Обмен веществ.Метаболические пути. Унификация питательных веществ

Обмен веществ и энергии - совокупность процессов превращения веществ и энергии в живых организмах и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Обмен веществ включает 3 этапа - поступление веществ в организм, метаболизм, или промежуточный обмен, выделение конечных продуктов обмена.

Основные функции метаболизма - извлечение энергии из окружающей среды (в форме химической энергии органических веществ), превращение экзогенных веществ в строительные блоки, сборка белков, нуклеиновых кислот, жиров из строительных блоков, синтез и разрушение тех биомолекул, которые необходимы для выполнения различных специфических функций данной клетки.

Различают две стороны обмена веществ – анаболизм и катаболизм

Катаболизм – ферментативный распад высокомолекулярных соединений до составляющих их мономеров и дальнейший распад мономеров до конечных продуктов: углекислого газа, аммиака, лактата.

Главные реакции катаболизма – реакции окисления, поставляющие клетке энергию. Энергия может запасаться в двух формах: АТФ, НАДФН+Н - донор водорода в реакциях восстановления при синтезе ряда соединений.

Анаболизм - ферментативный синтез основных макромолекул клетки, а также образование биологически активных соединений, требует затраты свободной энергии (АТФ, НАДФН+Н).

Отличия катаболизма и анаболизма. Катаболизм – распад, запасание АТФ. Анаболизм – синтез, но потребление АТФ. Пути не совпадают, разное число реакций. Отличаются по локализации. Разная генетическая и аллостерическая регуляция.

Основной энергетический источник для человека – энергия, запасённая в химических связях пищевых продуктов. Соотношение Б:Ж:У = 1:1:4. 55% энергии человек получает за счёт углеводов, 15% - за счёт белков, 30% - за счёт жиров (80% приходится на животные жиры, а 20% - на растительные).

Суточная потребность человека в энергии – 3000 ккал. Суточная потребность человека в энергии зависит от: работы (при тяжёлой физической работе выше основной обмен), пола (у женщин величина обмена ниже на 6-10%), температуры (при повышении температуры тела на один градус величина обмена возрастает на 13%), возраста (с возрастом, начиная с 5 лет, величина основного обмена снижается).

За сутки в организме образуется и распадается около 60 кг АТФ. Цикл АТФ-АДФ работает постоянно. Он включает в себя использование АТФ для различных видов работы и регенерацию АТФ за счёт реакций катаболизма.

Унификация питательных веществ идёт в три фазы.

I. Подготовительная фаза. Высокомолекулярные соединения распадаются под действием гидролаз ЖКТ до мономеров. Протекает в ЖКТ и лизосомах. Не является поставщиком энергии (1%).

II фаза. Превращение мономеров в простые соединения - центральные метаболиты (ПВК, ацетилКоА). Эти продукты связывают 3 вида обмена, до 2-3 с, протекает в цитоплазме, завершается в митохондриях, даёт 20-30% энергии, поставляемой анаэробно.

III фаза. Цикл Кребса. Аэробные условия, полное окисление поступивших с пищей веществ, выделяется большое количество энергии и аккумулируется она в АТФ.

Анаболические пути расходятся

1 фаза. Синтез белков начинается с образования α-кетокислот.

2 фаза. Аминирование α-кетокислот, получение АМК.

3 фаза. Из АМК образуются белки. 2 СО2

Общий путь катаболизма. После образования ПВК дальнейший путь распада веществ до углекислого газа и воды происходит одинаково в общем пути катаболизма (ОПК). ОПК включает реакции окислительного декарбоксилирования ПВК и ЦТК. Реакции ОПК происходят в матриксе митохондрий и восстановленные коферменты передают водород на компоненты дыхательной цепи. Катаболические пути сходятся, вливаясь на третьей фазе в ЦТК.

На первой фазе белки дают 20 АМК. На второй фазе 20 АМК дают ацетилКоА и аммиак. На третьей фазе ЦТК даёт углекислый газ, воду и энергию.

Метаболические пути – совокупность катализируемых ферментами реакций, в ходе которых происходит превращение субстрата в продукт. Главные (основные) метаболические пути – универсальные, свойственные любой клетке. Поставляют энергию, синтез основных биополимеров клетки. Добавочные пути менее универсальны, характерны для определённых тканей и органов. Синтез важных веществ. Поставляют энергию в форме НАДФН+Н.

Цикл трикарбоновых кислот открыт в 1937 г Г.Кребсом, протекает в циклическом режиме в матриксе митохондрий, в каждый оборот ЦТК вступает в форме ацетилКоА одна ацетильная группа, 2 атома углерода, и при каждом обороте из цикла выводится 2 молекулы углекислого газа. Оксалоацетат в ЦТК не расходуется, так как он регенерирует.

Изомеризация цитрата - α –Кетоглутарат окисляется до сукцинилКоА и углекислого газа.

ЦТК – специфический механизм для расщепления ацетилКоА на 2 типа продуктов: углекислый газ – продукт полного окисления, восстановленные нуклеотиды, окисление которых является главным источником энергии.

При окислении одной молекулы ацетилКоА в ЦТК и системе окислительного фосфорилирования образуется 12 молекул АТФ: 1АТФ за счёт субстратного фосфорилирования, 11АТФ за счёт окислительного фосфорилирования. Энергия окисления аккумулируется в форме восстановленных нуклеотидов и 1АТФ. Валовое уравнение ЦТК - АцетилКоА + 3НАД + ФАД+ АДФ+Фн+2Н20→ 2СО2+ 3НАД+Н +ФАДН2+ АТФ + КоАSH

ЦТК – центральный метаболический путь. Функции ЦТК: интегрирующая, энергообразующая, анаболическая.

Взаимосвязь обмена веществ на уровне цикла Кребса.

Анаболическая функция ЦТК. Метаболиты цикла Кребса используются для синтеза различных веществ: углекислый газ в реакциях карбоксилирования, α-кетоглутарат → глу, оксалоацетат → глюкоза, сукцинат → гем.

ЦТК играет роль в процессах глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования, липогенеза.

Регуляция ЦТК. Регуляторные энзимы: цитратсинтаза, изоцитратДГ, α –кетоглутаратДГ комплекс.

Положительные аллостерические эффекторы цитратсинтазы - ЩУК, ацетилКоА, НАД, АДФ.

Отрицательные аллостерические эффекторы цитратсинтазы - АТФ, цитрат, НАДН+Н, жирные кислоты, повышение выше нормы концентрации сукцинилКоА.

Действие АТФ заключается в повышении Км для ацетилКоА. С увеличением концентрации АТФ снижается насыщение фермента ацетилКоА и в результате снижается образование цитрата.

Положительные аллостерические эффекторы изоцитратДГ - АДФ, НАД.

Отрицательные аллостерические эффекторы изоцитратДГ - АТФ, НАДН+Н.

Цикл Кребса регулируется по типу обратной связи: ингибируется АТФ, активируется АДФ. Гипоэнергетические состояния – состояния, при которых снижается синтез АТФ.

Гипоксия тканей из-за: снижения концентрации кислорода в воздухе, нарушения работы сердечно-сосудистой и дыхательной систем, анемии, гиповитаминозы, голодание.

Роль витаминов в цикле Кребса - рибофлавин (ФАД) - кофермент СДГ, α-кетоглутарат ДГ комплекса, РР (НАД) – кофермент МДГ,ИДГ, α-кетоглутарат ДГ, тиамин (ТПФ) - кофермент α-кетоглутарат ДГ комплекса, пантотеновая кислота (КоА): ацетилКоА, сукцинилКоА.