В какой системе происходит образование продуктов метаболизма
Обмен веществ и энергии, или метаболизм — это совокупность всех химических реакций, происходящих в организме.
Обмен веществ и энергией представляет собой основу жизнедеятельности и принадлежит к критериям живого.
Нет ни одного процесса в живом организме, который бы шел без участия метаболизма, так как в основе любого физиологического процесса лежат физические и химические преобразования.
В процессе метаболизма, поступившие в организм вещества, путём химических изменений превращаются в собственные вещества тканей или в конечные продукты которые выводятся из организма. При этих химических превращениях освобождается и поглощается энергия.
Все химические реакции, проходящие в организме, являются ферментативными.
В организме осуществляется нервно-гуморальная регуляция метаболизма.
В организме динамически уравновешены пластический и энергетический обмен, входящие в состав метаболизма:
пластический обмен = анаболизм = ассимиляция — биосинтеза органических веществ, компонентов клеток и тканей;
энергетический обмен = катаболизм = диссимиляция — расщепление сложных молекул и компонентов клеток.
Рис. Метаболизм
Преобладание анаболических процессов обеспечивает рост, накопление массы тела, преобладание же катаболических процессов ведет к частичному разрушению тканевых структур, уменьшению массы тела. При катаболизме происходит превращение химической энергии соединений, освобождаемой при их расщеплении, в тепловую, механическую и, частично, в электрическую энергию.
ФУНКЦИИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ
Получение энергии для функционирования организма;
Получение строительного материала для роста и восстановления организма: синтез белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и других клеточных компонентов из полученных с пищей веществ;
Запасание питательных веществ на «черный день»;
Выведение продуктов метаболизма.
скорость обмена веществ
Скорость переноса веществ и энергии из среды в организм точно уравновешивается скоростью переноса из организма в среду. Интенсивность обмена веществ оценивают по общему расходу энергии, и она может меняться в зависимости от многих условий и в первую очередь от физической работы. Однако и в состоянии полного покоя обмен веществ и энергии не прекращается, и для обеспечения непрерывного функционирования внутренних органов, поддержания тонуса мышц и прочее расходуется некоторое количество энергии.
У молодых мужчин основной обмен веществ составляет 1300 — 1600 килокалорий (кКал) в сутки.
У женщин величина основного обмена 1100 — 1400 кКал.
Факторы, влияющие на скорость метаболизма
физическая нагрузка: при интенсивной физической нагрузки расход энергии (катаболизм) по сравнению со средними энергозатратами может увеличиться в 10 раз, а в очень короткие периоды (например, плавание на короткие дистанции) даже в 100 раз;
возраст: начиная с 5 лет величина основного обмена веществ неуклонно снижается;
температура: с повышением температуры тела на 1 градус величина основного обмена веществ возрастает на 13%; возрастание интенсивности обмена веществ наблюдается так же при снижении температуры окружающей среды ниже зоны комфорта. Это адаптационный процесс, связанный с необходимостью поддерживать постоянную температуру тела.
незаменимые вещества
Не все вещества, необходимые для построения собственных сложных веществ, организм человека может синтезировать сам. Существуют так называемые незаменимые вещества.
Незаменимые аминокислоты. Из 20 аминокислот, входящих в состав белков, человек может образовывать только 12, остальные 8 должны поступать с пищей. Для людей незаменимыми аминокислотами являются лейцин, изолейцин, валин, метионин, лизин, треонин, фенилаланин, триптофан.
Полиненасыщенные жирные кислоты. Клетки человека не способны образовывать более одной двойной связи в жирных кислотах, поэтому они должны поступать с пищей.
Витамины. Эти вещества нужны в очень небольших количествах (мкг или мг). Большинство из них участвуют в образовании ферментов; при их недостатке развиваются специфические заболевания — гиповитаминозы.
Питание — это составная часть обмена веществ, необходимое условие для нормального роста, развития и жизнедеятельности организма.
Питание — это совокупность процессов поступления, переваривания, всасывания и усвоения организмом питательных веществ, необходимых для нормальной жизнедеятельности организма.
Человек — всеяден, т.е. питается пищей как животного, так и растительного происхождения.
Для нормального роста, развития и жизнедеятельности человеку необходимо постоянное поступление в его организм основных питательных веществ (белков, жиров, углеводов, минеральных солей, воды и витаминов), входящих в состав разнообразных продуктов питания.
Полноценное питание предусматривает соответствие энергетических затрат их восполнению. Средняя суточная потребность в белках примерно составляет 100-150 г (не менее 40 г), в углеводах — 400-500 г и в жирах — около 80-100 г.
Белки — важная часть питания человека. Они являются основным строительным материалом клеток. В состав белков организма человека входит приблизительно 20 видов аминокислот (некоторые из них являются незаменимыми, т.е. не могут синтезироваться в организме человека).
Источники белка в пище — мясо, рыба, молоко и молочные продукты, бобовые и зерновые культуры, орехи.
В продуктах животного происхождения — мясе, рыбе, яйцах, молоке — состав аминокислот соответствует потребностям организма. Растительные белки являются неполноценными для человека, поэтому при вегетарианской диете необходимо правильно подбирать рацион, чтобы несколькими растительными белками заменить полноценный животный белок.
Жиры поступают в организм человека как с животной пищей (мясо, сливочное масло), так и с растительной (жидкие масла — оливковое, подсолнечное, рапсовое и др.). Эти вещества, наряду с белками, являются строительным материалом клеток. Кроме того, жиры служат важным резервным источником энергии для основных процессов жизнедеятельности человека. Необходимо потреблять жиры как животного, так и растительного происхождения. Жидкие растительные жиры содержат незаменимые жирные кислоты, которых нет в жирах животного происхождения.
Углеводы, или сахара, — основной источник энергии в организме человека. Простые сахара, такие, как глюкоза и фруктоза, а также сложные углеводы (крахмал и др.) в больших количествах содержатся в продуктах растительного происхождения: в зернах злаков, картофеле, ягодах и фруктах.
Витамины содержатся как в растительной, так и в животной пище. Эти вещества необходимы человеку для осуществления нормального обмена веществ и других процессов жизнедеятельности, но в очень малых количествах.
Минеральные соли — это необходимые компоненты здоровой жизни человека. Они активно участвуют не только в процессе обмена веществ, но и в электрохимических процессах нервной системы и мышечной ткани. Также они необходимы при формировании таких структур, как скелет и зубы. Человек получает минеральные соли с самыми различными продуктами. Эти вещества, как и витамины, усваиваются в организме человека в неизменённом виде.
Вода составляет около 2/3 человеческого организма и является главным компонентом каждой клетки. Она поступает в организм человека и с питьём, и с пищей (например, в мякоти арбуза или огурца содержится до 98% воды).
Между организмом и окружающей его средой непрерывно происходит обмен веществ и энергией.
Обменом веществ называют сложную цепь превращений веществ в организме, начиная с момента их поступления из внешней среды и заканчивая удалением продуктов распада.
Обмен веществ начинается с поступления в организм воды и пищевых продуктов. В пищеварительном канале часть веществ с помощью ферментов расщепляется до более простых, которые всасываются в кишечнике и переходят в кровь (и с кровью вещества переносятся к клеткам тела). В клетках происходят процессы их химических превращений (клеточный метаболизм), в процессе которых организм получает энергию и материалы, необходимые ему для построения собственных клеток и тканей.
Не использованные в результате превращений веществ остатки и продукты жизнедеятельности (продукты распада) выводятся из организма (с мочой, калом, потом и выдыхаемым воздухом).
Пластический и энергетический обмен
Обмен веществ в организме — это не просто постоянный ток веществ через его основные структуры, а совокупность всех химических реакций, происходящих в организме. Все реакции, связанные с превращением веществ, можно отнести к двум процессам: пластическому и энергетическому обмену.
Пластический обмен (ассимиляция или анаболизм) — совокупность реакций синтеза органических веществ в клетке с использованием (затратой) энергии.
В процессах энергетического обмена (диссимиляции, или катаболизма, или биологического окисления) происходит разрушение (распад) полученных с пищей питательных веществ до простых соединений с высвобождем энергии, запасённой в химических связях органических молекул пищи.
В здоровом организме оба процесса строго сбалансированы (хотя в период быстрого роста ассимиляция может временно преобладать над диссимиляцией).
Совокупность всех реакций, связанных с обменом веществ (ферментативных химических реакций) в организме называется обмен веществ (метаболизм).
Основными видами обмена веществ являются белковый, углеводный, жировой и водно-солевой обмены.
Белковый обмен — использование и преобразование аминокислот белков в организме человека.
При окислении 1 г белка выделяется 17,2 кДж (4,1 ккал) энергии.
Но организм редко использует большое количество белков для покрытия своих энергетических затрат, так как белки нужны для выполнения других функций (основная функция — строительная). Организму человека нужны не белки пищи, сами по себе, а аминокислоты, из которых они состоят.
В процессе пищеварения белки пищи, распадаясь в желудочно-кишечном тракте до отдельных аминокислот, всасываются в тонком кишечнике в кровяное русло и разносятся к клеткам, в которых происходит синтез новых собственных белков, свойственных человеку.
Уровень содержания аминокислот в крови регулирует печень. Распадаясь, аминокислоты образуют воду, углекислый газ и ядовитый аммиак. В клетках печени из образовавшегося аммиака синтезируется мочевина (которая затем выводится вместе с водой почками в составе мочи и частично кожей), а углекислый газ выдыхается через лёгкие.
Остатки аминокислот используются, как энергетический материал (преобразуются в глюкозу, избыток которой превращается в гликоген).
Углеводный обмен
Углеводный обмен – совокупность процессов преобразования и использования углеводов.
Углеводы являются основным источником энергии в организме. При окислении 1 г углеводов (глюкозы) выделяется 17,2 кДж (4,1 ккал) энергии.
Углеводы поступают в организм человека в виде различных соединений: крахмал, гликоген, сахароза или фруктоза и др. Все эти вещества расподаются в процессе пищеварения до простого сахара глюкозы, всасываются ворсинками тонкого кишечника и попадают в кровь.
Глюкоза необходима для нормальной работы мозга. Снижение содержания глюкозы в плазме крови с 0,1 до 0,05 % приводит к быстрой потере сознания, судорогам и гибели.
Основная часть глюкозы окисляется в организме до углекислого газа углекислого газа и воды, которые выводятся из организма через почки (вода) и лёгкие (углекислый газ).
Часть глюкозы превращается в полисахарид гликоген и откладывается в печени (может откладываться до 300 г гликогена) и мышцах (гликоген является основным поставщиком энергии для мышечного сокращения).
Уровень глюкозы в крови постоянный (0,10–0,15%) и регулируется гормонами щитовидной железы, в том числе инсулином. При недостатке инсулина уровень глюкозы в крови повышается, что ведет к тяжёлому заболеванию — сахарному диабету.
Инсулин также тормозит распад гликогена и способствует повышению его содержания в печени.
Другой гормон поджелудочной железы – глюкагон способствует превращению гликогена в глюкозу, тем самым повышая ее содержание в крови (т.е. оказывает действие, противоположное инсулину).
При большом количестве углеводов в пище их избыток превращается в жиры и откладывается в организме человека.
1 г углеводов содержит значительно меньше энергии, чем 1 г жиров. Но зато углеводы можно окислить быстро и быстро получить энергию.
Обмен жиров
Обмен жиров — совокупность процессов преобразования и использования жиров (липидов).
При распаде 1 г жира выделяется 38,9 кДж (9,3 ккал) энергии (в 2 раза больше, чем при расщеплении 1 г белков или углеводов).
Жиры являются соединениями, включающими в себя жирные кислоты и глицерин. Жирные кислоты под действием ферментов поджелудочной железы и тонкого кишечника, а также при участии желчи всасываются в лимфу в ворсинках тонкого кишечника. Далее с током лимфы липиды попадают в кровоток, а затем в клетки.
Как и углеводы, жиры распадаются до углекислого газа и воды и выводятся тем же путём.
В гуморальной регуляции уровня жиров участвуют железы внутренней секреции и их гормоны.
Значение жиров
- Значительная часть энергетических потребностей печени, мышц, почек (но не мозга!) покрывается засчёт окисления жиров.
- Липиды являются структурными элементами клеточных мембран, входят в состав медиаторов, гормонов, образуют подкожные жировые отложения и сальники.
- Откладываясь в запас в соединительнотканных оболочках, жиры препятствуют смещению и механическим повреждениям органов.
- Подкожный жир плохо проводит тепло, что способствует сохранению постоянной температуры тела.
Потребность в жирах определяется энергетическими потребностями организма в целом и составляет в среднем 80-100 г в сутки. Избыток жира откладывается в подкожной жировой клетчатке, в тканях некоторых органов (например, печени), а также и на стенках кровеносных сосудов.
Если в организме недостает одних веществ, то они могут образовываться из других. Белки могут превращаться в жиры и углеводы, а некоторые углеводы — в жиры. В свою очередь, жиры могут стать источником углеводов, а недостаток углеводов может пополняться за счет жиров и белков. Но ни жиры, ни углеводы не могут превращаться в белки.
Подсчитано, что взрослому человеку для нормальной жизнедеятельности необходимо не менее 1500-1700 ккал в сутки. Из этого количества энергии на собственные нужды организма уходит 15-35 %, а остальное затрачивается на выработку тепла и поддержание температуры тела.
В клетках организма человека около 72% воды (около 2/3 массы тела), 28% входит в состав крови, лимфы, межклеточной жидкости.
Вода выполняет транспортную, выделительную, теплорегуляционную функции. Она является средой для протекания химических реакций и определяет физические свойства клетки. Потребность в воде у взрослого человека составляет 2-3 л в сутки. Вода поступает в организм с пищей и с жидкостями (вода, чай, соки и др. напитки).
В клетках тела человека образуется метаболическая вода (как продукт окисления органических соединений). Нормальный водный обмен предполагает равновесие между количеством поглощенной и выделенной воды.
Выводится вода из организма с потом, мочой, в виде водяного пара, через кишечник.
Потребность в воде (жажда) вызывает возбуждение питьевого центра в головном мозге (в гипоталамусе), а удовлетворение жажды тормозит этот центр.
Минеральные соли — важная составляющая часть организма человека. Соли участвуют в поддержании рН внутренней среды организма, процессах возбудимости нервной и мышечной тканей, составляют основу межклеточного вещества костной ткани.
Ежедневно организм нуждается в солях кальция, натрия, калия, хлора, фосфора, железа и других элементов.
Пример:
Соли кальция необходимы в процессе свертывании крови, калий и кальций участвуют в механизме мышечного сокращения и т. д.
Источником минеральных солей являются обычные пищевые продукты. Они в достаточном количестве содержат все необходимые организму минеральные вещества за исключением хлорида натрия, который добавляют в пищу (поваренная соль).
Витамины — биологически активные вещества, необходимые для жизнедеятельности организма.
Витамины необходимы организму в очень малых количествах, однако при их недостатке быстро развиваются гиповитаминозы, а при нехватке — авитаминозы, которые могут иметь даже смертельный исход.
Входя в состав ферментов, витамины усиливают действие других биологически активных веществ, повышают иммунитет и сопротивляемость организма к болезням, стимулируют рост и регенерацию тканей и т. д.
Витамины обозначают латинскими буквами и делят на 2 группы: водорастворимые и жирорастворимые. на две группы: водорастворимые и жирорастворимые ).
- Водорастворимые витамины (B1, B2, B5, B6, B9, B12, PP, C) поступают в организм человека в виде водных растворов.
- Жирорастворимые витамины (A, D, E, K) растворяются в жирах пищи и всасываются вместе с ними.
Водорастворимые витамины
C (аскорбиновая кислота) — участвует в окислительно-восстановительных процессах, повышает устойчивость к инфекциям. При гиповитаминозе развивается болезнь десен — цинга, поражаются стенки кровеносных сосудов (кровоточат дёсны, зубы расшатываются и выпадают). Если не возместить недостаток этого витамина, то человек может погибнуть. Витамин C содержится в овощах и фруктах, но больше всего его в плодах шиповника, чёрной смородине, облепихе и сладком перце.
B1 (тиамин) — участвует в обмене белков, жиров и углеводов, в проведении нервного импульса. Витамин B1 необходим для нормальной работы нервной, эндокринной и иммунной систем. Гиповитаминоз вызывает заболевание полиневрит. Сначала возникает бессонница, повышенная раздражительность, беспокойство, головные боли. Появляются слабость и боли в ногах. Наиболее богаты тиамином изделия из муки грубого помола, содержащие отруби, а также бобовые растения: горох, фасоль, соя.
B2 (рибофлавин) – участвует в клеточном дыхании. Гиповитаминоз вызывает поражение слизистой оболочки уголков рта, у человека плохо заживают повреждения кожи, слезятся глаза, развивается светобоязнь. Главными источниками витамина B2 являются молоко и молочные продукты, яйца, печень, мясо, рыба, хлеб, гречневая крупа.
B6 — участвует в обмене веществ, при гиповитаминозе возникают заболевания кожи, судороги, анемия.
B12 — участвует в белковом обмене. При гиповитаминозе возникает анемия.
PP (никотиновая кислота) — обеспечивает в организме нормальную интенсивность энергетического обмена, частвует в клеточном дыхании, работе пищеварительной системы.
При недостатке никотиновой кислоты развивается пеллагра — тяжёлое заболевание, связанное с поражением центральной нервной системы, желудочно-кишечного тракта и кожи. Источниками витамина PP служат крупы, хлеб грубого помола, бобовые, мясо и внутренние органы животных (печень, почки, сердце), рыба и некоторые овощи. Очень высоко содержание никотиновой кислоты в дрожжах, сушёных грибах.
A (ретинол) — обеспечивает нормальный рост организма, формирование скелета, размножение клеток кожных покровов, а также необходим для нормального зрения. Этот витамин поступает в организм только с продуктами животного происхождения. Он содержится в печени рыб и других животных, яйцах, масле, сметане. В растениях присутствует растительный пигмент бета-каротин, из которого витамин Aмедленно образуется в самом организме человека. При гиповитаминозе наступает куриная слепота (снижение способности различать цвета в полумраке).
D (кальциферол) — регулирует обмен кальция и фосфора и необходим для нормального образования костной ткани. Он повышает всасывание этих минеральных веществ в тонком кишечнике и способствует их отложению в костях. При гиповитаминозе развивается заболевание — рахит. Витамином D богаты в основном продукты животного происхождения: печень рыб, молочные продукты, яйца. Также витамин D вырабатывается в коже человека под действием ультрафиолетового излучения (при загаре).
E — не даёт свободным радикалам кислорода разрушать клеточные мембраны. При гиповитаминозе ослабляется половая функция, развивается дистрофия скелетных мышц. Источником этого витамина являются растительные масла, особенно нерафинированные. Витамин Е содержится также в печени, яйцах, хлебобулочных изделиях, гречке, бобовых.
K — (филлохинон) участвует в образовании протромбина, без которого невозможно свёртывание крови. При гиповитаминозе снижается свертываемость крови. Витамин К содержат многие продукты: цветная капуста, салат, кабачки, говяжья печень. Кроме того, этот витамин вырабатывается бактериями, живущими в толстом кишечнике.
Сохранение витаминов в пище
Каждый человек должен ежедневно получать с пищей все необходимые витамины, если их не хватает в пище, можно принимать препараты витаминов по рекомендации врача.
Сохранение витаминов в продуктах питания зависит от кулинарной обработки пищи, условий и продолжительности ее хранения.
Наименее устойчивы витамины A, B1 и B2.
Установлено, что витамин A разрушается во время варки и сушки продуктов, его содержащих (например, в варёной моркови его вдвое меньше, чем в сырой). Термическая обработка также значительно снижает содержание в пище витаминов группы B (мясо после варки теряет от 15 до 60% витаминов группы B, а растительные продукты — около 1/5).
При нагревании, и даже при соприкосновении с воздухом легко разрушается витамин C, поэтому овощи надо очищать и нарезать перед самой варкой. Чтобы сохранить больше витаминов в овощах, их лучше опускать их сразу в кипящую воду, варить недолго в закрытой посуде и есть сразу же после приготовления.
Обменные процессы в организме происходят под действием ферментов и регулируются нервно-гуморальным путем.
Почти все железы внутренней секреции принимают участие в регуляции обмена веществ:
- щитовидная железа регулирует окислительные процессы, влияя на рост и развитие организма;
- надпочечники регулируют углеводный, жировой и белковый обмен (способствуют превращению белков в углеводы), регулируют обмен воды и солей.
Нарушения регуляции обмена веществ вызывают различные заболевания.