтезуються нові поживні речовини. Цей процес називається катаболізм, або диссиміляція. Одночасно про­дукти розпаду і енергія використовується для синтезу специфічних речовин і запасання енергії - це процес анаболізму або асиміляції. У здорової людини ці процеси збалансовані.

Сукупність реакцій асиміляції та дисиміляції визначається як обмін речовин або метаболізм.

Відповідно метаболізм включає в себе процеси надходження пожив­них речовин в організм, їх перетворення до кінцевих продуктів і ви­ведення продуктів обміну у зовнішнє середовище. Все це тісно пов'я­зане з обміном енергії, яка вивільняється при розпаді речовин і ви­користовується в біосинтезі.

2. Види процесів обміну речовин в організмі –

пластичний та енергетичний, їх характеристика

Обмін речовин і енергії в організмі протікають одночасно.

Обмін речовин ділять на зовнішній (надходження харчових продук­тів в організм і виділення продуктів розпаду) і проміжний. Проміжний включає процеси переварювання та всмоктування поживних речовин, надходження їх у клітини, розпад до проміжних або кінцевих продуктів і синтез з них специфічних сполук для кожної тканини, а також кон­троль і регуляцію цих процесів.

3. Продукти харчування - основне джерело пластичного матеріалу та енергії для забезпечення життєдіяльності організму

Серед поживних речовин, необхідно виділити такі, що не можуть синтезуватися в організмі. Вони називаються незамінними факторами хар­чування. До них відносяться незамінні амінокислоти: лізин, метионін, триптофан, фенілаланін, валін, лейцин, ізолейцин. Вони необхідні для синтезу повноцінних білків.

До незамінних факторів харчування відносяться ненасичені жирні кислоти: лінолева, лініленова, арахідонова, що знаходяться в рослинних оліях, вони необхідні для синтезу вітамінів, фосфоліпідів, простогландинів.

Їх добова норма складає біля 1г, що знаходиться в 25-30г рослинної олії.

Значна частина вітамінів також не синтезується в організмі і повинна поступати з їжею.

Поряд з перерахованими речовинами організму постійно потрібні мікро та макроелементи. Вони приймають участь у побудові всіх клітин організму і входять в склад активного центра ферменту. Кальцій і фосфор складають основу кісткової тканини, натрій та калій входять в склад буферних систем організму, приймають участь в передачі нер­вових імпульсів.

До незамінних факторів відноситься і вода. Незважаючи на те, що вона частково утворюється в організмі, цього недостатньо тому вона повинна входити в склад добового раціону.

Таким чином у склад добового раціону повинні входити незамінні фактори харчування.

Особливістю проміжного обміну є постійна пристосованість до пот­реб клітини і організму в цілому. При змінах умов зовнішнього і внутрішнього середовища організму, проміжний обмін може пе­ребудовуватися і підтримувати життєдіяльність клітини в нових умо­вах. Наприклад, при недостатності в клітині кисню глюкоза розпадається до молоч­ної кислоти, а при достатній кількості кисню кінцевими продуктами розпаду глюкози є вуглекислий газ і вода.

Друга особливість полягає в тому що існує тісний взаємо­зв'язок між різними речовинами в ході їх перетворень.

Наприклад, при розпаді деяких амінокислот утворюються без азотисті залишки з яких може синтезуватися глюкоза.

3. Основні етапи вивільнення енергії харчових речовин.

Біологічне окислення

Обмін енергії включає в себе процеси вивільнення, накопичення і використання енергії, що утворюється при розпаді поживних речовин в організмі.

Особливість цих процесів полягає в тому, що кінцеві етапи ви­вільнення енергії та її запасання при розпаді різних речовин однакові.

Основним носієм енергії в природі є електрон. Одержавши кількість енергії він переходить на більш високий енергетичний рівень, тобто збуджу­ється. Переходячи на більш низьку енергетичну орбіту, електрон віддає енергію. Якщо ця енергія витрачається на виконання роботи, то вона називається вільною. Не використана на роботу енергія, переходить в тепло і вважається розтраченою.

Сказане має місце і в живій природі. Основним джерелом енергії для всіх організмів на землі є сонячна радіація, що виникає в ре­зультаті ядерного синтезу. Фотосинтезуючі клітини синтезують в рос­линах крохмаль. Тварини нездатні до фотосинтезу і одержують необ­хідну енергію в виді готових органічних речовин, в ході розпаду /окислення/ яких енергія вивільняється, а електрони переходять на більш низьку енергетичну орбіту. Вивільнена енергія витрачається на тепло та підтримку температури тіла. Друга частина йде на синтез макроергічних сполук, в яких енергія переходить в енергію фосфатного зв’язку. В першу чергу до них відноситься АТФ.

Величина цього макроергічного зв’язку складає 33,5 - 41,9 кДж/ моль. З других макроєргічних сполук слід відмінити креатинфосфат, фосфоєнол - піровиноградну кислоту, ГТФ, УТФ, ТТФ.

Особливістю перерахованих сполук являється те, що при розпаді енергії макроергічних сполук не розсіюється, а переноситься на дру­гі сполуки. Це можна спостерігати на прикладі АТФ.

Для її утворення потрібні АДФ, Н₃Р0₄ і деяка кількість енергії. Відповідно при розпаді утворюються вихідні речовини і виділяється енергія.

+ енергія

АТФ АДФ + Н₃РО₄

- енергія

Таким чином АТФ є переносником енергії і зв'язуює між собою процеси, що йдуть з виділенням енергії.

Процес вивільнення енергії можна розбити на три етапи.

І. На першому етапі, який протікає в шлунково-кишковому тракті проходить розщеплення високомолекулярних сполук і всмоктування утворених мономерів. Так білки розпадаються до амінокислот, жири до гліцерину та вищих жирних кислот, вуглеводи до моносахаридів. На першому етапі вивільняється 0,1% енергії.

ІІ. На другому етапі мономери розпадаються в клітинах до більш простих сполук, котрі можуть бути однаковими у різних мономерів. Так при окисленні вуглеводів, жирів, амінокислот хоч і різними шля­хами, утворюється одна і таж речовина - ацетил КоА.

О

//

СН₃ - С

\

КоА

На другому етапі вивільняється приблизно третя частина всієї енергії, розщеплених речовин.

Ш. Третій етап представляє собою повне окислення ацетил-КоА в цик­лі Кребса з утворенням вуглекислого газу і вивільненням водню. Цей етап протікає однаково у всіх клітинах, точніше в матриксі мітохондрій. Цикл Кребса представляє собою замкнуту систему реакцій, що по­чинається зі взаємодії ацетил-КоА і щавлево-оцтової кислоти з ут­воренням лимонної кислоти, котра проходячи через ряд стадій, знову перетворюється в щавлево-оцтову кислоту. Серед других сполук циклу Кребса особливе значення має ізолимонна, а-кетоглутарова, янтарна та яблучна кислоти. Ці кислоти і окислюються в циклі Кребсу. Окислен­ня каталізується ферментами дегідрогеназами, коферментами яких є по­хідні вітамінів, нікотинової кислоти і рибофлавіну (НАД, НАДФ, ФАД).

Незначна частина вивільненого водню використовується для синте­зу нових сполук, а більша частина окислюється киснем з утворенням води. При цьому в ході цього процесу і проходить вивільнення енергії, що знаходиться в електронах.

В експерименті взаємодія водню з киснем хоча і приводить до ут­ворення води, то супроводжується вибухом, що свідчить про великий запас енергії в електронах водню.

В організмі утворення води відбувається через ряд реакцій і тому енергія ви­діляється не одномоментно, а поступово. Подібна система реакцій називається ланцюгом біологічного окислення і включає ряд окисно-від­новних реакцій, в ході яких проходить перенос водню на кисень. В цих реакціях приймають участь НАД, НАДФ, цитохроми. Особливістю вказаних сполук є їх здатність як окислюватись, так і відновлюватись. Так НАД може легко приєднувати водень (НАДН) і віддавати на слідуючи сполуки, наприклад ФАД. При цьому НАД окислюється, а ФАД відновлюється.

Н₂ + НАД НАДН₂ + ФАД НАД + ФАДН₂

Механізм дії цитохромів полягає в тому, що в їх складі є атом заліза з перемінною валентністю, котрий може знаходитись як в окис­ному так і відновленому стані.

е+Fe³⁺ Fe²⁺ + Fe³₁⁺ Fe³⁺ + Fe²₁

В ланцюзі біологічного окислення є декілька цитохромів а, в, с, d. Один з цих цитохромів а₃ або цитохромоксидаза передає електрони на кисень.

Значення ланцюга біологічного окислення полягає в тому, що електрони переходять з одного переносника на другий, постійно опус­каючись з більш високого рівня на низький, при цьому йде втрата енер­гії. Віддається накопичена енергія.

Вивільнена енергія частково витрачається на утворення тепла, а більша частина на утворення АТФ. При цьому одні речовини при своєму окисленні вивільняють енергію достатню для синтезу трьох молекул АТФ тоді як інші тільки для двох молекул АТФ.

Синтез АТФ проходить двома шляхами - окислювального фосфоруван­ня, тобто АТФ утворюється шляхом приєднання до АДФ неорганічного фосфату з використанням енергії, що вивільнилася під час окислення різних речовин. Всі компоненти ланцюга біологічного окислення знаходяться на внутрішній мембрані мітохондрій.

В організмі існує і другий шлях синтезу АТФ. Деякі речовини в ході перетворень накопичують в своїх зв’язках достатню кількість енергії, яку можуть передати для синтезу АТФ. Цей шлях синтезу но­сить назву субстратного фосфорування. Наприклад, при розпаді вуг­леводів утворюється фосфоепол-піровиноградна кислота, що має запас енергії в фосфатному зв’язку. При взаємодії с АДФ вказана кислота передає енергію цього зв’язку на синтез АТФ.