Ключови думи: катаболизъм, анаболизъм, метаболитни вериги, възлови метаболити

Цели:

1. Да се знаят характерните особености при обмяната на веществата.
2. Да се изясни взаимната връзка между обменните процеси.
3. Да изясни значението на въглехидратите като хранителни вещества.
4. Да изясни значението на липидите като хранителни вещества.
5. Да изясни значението на белтъците като хранителни вещества.
6. Да се изясни значението на витамините за метаболизма.

Въведение

Обмяната на веществата и енергията са неделими и свързани помежду си процеси. Хранителните вещества доставят на организма:

• Химична енергия, която задоволява енергетичните нужди;
• Белтъци (аминокиселини), за изграждане на непрекъснато обменящи се белтъци, и за синтеза на други азотосъдържащи, биологично активни метаболити;
• Неорганични съединения (соли) и вода, необходими за заместване на изнасяните от него;
• Витамини - биологично активни съединения, които човешкият организъм не е в състояние да синтезира.

С храната се приемат основни видове органични вещества белтъчини, мазнини и въглехидрати, вода, неорганични соли и витамини. Хранителните вещества, които задоволяват енергетичните нужди, се разграждат, отделят енергия и се излъчват от организма под формата на CO2 и H2O.

Обмяната на веществата е основен белег на живата материя. Тя е баланс на два основни процеса:

• катаболизъм - процес на разграждане. При катаболизма се освобождава енергия, необходима за поддържане на телесната температура и жизнени функции.
• анаболизъм - процес на синтеза. Анаболизмът осигурява растежа на клетките, изграждането на клетъчни и тъканни структури, регенерация на тъканите, образуване на биологично активни молекули, като хормони, ензими, антитела и др.

14.1. Взаимна връзка на обменните процеси на основните хранителни вещества

Обмяната на веществата се характеризира с особености, които улесняват регулирането, координирането и управлението на биохимичните процеси:

1. Всички метаболитни вериги са свързани и си взаимодействат пряко или косвено помежду си;
2. Наличие на възлови и общи метаболити и метаболитни стъпала;
3. Динамично равновесие на концентрациите на метаболити и кофактори;
4. Тенденция към икономичност и стандартизация в метаболизма:

- броят на възлови метаболити е малък, на елементарните типови биохимични реакции и на формираните от тях основни биохимични пътища.;

- Използват се и циклични процеси, в които с малко кофактори и ензими може да се осъществи разграждането на много повече субстрати;

5. Наличие на най-бавни реакции, т.нар. "тесни места", които определят общата скорост, а понякога и посоката на процесите в цялата верига.

Фигура 247. Взаимна връзка на обменните процеси на основните хранителни вещества

На фиг. 247 са показани основните пътища на метаболизма на основните хранителни вещества и на взаимната връзка на обменните процеси.

- Процеси на превръщане на въглехидрати, белтъци и липиди;
- Ключови метаболитни реакции и метаболити;
- ЦТК;
- Гликолиза и глюконеогенеза;
- Дихателна верига.

В индивидуалните метаболитни пътища на основните съединения – въглехидрати, липиди и белтъци – присъстват едни и същи метаболити. Тези общи метаболити изпълняват ролята на свързващи звена – такива са – пируват, ацетил-СоА, оксалацетат и др. Централно място в обмяната на веществата заема цикълът на Кребс - свързващо звено в обмяната на трите основни групи съединения.

Фигура 248. Взаимна връзка на обменните процеси

Пируватът, ацетил-СоА и оксалацетатът са продукти от разграждането на въглехидратите в гликолитичната верига и цикъла на Кребс. Чрез аминиране и преаминиране от тях се образуват много АК, които се използват за синтезата на белтъци. При взаимодействието между фосфоенолпируват (гликолитичната верига) и еритрозо-4-фосфат (пентозофосфатен цикъл) се образува шикимова киселина, която е предшественик на ароматните АК – фенилаланин, тирозин, триптофан. Биосинтетичният път на хистидина започва от рибозо-5-фосфат, който произлиза от ПФЦ.

Обмяната на въглехидратите стои в центъра и в нея се пресичат обменните пътища на останалите съединения:

Белтъци ↔ Въглехидрати ↔ Липиди

Взаимовръзка между обмяната на въглехидрати и липиди

Трансформирането на въглехидратите в липиди е широко застъпен процес в живите организми. Свързващи звена в обмяната на липидите и въглехидратите са триозофосфатите:

• дихидрооксиацетонфосфат (ДХАФ);
• глицералдехид-3-фосфат;
• ацетил – СоА (фиг. 248 ). Взаимовръзката се реализира чрез НАДФН.

При редуциране на триозофосфатите, които са продукти от гликолизата и отделяне на неорганичен фосфат, се образува глицерол. Глицерол се използва за синтезата на липиди. Този процес се използва и в обратна посока, при животните е единствен директен път за образуване на въглехидрати от липиди. Ацетил - СоА се образува от гликолитичната верига след окислително декарбоксилиране на пируват. Използва се за: синтеза на мастни киселини; стероли; терпени.

Взаимовръзка между обмяната на белтъци и липиди

Основното свързващо звено е ацетил-СоА. Образува се при разграждането на липидите и като се включва в ЦТК, от него се получават α- кетокиселини. Чрез аминиране и преаминиране от тях се синтезират АК. Като краен продукт от разграждането на АК също се образува ацетил - СоА, който може да участва в синтезата на липиди.

Глицерол се освобождава при хидролизата на липидите - служи като предшественик за синтеза на ароматни АК.

Храните включват пет вида съставки, които се подреждат в две групи:

1. Основни или макрокомпоненти на храната:
а. въглехидрати; в. мазнини;
с. белтъчни вещества.

2. Микрокомпоненти на храната:
а.витамини; в.минерални вещества.

14.2. Въглехидратите като хранителни вещества.

Основен енергиен източник на организма са въглехидратите, окислението на 1 гр. въглехидрати освобождава17kJ енергия. Минималната дневна нужда за въглехидрати на здрав човек е между 50 - 100 грама, но обикновено са необходими по-големи количества.

В зависимост от химичния си състав, въглехидратите се подразделят на прости въглехидрати (олигозахариди) и сложни (полизахариди). Олигозахаридите (захари) бързо се усвояват, имат сладък вкус и се делят на моно- и дизахариди. Полизахаридите се делят на захароподобни (скорбяла и гликоген) и незахароподобни (целулоза и пектин). Характеризират се със сложен строеж и липса на сладък вкус.

От храносмилателния тракт, въглехидратите попадат в кръвта под формата на хексози - глюкоза, галактоза и фруктоза. От кръвта захарта попада в клетките, където служи за енергиен източник и се разпада до въглероден диоксид и вода. Излишното количество въглехидрати се превръща в мазнини.

Въглехидратите, след приемането им чрез храната, се използват за поддържане нивото на кръвната захар и за синтез на гликоген в мускулите и черния дроб, който се натрупва като резерв. Процесът на натрупване на гликоген се нарича гликогеносинтеза, а разграждането му - гликогенолиза. Гликогенът е животински полизахарид и се съдържа в черния дроб, откъдето попада в кръвта и поддържа нивото на глюкозата. В мускулите се използва за енергия при тяхното съкращаване.

Глюкозата е основния монозахарид, до който се разграждат всички полизахариди в храносмилателния тракт. Съдържа се във всички плодове, особено в презрелите и гроздето. В пчелния мед достига до 37%. Усвоява се от организма най-бързо от всички въглехидрати. Глюкозата е основен въглехидратен източник на енергия за много тъкани, а за някои като например мозъка е почти единствен. Функциите на мозъка, мускулите и сърцето, синтезата на гликоген, зависят от глюкозата. Организмът получава необходимата му глюкоза почти напълно от скорбяла и в по-малка степен от някои съдържащи глюкоза дизахариди като обикновената захар (захароза) и млечната захар (лактоза). Концентрацията на глюкоза в кръвта е средно в границите 3,9 – 5,6 mmol/l (70-110 mg/l). Увеличението на кръвнозахърното ниво се нарича хипергликемия, а намалението хипогликемия.

Захарозата е дизахарида, който се използва за подслаждане на хранителни продукти. В тънките черва се разгражда до глюкоза и фруктоза. Приетите излишни количества захароза се превръщат в мазнини, водят до нарушаване обмена на холестерол, като се стимулира неговата синтеза и нивото му в кръвта остава трайно високо.

Незахароподобните полизахариди, целулозата и пектина, не се използват от организма за храна, но са необходими, да създават нужния обем на храната и да стимулират перисталтиката, затова се наричат баластни вещества. Това ускорено преминаване на чревното съдържимо през дебелото черво, пречи на всмукването на токсичните вещества, които се отделят там при консумацията на месо и други животински продукти.

Баластни вещества има в по-грубите брашна, в плодовете, зеленчуците, картофите, варивата.

14.3. Липидите като хранителни вещества.

Съществува малка разлика между термините липиди и мазнини, въпреки че двата термина често се използват като взаимозаменяеми. Мазнините се отнасят по-често до мастно съдържание на храни, докато липидите се отнасят до метаболизма на мазнините в живите организми.

Липидите приети с храната в човешкият организъм са основен източник на енергия (39 kJ на грам, или 9.3 kcal). Освен като източник на енергия, внасят в организма мастноразтворими витамини. Мазнините доставят полиненаситени мастни киселини, които не могат да бъдат синтезирани, но които са необходими. Наричат се незаменими (есенциални) мастни киселини. Незаменими (есенциални) мастни киселини са: линоловата (с две двойни връзки) и линоленовата (с три двойни връзки). Човек си ги доставя чрез растителните масла и животински мазнини (птичето и рибено месо). Условно, като незаменима се приема и арахидоновата киселина (тетраенова с 20 въглеродни атома), особено при недоимък в храната на линолова киселина, от която човешкият организъм я синтезира. От полиненаситени мастни киселини се изграждат биологично активни производни, функциониращи като локални хормони: простагландини; тромбоксани; левкотриени.

От храносмилателния тракт липидите постъпват главно чрез лимфните пътища. В мастните клетки се складират резервните липиди под формата на триацилглицероли. При нужда те се хидролизират и мастните киселини навлизат в плазмата. Триацилглицеролите са важен енергетичен източник за много органи, основни транспортни носители на масноразтворими витамини. Есенциалните мастни киселини - линолова и линоленова, са изключително важни за формиране на клетъчните мембрани, особено на нервната тъкан.

Високият прием наситени мастни киселини, се свързва с повишаване нивата на холестерол и е важен рисков фактор за сърдечно-съдови заболявания и затлъстяване. Редица изследвания установяват връзка между високия прием на наситени мастни киселини и повишения риск от рак на дебелото черво, на гърдата, на простата. Диетолозите препоръчват енергийният дял на мазнините в дневната храна да не надвишава 30%.

14.4. Белтъците като хранителни вещества

Единствен източник на азот за нуждите на организма са белтъците. Ежедневната белтъчна нужда на организма зависи много от "качеството" на съдържащите се в храната белтъци. Качеството на белтъка, което по-често е известно и като негова "хранителна стойност" се обуславя от съдържанието и съотношението на съдържащите се в него незаменими или есенциални аминокиселини. Есенциални аминокиселини са тези, които човешкият организъм не може да синтезира, поради което задължително трябва да внася с храната. За човека те са осем: левцин, изолевцин, валин, метионин, фенилаланин, лизин, триптофан и треонин.

Хистидинът и аргининът се приемат като незаменими аминокиселини при децата, а според някои и за възрастни.

При окисление на 1 грам белтък се освобождават 17kJ енергия (4.1 kcal). След резорбцията в червата аминокиселините през порталното кръвообращение достигат до черния дроб. Тук част от тях се използват за синтеза на плазмените белтъци, част от тях се разграждат за доставка на енергия или като изходни продукти в глюконеогезата и част от тях се включват в процеса на синтеза на азотосъдържащи бази, необходими за нуклеиновите киселини. Необходимото количество белтъчини за денонощие се движи между 100 - 120г. Десетте на брой незаменими аминокиселини, които не могат да се синтезират у човека, трябва да се получават от готов вид. Белтъчините от животински произход съдържат незаменимите аминокиселини, поради което се считат за пълноценна храна.

В плазмата на кръвта се поддържа едно постоянно ниво на аминокиселини. Крайни продукти на белтъчната обмяна са азотсъдържащите съединения: урея, пикочна киселина, креатинин, амоняк и хипурова киселина. Те се екскретират главно през бъбреците.

Азотен баланс е съотношението между количеството азот, приет с храната и това което се екскретира от организма. Азотният баланс е един сигурен показател за качеството на белтъчното хранене. Във всички клетки на организма постоянно протичат процеси на анаболизъм и катаболизъм. Така както всички останали молекули, белтъчните молекули постоянно се разпадат и синтезират, т.е. протичат процеси на самообновяване. В здрав мъжки организъм с маса около 70 кг, скоростта на синтез съвпада със скоростта на разграждане и това е около 500г белтък на денонощие. Ако скоростта на синтеза е равна на скоростта на разграждане, настъпва азотно равновесие (азотен баланс). Положителен азотен баланс настъпва, когато белтъчния синтез протича с по-голяма скорост от разграждането, наблюдава се при здрави деца, нормална бременност, въстановяващи се болни, спортисти при навлизане във форма, т.е. когато се засилва синтезата на структурни и функционални белтъци в организма. При увеличение на дяла на отделяния азот, се наблюдава отрицателен азотен баланс, наблюдава се при болни и гладуващи. Препоръчва се най-малко прием от 42 грама пълноценен белтък на денонощие като физиологичен минимум, само в този случай в организма настъпва азотно равновесие.

Въведени са критерии за определяне качеството на белтъка:

• съотношение между заменими и незаменими АК – в белтъка трябва да бъде не по-малко от 32% незаменими аминокиселинсим
• близост на аминокиселинния състав на хранителния белтък до аминокиселинния състав на тялото на човек;
• лекота на преработка (храносмилане).

Растителните белтъци се считат за непълноценни, тъй съдържат малко незаменими аминокиселини, така също по състав силно се различават от животинския белтък. Най–близко до идеалния белтък, т.е. пълноценен, е белтъка от кокоше яйце.

14.5. Витамините в храната

Витамините са вещества, необходими за правилното протичане на обмяната на веществата в организма. Те са съединения с различна структура и се обединяват под това общо наименование поради това, че всички са функционално важни съставки на храната и са необходими в съвсем малки количества. Те са необходими за метаболизма, защото са части от ензимни системи. С храната човек си доставя и необходимите му витамини. Водноразтворимите витамини преминават в порталната кръв, а мастноразтворимите се движат заедно с липидите по лимфообращението. Голяма част от необходимия витамин К организмът си доставя чрез биохимичната дейност на чревната бактерийна флора.

Препоръчителната максимална дневна доза витамини, които е полезно да примат децата и възрастните, зависи от много фактори: възраст, пол, общо здравословно състояние. Част от витамините и микроелементите са способни да взаимодействат един с друг вътре в тялото и това не винаги е от полза. Например всекидневната доза бета-каротин не е определена (той е включен в дозировката на витамин А). При висока доза предизвика пожълтяване на кожата. Някои специалисти твърдят, че е в състояние да провокира появата на ракови заболявания.

Авитаминоза се нарича болестно състояние, което се явява при продължителна или пълна липса на някои витамини.

Хиповитаминоза се проявява при недостатъчен внос на някои витамини. Относителната хиповитаминоза може да настъпи при бременност или лактация, инфекциозни заболявания, усилена физическа работа. Понастоящем витамините са изолирани в чист вид и се получават по синтетичен път. Приемането на големи количества от синтетичните витаминни препарати може да доведе до хипервитаминоза.

По-важните витамини от групата на витамините B-комплекс са следните: B1 (тиамин), B2 (рибофлавин), B5 (никотинамид), B12 (цикобаламин).

Витамин В1 носи названието аневрин, поради това, че се използва за лечение на някой възпалителни заболявания. Предпазва от болестта "бери-бери", В1 е коензим в множество ензими на въглехидратния метаболизъм.

Витамин В2 участва в окислително-редукционните процеси при обмяната на веществата. Той е широко разпространен в растителната и храната от животински вид. Съдържа се в зърнените храни, млякото, яйцата. Синтезира се от чревната бактериална флора.

Витамин В5 се нарича още антипелагрозен фактор поради способността му да предпазва от пелагра (заболяване).

Превишаването на дозата от витамин В6 (1,6 мг за жените и 2 мг за мъжете) провокира увреждане на много нерви..

Витамин В12 е антианемичен фактор.

Витамин С се препоръчва в доза най-много 60 мг дневно. При превишаване на този праг той взаимодейства с някои лекарства срещу рака и пречи в диагностиката на редица заболявания. Аскорбиновата киселина е необходима за протичането на различни окислителни процеси, свързани с образуването на колаген в съединителната тъкан и в стените на кръвоносните съдове. При липса на витамин С се развива заболяването скорбут. Проявите на болестта са кървене на венците на зъбите, кръвоизливи по кожата и вътрешни органи, анемия, силна отпадналост.

Витамин А (ретинол). Каротинът е прекурсор на витамин А. Витамин А е необходим за поддържане нормалното състояние на епителните обвивки. Може да се характеризира като витамин на растежа и антиксерофталмичен.

Витамин D Познат като антирахитен фактор. По структура витамин D е стероид. Той регулира калциевата обмяна. За да се извърши калцификация на костите, е необходима определена концентрация на калций в кръвта. При хиповитаминоза у децата се развива заболяването рахит, което се характеризира с изкривяване на костите на скелета поради недостатъчна калцификация. При възрастните хиповитаминозата предизвиква размекване на костите - остеомалация. По време на бременност и лактация нуждите са по - големи.

Витамин Е (токоферол) е с препоръчителна дневна доза 8 мг за жените и 10 мг за мъжете. Високите дози предизвикват кръвотечение при хората, приемащи препарати за "разреждане" на кръвта. Той има значение за репродуктивната функция на човека. Стимулира секрецията на гонадотролните хормони от хипофизата, стимулира сперматогенезата и развитието на яйцеклетката. Хиповитаминозата може да настъпи при чернодробни и жлъчни заболявания, когато е смутена резорбцията на мазнините.

Витамин К - Необходим за нормалното кръвосъсирване, защото участва в синтеза на протромбин в черния дроб. Нормално се синтезира от чревната флора, поради което признаците на хиповитаминоза могат да се появят при новородени, когато чревната флора още не се развила, или при приемане на химиотерапевтици или широкоспектърни антибиотици, които унищожават нормалната чревна флора.

14.6. Минерални соли и вода в храната

Минералните вещества изпълняват както физиологични, така и биохимични функции. Внасянето им е необходимо, за да заместват постоянно изнасяните от него минерални вещества с урината, потта и други екскрети. Минерални вещества се съдържат в храните, но отчасти се приемат и с водата.

Водно - солеви баланс. Водата е важна съставна част на човешкото тяло, тя влиза в състава на всяка жива клетка. Организмът на възрастния човек съдържа 65% вода. Водно - солевият баланс е съотношението между изнасяните от организма за определено време соли и вода и поеманите за същото време отвън. Изнесената вода постоянно трябва да се замества с нова, поемана или пряко като течност, или в състава на различни храни. Някои минерални вещества да се добавят в храната, например: готварска сол (натриев хлорид), калиева сол, йод (йодирана сол) и др.

Денонощната потребност от вода зависи от външните условия на средата, от извършваната дейност, от теглото на тялото и от възрастта. Водата се отделя от организма главно от бъбреците чрез урината, от чревната стена с храносмилателните сокове, от потните жлези при изпотяването и от белите дробове в издишвания въздух. Организмът отделя винаги повече вода, отколкото постъпва в него. Това се обяснява с образуването на вода за сметка на окисляването на органичните вещества в клетките на организма. Загубата на вода се компенсира от приемането на течности като мляко, чай, вода и др., от течните храни (супи, яхнии) и от твърдите храни (плодове, зеленчуци, месо), в които винаги се съдържа някакво количество вода. При водно равновесие организмът поема на ден по-малко вода, отколкото отделя, защото в него се синтезира вода в резултат на аеробните окислителни процеси. Организмът притежава сложна и отлично организирана система за регулиране на водно-солевия баланс.

У деца водният обмен протича по-интензивно, отколкото при възрастни, и те имат относително по-голяма нужда от вода. Денонощната потребност от вода за децата на 7–10 години е 1350 ml, на 11–14 години – 1500 ml, а за възрастния човек – 2000–2500 ml.

Калцият в количество повече от 1 г дневно би могъл да предизвика запек и дисфункция на бъбреците. Желязото, в доза по-голяма от 15 мг. за жените и 10 мг за мъжете на ден, повишава риска от сърдечно-съдови заболявания.

Терминологичен речник

#Катаболизъм - процес на разграждане. При катаболизма се освобождава енергия, необходима за поддържане на телесната температура и жизнени функции.

#Анаболизъм - процес на синтеза. Анаболизмът осигурява растежа на клетките, изграждането на клетъчни и тъканни структури, регенерация на тъканите, образуване на биологично активни молекули, като хормони, ензими, антитела и др.

#Гликогеносинтеза - процес на натрупване на гликоген, в клетките на черния дроб.

#Гликогенолиза - процес на разграждане на гликоген.

#Авитаминоза - болестно състояние, което се дължи на недостатъчно количество или пълна липса на някои витамини.

#Хранителна стойност на белтъка - обуславя се от съдържанието и съотношението на съдържащите се в него незаменими или есенциални аминокиселини.

#Есенциални аминокиселини - тези, които човешкият организъм не може да синтезира, поради което задължително трябва да внася с храната. За човека те са осем: левцин, изолевцин, валин, метионин, фенилаланин, лизин, триптофан и треонин.

#Водно - солеви баланс - съотношение между изнасяните от организма за определено време соли и вода и поеманите за същото време отвън. Изнесената вода постоянно трябва да се замества с нова, поемана или пряко като течност, или в състава на различни храни.