Обмен веществ и энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: "Обмен веществ и энергии"

1. Общие понятия об обмене веществ

Обмен веществ (метаболизм) - совокупность химических и физических превращений, происходящих в живом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с внешней средой.

Обмен веществ выполняет 2 функции:

1. Обеспечение пластических нужд организма.

В клетке непрерывно происходит синтез белков, липидов, нуклеиновых кислот. Из них формируются различные структуры клетки. Совокупность реакций, обеспечивающих построение клетки и обновление её состава, носит название пластического обмена.

2. Обеспечение клетки энергией.

Любое проявление жизнедеятельности нуждается в затрате энергии. Для энергообеспечения клетки используется энергия химических реакций, которая освобождается в результате расщепления поступающих веществ. Совокупность реакций обеспечивающих клетку энергией называется энергетическим обменом. Эти две разновидности обмена связанны между собой. Пластический обмен всегда проходит при затрате энергии. Для осуществления реакций энергообмена необходим постоянный синтез ферментов. Через пластический и энергетический обмен осуществляется связь клетки с окружающей средой. В обмене веществ и энергии выделяют два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса: анаболизм и катаболизм.

Обмен веществ протекает в несколько этапов:

1. Подготовительный этап - переработка пищевых веществ в органах пищеварения. Превращение полимеров в мономеры (расщепление белков до аминокислот, жиров до глицирина и жирных кислот, углеводов до глюкозы).

2. Межуточный (промежуточный) обмен веществ - всасывание мономеров в кровь и поступление их в клетки, поступившие вещества учавствуют в востановление клеточных мембран, учавствуют в иных процессах на молекулярном уровне и тд..

3. Образование и выделение продуктов метаболизма.

2. Обмен веществ между организмом и внешней средой как основное условие жизни и сохранения гомеостаза

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 (2871,2 кДж) тепла.

С₆Н₁₂О₆+6О₂®6Н₂О+СО₂+686 ккал

Выделившаяся в результате химических реакций в организм энергия используется в дыхательном обмене клеток для синтеза макроэргических соединений, важнейшим из которых является АТФ. АТФ аккумулирует энергию фосфатных связей и является непосредственным источником энергии во всех процессах жизнедеятельности, где совершается работа. Часть заключенной в питательных веществах химической энергии преобразуется в другие биологически полезные формы - электрическую, осмотическую, механическую.

Основная часть энергии выделяется в виде тепла.

Химическая работа обеспечивает обмен белков, жиров, углеводов, рост и размножение клеток. Осмотическая энергия - перенос веществ через мембрану клетки.

Электрическая - поддерживает разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями клеточной мембраны. Механическая энергия - определяет разные формы движения.

3. Пластическая и энергетическая роль питательных веществ

Единственным источником энергии являются питательные вещества. Они выполняют пластическую роль.

3 этапа обмена веществ:

1. Ферментативное расщепление и всасывание.

2. Транспорт питательных веществ к тканям организма.

3. Выведение конечных продуктов метаболизма из организма.

Промежуточный обмен - химическое превращение переваренных питательных веществ: катаболизм, анаболизм.

Обмен углеводов. Биологическая роль углеводов определяется их энергетической ценностью. Процессы превращения углеводов обеспечивают 60 % суммарного энергообмена.

При окислении 1 г углеводов выделяется 16,7 кДж (4,0 ккал) тепла. Суточная потребность человека - 500 г.

Обмен жиров. Жир в организме человека составляет 10-20 % массы тела. Суточная потребность 70-80 г. Жиры являются важнейшим источником энергии. При окислении 1 г выделяется 37,7 кДж (9,0 ккал). Жиры входят в состав структурных компонентов клетки. Увеличение массы тела на 20-25 % против нормы считается предельно допустимой физиологической границей. Почти 30 % населения экономически развитых стран страдает ожирением.

Обмен белков. Функции белков:

1. Пластическая

2. Каталитическая (ферментная)

3. Защитная

4. Транспортная

5. Энергетическая

При окислении 1 г белка = 16,7 кДж (4,0 ккал). Вне зависимости от видоспецифичности все многообразные белковые структуры содержат в своем составе всего 20 аминокислот, однако для нормального метаболизма имеет значение не только абсолютное количество получаемого человеком белка, но и его качественный состав, а именно соотношение заменимых и незаменимых аминокислот.

Суточная потребность белка 80-100г, при физических нагрузках -130-150 г.

4. Регуляция обмена белков, жиров и углеводов

Белки - высокомолекулярные органические соединения, биополимеры, построенные из 20 видов L-аминокислотных остатков, соединенных в определенной последовательности в длинные цепи. Для обеспечения жизнедеятельности клетки исключительно важное значение имеет каталитическая, или ферментативная, роль белков. Биологические катализаторы, или ферменты - это вещества белковой природы, ускоряющие химические реакции в десятки и сотни тысяч раз. Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, кислорода) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к различным тканям и органам тела.

Белки служат также источником энергии в клетке, т. е. выполняют энергетическую функцию. При полном расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.

Жиры - органические соединения, в основном сложные эфиры глицерина и одноосновных жирных кислот (триглицериды); относятся к липидам. Один из основных компонентов клеток и тканей живых организмов. Источник энергии в организме; при расщеплении 1 г липидов выделяется 38,9 кДж энергии.

Углеводы - обширная группа природных органических соединений, химическая структура которых часто отвечает общей формуле Cm(H2O)n. Углеводы играют роль основного источника энергии в клетке. В процессе окисления 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии. Крахмал у растений и гликоген у животных, откладываясь в клетках, служит энергетическим резервом.

5. Значение минеральных веществ и микроэлементов для организма

Минеральный обмен. Минеральные вещества играют основную роль в создании внутренней среды организма с постоянными физико-химическими свойствами. Основные: Na, K, Ca, Mg, Fe, Zn, йод и др.

Минеральные вещества входят в состав клеток и тканей организма. Фосфор входит в состав липидов, железо - гемоглобина, йод в состав гормонов щитовидной железы и т.д. Недостаток или избыток микроэлементов приводит к различным патологическим состояниям. При недостатке йода в организме развивается эндемический зоб. При недостатке кальция и фосфора нарушается рост и развитие костной ткани.

6. Значение воды, факторы, определяющие ее распределение и перемещение в организме. Регуляция водного и минерального обмена

Вода у взрослого человека составляет 60% от массы тела, а у новорожденного -- 75%. Она является средой, в которой осуществляются процессы обмена веществ в клетках, органах и тканях. Непрерывное поступление воды в организм является одним из основных условий поддержания его жизнедеятельности. Основная масса (около 71 %) всей воды в организме входит в состав протоплазмы клеток, составляя так называемую внутриклеточную воду. Внеклеточная вода входит в состав тканевой, или интерстициалъной, жидкости (около 21%) и воды плазмы крови (около 8%). Баланс воды складывается из ее потребления и выделения. С пищей человек получает в сутки около 750 мл воды, в виде напитков и чистой воды -- около 630 мл. Около 320 мл воды образуется в процессе метаболизма при окислении белков, углеводов и жиров. При испарении с поверхности кожи и альвеол легких в сутки выделяется около 800 мл воды. Столько же необходимо для растворения экскретируемых почкой осмотически активных веществ при максимальной осмолярности мочи. 100 мл воды выводится с фекалиями. Следовательно, минимальная суточная потребность составляет около 1700 мл воды.

Поступление воды регулируется ее потребностью, проявляющейся чувством жажды. Это чувство возникает при возбуждении питьевого центра гипоталамуса.

Организм нуждается в постоянном поступлении не только воды, но и минеральных солей. Наиболее важное значение имеют натрий, калий, кальций.

7. Витамины, их физиологическая роль

Обмен витаминов. Витамины - органические низкомолекулярные соединения, поступающие с пищей или синтезируемые в организме. Витамины не являются пластическим материалом и не участвуют непосредственно в энергетическом обмене. Вместе с тем функции их многообразны: регулируют все виды обмена веществ, клеточное дыхание, регулируют окислительно-восстановительные реакции и т.д. Недостаток витаминов приводит к серьезным нарушениям метаболизма, в результате чего наблюдается снижение физической и умственной работоспособности, сопротивляемости к различным заболеваниям. Усиливается отрицательное действие на организм неблагоприятных факторов окружающей среды.

8. Энергетический баланс организма

Соотношение количеств энергии, поступившей в организм (главнымобразом с пищей) и израсходованной организмом (главным образом в виде выделения тепла).

9. Методы исследования энергетического обмена

Прямая калориметрия

Прямая калориметрия основана на непосредственном учете в биокалориметрах количества тепла, выделенного организмом. Биокалориметр представляет собой герметизированную и хорошо теплоизолированную от внешней среды камеру. В камере по трубкам циркулирует вода. Тепло, выделяемое находящимся в камере человеком или животным, нагревает циркулирующую воду. По количеству протекающей воды и изменению ее температуры рассчитывают количество выделенного организмом тепла.

Одновременно в биокалориметр подается О2 и поглощается избыток СО2 и водяных паров. Схема биокалориметра приведена на рис. 10.1. Продуцируемое организмом человека тепло измеряют с помощью термометров (1,2) по нагреванию воды, протекающей по трубкам в камере. Количество протекающей воды измеряют в баке (3). Через окно (4) подают пищу и удаляют экскременты. С помощью насоса (5) воздух извлекают из камеры и прогоняют через баки с серной кислотой (6 и 8) -- для поглощения воды и с натронной известью (7) -- для поглощения СО2. О2 подают в камеру из баллона (10) через газовые часы (11). Давление воздуха в камере поддерживают на постоянном уровне с помощью сосуда с резиновой мембраной (9).

Непрямая калориметрия

Методы прямой калориметрии очень громоздки и сложны. Учитывая, что в основе теплообразования в организме лежат окислительные процессы, при которых потребляется О2 и образуется СО2, можно использовать косвенное, непрямое, определение теплообразования в организме по его газообмену -- учету количества потребленного О2 и выделенного СО2 с последующим расчетом теплопродукции организма.

Для длительных исследований газообмена используют специальные респираторные камеры (закрытые способы непрямой калориметрии) (рис. 10.2). Кратковременное определение газообмена в условиях лечебных учреждений и производства проводят более простыми не камерными методами (открытые способы калориметрии) .

Наиболее распространен способ Дугласа -- Холдейна, при котором в течение 10--15 мин собирают выдыхаемый воздух в мешок из воздухонепроницаемой ткани (мешок Дугласа), укрепляемый на спине обследуемого (рис. 10.3.). Он дышит через загубник, взятый в рот, или резиновую маску, надетую на лицо. В загубнике и маске имеются клапаны, устроенные так, что обследуемый свободно вдыхает атмосферный воздух, а выдыхает воздух в мешок Дугласа. Когда мешок наполнен, измеряют объем выдохнутого воздуха, в котором определяют количество О2 и СО2.

Кислород, поглощаемый организмом, используется для окисления белков, жиров и углеводов. Окислительный распад 1 г каждого из этих веществ требует неодинакового количества О2 и сопровождается освобождением различного количества тепла. Как видно из табл. 10.2, при потреблении организмом 1 л О2 освобождается разное количество тепла в зависимости от того, на окисление каких веществ О2 используется.

Дыхательным коэффициентом (ДК) называется отношение объема выделенного СО2 к объему поглощенного О2. Дыхательный коэффициент различен при окислении белков, жиров и углеводов. Для примера рассмотрим, каков будет дыхательный коэффициент при использовании организмом глюкозы. Общий итог окисления молекулы глюкозы можно выразить формулой:

С6Н12О6 + 6 О2 = 6 СО2 + 6 Н2О

10. Основной обмен, факторы, определяющие его

Основной обмен - минимальное количество энергии, необходимое для обеспечения нормальной жизнедеятельности в условиях относительного физического и психического покоя.

Эта энергия расходуется на процессы клеточного метаболизма, кровообращение, дыхание, выделение, поддержание температуры тела, работы центров мозга.

Любая работа - физическая или умственная, а также прием пищи, колебания температуры окружающей среды и другие внешние и внутренние факторы, изменяющие уровень обменных процессов, влекут за собой увеличение энергозатрат. Основной обмен зависит от возраста, роста, массы тела, пола человека.

Мышечная работа сопряжена со значительными затратами энергии и увеличением теплопродукции. При мышечных нагрузках средней интенсивности КПД работы мышцы составляет »24 %. Из всего количества энергии, расходуемой работающими мышцами, 43 % затрачивается на активизацию сокращения, и вся эта энергия переходит в тепло. Только 57 % из общего количество энергии идет на рабочее сокращение.

Предельно допустимая по тяжести работа для данного человека, постоянно выполняемая им в течение длительного времени, не должна превышать по энергозатратам уровень основного обмена более чем в 3 раза.

При кратковременных нагрузках энергия выделяется за счет окисления углеводов, а при длительных - жиров (спортсмены).

11. Специфически-динамическое действие питательных веществ

После приема пищи интенсивность обмена веществ и энерготраты организма увеличиваются по сравнению с их уровнем в условиях основного обмена. Увеличение обмена веществ и энергии начинается через час, достигает максимума через 3 ч после приема пищи и сохраняется в течение нескольких часов. Влияние приема пищи, усиливающее обмен веществ и энергетические затраты, получило название специфического динамического действия пищи.

При белковой пище оно наиболее велико: обмен увеличивается в среднем на 30 %. При питании жирами и углеводами обмен увеличивается у человека на 14--15 %.

12. Роль рецепторов полости рта в проявлении специфически-динамического действия пищи

Вкусовая рецепция у позвоночных связана с функционированием вкусовых почек, или луковиц - специальных эпителиальных образований, расположенных в толще многослойного эпителия языка. Клетки вкусовых луковиц проходят через всю толщу эпителия, перпендикулярно к нему, достигая базальными концами базальной мембраны, а в апикальной части образуя вкусовой канал, соединенный с ротовой полостью через вкусовую пору. Вкусовая луковица включает 30-80 уплощенных, вытянутых веретенообразных клеток, тесно прилегающих друг к другу наподобие долек апельсина.

Эпителиальные структуры вкусовой луковицы тесно связаны с нервными элементами. После перерезки волокон, иннервирующих вкусовую луковицу, наблюдается полная ее дегенерация и исчезновение. Регенерация нерва ведет к восстановлению вкусовой луковицы.

У человека вкусовые луковицы расположены преимущественно на дорсальной поверхности грибовидных, в желобках листовидных, канавках желобоватых сосочков языка, а также в значительно меньших количествах в слизистой неба, глотки, гортани, миндалин, небной занавески. Каждый грибовидный сосочек содержит 3-4 луковицы. У детей вкусовые луковицы распространены более широко, чем у взрослых, по твердому и мягкому небу, на гортани, надгортаннике, грибовидных сосочках середины спинки языка. У взрослого человека насчитывают 9-10 тысяч вкусовых луковиц. После 45 лет часть вкусовых луковиц атрофируется.

Показано, что число вкусовых луковиц связано с характером питания: у хищников их меньше, чем у растительноядных.

У большинства позвоночных и человека сигнализация о химическом составе веществ, находящихся в ротовой полости, поступает в ЦНС по волокнам лицевого, языкоглоточного, блуждающего и тройничного нервов. Все вкусовые волокна, вступающие в мозговой ствол, заканчиваются в ядре одиночного пучка, проходящего на всем протяжении продолговатого мозга в дорзо-латеральной части покрышки. Вопрос о локализации центров вкуса в коре окончательно не решен, однако принято считать наиболее тесно связанными с вкусовой чувствительностью следующие районы коры: нижний конец центральной извилины около сильвиевой борозды, прараинсулярную область и область покрышки. Изменения вкуса наблюдаются также при повреждении основания височной доли, оперкулярной зоны и др.

Ощущение вкуса возникает лишь в том случае, когда вещество, входящее в контакт со вкусовой луковицей, растворено в воде. Так, сухой сахар, положенный на осушенный фильтровальной бумагой язык, представляется безвкусным.

В естественных условиях вкусовое ощущение весьма сложно, и зависит от сочетания четырех первичных вкусовых качеств, возникающих при раздражении вкусовых рецепторов - сладкого, соленого, горького и кислого.

Наиболее чувствителен к сладкому кончик, к горькому - корень, к кислому - края, соленому - кончик и края языка. Зоны, чувствительные к каждому из этих раздражителей, перекрывают друг друга, и любое вкусовое ощущение может быть вызвано с различных областей языка. При этом, однако, приходится варьировать концентрации растворов. Так, ощущение сладкого с корня языка возникает при больших концентрациях, чем с его кончика. метаболизм питательный микроэлемент энергетический

13. Рабочий обмен

По энергетическим затратам все профессии разделены на несколько групп, согласно суточному расходу энергии.

Согласно рекомендациям ВОЗ, объективным физическим критерием, определяющим адекватное количество расходования энергии для конкретных профессиональных групп людей, является коэффициент физической активности - отношение общих энергозатрат на все виды жизнедеятельности к величине основного обмена.

I группа - работники умственного труда, коэффициент физической активности 1,4; расход энергии 1800-2450 ккал/сутки.

II группа - работники, занятые легким физическим трудом, коэффициент физической активности 1,6; расход энергии 2100-2800 ккал/сутки.

III группа - работники средней тяжести труда, коэффициент физической активности 1,9; расход энергии 2500-3300 ккал/сутки.

IV группа - работники тяжелого физического труда, коэффициент физической активности 2,2, расход энергии 2850-3850 ккал/сутки.

V группа - работники особо тяжелого физического труда, коэффициент физической активности 2,5, расход энергии 3750-4200 ккал/сутки.

Для каждой группы труда определены средние величины сбалансированной потребности здорового человека в энергии и пищевых веществах.

Размещено на Allbest.ru