Раздел III. Обмен веществ
Обмен веществ (метаболизм) рассматривается как совокупность ферментативных реакций, происходящих в клетках животных и человека, при этом хорошо скоординированных и направленных на обеспечение жизнедеятельности организма. Обмен веществ управляется центральной нервной системой на генетическом уровне и корректируется в зависимости от условий окружающей среды – питания, физических воздействий (температура и др.).
Обмен веществ осуществляет следующие функции:
-
энергетическую – извлечение энергии из окружающей среды; в случае животных – использование питательных веществ (глюкозы, аминокислот, жирных кислот), поступивших после переваривания корма, или веществ из запасов тела-гликогена, жира, белка в качестве источников энергии;
-
пластическую – превращение экзогенных веществ в белки, нуклеиновые кислоты, жиры, клеточные компоненты тела в процессе роста, развития и старения животных;
-
специфическую – синтез и разрушение биомолекул (белков, нуклеиновых кислот, жиров, гликогена и других) в процессе их обновления и в зависимости от условий внешней и внутренней среды организма животных.
Обмен веществ включает два процесса – анаболизм и катаболизм (синтез и разрушение).
Анаболизм – это ферментативный синтез сравнительно крупных клеточных компонентов из простых предшественников. Процессы синтеза связаны с потреблением свободной энергии, которая поставляется в форме энергии фосфатных связей АТФ.
Катаболизм – это ферментативное расщепление сравнительно крупных молекул глюкозы, жирных кислот, аминокислот в результате реакций окисления до более мелких, например, молочной кислоты, уксусной кислоты, CO2, NH3 и мочевины. Катаболизм сопровождается выделением свободной энергии, заключенной в химических связях расщепляемых органических молекул, и запасанием свободной энергии в форме энергии фосфатных связей АТФ.
Стадийность процессов катаболизма и анаболизма
Катаболизм основных питательных веществ включает три главные стадии (рис 10.1). На первой стадии крупные молекулы, поступающие из внешней среды, расщепляются на составляющие их основные строительные блоки. Полисахариды (крахмал и др.) расщепляются до моносахаров - глюкозы, фруктозы и др., белки – до аминокислот, жиры
– до глицерина и жирных кислот. На второй стадии образовавшиеся продукты превращаются в более простые молекулы, например, глюкозав трехуглеродный фосфорилированный сахар глицеральдегид-3-фосфат, а затем расщепляются до единственной двууглеродной формы – ацетильной группы, входящей в состав ацетил-коэнзима А (ацетил-КоА). Аминокислоты также дают при расщеплении несколько конечных продуктов – ацетил-КоА, янтарную кислоту (сукцинат), фумаровую кислоту (фумарат) и щавелево – уксусную кислоту (оксалоацетат).
Продукты, образовавшиеся на второй стадии, вступают в третью стадию, которая для них всех является общей, и на которой они, в конечном счете, окисляются до СО2 и Н2О .
Процессы анаболизма также включают три стадии. Исходными веществами, или строительными блоками, служат для них соединения, поставляемые третьей стадией катаболизма. Таким образом, третья стадия катаболизма является в то же время первой исходной стадией анаболизма. Синтез белка, например, начинается на этой стадии с α- кетокислот, являющихся предшественниками α-аминокислот (кроме незаменимых у животных). На второй стадии анаболизма α-кетокислоты аминируются аминогруппой доноров с образованием α-аминокислот. На третьей заключительной стадии аминокислоты объединяются в пептидные цепи, образуют молекулы белков.
Фраза «промежуточный обмен» часто используется в текстах по питанию и биохимии. Он относится ко многим ступеням реакций- от начала биохимических процессов и до их окончания. Например, биохимический путь окисления глюкозы в клетке. Ступеньки в этом пути представляют реакции, которые необходимы, чтобы превратить 6- углеродный гексозный сахар в две 3-х углеродные молекулы пировиноградной кислоты (пирувата). Этот процесс называется также анаэробным дыханием. Различные молекулы веществ, которые производятся за 10 ступеней гликолиза, называются промежуточными метаболитами, а весь процесс от начального до конечного продукта – промежуточным обменом.
Почти все метаболические реакции связаны между собой, поскольку продукт одной ферментативной реакции служит субстратом другой реакции, которая является ступенью для последующей реакции и т.д. Существование такой преемственности обусловливается специфическими особенностями ферментов. В ферментативных реакциях происходит отщепление определенных функциональных групп от молекул метаболитов и перенос этих групп на акцепторные молекулы. Большинство реакций промежуточного обмена связано со ступенчатым переносом аминных, ацетильных, фосфатных, метильных, формильных или карбоксильных групп, или же атомов водорода.
Липиды Полисахариды Белки
Стадия I
Жирные кислоты, Гексозы, Амино -
глицерин пентозы кислоты
Глицеральдегид-
3-фосфат
Стадия II
Фосфоэнолпируват
Пируват
Ацетил-КоА
Оксалоацетат Цитрат
Изоцитрат
Малат
Стадия III
α-Кетоглютарат
Фумарат
Сукцинат
Цикл трикарбоновых
кислот СО 2
Рисунок 10.1 – Три стадии катаболизма и анаболизма. Жирные стрелки – катаболические пути, тонкие – анаболические. Стадия ІІІ носит название амфиболической. На этой стадии завершается разрушение пищевых молекул до СО2 , и она же поставляет низкомолекулярные предшественники для анаболических процессов. Заимствованно у А. Ленинджер (1974)
