Вопросы для самоконтроля к главе 7 «Углеводы»

1. Дайте определение углеводам.

2. Перечислите функции углеводов.

3. Как классифицируются углеводы?

4. Что понимают под восстанавливающими свойствами углеводов?

5. Приведите примеры реакций по открытой таутомерной форме глюкозы, по циклической таутомерной форме.

Глава 8 Обмен веществ и энергии. Обмен углеводов

Обмен веществ и энергии - это совокупность физических, химических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в живых организмах, а также обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Различают внешний и внутренний обмен. Внешний обмен (внеклеточный) включает превращения веществ на путях их поступления и выделения. Внутренний обмен (внутриклеточный, собственно метаболизм) – это совокупность реакций, которые протекают в строго определенной последовательности и регулируются множеством генетических и химических механизмов. Метаболизм можно разделить на два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса: анаболизм (ассимиляция) и катаболизм (диссимиляция).

Анаболизм - это совокупность процессов биосинтеза органических веществ (компонентов клетки и других структур органов и тканей). Он обеспечивает рост, развитие, обновление биологических структур, а также накопление энергии (синтез макроэргических соединений). Макроэргические соединения – это соединения, содержащие макроэргическую связь - ковалентную связь, при гидролизе которой выделяется не менее 30 кДж/моль энергии. Эта связь обозначается знаком ~. Универсальным аккумулятором энергии в организме является АТФ (Рис. 14).

По отношению к источникам энергии живые организмы делятся на фототрофы, для которых источником энергии является солнечный свет, и хемотрофы, потребляющие энергию окислительно-восстановительных реакций. Высвобождение энергии осуществляется в результате окислительно-восстановительного распада углеводов, жиров, белков. Часть этой энергии затрачивается на синтез АТФ.

Катаболизм - это совокупность процессов расщепления сложных молекул до более простых веществ с использованием части из них в качестве субстратов для биосинтеза и расщеплением другой части до конечных продуктов метаболизма с образованием энергии. К конечным продуктам метаболизма относятся вода (у человека примерно 350 мл в день), двуокись углерода (около 230 мл/мин), окись углерода (0,007 мл/мин), мочевина (около 30 г/день), а также другие вещества, содержащие азот (примерно 6 г/день). Катаболизм обеспечивает извлечение химической энергии из содержащихся в пище молекул и использование этой энергии на обеспечение необходимых функций.

Каждое органическое вещество обладает определенным запасом внутренней энергии (Е). Та часть внутренней энергии, за счет которой может быть совершена полезная работа, называется свободной энергией (G). Уровни свободной энергии исходных соединений и продуктов реакций различны. Самопроизвольно протекают реакции, в ходе которых свободная энергия уменьшается - это реакции катаболизма. Реакции анаболизма идут за счет энергии макроэргических соединений, главным образом АТФ, так что АТФ играет роль сопрягающего фактора между реакциями катаболизма и анаболизма.

Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия. Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание катаболических процессов ведет к частичному разрушению тканевых структур. Состояние равновесного или неравновесного соотношения анаболизма и катаболизма зависит от возраста (в детском возрасте преобладает анаболизм, у взрослых обычно наблюдается равновесие, в старческом возрасте преобладает катаболизм), состояния здоровья, выполняемой организмом физической или психоэмоциональной нагрузки.

В ходе извлечения энергии из различных субстратов можно условно выделить три фазы.

Первая фаза — подготовительная. Она необходима для перевода биополимеров, поступающих с пищей или находящихся внутри клетки, в удобную для извлечения энергии форму — мономеры. Осуществляется эта фаза с помощью гидролаз в кишечнике или внутри клетки. Энергетической ценности эта фаза не представляет, так как освобождается лишь до 1% энергии субстратов, но и она рассеивается в форме теплоты.

Вторая фаза — частичный распад мономеров до ключевых промежуточных продуктов, например, щавелевоуксусной кислоты. Для нее характерно частичное (до 20%) освобождение энергии, заключенной в исходных субстратах, происходящее в анаэробных условиях, т.е. без кислорода.

Третья фаза — окончательный распад веществ до СО₂ и Н₂O с участием кислорода. Эта фаза — аэробного биологического окисления веществ, протекает с полным освобождением энергии. Примерно 80% всей энергии химических связей веществ освобождается в данной фазе.

Биологическое окисление органических веществ похоже во многом на сжигание топлива в костре или топке. При биологическом окислении органические соединения сгорают, и конечными продуктами являются также вода и углекислый газ, но горение это происходит медленно. Высвобождающаяся энергия также постепенно запасается в виде химических связей синтезируемых соединений. Некоторая ее часть рассеивается в клетках, поддерживая необходимую для жизнедеятельности температуру. Синтез АТФ происходит главным образом в митохондриях (у растений еще и в хлоропластах) и обеспечивается в основном энергией, выделяющейся при расщеплении глюкозы, но могут использоваться и другие простые органические соединения — сахара, жирные кислоты и пр.