Обмен веществ и энергии является одним из основных признаков живого.
Обмен веществ - это совокупность реакций пластического (ассимиляция) и энергетического (диссимиляция) 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 процессе которых происходит расщепление и окисление сложных органических веществ: белков - до диоксида углерода, воды и аммиака, или мочевины; жиров и углеводов - до диоксида углерода и воды.
Источником энергии для организма являются органические вещества: белки, углеводы, жиры. 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 из организма. Ассимиляция и диссимиляция неразрывно связаны между собой:
+ для ассимиляции необходима энергия, которая образуется в ходе реакций энергетического обмена;
+ для реакций диссимиляции необходимы ферменты, которые образуются в ходе реакций пластического обмена;
+ ассимиляция и диссимиляция протекают в клетке одновременно, и заключительные этапы одного вида обмена являются начальными стадиями другого.
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.
Роль воды в организме:
+ определяет физические свойства клетки (объем, массу, тургор);
+ является универсальным растворителем;
+ является основным компонентом внутренней среды, местом протекания большинства биохимических реакций в клетке;
+ участвует в реакциях гидролиза: АТФ + Н2О → АДФ + + Н3РО4 + 40 кДж;
+ участвует в транспорте веществ: поглощение питательных веществ, их передвижение и выведение конечных продуктов обмена происходят только в водных растворах;
+ обеспечивает терморегуляцию, поддерживая одинаковую температуру во всем организме;
+ связанная вода образует сольватные (водные) оболочки вокруг белков, благодаря чему они не слипаются друг с другом. Гидрофобно-гидрофильные взаимодействия между разными частями белковой молекулы обеспечивают образование ее третичной и четвертичной структуры.
Суточная потребность человека в воде меняется в зависимости от условий внешней среды и составляет 2-2,5 л. Вода поступает в организм при питье (около 1 л), с пищей (около 1 л) и в результате окисления органических веществ (300-350 мл). Она всасывается в кишечнике (тонком и толстом), а также в небольшом количестве - в ротовой полости и желудке. Из организма вода выводится с мочой (1,2-1,5 л), потом (500-700 мл), выдыхаемым воздухом (350-800 мл), калом (100-150 мл).
Минеральные соли могут присутствовать в организме в твердом состоянии в виде кристаллов фосфата кальция (Са3(Р04)2) и карбоната кальция (СаСО3) в костной ткани; в диссоциированном состоянии - в виде катионов и анионов.
Анионы фосфорной кислоты HPО2-4 создают фосфатную буферную систему, поддерживающую внутри клеток слабокислую (рН=6,9) среду, а угольная кислота и ее анионы HCO3 создают бикарбонатную буферную систему, которая поддерживает слабощелочную (рН=7,4) реакцию внеклеточной среды (например, плазма крови).
Одни ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке (K+, Na+Cl-), в процессах мышечного сокращения и свертывании крови (Ca2+), другие необходимы для синтеза важных органических веществ. Например, остатки фосфорной кислоты входят в состав нуклеотидов, АТФ, ион Fe2+ - в состав гемоглобина, ион Mg2+ - в состав ферментов. Ионы NO-3, NH+ являются источником атомов азота, ион SO2-4- атомов серы, которые необходимы для синтеза аминокислот.
Общее количество минеральных солей в организме человека - около 4,5%. Потребности организма в минеральных солях в основном удовлетворяются за счет продуктов питания. Железа много в яблоках, йода - в морской капусте, кальция - в молочных продуктах. Исключение составляет только хлористый натрий (поваренная соль), который 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. Попадая в кровь, они доставляются клеткам организма. Излишки минеральных солей выводятся из организма с потом, мочой и калом.
Все белки построены из 20 аминокислот, но, несмотря на это, разнообразие белковых молекул огромно. Они обладают видовой специфичностью, которая определяется количеством и порядком расположения аминокислот, различным их сочетанием, 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 иммунитет, протромбин и фибриноген участвуют в реакции свертывания крови;
+ некоторые белки, встроенные в плазмалемму, способны изменять свою пространственную конфигурацию под действием факторов внешней среды (родопсин палочек сетчатки глаза);
+ белковую природу имеют многие гормоны (инсулин, глюкагон, АКТГ);
+ белками являются все ферменты (трипсин, ДНК-полимераза).
Суточная потребность человека в белках составляет 72-92 г. Их источником служат преимущественно продукты животного происхождения. Большое количество белков содержится в мясе (от 14 до 21%), рыбе, молоке и молочных продуктах. На долю продуктов растительного происхождения приходится 8-23% белков (бобовые). 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 для человека 8 аминокислот, которые не могут синтезироваться в организме и называются незаменимыми (лизин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, метионин). Для детей незаменимыми являются также 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.
Проте олитические 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 избыточном количестве 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 (распада) белков выводятся из организма с мочой, потом и частично с выдыхаемым воздухом.
Углеводы представляют собой первичные продукты фотосинтеза и «строительный материал» для биосинтеза всех других органических веществ. Углеводы подразделяются на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.
Роль углеводов в организме:
+ олигосахариды входят в состав цитоплазматической мембраны клетки и образуют гликокаликс;
+ гликоген составляет энергетический клеточный запас; + глюкоза - основной источник энергии, высвобождаемой в клетках живых организмов в ходе дыхания;
+ моносахариды - основа для синтеза 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).
Жиры и жироподобные вещества (липиды) - органические гидрофобные соединения, растворимые в органических растворителях (эфире, бензине, бензоле, хлороформе и др.). Из всех биомолекул липиды имеют наименьшую относительную молекулярную массу. Молекула жира образована молекулой трехатомного спирта глицерола и присоединенными к ней эфирными связями тремя молекула
ми высших карбоновых кислот: пальмитиновой, стеариновой, арахидоновой, олеиновой, линолевой, линоленовой.
Роль жиров и жироподобных веществ в организме:
+ входят в состав клеточных мембран, цитоплазмы, ядра;
+ в виде 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 (витамины и гормоны) являются стероидами (тестостерон у мужчин и прогестерон у женщин, кортикостероиды, витамин D).
Суточная потребность в жирах составляет 81-110 г. Они поступают в организм с растительной и животной пищей: животные жиры - в виде сливочного масла, сыра, сметаны, свиного сала, растительные - в виде растительного масла.
Липолитические ферменты (липазы, желудочного сока, сока поджелудочной железы и тонкого кишечника) расщепляют жиры до глицерола и жирных кислот. Жирные кислоты соединяются со щелочами и желчными кислотами, омыляются, образуя растворимые соли, которые всасываются через стенки ворсинок. В ворсинках из глицерола и жирных кислот синтезируются жиры (триглицериды, фосфолипиды и холестерол), которые в виде маленьких капелек (хиломикроны) поступают в лимфатические капилляры ворсинок тонкого кишечника.
Жиры всасываются в лимфу, затем поступают в кровь и разносятся по всему организму. Часть жира, попавшего в клетки, является «строительным материалом» (встраиваются в плазматические и ядерные мембраны клеток). Большая же его часть откладывается в подкожной клетчатке, 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 - это низкомолекулярные вещества, обладающие большой биологической активностью и необходимые для жизнедеятельности организмов.
В 1881 г. русский врач Н.И. Лунин обнаружил, что если кормить мышей пищевой смесью, состоящей из очищенных продуктов, они погибают. Если же добавить в рацион 1 мл молока, мыши остаются здоровыми. В 19111912 гг. польский ученый К. Функ выделил препарат из отрубей и назвал его витамином.
Витамины обозначают буквами латинского алфавита A, B, C, D, E, P и др. Все витамины способны синтезировать большинство высших растений, многие бактерии и дрожжи.
Натуральные (естественные) витамины содержатся в продуктах растительного и животного происхождения и, за редким исключением, не синтезируются в организме человека. Витамины бывают водорастворимые (С, Р, группы В) и жирорастворимые (A, D, E, K).
Роль витаминов в организме:
+ входят в состав молекул многих ферментов - коферменты - и некоторых физиологически активных веществ;
+ участвуют практически во всех физиолого-биохимических процессах, составляющих в совокупности обмен веществ;
+ являются непрочными соединениями, быстро разрушаются при нагревании пищевых продуктов;
+ действие витаминов проявляется в малых количествах и выражается в регулировании 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 (печень морских животных). Из водорастворимых витаминов наиболее токсичен В12 (в больших дозах он вызывает сильные аллергические реакции).
Витамин А (ретинол). Участвует в окислительно-восстановительных реакциях. Содержится в сливочном масле, печени, яичном желтке, молоке, рыбьем жире. В овощах (морковь) содержится провитамин А - каротин. В печени человека он превращается в витамин А. Суточная доза - 1,5 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: замедление роста, сухость и помутнение роговицы, нарушение сумеречного зрения (куриная слепота), сухость кожи, снижение сопротивляемости организма заболеваниям.
Витамин D (антирахитический, кальциферол). Стимулирует образование костной ткани, регулирует обмен кальция и фосфора. Содержится в сливочном масле, печени трески, яичном 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: у детей - развитие рахита (размягчение костей, искривление костей ног, уплощение груди, незарастание родничка, позднее появление зубов, у взрослых - ломкость костей).
Витамин Е (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, проростках пшеницы, в яйцах, растительных маслах. Суточная доза - 10-12 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: дистрофия скелетных мышц, нарушение половой функции (бесплодие), нарушение зрения у детей.
Витамин К (филлохинон). 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 С (аскорбиновая кислота). Участвует в окислительно-восстановительных реакциях, необходим для образования коллагена. Содержится в черной смородине, лимонах, шиповнике, клюкве, луке, чесноке, картофеле. Суточная доза - 50 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: цинга (повышенная утомляемость, кровоточивость десен, выпадение зубов, кровоизлияния, снижение иммунитета).
Витамин В1 (тиамин). Участвует в регуляции обмена белков, жиров и углеводов. Содержится в дрожжах, орехах, неочищенном рисе, печени, яичном желтке. Суточная доза - 2,5 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: заболевание бери-бери (поражение нервной системы с параличом конечностей и атрофией мышц).
Витамин В2 (рибофлавин). Участвует в регуляции обмена веществ, в окислительно-восстановительных реакциях, как кофермент - в развитии эритроцитов, обеспечивая кроветворную функцию организма; в регенерации нервных волокон; в нормализации функции печени. Содержится в молоке, мясе, печени, яичном белке, фруктах, овощах. Суточная доза - 2,5 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: поражение роговицы, ангулярный стоматит (заеды), замедление 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, гречневой и овсяной крупах, бобовых. Суточная доза - 10-15 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: психоэмоциональная неустойчивость, склонность к обморокам, изменение походки, чувство жжения стоп.
Витамин В5 (витамин РР, никотиновая кислота). Входит в состав ферментов, являющихся катализаторами окислительно-восстановительных реакций, обмена белков и транспортной РНК. Содержится в животных (особенно печень, мясо) и многих растительных продуктах (рис, хлеб, картофель). Суточная доза - 10-20 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: дерматит (воспаление открытых участков кожи, диарея (понос), деменция (слабоумие).
Витамин В6 (пиридоксин). Участвует в регуляции обмена аминокислот. Содержится в мясе, молоке, дрожжах, рисе, бобах. Суточная доза - 2,5 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: дерматит и неврит.
Витамин В9 (фолиевая кислота, витамин Вс). Участвует в обмене белков и нуклеиновых кислот. Витамина много в лиственных овощах, например в шпинате. Он содержится в салате, печени, мясе и яичном желтке, капусте, томатах, землянике. Суточная доза - 0,3-1 мг. Признаки гипо- и авитаминоза: анемия (малокровие).
Витамин В12 (антианемический, цианокобаламин). Участвует в регуляции обмена белков, жиров и углеводов. Содержится в печени, мясе, твороге, яйцах. Суточная доза - 2-3 мкг. Признаки гипо- и авитаминоза: злокачественная анемия.
Витамин Н (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. Признаки гипо- и авитаминоза: заболевания кожи, выпадение волос.
Способы сохранения витаминов в пищевых продуктах: консервирование (сохранение продуктов со сравнительно небольшими потерями витаминов); замораживание (оптимальный способ сохранения витаминов; быстрое замораживание должно сочетаться с быстрым размораживанием); квашение овощей и фруктов (в процессе молочно-кислого брожения образуется молочная кислота, способствующая сохранению в заквашиваемых продуктах витамина С); вакуумная сушка (проводится в условиях разряжения при температуре не выше 50 °С).