Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

biohimiyaverstka

.pdf
Скачиваний:
69
Добавлен:
30.03.2015
Размер:
2.73 Mб
Скачать

ГЛАВА 2.

ДИНАМИЧЕСКАЯ

БИОХИМИЯ

2.1. Общие закономерности обмена веществ и энергии

Живые организмы характеризуются рядом признаков, отличающих их от неживой природы. Одним из таких признаков является обмен веществ – постоянно протекающий самосовершенствующийся, саморегулирующийся процесс. Обмен веществ – это все реакции, происходящие в организме. Обмен веществ представляет собой сложную цепь процессов, заключающихся в усвоении веществ из окружающей среды (продукты питания, кислород), их химические превращения и выделение в окружающую среду конечных продуктов этих превращений.

Любая работа – от самой легкой до сверхтяжелой – сопровождается выраженными изменениями функционального состояния организма. Эти изменения касаются всех уровней организации – клеточного, органного, системного, межсистемного и организменного. Один из ранних и наиболее ярких проявлений этих изменений – обмен веществ и энергии.

Обмен веществ и энергии составляет сущность жизнедеятельности любого организма. Само явление жизни – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой. Именно с обменом веществ связаны основные проявления жизни: раздражимость живой материи (т. е. способность реагировать на воздействия внешней среды), способность к движению, росту, развитию.

101

К обмену веществ с окружающей средой способны все живые организмы, поглощая вещества, необходимые для питания, и выделяя продукты жизнедеятельности. В неживой природе также существует обмен веществ, однако при небиологическом круговороте веществ они просто переносятся с одного места на другое или меняется их агрегатное состояние. В отличие от обменных процессов в неживой природе, у живых организмов они имеют качественно иной уровень. В круговороте органических веществ самыми существенными стали процессы превращения веществ – процессы синтеза и распада.

Обмен веществ включает в себя разнообразные физиологические, физические и химические процессы. К физиологическим процессам относятся поступление питательных веществ (белков, липидов, углеводов, минеральных веществ, воды, витаминов и др.) из окружающей среды и выделение продуктов жизнедеятельности организмов. Физические процессы – это сорбция, всасывание, различные формы движения. К химическим процессам относятся распад питательных веществ и синтез необходимых организму соединений.

Вобмене веществ несколько стадий:

1.Поступление веществ извне – питание.

2.Переваривание – происходит в желудочно-кишечном тракте, при этом чужеродные биополимеры лишаются своей тканевой и видовой специфичности, распадаясь до мономеров.

3.Всасывание – прохождение мономеров через слизистую желудочно-кишечного тракта во внутреннюю среду организма.

4.Промежуточный (межуточный) обмен – ферментатив- но-обусловленные и регулируемые гормонально-ал- лостерические внутриклеточные процессы синтеза и распада. Метаболизм – превращение веществ, в процессе которого происходит изменение их структуры, т. е. химические процессы.

5.Выделение конечных продуктов обмена.

102

Вхимических процесса обмена веществ выделяют внешний и промежуточный виды обмена.

Внешний обмен – это внеклеточное превращение веществ на путях их поступления и выделения. Промежуточный обмен – это превращение веществ внутри клеток. Процессы промежуточного обмена включают превращение компонентов пищи после их переваривания и всасывания, то есть метаболизм – совокупность всех химических реакции в клетке. Именно этот вид обмена изучает динамическая биохимия.

Вметаболизме принято выделять два противоположных процесса – катаболизм и анаболизм. Процесс, включающий целый ряд сложных химических превращений веществ из окружающей среды до веществ живого организма, идущий с поглощением энергии, называется анаболизмом (биосинтезом). Другая сторона метаболизма – катаболизм – это процесс, в результате которого сложные органические соединения распадаются на простые и выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза (распад).

Катаболизм (диссимиляция) и анаболизм (ассимиляция) нельзя рассматривать как два самостоятельных процесса. Это две теснейшим образом взаимосвязанные стороны одного и того же процесса. Так, синтез специфических для организма веществ, относящийся к ассимиляции, требует затрат энергии, которую организм получает в процессе биологического окисления, т. е. в процессе диссимиляции. Однако соотношение ассимиляции и диссимиляции, скорость их протекания существенно меняются как на протяжении жизни организма, так и в течение менее продолжительных периодов времени.

Различные этапы ассимиляции и диссимиляции могут быть представлены одними и теми же химическими реакциями. Так, гидролитическое расщепление белков на аминокислоты происходит в процессе как ассимиляция (при пищеварении в желудочно-кишечном тракте), так и

впроцессе диссимиляции (при разрушении тканевых белков организма).

103

На соотношение ассимиляции и диссимиляции, на общую интенсивность обменных процессов существенное влияние оказывают мышечная активность, температура окружающей среды и самого организма (например, при заболевании), качественный и количественный состав пищи и многие другие факторы. При выполнении интенсивной мышечной работы резко усиливаются процессы диссимиляции, обеспечивающие энергией мышечную деятельность. Процессы ассимиляции, требующие значительных энергических затрат, из-за дефицита поступления энергетических веществ приостанавливаются. После завершения работы происходит переключение энергетического обмена на преимущественное обеспечение различных процессов ассимиляции: восполнение затраченных энергетических субстратов, разрушившихся структурных белков, белков-ферментов и синтез многих других жизненно важных для организма веществ.

Вещества, образующиеся в ходе химических реакций, принято называть метаболитами. Число химических реакций в клетках организма человека огромно, но все эти реакции протекают согласованно. Цепи химических реакций образуют метаболические пути, или циклы, каждый из которых выполняет определенную функцию. Связывающий путь (цикл), объединяющий пути распада и синтеза веществ, называется амфиболическим. Примером такого цикла может служить цикл Кребса. В амфиболических путях вещества, как правило, окисляются до углекислого газа и воды.

Сопрягающим в метаболизме звеном, кроме амфиболических путей, является АТФ.

Пластический и функциональный обмен. Под пластическим обменом понимают комплекс химических реакций, приводящих к синтезу специфических для организма веществ: структурных веществ, ферментов, гормонов, paзличных секретов, запасных источников энергии.

Функциональный обмен – это комплекс реакций, обеспечивающих функциональную активность клетки, орга-

104

на, ткани (например, реакции, обеспечивающие мышечное сокращение, работу сердца, легкого, печени, почек). Функциональный обмен связан в основном с процессами преобразования энергии.

Между пластическим и функциональным обменами существуют конкурентные отношения за обладание различными, необходимым для осуществления этих процессов субстратами и АТФ. АТФ является универсальным, непосредственным источником энергии для всех энергоемких процессов. Энергетический обмен организма – это комплекс химических реакций, в процессе которых за счет энергии, освобождающейся при распаде углеводов, жиров, продуктов белкового обмена, происходит новообразование (ресинтез) молекул АТФ, распавшихся в процессе энергетического обеспечении функциональной или пластической деятельности клеток.

Если клетки проявляют функциональную активность, поток энергии направляется на ее обеспечение. Реакции пластическоого обмена в это время из-за дефицита энергии заметно угнетаются. Так, при напряженной мышечной работе в организме резко замедляются почти все процессы синтеза, за исключением синтеза некоторых гормонов, некоторого количества углеводов. После прекращения или снижения функциональной активности процессы синтеза усиливаются.

Энергетический обмен. Каждое органическое соединение живой материи обладает определенным запасом энергии, которая заключена в химических связях между атомами. При разрыве химической связи происходит изменение уровня свободной энергии соединения. Если изменение уровня свободной энергии соединения при разрыве химической связи составляет более 25 кДж/моль, такая связь называется макроэргической. Не следует путать свободную энергию соединения с энергией связи, под которой понимается энергия, необходимая для разрыва связи между двумя атомами в любой молекуле. Соединения, содержащие макроэргические связи, называются макроэргическими.

105

В табл. 9 приведены данные по изменению уровня свободной энергии некоторых соединений при гидролизе их фосфатных связей.

Приведем структурные формулы двух соединений, которые играют важную роль в энергообеспечении мышечной работы – АТФ и креатинфосфата:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

NH2

 

 

O

 

 

 

 

O

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

HO

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

O

 

 

 

 

P

 

 

O

 

P

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OH

 

 

 

 

 

OH

 

 

 

 

 

OH

 

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OH

 

 

 

OH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аденозинтрифосфат

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NH

 

 

 

 

H

 

 

 

 

 

 

HO

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

 

 

 

 

 

C

C

 

COOH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OH

 

 

 

 

H

 

 

 

 

 

 

 

 

CH3

 

H

 

 

Креатинфосфат

Т а б л и ц а 9

Стандартная свободная энергия гидролиза некоторых органических соединений

Соединение

E, кДж/моль

 

 

Фосфоенолпировиноградная кислота

61,7

 

 

Карбамоилфосфат

51,5

 

 

1,3-Дифосфоглицериновая кислота

49,1

 

 

Креатинфосфат

40,1

 

 

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)

32,5

 

 

Аденозиндифосфорная кислота (АДФ)

28,3

 

 

Глюкозо-1-фосфат

20,8

 

 

Фруктозо-6-фосфат

15,8

 

 

Глюкозо-6-фосфат

13,8

 

 

106

Ключевым веществом в энергетическом обмене является АТФ, так как, с одной стороны, она возникает из других макроэргических соединений в ходе некоторых реакций, а с другой – существует много процессов, в ходе которых синтезируются макроэргические соединения при участии АТФ. АТФ является главным используемым непосредственно донором свободной энергии. В клетках организма АТФ расходуется после ее образования в течение 1 мин. Оборот АТФ очень высок. Например, человек в покое расходует около 40 кг АТФ за 24 ч, а в период интенсивной работы скорость использования АТФ достигает 0,5 кг за 1 минуту.

Однако АТФ – главное макроэргическое вещество организма – не является соединением, наиболее «богатым» энергией, а находится в середине энергетической шкалы.

Освобождение энергии фосфатной связи АТФ возможно двумя путями. Первый путь – это отщепление концевого фосфата, в результате образуется АДФ и фосфорная кислота:

АТФ АДФ + Н3Р04

Другой путь освобождения энергии фосфатной связи АТФ – пирофосфатное расщепление:

АТФ АМФ + Н4Р2О7

Пирофосфатное расщепление в биологических процессах встречается реже. Высвобожденная энергия используется в разнообразных процессах, протекающих с затратой энергии.

Подводя итог, можно сказать, что основными функциями метаболизма являются:

распад структурных компонентов клетки;

аккумуляция энергии, извлекаемой при распаде химических веществ;

использование энергии для синтеза необходимых молекулярных компонентов и совершения работы.

107

2.1.1. Возрастные изменения обмена веществ

Молодой растущий организм характеризуется заметным преобладанием анаболических процессов над катаболическими. Скорость синтеза веществ организма (в первую очередь структурных белков, белков-ферментов) превышает скорость их распада. Это обеспечивает рост организма, увеличение объема тканей и органов. Различия в средней скорости синтеза и распада веществ наиболее выражены сразу после рождения. Затем они постепенно сглаживаются. С 17–19 лет в организме устанавливается динамическое равновесие между этими двумя сторонами обмена веществ. С этого времени рост организма практически прекращается. К старости начинают преобладать процессы диссимиляции, что приводит к уменьшению содержания в организме ряда важнейших для его жизнедеятельности веществ (структурных белков, белковферментов, легко доступных для использования источников энергии и др.), уменьшению количества клеток в важнейших органах и тканях (головном мозгу, сердце, внутренних органах, мышцах), снижению силы мышц и функциональных возможностей различных органов, ухудшению качества нервной регуляции обменных процессов, деятельности органов и систем организма. Происходят и другие изменения, играющие важную роль в процессах старения.

На протяжении жизни меняется также общая интенсивность обменных процессов. Наивысшая после рождения, она постепенно снижается к зрелому возрасту, стабилизируется на довольно значительный период времени

ивновь понижается в старости. Высокая интенсивность обменных процессов обеспечивает быстрый рост организма, быструю обновляемость тканей, создает необходимые предпосылки для повышенной функциональной активности, в чем заключается одна из сторон положительного воздействия на организм занятий физической культурой

испортом, особенно в зрелом и пожилом возрасте.

108

Окружающая среда воздействует на организм порой разрушающе. В организме есть механизмы, способные поддерживать его в нормальном состоянии. Поддержание постоянного внутреннего состояния организма называется гомеостазом и является следствием метаболизма.

2.1.2.Адаптационные изменения обмена веществ

На соотношение ассимиляции и диссимиляции, на общую интенсивность обменных процессов существенное влияние оказывают мышечная активность, температура окружающей среды и самого организма (например, при заболевании), качественный и количественный состав пищи и многие другие факторы. При выполнении интенсивной мышечной работы резко усиливаются процессы диссимиляции, обеспечивающие энергией мышечную деятельность. Процессы ассимиляции, требующие, значительных энергетических затрат, из-за дефицита поступления энергетических веществ приостанавливаются. После завершения работы происходит переключение энергетического обмена на преимущественное обеспечение различных процессов ассимиляции: восполнение затраченных энергетических субстратов, разрушившихся структурных белков, белков-ферментов и синтез многих других жизненно важных для организма веществ.

Напряженная мышечная тренировка может обеспечить некоторое преобладание ассимиляции ряда веществ в организме над их диссимиляцией. Это приводит к накоплению важных для выполнения работы сократительных белков, энергетических субстратов, белков-фермен- тов и других веществ. Качественно и количественно это накопление зависит от нагрузки и других особенностей как самой тренировки, так и сопутствующих ей факторов. Особенно выражено преобладание ассимиляции над диссимиляцией на начальных этапах спортивной тренировки.

109

Усиление диссимиляции происходит при понижении температуры окружающей среды. Увеличивающееся при этом образование тепла предохраняет организм от переохлаждения. Усиливающиеся процессы диссимиляции при заболевании являются источником тепла, повышающего температуру тела.

На протекание обменных процессов существенное влияние может оказывать питание. Избыточное поступление продуктов питания в организм ведет к усилению ассимиляции. В первую очередь это относится к преобладанию синтеза и накопления липидов в организме над их расщеплением. Недостаточное и неполноценное с точки зрения качественного состава питание может привести к снижению общей интенсивности обменных процессов в организме и преобладанию диссимиляции над ассимиляцией.

Многочисленные факторы внешней среды оказывают воздействие на отдельные стороны обменных процессов. Так, пребывание на солнце усиливает реакции, обеспечивающие синтез и накопление в кожных покровах пигментов, предохраняющих организм от ультрафиолетовых лучей.

Все изменения в обменных процессах, происходящие под влиянием внешних факторов, носят выраженный адаптационный (приспособительный) характер. Они обеспечивают повышение устойчивости организма к воздействию этих факторов. Именно благодаря тому, что обмен веществ может изменяться, обеспечивая необходимые сдвиги в организме или, наоборот, постоянство констант организма,несмотря на изменения во внешней среде (например, сохранение постоянной температуры тела при резких изменения температуры окружающей среды), живые организмы обладают высокой приспособительной способностью.

Эта же особенность обмена веществ лежит в основе повышения функциональных возможностей организма, совершенствования физических качеств в процессе спортивной тренировки.

110

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]