Тема 8. белковый и минеральный обмен

Цель занятия: изучить теоретические сведения об обмене веществ и энергии, рассмотреть отдельные виды обмена веществ (минеральный и азотистый обмен), овладеть методом лабораторных исследований данных видов обмена.

Задачи занятия:

1. Экспериментально обосновать наличие белка в биологических жидкостях.

2. Определить изменения содержания кальция в моче при нарушениях минерального обмена.

Теоретические сведения

Обмен веществ и энергии – это совокупность процессов превращения веществ и энергии в организме, а также обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой.

Обмен веществ и энергии является основой жизнедеятельности организмов, принадлежит к числу важнейших признаков живой материи и носит название метаболизма. В нём участвует множество ферментных систем.

В процессе обмена вещества, поступившие в организм с пищей, превращаются в собственные вещества тканей и в конечные продукты, выводящиеся из организма. При этих превращениях освобождается и поглощается энергия. Клеточный метаболизм выполняет следующие основные функции:

- извлечение энергии из окружающей среды;

- преобразование её в энергию макроэргических (обладающих высоким энергетическим потенциалом) химических соединений для обеспечения энергетических потребностей клетки;

- образование из поступивших в клетку веществ высокомолекулярных компонентов клетки (синтез белка, углеводов и жиров, нуклеиновых кислот; синтез биомолекул, позволяющих выполнять функции, специфические для данной клетки).

Интенсивность обмена веществ может меняться в зависимости от многих условий, и в первую очередь от физической нагрузки. Однако и в состоянии полного покоя обмен веществ и энергии не прекращается: для поддержания деятельности внутренних органов и тонуса мышц расходуется некоторое количество веществ и энергии.

Минеральный обмен

Минеральный обмен – совокупность процессов всасывания, распределения, усвоения и выделения минеральных веществ, находящихся в организме, преимущественно, в виде неорганических соединений.

Минеральные вещества играют главную роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия, осмотического давления клеточных и внеклеточных жидкостей, водно-солевом обмене, системе свёртывания крови и др., т. е. имеют решающее значение в поддержании гомеостаза – постоянства внутренней среды организма.

Кислотно-щелочное равновесие определяется показателем рН. Вода содержит равное количество ионов гидроксила и водорода. Такая реакция среды является нейтральной, и её рН соответствует 7. Щелочная реакция внутренней среды организма называется алкалозом, кислая реакция –ацидозом. Изменения рН при этом находятся в пределах от 7,36 до 7,4. Постоянство рН крови обеспечивается буферными системами (гемоглобиновой, белковой, бикарбонатной и фосфатной).

Осмотическое давление любой биологической жидкости определяется концентрацией растворённых в ней веществ, называемых осмотически активными. К ним относятся как электролиты, так и неэлектролиты (белки, мочевина, глюкоза). Основным осмотически активным веществом является натрий, за счёт которого обеспечивается около 95 % всего осмотического давления плазмы крови.

Обмен фосфора и кальция определяет нормальное состояние минерального компонента кости и хряща.

Фосфорилирование макроэргических соединений служит главным механизмом трансформации энергии. А фосфорилирование углеводов, белков, нуклеиновых кислот представляет собой одно из основных звеньев их метаболизма.

Одной из важных функций минерального обмена является образование трансмембранного градиента ионов и возникновение электрического потенциала на биологических мембранах. Благодаря работе натриевого насоса почти весь калий организма (около 98 %) находится внутри клеток, а большая часть натрия – во внеклеточном пространстве. Работа этого насоса не даёт выровняться концентрации ионов калия и натрия по обе стороны клеточной мембраны. За счёт работы этого насоса осуществляется также перенос через клеточные мембраны ряда веществ.

Многие ионы минеральных веществ, особенно ионы металлов, являются кофакторами ряда ферментов и ферментных систем.

Основную часть минеральных веществ организма составляют хлористые, фосфорнокислые и углекислые соли натрия, кальция, калия и магния. Соли в жидкостях тела находятся в виде ионов – анионов и катионов. В состав минерального компонента костей и хрящевой ткани минеральные вещества входят в виде нерастворимых соединений: здесь в общей сложности содержится 95 % всего кальция, 87 % фосфора и 50 % магния.

Водно-солевой обмен представляет собой совокупность процессов поступления воды и солей (электролитов) в организм, их всасывания, распределения во внутренних средах и выделения. Суточное потребление воды составляет около 2,5 л, из них около 1 л поступает с пищей. В организме человека 2/3 общего количества воды приходится на внутриклеточную жидкость и 1/3 – на внеклеточную. Часть внеклеточной воды находится в сосудистом русле (около 5 % массы тела), большая же часть находится вне сосудистого русла – это тканевая жидкость (около 15 % массы тела).

За сутки из организма выводится почками 1–1,5 л воды, кишечником – 0,2 л, с потом – 0,5 л, с выдыхаемым воздухом – около 0,4 л.

Во время физической нагрузки уменьшается объём циркулирующей крови за счёт выхода жидкости в работающие мышцы и потери воды и солей в связи с усиленным потоотделением.

Азотистый обмен

Азотистый обмен – составная часть обмена веществ и энергии. Понятие «азотистый обмен» включает в себя белковый обмен (совокупность химических превращений белков в организме), а также обмен других химических веществ, содержащих азот.

Организм человека получает азот с пищей. Основным источником азота являются белки растительного и животного происхождения. В организме поддерживается азотистое равновесие, при котором количество поступающего и выводимого за сутки азота одинаково. Главным условием азотистого равновесия служит адекватное поступление белка с пищей. Суточная норма белка в питании взрослого человека составляет 100 г.

Показателем интенсивности азотистого обмена в организме является азотистый баланс – разность между количеством азота, поступающего с пищей, и количеством азота, выводимого из организма в течение суток с мочой, калом, потом. Недоедание приводит к отрицательному азотистому балансу (азотистому дефициту). Положительный азотистый баланс наблюдается в период роста организма, при регенерации тканей и т. д.

Состояние азотистого обмена в значительной степени зависит от качества пищевого белка, которое определяется его аминокислотным составом, и прежде всего наличием незаменимых аминокислот.

Азотистый обмен начинается с переваривания азотсодержащих компонентов пищи в желудочно-кишечном тракте. Аминокислоты, образующиеся при переваривании белка пищи, используются для синтеза белков в органах и тканях организма, а также других веществ. При этом синтезируется лишь половина аминокислот, а остальные аминокислоты являются незаменимыми и должны поступать с пищей. Исключение какой-либо незаменимой кислоты из рациона ведёт к развитию отрицательного азотистого баланса.

Белки органов и тканей постоянно обновляются, т. е. непрерывно протекают процессы синтеза белковых молекул и процессы их деградации с образованием аммиака. Основным путём связывания и нейтрализации этого токсичного вещества является синтез мочевины из аммиака в печени.

А в результате деградации нуклеиновых кислот, которые также содержат азот, образуется мочевая кислота. Мочевина, как и мочевая кислота, выводятся из организма почками.

Конечные продукты азотистого обмена, находящиеся в крови, носят название «остаточный азот». Основная его часть – азот мочевины (50 %), остальное носит название резидуального азота, в состав которого входят креатин и креатинин (продукты распада мышечной ткани), мочевая кислота (15 %) и др. У здоровых взрослых людей содержание азотистых веществ в органах, тканях, биологических жидкостях находится на относительно постоянном уровне. Избыток азота выводится с мочой и калом, а при недостатке азота потребность в нем может покрываться за счет использования азотистых соединений собственных тканей, что и наблюдается при интенсивной мышечной работе:, − в результате в крови накапливаются мочевина и креатинин.

Материальное обеспечение

1. Едкий натр 10% водный раствор.

2. Сульфат меди 1% раствор.

3. Яичный белок.

4. Трилон Б (ЭДТА) с относительной молекулярной массой 372,16; 0,01 М раствор (3,72 г трилона Б растворяют в мерной колбе вместимостью 1 л и доводят до метки дистиллированной водой).

5. Мурексид, индикатор.

6. Микробюретка вместимостью 5 мл.

7. Пипетки вместимостью 1 и 5 мл.

8. Химический стаканчик или колба.

9. Штатив с пробирками.

10. Моча.

Последовательность выполнения задания

1. Цветные реакции на белки и аминокислоты.

В щелочной среде раствор белка приобретает при взаимодействии с ионами меди сине-фиолетовый цвет, а продукты его гидролиза дают розовое окрашивание.

К 5 каплям 1% раствора яичного белка прибавляют 5 капель 10% раствора едкого натра, 2 капли 1% раствора сульфата меди и всё перемешивают. Содержимое пробирки приобретает фиолетовый цвет.

2. Определение содержания кальция в моче.

Мурексид при рН выше 11,0 в свободном виде окрашен в сине- фиолетовый цвет, а в комплексе с ионами кальция – в розово-брусничный. При титровании мурексида, связанного с ионами кальция, комплексоном постепенно извлекаются ионы кальция и связываются в виде комплекса с трилоном Б. Момент полного связывания кальция определяется по изменению цвета мурексида: он приобретает сине-фиолетовую окраску. Для этого 1 мл мочи вносят в колбу или стаканчик, добавляют 10 мл дистиллированной воды, 5 мл 10% раствора едкого натра и немного (на кончике скальпеля) мурексида до розово-брусничного цвета. Содержимое колбы медленно титруют из микробюретки раствором трилона Б, постоянно помешивая до появления сине-фиолетового окрашивания. Расчёт содержания кальция проводят по формуле:

Сса = 0,4 А Д мг/сут,

ГДЕ 0,4 – мг-экв кальция соответствует 0,01 М трилона Б; А – количество трилона Б, пошедшее на титрование, мл; Д – суточное количество мочи, мл; С – концентрация кальция, мг/сут. Коэффициент пересчёта в единицы СИ (ммоль/сут) – 0,025.

Протокол выполнения задания

1. Исследовать цветные реакции на белки и аминокислоты.

2. Определить содержания кальция в моче.

3. Сделать выводы.

Контрольные вопросы И ЗАДАНИЯ

1. ДАЙТЕ определение ПОНЯТИЯ «обмена веществ и энергии».

2. Что происходит с веществами, поступившими в организм, в процессе обмена веществ?

3. Каковы основные функции клеточного метаболизма?

4. Чем могут быть обусловлены изменения интенсивности обмена веществ?

5. Дать определение ПОНЯТИЯ «минеральный обмен».

6. Какие функции выполняют минеральные вещества в организме?

7. Какое вещество выполняет роль основного осмотически активного вещества?

8. Что служит главным механизмом трансформации энергии в организме?

9. Как возникает электрический потенциал на биологических мембранах?

10. Что составляет основную часть минеральных веществ в организме?

11. Дать определение ПОНЯТИЯ «водно-солевоЙ обмен».

12. Каково нормальное суточное потребление воды?

13. Как распределяется вода в организме?

14. Каким образом происходит выведение воды из организма?

15. Дайте определение ПОНЯТИЯ «азотистый обмена».

16. Что является основным источником азота для организма?

17. Что такое азотистый баланс?

18. С чего начинается азотистый обмен?

19. Что такое незаменимые аминокислоты?

20. Как называются конечные продукты азотистого обмена?

21. Каково влияние физических нагрузок на минеральный и азотистый обмен?

Задачи

1. 3а сутки у здорового человека выделено с мочой 1,5 л воды. Сколько воды выделилось из организма: а) с потом; б) с выдыхаемым воздухом (за это же время), в % от общего количества?

2. Содержание ионов натрия в крови 130 ммоль/л, объём циркулирующей крови составляет 5,5 л. Каково количество внутриклеточного натрия в организме (в ммоль)?

3. Масса тела человека составляет 64 кг. Какова масса: а) тканевой жидкости; б) жидкой части крови?

4. В какую сторону будет протекать следующая обратимая химическая реакция, на которой основано действие бикарбонатного буфера: NaHCO3 + HCI = NaCI + H2CO3.

5. Содержание мочевины в крови составляет 8,5 ммоль/л. Чему равно содержание в крови: а) остаточного азота; б) мочевой кислоты?

Тесты

1. Основным осмотически активным веществом является…

а) калий;

б) кальций;

в) натрий.

2. 98 % натрия содержится в организме В…

а) клетках;

б) крови;

в) костной ткани.

3. 98 % калия содержится в организме В…

а) клетках;