Основы биохимии пищеварения

Гомеостаз — это регулируемое постоянство внутренней среды организма.

Являясь естественным результатом  развития и созревания организма, процесс  старения сопровождается нарушением гомеостаза. В течение жизни  организм непрерывно регулирует изменение  концентрации продуктов  обмена различных  веществ — глюкозы, жирных кислот, холестерина  и т. д., сохраняя их на определенном постоянном уровне. В основе поддержания гомеостаза лежат процессы саморегуляции  различных систем организма, среди  которых особое место  занимают пищеварение  и выделение. Именно за счет поступления  в организм продуктов  питания меняются концентрации веществ, рН и температура  различных сред организма (желудочный сок, лимфа, кровь  и т. д.). Соотношение  различных продуктов  питания в значительной степени определяет скорость биохимических  реакций, нормальное и патологическое (в  случае нарушения  этих соотношений) протекание важнейших физиологических  процессов в организме (дыхание, кровообращение, пищеварение). В основе принципа сбалансированного  питания, сформулированного  советским диетологом А. Д. Покровским, лежат  те же принципы стехиометрических  соотношений продуктов  метаболизма белков, углеводов и жиров, какие действуют  между веществами в любой реакции, протекающей в  колбе. Постоянство  внутренних сред организма  поддерживается с  помощью различных  веществ (катехоламины, сахара, жирные кислоты  и др.), которые  участвуют в осуществлении  прямых и обратных связей между основными  системами организма, управляющими, следящими  и осуществляющими  процессы поддержания  гомеостаза. Все эти  вещества синтезируются  организмом из продуктов  питания. Их недостаток или избыток (вернее, нарушение соотношений  между продуктами их метаболизма) может  привести к ускорению  или замедлению важнейших  физиологических  процессов, а при  длительных нарушениях — к болезням. Примером этого может  служить старость, когда отклонения от гомеостаза начинают носить постоянный и  все возрастающий характер. С возрастом  организм постепенно утрачивает способность  сохранять гомеостаз  посредством гормонального  контроля и мозговой регуляции.  
 
Многие возрастные болезни (ожирение, сахарный диабет, атеросклероз) возникают в результате переедания и снижения физической активности. По мнению ряда ученых, потребление избыточного количества пищи приводит к нарушению работы пищевых центров (центр насыщения) в гипоталамусе. Механизм его осуществляется при помощи тех же продуктов питания — глюкозы и жирных кислот. Считается, что центры насыщения имеют специальные рецепторы к молекулам глюкозы. Энергетическими регуляторами клетки являются аденозинмоно-фосфат — продукт обмена глюкозы — и простагландины — продукты обмена жирных кислот.

Основы  биохимии пищеварения

Пищеварение — совокупность процессов, обеспечивающих механическое измельчение и химическое расщепление  пищевых веществ на компоненты, лишенные видовой специфичности, пригодные  к всасыванию из пищеварительно тракта в кровь и лимфу, участию в  обмене веществ и энергии. Поступающая  в организм пища всесторонне обрабатывается под действием различных пищеварительных  ферментов, синтезируемых специализированными  клетками. Расщепление происходит с  присоединением молекул воды. Образующиеся при расщеплении белков, жиров  и углеводов аминокислоты, жирные кислоты, глицерин и моносахариды всасываются  в органы и ткани, а из них образуются новые сложные органические вещества. Известно три основных вида пищеварения: внутриклеточное, внеклеточное (дистантное) и мембранное.

Пищеварительная система  осуществляет начальный этап обмена веществ между внешней и внутренней средами организма.

В состав пищеварительной  системы входит пищеварительный  канал, поджелудочная железа и печень.

Пищеварение начинается в ротовой полости: механическое измельчение путем жевания и  первоначальная химическая обработка  под действием слюны, которая  смачивает пищевую массу, обеспечивает формирование пищевого комка. В основном углеводы перевариваются амилазой слюны. Затем поступают в пищевод  и желудок. Пища накапливается в  желудке, перемешивается и пропитывается  кислым желудочным соком, обладающим ферментативной активностью, антибактериальными свойствами и способностью денатурировать клеточные  структуры. Основная функция желудка  — депонирование пищи, ее механическая и химическая обработка. Пищевая  масса постепенно направляется в  кишечник. В желудке пища находится  в зависимости от ее количества и  состава от 4 до 10 ч (у человека в  среднем 3,5 — 4,0 ч).

В желудке происходит гидролиз пищевых белков пепсином (оптимум  рН 1,5 — 2,5) и гастриксином (оптимум  рН 3,0). В полости желудка из неактивного  пепсиногена под влиянием соляной  кислоты образуется активный пепсин. Соляная кислота облегчает гидролиз белков благодаря денатурирующему  действию, вызывает их набухание, что  увеличивает контакт с ферментами. Под влиянием ферментов парапепсинов, гастриксинов, желатиназы, катепсинов желудочного сока из белков образуются пептиды различной молекулярной массы. Происходит высвобождение веществ, содержащихся в продуктах в связанном  с белками виде.

Соляная кислота  оказывает бактерицидный эффект, способствует усвоению железа, стимулирует  деятельность нижерасположенных отделов  пищеварительного тракта, секрецию некоторых  гормонов его стенками. Роль соляной  кислоты многообразна, поэтому нарушение  ее секреции неблагоприятно отражается на ряде важных процессов в организме.

Соляная кислота  вызывает денатурацию амилазы, находящейся  в небольшом количестве в желудке. Из желудка пищевая масса порциями поступает в кишечник, где наиболее интенсивно происходят процессы ферментативного  гидролиза и переход к всасыванию. Фаза пищеварения в тонком кишечнике  осуществляется в среде, близкой  к нейтральной или слабощелочной. Пептиды, образовавшиеся под действием  пепсина в желудке и нерасщепленные белки гидролизуются протеазами поджелудочного сока: трипсином, химотрипсином, карбоксипептидазой и эластазой. Образуются низкомолекулярные пептиды и аминокислоты.

В гидролизе жиров  существенную роль играет желчь, выделяемая печенью. Желчь активирует липазу поджелудочного сока и эмульгирует жиры. В полости  тонкой кишки этот фермент поэтапно отщепляет жирные кислоты и приводит к образованию ди- и моноглицеридов и незначительного количества свободных  жирных кислот и глицерина. Образующиеся продукты гидролиза соприкасаются  с поверхностью кишки, где происходит дальнейшая их обработка путем мембранного  пищеварения. В мембранном пищеварении  участвуют ферменты поджелудочного сока, α-амилаза, липаза, трипсин, химотрипсин, эластаза и другие ферменты, а также  собственно кишечные ферменты: γ-амилаза, олиго- и дисахаридазы; различные  тетра-, три- и дипептидазы, аминопептидазы, щелочная фосфатаза и ее изоэнзимы; моноглицеридлипаза.

Поступающие с пищей  углеводы под действием гликолитических  ферментов желудочно-кишечного тракта расщепляются до моносахаридов, которые  всасываются в кровь.

Основным моносахаридом  является глюкоза; она постоянно  извлекается из русла крови клетками, в которых происходит ее окисление  в аэробных условиях до конечных продуктов (СО₂ и Н₂О) с аккумуляцией в макроэргических соединениях значительной части заключенной в ней химической энергии. При недостаточном содержании кислорода в тканях (анаэробные условия) глюкоза окисляется не полностью.

Отличительной чертой катаболизма углеводов является их способность окисляться двумя  путями — гексозодифосфатным и гексозомонофосфатным (пентозофосфатным). Последний является вспомогательным путем окисления  углеводов. Гексозодифосфатное окисление  углеводов может протекать в  аэробных и анаэробных условиях, а  пентозофосфатное - в аэробных условиях.

Процессы аэробного  и анаэробного превращения углеводов  до стадии образования пировиноградной  кислоты одни и те же.

Дальнейшее превращение  этой кислоты зависит от обеспечения  тканей кислородом. В анаэробных условиях дыхательная цепь ферментов в  этом случае не используется и АТФ  не образуется. Конечным продуктом  анаэробного распада глюкозы  является молочная кислота.

Состояние недостаточного обеспечения организма кислородом нередко встречается в нормальной жизнедеятельности человека. Например, при физическом перенапряжении, патологических изменениях организма.

Однако анаэробное состояние у высших организмов продолжаться долго не может, снабжение тканей кислородом восстанавливается и  молочная кислота переходит а  пировиноградную. Молочная кислота  является своеобразным метаболическим тупиком, выход из которого сводится к образованию пировиноградной  кислоты, затем окисляющейся с участием ряда ферментов и коферментов (пируватдегидразный комплекс).

В окислении пировиноградной  кислоты участвует специальная  дегидрогеназа, отщепляющая атомы  водорода и передающая их затем в  цепь дыхательных ферментов с  образованием АТФ. При анаэробном окислении  глюкозы образуется 14 молекул АТФ.

Свойственный только углеводам процесс распада заканчивается  образованием ацетил-КоА. Дальнейший распад ацетил-КоА одинаков для белков, липидов и углеводов и осуществляется в цикле трикарбоновых кислот (цикле Кребса или цикле лимонной кислоты).

Цикл Кребса является центральным звеном в цепи катаболтических  реакций организма и представляет собой общий конечный путь окислительного распада всех основных пищевых веществ.

Белки, жиры и углеводы после прохождения специфических, свойственных только каждому из этих пищевых веществ превращений  образует один и тот же метаболит - активную форму уксусной кислоты (ацетил-КоА), в результате окислительного распада  которой образуются диоксид углерода и вода. Кроме того, при аэробном окислении глюкозы гексозодифосфатным путем может образовываться 38, а  гексозомонофосфатным - 36 молекул АТФ.

Следовательно, энергетически  оба пути окисления углеводов  существенно не отличаются. Следует  отметить, что распад белков, жиров  и углеводов полностью заканчивается  в тонком кишечнике; в толстом  кишечнике этот процесс не происходит.

При неправильном питании  возможно нарушение обмена белков, углеводов и жиров в организме, что подробно изложено в специальной  литературе.

При организации  правильного питания человека важное значение имеет сохранение нативных свойств пищевых продуктов в  процессе подготовки, переработки, производства и хранения пищевого сырья.