Взаимосвязь и регуляция процессов обмена веществ в организме человека

ВЗАИМОСВЯЗЬ И РЕГУЛЯЦИЯ ПРОЦЕССОВ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА. УГЛЕВОДЫ, ЛИПИДЫ, БЕЛКИ 1. Взаимосвязь и регуляция процессов обмена веществ в организме человека. Обмен веществ (метаболизм) – система реакций строго упорядоченная, связанная с определенными морфологическими структурами и вместе с тем достаточно лабильная и пластичная. Центральная роль в обмене веществ принадлежит ферментам – наиболее активной форме белков. Регуляция различных функций у высокоорганизованных животных и человека осуществляется двумя путями: гуморальным (лат. гумор – жидкость) – через кровь, лимфу и тканевую жидкость и нервным. Возможности гуморальной регуляции функций ограничены тем, что она действует сравнительно медленно, не может обеспечить срочных ответов организма (быстрых движений, мгновенной реакции на экстренные раздражители). В отличие от этого, с помощью нервной системы возможно быстрое и точное управление различными отделами целостного организма, доставка сообщений точному адресату. Оба эти механизма тесно связаны, однако ведущую роль в регуляции функций играет нервная система. В регуляции функционального состояния органов и тканей принимают участие особые вещества – нейропептиды, выделяемые железой внутренней секреции гипофизом и нервными клетками спинного и головного мозга. Они влияют на сон, процессы обучения и памяти, на мышечный тонус (в частности, на позную асимметрию), вызывают обездвижение или обширные судороги мышц, обладают обезболивающим и наркотическим эффектом. Оказалось, что концентрация нейропептидов в плазме крови у спортсменов может превышать средний уровень у нетренированных лиц в 6-8 раз, повышая эффективность соревновательной деятельности. В условиях чрезмерных тренировочных занятий происходит истощение нейропептидов и срыв адаптации спортсмена к физическим нагрузкам. Внутренняя среда организма, в которой живут все его клетки, – это совокупность жидкостей – кровь, лимфа, спинномозговая жидкость, межтканевая жидкость. Ее характеризует относительное постоянство – гомеостаз различных показателей, так как любые ее изменения приводят к нарушению функций клеток и тканей организма, особенно высокоспециализированных клеток центральной нервной системы. К таким постоянным показателям гомеостаза относятся температура внутренних отделов тела, сохраняемая в пределах 36-37°С, кислотно-основное равновесие крови, характеризуемое величиной рН = 7.4-7.35, осмотическое давление крови (7.6-7.8 атм.), концентрация гемоглобина в крови – 120- 140 г/л-1 и др. Гомеостаз представляет собой не статическое явление, а динамическое равновесие. Степень сдвига показателей гомеостаза при существенных колебаниях условий внешней среды или при тяжелой работе у большинства людей очень невелика. Например, длительное изменение рН крови всего на 0.1-0.2 единицы может привести к смертельному исходу. Однако в общей популяции имеются отдельные индивиды, обладающие способностью переносить гораздо большие сдвиги показателей внутренней среды. У высококвалифицированных спортсменовбегунов в результате большого поступления молочной кислоты из скелетных мышц в кровь во время бега на средние и длинные дистанции рН крови может снижаться до величин 7.0 и даже 6.9. Эта способность определяется врожденными особенностями человека – так называемой его генетической нормой реакции, которая даже для достаточно постоянных функциональных показателей организма имеет широкие индивидуальные различия. Тонкое согласование всех протекающих в организме процессов возможно благодаря существованию целой сети разветвленных механизмов, действующих на разных уровнях организации живого тела. В организме существуют 3 вида регуляции метаболизма: 1. автоматическая (саморегуляция) - присущее всем живым организмам изменение скорости химических реакций, 2. эндокринная – присущи высокоразвитым системам 3. нервная (быстрая регуляция). Все виды регуляции различаются по степени сложности, конечный результат – изменение скорости химических реакций через изменение количества и активности фермента, а также изменение проницаемости клеточной мембраны. Эндокринная система – «фабрика и хранилище» биологически активных веществ - БАВ (гормонов), которые оказывают регулирующее влияние на обмен веществ и физиологические функции. Эта система занимает промежуточное положение между нервной системой и действием ферментов, а реакция обмена веществ реализуется путем изменения скорости ферментативной реакции. Гормоны вызывают либо относительно быструю (срочную) реакцию, повышая активность ферментов, либо вызывают медленную реакцию, связанную с синтезом нового фермента. 3. Нервная система воспринимает импульсы, которые отражают воздействие на организм изменяющихся условий среды (нехватка О2, голод, жажда и т.д.). После этого нервная система с помощью специальных передатчиков – медиаторов – передает команду другим органам для приспособления их к изменению среды. При этом меняется А) проницаемость мембран Б) активность ферментов В) изменяется скорость транспорта веществ. В ходе регуляции внутри клетки, целого органа или организма реализуются одни и те же принципы регуляции: 1. принцип обратной связи 2. принцип лимитирующих реакций 3. принцип общих путей. Уровни регуляции обменных процессов: 1) клеточный (авторегуляция) 2) органный (регуляция метаболитами и гормонами) 3) организменный (регуляция метаболитами, гормонами и нервной системой). Следует отметить – в организме тренированного человека не возникают новые механизмы регуляции, а механизмы, регулирующие взаимодействия, совершенствуются. 2. УГЛЕВОДЫ. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ Углеводы входят в состав всех живых организмов: растительных - до 80% сухого веса и животных, где они встречаются в свободном состоянии или связаны с белками или жироподобными соединениями. В организме человека содержится углеводов 2% от сухого веса. Биологическая роль углеводов – основные функции: 1. Энергетическая. При полном окислении 1 г глюкозы освобождается 4,1 ккал. Резервные полисахариды по мере необходимости расщепляются на моносахариды и используются организмом. 2. Опорная. Углеводы, связанные с белками, содержатся в хрящах и костной соединительной ткани. 3. Структурная. Структурные полисахариды придают клеточным стенкам прочность. Полисахариды хондроитинсульфат и гиалуроновая кислота являются структурными межклеточными веществами. Галактоза входит в состав липоидов мозга – цереброзидов. 4. Наследственная. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот ДНК и РНК. 5. Противосвертывающая. Углевод гепарин препятствует свертыванию крови у животных и человека. 6. Гидроосмотическая и ионорегулирующая. Гиалуроновая кислота связывает межклеточную воду и катионы, регулирующие осмотическое давление. 7. Защитная – содержится в муцинах, содержащихся в секрете желез всех слизистых оболочек и в слюне, которые защищают слизистые оболочки от механических и химических повреждений. Водорастворимые полисахариды не дают клеткам высохнуть. В животном организме углеводы содержатся главным образом в виде нерастворимого гликогена (животный крахмал) в клетках печени и мышц. В крови и лимфе в форме раствора всегда находится углевод глюкоза. Классификация углеводов определяется их способностью к гидролизу (расщеплению с присоединением воды): различают простые (моносахариды) и сложные углеводы (олиго- и полисахариды). Простые углеводы – моносахариды – при гидролизе не расщепляются Сложные углеводы под действием гидролитических ферментов расщепляются на моносахариды. Сложные углеводы, образующие при гидролизе две молекулы моносахаридов, называются дисахаридами, три молекулы – трисахаридами, а расщепляющиеся на большое число молекул моносахаридов – полисахаридами. Моносахариды. Пентозы (из 5-ти атомов углерода в молекуле) – рибоза и дезоксирибоза, служат составными частями нуклеиновых кислот и нуклеотидов, участвующих в сохранении и передаче наследственной информации. К простым углеводам, играющим роль пищевых веществ, относятся гексозы (из 6-ти атомов углерода в молекуле): виноградный сахар – глюкоза, плодовый сахар – фруктоза и др. Сложные углеводы. В зависимости от состава сложные углеводы подразделяют на несколько видов – олигосахариды и полисахариды. Олигосахариды. Наиболее распространенными в природе олигосахари- дами (олиго- мало) являются дисахариды, образованные двумя остатками молекул моносахаридов - мальтоза (солодовый сахар), лактоза (молочный сахар), сахароза (свекловичный или тростниковый сахар). Полисахариды – биополимеры, мономерами которых служат моносахариды. Если в составе полисахаридов содержатся остатки моносахаридов одного вида, его называют гомополисахаридом (гликоген и крахмал), если разные – гетерополисахаридом (гиалуроновая кислота, хондротинсульфат и гепарин). Крахмал и гликоген построены из остатков глюкозы, соединенных в форме разветвленных цепей. В горячей воде оба эти углевода дают коллоидные растворы. Например, из крахмала варят кисель. Полисахарид целлюлоза не расщепляется, но это необходимый компонент пищи, т.к. ускоряет движение пищи по желудочно-кишечному тракту, адсорбирует на себе жиры и токсины в кишечнике, а также является субстратом для микрофлоры кишечника и синтеза некоторых витаминов. Пищевое значение углеводов. Их роль в обмене веществ. Наряду с участием в обмене, связанном с превращениями других веществ (белков, жиров и других), углеводы служат главным образом источником энергии в организме, и взрослый человек покрывает углеводами приблизительно 2/3 своей потребности в ней. В зависимости от характера деятельности это соответствует 400-600 г усваиваемых углеводов за сутки, считая, что 1 г их при полном окислении в тканях освобождает 4,1 ккал. Продуктами полного окисления углеводов в организме являются углекислый газ и вода, причем из 1 г углеводов образуется в среднем 0,6 г воды. Переваривание углеводов. Полисахарид (крахмал) уже во рту подвергается гидролитическому расщеплению при участии фермента слюны амилазы на крупные обломки – декстрины, а затем – до мальтозы. В полости желудка углеводы не изменяются вследствие отсутствия соответствующих ферментов. Дальнейшее расщепление углеводов происходит в двенадцатиперстной кишке и в других отделах тонкого кишечника при участии ферментов, вырабатываемых поджелудочной железой (поджелудочная амилаза) и железами кишечника (кишечная амилаза и мальтоза). Мальтоза в кишечнике гидролизуется мальтозой В с образованием двух частиц глюкозы. По мере образования глюкоза сравнительно быстро всасывается в тонком кишечнике и поступает в кровь. Сахароза переваривается лишь в полости тонкого кишечника, сок которого содержит фермент сахарозу, при этом образуются моносахариды – фруктоза и глюкоза, которые и всасываются. Обмен углеводов в печени. Кровь, несущая глюкозу от кишечника, поступает в печень и соприкасается с клетками печеночной ткани на огромной поверхности тончайших капилляров воротной вены (поверхность ее достигает 400 м2). Глюкоза частично захватывается клетками печени и превращается в запасной полисахарид гликоген, который откладывается внутри клеток. Гликоген – главный резерв углеводов для всего организма и для поддержания постоянного уровня глюкозы в крови. Чем беднее печень гликогеном, тем больше глюкозы она задерживает, например, в условиях голодания, а также после напряженной мышечной деятельности, когда гликогена в печени мало, глюкозы задерживается особенно много. При потреблении чистой глюкозы, всасывающейся очень быстро, концентрация её в крови воротной вены резко повышается. Значительная часть глюкозы не успевает задержаться в печени и уходит в большой круг кровообращения, затем используется как источник энергии, а избыток превращается в жир. Если пища богата крахмалом, глюкоза поступает в кровь постепенно, небольшими порциями, по мере его переваривания и хорошо задерживается печенью. Поэтому, когда требуется создать значительные запасы гликогена в печени (например, перед длительными спортивными нагрузками – марафонский бег, велогонки по шоссе и т.п.) целесообразнее принимать пищу, богатую крахмалом, чем чистую глюкозу. Если же в процессе выполнения спортивных нагрузок нужно быстро снабдить мышцы, сердце и нервную систему углеводами, следует употреблять глюкозу, легко усваиваемые олигосахариды. Глюкоза, быстро попавшая в большой круг кровообращения, повышает уровень глюкозы в крови. Это повышение называется алиментарной (пищевой) гипергликемией. Максимум его достигается через 20-30 минут после приема сахара, а через 1-1,5 часа уровень глюкозы возвращается к норме (от 80 до 100 мг в 100 см3 крови), вследствие потребления её из крови мышцами, сердцем, нервной системой, печенью и другими органами. В период всасывания глюкозы из кишечника наибольшее количество ее задерживает печень. В обычных же условиях, в состоянии покоя, на первом месте по потреблению глюкозы стоит головной мозг. При мышечной деятельности резко возрастает потребление глюкозы скелетной мускулатурой. Если уровень глюкозы очень высок (более 200 мг в 100 см3), часть ее выделяется с мочой и теряется организмом (алиментарная глюкозурия). Это может иметь место при единовременном приеме большого количества сахара или глюкозы (более 150 г). Во время интенсивной мышечной деятельности, а также в высокогорных условиях, когда потребление углеводов органами в тканях резко повышено, глюкозурия наступает лишь после приемы 200-300 г сахара. Снижение концентрации глюкозы в крови называется гипогликемией. Всякое уменьшение глюкозы в крови, а также увеличение потребности тканей и органов в углеводах (при мышечной деятельности, охлаждении организма и т.д.) рефлекторно приводит к усилению расщепления гликогена в печени и увеличению отдачи глюкозы в кровь. Образование в печени глюкозы из гликогена и переход ее в кровяное русло носит название мобилизация гликогена, или гликогенолиз. У нетренированного человека после физической нагрузки возможны такие явления, как слабость, дрожание в коленях, потемнение в глазах – это связано с гипогликемией – в крови концентрация глюкозы упала, а гликоген расщепиться не успел. Надо дать ему сладкое. С повышением тренированности эти явления пройдут, потому что будут совершенствоваться пути энергообеспечения. Обмен углеводов в других тканях. В крови человека наблюдается относительно постоянное содержание глюкозы, равное 0,1%. За счет глюкозы крови ткани организма покрывают свои потребности в углеводах. Поддержание нормального уровня сахара в крови обеспечивается взаимосвязанным действием нервной системы и желез внутренней секреции (надпочечников, поджелудочной железы, придатка мозга), выделяющих свои гормоны в кровь. В мышцах и других тканях углеводы откладываются также в форме гликогена, который синтезируется из глюкозы, доставляемой кровью. Общий запас гликогена в печени и мышцах взрослого человека составляет 300-400 г. В наибольшем количестве гликоген имеется в печени (до 5% от её веса). Довольно много его в мышцах (0,5-1%). В остальных органах содержание его невысоко (0,1-0,3%). При систематической мышечной тренировке увеличиваются запасы гликогена в мышцах и печени. Тренированные мышцы повышают свою способность накапливать гликоген, а поскольку он связан с водой (2,7 грамма воды на каждый грамм гликогена), то избыток его в мышцах вызывает их увеличение, и зрительно они кажутся больше. Распад углеводов (гликогена или глюкозы) в тканях (особенно в мышцах) идет в две последовательные фазы окисления: 1) анаэробная фаза, протекающая без потребления кислорода и завершающаяся образованием пировиноградной кислоты (ПВК) (при определенных условиях она может восстановиться в молочную кислоту и в этом виде на короткое время накопиться в значительных количествах в крови); 2) аэробная фаза, когда осуществляется окисление этих кислот до конечных продуктов (СО2 и Н2О) при участии кислорода. Гликонеогенез. Образование глюкозы, а, следовательно, и гликогена может происходить в организме не только из молочной кислоты, но и из ПВК, а также других веществ, которые могут быть превращены в ПВК (ряд аминокислот, ацетил). Весь этот процесс носит название гликонеогенез, т.е. новообразование углеводов. Нервная и эндокринная регуляция углеводного обмена Нервная система имеет прямое отношение к регуляции углеводного обмена. Она регулирует как через гипоталамус, так и через кору головного мозга. Так, например, значительное понижение содержания глюкозы в крови рефлекторно приводит к возбуждению соответствующих центров промежуточного мозга, которое по симпатическим нервам передается печени и вызывает усиление расщепления гликогена в ней. В результате уровень глюкозы в крови повышается. Примером влияния коры головного мозга на обмен углеводов являются различные формы условнорефлекторной гипергликемии. Так, у спортсмена перед ответственными соревнованиями наблюдается повышение уровня глюкозы в крови, вызванное лишь мыслью о предстоящем соревновании и окружающей обстановки, которая является условным раздражителем. При этом повышение уровня глюкозы в крови наиболее выражено в тех видах спорта, где необходима глюкоза как источник энергии (ускорение гликолиза) в предстоящей работе, например, в спортивных играх, беге на короткие и средние дистанции. А у стрелков, к примеру, каких-либо выраженных изменений в концентрации глюкозы крови не наблюдается. Усиление процессов торможения, вызванное утомлением или отрицательным отношением к выполняемой работе, сопровождается угнетением мобилизации гликогена в печени и замедленным окислением молочной кислоты. Нервная регуляция углеводного обмена выражается в том, что его реакция зависит от состояния центральной нервной системы. Так, значительное возбуждение нервной системы приводит к усиленному гликогенолизу (расщепление гликогена до глюкозы) в печени и окислению образовавшейся молочной кислоты. При этом влияние нервной системы направлено прежде всего на состояние и активность ферментных и коферментых систем углеводного обмена. Регуляция углеводного обмена осуществляется также гормонами эндокринной системы. В регуляции углеводного обмена большую роль играет адреналин, который выделяется мозговым веществом надпочечников. Поступая с током крови в печень, адреналин стимулирует мобилизацию гликогена. При возбуждении нервной системы выделение адреналина значительно усиливается, что приводит к повышению глюкозы в крови (гипергликемия) и может сопровождаться глюкозурией – выделение глюкозы с мочой. Большое значение для регуляции углеводного обмена имеет гормон поджелудочной железы – инсулин. В какой-то степени он является антагонистом адреналина. Инсулин способствует усвоению глюкозы тканями, стимулирует синтез гликогена. Если нарушается выделение инсулина (при сахарном диабете), то концентрация глюкозы в крови повышается (гипергликемия) за счёт того, что глюкоза не усваивается тканями. Клетки не получают своего источника энергии – глюкозы – и возникает «голод среди изобилия», они начинают использовать в качестве источников энергии вещества неуглеводной природы – жиры, белки. В результате нарушается нормальный обмен веществ, и организм наводняется недоокисленными продуктами обмена. Кроме того, избыточная глюкоза крови выделяется с мочой (глюкозурия), чего не бывает у здорового человека. Однако после употребления в пищу большого количества легко усваиваемых углеводов или после интенсивной тренировки у спортсменов может наблюдаться кратковременная глюкозурия. У нетренированного человека после мышечной нагрузки может быть гипогликемия – снижение уровня глюкозы в крови из-за несовершенства регуляции – глюкоза крови снизилась в результате мышечной деятельности, а гликоген еще не успел расщепиться до глюкозы. Такое состояние сопровождается побледнением, дрожанием в коленях, тошнотой, слабостью вплоть до обморока. Достаточно дать сладкого чая или кусочек сахара, и состояние улучшится. По мере повышения тренированности совершенствуются регуляторные процессы, и такие явления не наблюдаются. В поджелудочной железе также вырабатывается гормон глюкагон. Он способствует расщеплению гликогена до глюкозы при снижении её концентрации в крови. Усиливают обмен углеводов гормон щитовидной железы – тироксин и гормоны коры надпочечников – глюкокортикоиды. 3. Липиды. Обмен липидов (жиров и жироподобных веществ) Жиры и жироподобные вещества (общий термин «липиды») – большая группа различных веществ. Общее свойство для всех липидов – это их нерастворимость в воде и растворимость в органических растворителях (бензол, бензин, спирт, ацетон, хлороформ и др.). По химическому строению липиды делятся на собственно липиды (нейтральные жиры) и липоиды (жироподобные вещества). Липиды играют важную роль в регуляции обмена веществ между клеткой и межклеточной жидкостью (структурная функция). Запасы липидов в клетках жировой ткани (жировые депо организма) используются для покрытия энергетических потребностей организма (энергетическая функция). Жир в подкожной жировой клетчатке предохраняет организм от охлаждения (защитная функция). Механическое значение жира, содержащегося под кожей и вокруг некоторых внутренних органов, выражается в защите организма от ударов и сотрясений (механическая функция). Большинство липидов в тканях находится в связанной форме (с белками), тогда как запасной жир клетчатки считается химически свободным. Нейтральные жиры – липиды – это сложные эфиры, образованные трехатомным спиртом глицерином и высокомолекулярными карбоновыми (высшими жирными) кислотами – триглицериды. Глицерин в пищеварительном тракте усваивается как пищевое вещество и включается в промежуточный обмен в тканях. В организме он образуется главным образом при гидролизе жиров. Высшие жирные кислоты (ВЖК) – это карбоновые кислоты, обладающие сравнительно большим молекулярным весом. В организме встречаются предельные ВЖК, имеющие только одинарные связи и непредельные жирные кислоты, содержащие по две, три и даже более двойных связей. К ним относятся, например, линолевая, линоленовая и арахидоновая кислоты (не синтезируются в организме и должны поступать с пищей). Все они являются жидкими. При полном окислении ВЖК в присутствии кислорода образуются углекислый газ и вода. Реакция окисления жирных кислот, происходящего и в организме, протекает с выделением энергии. Свойства жиров. В чистом виде жиры бесцветны, не имеют вкуса и запаха. Жиры легче воды, они нелетучи, при нагревании разлагаются, в воде в присутствии катализатора (например, сильной кислоты) гидролизуются с образованием глицерина и различных жирных кислот. Жиры в водной среде с помощью веществ, понижающих поверхностное натяжение жира – эмульгаторов, превращаются в эмульсии. Сильным природным эмульгатором являются соли желчных кислот, находящихся в желчи. Присоединение атома водорода по месту разрыва двойных связей называется гидрогенизацией, при этом жидкие жиры превращаются в твердые. При производстве маргарина гидрогенизируют растительные масла. Липоиды (жироподобные вещества) – биологически важные и распространенные в организмах соединения, образующие целые группы, объединяемые по признаку химического сходства между собой. К ним относятся фосфолипиды, стероиды и другие группы. Из группы фосфолипидов следует назвать некоторые фосфатиды, например, лецитин и кефалин, по составу и строению сходные с жирами. Фосфолипиды важные компоненты мембран клетки, также они играют роль исключительно важных биологически активных веществ, например, ацетилхолин – передатчик нервного импульса. Из группы стероидов можно назвать такие соединения, как холестерин, желчные кислоты, витамин Д, гормоны коры надпочечников (кортикостерон, альдостерон и др.), половые гормоны (андростерон, эстрон и др.) и некоторые другие важные в биологическом отношении вещества. Стероид холестерин - важный компонент клеточных мембран у животных, однако избыток холестерина в организме может привести к образованию желчных камней, заболеваниям сердечнососудистой системы. Цереброзиды входят в состав нервной ткани. Ганглиозиды в большом количестве содержатся в головном мозгу. Пищевое значение жиров. За сутки взрослый человек потребляет в среднем 100-120 г жира, содержащегося в составе животных и растительных продуктов питания. При окислении 1 г жира освобождается 9,4 ккал энергии и образуется 1,07 г воды. Переваривание жиров. Ферменты, катализирующие гидролиз нейтральных жиров – липазы. Химическим превращениям в желудочно- кишечном тракте жиры подвергаются после эмульгирования при помощи солей желчных кислот, что благоприятствует более обширному сопри- косновению жиров с водой и ферментами, а, следовательно, и ускорению процесса их переваривания. Этому процессу также способствует температура тела. Липаза желудочного сока действует только на природный эмульгиро- ванный жир (например, жир молока), т.к. в желудке нет эмульгаторов. В верхний отдел тонкого кишечника (в полость двенадцатиперстной кишки) поступает поджелудочный сок, содержащий малоактивную липазу, и желчь из печени. Соли желчных кислот активируют липазу, участвуют в эмульгировании жиров и в дальнейшем способствуют всасыванию высших жирных кислот. Благодаря желчным кислотам повышается эффективность действия липолитических ферментов. Кроме того, в ходе расщепления жиров образуются соли жирных кислот (мыла), которые также обладают эмульгирующими свойствами. Всасывание продуктов переваривания жиров. При гидролизе эмульгированного жира образуется хорошо растворимый глицерин и нерастворимые в воде ВЖК. Глицерин легко всасывается через стенки кишечника. ВЖК соединяются с солями желчных кислот и превращаются в растворимые частицы – холеиновые кислоты, способные к всасыванию. Глицерин и холеиновые кислоты всасываются стенкой тонкого кишечника, в толще которого происходят их важные химические преобразования. Холеиновые кислоты распадаются на высшие жирные и желчные кислоты. Последние током крови переносятся в печень и вновь поступают с желчью в кишечник. Высшие жирные кислоты с глицерином образуют жиры такого состава, который соответствует потребностям данного организма. Вновь синтезированный жир далее поступает в лимфатические пути, а по ним через грудные лимфатические протоки – в кровяное русло. Промежуточный обмен жиров. Прежде чем вступить на путь дальнейших превращений, жир сначала откладывается в жировых депо (жировая клетчатка под кожей, около внутренних органов). По мере надобности (например, при усиленном расходе энергии во время длительной мышечной работы, в условиях голодания и т.п.) происходит мобилизация жиров из депо при участии липаз жировой ткани. Жиры и продукты гидролиза – глицерин и ВЖК – поступают в кровь и ею разносятся в места их использования. Распад жиров в тканях. Расщепление жиров происходит преимущественно в печени, куда жир доставляется кровью. Оно начинается с гидролиза жира, катализируемого тканевыми липазами. Получающиеся при этом глицерин и ВЖК вовлекаются в дальнейшие превращения, которые в общем носят окислительный характер и приводят в итоге к образованию СО2 и Н2О. Это один из основных механизмов использования жиров как источника энергии при длительной мышечной работе, требующей проявления выносливости. Синтез жиров. Образование заново жира находится в связи с возможностью синтеза ВЖК и глицерина. Синтез ЖК может осуществиться из активированной уксусной кислоты, которая в большом количестве получается при окислительном распаде углеводов. Некоторое количество уксусной кислоты может возникнуть и при распаде белков (аминокислот). В свою очередь, глицерин может образоваться из промежуточных продуктов расщепления углеводов, происходящего в анаэробной фазе. Таким образом, главным источником исходных продуктов для синтеза жиров служат углеводы. Обмен фосфатидов. Уменьшенное образование фосфатидов в организме, вызванное недостатком холина (входящего в состав лецитинов) или аминокислот метионина и серина (из которых синтезируется холин и коламин) в пище, приводит к угнетению жирового обмена, что выражается в значительном накоплении жиров в клетках печени. Повышенное накопление жира в печени возможно и при интенсивной длительной мышечной работе. Эти нежелательные явления предупреждаются и устраняются правильным и полноценным питанием, то есть увеличением содержания фосфатидов в пище и потреблением белков, в которых находится наибольшее количество метионина (белки молока и яиц). Обмен стероидов. Один из самых распространенных стероидов – холестерин, попадает в организм в составе животной пищи (яичный желток, мясо курицы, печень, мозги, мясо, молоко и др.) в свободном или связанном состоянии, например, с высшими жирными кислотами. Значительное количество холестерина содержится в надпочечниках, где он используется для синтеза стероидных гормонов, играющих важную роль в регуляции углеводного и минерального обмена и в обеспечении мышечной работоспособности. Из холестерина же, главным образом в половых железах и частично в коре надпочечников, синтезируются половые гормоны мужские (тестостерон, андростерон) и женские (фолликулин, прогестерон), которые оказывают огромное влияние на обмен веществ в организме. В печени из холестерина могут образоваться желчные кислоты, играющие большую роль при переваривании и всасывании жиров. Активный синтез холестерина осуществляется в печени. Наряду с этим печень является и органом выделения холестерина в составе желчи через кишечник. 4. Белки. Обмен белков и нуклеиновых кислот Белки – высокомолекулярные вещества, построенные из аминокислот. В тканях человека и животных белки преобладают в количественном отношении и отличаются чрезвычайным разнообразием. Известны тысячи белков. Их наличие говорит о присутствии жизни. Биологическая роль белков. С веществами белковой природы связаны основные проявления жизни: раздражимость, сократимость мышц, пищеварение, способность к росту, размножению, движению. Некоторые из функций белков: – все процессы в организме идут с помощью белков – катализаторов химических реакций – ферментов; – опорная функция – белки составляют основу хрящей, кожи, костей; – регуляторная – некоторые гормоны, регуляторы обмена веществ – белки (инсулин, глюкагон, вазопрессин и др.); – транспортная – переносчики имеют белковую природу (гемоглобин переносит О2 , Na, K-АТ (Фаза регулирует мембранный потенциал и.т.д.); – защитная – белки – основа иммунитета. – сократительная – сокращение мышц осуществляется благодаря белкам, актину и миозину; – рост и размножение организмов связаны с наличием сложных белков – нуклеопротеидов. В состав белков входят углерод, водород, кислород, азот, сера, а также фосфор, в небольших количествах могут содержаться J, Fe, Cu, Br, Mn и др. При полном расщеплении белков образуются аминокислоты. Аминокислоты – соединения, которые содержат одновременно аминную и карбоксильную группы. Всего в организме человека 20 аминокислот. Часть аминокислот может синтезироваться в организме из других аминокислот, поэтому они называются заменимыми. Аминокислоты, которые в организме не синтезируются, а их источниками может быть только пища, называются незаменимыми. Потребность организма в различных аминокислотах, используемых главным образом для создания белков тела, покрывается лишь за счет белков, принятых с пищей. В силу этого для сохранения нормальной жизнедеятельности организма потребление белков с пищей не может быть уменьшено ниже определённого уровня, называемого белковым минимумом. Для человека эта величина соответствует 40-50 г полноценных белков, потребляемых за сутки. Полноценными являются белки, содержащие все необходимые для организма аминокислоты, в особенности «незаменимые» аминокислоты, которые организм не может синтезировать и должен постоянно получать с пищей. Однако это количество белков не может быть признано нормой при питании, так как оно покрывает лишь предельно минимальную потребность организма в белках. Получение малого количества белка в условиях обычной деятельности человека приводит к возникновению недостаточности белкового питания и вследствие этого к расходованию белков тканей собственного тела. Неограниченное же увеличение количества белка, вводимого с пищей, вызывает перегрузку организма азотистыми продуктами обмена и чрезмерное повышение деятельности органов, осуществляющих их синтез, обезвреживание и выделение (в частности, печени и почек). Оптимальная норма потребления белков, которая удовлетворяла бы все нужды организма и не наводняла бы его продуктами азотистого распада – введение 1,5-2,0 г белка на 1 кг веса тела в сутки. При занятиях спортом эта норма должна быть несколько увеличена. Для удовлетворения организма аминокислотами в пище должны содержаться различные белки (животные и растительные) и в таком количестве, чтобы в целом в их составе были все «незаменимые» аминокислоты, и содержание каждой из них не было ниже допустимой нормы. Различают белки простые – протеины (при гидролизе образуются только аминокислоты) и сложные – протеиды (кроме аминокислот образуются и небелковые вещества – простетическая группа). К важнейшим сложным белкам относятся белки, кроме аминокислот содержащие небелковый компонент: нуклеопротеиды (+нуклеиновые кислоты), фосфопротеиды (+остаток фосфорной кислоты), глюкопротеиды (+глюкоза), липопротеиды (+липиды), хромопротеиды (+пигмент), металлопротеиды (+металл). Белки, поступая в пищеварительный тракт, в результате последо- вательного воздействия на них группы протеолитических ферментов расщепляются до низкомолекулярных полипептидов и аминокислот. После всасывания в кровь аминокислоты включаются в тканевой (промежуточный) обмен, принимая участие в обновлении разных тканей и биосинтезе активных веществ белковой природы (ферментов, гормонов). При окислении 1 г белков в организме освобождается 4,1 ккал энергии и образуется 0,413 г воды. Избыточные аминокислоты в организме не накапливаются, а подвергаются различным превращениям. Избыток потребления белка приводит к ожирению и увеличивает нагрузку на печень и почки. Переваривание белков начинается в желудке под влиянием желудочного сока. В состав сока входит 99% воды, свободная соляная кислота и фермент пепсин. Соляная кислота активирует фермент, а также способствует набуханию белков, увеличивает их объем, что создает благоприятные условия для действия фермента. Под действием пепсина молекулы белка, как правило, расщепляются до полипептидов различной степени сложности: легко расщепляются белки мышц – актин и миозин, значительно медленнее коллаген и эластин, почти совсем не гидролизуются протамины и кератины, белок молока казеиноген превращается в казеин с последующим расщеплением до полипептидов. Дальнейший гидролиз этих продуктов распада белков, а также и тех молекул белка, которые еще не подверглись расщеплению в желудке, осуществляется в различных отделах тонкого кишечника при участии ряда других ферментов в условиях почти нейтральной реакции среды. Кроме того, в полости двенадцатиперстной кишки в процесс переваривания включаются ферменты поджелудочной железы: трипсин, поступающий в кишку в форме неактивного профермента трипсиногена, и активная полипептидаза. В дальнейшем к процессу переваривания подключаются ферменты кишечного сока: полипептидаза и дипептидаза. Трипсиноген становится действующим ферментом вследствие активации его особым протеолитическим ферментом – энтерокиназой кишечного сока. Образование и выделение протеолитических ферментов в неактивной форме имеет важное биологическое значение, т.к. они предохраняют от разрушения органы, в которых выделяются, и различные ферменты. Таким образом, в результате переваривания белки пищи, обладающие крупными молекулами, превращаются в низкомолекулярные продукты – сначала полипептиды, затем пептоны и, наконец, хорошо растворимые аминокислоты, которые способны всасываться в кровь через слизистую оболочку кишечника. Однако некоторая небольшая доля аминокислот и непереварившихся белков может задержаться в кишечнике, особенно в нижнем отделе его, и подвергнуться гнилостному распаду под воздействием находящихся здесь в изобилии микроорганизмов. Часть продуктов этого распада обладает ядовитыми свойствами, одни из них выводятся из организма с калом, другие всасываются в кровь и химически обезвреживаются в печени. Эти обезвреженные соединения в дальнейшем выводятся с мочой почками. Промежуточный обмен белков и аминокислот. Аминокислоты, проникающие из кишечника в кровяное русло сосудов системы воротной вены, частично задерживаются в печени, включаясь здесь в разнообразные превращения. Печень является важнейшим органом, где осуществляются многие биохимические реакции. Значительная масса аминокислот проходит через печень без каких- либо изменений и попадает в кровяное русло, откуда доставляется ко всем органам и тканям тела. Из крови при посредстве межклеточной жидкости аминокислоты могут быть захвачены по выбору клетками тканей и включены в соответствующие биохимические процессы в них. Распад и синтез белков в тканях. Состав молекул белков всех тканей организма находится в непрерывном изменении. В организме постоянно происходит как синтез белков из аминокислот, так и распад их. Синтез белковых молекул из аминокислот протекает с поглощением энергии, то есть является эндотермическим процессом. Соединение аминокислот в полипептидные цепи может происходить в различной последовательности. Между тем в клетках образуются молекулы белков строго определенного строения, в каждом отдельном случае представляющие собой лишь единственное сочетание аминокислот. По современным представлениям, синтез белков происходит в протоплазматических образованиях клетки – рибосомах, которые содержат сложные белки рибонуклеопротеиды, построенные из белка, связанного с рибонуклеиновой кислотой (РНК), состоящей из различных нуклеотидов. Порядок соединения нуклеотидов устанавливается при синтезе РНК под направляющим влиянием ДНК, находящейся в ядре клетки и несущей наследственную информацию о структуре белка. Процесс синтеза белка состоит в том, что активированные амино- кислоты при посредстве транспортной РНК передаются РНК рибосом и, размещаясь на ней в строго определенной последовательности, диктуемой ее структурой, соединяются друг с другом, образуя новые полипептидные цепи, а затем и белковую молекулу. Структура белка. Белки – это полимеры, состоящие из амино- кислотных остатков, соединенных пептидными связями. Белки имеют многоуровневую структуру: первичная структура – последовательность расположения амино- кислот в полипептидной цепи. Вторичная – форма полипептидной цепи, чаще всего спиральная. Так построены фибриллярные белки – например, кератин, фиброин шелка. Третичная структура – возникает в результате изгибов и свертыва- ния молекулы в пространстве, например, глобулярные белки. Четвертичная структура – молекулы некоторых белков состоят из нескольких полипептидных цепей, образующих единую молекулу. Участие аминокислот в синтезе других веществ. Аминокислоты участвуют не только в синтезе белков, но и в синтезе ряда других соединений, играющих весьма важную роль в жизни организма. Аминоспирт коламии образуется из аминокислоты серина, а холин из коламина и аминокислоты метионина (липоиды). Креатин синтезируется при участии аминокислот глицина, аргинина и метионина. Аминокислота тирозин служит исходным веществом для образования гормонов щитовид- ной железы (тироксина, трийодтиронина), а также гормона надпочечника адреналина. Из аминокислот также образуются гормоны белковой природы, органические основания, входящие в состав нуклеиновых кислот (нуклеопротеиды), а также безазотистые продукты, например, жирные кислоты, кетокислоты и даже углеводы, которые организм в основном получает с пищей в готовом виде. Переаминирование аминокислот: передача аминогруппы какой-либо аминокислоты на кетокислоту с образованием новых аминокислот при участии определенных ферментов аминофераз или трансаминаз: Коферментом трансаминаз служит соединение, производное от витамина В6 – пиридоксина. Дезаминирование и декарбоксилирование аминокислот. Дезаминиро- вание – отнятие аминогруппы в виде аммиака от молекулы аминокислоты. С этого процесса может начинаться расщепление аминокислот. Реакция декарбоксилирования состоит в утрате аминокислотой своей карбоксильной группы с образованием СО2 Конечные продукты распада белков и аминокислот. При полном распаде белков в организме, который совершается через стадию образования аминокислот, получаются конечные продукты: вода, углекислый газ, серная кислота, ряд азотистых и других веществ. Они покидают организм, выделяясь преимущественно почками или через легкие при дыхании. Часть из них предварительно обезвреживается в печени и затем транспортируется кровью к органам выделения. К азотистым веществам, выделяемым через почки, относятся аммиак (около 0,9 г за сутки ионов аммония в составе солей), мочевина (25-35 г), креатинин (до 2 г), мочевая кислота (до 0,7 г) и др. С ними выводится до 18 г азота в сутки. Наибольшая доля азота, выводимого через почки, приходится на мочевину (до 16 г азота). Синтез мочевины осуществляется в печени за счет аммиака и угольной кислоты. Он представляет собой весьма сложный многоступенчатый и эндотермический процесс, сопряженный с использованием энергии АТФ. Понятие о белковом (азотистом) балансе организма. Почти одинаковое содержание азота в различных белках, в среднем составляющее 16%, позволяет заменять количественную оценку собственно белкового обмена в организме исследованием обмена азота. Для исследования общего обмена белков определяют содержание азота в потребляемой пище и в выделениях (в моче и кале) и сравнивают их соотношение. Количество азота, содержащегося в пище, указывает на величину полученного белка, а в кале и моче, соответственно, на количество белка, не усвоенного и распавшегося в тканях. При переводе получаемых при анализе данных 1 г азота следует считать равноценным 6,25 г белка. При сравнении количества азота, полученного с пищей, и азота, содержащегося в выделениях, за один и тот же промежуток времени могут получиться три различных результата: 1) равенство этих величин, когда организм находится в азотистом (белковом) равновесии; 2) первая величина больше второй, когда имеется положительный азотистый (белковый) баланс; 3) вторая величина больше первой, когда организм находится в состоянии отрицательного азотистого (белкового) баланса. При достаточном обеспечении организма всеми составными частями пищи, то есть белками, жирами, углеводами, витаминами, водой и минеральными веществами, азотистое равновесие наблюдается в зрелом возрасте, когда масса тканей тела не изменяется. Известно, что увеличение содержания белков в пище в этих условиях не сопровождается повышенным отложением их в организме, и полученный избыток их используется, подобно жирам и углеводам, преимущественно для обеспечения обмена энергии или в какой-то части превращается в жир тела, который азота не содержит. Поэтому повышение нормы потребления белков организмом, находящимся в азотистом (белковом) равновесии, приводит к соответствующему увеличению выведения азота главным образом в виде мочевины. Положительный азотистый баланс наблюдается во время роста молодого организма или при увеличении мышечной массы тела на определенной стадии процесса физической тренировки, особенно у лиц, ранее не занимавшихся физическими упражнениями. В обоих случаях происходит отложение белков в развивающихся тканях, поэтому количество вводимого белкового азота будет превышать величину выделяемого. Положительный азотистый баланс бывает также при выздоровлении после изнуряющих болезней или после периода недостаточного питания, в том числе и качественного, например, лишь при недостаточном содержании белка в пище. Отрицательный азотистый баланс наступает при голодании, во время болезней, особенно сопровождающихся высокой температурой тела, или при старении, когда происходит повышенный распад белков в тканях организма. При этом наиболее выраженное разрушение белков наблюдается в мышцах, что внешне проявляется в заметном уменьшении объема мускулатуры.