Обмен веществ

Пластический и энергетический обмены

Обмен веществ и энергии является одним из основных признаков живого вещества. Обмен веществ — это совокупность процессов химического превращения веществ от момента их поступления в организм до выделения конечных продуктов обмена. В клетках постоянно идет синтез сложных органических соединений с использованием энергии и одновременно с этим — их расщепление и окисление с выделением энергии и образованием низкомолекулярных веществ.

Обмен веществ — совокупность реакций пластического (ассимиляции) и энергетического (диссимиляции) обменов.

Пластический обмен (ассимиляция) — совокупность реакций синтеза сложных органических веществ (белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот) из более простых. Реакции пластического обмена являются эндотермическими (идут с поглощением энергии).

Энергетический обмен (диссимиляция) — совокупность реакций, обеспечивающих клетку энергией, в ходе которых происходит расщепление и окисление сложных органических веществ: белков — до O2, H2O, NH2 или мочевины; жиров и углеводов — до CO2, и H2O.

Источником энергии для организма являются органические вещества: углеводы, жиры, белки. Образовавшаяся в реакциях энергетического обмена химическая энергия преобразуется в дальнейшем в электрическую, тепловую и механическую энергию. Для нормального обмена необходимы также вода, минеральные соли и витамины.

Этапы обмена веществ:

  • поступление веществ в организм;
  • изменение веществ в ходе ассимиляции и диссимиляции;
  • выведение конечных продуктов обмена.

Ассимиляция и диссимиляция неразрывно связаны между собой:

  • для ассимиляции необходима энергия, которая образуется в реакциях энергетического обмена;
  • для реакций диссимиляции необходимы ферменты, которые образуются в реакциях пластического обмена;
  • ассимиляция и диссимиляция протекают в клетке одновременно и заключительные этапы одного обмена являются начальными стадиями другого.

Водно-минеральный обмен в организме

Вода входит в состав клеток, межклеточного вещества, тканевой жидкости и лимфы. Она составляет 65-70% массы тела человека (у детей больше), а плазма крови и лимфа содержат свыше 90% воды.

Значение воды в организме:

  • определяет физические свойства клетки (объем, массу, тургор);
  • универсальный растворитель;
  • основной компонент внутренней среды, место протекания большинства биохимических реакций в клетке;
  • участник реакций гидролиза, АТФ + H2O = АДФ + H3PO4 < 40кДж;
  • участвует в транспорте веществ: поглощение питательных веществ, их передвижение и выведение конечных продуктов обмена происходит в виде водных растворов;
  • обеспечивает терморегуляцию, обеспечивая одинаковую температуру во всех частях тела организма.

Связанная вода образует сольватные (водные) оболочки вокруг белков, благодаря чему белки не слипаются друг с другом. Гидрофобно-гидрофильные взаимодействия между разными частями белковой молекулы обеспечивают образование ее четвертичной структуры.

Суточная потребность человека в воде меняется в зависимости от условий внешней среды и в среднем составляет 2-2,5 л.

Вода поступает в организм при питье (около 1 л), с пищей (около 1 л) и небольшое количество (300-350 мл) ее образуется в результате окисления органических веществ.

Вода всасывается в кишечнике (тонком и толстом), и небольшое количество ее может всасываться в ротовой полости и желудке.

Из организма вода выводится с мочой (1,2-1,5 л), с потом (500-700 мл), с выдыхаемым воздухом (350-800 мл), с калом (100-150 мл).

Минеральные соли в организме могут быть в твердом состоянии в виде кристаллов — Ca3(PO4)2, и CaCO3, в костной ткани; в диссоциированном состоянии в виде катионов и анионов.

Анионы фосфорной и угольной кислот обладают буферными свойствами, т.е. способны поддерживать pH (концентрацию ионов водорода) на определенном уровне. Анионы фосфорной кислоты HPO42- создают фосфатную буферную систему, поддерживающую внутри клеток слабокислую среду (pH = 6,9), а угольная кислота и ее анионы HCO3 создают бикарбонатную буферную систему, которая поддерживает слабощелочную реакцию внеклеточной среды (например, плазма крови) (pH = 7,4).

Некоторые ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке (K+, Na+,Cl), в процессах мышечного сокращения, свертывании крови (Ca2+), другие необходимы для синтеза важных органических веществ. Например, остатки фосфорной кислоты входят в состав нуклеотидов, АТФ, ион Fe2+ — в состав гемоглобина, Mg2+ — в состав ферментов. Ионы NO3, NH4+ являются источником атомов азота, ион SO42- — атомов серы, которые необходимы для синтеза аминокислот. Минеральные соли создают осмотическое давление, которое обеспечивает транспорт веществ между клетками организма.

Общее количество минеральных солей в организме человека — около 4,5%.

Потребности организма в минеральных солях удовлетворяются продуктами питания. Железа много в яблоках, иода — в морской капусте, кальция — в молочных продуктах. Человек нуждается в постоянном поступлении натрия и хлора. Поваренную соль (хлористый натрий) добавляют к пище (до 10 г в сутки). В некоторых регионах в поваренную соль добавляют иод (в связи с недостатком его в воде и местных продуктах питания).

Всасывание минеральных солей происходит вместе с водой в основном в толстом кишечнике. Попавшие в кровь минеральные соли доставляются клеткам организма.

Излишки минеральных солей выводятся из организма с мочой, потом и калом.

Обмен белков

Все белки построены из 20 аминокислот, но, несмотря на это, разнообразие белковых молекул огромно. Они обладают специфичностью, которая определяется количеством и порядком расположения аминокислот, различным сочетанием аминокислот, способностью белков присоединять другие вещества.

Роль белков в организме:

  • входят в состав мембран и органелл клетки;
  • из кератина и коллагена состоят хрящи, сухожилия, волосы, ногти;
  • некоторые белки способны присоединять и переносить различные вещества:
    • гемоглобин переносит кислород и диоксид углерода;
    • альбумины крови транспортируют жирные кислоты;
    • глобулины — ионы металлов и гормоны;
  • актин и миозин входят в состав миофибрилл мышечной ткани;
  • иммуноглобулины (антитела) обеспечивают защитные реакции иммунитета, протромбин и фибриноген участвуют в защитной реакции свертывания крови;
  • некоторые белки, встроенные в плазмалемму, способны изменять свою пространственную конфигурацию под действием факторов внешней среды (родопсин палочек сетчатки глаза);
  • многие гормоны имеют белковую природу (инсулин, глюкагон, АКТГ);
  • все ферменты являются белками (трипсин, ДНК-полимераза).

Суточная потребность в белках составляет 72-92 г. Источником белков для человека служат преимущественно продукты животного. Большое количество белков содержится в мясе (от 14 до 21%), рыбе, молоке и продуктах его переработки. Продукты растительного происхождения содержат 8-23% белков (бобовые растения).

По содержанию необходимых для организма аминокислот белки делятся на полноценные (белки молока, мяса, рыбы и др.) и неполноценные, которые не содержат хотя бы одной из незаменимых кислот. Особенно важны 10 аминокислот, которые не могут синтезироваться в организме и называются незаменимыми (лизин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, метионин, аргинин и гистидин). Отсутствие в пище некоторых из них приводит к нарушению синтеза белков. При отсутствии в пище лизина замедляется рост ребенка, при недостатке валина — нарушается чувство равновесия и т.д.

Протеолитические ферменты (пепсин и химозин желудочного сока, трипсин и химотрипсин сока поджелудочной железы, энтерокиназа, аминопептидаза, карбоксипептидаза кишечного сока) расщепляют белки до полипептидов и аминокислот.

Аминокислоты всасываются в кровеносные капилляры ворсинок тонкого кишечника и разносятся кровью по всему организму. В клетках из аминокислот образуются белки, свойственные данному организму. При избытке белки преобразуются в углеводы и жиры. Часть аминокислот, не использованных в синтезе белка, окисляется с освобождением энергии (17,6 кДж на 1 г вещества) и образованием воды, диоксида углерода, аммиака и др. Аммиак в печени обезвреживается и превращается в мочевину.

Продукты диссимиляции белков выводятся из организма с мочой, потом и частично с выдыхаемым воздухом.

Обмен углеводов

Углеводы — представляют собой первичные продукты фотосинтеза и исходные продукты для биосинтеза всех других органических веществ. Углеводы подразделяются на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Значение углеводов в организме:

  • олигосахариды входят в состав цитоплазматической мембраны клетки и образуют гликокаликс;
  • гликоген составляет энергетический запас в клетках;
  • глюкоза является основным источником энергии, высвобождаемой в клетках живых организмов в ходе дыхания;
  • моносахариды являются основой для синтеза многих органических веществ в клетке — полисахаридов, нуклеиновых кислот и др.

В сутки человек должен получать 358-484 г углеводов. Основным их источником являются продукты растительного происхождения (картофель, хлеб, фрукты и др.). Углеводы в организме могут образовываться из белков и жиров.

Амилолитические ферменты (амилаза и мальтаза слюны, амилаза, мальтаза, лактаза, сахараза сока поджелудочной железы и тонкого кишечника) расщепляют углеводы до дисахаридов и моносахаридов.

Моносахариды всасываются в кровеносные капилляры ворсинок тонкого кишечника и разносятся кровью по всему организму. Уровень глюкозы в крови относительно постоянен и составляет 4,4-7,0 ммоль/л.

Избыток глюкозы превращается в печени в гликоген. При чрезмерном поступлении в организм углеводов они могут превращаться в жиры.

В клетках глюкоза окисляется до диоксида углерода и воды, которые удаляются с выдыхаемым воздухом, мочой, потом, при этом выделяется энергия (17,6 кДж на 1 г глюкозы).

Обмен жиров

Липиды — органические соединения, не растворимые в воде, но хорошо растворимые в органических растворителях (эфире, бензине, бензоле, хлороформе и др.). Из всех биомолекул липиды обладают наименьшей относительной молекулярной массой. Молекула жира образована молекулой трехатомного спирта глицерина и присоединенными к ней эфирными связями тремя молекулами высших карбоновых кислот: пальмитиновой, стеариновой, арахидоновой, олеиновой, линолевой, линоленовой.

Значение жиров и жироподобных веществ в организме:

  • входят в состав клеточных мембран, цитоплазмы, ядра;
  • в форме липидов хранится значительная часть энергетических запасов организма;
  • накапливаясь в подкожной жировой клетчатке и вокруг некоторых органов (почки, кишечник), жировой слой защищает организм и отдельные органы от механических повреждений;
  • благодаря низкой теплопроводности слой подкожного жира помогает сохранять тепло;
  • многие биологически активные вещества (гормоны и витамины) являются стероидами (тестостерон у мужчин и прогестерон у женщин, кортикостероиды, витамин D).

Суточная потребность в жирах составляет 81-110 г. Жиры поступают в организм с растительной и животной пищей. Животные жиры поступают в организм в виде сливочного масла, сыра, сметаны, свиного сала. Растительные жиры поступают в организм в виде растительного масла.

Липолитические ферменты (липазы желудочного сока, сока поджелудочной железы и тонкого кишечника) расщепляют жиры до глицерина и жирных кислот. Жирные кислоты соединяются со щелочами и желчными кислотами, омыляются, образуя растворимые соли, которые всасываются через стенки ворсинок. В ворсинках из глицерина и жирных кислот синтезируются жиры, поступающие в лимфатические капилляры ворсинок тонкого кишечника. Жиры всасываются в лимфу, затем поступают в кровь и разносятся по всем клеткам.

Часть жира, попавшего в клетки, является строительным материалом. Большая же его часть откладывается в подкожной клетчатке, в сальнике, печени, мышцах. Жиры также являются важным источником энергии: при окислении 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии. В организме человека жиры могут синтезироваться из углеводов и белков.

Конечными продуктами окисления жиров являются диоксид углерода и вода, которые удаляются с выдыхаемым воздухом, мочой, потом.

Витамины и их роль в обмене веществ. Гиповитаминозы

Витамины — низкомолекулярные вещества, обладающие большой биологической активностью, необходимые для жизнедеятельности организмов.

В 1881 г. русским ученым Н. И. Луниным было обнаружено, что мыши погибают, если их кормить пищевой смесью, состоящей из очищенных продуктов. Если же добавить в рацион 1 мл молока, мыши остаются здоровыми. В 1911-1912 гг. польский ученый К. Функ выделил препарат из отрубей и назвал его витамином. С этого времени началось интенсивное изучение витаминов.

Витамины обозначают буквами латинского алфавита А, В, С, D, Е, Р и т. д. Натуральные (естественные) витамины содержатся в продуктах растительного и животного происхождения и, за редким исключением, не синтезируются в организме человека. Витамины бывают водорастворимые (C, P, группы B) и жирорастворимые (A, D, E, K).

Свойства витаминов:

  • входят в состав молекул многих ферментов и некоторых физиологически активных веществ;
  • непрочные соединения: быстро разрушаются при нагревании пищевых продуктов;
  • действие их проявляется в малых количествах и выражается в регуляции процессов обмена веществ.

Отсутствие витаминов в организме называется авитаминозом, недостаток — гиповитаминозом. Избыточное поступление витаминов в организм — гипервитаминоз — наблюдается при употреблении синтетических препаратов витаминов. Наиболее токсичны витамины А и D. Иногда гипервитаминоз А возникает при приеме в пищу продуктов, содержащих большое количество этого витамина (овощи, печень морских животных). Из водорастворимых витаминов наиболее токсичен B12 (в больших дозах вызывают сильные аллергические реакции).

Витамин А (ретинол) участвует в окислительно-восстановительных реакциях. Содержится в сливочном масле, печени, молоке, рыбьем жире. В овощах (морковь) содержится провитамин A — каротин. Он превращается в витамин A в печени. Суточная доза — 1,5 мг.

Признаки гипо- и авитаминоза:

  • задержка роста;
  • сухость и помутнение роговицы;
  • «куриная слепота» (нарушение сумеречного зрения);
  • сухость кожи;
  • снижение сопротивляемости к заболеваниям.

Витамин D (антирахитический, кальциферол) стимулирует образование костной ткани, регулирует обмен кальция и фосфора. Содержится в сливочном масле, печени трески, курином желтке, рыбьем жире. Может образовываться в коже из эргостерина (провитамин D) под действием ультрафиолетовых лучей. Суточная доза — 0,01-0,02 мг.

Признаки гипо- и авитаминоза:

  • рахит:
    • размягчение костей;
    • искривление костей ног;
    • уплощение груди;
    • незарастание родничков;
    • позднее появление зубов у детей.

Витамин E (токоферол) предохраняет мембраны клеток и митохондрий от повреждений, участвует в окислительно-восстановительных процессах, в обмене белков, сокращении мышц, укрепляет стенки сосудов, разрушает свободные радикалы. Содержится в зеленых листьях овощей, орехах, семечках, гречневой крупе, проросших ростках пшеницы, в яйцах, растительных маслах. Суточная доза — 10-12 мг.

Признаки гипо- и авитаминоза:

  • дистрофия скелетных мышц;
  • нарушение половой функции.

Витамин K (викасол) участвует в свертывании крови. Синтезируется микрофлорой кишечника, содержится в капусте, зеленых томатах, шпинате, ягодах рябины. Из животных продуктов его источником является печень. Суточная доза — 1 мг.

Признаки гипо- и авитаминоза:

  • замедление свертывания крови;
  • самопроизвольные кровотечения.

Витамин C (аскорбиновая кислота) участвует в окислительно-восстановительных реакциях. Содержится в смородине, лимонах, клюкве, зеленом луке, картофеле. Суточная доза — 50 мг.

Признаки гипо- и авитаминоза:

  • цинга:
    • повышенная утомляемость;
    • кровоточивость десен;
    • выпадение зубов;
    • кровоизлияния;
    • снижение иммунитета.

Витамин B1 (тиамин) участвует в регуляции обмена белков, жиров и углеводов. Содержится в дрожжах, орехах, неполированном рисе, печени, желтке куриного яйца. Суточная доза — 2,5 мг. Гипо- и авитаминоз — бери бери (поражение нервной системы с параличом конечностей и атрофией мышц).

Витамин B2 (рибофлавин) участвует в регуляции обмена веществ, в окислительно-восстановительных реакциях. Содержится в мясе, яйцах, молоке, печени, фруктах, овощах. Суточная доза — 2,5 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: поражение роговицы, «заеды» (ангулярный стоматит), задержка роста.

Витамин B3 (пантотеновая кислота) является коферментом ключевых реакций метаболизма жиров. Содержится в пчелином маточном молочке и пивных дрожжах. Достаточно много его в печени животных, яичном желтке, гречихе, овсе, бобовых. Суточная доза — 10-15 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: психоэмоциональная неустойчивостью, склонность к обморокам, изменение походки, чувство жжения стоп.

Витамин B5 (витамин PP, никотиновая кислота) входит в состав ферментов, являющихся катализаторами окислительно-восстановительных реакций, обмена белков и т-РНК. Источником витамина являются животные (особенно печень, мясо) и многие растительные продукты (рис, хлеб, картофель). Суточная доза — 10-20 мг. Признаки гипо-и авитаминоза: дерматит (воспаление открытых участков кожи), диарея (поносы), деменция (слабоумие).

Витамин B6 (пиридоксин) участвует в регуляции обмена аминокислот. Содержится в дрожжах, рисе, мясе, бобах. Суточная доза — 2,5 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: воспаление кожи и нервов.

Витамин B9 (фолиевая кислота, витамин Bc) участвует в обмене белков и нуклеиновых кислот. Витамина много в лиственных овощах, например в шпинате. Он содержится в салате, капусте, томатах, землянике. Богаты им печень и мясо, яичный желток. Суточная доза — 0,3-1 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: анемия — в крови появляются большие незрелые кроветворные клетки; снижается количество эритроцитов и гемоглобина в крови.

Витамин B12 (антианемический) — участвует в регуляции обмена белков, жиров и углеводов. Содержится в печени, мясе, твороге, яйцах. Суточная доза — 200-300 мкг. Гипо- и авитаминоз — злокачественное малокровие (анемия).

Витамин H (биотин) — участвует в транспорте диоксида углерода, в обмене углеводов и жиров. Содержится в молоке, яйцах, печени, цветной капусте, грибах, синтезируется бактериями кишечника. Суточная доза — 150-200 мкг. Гипо- и авитаминоз — заболевания кожи, выпадение волос.

Методами сохранения витаминов в пищевых продуктах являются:

  • консервирование (метод сохранения продуктов со сравнительно небольшими потерями витаминов);
  • замораживание с образованием в цитоплазме клеток кристаллов льда (быстрое замораживание хорошо сохраняет витамины);
  • в наибольшей степени обеспечивает сохранность витаминов вакуумная сушка. Проводится в условиях разряжения при температуре не выше 50 °С;
  • квашение овощей и фруктов (в процессе молочнокислого брожения образуется молочная кислота, способствующая сохранению в заквашиваемых продуктах витамина C).

Примеры закрытых тестов

2.1. Общее количество минеральных солей в организме человека (в % от массы тела):

  1. 45;
  2. 4,5;
  3. 0,45;
  4. 22,5;
  5. 2,25.

3.1. Незаменимыми аминокислотами не являются:

  1. валин;
  2. метионин;
  3. серин;
  4. фенилаланин;
  5. лизин.

3.2. Расщепление белков начинается в:

  1. ротовой полости;
  2. желудке;
  3. тонком кишечнике;
  4. толстом кишечнике;
  5. печени.

3.3. В организме человека белки могут:

  1. превращаться в жиры;
  2. откладываться в запас;
  3. окисляться с высвобождением 7,6 кДж энергии на 1 г вещества;
  4. окисляться с высвобождением 38,9 кДж энергии на 1 г вещества;
  5. окисляться с высвобождением 40 кДж энергии на 1 г вещества.

4.1. Расщепление углеводов начинается в:

  1. ротовой полости;
  2. желудке;
  3. тонком кишечнике;
  4. толстом кишечнике;
  5. печени.

4.2. Конечными продуктами диссимиляции углеводов являются:

  1. O2, H2O;
  2. CO2, глюкоза, H2O;
  3. CO2, H2S;
  4. O2, H2S;
  5. CO2, H2O.

4.3. В организме человека углеводы могут:

  1. запасаться в виде гликоген;
  2. запасаться в виде крахмала;
  3. запасаться в виде целлюлозы;
  4. окисляться с высвобождением 38,9 кДж энергии на 1 г вещества;
  5. превращаться в белки.

5.1. Расщепление жиров заканчивается в:

  1. ротовой полости;
  2. желудке;
  3. тонком кишечнике;
  4. толстом кишечнике;
  5. печени.

5.2. Одним из конечных продуктов обмена жиров является:

  1. аминокислота;
  2. вода;
  3. кислород;
  4. глицерин;
  5. карбоновая кислота.

5.3. В организме человека жиры могут:

  1. откладываться в запас;
  2. запасаться в виде крахмала;
  3. окисляться с высвобождением 17,6 кДж энергии на 1 г вещества;
  4. окисляться с высвобождением 40 кДж энергии на 1 г вещества;
  5. превращаться в белки.

6.1. Бери-бери — это проявление гиповитаминоза:

  1. A;
  2. D;
  3. C;
  4. B1;
  5. B12.

6.2. Фолиевая кислота — это витамин:

  1. A;
  2. B1;
  3. B6;
  4. B12;
  5. Bc.

Примеры открытых тестов

  • 1.1. Дайте определение понятия «обмен веществ».
  • 1.2. Дайте определение понятия «ассимиляция».
  • 1.3. Дайте определение понятия «диссимиляция».
  • 1.4. Перечислите этапы обмен веществ.
  • 2.1. Укажите суточную потребность организма человека в воде.
  • 3.1. Укажите суточную потребность организма человека в белках.
  • 4.1. Укажите суточную потребность организма человека в углеводах.
  • 5.1. Укажите суточную потребность организма человека в жирах.
  • 6.1. Недостаток витаминов в организме называется …
  • 6.2. Перечислите признаки гиповитаминоза A.
  • 6.3. Перечислите признаки гиповитаминоза D.
  • 6.4. Перечислите признаки гиповитаминозов группы В.
  • 6.5. Перечислите признаки гиповитаминоза С.
  • 6.6. Перечислите свойства витаминов.
  • 6.7. Перечислите способы сохранения витаминов в пищевых продуктах.

Ответы на закрытые тесты

2.1 — 2 3.1 — 3 3.2 — 2 3.3 — 1 4.1 — 1 4.2 — 5
4.3 — 1 5.1 — 3 5.2 — 2 5.3 — 1 6.1 — 4 6.2 — 5

Ответы на открытые тесты

  • 1.1. Обмен веществ — совокупность реакций пластического (ассимиляции) и энергетического (диссимиляции) обменов.
  • 1.2. Пластический обмен (ассимиляция) — совокупность реакций синтеза сложных органических веществ (белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот) из более простых.
  • 13. Энергетический обмен (диссимиляция) — совокупность реакций, обеспечивающих клетку энергией, в ходе которых происходит расщепление и окисление сложных органических веществ до неорганических веществ.
  • 1.4:
    • поступление веществ в организм;
    • изменение веществ в ходе ассимиляции и диссимиляции;
    • выведение конечных продуктов обмена.
  • 2.1. Суточная потребность организма человека в воде составляет 2-2,5 л в зависимости от условий существования.
  • 3.1. Суточная потребность организма человека в белках составляет 72-92 г.
  • 4.1. Суточная потребность организма человека в улгеводах составляет 358-484 г.
  • 5.1. Суточная потребность организма человека в жирах составляет 81-110 г.
  • 6.1. Гиповитаминоз.
  • 6.2:
    • куриная слепота (нарушение сумеречного зрения);
    • сухость роговицы глаза и ее помутнение;
    • снижение иммунитета;
    • сухость кожи.
  • 6.3:
    • искривление костей ног;
    • уплощение груди;
    • не зарастание родничков черепа.
  • 6.4:
    • поражение нервной системы;
    • задержка роста;
    • нарушение зрения;
    • малокровие;
    • дерматиты.
  • 6.5:
    • поражение стенок кровеносных сосудов;
    • кровоточивость десен;
    • снижение иммунитета;
    • быстрая утомляемость.
  • 6.6:
    • входят в состав ферментов и физиологически активных веществ;
    • быстро разрушаются при нагревании пищевых продуктов;
    • действие их проявляется в малых количествах и выражается в регуляции процессов обмена веществ.
  • 6.7:
    • консервирование;
    • замораживание;
    • вакуумная сушка;
    • квашение продуктов.