Распад нуклеотидов и нуклеозидов.

Распад нуклеотидов. Отщепление фосфорной кислоты от нуклеотидов может происходить под действием многих фосфатаз. Фосфатазы проявляют активность и по отношению к другим моноэфирам фосфорной кислоты, и их действие малоспецифично. В этой группе ферментов есть специфические фосфатазы, так называемые нуклеотидазы, которые расщепляют только нуклеотиды, образовавшиеся при распаде ДНК и РНК. 5-нуклеотидазы – специфичные фосфатазы, катализирующие отщепление фосфорной кислоты, присоединенной к пятому углеродному атому рибозы в нуклеотиде, 3-нуклеотидазы отщепляют минеральный фосфат, присоединенный к третьему углеродному атому рибозы. В результате действия нуклеотидаз образуются соответствующие нуклеозиды и минеральная Н₃РО₄.

Распад нуклеозидов. Нуклеозиды могут подвергаться дальнейшим превращениям. Основной путь этих превращений – расщепление гликозидной связи между основанием и пентозой, которое катализируется ферментом, относящимся к группе нуклеозидаз. В большинстве случаев распад нуклеозидов идет по следующей схеме и носит гидролитический характер:

гуанозин + Н₂О ^{нуклеозидаза} гуанин + рибоза

(нуклеозид) (азотистое основание)

В результате действия нуклеозидаз образуются свободные пуриновые или пиримидиновые основания и рибоза или дезоксирибоза.

Распад пуриновых оснований. Пуриновые основания в свободном состоянии в тканях содержатся в небольшом количестве и, в зависимости от физиологического состояния ткани, обычно используются для образования нуклеотидов и нуклеиновых кислот или подвергаются дальнейшему распаду. Аденин под действием адениндезаминазы подвергается гидролитическому дезаминированию с образованием гипоксантина, который под действием фермента ксантиноксидазы окисляется до ксантина, а затем до мочевой кислоты. Другое пуриновое основание – гуанин дезаминируется под действием фермента гуаниндезаминазы, превращается в ксантин, который, в свою очередь, также окисляется до мочевой кислоты. Мочевая кислота – конечный продукт пуринового обмена у человека. В организме более низкоорганизованных животных мочевая кислота превращается в аллантоин, который является у них конечным продуктом обмена пуринов. При распаде пуриновых оснований у растений конечными продуктами их превращений являются аммиак, углекислота и глиоксиловая кислота. На первой стадии мочевая кислота под действием уратоксидазы превращается в аллантоин. Вероятно, уратоксидаза представляет собой комплекс ферментов. Аллантоин превращается в аллантоиновую кислоту под действием фермента аллантоиназы. Аллантоиновая кислота расщепляется далее при участии аллантоиназы с присоединением воды до глиоксиловой кислоты и мочевины, а мочевина под действием уреазы гидролизуется, и образуется аммиак и углекислый газ.

Таким образом, азот пуриновых оснований превращается в конечном счете в аммиак и может вновь использоваться для органического синтеза. Пути распада пиримидиновых оснований изучены в меньшей степени, чем превращение пуриновых оснований.

Цитозин и 5-метилцитозин могут подвергаться гидролитическому дезаминированию под действием цитозиндезамининазы с образованием соответственно урацила и тимина. Тимин и урацил затем окисляются; ферменты, катализирующие их окисление, выделены из экстрактов ряда почвенных микроорганизмов. При окислении тимина образуется 5-метилбарбитуровая кислота, а при окислении урацила – барбитуровая кислота. Предполагается, что оба пиримидиновых основания окисляются под действием одного и того же фермента – урацилдегидрогеназы. Механизм взаимных превращений 5-метилбарбитуровой и барбитуровой кислот выяснен недостаточно, однако возможно, что эти превращения происходят в результате переноса метильной группы. Барбитуровая кислота подвергается гидролитическому расщеплению до малоновой кислоты и мочевины. Эта реакция катализируется барбитуразой – высокоспецифичным ферментом, катализирующим распад только барбитуровой кислоты и не действующим на ее производные. Мочевина затем может расщепляться до аммиака и углекислоты под действием уреазы. Конечными продуктами распада пиримидиновых оснований также являются простые соединения: аммиак, углекислый газ и малоновая кислота.

Пути распада нуклеиновых кислот выяснены лишь в самых общих чертах. При расщеплении нуклеиновых кислот в организмах, так же как и при распаде сложных углеводов, белков и других соединений, должно выделяться большое количество энергии, которая может быть запасена в виде макроэргических соединений и использована организмом. Однако на каких этапах распада нуклеиновых кислот выделяется энергия и в каком количестве, еще не ясно. Детализация путей распада нуклеиновых кислот и выяснение энергетической роли этих процессов – дело ближайшего будущего.

3.Обмен минеральных веществ.Минеральным веществам принадлежит важная роль в организме, так как при их участии осуществляется ряд физиологических функций:

1. Опорная функция – в состав костной ткани в основном входят минеральные вещества, не растворимые в воде.

2. С минеральными веществами связаны явления осмотического давления, ионной силы и буферных свойств раствора.

3. Они – важная составная часть клеток всех биологических систем, так как входят в состав ферментов, витаминов, белков и т.д.

В зависимости от количественного содержания и потребности в них организма все минеральные вещества делят на макро- и микроэлементы.

К макроэлементам относятся натрий, калий, кальций, магний, хлор, фосфор, сера; к микроэлементам – железо, медь, цинк, марганец, кобальт, молибден, йод.

Натрий, калий, хлор содержатся в составе пищевых рационов совместно. Роль этих элементов в основном сводится к тому, что они – главная составная часть ионных осмотических структур жидких сред организма. Кроме того, натрий и калий обладают специфическим физиологическим действием на возбудимость нервной и мышечной тканей. У некоторых ферментных систем они выполняют функцию кофактора (например, пируваткиназа, для деятельности которой требуются калий и натрий).

Около половины от общего содержания натрия в организме найдено в составе внеклеточной жидкости, 1/3 – в составе костной и хрящевой тканей. Калий, в противоположность натрию, находится преимущественно внутри клеток. Ион хлора локализован в основном внеклеточно.

Потребность в ионах хлора составляет 1,5 г/сут., для натрия и калия – 1 г/сут.

Фосфор, магний и кальций также находятся совместно в составе пищевых продуктов и в организме человека. Эти элементы сосредоточены в костной ткани.

Фосфор находится как в виде неорганических ионов, так и в виде эфиров различных органических соединений. Содержание фосфора в плазме значительно колеблется в зависимости от возраста. У детей – 5 мг/100 мл крови, у взрослых снижается до 3 мг. Суточная потребность в фосфоре примерно равна 1 г, недостаточность фосфора ведет к развитию рахита. Под влиянием кальциферола всасывание фосфатов усиливается.

Магний в организме находится в виде ионов, не связанных ковалентной связью. Для многих ферментных систем он является кофактором. Половина магния, содержащегося в организме, падает на долю костной ткани. Среднесуточная потребность в магнии не превышает 300 мг.

Кальций, так же как и магний, находится в организме в виде ионов. Его содержание достигает 2% от общего веса тела, и 99% его локализовано в костной ткани, остальная доля находится во внеклеточной жидкости. Часть кальция связана с белками. Потребность в кальции – в среднем от 0,5 до 1 г. Нехватка кальция в пище приводит к недостаточному окостенению и недоразвитости скелета. Из продуктов питания важнейший источник кальция – молоко, в котором содержится около 120 мг% Са, молочные продукты (творог, сыр и другие). Овощи также являются источником органического кальция.

Железо содержат все известные биологические системы. В каждой клетке оно содержится в форме дыхательных ферментов и как катализатор переноса электронов, не связанных с кислородом. У многоклеточных организмов железо выполняет функцию переноса кислорода, т.е. обратимого связывания молекулярного кислорода. После гемоглобина большая часть железа связана с ферментами, гемосидерином, трансферрином. Потребность организма в железе составляет окло 1 мг. В продуктах питания животного и растительного происхождения железо содержится в большем или меньшем количестве. Много его в шпинате, яйцах и печени.

Микроэлементы имеют жизненно важное значение для человека.

Медь найдена в составе двух ферментов – цитохромоксидазы и дефенилоксидазы, в составе некоторых белков плазмы, печени, головного мозга и эритроцитов. Суточная потребность в ней – 2 мг.

Цинк входит в состав примерно 80 ферментов, обнаружен в комплексе с белками. Суточная потребность – 5 мг.

Марганец в ряде ферментов действует как кофактор и интенсифицирует обменные процессы. Суточная потребность – 25 мг.

Йод является составной частью гормонов щитовидной железы – тиреоглобулина, трийодтиронина, тироксина. Суточная потребность в йоде – 0,2–0,3 мг.

 

 

Лекция 17.

Регуляция обменных процессов

 

........ 1.Влияние пищевых веществ на процессы обмена.

........ 2.Взаимосвязь превращений белков, жиров и углеводов.

........ 3.Типы регуляции обменных процессов в биологических системах.

 

1.Влияние пищевых веществ на процессы обмена.В основе жизнедеятельности всех биологических систем лежит обмен веществ, сущность которого сводится к тому, что организмы получают из внешней среды органические и неорганические вещества, подвергающиеся разнообразным химическим превращениям. Конечные продукты обмена веществ выделяются во внешнюю среду и, в свою очередь, претерпевают изменения в процессе утилизации другими организмами (бактериями, растениями). Следовательно, обмен веществ можно рассматривать как совокупность двух противоположно направленных процессов – ассимиляции и диссимиляции. Различают внешний обмен веществ, поступающих в организм и выделяющихся из него в виде конечных продуктов обмена, и промежуточный обмен веществ, который связан с превращением поступивших в организм веществ.

Поступающие в организм пищевые вещества используются как источник энергии, как пластический материал для обновления клеток и тканей организма и осуществления определенных функций, как вещества, непосредственно принимающие участие в промежуточном обмене веществ. При этом процессы синтеза (анаболизм) и разрушения (катаболизм) связаны между собой. Пищевые вещества, поступающие извне, и вещества, образуемые клетками, настолько перемешиваются, что практически становятся неразделимыми.

Обмен веществ может быть исследован как в целостном организме, при этом участвует действительное соотношение веществ в живом организме, так и вне организма, когда исследование ведется в искусственных условиях. Кроме этих методов существуют и промежуточные методы исследования обмена веществ. Например, широко распространен метод клеточных культур, когда из тканей готовят препараты без сохранения целостности данной ткани, состоящие только из жизнеспособных клеток, размножающихся при определенных условиях. Для исследования обмена веществ используют различные приемы разрушения клеток, позволяющие выделить клеточные структуры в неповрежденном состоянии.

Основная цель биохимии – расшифровка обмена веществ в целостном живом организме, но это сложная задача, поэтому, кроме перечисленных методов, исследования ведут с применением многочисленных физических и физико-химических методов.

Классический метод изучения обмена веществ в целостном живом организме – это изучение химического состава поступающей пищи и сопоставление с данными химического анализа конечных продуктов обмена. Таким способом изучают баланс отдельных пищевых веществ. Характерной особенностью взрослого организма является его стремление к сохранению постоянства состава тела, т.е. баланса.

Баланс энергии определяют на основе данных о калорийности пищевых продуктов, введенных с пищей и выделяющихся из организма.

Непрямые методы исследования баланса энергии основаны на том, что если известно количество сгораемых пищевых веществ, то можно рассчитать выделяемое тепло, основываясь на количестве потребляемого кислорода или образования СО₂. Если сгорают углеводы, то каждый литр потребляемого кислорода освобождает 5 ккал. При сгорании жиров выделяется 4,7 ккал. На основе изучения газообмена можно выяснить состав смеси сгораемых в организме пищевых веществ.

Кроме данных методов определения обмена веществ применяют методы, основанные на результатах химических анализов крови, взятой после приема пищи.

2.Взаимосвязь превращений белков, жиров и углеводов.Давно было замечено и подтверждено в опытах с изотопами, что в организме углеводы могут превращаться в жиры. Процесс обратного превращения – жиров в углеводы – в течение долгого времени оставался невыясненным; тесная связь глицеринового компонента жиров с трехуглеродными промежуточными продуктами углеводного обмена не вызывала сомнений, но доказать прямую связь с жирными кислотами и глюкозой было трудно. И только после того как была выявлена роль ацетил-Со А как в углеводном, так и липидном обмене, эта связь стала очевидной. Ацетил-Со А, образующийся при окислении липидов, может включаться в цикл лимонной кислоты, как и ацетил-СоА, полученный при окислении углеводов и белков.

Недавно с использованием метода меченых атомов было показано, что у больных, страдающих диабетом, жирные кислоты превращаются в глюкозу. Так как при обмене белковых веществ аминокислоты превращаются в кетокислоты (такие как пировиноградная кислота), то, следовательно, продукты реакции могут включаться в общую схему обмена углеводов. Часть аминокислот (например, глицин) может включаться в схемы превращения углеводов и жиров.

Таким образом, цикл лимонной кислоты – связующее звено всех путей обмена поступающих в организм основных пищевых веществ – белков, углеводов, липидов. Все цепные и круговые процессы заканчиваются образованием конечных продуктов обмена веществ – воды и углекислоты – и освобождением энергии.

 

Схема взаимосвязи основных типов обмена веществ:

 

 

........ 3.Типы регуляции обменных процессов в биологических системах.

Важная сторона метаболизма - неразрывность процессов катабо­лизма (распада) и анаболизма (биосинтеза) и их регуляция на всех уровнях - от молекулярного до генетического, от модификации субстрата или фер­мента до сложных регуляторных механизмов, которые функционируют с помощью гормонов, рецепторов, медиаторов, посредников.

Биохимическая логика жизнедеятельности - переход от гена к призна­ку. Он осуществляется уникальными биомолекулами (ДНК и РНК) с уча­стием не менее своеобразных биокатализаторов - ферментов. Жизнь сама по себе - сложнейший метаболический процесс, в котором активно дейст­вуют главные макромолекулы: белки, углеводы, липиды, составляющие их низкомолекулярные компоненты и многочисленные биологически ак­тивные вещества, выполняющие как структурную, так и регуляторную роль.

Между превращениями белков, углеводов и жиров существует тесней­шая взаимосвязь, позволяющая в сложном организме отдельным частям клетки и органам функционировать в согласии друг с другом, поддерживая жизнедеятельность.

Существуют различные пути проявления взаимосвязи в процессах обме­на веществ: наличие общих предшественников и промежуточных метаболи­тов, сходное энергетическое обеспечение, общие конечные пути окисления и образование похожих конечных продуктов, а также общие пути регуляции этих процессов.

Среди названных путей взаимосвязи различных процессов обмена ве­ществ выделим некоторые как наиболее важные.

Первый пример взаимосвязи - общее энергетическое обеспечение. При биосинтезе разнообразных биомолекул (и простых, и сложных) в ка­честве общего источника энергии используются либо АТФ, обеспечиваю­щий энергию фосфорилирования, либо НАДН и НАДФН, поставляющие восстановительную энергию. Если в клетке имеет место синтез какого-либо вещества, то он происходит за счет распада другого вещества, что можно видеть на различных примерах. Если в печени усиливается образование глюкозы за счет обращения гликолиза (глюконеогенез), то синтез белков и жиров в этот момент невозможен, наоборот, необходимо гидролизовать часть белков и липидов и окислить аминокислоты и жирные ки­слоты, чтобы обеспечить биосинтез глюкозы энергией АТФ и НАД*Н. Другой пример: если в клетке усилены процессы образования мембран, то требуется ускорение распада углеводов для обеспечения энергией биосин­теза необходимых белков и липидов.

Второй пример взаимосвязи - существование общих предшественников и промежуточных продуктов. Протекание самых разных реакций на этом пути включает и кооперативные, и сопряженные, и конкурентные взаимодей­ствия. Примером может быть образование различных соединений углеводной и липидной природы на основе глицерина, а также аминокислот - аланина, се- рина - на основе триоз, образующихся во время гликолиза. Следует отметить, что наиболее важным промежуточным продуктом обмена веществ, участву­ющих во всех метаболических реакциях, является ацетил-КоА - ключевая молекула и связующее звено различных сторон обмена. Существенно и наличие однонаправленности потока веществ в сторону липогенеза от углево­дов и белков через ацетил-КоА. Поскольку в организме человека не сущест­вует механизма превращения ацетил-КоА в трехуглеродное соединение обратный переход углерода жирных кислот в глюкозу или аминокислоты не­возможен.

Третий пример взаимосвязи процессов метаболизма - общие конечные пути. Такими путями для распада всех биомолекул являются цикл лимонной кислоты (цикл Кребса) и дыхательная цепь. Эти процессы используются для координации метаболических реакций на различных уровнях. Так, цикл лимонной кислоты является источником СО₂ для реакций карбоксилирова- ния, с которых начинается биосинтез жирных кислот и глюкогенез, а также образование пуриновых и пиримидиновых оснований и мочевины. Взаимосвязь между углеводным и белковым обменом достигается через промежуточные метаболиты цикла Кребса: α-кетоглутарат и глутамат, оксалоацетат и аспартат. Ацетил-КоА прямо участвует в биосинтезе жирных кислот и в других реакциях анаболизма, а в этих процессах связующими конечными путями выступают реакции энергетического обеспечения с использованием НАДН, НАДФН и АТФ. Важно подчеркнуть, что главным фактором для нормального обмена веществ и протекания нормальной жизнедеятельности является поддержание стационарного состояния.