Общая характеристика минеральных веществ и их роли в организме человека

К минеральным веществам, которые играют важную роль в различных процессах метаболизма организма человека, относят минеральные элементы и их соединения, а также воду.

Минеральные вещества, как и витамины, не обладают энергетической ценностью. Попадая в организм в больших количествах, минеральные элементы могут проявлять токсические свойства, поэтому содержание некоторых неорганических соединений регламентируется медико-биологическими требованиями и санитарными нормами. Обычное содержание минеральных компонентов в пищевых продуктах находится на уровне 0,5-0,7% съедобной части. Их можно разделить на две группы:

1) макроэлементы: кальций, магний, калий, натрий, фосфор, сера, хлор;

2) микроэлементы: железо, цинк, медь, марганец, йод, фтор, селен и др.

Живой организм подчиняется физико-химическому закону электронейтральности, согласно которому суммы положительных зарядов катионов и отрицательных зарядов анионов должны быть равны, хотя и допускаются колебания в содержании отдельных катионов и анионов. Для соблюдения правила электронейтральности не хватает некоторого количества неорганических анионов. Это компенсируется анионами органических кислот (молочной, яблочной, лимонной и т.д.) и кислых белков, несущих отрицательные заряды.

Для всех живых организмов характерна разница (градиент) концентраций основных неорганических ионов между внутриклеточным пространством и внеклеточной средой, которые разделены клеточной мембраной.

Контакт между внутриклеточными и внеклеточными средами осуществляется через такую организованную структуру, как клеточная мембрана. Мембрана обладает избирательной проницаемостью по отношению к отдельным ионам и вообще непроницаема для таких крупных макромолекул, как белки, несущих довольно большой суммарный отрицательный заряд. Наличие полупроницаемой мембраны создает особые условия равновесия отдельных ионов по обе стороны мембраны. Именно с этим свойством мембраны связаны все биоэлектрические и электрофизиологические явления в живом организме.

В биологических процессах возможна взаимозаменяемость некоторых катионов и анионов. Иногда ион какого-либо металла (обычно при его недостатке) может замещаться ионом другого металла, близким по физико-химическим свойствам и ионному радиусу. Например, натрий замещается литием; кальций – стронцием; молибден – ванадием; железо – кобальтом; магний – иногда марганцем.

Основные биологические функции неорганических ионов

1) Структурная, обусловлена комплексообразующими свойствами металлов. Ионы металлов входят в состав макромолекул (белков, нуклеиновых кислот, гемоглобина и др.).

2) Осмотическая. Используется для регуляции осмотического и гидроосмотического давления.

3) Биоэлектрическая. Связана с возникновением разности потенциалов на клеточных мембранах. Это свойство ионов используется для регуляции функций нервных и мышечных клеток и для проведения нервных импульсов.

4) Регуляторная. Проявляется в том, что ионы металлов, соединяясь с ферментами, оказывают влияние на их активность и регулируют скорость химических превращений в клетке. Это прямое регуляторное действие катионов. Косвенная регуляторная функция состоит в том, что ионы металлов необходимы для проявления действия другого регулятора, например, гормона.

5) Транспортная. Основана на участии некоторых металлов (в составе металлопротеинов) в переносе электронов или простых молекул. Например, катионы железа и меди входят в состав цитохромов, являющихся переносчиками электронов, а железо в составе гемоглобина связывает кислород и участвует в его переносе.

6) Энергетическая. Связана с использованием неорганических фосфатных анионов в образовании АТФ из АДФ (АТФ – основной аккумулятор энергии в живых клетках).

7) Механическая, или опорная. Например, катион кальция и анион фосфора входят в состав гидроксилапатита и фосфата кальция костей и определяют их механическую прочность.

8) Синтетическая. Связана с использованием неорганических анионов для синтеза сложных молекул. Например, йод участвует в синтезе йодтиронинов в клетках щитовидной железы.

Раздел 8. ОБМЕН АЗОТА

Лекция 13. Ферментативный распад и синтез белков

Азотистый обмен организма – обмен веществ, содержащих азот (белки, витамины, нуклеиновые кислоты). Рассмотрим особенности азотистого обмена на примере обмена белков и аминокислот.

1. Распад белков

Белки, входящие в состав продуктов питания, в желудочно-кишечном тракте подвергаются гидролизу до аминокислот. Этот процесс начинается в желудке, а продолжается в тонком кишечнике. Образовавшиеся аминокислоты всасываются в кровь, с кровью разносятся по организму; часть идет на синтез белков, пептидов, азотистых оснований, витаминов, гормонов и других важных веществ организма; другая часть расщепляется и выводится или превращается в углеводы и липиды.

Белки, входящие в состав тела (собственные белки организма), постоянно обновляются (с разной скоростью). В зависимости от продолжительности их функционирования их можно разделить на:

· долгоживущие (обновляются 1 раз в 2-3 месяца);

· короткоживущие (обновляются 1 раз в 1-5 дней).

Таким образом, распад белков (путем гидролиза) идет не только в желудочно-кишечном тракте, но и во всех тканях и клетках, при участии соответствующих протеолитических ферментов (или протеаз).

Гидролиз белков осуществляется в 2 этапа:

· Частичный гидролиз (образуются более низкомолекулярные азотсодержащие вещества – пептиды).

Ферменты, катализирующие реакции частичного гидролиза, называются протеиназами (поскольку их субстратами являются белки, или протеины). К ним относятся:

1) пепсин (входит в состав желудочного сока);

2) трипсин (действует в 12-перстной кишке);

3) химотрипсин (также действует в 12-перстной кишке).

· Полный гидролиз (из пептидов образуются аминокислоты).

Ферменты, катализирующие реакции полного гидролиза, называются пептидазами. К ним относятся:

1) карбоксипептидаза (катализирует отщепление аминокислоты с С-конца);

2) аминопептидаза (катализирует отщепление аминокислоты с N-конца);

3) дипептидаза (катализирует расщепление пептидной связи в молекулах дипептидов).

Гидролиз белков начинается в желудке под действием пепсина рН=1,5 – 3, а затем продолжается в тонком кишечнике в среде, близкой к нейтральной.

Пепсин, трипсин и химотрипсин выделяются железистыми клетками в виде неактивных проферментов – зимогенов: пепсиногена, трипсиногена, химотрипсиногена, т.к. их активные центры заблокированы фрагментами полипептидной цепи, после гидролитического отщепления которых фермент приобретает активность. Например, активатором пепсиногена является HCl, которая входит в состав желудочного сока, именно под ее действием неактивный пепсиноген превращается в активный пепсин.

Важной особенностью протеиназ является выборочный (селективный) характер их действия на пептидные связи в белковой молекуле.

Специфичность действия пепсина заключается в том, что он расщепляет пептидные связи, образованные аминогруппами ароматических аминокислот (быстрее) и образованные лейцином и дикарбоновыми аминокислотами (медленнее).

Трипсин катализирует гидролиз пептидных связей, образованных карбоксильными группами основных аминокислот – аргинина и лизина.

В результате индивидуальный белок под действием определенной протеиназы расщепляется всегда на строго ограниченное число пептидов.

Аминопептидазы отщепляют аминокислоты от пептида, начиная с аминокислоты, обладающей свободной аминогруппой, а карбоксипептидазы – начиная с аминокислоты, имеющей свободную карбоксильную группу.

Дипептидазы (их известно около 10) завершают гидролиз белков.

Таким образом, ферменты, катализирующие гидролиз белков, бывают двух типов:

1-й тип – эндопептидазы (катализируют расщепление внутренних пептидных связей);

2-й тип – экзопептидазы (катализируют расщепление наружных пептидных связей).

Протеиназы являются эндопептидазами, а пептидазы – экзопептидазами.

Протеолитические ферменты, катализирующие гидролиз собственных (тканевых) белков, называются катепсинами. Они в основном локализуются в специальных клеточных органеллах – лизосомах (у животных). У растений большая часть гидролитических (в том числе протеолитических) ферментов находится в вакуолях.

В клетках растений тоже есть протеолитические ферменты. Их активность наиболее высока в семенах (при прорастании), поскольку продукты их гидролиза используются как пластический и энергетический материал. В листьях деревьев активность протеолитических ферментов резко повышается перед листопадом, поскольку образующиеся при этом аминокислоты из листьев перемещаются в другие органы растения для того чтобы уменьшить потери азота.

2. Синтез белков (реализация наследственной информации)

Наследственная информация – это информация о первичной структуре белковых молекул, которая закодирована в виде определенной последовательности нуклеотидов в хромосомах, состоящих в основном из ДНК. Участок хромосомы, в котором закодирована информация о структуре одного белка, называется геном. Поэтому наследственная информация иначе называется генетической информацией.

Именно белки организма обуславливают, какие углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты имеются в организме, поскольку именно белки-ферменты определяют обмен веществ в организме.

Реализация наследственной информации происходит в соответствии с генетическим кодом.

Основные свойства генетического кода:

1. Код является триплетным (каждой аминокислоте в белке соответствует 3 нуклеотида ДНК, или триплет).

2. Универсальность (абсолютно одинаковый набор нуклеотидов (триплет) у всех организмов кодирует одинаковые аминокислоты). К примеру, ала ГЦТ; фен АГЦ.

3. Уникальность (данная последовательность 3-х нуклеотидов всегда кодирует одну аминокислоту).

4. Вырожденность – большинство аминокислот кодируется более чем одним триплетом (это необходимо для того, чтобы снизить мутации).

Существует 4 триплета, обозначающие окончание синтеза белка «стоп»-сигнал.

Репликация ДНК

Репликацией ДНК называется самоудвоение ДНК. Оно происходит перед делением клетки.

Репликация происходит по принципу комплементарности по полуконсервативному механизму.

Полуконсервативный механизм означает, что в каждой дочерней хромосоме одна цепочка ДНК является старой (материнской), а другая – новой (дочерней).

При делении клеток в каждой из 2-х образованных дочерних клеток получается одинаковый набор хромосом, идентичный набору хромосом в исходной материнской клетке. Например, в ядре каждой соматической клетки организма человека имеется абсолютно одинаковый набор хромосом, состоящий из 23 пар (т.е. 46) хромосом.

Если по какой-то причине принцип комплементарности в процессе репликации нарушен – то происходит мутация.

В организме существует механизм исправления ошибок синтеза ДНК – репарация.

Процесс синтеза белков осуществляется в 2 основных этапа:

1) транскрипция;

2) трансляция.

Транскрипция

Транскрипция – это процесс считывания наследственной информации о структуре какого-то белка с участка молекулы ДНК, соответствующему гену, на молекулу и-РНК (или матричной). Процесс осуществляется на основе принципа комплементарности.

Вначале образуется проматричная РНК, в гене есть зоны, которые несут информацию (эти зоны – экзоны); и зоны, не несущие информацию – интроны.

Поэтому для образования зрелой м-РНК требуется сплайсинг – процесс, в результате которого вырезаются интроны, а оставшиеся участки (экзоны) сшиваются между собой.

Таким образом, м-РНК (или и-РНК) является посредником между ДНК и синтезируемой полипептидной цепочкой.

Трансляция

Трансляция – синтез полипептидной цепи по матрице и-РНК согласно генетическому коду.

В организме 60 т-РНК, что соответствует числу кодонов (триплетов).

Каждая т-РНК переносит только 1 аминокислоту.

Каким образом определяется, какую аминокислоту переносит РНК?

У каждой молекулы т-РНК есть специфический участок – антикодон, который представляет собой последовательность 3-х нуклеотидов, комплементарных триплету (кодону) данной аминокислоты.

Все процессы синтеза белка идут с затратой большого количества энергии АТФ.

Репликация, транскрипция и трансляция являются ферментативными процессами. В них участвует множество различных ферментов. Например,

· ДНК-полимеразы. Осуществляют репликацию и репарацию.

· ДНК-лигазы - сшивают вновь синтезированные фрагменты ДНК.

· РНК-полимеразы – синтезируют проматричную РНК.

Процессы репликации, транскрипции и трансляции отличаются своим сложным характером. Они осуществляются на всех этапах онтогенеза живых организмов.

Лекция 14. Ферментативный распад и синтез аминокислот

1. Пути превращения аминокислот

Соотношения аминокислот в распадающихся белках и образуемых за счет их счет протеинах, как правило, различны. Поэтому известная доля свободных аминокислот, возникших при гидролизе белков и пептидов, должна быть обязательно преобразована либо в другие аминокислоты, либо в более простые соединения, выводимые из организма.

Известны три типа реакций аминокислот в организме: по a-аминогруппе, карбоксильной группе и радикалу аминокислоты.

1. Реакции по a-аминогруппе однотипны у всех аминокислот, это в основном реакции дезаминирования и переаминирования. При этом могут образовываться кетокислоты, оксикислоты, непредельные кислоты и т. д.

2. Реакции по карбоксильной группе аминокислот – это главным образом декарбоксилирование и образование аминоациладенилатов.

3. Реакции по радикалу. Приводят к синтезу одних аминокислот из других, к окислению, метилированию и т.д.

2. Распад аминокислот

В отличие от углеводов и жирных кислот, аминокислоты, даже при их избытке, не запасаются в организме. Лишние (невостребованные) аминокислоты подвергаются расщеплению. Существует 2 основных способа их катаболизма:

декарбоксилирование и дезаминирование.

Декарбоксилирование

В результате этой реакции удаляется α-карбоксильная группа аминокислот и образуются амины – физиологически активные соединения. Реакция катализируется сложными ферментами-декарбоксилазами, кофакторами которых является пиридоксальфосфат (производное витамина В₆).

Декарбоксилирование имеет место во всех организмах. Продукты декарбоксилирования имеют большое физиологическое значение. Например, при декарбоксилировании глутаминовой кислоты образуется γ-аминомасляная кислота, которая является важнейшим нейромедиатором; при декарбоксилировании аспарагиновой кислоты образуется β-аланин, который входит в состав витамина В₃ (пантотеновой кислоты).

Дезаминирование

Чаще всего в клетках происходит так называемое окислительное дезаминирование аминокислот. При этом выделяется аммиак и образуется кетокислота.

Аммиак является токсичным для организма, т.к. связывается с кетокислотами цикла Кребса. При этом функционирование цикла Кребса тормозится, нарушается дыхательный метаболизм, являющийся основным источником энергии организма. Поэтому животные организмы стремятся от аммиака избавиться. Часть его выводится из организма в виде солей аммония (через кожу, с мочой, через кишечник). Однако почти 90% аммиака обезвреживается в цикле мочевины, который идет в печени; мочевина выводится с мочой.

Мочевина – основной конечный продукт белкового обмена у многих животных (дождевой червь, слизень, акула, лягушка, черепаха и все млекопитающие). Ее биосинтез у высших животных происходит в печени, где имеются все необходимые для этого ферменты.

У животных, не способных синтезировать мочевину (рептилии, птицы), печень не обладает соответствующим ферментативным аппаратом. Новообразование мочевины идет также в растениях. Путь ее возникновения у животных и растений одинаков и состоит в следующем.

Из аммиака, углекислого газа и АТФ при каталитическом воздействии фосфотрансферазы синтезируется карбамоилфосфорная кислота. При участии другой трансферазы (орнитин-карбамилтрансфераза) карбаминовая группировка переносится от карбамоилфосфата на аминогруппу орнитина, который всегда присутствует в организме, так как легко возникает при гидролизе аргинина. В результате этой реакции синтезируется цитруллин.

Далее в действие вступают еще два фермента, обеспечивающие введение в карбаминовую группировку цитрулина еще одного атома азота (переход цитруллина в аргинин).

Заключительной реакцией в биосинтезе мочевины является гидролиз аргинина и образование орнитина и мочевины. Получающийся при этом орнитин вновь вступает во взаимодействие с карбамоилфосфатом, и все перечисленные реакции повторяются снова. Поэтому совокупность указанных реакций получила название орнитинового цикла.

Кетокислоты, образовавшиеся при дезаминировании аминокислот, либо окисляются с высвобождением энергии либо (если есть потребность в глюкозе) участвуют в ее синтезе (процесс глюконеогенеза).

Окисление кетокислот осуществляется в цикле Кребса. Например, при дезаминировании аланина образуется ПВК, которая подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетилкоэнзима А, а он вовлекается в цикл Кребса. При дезаминировании аспартата образуется оксалоацетат, который в цикле Кребса является акцептором ацетильного радикала.

2. Биосинтез аминокислот

Истинное новообразование аминокислот путем их биосинтеза возможно у бактерий и растений.

Существует 2 типа этих реакций:

1) Прямое аминирование непредельных аминокислот. Встречается у бактерий и растений, но встречается редко. Например, при присоединении аммиака к фумаровой кислоте образуется аспарагиновая кислота.

2) Восстановительное аминирование кетокислот. Эта реакция идет при участии сложного фермента из класса оксидоредуктаз, кофактором которого является НАД восстановленный.

Глутамат, аспартат и аланин, которые образуются в реакциях аминирования кетокислот или непредельных кислот, называются первичными аминокислотами.

Все остальные аминокислоты образуются в результате переаминирования кетокислот с первичными аминокислотами и называются вторичными.

Большая часть аминокислот в организме животных образуется в результате реакции переаминирования с кетокислотами.

Реакции переаминирования катализируются сложными ферментами-трансферазами, кофакторами которых является пиридоксальфосфат (производное витамина В₆).

Сущность этих реакций заключается в том, что при взаимодействии аминокислоты и кетокислоты происходит перенос амино- и кетогруппы с одной молекулы на другую, а следовательно, в результате этой реакции образуется новая аминокислота и новая кетокислота. Например, в реакции переаминирования между пировиноградной кислотой и глутаматом образуются аланин и 2-оксоглутарат; в реакции переаминирования между оксалоацетатом и аланином образуются аспарагиновая кислота и пировиноградная кислота. Суммарное количество аминокислот в организме при этом не изменяется.

Раздел 9. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ПРОЦЕССАМИ ОБМЕНА

ВЕЩЕСТВ

Лекция 15. Единство процессов обмена веществ и их

регуляция

Метаболизм – совокупность биохимических реакций живого организма, предназначенных для обеспечения его жизнедеятельности. В живых организмах метаболизм устроен на основе циклов (например, цикл Кребса или цикл Кальвина), цепей биохимических реакций (например, гликолиз) или биохимических процессов, идущих в форме спирали (β-окисление жирных кислот). Реакции обмена веществ связаны между собой, т.к. продукт одной реакции является субстратом для другой.

1. Взаимосвязь между процессами обмена белков, липидов, углеводов и нуклеотидов

Взаимосвязь между процессами обмена белков, липидов, углеводов и нуклеотидов можно проявляется в различных аспектах. Следует отметить основные позиции, отражающие эту взаимосвязь:

1) Взаимозависимость обменных процессов:

а) ни одно превращение липидов, углеводов или нуклеотидов невозможно без участия белков-ферментов;

б) биохимические процессы немыслимы без участия таких важнейших кофакторов, как АТФ, НАД, ФАД и др.;

в) углеводы и липиды являются основным энергетическим ресурсом для протекания процессов биосинтеза, идущих с затратой энергии.

2) Сходные этапы катаболизма и анаболизма (рассмотрены ниже).

3) Использование общих метаболических путей (прежде всего, это цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса).

4) Способность к взаимопревращениям:

а) при избытке углеводов в пищевом рационе человека, часть продуктов их расщепления может превращаться в липиды;

б) при высокой потребности организма в глюкозе она может синтезироваться в клетках печени и надпочечников из продуктов распада белков, липидов и других веществ (этот процесс называется глюконеогенез, он имеет место также и у растений);

в) при недостатке жиров в рационе они могут синтезироваться из аминокислот;

г) белки в животном организме не могут в полной мере синтезироваться из продуктов распада липидов и углеводов (т.к. незаменимые аминокислоты должны поступать с пищей), тогда как растения способны синтезироваться все незаменимые аминокислоты из продуктов фотосинтеза и соединений азота, поступающих из почвы.

2. Основные этапы катаболизма и анаболизма

Этапы катаболизма

Катаболизм – расщепление крупных молекул с выделением энергии, заключенной в их структуре и запасание ее в форме АТФ. Полный распад крупных молекул осуществляется в 3 этапа:

1) Подготовительный (распад сложных молекул до их составных компонентов): белки → аминокислоты; сложные углеводы → моносахариды; липиды → спирты и высшие жирные кислоты; полинуклеотиды → мононуклеотиды.

Этот процесс осуществляется без участия кислорода, и АТФ здесь не образуется. Он происходит либо в желудочно-кишечном тракте (если речь идет о расщеплении сложных веществ, поступающих с пищей), либо в клетках организма (при распаде собственных, или тканевых сложных молекул).

Расщепление сложных веществ, поступающих с пищей, всегда происходит путем гидролиза при участии соответствующих гидролитических ферментов желудочно-кишечного тракта. Расщепление собственных белков, липидов и нуклеотидов также осуществляется путем гидролитического распада, а что касается углеводов – их распад в клетках организма может происходить как путем гидролиза, так и путем фосфоролиза.

2) Этап универсализации (высвободившиеся в результате подготовительного этапа низкомолекулярные органические соединения, такие как моносахариды, аминокислоты, глицерин, жирные кислоты, подвергаются дальнейшей метаболизации с образованием относительно небольшого круга веществ, чаще всего, это ПВК либо другие кетокислоты, ацетилкоэнзим А или сукцинилкоэнзим А.

Этот этап также осуществляется в клетках организма без участия кислорода (например, гликолиз, β-окисление жирных кислот). АТФ при этом может образовываться, но относительно немного.

3) Этап полного распада (происходит в митохондриях клеток, причем, исключительно в аэробных условиях).

В основе этого процесса лежат такие этапы аэробного дыхания как цикл Кребса и окислительное фосфорилирование, в результате которых промежуточные метаболиты, образовавшиеся на этапе универсализации, полностью окисляются до воды и углекислого газа с высвобождением энергии, которая аккумулируется в форме макроэргических химических связей АТФ.

Этапы анаболизма

Анаболизм – синтез крупных молекул из мелких, идущий с затратой энергии. В клетках животных и растений протекает множество анаболических реакций, в ходе которых из мелких молекул строятся более крупные.

Каждая клетка обычно сама синтезирует для себя необходимые белки, нуклеотиды, липиды, полисахариды и другие сложные вещества, а не получает их готовыми из других клеток (к примеру, гликоген, находящийся в мышцах, синтезируется в мышечных волокнах, а не приносится кровью из печени).

Исходным сырьем для процессов биосинтеза являются сравнительно немногие вещества, в том числе ацетилкоэнзим А, глицин, сукцинилкоэнзим А, рибоза, ПВК и глицерин.

Можно выделить следующие этапы анаболизма:

1) Образование промежуточных метаболитов (ПВК, ацетилкоэнзима А, фосфоглицеринового альдегида и др.), необходимых для прохождения дальнейших этапов биосинтеза.

2) Образование структурных блоков (аминокислот, моносахаридов, высших жирных кислот и др.), необходимых для синтеза сложных органических молекул.

3) Биосинтез сложных (и в том числе высокомолекулярных) соединений: белков и пептидов, сложных углеводов, липидов, полинуклеотидов.

Каждый этап биосинтеза катализируется отдельным ферментом.

Некоторые реакции в биосинтетических процессах не требуют доставки энергии извне, хотя в целом происходящие в клетках процессы синтеза нуждаются в поступлении энергии.

Синтез сложных молекул и их расщепление регулируется при помощи различных, обособленных друг от друга механизмов.

3. Регуляция биохимических процессов

На уровне клетки регуляцию биохимических процессов осуществляют 3 системы:

1) система регуляции активности ферментов;

2) мембранная регуляция;

3) генетическая регуляция.

Регуляция биохимических процессов на уровне целого организма (у человека и животных) осуществляется с помощью следующих систем:

1) нервной регуляции;

2) гормональной регуляции;

3) иммунной системы.

Система регуляции биохимических процессов на уровне клетки координируется организменной системой регуляции, т.е. все процессы регуляции биохимических процессов (и на уровне клетки, и на уровне целостного организма) тесно связаны между собой.