Метаболизм или обмен веществ - это полный комплекс химических реакций и процессов, которые протекают в живой клетке , обеспечивающих ее жизнедеятельность, рост, деление и взаимодействие с внешней средой.
Именно правильный обмен веществ обеспечивает расщепление и усвоение молекул веществ, из которых состоят клетки или необходимых для функционирования, разрушения, обновления клеток и межклеточного вещества. Благодаря правильному метаболизму за 80 суток обновляется тканевой покров организма, белки мышечных волокон обновляются за 180 дней, клетки печени и сыворотка крови обновляется за 10 дней, а некоторые печеночные ферменты - всего за 2-4 часа.
Метаболизм неразрывно связан с процессом превращения энергии . В результате химических реакций потенциальная энергия из сложных органических молекул превращается в другие виды энергии, которая используется для всех процессов жизнедеятельности клеток. Все эти процессы протекают при участии катализаторов - ферментов . У каждого вида живых организмов метаболизм является уникальным, свойственным только этому виду. Обмен веществ каждого вида обусловлен прежде всего условиями его обитания и существования в целом.
Обмен веществ состоит из двух основных процессов
, которые неразрывно связаны друг с другом и протекают одновременно:
- Анаболизм (ассимиляция) ;
- Катаболизм (диссимиляция) .
Анаболизм (пластический обмен ) - это процессы синтеза (построения) сложных органических молекул из более простых, получаемых в результате катаболизма.
Катаболические процессы - это комплекс химических реакций по расщеплению крупных молекул до более мелких, которые могли бы пройти в клетку. При этом одновременно выделяется энергия, которую организмы запасают обычно в молекулах АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты ). Катаболизм обычно протекает во время окислительных или гидролитических реакций. При этом, такие процессы протекают как при участии кислорода (дыхание , аэробный путь ), так и без его участия (брожение, гликолиз - анаэробный путь ).
В зависимости от типа обмена веществ существует два типа живых организмов :
1) Гетеротрофы - это организмы, которые синтезируют органические соединения за счет продуктов, которые образуются в результате катаболизма и энергии, выделяющейся в процессе этого. Начальным сырьем для образования тканей таких организмов являются простые органические вещества. Из этих соединений каждая клетка в отдельности синтезирует нужные для нее соединения. Таким образом, синтез белка может происходить на месте (гликоген синтезируется напрямую в мышцах, а не поставляется с кровью из печени).
2) Автотрофы - это организмы, которые могут совершать синтез органических соединений из углекислого газа с помощью реакций окислений (хемосинтез ) и солнечного света (фотосинтез ). Такими организмами являются некоторые виды бактерий и зеленые растения.
С развитием живых организмов в течение эволюции системы регуляции стали более сложными и упорядоченными. Сегодня у высокоразвитых организмов имеются дополнительные регуляторные гормональные механизмы и нервные механизмы , которые либо напрямую действуют на синтез ферментов или на сами ферменты, а также могут влиять на чувствительность клеток к тому или иному ферменту.
И превращение энергии. Энергетический обмен
Вспомните!
Что такое метаболизм?
Из каких двух взаимосвязанных процессов он состоит?
Где в организме человека происходит расщепление большей части органических веществ, поступающих с пищей?
Итак, в процессе энергетического обмена расщепляются органические соединения и запасается энергия, а во время пластического обмена расходуется энергия и синтезируются органические вещества. Реакции энергетического и пластического обмена находятся в неразрывной связи, образуя в совокупности единый процесс – обмен веществ и энергии, или метаболизм. Метаболизм непрерывно осуществляется во всех клетках, тканях и органах, поддерживая постоянство внутренней среды организма – гомеостаз.
Энергетический обмен. Большинству организмов на нашей планете для жизнедеятельности необходим кислород. Такие организмы называют аэробными. Энергетический обмен у аэробов происходит в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный. При наличии кислорода органические вещества в процессе дыхания полностью окисляются до углекислого газа и воды, в результате чего запасается большое количество энергии.
Анаэробные организмы способны обходиться без кислорода. Для некоторых из них кислород вообще губителен, поэтому они живут там, где кислорода нет совсем, как, например, возбудитель столбняка. Другие, так называемые факультативные анаэробы, могут существовать как без кислорода, так и в его присутствии. Энергетический обмен у анаэробных организмов происходит в два этапа: подготовительный и бескислородный, поэтому органические вещества окисляются не полностью и энергии запасается гораздо меньше.
Рассмотрим более подробно три этапа энергетического обмена (рис. 49).
Подготовительный этап. Этот этап осуществляется в желудочно-кишечном тракте и в лизосомах клеток. Здесь высокомолекулярные соединения под действием пищеварительных ферментов распадаются до более простых, низкомолекулярных: белки – до аминокислот, полисахариды – до моносахаридов, жиры – до глицерина и жирных кислот. Энергия, которая выделяется при этих реакциях, не запасается, а рассеивается в виде тепла. Низкомолекулярные вещества, образующиеся на подготовительном этапе, могут использоваться организмом для синтеза своих собственных органических соединений, т. е. вступать в пластический обмен или расщепляться дальше с целью запасания энергии.
Рис. 49. Этапы энергетического обмена
Бескислородный этап. Второй этап протекает в цитоплазме клеток, где происходит дальнейшее расщепление простых органических веществ. Аминокислоты, образованные на первом этапе, организм не использует на следующих этапах диссимиляции, потому что они необходимы ему в качестве материала для синтеза собственных белковых молекул. Поэтому для получения энергии очень редко расходуются белки, только в том случае, когда остальные резервы (углеводы и жиры) уже исчерпаны. Обычно самым доступным источником энергии в клетке является глюкоза.
Сложный многоступенчатый процесс бескислородного расщепления глюкозы на втором этапе энергетического обмена называют гликолизом (от греч. glycos – сладкий и lysis – расщепление).
В результате гликолиза глюкоза расщепляется до более простых органических соединений (глюкоза С 6 Н 12 О 6 ? пировиноградная кислота С 3 Н 4 О 3). При этом выделяется энергия, 60 % которой рассеивается в виде тепла, а 40 % используется для синтеза АТФ. При расщеплении одной молекулы глюкозы образуется две молекулы АТФ и две молекулы пировиноградной кислоты. Таким образом, на втором этапе диссимиляции организм начинает запасать энергию.
Дальнейшая судьба пировиноградной кислоты зависит от присутствия кислорода в клетке. Если кислород есть, то пировиноградная кислота поступает в митохондрии, где происходит ее полное окисление до СО 2 и Н 2 О и осуществляется третий, кислородный этап энергетического обмена (см. ниже).
При отсутствии кислорода происходит так называемое анаэробное дыхание, которое часто называют брожением. В клетках дрожжей в процессе спиртового брожения пировиноградная кислота (ПВК) превращается в этиловый спирт (ПВК? Этиловый спирт + СО 2).
При молочнокислом брожении из ПВК образуется молочная кислота. Этот процесс может происходить не только у молочнокислых бактерий. При напряженной физической работе в клетках мышечной ткани человека возникает нехватка кислорода, в результате чего образуется молочная кислота, накопление которой вызывает чувство усталости, боль и иногда даже судороги.
Кислородный этап. На третьем этапе продукты, образовавшиеся при бескислородном расщеплении глюкозы, окисляются до углекислого газа и воды. При этом освобождается большое количество энергии, значительная часть которой используется для синтеза АТФ. Этот процесс протекает в митохондриях и называется клеточным дыханием. В ходе клеточного дыхания при окислении двух молекул ПВК выделяется энергия, запасаемая организмом в виде 36 молекул АТФ.
Итак, в процессе энергетического обмена при полном окислении одной молекулы глюкозы до углекислого газа и воды образуется 38 молекул АТФ (2 молекулы – в процессе гликолиза и 36 – в процессе клеточного дыхания в митохондриях):
С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 + 38АДФ + 38Ф? 6СО 2 + 6Н 2 О + 38АТФ
В анаэробных условиях эффективность энергетического обмена значительно ниже – всего 2 молекулы АТФ. Продукты брожения (этиловый спирт, молочная кислота, масляная кислота) в своих химических связях сохраняют еще много энергии, т. е. более выгодным в энергетическом отношении является кислородный путь диссимиляции. Но исторически брожение – более древний процесс. Он мог осуществляться еще тогда, когда в атмосфере древней Земли отсутствовал свободный кислород.
Вопросы для повторения и задания
1. Что такое диссимиляция? Перечислите ее этапы.
2. В чем заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?
3. Какие структуры клетки осуществляют синтез АТФ?
4. Расскажите об энергетическом обмене в клетке на примере расщепления глюкозы.
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
В клетках постоянно осуществляются обмен веществ (метаболизм) — многообразные химические превращения, обеспечивающие их рост, жизнедеятельность, постоянный контакт и обмен с окружающей средой. Благодаря обмену веществ белки, жиры, углеводы и другие вещества, входящие в состав клетки, непрерывно расщепляются и синтезируются. Реакции, составляющие эти процессы, происходят с помощью специальных ферментов в определенном органоиде клетки и характеризуются высокой организованностью и упорядоченностью. Благодаря этому в клетках достигается относительное постоянство состава, образование, разрушение и обновление клеточных структур и межклеточного вещества.
Обмен веществ неразрывно связан с процессами превращения энергии. В результате химических превращений потенциальная энергия химических связей преобразуется в другие виды энергии, используемой на синтез новых соединений, для поддержания структуры и функции клеток и т.д.
Обмен веществ складывается из двух взаимосвязанных, одновременно протекающих в организме процессов — пластического и энергетического обменов .
Пластический обмен (анаболизм, ассимиляция) — совокупность всех реакций биологического синтеза. Эти вещества идут на построение органоидов клетки и создание новых клеток при делении.Пластический обмен всегда сопровождается поглощением энергии.
Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — совокупность реакций расщепления сложных высокомолекулярных органических веществ — белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов на более простые, низкомолекулярные. При этом выделяется энергия, заключенная в химических связях крупных органических молекул. Освобожденная энергия запасается в форме богатых энергией фосфатных связей АТФ.
Реакции пластического и энергетического обменов взаимосвязаны и в своем единстве составляют обмен веществ и превращение энергии в каждой клетке и в организме в целом.
Пластический обмен
Суть пластического обмена заключается в том, что из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества клетки. Рассмотрим этот процесс на примере образования важнейших органических соединений клетки — белков.
В синтезе белка — этом сложном, многоступенчатом процессе —участвуют ДНК, мРНК, тРНК, рибосомы, АТФ и разнообразные ферменты. Начальный этап белкового синтеза — образование полипептидной цепи из отдельных аминокислот, расположенных в
строго определенной последовательности. Главная роль в определении порядка расположения аминокислот, т.е. первичной структуры белка, принадлежит молекулам ДНК. Последовательность аминокислот в белках определена последовательностью нуклеотидов в молекуле ДНК. Участок ДНК, характеризующийся определенной последовательностью нуклеотидов, называется геном. Ген — это участок ДНК, являющийся элементарной частицей генетической информации. Таким образом, синтез каждого определенного специфического белка определяется геном. Каждой аминокислоте в полипептидной цепочке соответствует комбинация из трех нуклеотидов — триплет, или кодон. Именно три нуклеотида определяют присоединение к полипептидной цепи одной аминокислоты. Например, участок ДНК с триплетом ААЦ соответствует аминокислоте лейцину, триплет ТТТ — лизину, ТГА — треонину. Данная корреляция между нуклеотидами и аминокислотами называется генетическим кодом. В состав белков входит 20 аминокислот и всего 4 нуклеотида. Только код, состоящий из трех последовательно расположенных оснований, мог бы обеспечить задействование всех 20 аминокислот в структурах белковых молекул. Всего в генетическом коде 64 разных триплета, представляющих возможные сочетания из четырех азотистых оснований по три, что с избытком достаточно для кодирования 20 аминокислот. Каждый триплет шифрует одну аминокислоту, но большинство аминокислот кодируется более чем одним кодоном. В настоящее время код ДНК расшифрован полностью. Для каждой аминокислоты точно установлен состав кодирующих ее триплетов. Например, аминокислоте аргинин могут соответствовать такие триплеты нуклеотидов ДНК, как ГЦА, гцг, гцт, гцц, тцт, тцц.
Синтез белка осуществляется на рибосомах, а информация о структуре белка зашифрована в ДНК, расположенной в ядре. Для того чтобы синтезировался белок, информация о последовательности аминокислот в его первичной структуре должна быть доставлена к рибосомам. Этот процесс включает два этапа: транскрипцию и трансляцию.
Транскрипция (буквально — переписывание) протекает как реакция матричного синтеза. На цепи ДНК, как на матрице, по принципу комплементарности синтезируется цепь иРНК, которая по своей нуклеотидной последовательности точно копирует (комплементарна) полинуклеотидной цепи ДНК, причем тимину в ДНК соответствует урацил в РНК. Информационная РНК — это копия не всей молекулы ДНК, а только части ее — одного гена, несущего информацию о структуре белка, сборку которого необходимо произвести. Существуют специальные механизмы «узнавания» начальной точки синтеза, выбора цепи ДНК, с которой считывается информация, а также механизмы завершения процесса, в которых участвуют специальные кодоны. Так образуется матричная РНК. Молекула мРНК, несущая ту же информацию, что и гены, выходит в цитоплазму. Перемещение РНК через ядерную оболочку в цитоплазму происходит благодаря специальным белкам, которые образуют комплекс с молекулой РНК.
В цитоплазме на один из концов молекулы мРНК нанизывается рибосома; аминокислоты в цитоплазме активизируются с помощью ферментов и присоединяются опять же с помощью специальных ферментов к тРНК (специальному участку связывания с этой аминокислотой). Для каждой аминокислоты существует своя тРНК, один из участков которой (антикодон) представляет собой триплет нуклеотидов, соответствующий определенной аминокислоте и комплементарный строго определенному триплету иРНК.
Начинается следующий этап биосинтеза — трансляция : сборка полипептидных цепей на матрице иРНК. По мере сборки белковой молекулы рибосома перемещается по молекуле иРНК, причем перемещается не плавно, а прерывисто, триплет за триплетом. По мере перемещения рибосомы по молекуле мРНК сюда же с помощью тРНК доставляются аминокислоты, соответствующие триплетам мРНК. К каждому триплету, на котором останавливается в своем передвижении по нитевидной молекуле мРНК рибосома, строго комплементарно присоединяется тРНК. При этом аминокислота, связанная с тРНК, оказывается у активного центра рибосомы. Здесь специальные ферменты рибосомы отщепляют аминокислоту от тРНК и присоединяют к предыдущей аминокислоте. После установки первой аминокислоты рибосома передвигается на один триплет, а тРНК, оставив аминокислоту, мигрирует в цитоплазму за следующей аминокислотой. С помощью такого механизма шаг за шагом наращивается белковая цепь. Аминокислоты соединяются в ней в строгом соответствии с расположением кодирующих триплетов в цепи молекулы мРНК. Чем дальше продвинулась рибосома по иРНК, тем больший отрезок белковой молекулы «собран». Когда рибосома достигнет противоположного конца иРНК, синтез окончен. Нитевидная молекула белка отделяется от рибосомы. Молекула мРНК может использоваться для синтеза полипептидов многократно, как и рибосома. На одной молекуле иРНК может размещаться несколько рибосом (полирибосома). Их число определяется длиной мРНК.
Биосинтез белков — сложный многоступенчатый процесс, каждое звено которого катализируется определенными ферментами и снабжается энергией за счет молекул АТФ.
Энергетический обмен
Процессом, противоположным синтезу, является диссимиляция — совокупность реакций расщепления. В результате диссимиляции освобождается энергия, заключенная в химических связях пищевых веществ. Эта энергия используется клеткой для осуществления различной работы, в том числе и ассимиляции. При расщеплении пищевых веществ энергия выделяется поэтапно при участии ряда ферментов. В энергетическом обмене обычно выделяют три этапа.
Первый этап — подготовительный . На этом этапе сложные высокомолекулярные органические соединения расщепляются ферментативно, путем гидролиза, до более простых соединений — мономеров, из которых они состоят: белки — до аминокислот, углеводы — до моносахаридов (глюкозы), нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов и т.д. На данном этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде теплоты.
Второй этап — бескислородный, или анаэробный. Он называется также анаэробным дыханием (гликолизом) или брожением. Гликолиз происходит в клетках животных. Он характеризуется ступенчатостью, участием более десятка различных ферментов и образованием большого числа промежуточных продуктов. Например, в мышцах в результате анаэробного дыхания шестиуглеродная молекула глюкозы распадается на 2 молекулы пировиноградной кислоты (С3Н403), которые затем восстанавливаются в молочную кислоту (С3Н603). В этом процессе принимают участие фосфорная кислота и АДФ. Суммарное выражение процесса следующее:
С6Н1 206+ 2Н3Р04+ 2АДФ -» 2С3Н603+ 2АТФ + 2Н20.
В ходе расщепления выделяется около 200 кДж энергии. Часть этой энергии (около 80 кДж) расходуется на синтез двух молекул АТФ, благодаря чему 40% энергии сохраняется в виде химической связи в молекуле АТФ. Оставшиеся 120 кДж энергии (более 60 %) рассеиваются в виде теплоты. Процесс этот малоэффективный.
При спиртовом брожении из одной молекулы глюкозы в результате многоступенчатого процесса в конечном счете образуются две молекулы этилового спирта, две молекулы С02
С6Н1206+ 2Н3Р04+ 2АДФ -> 2С2Н5ОН ++ 2С02+ 2АТФ + 2Н20.
В этом процессе выход энергии (АТФ) такой же, как и при гликолизе. Процесс брожения — источник энергии для анаэробных организмов.
Третий этап — кислородный, или аэробное дыхание, или кислородное расщепление . На этой стадии энергетического обмена происходит последующее расщепление образовавшихся на предыдущем этапе органических веществ путем окисления их кислородом воздуха до простых неорганических, являющихся конечными продуктами — СО2и Н20. Кислородное дыхание сопровождается выделением большого количества энергии (около 2600 кДж) и аккумуляцией ее в молекулах АТФ.
В суммарном виде уравнение аэробного дыхания выглядит так:
2С3Н603+ 602+ 36АДФ -» 6С02+ 6Н20 + 36АТФ + 36Н20.
Таким образом, при окислении двух молекул молочной кислоты за счет выделившейся энергии образуется 36 энергоемких молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клеткиэнергией играет аэробное дыхание.
Обмен веществ - это совокупность протекающих в живых организмах химических превращений, обеспечивающих их рост, развитие и процессы жизнедеятельности.
Питание - это поддержание жизни и здоровья человека с помощью пищи, для поддержания нормального течения физиологических процессов жизнедеятельности, здоровья и работоспособности.
Дыхание - это совокупность процессов, обеспечивающих поступление из атмосферного воздуха в организм кислорода, использование его в биологическом окислении органических веществ и удаление из организма углекислого газа.
Движение - это процесс изменения положения тела и его частей.
Раздражимость - это свойство живых организмов реагировать на различные воздействия.
Размножение - это свойство живых организмов воспроизводить себе подобных с целью продления рода.
Рост - это увеличение массы организма, органа или участка ткани за счет увеличения количества и размеров клеток и неклеточных образований.
Органические вещества - это вещества, которые входят в состав живых организмов и образуются только при их участии.
Белки - это высокомолекулярные органические вещества, состоящие из аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью.
Жиры - это смеси сложных эфиров, образованных трехатомным спиртом глицерином и высшими жирными кислотами.
Углеводы - это обширная группа органических соединений, входящих в состав всех живых организмов.
Нуклеиновые кислоты - это соединения, состоящие из остатков фосфорной кислоты, пуриновых и пиримидиновых оснований и углевода.
Азот - это важнейший компонент белков и нуклеиновых кислот.
Кислород - это жизненно важный элемент, с помощью которого организмы дышат.
Мембрана - это оболочка клетки.
Хромосома - это нитевидная структура клеточного ядра, несущая генетическую информацию в виде генов, которая становится видной при делении клетки.
Хроматида - это структурный элемент хромосомы, формирующийся в интерфазе ядра клетки в результате удвоения хромосомы.
Митоз - это непрямое деление, основной способ деления эукариотных клеток.
Мейоз - это особый способ деления эукариотических клеток, в результате которого происходит переход клеток из диплоидного состояния в гаплоидное.
Ткань- это система клеток и межклеточного вещества, объединённых общим происхождением, строением и выполняемыми функциями.
Межклеточное вещество - это составная часть соединительной ткани позвоночных и многих беспозвоночных животных, включающая соединительнотканные волокна и аморфное основное вещество, выполняющая механическую, опорную, защитную и трофическую функции.
Орган - это часть организма, представляющая собой эволюционно сложившийся комплекс тканей, объединенный общей функцией, структурной организацией и развитием.
Побег - это один из основных вегетативных органов высших растений, состоящий из стебля с расположенными на нём листьями и почками.
Корень - один из основных органов растений, служащий для укрепления в почве, поглощения воды, минеральных веществ, синтеза органических соединений, а также для выделения некоторых продуктов обмена.
Лист - это важный орган растения, в котором происходят фотосинтез, газообмен и испарение.
Стебель - это удлинённый побег высших растений, служащий механической осью, также выполняет роль проводящей и опорной базы для листьев, почек, цветков.
Цветок - орган размножения покрытосеменных (цветковых) растений.
Плод - видоизменённый в процессе двойного оплодотворения цветок.
Семя - это особая многоклеточная структура сложного строения, служащая для размножения и расселения семенных растений.
Завязь - это нижняя расширенная часть пестика в цветке, по опылении образующая плод.
Тычинка - это репродуктивный орган цветка покрытосеменных растений, в котором образуются пыльцевые зёрна.
Пыльца - это скопление пыльцевых зёрен семенных растений.
Зародыш - это то,что представляет из себя организм на ранней стадии его развития.
Эндосперм - это запасающая ткань семени растений, в которой откладываются питательные вещества.
Гормон - это группа биологически активных веществ, выделяемых железами внутренней секреции
Обмен веществ
Обмен веществ - основное жизненное свой свойство организма, с прекращением обмена веществ наступает смерть. Обмен веществ включает два взаимосвязанных процесса: усвоение поступающих в организм веществ - ассимиляцию и их распад - диссимиляцию. В процессе ассимиляции образуются сложные органические вещества, идущие на построение клеток организма и межклеточных структур, а при диссимиляции сложные органические вещества распадаются, превращаясь в более простые. Процесс диссимиляции сопровождается выделением значительного количества энергии, необходимой для жизнедеятельности организма. Конечные продукты распада, не участвующие в дальнейших превращениях удаляются из организма. Главной особенностью процесса диссимиляции
является то, что при кислородном процессе распада большая часть энергии (около55%) запасается в виде АТФ и55%) запасается в виде АТФ и веществ (главным образом в новом синтезе органических веществ).
В обмене веществ участвуют белки, жиры, углеводы, вода, минеральные соли и витамины. Все процессы обмена веществ взаимосвязаны. Интенсивность обмена веществ зависит от возраста человека, характера выполняемой работы, климатических и других факторов. Обмен веществ регулируется нервной системой и гуморальными факторами. При заболеваниях происходят различные изменения в обмене веществ, иногда они являются основными признаками заболевания. Например, при подагре в крови повышено содержание мочевой кислоты и происходит ее отложение в суставах, сухожилиях и хрящах. Изменения в обмене веществ могут наблюдаться при нарушении деятельности эндокринных желез, недостаточном поступлении в организм витаминов, при поражении некоторых отделов нервной системы, например гипоталамуса.
Белки, поступившие с пищей в организм, под воздействием ферментов пищеварительного тракта распадаются до аминокислот, которые всасываются в кровь и разносятся ею по всему организму. В клетках органов и тканей из них синтезируются белки, свойственные человеку. Не использованная часть белков подвергается распаду и удаляется из организма, а освобождающаяся энергия используется в других реакциях (энергетическая функция белков). Белки необходимы не только для построения клеточных структур (строительная функция), но являются составной частью ферментов, гормонов и некоторых других веществ. Белки входят в состав ферментов в качестве катализаторов многих реакций (каталитическая функция) и антител (защитная функция).
Конечными продуктами распада белков в организме являются вода, углекислый газ и азотсодержащие вещества (аммиак, мочевая кислота и др.). Продукты распада белков выводятся из организма через органы выделения. Белки в организме в запас не откладываются (или почти не откладываются). В здоровом взрослом организме количество поступившего азота равно количеству выведенного, т.е. белка распадается столько же, сколько его поступает (азотистое равновесие). В детском растущем организме синтез белков превышает их распад (положительный азотистый баланс). При тяжелых заболеваниях и при голодании, а также часто у очень пожилых людей может наблюдаться отрицательный азотистый баланс: количество выведенного азота превышает количество введенного. В белках в среднем содержится 16% азота, т.е. вес белков в 6,25 раза превышает вес имеющегося в них азота (расчет на 100 г белка). Полученное количество азота умножают на 6,25 и получают количество белка в граммах. Суточная потребность в белках - в среднем 100-118 г; она зависит от возраста, характера профессии и других условий. Длительный недостаток белков вызывает тяжелые нарушения в организме: задержку роста и развития у детей, изменения в ферментативных системах организма, в железах внутренней секреции и др. Положительный азотистый баланс у взрослого человека может быть при росте новообразований - росте клеток, не свойственных организму. Если вовремя обнаружить этот процесс, то возможно своевременное лечение.
Сложные углеводы, поступающие в организм с пищей, расщепляются в пищеварительном тракте до моносахаридов, которые поступают в кровь, а затем - в печень, где из глюкозы синтезируется гликоген. По мере надобности он снова превращается в глюкозу, которая и разносится по организму кровью. Содержание глюкозы в крови поддерживается на одном уровне (около 0,1%). Печень регулирует содержание сахара в крови: в ней содержится около 300 г углеводов в виде гликогена. При поступлении значительного количества сахара или глюкозы (150-200 г) с пищей уровень сахара в крови повышается (пищевая гипергликемия). Избыток сахара выводится с мочой, т.е. в моче появляется глюкоза - наступает глюкозурия. При нарушении внутрисекреторной деятельности поджелудочной железы наступает заболевание, носящее название сахарной болезни, или сахарного диабета. При сахарном диабете уровень сахара в крови повышается и начинается усиленное выделение сахара с мочой (в течение дня может выделиться с мочой до 500 г сахара). Гликоген откладывается не только в печени, он может накапливаться в мышцах. При необходимости глюкоза поступает в кровь как из гликогена печени, так и из гликогена, содержащегося в мышцах. Глюкоза не только структурный компонент цитоплазмы клеток, но и необходимый компонент их роста (источник энергии), она очень важна для работы нервной системы (гликоген откладывается и в нервных клетках). Если концентрация сахара в крови понизится до 0,04%, то начинаются судороги, бред, потеря сознания и т.д. - нарушается деятельность центральной нервной системы. Достаточно такому больному дать поесть обычного сахара или ввести в кровь глюкозу, как все нарушения исчезают. Резкое и длительное понижение сахара в крови - гипогликемия может повлечь более резкие нарушения деятельности организма и привести к смерти. При недостаточном поступлении углеводов с пищей они могут образовываться из белков и жиров.
Углеводы легко распадаются и являются главным источником энергии в организме, особенно при физических нагрузках. Суточная потребность человека в углеводах в среднем составляет 450-500 г. Центр регуляции содержания сахара в крови находится в продолговатом и промежуточном (подбугровая область) мозге. Высшие центры находятся в коре больших полушарий. Адреналин - гормон мозгового слоя надпочечников - способствует превращению гликогена в глюкозу и усиливает окислительные процессы в клетках. Его действие противоположно инсулину, который способствует проникновению глюкозы в клетки и синтезу гликогена. В регуляции углеводного обмена также принимают участие и другие гормоны: гормоны коры надпочечников, передней доли гипофиза и щитовидной железы.
Жиры, как и углеводы, используются организмом как источник энергии. При окислении жира выделяется в два с лишним раза больше энергии, чем при окислении такого же количества углеводов и белков: при окислении 1 г жира выделяется 9,3 ккал тепла, 1 г углеводов -4,1 ккал, 1 г белка - 4,1 ккал.
Образующийся при распаде жиров глицерин легко всасывается, а жирные кислоты всасываются только после омыления. В организме человека из глицерина и жирных кислот образуется жир, свойственный только организму человека. Жир входит в состав клеток, а невостребованные организмом количества жира откладываются в запас в виде жировых капель. Жир откладывается преимущественно в подкожной клетчатке, сальнике, вокруг почек, содержится в печени и мышцах. У человека жир составляет 10-20% веса, а при ожирении - до 50%. При ожирении нарушаются обменные процессы. Жир синтезируется не только из потребленного жира, но и из белков и углеводов. При голодании из жиров образуются углеводы, используемые в качестве источника энергии. В регуляции жирового обмена большую роль играет центральная нервная система, а также многие железы внутренней секреции (половые, гипофиз, щитовидная, надпочечники).
Гормональная регуляция белкового обмена еще менее изучена, чем гормональная регуляция обмена липидов. Поскольку рост состоит в отложении нового белка в цитоплазме, какую-то роль в этой регуляции играет гипофизарный гормон роста, но механизм его действия известен мало. В регуляции белкового обмена участвуют также инсулин, половые гормоны и кортизол, выделяемый корой надпочечников. Весьма важную роль в сохранении жизни организма играет обмен липоидов, или жироподобных веществ, входящих в состав нервной ткани и участвующих в ее деятельности. По своему строению липоиды близки некоторым гормонам и, по-видимому, являются основой для образования половых гормонов, гормона коры надпочечников и витамина D.
Вода и минеральные соли не являются источниками энергии и питательными веществами, но их роль чрезвычайно важна. Вода составляет до 65% веса организма, а у детей - до 80%. Без пищи, но при наличии воды (ее потреблении) человек может обходиться 40-50 дней, а без воды погибает через несколько дней. Вода и минеральные соли создают внутреннюю среду организма, являясь основной частью плазмы, лимфы и тканевой жидкости. Растворенные в воде минеральные соли поддерживают постоянное осмотическое давление, необходимое для нормальной жизнедеятельности клеток организма. Вода в небольшом количестве образуется в организме в ходе окисления питательных веществ, особенно много ее получается при окислении жиров (118 г воды при окислении 100 г жиров). Вода поступает в организм при питье и с пищей, выделяется, в основном, почками (1,5 л), частично - с выдыхаемым воздухом (500 мл) и при испарении с поверхности кожи (500 мл). Суточная потребность взрослого человека в воде составляет 2-2,5 л, она может колебаться в зависимости от климатических условий и условий работы. В жаркую погоду вода потребляется в большом количестве, равно как и при работе в горячих цехах. Вода является растворителем многих веществ, в ней протекают все физико-химические реакции организма, она играет важную роль в транспорте веществ. Отношение количества потребленной воды к количеству выделенной называется водным балансом; важно, чтобы приход воды покрывал расход, в противном случае в результате потери воды наступают серьезные нарушения жизнедеятельности организма.
С пищей в организм вводится около 15 химических элементов, часть которых поступает в ничтожно малых количествах. В сутки человеку требуется до 10 г поваренной соли, 1 г калия, 0,3 г магния, 1,5 г фосфора, 0,8 г кальция, 0,012 г железа, 0,001 мг меди, 0,0003 г марганца и 0,00003 г йода. Соли распределены в разных клетках и тканях организма неравномерно. Так, много солей натрия содержится в плазме и межклеточной жидкости; солей калия в клетках больше, чем в жидких средах организма; кости содержат много кальция и фосфора; гемоглобин - медь и железо, а клетки щитовидной железы - йод. Поскольку минеральные вещества постоянно выводятся из организма, они должны быть в равном количестве восполнены с приемом пищи. Отсутствие солей в пищевом рационе может привести к смерти быстрее, чем полное голодание. Необходимость в поваренной соли обусловлена тем, что ее раствор играет главную роль в поддержании осмотического давления. Соли кальция необходимы для поддержания деятельности сердца: при их отсутствии деятельность сердца замедляется и вскоре полностью прекращается. Соотношение солей калия и кальция также важно для нормальной деятельности мышцы сердца. Ионы натрия, калия, кальция и хлора играют роль в процессах возбуждения и торможения, мышечного сокращения. Соли, которые необходимы в минимальных количествах (микроэлементы), также важны для нормального функционирования организма (например, кобальт входит в состав витамина В12; цинк, входит в состав фермента - угольной ангидразы, связывающей углекислый газ крови; фтор предупреждает разрушение зубов и др.).
Рациональное питание должно полностью покрывать потребность человека в энергии и пластических веществах. В суточный рацион человека, не занимающегося физическим трудом, должно входить около 100 г белка, 90 г жира и 400 г углеводов (около 3 000 ккал); необходимы минеральные соли, витамины и вода. При физической нагрузке растет потребность в энергии и пластических веществах, в связи с этим в диете должно увеличиваться содержание не только жиров и углеводов, но и белков.
Рекомендуется около 50% белков и жиров потреблять в виде продуктов животного происхождения и при увеличении калорийности пищи сохранять соотношение белков, жиров и углеводов - 1:1:4. В таком соотношении продукты лучше усваиваются. Одностороннее питание (преобладание или белковой, или углеводной пищи) нецелесообразно, так как оно нарушает процессы пищеварения и обмена веществ. Для снижения веса тела следует снизить прием углеводов.
Суточная потребность в энергии для лиц
(в килокалориях)
Люди умственного труда
Люди, занятые на
механизированных производствах
Рабочие физического труда
(частичная либо отсутствующая
механизация)
Лица, выполняющие тяжелую
мышечную работу
Обмен веществ сопровождается обменом энергии - оба процесса взаимосвязаны. Выделенная при диссимиляции энергия расходуется в виде механической (в мышцах), электрической (нервная и другие ткани), химической (синтез новых веществ) и других видов энергии. Важно, что все эти виды энергии превращаются в тепловую, выделяющуюся в окружающую среду. Интенсивность обмена веществ можно определить по количеству образовавшегося в организме тепла. В среднем организмом человека усваивается около 90% поступивших питательных веществ. Расход энергии в организме поддается учету. При прямой калориметрии количество выделенной теплоты определяют в специальных камерах, при непрямой калориметрии с помощью специальных приборов устанавливают объем вдыхаемого кислорода и выдыхаемого углекислого газа (газообмен) и высчитывают дыхательный коэффициент (отношение объема выдохнутого углекислого газа к объему поглощенного кислорода - СО2/О2), пользуясь которым по специальным таблицам можно подсчитать расход энергии.
Основной обмен - количество энергии, расходуемое организмом только на поддержание жизни, т.е. на процессы, происходящие при полном покое (работа сердца, сокращение дыхательных мышц, мочеобразование, выделение гормонов и т.д.). Величина основного обмена меняется в зависимости от пола, веса, возраста человека и других факторов. Она колеблется в пределах от 1 000 до 2 000 больших калорий в сутки у взрослых мужчин и от 1 000 до 1 700 у женщин (в среднем по 24 больших калории на килограмм веса). При физических нагрузках помимо основного обмена происходит дополнительная затрата энергии (рабочий обмен организма). Общая затрата энергии, таким образом, складывается из основного и рабочего обменов и при высоких физических нагрузках может достигать 5 000 и более больших калорий. Существует прямая зависимость между обменом веществ и теплообразованием: повышение обмена веществ сопровождается усилением теплообразования и, наоборот, при понижении обмена веществ снижается и теплообразование. Теплоотдача осуществляется через кожу при испарении пота, с выдыхаемым воздухом, с мочой и калом. Регуляция теплоотдачи основана в значительной степени на изменении объема крови, протекающей через сосуды кожи, и на интенсивности потоотделения. При расширении сосудов кожи и усиленном притоке крови теплоотдача повышается, а при сужении сосудов и уменьшении притока крови - снижается. Процесс теплоотдачи и теплообразования регулируется нервной системой - «тепловой центр» расположен в промежуточном отделе мозга.
В организме здорового человека между образованием тепла и его отдачей существует равновесие: в окружающую среду выделяется столько тепла, сколько его образуется, благодаря чему температура тела поддерживается на одном уровне. Средняя температура тела при измерении в подмышечной впадине составляет 36,5-36,9 oС. Наиболее низкая температура отмечается с 4 до 6 часов, наиболее высокая - с 16 до 18 часов. При заболевании наблюдается повышение температуры тела вследствие нарушения теплорегуляции; повышение ее свыше 41 oС является угрожающим для организма, так как нарушаются жизненные процессы, протекающие при определенных границах температуры. При высокой температуре резко повышается обмен веществ: усиливается распад собственных белков (отрицательный азотистый баланс), учащаются работа сердца и дыхание, повышается кровяное давление и т.п. При интенсивной мышечной работе повышение температуры может привести к тепловому удару, особенно в условиях высокой температуры воздуха. При длительном охлаждении температура тела по сравнению с нормальной может понизиться, т.е. может развивается гипотермия. В условиях жаркого климата или в горячих цехах главным средством охлаждения тела является потоотделение. Человек в сутки может терять с потом до 9-15 л воды и отдавать 5 000-9 000 ккал тепла (1 мл воды отнимает 0,58 ккал). При изменении температуры внешней среды рефлекторно изменяется работа желез внутренней секреции: щитовидной железы, надпочечников и поджелудочной железы (их гормоны усиливают окислительные процессы). Гипофиз тормозит секрецию гормона щитовидной железы, снижает обмен веществ и снижает температуру тела.