Основные этапы обмена веществ

Первый этап – пищеварение – процесс механической и химической обработки составных частей пищи в пищеварительных органах – распад углеводов до моносахаридов, белков – до аминокислот, липидов – до глицерина и жирных кислот и всасывание.

Второй этап – промежуточный обмен. Тканевой обмен включает распад питательных веществ, образование различных промежуточных соединений и конечных продуктов обмена.

Третий этап – образование и выделение конечных продуктов обмена из организма.

В процессе обмена веществ в организме образуются метаболиты, которые принимают участие в химических реакциях обмена веществ и влияют на их течение: аминокислоты, жирные и ароматические кислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, простые сахара, амины, гормоны, витамины и др.

Одни и те же вещества могут быть метаболитами для одних организмов и конечным продуктом обмена для других. Например, СНзСНОНСООН – молочная кислота, у млекопитающих метаболит, окисляется до CO₂ и H₂O. У молочнокислых бактерий это конечный продукт обмена.

Мочевая кислота – конечный продукт обмена пуринов (человека, птицы, рептилии). У других млекопитающих метаболит превращается в аллантоин и др. продукты.

Выделение энергии из питательных веществ в процессе обмена веществ происходит ступенчато.

На I-м этапе при гидролизе белков до аминокислот, углеводов – до глюкозы, жира – до жирных кислот и глицерина выделяется 0,6% энергии углеводов, 1% липидов.

На II-м этапе при окислении до ацетил-КоА: СНз-СО-КоА выделяется 1/3, при окислении СНзСО-S-KoA до CO₂ и H₂O – 2/3 энергии.

40% энергии превращается в теплоту, а 60% используется

для синтеза АТФ.

В животноводстве различают основной обмен, обеспечивающий поддержание тела, и продуктивный обеспечивающий продуктивность.

Например, корова с живой массой 500 кг и продуктивностью 20 кг молока затрачивает 15 кормовых единиц. В том числе на основной обмен 5 кормовых единиц и на продуктивный обмен 10 кормовых единиц.

Методы изучения обмена веществ разнообразны. Общей характеристикой обмена веществ является дыхательный коэффициент (ДК), где учитывают количество кислорода, поглощаемого за определенный отрезок времени и количество углекислоты, выделяемое за это время ДК = СО₂/О₂. Дыхательный коэффициент для углеводов равен 1,0. Так, при окислении 1 молекулы глюкозы затрачивается 6 молекул кислорода и образуется 6 молекул углекислоты:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂=> 6CO₂ + 6H₂O

Выделение энергии при окислении одного грамма вещества составляет: для углеводов (ДК = 1.0) –4,1 ккал, жиров (ДК = 0,7) –9,2 ккал, белков (ДК = 0,8) –4,1 ккал.

Как видно из представленных данных, при окислении липидов выделяется в два раза больше энергии, чем при окислении углеводов и белков (1 ккал = 4,2 кДж). Для изучения обмена веществ широко применяются балансовые опыты. При этом учитывают количество веществ, поступивших с кормом за определенный срок (за сутки) и выделившихся из организма – азота, углерода, фосфора, кальция и т.д. В результате анализа определяют баланс как положительный, если вещество откладывается в организме, баланс отрицательный, если вещества выделяется из организма больше, чем поступает с кормом.

Метод меченых атомов позволяет проследить судьбу отдельных соединений в процессе обмена веществ, участие их в метаболизме и выделение из организма. Многие вопросы по обмену веществ можно изучать с использованием метода культуры клеток или же на изолированных органах.

Биологическое окисление

Биологическое окисление – это окислительно-восстановительные реакции, происходящие в клетках с участием ферментов, являющиеся источником энергии в организме. Химизм горения и биологического окисления, например, глюкозы происходят по общей схеме:

C₆H₁₂O₆ +6O₂ -> 6CO₂ + 6 H₂O+ 686 ккал (на 1 грамм-молекулу)

Но имеются отличия:

а) горение происходит при высокой температуре, а тканевое окисление – при 37 ⁰C;

б) горение в воде невозможно, а тканевое окисление происходит в водной среде;

в) при горении энергия освобождается моментально в виде тепла, а при биологическом окислении энергия освобождается ступенчато, аккумулируется в молекулах АТФ.

Окисление в тканях может происходить:

а) присоединением кислорода;

б) потерей или отнятием от водорода электрона.

Под окислением понимают все химические реакции, в основе которых лежит отдача электронов и увеличение положительных валентностей. Если одно вещество окисляется, то другое – восстанавливается, т.е. присоединяет электроны.

Окислительно-восстановительные реакции – это перенос электронов, иногда и протонов.

Биологическое окисление – это совокупность окислительно-восстановительных реакций переноса электронов, происходящих в клетках.

Субстратное окисление – это отнятие электронов от промежуточных продуктов обмена углеводов, жиров и белков. Катализируется дегидрогеназами.

Тканевое дыхание – разновидность биологического окисления, при котором акцептором электрона является кислород.

Окисление в дыхательной цепи – это ферментативный перенос электронов от субстрата к кислороду по дыхательной цепи. Ферменты тканевого дыхания находятся в митохондриях, они строго упорядочены, обеспечивают передачу электронов и протонов от субстрата до кислорода, их называют метаболонами. Различают четыре группы ферментов: пиридинзависимые дегидрогеназы; флавиновые ферменты; убихинон (кофермент Q); цитохромная система.

1. Пиридинзависимые дегидрогеназы, к этой группе относится свыше 150 ферментов. Коферментами их являются никотинамидадениндинуклеотид (НАД⁺) и никотинамид-адениндинуклеотидфосфат (НАДФ⁺).

НАДФ+ отличается от НАД⁺ тем, что у второго углеродного атома рибозы атом водорода гидроксильной группы замещен остатком фосфорной кислоты.