Главное меню

Реклама

Глава 10 ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ - 10.2. Виды обмена веществ

Содержание материала

 

10.2. Виды обмена веществ

Основные вещества, поступающие в организм, — это вода и рас­творенные в ней минеральные соли, белки, жиры, углеводы и вита­мины. Каждое из этих веществ имеет определенное назначение для организма, для каждого из них характерны свои пути метаболизма. Таким образом, различают следующие виды обмена веществ: обмен воды и минеральных солей, обмен белков, обмен жиров и обмен уг­леводов. Витамины играют преимущественно роль катализаторов биохимических процессов, так как большинство из них входят в со­став ферментов.

Обмен воды и минеральных солей. В различных тканях вода со­ставляет от 10 (в жировой) до 90 % (кровь, лимфа). В среднем на ее долю приходится 65 —70 % массы тела.

В течение 1 сут в нормальных условиях человек потребляет обыч­но 1,5 —2,5 л воды. Такое же количество выводится почками с мо­чой, через кожу — с потом, через легкие — в виде водяных паров. Однако объем выделяемой почками воды зависит от окружающей температуры и может возрастать или уменьшаться в несколько раз.

Вода не может служить источником энергии для организма, но она выполняет ряд других жизненно важных функций:

1) является универсальным растворителем — практически все ве­щества клеток и внеклеточных структур растворены в воде, поэтому именно в ней происходят основные метаболические процессы;

2) обеспечивает поступление в организм растворенных в ней ми­неральных веществ и водорастворимых витаминов;

3) препятствует переохлаждению организма, так как обладает высокой теплоемкостью;

4) обеспечивает защиту организма от перегревания за счет испа­рения с поверхности кожи и слизистых оболочек;

5) включается в важнейшие биохимические процессы, образует­ся в их ходе.

Минеральные вещества также не являются источниками энер­гии. Они выполняют разнообразные функции. Из всех минераль­ных веществ наш организм наиболее богат натрием. Он содержит­ся во внеклеточном пространстве и плазме крови в значительно больших количествах, чем в клетках. С ним связывают такой слож­ный процесс, как проведение импульсов в нервной системе. Натрий играет важную роль в процессах выделения. Он необходим для под­держания осмотического давления жидкостей организма. Избыточ­ное гидростатическое давление на раствор, отделенный от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекра­щается диффузия через мембрану, называется осмотическим дав­лением.

Ионы калия в отличие от ионов натрия содержатся преимуще­ственно в цитоплазме клеток. Калий также необходим организму для проведения нервных импульсов, нормальной работы сердечной мышцы.

Кальций и фосфор в больших количествах содержатся в костях; кальций, фосфор и фтор — в эмали зубов. Кальций также необходим для мышечного сокращения, синаптической передачи нервного им­пульса. Он является одним из факторов свертывающей системы кро­ви. Железо входит в состав гемоглобина. При его недостатке возни­кают железодефицитные анемии.

Анионы йода играют важную роль в гуморальной регуляции функций организма, так как они входят в состав гормонов щитовид­ной железы. Хлор является основным анионом внутри- и внеклеточ­ной жидкостей организма. Он играет роль в процессах передачи не­рвного импульса, в синаптической передаче, в образовании соляной кислоты желудочного сока. Цинк, медь, магний, кобальт, железо вхо­дят в состав многих ферментов.

При недостатке поступления какого-либо из этих химических элементов возникают заболевания, сопровождающиеся тяжелыми нарушениями обмена веществ.

Обмен белков. Ф. Энгельс отметил, что «жизнь — есть способ существования белковых тел». Действительно, все живое на планете состоит из азотсодержащих соединений, являющихся структурной основой белков.

Белки состоят из аминокислот. В организме человека выделены 20 белокобразующих аминокислот, 10 из них являются заменимыми, а 10 незаменимыми. Заменимые аминокислоты могут быть синтези­рованы клетками организма из других аминокислот, незаменимые не могут синтезироваться из других веществ и должны в обязательном порядке поступать с пищей. Белки пищи, содержащие полный набор аминокислот, называются полноценными. Как правило, полноцен­ные белки имеют животное происхождение. В неполноценном бел­ке отсутствует хотя бы одна из незаменимых аминокислот. Долговре­менное отсутствие в рационе даже одной аминокислоты приводит к тяжелым заболеваниям.

В ротовой полости, глотке, пищеводе белки не подвергаются воз­действию специфических ферментов. Переваривание белков начи­нается в желудке под действием пепсина, который расщепляет их на молекулы меньшего размера (полипептиды).

В тонкой кишке на полипептиды воздействуют ферменты кишеч­ного и панкреатического соков (трипсин, химотрипсин, карбокси- пептидаза, аминопептидаза). Они расщепляют белки до аминокис­лот, которые и всасываются в кровь в тонкой кишке. С током крови они проходят через печень, где гепатоциты синтезируют из части поступивших аминокислот белки крови, в том числе белки сверты­вающей системы. Далее аминокислоты поступают в общий кровоток и переносятся ко всем органам и тканям. В клетках они необходи­мы в первую очередь для построения собственных белков, специ­фичных для организма. Процесс синтеза белка происходит на ри­босомах (полисомах) под действием различных ферментов. Генети­ческая информация о структуре белка организма записана на «мат­рице» — молекуле ДНК. После завершения синтеза первичной структуры белковой молекулы происходит образование вторичной, третичной структуры в комплексе Гольджи.

Обязательным компонентом молекул аминокислот является азот, поэтому определив количество азота, поступившего с пищей и удаленного из организма, можно охарактеризовать белковый об­мен. В среднем человеческому организму в сутки необходимо 100— 110 г белка. Соотношение количества азота, поступившего в организм и удаленного из него, называют азотистым балансом. У взрослого человека в норме количество белка, поступившего в организм, рав­но количеству распавшегося. Это соотношение можно определить понятием азотистое равновесие. При азотистом равновесии коли­чество азота, поступающего в организм с белками, соответствует ко­личеству азота, выводимого из организма с мочевиной и другими ве­ществами.

В детском возрасте в связи с процессами роста количество по­ступающего белка превышает его распад, следовательно, организм ребенка потребляет азота больше, чем выделяет. Такой уровень белкового обмена наблюдается у больных в стадии выздоровления и в ряде других ситуаций. Это называется положительным азоти­стым балансом. В старческом возрасте, при длительном голодании и у ослабленных больных процессы распада белка преобладают над его поступлением — азот из организма выделяется в больших коли­чествах, чем поступает. В этом случае имеет место отрицательный азотистый баланс, или азотистый дефицит.

В целом белки выполняют в организме следующие основные функции:

1) пластическую (они необходимы для построения клеточных мембран, органелл, внеклеточных структур);

2) ферментативную (все ферменты в природе — белки);

3) регуляторную (некоторые белки являются гормонами, напри­мер инсулин; из определенных аминокислот в организме также мо­гут быть синтезированы гормоны или медиаторы — адреналин, норадреналин, дофамин);

4) энергетическую — белки могут выступать в роли источников энергии: при расщеплении 1 г белка образуется 17,6 кДж энергии;

5) специфические функции (актин и миозин в мышечной ткани выполняют сократительную, фибриноген сыворотки крови — свер­тывающую, иммуноглобулины крови — защитную и т.д.).

Следует отметить, что белки не могут быть синтезированы из уг­леводов или жиров. В то же время при недостатке в организме жи­ров или углеводов они могут использоваться для синтеза этих ве­ществ. Белки не депонируются в организме и при их дефиците про­исходит разрушение белков крови (например, антител) или белко­вых структур ряда органов и тканей. Освободившиеся при этом аминокислоты являются исходным материалом для обеспечения жизнедеятельности остальных клеток организма. В обычных усло­виях белки практически не служат источником обеспечения орга­низма энергией, они участвуют преимущественно в пластическом обмене.

Конечный распад белков приводит к образованию воды, углекис­лого газа и аммиака, который затем преобразуется в мочевину.

На обмен белков влияют различные гуморальные факторы. Гормон роста (соматотропин), гормоны щитовидной железы (ти­роксин, трийодтиронин) оказывают анаболическое действие на метаболизм белков. Глюкокортикоиды, глюкагон угнетают синтез белка в клетках, увеличивают скорость выведения азота из орга­низма.

Обмен углеводов. Основным углеводом для организма челове­ка является глюкоза. Углеводы поступают в организм в основном в виде полисахаридов (крахмала и гликогена) и дисахаридов (например, сахарозы). Под действием амилазы, содержащейся в слюне, а также кишечном и панкреатическом соках, из них образуются моносаха­риды (глюкоза, фруктоза и др.), которые всасываются в кишечни­ке. По воротной вене глюкоза поступает в печень. Здесь большая ее часть идет на образование гликогена — высокомолекулярного ве­щества, являющегося полимером глюкозы. По мере увеличения по­требности организма в глюкозе от гликогена отщепляются остатки этого моносахарида. Они и переходят в кровь для доставки к орга­нам и тканям. Гликоген образуется также в мышечной ткани и в не­большом количестве в других внутренних органах, за исключением головного мозга.

Поступление глюкозы в клетки регулирует гормон инсулин. Он увеличивает ее количество в клетках и уменьшает в плазме крови. Под действием инсулина происходит активный синтез гликогена. Таким образом, он отвечает за утилизацию глюкозы. К гормонам, увеличивающим количество свободной глюкозы в плазме крови, относятся адреналин, глюкагон и др. Нормальная концентрация это­го моносахарида в крови — 4,2 —6,4 ммоль/л. Понижение уровня глюкозы ниже 4,2 ммоль/л называется гипогликемией. Наоборот, повышение ее уровня выше нормы — гипергликемией. У здоровых людей глюкоза с мочой не выделяется. Однако при увеличении ее концентрации в крови до 10 ммоль/л она появляется в моче, что наблюдается при сахарном диабете.

В клетках организма большая часть глюкозы идет на обеспечение энергетических потребностей. При распаде 1 г глюкозы выделяется 17,6 кДж энергии. Конечные продукты выводятся через почки (Н20) и легкие (С02). Больше других органов в глюкозе нуждается голов­ной мозг. Ее  расщепление происходит путем гликолиза (анаэробное, бескислородное окисление) и в цикле лимонной кислоты (в цикле Кребса) — аэробном, кислородном окислении. При этом выделяет­ся 2 и 36 молекул АТФ соответственно (всего — 38 молекул АТФ). Помимо функции энергообразования углеводы могут быть исполь­зованы организмом и для синтеза, например для образования гли­копротеинов. При недостатке в организме жиров часть углеводов может расходоваться на их синтез. Однако для образования амино­кислот они использоваться не могут. Наоборот, при недостатке в организме углеводов они могут быть синтезированы из жиров и бел­ков.

В сутки человек должен потреблять 400—500 г углеводов. Таким образом, они являются основным компонентом в питании человека (по массе).

Обмен жиров. Жиры состоят из глицерина и высших карбоно­вых кислот. Они являются гидрофобными соединениями, т.е. пло­хо растворяются в воде. После обработки пищи в ротовой полости и желудке химус содержит их в виде крупных скоплений, капель. В таком состоянии они не могут быть подвержены действию фер­ментов пищеварительных соков. Желчные кислоты, содержащиеся в желчи, эмульгируют жиры, т. е. образуют из них более мелкие кап­ли. После этого начинают действовать липазы кишечного и панк­реатического соков. Они последовательно отщепляют от глицери­на остатки жирных кислот. В результате образуются три молекулы высших карбоновых кислот и одна молекула глицерина. Они пере­носятся из просвета кишечника в эпителий ворсинок тонкой киш­ки. Там образуются молекулы липидов, свойственные данному
организму. После синтеза собственных, специфичных для организ­ма, жиров они переходят из клеток эпителия преимущественно в лим­фатический (млечный) капилляр ворсинки тонкой кишки. С током лимфы, минуя печень, липиды попадают в кровь и далее направ­ляются ко всем клеткам и тканям. Наибольшее количество липи­дов содержится в жировой ткани (до 90 %). Основные запасы жира находятся в организме в подкожной жировой клетчатке и в клетча- точных пространствах брюшной полости.

Липиды выполняют в организме ряд важных функций:

1) являются компонентами клеточных структур (например, фос­фолипиды мембран);

2) при их распаде до С02 и Н20 образуется большое количество энергии (1 г жиров дает 38,9 кДж энергии), при недостаточном пи­тании жиры используются организмом как резерв энергии;

3) многие гормоны имеют липидную природу;

4) вместе с жирами в организм поступают некоторые витамины (A, D, Е, К);

5) жиры подкожной жировой клетчатки плохо проводят тепло и, следовательно, принимают участие в поддержании температурного гомеостаза организма.

Синтез липидов в организме стимулирует, например, инсулин. Распад жиров в клетках активируют гормоны мозгового вещества надпочечников (адреналин, норадреналин), гормоны щитовидной железы (тироксин и трийодтиронин).

Следует отметить, что при избыточном потреблении жиров (в норме около 100 г в сутки) они накапливаются в депо и возникает ожирение, сопровождающееся тяжелыми нарушениями обмена ве­ществ. Жиры играют огромную роль в образовании атеросклероти­ческих бляшек. При высоком содержании липидов в плазме крови (особенно холестерина) они оседают на стенках сосудов. Образовав­шиеся бляшки закупоривают сосуды, препятствуя нормальному кро­вотоку.

Избыточное потребление углеводов также может привести к это­му состоянию, так как углеводы могут превращаться в жиры путем сложных биохимических превращений.

Жиры могут синтезироваться из углеводов и белков. В общем виде направления превращений питательных веществ можно представить следующей схемой:

 

Для нормального функционирования человеческого организма важное значение имеет не только поступление необходимого коли­чества питательных веществ, но и их процентное соотношение. Наи­более адекватным считается соотношение белков, жиров и углеводов в пропорции 1:1:4.