 |
Лекция 5. Основы жизнедеятельности
|
|
|
|
Лекция 5
Основы жизнедеятельности
Обмен веществ и энергии составляет основу жизнедеятельности и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи.
В процессе обмена питательные вещества превращаются в собственные компоненты тканей и конечные продукты метаболизма. При этих превращениях поглощается и высвобождается энергия.
Использование химической энергии в организме называют энергетическим обменом. Он измеряется количеством выделяющегося тепла. Например, при окислении 1 моль глюкозы (180 г) выделяется 686 ккал тепла.
Выделившаяся, в результате химических реакций в организме, энергия используется в дыхательном обмене клеток, преобразуется в другие полезные биологические формы — электрическую, осмотическую, механическую. Основная часть энергия выделяется в виде тепла.
Выделившиеся в результате химических реакций в организме энергия используется в дыхательном обмене клеток, преобразуется в другие биологически полезные формы — электрическую, осмотическую, механическую. Основная часть энергии выделяется в виде тепла.
Химическая работа обеспечивает обмен белков, жиров и углеводов, рост и размножение клеток, синтез и передачу наследственной информации. Осмотическая работа способствует трансмембранному переносу веществ (натрия, калия, хлора, кальция и др. ); накоплению в клетке и выведению продуктов метаболизма; поддержанию постоянства состава клеточной и тканевой жидкости.
Электрическая работа поддерживает разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны, вследствие чего клетка реагирует на воздействия внешней и внутренней среды процессом возбуждения, одним из проявлений которого является трансмембранный электрический ток (потенциал действия).
|
|
|
Механическая работа определяет разные формы движения — от потоков цитоплазмы в клетке и трепетания ресничек эпителия в кишечнике, до согласованного сокращения различных групп мышц в сложных двигательных актах.
Питательные вещества для человека являются единственным источником энергии. Пластическая роль питательных веществ состоит в том, что из них после химических превращений образуются собственные структурные компоненты клеток и тканей.
Процесс обмена веществ подчиняется всеобщему закону сохранения материи: при всех явлениях природы видоизменяется только форма вещества, количество же его остается постоянным.
Условно в процессе обмена веществ можно выделить три этапа.
Первый этап — ферментативное расщепление питательных веществ и всасывание их в кровь, лимфу.
Второй этап — транспорт питательных веществ жидкими средами организма к тканям и клеточный метаболизм.
Третий этап — выведение конечных продуктов.
Промежуточный обмен - это совокупность химических превращений переваренных питательных веществ с момента поступления их в кровь до начала выделения конечных продуктов из организма.
Промежуточный обмен состоит: из катаболизма и анаболизма.
Катаболизм - это ферментативное расщепление в процессе окислительных реакций крупных органических молекул на более простые, в результате чего выделяется заключенная в них энергия. Часть этой энергии накапливается в виде АТФ и используется для выполнения биологически полезных форм работы (например, мышечного сокращения).
Анаболизм - это ферментативный синтез из простых органических молекул крупномолекулярных клеточных компонентов — полисахаридов, нуклеиновых кислот, белков, липидов. Анаболические реакции протекают с использованием энергии и обеспечивают обновление, рост и регенерацию тканей.
|
|
|
Клеточный метаболизм
Все клетки организма имеют примерно одинаковый набор неорганических и органических веществ. Вода является той общей средой, в которой находятся все компоненты протекающих в клетке химических реакций. Молекулы кислорода и углекислого газа участвуют в реакциях биологического окисления, ионы натрия, калия, хлора определяют электрические свойства клеток, нерастворимые соли (кальций) придают структурам устойчивость и пластичность.
Минеральный обмен
Процессы всасывания, усвоения, распределения, превращения и выделения из организма неорганических соединений составляют в совокупности минеральный обмен.
Основными источниками минеральных веществ являются пищевые продукты — мясо, молоко, черный хлеб, бобовые, овощи. Соли должны составлять 4% сухой массы пищи. Основными физиологически активными являются ионы натрия, калия, кальция, магния. В состав жидких сред входят также ионы железа, марганца, цинка, кобальта, йода и др.
В организме здорового человека массой тела около 70 кг содержится 150—170 г натрия, 3200—3150 ммоль калия.
Физиологическая роль калиячрезвычайно высока, он участвует во всех видах обмена веществ, особенно белков и углеводов; в синтезе АТФ, и поэтому влияет на сократимость. Недостаток его вызывает атонию скелетных мышц; избыток — повышение тонуса, а очень высокое содержание парализует мышцу;
Калий необходим в синтезе ацетилхолина и он влияет на синоптическую передачу возбуждения; вызывает расширение сосудов; обеспечивает клетке способность к возбуждению.
Нормальное содержание кальция в плазме 2, 1—2, 6 ммоль/л. Кальций принимает активное участие в процессах возбуждения, синоптической передаче, мышечном сокращении, участвует в окислении жиров и углеводов, в свертывании крови, формирует структурную основу костного скелета.
Главная роль в регуляции равновесия между кальцием плазмы и кальцием костей принадлежит гормону околощитовидных желез паратирину.
Суточная потребность в магнии 150—450 мг. При недостатке магния наблюдаются мышечная слабость, в том числе и сердечной мышцы, угнетение дыхания.
Общее содержание хлора в организме 2000 м/моль. Он является вторым после натрия внеклеточным анионом. Участвует в процессах возбуждения и торможения, в синоптической передаче, в образовании соляной кислоты желудочного сока.
|
|
|
Биологическая роль углеводов для человека определяется, прежде всего, его энергетической ценностью. Процессы превращения углеводов обеспечивают 60% суммарного энергообмена.
При окислении 1 г углеводов выделяется 4 ккал тепла. Углеводы используются либо как прямой источник химической энергии (глюкозо-6-фосфат), либо как энергетический резерв (гликоген). Основные углеводы — сахара, крахмал, клетчатка — содержатся в растительной пище, суточная потребность в которой взрослого человека составляет около 500 г (минимальная потребность - 100—150 г в сутки).
Мышечная ткань, особенно при активной работе, извлекает из крови значительное количество глюкозы. В мышцах из глюкозы синтезируется гликоген. Распад гликогена (гликолиз) является одним из источников энергии мышечного сокращения.
Мозг не имеет депо гликогена, поэтому он нуждается в постоянном поступлении глюкозы. Углеводы – единственный источник, за счёт которого в норме покрываются энергетические расходы мозга. Ткань мозга поглощает около 70% глюкозы, выделяемой печенью.
Около 70% углеводов пищи окисляется в тканях до воды и двуокиси углерода; 25% глюкозы крови превращается в жир; из2—5% в печени и в мышцах путем гликогенеза синтезируется гликоген.
Уровень глюкозы в крови регулируется гормонами — инсулином, глюкагоном, адреналином, соматотропином и кортизолом.
Суммарное количество жиров в организме человека составляет 10—20% массы тела.
Суточная потребность 70—80 г. Жиры, поступившие в пищеварительный тракт, распадаются на глицерин и жирные кислоты, которые всасываются в лимфатические сосуды, а оттуда поступают в кровь. В процессе окисления жирные кислоты превращаются в ацетилкоэнзим А, при помощи которого осуществляется связь углеводного и жирового обменов. Уровень жирных кислот в организме регулируется как отложением их в жировой ткани, так и высвобождением из нее.
|
|
|
Жиры, весьма неоднородные в химическом отношении выполняют следующие функции.
Нейтральные жиры пищи являются важнейшим источником энергии. При окислении 1 г вещества выделяется максимальное по сравнению с окислением белков и углеводов количество энергии — 9, 0 ккал. За счет окисления нейтральных жиров образуется 50% всей энергии в организме. Жиры, депонированные в подкожной клетчатке, предохраняют организм от потерь тепла, а окружающие внутренние органы — от механических повреждений.
Увеличение массы тела на 20—25% против нормы считается предельно допустимой физиологической границей.
Фосфо - и гликолипиды входят в состав всех клеток, особенно нервных. Фосфолипиды синтезируются в печени и в кишечной стенке.
Бурый жир представлен особой жировой тканью, располагающейся в области шеи и верхней части спины у новорожденных и грудных детей. В небольшом количестве бурый жир имеется и взрослого человека. Продукция тепла бурым жиром (на единицу массы его ткани) в 20 и более раз превышает таковую обычной жировой ткани. Несмотря на минимальное содержание бурого жира, в нем может генерироваться 1/3 всего образующегося в организме тепла. Бурому жиру принадлежит важная роль в адаптации организма к низким температурам. Следует отметить, что бурый жир является также источником эндогенной воды.
Высшие жирные кислоты являются основным продуктом гидролиза липидов в кишечнике. Суточная потребность в них составляет 10—12 г. Линолевая и линоленовая кислоты содержатся в растительных жирах, арахидоновая — только в животных. Они необходимы для построения и сохранения липопротеидных клеточных мембран, для синтеза простагландинов и половых гормонов.
Дефицит незаменимых жирных кислот в пище приводит к замедлению роста и развития организма, снижению репродуктивной функции и различным поражениям кожи.
Регуляция расщепления и накопления жиров осуществляется гормонами надпочечников (адреналин) и поджелудочной железы (инсулин), которые усиливают липолиз, активируют фазу катаболизма. Хронический стресс, сопровождаемый напряжением симпатико-адреналовой системы, приводит к истощению жировых депо и потере массы тела. Напротив, дефицит инсулина, например, при сахарном диабете, сочетается с ожирением.
Незаменимые сложные жиры — фосфатиды и стерины. Ими поддерживается постоянство состава цитоплазмы нервных клеток, синтезируются половые гормоны и гормоны коркового вещества надпочечников, некоторые витамины (например, витамин Д).
Функции белков в организме многообразны. Пластическое или структурное значение белков состоит в том, что они входят в состав всех клеток и межтканевых структур, а также обеспечивают рост и развитие организма за счет процессов биосинтеза.
|
|
|
Каталитическая, или ферментативная, активность белков регулирует скорость биохимических реакций, определяет все стороны обмена веществ и образования энергии не только из самих протеинов, но и из углеводов и жиров.
Защитная функция заключается в образовании иммунных белков — антител. Белки способны связывать токсины и яды, обеспечивают свертываемость крови (гемостаз).
Транспортнаяфункция — перенос кислорода и двуокиси углерода эритроцитным белком — гемоглобином; связывание и перенос некоторых ионов (железо, медь, водород), лекарственных веществ, токсинов.
Энергетическая роль белков определяется их способностью освобождать при окислении энергию: 1 г белка аккумулирует 4 ккал.
По степени важности пластическая роль белков в метаболизме превосходит их собственную энергетическую, а также пластическую роль других питательных веществ. Особенно велика потребность в белке в периоды роста, беременности, выздоровления после тяжелых заболеваний.
Для поддержания азотистого равновесия в организме требуется как минимум 30—45 г животного белка в сутки — физиологический минимум белка.
Белки органов и тканей нуждаются в постоянном обновлении. Около 400 г белка из 6 кг, составляющих белковый «фонд» организма, ежедневно подвергается катаболизму и должно быть возмещено эквивалентным количеством вновь образованных белков в анаболической фазе белкового обмена.
Минимальное количество белка, постоянно распадающегося в организме называется коэффициентом изнашивания Рубнера. Потеря белка у человека массой 70 кг равна 23 г/сут. Поступление в организме белка в меньшем количестве ведет к отрицательному азотистому балансу, не удовлетворяющему пластические и энергетические потребности организма.
Для полного удовлетворения потребности организма в белке в сутки человек должен получить 80—100 г белка, в том числе 30 г животного происхождения, а при физических нагрузках—130-150 г. Эти количества в среднем соответствуют физиологическому оптимуму белка — 1 г на 1 кг массы тела.
Гормональная регуляция обмена белков обеспечивает динамическое равновесие их синтеза и распада.
Анаболизм белков контролируется гормонами аденогипофиза (соматотропином), поджелудочной железы (инсулином), мужских половых желез (андрогенами). Усиление анаболической фазы метаболизма белков при избытке этих гормонов выражается в усиленном росте, увеличении массы тела. В ряде случаев, например, в период полового созревания, эти явления имеют физиологический характер. В других случаях (например, при опухоли гипофиза) могут развиться гигантизм и другие гиперпластические процессы. Недостаток анаболических гормонов (например, соматотропина) вызывает задержку роста у детей.
Катаболизм белков регулируется гормонами щитовидной железы (тироксином, трийодтиронином), коркового (глюкокортикоидами) и мозгового (адреналином) вещества надпочечников. Избыток этих гормонов усиливает распад белков в тканях, что сопровождается истощением и отрицательным азотистым балансом. Недостаток гормонов, например, щитовидной железы сопровождается ожирением.
Большое значение для здоровой жизнедеятельности имеют витамины. Это органические низкомолекулярные соединения, поступающие с пищей или синтезируемые в самом организме. Витамины не являются пластическим материалом и не участвуют непосредственно в энергетическом обмене. Вместе с тем, функции их многообразны, а недостаток, или избыток приводит к серьезным нарушениям метаболизма.
Обмен энергии
В основе процессов обмена энергии лежат законы термодинамики — взаимных превращений различных видов энергии при переходах ее от одних тел к другим в форме теплоты или работы.
С точки зрения термодинамики живые организмы относятся к открытым стационарным неравновесным системам. Это означает, что:
1) они обмениваются с окружающей средой веществом и энергией;
2) способны в течение определенного времени удерживать свои основные параметры и под влиянием внешней среды переходить из одного стационарного состояния в другое в пределах колебаний жизненно важных констант, допустимых для сохранения жизни;
3) благодаря наличию в организме множества градиентов и потенциалов создаются условия для неравновесного распределения вещества и энергия между живыми системами и окружающей средой.
Принцип устойчивого неравновесия живых систем гласит:
«Живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии».
|
|
|
