Взаимосвязь и регуляция обмена углеводов, липидов, белков в организме человека
Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования
«Волгоградская Государственная Академия Физической Культуры»
Кафедра анатомии и физиологии
СРС №2
тема: «Взаимосвязь и регуляция обмена углеводов, липидов, белков в организме человека»
Выполнил:
Студент 205 группы
Кобяков Павел
Волгоград-2015
План
Взаимосвязь между обменами углеводов, липидов и белков
Общность промежуточных продуктов
Центральная роль ацетил-КоА во взаимосвязи процессов обмена
Регуляция обмена веществ в организме (углеводов, жиров и белков)
Освобождение энергии в процессе обмена веществ
Список литературы
Взаимосвязь между обменами углеводов, липидов и белков
Обмен белков
Основные функции: структурная (пластическая), каталитическая (ферменты), сократительная, защитная (антитела), регуляторная (пептидные гормоны), транспортная (мембранные белки-переносчики, сывороточные альбумины, гемоглобин)
Закономерности и особенности метаболизма. Около половины аминокислот (8 из 20) не могут синтезироваться в организме (незаменимые аминокислоты); синтез остальных (заменимые) возможен только на основе соответствующих альфа-кетокислот (являющихся промежуточными продуктами обмена углеводов и липидов), но не из простых органических соединений и аммиака
Характеристика белков как пищевых субстратов; белки подразделяют на полноценные (содержат полный набор незаменимых аминокислот; легко перевариваются) и неполноценные (отсутствует одна или несколько незаменимых аминокислот; содержат антиферментные, антивитаминные и аллергизирующие факторы); животные белки считаются более предпочтительными для питания по сравнению с растительными, так как они легче усваиваются и по своему аминокислотному составу они ближе к тканевым белкам человека; энергетическая ценность белков составляет 17,6 кДж/г; суточная потребность в белке равна 80-100г
Расщепление пищевых белков начинается в желудке (под действием пепсина) и завершается в тонкой кишке (под действием панкреатических - трипсина и химотрипсина - и кишечных - пептидаз и олигопептидаз - ферментов); при этом деградация белков происходит последовательно в полости кишки, в слое слизистых наложений и в щеточной кайме кишечного эпителия; продуктами расщепления являются олигопептиды и аминокислоты, которые и подвергаются всасыванию (за сут - более 100 г); из этих продуктов в клетках тканей и органов синтезируются разнообразные специфические для организма белки; время их жизни варьирует в широких пределах, но в среднем составляет около 80 дней; по истечении этого срока белки подвергаются разрушению под действием лизосомальных гидролаз до аминокислот, часть которых реутилизируется, а часть окисляется до конечных продуктов - мочевины и мочевой кислоты
Оценка состояния белкового обмена в целом (на уровне организма) производится на основании определения азотистого баланса; дело в том, что весь азот, поступивший с белковыми компонентами пищи, через некоторое время выделяется с мочой в виде мочевины и мочевой кислоты; в норме у взрослого человека эти потоки азота уравновешены; из поступившего в организм азота около 0,03-0,05 г N/кг/сут идет на компенсацию потерь белка в результате изнашивания тканей; положительный азотистый баланс (преобладание потребления над выделением) наблюдается при интенсивном росте организма или при беременности, отрицательный (преобладание выделения над потреблением) - при голодании и некоторых болезнях (злокачественных опухолях и др.)
Обмен липидов
Основные функции: структурная (составляют матрицу биомембран), энергетическая, регуляторная (стероидные гормоны - производные холестерина), являются источником эндогенной воды, участвуют в теплообмене (формируют теплоизолирующие слои)
Закономерности и особенности метаболизма. Характеристика липидов как пищевых субстратов; жиры животного и растительного происхождения существенно различаются, первые представлены, в основном, триглицеридами, в состав которых входят насыщенные жирные кислоты (тугоплавкие: стеариновая, пальмитиновая и др.), в то время как триглицериды растений содержат ненасыщенные жирные кислоты (легкоплавкие: линолевая, линоленовая, олеиновая, арахидоновая и др.); особую ценность представляют незаменимые линолевая и арахидоновая кислоты, так как их биосинтез в организме идет в ограниченном количестве; растительные липиды также выгодно отличаются от животных высоким содержанием фосфатидов - лецитина, сфингомиелина и др., играющих важную роль в деятельности нервной системы; в состав пищевого жира также входят жизненно необходимые стерины - витамин D2 и холестерин - исходный субстрат для биосинтеза желчных кислот и стероидных гормонов; биологическая ценность липидов пищи определяется наличием ненасыщенных жирных кислот, скоростью переваривания и всасывания; энергетическая ценность жиров составляет 38,9 кДж/г; суточная потребность в жирах равна 80-100 г; при этом следует иметь виду: а) лучше использовать нерафинированные масла (при очистке теряются некоторые ценные компоненты, в частности, фосфатиды); б) кратковременное нагревание животных жиров при обжарке продуктов допустимо и желательно, так как повышает усвояемость тугоплавких липидов, в то время как растительных - нет, поскольку приводит к разрушению полиненасыщенных жирных кислот; в) длительная или многократная термическая обработка жиров при температуре свыше 200оС сопровождается не только деградацией многих ценных факторов (витаминов и др.), но также приводит к накоплению токсичных и канцерогенных веществ.
Метаболизм липидов в организме начинается с гидролиза пищевого жира под действием липолитических ферментов поджелудочной железы и кишечного сока; этот процесс протекает в несколько этапов, каждый из которых катализируется определенными ферментами и имеет свою топографию (полость тонкой кишки - слой слизистых наложений - щеточная кайма энтероцитов); конечными продуктами расщепления липидов являются жирные кислоты, моноацилглицерины, жирные кислоты, фосфатидная кислота и др.; часть их всасывается непосредственно в кровь, другие поглощаются клетками кишечного эпителия, внутри которых происходит ресинтез специфических для человека липидов; эти липиды в виде особых комплексов с липопротеидами поступают в лимфатические сосуды кишечника, а из них - в кровеносное русло; в тканях липиды и составляющие их химические компоненты могут подвергаться окислению до конечных продуктов (диоксид углерода и вода), выделяя полезную энергию, участвовать в различных пластических процессах (биосинтезе фосфолипидов, гликолипидов, сфингомиелинов и др.) или превращаться в углеводы ( в частности, гликоген)
Обмен углеводов
Основные функции: энергетическая, структурная (входит в структуру макромолекул, клеточной оболочки, соединительных тканей), резервная, осморегулирующая (обеспечивает равновесное распределение воды между клетками и межклеточным пространством), защитная (в составе слоя слизи, покрывающего эпителии)
Закономерности и особенности метаболизма. Характеристика липидов как пищевых компонентов; в пищевых продуктах углеводы представлены в основном полисахаридами (целлюлоза, крахмал, но не гликоген, который разрушается при созревании мяса), дисахаридами (сахароза, фруктоза) и моносахаридами (глюкоза); употребление в пищу высокоочищенного белого сахара (рафинада) нежелательно, поскольку он, с одной стороны, лишен многих ценных биологически активных веществ, присутствующих в исходном сырье (сахарная свекла, сахарный тросник), с другой, быстро всасывается в кровь и являясь чрезвычайным раздражителем для эндокринного аппарата поджелудочной железы вызывает выработку избыточного количества инсулина; гиперпродукция инсулина сопровождается аномальным снижением уровня глюкозы в крови, что клинически проявляется быстрой утомляемостью, бессоннницей, головными болями, расстройством пищеварения, ухудшением зрения, депрессией, агрессивным поведением; постоянная нагрузка на инсулин-продуцирующие клетки (В-клетки) поджелудочной железы приводит к их истощению, недостатчной секреции инсулина и развитию сахарного диабета; предпочтительнее использовать для питания желтый сахар (с примесью патоки, содержащей декстрозу, левулезу, микроэлементы и др. ценные компоненты), а также мед, фрукты; энергетическая ценность углеводов составляет 17,6 кДж/г; суточная потребность в углеводах равна 400-500 г.
Расщепление углеводов происходит поэтапно под действием амилолитических ферментов пищеварительного тракта (амилаз слюны, поджелудочной железы, кишечных амилаз) и протекает соответственно в ротовой полости, в полости и слое слизистых наложений тонкой кишки и, наконец, в щеточной кайме кишечного эпителия; образовавшиеся на конечных стадиях гидролиза мноносахариды (главным образом, глюкоза) всасываются и с общим кровотоком достигают всех органов и тканей; большая часть глюкозы, поступившей в клетки тканей, идет на синтез гликогена (резервная форма углеводов), другая - используется как энергетический субстрат (окисляется в анаэробных и аэробных условиях до молочной кислоты, диоксида углерода и воды.
Общность промежуточных продуктов
Все биохимические процессы, совершающиеся в организме, тесно связаны друг с другом. Взаимосвязь обмена белков с окислительно-восстановительными процессами осуществляется различным образом. Отдельные биохимические реакции, лежащие в основе процесса дыхания, происходят благодаря каталитическому действию соответствующих ферментов, т. е. белков. Вместе с тем сами продукты расщепления белков - аминокислоты могут подвергаться различным окислительно-восстановительным превращениям - декарбоксилированию, дезаминированию и др. Так, продукты дезаминирования аспарагиновой и глутаминовой кислот - щавелево-уксусная и a-кетоглутаровая кислоты - являются вместе с тем важнейшими звеньями окислительных превращений углеводов, происходящих в процессе дыхания. Пировиноградная кислота - важнейший промежуточный продукт, образующийся при брожении и дыхании,- также тесно связана с белковым обменом: взаимодействуя с NH3 и соответствующим ферментом, она даёт важную аминокислоту a-аланин. Теснейшая связь процессов брожения и дыхания с обменом липидов в организме проявляется в том, что фосфоглицериновый альдегид, образующийся на первых этапах диссимиляции углеводов, является исходным веществом для синтеза глицерина. С др. стороны, в результате окисления пировиноградной кислоты получаются остатки уксусной кислоты, из которых синтезируются высокомолекулярные жирные кислоты и разнообразные изопреноиды (терпены, каротиноиды, стероиды). Т. о., процессы брожения и дыхания приводят к образованию соединений, необходимых для синтеза жиров и др. веществ.
Взаимосвязь процессов обмена углеводов, липидов, белков проявляется в наличии единых промежуточных продуктов обмена и общих путей превращений, а также во взаимопревращениях углеводов, липидов и белков. В обмене этих веществ можно выделить три основные стадии: 1) подготовительную, 2) стадию универсализации, 3) стадию окисления в цикле трикарбоновых кислот.В подготовительной стадии происходит гидролиз полимеров до мономеров. Ди- и полисахариды преобразуются до моносахридов, жиры расщепляются на глицерин и жирные кислоты, белки - на аминокислоты. В стадии универсализации из углеводов, глицерина, жирных кислот, аминокислот образуется ацетил-КоА.
Особое значение взаимосвязь обмена жиров, белков и углеводов имеет для обеспечения их взаимопревращений. Большинство реакций обмена веществ обратимы. Направление их зависит от условий протекания, концентрации субстратов и продуктов. Обратимыми являются многие этапы процессов обмена углеводов, липидов, белков.
Наиболее просто происходит взаимопревращение углеводов и липидов. В условиях истощения углеводных ресурсов организма липиды начинают использоваться в качестве источника энергии. Жирные кислоты используются тканями или в печени превращаются в кетоновые тела, которые используются тканями как энергетические субстраты. Из глицерина образуется глюкоза, которая, поступая в кровь, обеспечивает энергетическим сырьем некоторые ткани.
Очень сложно протекает образование аминокислот из продуктов углеводного и липидного обмена. Часть аминокислот (незаменимых) организм не способен образовывать, другие (заменимые) могут быть синтезированы, но для этого в их состав должна входить аминогруппа. Источником аминогруппы могут служить другие аминокислоты или свободный аммиак.
метаболизм липид обмен углевод
Центральная роль ацетил-КоА во взамосвязи процессов обмена
Ацетил-коэнзим А, сокращённо ацетил-КоА - важное соединение в обмене веществ, используемое во многих биохимических реакциях. Его главная функция - доставлять атомы углерода с ацетил-группой в цикл трикарбоновых кислот, чтобы те были окислены с выделением энергии. По своей химической структуре ацетил-КоА - тиоэфир между коферментом А (тиолом) и уксусной кислотой (носителем ацильной группы). Ацетил-КоА образуется во время второго шага кислородного клеточного дыхания, декарбоксилирования пирувата, который происходит в матриксе митохондрии. Ацетил-КоА затем поступает в цикл трикарбоновых кислот.
Ацетил-КоА является основой баланса между углеводным обменом и жировым обменом. Обычно ацетил-КоА из метаболизма жирных кислот поступает в цикл трикарбоновых кислот, содействуя энергетическому обеспечению клеток. В печени, когда уровень циркуляции жирных кислот высок, производство ацетил-КоА от разрыва жиров превышает энергетические потребности клетки. Чтобы использовать энергию, доступную из лишних ацетил-КоА, создаются кетоновые тела, которые затем могут циркулировать в крови. В некоторых обстоятельствах это может привести к высокому уровню кетоновых тел в крови, состоянию, называемому кетозом, которое отличается от кетоацидоза, опасного состояния, способного повлиять на диабетиков. У растений синтез новых жирных кислот происходит в пластидах. Многие семена запасают большие количества масел в семенах, чтобы поддерживать прорастание и ранний рост саженцов, пока они не перешли на питание от фотосинтеза. Жирные кислоты включены в липиды мембраны, главнейший компонент большинства мембран.
Регуляция обмена веществ в организме (углеводов, жиров и белков)
Обмен веществ - это совокупность физических, химических и физиологических процессов превращения веществ в организме человека и обмен веществами между организмом и окружающей средой. Непрерывно идущий между организмом и окружающей средой обмен веществ является одним из наиболее существенных признаков жизни.
В обмене веществ (метаболизме) выделяют два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса: анаболизм, основу которого составляют процессы ассимиляции, и катаболизм, в основе которого лежат процессы диссимиляции.
Анаболизм - это совокупность процессов биосинтеза органических веществ, компонентов клетки и других структур органов и тканей. Анаболизм обеспечивает рост, развитие, обновление биологических структур, а также непрерывный ресинтез макроэргов и накопление энергетических субстратов.
Катаболизм - это совокупность процессов расщепления сложных молекул, компонентов клеток, органов и тканей до простых веществ, с использованием части из них в качестве предшественников биосинтеза, и до конечных продуктов распада с образованием макроэргических и восстановленных соединений. Движущей силой жизнедеятельности служит катаболизм.
Потребность организма в веществах может быть удовлетворена тем минимальным уровнем их потребления с пищей, который будет уравновешивать потери структурных белков, липидов и углеводов при поддержании энергетического баланса. Эти потребности индивидуальны и зависят от таких факторов, как возраст человека, состояние здоровья, интенсивность и вид труда. Человек получает из окружающей среды в составе пищевых продуктов заключенные в них энергию и пластические вещества, минеральные ионы и витамины.
Белки. Потребность в белке определяется минимальным количеством пищевого белка, который будет уравновешивать потери организмом азота, при сохранении энергетического баланса. Белки находятся в состоянии непрерывного обмена и обновления. В организме здорового взрослого человека количество распавшегося за сутки белка равно количеству вновь синтезированного. Животные существа могут усваивать азот только в составе аминокислот, поступающих в организм с белками пищи. Важным фактором обмена белков организма является повторное использование (реутилизация) аминокислот, образовавшихся при распаде одних белковых молекул, для синтеза других.
Из аминокислот, источниками которых являются белки пищи, и аминокислот, образующихся в организме, синтезируются свойственные ему белковые молекулы, пептидные гормоны, коэнзимы. В этом заключается пластическая роль белков пищи. Скорость распада и обновления белков организма различна. Полупериод распада гормонов пептидной природы составляет минуты или часы, белков плазмы крови и печени около 10 суток, белков мышц около 180 суток. В среднем белки организма человека обновляются за 80 суток.
Липиды. Липиды организма человека - это, главным образом, нейтральные сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот - триглицериды, фосфолипиды и стерины. Высшие жирные кислоты, входящие в состав сложных липидных молекул в виде углеводородных радикалов, бывают насыщенными и ненасыщенными, содержащими одну и более двойных связей. Липиды играют в организме энергетическую и пластическую роль. По сравнению с молекулами углеводов и белков молекула липидов является более восстановленной. Поэтому при окислении липидов в организме образуется больше молекул АТФ и тепла. За счет окисления жиров обеспечивается около 50% потребности в энергии взрослого организма. В отличие от белков, которые не образуют специальных запасных форм, служащих источником энергии, запасы нейтральных жиров - триглицеридов в жировых депо человека в среднем составляют 10-20% массы его тела. Из них около половины локализуется в подкожной жировой клетчатке. Кроме того, значительные запасы нейтрального жира откладываются в большом сальнике, околопочечной клетчатке, в области гениталий и между мышцами. Жиры, откладываясь в жировых депо, служат долгосрочным резервом питания организма. Жиры являются источником образования эндогенной воды. При окислении 100 г нейтрального жира в организме образуется около 107 г воды.
Углеводы. Организм человека получает углеводы, главным образом в виде растительного полисахарида крахмала и в небольшом количестве в виде животного полисахарида гликогена. В желудочно-кишечном тракте осуществляется их расщепление до уровня моносахаридов (глюкозы, фруктозы, лактозы, галактозы). Моносахариды, основным из которых является глюкоза, всасываются в кровь и через воротную вену поступает в печеночные клетки. Здесь фруктоза и галактоза превращается в глюкозу. Внутриклеточная концентрация глюкозы в гепатоцитах близка к ее концентрации в крови. При избыточном поступлении в печень глюкозы она фосфорилируется и превращается в резервную форму ее хранения - гликоген.
В течение первых 12 и более часов после приема пищи поддержание концентрации глюкозы в крови и обеспечение потребности организма в углеводах реализуются за счет распада гликогена в печени. Вслед за истощением запасов гликогена усиливается синтез ферментов, обеспечивающих реакции глюконеогенеза. Организм человека нуждается только в одном из производных углеводов - аскорбиновой кислоте (витамине С), которая не может синтезироваться в организме человека и других приматов.
Освобождение энергии в процессе обмена веществ
Катаболизм (диссимиляция) - расщепление сложных веществ, приводящее к освобождению энергии, при этом происходит разрушение протоплазмы и расходование ее веществ. Потребность организма в энергии характеризуется таким уровнем ее потребления с пищей, при котором на фоне неизменной массы тела, физической активности и соответствующих скоростях роста и обновления организма достигается энергетический баланс поступления и расхода энергии. Живые организмы получают энергию в виде потенциальной энергии питательных веществ. Эта энергия аккумулирована в химических связях молекул жиров, белков и углеводов, которые в процессе катаболизма преобразуются в конечные продукты обмена с более низким содержанием энергии. Высвобождающаяся в процессе биологического окисления энергия используется, прежде всего, для синтеза АТФ, которая как универсальный источник энергии, необходима в организме для последующего осуществления механической работы, химического синтеза и обновления структур, транспорта веществ, осмотической и электрической работы. Основным источником энергии для осуществления в организме процессов жизнедеятельности является биологическое окисление питательных веществ. На это окисление расходуется кислород.
Освобождение энергии связано с окислительными процессами
Окисление углеводов, жиров, белков 1,3-дифосфоглицериновая кислота. Фосфоенолпиро-виноградная кислотаАТФ КрФБиосинтез белков, жиров, углеводов и др. орг веществ Секреция Мышечное сокращениеЭнергопоставляющие реакции Энергетическое сопряжение Аккумуляция энергии Использование энергии
Список литературы
Михайлов, С.С. Спортивная биохимия:учебное пособие / С.С. Михайлов - спорт, 2012 - 347 с.
Волков, И.И. Биохимия мышечной деятельности: учебник для студентов и преподавателей физического воспитания и спорта. Специалистов по физической реабилитации и рекреации / Н.И. Волков, Э.Н. Несен, А.А. Осипенко, С.Н. Корсун, Олимпийская литература, 2000. -503 с.
Проскурина, И.К. Биохимия: Учеб. Пособие / И.К. Проскурина - М: ВЛАДОС - Пресс, 2003, -240 с.