Диссимиляция

Диссимиляция (катаболизм) — совокупность процессов, при которых происходит окисление сложных органических веществ и превращение их в неорганические (воду, углекислый газ, мочевину (простое органическое вещество) и др.), сопровождающееся синтезом АТФ, которая используется организмом в процессах ассимиляции и других процессах жизнедеятельности организма.

Главной функцией процессов диссимиляции в организме является перевод энергии из «неудобной» организму формы (энергии химических связей сложных органических веществ — белков, углеводов, жиров) в «удобную» форму — макроэргические связи соединения типа АТФ и АДФ, энергия которых за счет процессов фосфорилирования легко переходит от одного соединения к другому. Это одна из биолого-экологических функций ассимиляции. Другой такой функцией является реализация круговорота веществ, когда органические вещества превращаются в неорганические, а последние вновь вступают в круговорот, участвуя в образовании органических веществ.

Перевод энергии из «неудобной» для организма формы в «удобную» происходит за счет превращения сначала АМФ в АДФ, а затем АДФ в АТФ.

Превращения аденозинфосфатов с образованием макроэргических связей выражаются схемами: АМФ + Н₃РO₄ → АДФ + Н₂O (поглощение энергии); АДФ + Н₃РO₄ = АТФ + Н₂O (поглощение энергии).

В результате процессов диссимиляции накапливается АТФ, которая затем используется в процессах ассимиляции, а энергия, заключенная в макроэргических связях молекул АТФ, передается на другие молекулы либо за счет процессов фосфорилирования (остаток переходит с молекулы АТФ на другие молекулы), либо за счет гидролиза АТФ и ее превращения в АДФ и фосфорную кислоту.

Организмы по характеру участия в процессах диссимиляции молекулярного кислорода делятся на анаэробные (бескислородные) и аэробные (кислородные). В анаэробных организмах диссимиляция осуществляется за счет брожения, а в аэробных — за счет дыхания в широком понимании сущности этого понятия.

Брожение — совокупность процессов разложения сложных органических веществ до более простых, сопровождающаяся выделением энергии и синтезом АТФ.

В природе наиболее распространенными видами брожения являются молочнокислое и спиртовое. Как способ «извлечения» энергии брожение — малоэффективный процесс: так, при молочнокислом брожении из 1 моль глюкозы образуется 2 моль АТФ.

1. Молочнокислое брожение — анаэробный процесс распада глюкозы до молочной кислоты. Выражается схемой:

С₆Н₁₂O₆ (глюкоза) → 2СН₃СН(ОН)СООН (молочная кислота)

(выделяется энергия, под действием которой синтезируется две молекулы АТФ).

Этот вид брожения характерен для молочнокислых бактерий, в присутствии которых происходит скисание молока.

Молочнокислое брожение является одной из стадий процесса дыхания (в широком смысле) у аэробных организмов, в том числе и у человека.

2. Спиртовое брожение — аэробный процесс распада глюкозы, сопровождающийся образованием этилового спирта и углекислого газа; протекает по схеме:

С₆Н₁₂О₆ (глюкоза) → 2СО₂ + 2С₂Н₅ОН (этиловый спирт)

(выделяется энергия, используемая для синтеза АТФ).

Этот вид брожения происходит в плодах, в других органах растения, находящихся в анаэробной среде.

В природе наиболее широкое распространение имеет другой способ диссимиляции — дыхание, которое реализуется в окислительной среде, т. е. среде, содержащей молекулярный кислород. Процесс дыхания состоит из двух частей: газообмена и сложной последовательности биохимических процессов окисления органических соединений, конечными продуктами которых являются углекислый газ, вода, аммиак (превращается в другие вещества) и некоторые другие соединения (сероводород, неорганические соединения фосфора и др.).

В обиходе дыхание рассматривается как процесс газообмена (это понимание понятия «дыхания» в узком смысле). Так, зоологи в организмах высших животных выделяют систему органов дыхания — в этих органах осуществляется газообмен, в результате которого из организма удаляется СО₂, а в организм поступает О₂ (мы «дышим», т. е. выделяем углекислый газ и поглощаем молекулярный кислород).

В данном пособии дыхание рассматривается в широком смысле этого слова как совокупность процессов газообмена, перенесения газов по организму и совокупность химических процессов, при которых сложные органические вещества превращаются в неорганические, при этом энергия усваивается организмом в форме АТФ, синтезирующейся в процессе диссимиляции.

Итак, процесс дыхания в широком смысле состоит из двух фаз: газообмена и совокупности химических процессов освобождения энергии и синтеза АТФ. Кратко охарактеризуем эти фазы.

1. Газообмен.

Для одноклеточных и относительно просто устроенных организмов (как растительных, так животных и грибов) газообмен протекает на всей поверхности тела: кислород поступает в клетки, а углекислый газ выделяется в окружающую среду. У высших растений роль органов дыхания играют или устьица(листья), или особо устроенные поры (чечевички) в коре многолетних органов (стебли, корни), кроме того, корни поглощают кислород и выделяют углекислый газ корневыми волосками. У высокоорганизованных многоклеточных животных имеются сложно устроенные органы дыхания — это или жабры (у водных животных), или легкие (высшие животные типа Позвоночные), или система трахей (насекомые).

Рассмотрим газообмен на примере человека — представителя типа Позвоночные. Этот процесс протекает достаточно сложно и начинается в легких, в которых в капиллярах альвеол кровь, обогащенная СO₂ (венозная кровь), контактирует с воздухом, богатым кислородом (поступил в легкие во время вдоха), за счет чего в воздух легких выделяется углекислый газ, а молекулярный кислород взаимодействует с гемоглобином крови, образуя соединение алого цвета — оксигемоглобин (О₂ вытесняет СО₂ из его соединения с гемоглобином). В полость легких диффундирует и СО₂, содержащийся в плазме крови. Возникшая артериальная кровь по венам легких поступает в левое предсердие, а из него — в левый желудочек и аорту. Далее кровь по кровеносным сосудам разносится к тканям различных органов и через капилляры в тканях углекислый газ из тканевой жидкости (в тканевую жидкость СО₂ поступил из клеток) поступает в эритроциты крови, частично реагируя с оксигемоглобином, а частично растворяясь в плазме клетки. Молекулярный кислород диффундирует сначала в тканевую жидкость, а потом — в клетки. В результате охарактеризованных процессов в тканях образуется венозная кровь, которая из капилляров поступает в вены, а затем — в правое предсердие, правый желудочек, из которого через легочные артерии поступает в легкие и процесс повторяется.

2. Характеристика химических процессов окисления при диссимиляции.

Химизм «освобождения энергии», содержащейся в сложных биохимических соединениях, сложен и протекает в три этапа.

1 этап — подготовительный.

Этот этап протекает в любом организме и состоит в том, что сложные органические вещества превращаются в более простые (белки — в смесь природных альфа-аминокислот; полисахара — в моносахара; жиры — в смесь глицерина и жирных кислот). При протекании данного этапа выделяется небольшое количество энергии, которую организм практически не использует — она рассеивается.

2 этап — анаэробный.

Он представляет собой процессы брожения. Наиболее важным процессом брожения является молочнокислое брожение, которое можно изобразить схемой:

С₆Н₁₂О₆ (глюкоза) + 2АДФ + 2Н₃РО₄ → 2 АТФ + 2Н₂О + СН₃СН(ОН)СООН (молочная кислота)

Этот этап необходим организмам для реализации их физиологических функций (совершение механической работы, перемещения организма в пространстве и т. д.). Кроме того, молочная кислота является веществом, вступающим в третий этап.

3 этап — аэробный.

Для осуществления этого этапа необходим молекулярный кислород. Он реализуется в особых органоидах клетки — митохондриях (их образно называют «энергетическими станциями клетки»). Аэробный этап представляет собой сложнейшую цепь превращений, в результате которых образуются неорганические вещества. Если превращениям подвергалась глюкоза, то схематически аэробный этап можно изобразить так:

2СН₃СН(ОН)СООН (молочная кислота) + 6О₂ + 36 АДФ + 36 Н₃Р04 6СО₂ + 42Н₂О + 36АТФ

Две молекулы молочной кислоты взяты потому, что из одной молекулы глюкозы при молочнокислом брожении образуется две молекулы кислоты.

Итак, при полном распаде одной молекулы глюкозы до СО₂ и Н₂О синтезируется 38 (36+2) молекул АТФ, что соответствует 55%-му усвоению энергии, которая выделяется при полном окислении глюкозы до указанных выше продуктов.

Завершая рассмотрение процессов диссимиляции следует отметить различие в газообмене растений и животных, а для газообмена растений — различие газообмена днем и ночью. Следует помнить, что и у растений и у животных ночью газообмен одинаков — организм поглощает кислород и выделяет в среду обитания СО₂. Днем газообмен у растений состоит в том, что растение на свету поглощает СО₂, а выделяет в среду обитания О₂ (у животных наоборот — выделяется СО₂, а поглощается кислород). Из вышесказанного следует экологический вывод об особенностях жилища: в спальне не следует держать много растений.

51)Химизм дыхания и брожения.

Химизм процесса брожения

Брожение — это внутренний окислительно-восстановительный

процесс, при котором акцептором электронов служит органическая

молекула и при котором.суммарная степень окисления образующих-

ся продуктов не отличается от степени окисления сбраживаемого

вещества.

1.У высших растений был найден весь набор ферментов, ко-

торый катализирует отдельные этапы процесса брожения. 2. При

временном попадании в условия анаэробиоза высшие растения опре-

деленное время существуют за счет энергии, выделяющейся в про-

цессе брожения. Правда, поскольку процесс брожения энергетически

значительно менее эффективен, в анаэробных условиях рост расте-

ний приостанавливается. Кроме того, продукты брожения, в частнос-

ти спирт, ядовиты, и их накопление приводит к гибели растения.

3. При добавлении к клеткам факультативных анаэробов (дрож-

жи) полусброженных Сахаров интенсивность дыхания у них резко

возрастает, следовательно, полусброженные продукты являются

лучшим субстратом дыхания по сравнению с неизмененными саха-

рами.

В настоящее время общепризнано, что первые этапы (гликолиз)

протекают одинаково при процессах как дыхания, так и брожения.

Поворотным моментом является образование иировииоградной кис-

лоты. В аэробных условиях пировиноградная кислота распадается

до CO2 и воды (дыхание), тогда как в анаэробных она преобразует-

ся в различные органические соединения (брожение). Организм об-

ладает способностью при изменении условий переключать процессы,

прекращая брожение и усиливая дыхание и наоборот. Впервые в

опытах Пастера было показано, что в присутствии кислорода процесс

брожения у дрожжей тормозится и заменяется процессом дыхания.

Одновременно резко сокращается распад глюкозы. Это явление ока-

залось характерным для всех факультативных анаэробных организ-

мов, включая и высшие растения, и получило название эффекта Пас-

тера. Сокращение расхода глюкозы в присутствии кислорода целе-

сообразно, поскольку при дыхательном распаде выход энергии значи-

тельно выше, а следовательно, глюкоза используется более экономно.

52) Ответ в 51J

53)Роль белков, жиров, углеводов в питании человека.

Организм человека состоит из белков (19, 6 %), жиров (14, 7 углеводов (1 %), минеральных веществ (4, 9 %), воды (58, 8-67 %).

Белки - сложные органические соединения, наиболее важные органические вещества живых организмов. Они являются пластическим материалом для строительства клеток, тканей и органов тела человека. Белки - основа гормонов, ферментов, антител. Они выполняют сложные функции (размножение, иммунитет, пищеварение, рост), регулируют витаминный и минеральный обмены.

Жиры - это триглицириды. В их состав входят насыщенные жирные кислоты (пальмитиновая, стеариновая) и ненасыщенные жирные кислоты (олеиновая, линоленовая, арахидоновая). Химический сое триглицеридов, то есть содержание в них тех или иных жирных кислот определяет- их физико-химические свойства. Энергетическая ценно! 1 г жира составляет 9 ккал. Большое значение имеет температура плавления жиров. Преобладание в жире насыщенных жирных кислот повышает температуру плавления, но снижает усвояемость жиров организмом человека, в то время как преобладание ненасыщенных жирных кислот значительно ее снижает, но повышает усвояемость жиров организмом человека.
Жир в организме человека содержится в двух формах: структурной (входящий в состав протоплазмы самих клеток) и запасной (ж который откладывается в тканях). Отложения запасного жр наблюдается под кожей в области кишечника, почек. Откладывающие в организме запасной жир является источником обновлен внутриклеточного структурного жира, поэтому и сам он треб; постоянного обновления.
Жиры в организме человека не только источник энергии, но с выполняют важную пластическую роль, являясь структурной част клеток. Жиры растворяют витамины и служат источником биологически активных веществ, участвуют в построении тканей организма, входа состав протоплазмы клеток. Суточная норма потребления жира трудоспособного населения составляют 60-154 г в зависимости возраста, пола, характера труда и климата.

Углеводы используются организмом либо как прямой источник тепла (глюкозо–6–фосфат), либо как энергетический резерв (гликоген). Биологическая роль углеводов для человека определяется их энергетической ценностью. Процессы превращения углеводов обеспечивают 60% суммарного энергообмена.
Основные углеводы – сахара, крахмал, клетчатка – содержатся в растительной пище, суточная потребность в которой у человека составляет около 500 г (минимальная потребность 100–150 г/сут);
Углеводы поступают в пищеварительный тракт в виде поли– и дисахаридов, а всасываются в кровь в форме простых сахаров. Содержание глюкозы в крови колеблется от 4, 6 до 6, 2 ммоль/л.
Около 70% углеводов пищи окисляется в тканях до воды и двуокиси углерода;
25% глюкозы крови превращается в жир;
Из 2 – 5% в печени и мышцах синтезируется гликоген.
В печени возможно новообразование углеводов из продуктов их метаболизма (пировиноградной и молочной кислоты), а при недостаточном поступлении с пищей – из метаболитов жиров и белков – кетакислот. Содержание гликогена в печени составляет 150–200 г.

Вода – сок жизни. Вода не просто там содержится, а играет важнейшую роль в жизнедеятельности организма. Определенное и постоянное содержание воды – вот необходимое условие существования человека. При изменении количества потребляемой воды и ее солевого состава нарушаются процессы пищеварения и усвоения пищи, кроветворения. Без воды невозможна регуляция теплообмена организма с окружающей средой и поддержание температуры тела. Вода выводит из организма продукты жизнедеятельности и вредные вещества.
То есть основные физиологические функции воды – наполнитель, растворитель, терморегулятор, носитель (транспортная и информационная роль).

Витамины - высокоактивные биологические вещества, от­вечающие за определенные жизненные процессы. Поступая в организм в повышенной концентрации, они могут активизиро­вать соответствующие процессы.

54)Роль биохимических процессов в пищевой промышленности.

Биохимические процессы при производстве продуктов питания протекают при участии ферментов и ферментативных препаратов.

Практическое значение:

1) лежат в основе технологии получения хлеба, хлебобулочных изделий, вина, пива, чая, аминокислот, органических кислот, витаминов и антибиотиков;

2) играют важную роль при хранении пищевого сырья и готовой продукции (зерна, плодов, овощей, жира и др.).

Факторы, влияющие на скорость биохимических процессов:

1) природа субстрата и его атакуемость – под атакуемостью понимают его податливость действию фермента, которая зависит от структуры субстрата;

2) концентрация фермента и реагирующих веществ – чем выше концентрация фермента, тем быстрее идут реакции;

3) температура и реакция среды – с повышением температуры активность

ферментов возрастает, достигает максимума, а затем снижается.

Для ферментов растительного происхождения оптимальная температура 40-50°С. Полное прекращение «жизни» ферментов при температуре около 100°С.

Каждый фермент имеет свое оптимальное значение рН.

Одни активны в кислой, другие в щелочной или нейтральной. рН для действия ферментов зависит от субстрата (так, при действии папаина на желатин рН=5, 0, на денатурированный яичный белок рН=7, 5).

4) присутствие активаторов и ингибиторов – активаторы увеличивают

скорость процессов, ингибиторы (соли тяжелый металлов – свинец, ртуть, олово) – снижают.

Ферменты (энзимы) – органические катализаторы белковой природы, обладающие специфичностью к субстрату.

По строению ферменты делятся на следующие группы:

1 группа – однокомпонентные, состоящие только из белка;

2 группа – двухкомпонентные, состоящие из белковой части и других

компонентов (витаминов, минеральных веществ и др.).

Свойства ферментов:

а) высокая каталитическая активность, т. е. они ускоряют процесс в 10⁸-10¹¹ раз;

б) избирательность действий (например, инвертаза разлагает сахарозу, но не действует на мальтозу);

в) лабильность.

К основным ферментам пищевых продуктов относят следующие:

– оксиредуктазы, – трансферазы, – гидролазы, – лиазы, – изомеразы, – липазы и др.

Кроме ферментов, при производстве пищевых продуктов используют ферментные препараты.

Ферментные препараты (ФП) – это препараты, вырабатываемые из растительного и животного сырья, а также из культур микроорганизмов (грибов, бактерий, дрожжей).

Ферментные препараты растительного происхождения получают из папайи, ананаса, инжира. Ферментные препараты животного происхождения получают из органов и тканей животных.

Ферментные препараты получают в виде порошков или жидких концентратов.

Ферментные препараты, сочетающие свойства нескольких ферментов, – это мультиэнзимные комплексы (МЭК). Ферментные препараты в пищевой промышленности улучшают процессы, качество продуктов, экономят сырье, увеличивают выход продукта.

Роль ферментов при производстве и хранении пищевых продуктов:

1) оксиредуктазы и лиазы при хранении растительного сырья регулируют окислительно-восстановительный процесс – дыхание.

Интенсивность дыхания зависит от температуры и влажности сырья, снижение этих параметров приводит к увеличению срока хранения сырья (например, сухое зерно может храниться 4-5 лет; плоды и овощи хранятся неделю, поэтому снижают температуру их хранения и часть кислорода заменяют инертными газами (СО2, N2 и др.));

2) полифенолксидаза в присутствии кислорода действует на дубильные вещества и полифенолы и образуют темноокрашенные соединения – меланины. Положительное значение процесса – это участие в ферментации чая и обработке какао-бобов для снижения их горько-вяжущего вкуса и т. д.

Отрицательное значение процесса – потемнение мякиша хлеба при выпечке и сушке макарон из-за того, что в производство попала мука из дефектного зерна; потемнение срезов яблок, грибов, картофеля. Способы предотвращения потемнения: сульфитация, бланширование, обработка паром;

3) аскорбинатоксидазы – окисляют аскорбиновую кислоту при сушке фруктов и овощей, снижают пищевую ценность;

4) липазы – гидролизуют распад жира с образованием глицерина и свободных жирных кислот (при хранении крупы и муки, особенно овсяной, идет их прогоркание; чтобы этого избежать, зерно перед помолом обрабатывают паром);

5) протеолитические ферменты (протеиназы, пептитазы) – катализируют расщепление пептидной связи белков и полипептидов до аминокислот (применяют, чтобы снизить мутность пива и вина; улучшают развариваемость круп и бобовых, качество хлеба);

6) пектолитические ферменты (полисахариды) гидролизуют пектиновые

вещества (протопектин, пектин, пектиновую кислоту) (применяют при обработке плодов, ягод и овощей для ускорения сокоотдачи, снижении вязкости со-

ков, облегчение их осветления и фильтрования и т. д.).