При окислении 1 г белка выделяется энергии

Вспомните, что происходит с яичным белком при нагревании.

Одними из наиболее важных органических компонентов живого являются белки. Второе их название — протеины (от греч. протос — первый). Белки — полимеры с большой молекулярной массой от нескольких десятков до нескольких миллионов единиц. Их мономерами служат аминокислоты. Количество аминокислот в молекулах разных белков может колебаться от 3—5 до нескольких тысяч. Например, молекула белка рибонуклеазы состоит из 124 аминокислот и имеет молекулярную массу 12640, а молекула гемоглобина имеет в своем составе 574 аминокислоты и молекулярную массу 64500.

Состав и строение белков. В белках постоянно встречаются 20 видов аминокислот. Они отличаются по своему строению, но имеют общие группы, посредством которых соединяются в длинные цепи (рис. 21). Последовательность и число аминокислот для каждого белка строго индивидуальны. Поэтому разнообразие белков потенциально безгранично.

Рис. 21. Строение аминокислот: 1 — общая формула; 2 — схема

Связь между аминокислотами называют пептидной связью, а образующуюся цепь — полипептидной (рис. 22, 23).

Рис. 22. Образование пептидной связи (схема)

Белки имеют сложное строение и несколько структурных уровней, которые определяют их свойства и выполняемые функции. Особенности структуры, формы, свойств и функций белковой молекулы зависят, в первую очередь, от последовательности аминокислот в полипептидной цепи. В каждом белке эту последовательность определяет наследственная программа организма. Поэтому белки каждого организма различаются друг от друга.

Рис. 23. Структура белковой молекулы (полипептидная цепь)

Свойства и функции белков. Белки, в отличие от других органических веществ, легко разрушаются. Они сворачиваются при действии сильных кислот, щелочей, солей тяжелых металлов, например свинца и ртути, высоких температур и радиоактивного излучения. Этот процесс называется денатурацией (от лат. де — утрата, потеря, и натура — природные свойства).

Среди органических веществ белки занимают первое место по разнообразию выполняемых функций. Самая важная из них — ферментативная. Ферменты (от лат. ферментум — закваска) — это биологические катализаторы, т. е. ускорители химических реакций в живом. Следующая важная функция белков — строительная.

Нет ни одной структуры живого, которые не содержали бы в своем составе белка. Они входят в состав мембран клеток, клеточного центра, ядра и рибосом. Белки выполняют и энергетическую функцию, хотя она у них не столь важная, как у углеводов и липидов. При окислении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии. Примерно столько же энергии выделяется при окислении 1 г углеводов. Однако белки служат последним энергетическим резервом, т. е. используются лишь после полного расходования запасов углеводов и липидов. В некоторых случаях белки выполняют функцию запасного питательного вещества, например, желточные белки куриного яйца и казеин молока.

Двигательная функция связана с сократительными белками, которые входят в состав мышечных волокон, ресничек, жгутиков, а значит — обеспечивают движение организма и клеток. Транспортные белки связывают и переносят вещества в одной клетке и во всем организме. Например, гемоглобин эритроцитов транспортирует кислород и углекислый газ.

Белки выполняют и защитную функцию. Они образуют антитела, защищающие организм от болезнетворных бактерий и вирусов. Регуляторные белки — это гормоны, регулирующие обмен веществ в организме. Например, выделяемый поджелудочной железой гормон инсулин регулирует углеводный обмен в организме.

Упражнения по пройденному материалу

1. Какие вещества являются мономерами белков?
2. При окислении белков и углеводов выделяется одинаковое количество энергии. Почему организм использует белки, как источник энергии только в последнюю очередь?

Имеются три вида аминокислот — А, В, С. Составьте несколько вариантов полипептидных цепей, построенных из пяти аминокислот. Будут ли такие белки обладать одинаковыми свойствами? Ответ поясните.

Материал для проведения практических работ по биологии

Строение и свойства углеводов, липидов

При окислении 1г углевода и белка выделяется 17,6 Кдж энергии, при окислении 1г липидов выделяется 38,9 кДж энергии.

1. Молекулярная формула глюкозы С₆Н₁₂О₆. Какова молекулярная формула полимера, образованного соединением 10 молекул глюкозы путем поликонденсации? (С₆₀Н₁₀₂О₅₁)
2. Сколько молекул воды выделиться в процессе поликонденсации при образовании полимера из 25 молекул глюкозы? (24)
3. Сколько молекул воды необходимо затратить для гидролиза молекулы крахмала, состоящей из 120 остатков глюкозы? (119)
4. Какова молярная масса полисахарида, состоящего из 110 остатков глюкозы?(19458)
5. Какова молярная масса сахарозы? (342)
6. В чай добавили 10 г свекловичного сахара, содержащего 95% сахарозы. Сколько энергии может усвоить организм из данной порции сахара, при к.п.д. 56%? Сколько энергии потеряется в виде тепла? (93,6 кДж; 73,6 кДж)
7. Сколько граммов чистой глюкозы необходимо употребить, чтобы компенсировать затраты энергии, затраченной за 3 часа езды на велосипеде (920 кДж/ч)?
8. Бег трусцой требует энергозатрат в 2100 кДж/ч. Сколько граммов глюкозы или жира необходимо для компенсации потерь энергии за 20 минут такой пробежки?
9. При выполнении вольных упражнений мышцы руки расходуют 12 кДж энергии за минуту. Определите, сколько всего граммов и химического количества вещества (моль) глюкозы используют мышцы руки за 10 минут вольных упражнений.
10. При окислении 100г жира выделилось 1550 кДж энергии. Сколько жира (в граммах, в %) не подверглось окислению?
11. Сколько шоколада с содержанием масла какао 70% необходимо съесть, чтобы компенсировать энергию, затраченную на бег трусцой (2100 Кдж/ч) в течение получаса только за счет жиров, содержащихся в шоколаде?
12. Жир, состоящий из триглицерида стеариновой кислоты (С₁₇Н₃₅СООН) подвергся омылению. Мыло какой массы получится при омылении 500г этого липида?
13. Какое количество молекул водорода необходимо для полного насыщения 100г триглицерида, образованного олеиновой кислотой (С₁₇Н₃₃СООН)?
14. Гидролизу подверглось 2 кг свиного жира с массовой долей нежировых примесей 10%. Сколько энергии при этом можно получить, если энергетические потери составляют 40%?
15. Сколько энергии и сколько воды получает верблюд при расщеплении 2 кг запасенного в горбах жира?
16. Максимальная механическая работа, которая может быть совершена человеком в результате окисления 2 г фруктозы кислородом, равна 13 кДж. При этом выделится теплота, равная 9,6 кДж/г. Какая масса фруктозы должна окислиться в организме, чтобы человек мог поднять груз массой 20 кг на высоту 2 м 25 раз? (1,5 г фруктозы. Механическая работа вычисляется по формуле А = mgh. А = 20х2х10х25 = 10000Дж = 10 кДж.).

Строение и свойства белков

Аминокислоты, входящие в состав белков и их условные сокращения

1. Соедините пептидной связью аминокислоты:

валин C₃H₇-CHNH₂-COOH и глицин CH₂NH₂– COOH

1. Соедините пептидной связью аминокислоты:

аланин СН₃СН NH₂– COOH и глицин CH₂NH₂– COOH.

1. Постройте все возможные дипептиды из валина и глицина.
2. Сколько дипептидов можно построить из валина, глицина и аланина? (3 2 =9)
3. Сколько трипептидов можно построить из валина и лейцина (С₄Н₉СНNH₂– COOH)? (2 3 =8)
4. Сколько дипептидов можно создать из 4 аминокислот? Сколько тетрапептидов можно создать из двух аминокислот? Выведите формулу, определяющую зависимость количества полимеров от количества разных мономеров и длины цепи.
5. Сколько полипептидов длиной в 100 аминокислотных остатков можно построить из двух разных аминокислот? (2 100 )
6. Белок содержит 0,5% глицина. Чему равна минимальная молекулярная масса этого белка М_{глицина}=75,1) (150200)
7. Гемоглобин крови человека содержит 0,34% железа. Вычислите минимальную молекулярную массу гемоглобина.(16471).
8. Альбумин сыворотки человека имеет молекулярную массу 68400. Определите общее количество аминокислотных остатков в указанном белке, если средняя молекулярная масса одного аминокислотного остатка принимается за 120. (570)
9. Проанализируйте график температурной зависимости скорости ферментативных реакций: Определите: при какой температуре фермент Б проявляет максимальную активность: при какой температуре оба фермента осуществляют превращения с одинаковой скоростью; в каком температурном диапазоне ускоряется реакция, осуществляемая ферментом А; как изменяется скорость реакций А и Б в диапозоне 60 – 70 градусов. (с 173 biology)
10. Проанализируйте график протекания ферментативной реакции при разных значениях температуры (Грин,1,с 203, Определите: какая температура является оптимальной для данного фермента; при какой температуре скорость реакции постоянная; при какой температуре за минуту прореагирует наибольшее количество вещества.
11. На графике (Грин,1,204) показано влияние рН на активность трех ферментов – А,В,С. Определите: оптимальное значение рН для каждого фермента; значение рН, при котором работают все три фермента; значение рН, при котором протекают ферментативные реакции В и С, но исключена реакция, контролируемая ферментом А.
12. К раствору пероксида водорода добавляли при разных значениях рН по 1 мл раствора каталазы и отмечали время, за которое удавалось собрать 10 мл О_2. При этом были получены следующие результаты:

Представьте эти результаты в виде графика и объясните их.

1. Неполярные радикалы имеют следующие аминокислоты: метионин, аланин, пролин, валин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин. Сколько гидрофобных взаимодействий возможно в молекуле белка, имеющей среди прочих, аминокислотные остатки: мет, арг, ала, лиз, про, вал, мет, сер, три, лей, ала. (4)
2. Полярные положительные радикалы имеют аминокислоты аргинин, гистидин и лизин. Радикалы глутаминовой кислоты и аспарагиновой кислоты имеют отрицательный заряд. Полярные заряженные радикалы в водной среде образуют ионные связи и стабилизируют третичную структуру белка. Сколько ионных связей между радикалами аминокислот может образоваться в третичной структуре белковой молекулы, в которой имеются следующие радикалы аминокислот: глу, асп, асп, глу, арг, гис, лиз? (3)
3. Полярные незаряженные (дипольные) радикалы аминокислот аспарагин, глутамин, серин, глицин, тирозин, треонин, цистеин при формировании третичной структуры белка стабилизируют молекулу за счет образования водородных связей между собой. Какое максимальное количество водородных связей может возникнуть в молекуле белка между радикалами аминокислот, если в белке имеются 3 молекулы асп, 3 молекулы глн, по 4 молекулы гли и тир и по одной молекуле тре и цис? (8)
4. Какие связи возникнут при формировании третичной структуры в молекуле белка между следующими парами остатков аминокислот: аргинин – аспарагиновая кислота; аланин – метионин; аргинин – глутаминовая кислота; аргинин – гистидин; аспарагин – глутамин?
5. Какие связи в третичной структуре образуются в молекуле белка, содержащей, среди прочих, аминокислотные остатки: цистеин, гистидин, аргинин, глутаминовая кислота, аспарагиновая кислота, цистеин, аланин, валин, пролин, триптофан?
6. Трипептид состоит из трех молекул аспарагиновой кислоты. Как изменится суммарный заряд данной молекулы при уменьшении рН раствора на одну единицу? (возрастет)
7. Полигистидиновый фрагмент поместили в водный раствор сильной кислоты. Как изменится реакция раствора? ( изменится в сторону уменьшения кислотности)

Строение и свойства нуклеиновых кислот

Спираль ДНК имеет витки длиной в 10 пар нуклеотидов. Длина одного нуклеотида примерно 0,34 нм, средняя относительная масса нуклеотида 345.

1. Постройте цепочки ДНК, комплементарные данным:

а. ЦТГАТЦТГТАТЦААЦТА

в. 5’ГТАЦТАГЦТАГЦТАГЦТАГЦЦАТ3′

1. В молекуле ДНК адениловые нуклеотиды составляют 20% от общего числа. Определите процентное содержание других нуклеотидов.
2. В молекуле ДНК тимидиловые нукеотиды составляют 16%. Определите процентное содержание нуклеотидов, содержащих гуаниновое основание.
3. Из бактерии была выделена ДНК. Оказалось, что она содержит 37% цитозина. Можно ли рассчитать процентное содержание аденина в ней?
4. Если в молекуле ДНК 56% ГЦ пар, каков будет процент А, Г, Ц, и Т соответственно?
5. В молекуле ДНК 880 Г-нуклеотидов, что составляет 22% от общего числа нуклеотидов. Определить количество остальных видов нуклеотидов в этой молекуле. Определите длину данной молекулы.
6. В молекуле ДНК обнаружено 570 адениловых нуклеотидов. Они составляют 30% всех нуклеотидов в этой молекуле. Определите: а) число остальных типов нуклеотидов по отдельности; б) относительную молекулярную массу этой молекулы; в) длину этой молекулы.
7. Дан фрагмент молекулы ДНК: ГАТАЦАГТААГГТАТ.

Определите длину данной молекулы и процентное содержание в ней каждого вида нуклеотидов. Определите соотношение (А+Т)/(Г+Ц) в молекуле ДНК, соответствующей данному фрагменту.

1. Если вирусная частица имеет двухнитчатую кольцевую молекулу ДНК размером 200 тысяч пар нуклеотидов, то сколько нуклеотидов находится в этой молекуле? Сколько полных витков приходится на эту молекулу ДНК? Сколько атомов фосфора содержится в каждой из нитей ДНК? (400 тыс.; 20 тыс.; 200 тыс.)
2. Дана молекула ДНК с относительной молекулярной массой 69 000, из них 8625 приходится на долю адениловых нуклеотидов. Сколько содержится в нуклеотидов по отдельности и какова длина этой ДНК? (А=Т=25; Г=Ц=75; 34 нм)
3. По мнению некоторых ученых, общая длина всех молекул ДНК в ядре одной половой клетки человека составляет приблизительно 102 см. Сколько всего пар нуклеотидов содержится в ДНК одной кетки? (3 млрд. пар)
4. РНК, выделенная из ВТМ (вируса табачной мозаики) содержит 20% цитозина. Можно ли рассчитать процентное содержание аденина в этой молекуле?
5. Найдите число молекул рибозы и остатков фосфорной кислоты в молекуле иРНК, в которой оснований урацила 80, гуанина 280, цитозина 280, аденина 80. Какова длина этой молекулы? (24 480 нм)
6. Докажите верность или неверность следующий утверждений для ДНК:

а) А+Т=Г+Ц; б)А=Г, Ц=Т; в) А/Т=Ц/Г; г)Т/А=Ц/Г; д) А+Г=Ц+Т; е) Г/Ц=1; ж) А=Т в каждой цепи.

1. Вы провели эксперимент по выделению нуклеиновой кислоты из бактериофага. Результаты эксперимента показали следующее содержание нуклеотидов: А – 25%, Т – 33%, Г – 24%, Ц – 18%. Каким образом можно объяснить эти результаты?

12. Синтетическая РНК имеет только два типа нуклеотидов. При этом она содержит в 5 раз больше У, чем Ц. Какое возможное число существующих в этой РНК кодонов? (2 3 =8)
Энергетический и пластический обмен

1. В процессе диссимиляции полному расщеплению подверглось 5 моль глюкозы. Сколько кислорода для этого понадобилось?
2. В клетке произошел гликолиз (неполное окисление) 10 моль глюкозы. Сколько молочной кислоты при этом образовалось?
3. В процессе диссимиляции произошло расщепление 7 моль глюкозы, из которых полному (кислородному) расщеплению подверглись только 2 моль. Определите, сколько моль молочной кислоты и углекислого газа при этом образовалось? Сколько моль АТФ синтезировалось? Сколько моль кислорода следует добавить для полного окисления образовавшейся в данных условиях молочной кислоты? (10; 12; 86; 30)
4. В результате диссимиляции в клетках образовалось5 моль молочной кислоты и 27 моль углекислого газа. Определите: сколько моль глюкозы подверглось неполному расщеплению? Сколько моль глюкозы подверглось полному окислению? Сколько моль кислорода выделилось? Сколько АТФ синтезировано? Сколько энергии аккумулировано в клетке? (2,5; 4,5; 0; 1715, 68600)
5. В одном сосуде, содержащем 100г растворенной глюкозы, находятся хлорелла и инфузория. Сколько глюкозы будет в этом сосуде через 10 минут на свету, если известно, что продуктивность фотосинтеза – 8 г в минуту, а на диссимиляцию хлорелла расходует 2 г глюкозы за минуту, а инфузория – 3 грамма? Сколько глюкозы будет в этом сосуде через 10 минут в темноте? (130г; 50г)
6. Водоросли и инфузории живут вместе в замкнутом сосуде, стоящем на свету. Инфузории потребляют 0,11 моль глюкозы в неделю, водоросли – 0,12 моль глюкозы в неделю. Суммарная недельная продукция глюкозы составляет 0,25 моль. Как изменится содержание кислорода в этом сосуде через неделю? (уменьшится на 0,12 м)
7. Для организма верблюда ежесуточно требуется 2 литра воды. Какое количество жира должно быть в его горбах, чтобы он мог не пить в течение 6 дней ? (13,2 кг)
8. На сколько будет отличаться молекулярная масса сахарозы от суммарной массы 1 молекулы глюкозы и 1 фруктозы ? (на 18 единиц)
9. На сколько будет отличаться молекулярная масса 10 аминокислот и олигопептида, состоящего из 10 аминокислот? (на 162 единицы)

страница 1

Энергия поступает в виде молекул белков, жиров и углеводов пищи, где происходит ее превращение. Вся энергия переходит в тепло, которое затем выделяется в окружающую среду. Тепло — конечный результат превращения энергии, а также мера энергии в организме. Освобождение энергии в нем происходит в результате окисления веществ в процессе диссимиляции. Освобождающаяся энергия переходит в доступную для организма форму — химическую энергию макроэргических связей молекулы АТФ. Везде, где совершается работа, происходит гидролиз связей молекулы АТФ. Энергетических затрат требуют процессы обновления и перестройки тканей; энергия расходуется при функционировании органов; при всех видах сокращения мышц, при мышечной работе; энергия затрачивается в процессах синтеза органических соединений, в том числе ферментов. Энергетические потребности тканей покрываются, главным образом, за счет расщепления молекулы глюкозы — гликолиза. Гликолиз — это многоступенчатый ферментативный процесс, в ходе которого суммарно выделяется 56 ккал. Однако энергия в процессе гликолиза выделяется не одномоментно, а в виде квантов, каждый из которых составляет примерно около 7.5 ккал, что и способствует ее заключению в макроэргические связи молекулы АТФ.

Определение величины прихода и расхода энергии

Для определения величины прихода энергии в организм необходимо знать, во-первых, химический состав пищи, т.е. сколько граммов белков, жиров и углеводов содержится в пищевых средствах и, во-вторых, теплоту сгорания веществ. Теплота сгорания — это количество тепла, которое выделяется при окислении 1 грамма вещества. При окислении 1 г жира в организме выделяется 9,3 ккал; 1 г углеводов — 4,1 ккал тепла и 1 г белка — 4,1 ккал. Если пища, например, содержит 400 г углеводов, то человек может получить 1600 ккал. Но углеводы должны пройти долгий путь превращений, прежде чем эта энергия станет достоянием клеток. Организм все время нуждается в энергии, и процессы диссимиляции идут беспрерывно. В нем постоянно окисляются собственные вещества, и выделяется энергия.

Расход энергии в организме определяется двумя путями. Во-первых, это так называемая прямая калориметрия, когда в специальных условиях определяют тепло, которое организм выделяет в окружающую среду. Во-вторых, это непрямая калориметрия. Расход энергии рассчитывается на основе вычленения газообмена: определяют количество кислорода, потребленное организмом за определенное время и количество углекислого газа, выделенное за это время. Поскольку выделение энергии происходит в результате окисления веществ до конечных продуктов — углекислот газа, воды и аммиака, то между количеством потребленного кислорода, выделенной энергией и углекислым газом существует определенная взаимосвязь. Зная показания газообмена и калорический коэффициент кислорода, можно рассчитать расход энергии организма. Калорический коэффициент кислорода — это количество тепла, выделяющееся при потреблении организмом 1 литра кислорода. Если окислению подвергаются углеводы, то при поглощении 1 л кислорода высвобождается 5,05 ккал энергии, если жиры и белки — соответственно 4,7 и 4,8 ккал. Каждому из этих веществ соответствует определенная величина дыхательного коэффициента, т.е. величина отношения объема углекислого газа, выделенного за данный промежуток времени, к объему кислорода, поглощенного организмом за этот интервал времени. При окислении углеводов дыхательный коэффициент равен 1, жиров — 0,7, белков — 0,8. Поскольку расщепление различных пищевых веществ в организме происходит одновременно, величина дыхательного коэффициента может варьироваться. Ее среднее значение у человека в норме находится в пределах 0,83-0,87. Зная величину дыхательного коэффициента, можно с помощью специальных таблиц определить количество освобождающейся энергии в калориях. По величине дыхательного коэффициента можно судить и об интенсивности протекания процессов обмена веществ в целом.

В клинической практике для сравнения интенсивности обмена веществ и энергии у разных людей и выявления его отклонений от нормы определяют величину «основного» обмена, т.е. минимальное количество энергии, расходуемой только на поддержание функции нервной системы, деятельности сердца, дыхательной мускулатуры, почек и печени в состоянии полного покоя. Основной обмен определяют в особых условиях — в утренние часы натощак в положении лежа при полном физическом и психическом покое, не ранее 12-15 часов после последнего приема пищи, при температуре 18-20 °С. Основной обмен — важнейшая физиологическая константа организма. Величина основного обмена составляет примерно 1100-1700 ккал в сутки, а в расчете на 1 квадратный метр поверхности тела он составляет около 900 ккал в сутки. Нарушение любого из этих условий изменяет величину основного обмена обычно в сторону его увеличения. Индивидуальные физиологические различия величины основного обмена у разных людей определяются весом, возрастом, ростом и полом — это факторы, которые определяют величину основного обмена. Основной обмен характеризует исходный уровень потребления энергии, но его нельзя рассматривать как «минимальный», так как величина основного обмена при бодрствовании несколько выше, чем в условиях сна.

Принцип измерения основного обмена

На основании многочисленных определений основного обмена у людей составлены таблицы нормальных величин этого показателя в зависимости от возраста, пола и общей поверхности тела. В этих таблицах величины основного обмена приводятся в килокалориях (ккал) на 1 м 2 поверхности тела за 1 час. Большое влияние на основной обмен оказывают изменения гормональной системы организма, особенно щитовидной железы: при ее гиперфункции основной обмен может превышать нормальный уровень на 80%, при гипофункции основной обмен может быть ниже нормы на 40%. Выпадение функции передней доли гипофиза или коры надпочечников влечет за собой снижение основного обмена. Возбуждение симпатической нервной системы, усиленное образование или введение адреналина извне увеличивают основной обмен.

Расход энергии при работе

Увеличение расхода энергии при работе называют рабочей прибавкой. Расход энергии будет тем больше, чем интенсивнее и тяжелее производимая работа. Умственный труд не сопровождается повышением энергетических затрат. Так, например, решение в уме трудных математических задач приводит к увеличению расхода энергии всего на несколько процентов. Поэтому энергетические траты в сутки у лиц умственного труда меньше, чем у лиц, занимающихся физическим трудом.