Лекция 18. Обмен веществ и энергии
1. Сущность обмена веществ.
2. Значение обмена органических веществ (белков, жиров и углеводов) в организме человека.
3. Значение обмена воды и минеральных веществ.
4. Обмен энергии.
5. Энергозатраты организма человека.
6. Регуляция обмена веществ и энергии.
Сущность обмена веществ
Обмен веществ (метаболизм) обеспечивает жизнедеятельность организма при взаимосвязи с внешней средой. Потребляя пищу и кислород, организм использует эти вещества для получения энергии, которую затем выделяет в виде тепла или тратит на механические перемещения предметов или частей собственного тела. Согласно закону сохранения энергии, энергия не возникает из ниоткуда и не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Следовательно, суммарное потребление энергии организмом должно быть равно суммарному количеству энергии, которое выделяется им в процессе жизнедеятельности. В растущем организме небольшая доля энергии (5-7%) аккумулируется в виде новых структур, молекул, клеток, и поэтому такой организм выделяет в окружающую среду чуть меньше энергии, чем потребляет.
Обмен веществ – это совокупность физических, химических и физиологических процессов усвоения питательных веществ в организме с высвобождением энергии.
Обмен веществ обеспечивается двумя разнонаправленными, но взаимосвязанными процессами, такими как:
1. Анаболизм – это совокупность процессов биосинтеза органических соединений, компонентов клеток, органов и тканей из поглощенных питательных веществ.
2. Катаболизм – это процессы расщепления сложных компонентов до простых веществ, обеспечивающих энергетические и пластические потребности организма. Обеспечение организма энергией происходит за счет анаэробного и аэробного катаболизма поступающих с пищей белков, жиров и углеводов. Процессы ассимиляции и диссимиляции в здоровом взрослом организме находятся в динамическом равновесии.
2. Значение обмена органических веществ (белков, жиров и углеводов) в организме человека
Химический процесс биологического окисления не отличается от процесса горения, но протекает более медленно, что позволяет организму максимально полно использовать энергию, заключенную в химических связях окисляемых веществ. В процессе биологического окисления энергия химических связей питательных веществ (углеводов, белков, жиров) преобразует в энергию других химических связей.
Практическое задание. Далее, по тексту п. 2 лекции, заполните таблицу:
| Вещество | Суточная потребность | Источник получения | Значение |
Обмен углеводов
Суточная потребность человека в углеводах в среднем составляет около 500 г. Углеводы – основной источник энергии для организма и кроме того, они входят в состав сложных соединений, например, нуклеиновых кислот, гликопротеинов. Суточная норма потребления определяется степенью физической активности человека (тяжестью выполняемого труда). При недостаточном поступлении углеводов с пищей в качестве источника энергии их в значительной мере заменяют жирные кислоты (образующиеся при расщеплении жиров). Для головного мозга глюкоза – практически единственный источник энергии. Однако для обеспечения этих потребностей глюкоза не обязательно должна поступать с пищей. Она может образовываться в печени при распаде запасов гликогена либо путем глюконеогенеза – превращения в глюкозу молочной кислоты, некоторых аминокислот и глицерола – трехатомного спирта, образующегося при расщеплении жиров.
О состоянии углеводного обмена судят по толерантности к углеводам, которую определяют в тесте с помощью глюкозной нагрузки, по результатам которого строят так называемую глюкозную кривую. У здорового человека после приема 50 г глюкозы натощак в течение 1 часа уровень глюкозы в крови достигает максимума – 8 – 8,5 мМ/л. К концу 2-го часа уровень нормализуется. Толерантность к углеводам определяет то максимальное количество глюкозы, которое организм может усвоить без появления гликозурии. У человека это составляет в 160-180 г глюкозы натощак. В общем, гликозурия появляется тогда, когда уровень глюкозы в крови превышает почечный порог – 8 мМ/л. Необходимо отметить, что уровень глюкозы в крови может увеличиваться после приема пищи – это так называемая алиментарная гипергликемия.
Обмен липидов
Суточная потребность человека в нейтральных жирах составляет 70 – 80г. Кроме обеспечения части энергетических потребностей организма, пищевые липиды служат материалом для синтеза фосфолипидов клеточных мембран. В отличие от белков, жиры предпочтительно получать из растительного сырья, так как они содержат незаменимые полиненасыщенные жирные кислоты линолевую, линоленовую, которые не синтезируются в организме человека.
Источники насыщенных жирных кислот — мясо, молоко и маргарин.
Холестерин, необходимый для синтеза жёлчных кислот и стероидных гормонов, но одновременно играющий важную роль в развитии атеросклероза, содержится в продуктах животного происхождения и особенно в яичном желтке. С пищевыми липидами организм получает растворенные в них витамины A, D, Е и К.
Обмен белков
В сутки в организме человека расщепляется около 400 г белка. Две трети образовавшихся при этом аминокислот идут на ресинтез белка и одна треть расходуется на образование энергии. Отсюда следует, что человек должен получать в сутки 100 – 120 г белка. Возможность синтеза собственных белков в человеческом организме ограничивается составом белков пищи. Синтезу может препятствовать недостаток в пище одной-единственной аминокислоты. Из 20 аминокислот 9 считаются незаменимыми, т. е. они не могут быть синтезированы в организме человека и обязательно должны поступать с пищей. Причем белки животного происхождения богаче незаменимыми аминокислотами, чем растительные белки. Тем не менее, правильно организованное вегетарианское питание (например, включающее пшеницу и бобы) способно обеспечить потребности человеческого организма в незаменимых аминокислотах.
В организме ежедневно образуется столько же белка, сколько и разрушается. В этом можно убедиться, сравнивая количества азота, поступающего с пищей и выводимого с экскрементами, слюной, слущенным кожным эпителием, волосами и др. Равенство этих количеств называется азотистым балансом. Во время роста, беременности или при заживлении ран азотистый баланс становится положительным – часть полученного азота остается в организме. При недостаточном поступлении белков с пищей наблюдается отрицательный азотистый баланс. Длительное недоедание (недостаток углеводов и жиров в пище) приводит к тому, что в качестве источника энергии все более используются аминокислоты, что также приводит к появлению отрицательного азотистого баланса.
Потребность в витаминах
Практическое задание. Далее, по тексту п. 3 лекции, заполните таблицу:
| Витамин | Суточная потребность | Значение |
Витамины выполняют роль коферментов многочисленных биохимических реакций. Различают жирорастворимые (A, D, Е, К) и водорастворимые (С, Р, группа В) витамины. Жирорастворимые витамины, поступающие в организм с пищей, накапливаются в значительных количествах в печени (A, D и К) или в жировой ткани (Е).
Функции жирорастворимых витаминов и суточная потребность человека в них:
А (ретинол, 1 – 2 мг) —компонент зрительных пигментов (родопсина и др.), необходим для роста эпителиальной и нервной тканей;
D (антирахитический, кальциферолы, 12 – 25 мкг – для детей) — регулятор обмена кальция и фосфора в костях;
Е (токоферолы и токотриенолы) – сильный антиоксидант, участвует в репродуктивной функции;
К (антигеморрагический, филлохинон и менахинон, 20 – 30 мг) – активатор нескольких факторов свертывания крови.
F (незаменимые жирные кислоты) – не синтезируются в организме и поступают в него с пищей. Водорастворимые витамины содержатся преимущественно в расти- тельной пище, в значительных количествах накапливаться в организме человека не могут.
Функции водорастворимых витаминов и суточная потребность в них:
B1 (тиамин, 1 – 2 мг) – окислительное декарбоксилирование α – кето-кислот например, пировиноградной кислоты;
В2 (рибофлавин, 2 – 3 мг) – перенос электронов (тканевое дыхание);
В3 (пантотеновая кислота, 10 мг) – окисление пировиноградной кислоты, синтез жирных кислот, стероидных гормонов, гема, ацетилхолина и др.;
B6 (пиридоксин, пиридоксаль, 2 мг) – трансаминирование и декарбоксилирование аминокислот, в том числе с образованием биогенных аминов;
B9 (фолиевая кислота, фолацин, Вс, 200 мкг) – биосинтез пуриновых и пиримидиновых оснований;
B12 (кобаламин, 2—5 мкг) – взаимопревращения некоторых аминокислот, синтез метионина;
РР (никотиновая кислота, ниацин, никотинамид, 15—25 мг) – участие (в виде НАД и НАДФ) в окислительно-восстановительных реакциях;
С (аскорбиновая кислота, 50—100 мг) – антиоксидант, участвует в реакциях синтеза коллагена – белка соединительной ткани);
Н (биотин, 150 – 200 мкг) — участие в синтезе белков, жирных и нуклеиновых кислот. Недостаточное поступление витаминов с пищей приводит к развитию
гиповитаминозов.
Кроме собственно витаминов выделяют группу веществ, называемых витаминоподобными веществами, к которым относятся, например, парааминобензойная кислота (витамин Вх), пангамовая (витамин B15) и липоевая кислоты, инозит (витамин B8), убихинон (кофермент Q), S-метилметионин (витамин U) и др.
Обмен энергии
Обмен веществ тесно связан с превращением энергии. Единственным источником энергии для живого организма служит химический процесс биологического окисления белков, жиров и углеводов. Одни вещества в ходе метаболизма могут превращаться в другие: избыток белков - в жиры и углеводы, а избыток углеводов - в жиры. Если организм некоторое время лишен пищи, то его жизнедеятельность поддерживается за счет окисления накопленных заранее резервов углеводов (в печени и мышцах), жиров (жировая ткань), а также белков (мышечная ткань). Главным в этом случае является энергоснабжение нервных клеток, от которых зависит управление всеми функциями организма. Гибель нервных клеток приводит к гибели всего организма. В том числе, энергия необходима для совершения внешней работы: мышечного сокращения и секреторной деятельности.
С точки зрения физики человеческий организм представляет собой открытую энергетическую систему, которая получает энергию из окружающей среды в виде химических связей и преобразует ее в тепло или работу.
Причем вещества, поступающие из пищи в организм, сами по себе не способны непосредственно передавать энергию своих химических связей ее потребителям, например калий-натриевому насосу или актину и миозину мышц. Между пищевыми «энергоносителями» и «потребителями» энергии есть универсальный посредник – аденозинтрифосфат (АТФ):
Именно АТФ является непосредственным источником энергии для любых процессов в живом организме. В формуле АТФ присутствуют макроэргические связи. Эти связи содержат в себе значительное количество энергии. При отщеплении концевого остатка фосфорной кислоты АТФ превращается в аденозиндифосфат (АДФ). При этом высвобождается 7,3 ккал/моль энергии. Энергия химических связей в молекулах пищевых веществ используется для обратного получения АТФ из АДФ. АТФ образуется из АДФ и остатка фосфорной кислоты в длинной цепи биохимических превращений. Если рассматривать получение АТФ на примере глюкозы, то первый этап, происходящий в цитоплазме, в этой метаболической цепи называется анаэробным (бескислородным) гликолизом. В ходе гликолиза молекула глюкозы превращается в 2 молекулы пировиноградной кислоты (пируват), давая при этом энергию для ресинтеза АТФ. Однако в этом процессе число получаемых молекул АТФ невелико, всего 2 молекулы. Гликолиз - это быстрый, но малоэффективный процесс, так как пировиноградная кислота содержит еще много потенциальной химической энергии, но для ее окисления необходимы специальные ферменты и кислород. Затем пировиноградная кислота превращается в молочную, которая порой в больших количествах выходит в кровь и организму приходится включать процессы саморегуляции для нормализации кислотного состава крови.
Процесс дальнейшего окисления пировиноградной кислоты происходит в митохондриях, где процесс окисления протекает с участием кислорода - аэробный гликолиз. Поэтому далее пируват превращается в ацетилкоэнзим А – исходный продукт для следующего этапа утилизации, цикла Кребса.
Вещества, образовавшиеся в цикле Кребса, идут в дыхательную цепь, где происходит еще один этап – окислительное фосфорилирование, в результате которого также образуется АТФ. Таким образом, каждая молекула пировиноградной кислоты, пройдя полный цикл окисления позволяет получить 17 молекул АТФ. В результате благодаря распаду 1 молекулы глюкозы организм получает 38 молекул АТФ (2 при анаэробном окислении и 36 при аэробном). В качестве единицы измерения энергии в физиологии традиционно применяется килокалория (1 ккал) – количество энергии, необходимое, для нагревания 1 кг чистой воды на 1 °С (от 14,5 до 15,5 °С). Используются также системные единицы – джоули (Дж) и килоджоули (1 кДж = 0,24 ккал; 1 ккал = 4,19 кДж). Интенсивность обмена (скорость метаболизма) измеряется в ккал/мин, ккал/ч или ккал/сут.
Запасы энергии
Наиболее мобильным запасом энергии считается глюкоза, растворенная в крови. Ее существенным достоинством как источника энергии является то, что она может быть использована не только в аэробном, но и в анаэробном дыхании, т.е., может давать небольшое количество энергии и в отсутствие кислорода (в отличие от жиров). Однако ее количества, содержащегося в крови (20 г), достаточно для поддержания жизни только в течение 1 ч. Запасание большего количества энергии в виде глюкозы невозможно: это привело бы к резкому увеличению либо осмотического давления, либо массы тела.
Окисление 1 г глюкозы дает 4,1 ккал энергии. Для обеспечения жизни человека необходимы, по меньшей мере, 2000 ккал/сут, или примерно 500 г глюкозы. Изотонический раствор такого количества глюкозы имел бы объем 10 л, что сопоставимо с объемом всей межклеточной жидкости.
Однако и у высших животных сохранились структуры, для которых глюкоза остается главным источником энергии: центральная нервная система; эритроциты (не имеющие митохондрий); клетки мозгового вещества почек (работающие в условиях низкого напряжения кислорода и потому нуждающиеся в глюкозе для получения энергии анаэробным путем). Мозг потребляет почти исключительно глюкозу. Только после 4 – 5 сут полного голодания концентрация кетоновых тел в крови становится достаточной, чтобы обеспечить часть потребностей мозга в энергии, но и после нескольких недель голодания мозг половину своей потребности в энергии удовлетворяет за счет глюкозы.
Полимеризация глюкозы до гликогена облегчает запасание энергии, но не решает проблему полностью. Возможности накопления гликогена также ограничены: он хранится в теле только в присутствии значительного количества воды. Чтобы поститься в течение 1 сут, человеку требуется 1 кг «мокрого» гликогена (500 г собственно гликогена + 500 г воды). Двухмесячный запас составил бы 60 кг. Реальное количество гликогена в человеческом организме (около 100 г в печени и около 200 г в мышцах) достаточно для голодания в течение менее чем 1 сут.
Скелетные мышцы используют гликоген в случаях недостаточного снабжения их кислородом. Таким образом, гликоген является вторым по очередности использования (после глюкозы) и более емким запасом энергии. Избыток глюкозы превращается в жиры – самый емкий, но еще менее мобильный запас энергии.
В организме млекопитающих имеется особая ткань, выполняющая сугубо специфическую роль в липидном обмене, жировая ткань. Она состоит из жировых клеток, или адипоцитов. Она распространена по всему организму – под кожей, в брюшной полости, образует жировые прослойки вокруг отдельных органов. Ее количество в организме воистину огромно. У мужчины со средней массой тела суммарный вес жировой ткани составляет от 10 до 20 кг! А у тучных людей на десятки килограммов больше. Выделяют так называемые белую и бурую жировые ткани. Около 65 % массы жировой ткани приходится на долю отложенных в ней триацилглицеролов (ТАГ), что составляет примерно 95 % всех ТАГ в организме. Последние представляют собой форму запасания энергии и выполняют в обмене жиров такую же функцию, как гликоген печени в обмене углеводов.
ТАГ являются самыми высококалорийными веществами живых организмов. При полном их окислении выход энергии составляет 9,5 ккал/г. Высокая энергетическая ценность ТАГ объясняется тем, что входящие в их состав ЖК – высоковосстановленные соединения. Кроме того, благодаря выраженной гидрофобности, ТГ резервируются в жировой ткани в почти обезвоженной форме. Поэтому количество энергии, запасенной в 1 г такого обезвоженного жира, намного превышает энергию 1 г гидратированного гликогена.
Белки также обладают энергетической ценностью. При необходимости часть аминокислот, образующихся при расщеплении белков, используется не для повторного синтеза белка, а для образования глюкозы. Однако животные не способны накапливать дополнительные количества белка в качестве запаса энергии, и специального органа для хранения белков не существует.
Теплота сгорания - это количество тепла, которое выделяется при окислении 1 грамма вещества. Так при окислении 1 г жира выделяется 9,3 ккал; 1 г углеводов - 4,1 ккал и белка - 4,1 ккал тепла. В пересчете на Дж: при расщеплении 1 г углеводов выделяется 17,6 кДж энергии; жиров - 38,9 кДж; белков - 17.2 кДж.
При условии ежедневного использования 2000 ккал запасы энергии содержащиеся в теле человека, достаточны для 7 недель голодания (глюкозы и гликогена – на 1 сут, жиров — более чем на 40 сут и белков — примерно на 6 сут). При голодании происходит постепенное и поочередное использование запасов энергии: сначала используются глюкоза и гликоген, затем жиры и, наконец, белки. В первые дни ограниченного питания масса тела снижается относительно быстро за счет расщепления гликогена и выведения связанной с ним воды. Затем наступает очередь жиров, и снижение массы тела замедляется.
Лекция 18. Обмен веществ и энергии
1. Сущность обмена веществ.
2. Значение обмена органических веществ (белков, жиров и углеводов) в организме человека.
3. Значение обмена воды и минеральных веществ.
4. Обмен энергии.
5. Энергозатраты организма человека.
6. Регуляция обмена веществ и энергии.
Сущность обмена веществ
Обмен веществ (метаболизм) обеспечивает жизнедеятельность организма при взаимосвязи с внешней средой. Потребляя пищу и кислород, организм использует эти вещества для получения энергии, которую затем выделяет в виде тепла или тратит на механические перемещения предметов или частей собственного тела. Согласно закону сохранения энергии, энергия не возникает из ниоткуда и не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Следовательно, суммарное потребление энергии организмом должно быть равно суммарному количеству энергии, которое выделяется им в процессе жизнедеятельности. В растущем организме небольшая доля энергии (5-7%) аккумулируется в виде новых структур, молекул, клеток, и поэтому такой организм выделяет в окружающую среду чуть меньше энергии, чем потребляет.
Обмен веществ – это совокупность физических, химических и физиологических процессов усвоения питательных веществ в организме с высвобождением энергии.
Обмен веществ обеспечивается двумя разнонаправленными, но взаимосвязанными процессами, такими как:
1. Анаболизм – это совокупность процессов биосинтеза органических соединений, компонентов клеток, органов и тканей из поглощенных питательных веществ.
2. Катаболизм – это процессы расщепления сложных компонентов до простых веществ, обеспечивающих энергетические и пластические потребности организма. Обеспечение организма энергией происходит за счет анаэробного и аэробного катаболизма поступающих с пищей белков, жиров и углеводов. Процессы ассимиляции и диссимиляции в здоровом взрослом организме находятся в динамическом равновесии.
2. Значение обмена органических веществ (белков, жиров и углеводов) в организме человека
Химический процесс биологического окисления не отличается от процесса горения, но протекает более медленно, что позволяет организму максимально полно использовать энергию, заключенную в химических связях окисляемых веществ. В процессе биологического окисления энергия химических связей питательных веществ (углеводов, белков, жиров) преобразует в энергию других химических связей.
Практическое задание. Далее, по тексту п. 2 лекции, заполните таблицу:
| Вещество | Суточная потребность | Источник получения | Значение |
Обмен углеводов
Суточная потребность человека в углеводах в среднем составляет около 500 г. Углеводы – основной источник энергии для организма и кроме того, они входят в состав сложных соединений, например, нуклеиновых кислот, гликопротеинов. Суточная норма потребления определяется степенью физической активности человека (тяжестью выполняемого труда). При недостаточном поступлении углеводов с пищей в качестве источника энергии их в значительной мере заменяют жирные кислоты (образующиеся при расщеплении жиров). Для головного мозга глюкоза – практически единственный источник энергии. Однако для обеспечения этих потребностей глюкоза не обязательно должна поступать с пищей. Она может образовываться в печени при распаде запасов гликогена либо путем глюконеогенеза – превращения в глюкозу молочной кислоты, некоторых аминокислот и глицерола – трехатомного спирта, образующегося при расщеплении жиров.
О состоянии углеводного обмена судят по толерантности к углеводам, которую определяют в тесте с помощью глюкозной нагрузки, по результатам которого строят так называемую глюкозную кривую. У здорового человека после приема 50 г глюкозы натощак в течение 1 часа уровень глюкозы в крови достигает максимума – 8 – 8,5 мМ/л. К концу 2-го часа уровень нормализуется. Толерантность к углеводам определяет то максимальное количество глюкозы, которое организм может усвоить без появления гликозурии. У человека это составляет в 160-180 г глюкозы натощак. В общем, гликозурия появляется тогда, когда уровень глюкозы в крови превышает почечный порог – 8 мМ/л. Необходимо отметить, что уровень глюкозы в крови может увеличиваться после приема пищи – это так называемая алиментарная гипергликемия.
Обмен липидов
Суточная потребность человека в нейтральных жирах составляет 70 – 80г. Кроме обеспечения части энергетических потребностей организма, пищевые липиды служат материалом для синтеза фосфолипидов клеточных мембран. В отличие от белков, жиры предпочтительно получать из растительного сырья, так как они содержат незаменимые полиненасыщенные жирные кислоты линолевую, линоленовую, которые не синтезируются в организме человека.
Источники насыщенных жирных кислот — мясо, молоко и маргарин.
Холестерин, необходимый для синтеза жёлчных кислот и стероидных гормонов, но одновременно играющий важную роль в развитии атеросклероза, содержится в продуктах животного происхождения и особенно в яичном желтке. С пищевыми липидами организм получает растворенные в них витамины A, D, Е и К.
Обмен белков
В сутки в организме человека расщепляется около 400 г белка. Две трети образовавшихся при этом аминокислот идут на ресинтез белка и одна треть расходуется на образование энергии. Отсюда следует, что человек должен получать в сутки 100 – 120 г белка. Возможность синтеза собственных белков в человеческом организме ограничивается составом белков пищи. Синтезу может препятствовать недостаток в пище одной-единственной аминокислоты. Из 20 аминокислот 9 считаются незаменимыми, т. е. они не могут быть синтезированы в организме человека и обязательно должны поступать с пищей. Причем белки животного происхождения богаче незаменимыми аминокислотами, чем растительные белки. Тем не менее, правильно организованное вегетарианское питание (например, включающее пшеницу и бобы) способно обеспечить потребности человеческого организма в незаменимых аминокислотах.
В организме ежедневно образуется столько же белка, сколько и разрушается. В этом можно убедиться, сравнивая количества азота, поступающего с пищей и выводимого с экскрементами, слюной, слущенным кожным эпителием, волосами и др. Равенство этих количеств называется азотистым балансом. Во время роста, беременности или при заживлении ран азотистый баланс становится положительным – часть полученного азота остается в организме. При недостаточном поступлении белков с пищей наблюдается отрицательный азотистый баланс. Длительное недоедание (недостаток углеводов и жиров в пище) приводит к тому, что в качестве источника энергии все более используются аминокислоты, что также приводит к появлению отрицательного азотистого баланса.
Дата: 2019-03-05, просмотров: 254.
