Тема 7. Общее понятие об обмене веществ и энергии в организме

План

1. Понятие «обмен веществ и энергии», «анаболизм», катаболизм. Взаимосвязь процессов анаболизма и катаболизма. Понятие о промежуточном, внешнем, пластическом и функциональном обменах. Возрастные изменения обмена веществ.

2. Основные этапы преобразования энергии в организме. Окисление – основной путь освобождения энергии. Типы окислительных реакций в организме: прямое присоединение кислорода, отщепление водорода, перенос электронов. Понятие об аэробном и анаэробном биологическом окислении.

3. Макроэргические связи, накопление энергии биологического окисления в макроэргические соединения, их роль в организме. Особая роль АТФ в энергетическом обмене.

1-й вопрос

Жизнь – особая форма существования и движения материи, принципиально отличная от других форм. Одним из признаков живой материи является обмен веществ и энергии.

Обмен веществ – это непрерывный, саморегулируемый, самосовершающийся круговорот веществ, протекающий в живой материи и сопровождающийся ее постоянным самообновлением.

Обмен веществ – сложная цепь биохимических реакций, заключающаяся в усвоении веществ из окружающей среды, сложных превращениях их в организме и выделении в окружающую среду продуктов расщепления этих веществ.

Обмен веществ представляет собой сочетание многих разнообразных процессов, среди которых выделяют: катаболизм (диссимиляция), анаболизм (ассимиляция).

Катаболизм – это совокупность процессов распада веществ, составляющих живой организм, распад элементов живого тела на более простые вещества, выделяемые в окружающую среду как конечные продукты жизнедеятельности. Такими конечными веществами являются углекислый газ, вода, аммиак, мочевина и др.; сопровождается выделением энергии.

Анаболизм – это процессы синтеза сложных молекул из более простых, сопровождающиеся поглощением энергии.

Катаболизм и анаболизм – это две теснейшим образом взаимосвязанные стороны процесса обмена веществ. Катаболизм сопровождается освобождением энергии, которая аккумулируется в виде молекул АТФ. При анаболических процессах происходит потребление энергии, которая освобождается при распаде АТФ до АДФ и фосфорной кислоты или АМФ и пирофосфорной кислоты. Таким образом, АТФ является сопрягающим энергетическим звеном катаболизма и анаболизма. Кроме АТФ связующим звеном могут служить специфические метаболические пути или циклы, примером которого является цикл Кребса. Такие пути называют амфиболические.

Взаимосвязь катаболизма и анаболизма показана на схеме:

Белки Углеводы Липиды

АДФ + Н₃РО₄

АТФ

Продукты Продукты

катаболических анаболических

процессов процессов

Цикл Кребса

СО₂ Н₂О

В обмене веществ принято выделять:

Внешний обмен – это внеклеточное превращение веществ на путях поступления и выделения. В качестве примера можно привести процессы гидролиза углеводов, белков, липидов в желудочно-кишечном тракте.

Промежуточный обмен, или метаболизм – это процессы преобразования компонентов пищи после их переваривания и всасывания (т.е. индивидуальных химических соединений) при их распаде и синтезе на уровне клетки в процессе жизнедеятельности организма. Вещества, образующиеся в ходе химических реакций, называются метаболитами.

Пластический обмен – комплекс химических реакций, приводящих к синтезу специфических для организма веществ: структурных веществ, ферментов, гормонов, различных секретов, запасных источников энергии.

Функциональный обмен – это комплекс реакций, обеспечивающих функциональную активность клетки, органа, ткани. Например, реакции, обеспечивающие мышечное сокращение, работу сердца, печени, почек, легких.

Энергетический обмен организма – это комплекс химических реакций, в процессе которых за счет энергии, освобождающейся при распаде углеводов, жиров, продуктов белкового обмена, происходит ресинтез (новообразование) АТФ, распавшихся в процессе энергетического обеспечения функциональной или пластической деятельности клеток.

Между пластическим и функциональным обменами существуют конкурентные отношения за обладание определенными веществами, например, АТФ. Если клетки проявляют функциональную активность, поток энергии направляется на ее обеспечение, реакции пластического обмена в это время заметно угнетаются из-за дефицита энергии. Так, при напряженной мышечной работе в организме резко замедляются все процессы синтеза, за исключением синтеза некоторых гормонов, некоторого количества углеводов. после прекращения или снижения функциональной активности процессы пластического обмена усиливаются.

Соотношение процессов катаболизма и анаболизма, скорость протекания изменяются как на протяжении жизни организма, так и в течение определенных периодов времени.

Молодой растущий организм характеризуется заметным преобладание синтеза веществ над распадом. За счет синтеза структурных белков, ферментов, липидов обеспечивается деление клеток и, как следствие, рост организма, увеличение объема тканей и органов.

К 17-19 годам в организме устанавливается динамическое равновесие между двумя сторонами обмена веществ. К старости начинают преобладать процессы катаболизма, что приводит к уменьшению содержания важнейших для жизнедеятельности веществ, уменьшению количества клеток в важнейших органах и тканях (головном мозгу, сердце, внутренних органах, мышцах). Данные изменения приводят к снижению функциональных возможностей органов, деятельности организма в целом.

Процессы жизнедеятельности связаны с постоянными затратами энергии. Источником энергии для всех видов биологической работы служит потенциальная химическая энергия, заключенная в молекулах пищевых веществ, она высвобождается в процессе обмена веществ и при помощи специальных молекулярных устройств преобразуется в различные другие виды энергии. В живом организме потенциальная энергия представлена в форме химической энергии связей между атомами в молекулах биоогранических соединений. Например, количество потенциальной энергии, заключенной в молекуле глюкозы в связях между атомами С, Н и О, составляет около 285 кДж/моль вещества.

2-й вопрос

Чтобы высвободить энергию, заключенную в молекулах веществ пищи, последние должны быть подвергнуты ряду специфических превращений в процессе метаболизма.

Процессы преобразования энергии в живых организмах подчиняются законам термодинамики (раздел физики). Который для рассмотрения данных вопросов использует величины: энтальпия, энтропия, кинетическая энергия, свободная энергия. Условно, преобразование энергии можно трактовать следующим образом:

Свободная энергия – та часть энергии системы, которая может быть использована на выполнение работы.

В совокупности всех метаболических реакций, связанных с преобразованием энергии в организме следует выделять:

1. Первичную энергопоставляющую реакцию, где наблюдается небольшое изменение свободной энергии (такие реакции выполняют роль биологического генератора энергии).

2. Реакцию или серию реакций, где выделившаяся свободная энергия связывается в промежуточном соединении, способном к дальнейшему переносу энергии (энергетическое сопряжение).

3. Реакцию синтеза стабильного макроэргического соединения, аккумулирующего свободную энергию, которая освобождается в ходе метаболических превращений (в большинстве случаев такой аккумулятор АТФ).

4. Реакции, связанные с использованием энергии макроэргических соединений для синтеза сложных биоорганических соединений и для выполнения различного рода биологической работы.

Окисление углеводов, жиров, белков		1,3-дифосфоглицериновая кислота. Фосфоенолпиро-виноградная кислота		АТФ КрФ		Биосинтез белков, жиров, углеводов и др. орг веществ Секреция Мышечное сокращение
Энергопоставляющие реакции		Энергетическое сопряжение		Аккумуляция энергии		Использование энергии

Освобождение энергии связано с окислительными процессами. А.Л. Лавуазье в Х VIII веке установил, что при горении органических веществ происходит окисление, т.е. соединение углерода и водорода с кислородом с образованием углекислого газа и воды. В организме окисление органических веществ отличается от процессов горения по своему химизму и условиям протекания (сравнительно низкой температуре тела в присутствии воды, которая вне организма препятствует горению). Процесс получил название тканевое дыхание.

Окислительные реакции связаны с перераспределением электронов с внешних слоев атомов или ионов. Процесс отдачи электронов трактуется как процесс окисления и частица (атом, ион) является донатором электронов, окисляемым веществом. Вещества, принимающие электроны, являются акцепторами электронов, восстанавливаемым веществом. Процесс присоединения электронов называется восстановлением. Окислительные реакции являются окислительно-восстановительными, для их осуществления всегда необходимо наличие системы донатор-акцептор.

При отсутствии какого-либо компонента системы окислительные процессы невозможны.

Окислительные процессы в организме протекают несколькими типами:

1. Присоединение кислорода.

Происходит при образовании воды из водорода и кислорода. В результате взаимодействия двух атомов Н, отдающих электроны (окисляются) атому кислорода (восстанавливается):

2е

2 Н° + О° 2Н ⁺ + О^2– Н₂О + 56, 7 ккал

2. Отщепление водорода. В начале ХХ века академик В.И. Палладин доказал, что процесс окисления веществ в организме заключается не в соединении с О, а в отнятии водорода. Кислород является акцептором водорода:

Н

׀ О

СН₃ – С – ОН + ½ О СН₃ – С – Н + Н₂О

׀

Н

Вдыхаемый организмом кислород, используется как акцептор водорода и входит в состав образующейся воды. Углекислый газ образуется за счет тех атомов кислорода, которые входят в состав окисляемого вещества. Однако, даже в наиболее богатых кислородом органических веществ – углеводы – кислорода содержится меньше, чем в образующихся конечных продуктах окисления глюкозы:

С₆ Н₁₂ О₆ + 6О₂ 6 СО₂ + 6 Н₂О

Видно, что для образования 6 молекул СО₂ необходимы атомы О.

Присоединение кислорода происходит не в виде молекулярного, а виде воды (она в уравнении не показана).

2. Перенос электронов.

Взаимодействие водорода с кислородом осуществляется благодаря функционированию ферментной системы: цепи переносчиков. Ферменты, катализирующие отнятие Н (дегидрогеназы), ферменты, катализирующие присоединение Н к О (оксидазы), имеют белковую природу и сложное строение.

При транспортировки атома Н по цепи переносчиков происходит освобождение Q. Причем некоторые ферменты могут переносить атом Н (Н⁺ – протон, ядро; ē – электрон), другие – только ē.

В виде схемы это можно показать так:

H⁺

Н (Н⁺е^-) Н⁺е^- 2е^- 2е^- 2е^- 2е^- 2е^-

S НАД ФАД b c a₁ a₃ 1/2O₂ H₂O

Н (Н⁺е^-) Н⁺е^-

H⁺

Процессы окисления могут происходить как с участием кислорода (аэробно), так и без его участия (анаэробно). Существует немало организмов (многие бактерии, паразитические черви и др.), которые черпают энергию только из процессов анаэробного окисления и гибнут в присутствии кислорода.

У большинства животных и человека преобладают процессы аэробного окисления. Без кислорода человек жить не может. Однако, многие окислительное реакции в организме человека могут протекать анаэробно (гликолиз – анаэробное окисление углеводов в мышцах). Данный процесс резко усиливается при интенсивной мышечной деятельности и способствует выполнению работы мышц при недостатке снабжения кислородом.

3-й вопрос

Окислительные процессы сопровождаются освобождением энергии, которая запасается в макроэргических связях. Макроэргическими веществами являются:

а) NН О

׀׀ ׀׀

СООН – СН₂ – N – С – N – О ~ Р – ОН Креатинфосфат ( КрФ)

׀ ׀ ׀

Н СН₃ ОН

б) О О

׀׀ ׀׀

С – О ~ Р – ОН

׀ ׀

СН – ОН ОН 1,3 - дифосфоглицериновая

׀

С Н₂ – О ~ Р – ОН кислота

/׀׀

ОН О

О

в) //

СН₃ – С ~ ацетилфосфат

г)

О

׀׀

С – ОН ОН

׀ ׀

С Н – О ~ Р – ОН фосфоэнолпировиноградная кислота (фосфо-ен ПВК)

׀ ׀׀

СН₂ ОН О

д) АДФ и АТФ аденозинфосфаты

Различаются нуклеотиды по количеству Ф(н): НМФ (нуклеозидмонофосфаты), НДФ (нуклеозиддифосфаты), НТФ(нуклеозидтрифосфаты.

Формула АТФ

Нуклеозидтрифосфаты (НТФ) – самые распространенные макроэргические соединения живой клетки. За счет реакций взаимного перехода АДФ и Ф(н) образуется АТФ и Н₂О. Процесс идет при поглощении энергии и фермента:

АДФ + Ф(н) АТФ + Н₂О

Обратный процесс идет с разрывом макроэргической связи, и в клетку выходит энергия.

Нуклеозидтрифосфаты (НТФ) – сырье для биосинтеза нуклеиновых кислот.

Нуклеозидмонофосфаты (НМФ) – структурные звенья нуклеиновых кислот.

Нуклеозидмонофосфаты (НМФ) входят в состав ферментов (это коферменты ДКФ).

Нуклеозиддифосфаты (НДФ) – участники синтеза ди- и полисахарадов.

АТФ играет наиболее важную роль в энергетическом обмене. Молекула АТФ состоит из органического основания аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, связи между первым и вторым, вторым и третьим остатками фосфорной кислоты являются макроэргическими (в отличие от ковалентных связей они обозначаются волнистой линией ~). Вещества, несущие в своем составе макроэргические связи – макроэргические соединения.

При гидролизе АФТ высвобождается энергия. Гидролиз АТФ возможен двумя путями:

АТФ + Н₂ О АДФ + Н₃ Р О₄ + 32,5 кДж.

АТФ + Н₂ О АМФ + Н₄ Р₂ О₇ + 34,7 кДж.