Лекция 7
Тема 1: обмен веществ и энергии. Возрастные особенности обмена веществ. План:
Понятие об обмене веществ. Значение обмена веществ. Виды и этапы обмена.
Питательные вещества и их значение.
Особенности обмена веществ у детей.
Ожирение, его причины, тактика воспитателя по отношению к ребенку, страдающему ожирением.
1. Понятие об обмене веществ. Значение обмена веществ. Виды и этапы обмена.
Обменом веществ называют совокупность физико-химических превращений, происходящих в организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с внешней средой.
Суть обмена веществ сводится к поступлению веществ из окружающей среды, их переработке (например, в пищеварительной системе), усвоению и использованию клетками организма и выделению в окружающую среду продуктов обмена, образовавшихся в клетках. Прекращение обмена веществ означает биологическую смерть организма. Способность к обмену – одно из важнейших свойств живого организма.
Вещества, поступающие в организм из окружающей среды, расходуются на покрытие пластических и энергетических нужд организма, т.е. организм использует эти вещества для построения собственных клеток и тканей, а энергию химических связей – для синтеза АТФ и др. макроэргических соединений. В свою очередь энергия гидролиза АТФ может превращаться в механическую, электрическую, тепловую и др. виды энергии, необходимые для поддержания разных видов жизнедеятельности организма: мышечного сокращения, передачи нервного импульса, синтеза веществ в соответствии с генетической программой, поддержания гомеостаза и т.д.
В ходе обмена постоянно идут процессы ассимиляцииидиссимиляции.Ассимиляция(уподобление) – процесс использования организмом внешних по отношению к нему веществ и синтез своих собственных на основе продуктов расщепления. Процесс ассимиляции связан сзатратами энергии.Диссимиляция(разуподобление) – процесс разрушения веществ в организме и образование продуктов обмена. Диссимиляция сопровождаетсявыделением энергии. Процессы ассимиляции и диссимиляции связаны между собой, но не всегда уравновешены. В растущем организме преобладает ассимиляция, в стареющем – диссимиляция, у взрослых людей эти процессы чаще уравновешены. Диссимиляция усиливается при интенсивном росте (дети вытягиваются и худеют) и новообразованиях (опухолевый рост сопровождается затратами энергии на деление клеток).
В литературе часто употребляются и такие термины как метаболизм– обмен веществ,анаболизм– процессы синтеза веществ в организме, сопровождающиеся поглощением энергии; икатаболизм– процессы распада веществ в организме, сопровождающиеся выделением энергии. Анаболизм и катаболизм – две взаимосвязанные стороны метаболизма.
Так как все обменные реакции имеют энергетическую подоплеку, интенсивность обменных процессов принято оценивать в энергетических единицах (ккал.). В связи с этим, различают следующие виды обмена:
Основной обмен–минимальноеколичество энергии, необходимое для поддержания жизнедеятельности в условиях физического и эмоционального покоя, утром, натощак, лежа, при условии нормальной температуры тела и окружающей среды. Основной обмен зависит от пола, возраста, роста, веса, состояния здоровья.
Рабочая прибавка– количество энергии, необходимое для разных видов деятельности. Зависит от вида деятельности.
Общий обмен– совокупность основного обмена и рабочей прибавки.
Обмен веществ протекает в 3 этапа:
Этап поступления веществ в организм. Вещества поступают в организм через дыхательную, пищеварительную системы и кожу. В пищеварительной системе происходит расщепление питательных веществ, в результате которого они становятся пригодными для усвоения: а) питательные вещества теряют свою видовую специфичность и при поступлении в кровь уже не воспринимаются организмом как генетически чужеродный материал; б) питательные вещества превращаются в молекулы, которые можно транспортировать через клеточные мембраны и использовать в реакциях внутриклеточного обмена веществ;
Этап промежуточного обменавеществ, который протекает в клетках организма и сводится к разнообразным реакциям анаболического и катаболического характера. В результате этого этапа образуются продукты обмена, которые подлежат выведению из организма;
Этап выделения продуктов обмена, в котором участвуют дыхательная, пищеварительная, мочевыделительная системы и кожа.
Связующим звеном между структурами, в которых проходят разные этапы обмена, является, в первую очередь, кровь. Она выполняет транспортные функции. Именно в кровь попадают кислород из дыхательной системы, продукты расщепления из пищеварительной системы, вещества с поверхности кожи; именно кровь несет эти вещества к клеткам; именно в кровь попадают продукты обмена из клеток; именно из крови продукты обмена попадают в кожные железы, почки, легкие, пищеварительные железы откуда с пищеварительными соками — в пищеварительный тракт и вместе с непереваренными остатками пищи – в окружающую среду.
Лекция 7
Тема 1: обмен веществ и энергии. Возрастные особенности обмена веществ. План:
Понятие об обмене веществ. Значение обмена веществ. Виды и этапы обмена.
Питательные вещества и их значение.
Особенности обмена веществ у детей.
Ожирение, его причины, тактика воспитателя по отношению к ребенку, страдающему ожирением.
1. Понятие об обмене веществ. Значение обмена веществ. Виды и этапы обмена.
Обменом веществ называют совокупность физико-химических превращений, происходящих в организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с внешней средой.
Суть обмена веществ сводится к поступлению веществ из окружающей среды, их переработке (например, в пищеварительной системе), усвоению и использованию клетками организма и выделению в окружающую среду продуктов обмена, образовавшихся в клетках. Прекращение обмена веществ означает биологическую смерть организма. Способность к обмену – одно из важнейших свойств живого организма.
В ходе обмена постоянно идут процессы ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция – процесс использования организмом внешних по отношению к нему веществ и синтез своих собственных на основе продуктов расщепления. Процесс ассимиляции связан с затратами энергии. Диссимиляция – процесс разрушения веществ в организме и образование продуктов обмена. Диссимиляция сопровождается выделением энергии. Процессы ассимиляции и диссимиляции связаны между собой, но не всегда уравновешены. В растущем организме преобладает ассимиляция, в стареющем – диссимиляция, у взрослых людей эти процессы чаще уравновешены. Диссимиляция усиливается при интенсивном росте (дети вытягиваются и худеют) и новообразованиях (опухолевый рост сопровождается затратами энергии на деление клеток).
В литературе часто употребляются и такие термины как метаболизм – обмен веществ, анаболизм – процессы синтеза веществ в организме, сопровождающиеся поглощением энергии; и катаболизм – процессы распада веществ в организме, сопровождающиеся выделением энергии. Анаболизм и катаболизм – две взаимосвязанные стороны метаболизма.
Так как все обменные реакции имеют энергетическую подоплеку, интенсивность обменных процессов принято оценивать в энергетических единицах (ккал.). В связи с этим, различают следующие виды обмена:
Основной обмен – минимальное количество энергии, необходимое для поддержания жизнедеятельности в условиях физического и эмоционального покоя, утром, натощак, лежа, при условии нормальной температуры тела и окружающей среды. Основной обмен зависит от пола, возраста, роста, веса, состояния здоровья.
Рабочая прибавка – количество энергии, необходимое для разных видов деятельности. Зависит от вида деятельности.
Общий обмен – совокупность основного обмена и рабочей прибавки.
Обмен веществ протекает в 3 этапа:
Этап поступления веществ в организм. Вещества поступают в организм через дыхательную, пищеварительную системы и кожу. В пищеварительной системе происходит расщепление питательных веществ, в результате которого они становятся пригодными для усвоения: а) питательные вещества теряют свою видовую специфичность и при поступлении в кровь уже не воспринимаются организмом как генетически чужеродный материал; б) питательные вещества превращаются в молекулы, которые можно транспортировать через клеточные мембраны и использовать в реакциях внутриклеточного обмена веществ;
Этап промежуточного обмена веществ, который протекает в клетках организма и сводится к разнообразным реакциям анаболического и катаболического характера. В результате этого этапа образуются продукты обмена, которые подлежат выведению из организма;
Этап выделения продуктов обмена, в котором участвуют дыхательная, пищеварительная, мочевыделительная системы и кожа.
Связующим звеном между структурами, в которых проходят разные этапы обмена, является, в первую очередь, кровь. Она выполняет транспортные функции. Именно в кровь попадают кислород из дыхательной системы, продукты расщепления из пищеварительной системы, вещества с поверхности кожи; именно кровь несет эти вещества к клеткам; именно в кровь попадают продукты обмена из клеток; именно из крови продукты обмена попадают в кожные железы, почки, легкие, пищеварительные железы откуда с пищеварительными соками — в пищеварительный тракт и вместе с непереваренными остатками пищи – в окружающую среду.
5.1. Общие понятия об обмене веществ и энергии
137
5. Введение в обмен веществ. Энергетика обмена веществ
Жизнедеятельность организма, само существование его связано с постоянным поглощением организмом веществ и энергии из окружающей среды в удобной для утилизации форме и выделением эквивалентного количества энергии и веществ в эту среду в форме, менее удобной для утилизации. Совокупность химических реакций, обеспечивающих этот процесс, именуется обменом веществ и энергии (метаболизмом).
Назначение обмена веществ и энергии заключается, во-первых, в восстановлении постоянно теряемых организмом веществ, входящих в состав тканей
итканевых жидкостей, и, во-вторых, в обеспечении организма энергией, необходимой для образования ряда веществ, присущих организму, для движения, секреции, экскреции, электрических явлений и др. проявлений жизни.
Обмен веществ представляет собой сочетание многих разнообразных и противоположных процессов. Одни из них представляют процессы физиологические (питание, выделение и др.), другие – физические (сорбция, диффузия
идр.), третьи – химические (распад и синтез веществ и др.).
При этом все эти процессы образуют непрерывный, самосовершающийся и саморегулируемый круговорот веществ в живых телах, сопровождающийся постоянным самообновлением живой материи.
Обмен веществ осуществляется при условии и в результате постоянного взаимодействия живой и неживой материи, организма и среды. Естественно поэтому, что ход обмена веществ в организме, а часто и сам характер этого обмена находятся в тесной зависимости от условий внешней среды. Присущие организмам молекулярные механизмы преобразования, воспроизводства и разрушения специфических органических соединений(белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов и др.), действуют лишь в определенных, ограниченных интервалах температуры, давления, радиации и других параметров. В силу этого тип обмена веществ складывается в процессе жизнедеятельности организма, как единство внутренних и внешних факторов.
Обмен веществ объединяет два противоположных процесса. Та часть общего процесса обмена веществ, которая выражается в поглощении, накоплении, усвоении организмом веществ окружающей среды, в создании, синтезе за счет их структурных единиц своего тела, называется анаболизмом или ассимиляцией.
Та часть общего процесса обмена веществ, которая состоит в разрушении веществ, составляющих организм, в распаде элементов живого тела и выделе-
138 5. Введение в обмен веществ. Энергетика обмена веществ
нии продуктов этого распада из организма, называется катаболизмом или диссимиляцией.
В совокупности обе части составляют единый процесс обмена веществ. Катаболизм – это прежде всего ферментативное расщепление крупных
молекул (белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов), осуществляемое преимущественно за счет реакций гидролиза и окисления. В ходе катаболизма образуются более мелкие молекулы, что сопровождается выделением свободной энергии и запасанием ее в форме, главным образом, энергии фосфатных связей АТФ.
Анаболизм – это ферментативный синтез сравнительно крупных молекул и надмолекулярных комплексов из простых предшественников, что связано с потреблением энергии, поставляемой, главным образом, в форме энергии фосфатных связей АТФ.
Катаболизм и анаболизм протекают в клетках одновременно и тесно переплетаются друг с другом. Например, в ходе распада глюкозы первой реакцией является синтез более сложного вещества – глюкозо-6-фосфата и т.п.
Сочетание катаболических и анаболических реакций приводит к постоянному обновлению состава тела. При этом надо иметь в виду, что хотя в процессе обмена веществ состав тела все время обновляется, общий его состав у взрослых организмов в течение кратких отрезков времени почти не меняется.
5.2. Энергетика обмена веществ
Обмену веществ, каждой ферментативной реакции превращения вещества сопутствует превращение энергии. На некоторых этапах катаболизма химическая энергия выделяется и запасается, главным образом, в форме энергии фосфатных связей АТФ, а на определенных этапах анаболизма она используется, расходуется. Энергетические отношения обусловливают тесную взаимосвязь анаболических и катаболических процессов: всякий раз, когда происходит синтез более сложных веществ, требующих затраты энергии, одновременно с ним должны идти процессы, поставляющие энергию – процессы распада или окисления. Процессы, протекающие с выделением энергии, получили название экзоргических, а процессы, протекающие с потреблением энергии– эндергических. Основной экзоргической реакцией организма является синтез воды в процессе тканевого дыхания, а основной эндергической реакцией– синтез АТФ из АДФ и фосфата, сопряженный с выделением энергии при тканевом дыхании.
У зеленых растений энергия поступает в организм и улавливается в виде квантов света. Такие организмы способны создавать органические вещества своего тела из неорганических веществ путем фотосинтеза и их называют аутотрофными организмами. Другие организмы, главным образом, животные,
5. Введение в обмен веществ. Энергетика обмена веществ 139
нуждаются в уже готовых органических веществах и их называют гетеротрофами.
Энергия в эти организмы поступает главным образом в виде энергии химических связей органических веществ пищи. Образованию вещества тела гетеротрофов происходит путем химиосинтеза, т.е. синтеза, энергия для которого черпается за счет энергии химических связей органических веществ; в процессе их расщепления и выделяется необходимая для синтеза энергия. Следовательно, между аутотрофами (растениями) и гетеротрофами (животными) существует тесная взаимосвязь. Растительные аутотрофы за счет энергии солнечных лучей с помощью хлорофилла и других пигментов в хлоропластах восстанавливают СО2 в сложные органические вещества с использованием воды и с высвобождением кислорода. Гетеротрофы питаются растениями(непосредственно или опосредованно). Питательные вещества (сложные органические вещества – углеводы, липиды, белки) гидролизуются в желудочно-кишечном тракте до моносахаридов, жирных кислот, глицерина, аминокислот. Эти продукты гидролиза всасываются в кровь и доставляются кровью к различным клеткам, где в ходе специфических реакций они частично расщепляются еще на более мелкие молекулы. Последние поступают в митохондрии, где расщепляются далее в лимоннокислом цикле и окисляются в дыхательной цепи ферментов (тканевом дыхании). Одновременно с этим кислород, выделяемый растениями в процессе фотосинтеза в воздух, поступает через легкие в кровь животных и транспортируется с помощью гемоглобина в клетки, а затем в митохондрии. Этот кислород используется в тканевом дыхании. В реакциях тканевого дыхания высвобождается энергия, которая путем окислительного фосфорилирования аккумулируется в молекулах АТФ, а также образуется вода. В
лимоннокислом цикле также образуется СО, который с помощью крови
2
транспортируется из клеток в легкие, а затем выдыхается животным. Вода, образующаяся в процессе тканевого дыхания, удаляется из организма. Вода и СО2, выделенные животными, используются растениями для образования органических веществ в процессе фотосинтеза.
Каждое органическое соединение, входящее в состав живой материи, обладает определенными запасами потенциальной энергии, за счет которой может быть совершена работа. Эту энергию принято называть свободной энергией. Свободная энергия является частью общей(полной) энергии (энтальпии). Полная энергия определяется как тепло, которое высвобождается при сгорании данного соединения в колориметре. Если сгорание происходило при постоянном давлении, то эту величину называют энтальпией. Разница между свободной энергией и общей энергией(энтальпией) зависит от температуры и является функцией энтропии системы (S). Энтропия тем выше, чем менее упорядочена система. Знание изменения свободной энергии (DF) системы при переходе ее из одного состояния в другое является критерием, позволяющим су-
140 5. Введение в обмен веществ. Энергетика обмена веществ
дить о возможности химического превращения в соответствии с законами термодинамики. Клетка использует лишь часть общей энергии(Н). Соотноше-
ние между этими величинами можно выразить уравнением: DН=DF+TDS. Из уравнения видно, что изменение общей энергии (DН) складывается из изменения свободной энергии(DF), т.е. энергии, которая может быть использована клеткой, и изменения той части энергии, которая рассеивается в виде тепла (в уравнении: Т – абсолютная температура, S – энтропия системы). Из уравнения также следует, что с увеличением энтропии количество используемой энергии возрастает и процесс становится менее обратимым. Согласно второму закону термодинамики, энтропия изолированной системы реакций стремится к некоторому максимальному значению, при котором достигается равновесие и реакция прекращается. Во время химической реакции, когда молекулярная упорядоченность нарушается, энтропия системы возрастает. Если приложить энергию, чтобы заставить реакцию идти в обратном направлении(с более низкого энергетического уровня на более высокий), то энтропия уменьшается. Однако, такого рода процессы термодинамически невозможны, если они не связаны с другой системой, в которой энтропия соответственно увеличивается, тем самым компенсируя ее уменьшение в первой системе.
Следует напомнить, что с точки зрения термодинамики живые организмы являются неравновесной открытой системой, находящейся в стационарном состоянии; системой, извлекающей из внешней среды утилизируемую в процессе жизнедеятельности свободную энергию, в результате чего происходит возрастание энтропии (т.е. неупорядоченности) среды. Эта закономерность прослеживается в процессе обмена веществ организма, благодаря тесной взаимосвязи анаболических и катаболических реакций.
Главным материальным носителем свободной энергии в органических веществах являются химические связи между атомами. Поэтому при преобразовании химических связей в молекуле уровень свободной энергии соединения изменяется. Нормальным энергетическим уровнем при возникновении или распаде химической связи преобразуемого вещества считается изменение уровня свободной энергии, равное порядку 3 ккал/моль (или 12,5 кДж/ моль). Именно такой уровень свободной энергии отмечается при видоизменении большинства связей в органических соединениях. Однако при новообразовании и распаде некоторых связей уровень свободной энергии в молекулах ряда органических соединений выражается величинами6-10 ккал/моль (или 25 кДж/моль) и более (табл. 1). Такие соединения, молекулы которых содержат связи, отдающие при распаде значительные количества свободной энергии, получили название макроэргических соединений, а связи, при преобразовании которых наступают такие крупные изменения в энергетическом балансе веще-
5. Введение в обмен веществ. Энергетика обмена веществ 141
ства – макроэргических связей. Последние обозначаются специальным значком ~.
Макроэргические связи представлены преимущественно сложноэфирными (в том числе и тиоэфирными), ангидридными и фосфоамидными связями. При этом почти все известные соединения с макроэргическими связямисо держат атомы фосфора и серы, по месту которых в молекуле и локализованы макроэргические связи.
Таблица 1 – Изменение стандартной свободной энергии (в ккал) гидролиза некоторых фосфорилированных соединений (термодинамическая шкала фосфорилированных соединений)
Соединение | Ккал |
Фосфоенолпируват | 14,80×4,1 |
1,3-дифосфоглицерат | 11,80 |
Креатинфосфат | 10,30 |
Ацетилфосфат | 10,10 |
Аргининфосфат | 7,70 |
АТФ | 7,30 |
Глюкозо-1-фосфат | 5,00 |
Фруктозо-6-фосфат | 3,80 |
Глюкозо-6-фосфат | 3,30 |
Глицерол-1-фосфат | 2,20 |
Энергия, высвобождаемая при разрыве макроэргических связей, поглощается при синтезе органических соединений с более высоким уровнем свободной энергии, чем исходные. В то же время запасы макроэргических веществ в организме постоянно пополняются путем аккумулирования энергии, выделяющейся при понижении энергетического уровня распадающихся соединений. Следовательно, макроэргические вещества выполняют функцию и доноров, и акцепторов энергии в обмене веществ.
Наряду с функцией доноров и акцепторов макроэргическим соединениям свойственна очень важная роль трансформаторов энергии, так как они способны преобразовывать стационарную форму энергии, присущую химической связи, в мобильную, т.е. в энергию возбужденного состояния молекул, обеспечивая тем самым реакционную их способность. Преобразование мобильной формы энергии снова в стационарную форму энергии новой химической связи ведет к видоизменению веществ. Этим путем обмен веществ обеспечивается в организме энергией.
Таким образом, обмен веществ и энергии представляет единый, непрерывный процесс, где видоизменение вещества сопровождается выделением или поглощением свободной энергии и где выделившаяся или поглотившаяся в том или ином количестве энергия обеспечивает осуществление распада или
142 5. Введение в обмен веществ. Энергетика обмена веществ
синтеза химических связей, т.е. по существу видоизменение самих веществ. При этом следует иметь в виду, что свободная энергия, которая выделяется при распаде макроэргических соединений и за счет которой может бытьсо вершена та или иная работа, используется не только для химического синтеза, но и служит в организме для теплообразования, свечения, накопления электричества, выполнения механической работы и т.п. В этих случаях химическая энергия преобразуется при обязательном участии макроэргических соединений (в частности, АТФ и др.). в тепловую, лучистую, электрическую, механическую и т.п.
Выдающуюся роль в биоэнергетических процессах играет аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Способность АТФ как запасать, так и отдавать энергию, т.е. образовывать систему АТФ-АДФ, занимая промежуточное положение в термодинамической шкале фосфорилированных соединений, определяет функций этой системы, как посредника, переносчика богатых энергией фосфатных групп от высокоэнергетических фосфорилированных соединений, стоящих в термодинамической шкале выше АТФ, к менее богатым энергией соединениям, которые, акцептируя фосфат, активируются.
АТФ играет важную роль и в обмене самих макроэргических соединений. Синтез в организме многих других макроэргических соединений протекает при посредстве АТФ. Важное значение в этом обмене имеет образование креатинфосфата и нуклеозидтрифосфатов (гуанозинтрифосфата, уридинтрифосфата, цитидинтрифосфата), которые могут, как и АТФ, служить источником энергии при биосинтетических процессах. Описанные взаимоотношения можно выразить в виде схемы:
| АТФ |
системы аккумуляции | системы использования |
энергии | энергии |
АДФ + Ф
энергия солнца или пищи.
Интересны некоторые расчеты, характеризующие количество синтезируемого АТФ в организме человека4. Оказывается человек массой 70 кг производит за день 75 кг АТФ, т.е. больше своего собственного веса. Конечно, надо
4 Э. Брода. Эволюция биоэнергетических процессов. Изд. Мир, М., 1978.
5. Введение в обмен веществ. Энергетика обмена веществ 143
иметь в виду, что молекулы АТФ все время расходуются для совершения работы, а на их место образуются новые, только что синтезированные молекулы АТФ (75 кг выпускаемой промышленностью АТФ стоит 150 тысяч долларов). Удивителен факт, что живые организмы производят на единицу массы значительно больше энергии, чем солнце (человек весом 70 кг производит энергии 2·104 эрг/г.сек против 2 эрг/г.сек, производимых солнцем).
При рассмотрении обмена веществ различают внешний(или общий) обмен веществ, учитывающий поступление в организм веществ и их выделение, т.е. учитывающий баланс и промежуточный обмен веществ, который охватывает превращения этих веществ в организме.
5.3. Общая характеристика промежуточного обмена веществ
Под промежуточным или межуточным обменом веществ понимают превращения веществ с момента поступления их в организм и кончая образованием конечных продуктов обмена. Промежуточный обмен выполняет 4 функции:
Øизвлечение энергии из окружающей среды, поступающей либо в форме энергии химических связей органических веществ, либо в форме квантов солнечного света;
Øпревращение экзогенных веществ (т.е. веществ пищи) в простые низкомолекулярные вещества;
Øобразование из этих простых веществ, являющихся как бы строительными блоками, высокомолекулярных веществ: белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов и др. клеточных компонентов, свойственных организму;
Øсинтез и распад тех биомолекул, которые необходимы для выполнения различных специфических функций клетки.
Первым этапом обмена веществ является превращение поступивших -ве ществ пищи в желудочно-кишечном тракте. Большинство питательных веществ являются полимерами (протеины и протеиды, полисахариды, липиды) и для того, чтобы быть усвоенными организмом, должны подвергнуться гидролитическому расщеплению пищеварительными ферментами до мономеров. Следовательно, пищеварение белков, жиров и углеводов – основных питательных веществ – является биологически необходимым процессом превращения питательных веществ в легко всасываемое, усвояемое состояние. Этот процесс обеспечивается пищеварительными ферментами.
Все пищеварительные ферменты характеризуются относительной специфичностью своего действия. Это имеет большое значение для приспособления организма к различному составу питательных веществ.
144 5. Введение в обмен веществ. Энергетика обмена веществ
Пищеварительные ферменты вырабатываются особыми железами(слюнными, желудочными, поджелудочной железой и др.), или отдельными клетками. Ежесуточно в желудочно-кишечном тракте секретируется примерно 8 л пищеварительных секретов, содержащих все необходимые ферменты для гидролиза пищевых веществ. В секретах содержится от 6 до 10 г ферментных белков. Вырабатываемое количество ферментов обеспечивает полное пищеварение углеводов и белков пищи. У человека ежедневно синтезируется 1 г пепсина, достаточного для расщепления 60,0 кг яичного белка, и около 1,6 г амилазы, достаточной для расщепления 175 кг крахмала. Расщепление и всасывание жиров более ограничено, чем пищеварение углеводов и белков.
Наряду с пищеварением протеинов, протеидов, углеводов, липидов, всасыванием продуктов их гидролиза, желудочно-кишечный тракт осуществляет выделение продуктов обмена веществ, например, продуктов распада холестерина и желчных пигментов, а также продуктов обмена кишечной микрофлоры, самих кишечных микробов и невсосавшихся частей пищи.
Пищеварение начинается в ротовой полости, куда выделяется секрет слюнными железами. Слюна представляет собой гипотоническую жидкость, которая отличается повышенным содержанием калия, кальция и бикарбоната. В ней в небольшом количестве содержатся различные ферменты(до 30-ти), однако, преимущественно содержатся амилолитические ферменты. В слюне содержится большое количество амилазы, мальтазы, которое составляет около 10% всего белка слюны. Наличие большого количества амилолитических ферментов в слюне обусловливает пищеварение в полости рта углеводов. Поскольку пища находится в ротовой полости непродолжительное время, то амилаза действует также в желудке, где она сохраняет активность до момента денатурирования, обусловленного кислотами желудка.
Вжелудке важнейшим физиологическим процессом является пищеварение белков. Оно осуществляется в первую очередь за счет действия пепсина, а также гастриксина и химозина, имеющего большое значение в желудочном соке ребенка и молодых животных.
Желудочный сок, кроме того, содержит липазу, имеющую ограниченное значение для пищеварения жиров (катализирует гидролиз жиров молока).
Всостав желудочного сока входят также такие важные для пищеварения составные части как соляная кислота, слизистые вещества и др.
Основные пищеварительные процессы протекают в тонком кишечнике. В двенадцатиперстной кишке пища смешивается с секретом поджелудочной железы, желчью и кишечным соком. Благодаря наличию в секретах поджелудочной железы и кишечных желез пептид-гидролаз(трипсина, химотрипсина, пептидаз), активной липазы, амилазы, декстриназы и др. ферментов, в тонком кишечнике завершается ферментный гидролиз белков до аминокислот, углеводов (полисахаридов) до моносахаридов, жиров до жирных кислот и глице-
5. Введение в обмен веществ. Энергетика обмена веществ 145
рина, происходит их всасывание слизистой оболочкой тонкого кишечника в кровь или лимфу и последующий перенос с кровью в ткани и клетки организма, где они включаются во внутриклеточный метаболизм.
Питание является важной составной частью обмена веществ, призванное обеспечить организм необходимыми ему веществами и источниками энергии. Для взрослого человека при средней по утомляемости работе требуется суточный рацион в 3000 ккал (или 12570 кДж). При этом важное значение придается сбалансированности питания. Существует понятие о сбалансированном -ра циональном питании. Согласно этому понятию соотношение по массе белков, жиров и углеводов в рационе должно быть1:1:4. 15% суточной калорийности должны составлять белки, причем, на белки животного происхождения должно приходиться не менее половины общего их количества; 30% суточной калорийности должно приходиться на жиры, причем 75-80% должны составлять животные жиры и 20-25% – растительные масла; 55% суточной калорийности должно приходиться на углеводы. В пищевой рацион обязательно должны включаться, как основные источники белков и липидов, мясо, рыба, молочные продукты, а как источники углеводов, витаминов, минеральных веществ в рацион должны входить овощи и фрукты.
За исключением процессов переваривания и всасывания в желудочнокишечном тракте, а также образования минеральных веществ в костной ткани и образования межклеточных веществ и жидкостей, все остальные процессы промежуточного обмена совершаются внутри клеток и понятие внутриклеточного обмена почти совпадает с понятием промежуточного обмена.
Промежуточный обмен включает в себя сотни различных взаимосвязанных ферментативных реакций, так как продукты одной ферментативной реакции служат субстратом другой реакции, которая является следующим этапом метаболизма. Существование такой преемственности связано с тем, что в ферментативных реакциях происходит отщепление определенных функциональных групп от субстрата и перенос их на акцепторные молекулы , которые в свою очередь становятся субстратом для последующей реакции. В качестве таких функциональных групп в большинстве реакций промежуточного обмена выступают аминные, ацетильные, фосфатные, метильные, формильные, карбоксильные группы или же атомы водорода.
Ферментативные реакции, лежащие в основе обмена веществ и энергии, представляют собой кооперативный, четко организованный в пространстве и времени единый многоступенчатый процесс.
При этом последовательности реакций метаболического процесса сходны
увсех живых форм, особенно в части центральных метаболических путей.
Внастоящее время периодически составляют так называемые метаболические карты, схематично изображающие все известные в организме фермен-
146 5. Введение в обмен веществ. Энергетика обмена веществ
тативные реакции в их взаимосвязи(к примеру – «Метаболические пути» Д. Никольсона или А.Г. Малыгина под ред. Л.М. Гинодмана).
Для промежуточного обмена характерна ступенеобразность ферментативных процессов.
В процессе промежуточного обмена при катаболизме высокомолекулярных веществ прослеживается три основные ступени или стадии. На первой стадии (стадия гидролиза) белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы расщепляются путем гидролиза на сравнительно низкомолекулярные составные части, служащие их «строительными блоками»: белки – на аминокислоты, липиды – на жирные кислоты, глицерин и др. компоненты, полисахариды – на моносахариды. Это происходит, главным образом, в желудочно-кишечном тракте, но может происходить(в случае катаболизма высокомолекулярных компонентов самого организма) и внутриклеточно.
На второй стадии продукты, образовавшиеся на первой стадии, путем, главным образом, анаэробного окисления (стадия анаэробного окисления) превращаются в более простые молекулы, число которых невелико. Так, жирные кислоты, глицерин. моносахариды расщепляются до ацетил-КоА, а ами-
нокислоты – | до ацетил-КоА, α-кетоглутаровой кислоты, янтарной кислоты, | ||
фумаровой | кислоты, щавелево-янтарной | кислоты, | т.е. образуют субстраты |
третьей стадии катаболизма. |
|
| |
Следует | иметь в виду, что если | жирные | кислоты с четным числом |
С-атомов путем β-окисления непосредственно превращаются в ацетил-КоА, то моносахара, распадающиеся на второй стадии катаболизма путем гликолиза или пентозофосфатного цикла, глицерин, некоторые аминокислоты, жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов непосредственно не дают указанных субстратов лимоннокислого цикла. Моносахара, некоторые аминокислоты и глицерин расщепляется вначале до пировиноградной кислоты, которая затем путем окислительного декарбоксилирования превращается в ацетилКоА. Другие аминокислоты и жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов дают пропионил-КоА, который затем превращается в сукцинил-КоА.
Продукты, образовавшиеся на второй стадии, вступают в третью стадию, стадию аэробного окисления, которая для всех них является общей и в которой они аэробно окисляются до двуокиси углерода и воды. Этой общей третьей стадией является так называемый лимоннокислый цикл, сопряженный с дыхательной цепью ферментов.
Процесс анаболизма, происходящий в клетках одновременно с катаболизмом, также включает три стадии. Исходные вещества для синтетических процессов поставляет третья стадия катаболизма. Таким образом, лимоннокислый цикл, сопряженный о тканевым дыханием, одновременно является третьей стадией катаболизма и первой, исходной стадией анаболизма. Этот цикл поставляет α-кетокислоты (для синтеза аминокислот), ацетил-КоА и дву-
5. Введение в обмен веществ. Энергетика обмена веществ 147
окись углерода (для синтеза жирных кислот и сахаров). На второй стадии анаболизма из этих исходных продуктов образуются аминокислоты, моносахара, жирные кислоты и др. «строительные блоки», из которых на третьей стадии анаболизма синтезируются белки, липиды, углеводы и др.
Хотя анаболизм и катаболизм проходят в клетках одновременно и -фер ментам свойственна обратимость катализируемых реакций, полного совпадения катаболических и анаболических путей между данным предшественником
исоответствующим ему продуктом не происходит в силу:
1)значительного различия ферментативных этапов этих путей;
2)различной локализации в клетке ферментативных систем катаболизма и анаболизма;
3)наконец, различия в механизмах их регуляции.
Катаболические и анаболические пути метаболизма связывает, как уже указывалось выше, общая стадия, представленная лимоннокислым циклом, сопряженным с тканевым дыханием, которая обозначается как центральные или амфиболические пути метаболизма. Амфиболические пути, с одной стороны, используются для катаболизма с целью завершения разрушения молекул, образовавшихся на второй стадии катаболизма, и одновременно эти пути поставляют молекулы – предшественники для второй стадии анаболизма.
Одновременно с превращением веществ в ферментативных реакциях промежуточного обмена происходит выделение и потребление энергии, т.е. имеет место обмен энергии.
Освобождение химической энергии при катаболизме происходит в разной степени на трех его стадиях.
При гидролитическом распаде высокомолекулярных веществ освобождается незначительное количество энергии(менее 1% энергии окисления этих веществ). Значительное количество энергии освобождается в реакциях гликолиза, окисления молочной кислоты, глицерина, жирных кислот, аминокислот, т.е. на стадии расщепления «строительных блоков» белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов. В конечном счете, в этих реакциях образуются субстраты лимоннокислого цикла, из которых три имеют основное энергетическое значение: ацетилкоэнзим А, α-кетоглутаровая кислота и щавелевоуксусная кислота. Эти вещества подвергаются дальнейшему окислению в цикле лимонной кислоты, функционирующей сопряжено с деятельностью аэробного звена дыхательной цепи. В результате на этом этапе высвобождаются 2/3 всей энергии расщепления веществ.
Высвободившаяся энергия частично превращается в тепло, а около 40% ее аккумулируется путем синтеза макроэргических веществ – главным образом, в форме энергии фосфатных связей аденозинтрифосфата(АТФ), а также гуано-
148 5. Введение в обмен веществ. Энергетика обмена веществ
зинтрифосфата (ГТФ), уридинтрифосфата (УТФ), цитидинтрифосфата (ЦТФ) и др.
АТФ синтезируется ферментативным путем из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата (Ф). Ферментативные реакции, в которых совершается перенос фосфатных групп на АДФ с образованием АТФ сопряжены с определенными этапами высвобождения энергии в окислительных реакциях в процессе катаболизма (т.н. окислительное фосфорилирование).
Молекулы АТФ могут далее перемещаться в те участки клетки, которым необходима энергия. Иначе говоря, в живых системах энергия, необходимая для осуществления химической реакции, будучи высвобождена в одной точке, может быть передана в виде макроэргического соединения в другую точку, где она непосредственно используется.
5
При переносе концевой фосфатной группы с АТФ на определенные акцепторные молекулы происходит высвобождение химической энергии АТФ, при этом АТФ превращается в АДФ, а акцепторная молекула, получившая энергию в форме энергии фосфатной связи, имеет возможность совершать работу.
АТФ, используемый в биосинтетических реакциях, может отдавать не только ортофосфорную, но и пирофосфорную группу, в результате чего образуется аденозинмонофосфорная кислота(АМФ) и высвобождается большое количество энергии.
Таким путем энергия, высвободившаяся в процессе катаболизма в окислительных реакциях и аккумулированная в макроэргических связях, может быть использована в различных синтетических реакциях в процессе анаболизма.
Помимо передачи энергии в форме энергии фосфатных связей, существует передача энергии в форме переноса электронов, богатых энергией. Электроны, отнимаемые при катаболизме в реакциях окисления, передаются восстанавливаемым группам в реакциях анаболизма с помощью коферментов, играющих роль переносчиков электронов. Наиболее важным переносчиком богатых энергией электронов в этих реакциях являются никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), участвующий, к примеру, в переносе энергии, высвобождающейся при окислении углеводов в апотомическом цикле, для реакций синтеза жирных кислот.
|
|
|
|
| OH |
|
| O |
| P | O |
|
|
| |||
5 Переносится не фосфатная группа – | OH , а фосфорильная, | ||||
жение «перенос фосфатных групп» общепринято.
OH
P O
OH , хотя выра-
1. Понятие об обмене веществ. Значение обмена веществ. Виды и этапы обмена.
Обменом веществ называют совокупность физико-химических превращений, происходящих в организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с внешней средой.
Суть обмена веществ сводится к поступлению веществ из окружающей среды, их переработке (например, в пищеварительной системе), усвоению и использованию клетками организма и выделению в окружающую среду продуктов обмена, образовавшихся в клетках. Прекращение обмена веществ означает биологическую смерть организма. Способность к обмену – одно из важнейших свойств живого организма.
Вещества, поступающие в организм из окружающей среды, расходуются на покрытие пластических и энергетических нужд организма, т.е. организм использует эти вещества для построения собственных клеток и тканей, а энергию химических связей – для синтеза АТФ и др. макроэргических соединений. В свою очередь энергия гидролиза АТФ может превращаться в механическую, электрическую, тепловую и др. виды энергии, необходимые для поддержания разных видов жизнедеятельности организма: мышечного сокращения, передачи нервного импульса, синтеза веществ в соответствии с генетической программой, поддержания гомеостаза и т.д.
В ходе обмена постоянно идут процессы ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция – процесс использования организмом внешних по отношению к нему веществ и синтез своих собственных на основе продуктов расщепления. Процесс ассимиляции связан с затратами энергии. Диссимиляция – процесс разрушения веществ в организме и образование продуктов обмена. Диссимиляция сопровождается выделением энергии. Процессы ассимиляции и диссимиляции связаны между собой, но не всегда уравновешены. В растущем организме преобладает ассимиляция, в стареющем – диссимиляция, у взрослых людей эти процессы чаще уравновешены. Диссимиляция усиливается при интенсивном росте (дети вытягиваются и худеют) и новообразованиях (опухолевый рост сопровождается затратами энергии на деление клеток).
В литературе часто употребляются и такие термины как метаболизм – обмен веществ, анаболизм – процессы синтеза веществ в организме, сопровождающиеся поглощением энергии; и катаболизм – процессы распада веществ в организме, сопровождающиеся выделением энергии. Анаболизм и катаболизм – две взаимосвязанные стороны метаболизма.
Так как все обменные реакции имеют энергетическую подоплеку, интенсивность обменных процессов принято оценивать в энергетических единицах (ккал.). В связи с этим, различают следующие виды обмена:
Основной обмен – минимальное количество энергии, необходимое для поддержания жизнедеятельности в условиях физического и эмоционального покоя, утром, натощак, лежа, при условии нормальной температуры тела и окружающей среды. Основной обмен зависит от пола, возраста, роста, веса, состояния здоровья.
Рабочая прибавка – количество энергии, необходимое для разных видов деятельности. Зависит от вида деятельности.
Общий обмен – совокупность основного обмена и рабочей прибавки.
Обмен веществ протекает в 3 этапа:
Этап поступления веществ в организм. Вещества поступают в организм через дыхательную, пищеварительную системы и кожу. В пищеварительной системе происходит расщепление питательных веществ, в результате которого они становятся пригодными для усвоения: а) питательные вещества теряют свою видовую специфичность и при поступлении в кровь уже не воспринимаются организмом как генетически чужеродный материал; б) питательные вещества превращаются в молекулы, которые можно транспортировать через клеточные мембраны и использовать в реакциях внутриклеточного обмена веществ;
Этап промежуточного обмена веществ, который протекает в клетках организма и сводится к разнообразным реакциям анаболического и катаболического характера. В результате этого этапа образуются продукты обмена, которые подлежат выведению из организма;
Этап выделения продуктов обмена, в котором участвуют дыхательная, пищеварительная, мочевыделительная системы и кожа.
Связующим звеном между структурами, в которых проходят разные этапы обмена, является, в первую очередь, кровь. Она выполняет транспортные функции. Именно в кровь попадают кислород из дыхательной системы, продукты расщепления из пищеварительной системы, вещества с поверхности кожи; именно кровь несет эти вещества к клеткам; именно в кровь попадают продукты обмена из клеток; именно из крови продукты обмена попадают в кожные железы, почки, легкие, пищеварительные железы откуда с пищеварительными соками — в пищеварительный тракт и вместе с непереваренными остатками пищи – в окружающую среду.
ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ
ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ
Общая характеристика обмена веществ и энергии. Обмен веществ — это наиболее общее свойство, характерное для всех живых организмов. В цитоплазме клеток органов и тканей постоянно идет процесс синтеза сложных высоко молекулярных соединений и одновременно с этим — их распад с выделением энергии и образованием простых низкомолекулярных веществ — углекислого газа, воды, аммиака и др. Процесс синтеза органических веществ принято называть ассимиляцией или пластическим обменом. Основные химические соединения клетки (аминокислоты, нуклеотиды и др.) синтезируются в клетке из глюкозы и аммиака в результате нескольких сотен последовательных химических реакций. Каждый этап в этой цепи реакций осуществляется специфическим ферментом. В ходе ассимиляции обновляются органоиды клетки и накапливается запас энергии.
Процесс распада органических веществ называется диссимиляцией. Распад структурных элементов клетки сопровождается выделением заключенной в химических связях энергии, а конечные продукты распада, вредные для организма, выводятся за пределы клетки, а затем из организма. Подобного типа реакции идут с поглощением кислорода, поэтому расщепление органических веществ связано с окислением, а освобожденная при этом энергия идет на синтез АТФ, необходимой для ассимиляции. Все эти процессы происходят при участии большого количества ферментов, обеспечивающих определенную последовательность обменных реакций во времени, месте и скорости их протекания.
Реакции, происходящие при ассимиляции и диссимиляции, хотя и представляют собой прямо противоположные, взаимоисключающие процессы, в живых организмах тесно взаимосвязаны и неотделимы друг от друга, составляя две стороны единого процесса обмена веществ.
Сущность обмена веществ заключается в том, что организм потребляет из окружающей среды различные органические и неорганические соединения и химические элементы, использует их в своей жизнедеятельности и выделяет во внешнюю среду конечные продукты обмена в виде более простых органических и неорганических соединений.
Значение для организма белков. Белковые пищевые продукты — мясо, рыба, яйца, творог и другие, попав в пищеварительный тракт, подвергаются механической и химической обработке. В желудке белок расщепляется до пептидов, а в двенадцатиперстной кишке до аминокислот. В тонком кишечнике аминокислоты всасываются в кровь и разносятся ко всем органам и тканям. В клетке из аминокислот синтезируются специфические для данной ткани и для данного организма белки. Часть белков, входящих в состав клеток органов и тканей, а также аминокислоты, поступающие в организм, но не использованные в синтезе белка, подвергаются распаду с освобождением 17,6 кДж энергии на 1 г вещества с образованием воды, углекислого газа, мочевины, аммиака и др. Продукты диссимиляции белка выделяются из организма в составе мочи, пота и частично с выдыхаемым воздухом. В запас белки не откладываются. У взрослого человека их синтезируется столько, сколько необходимо для компенсации распавшихся белков. При избытке белковой пищи она преобразуется в жиры и гликоген. Потребность белков пищи в сутки составляет 100-118 г. В детском возрасте синтез белков в организме превышает их распад, что надо учитывать при составлении рационов питания.
Значение для организма жиров. Жиры входят в состав растительной и животной пищи. Часть синтезированного в организме жира откладывается в запас, другая часть поступает в клетку, где вместе с липидами служит пластическим материалом, из которого строятся мембраны клеток и органоидов. Жиры являются основным источником энергии. Расщепление 1 г. жиров сопровождается выделением 38,9 кДж энергии, при этом выделяется углекислый газ и вода. Жиры могут синтезироваться в организме человека из углеводов и белков. Суточная потребность в них для взрослого человека 100 г.
Значение для организма углеводов. Углеводы, которые входят в состав продуктов растительного происхождения, в организме человека расщепляются до глюкозы. Глюкоза поступает в кровь и разносится по всему организму. Содержание ее в крови относительно постоянно и не превышает 0,08-0,12%. Если глюкоза поступает в кровь в большом количестве, то избыток ее превращается в печени в гликоген, который накапливается, а затем при необходимости снова распадается до глюкозы. При расщеплении 1 г. углеводов освобождается 17,6 кДж энергии. Потребление энергии увеличивается в организме с возрастанием нагрузки при физической работе. Часть энергии используется для механической работы и служит источником тепла, другая часть идет на синтез молекул АТФ. При избытке углеводов в организме они превращаются в жиры. Суточная потребность углеводов составляет 450-500 г.
Обмен белков, жиров и углеводов в организме взаимосвязан. Отклонение от нормы обмена одного из этих веществ влечет за собой нарушение обмена других веществ. Например, при расстройстве обмена углеводов продукты их неполного распада нарушают обмен белков и жиров, расщепление которых идет тоже не до конца, с образованием ядовитых веществ, отравляющих организм.
Значение для организма воды и минеральных солей. Наряду с обменом органических веществ в организме человека происходят водный и солевой обмен. Эти вещества не являются источником энергии и питательными веществами, но их значение для организма велико. Вода входит в состав клеток, межклеточной и тканевой жидкости, плазмы и лимфы. Общее ее количество в организме человека составляет 70%. В клетках вода химически связана с белками, углеводами и другими соединениями. Всасывание питательных веществ в кишечнике, их поглощение клетками из тканевой жидкости и выведение из клеток конечных продуктов обмена может осуществляться только в растворенном состоянии и при участии воды. Вода является непосредственным участником всех биохимических реакций организма. Суточная потребность в воде взрослого человека 2-3 литра. Поступает вода в организм при питье и в составе пищи. В тонком и толстом кишечнике вода всасывается в кровь, затем она поступает в ткани. Из клеток тканей вместе с продуктами распада проникает в кровь и лимфу. Из организма вода выводится в основном через почки, кожу, легкие и с калом. Обмен воды тесно связан с обменом солей.
В организм человека минеральные вещества поступают с пищей, откладываются в виде солей и входят в состав различных органических соединений. Так, железо включено в молекулу гемоглобина и участвует в транспортировке кислорода и углекислого газа. Йод входит в состав гормона щитовидной железы. Сера и цинк содержатся в гормонах поджелудочной железы. Для нормального кроветворения необходимы железо, кобальт, медь. Соли кальция и фосфора входят в состав костей. Калий и натрий создают определенную концентрацию ионов в клеточной мембране и по обе стороны от нее. Общее количество минеральных веществ в теле человека составляет около 4,5%.
Человек нуждается в постоянном поступлении натрия и хлора. Натрий создает определенную концентрацию ионов в плазме, тканевой жидкости. Хлор, являясь составной частью соляной кислоты, входит в состав желудочного сока. Все эти элементы поступают в организм с пищей, водой и поваренной солью. Железа много в яблоках, йода — в морской капусте, кальция — в молоке, сыре, брынзе, в яйцах и т.д.
ВИТАМИНЫ
Это самостоятельная группа веществ, которые необходимы для жизнедеятельности организма. Они оказывают действие на рост, обмен веществ и физическое состояние в целом, причем в довольно небольших количествах. Химическая природа их разнообразна. Поступают витамины в организм с пищей, в тканях человека они усваиваются и входят в состав ферментов, которые участвуют в обмене веществ. Если витамины не поступают с пищей, то нарушается состояние физического здоровья. Это доказал в прошлом столетии русский врач Н.И. Лунин, который открыл витамины (вита – значит жизнь). Дальнейшее изучение позволило установить, что они участвуют в синтезе и расщеплении аминокислот, жиров, азотистых оснований нуклеиновых кислот, гормонов, а также ацетилхолина, который обеспечивает передачу импульсов в нервной системе. Витамины образуются в растительных организмах, но имеются они и в продуктах животного происхождения. Обозначаются они заглавными буквами латинского алфавита. В настоящее время известно более двадцати витаминов. Они подразделяются на две группы — жирорастворимые (А, Д, Е, К и др.) и водорастворимые (В, С, Р, РР и др.). Заболевания, развивающиеся при недостатке витаминов в организме, называются авитаминозами или гиповитаминозами. Здоровому взрослому человеку требуется в сутки всего несколько миллиграммов различных витаминов.
Витамин С (аскорбиновая кислота) в организме человека не синтезируется. Его недостаток или отсутствие в пище сопровождается цингой. Это проявляется в первую очередь кровоточивостью десен. Затем развиваются такие признаки, как слабость, одышка, кровотечения и мелкие кровоизлияния вследствие поражения стенок кровеносных сосудов. Нарушается обмен белков, уменьшается сопротивляемость к различным заболеваниям. Потребность человека в витамине С 63-105 мг в сутки. Его много содержится в хрене, перце, рябине, смородине, землянике, капусте, щавеле, плодах шиповника, плодах цитрусовых и т.д. При нагревании пищи этот витамин разрушается. У людей, живущих в зонах умеренного, резко континентального и арктического климата, наблюдается гиповитаминоз в весеннее время года в связи с уменьшением питания растительной пищей. Поэтому зимой и весной целесообразно употреблять дополнительно аскорбиновую кислоту.
Витамины группы В (В1, В2, В6, В12 и др.) регулируют многие ферментативные реакции обмена веществ, особенно обмена белков, аминокислот, нуклеиновых кислот. Недостаток или отсутствие витамина В1 приводит к заболеванию бери-бери. Оно сопровождается расстройством нервной системы, деятельности сердца, пищеварительного аппарата. Этот витамин поступает в организм с мукой грубого помола, горохом, неочищенным рисом. Он содержится в дрожжах (пивные дрожжи), а также в продуктах животного происхождения — печени, почках, мозге, мышце сердца. В день человеку нужно 2-3 мг этого витамина.
Недостаток или отсутствие витамина В12 сопровождается развитием тяжелой формы малокровия. Содержится витамин в печени и в стенках кишок животных, а также синтезируется бактериями кишок человека. При нарушении секреторной функции желудка усвоение витаминов не происходит.
При отсутствии в пище витаминов группы А страдает зрение вследствие так называемой куриной или ночной слепоты. При этом нарушается образование зрительных пигментов сетчатки глаз и человек плохо видит с наступлением сумерек. Кроме того, происходят изменения в коже и слизистых оболочках, усиливается слущивание эпителия, происходит воспаление и размягчение слизистой и роговицы глаз, нарушение эпителия мочеполовых органов и пищеварительного канала.
Витамин А называют еще витамином роста, он участвует в окислительно-восстановительных реакциях обмена. Источниками витамина являются животные продукты — печень, сливочное масло, рыбий жир. Растительные продукты содержат вещества, из которых в организме человека синтезируется витамин А. Таковыми являются каротины моркови, шпината, зеленого лука, салата, красного сладкого перца и др. Потребность в витамине А 1-2 мг в сутки.
Витамины группы Д (Д2, Д3 и др.) играют важную роль в обмене кальция и фосфора. Их называют противорахитическими, так как при недостатке или отсутствии их развивается рахит. Это заболевание проявляется в раннем детстве и сопровождается нарушением образования костной ткани. Кости становятся мягкими и искривляются, на ребрах образуются утолщения — четки. Запаздывает и нарушается образование зубов. Наиболее богаты витамином Д печень рыб, сливочное масло, желток яиц, икра, рыбий жир. Взрослому человеку достаточно этого витамина при обычном питании, детям раннего возраста 5-125 мкг. Для профилактики авитаминоза Д необходимо также наличие солей кальция, фосфора и воздействие ультрафиолетовых лучей солнца или кварцевых источников света, при этом провитамин Д, находящийся в коже человека, переходит в витамин Д.
Кроме гиповитаминозов в настоящее время наблюдаются и гипервитаминозы при избыточном употреблении витаминов синтетического происхождения, полученных на витаминных комбинатах и свободно предлагающихся в аптеках. Гипервитаминозы отрицательно сказываются на здоровье взрослых людей, так как нарушаются процессы обмена веществ и особенно опасны при беременности, когда вследствие гипервитаминоза может родиться уродливый ребенок. Поэтому синтетические витамины нужно применять по рекомендации врача.
Способы сохранения витаминов в пищевых продуктах. Для сохранения витаминов в пище следует соблюдать правила заготовки и хранения продуктов. К примеру, в поврежденных овощах и фруктах аскорбиновая кислота быстро разрушается вследствие действия ферментов, расщепляющих их молекулы. При приготовлении пищи нужно исключать переваривание и пережаривание. Полезность свежих овощей и фруктов всегда была известна человеку. Человек еще в древние времена учился заготавливать продукты в прок — солить и квасить, вялить и коптить, сушить, мочить и замораживать. Слово «консервирование» происходит от латинского слова «консерваре», что означает «сохранять». Способов сохранения витаминов в пище много. Например, маринование, где применяется в качестве консерванта уксусная кислота. В основу соления, мочения и квашения заложен процесс молочнокислого брожения овощей и плодов от воздействия соли и сахара. Сушка — это самый древний и очень распространенный способ консервирования (плоды, ягоды, овощи, грибы). Замораживание лучший, наиболее совершенный способ консервирования, так как сохраняется почти вся пищевая ценность продуктов и их вкусовые качества. Способ этот известен давно, но в домашних условиях он получил распространение только сейчас, когда появились холодильники с большими морозильными камерами.
Рациональное питание. Для обеспечения здоровья людей в настоящее время необходима организация питания, которое предотвращает повышенное отложение жиров при недостаточной физической нагрузке. Основным принципом этого питания является использование разнообразной пищи, сбалансированной по ее количеству и качеству индивидуально для каждого человека. Питание должно предотвращать развитие атеросклероза, недостаточность кровоснабжения сердца, инфаркт миокарда, гипертоническую болезнь, заболевания пищеварительной и выделительной систем. В соответствии с задачами рационального питания разработаны нормы питания. Под нормой питания следует понимать общее количество пищи, ее компонентов, соответствующее биологической природе человека, обуславливающее благоприятное состояние здоровья людей, разных возрастов, пола, образа жизни и труда. Нормы питания одного и того же человека на протяжении его жизни изменяются в соответствии с его возрастом, характером труда, состоянием здоровья и пр. Для взрослого человека, занимающегося преимущественно умственным трудом, рекомендовано 167,4 кДж энергии на 1 кг массы тела, а для человека, занимающегося тяжелым физическим трудом 221,7 кДж/кг. Групп профессий много и для каждой, при необходимости, устанавливают особую норму питания. В соответствии с энергозатратами проводят расчет необходимого количества пищи исходя из энергетической ценности получаемых продуктов. В суточном рационе взрослых людей белки, жиры и углеводы используются в соотношении 1:1:4. В среднем в сутки взрослый человек должен потреблять 80-100 г белков, столько же жиров и 350-400 г углеводов. Расчеты производят исходя из того, что 1 г белков и 1 г углеводов выделяют по 16,7 кДж при сгорании, а 1 г жиров — 37,7 кДж.
Для юношей рекомендуется 113 г белков, 106 г жиров и 451 г углеводов, а для девушек, соответственно, 96, 90, 383 г в сутки. Для спортсменов во время тренировок и соревнований эти нормы выше, но все равно для девушек ниже, чем для юношей. Важным признаком рационального питания является биологическая полноценность питания, которая зависит еще и от необходимого количества минеральных солей и витаминов, а белки и жиры должны быть как животного, так и растительного происхождения.
Режим питания школьника. Регулярный и правильный режим питания важен для всех людей, но особенно в детском возрасте. Пища приносит наибольшую пользу человеку при приеме в определенно установленные часы. Наиболее эффективно четырехразовое питание. В 7 ч 30 мин. — 8 ч утра — завтрак, на который должно приходиться 25% суточного рациона. В 11-12 часов второй завтрак (10%). В 3-4 часа — обед с наибольшим (45%) процентом суточного рациона. И в 8-9 часов — ужин (20% рациона). При невозможности соблюдать четырехразовое питание надо при трехразовом съедать за завтраком 30% суточного рациона, в обед до 50%, а в ужин около 20%. Нужно помнить, что при нерегулярном питании (один – два раза в день), спешке во время еды и частом употреблении трудно перевариваемых блюд развивается воспаление слизистой оболочки желудка (гастрит).
46. Понятие об обмене веществ (метаболизме). Понятие об энергетическом и пластическом обмене.
Обмен веществ (метаболизм) определяется как характерный признак жизни. В результате обмена веществ непрерывно образуются, обновляются и разрушаются клеточные структуры, синтезируются и разрушаются различные химические соединения. В организме динамически уравновешены процессы анаболизма (ассимиляции) – биосинтеза органических веществ, компонентов клеток и тканей, и катаболизма (диссимиляции) – расщепления сложных молекул компонентов клеток.
Преобладание анаболических процессов обеспечивает рост, накопление массы тела, преобладание же катаболических процессов ведет к частичному разрушению тканевых структур, уменьшению массы тела. При этом происходит превращение энергии, переход потенциальной энергии химических соединений, освобождаемой при их расщеплении, в кинетическую, в основном тепловую и механическую, частично в электрическую энергию.
Для возмещения энергозатрат организма, сохранения массы тела и удовлетворения потребностей роста необходимо поступление из внешней среды белков, липидов, углеводов, витаминов, минеральных солей и воды. Их количество, свойства и соотношение должны соответствовать состоянию организма и условиям его существования. Это достигается путем питания. Необходимо также, чтобы организм очищался от конечных продуктов распада, которые образуются при расщеплении различных веществ. Это достигается работой органов выделения.
Все реакции синтеза идут с поглощением энергии. В многообразии реакций обмена, происходящих в клетке, различают пластический и энергетический обмен.
Пластический обмен (анаболизм, или конструктивный обмен) — совокупность всех процессов синтеза сложных органических веществ. Эти вещества идут на построение органалия клетки, на создание новых клеток при делении. Пластический обмен всегда сопровождается поглощением энергии.
Энергетический обмен (катаболизм) — совокупность реакций расщепления (переход веществ, энергетически более богатых, в вещества, бедные энергией). Энергия освобождается в реакциях разложения, когда сложные вещества распадаются на более простые, высокомолекулярные — на низкомолекулярные.
Освободившаяся энергия используется затем в ходе пластического обмена. Для реакций обмена характерна высокая организованность и упорядоченность. Каждая из них осуществляется с помощью специального фермента в определенном органе клетки. Ферменты в большинстве случаев располагаются мономолекулярными слоями на мембранах, выстилая их в том порядке, в котором они работают. Пространственная упорядоченность ферментов обеспечивает необходимую последовательность реакций.
47. Энергетический обмен. Подготовительный этап. Гликолиз. Брожение.
Энергетический обмен – это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ. Процессы расщепления органических соединений у аэробных организмов происходят в три этапа, каждый из которых сопровождается несколькими ферментативными реакциями.
Первый этап – подготовительный. В желудочно-кишечном тракте многоклеточных организмов он осуществляется пищеварительными ферментами. У одноклеточных – ферментами лизосом. На первом этапе происходит расщепление белков до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, полисахаридов до моносахаридов, нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Этот процесс называется пищеварением.
Второй этап – бескислородный (гликолиз). Его биологический смысл заключается в начале постепенного расщепления и окисления глюкозы с накоплением энергии в виде 2 молекул АТФ. Гликолиз происходит в цитоплазме клеток. Он состоит из нескольких последовательных реакций превращения молекулы глюкозы в две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) и две молекулы АТФ, в виде которой запасается часть энергии, выделившейся при гликолизе: С6Н12O6 + 2АДФ + 2Ф → 2С3Н4O3 + 2АТФ. Остальная энергия рассеивается в виде тепла.
В клетках дрожжей и растений (при недостатке кислорода) пируват распадается на этиловый спирт и углекислый газ. Этот процесс называется спиртовым брожением.
Энергии, накопленной при гликолизе, слишком мало для организмов, использующих кислород для своего дыхания. Вот почему в мышцах животных, в том числе и у человека, при больших нагрузках и нехватке кислорода образуется молочная кислота (С3Н6O3), которая накапливается в виде лактата. Появляется боль в мышцах. У нетренированных людей это происходит быстрее, чем у людей тренированных.
Выписка из рабочей программы
ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ
Мотивационная характеристика темы.
В результате обмена веществ непрерывно образуются, обновляются и разрушаются клеточные структуры, синтезируются и разрушаются различные химические соединения. Для возмещения энергозатрат организма, сохранения массы тела и удовлетворения потребностей роста необходимо поступление из внешней среды белков, углеводов, липидов, витаминов, минеральных солей и воды. Их количество, свойства и соотношение должны соответствовать состоянию организма и условиям его существования, что обеспечивается питанием. Необходимо также, очищение организма от конечных продуктов распада, которые образуются при расщеплении различных веществ. Это обеспечивают органы выделения.
Обмен веществ является одной из основных признаков жизни.
специальность «Лабораторная диагностика»
теория | практика | содержание темы |
2 часа | 2 часа 2 часа | Обмен веществ и энергии организма человека Обмен белков, жиров, углеводов, минеральных веществ. Витамины. Обмен энергии, терморегуляция. Знания
Умения
|
Лекция. Обмен веществ и энергии
Обменом веществ (метаболизмом) и энергии, называют совокупность химических и физических превращений, происходящих в живом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с внешней средой. Суть обмена веществ заключается в поступлении в организм из внешней среды различных веществ, усвоении и использовании их в процессе жизнедеятельности и выделении образующихся продуктов обмена во внешнюю среду. Обмен веществ и энергии – специфическое свойство живого организма.
Назначение обмена веществ и энергии заключается в обеспечении организма химическими веществами, необходимыми для построения всех его структурных элементов и восстановления распадающихся в организме веществ.
Второе важнейшее биологическое назначение обмена веществ – обеспечение всех жизненных функций организма энергией.
Различают две стороны обмена веществ: анаболизм и катаболизм. Анаболизм – совокупность реакции обмена веществ, ведущих к построению тканей организма, образованию в них сложных органических веществ. Анаболизм основан на ассимиляции – процессе использования организмом внешних по отношению к нему веществ и синтезу свойственных ему сложных органических соединений. Катаболизм – совокупность реакций обмена веществ, приводящих к распаду веществ в живом организме, в его основе лежит диссимиляция – процесс разрушения органических веществ.
Процессы ассимиляции и диссимиляции неразрывно связаны: диссимиляция способствует ассимиляторным процессам, а ассимиляция сопровождается усилением диссимиляции (в работающей мышце происходит распад гликогена до молочной кислоты и высвобождение энергии, в ходе распада образуются фосфорные эфиры глюкозы, т.е. благодаря диссимиляции идут процессы диссимиляции).
В течении жизни наблюдаются разные количественные соотношения ассимиляторных и диссимиляторных процессов: в растущем организме преобладает ассимиляция; у взрослого устанавливается относительное равновесия анаболизма и катаболизма; в старческий период ассимиляция отстает от диссимиляции. Усиление любой деятельности организма, особенно мышечной, усиливает диссимиляторные процессы.