02. Обмен веществ и энергии

Общие сведения об обмене веществ

Обмен веществ (метаболизм) — это совокупность всех происходящих в организме химических процессов. Совокупность реакций распада веществ, сопровождающихся выделением энергии, называется диссимиляцией (катаболизмом). Совокупность реакций синтеза необходимых организму веществ, сопровождающихся затратами энергии, называется ассимиляцией (анаболизмом).

Человеку необходимо получать с пищей минимум 1500–1700 ккал энергии в сутки, при умеренной физической нагрузке ему понадобится 2300 ккал/сутки, при большой физической нагрузке (профессиональный спорт) — 5000 ккал/сутки, школьникам (14–16 лет) — 2500 ккал/сутки.

В реакциях синтеза затрачивается 15–35 % энергии, получаемой организмом при диссимиляции сложных веществ пищи. Остальная энергия выделяется в виде тепла, благодаря чему мы являемся теплокровными животными.

В спокойном состоянии скелетные мышцы и печень расходуют по 22 % производимой в организме энергии, мозг — 20 %, сердце и почки — по 7 %. При физической нагрузке затраты мышц и сердца возрастают в 4–6 раз, а затраты мозга и печени не меняются.

Большинство химических реакций обмена веществ (метаболизма) протекают внутри клеток и являются преобразованием органических молекул. Реакции диссимиляции — это реакции распада больших органических молекул на более мелкие фрагменты; реакции ассимиляции — это реакции синтеза больших органических молекул из маленьких.

Воспользуемся нашими знаниями из курса химии.

Органическими называют молекулы, состоящие из атомов углерода (С), с которыми ковалентно связаны атомы некоторых других элементов. Между двумя атомами существует ковалентная связь, когда они совместно «владеют» парой электронов; связь называется двойной, когда есть две такие пары электронов. В структурной формуле органической молекулы ковалентная связь обозначается чертой, двойная — двойной чертой.

Почему именно углерод фигурирует в определении органических, то есть имеющих отношение к жизни, молекул? Дело в том, что углерод в неживой природе встречается очень редко: в земной коре его менее 0,03 %, но он составляет 18 % массы нашего тела.

Особая роль химического элемента углерода в живой материи во многом определяется его валентностью, которая равна 4, то есть на внешней электронной оболочке атома C находятся 4 электрона, и он становится максимально стабильным, когда образует 4 совместные пары электронов (4 ковалентные связи) с другими атомами (водорода, азота, кислорода или углерода). Способность атомов углерода устанавливать ковалентную связь друг с другом позволяет образовать органическую молекулу, состоящую из цепочки атомов углерода, каждый из которых может соединиться ещё с какими-нибудь двумя атомами или молекулами.

Особенно длинные органические молекулы, состоящие из тысяч или миллионов более мелких органических молекул, называют макромолекулами.

Некоторые макромолекулы синтезируются для того, чтобы запасти в клетках тела энергию, другие макромолекулы служат строительным материалом для клеточных структур или таких внеклеточных структур, как кости.

Макромолекулами являются не только структурные, но и некоторые функциональные компоненты внутренней среды организма (ферменты, рецепторы, сигнальные молекулы и тому подобное).

Живые существа синтезируют органические молекулы 4-х классов: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.

Обмен углеводов

Углеводы — главные источники энергии в организме, в этом качестве особенно важна роль глюкозы. При расщеплении 1 г глюкозы до CO2 и H2O выделяется 17,6 кДж энергии. Такого количества энергии достаточно, чтобы питать смартфон в течение 5–10 минут. Снижение содержания глюкозы в плазме крови в 2 раза ниже нормы приводит к потере сознания, судорогам и гибели.

В организм человека углеводы попадают в виде полисахаридов, дисахаридов и моносахаридов. Полисахариды разлагаются в ЖКТ на субъединицы и всасываются в виде моносахаридов в ворсинки клеток стенок тонкого кишечника. Самые важные в питании полисахариды крахмал и гликоген имеют ветвистую структуру из цепочек моносахарида глюкозы. Крахмал и гликоген отличаются только частотой ветвлений, у молекулы гликогена она больше. Крахмал синтезируется в растениях, где служит хранилищем энергии; гликоген играет аналогичную роль в организмах животных.

В нашем организме синтез гликогена происходит в клетках печени (и частично в мышечных клетках) при избытке углеводов в пище. Запас гликогена в печени не более 300 г. Взрослому человеку рекомендуется потреблять 500 г углеводов в сутки, то есть своих запасов ему хватит не более чем на 2 дня. Продукты распада углеводов выводятся через почки (вода) и через лёгкие (углекислый газ).

Целлюлоза — это ещё одна форма полисахарида глюкозы. Она выполняет в растениях структурно-строительную функцию; целлюлоза, например, составляет основу древесины. В целлюлозе химические связи между молекулами глюкозы не такие, как в крахмале или гликогене.

Пищеварительная система человека, как и многих других животных, не способна расщеплять эти связи. Но энергии в этих связях хранится много, в этом можно убедиться, сжигая дрова. Целлюлоза содержится во всех растительных продуктах, и хотя наш организм не может её переварить, она играет важную роль в пищеварении. Состоящие из целлюлозы пищевые волокна ускоряют прохождение пищи по ЖКТ.

Обмен липидов

Под названием липиды объединяют несколько разных химических веществ, обладающих одним общим физическим свойством: они нерастворимы в воде. Самые важные липиды в организме человека — это триглицериды, фосфолипиды и стероиды.

Триглицериды — это химическое название жиров. Они синтезируются из одной молекулы трёхатомного спирта глицерина и трёх молекул жирных кислот.

В длинных углеводородных цепочках («хвостах») насыщенных жиров с каждым атомом углерода связаны два атома водорода. Такие «хвосты» вытянуты в прямые линии, молекулы насыщенных жиров могут плотно упаковываться, укладывая «хвосты» параллельно. Поэтому насыщенные жиры при комнатной температуре обычно являются твёрдыми. Сливочное масло, свиной жир и другие животные жиры являются насыщенными.

В «хвостах» ненасыщенных жиров некоторые атомы углерода связаны менее, чем с двумя атомами водорода, что приводит к образованию двойных связей и изгибу «хвоста». Такие изгибы углеводородных цепей не позволяют молекулам ненасыщенного жира плотно упаковываться — такой жир в нормальных условиях является жидким.

В организм человека жиры поступают как с животной, так и с растительной пищей. Они распадаются под действием ферментов на глицерин и жирные кислоты, которые всасываются в ворсинках тонкого кишечника, где попадают в лимфатические капилляры и затем в кровь. Основная функция жиров в организме — энергетическая, большая часть химической энергии жира содержится в ковалентных связях «хвостов».

Распад (окисление) 1 г жира высвобождает 38,9 кДж энергии, продукты распада — вода и углекислый газ. Человеку нужно 80–100 г жиров в сутки. При избытке жира в пище организм из глицерина и жирных кислот вновь синтезирует жир и откладывает его в подкожной жировой ткани. Помимо энергетической, жиры выполняют и другие функции, в частности, они являются хранилищем жирорастворимых витаминов.

Фосфолипиды — это жироподобные вещества, из которых построены клеточные мембраны. Фосфолипиды участвуют также в мышечном сокращении и в проведении нервного импульса.

В отличие от молекул жиров, в молекуле фосфолипида «хвост» образуют только две жирные кислоты, вместо третьей жирной кислоты к молекуле глицерина присоединена фосфатная группа, благодаря которой эта часть молекулы («головка») фосфолипида становится полярной (электрически заряженной) и, следовательно, водорастворимой, а «хвост» из двух жирных кислот — по-прежнему неполярный и в воде нерастворим. Такое устройство молекул фосфолипидов позволяет им образовывать двухслойные мембраны, в которых с водой контактируют только «головки» молекул, а «хвосты» спрятаны.

К липидам относят и стероиды, которые тоже практически нерастворимы в воде, но устроены совершенно не так, как жиры и фосфолипиды. Один стероид — холестерин — сейчас считается не очень полезным. При высоком уровне холестерина в крови вероятны сердечно-сосудистые заболевания. Но это вещество используется для синтеза ряда гормонов, поэтому организм человека всегда производит холестерин, хотя с пищей получает вполне достаточное его количество.

Обмен белков

Белок — это полимер, состоящий из одной или нескольких цепочек аминокислот. У многих белков эти цепочки сгибаются, скручиваются, извиваются, образуя сложную пространственную структуру. В теле человека много тысяч разных белков, участвующих в пространственной организации процессов, транспорте веществ, мышечных движениях, регулировании химических реакций и так далее. Несмотря на большую разницу в структуре функции, все белки состоят только из 20 разных аминокислот. Белки пищи распадаются в ЖКТ на отдельные аминокислоты, которые всасываются в кровь.

Принципиально все аминокислоты устроены одинаково. В слове «аминокислота» первая часть слова «амино» говорит о наличии аминогруппы, обладающей основными свойствами, а вторая часть «кислота» говорит о наличии кислотной (карбоксильной) группы.

Двенадцать аминокислот могут синтезироваться в клетках нашего организма, они называются заменимыми. Восемь аминокислот должны поступать в организм с пищей, их называют незаменимыми. Пищевые белки, содержащие все 20 необходимых аминокислот, называются полноценными. В основном это белки животного происхождения. Растительные белки, не содержащие каких-нибудь аминокислот, считаются неполноценными.

Именно поэтому педиатры не рекомендуют для детей и подростков вегетарианские диеты. Достичь необходимого баланса поступающих аминокислот исключительно растительными белками крайне сложно. Поэтому важно соблюдать баланс между животными и растительными продуктами, они не заменяют, а дополняют друг друга.

Главная функция аминокислот — пластическая, из них строятся все белки нашего организма. Если в цепочке соединены 10 и более аминокислот, то она называется полипептидом, более 50 аминокислот — протеином (белком).

Иногда аминокислоты используются в организме в качестве источника энергии. При окислении всех аминокислот, составляющих 1 г белка, выделяется 17,6 кДж энергии. Окисляясь, аминокислоты образуют воду, углекислый газ и ядовитое вещество — аммиак. В клетках печени из аммиака образуется менее вредное вещество — мочевина. Вода и мочевина удаляются из организма с мочой, углекислый газ выдыхается через лёгкие.

За сутки распадается 400 г белков тела человека. Две трети образующихся в результате такого распада аминокислот не выводятся из организма и не используются как источник энергии, они включаются в синтез новых белковых молекул.

Обмен воды и минеральных солей

Взрослый человек на 65 % состоит из воды. В сутки организм теряет около 2 л воды. С питьём он получает около 1 л в день, с едой приблизительно столько же.

Вода и растворённые в ней минеральные соли всасываются на протяжении всего желудочно-кишечного тракта, но более всего в тонком кишечнике. Без воды человек может прожить только 5–6 дней, а без пищи — более 50 дней.

Вода необходима организму в качестве среды, в которой протекают химические реакции. Она является транспортным средством, перенося по всему организму растворы веществ. Вода нужна для поддержания постоянной температуры тела.

Удаляется вода из организма с мочой (около 1 л в сутки), через кожу (0,8 л), с парами воздуха при дыхании (0,5 л), с калом (0,15 л).

Организм нуждается в постоянном поступлении минеральных солей. Они очень разнообразны, а составляют не более 4 % массы тела. В сутки в организм человека должны поступать с пищей и питьём около 1300 мг натрия, 2500 мг калия, 1000 мг кальция, 800 мг фосфора, 400 мг магния, 2300 мг хлора. Эти вещества называют макроэлементами.

Минеральные вещества, которые должны поступать в существенно меньших количествах (миллиграммы и даже доли миллиграммов), называют микроэлементами. Несмотря на то, что микроэлементов нам нужно так мало, без них обойтись нельзя. К микроэлементам относятся железо, медь, йод, цинк, фтор и многие другие элементы.

Большая часть кальция содержится в костной ткани. Кроме того, соли кальция входят в состав плазмы крови, без кальция кровь теряет способность свёртываться. Кальций необходим для сокращения мышц, активирует многие ферменты, стимулирует выработку ряда гормонов, оказывает противовоспалительное действие. К сожалению, кальций очень плохо усваивается, так как входит в большинство продуктов в виде малорастворимых в воде соединений. Например, в яичной скорлупе кальция очень много, но мы её не едим. Самый надёжный источник кальция — молочные продукты, из которых кальций усваивается значительно легче. В расчёте на 100 г продукта наиболее богаты хорошо усвояемым кальцием твёрдые кисломолочные продукты: йогурт, творог и так далее.

С обменом кальция тесно связан обмен фосфора, фосфаты вместе с кальцием входят в состав костной ткани. В составе фосфолипидов фосфор находится в мембранах всех клеток. Фосфор входит в состав основных энергетических молекул (АТФ), нуклеотидов ДНК и РНК, участвует в важных химических реакциях (фосфорилирование).

Больше всего соединений фосфора в сыре, яйцах, фасоли, горохе.

Калий, натрий и хлор обеспечивают электрические процессы в нервной и мышечной тканях. Натрий и хлор мы потребляем в основном в составе поваренной соли. Калия довольно много в мясе, морской рыбе, в некоторых растительных продуктах.

Магний снижает содержание холестерина в крови, предупреждает образование камней в почках, стимулирует перистальтику кишечника, участвует в иммунной защите. Больше всего магния содержится в лесных орехах и в какао. Но основные пищевые источники магния — это горох, фасоль, некоторые крупы.

Список литературы

1. Пасечник В. В., Каменский А. А., Швецов Г. Г. Биология. 8 кл.: учебник (УМК «Линия жизни») / под ред. В. В. Пасечника. — М.: Изд-во «Просвещение», 2021.

2. Сонин Н. И., Сапин М. Р. Биология: Человек. 8 кл.: учебник. — М.: ДРОФА, 2018.

3. Драгомилов А. Г., Маш Р. Д. Биология. 8 кл.: учебник. — М.: ВЕНТАНА-ГРАФ, 2019.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал sbio.info