Тема 20. Основы биохимии

“Жизнь – это химическая функция”.

А. Лавуазье

“Жизнь есть сложный химический процесс”.

И.П. Павлов

Биохимию можно рассматривать как мост, соединивший традиционные физику, химию и биологию. Главными предметами изучения биохимии являются состав и поведение живых систем, питательные вещества, потребляемые живыми организмами, продукты выделения этих организмов и механизмы протекания химических процессов в живых организмах.

Живой организм – это сложная сбалансированная система. Поддержание баланса во всех системах организма называется гомеостазом. Нарушения гомеостаза приводит к заболеваниям. А при отсутствии лечения иногда и к смерти. Лучший путь остаться здоровым – помочь своему организму поддерживать этот баланс.

Живые системы потребляют такие простые вещества, как кислород, вода, углекислый газ, а высшие организмы – и такие сложные вещества как белки, углеводы, жиры, витамины и минералы.

В результате усвоения этих веществ и происходит выделение энергии внутри организма и образуются новые вещества, а также побочные продукты. Рассмотрим наиболее важные биологические вещества.

20.1. Углеводы

Углеводы являются продуктами фотосинтеза растений. У растений они выполняют роль строительного материала, но для других живых существ они становятся пищей – основным источником энергии.

Углеводы состоят всего из трех элементов – С, Н и О. В течение всей жизни в человеческом организме происходит превращение углеводов в СО₂ и Н₂О, сопровождающееся выделением энергии.

Наиболее значимы углеводы двух типов – простейшие сахара и их высшие полимеры, например, крахмал и целлюлоза.

Различают простые сахара – глюкозу и фруктозу (моносахариды) и дисахариды, например, сахар.

Глюкоза – основной поставщик энергии человеческого организма – имеет формулу С₆Н₁₂О₆. Сначала, когда это вещество было открыто, его формулу записывали так: С₆(Н₂О)₆, т.е. в виде комбинации углерода и воды. Отсюда и происхождение названия "углевод". Название это сохранилось, хотя позже были открыты углеводы, не соответствующие этой формуле.

Глюкоза производится зелеными растениями в ходе фотосинтеза:

6 СО₂ + 6 Н₂О + 2870 кДж = С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂

Затем в растениях глюкоза превращается в крахмал и целлюлозу – их основную структурную часть. Сахароза и крахмал быстро усваиваются в организме и являются главными поставщиками энергии человеческого организма. Каждый грамм углеводов при расщеплении дает 4 ккал (16 кДж) энергии.

Реакция получения энергии телом – окисление глюкозы – идет по следующему суммарному уравнению:

С₆Н₁₂О₆ (водн.) + 6О₂ (газ)  6 СО₂ (газ) + 6 Н₂О + 2870 кДж/моль

Это уравнение объединяет 20 химических реакций, происходящих с участием 22 ферментов.

Усвоение сахарозы и крахмала начинается с расщепления их на глюкозу. Выделение глюкозы из крахмала катализирует фермент, содержащийся в слюне – амилаза. Это очень эффективный катализатор: одна молекула амилазы может производить 18 000 молекул глюкозы в секунду.

Специалисты считают, что 60 % потребности человека в энергии должны обеспечиваться углеводами. Большая часть населения Земли получает углеводы из зерновых и картофеля. Более полезно получать углеводы из фруктов и овощей.

Одним из важнейших источников энергии является сахароза – обычный сахар. Каждый житель развитых стран потребляет до 40 кг сахара в виде различных продуктов.

Полимерные молекулы, состоящие из мономеров – сахаров, называются полисахаридами. К ним относятся крахмал и целлюлоза. Как правило, полисахариды не растворимы в воде (как, например, целлюлоза) или образуют в воде коллоидные растворы (как крахмал).

Цепи целлюлозы могут содержать более 10 000 звеньев глюкозы и иметь относительную молекулярную массу более миллиона. Целлюлоза является одним из наиболее распространенных органических веществ. Природные запасы целлюлозы ежегодно обновляются на 100 млрд. тонн. В основном человек использует ее как строительный материал, для производства бумаги, искусственных волокон.

Целлюлозу могут переваривать жвачные животные, насекомые и термиты, человеческим организмом она не усваивается. Не перевариваемая человеком целлюлоза (клетчатка) необходима для поддержания в нормальном состоянии желудочно-кишечного тракта.

Крахмал также является полисахаридом природного происхождения. Крахмал содержится в хлебе, картофеле, овощах и имеет важное значение как источник питания. Крахмал имеет по 300-400 звеньев глюкозы, соединенных в спиралевидную структуру.

В организме крахмал запасается в виде гликогена – “животного крахмала”. Этот резервный углевод животных организмов содержится в печени (до 20 %), мышцах (до 4 %). В процессе жизнедеятельности происходит расщепление гликогена на молекулы глюкозы, причем в первую очередь отщепляются молекулы глюкозы на концах цепей. Именно поэтому гликоген имеет разветвленное строение.