Обмін речовин і енергії

1.Обмін речовин та енергії складає головну сутність життєдіяльності тваринного організму. Обмін речовин - метаболізм складається з двох протилежних процесів:

асиміляції і дисиміляції і складає диелектричну єдність цих протилежностей.

Асиміляція (анаболізм) - це поглинання, накопичення і перетворення органічних речовин навколишнього середовища в речовини власного тіла. При асиміляції завжди енергія поглинається.

Дисиміляція (катаболізм) - це частина обміну речовин, яка супроводжується руйнуванням компонентів живого тіла і виділенням кінцевих продуктів з організму. При дисиміляції енергія виділяється.

Метаболізм = анаболізм + катаболізм

Метаболізм включає 3 етапи.

1) травлення - це процес механічної та хімічної обробки складових частин їжі в органах травлення і всмоктування

2) проміжний обмін включає процеси розпаду і синтезу речовин тканини організму

3) виділення кінцевих продуктів розпад (через повітря, з потом, сечовиною)

В процесі обміну утворюються проміжні речовини, які мають назву метаболіти:

амінокислоти жирні кислоти вітаміни - прості сахара, пурінові та піримідинові кислоти

Обмін речовин пов'язаний з обміном енергії. Співвідношення кількості між енергією, потрапившою з поживними речовинами корму, та кількістю енергії, яка віддається у середовище називається енергетичним балансом організму (КПД).

КПД - це реакція обмін речовин і енергії, виявляється кількість енергії, яка перетворюється у роботу при даній температурі.

Енергетика обміну речовин базується на 3 принципах, які відмінюють її від неживої природи.

1) перетворення хімічної енергії в роботу і інші види енергії відбувається без попереднього перетворення у теплову енергію

2) визволення енергії відбувається поступово маленькими порціями до тих пір, поки всі атоми вуглецю і водню не перетворяться у продукти окислення (Н₂О і СО₂)

3) потенційна хімічна енергія, яка визволяється високомолекулярними сполуками (ВМС) може накопичуватись у вигляді хімічного акумулятора, який називається макроергічними сполуками (АТФ) Загальний - вуглевод, білок, ліпіди і інші речовини. Основний обмін речовин - це той загальний обмін, але мінімальний за інтенсивністю і необхідний для підтримки життя абсолютного спокою. Це величина строго постійна і індивідуальна, вона залежить від росту, статі, віку тварини, від ваги тіла.

Визначення загального обмін використовується при діагностиці так як різке відхилення від норми свідчить про патологію. Енергетичний обмін вивчає:

- визначення дихального і окисно-відновного коефіцієнту

- визначення зміст макроергічних сполук

- визначення активності окисно-відновних елементів Дихальний коефіцієнт показує молярне відношення виділеного СО₂ до поглинаючого О₂. Встановлено, що при обміні вуглеводів КО=1, ліпідів - К0==0,7 білків - К0==0,8.

2. Біологічне окислення - це сукупність окислювально-відновних процесів, які протікають в біологічних об'єктах під впливом ферментів.

Особливості біоокислення протікає при температурі тіла

- при біоокисленні необхідна вода

- стадійність процесів і утворення макроергів

Сучасна теорія тканинного дихання Тканинне дихання являється основною частиною біологічного окислення і уявляє собою сукупність окислювально-відновних реакцій, пов'язаних з використанням хімічної енергії, виділенням хімічної енергії та виділенням СО₂ і Н₂О. Окислююча речовина -вважається речовиною, яка в процесі хімічної реакції втрачає протони і електрони, а приєднує кисень

Відновна речовина - вважається речовиною, яка втрачає кисень, а приєднує протони і електрони

Біологічне окислення відбувається анаеробним і аеробним шляхом. Перенесення водню і електронів відбувається за допомогою спеціальних ферментів у дихальному ланцюгу. Процес тканинного дихання здійснюється у мітохондріях, в яких сконцентровано ферменти окислювально-відновних реакцій. Тканинне дихання в ланцюгу здійснюється поетапно:

- під впливом ферментів дегідрогеназ від субстрату віднімається водень і електрони і приєднується Н; к коферментам (НАД, НАДФ) Н, ® субстрат –НАД⁺ ® НАД*Н + Н-Н"

- від НАД і НАДФ Нг і електрони передаються на флавінові ферменти (ФМН і ФАД) флавінамід.

- кофермент КоА (убіхінон) окислює флавінові ферменти, а сам відновлюється по карбонільним групам, протони виділяються в навколишнє середовище, а електрони поступають в цитохромну систему.

- цитохром на система приймає участь тільки в передачі електронів, вона включає

цитохроми В®С.®Х®А®А.

Цитохромоксидаза

До складу цитохромів входять Fe²⁺ і Fе³⁺ , відбувається окислення Fе²⁺ ® Fе³⁺ або відновлюється Fе³⁺ ® Fе²⁺

- електрони передаються О₂ , активується, взаємодіє з протонами, як знаходяться в навколишньому середовищі і утворюють воду. В дихальному ланцюгу існує електронний каскад, причому кількість енергії неоднакова. Цей каскад характеризується окислювально-відновним потенціалом — редокс потенціалом. Звичайно його значення складає 0,6 і поступово в дихальному ланцюгу відбувається його збільшення.

Загальна схема дихального ланцюга

Субстрат ®дегідрогеназа (НАД - НАДФ) ® ФФ (ФМН і ФАД) ® коензим КоА® цитохроми (®ѳ®С®А®Аз) і далі ® О₂

Окислювальне фосфорилювання сполучено с тканинним диханням і являє процес створення АТФ і АДФ і неорганічні фосфати за рахунок енергії дихального ланцюга. При окислювальному фосфорилюванні відбувається макроергічний зв'язок, який позначається хвилястою лінією.

АТФ у дихальному ланцюгу утворюється

- при переносі електронів від відновленого НАД до ФФ

- молекула АТФ синтезується при передачі електронів від цитохрома В до СО₂

- молекула АТФ синтезується при передачі електронів від цитохромоксидази до кисню. Існує декілька теорій окислювального фосфорилювання.

Теорія Ліпмана (хімічна теорія)

Передача сопряжіння біологічного окислення і фосфорилювання забезпечується спеціальними переносниками (НАД, О, Е, К, карнизином). У різноманітних частинок дихального ланцюгу функціонують різні переносники.

Хеміосмотична теорія Мітчела

Сопряжіння біологічного окислення і фосфорилювання відбувається на зовнішній мембрані мітохондрій. При цьому хімічна енергія переходить в енергію електрохімічних потенціалів. Коефіцієнт окислювального фосфорилювання визначається Р/0 і показує, яка кількість молей неорганічного фосфата переходить в органічну форму у розрахунку на кожний атом, поглинаючого киснем, коефіцієнт дихального ланцюгу Р/0=3. Існує тканинне дихання, в якому немає сопряжіння з окислювальним фосфорилюванням. Таке дихання називається вільним.

У даному випадку функціонуючий дихальний ланцюг виникає теплова енергія, яка витрачається на підтримання температури тіла і забезпечення нормального протікання реакцій обміну. Організм приймає участь у регулюванні сопряжіння вільного тканинного дихання і окислювального фосфорилювання. При зниженні температури дихання тканини, яке є спряжене з окислювальним фосфорилюванням пригнічується, а вільне дихання підвищується при нормалізації зовнішньої температури відбувається зворотнє явище. Гормон інсулін сприяє процесам сопряжіння, а гормон тироксин послаблює це сопряжіння. Таким чином при різноманітних фізичних і патологічних станах може переключатись направленість обміну речовин або в сторону виникнення макроергів, або в сторону виникнення тепла необхідного для підтримання температури тіла на певному рівні.

Сумарне рівняння створення АТФ дихального ланцюгу

НАД⁺+Н⁺ +3АДФ + 3Фк +1/2О₂ ® НАД+ + АТФ + Н⁺

Макроергічні сполуки - це багаті енергією сполуки, які мають макроергічний зв'язок. Звичайно ці сполуки мають фосфорильну групу.