Метаболизм: углеводы, липиды, белки

1. метаболизм: углеводы, липиды,белки

Ноябрь 2009

2.

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

3.

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

4.

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)
• витамины
Эссенциальные нутриенты – те, которые не могут
быть синтезированы в организме и должны
поступать с пищей

5.

питательные
вещества
Профеccиональные группы
при
умственном
труде
при
при механизинемеханизированном
рованном
труде
труде
при тяжелом
немеханизированном
труде
Белки
109
122
141
163
Жиры
106
116
134
153
Углеводы
433
491
558
631
Рекомендации РАМН

6.

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.

7.

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

8.

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).

9.

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.

10.

11.

12.

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)

13.

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

14.

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 СО2 и Н2О.

15. 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

16.

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.

17.

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).

18.

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.

19. Взаимосвязь между процессами гликолиза в мышечной ткани и глюконеогенезом в печени

20.

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

21.

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.

22.

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

23.

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 химические посредники между клетками;
желчные кислоты
участие в переваривании жиров и всасывании
нутриентов

24.

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).

25.

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).

26.

Насыщенные:
• стеариновая (C17H35COOH)
• пальмитиновая (C15H31COOH)
Ненасыщенные:
• пальмитолеиновая (C15H29COOH, 1 двойная связь)
• олеиновая (C17H33COOH, 1 двойная связь)
• линолевая (C17H31COOH, 2 двойные связи)
• линоленовая(C17H29COOH, 3 двойные связи)
• арахидоновая (C19H31COOH, 4 двойные связи, реже
встречается)

27.

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
(1яйцо – 240 мг ХС),
* насыщенные ЖК – стимулируют синтез ХС
** в растениях нет ХС

28.

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.

29.

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

30.

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

31.

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.

32.

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.

33. Пути преобразований липидов

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

34.

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

35.

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.

36.

«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

37. 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.

38.

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

39.

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.

40.

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.

41.

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

42.

Аминокислоты и пептиды
Белки – полимеры аминокислот.
АК содержат три группы:
• аминогруппу (NH2)
• карбоксильную группу (COOH)
• радикал (R-группа)
Некоторые группы – гидрофильные, другие
гидрофобные, поэтому белки амфифильны.

43.

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,
лейцин,
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.

44.

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

45.

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

46.

47.

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

48.

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.

49.

1. Глобулярные белки – компактная
четвертичная структура: удобна для белков
клеточных мембран и белков, которые
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.

50.

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

51.

Денатурация – радикальные изменения в
ответ на такие экстремальные воздействия
как высокая темп., или pH
• 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

52.

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 (NH3)
• в печени аммиак и CO2 образуют мочевину, как
менее токсичный продукт
– большая часть азотистых продуктов обмена белков
поступает в кровь и затем удаляется с мочой

53.

Метаболизм белков и
аминокислот в печени
b
a) дезаминирование
• удаление NH2 от
глютаминовой кислоты и
превращение аммиака в
мочевину в орнитиновом
цикле
a
b) трансаминирование
• синтез незаменимых АК

54.

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)

55.

Регуляция
белкового
обмена