11000 (Интеграция обмена углеводов, белков и жиров в организме. Транспортные системы в организме человека)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

«Интеграция обмена углеводов, белков и жиров в организме. Транспортные системы в организме человека »

МИНСК, 2008

Интеграция обмена углеводов, белков и жиров в организме.

Жизненные процессы организма связаны с постоянным поглощением веществ из окружающей среды и выделением продуктов распада в эту среду. Всю совокупность этих реакций объединяют общим понятием метаболизм или обмен веществ. Метаболизм представляет собой высоко координированную и целенаправленную клеточную активность, обеспечиваемую участием множества взаимосвязанных ферментных систем и означает превращение веществ внутри клеток с момента их поступления до образования конечных продуктов. Обмен веществ выполняет 4 специфические функции:

Обеспечение органов и систем химической энергией, вырабатываемой в процессе расщепления богатых энергией пищевых веществ.

Превращение молекул пищевых продуктов в строительные блоки, которые используются клеткой для построения макромолекул

Образование из этих строительных блоков молекул белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов и других компонентов

Синтез и разрушение тех биомолекул, которые необходимы для выполнения определенных специфических функций клетки

Метаболизм слагается из протекания сотен различных ферментативных реакций, однако центральные метаболические пути у всех живых существ имеют единую природу.

Живые организмы активно участвуют в круговороте углерода и кислорода. Все они подразделяются на две большие группы в зависимости от того, в какой химической форме они способны усваивать поступающий из окружающей среды углерод. Клетки листьев зеленых растений (фотосинтезирующие клетки) используют в качестве единого источника углерод атмосферы в виде углекислого газа, из которого они строят все свои углеродсодержащие биомолекулы. Клетки высших животных не обладают способностью усваивать атмосферный углекислый газ и получают углерод в виде сложных органических соединений, расщепляя их для получения необходимой энергии ( например до глюкозы). Таким образом, в биосфере одни организмы потребляют углекислый газ и выделяют при этом в атмосферу кислород, а другие потребляют кислород, возвращая углекислый газ в атмосферу. Всем живым организмам, помимо источников углерода кислорода и энергии, необходим еще источник азота. Почти все высшие животные должны получать необходимый им азот в виде аминокислот, причем из 20 АК – 10 являются незаменимыми, так как организм не способен их синтезировать. Растения могут использовать в качестве источника азота аммиак или растворимые нитраты.

Таким путем совершается непрерывный круговорот углерода, кислорода и азота между животным и растительным миром. Источником энергии для этого процесса служит солнечный свет.

Метаболизм включает процессы распада веществ (катаболизм) и процессы синтеза (анаболизм)

Катаболизм – это фаза, в которой происходит расщепление сложных органических молекул до более простых конечных продуктов. Углеводы, жиры и белки, поступившие извне с пищей или присутствующие в самой клетке в качестве запасных веществ, распадаются в серии последовательных реакций до таких соединений как молочная кислота, углекислый газ и аммиак. Катаболические процессы сопровождаются выделением свободной энергии, заключенной в сложной структуре органических молекул, например, АТФ, НАДФН.

Анаболизм – это фаза обмена веществ, в которой из малых молекул предшественников или строительных блоков, синтезируются белки, нуклеиновые кислоты, жиры, углеводы и другие компоненты клеток. Так как биосинтез приводит к увеличению и усложнению молекул и структур, то он требует затраты свободной энергии. Источником этой энергии служат распад АТФ до АДФ и неорганического фосфора и богатые энергией водородные связи.

Катаболические и анаболические процессы протекают в клетках одновременно, однако их скорости регулируются независимо. Ферментативное расщепление главных питательных веществ, которые служат клетке источником энергии (углеводы, жиры и белки) совершается постепенно через ряд последовательных реакций.

В аэробном катаболизме (с участием кислорода) :

На первой стадии полисахариды (углеводы) распадаются до гексоз и пентоз, жиры до жирных кислот, глицерина , белки – до аминокислот.

На второй стадии распада веществ все эти продукты превращаются в еще более простые соединения. Так, гексозы, пентозы и глицерин расщепляются до одного и того же промежуточного продукта ацетил коэнзима А. Аналогичные превращения претерпевают жирные кислоты и аминокислоты. Их расщепление также завершается образованием ацетилкоэнзима А. Таким образом, ацетилкоэнзим А представляет собой общий конечный продукт второй стадии катаболизма.

На третьей стадии ацетильная группа ацетил КоА вступает в цикл Кребса (цикл лимонной кислоты) – общий конечный путь, на котором почти все виды клеточного топлива окисляются до углекислого газа, воды и аммиака.

Анаболические пути (синтез веществ) расходятся, и образуется много разнообразных молекул. Биосинтез начинается с малых молекул предшественников и протекает также в три стадии.

Катаболический и соответствующий ему, но противоположный по направлению, анаболический путь различаются по промежуточным продуктам реакций. Однако их связывает общая стадия, которая включает в себя цикл лимонной кислоты. На этой стадии завершается не только распад молекул (катаболизм), но происходит и процесс анаболизма, заключающийся в поставке молекул предшественников для биосинтеза молекул аминокислот, жирных кислот и углеводов. У взрослого здорового организма процессы распада и синтеза соответствуют друг другу и таким образом устанавливается динамическое равновесие. В растущем организме преобладают процессы биосинтеза над распадом.

Таким образом, почти все метаболические реакции в конечном счете связаны между собой. Регуляция метаболизма осуществляется на 3 уровнях:

Первый из них, наиболее быстро реагирующий на любое изменение связан с действием ферментов, обладающих не только каталитической, но и регуляторной активностью. Они как бы дирижеры, задающие темп метаболическим процессам.

Второй уровень регуляции метаболизма осуществляется под действием гормонов, вырабатываемых различными эндокринными железами и выделяемыми непосредственно в кровь. Гормоны переносятся кровью к другим органам и тканям, где стимулируют или тормозят определенные виды обмена веществ.

Третий уровень регуляции метаболизма связан с изменением процессов биосинтеза фермента вследствие увеличения или уменьшения того или иного субстрата в клетке. Так, если в организме избыток углеводов, то в печени синтезируются ферменты , катализирующие распад углеводов. Если же увеличивается количество белков, то в печени заметно повысится содержание ферментов, необходимых для расщепления АК.

Пути превращения белков, жиров и углеводов взаимосвязаны. Существует тесная энергетическая связь между ними, когда энергетические потребности организма обеспечиваются окислением какого-либо класса органических веществ, при недостаточном поступлении других. Так белки и аминокислоты используются для синтеза ряда соединений (пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, биогенных аминов). Аминокислоты, образующиеся в процессе обмена ацетоацетил КоА участвуют в синтезе жирных кислот. Глюкоза может также синтезироваться из аминокислот. Ацетил КоА, образующийся в процессе обмена углеводов, жиров, белков и ряда аминокислот служит пусковым субстратом в цикле Кребса.

Таким образом, преобладание распада ряда одних питательных веществ и биосинтеза других прежде всего определяется физиологическим состоянием и потребностями организма в энергии и метаболитах. Этими факторами в значительной степени может быть объяснено существование постоянного динамического состояния химических составных компонентов организма как единого целого. В организме человека как и в живой природе вообще не существует самостоятельного обмена белков, жиров , углеводов и нуклеиновых кислот. Все они объединены в единый процесс метаболизма, допускающий взаимопревращения между отдельными классами органических веществ.

Живой организм и условия его существования находятся в постоянной зависимости от условий окружающей среды. Обмен веществ в организме человека протекает не хаотично, а “тонко” настроен. Все превращения органических веществ, процессы анаболизма и катаболизма тесно связаны друг с другом. Синтез и распад взаимосвязаны, координированы и регулируются нейрогуморальными механизмами, придающими химическим процессам нужное направление. Интенсивность, направление любой реакции определяется ферментами, которые оказывают прямое влияние на обмен липидов, углеводов, нуклеиновых кислот. Синтез любого фермента-белка – требует участия ДНК и почти всех 3-х типов рибонуклеиновых кислот (транспортной, матричной и рибосомной РНК) Если к этому добавить влияние гормонов и различных продуктов распада (биогенных аминов), то видна согласованность и коодинированность огромного разнообразия химических процессов, совершающихся в организме, что определяется физиологическим состоянием и потребностями организма.

Проблема регуляции обмена веществ занимает особое место среди других проблем патологии, так как всякая патология и есть нарушение регуляторных процессов. Характерной особенностью регуляторных механизмов в живой природе является автоматизм. Саморегуляция биохимических процессов обмена веществ – одно из неотъемлемых свойств живой материи. Болезнь – это такое состояние при котором те или иные системы саморегуляции обычно выведены за пределы их физиологической адаптации. Механизмы саморегуляции обмена веществ живого организма развертываются на различных уровнях: молекулярном, клеточном, органном и целостного организма.

Известно, что в основе всех процессов обмена лежат те или иные химические реакции. Поэтому истоки регуляторных механизмов следует искать, начиная с факторов, регулирующих скорости отдельных химических реакций. На молекулярном уровне различают следующие элементы регуляции: концентрация исходных и конечных продуктов. Химические процессы, протекающие в живых организмах, обычно могут поддерживаться в стационарном состоянии только при наличии внешних источников энергии.

В химических реакциях обмена веществ обязательно принимают участие биологические катализаторы – ферменты, которым принадлежит решающая роль в определении скорости реакции. Скорость протекания ферментативных реакций зависит от:

1) Агентов, регулирующих рН, температуру, ионную силу, окислительно-восстановительный потенциал.

2) Соединений, специфически взаимодействующих с активным центром фермента (субстраты, коферменты).

3) Соединений, взаимодействующих специфически с ферментом вне его активного центра.

В результате взаимодействия этих веществ с ферментами происходит изменение пространственной конфигурации ферментного белка (конформационные изменения) на уровне третичной или четвертичной структуры.

1. рН, t и т.д. поддерживаются постоянными в узких, оптимальных для жизнедеятельности клетки пределах. 2. Повышение концентрации субстратов и коферментов обычно ускоряет ферментативные реакции

Аллостерическое взаимодействие – это взаимодействие метаболита или другого регуляторного фактора с участком ферментативного белка, в результате изменяется конформация белковой молекулы фермента и фермент теряет свои каталитические свойства.

По сравнению с молекулярным, клетка значительно более высокий качественно иной уровень организации биохимических процессов. Здесь имеется компактная саморегулирующаяся система. Наиболее характерная ее особенность – это структурная упорядоченность. Детальное разделение функций между отдельными органоидами. Роль важнейшего компонента выполняет биологическая мембрана. Главное содержание регуляции на клеточном уровне – координация различных метаболических процессов:

Сопряженность процессов субстратного дегидрирования и транспорта водородов и электронов в цепи дыхательных катализаторов, сопряжение окисления и фосфорилирования, образование макроэргических соединений и их трата, способность переключать метаболизм с аэробного режима на анаэробный, координация процессов биосинтеза белков и нуклеиновых кислот. В связи с этим особенно важны ферментативные реакции и метаболизм узловых этапов обмена.

На уровне целостного организма многие клетки приобретают специализированные функции, связанные с взаимодействием организма с внешней средой и поддержание постоянства внутренней среды. Регуляция обмена веществ при участии нервной и гуморальной систем на уровне целостного организма обладает совершенством и дает возможность сложному многоклеточному организму на этом уровне организации приобрести максимальную степень автономности по отношению к изменяющимся факторам внешней среды. Конечная цель регуляции на уровне целостного организма – поддержание оптимального значения основных параметров и “внутренней среды”, в которой живут клетки организма. Объектом регуляции являются те же самые метаболические процессы, как и на клеточном уровне регуляции. Разница заключается в том, что на уровне целостного организма избирательность действия регуляторного агента проявляется в отношении всего органа или ткани, в которых процесс подвергается изменению. Система регуляции приспособлена к выбору такого варианта регуляции, который позволяет максимально использовать специфическую роль того или иного органа в адаптации обмена целостного организма в новых условиях.