Биополимеры

Организмы животных не способны синтезировать углеводы из неорганических веществ. Они получают их от растений с пищей и используют в качестве главного источника энергии, получаемой в процессе окисления:

В зеленых листьях растений углеводы образуются в процессе фотосинтеза — уникального биологического процесса превращения в сахара неорганических веществ —оксида углерода (IV) и воды, происходящего при участии хлорофилла за счёт солнечной энергии:

 

5.7 Обмен

 

Обмен углеводов в организме человека и высших животных складывается из нескольких процессов:

Гидролиз (расщепление) в желудочно-кишечном тракте полисахаридов и дисахаридов пищи до моносахаридов, с последующим всасыванием из просвета кишки в кровеносное русло.

Гликогеногенез (синтез) и гликогенолиз (распад) гликогена в тканях, в основном в печени.

Аэробный (пентозофосфатный путь окисления глюкозы или пентозный цикл) и анаэробный (без потребления кислорода) гликолиз — пути расщепления глюкозы в организме.

Взаимопревращение гексоз.

Аэробное окисление продукта гликолиза — пирувата (завершающая стадия углеводного обмена).

Глюконеогенез — синтез углеводов из неуглеводистого сырья (пировиноградная, молочная кислота, глицерин, аминокислоты и другие органические соединения).

 

5.8 Важнейшие источники

 

Главными источниками углеводов из пищи являются: хлеб, картофель, макароны, крупы, сладости. Чистым углеводом является сахар. Мёд, в зависимости от своего происхождения, содержит 70—80 % глюкозы и фруктозы.

Для обозначения количества углеводов в пище используется специальная хлебная единица. К углеводной группе, кроме того, примыкают и плохо перевариваемые человеческим организмом клетчатка и пектины. (Кочетков Н.К., Бочков А.Ф.  Химия углеводов : Издат. «Химия Год»,  1967.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Другие молекулы, играющие важную  биохимическую роль

 

       6.1 Коферменты

 

Помимо нескольких хорошо изученных классов органических соединений, которые мы описали выше, в живых клетках содержится много других сложных органических веществ. Особо следует отметить витамины и группу веществ, участвующих в работе ферментов; их называют кофакторами или коферментами. Среди них встречаются разнообразные химические структуры, в том числе и нуклеотиды или их производные.

 

6.1.1.Кофакторы ферментов

 

Многим ферментам для эффективной работы требуются те или иные небелковые компоненты, называемые кофакторами. Кофакторы были открыты, когда обнаружилось, что есть вещества, присутствие которых совершенно необходимо для проявления каталитической активности ферментов, хотя сами они в отличие от ферментов сохраняют стабильность при довольно высоких температурах. Роль кофакторов могут играть различные вещества - от простых неорганических ионов до сложных органических молекул; в одних случаях они остаются неизменными в конце реакции, в других - регенерируют в результате того или иного последующего процесса. Комплекс фермента с кофактором носит название голофермент, а ферментная часть этого комплекса, без кофактора, называется апоферментом. Кофакторы подразделяются на три типа: неорганические ионы, простетические группы и коферменты. Функцию кофакторов выполняют многие органические молекулы; некоторые из них близки к витаминам. Такая молекула может быть связана с ферментом прочно (в этом случае ее называют простетической группой) или слабо (и тогда ее называют коферментом). И в том и в другом случае эта молекула действует как переносчик групп атомов, отдельных атомов или электронов, которые передаются по всему метаболическому пути от одного метаболита к другому.

 

6.1.2 Неорганические ионы (активаторы ферментов)

 

Предполагают, что эти ионы заставляют молекулы фермента или субстрата принять форму, способствующую образованию фермент-субстратного комплекса. Тем самым увеличиваются шансы на то, что фермент и субстрат действительно прореагируют друг с другом, а следовательно, возрастает и скорость реакции, катализируемой данным ферментом. Так, например, активность амилазы слюны повышается в присутствии хлорид-ионов.

 

 

 

6.1.3 Простетические группы (например, ФАД, ФМН, биотин, гем)

 

Данная органическая молекула занимает такое положение, в котором она может эффективно содействовать каталитической функции своего фермента. Поясним это на примере флавинадениндинуклеотида (ФАД). ФАД содержит рибофлавин (витамин В2), который является водород-акцепторной частью его молекулы. Функция ФАД связана с окислительными путями клетки, в частности с процессом дыхания, в котором ФАД играет роль одного из переносчиков в дыхательной цепи.

Конечный результат: 2Н переносятся от А к В. В качестве связующего звена между А и В действует голофермент.

 

6.1.4 Гем

 

Гем - это железосодержащая простетическая группа. Его молекула имеет форму плоского кольца, в центре которого находится атом железа (порфириновое кольцо, такое же, как у хлорофилла). Гем выполняет в организме ряд биологически важных функций.

Перенос электронов. В качестве простетической группы цитохромов  гем выступает как переносчик электронов. Присоединяя электроны, железо восстанавливается до Fe(II), а отдавая их, окисляется до Fe(III). Гем, следовательно, принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях за счет обратимых изменений валентности железа.

Перенос кислорода. Гемоглобин и миоглобин - два гемсодержащих белка, осуществляющих перенос кислорода. Железо находится в них в восстановленной [Fe(II)] форме.

Каталитическая функция. Гем входит в состав каталаз и пероксидаз, катализирующих расщепление пероксида водорода до кислорода и воды. Содержится он также и в некоторых других ферментах.

Коферменты (например, НАД, НАДФ, кофермент А, АТФ)

Никотинамидадениндинуклеотид (НАД) (рис. 4)

 

Рис. 4. Витамин как компонент кофермента (представлены структуры НАД,НАДФ и АТФ)

НАД - производное витамина, известного под названием "никотиновая кислота", - может существовать как в окисленной, так и в восстановленной форме. В окисленной форме НАД при катализе играет роль акцептора водорода:

где е1 и е2 - две различные дегидрогеназы.

Конечный результат: 2Н переносятся от А к В. Здесь в качестве связующего звена между двумя различными ферментными системами е1 и е2 действует кофермент.

 

6.1.5 Минеральное питание  растений и животных

 

Автотрофное питание - это не только синтез углеводов из СО2 и подходящего донора водорода, например воды, но и полное удовлетворение всех потребностей в других органических веществах, таких, как белки и нуклеиновые кислоты, за счет простых неорганических веществ (нитратов, сульфатов, фосфатов и др.). Некоторые минеральные вещества нужны и гетеротрофным организмам как существенное дополнение к органической пище. В большинстве случаев необходимы одни и те же элементы, поэтому здесь нам удобнее рассмотреть всю проблему минерального питания целиком; это позволит нам перекинуть мостик от автотрофного питания к гетеротрофному.

Элементы, без которых невозможны рост и развитие того или иного организма, называют основными элементами. Главные из них - углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор, калий, натрий, магний, кальций и хлор. Кроме того, некоторые элементы (микроэлементы) требуются только в очень малом количестве (порядка нескольких частей на миллион). Всем организмам нужны марганец, железо, кобальт, медь и цинк, а некоторым еще и молибден, ванадий, хром и другие тяжелые металлы, а также бор, кремний, фтор и йод в определенных сочетаниях . Зеленые растения получают из почвы все нужные им элементы, кроме углерода, водорода и кислорода. Неорганические микроэлементы, необходимые гетеротрофным организмам (животным и грибам), иногда объединяют вместе с витаминами. Это связано с тем, что и витамины, и микроэлементы нужны лишь в очень малых количествах и играют сходную роль в метаболических процессах, часто выступая в качестве коферментов. С витаминами мы познакомимся в следующей главе. Автотрофные организмы сами синтезируют нужные им витамины. Элементы, необходимые в не столь малых количествах, называют макроэлементами. Недостаток любого из элементов питания вызывает определенное заболевание.

6.2 Витами́ны

 

Витами́ны (от лат. vita — «жизнь») — группа низкомолекулярных органических соединений относительно простого строения и разнообразной химической природы. Это сборная по химической природе группа органических веществ, объединённая по признаку абсолютной необходимости их для гетеротрофного организма в качестве составной части пищи. Автотрофные организмы также нуждаются в витаминах, получая их либо путём синтеза, либо из окружающей среды. Так, витамины входят в состав питательных сред для выращивания организмов фитопланктона. Большинство витаминов являются коферментами или их предшественниками.

Витамины содержатся в пище (рис.5) (или в окружающей среде) в очень малых количествах, и поэтому относятся к микронутриентам. К витаминам не относят микроэлементы и незаменимые аминокислоты.

Наука на стыке биохимии, гигиены питания, фармакологии и некоторых других медико-биологических наук, изучающая структуру и механизмы действия витаминов, а также их применение в лечебных и профилактических целях, называется витаминологией.

 

Рис. 5  Витамины содержатся во фруктах и овощах.

 

 

Витамины выполняют каталитическую функцию в составе активных центров разнообразных ферментов, а также могут участвовать в гуморальной регуляции в качестве экзогенных прогормонов и гормонов. Несмотря на исключительную важность витаминов в обмене веществ, они не являются ни источником энергии для организма (не обладают калорийностью), ни структурными компонентами тканей.

Концентрация витаминов в тканях и суточная потребность в них невелики, но при недостаточном поступлении витаминов в организме наступают характерные и опасные патологические изменения.

Большинство витаминов не синтезируются в организме человека, поэтому они должны регулярно и в достаточном количестве поступать в организм с пищей или в виде витаминно-минеральных комплексов и пищевых добавок. Исключения составляют витамин D, который образуется в коже человека под действием ультрафиолетового света; витамин A, который может синтезироваться из предшественников, поступающих в организм с пищей; и ниацин, предшественником которого является аминокислота триптофан. Кроме того, витамины K и В3 обычно синтезируются в достаточных количествах бактериальной  микрофлорой толстого кишечника человека.

С нарушением поступления витаминов в организм связаны 3 принципиальных патологических состояния: недостаток витамина — гиповитаминоз, отсутствие витамина — авитаминоз, и избыток витамина — гипервитаминоз.

На 2012 год 13 веществ (или групп веществ) признано витаминами. Ещё несколько веществ, например карнитин и инозитол, находятся на рассмотрении[4]. Исходя из растворимости, витамины делят на жирорастворимые — A, D, E, K — и водорастворимые — C и витамины группы B. Жирорастворимые витамины накапливаются в организме, причём их депо являются жировая ткань и печень. Водорастворимые витамины в существенных количествах не депонируются и при избытке выводятся с водой. Это объясняет бо́льшую распространённость гиповитаминозов водорастворимых витаминов и гипервитаминозов жирорастворимых витаминов.

 

6.2.1 Антивитамины

 

Антивитамины — группа органических соединений, подавляющих биологическую активность витаминов. Это соединения, близкие к витаминам по химическому строению, но обладающие противоположным биологическим действием. При попадании в организм антивитамины включаются вместо витаминов в реакции обмена веществ и тормозят или нарушают их нормальное течение. Это ведёт к витаминной недостаточности даже в тех случаях, когда соответствующий витамин поступает с пищей в достаточном количестве или образуется в самом организме. Антивитамины известны почти для всех витаминов. Например, антивитамином витамина B1 (тиамина) является пиритиамин, вызывающий явления полиневрита.

 

6.2.2 Поливитамины

 

Поливитаминные препараты — фармакологические препараты, содержащие в своём составе комплекс витаминов и минеральные соединения.

Единственным натуральным пищевым поливитамином является грудное молоко, в котором содержится ценный набор из многих эссенциальных витаминов. Для профилактики гиповитаминозов, в особенности у детей, рекомендуется использовать комплексные витаминные препараты. Поливитаминные препараты применяются не только для профилактики и лечения гиповитаминозов, но и в комплексной терапии таких расстройств питания, как гипотрофия или паратрофия. Высокий уровень метаболизма у детей, не только поддерживающий жизнедеятельность, но и обеспечивающий рост и развитие детского организма, требует достаточного и регулярного поступления не только витаминов, но и минералов. По мнению ученых, для российских детей и подростков весьма актуально применение витаминно-минеральных комплексов. (Грин, Н., Стаут У., Тейлор Д.  Биология в 3-х т., т.1, 1990.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Основными биополимерами, которые пристально изучаются учеными, являются  белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды. Основной функцией биополимеров является поддержание процессов, которые необходимы для жизни живых организмов.