Обмен веществ в организме человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Элементарный состав организма человека. Макро- и микроэлементы

Химические элементы организма человека делят на макро- и микроэлементы. Человеческий организм состоит из структурных элементов: С-углерод, О-кислород, Н-водород, N-азот, Ca-кальций, Mg-магний, Na-натрий, K-калий, S-сера, P-фосфор, Cl-хлор. Например, Н2О, молекула воды, состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. 70-80% организма человека состоит из воды. Однако жидкости в теле человека, в его клетках, его крови включают кроме воды 0,9% поваренной соли NaCl, молекула которой состоит из натрия и хлора. Все биохимические процессы происходят именно в 0,9% водном растворе поваренной соли, который называют физиологическим раствором. Поэтому даже лекарства для уколов и капельниц растворяют в физиологическом растворе. Недаром Господь сказал: «Вы - соль земли». Психологически это означает уникальность, бесценность, незаменимость. Без соли в солонке на столе человек биологически жить не сможет. Структурные элементы еще называют макроэлементами, так как они составляют 99% элементного состава тела человека и должны поступать в организм в количестве более десятой грамма ежедневно.

Микроэлементы содержатся в сверхмалых концентрациях. Их потребность в сутки составляет микрограммы, то есть миллионные доли грамма. Из них есть незаменимые и условно незаменимые.

Незаменимые: Ag-серебро, Co-кобальт, Cu-медь, Cr-хром, F-фтор, Fe - железо, I -йод, Li - литий, Mn - марганец, Mo - молибден, Ni - никель, Se - селен, Si - кремний, V - ванадий, Zn - цинк.

Условно незаменимые: B - бор, Br - бром.

Возможно незаменимые: Al - алюминий, As - мышьяк, Сd - кадмий, Pb - свинец, Rb - рубидий.

Важнейшей функцией макро- и микроэлементов является участие во всех биохимических превращениях в виде составной части ферментов (энзимов). Ферменты - это маленькие частицы, которые активно обеспечивают работу всех функциональных систем. Они производят пищеварение, например, амилаза (диастаза) слюны переваривает крахмалы картофеля и злаков, липаза поджелудочной железы переваривает жиры, химотрипсин переваривает белки и т.д. Кроме того, ферменты «перетягивают» нужные вещества через клеточные мембраны, например, в почках осуществляется активный транспорт ионов кальция, натрия, хлора и других, а, следовательно, они регулируют кальциевый состав костей и артериальное давление. Фермент лизоцим «убивает» вредные микробы. Фермент цитохром Р-450 участвует во многих биохимических реакциях, например, разлагает химические лекарства и выводит их из клеток, окисляет холестерин до стероидных гормонов (т.е. производит гормоны) и т.д. Этих маленьких работяг, - ферментов, - в организме тысячи видов, и нет никаких биохимических и физиологических преобразований, в которых они бы не участвовали. Как и функциональный элемент микроциркуляции органа, так и фермент - это первичный элемент, первооснова любых процессов, и это должно всегда учитываться в лечении болезни. Очень важно знать, что в химическом лекарстве нет ферментов, а в травах и продуктах они есть. Например, корни хрена содержат фермент лизоцим. Кроме того, ферменты есть в меде, например, инвертаза, диастаза, каталаза, фосфатаза, пероксидаза, липаза и т.д. Мед нежелательно растапливать и нагревать выше 380, потому что тогда ферменты распадаются.

В состав фермента входит несколько молекул белка, соединенных между собой и представляющих в микромире огромный размер и две маленьких части, одна из них - витамин, вторая - микроэлемент. Именно потому лечение травами предпочтительнее химии, что трава содержит и белки, и витамины, и микроэлементы, - этот гармоничный состав фермента создан Творцом. В натуральных продуктах, например, в меде, содержатся все 22 незаменимые аминокислоты, которые нужны для синтеза белков. В меде имеются макроэлементы, все незаменимые микроэлементы кроме фтора, йода и селена, а также почти все условно незаменимые микроэлементы. И наоборот, химические лекарства, вырабатываемые промышленностью, особым непостижимым образом связаны с отцом промышленности Каином. И следствием подобной связи является лишение фармакологических средств, состоящих из одной химической формулы, всего богатства мира, созданного Творцом, одной из маленьких трудолюбивых первочастиц которого является фермент.

В данной беседе, учитывая ограниченность времени, не буду перечислять все макро- и микроэлементы и их роль в организме, для этого есть прекрасное методическое пособие по витаминам и микроэлементам проректора по научной работе Санкт-Петербургской государственной Химико-фармацевтической академии профессора, доктора медицинских наук Лесиовской Елены Евгеньевны (с соавт.). Скажу лишь о некоторых часто встречающихся на практике проблемах в области регуляции макро- и микроэлементного состава и проблем со здоровьем.

Макроэлементы.

Калий участвует в работе калий-натриевого насоса, ответственного за активность клеточных мембран, обеспечивая, в том числе, и возбудимость мышцы сердца. Нередко бывает, что при приеме мочегонных средств у страдающих болезнями сердца и сосудов калий выходит из крови (гипокалиемия - мало калия в крови). Гипокалиемию устранить нетрудно, для этого пьют таблетки аспаркама или панангина, калий из желудка всасывается в кровь и уменьшается гипокалиемия. Панангин или калий может вводиться внутривенно, попадая сразу в кровь. Однако, калий выходит не только из крови, он выходит и из клеток мышцы сердца, а это называется гипокалигистия (греч. histos - ткань). Гипокалигистия приводит к нарушению калий-натриевого насоса, возбудимости мышцы сердца, нарушению ритма сердца, учащенному сердцебиению, слабости, обмороку, тошноте, рвоте, судорогам икроножных мышц. «Вогнать» калий обратно в клетку, устранить гипокалигистию намного труднее. Чтобы этого достичь, например, в день нужно выпивать 27 таблеток калия оротата, либо 16 таблеток верошпирона. Парадоксально, но факт, что гиперкалиемия, избыток калия в крови, бывает при гипокалигистии, недостатке в клетке, например, когда капельно внутривенно вводят калий, его слишком много в крови, но внутрь клетки он не идет. Гиперкалиемия, когда много калия в крови, может привести к сонливости, спутанности сознания, болям в мышцах и животе, болям в языке, вялым мышечным параличам, урежению ритма сердца, блокаде проводящей системы сердца вплоть до остановки сердца.

Из продуктов питания и растений, организм берет калия ровно столько, сколько ему нужно, в отличие от химических лекарств, которые могут привести к гиперкалиемии. Калий содержится в сухофруктах, кураге, инжире, изюме, а также в тыкве, цуккини, фасоли, горохе, овсянке «Геркулес», печеном картофеле, петрушке, свекле, винограде, смородине, яблоках, абрикосах и др. Из растений калий в достаточном количестве для клеток содержат астрагал, бессмертник песчаный, боярышник, горцы, донник, душица, змееголовник молдавский, липа, пустырник, мелисса и др.

Кальций образует структурную основу костного скелета, всего в организме взрослого человека находится более килограмма кальция, Большая часть его находится в костях. Но кальций в костях находится непостоянно, он то входит в кости, то выходит из них. Ежедневно из костей выходит и снова возвращается в них почти грамм кальция. Поэтому необходимо постоянное поступление пищевых и гормональных факторов для поддержания костной структуры. При достижении возраста около 50 лет женщины теряют свою циклическую функцию в связи с недостаточностью выработки женских половых гормонов, чаще всего эстрогенов. Наступает климактерический синдром. Возможен выход кальция из костей, называемый остеопорозом (разрежением костей). Он может сопровождаться болями в суставах, что называется дисгормональной артропатией. Однажды была пациентка, которая мучилась сильными болями в суставах, такими, что она не могла уснуть. Ей приходилось пить препараты группы нестероидных противовоспалительных средств (НПВС). Но они не всегда помогали, к тому же раздражали желудок. Когда же она стала пить шалфей остепненный, содержащий эстрогены, то боли в суставах прошли полностью. Была также страдающая женщина, которая получила значительное облегчение от настойки эстрогеновой. Эта настойка на травах, в отличие от шалфея, не содержит эстрогенов, а пробуждает собственные клетки яичников вырабатывать женские половые гормоны. Результат закономерен. К сожалению, многие женщины лечатся гормональными таблетками, это иногда приводит к росту опухолей, сгущению крови, тромбофлебиту и многим другим осложнениям. Попытка лечить кальциевый дисбаланс кальций-Д3 никомедом в некоторых случаях приводит к образованию камней в почках, в желчном пузыре. При попытке восстановить кальциевый дисбаланс витамином Д можно добиться выхода кальция из костей в кровь и оседание его в любом произвольном месте, образуя кальцификаты печени, молочных желез, почек, предстательной железы. Оседание кальция в почках может привести к смерти от почечной недостаточности, поэтому витамин Д категорически нельзя давать ни взрослым, ни, тем более, детям.

При лечении разрежения костей важно знать, что недостаточно вводить кальций в желудок или в кровь, как это пытаются делать с помощью кальций - Д3 никомеда, или введения хлористого кальция в кровь, или поедания толченой яичной скорлупы, - а нужно заставить кальций войти обратно в кости. Иначе он будет блуждать по организму и откладываться в ненужных или даже опасных местах. Например, один здоровый мужчина решил попить на вякий случай для укрепления костей кальцекс, таблетки которого лежали дома. Через две недели у него заболела спина, так как избыточный кальций отложился в хрящах позвонков. Кальций - элемент, обеспечивающий энергетические процессы в мышцах, их сокращение, в сердце и сосудах, он - активатор многих ферментов. Кальция карбонат в виде насыщенного раствора циркулирует в протоках поджелудочной железы, избыток кальция может привести к выпадению осадка, солям и камням в протоке поджелудочной железы, например, при введении кальций-Д3 никомеда, в состав которого входит кальция карбонат. Приступая к лечению нарушений кальциевого обмена следует хорошо понимать, что его недостаток (гипомакроэлементоз) и его избыток (гипермакроэлементоз) вредны. Причем нередко опаснее бывает избыток (гипермикроэлементоз). Например, кальций ответственен за свертывающую систему крови. Препараты кальция сгущают кровь, а это приводит к повышению риска инфарктов и инсультов. Кроме того, не один кальций нужен для формирования костей, но и кремний, марганец, фтор, цинк и др. Невозможно создать препарат, в котором могли быть гармонично сбалансированы не только все участники создания костей, но и их соотношение друг с другом. Невозможно подменить подаренное Творцом выдумками Каина. Тем, кто верит в Творца, лучше для восстановления кальциевого обмена использовать продукты и растения, содержащие кальций, кремний, марганец, фтор, цинк и проч.

В первую очередь нужно прекратить выводить кальций из своего организма. Выводят кальций (деминерализуют) сахар, шоколад, конфеты, кола, кофе, чай, изделия из белой муки, алкоголь и курение. Во вторую очередь нужно подумать о введении кальция в виде пищевых продуктов: молочных, бобовых, орехов, меда, петрушки, фиников, репы, свеклы, отрубного хлеба. Кальцием богаты зеленые части растений, поэтому следует зелень дикорастущую и культурную вводить в рацион как в салатах, так и в смеси с вареными продуктами. В третью очередь, в ежедневный рацион вводится питье травяных чаев, содержащих кальций: змееголовник молдавский, крапива двудомная, мята перечная, фенхель, якорцы стелющиеся и др. В четвертую очередь, необходимо проанализировать гормональный фон - баланс гормонов щитовидной железы, паращитовидных желез, женских гормонов. Лечение дисгормональных нарушений изложено в беседах об эндокринных и женских болезнях. Железо входит в состав гемоглобина, который переносит кислород из легких в ткани и обратно уносит углекислый газ. При недостатке железа формируется железодефицитная анемия (малокровие). До 50% менструирующих женщин страдает железодефицитной анемией в связи с регулярными кровопотерями. Кроме того, всасывание железа может нарушаться в связи с гастритом и дисбактериозом кишечника. Избыток кальция, цинка, витамина Е, чай препятствуют усвоению железа. Анемия приводит к слабости, одышке, головокружениям, бледности, иммунодефициту и прочим проявлениям гипоксии. К железодефицитной анемии может приводить прием лекарств, провоцирующих кровотечения - аспирина, резерпина, кофеина, гормонов - кортикостероидов (типа преднизолона). Лечение анемии препаратами железа нередко приводит к осложнениям - тошноте, рвоте, болям в животе, аллергиям, избыток железа может привести к отложению его в различных органах с явлениями гемосидероза кожи, легких, печени и др. Нередкой находкой является анемия при приеме НПВС, жаропонижающих, болеутоляющих лекарств, применяемых при болезнях суставов и остеохондроза позвоночника, так как они угнетают кровяной росток.

Железо содержится в меде, особенно гречишном, в печени, почках животных, бобовых, грибах, семечках тыквы, говядине, пшеничных зародышах, семенах подсолнечника, морковном свежевыжатом соке. Растения-поставщики железа: астрагалы, алтей, бессмертник песчаный, душица, земляника, родиола розовая, сабельник болотный, синюха голубая, сушеница, чабрец, фиалка, шалфей, шлемник. Для лечения анемии также используют рябину обыкновенную и поставщик витаминов крапиву двудомную. Лечение анемии детским гематогеном, сделанным на основе бычьей крови, для православных неприемлемо.

Микроэлементы.

Йод участвует в образовании гормонов щитовидной железы, которые регулируют все виды обмена, обеспечивают рост и развитие организма, поддержание температуры тела. Недостаточное поступление йода в организм может быть причиной заболеваний щитовидной железы. Недостаток йода у беременной женщины может привести к формированию недоразвития мозга ребенка - кретинизму. Избыток йода может приводить к образованию опухолей щитовидной железы, обострению вялотекущих заболеваний щитовидной железы, формированию тиреотоксикоза (Базедовой болезни), так как избыток йода угнетает включение самого же йода в основу щитовидных гормонов. Введение избытка йода беременным может привести к врожденному зобу и умственной отсталости ребенка. К сожалению, попытка возмещать недостаток йода его препаратами (йодактив, морская капуста ламинария и др.) нередко приводила к (гипермикроэлементозу) с поражением щитовидной железы даже на фоне полного здоровья. Гипермикроэлементоз бывает опаснее гипомикроэлементоза. Это же касается и йодированной соли. Вместо препаратов с большим содержанием йода чаще вполне достаточно вводить продукты питания, содержащие йод в небольших количествах: морскую рыбу (палтус, пикшу, сардины, сельдь, треска). Одновременно применяют растения, содержащие йод в безопасном количестве: барбарис, бузину черную, лапчатку прямостоячую, лен посевной, перец стручковый, петрушку кудрявую, родиолу розовую, синюху голубую, смородину черную, стальник полевой, черемуху, чернику.

Кремний участвует в образовании белка соединительной ткани коллагена, который формирует кости, хрящи, сухожилия, способствует всасыванию кальция. Он обеспечивает эластичность сосудов, усиливает иммунитет, стимулируя фагоцитоз, улучшает состояние волос, ногтей, кожи. Алюминий, в том числе многие его содержащие противоязвенные препараты, препятствует усвоению кремния. Продукты-источники кремния: овес, свекла, ячмень, соя, рис, пшеница, репа, изюм, зеленые бобы. При варке кремний резко уменьшается в продукте. Растения, содержащие кремний: горец птичий, крапива, пырей, репяшок, хвощ полевой.

Селен, входя в состав фермента глютатионпероксидазы препятствует оседанию тромбов на стенках сосудов, благодаря чему является антиоксидантом и препятствует развитию атеросклероза. С дефицитом селена связывают некоторые формы рака - рак желудка, простаты, толстого кишечника, молочных желез. Селен нормализует функцию щитовидной железы. Он защищает клетки организма от повреждения токсическими веществами - мышьяком, кадмием, ртутью, свинцом и таллием. Источниками селена являются фисташки, свиное сало, чеснок, тыква, рыба, пшеничные отруби, грибы, яйца, семена подсолнечника, чечевица, соя. Растения - источники селена: алтей лекарственный, астрагалы, бессмертник песчаный, боярышник, донник, душица, зверобой, звездчатка средняя (мокрица), земляника, калина, каштан конский, кориандр, крапива, лапчатка прямостоячая, лен, мята перечная, одуванчик, пастушья сумка, подорожники, пустырник, расторопша, родиола розовая, стальник полевой, смородина, тысячелистник, чабрец, тмин, укроп, фенхель, фиалка, хвощ, шиповник, чистец, якорцы стелющиеся.

Цинк входит в состав более 200 ферментов. Он необходим для защиты от диабета, синтеза инсулина, аминокислот, белков, обеспечивает рост, половое созревание, формирование иммунитета, защиту от вирусов. Он участвует в отложении кальция в костях. Потребность в цинке увеличивается при курении и алкоголизме, при иммунодефиците, при сахарном диабете, применении мочегонных, гормональных, противосудорожных препаратов, гормональных контрацептивов.

2. Понятие об обмене веществ. Три этапа энергетического обмена

Одной из характерных особенностей живого организма является его неразрывная связь с окружающей средой. Организм постоянно воспринимает питательные вещества извне, видоизменяет их, превращает в себе подобные, извлекает из них энергию и выделяет отработанные продукты. Совокупность химических реакций, обеспечивающих связь живого с окружающей средой, и составляет обмен веществ.

Обмен веществ (или метаболизм) состоит из двух процессов: ассимиляции (или анаболизма) - синтеза характерных для организма соединений и диссимиляции (или катаболизма) - распада веществ и выведения продуктов этого распада из организма. Совокупность процессов ассимиляции (синтеза) и диссимиляции (распада) составляет основу жизни. Химические реакции, составляющие эти процессы, взаимосвязаны и протекают в определённой последовательности. Различают общий (внешний) обмен веществ, учитывающий поступления в организм веществ и их выделение, и промежуточный обмен веществ, который охватывает превращения этих веществ в организме.

Первым этапом обмена веществ является превращение поступивших веществ пищи в желудочно-кишечном тракте. Превращение начинается в ротовой полости, однако основные пищеварительные процессы протекают в тонком кишечнике. Далее процессы промежуточного обмена веществ совершается внутри клеток, и понятие внутриклеточного почти совпадает с понятием промежуточного обмена.

Изучение общего обмена веществ состоит в определении баланса поступивших и выделившихся веществ и проводится в основном в физиологических исследованиях, в то время как биохимические исследования главным образом направлено на изучение внутриклеточных превращений. Обмен веществ может быть изучен как в целостном организме, так и вне организма, т. е. в отдельных удаленных органах и тканях.

В тесной взаимной связи с обменом веществ в организме находятся реакции превращении энергии. Процессы катаболизма на некоторых своих этапах сопровождаются генерированием энергии, запасаемой в виде фосфатных связей, обычно в форме АТФ. Эти процессы получили названия экзергонических. Анаболические реакции, напротив, утилизируют энергию фосфатных связей и называются эндергоническими.

Энергия, заключённая в молекулах пищи, выделяется в процессе их превращения в организме в виде тепла. Значительная часть этой энергии запасается в виде макроэргических связей в молекуле АТФ, других нуклеотидтрифосфатов, ацилфосфатов, креатинфосфатов и др. Эти вещества могут как запасать, так отдавать энергию.

Высвобождение энергии пищи в организме можно условно разбить на три этапа. Первый этап включает в себя процессы переваривания и всасывания пищи. На этом этапе высвобождается очень незначительное количество энергии. Второй этап состоит из различных превращений моноструктурных единиц в клетках и тканях до веществ, представляющих основной энергетический материал, например, превращение моносахаридов, глецирина и жирных кислот до ацетил-КоА. На этом этапе образуется 1/3 от всего количества энергии. Основную часть энергии (почти 2/3 ) даёт третий этап - это цикл Кребса (цикл ди- и трикарбоновых кислот) , представляющий собой систему химических реакций, в ходе которых ацетил - КоА окисляется до СО2 и Н2О.

3. Ферменты. Строение, специфические свойства, механизм действия, классификация

Ферменты, или энзимы, - вещества белковой природы, образующиеся непосредственно в клетках и ускоряющие течение всех типов химических реакций живого организма. Ферменты не могут вызывать новые реакции или изменять их направление, но регулируют скорость протекающих в организме реакций. Как и все белки, они имеют высокую молекулярную массу от 12 000 до 500 000 у.е., определенный уровень организации (чаще третичную структуру), подвергаются гидролизу и денатурации. Синтезируются ферменты только в клетках различных тканей, а работать могут как внутри, так и вне создавшей их клетки. Поэтому различают ферменты внутри- и внеклеточные. Внутриклеточные ферменты содержатся и действуют в определенных органоидах. В настоящее время установлено, что ферменты гликолиза находятся в цитоплазме, ферменты цикла трикарбоновых кислот и -окисления жирных карбоновых кислот - в матриксе митохондрий, ферменты окислительного фосфорилирования - на внутренней мембране митохондрий, ДHK - полимеразы - ядрах, гидролитические ферменты - в лизосомах и т.д. Клетки различных тканей и органов различаются не только по набору ферментов, но и по их активности. Например, ферменты гликолиза и креатинкиназа наиболее активны в скелетных мышцах, ферменты орнитинового цикла - в клетках печени, глутаминаза - в клетках мозга. Внеклеточные ферменты образуются в клетках, но действуют, как правило, внутри полых органов. Например, пищеварительные ферменты вырабатываются клетками стенок пищеварительного тракта, а работают в различных отделах пищеварительной системы. По строению ферменты делят на простые (протеины) и сложные (протеиды). Молекулы простых ферментов построены только из аминокислот. К ним относятся все гидролитические ферменты (пепсин, трипсин, липаза, амилаза, мальтаза, сахараза и т.д.), уреаза. Молекулы сложных ферментов в своем составе имеют белковую часть, состоящую из аминокислот (апофермент), и небелковую часть (кофермент). В составе последнего встречаются ионы металлов (Zn+2 , Cu+2 , Fe+2 , Mo+2), витамины (РР, В1, В2, В3, В6, B12, Вс), ацетил-КоА и другие вещества (табл. 4). Апофермент и кофермент по отдельности малоактивны, но при их соединении активность резко возрастает. Таблица 4 Важнейшие коферменты, в состав которых входят витамины Название витамина Название кофермента Реакции, катализируемые ферментом РР (никотиновая к-та) НАД (никотинамиддинуклеотид), НАДФ (никотинамиддинуклеотидфосфат) Перенос атомов водорода в процессе тканевого дыхания в реакциях биосинтеза В1 (тиамин) ТПФ (тиаминпирофосфат) Отнятие группы атомов -СОО (декарбоксилирование) В2 (рибофлавин) ФАД (флавинадениндинуклеотид) Перенос атомов водорода с субстрата на кислород В3 (пантотеновая к- та) КоА (коэнзим А) Перенос остатков уксусной и жирных кислот В6 (пиридоксин) Пиридоксаль-5-фосфат Переаминирование, декарбоксилирование и ряд других реакций белкового и аминокислотного обмена B12 (цианкобаламин) Коэнзим В12 Перенос и образование лабильных метильных групп и другие реакции биосинтеза Ферменты имеют сложную пространственную структуру. Не все участки их молекул выполняют одинаковые функции. Функциональные группы, которые участвуют в связывании субстрата и его преобразовании, называются активным центром фермента. Он занимает наибольшую часть молекулы и представлен в ферментах-протеинах комплексом определенных аминокислот (серин, цистеин, триптофан и т.д.), а в ферментах-протеидах - витаминами или ионами металлов (рис. 3). Рис. 3. Схема строения фермента Ферменты, имеющие разное строение, но обладающие одинаковой ферментативной активностью, называются изоферментами. Они выполняют разную роль в регуляции внутриклеточного обмена веществ. Например, лактатдегидрогеназа имеет пять изоферментов. Имеют изоферменты гексокиназа, креатинкиназа, фосфатаза, малатдегидрогеназа и др. Кроме того, в организме имеются ферменты, которые наряду с активным центром, реагирующим с субстратом, имеют специфический участок, взаимодествующий с другим веществом. Он называется аллостерическим, т.е. структурно не связанным. Регуляция активности такого фермента может осуществляться веществом, отличающимся по структуре от субстрата. Такие вещества называются аллостерическими эффекторами. Ферменты имеют ряд общих свойств с небиологическими (химическими) катализаторами, но обладают и специфическими качествами. 1. Ферменты не расходуются в процессе катализа и не входят в состав конечных продуктов. 2. Наибольшее количество ферментов участвует в преобразовании большого количества субстрата. Например, 1г пепсина гидролизует 50кг яичного белка, а 1,6г амилазы - 175кг крахмала. 3. Ферменты обладают высокой специфичностью действия, чем резко отличаются от небиологических катализаторов. Специфичность фермента - способность ускорить определенный тип реакций или даже одну единственную реакцию. Специфичность ферментов подразделяют на: - абсолютную, то есть способность катализировать одну единственную реакцию (например, уреаза ускоряет расщепление мочевины на аммиак и углекислый газ); - относительную, позволяющую воздействовать на определенный тип химической связи (например, пепсин расщепляет амидные связи, липаза - сложноэфирные связи); - групповую, то есть способность воздействовать на субстраты, имеющие одинаковый тип связи, а также содержащие одну и ту же функциональную группировку. Например, холинестеразы действуют на связь, образованную при участии остатка аминоспирта холина. 4. Способность фермента ускорять химический процесс зависит от активной реакции среды. Для каждого фермента существует определенная концентрация ионов водорода, определенное значение рН, при котором появляется максимальная активность данного фермента. Это значение называется оптимумом рН среды, и он для разных ферментов различен (табл. 5). Незначительные изменения рН могут замедлять действие фермента или даже совсем его прекращать. Таблица 5 Оптимум рН для некоторых ферментов Фермент рН Пепсин 1,5-2,5 Амилаза слюны 6,8-7,2 Амилаза поджелудочной железы 6,7-7,2 Мальтоза кишечная 6,1 Липаза поджелудочной железы 7,0-8,0 Трипсин 7,8-8,5 Дипептидаза кишечника 8,0 Каталаза 6,8-7,0 Уреаза 7,0-7,2 Аргиназа 9,8 5. На активность ферментов влияет и температура. Скорость любой химической реакции, катализируемой ферментом или неорганическими катализаторами, повышается в 2-4 раза при повышении температуры на каждые 100С. Для ферментативных реакций теплокровных животных эта зависимость проявляется при температурах ниже 40-50°С (это температурный оптимум для большинства ферментов, т.е. температура, при которой фермент проявляет наивысшую активность). При дальнейшем нагревании фермент инактивируется, т.е. теряет ферментативную активность вследствие денатурации белковой молекулы. Таким образом, термолабильность, или чувствительность к повышениям температуры, является одним из характерных свойств ферментов, резко отличающим их от неорганических катализаторов, которые, например, относятся к термостабильным соединениям. При низких температурах (равных нулю и ниже) ферменты не разрушаются, но частично снижают свои свойства, и скорость реакции падает почти до нуля. При повышении температуры до оптимальных значений активность ферментов восстанавливается. Такие процессы наблюдаются при спячке холоднокровных животных и их пробуждении. 6. На активность ферментов оказывают значительное влияние находящиеся в тканях или поступающие в организм активаторы и парализаторы (ингибиторы). Активаторы увеличивают, а ингибиторы угнетают активность ферментов. Одной из удивительных особенностей ферментов является их способность вырабатываться в клетках живой ткани в неактивном состоянии (в виде проферментов). Профермент не способен к каталитическому действию. Для его активации требуется присутствие вещества - активатора, или изменение рН среды. В качестве активаторов выступают белковые соединения - киназы или различные ионы: К + , Сl - , Мп2+ , Са2+ и т.д. Например, амилаза слюны, осахаривающая крахмал, активируется ионами Сl - , фермент пепсиноген расщепляющий белок в желудке, превращается в активный пепсин в присутствии ионов Н+ ; трипсиноген, способствующий более глубокому расщеплению белковых соединений в 12-перстной кишке, переходит в активный трипсин под действием активатора энтерокиназы. Механизм действия различных активаторов на ферменты неоднозначен. В некоторых случаях активаторы снижают действие парализиторов, которые блокируют активные центры ферментов, в других - изменяют структуру активного центра ферментов. Механизм торможения активности может быть различен. Конкурентное торможение является следствием отсутствия абсолютной специфичности активного центра фермента к данному субстрату. Поэтому фермент, кроме субстрата, способен связывать в активном центре и ингибитор, который по своей химической структуре очень близок к субстрату и конкурирует с субстратом за активный центр фермента. В этом случае снижение скорости ферментативной реакции зависит от концентрации ингибитора и субстрата. Конкурентное торможение может быть снято увеличением концентрации субстрата. Другой вид ингибирования - неконкурентное торможение. Оно не может быть снято соответствующим увеличением концентрации субстрата. Неконкурентный ингибитор и cyбстрат присоединяются к ферменту в различных местах молекулы. При этом виде торможения ингибитор взаимодействует с белковой частью фермента и связывает ее функциональные группы (например, ртуть, мышьяк, свинец и др. тяжелые металлы присоединяются к SH-группам полипептидной цепи) или с небелковой частью (например, окись углерода блокирует ион железа в коферментных группах типа гема), в результате чего падает химическая активность фермента. Одной из разновидностей неконкурентного торможения может быть действие аллостерических эффекторов. Аллостерические эффекторы, присоединяясь в определенном месте (аллостерическом центре, отличном от активного центра) к молекуле фермента, вызывают изменение химической структуры активного центра, в результате изменяется способность активного центра к связыванию и химическому изменению субстрата. Для протекания любой химической реакции необходимо, чтобы реагирующие молекулы пришли в контакт друг с другом. Однако не каждое столкновение молекул сопровождается их взаимодействием, так как существуют силы отталкивания - энергетический барьер. Реакция протекает только в том случае, если молекулы обладают достаточным запасом кинетической энергии. Избыток ее сверх среднего значения при данной температуре, позволяющий молекулам взаимодействовать друг с другом, называется энергией активации. В случае ферментативных реакций энергетический барьер снижается благодаря образованию фермент-субстратного комплекса, чем меньше энергия активации, тем быстрее протекает реакция. Снижение энергии при ферментативном катализе имеет определенную связь с многостадийностью этих реакций. Они протекают не в один этап, а ступенчато, через несколько промежуточных реакций. Простейшая схема ферментативной реакции выглядит так:

E+S ES Е + А + В,

где Е - фермент; S - субстрат (преобразуемое вещество); ES - фермент-субстратный комплекс; А, В - конечные продукты реакции. Взаимодействие фермента с субстратом может произойти только при соответствии формы активного центра фермента со структурой молекулы субстрата, т.е. при их высоком сродстве. Деятельность фермента оценивают величиной молекулярной активности, которая выражается числом молей субстрата, претерпевающих изменения в одну минуту на единицу веса фермента при стандартных условиях. Для названия ферментов в настоящее время используют три основные номенклатуры - тривиальная, рациональная и систематическая. Тривиальная номенклатура представляет собой рабочее название ферментов, которое не отражает их специального действия. Например, гидролиз белков в желудочно-кишечном тракте осуществляют пепсин (от греч.pepsis - пищеварение) и трипсин (от греч. tripsis - разжижаю). Группа окрашенных внутриклеточных ферментов, ускоряющих окислительно- восстановительные реакции, называется цитохромами ( от лат.citos - клетка и chroma - цвет). По рациональной номенклатуре название фермента образуется от названия катализируемого вещества с добавлением оканчания "аза". Так, фермент, ускоряющий гидролиз крахмала, называется амилаза (от лат. amilum - крахмал), распад жиров - липаза (от греч. lipos - жир), распад сахарозы - сахараза, гидролиз АТФ - АТФ-аза и т.п. Систематическая номенклатура ферментов, рекомендуемая Международной системой единиц, включает название субстрата и тип катализруемой реакции с добавлением окончания "аза". Например, лактатдегидрогеназа, субстратом является молочная кислота (лактат), реакция - дегидрирование, т.е. отнятие водорода от субстрата. В настоящее время известно более 1000 ферментов. Основу классификации составляют химические реакции, катализируемые этими ферментами. Различают 6 основных классов. 1. Оксидоредуктазы - это ферменты, катализирующие окислительно- восстановительные реакции - реакции переноса электронов с одного вещества на другое. Эта группа реакций связана с перераспределением энергии между различными веществами. Перенос электронов в живых организмах чаще всего происходит одновременно с переносом протонов, т.е. окисление происходит как отнятие водорода от вещества, а восстановление - присоединение его к кислороду или другому веществу. В связи с этим класс оксидоредуктаз подразделяется на несколько подклассов. Для нас важно знание двух из них: - Дегидрогеназы - это ферменты, катализирующие отщепление водорода от субстрата и перенос его на другой субстрат. Дегидрогеназы являются двухкомпопентными ферментами, в состав их активных центров входят витамины РР и В2. Например, НАД-дегидрогеназы содержат витамин РР, ФАДдегидрогеназы - витамин B2. - Оксидазы - катализируют перенос водорода от субстрата на кислород. Примером является оксидаза в плодах яблок, клубнях картофеля, которые быстро темнеют от соприкосновения с воздухом, и цитохром а3 - оксидаза, передающая водород на кислород в цепи биологического окисления. Некоторые оксидазы переносят водород на кислород с образованием не воды, а перекиси водорода. 2. Трансферазы - большая группа ферментов, катализирующая перенос различных группировок атомов ( - NH2, фосфорной кислоты, гликозидных остатков) с одного субстрата на другой. 3. Гидролазы - наиболее многочисленная и хорошо изученная группа ферментов, которая катализирует реакции гидролиза сложных молекул белков, жиров и углеводов на более простые соединения. Действуя на субстрат, они разрывают внутримолекулярные связи (кроме С-С ) при участии молекулы воды. 4. Лиазы - ферменты, способные катализировать негидролитическое отщепление от субстрата различных группировок, в т.ч. СО2, Н2О, NH3, разрывая связи С-С, C-N, С-О. 5. Изомеразы - ферменты, катализирующие превращения изомерных форм друг в друга. Например, 3-фосфоглицеринового альдегида в фосфодиоксиацетон и наоборот, глюкозо-6-фосфат во фруктозо-6-фосфат. 6. Лигазы, или синтетазы - ферменты, принимающие участие в синтезе сложных молекул из более простых за счет энергии макроэргических соединений, чаще всего АТФ, или ее аналогов. В присутствии этих ферментов происходит синтез белков, углеводов и жиров в организме. Одним из главных отличий ферментов от катализаторов небелкового происхождения является их совместный, согласованный характер действия. Каждый фермент строго локализирован в определенных клеточных структурах и образует с другими ферментами ферментные комплексы, обеспечивающие строгую последовательность превращений веществ в определенном цикле реакций. Во время выполнения мышечной работы в организме в значительных количествах образуются (или освобождаются ранее связанные) активаторы ферментов. Таковыми чаще всего являются ионы металлов: Са 2+, Мn 2+ , Na+ , К + и др., гормоны (включая и нейрогормоны), особые ферменты. Таким образом, активность многих ферментов во время мышечной деятельности возрастает. Повышению ферментативной активности способствует и усиленный приток субстратов, которые мобилизуются из депо и переносятся к активно работающим органам. При утомлении наблюдается снижение активности многих ферментов. Причиной этому может стать резкое изменение активной реакции среды в клетках и крови, образованные в процессе распада специфические ингибиторы ферментов, расходование субстратов. Систематическая тренировка приводит к значительным изменениям в ферментных системах. Под действием веществ, образующихся во время мышечной работы, активируется генетический аппарат клетки. А это, в свою очередь, вызывает усиление синтеза ферментов, так что в тренированном организме их количество по сравнению с нетренированным возрастает. Это относится, прежде всего, к окислительно-восстановительным ферментам и ферментам, участвующим в биохимических реакциях. Активность ферментов при систематической тренировке не изменяется, но повышается их устойчивость к разного рода повреждающим воздействиям. Увеличение количества ферментов, так же как и увеличение их устойчивости, способствует переработке большого количества субстратов в единицу времени, т.е. ускорение обмена веществ, без чего невозможно выполнение мышечной работы высокой интенсивности. Витамины - группа низкомолекулярных веществ различной химической природы, имеющих разнообразный химический состав, строение и физико-химические свойства. Они обладают высокой биологической активностью и оказывают свое действие в ничтожно малых количествах (мг и долях мг). Необходимость витаминов для организма человека и животных впервые установлена русским врачом Н.И.Луниным в 1830 г. Первое вещество из этой группы было выделено в 1841 г. польским биохимиком К.Функом. Оно оказалось смесью различных веществ, содержащей азот. Функ назвал эту смесь витамином, т.е. амином, необходимым для жизни. В настоящее время выделено более 30 веществ, относящихся к витаминам. Они характеризуются следующими общими свойствами: - не синтезируются в организме человека и должны поступать с пищей. Некоторые из них (В6, В12, пантотеновая, фолиевая кислоты и др.) синтезируются микрофлорой кишечника, другие (А, Д, РР) образуются при определенных условиях; - не являются пластическим и энергетическим материалом; - оказывают влияние на биохимические процессы в организме. Ряд витаминов входит в состав коферментов. Отсутствие или недостаток витаминов в пище приводит к нарушениям обмена веществ, проявляющихся в виде заболеваний, называемых авитаминозами (полное отсутствие), или гиповитаминозами (недостаток) или гипервитаминозами (избыток витамина). Витамины обозначаются заглавными буквами латинского алфавита, кроме того, они имеют названия, соответствующие химическому строению и физиологическому воздействию и делятся на две группы: водорастворимые и жирорастворимые. Такая классификация имеет физиолого- биохимическое значение, так как витамины, растворимые в жирах, могут накапливаться в организме человека и их кратковременный дефицит не имеет неблагоприятных последствий. Жирорастворимые витамины устойчивы к действию температуры и кислот, но окисляются атмосферным кислородом. Механизм действия жирорастворимых витаминов до конца не выяснен, так как не установлены ферменты, в состав которых они входят. Молекулы водорастворимых витаминов содержат гидрофильные группы (- NH2; - ОН; - СООН и др.), которые способствуют их хорошему растворению в воде. В связи с этим они легко всасываются в кровь из кишечника, а их избыток быстро выводится мочой, поэтому не возникает состояние гипервитаминозов. Водорастворимые витамины в организме не накапливаются, и при их недостатке, либо отсутствии быстро возникают специфические нарушения обмена веществ, поэтому они должны систематически поступать в определенных количествах. Водорастворимые витамины отличаются термолабильностью и устойчивостью к кислой среде. Многие из них как кофакторы входят в состав различных ферментов, регулирующих обмен веществ.

обмен вещество фермент вода

4. Обмен углеводов. Нормы потребления, структура углеводного питания, переваривание. Синтез и мобилизация гликогена. Аэробное и анаэробное окисление углеводов

Организмы животных и человека не способны синтезировать углеводы и получают их в основном с растительной пищей. Углеводы для нас являются основными продуктами питания, на долю углеводов приходится до 60-70% пищевого рациона. Это крахмал зерновых, риса, кукурузы, картофеля. В продуктах животного происхождения углеводов содержится мало. Больше всего их в печени, молоке, но даже 200-300г печени дает всего около 15 г гликогена, пол-литра молока дает около 25 г лактозы (молочного сахара). Важным источником углеводов являются сладкие продукты - сахар, мед, сладкие плоды - виноград, груши и т.д. Но не следует забывать, что употребление сахара в большом количестве не рекомендуется (не больше 150 г в сутки), т.к., особенно с возрастом, он способствует накоплению холестерина и развитию атеросклероза. Кроме того, при приеме большого количества сахара нарушается минеральный обмен, из организма выводится много ионов кальция и плохо расслабляются мышцы.

Функции, выполняемые углеводами в живом организме, многообразны. Наиболее важные из них.

1. Энергетическая. Углеводы являются универсальным источником энергии, так как окисляются как при достаточном, так и при недостаточном снабжении организма кислородом. При окислении 1 г углеводов образуется 16,9 кДж энергии. В сутки взрослому человеку требуется 450-600 г углеводов, которые дают 2000-2500 ккал (до 75% всей энергии организма). Кроме того, углеводы в организме человека и животных, как и в растительных организмах, выполняют роль запасного источника энергии. В печени, мышцах, сердце, головном мозге откладывается гликоген. Его содержание в печени может достигать 5-10% от веса, в мышцах - 1-2% (до 4%), в сердце - 0,5%, в головном мозге - 0,2%. По мере тренированности возрастает возможность накопления этого углевода в печени и мышцах и тем самым увеличивается работоспособность спортсменов. Глюкоза, циркулирующая в кровеносной системе, служит для снабжения всего организма источником потенциальной энергии, поэтому организм очень чувствителен к изменению ее содержания.

2. Пластическая. Углеводы используются на синтез многих важных для организма веществ: нуклеиновых кислот, органических кислот, а из них - аминокислот и далее белков, липидов и т.д.

3. Защитная. Углеводы - основные компоненты оболочек клеток растений и бактерий, участвуют в построении наружного скелета у членистоногих ( в виде комплексов с белками). 4. Опорная. Целлюлоза и другие полисахариды входят в состав механических и опорных тканей растений. В животном организме сложные углеводы содержатся в составе хрящевой и различных видов соединительной ткани, выполняющей опорные функции.

5. Регуляторная. Клетчатка, вызывая механическое раздражение кишечника, способствует его перистальтике. Моносахариды играют существенную роль в регуляции осмотических процессов организма. Кроме того, углеводы выполняют ряд специфических функций. Например, обеспечивают различия групп крови, определяют антигенную специфичность организма, являются маркерами в процессах узнавания молекулами клетками друг друга, участвуют в проведении нервного импульса, служат рецепторами для некоторых фармакологических веществ.

Гликоген синтезируется в животных и грибах, является энергетическим и углеводным резервом животного организма. Гликоген не однородное вещество, а смесь полисахаридов разного молекулярного веса и разной степени ветвления молекул. Часть его находится в соединении с белками. Наибольшее количество гликогена содержится в печени (до 10%) и в мышцах (до 3%). Гликоген растворяется в горячей воде с образованием коллоидов, в клетках in vivo он связывает воду. С раствором йода дает окрашивание от вино-красного до красно-бурого. Все процессы жизнедеятельности (особенно мышечная работа) происходит при расщеплении гликогена, отдающего сосредоточенную в нем энергию.

Синтез гликогена идет с затратой АТФ, поэтому он активно протекает в период oтдыха после мышечной работы. Необходимым условием синтеза является гипергликемия. Регуляторами процесса являются ЦНС, которая получает информацию от рецепторов, расположенных в стенках кровеносных сосудов, и гормон инсулин. При интенсивной мышечной работе или голодании глюкоза усиленно используется и в крови возникает гипоглекимия, что приводит к рефлекторному возбуждению сахарного центра. Возбуждение быстро распространяется по нервным путям в спинном мозге, переходит в симпатический ствол и по симпатическим нервам достигает печени. В результате такого возбуждения нервной системы часть гликогена печени распадается с образованием глюкозы, которая поступает в кровь, концентрация ее в крови увеличивается. Этот процесс называется мобилизацией гликогена Мобилизация гликогена не требует затрат АТФ и регулируется гормонами: адреналином, глюкагоном, тироксином. Следует отметить, что во время мышечной работы гликоген печени, относящийся к внемышечным источникам энергии, обеспечивает в крови физиологическую норму глюкозы, которая усиленно потребляется работающими мышцами, а гликоген мышц, являясь внутримышечным источником энергии, образует глюкозу, которая используется на месте.

5. Обмен липидов. Нормы потребления, структура липидного питания, переваривание. Синтез и мобилизация жира. Окисление глицерина, в-окисление жирных карбоновых кислот

Липиды, или жиры (от греч. lipos-жир) - разнородные по своему химическому строению вещества, характеризующиеся хорошей растворимостью в органических растворителях: ацетоне, хлороформе, метиловом и этиловом спиртах и т.д., и, как правило, нерастворимые в воде. Липиды синтезируются как в растительных, так и в животных клетках. Молекулы жира, как и молекулы углеводов, состоят из атомов углерода, водорода и кислорода. Однако содержание кислорода по отношению к другим атомам значительно меньше, чем в углеводах, что видно, например, из формулы жира (тристеарина): С57Н110О6. Поэтому для окисления жиров требуется значительно большее количество кислорода, чем для окисления углеводов. Жиры в организме выполняют разнообразные биологические функции, основными из которых являются следующие. 1. Энергетическая. При распаде 1 г жира освобождается 39 кДж (9,3 ккал) энергии, что значительно больше, чем при окислении углеводов. В форме гликогена организм может запасать энергию для обеспечения основного обмена не более чем на сутки, тогда как в форме триглицеридов - на несколько месяцев. 2. Структурная. Липиды в комплексе с белками являются структурным компонентом всех клеточных мембран. В связи с этим они участвуют в транспорте веществ через мембраны, рецепции и в других мембранных процессах. 3. Регуляторная. Регуляторную функцию выполняют гормоны стероидной природы, а также тканевые гормоны простагландины, образующиеся из полиненасыщенных высших жирных кислот. 4. Терморегуляторная. Жиры, входящие в состав подкожной клетчатки, предохраняют организм от переохлаждения, поскольку являются плохим проводником тепла. 5. Защитная. Липиды в виде жировых прослоек защищают внутренние органы от механических повреждений, а также нервные окончания и кровеносные сосуды от сдавливания и ушибов. Жир придает эластичность кожным покровам, а насыщенные жирные кислоты - бактерицидные свойства. В составе клеток различают две формы липидов: структурные, участвующие в построении клеточных мембран (основная доля их приходится на липоиды) и резервные, находящиеся в виде капель в цитоплазме (основная доля их приходится на нейтральные жиры). Количество последних может резко колебаться, увеличиваясь при ожирении и уменьшаясь при голодании, количество первых неизменно даже при гибели организма. В животных клетках основным стерином является холестерин, который образуется внутри организма в реакциях обмена веществ (эндогенный) и поступает в составе пищи (экзогенный). В плаценте, в семенниках, в желтом теле и надпочечниках он превращается в гормон прогестерон, который предшествует стероидным половым гормонам и гормонам коры надпочечников. Кроме того, холестерин участвует в синтезе желчных кислот, витаминов группы Д, регуляции проницаемости клеточных мембран, защите эритроцитов от гемолитических ядов. Если содержание холестерина в крови превышает 200 мг%, возможно выпадение его из крови в осадок и образование бляшек, которые оседают на внутренней поверхности кровеносных сосудов. Возникает заболевание - атеросклероз. Предполагают, что в мозге холестерин играет роль своеобразного изолятора, предохраняющего структуры мозга от электрических зарядов при прохождении нервных импульсов. На долю липидов в пищевом рационе человека приходится 15-20%, что составляет 80-100 г или 1,0-1,5 г/кг в сутки. Сравнительно много липидов в мясе и изделиях из него (от 5 до 20%), молоке (3%), молочных продуктах (до 25%), в некоторых сортах рыбы (5-10%), яйцах (около 10%). Мало их в овощах, крупах, муке, фруктах (от следов до 2%). Большая часть из поступающих с пищей липидов приходится на нейтральные жиры, и рациональное питание предусматривает в суточном рационе человека их следующую структуру: 70% животных и 30% растительных жиров. Начальным этапом обмена липидов являются их превращения в органах пищеварения. В ротовой полости липиды не изменяются, т.к. в слюне нет ферментов, расщепляющих липиды. В желудочном соке содержится липаза, но значение ее в переваривании липидов незначительно, т.к. она мало активна, и здесь могут перевариваться лишь липиды, поступающие в виде тонкой эмульсии (жир молока), что имеет большое значение только в раннем детстве, когда рН желудочного сока - 5,0 и липаза более активна. У взрослых липиды проходят через желудок в кишечник без особых изменений. Основным местом их переваривания является тонкий кишечник. Пища, смоченная соляной кислотой, поступает в 12-перстную кишку, где происходит нейтрализация соляной кислоты бикарбонатами натрия с образованием углекислого газа и воды. Выделяющиеся пузырьки углекислого газа способствуют хорошему перемешиванию пищевой кашицы с пищеварительными соками и разделяют липиды на маленькие капельки, которые обволакиваются желчными кислотами, поступающими из желчного пузыря. В результате этого образуется эмульсия. В переваривании липидов желчные кислоты выполняют две важные функции: эмульгируют жиры и активируют липазы.