Обмен веществ и превращение энергии в клетке. Обмен веществ и энергии В организме происходит обмен веществ и энергии

Обмен веществ , или метаболизм , — строго упорядоченная совокупность химических превращений, которые обеспечивают все проявления жизнедеятельности организма и его вещественное и энергетическое взаимодействие с окружающей средой.

В процессе метаболизма клетки и организм получают из окружающей среды определенные вещества и энергию, преобразуют (и при необходимости накапливают) их и выделяют в среду конечные продукты и энергию в других формах.

Значение обмена веществ: он позволяет
■ сохранять состав клеток организма постоянным,
■ обновлять, по мере необходимости, клеточные структуры,
■ поддерживать энергетический баланс клеток и организма.

Важнейшие особенности обмена веществ: высокая упорядоченность и строгая последовательность всех биохимических реакций в организме, участие в них всех клеточных структур и очень большого числа различных биологических катализаторов — ферментов.

❖ Виды обмена веществ в зависимости от направленности процессов: анаболизм и катаболизм.

Анаболизм (или ассимиляция, пластический обмен ) — совокупность реакций биохимического синтеза , при котором из поступивших в клетку более простых веществ образуются (с затратами энергии) сложные органические соединения, специфические для данной клетки и используемые для построения и обновления клеток и тканей или, в дальнейшем, для высвобождения энергии (примеры: фотосинтез, хемосинтез, биосинтез белка, липидов, углеводов и др.).

Катаболизм (или диссимиляция, энергетический обмен ) — совокупность ферментативных реакций расщепления сложных органических соединений (в том числе пищевых веществ) на более простые вещества, сопровождающееся высвобождением энергии и запасанием ее в молекулах АТФ {пример: гидролиз полимеров до мономеров и последующее их расщепление до воды, аммиака и углекислого газа).

Взаимосвязь анаболизма и катаболизма:
■ они являются противоположными сторонами единого процесса обмена веществ;
■ в реакциях анаболизма (пластического обмена) потребляется энергия, выделяемая в реакциях катаболизма (энергетического обмена);
■ для осуществления реакций катаболизма необходим постоянный биосинтез ферментов и структур органоидов, которые в процессе жизнедеятельности постепенно разрушаются.

Фотосинтез

Фотосинтез — это процесс синтеза органических веществ из молекул углекислого газа и воды, происходящий с использованием энергии света (обычно солнечной энергии) в зеленых растениях, некоторых бактериях и протистах и сопровождающийся выделением кислорода.

■ Осуществляется с помощью хлорофиллов и каротиноидов, локализованных на мембранах тилакоидов хлоропластов.
■ Коэффициент полезного действия фотосинтеза ~60%.
■ Уравнение фотосинтеза:

6СO 2 + 6Н 2 O + свет → С 6 Н 12 O 6 + 6O 2 .

Стадии фотосинтеза: световая (осуществляется в тилакоидах гран) и темновая (осуществляется в строме хлоропластов).

Процессы световой фазы
Видимый свет частично поглощается хлорофиллом, в результате чего некоторые его молекулы возбуждаются и теряют электроны е — , превращаясь в положительно заряженные ионы. Одновременно под действием света происходит фотолиз (фоторазложение) воды с образованием ионов ОН — и Н + : Н 2 O → ОН — + Н + . Ионы Н — накапливаются преимущественно на внутренней стороне мембраны, заряжая ее положительно. Некоторые гидроксильные группы ОН — теряют электроны, восстанавливаясь до радикалов ОН, которые объединяются, образуя воду и свободный кислород , выделяемый в атмосферу:

ОН — → ОН + е — , 4OН → 2Н 2 О +O 2 .

Часть электронов, потерянных возбужденным хлорофиллом и гидроксилом, пройдя по электронно-транспортной цепи мембраны, накапливается преимущественно на ее внешней стороне, заряжая ее отрицательно. Оставшиеся электроны рекомбинируют с частью образовавшихся положительно заряженных ионов хлорофилла.

В результате разделения заряженных частиц е — и Н + между внешней и внутренней сторонами мембраны образуется электрическое поле. Когда оно достигает некоторой критической величины, ионы Н + (протоны) устремляются по протонному каналу в ферменте АТФ-синтетаза, встроенному в мембрану тилакоида, к внешней поверхности мембраны. Достигнув ее, они соединяются с электронами, образуя атомарный водород: Н+ е — →Н. При этом выделяется энергия, которая идет на синтез молекул АТФ. Образовавшиеся молекулы АТФ переходят в строму хлоропласта. Нейтральные атомы водорода Н соединяются с молекулами кофермента, кратко называемого НАДФ (см. ниже), образуя комплексы НАДФ*Н + Н + , которые также переходят в строму.

Результаты процессов световой фазы: образование молекул АТФ, комплексов НАДФ*Н + Н + и свободного кислорода О 2 .

Процессы темновой фазы происходят в строме хлоропласта, куда поступает АТФ, НАДФ*Н + Н + (от тилакоидов гран) и СО 2 (через устьица из воздуха). В присутствии ферментов молекулы СО 2 присоединяются к молекулам присутствующего в строме сахара-пентозы рибупозодифосфата (С 5). При этом образуется нестойкое шестиуглеродное соединение (С 6), которое ферментативным путем распадается на две триозы (С 3) — трехуглеродные молекулы фосфоглицериновой кислоты и фосфоглицеринового альдегида (которые для краткости обозначим ФГ). Превращения молекул ФГ происходят при участии продуктов световой фазы (АТФ и комплексов НАДФ*Н + Н +). Каждая из молекул ФГ отнимает по одной фосфатной группе у молекулы АТФ, обогащаясь при этом энергией, а затем отщепляет атомы водорода от НАДФ*Н + Н + , окисляя его до НАДФ. Дальнейшие превращения молекул ФГ осуществляются по одному из трех вариантов. Одна часть этих молекул объединяется, образуя углеводы (глюкозу) и воду; полученные углеводы затем могут полимеризоваться, образуя крахмал, целлюлозу и т.п. Другая часть участвует в синтезе аминокислот, карбоновых кислот, спиртов и др. Третья часть молекул ФГ участвует в цепочке реакций, в результате которых триозы превращаются в пятиуглеродные молекулы исходного вещества — рибулозодифосфата, тем самым замыкая цикл химических превращений — C 3 -цикл, или цикл Кальвина .

■ Итоговое уравнение химической реакции темновой фазы:

6СО 2 + 24Н → С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О.

В дальнейшем могут образовываться полисахариды и другие органические соединения.

♦Схематически световая и темновая фазы процесса фотосинтеза изображены на рисунке.

❖ С 4 -фотосинтез . У некоторых растений жарких засушливых мест (кукурузы, сахарного тростника) фотосинтез осуществляется при низких концентрациях СО 2 . С помощью особого фермента молекула СО 2 присоединяется к трехуглеродной фос-фофенолпировиноградной кислоте, в результате чего образуется четырехуглеродная щавелевоуксусная кислота (ЩУК). Эта кислота затем переходит в другие клетки листа, где от нее СО 2 отщепляется и накапливается в количествах, необходимых для нормального протекания фотосинтеза с образованием глюкозы.

❖ Кислотный метаболизм толстянковых (САМ) — способ фиксации двуокиси углерода суккулентами, живущими в условиях пустынь (кактусы, молочаи и др.). Они запасают СО 2 в виде органических кислот ночью когда открыты устьица, а днем осуществляют фотосинтез, отщепляя СО 2 от этих кислот.

❖Бактериальный фотосинтез — примитивная, древнейшая форма фотосинтеза, осуществляемая фотосинтезирующими бактериями (зелеными серными, пурпурными серными и пурпурными несерными) с помощью бактериохлорофиллов без использования воды и без выделения кислорода; источник Н + и е — — H 2 S.

НАД и НАДФ — коферменты , участвующие в обмене веществ, служащие акцепторами атомов водорода и электронов в клетке и обеспечивающие перенос протонов и электронов в химических реакциях, причем сами они в этих реакциях не участвуют.

Коферменты — органические соединения небелковой природы, входящие в состав активного центра некоторых ферментов. Соединяясь с белковым компонентом сложных ферментов, ко-фермент образует каталитически активный комплекс. Коферменты легко отделяются от белковой молекулы и служат переносчиками электронов, отдельных атомов или групп атомов, отщепляемых ферментами от субстратов.

❖ Значение фотосинтеза: он основной источник первичного органического вещества, единственный источник свободного кислорода на Земле и регулятор содержания СО 2 в атмосфере; энергия, полученная от Солнца и запасенная в химических связях органических соединений, используется всеми гетеротрофными организмами.

Хемосинтез

Хемосинтез — процесс синтеза органических веществ, происходящий за счет энергии, выделяющейся при окислении ряда неорганических соединений (сероводорода, аммиака, водорода и др.).

■ Хемосинтез характерен для некоторых автотрофных аэробных и анаэробных бактерий-хемосинтетиков.

Роль бактерий-хемосинтетиков : азотфиксирующие бактерии повышают урожайность почвы, серобактерии способствуют постепенному разрушению и выветриванию горных пород, участвуют в очищении от соединений серы промышленных сточных вод, железобактерии вырабатывают Fe(OH) 3 , образующий болотную железную руду, водородные бактерии используются для получения пищевого и кормового белка.

Биосинтез белка. Генетический код

Биосинтез — процесс синтеза сложных органических веществ (полисахаридов, белков, нуклеотидов и т.д.) из более простых, происходящий в живых организмах при участии ферментов.

Биосинтез белка — это процесс образования белков из аминокислот, осуществляющийся во всех клетках и происходящий на рибосомах, расположенных в основном в цитоплазме.

Каждая клетка имеет специфический набор белков, характерных только для этой клетки. Информация о том, какие белки должны синтезироваться в клетках данного организма, записана в виде последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК.

Ген — участок молекулы ДНК, характеризующийся определенной последовательностью нуклеотидов, в котором закодирована информация о первичной структуре полипептидной цепи (последовательности аминокислот в конкретном белке) или нуклеотидов в РНК. В одной молекуле ДНК содержится от сотен до десятков тысяч генов.

Генетический код — это единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот ДНК и и-РНК и виде последовательности нуклеотидов.

❖ Свойства генетического кода:
■триплетность: каждая аминокислота кодируется определенным триплетом (или кодоном) — сочетанием трех последовательно расположенных нуклеотидов;
■ множественность (или избыточность): одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими различными триплетами (от 2 до 6);
■ однозначность: каждый триплет кодирует только одну аминокислоту;
■ неперекрываемость: один нуклеотид не может входить в состав соседних триплетов;
■ непрерывность: гены в цепи нуклеотидов имеют строго фиксированные стартовые (или инициирующие) кодоны и терминирующие кодоны, сигнализирующие об окончании синтеза полипептидной цепи; внутри последовательности нуклеотидов гена «знаки препинания» отсутствуют;
■ универсальность: одинаковые триплеты кодируют одну и ту же аминокислоту у всех живых организмов.

Матричный синтез — синтез молекул сложных органических веществ (белка, РНК, ДНК) из более простых на основе генетической информации, закодированной на матрице.

Матрица — это готовая структура (молекула ДНК или и-РНК), содержащая закодированную генетическую информацию, в соответствии с которой осуществляется синтез новой структуры.

Кодон — три рядом расположенных нуклеотида в молекулах ДНК или и-РНК, кодирующие одну аминокислоту.

Реакции матричного синтеза: редупликация молекулы ДНК, синтез и-РНК (транскрипция), сборка молекулы белка (трансляция):

❖ Этапы процесса биосинтеза белка:
транскрипция (1-й этап),
трансляция (2-й этап).

При этом параллельно должен проходить процесс рекогниции. Информация о последовательности аминокислот в молекуле белка содержится в гене молекулы ДНК, которая непосредственного участия в синтезе белковых молекул не принимает, а лишь передает нужную информацию молекуле-посреднику и-РНК.

❖ Транскрипция — процесс «считывания» генетической информации с молекулы ДНК и копирование ее на молекулу и-РНК.

Механизм транскрипции: фермент РНК-полимераза раскручивает двойную спираль молекулы ДНК на участке, соответствующем определенному гену, и обнажает одну из цепей спирали. Двигаясь вдоль этой цепи и встретив инициирующий кодон, РНК-полимераза начинает подбирать в кариоплазме нуклеотиды, комплементарные нуклеотидам гена ДНК, и соединяет их в цепочку и-РНК (молекулы информационной РНК). Процесс завершается после того как РНК-полимераза встретит в цепочке нуклеотидов ДНК терминирующий кодон. Таким образом, в результате транскрипции последовательность нуклеотидов, расположенных на участке от инициирующего до терминирующего кодона, «переписывается» в последовательность нуклеотидов и-РНК.

■ Каждый триплет нуклеотидов и-РНК является кодоном, по которому в процессе сборки молекулы белка будет подбираться соответствующая аминокислота.

Синтезированная в ядре и-РНК отделяется от ДНК и через поры ядерной оболочки поступает в цитоплазму, где присоединяется к одной или нескольким рибосомам.

❖Рекогниция — это процесс «узнавания » молекулой т-РНК (транспортной РНК) свойственной ей аминокислоты и образование комплекса т-РНК + активированная аминокислота.

Строение молекулы т-РНК.

Благодаря определенному расположению комплементарных нуклеотидов и образованию между некоторыми из них водородных связей молекула т-РНК напоминает по форме лист клевера. На ее верхушке расположен антикодон -триплет свободных нуклеотидов, ответственный за узнавание соответствующего (комплементарного ему) кодона молекулы и-РНК.

Основание молекулы т-РНК является акцептором , т.е. служит местом прикрепления именно той и только той аминокислоты , которой соответствует антикодон данной молекулы т-РНК.

Механизм рекогниции: для того чтобы молекула т-РНК могла присоединить к своему акцепторному концу аминокислоту, необходимо, чтобы аминокислота была активирована , т.е. имела определенную избыточную энергию. Активация аминокислот происходит в цитоплазме с помощью специального фермента (ами-ноацил-т-РНК-синтетазы), который расщепляет молекулы АТФ и передают выделившуюся при этом энергию молекулам аминокислот. Молекула т-РНК выбирает из цитоплазмы соответствующую ее антикодону активированную аминокислоту и переносит ее в рибосому. Одна молекула т-РНК может транспортировать только одну аминокислоту.

Трансляция — это второй этап синтеза белка, выполняемый рибосомами по принципу комплементарное™ кодона и-РНК и антикодона т-РНК. В процессе трансляции осуществляется расшифровка генетической информации, переносимой молекулами и-РНК, и «перевод» ее с нуклеотидного кода на аминокислотный.

Механизм трансляции. Для трансляции необходимо, чтобы цепь и-РНК оказалась в канале, образующемся между меньшей и большей субъединицами рибосомы. В процессе трансляции эта цепь движется по каналу, так что в нем в каждый момент времени находится всего два кодона молекулы и-РНК. Трансляция начинается с инициации, когда через канал рибосомы пройдет стартовая аминокислота {метионин). В большую субъединицу рибосомы непрерывно поступают комплексы т-РНК + аминокислота, которые сменяют друг друга, причем в любой момент времени там находятся два комплекса, расположенные рядом. Если антикодон т-РНК оказывается комплементарным кодону и-РНК, то комплекс т-РНК + аминокислота временно присоединяется к цепочке и-РНК. Ко второму кодону и-РНК присоединяется второй комплекс т-РНК + аминокислота . С помощью ферментов между аминокислотами этих комплексов устанавливается пептидная связь и одновременно разрушаются связи между первой аминокислотой и т-РНК и между первой т-РНК и цепочкой и-РНК . т-РНК уходит из рибосомы за следующей аминокислотой, а цепочка и-РНК сдвигается на один триплет, и процесс повторяется.

В результате каждого такого шага молекула будущего белка увеличивается на одну аминокислоту в строгом соответствии с порядком, указанным молекулой и-РНК. Синтез полипептидной белковой цепи завершается тогда, когда в рибосому попадут терминирующие кодоны и-РНК. После этого полипептидная белковая молекула отделяется от рибосомы и поступает в канальцы ЭПС , где приобретает свойственную ей пространственную структуру.

■ Одна молекула и-РНК позволяет считывать с себя информацию сразу нескольким рибосомам.

Полисома — это комплекс, состоящий из и-РНК и нескольких (от 5-6 до нескольких десятков) рибосом.

■ Полисомы позволяют одновременно осуществлять синтез нескольких полипептидных цепей

■Синтез белковых молекул происходит непрерывно; за 1 мин образуется 50-60 тыс пептидных связей. Одна молекула белка синтезируется за 3-4 с.

Катаболизм (энергетический обмен)

Катаболизм (или энергетический обмен, диссимиляция ) — это совокупность ферментативных реакций расщепления сложных органических соединений (в том числе пищевых веществ) на более простые вещества, сопровождающихся выделением энергии.

■ При этом часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть аккумулируется в макроэргических связях АТФ и используется для обеспечения процессов жизнедеятельности клетки. Основное вещество, используемое клетками для получения энергии, -глюкоза.

❖ Этапы (стадии) катаболизма:
■ подготовительный,
■ бескислородный,
■ кислородный (отсутствует у анаэробных организмов).

❖Подготовительный этап (или пищеварение ): биополимеры расщепляются до мономеров , белки — до аминокислот, жиры -до глицерина и жирных кислот, углеводы — до глюкозы, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. Протекает в цитоплазме клеток и пищеварительном тракте животных и человека. Сопровождается наибольшим выделением энергии в виде тепла. Бескислородный и (у аэробных организмов) кислородный этапы катаболизма составляют процесс клеточного дыхания.

Аэробное клеточное дыхание

Клеточное дыхание — совокупность процессов окисления органических веществ в клетках организмов, сопровождающихся выделением энергии, и накопление этой энергии в молекулах АТФ в форме, доступной клетке для ее последующего использования.

■ В зависимости от участия или неучастия кислорода в процессе дыхания различают аэробное и анаэробное дыхание .

■При любом способе дыхания в конечном итоге происходит перенос водорода, отщепляемого от окисляемых соединений, на неорганическое вещество (воду и др.).

Аэробное дыхание — дыхание, при котором потребляется свободный атмосферный кислород.

Аэробы — организмы, обитающие в среде свободного кислорода (большинство растений, животных, грибов и микроорганизмов).

❖ Бескислородный (или анаэробный ) этап: мономеры , образовавшиеся на первом этапе, претерпевают дальнейшее расщепление без участия кислорода . (Пример: гликолиз — ферментативное анаэробное расщепление глюкозы до пировиноградной кислоты.) Выделяющаяся при этом энергия частично запасается в микроэргических связях АТФ. Протекает в цитоплазме клеток при участии ферментов; с мембранами не связан. У анаэробных организмов этот этап — конечный.

■ В животных клетках в результате гликолиза из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты и две молекулы АТФ:

С 6 Н 12 О 6 + 2АДФ + 2Н 3 РО 4 - 2С 3 Н 4 О 3 + 2 АТФ + 2Н 2 О + Q 1 ;

при этом 60% энергии выделяется в форме теплоты, 40% идет на синтез двух молекул АТФ.

❖ Кислородный (или аэробный) этап: образовавшиеся на предыдущем этапе вещества окисляются (при доступе кислорода и при участии ферментов) до конечных продуктов -Н 2 О и СО 2 , с выделением большого количества энергии и аккумуляцией ее в молекулах АТФ . Осуществляется в митохондриях.

■ Этот этап включает цикл Кребса и процессы окислительного фосфорилирования.

❖ Цикл Кребса (или цикл лимонной кислоты )- процесс ферментативного окисления три- и дикарбоновых кислот (в частности, пировиноградной и молочной кислот) с образованием диоксида углерода и атомарного водорода.

■ Сначала пировиноградная (или молочная) кислота, соединяясь с коферментом А (Ко-A) и выделяя молекулу СО 2 , превращается в ацетил-КоА . Ацетил-КоА реагирует с щавелевоуксусной кислотой , образуя при этом лимонную кислоту , которая затем вступает в цикл ферментативных реакций. В результате она теряет атомы водорода и электроны и вновь образует щавелевоуксусную кислоту и СО 2 (цикл замыкается). В цикле Кребса также происходит восстановление некоторых ферментов, участвующих в обеспечении процесса дыхания. За счет энергии, высвобождающейся в некоторых реакциях цикла, по его ходу синтезируются две молекулы АТФ.

■ Итоговые уравнения расщепления (окисления) пировиноградной и молочной кислот:

С 3 Н 4 О 3 + ЗН 2 О -> ЗСО 2 + 10Н; С 3 Н 6 О 3 + ЗН20 -> 3СО 2 + 12Н.

Углекислый газ выделяется из митохондрии в окружающую среду, а атомы водорода оказываются связанными с молекулами, кратко называемыми НАД, в комплексы НАД*Н.

Окислительное фосфорилирование.

При сближении комплексов НАД*Н с внутренней мембраной митохондрии атомы водорода отщепляются от НАД и присоединяются к встроенным в эту мембрану молекулам особого транспортного железосодержащего белка — переносчика катионов, диссоциируя при этом на протоны Н + и электроны е — : Н → Н + + е — .

С помощью белка-переносчика катионы водорода Н + проникают через внутреннюю мембрану митохондрии в межмембранное пространство (механизм активного транспорта) и накапливаются там, образуя протонный резервуар.

Электроны, образовавшиеся при диссоциации атомов водорода, последовательно передаются от одного переносчика к другому к внутренней стороне мембраны (обращенной к матриксу) и с помощью фермента оксидазы присоединяются к кислороду, образуя анион кислорода:

О 2 + 2е — → О 2 2- .

■ В результате разделения положительно и отрицательно заряженных частиц между внешней и внутренней сторонами мембраны образуется электрическое поле. Когда оно достигает некоторой критической величины, в молекулах фермента АТФ-синтетазы, встроенного во внутреннюю мембрану, открываются протонные каналы, по которым протоны Н + устремляются в матрикс митохондрии. При этом выделяется энергия, большая часть которой (55%) идет на синтез молекул АТФ из АДФ и фосфорной кислоты.

■ Протоны Н + соединяются с анионами кислорода, образуя воду и молекулярный кислород О 2:

4Н + + 2О 2 2- → 2Н 2 О + О 2 .

В этой реакции два из каждых четырех атомов кислорода связываются в молекулах воды, поэтому в процессе дыхания в целом кислород расходуется.

♦ Итоговое уравнение кислородного этапа:

2С 3 Н 4 О 3 + 6О 2 + 36АДФ + З6Н 3 РО 4 →6СО 2 + 36АТФ + 42Н 2 О.

❖ Замечания

■ В результате расщепления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. на бескислородном этапе — 2АТФ и на кислородном этапе — 36АТФ. Эти молекулы выходят за пределы митохондрии и участвуют во всех внутриклеточных процессах, в которых необходима энергия. Расщепляясь, АТФ отдает энергию и в виде АДФ и фосфата возвращается в митохондрии.

■ Свободный кислород О 2 , поступающий в митохондрии в процессе дыхания организма, необходим для присоединения протонов водорода Н + . В его отсутствие концентрация Н + возросла бы до некоторого предельного значения, после чего аэробный процесс в митохондриях прекратился бы.

■ При недостатке в клетке глюкозы в процесс дыхания могут включаться жиры и белки.

Анаэробное дыхание. Брожение

Анаэробное дыхание не требует потребления кислорода. Анаэробы — организмы, способные обитать в бескислородной среде.

Примеры анаэробов: многие виды бактерий, микроскопические грибы; анаэробное дыхание возможно также у мышечных клеток и клеток растений при недостатке кислорода.

Облигатные анаэробы (бактерия ботулизма и др.) существуют только при полном отсутствии О 2 (кислород для них губителен).

Брожение — анаэробный окислительно-восстановительный процесс расщепления в лизосомах клетки органических соединений до молочной кислоты и воды, этилового спирта и углекислого газа (или некоторых других простых продуктов), посредством которого организмы получают энергию, необходимую для жизнедеятельности.

■ При брожении происходит перенос водорода, отщепляемого от окисляемых соединений, на органическое вещество (молочную кислоту, этиловый спирт и др.).

❖Виды брожения в зависимости от образующихся продуктов: молочнокислое (молочнокислые бактерии, мышечные клетки при недостатке О 2), маслянокислое, уксуснокислое, спиртовое (дрожжи) и др.

■Молочнокислое брожение: в результате гликолиза из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноград-ной кислоты (которая затем превращается в молочную) и две молекулы АТФ:

С 6 Н 12 О 6 + 2АДФ + 2Н 3 РО 4 →2С 3 Н 6 О 3 + 2АТФ + 2Н 2 О + Q 1 ,.

■ Спиртовое брожение: продуктами гликолиза являются этиловый спирт, АТФ, вода и углекислый газ:

С 6 Н 12 О 6 + 2АДФ + 2Н 3 РО 4 →2С 2 Н 5 ОН + 2АТФ + 2СО 2 + Q 2 .

Для различных процессов организма: образование веществ, мышечная работа, поддержание постоянной температуры тела необходима энергия. Основным источником энергии является энергия химических связей молекул органических соединений, получаемых с пищей углеводов, жиров, белков. При распаде органических веществ освобождается химическая энергия, которая преобразуется в другие виды энергии – электрическую (энергия нервного импульса при работе мозга, нервных клеток), тепловую (поддержание постоянной температуры тела), механическую (мышечные сокращения), химическую (биосинтез свойственных данному организму веществ). В нашем организме действует закон сохранения энергии: энергия не возникает и не исчезает, она только преобразуется, видоизменяется из одного вида в другой.

Затраченная организмом энергия восполняется питанием. Интенсивность энергетического обмена зависит от условий, в которых находится организм, пола, времени года, возраста, состояния здоровья и других факторов.

Обмен веществ – сложная цепь превращений веществ в организме, начиная с момента их поступления из внешней среды и кончая удалением продуктов распада. Клетки всех тканей организма образованы, главным образом, из органических веществ (углеводов, жиров, белков). Они являются также единственным источником энергии в организме. По сути дела, жизнь обусловлена свойствами именно этих веществ. В состав белков, помимо углерода, кислорода, серы и иногда и фосфора, обязательно входит азот, которого нет в углеводах и жирах. Все растительные и животные белки состоят из аминокислот, которых насчитывается около двадцати. Из различных комбинаций этих аминокислот образуются белковые молекулы разного строения. Белки, поступающие с пищей, под влиянием пищеварительных соков расщепляются на отдельные . Аминокислоты всасываются ворсинками тонкой кишки и с кровью доставляются клетками организма. Проникшие через мембрану клеток аминокислоты при участии нуклеиновых кислот используются для образования в рибосомах свойственных этим клеткам белков. Некоторые белки используются как ферменты. Белки организма человека по структуре отличаются от белков животных и растений.

В клетках белки используются для построения цитоплазмы и органоидов, поэтому потребность в белковой пище особенно велика у молодого растущего организма, когда клетки размножаются и увеличивается общая масса тканей.

Обмен белков

Белки расщепление до аминокислот синтез белков, свойственных организму расщепление до углекислого газа и воды удаление через почки, легкие и кожу

Обмен углеводов

Большая часть энергии , которая образуется в организме, превращается в тепловую энергию.

В том случае, когда в пище не хватает какого-либо органического соединения, может происходить превращение одних органических веществ в другие. Например, белки, они могут превращаться в жиры и углеводы. При обильном питании углеводами в организме могут образовываться жиры. Недостаток белков в пище является невосполнимым, так как они образуются только из аминокислот. Поэтому белковое голодание наиболее опасно для организма.

РЕФЕРАТ

по теме:

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. ПИТАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Обмен веществ и энергии – это совокупность физических, химических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в организме человека и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Непрерывно идущий между организмом и окружающей средой обмен веществ и энергией является одним из наиболее существенных признаков жизни.

Для поддержания процессов жизнедеятельности обмен веществ и энергии обеспечивает пластические и энергетические потребности организма. Это достигается за счет извлечения энергии из поступающих в организм питательных веществ и преобразования ее в формы макроэргических (АТФ и другие молекулы) и восстановленных (НАДФ-Н – никотин-амид-адениндинуклеотидфосфат) соединений. Их энергия используется для синтеза белков, нуклеиновых кислот, липидов, а также компонентов клеточных мембран и органелл клетки, для выполнения механической, химической, осмотической и электрической работ, транспорта ионов. В ходе обмена веществ в организм доставляются пластические вещества, необходимые для биосинтеза, построения и обновления биологических структур.

В обмене веществ (метаболизме) и энергии выделяют два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса: анаболизм, основу которого составляют процессы ассимиляции, и катаболизм, в основе которого лежат процессы диссимиляции.

Анаболизм – это совокупность процессов биосинтеза органических веществ, компонентов клетки и других структур органов и тканей. Анаболизм обеспечивает рост, развитие, обновление биологических структур, а также непрерывный ресинтез макроэргов и накопление энергетических субстратов.

Катаболизм – это совокупность процессов расщепления сложных молекул, компонентов клеток, органов и тканей до простых веществ, с использованием части из них в качестве предшественников биосинтеза, и до конечных продуктов распада с образованием макроэргических и восстановленных соединений. Движущей силой жизнедеятельности служит катаболизм.

Основным источником энергии восстановления для реакции биосинтеза жирных кислот, холестерина, аминокислот, стероидных гормонов, предшественников синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот является НАДФ-Н.

Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия или превалирования одного из них. Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание катаболических процессов ведет к частичному разрушению тканевых структур, выделению энергии. Состояние равновесного или неравновесного соотношения анаболизма и катаболизма зависит от возраста (преобладание анаболизма в детском возрасте, равновесие у взрослых, преобладание катаболизма в старческом возрасте), состояния здоровья, выполняемой организмом физической или психоэмоциональной нагрузки.

Роль обмена веществ в обеспечении пластических потребностей организма

Потребность организма в пластических веществах может быть удовлетворена тем минимальным уровнем их потребления с пищей, который будет уравновешивать потери структурных белков, липидов и углеводов при поддержании энергетического баланса. Эти потребности индивидуальны и зависят от таких факторов, как возраст человека, состояние здоровья, интенсивность и вид труда.

Человек получает из окружающей среды в составе пищевых продуктов заключенные в них энергию и пластические вещества, минеральные ионы и витамины.

Белки. Потребность в белке определяется минимальным количеством пищевого белка, который будет уравновешивать потери организмом азота, при сохранении энергетического баланса. Белки находятся в состоянии непрерывного обмена и обновления. В организме здорового взрослого человека количество распавшегося за сутки белка равно количеству вновь синтезированного. Животные существа могут усваивать азот только в составе аминокислот, поступающих в организм с белками пищи. Важным фактором обмена белков организма является повторное использование (реутилизация) аминокислот, образовавшихся при распаде одних белковых молекул, для синтеза других.

Из аминокислот, источниками которых являются белки пищи, и аминокислот, образующихся в организме, синтезируются свойственные ему белковые молекулы, пептидные гормоны, коэнзимы. В этом заключается пластическая роль белков пищи.

Скорость распада и обновления белков организма различна. Полупериод распада гормонов пептидной природы составляет минуты или часы, белков плазмы крови и печени около 10 суток, белков мышц около 180 суток. В среднем белки организма человека обновляются за 80 суток.

Липиды. Липиды организма человека – это, главным образом, нейтральные сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот – триглицериды, фосфолипиды и стерины. Высшие жирные кислоты, входящие в состав сложных липидных молекул в виде углеводородных радикалов, бывают насыщенными и ненасыщенными, содержащими одну и более двойных связей. Липиды играют в организме энергетическую и пластическую роль. По сравнению с молекулами углеводов и белков молекула липидов является более восстановленной. Поэтому при окислении липидов в организме образуется больше молекул АТФ и тепла. За счет окисления жиров обеспечивается около 50% потребности в энергии взрослого организма. В отличие от белков, которые не образуют специальных запасных форм, служащих источником энергии, запасы нейтральных жиров - триглицеридов в жировых депо человека в среднем составляют 10-20% массы его тела. Из них около половины локализуется в подкожной жировой клетчатке. Кроме того, значительные запасы нейтрального жира откладываются в большом сальнике, околопочечной клетчатке, в области гениталий и между мышцами. Жиры, откладываясь в жировых депо, служат долгосрочным резервом питания организма.

Жиры являются источником образования эндогенной воды. При окислении 100 г нейтрального жира в организме образуется около 107 г воды.

Углеводы. Организм человека получает углеводы, главным образом в виде растительного полисахарида крахмала и в небольшом количестве в виде животного полисахарида гликогена. В желудочно-кишечном тракте осуществляется их расщепление до уровня моносахаридов (глюкозы, фруктозы, лактозы, галактозы). Моносахариды, основным из которых является глюкоза, всасываются в кровь и через воротную вену поступает в печеночные клетки. Здесь фруктоза и галактоза превращается в глюкозу. Внутриклеточная концентрация глюкозы в гепатоцитах близка к ее концентрации в крови. При избыточном поступлении в печень глюкозы она фосфорилируется и превращается в резервную форму ее хранения – гликоген.

В течение первых 12 и более часов после приема пищи поддержание концентрации глюкозы в крови и обеспечение потребности организма в углеводах реализуются за счет распада гликогена в печени. Вслед за истощением запасов гликогена усиливается синтез ферментов, обеспечивающих реакции глюконеогенеза.

Организм человека нуждается только в одном из производных углеводов – аскорбиновой кислоте (витамине С), которая не может синтезироваться в организме человека и других приматов.

Обмен воды и минеральных веществ. Минимальная суточная потребность в воде составляет около 1700 мл. (в среднем около 2500 мл).

Потребность организма в воде зависит от характера питания. При питании преимущественно углеводной, жировой пищей и при небольшом поступлении в организм NaCI эти потребности меньше. Пища, богатая белками, а также повышенный прием соли, обусловливают большую потребность в воде.

Недостаточное поступление в организм воды или ее избыточная потеря приводят к дегидратации. Это сопровождается сгущением крови, ухудшением ее реологических свойств и нарушением гемодинамики. Недостаток в организме воды в объеме 20% массы тела ведет к летальному исходу. Избыточное поступление воды в организм или снижение ее объемов, выводимых из организма, приводит к водной интоксикации.

Обмен воды и минеральных ионов в организме тесно взаимосвязаны и взаимозависимы. Это обусловлено прежде всего необходимостью поддержания осмотического давления на относительно постоянном уровне во внутренней среде организма и в клетках, а также значением сил осмоса для обмена и выведения из организма как воды, так и минеральных ионов.

Осуществление ряда физиологических процессов, как, например, возбуждения, синаптической передачи, сокращения мышцы невозможно без поддержания в клетке и во внеклеточной среде определенной концентрации Na\ K, Са и других минеральных ионов. Поскольку их синтез в организме не осуществляется, все они должны поступать в организм с пищей и питьем.

Витамины. Избыточное поступление в организм витаминов может приводить к гипервитаминозу. При поступлении водорастворимых витаминов в дозах, превышающих суточную потребность, эти вещества могут быстро выводиться из организма. При этом каких-либо признаков гипервитаминоза не отмечается. Однако, установлено, что потребление больших количеств витамина В может сопровождаться нарушением функции периферической нервной системы. Гипервитаминоз К сопровождается нарушением функции желудочно-кишечного тракта и анемией. Изменения в организме, наблюдаемые при гипервитаминозах А, Д, РР.

Роль обмена веществ в обеспечении энергетических потребностей организма

Потребность организма в энергии характеризуется таким уровнем ее потребления с пищей, при котором на фоне неизменной массы тела, физической активности и соответствующих скоростях роста и обновления организма достигается энергетический баланс поступления и расхода энергии. Живые организмы получают энергию в виде потенциальной энергии питательных веществ. Эта энергия аккумулирована в химических связях молекул жиров, белков и углеводов, которые в процессе катаболизма преобразуются в конечные продукты обмена с более низким содержанием энергии. Высвобождающаяся в процессе биологического окисления энергия используется, прежде всего, для синтеза АТФ, которая как универсальный источник энергии, необходима в организме для последующего осуществления механической работы, химического синтеза и обновления структур, транспорта веществ, осмотической и электрической работы. Основным источником энергии для осуществления в организме процессов жизнедеятельности является биологическое окисление питательных веществ. На это окисление расходуется кислород.

Буранов Разиль Альбертович

План

1.Обмен веществ и энергии /метаболизм /.

2.Превращение и использование энергии.

3. Определение уровня метаболизма.

Обмен веществ и энергии

Обмен веществ и энергии - это совокупность физических, химических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в живых организмах, а также обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Обмен веществ у живых организмов заключается в поступлении из внешней среды различных веществ, в превращении и использовании их в процессах жизнедеятельности и в выделении образующихся продуктов распада в окружающую среду.

Все происходящие в организме преобразования вещества и энергии объединены общим названием - метаболизм (обмен веществ). На клеточном уровне эти преобразования осуществляются через сложные последовательности реакций, называемые путями метаболизма, и могут включать тысячи разнообразных реакций. Эти реакции протекают не хаотически, а в строго определенной последовательности и регулируются множеством генетических и химических механизмов. Метаболизм можно разделить на два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса: анаболизм (ассимиляция) и катаболизм (диссимиляция).

Анаболизм - это совокупность процессов биосинтеза органических веществ (компонентов клетки и других структур органов и тканей). Он обеспечивает рост, развитие, обновление биологических структур, а также накопление энергии (синтез макроэргов). Анаболизм заключается в химической модификации и перестройке поступающих с пищей молекул в другие более сложные биологические молекулы. Например, включение аминокислот в синтезируемые клеткой белки в соответствии с инструкцией, содержащейся в генетическом материале данной клетки.

Катаболизм - это совокупность процессов расщепления сложных молекул до более простых веществ с использованием части из них в качестве субстратов для биосинтеза и расщеплением другой части до конечных продуктов метаболизма с образованием энергии. К конечным продуктам метаболизма относятся вода (у человека примерно 350 мл в день), двуокись углерода (около 230 мл/мин), окись углерода (0,007 мл/мин), мочевина (около 30 г/день), а также другие вещества, содержащие азот (примерно б г/день).

Катаболизм обеспечивает извлечение химической энергии из содержащихся в пище молекул и использование этой энергии на обеспечение необходимых функций. Например, -1-

образование свободных аминокислот в результате расщепления поступающих с пищей белков и последующее окисление этих аминокислот в клетке с образованием СО2, и Н2О, что сопровождается высвобождением энергии.

Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия.

Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание катаболических процессов ведет к частичному разрушению тканевых структур.

Состояние равновесного или неравновесного соотношения анаболизма и катаболизма зависит от возраста (в детском возрасте преобладает анаболизм, у взрослых обычно наблюдается равновесие, в старческом возрасте преобладает катаболизм), состояния здоровья, выполняемой организмом физической или психоэмоциональной нагрузки.

Превращение и использование энергии. Энергетический эквивалент пищи

В процессе обмена веществ постоянно происходит превращение энергии: энергия сложных органических соединений, поступивших с пищей, превращается в тепловую, механическую и электрическую. Человек и животные получают энергию из окружающей среды в виде потенциальной энергии, заключенной в химических связях молекул жиров, белков и углеводов. Все процессы жизнедеятельности обеспечиваются энергией за счет анаэробного и аэробного метаболизма. Получение энергии без участия кислорода, например, гликолиз, (расщепление глюкозы до молочной кислоты) называется анаэробным обменом.

В ходе анаэробного расщепления глюкозы (гликолиза) или ее резервного субстрата гликогена (гликогенолиза) превращение 1 моля глюкозы в 2 моля лактата приводит к образованию 2 молей АТФ. Энергии, образующейся в ходе анаэробных процессов, недостаточно для осуществления активной жизни, реакции, происходящие с участием кислорода, энергетически более эффективны. Все процессы, генерирующие энергию с участием кислорода, называются аэробным обменом . При окислении сложных молекул химические связи разрываются, сначала органические молекулы распадаются до трехуглеродных соединений, которые включаются в цикл Кребса (цикл лимонной кислоты), а далее окисляются до СО2 и Н2О.

Высвободившиеся в этих реакциях протоны и электроны вступают в цепь переноса электронов, в которой кислород служит конечным акцептором электронов. Биологическое окисление в сущности представляет собой "сгорание" вещества при низкой температуре, часть энергии, высвобождающейся при окислении, запасается в высокоэнергетических фосфатных связях аденозинтрифосфата (АТФ). АТФ является аккумулятором химической энергии и средством ее переноса, диффундируя в те места, где она требуется. Общее количество молекул АТФ, образующихся при полном

окислении 1 моля глюкозы до СО2, и Н2О, составляет 25,5 молей. При полном окислении молекулы жиров образуется большее количество молей АТФ, чем при окислении молекулы углеводов.

Динамика химических превращений, происходящих в клетках, изучается биологической химией. Задачей физиологии является определение общих затрат веществ и энергии организмом и того, как они должны восполняться с помощью полноценного питания. Энергетический обмен служит показателем общего состояния и физиологической активности организма.

Единица измерения энергии, обычно применяемая в биологии и медицине, - калория (кал). Она определяется как количество энергии, необходимое для повышения температуры 1 г воды на 1°С. В Международной системе единиц (СИ) при измерении энергетических величин используется джоуль (1 ккал= 4,19 кДж).

Количество энергии, выделяемой при окислении какого-либо соединения, не зависит от числа промежуточных этапов его распада, т.е. от того, сгорело ли оно или окислилось в ходе катаболических процессов. Запас энергии в пище определяется в колориметрической бомбе - замкнутой камере, погруженной в водяную баню. Точно взвешенную пробу помещают в эту камеру, наполненную чистым О2 и поджигают. Количество выделившейся энергии определяется по изменению температуры воды, окружающей камеру.

При окислении углеводов выделяется 17,17 кДж/г (4,1 ккал/г), окисление 1 г жира дает 38,96 кДж (9,3 ккал). Запасание энергии в форме жира является наиболее экономичным способом длительного хранения энергии в организме. Белки окисляются в организме не полностью. Аминогруппы отщепляются от молекулы белка и выводятся с мочой в форме мочевины. Поэтому при сжигании белка в калориметрической бомбе выделяется больше энергии, чем при его окислении в организме: при сжигании белка в калориметрической бомбе выделяется 22,61 кДж/г 5,4 ккал/г), а при окислении в организме - 17,17 кДж/г 4,1 ккал/г). Разница приходится на ту энергию, которая выделяется при сжигании мочевины.

Определение уровня метаболизма. Основной обмен

Почти половина всей энергии, получаемой в результате катаболизма, теряется в виде тепла в процессе образования молекул АТФ. Мышечное сокращение - процесс еще менее эффективный. Около 80% энергии, используемой при мышечном сокращении, теряется в виде тепла и только 20% превращается в механическую работу (сокращение мышцы). Если человек не совершает работу, то практически вся генерируемая им энергия теряется в форме тепла (например, у человека, лежащего в постели). Следовательно, величина теплопродукции является точным выражением величины обмена в организме человека.

Для определения количества затрачиваемой организмом энергии применяют прямую и непрямую калориметрию.

Первые прямые измерения энергетического обмена провели в 1788 г. Лавуазье и Лаплас.

Прямая калориметрия заключается в непосредственном измерении тепла, выделяемого организмом. Для этого животное или человек помещается в специальную герметическую камеру, по трубам, проходящим через нее, протекает вода. Для вычисления теплопродукции используются данные о теплоемкости жидкости, ее объеме, протекающем через камеру за единицу времени, и разности температур поступающей в камеру и вытекающей жидкости.

Непрямая калориметрия основана на том, что источником энергии в организме являются окислительные процессы, при которых потребляется кислород и выделяется углекислый газ. Поэтому энергетический обмен можно оценивать, исследуя газообмен. Наиболее распространен способ Дугласа-Холдейна, при котором в течение 10-15 мин собирают выдыхаемый обследуемым человеком воздух в мешок из воздухонепроницаемой ткани (мешок Дугласа). Затем определяют объем выдохнутого воздуха и процентное содержание в нем О2 и СО2.

По соотношению между количеством выделенного углекислого газа и количеством потребленного за данный период времени кислорода - дыхательному коэффициенту (ДК) - можно установить, какие вещества окисляются в организме. ДК при окислении белков равен 0,8, при окислении жиров - 0,7, а углеводов - 1,0. Каждому значению ДК соответствует определенный холерический эквивалент кислорода, т.е. то количество тепла, которое выделяется при окислении какого-либо вещества на каждый литр поглощенного при этом кислорода. Количество энергии на единицу потребляемого 02 зависит от типа окисляющихся в организме веществ. Калорический эквивалент кислорода при окислении углеводов равен 21 кДж на 1 л 02 (5 ккал/л), белков - 18,7 кДж (4,5 ккал), жиров - 19,8 кДж (4,74 ккал).

Для косвенного определения интенсивности обмена могут быть использованы некоторые физиологические параметры, связанные с потреблением кислорода: частота дыханий и вентиляционный объем, частота сокращений сердца и минутный объем кровотока - все они отражают затраты энергии. Однако эти показатели недостаточно точны.

Интенсивность энергетического обмена значительно варьирует и зависит от многих факторов. Поэтому для сравнения энергетических затрат у разных людей была введена условная стандартная величина - основной обмен. Основной обмен - это минимальные для бодрствующего организма затраты энергии, определенные в строго контролируемых стандартных условиях:

1) при комфортной температуре (18-20 градусов тепла);

2) в положении лежа (но обследуемый не должен спать);

3) в состоянии эмоционального покоя, так как стресс усиливает метаболизм;

4) натощак, т.е. через 12- 16 ч после последнего приема пищи.

Основной обмен зависит от пола, возраста, роста и массы тела человека. Величина основного обмена в среднем составляет 1 ккал в 1 ч на 1 кг массы тела. У мужчин в сутки основной обмен приблизительно равен 1700 ккал, у женщин основной обмен на 1 кг массы тела примерно на 10% меньше, чем у мужчин, у детей он больше, чем у взрослых, и с увеличением возраста постепенно снижается.

Суточный расход энергии

Суточный расход энергии у здорового человека значительно превышает величину основного обмена и складывается из следующих компонентов: основного обмена; рабочей прибавки, т.е. энергозатрат, связанных с выполнением той или иной работы; специфического-динамического действия пищи. Совокупность компонентов суточного расхода энергии составляет рабочий обмен. Мышечная работа существенно изменяет интенсивность обмена. Чем интенсивнее выполняемая работа, тем выше затраты энергии. Степень энергетических затрат при различной физической активности определяется коэффициентом физической активности - отношением общих энергозатрат на все виды деятельности в сутки к величине основного обмена.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Конкурсная работа по биологии

Тема: « Обмен веществ и энергии -

основное свойство жизни ».

Работу выполнил ученик 8 класса Буранов Разиль Альбертович .

Преподаватель: Баязитов Р.З.

2013г

План

1.Обмен веществ и энергии / метаболизм /.

2.Превращение и использование энергии.

/Анаэробный и аэробный обмен/.

3. Определение уровня метаболизма.

Обмен веществ и энергии

Все происходящие в организме преобразования вещества и энергии объединены общим названием - метаболизм (обмен веществ). На клеточном уровне эти преобразования осуществляются через сложные последовательности реакций, называемые путями метаболизма, и могут включать тысячи разнообразных реакций. Эти реакции протекают не хаотически, а в строго определенной последовательности и регулируются множеством генетических и химических механизмов. Метаболизм можно разделить на два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса: анаболизм (ассимиляция) и катаболизм (диссимиляция).

Анаболизм - это совокупность процессов биосинтеза органических веществ (компонентов клетки и других структур органов и тканей). Он обеспечивает рост, развитие, обновление биологических структур, а также накопление энергии (синтез макроэргов). Анаболизм заключается в химической модификации и перестройке поступающих с пищей молекул в другие более сложные биологические молекулы. Например, включение аминокислот в синтезируемые клеткой белки в соответствии с инструкцией, содержащейся в генетическом материале данной клетки.

Катаболизм - это совокупность процессов расщепления сложных молекул до более простых веществ с использованием части из них в качестве субстратов для биосинтеза и расщеплением другой части до конечных продуктов метаболизма с образованием энергии. К конечным продуктам метаболизма относятся вода (у человека примерно 350 мл в день), двуокись углерода (около 230 мл/мин), окись углерода (0,007 мл/мин), мочевина (около 30 г/день), а также другие вещества, содержащие азот (примерно б г/день).

образование свободных аминокислот в результате расщепления поступающих с пищей белков и последующее окисление этих аминокислот в клетке с образованием СО 2 , и Н 2 О, что сопровождается высвобождением энергии.

Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия.

Превращение и использование энергии. Энергетический эквивалент пищи

В ходе анаэробного расщепления глюкозы (гликолиза) или ее резервного субстрата гликогена (гликогенолиза) превращение 1 моля глюкозы в 2 моля лактата приводит к образованию 2 молей АТФ. Энергии, образующейся в ходе анаэробных процессов, недостаточно для осуществления активной жизни, реакции, происходящие с участием кислорода, энергетически более эффективны. Все процессы, генерирующие энергию с участием кислорода, называются аэробным обменом . При окислении сложных молекул химические связи разрываются, сначала органические молекулы распадаются до трехуглеродных соединений, которые включаются в цикл Кребса (цикл лимонной кислоты), а далее окисляются до СО 2 и Н 2 О.

окислении 1 моля глюкозы до СО 2 , и Н 2 О, составляет 25,5 молей. При полном окислении молекулы жиров образуется большее количество молей АТФ, чем при окислении молекулы углеводов.

Определение уровня метаболизма. Основной обмен

Для определения количества затрачиваемой организмом энергии применяют прямую и непрямую калориметрию.

Первые прямые измерения энергетического обмена провели в 1788 г. Лавуазье и Лаплас.

Интенсивность энергетического обмена значительно варьирует и зависит от многих факторов. Поэтому для сравнения энергетических затрат у разных людей была введена условная стандартная величина - основной обмен. Основной обмен - это минимальные для бодрствующего организма затраты энергии, определенные в строго контролируемых стандартных условиях:

1) при комфортной температуре (18-20 градусов тепла);

2) в положении лежа (но обследуемый не должен спать);

3) в состоянии эмоционального покоя, так как стресс усиливает метаболизм;

4) натощак, т.е. через 12- 16 ч после последнего приема пищи.

Суточный расход энергии

Изменения скорости биохимических реакций или обменных процессов в мышцах, стенках кровеносных сосудов очень невелики - от состояния расслабления до наивысшего напряжения возможно ускорение биохимических реакций лишь в 2-2,5 раза. В сердечной мышце скорость биохимической реакции может возрастать в 4-5 раз. Но зато в скелетных мышцах конечностей интенсивность биохимических реакций способна увеличиваться в 15-20 раз!

Именно этот огромный функциональный диапазон скелетных мышц позволяет нам поднимать груз, втрое превышающий собственный вес, пробегать стометровку со скоростью электрички и т.д.

В каждой живой клетке имеется АТФ. Это сложное органическое вещество представляет собой главный энергетический ресурс во всех биологических системах. По аналогии с электричеством АТФ нередко называют «аккумулятором» энергии в клетке. Но такая аналогия неточна, потому что аккумулятор, как правило, работает в два цикла: зарядка-разрядка и т.д. Та энергия, которая накоплена в виде АТФ в живой клетке, «заряжается» и «разряжается» одновременно.

Для наглядности объяснения сравним АТФ с деньгами. Итак, у человека возможны три источника необходимых денежных средств: зарплата - постоянные поступления, почти равные расходам; накопления - определенный резерв, собранный заранее «на черный день»; долг.

Почти такие же три источника энергетических ресурсов имеются у каждой клетки:

1) окислительный процесс - поступление энергии за счет «сжигания» в огне биохимических реакций углеводов, жиров и ненужных «отработанных» белков. Эти поступления примерно равны расходам;
2) запас энергии в виде гликогена 1 - того накопления, которое определяет энергетическое «благополучие» клетки. Использование гликогена для энергетических целей проходит в цикле биохимических реакций, которые называются гликолизом ;
3) запас энергии (расходуемый только при крайней необходимости) в виде КрФ - специального вещества, приспособленного для «хранения» энергии. Как только прекратится работа клеток, потребовавшая расхода КрФ, этот «долг» должен быть незамедлительно возвращен. В организме человека несколько сотен крупных и мелких мышц, каждая из которых состоит из нескольких тысяч отдельных мышечных волокон. Эти волокна - мышечные клетки, которые порой невооруженным глазом и рассмотреть невозможно, различаются но многим свойствам, в том числе по организации энергетического обеспечения (табл. 1.3).

В начале работы активируются быстрые волокна (тип II). Когда разбег взят и совершается равномерная работа, сокращаются уже в основном медленные волокна (тип I), но если надо увеличить усилия или ускорить движения, вновь подключаются быстрые (тип IIБ).

Природой предусмотрено и несколько способов охлаждения организма. Первый из них, наиболее простой и эффективный при легкой работе - усиление дыхания.

Второй способ охлаждения напоминает конструкцию автомобильного радиатора. Кровеносные сосуды , расположенные близко к поверхности кожи , при работе сильно расширяются, скорость кровотока через них возрастает в несколько раз, и горячая кровь из глубины тела, подходя к поверхности, которая составляет (у взрослого человека) около 2 м , отдает

Таблица 1.3

Показатели классификации	Тип волокна
Показатели классификации

Скорость сокращения	Медленно

Энергообеспечение	Окислительное	Промежуточное	тическое

	Умеренное		Умеренное
миоглобин
гликоген	Умеренное
		Умеренное
капилляризация
Иннервация:
порог включения
частота импульсов
утомляемость	Неутомляемая	Медленная

избыточное тепло. Раскрытие кожных сосудов вызывает покраснение лица, шеи, груди, спины, реже - рук или ног.

Такой способ охлаждения наиболее эффективен при быстром перемещении или при низкой температуре воздуха.

Но самый эффективный способ охлаждения у человека - это испарение пота. Скорость теплоотдачи за счет потения при напряженной работе достигает 20 ккал в минуту, т.е. примерно 60% от суммарной теплопродукции организма.

Итак, мы рассмотрели некоторые процессы, которые совершенствуются в организме, когда он выполняет ту или иную мышечную работу, познакомились с некоторыми закономерностями, определяющими реакции организма на нагрузку разной мощности.

У человека обмен веществ складывается из двух противоположных процессов - ассимиляции 1 и диссимиляции . Совокупность всех процессов синтеза сложных органических веществ (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот), идущих на построение органов и тканей, получила название ассимиляции. Процессы ассимиляции в клетках всегда сопровождаются поглощением энергии.

Диссимиляция находится в тесном взаимодействии с ассимиляцией и заключается в распаде веществ организма с выделением энергии. Взамен распадающихся веществ образуются органические соединения, и таким образом осуществляется постоянный круговорот обмена веществ и энергии, идет процесс постоянного самообновления клеточного состава тела человека.

Обмен веществ и обмен энергии в теле человека - это два проявления единого процесса. За счет поступления в организм пищи как раз и поддерживается постоянство интенсивности обмена веществ. Поступающие питательные вещества (углеводы, белки, жиры) восполняют потери в органических веществах.

Большинство питательных веществ используются организмом человека не непосредственно, поскольку они являются малорастворимыми соединениями и не могут из пищеварительного тракта сразу поступить в кровь. Усвоение их организмом становится возможным только после того, как они расщепляются на более простые и легкорастворимые вещества: белки - на различные аминокислоты, жиры - на глицерин и жирные кислоты, крахмал превращается в глюкозу.

Большую роль в этом процессе играют пищеварительные ферменты, а также минеральные соли, вода.

Помимо белков, жиров, углеводов, минеральных солей и воды, организму необходимо наличие минимального количества витаминов.

Посредством обмена веществ непрерывно вырабатывается или высвобождается энергия, идущая на обеспечение основного обмена (т.е. работы всех внутренних органов), на синтез различных клеточных структур, наконец, на обеспечение физической и умственной работы. Не менее важно и то, что посредством обмена веществ идет постоянное обновление всех составных элементов клеток органов и тканей. Так, например, некоторые ферменты печени обновляются каждые 4 ч. А вот эритроциты живут довольно долго - 80-100 суток.

Подсчитано, что в течение жизни человека его белки обновляются более 200 раз.

Свою независимость от внешней среды организм создает с помощью разнообразных сложных реакций. К ним можно отнести изменения функционирования нервной, эндокринной, кровеносной систем. А иммунная система обеспечивает невосприимчивость к действиям микроорганизмов, вредных физико-химических агентов. Система терморегуляции создает человеку независимость от изменения температуры.

Получается, что постоянно, каждый момент организм приспосабливается к любым внешним воздействиям и тем самым создает свою относительную независимость и автономность.

Если обмен веществ нарушается, то такое нарушение выражается в виде изменения химического постоянства на уровне клеток какой-либо ткани, органа, а то и организма в целом. Соответственно проявление многих заболеваний можно характеризовать по их влиянию на изменение химических соединений на всех этих уровнях. Это объясняет постоянную потребность в притоке пищевых продуктов.

За 70 лет жизни человек съедает белков более 2,5 т, жиров около 2 т, углеводов около 10 т, выпивает более 50 тыс. л воды.

Для всего живого характерны органические молекулы, причем в их состав в основном входит углерод, а также различное количество водорода, кислорода, азота и небольшой процент фосфора, серы, железа и других элементов. Углерод во всех живых системах - самый важный элемент.

Важным химическим компонентом жизнедеятельности всех клеток является АТФ - универсальный источник энергии для различных обменных процессов. АТФ - это аккумулятор и носитель свободной энергии. Практически все реакции энергетического обмена в клетках протекают посредством образования и распада молекул АТФ. Следовательно, в клетках живого организма АТФ является не только источником химической энергии во многих метаболических реакциях, но и аккумулятором, донором и специальным носителем энергии.

Вместе с тем следует иметь в виду, что основными высокомолекулярными соединениями организма человека являются молекулы белков и нуклеиновых кислот, а также углеводов и липидов. Они обладают определенным химическим строением, от которого зависят их свойства и биологическая роль в организме. Для образования высокомолекулярных соединений используются следующие простые молекулы (рис. 1.15).

Рис. 1.15.

(по Н. И. Волкову, Э. Н. Несену, А. А. Осипенко, С. Н. Корсуну)

Химическая энергия АТФ постоянно используется в клетках организма для поддержания всех энергопотребляемых биологических процессов (рис. 1.16, по Н. И. Волкову и др.).

При физических нагрузках изменяется обмен веществ и энергии, а также механизмы их регуляции, что составляет основу метаболической адаптации организма к воздействующим физическим нагрузкам (тренировкам). Изучение приспособительных изменений обмена веществ позволяет познать особенности адаптации организма к физическим нагрузкам, выбрать эффективные средства, методы восстановления и повышения физической работоспособности.

Однако следует заметить, что количество АТФ в тканях организма человека относительно невелико, поскольку она не запасается в тканях. Всего в организме содержится около 50 г АТФ. Заметим, что даже при напряженной мышечной деятельности, вызывающей утомление, запасы АТФ в мышцах могут снижаться только в течение нескольких секунд на 20-25%, так как постоянно работают механизмы ее восстановления. При этом в клетках поддерживается относительное постоянство концентрации АТФ. Так обеспечивается сбалансированность процессов образования (ресинтеза) и использования (утилизации) АТФ. При увеличении скорости использования АТФ автоматически активируется механизм ее образования (рис. 1.16).

Вода (Н2О) - одно из самых важных соединений в организме человека. Без воды не могут осуществляться процессы жизнедеятельности, без воды невозможна и сама жизнь. Потери 10-20% воды организма приводит к его гибели. От со-

Рис. 1.16.

держания воды в организме зависит физическая работоспособность спортсмена, скорость протекания восстановления, способность противостоять различным стрессам и само состояние здоровья.

Выделение воды из организма в сутки (около 2,5 л) в состоянии относительного покоя распределяется по следующей схеме: с мочой выделяется 1500 мл (60%), через кожу - 450 мл (6%), через легкие - 250 мл (10%), с потом - 150 мл (6%), через толстую кишку - около 6%.

Н. И. Волков и др. определили, что при физических нагрузках на выносливость, например при марафонском беге, в условиях повышенной температуры спортсмен теряет около 2-3 л воды в час. Если обезвоживание достигает 4-5% массы тела, то работоспособность такого спортсмена падает

Таблица 1.4

Свойства разных типов мышечных волокон (но Я. М. Коду)

на 30% (рис. 1.17). Здесь же отметим, что потеря 0,5 кг массы тела соответствует потере 378 мл воды.

Эндокринная и нервная системы контролируют обмен воды в организме. Основным регулятором является гормон гипофиза - вазопрессин, или антидиуретический гормон, который уменьшает (или увеличивает) выведение жидкости (диурез) за счет сокращения сосудов почек. Секреция этого гормона повышается при снижении объема плазмы крови, что способствует задержанию воды в организме и нормализует объем плазмы в крови. При снижении содержания воды в плазме крови происходит рефлекторное возбуждение участков коры головного мозга, вызывающее чувство жажды. Таким способом ЦНС регулирует водный баланс в организме.

Клетки человеческого организма строятся, казалось бы, из простых химических компонентов - белков, углеводов, жиров, нуклеиновых кислот. Однако эти компоненты, соединяясь между собой, могут образовывать и образуют сложные комплексы.

Рис. 1.17.

Белки - высокомолекулярные, азотосодержащие вещества, при гидролизе 1 которых образуются аминокислоты. Белки еще называют протеинами (от греч. proteus - первый, главный). Белок в организме человека составляет в среднем 45% сухой массы тела (12-14 кг). Содержание его в отдельных тканях различное (табл. 1.5).

Органические вещества, из которых состоят организмы, - это белки, жиры, углеводы (крахмал, сахар) и нуклеиновые кислоты. Разнообразие жиров и углеводов в организме сравнительно невелико, молекулы жиров или углеводов разных людей сходны или одинаковы.

Совсем не так обстоит дело с белками. Во-первых, разнообразие их почти бесконечно. Существуют, по крайней мере, десятки тысяч различно построенных молекул. Дело в том, что белковая молекула представляет собой нить, состоящую из соединенных друг с другом сравнительно небольших мо-

Таблица 1.5

Органы и ткани
Органы и ткани	от сухой ткани	от общего белка
Скелетные мышцы

Кости (твердые ткани)
Пищеварительный тракт
Мозг и нервная ткань



Селезенка

Поджелудочная железа
Жировая ткань
Остальные ткани: жидкие

1 Гидролиз - реакция распада сложных веществ до более простых при участии воды.

лекул аминокислот. Одна белковая молекула состоит из нескольких сотен аминокислот.

Аминокислоты бывают 20 сортов, причем при замене или перестановке одной аминокислоты получается уже новая молекула белка. Возникает вопрос: сколько будет таких вариантов? Если коротко ответить, то приблизительно около десяти в миллионной степени вариантов.

Значительная часть белка содержится в мышцах, костях, коже, пищеварительном тракте и других плотных тканях.

Белки поступают в организм преимущественно с пищей животного происхождения. Потребность в белке взрослого человека, не занимающегося спортом, составляет в среднем 1,3 г на 1 кг массы тела, или около 80 г. При больших физических нагрузках потребность белка увеличивается примерно на 10 г.

В овощах и фруктах белков содержится всего 0,3-2,0% массы свежей ткани; больше всего белков находится в бобовых - 20-30%, злаках - 10-13% и грибах - 3-6%.

Биологические функции белков:

1) структурная (пластическая);
2) каталитическая (белки-ферменты участвуют в обмене веществ и энергии в организме);
3) сократительная (белки актина и миозина участвуют в сокращении и движении мышц);
4) транспортная (гемоглобин эритроцитов крови переносит кислород от легких к тканям и углекислый газ от тканей к легким; миоглобин переносит кислород; белки крови транспортируют жирные кислоты, липиды, железо, некоторые гормоны);
5) защитная (белки гамма-глобулины участвуют в иммунитете, защищая организм от вирусов, бактерий и клеток других организмов; белки плазмы крови фибриноген и тромбин участвуют в свертывании крови, предотвращая кровопо- тери при ранениях);
6) гормональная или регуляторная (высокоспецифические белки-гормоны регулируют обмен веществ);
7) рецепторная (белки являются рецепторами гормонов, нейромедиаторов, других веществ, они осуществляют узнавание, связывание п передачу их регуляторного действия);
8) передача наследственной информации ;
9) опорная (упругость и прочность костей скелета, кожи, сухожилий осуществляют преимущественно белки коллаген и эластин);
10) энергетическая - 10-15% энергопотребления обеспечивается белками. При окислении 1 г белка выделяется 17 кДж (4,1 ккал) энергии.

Особенно разнообразны белки-ферменты, биологические катализаторы, которые способны сильно увеличивать скорость химических реакций. Ферменты принимают участие почти во всех процессах, происходящих в организме. Например, переваривание пищи - дело пищеварительных ферментов, причем обязанности между ними четко распределены: одни расщепляют белки мяса, другие - жиры, а третьи - белки молока. Бывает даже особый наследственный дефект, при котором в организме отсутствует белок-фермент, расщепляющий молоко, и человеку с таким дефектом всю жизнь недоступно молоко, в том числе и молоко матери. Более смуглый цвет кожи или, наоборот, совершенно белая кожа, белые волосы - альбинизм, тоже результат различной активности определенных ферментов или их полного отсутствия. В конце концов, если использовать арсенал современных средств генетики и биохимии для изучения отличия биотипологии и геометрии различных тел, скорее всего, окажется, что причина кроется в разном наборе или в разном строении определенных ферментов. «И тело червя, и лицо человека следует рассматривать как результат химических реакций...», - говорит известный американский ученый Шеррингтон, а каждая реакция организма протекает при участии определенного фермента.

Перечисляя типы органических веществ, необходимо остановиться на нуклеиновых кислотах. Нуклеиновые - значит ядерные, и называются они так потому, что впервые были обнаружены в ядре клетки. Молекулы нуклеиновых кислот еще больше и длиннее белковых молекул и так же, как и белки, имеют нитчатую структуру, состоящую из четырех сортов «кирпичиков», из которых состоит нуклеиновая кислота.

В 1868 г. швейцарский врач Ф. Мишер впервые выделил нуклеиновые кислоты, а в 1930 г. были определены два типа нуклеиновых кислот - ДНК и РНК, различающиеся химическим составом, молекулярной массой, сложностью структуры молекул и функцией в организме. Если в состав нуклеиновой кислоты входит рибоза, то она называется рибонуклеиновой кислотой (РНК), а если дезоксирибоза, то - дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК). Каждый организм имеет характерную только для него молекулу ДНК с определенным количественным составом и нуклеотидной последователыюстыо, которые в любых физиологических состояниях сохраняются. Нарушение их приводит к мутациям, вызывающим патологические изменения в организме.

Генетическая информация закодирована в каждой клетке в гигантских молекулах ДНК 1 . Если в клетке идет синтез какого-то белка, то на том участке ДНК, где закодирована структура белка, строится его зеркальная копия - молекула информационной РНК . Таким образом, информация в клетке передается всегда в следующем порядке: хранительница генетической информации молекула наследственного вещества ДНК - молекула-посредник РНК-белок. Это положение считалось незыблемым и даже получило название «центральной догмы молекулярной генетики».

Разные участки ДНК кодируют разные белки. В ядре каждой клетки в ДНК записано строение всех белков данного организма. В научно-фантастических произведениях путешественники обычно берут с собой в космические корабли не книги, не магнитофонные ленты, а кристаллы, хранящие в себе целые библиотеки. Природа давно обогнала фантазию: пучок ДНК, занимающий 24 мм , может содержать всю биологическую информацию о строении всех людей земного шара.

Жиры - это соединения глицерина с различными жирными кислотами. Жиры и липоиды не растворяются в воде и входят в состав всех мембран клетки и ее структурных элементов. Лишь только в условиях голодания распад жиров резко повышается. При этом они могут обеспечивать до 75-80% всех энергозатрат организма. Жиры растворяются в органических растворителях, таких как эфиры, хлороформ или бензол.

Молекулы жира, как и молекулы углеводов, состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, но содержание кислорода относительно других атомов значительно меньше, чем в углеводах. Вот почему для окисления жиров требуется значительно большее количество кислорода, чем для окисления углеводов.

Основные биологические функции жиров:

1) энергетическая. Распад 1 г жира дает 39 кДж (9,3 ккал) энергии, это значительно больше, чем при окислении углеводов. Например, в форме гликогена организм может запасать энергию для осуществления основного обмена не более чем на сутки, тогда как в форме триглицеридов - на несколько месяцев;
2) структурная. Липиды (жиры) в комплексе с белками являются структурным компонентом всех клеточных мембран. Поэтому они участвуют в транспорте веществ через мембраны, рецепции и в других мембранных процессах;
3) регуляторная, или гормональная. Регуляторную функцию выполняют гормоны стероидной природы, а также тканевые гормоны простагландины, образующиеся из полине- насыщенных высших жирных кислот;
4) терморегуляторная. Жиры, входящие в состав подкожной клетчатки, предохраняют организм от переохлаждения, поскольку являются плохим проводником тепла;
5) защитная. Жиры (липиды) в виде жировых прослоек защищают внутренние органы от механических повреждений, а также нервные окончания и кровеносные сосуды от сдавливания и различных ушибов. Кроме того, жир придает эластичность кожным покровам, а насыщенные жирные кислоты - бактерицидные свойства;
6) в качестве растворителя. В липидах (жирах) растворяются многие органические соединения, в том числе витамины A, D, Е и К, благодаря чему они легко проникают через стенки сосудов, мембраны клеток, транспортируются в биологических жидкостях.

Обмен жиров в организме. В организм жиры поступают с продуктами питания животного и растительного происхождения. Человеку требуется от 70 до 145 г жира в сутки, в том числе 15 г ненасыщенных жирных кислот и 10 г фосфолипидов . Суточная потребность в жире зависит от пола, климатических условий, двигательной активности или трудовой деятельности. Содержание жиров в организме взрослого человека в среднем составляет у мужчин 7-8 кг, у женщин - 5-6 кг, или 10-15% от общей массы тела. При ожирении содержание липидов может достигать 30% массы тела. Жиры обеспечивают 25-30% потребности человека в энергии. Поступившие в организм пищевые жиры в желудочно-кишечном тракте подвергаются ферментативному расщеплению до структурных мономеров - глицина, жирных кислот и других составных, которые всасываются в стенку кишечника. Частичный синтез триглицеридов происходит уже в слизистой оболочке кишечника. Из нее большая часть жиров поступает в лимфатическую систему кишечника, затем в ее грудной лимфатический проток, а из него - в кровь. Некоторая часть триглицеридов поступает в жировые депо и печень.

Регуляция и нарушение обмена липидов {жиров). Авторы решили на вопросе регуляции обмена жиров и ее нарушении остановиться более подробно, поскольку проблема ожирения имеет большое значение. Так, люди с избыточной массой тела живут в среднем на 7 лет меньше, чем люди с нормальным для своего возраста весом тела. Более того, они примерно в 3-4 раза чаще умирают от болезней сердечно-сосудистой системы, сахарного диабета и др.

Иначе говоря, вопрос ожирения - это вопрос здоровья и долголетия. Причинами ожирения являются следующие нарушения:

энергетический дисбаланс, когда количество энергии, поступающей в организм в виде пищи, значительно больше количества расходуемой энергии;
нарушение липидного обмена, когда процессы синтеза жиров превышают их распад;
гормональные нарушения.

Нарушение обмена холестерина вызывает одно из распространенных заболеваний - атеросклероз, что связано с устойчивым повышением холестерина в крови. При атеросклерозе в стенках сосудов откладываются липиды - в основном эфиры холестерина. Отложение холестерина и других липидов, а также их солей в стенке сосудов приводит к ее перерождению, к снижению эластичности и прочности стенок кровеносных сосудов. Могут образовываться также холестериновые бляшки, способные перекрывать просвет капилляров (рис. 1.18).

Все это нарушает процессы кровообращения (Н. И. Волков и др.). С возрастом содержание холестерина и его эфиров в крови повышается, что приводит к атеросклеротическим изменениям кровеносных сосудов у людей пожилого возраста. Атеросклероз, в свою очередь, может вызывать такие заболевания, как инсульт, инфаркт, атрофия конечностей. Занятия

Рис. 1.18.

физическими упражнениями активизируют липидный обмен, способствуют выведению холестерина из организма, задерживают развитие возрастной гиперхолестеринемии и атеросклероза. Жировая дистрофия печени характеризуется накоплением в ней триглицеридов (жиров) и приводит к дегенеративным изменениям клеток печени. В гаком случае содержание жира в печени может достигать 40-50% при норме 5%. Возникает ожирение печени (жировая инфильтрация), нарушающее ее функции.

Примечателен тот факт, что для лучшего усвоения жира в рационе питания количество углеводов должно быть в 2-3 раза больше, чем жиров. При недостаточном количестве углеводов происходит неполное сгорание жиров, накапливаются продукты распада, и возникает ацидоз - избыточное содержание кислот в крови и других тканях организма.

Растущий организм особенно нуждается в жирах животного происхождения. Растительные жиры в зависимости от возраста ребенка должны составлять от 5 до 10% по отношению к общему количеству жира (М. А. Жуковский).

Нуклеиновые кислоты и белки могут служить для клетки своеобразным аккумулятором памяти, в которых хранится генетическая информация. Сущность этой генетической информации заключена в ДНК. РНК действуют не только как носители, но и как переводчики при передаче генетического сообщения.

Углеводы - эго основное топливо для клеток, окисляясь, углеводы высвобождают энергию, которая расходуется клеткой на все процессы жизнедеятельности. В питании основным углеводом, имеющим питательную ценность, является

крахмал. Большим содержанием крахмала отличаются зерна пшеницы, ячменя, риса, кукурузы и клубни картофеля.

Важнейшим углеводом с физиологической точки зрения является глюкоза. Организм обладает свойством запасать углеводы для дополнительной работы. Гликоген откладывается в печени и мышечной ткани.

Энергетическая функция не является для углеводов единственной. Из углеводов в организме образуется жир. Углеводы участвуют в регуляции водного обмена, связывают воду. Кроме того, они являются носителями витаминов. Единственное производное углеводов, которое обязательно должно присутствовать в ежедневном рационе, - аскорбиновая кислота (витамин С).

Рассмотрим, каким образом железы внутренней секреции участвуют в обмене веществ.

Щитовидная железа вырабатывает гормон - тироксин , который содержит до 65% йода. Гормоны щитовидной железы у здорового человека способствуют поглощению клетками кислорода из крови, т.е. как бы помогают клеткам «дышать». Тиреоидные гормоны стимулируют синтез белка и холестерина, ускоряется метаболизм углеводов и жиров. Гормоны щитовидной железы особенно необходимы организму в период развития. Гормон определяет правильное формирование органов плода, особенно ЦНС и костной ткани, а также умственное и физическое развитие ребенка во все периоды детства.

Гормоны поджелудочной железы активно участвуют в обмене веществ. Поджелудочная железа вырабатывает два главных гормональных продукта - инсулин и глюкагон.

Инсулин - единственный гормон, понижающий уровень сахара в крови. Все остальные гормоны прямо или косвенно оказывают противоположное, гипергликемическое действие. Именно поэтому при выраженном недостатке инсулина в организме возникает сахарный диабет - болезнь, сопровождающаяся большим выделением мочи; различают сахарный диабет - сахарное мочеизнурение - поражение поджелудочной железы, вследствие чего нарушается углеводный обмен, сахар не усваивается и выделяется с мочой. Бывает еще несахарный диабет - поражение придатка мозга. В данном случае инсулин - единственный защитный барьер, и если он разрушается, то сам организм заменить его ничем не может.

Гормон глюкагон способствует расщеплению гликогена печени до глюкозы, повышает уровень сахара в крови, стимулирует расщепление жира в жировой ткани. По результатам своего действия глюкагон является антагонистом инсулина. Инсулин, а также глюкагон с адреналином представляют гормональную систему углеводного обмена.

В норме инсулин обеспечивает поступление в клетки организма глюкозы. А при сахарном диабете этот процесс нарушен. Сахар не утилизируется, иными словами, не сгорает, а накапливается в крови, но организм, в котором имеется множество различных приспособительных механизмов, пытается избавиться от избытка глюкозы, выделяя ее через почки с большим количеством мочи. В результате у больного учащается мочеиспускание, значительно увеличивается суточное количество мочи.

Отсюда вытекает вывод: если вы чувствуете слабость, стали быстро утомляться, но самое главное - заметили, что количество мочи увеличилось, появилась сухость во рту, жажда, кожа стала сухой, беспокоит зуд, то нужно обратиться к врачу.

Определенное соотношение химических компонентов в крови, с одной стороны, а в тканях - с другой, обеспечивает нормальный обмен веществ, в том, что количество необходимых пластических веществ и энергетических ресурсов, получаемых с пищей, человеческий организм фиксирует (контролирует) преимущественно по нижней границе. Если, допустим, содержание сахара в крови падает ниже границы нормы, это фиксируется как эндокринной системой (выброс гликогена поднимает концентрацию сахара), так и ЦНС, и в этом случае у человека возникает чувство голода.

Однако организм человека, как правило, не фиксирует превышение концентрации многих химических компонентов в крови. Иными словами, самостоятельно отрегулировать обмен веществ и энергии по принципу - сколько потратил, столько и съел, человек не может. А поскольку каждый индивид в состоянии, как правило, съесть гораздо больше, чем необходимо по количеству затраченной энергии, то получается, что переедание организм не фиксирует и не приостанавливает. Следовательно, воздержанность в еде - это почти всегда проблема волевых усилий, сознательного, а не бессознательного самоконтроля.

В материалах представлены общие формы нарушения метаболизма, и мы остановились лишь на отдельных примерах взаимосвязи особенностей нарушений обмена и методов его коррекции или профилактики.

Нарушение обмена веществ (метаболизма) лежит в основе практически всех органических и функциональных изменений органов и тканей, приводящих к возникновению болезни. Ни одно заболевание не проходит без нарушения в химической гармонии обмена веществ, который в здоровом организме отличается необычайной согласованностью и взаимосвязанностью.

В процессе обмена веществ в клетках организма синтезируется большая часть аминокислот, которые называются заменимыми. Непоступление их с пищей не вызывает значительных изменений в обмене веществ (табл. 1.6).

Таблица 1.6

Аминокислоты (но Н. И. Волкову)

Другие аминокислоты не синтезируются в организме, поэтому называются незаменимыми. Незаменимые аминокислоты обязательно должны поступать с пищей. Для взрослых людей незаменимыми являются девять аминокислот, а для детей необходима десятая - аргинин (суточная норма варьируется в пределах 0,5-6 г).

РНК (рибонуклеиновая кислота) - вид нуклеиновых кислот, в состав

которых входит углевод рибоза; синтезируется на основе определенного генаДНК, переносит информацию о структуре белка к рибосомам и являетсяматрицей при синтезе белка. Ферменты-энзимы - биологически активныебелки, синтезируемые в организме и выполняющие роль катализаторов биохимических реакций.

Фосфолипиды (фосфатиды) - подкласс липидов, молекулы которыхсостоят из глицерина, жирных кислот, фосфорной кислоты, азотосодержащих веществ. Являются важным компонентом клеточных мембран.

Обмен веществ и превращение энергии в клетке. Обмен веществ и энергии В организме происходит обмен веществ и энергии

Фотосинтез

Хемосинтез

Биосинтез белка. Генетический код

Катаболизм (энергетический обмен)

Аэробное клеточное дыхание

Анаэробное дыхание. Брожение

Обмен белков

Обмен углеводов

План

1.Обмен веществ и энергии /метаболизм /.

Обмен веществ и энергии

Превращение и использование энергии. Энергетический эквивалент пищи

Определение уровня метаболизма. Основной обмен

Суточный расход энергии

Скачать:

Предварительный просмотр:

Последние

Это нужно знать