метаболизм углеводы липиды белки Ноябрь 2009 Источник

метаболизм: углеводы, липиды, белки Ноябрь 2009

Источник энергии – окисление поступающих с пищей • белков (4 ккал/г), • жиров (9 ккал/г) и • углеводов (4 ккал/г),

Е пищи→ Е АТФ → биологическая работа ↓ • сокращение • секреция • пищеварение и пр.

Нутриенты (от англ. nutrient – питательное вещество) пищи источники 6 классов веществ: • вода, • углеводы, макронутриенты (нужны в больших количествах) • липиды, • белки, • минералы, микронутриенты (нужны в малых количествах) количествах • витамины Эссенциальные нутриенты – те, которые не могут быть синтезированы в организме и должны поступать с пищей

питательные вещества Профеccиональные группы при умственном труде при механизи- немеханизи- рованном труде при тяжелом немехани- зированном труде Белки 109 122 141 163 Жиры 106 116 134 153 Углеводы 433 491 558 631 Рекомендации РАМН

Углеводы Суточная потребность – минимальная – 100 – 150 г (для работы мозга – до 120 г/день) Функции: • Источник энергии (особенно для нейронов, эритроцитов); • Компонент биомолекул: нуклеиновых кислот, АТФ и других нуклеотидов, гликопротеинов и гликолипидов, • Могут превращаться в аминокислоты и жиры.

В организме здорового взрослого около 440 г углеводов: • около 325 г – мышечный гликоген, • 90 – 100 г гликоген печени, • 15 - 20 г глюкоза крови.

Три вида диетических углеводов: • моносахариды (глюкоза, галактоза, фруктоза – при распаде крахмала и дисахаров), • дисахариды (сахароза, лактоза и мальтоза) • полисахариды: крахмал, гликоген, целлюлоза (не перевариваются, важны как пищевые волокна) Вне печеночной портальной системы лишь глюкоза присутствует в значимых количествах (сахар крови): – концентрация в венозной крови 70 – 110 мг/дл (3, 89 — 5, 83 ммол/л).

Полисахариды – длинная цепь из молекул глюкозы (м. в. - 500, 000 и более) 3 типа полисахаридов имеют значение в физиологии человека • гликоген в печени животные продукты и мышцах) • крахмал, растительные продукты • целлюлоза Гликоген • депо энергии в печени и мышцах, – мышечные запасы гликогена – для их собственных нужд. • длинноцепочечный полимер глюкозы, • образуется после еды, когда уровень глюкозы в крови повышен, • между приемами пищи он распадается для поддержания глюкозы крови.

Волокна (растительные полисахариды) • волокнистые углеводные структуры растительного и животного происхождения, устойчивые к перевариванию, • большинство из них – целлюлоза, пектин, • эссенциальные компоненты пищи, • суточная потребность – 30 г, Функции: • в кишечнике – – абсорбция воды, набухание химуса, – увеличение каловых масс на 40% - 100%, • стимуляция перистальтики – ускорение пассажа пищи и каловых масс, • снижение риска рака толстого кишечника, • снижение ЛПНП(↓ риска атеросклероза) – эффект водорастворимых волокон (из овса, фасоли, моркови, коричневого риса и фруктов)

В организме запасы углеводов, как источника энергии, находятся в – крови, – печени и – мышцах. Баланс между гликогеном и глюкозой регулируется • инсулином – снижает сахар крови, • глюкагоном, кортизолом, соматотропином, глюкокортикоидами, адреналином – повышают уровень глюкозы в крови

Пути метаболизма глюкозы Гликолиз – ферментативный процесс последовательного расщепления глюкозы в клетках, сопровождающийся синтезом АТФ – анаэробный распад - в отсутствие кислорода распад до пировиноградной и молочной кислот; – аэробное оксиление – в присутствии кислорода окисление пировиноградной кислоты до СО 2 и Н 2 О.

Суммарные источники производства АТФ при аэробном окислении глюкозы Гликолиз и аэробное дыхание в сумме дают 38 молекул АТФ из глюкозы с небольшими вариациями в разных тканях

АТФ и метаболизм углеводов • молекула – переносчик энергии, не энергодепонирующая молекула, • быстро утилизируется после образования, • для ее ресинтеза необходимы углеводы • АТФ не накапливается, – накапливается энергия в форме гликогена и жира. В теле взрослого содержится 400 - 450 г гликогена: • ¼ в печени, • ¾ в скелетных мышцах, и • немного в миокарде и других тканях.

Метаболизм глюкозы и гликогена Анаболические реакции гликогенез синтез гликогена путем полимеризации глюкозы (стимулируется инсулином) глюконеогенез синтез глюкозы из неуглеводных предшественников в печени (после голодания – может в почках; индуцируется глюкагоном, КА, глюкокортикоидами). Катаболические реакции распада гликолиз гликогенолиз распад глюкозы до 2 -х молекул пировиноградной кислоты в подготовке к анаэробному или аэробному окислению (индукция и инсулином) гидролиз гликогена с выделением свободной глюкозы или глюкозо-1 -фосфата в промежутках между приемами пищи, когда она не поступает из ЖКТр (стимулируется глюкагоном и адреналином).

Функции печени в метаболизме углеводов • Превращение фруктозы и галактозы пищи в глюкозу. • Поддержание уровня глюкозы крови путем – накопления глюкозы в виде гликогена (гликогенез), • выделение по мере необходимости глюкозы из гликогена (гликогенолиз), • образование глюкозы из жиров и аминокислот (глюконеогенез) когда запасы гликогена истощены.

Взаимосвязь между процессами гликолиза в мышечной ткани и глюконеогенезом в печени

амино пища глицерол кислоты кишечник печень лактат Глюкоза плазмы 70 мг/дл (3, 9 ммол/л) почки мозг моча (когда глюкоза плазмы>180 мг/дл) жир мышцы и др. ткани Гомеостаз глюкозы в плазме. Глюкостатическая функция печени. Потеря глюкозы с мочой при превышении почечного порога выведения (пунктир)

Липиды Суточная потребность - 80– 100 г Функции: • • • источник энергии; мембранные структуры; миелиновые оболочки нервных волокон; гормоны; эйкосаноиды; соли желчных кислот; теплоизолирующая функция; защитная подушка вокруг органов; всасывание жирорастворимых витаминов; синтез витамина Д; некоторые факторы свертывания крови.

Липиды • гидрофобные органические молекулы с высоким соотношением водорода к кислороду • различны по структуре • 5 основных типов у человека: – жирные кислоты – триглицериды (эфиры глицериды и СЖК) – фосфолипиды – эйкосаноиды – стероиды

Некоторые функции липидов жирные кислоты предшественники ТГ, источник Е; триглицериды депо Е; термоизоляция; заполнение пространств, объединение органов, амортизация фосфолипиды компонент клеточных мембран; участие в переваривании жиров; эйкосаноиды химические посредники между клетками жирорастворимые витамины участие в ряде функци й: свертывание. крови, зрение, всасывание Са++, заживление ран холестерол компонент клеточных мембран, предшественник других стероидов; стероидные гормоны желчные кислоты химические посредники между клетками; участие в переваривании жиров и всасывании нутриентов

Доля жира в теле ♂ и ♀ ≈ 15% и 25% массы тела. Жир – самое емкое депо энергии в организме • у здорового мужчины этих запасов достаточно для 116 часов бега (углеводов – на 1, 6 часа) • преимущества жира, как депо Е, перед углеводами: – жиры гидрофобны, почти не содержат воды, более компактны, – меньше окисляются чем углеводы и содержат в 2 раза больше Е (9 ккал/г против 4).

Жирные кислоты - цепочки из 4 -24 углеродных атомов с карбоксильной группой (COOН). ( 1. Насыщенные ЖК (напр. , пальмитиновая) – максимально насыщены водородом 2. Ненасыщенные ЖК (напр. , линолевая кислота) – некоторые атомы углерода соединены двойными ковалентными связями (т. е. к эти молекулам могут быть присоединены атомы водорода) 3. Полиненасыщенные ЖК – содержат множество С=С связей. Человек может синтезировать большинство ЖК – неэссенциальные ЖК (заменимые ЖК) Несколько ЖК не могут быть синтезированы – эссенциальные (незаменимые) ЖК они должны поступать с пищей (линоленовая, линолевая, арахидоновая из растительных масел, цельных зерен).

Насыщенные: • стеариновая (C 17 H 35 COOH) • пальмитиновая (C 15 H 31 COOH) Ненасыщенные: • пальмитолеиновая (C 15 H 29 COOH, 1 двойная связь) • олеиновая (C 17 H 33 COOH, 1 двойная связь) • линолевая (C 17 H 31 COOH, 2 двойные связи) • линоленовая(C 17 H 29 COOH, 3 двойные связи) • арахидоновая (C 19 H 31 COOH, 4 двойные связи, реже встречается)

В составе пищи липиды должны составлять • не более 30% суточной калорийности, в том числе – не более 10% - д. б. насыщенные *жиры (животного происхождения), – 20% - ненасыщенные (растительного происхождения) • потребление холестерола** – не более 300 мг/день (1 яйцо – 240 мг ХС), * насыщенные ЖК – стимулируют синтез ХС ** в растениях нет ХС

Нерастворимые в плазме липиды транспортируются белками в виде комплексов – липопротеинов: – ядро из ХС или ТГ – покрытие из белков и фосфолипидов Классификация липопротеидов по их плотности: • Хиломикроны – образуются в тонком кишечнике и транспортируют липиды по организму, • Липопротеиды высокой плотности (ЛПВП) – переносят избыток ХС обратно к печени для удаления, • Липопротеиды низкой плотности (ЛПНП) - остатки от ЛПОНП после удаления ТГ, транспортируют ХС к клеткам, которые в нем нуждаются; • Липопротеиды очень низкой плотности (ЛПОНП) - транспортные формы для переноса липидов к жировой ткани.

Основные классы липопротеинов плазмы примерное процентное содержание тип размер (нм) белок липиды ХС ТГ ФЛ хиломикроны 75 -1200 2 98 5 90 3 ЛПОНП 30 -80 8 92 20 55 17 ЛПНП 18 -25 20 80 53 6 21 ЛПВП 5 -12 50 50 20 5 25

Три пути преобразований липидов 1. Хиломикроны • тонкий кишечник • лимфатическая система • кровь – эндотелий капилляров –липопротеиновая липаза – гидролиз ТГ на глицерол и СЖК • поступают из кровотока в адипоциты - ресинтез ТГ для депонирования • часть СЖК остается в плазме в соединении с альбумином • остатки хиломикронов после экстракции ТГ – так называемые ремнантные хиломикроны – – деградируют в печени

2. ЛПОН, образуемые в печени, переносят липиды к жировой ткани для депонирования • в жировой ткани ЛПОНП превращаются в ЛПНП , содержащие преимущественно холестерол, • клетки, которым необходим ХС (для построения мембран, синтеза гормонов), – абсорбируют ЛПНП путем рецептор-опосредованного эндоцитоза, – перерабатывают его лизосомальными ферментами и – выделяют ХС во внутриклеточное пространство, • высокая концентрация ЛПНП указывает на высокий риск сердечно-сосудистой патологии.

3. ЛПВП – образование начинается в печени, где формируется пустая спавшаяся белковая оболочка, • эта оболочка в крови захватывает ХС и фосфолипиды , поступающие из различных органов, • далее они проходят через печень , где – ХС удаляется и выделяется с желчью, • таким образом ЛПВП - транспортный механизм для удаления избытка ХС из организма.

Пути преобразований липидов путь хиломикронов путь ЛПОНП/ЛПНП путь ЛПВП Почему высокое отношение ЛПВП/ЛПНП более полезно для здоровья, чем высокое ЛПНП/ЛПВП?

Холестерол • экзогенный – с пищей, • эндогенный – образуется в печени, • около 80% ХС превращается в холевую кислоту в печени, компонент желчи, участвующий в пищеварении, • ХС – важный компонент мембран клеток, • ХС – синтез стероидных гормонов

Клеточный захват и метаболизм холестерола 1. ЛПНП присоединяются к мембранным рецепторам и интернализуются путем эндоцитоза в эндосомы. 2. Рецепторы освобождаются и возвращаются в мембрану. 3. Эфиры ХС поступают в лизосомы и затем используются в клеточных процессах.

«Плохой» и «хороший» холестерин • В СМИ – «плохой» ХС – ХС ЛПНП – риск атеросклероза и ИБС – «хороший» ХС – ХС ЛПВП – отражает низкое отношение липидов к белку – предотвращает сердечно-сосудистые заболевания

Роль печени в метаболизме липидов • деградация ремнантных хиломикронов; • основное место липогенеза (синтеза жиров), в том числе ХС и фосфолипидов; • продукция ЛПНП для транспорта липидов в жировую и другие ткани для накопления и использования; • накопление жиров в собственных клетках; • β-окисление большинства жирных кислот; • образование кетоновых тел из избытка ацетил-коэнзима А; • образование оболочек ЛПВП для захвата избытка ХС из других тканей, возврат их в печень; • выведение избытка ХС в желчь.

Адипоциты накапливают и выделяют большую часть жиров организма (триглицериды) : 1. Липогенез – синтез жиров из предшественников типа сахаров и аминокислот. 2. Липолиз – распад жиров, начинающийся с гидролиза и продолжающегося окислением жирных кислот и глицерола. ЖК распадаются в процессе β-окисления. При этом образуется 129 АТФ – существенно больше чем при окислении глюкозы. Неполное окисление ЖК ведет к образованию кетоновых тел (кетогенез) • могут использоваться как источник энергии, но • их избыток опасен, как например при сахарном диабете

Регуляция метаболизма липидов • Адреналин и норадреналин – ↑ утилизацию липидов при мышечной работе и стрессе путем активации липазы адипоцитов. • Кортикотропин (при стрессе) и соматотропин стимулируют сепкрецию кортизола, который активирует липазу адипоцитов. • ↓концентрации инсулина → активация гормончувствительной липазы → быстрая мобилизация СЖК. • Тироксин – индукция быстрого выделения ЖК.

Белки Суточная потребность – мин. 80 -100 г, 0. 8 г/кг • обмен белков 100 г/с, – с особенно высокой скоростью кругооборота в слизистой кишечника. • более высокое потребление необходимо при – – стрессе инфекции травмах Беременности • младенцы и дети – потребность выше на кг массы • избыточное потребление – нагрузка на почки продуктами азотистого обмена, может вызывать их повреждение.

Белки • 12% - 15% массы тела • выполняют различные структурные и физиологические – мышечное сокращение – движение ворсинок и ресничек – клеточные мембраны, внеклеточный матрикс, ферменты, компоненты соединительной ткани, – транспорт липидов и гормонов в плазме, – перенос кислорода и пигментов – факторы свертывания крови – вязкость крови и ее осмолярность – антитела, иммунный ответ – нейромедиаторы, гормоны – буферные системы – источник энергии в экстремальных критических ситуациях

Аминокислоты и пептиды Белки – полимеры аминокислот. АК содержат три группы: • аминогруппу (NH 2) • карбоксильную группу (COOH) • радикал (R-группа) Некоторые группы – гидрофильные, другие гидрофобные, поэтому белки амфифильны.

Взрослые синтезируют 12 из 20 АК из других органических молекул, но 8 незаменимых АК не могут быть синтезированы: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) изолейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан, валин, гистидин (нужен младенцам) В дополнение, 2 АК могут быть синтезированы из эссенциальных АК – цистин из метионина и тирозин из фенилаланина. Другие 10 (9 у младенцев) – заменимые , т. к. организм может их синтезировать при недостатке в пище.

АК не накапливаются в запас. Белковый синтез требует всех 20 АК Полноценные белки - содержат все эссенциальные АК в пропорциях, необходимых для роста тканей и поддержания азотистого баланса. Неполноценные белки – нет в составе 1 или более эссенциальных АК ( напр. , зерновые содержат мало лизина, бобовые – метионина). Качество белка также оценивается по возможности его усвоения – % АК в белке, которые организм использует: • 70% - 90% из животных белков, • 40% - 70% из растительных белков. Количество усваиваемого белка из 400 г риса соответствует его усвоению из 115 г бифштекса

Пептиды – молекулы с 2 -мя или более пептидными связями: • • • дипептиды трипептиды олигопептиды (менее 10 -15 АК), полипептиды (цепь АК более 23) протеины (50 и более АК) Напр. , Окситоцин – 9 АК - олигопептид АКТГ – 39 АК - полипептид

Первичная структура белка -последовательность АК, соединенных пептидными связями Вторичная структура — локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями и гидрофобными взаимодействиями.

Третичная структура — пространственное строение полипептидной цепи; взаимное расположение элементов вторичной структуры, стабилизированное различными типами взаимодействий. (глобулярные, фибриллярные белки) Четверичная структура — взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса.

1. Глобулярные белки – компактная четвертичная структура: удобна для белков клеточных мембран и белков, которые д. б. подвижны в жидкостях(напр. , энзимы и антитела). 2. Фиброзные белки (напр. , миозин, кератин и коллаген) – тонкие филаменты, необходимы для такой роли как мышечное сокращение и обеспечение прочности кожи, волос, сухожилий.

Важное свойство протеинов – способность изменять форму (конформационные изменения): • под влиянием электрических сигналов (напр. , каналы в мембране клетки), – открытии и закрытии каналов в клеточной мембране • • присоединении гормона к белку, при диссоциации молекулы от белка, работе энзимов, мышечном сокращении.

Денатурация – радикальные изменения в ответ на такие экстремальные воздействия как высокая темп. , или p. H • иногда обратима, но чаще • навсегда нарушает функции белка. Коньюгированный белок – содержит неаминокислотные остатки, ковалентно соединенные с белком. Напр. , гемоглобин содержит 4 полипептидные цепи, каждая из которых также соединена с железо-содержащим кольцом - гемом

Свободные АК из имеющегося пула могут • использоваться для синтеза новых белков, • превращаться в глюкозу и жир, • окисляться для извлечения энергии. Катаболизм АК – дезаминирование – удаление аминогруппы, • образование аммиака (NH 3) • в печени аммиак и CO 2 образуют мочевину, как менее токсичный продукт – большая часть азотистых продуктов обмена белков поступает в кровь и затем удаляется с мочой

Метаболизм белков и аминокислот в печени b a) дезаминирование • удаление NH 2 от глютаминовой кислоты и превращение аммиака в мочевину в орнитиновом цикле a b) трансаминирование • синтез незаменимых АК

Азотистый баланс – равенство ежедневного потребления и выделения азота. Превышение потребления над выделением (положительный азотистый баланс) типично для • детского возраста, • беременности, • силовых тренировок, и • других состояний с высоким уровнем тканевого роста. Превышение выведения над потреблением (отрицательный азотистый баланс) типично для • стресса, • атрофии мышц, • недостаточного питания, • высокого уровня катаболизма (кахексия при раке)

Регуляция белкового обмена