Контрольная работа - Обмен веществ - файл n1.doc

Контрольная работа - Обмен веществ
скачать (267.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc268kb.30.05.2012 00:39скачать

n1.doc

  1   2



СОДЕРЖАНИЕ
Введение. 3
Жизнь как молекулярный процесс. 5






Сущность энергетического обмена. 13















Термодинамический анализ обменных процессов в живой

материи. 21






Обмен веществ основа воспроизведения живого в

последующих поколениях. 27









Возрастные особенности различных обменных процессов. 43


детском возрасте. -


процессе роста и развития ребенка. 44


и подростков. 47
Заключение. 48
Список терминов, используемых в работе. 50
Список литературы. 53


Введение

На протяжении столетий люди пытались обнаружить какую-то жизненную силу, которая могла бы вдохнуть в неодушевленное безжизненное вещество те удивительные «волшебные» свойства, которыми живые вещества отличаются от окружающей их среды.

В наше время ясно, что жизненная сила («жизненный порыв», душа, архей) или другой жизненный нематериальный фактор в такой же мере иллюзорны и не поддаются конкретному изучению, как и философский камень. Современные научные подходы к изучению процессов жизнедеятельности вытекают из принципов, сформулированных натурфилософами в XIX-XX столетиях:

1) «… живое тело состоит из таких же веществ, которые мы находим в неживой природе, эти вещества не только не имеют иных свойств или возможностей в живом организме, но они даже не утрачивают ни одного из своих свойств»;

2) «… масса живой протоплазмы представляет собой фактически молекулярную машину исключительной сложности, общие результаты которой, или процессы жизнедеятельности, зависят, с одной стороны, от ее устройства, а с другой стороны-от поступающей к ней энергии ».

Бурное развитие биохимии во второй половине XX века укрепило позиции этой науки для развития многих направлений в биологии. Поэтому, в главе, посвященной сравнению живого и неживого, а также в главах о пластическом и энергетическом обмене я использовала именно «Основы биохимии» Ю.Б.Филиппович и «Биохимию» И.К.Проскуриной. Эти книги очень хорошо освещают химический состав клеток живого, а также обмен жиров, белков и углеводов.

В первой главе я постаралась достаточно подробно освятить молекулярный состав живого организма. Также я воспользовалась книгой «Окислительно-восстановительные реакции» Хомченко Г.П. и Севастьяновой К.И., «Основы физиологи обмена веществ и эндокринной системы» Држвецкой И.А. и Мак-Мюррей У. «Обмен веществ: основы учения о взаимосвязи биохимии с физиологией».

Вторая глава посвящено энергетическому обмену. В ней я раскрыла сущность энергетического обмена, этапы, указала вещества, которые участвуют в обеспечении энергией клетки, также рассмотрела понятие основного обмена. Литература та же, но добавилась книга «Биология» Вилли К.

В третьей главе я рассматривала теплообмен, температурную адаптацию организмов и терморегуляцию. Основная книга-это «Общий курс физиологии человека и животных» том 2, а также «Основы анатомии, физиологии и гигиены детей и подростков» Обреимовой Н.И. и Петрухина А.С.

В четвертой главе речь идет собственно об обмене белков, жиров, углеводов. Их взаимосвязи между собой и взаимосвязи различных пищевых продуктов и энергии. О литературе я сообщила выше.

Пятая глава посвящена возрастным особенностям обмена веществ и энергии, а также энергетическому обеспечению мышечной деятельности у детей и подростков. Основной литературой здесь является «Возрастная физиология и школьная гигиена» А.Г.Хрипковой и других авторов.

Словарь терминов показывает дополнительный материал.

Список литературы называет книги, использованные в контрольной работе.


Жизнь как молекулярный процесс.

Живое и неживое.
В составе живой клетки, как и любого другого объекта материального мира, нет ничего, кроме атомов и молекул. Органический и неорганический мир по набору химических элементов отличаются незначительно, поскольку неживая природа поставляет исходный материал для построения молекул живого организма. В организме человека обнаружено около 70 элементов таблицы Д.И.Менделеева. Такие элементы, как кислород, углерод, водород, азот, кальций, фосфор, калий, сера, хлор, натрий, магний, цинк, железо, медь, йод, молибден, кобальт, селен, постоянно содержатся в организме человека, входят в состав ферментов, гормонов, витаминов и являются незаменимыми. Однако количественное содержание химических элементов в организме не одинаково.

По современным данным, биомасса единовременно живущих на Земле организмов составляет 1,8Ч1012-2,4Ч1012 т в пересчете на сухое вещество, причем ежегодно ими продуцируется около 1011 т сухого вещества.

По количественному содержанию в организме все элементы можно разделить 4 группы. Первая группа-макробиогенные элементы (главные): кислород, углерод, азот, водород; их содержание в организме составляет 1% и выше. Вторая группа-олигобиогенные элементы, доля которых от 0,01 до 1%; к ним относят кальций, фосфор, калий, хлор, сера, железо, магний. Третья группа-микробиогенные элементы, содержание которых ниже 0,1%(цинк, марганец, кобальт, медь, бром, йод, молибден и др.). Четвертая группа-ультрамикробиогенные элементы, концентрация в организме элементов этой группы не превышает 0,000001%; к ним относятся литий, кремний, олово, кадмий, селен, титан, ванадий, хром, никель, ртуть, золото и многие другие. Для некоторых ультрамикробиогенных элементов установлено биологическое значение в жизнедеятельности организма, для других-нет. Вероятно, загрязнение окружающей среды этими элементами приводит к аккумуляции их в живой природе, в том числе и в организме человека. Из макроэлементов в наибольшем количестве в биомассе содержатся О, С, Н, N и Са. Из них только О и Са широко представлены в земной коре. Многие элементы, содержаться в литосфере в значительном количестве (Si, Al, Fe и др.), в органическом мире встречаются сравнительно в невысоких концентрациях. Аналогичная картина свойственна, по данным академика А.Д.Виноградова, количественным соотношениям элементов в гидросфере и живых существах, ее населяющих, хотя качественный состав первой и вторых почти совпадает. Таким образом, прямой зависимости между распространением химических элементов в неорганической и органической природе нет, однако это не означает, что между первой и второй отсутствует какая-либо связь. Наоборот, установлено, что между организмом и средой существует тонкая взаимозависимость. Те элемент, которые легко образуют растворимые и газообразные соединения, составляют основную массу биосферы (С, N, P, S), хотя в земной коре их содержание относительно невелико. Элементы, которые не дают водорастворимых соединений, широко распространены в неорганической природе, а в составе организмов встречаются в ничтожных количествах (Si, Fe, Al). Таким образом, доступность элементов для биосферы играет решающую роль в построении живого вещества.

Отмечена определенная зависимость между биологической ролью элементов и их положением периодической системе Менделеева. Органический мир построен главным образом из легких элементов. В подавляющем большинстве случаев при переходе от легких к тяжелым элементам в пределах одной и той же подгруппы возрастает токсичность элементов и параллельно этому падает содержание их в биомассе. Элементы некоторых подгрупп взаимозаменяют друг друга в биологических объектах (Са, Ва, Sr). Функциональное значение элементов ряда подгрупп своеобразно: элементы восьмой подгруппы (Fe, Co, Ni) являются преимущественно компонентами биоактивных соединений.

Полагают, что Н, О, С, Р и N, составляющие вместе более 99% живого вещества, играют выдающуюся роль в явлениях жизни благодаря наличию у них комплекса особых качеств. Первое из них состоит в способности образовывать кратные связи. Вследствие этого С превосходит Si в отношении числа и разнообразия возможных соединений, обладающих уникальными свойствами. Второе качество заключается в то, что атомы упомянутых элементов, отличаясь малыми размерами, образуют относительно плотные молекулы с минимальными межмолекулярными расстояниями. Такие молекулы более устойчивы к действию тех или иных химических агентов. И, наконец, третье качество присуще в основном Р и S и лишь в небольшой мере N. Оно сводится к возникновению на базе указанных элементов некоторых специфических соединений, при расщеплении которых выделяется повышенное количество энергии, используемой для процессов жизнедеятельности. Молекулы газов О2 и СО2 участвуют в окислительных процессах, протекающих в клетке. Растворимые соли, особенно соли К+ и Na+, определяют возбудимость и электрические свойства клеток. Нерастворимые соли, главным образом фосфаты кальция, придают устойчивость и прочность таким структурам, как кость. И, наконец, универсальный растворитель-вода-является той общей средой, в которой растворены все компоненты происходящих в клетке химических реакций, и при участии которой в клетку поступают питательные вещества и выводятся конечные продукты.

Химический состав клетки живого организма отражает такой важный признак живой материи, как высокий уровень структурной организации. Если все биологические вещества, функционирующие в клетке, расположить по сложности их строения, то получатся определенные уровни организации клетки.

Первый уровень занимают низкомолекулярные предшественники клеточных компонентов, к которым относятся вода (Н2О), углекислый газ (СО2), Молекулярные кислород (О2) и азот (N2), неорганические ионы, ряд химических элементов. На втором уровне стоят промежуточные химические соединения, такие как аммиак (NН3), органические кислоты и их производные, карбамилфосфат, рибоза. Из соединений первого и второго уровней в ходе жизнедеятельности клеток образуются биологические мономеры, которые являются строительным материалом для биополимеров, имеющих большую молекулярную массу и отличающихся огромным разнообразие. Промежуточное положение между биомономерами и биополимерами занимают витамины и коферменты, которые по молекулярной массе ближе к мономерам, но не являются строительным материалом для биополимеров. Биополимеры способны ковалентно соединяться друг с другом, образуя сложные макромолекулы: липопротеины, нуклеопротеины, гликопротеины, гликолипиды и т.д. Взаимодействием простых и сложных макромолекул создаются надмолекулярные структуры (мультиэнзимы). Следующий уровень организации клетки-клеточные органеллы: митохондрии, ядра, рибосомы, лизосомы и др. Система органелл образует клетку. Рассмотрим, что же представляют собой биополимеры.

Вторым по количественному содержанию в биологических объектах (после воды), но, несомненно, первым и главным по значению классом соединений являются белки. В среднем можно принять, что в сухом веществе организмов содержится 40-50% белка. Почти столетие назад Ф.Энгельс сформулировал положение о выдающейся роли белка в осуществлении жизненных функций. Обладая рядом специфических качеств, которые подробно будут рассмотрены ниже, белковые тела являются субстратом жизни, ибо сама жизнь представляет, в конечном счете, не что иное, как «способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел». Следует только иметь в виду, что речь здесь идет не об отдельно взятом изолированном белке, а о живой системе, принципиальной составной частью являются белковые тела. Остальные 50% сухого вещества организмов составлены соединениями других классов: нуклеиновые кислоты, жиры, углеводы и минеральные вещества. Кроме перечисленных выше веществ в составе организма найдены в незначительных количествах углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, кетокислоты, аминокислоты, эфиры, амины и др. Многие из упомянутых соединений обладают мощным физиологическим действием и выполняют роль ускорителей или замедлителей жизненных процессов. Их иногда объединяют под названием биологически активных соединений, хотя химически они очень разнообразны. Это-витамины, гормоны, ростовые вещества, биостимуляторы, коэнзимы, антибиотики, фитонциды и т.п. Сюда же относят вещества, возникающие в качестве промежуточных продуктов при тех или иных химических реакциях в организме. Эти соединения называются метаболитами. Среди соединений, входящих в состав организмов, принято выделять пластические и энергетические вещества. К пластическим веществам относят белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, некоторые виды липидов, высокомолекулярные углеводы. К энергетическим веществам относят низкомолекулярные и некоторые высокомолекулярные углеводы, отдельные виды липидов.

Процессы выработки энергии зависят от катализируемых ферментами окислительных реакций. Отдельные органы и типы клеток существенно различаются по окислительному потенциалу, но во всех случаях абсолютно необходим молекулярный кислород. Среди огромного разнообразия дегидрогеназ и переносчиков электронов не следует терять из виду основной факт, касающийся биолого-окислительных процессов. А именно то обстоятельство, что их значение в первую очередь заключается в выработке энергии для работы клетки либо непосредственно путем предоставления подвижных водородных ионов для восстановительных синтезов глюкозы, жирных кислот, стероидов и т.д. Либо косвенно, путем соединения этих водородных атомов с кислородом в процессе образования воды, в ходе сопряженного образования АТФ при окислительном фосфолировании.

В неживой природе окислительно-восстановительные реакции чрезвычайно распространены. Так, «жизнь вулкана» сопровождается окислительнно-восстановительными процессами. В районах действия вулканов и на дне кратерных озер можно наблюдать отложение самородной серы, которая образуется в результате следующих процессов:
2S+О2? 2О+2S

Н2S+2SО22S+2S
Во время грозовых разрядов происходит связывание атмосферного азота:
N2+O2?2NO

2NO+O2?2NO2

2NO2+H2O?HNO3+HNO2

Образовавшиеся кислоты попадают с атмосферными осадками в почву, где и превращаются в нитриты и нитраты. Таким путем в почву попадает от 4 до 15 кг азота на гектар в год. Весь окружающий нас мир можно рассматривать как гигантскую химическую лабораторию, в которой ежесекундно протекают химические реакции, преимущественно окислительно-восстановительные. ОВР играют большую роль в биохимических процессах: дыхании, обмене веществ, нервной деятельности человека. Проявление различных жизненных функций организма связано с затратой энергии, которую наш организм получает из пищи в результате ОВР.

Анаболизм и катаболизм. Этапы обмена веществ.

Суть обмена, веществ или метаболизма, заключается в поступлении в организм из внешней среды различных веществ, усвоении и использовании их в процессе жизнедеятельности и выделение образовавшихся продуктов обмена во внешнюю среду. Принято различать две стороны обмена веществ: диссимиляцию (энергетический обмен, катаболизм) и ассимиляцию (пластический обмен, анаболизм). Процессы ассимиляции и диссимиляции неразрывно связаны друг с другом: диссимиляция подготавливает возможность ассимиляторных процессов, а ассимиляция сопровождается усилением диссимиляции. Так, освобождение энергии в работающей мышце происходит при участии распада сложной молекулы гликогена до молочной кислоты, т.е. в результате диссимиляторного процесса. В процессе распада происходит также образование фосфорных эфиров глюкозы, т.е. ассимиляторный процесс. Соотношение катаболизма и анаболизма определяет три различных состояния: динамическое равновесие, рост, частичное разрушение структур тела. При динамическом равновесии, когда процессы анаболизма и катаболизма уравновешены, общее количество ткани не изменяется. Превалирование анаболических реакций приводит к накоплению ткани, происходит рост организма. Преобладание катаболизма над анаболизмом приводит к разрушению ткани, уменьшению массы организма-его истощению. У взрослых обычно при нормальном состоянии организма оба процесса находятся в равновесии.

Обмен белков, жиров и углеводов имеет характерные специфические особенности, но наряду с этим существуют и общие закономерности, позволяющие выделить три этапа обмена веществ:

Первым этапом является последовательное расщепление химических компонентов пищи в желудочно-кишечном тракте до низкомолекулярных структур и последующее всасывание образовавшихся простых химических продуктов в кровь и лимфу.

Второй этап обмена веществ объединяет превращение аминокислот, моносахаридов, глицерина и жирных кислот. Процессы промежуточного обмена веществ приводят к синтезу специфических белков, жиров и углеводов и их комплексов-нуклеотидов, фосфолипидов и др., т.е. к образованию составных частей организма. Наряду с этим процессы промежуточного обмена являются важным источником энергии.

Конечные продукты внутриклеточного обмена частично идут на построение новых веществ в клетки, а не использованные клеткой вещества удаляется из организма в результате деятельности органов выделения. Энергетический метаболизм клеток происходят главным образом в митохондриях. В цитоплазме клетки растворены вещества, служащие источником обменных процессов. Основным аккумулятором и переносчиком энергии, используемой при синтетических процессах, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Большая часть энергии, высвобождаемой при катаболических процессах, образуется в митохондриях при участии кислорода –это аэробные реакции. Кроме аэробных реакций в организме происходят анаэробные реакции, не требующие кислорода, они чаще происходят в цитоплазме клеток. Анаэробные процессы наиболее характерны для мышечной ткани.


Сущность энергетического обмена.

Энергетический обмен веществ и единицы измерения энергетического размера.

Как бы ни были разнообразны формы проявления жизни, они неразрывно связаны с превращением энергии. Энергетический обмен является особенностью, присущей каждой живой клетке. Богатые энергией питательные вещества усваиваются и химически преобразуются, а конечные продукты с более низким содержанием энергии выводятся из клетки. Согласно первому закону термодинамики, энергия не исчезает и не возникает вновь. Организмы должны получать энергию в доступной для них форме из окружающей среды и возвращать в среду соответствующее количество энергии в форме, менее пригодной для дальнейшего использования. Именно энергетический обмен служит показателем общего состояния и физиологической активности организма.

Традиционная единица энергии, применяемая, как правило, в биологии, -это калория (кал). Ее определяют как количество энергии, необходимое для повышения температуры 1г воды на 10С. При изучении энергетических процессов в организме человека используют более крупную еденицу-килокалорию (ккал), равную 1000 кал. Однако в других наука, изучающих энергетические процессы, существуют другие единицы измерения. Организмы получают энергию из окружающей среды в виде потенциальной энергии, заключенной в химических связях молекул жиров, белков, углеводов.

Вещества, служащие источником энергии.

Углеводы. Сахара и крахмалы-основные источники энергии в обычном

рационе человека, но их ни в коем случае нельзя считать незаменимыми для организма; энергию с тем же успехом может доставлять смесь белков и жиров. Углеводная пища-самая дешевая пища, и то, что средний пищевой рацион содержит много углеводов, обусловлено главным образом этим фактором. Помимо сахаров и крахмалов, источниками энергии могут служить такие родственные углеводам вещества, как лимонная кислота, содержащаяся в плодах цитрусовых, и яблочная кислота, содержащаяся в яблоках и помидорах.

Жиры. Жиры и масла-наиболее концентрированные пищевые продукты, ибо они не только более чем вдвое превосходят по калорийности углеводы и белки, но и содержат меньше воды, чем углеводные и белковые продукты. Они перевариваются и всасываются медленнее других пищевых веществ, так что после приема пищи, богатой жирами, человек дольше не чувствует голода, чем после приема белковой или углеводной пищи.

Белки. Белки-наиболее дорогостоящий из энергетических материалов. Так как в протоплазме непрерывно происходит разрушение и замена белков, то пища должна все время доставлять организму белок. Это необходимо даже взрослым людям, у которых рост закончился, и общее число протоплазмы не увеличивается. У растущих детей, у беременных женщин, у поправляющихся после болезни, у кого в клетках ежесуточно образуется больше протоплазмы, чем разрушается, потребление белков должно превышать их распад. Вскоре после потребления белковой пищи интенсивность обмена временно повышается, иногда на целых 30% по сравнению с уровнем общего обмена; это отражает дополнительное освобождение энергии, необходимой для превращения части аминокислот в углеводы и жиры. Это называется специфическим динамическим действием белков и зависит от какого-то воздействия печени на аминокислоты, так как после скармливания белка животным с удаленной печенью интенсивность обмена не повышается.

Уровни организации белковой молекулы. Мономером белка является аминокислота. Последовательность аминокислотных остатков, соединенных пептидной связью в молекуле белка определяет его первичную структуру. Это как бы формула белка. Полипептидная цепь, полностью или частично закрученная в спираль определяет вторичную структуру белка. Аминокислотные радикалы встают при этом снаружи спирали. Витки располагаются тесно. Между NH-группой, находящейся на одном витке, и СО-группой, находящейся на соседнем витке, образуется водородная связь. Полипептидная спираль представляет собой достаточно прочную структуру. Третичную структуру поддерживают гидрофобные связи, которые возникают между радикалами гидрофобных аминокислот. Белок представляет собой глобулу (комочек). Водородные и гидрофобные связи слабее пептидных, следовательно, поддаются разрушению. Нарушение природной структуры белка (денатурация) процесс обратимый.

Ключевым веществом в энергетическом обмене является АТФ, так как, с одной стороны, она возникает из других макроэргических соединений в ходе некоторых реакций, а с другой, существует много процессов, в ходе которых синтезируются макроэргические соединения при участии АТФ. АТФ является главным, используемым непосредственно донором свободной энергии. В клетках организма АТФ расходуется после ее образования в течение 1 мин. Оборот АТФ очень высок. Так, человек в покое расходует около 40 кг АТФ за 24 часа, а в период интенсивной работы скорость использования АТФ достигает 0,5 кг за минуту. Однако АТФ-главное макроэргическое вещество организма-не является соединением, наиболее «богатым» энергией, а находится в середине энергетической шкалы. Освобождение энергии фосфатной связи АТФ возможно двумя путями. Первый путь-отщепление концевого фосфата, в результате образуется аденозиндифосфорная кислота (АДФ) и фосфорная кислота:

АТФ? АДФ+Н3РО4

Другой путь освобождения энергии фосфатной связи АТФ-пирофосфатное расщепление:

АТФ?АМФ+Н4Р2О7

Пирофосфатное расщепление в биологических процессах встречается реже. Примером может служить образование аминоациладенилатов и ацил-КоА.

При совершении какой-либо внешней работы часть вырабатываемой клеткой энергии всегда выделяется в виде теплоты (второй закон термодинамики). Следовательно, коэффициент полезного действия (КПД) активной клетки может быть представлен той частью вырабатываемой энергии, которая затрачивается на внешнюю работу, и всегда являются величиной менее 100%. Так, около 80% энергии при мышечном сокращении теряется в виде теплоты и только 20% превращается в механическую работу. При мышечной работе целого организма КПД редко превышает 25% и, как показывают исследования последних лет, КПД мышечной работы может существенно изменяться при адаптации организма к холоду и гипоксии. Количество энергии, выделяемой при сгорании какого-либо вещества, не зависит от числа промежуточных этапов его распада. Например, один моль глюкозы даёт 2826 кДж (675 ккал) независимо от того, сгорел он сразу в пробирке или окислился в организме в результате катаболических процессов. Расчёты показывают, что энергетическая ценность глюкозы составляет 15,7 кДж/г (3,75 ккал/г). Углеводы дают в среднем 17,16 кДж/г (4.1 ккал/г). Самой высокой энергетической ценностью обладают жиры: один грамм жира дает вдвое больше энергии чем один грамм углевода. Запасание в форме жира является самым экономичным способом длительного хранения энергии в организме, так как единица запасаемой энергии оказывается в меньшем объеме вещества. Белки окисляются в организме не полностью. Аминогруппы отщепляются от молекул белка, и выводится с мочой в форме мочевины. Поэтому, при сжигании белка в «калориметрической бомбе»

выделятся больше энергии, чем при его окислении в организме. Разница приходится на ту энергию, которая выделяется при сжигании мочевины. Так при сжигании белка в «калориметрической бомбе» выделяется 22.61 кДж/г (5.4 ккал/г), а при окислении в организме человека – 17.17 кДж/г (4.1 ккал/г).
Понятие основного обмена.

Суточный расход энергии у разных людей весьма различен-он зависит от их деятельности, возраста, пола, веса и телосложения. Для того, чтобы врачи могли сравнивать интенсивность обмена у разных людей и выявлять его ненормальное понижение или повышение, условия измерения должны быть стандартизированы. Если человек лежит в полном покое спустя, по меньшей мере, 12 часов после приема пищи, то используемая в каждый данный момент энергия отчасти расходуется на работу сердца и дыхательные движения, большая же часть ее идет на поддержание температуры тела. Количество энергии, расходуемой только на поддержание жизни, когда не происходит никакого переваривания пищи и не производится никакой мышечной работы, называется уровнем основного обмена. У молодых мужчин основной обмен составляет 1600 ккал/сутки; у женщин он примерно на 5% ниже. Иначе говоря, если молодой взрослый мужчина в течение суток остается в постели, не принемая пищи и, не двигаясь, он расходует 1600 ккал на поддержание жизни. На основании тысяч определений основного обмена у различных людей были составлены таблицы нормальных величин этого показателя в зависимости от возраста, пола и общей поверхности тела. Основной обмен пропорционален поверхности тела, которую можно вычислить, исходя из роста и веса. Здоровый молодой человек расходует 40 ккал на 1 м2 поверхности тела за 1 час.

Потребность в энергии. Если человек в течение суток остается в постели и получает пищу, он расходует около 1800 ккал: дополнительная затрата 200 ккал необходима для сокращения мускулатуры пищеварительного тракта и для секреции пищеварительных соков. Человек, ведущий сидячий образ жизни использует около 2500 ккал в сутки; добавочные 700 ккал доставляют энергию для сокращения мышц тела и для дополнительной работы сердца, т.к. оно бьется быстрее. При тяжелой физической работе ежедневный расход энергии может достигать 6000 ккал.

Когда количество энергии, получаемой с пищей, точно уравновешивает количество затраченной энергии, вес тела не изменяется. У большинства людей достигается это равновесие между потреблением и расходом калорий, и вес тела остается у них поразительно постоянным на протяжении ряда лет. В среднем возрасте у людей обнаруживается склонность прибавлять в весе, так как физическая активность с годами уменьшается, аппетит же остается прежним.

Когда число получаемых с пищей калорий не покрывает суточной потребности в энергии, организму приходится расходовать свои запасные материалы. Первыми используются углеводы, сохраняемые в виде гликогена в печени и мышцах. Затем для получения энергии расходуется жир, извлекаемый из жировых отложений тела. У взрослого мужчины имеется в среднем около 9 кг, а у взрослой женщины-около 11кг резервного жира (соответственно 15 и 21% от общего веса тела). Калории запасного жира могут доставлять энергию для поддержания жизни в течение 5-7 недель. Наконец, когда резервы углеводов и жиров оказываются израсходованными, организм начинает потреблять материал, из которого он построен, то есть белки; сначала расходуются белки менее важных органов, затем-более важных (головного мозга, сердца и других внутренних органов), и, наконец, наступает смерть.

Этапы энергетического обмена.

Основным источником АТФ является глюкоза. Энергетический обмен идет в два этапа.

Бескислородный (анаэробный) этап. На первом этапе идет гликолиз-постепенное расщепление глюкозы, протекает в цитоплазме клеток.

C6H12O6?2C3H6O3

ГЛЮКОЗА МОЛОЧНАЯ КИСЛОТА

Реакция катализируется 11 ферментами, образующих цепь, в которой продукт реакции, ускоряемой предшествующим ферментом, является субстратом для последующего.

C6H12O6 + 2H3PO4 + 2АДФ? 2C3H6O3 + 2АТФ + 2Н2О

ГЛЮКОЗА МОЛОЧНАЯ КИСЛОТА

Большая часть молочной кислоты, образующейся в мышце, вымывается в кровяное русло. Далее молочная кислота транспортируется к печени и почкам, где она почти полностью перерабатывается в глюкозу и гликоген. Незначительная часть молочной кислоты вновь превращается в пировиноградную кислоту, которая в аэробных условиях окисляется до конечных продуктов обмена. В ходе гликолиза при расщеплении 1 моль глюкозы выделяется 200 кДж энергии, но 60% ее рассеивается в виде теплоты.

Кислородный (аэробный) этап протекает в митохондриях. Процесс окисления пировиноградной кислоты до простых соединений называется окислительным декарбоксилированием пировиноградной кислоты. Катализирует этот процесс мультиэнзимный комплекс, который называется пируватдегидрогеназным комплексом. В состав этого комплекса входят три фермента, и пять коферментов. Процесс этот, как и гликолиз является многостадийным. Постепенное окисление пировиноградной кислоты при помощи переносчиков свободных электронов и ионов водорода приводит к образованию макроэргического вещества ацетил-КОА. Ацетил-КОА иначе можно назвать активной формулой уксусной кислоты. Электроны в составе молекул органических соединений обладают большим запасом энергии, так как находятся на высоких энергетических уровнях. При ступенчатом переносе электронов выделяется небольшое количество энергии, которое рассеивается во внешнюю среду, не повреждая чувствительных белков и других веществ клетки. Освобождение коэнзима А от ацетильного радикала происходит при включении его в амфиболический цикл, который называется циклом ди- и трикарбоновых кислот (цикл Кребса). В результате функционирования цикла Кребса происходит полный аэробный распад ацетильного радикала до углекислого газа и воды:

3Н6О3+6О2+36Н3РО4?36АТФ+6СО2+6Н2О

Кроме того, необходимо помнить, что две молекулы АТФ запасаются в ходе бескислородного этапа. Таким образом, суммарно энергетический обмен клетки в случае распада глюкозы можно записать так:

С6Н12О6 + 6О2 + 38АДФ + 38Н3РО4? 6СО2 + 44Н2О + 38АТФ

Условия, необходимые для протекания кислородных процессов.

Интенсивность энергетического обмена и размеры тела (правило Рубнера).

Потребление кислорода организмом является достаточно надежным критерием уровня энергетического обмена. Оказалось, что потребление О2 на 1кг массы тела у мелких животных намного выше, чем у крупных. Эта зависимость получила образное название кривая мышь-слон. Эта зависимость обусловлена тем, что у мелких животных отношение поверхности тела к массе больше, чем у крупных. Чем меньше размеры тела, тем большая площадь поверхности приходится на единицу массы. Как следует из законов термодинамики, отдача теплоты телом зависит от площади его поверхности. Поскольку относительная поверхность тела мелких животных больше, чем у крупных, мелкие животные для поддержания постоянной температуры тела должны вырабатывать значительно больше теплоты на единицу массы по сравнению с крупными животными.

Немецкий физиолог Макс Рубнер, более 100 лет назад исследовавший этот феномен, показал, что продукция теплоты в пересчете на 1 м2 поверхности тела одинакова как у крупных, так и у мелких животных. Таким образом, интенсивность энергетического обмена определяется размерами поверхности тела (площадью теплопотери).

Термодинамический анализ обменных процессов в живой материи.
Теплообмен.

Энергия, полученная при энергетическом обмене, переходит в энергию трех видов: тепловую, электрическую и механическую. В основном это тепловая и механическая энергия, но электрическая энергия важна не меньше. Она нужна для передачи нервных импульсов. Большую часть составляет тепловая энергия.

Температура оказывает существенное влияние на протекание жизненных процессов в организме. Физико-химической основой этого влияния является изменение скорости протекания химических реакций превращения веществ: нагревание увеличивает, а охлаждение снижает скорость химической реакции. Поэтому температура организма влияет на активность его клеток. Жизнь организма зависит от протекания биохимических реакций, благодаря которым происходит энтропическое превращение всех видов энергии в тепловую.

Зависимость скорости химических реакций количественно выражается законом Вант-Гоффа – Аррениуса, согласно которому, при повышении или понижении температуры ткани на 100С, происходит соответственное повышение или понижение скорости химических процессов в 2-3 раза. Расчет этого коэффициента (коэффициент Q10) производят путем вычисления отношения скоростей метаболических реакций при двух температурных, различаются на 100С. В соответствии с одним из следствий второго закона термодинамики теплота как конечное превращение энергии способна переходить только из области более высокой температуры в область более низкой температуры. Поэтому поток тепловой энергии от живого организма в окружающую среду не может прекратиться до тех пор, пока температура тела выше температуры среды.

Температура тканей организма определяется соотношением скорости метаболической теплопродукции в окружающую среду. Следовательно, теплообмен между организмом и внешней средой является неотъемлемым условием существования животных организмов. Нарушение соотношения скоростей этих процессов приводит к изменению температуры тела.

Сложная динамика температуры среды прошедших геологических эпох предопределила всю сложность и многообразие приспособления к температурным условиям среды и, в конечном счете, позволила современному животному миру выжить на Земле в диапазоне температур примерно от -70 до +850С. Этот температурный диапазон, естественно, значительно шире, чем температурные возможности тканевых процессов, которые могут протекать в интервале от -2 до +450С, то есть в пределах от температуры образования клеточного льда до температуры изменения физико-химических свойств клеточных мембран и связанных с ними нарушений ферментативных процессов. Поэтому существенное значение имеют эволюционно закрепленные механизмы, с помощью которых организмы проявляют к более низким и более высоким температурам окружающей среды.

К моменту рождения терморегуляторные механизмы могут включаться даже у недоношенных детей. К этим механизмам относятся усиленное теплообразование преимущественно недрожательного происхождения, сосудистые реакции, потоотделение, поведенческие реакции. Механизм дрожательного термогенеза может включаться только в условиях предельного холодового воздействия.

С точки зрения терморегуляции наиболее существенным являются соотношение поверхности тела новорожденного ребенка и массы его тела. Для доношенного ребенка это соотношение примерно в 3 раза превышает аналогичное у взрослого, что сопровождается большей теплоотдачей. Соответственно этому для нормальной терморегуляции и поддержания стабильной температуры тела необходимо в 3 раза больше продукции тела. Частично это происходит за счет активации бурого жира и интенсивного метаболизма в период роста.

На теплообмен новорожденного в раннем постнатальном периоде существенное влияние оказывает тонкая изолирующая прослойка подкожного жира. Это позволяет даже при максимальном сужении сосудов предотвратить потери тепла, поэтому продукция тепла увеличивается еще больше по сравнению с взрослыми. Повышенной теплоотдаче у детей, особенно у грудного возраста, способствует также обильное кровоснабжение кожи, тонкость самой кожи и незрелость центра терморегуляции. У взрослых при понимании температуры окружающее среды рефлекторно суживаются сосуды кожи, что позволяет сохранить тепло при охлаждении организма. У доношенных детей поддержание нормальной температуры окружающей среды тела возможно при повышении температуры окружающей среде до 32-340С, то есть верхний предел регулирования темперетуры сдвигается вверх. В эту же сторону сдвигается и нижний предел регулирования температуры (до 230С), в то время как у взрослых он составляет 00С. У недоношенных детей значения верхней и нижней границ регулирования постоянной температуры тела сближается. У новорожденных отсутствует суточный ритм колебаний температуры: в первые минуты жизни после рождения температура тела у них выше, чем у взрослых, а в дальнейшем выше на 0,3-0,40С. Новорожденный очень чувствителен к перепадам температуры тела. Повышение температуры тела для него более чем на 20С опасно для жизни. В связи с тем, что механизмы терморегуляции функционируют с момента рождения, закаливание организма ребенка необходимо начинать как можно раньше.

Приспособление животных организмов к температурным условиям среды отмечается на всех уровнях филогенеза, и характеризуются большим разнообразием. Полное подчинение изменению температуры среды называют температурной конформацией, а организмы, полностью зависимые от температуры окружающей среды - конформерами. Однако большинство организмов противодействует полному подчинению температуре окружающей среды, включая разнообразные механизмы гомеостатирования, это организмы-регуляторы.

По механизмам гомеостатирования организмы-регуляторы. Эта классификация является современной трансформацией первой аналогичной классификации, предложенной более 2000 лет назад Аристотелем, разделившим животных на холодных и теплых. Поэтому нередко термины пойкилотермные и хладнокровные и соответственно гомойотермные и теплокровные используют как синонимы. Эта классификация условна и относительно несовершенна, несмотря на видимое удобство и простоту. Это привело к попыткам создания более совершенных классификаций.

Центральный механизм терморегуляции.

Общепринято, что основной центральный механизм терморегуляции локализован в структурах гипоталамуса. Еще сравнительно недавно выделяли центр теплоотдачи, локализованный в заднем гипоталамусе, который гипотетически находится рецепторных отношениях. Возбуждение первого приводит к усилению теплоотдачи и уменьшению теплопродукции, возбуждение второго - к усилению теплопродукции и уменьшению теплоотдачи. Однако дальнейшие исследования не подтвердили наличие рецепрокности указанных структур гипоталамуса. По современным представлениям, терморегуляция осуществляется распределенной системой, основной частью которой является гипотоламенический терморегуляционный механизм. Сигнализация от терморецепторов, переключаясь в структурах задних рогов спинного мозга, адресуется к сегментарным соматическим и автономным механизмам своего спинального уровня, а также поступает по восходящим путям спинного мозга в головной мозг. Главными проводниками температурной чувствительности в головной мозг являются спиноталомический и спиноретикулярный тракты. Причем спиноталомический тракт состоит из компонентов разного филогенетического возраста –неоспиноталомического и палеоспиналогичес-

кого трактов.

Сигнализация от периферических терморецепторов адресуется в передний гипоталамус, где происходит сравнение сигналов с уровнем активности центральных терморецепторов, отражающих температурное состояние мозга. Эта интеграция сигналов, характеризующих центральную и периферическую температуру тела, и обеспечивает выработку структурами заднего гипоталамуса сигналов, управляющих химической и физической терморегуляцией.

В комфортных условиях тепловой баланс, обеспечивает поддержание температуры тела. На нормальном уровне, не нуждается в коррекции специальными механизмами терморегуляции. Комфортная температура среды меняется в зависимости от степени влажности воздуха, конвективных потоков и теплопроводности среды. Так газовая среда, где азот заменен гелием, примерно в 7 раз теплопроводнее, чем воздушная, а водная среда приблизительно в 20 раз теплопроводнее, чем воздушная. В проточной воде (из-за высокой конвективности) охлаждающее или перегревающее действие на организм в 50-100 раз больше, чем на воздухе.

Температура среды ниже комфортной вызывает увеличение активности холодовых периферических терморецепторов. Это «холодовая» информация повышает тонус эфирентных структур заднего гипоталамуса, в результате чего через активацию симпатической нервной системы повышается тонус кожных и подкожных сосудов. Уменьшение кровотока в «оболочке» тела, связанное с повышением тонуса указанных сосудов, приводит к термоизоляции организма и сохранение теплоты за счет уменьшения теплоотдачи. Вместе с этим возникшее в связи с охлаждением усиление симпатического тонуса вызывает пиломоторный рефлекс - симпатическое сокращение гладкомышечных пучков, поднимающее волосяной покров, в результате чего термоизалирующая роль волосяного покрова у человека возрастает.

В условиях перегревания организма ведущую роль в возникновении реакций терморегуляции принадлежит возрастающей активности тепловых нейронов-термосеноров медиальной преоптической области. Активность этих тепловых нейронов включает две реакции. Во-первых, активизируются особые структуры симпатической нервной системы, управляющие потоотделением через холинэргические нервные волокна, в результате чего резко увеличивается теплоотдача испарением. У непотеющих животных эту реакцию заменяет высокочастотная адаптация диафрагмы, приводящая к тепловой отдышке. Во-вторых, резко тормозится активность всех мышц, кроме диафрагмы, включая и активность межреберных мышц. Суммарная активность диафрагмы во время тепловой отдышки не увеличивается. В условиях длительного перегревания двигательная активность подавлена полностью; человек при этом не способен совершать произвольные двигательные акты, вызываемые волевым усилием. Это подавление двигательной активности направлено на минимизацию мышечного термогенеза при угрозе перегревания.

Резкое подавление функциональной активности связано с тем, что летальная температура для организма в среднем лишь на 60С превышает нормальную. Границы низких летальных температур менее определены из-за устойчивости гомойотермных организмов к переохлаждению в связи со снижением энергообмена в тканях. У человека падение температуры тела ниже 350С приводит к нарушению поведения. При температуре тела около 310С наступает потеря сознания, а при температуре около 24-260С-смерть из-за нарушения автоматии сердца.

Тепловая адаптация сводится к повышению эффективности механизма потоотделения. Это достигается за счет повышения чувства жажды при незначительных потерях воды и снижения порога потоотделения при перегревании.

Обмен веществ как основа воспроизведения живого в последующих поколениях.

Обмен белков.

Белки являются основным строительным материалом различных биологических структур клеток организма, поэтому обмен белков играет первостепенную роль в их разрушении и новообразованиях.

У здорового взрослого человека за сутки обновления 1-2% общего количества белков тела, что связано преимущественно с деградацией мышечных белков до свободных аминокислот. Примерно 75-80% высвободившихся аминокислот снова используется в биосинтезе белков; оставшаяся часть подвергается различным метаболическим превращениям.

Белки сильно различаются между собой по числу и видам содержащихся в них аминокислот. Когда клетки организма синтезируют белок определенного типа, в их расположении должны быть все аминокислоты, входящие в состав этого белка. Если каких-либо аминокислот нет или мало, то данный белок не может быть синтезирован. Животные клетки способны вырабатывать некоторые аминокислоты, но не все; те из них, которые не могут быть синтезированы, так называемые незаменимые аминокислоты, должны быть получены с пищей. Существует 10 незаменимых аминокислот, и белки, в которых все они содержатся в достаточном количестве, называются полноценными белками. Молоко, мясо и яйца содержат биологически полноценные белки, тогда как в белке кукурузы недостает двух незаменимых кислот. Если в пище содержится избыток белка, то излишний белок превращается в жиры или углеводы, которые накапливаются или используются для получения энергии. Белок содержит элемент азот, которого нет в жирах и углеводах. Определяя количество азота в моче и экскрементах, с одной стороны, и в потребляемой пище-с другой, можно установить, поддерживается ли в организме азотный, а, следовательно, и белковый, баланс.

Главный, но возможно не единственный путь распада белков в организме-гидролиз. Гидролитический распад белков протекает в любой клетке организма, в основном в специальных субклеточных элементах-лизосомах, где сосредоточены гидролитические ферменты и где осуществляется деструкция высокомолекулярных метаболитов. Вместе с тем определенная часть ферментов, ускоряющих распад белков, есть в цитозоле клетки, а некоторые из них секретируются, обеспечивая внеклеточное переваривание белков. Гидролиз белков может быть частичным (до пептидов) и полным (до аминокислот). Таким образом, в результате деятельности разнообразных пептидгидролаз (протениназы и пептидазы) из белков в процессе их гидролиза сначала образуются сложные смеси различных пептидов, а затем смесь свободных белковых аминокислот. Гораздо большее значение для регуляции обмена веществ имеет неполный, селективный гидролиз белков, нежели их полное превращение до свободных аминокислот.

Аминокислоты, поступающие в организм в избыточном количестве, не могут запасаться и подвергаются метаболическим превращениям. Наиболее распространенными и важными реакциями являются трансаминирование, окислительное дезаминирование и декарбоксилирование.

Трансаминирование (переаминирование) представляет собой взаимопревращение ?-аминокислоты и ?-кетокислоты, катализируемые аминотрансферазой. В большинстве тканей имеются две аминотрансферазы – аналин-аминотрансфераза и глутомат-аминотрансфераза. Они катализируют перенос аминогрупп от большинства аминокислот с образованием аланина и глутаминовой кислоты.

Окислительное дезаминирование аминокислот происходит в клетках печени и почек. Продуктами окислительного дезаминирования являются соответствующие ?-кетокислоты. Этот процесс катализирует дегидрогеназа, коферментом которой может быть как НАД, так и НАДФ.

Декарбоксилирование аминокислот-важный метаболитический процесс, в результате которого из аминокислот образуются биологически активные амины.

Конечными продуктами распада аминокислот являются Н2О, СО2 и NН3. Вода поступает в общий метаболический фонд, оксид углерода (IV) беспрепятственно выводится из организма и лишь судьба аммиака нуждается в специальном рассмотрении. Аммиак токсичен для центральной нервной системы, поэтому в организме существуют процессы, в которых происходит связывание (дезактивация) аммиака. Основным путем связывания аммиака в мозге является образование глутамина:

НООС-СН2-СН2-СН-СООН+ NH3+ АТФ? H2N-C-CH2-CH-COOH+ АДФ+H3PO4

| || |

NH2 O NH2

Глутаминовая кислота глутамин

Глутамин может использоваться не только для синтеза белка, но и для других метаболитических процессов, следовательно, его можно рассматривать как хранилище аммиака. Другим путем связывание аммиака может служить восстановительное аминирование ?-кетоглутаровой кислоты, в результате которого образуется глутаминовая кислота. Основным путем связывания аммиака является орнитиновый цикл, называемый также циклом мочевины.

Орнитиновый цикл. Первой реакцией орнитинового цикла является процесс образования карбамоилфосфата из аммиака и оксида углерода (IV) при участии АТФ. Катализирует этот процесс карбамоилфосфатсинтетаза. Интересно отметить, что в данном процессе принимает участие две молекулы АТФ, одна из которых является донором остатка фосфорной кислоты, а другая выполняет энергетическую функцию:

O

карбамоилфосфатсинтетаза ||

NH3+ CO2+ 2АТФ+ H2O————————————? H2N-C-O-P-OH+ 2АДФ+ НЗРО4

|| |

O OH

Карбамоилфосат-макроэргическое соединение, поэтому следующая стадия процесса-перенос карбамоила на аминогруппу бокового радикала аминокислоты орнитина- происходит довольно быстро. Равновесие этой реакции сдвинуто в сторону синтеза цитруллина. Последующая цепь реакций приводит к конечному продукту обмена азота-мочевине:

NH2 NH2

| O O ОРНИТИНКАРБАМО- | АТФ, асп АРГИНИНОСУКЦИОНАТ-

(CH2)3 || || ИЛТРАНСФЕРАЗА C=O СИНТЕТАЗА

| + H2N-C-O-P-OH——————? | ————————————?

CH-COOH | NH

| OH |

NH2 (CH2)3

|

CH-COOH

|

NH2

Орнитин Карбамоилфосфат Цитруллин
NH2 COOH NH2

| | |

C = N - CH C=NH COOH

| | | |

NH CH2 аргининосукцинат- NH CH

| | ———————? | + ||

(CH2)3 COOH лиаза (CH2)3 CH

| | |

CH-COOH CH-COOH COOH

| |

NH2 NH2
Аргининоукцинат Аргинин Фумаровая кислота
NH2

|

C=NH NH2

| H2O | O

NH аргиназа (CH2)3 ||

| —————? | + H2N-C-NH2

(CH2)3 CH-COOH

| |

CH-COOH NH2

|

NH2
Аргинин Орнитин Мочевина
Хотя аргинин есть во всех клетках организма человека, образование мочевины происходит только в клетках печени-единственном органе, где локализован фермент аргиназа. Мочевина выделяется из клеток печени в кровь и выводится из организма с мочой.

Новообразование аминокислот. Некоторые аминокислоты синтезируются путем переаминирования: пировиноградная кислота является источником аланина, ?-кетоглутаровая- глутаминовой, а щавелевоуксусная- аспарагиновой кислот. Глутамин и аспарагин образуются путем прямого аминирования из соответствующих аминокислот. Аминокислоты служат исходным материалом для важных биологических соединений, как гемоглобин, креатинфосфат, некоторые коферменты и, конечно же, белки.

Биосинтез белка. Важнейшим процессом ассимиляции в клетке является синтез белков. Так как белки выполняют в организме целый ряд функций, то необходимо синтезировать тысячи различных белков, тем более что некоторые белки имеют ограниченный срок функционирования, и синтез таких белков не прекращается не на минуту. Каждый человек имеет свой определенный набор белков. Белки являются основой уникальности каждого человека, хотя некоторые белки, выполняющие одну и туже функцию, у разных людей могут быть похожими и даже одинаковыми. С другой стороны все люди хоть немного, но отличаются друг от друга. На Земле нет двух абсолютно одинаковых людей. Индивидуальную неповторимость каждого человека определяют различия в структуре белков.

Вся информация о структуре белка и деятельности клеток, обо всех признаках каждой клетки и организма в целом заключена в ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Эта информация получила название генетической информации. ДНК состоит из генов, которые отвечают за синтез одной белковой молекулы. Каждой аминокислоте белка соответствует последовательность из трех расположенных друг за другом нуклеотидов ДНК-тирплет, или кодон. К настоящему времени составлена карта генетического кода, то есть известно какие триплеты в ДНК соответствуют той или иной аминокислоте. Почему именно триплет? В состав всех белков в организме человека присутствуют из всего многообразия аминокислот только 20. Как известно, в состав ДНК могут входить четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Число сочетаний 4 по 3 составляет 43=64, то есть ДНК может кодировать 64 аминокислоты. Оказалось, что многим аминокислотам соответствует не один, а несколько триплетов. Предполагается, что это свойство генетического кода повышает надежность хранения и передачи генетической информации при делении клеток. Так как в молекуле ДНК содержатся сотни генов, то в ее состав обязательно входят триплеты, являющиеся «знаками препинания» и обозначающие начало или конец того или иного гена. Очень важное свойство генетического кода – специфичность; один триплет кодирует только одну аминокислоту. Генетический код универсален для всех живых организмов от бактерии до человека.

Носителем генетической информации является ДНК, расположенное в ядре клетки. А синтез белка протекает на рибосомах в цитоплазме клетки. Из ядра в цитоплазму клетки поступает в виде информационной РНК (и-РНК). Для того чтобы синтезировать и-РНК, участок двухцепочечной ДНК раскручивается на том участке, на котором содержится информация о синтезируемом белке. А затем на одной из цепочек по принципу комплементарности синтезируется и-РНК:

МОЛЕКУЛА ДНК - А -Г-Ц- Г- Т- Т-А-Ц-Т-Г-Ц-

| | | | | | | | | | |

СИНТЕЗИРУЕМАЯ И-РНК -У- Ц- Г-Ц- А-А-У-Г-А-Ц-Г
Таким образом, формируется цепочка и-РНК, представляющая собой точную копию второй (нематричной) цепочки ДНК (только вместо тимина урацил). Так информация о белке с «языка ДНК» переводится на «язык РНК». Этот процесс получил название транскрипции. Для синтеза и-РНК необходим особый фермент - РНК-полимераза. В начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая промотором. РНК-полимераза «узнает» промотор, взаимодействует с ним и начинает синтез белка с нужного места. Фермент присоединяет новые нуклеотиды, продолжая синтез и-РНК, до тех пор, пока не дойдет до очередного «знака препинания» в молекуле ДНК – терминатора (УАА, УАГ, УГА). Эта последовательность нуклеотидов указывает на завершение этапа транскрипции.

В цитоплазме обязательно должен находиться полный набор аминокислот, необходимый для синтеза белка. Необходимо помнить, что любая аминокислота может попасть в рибосому, только при помощи специальной транспортной РНК (т-РНК).

И-РНК из ядра переходит в цитоплазму и двигается к рибосомам. В это же время, при помощи т-РНК к рибосомам начинают доставляться аминокислоты, необходимые для синтеза определенного белка. С тем концом и-РНК, с которого должен начаться синтез белка, взаимодействует рибосома. Рибосома представляет собой две субъединицы; малую и большую. И-РНК пресоединяется к функциональному центру рибосомы, откуда начинается синтез белка. При этом начало будущего белка обозначается триплетом АУГ, который является знаком начала трансляции. Так как этот триплет кодирует аминокислоту метионин, то все белки, за исключением спецслучаев, начинаются с метионина. После связывания рибосома начинает двигаться по и-РНК, задерживаясь на каждом ее участке, который содержит два триплета (6 нуклеотидов). Время задержки составляет всего 0,2 с. За это время молекула т-РНК, триплет которой комплементарен триплету, находящемуся в рибосоме, успевает распознать его. Та аминокислота, которая была связана с т-РНК, отделяется от «черешка» и присоединяется с образованием пептидной связи к молекуле уже синтезируемого белка и так далее. Когда же рибосома доходит до одного из так называемых стоп-триплетов (УАА, УАГ или УГА), то синтез белка должен быть завершен. Белковая цепочка отсоединяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует присущую этому белку вторичную, третичную или четвертичную структуры. Клетке необходимо большое количество каждого белка. Поэтому, как только первая рибосома продвигается вперед, тут же на ее место нанизывается вторая рибосома и так далее. Все рибосомы, синтезирующие белок на одной и-РНК, называются полисомой. Последовательность аминокислот в первичной структуре белка не зависит от рибосом, а определяется только последовательностью нуклеотидов и-РНК.

На регуляцию белкового обмена влияют нервная система, гормоны гипофиза (соматотропный гормон), щитовидной железы (тироксин), надпочечников (глюкокортикоиды).

Обмен углеводов и липидов.

Углеводы наряду с белками-наиболее распространенные соединения, участвующие в построении клетки и используемые в процессе ее жизнедеятельности. Они входят в состав всех живых организмов. К классу углеводов относят органические соединения, содержащие альдегидную или кетонную группу и несколько спиртовых гидроксилов. Их элементарный состав выражается общей формулой СMH2NON. Из этого правила есть немногочисленные исключения. В зависимости от состава, строения и свойств, в частности от поведения при нагревании с разбавленными растворами кислот (от отношения к гидролизу), углеводы делятся на простые и сложные. Простые углеводы не подвергаются гидролизу. Сложные углеводы при гидролизе распадаются с образованием простых углеводов. Нередко функцию углеводов в обмене веществ сводят к энергетическому обеспечению химических реакций. Это далеко не так. Углеводы выполняют еще одну важнейшую функцию в процессе обмена веществ- они являются источником большого числа органических соединений, которые служат исходными продуктами для биосинтеза липидов, белков и нуклеиновых кислот. Распад углеводов в организме с высвобождением энергии и запасанием ее в виде АТФ было рассмотрено выше.

Синтез углеводов. В тканях и органах человека происходит синтез сложных углеводов. Строительным блоком для синтеза служит глюкоза. Большая часть глюкозы поступает в организм с пищей, однако при длительном голодании может включаться механизм синтеза глюкозы. Из неуглеводных источников (глюконеогенез). В качестве субстратов глюконеогенеза могут служить аминокислоты, превращающиеся в пировиноградную и щавелево-уксусную кислоты. Также к неуглеводным источникам глюконеогенеза относятся глицерин, кислоты цикла Кребса, молочная кислота. Преобразование всех указанных веществ (кроме глицерина) в глюкозу проходит через стадию пировиноградной и щавелево-уксусной кислоты. Большая часть реакций на пути от пирувата до глюкозы катализируется ферментами гликолиза путем обращения соответствующих реакций.

Пировиноградная кислота?щавелево-уксусная кислота? фосфоенолпирови- ноградная кислота? 2-фосфоглицериновая кислота? 3-фосфоглицериновая кислота? 1,3-дифосфоглицериновая кислота? 3-фосфоглицериновый альдегид? фосфодиоксиацетон? фруктозо-1,6-дифосфат? фруктозо-6-фосфат? глюкозо-6-фосфат? глюкоза.

Глюконеогенез-обратимый процесс, на скорость протекания которого оказывают влияние гормоны. Гллюконеогенез использует молочную кислоту, накапливающуюся в мышцах во время интенсивной мышечной работы. Этот метаболический путь, протекающий в печени, можно рассматривать как приспособление для разгрузки организма от молочной кислоты, образующейся в мышцах в анаэробных условиях.

Биосинтез гликогена. Иначе биосинтез гликогена называется гликогеногенезом. Он осуществляется практически во всех тканях, но особенно активно протекает в скелетных мышцах и в печени. Биосинтез гликогена может идти двумя путями. Один из них заключается в переносе олигосахаридных фрагментов с одного полисахарида на существующий фрагмент гликогена, другой-в переносе остатков глюкозы. Источником остатков глюкозы служит уридидифосфатглюкоза (УДФ-глюкоза), которая образуется из глюкозо-1-фосфат и УТФ при участии фермента глюкозо-1-фосфат-уридилтрансферазы. Синтез гликогена осуществляет фермент гликогенсинтетаза. Фермент снимает остаток глюкозы с УДФ-глюкозы и переносит его на нередуцирующий конец растущей цепи гликогена.

Интенсивность катаболических и анаболических путей обмена углеводов в разных тканях организма неодинаково и определяется, прежде всего, особенностями обмена каждой ткани и органа. Если рассматривать организм в целом, то можно выявить некоторую специализацию путей превращения углеводов в отдельных тканях. Такая специализация, несомненно, оправдана, так как отвечает функциональной направленности ткани или органа. Поскольку функционирование отдельного органа обеспечивает жизнедеятельность всего организма, существенным моментом в обмене веществ в целом и в обмене углеводов в частности является интеграция катаболических и анаболических процессов.

Обмен липидов. Липидами называют природные неполярные соединения, нерастворимые в воде, но растворимые в неполярных растворителях (эфир, хлороформ, бензол и другие). В структурном отношении все липиды являются сложными эфирами жирных кислот и разнообразных спиртов. В зависимости от строения липиды разделяют на простые и сложные. В группе простых липидов выделяют жиры, воски (характерны для растений) и стериды. Сложные липиды подразделяются на фосфолипиды, гликолипиды, диольные и орнитиновые (характерны для микроорганизмов). В тканях организма происходит непрерывное обновление липидов. Основную массу липидов человека составляют триглицериды, которыми особо богата жировая ткань. Поскольку триглицериды выполняют энергетическую функцию, то процессы их обновления связаны с мобилизацией и депонированием их в процессе образования энергии. Обмен фосфолипидов недостаточно изучен, но имеется мнение, что их обновление связано, прежде всего, с процессами восстановления структуры мембран. Обновление липидов тканей и органов организма требует предварительного внутриклеточного ферментативного их гидролиза. Гидролиз триглицеридов (липолиз) происходит в два этапа. На первом этапе происходит гидролиз внешних сложноэфирных связей, ускоряет этот процесс фермент липаза.

?-моноглицерид, образовавшийся на первом этапе распада триглицеридов, далее гидролизуются неспецифической эстеразой до глицерина и ВЖК:

В результате гидролиза триглицеридов образуются глицерин и три молекулы ВЖК. Фосфотиды распадаются на соответствующие структурные компоненты: глицерин, ВЖК, фосфорную кислоту и азотистое основание. Продукты гидролиза и фосфотидов подвергаются дальнейшим метаболическим превращениям.

Обмен глицерина может осуществляться несколькими путями. Значительная часть липидов глицерина, образовавшихся при гидролизе, используются для ресинтеза триглицеридов. Второй путь обмена глицерина- включение продукта его окисления в гликолиз или глюкогеногенез. Независимо от пути обмена начальным этапом является процесс фосфолирования глицерина, донором фосфатной группы является АТФ:

С3Н5(ОН)3 +АТФ?С3Н5(ОН)2О-РО(ОН)2 +АДФ

Глицерин ?-глицерофосфат

Большая часть ?-глицерофосфата используется для синтеза триглицеридов. Обмен глицерина связан тесно с гликолизом, во второй этап которого включаются его метаболиты.

Окисление жирных кислот. В 1904 году Ф.Кнооп показал, что при окислении в митохондриях происходит постепенное уменьшение на два углеродных атома с карбоксильного конца высшей жирной кислоты. Ф.Кнооп назвал этот процесс ?-окислением. Дальнейшие исследования, проведенные А. Ленинджером, Ф. Линеном, Д. Грином, С. Очао и другими учеными, уточнили и развили представление о ?-окислении ВЖК.

Первым этапом распада жирных кислот является их активизирование; этот процесс катализируется ацил-КОА-синтетазой, которая локализирована в мембранах эндоплазматической сети и в наружной мембране митохондрий:
O Mg2+ О

|| Ацил-КоА-синтетаза ||

R-C-OH + АТФ + КоАSН ————————————? R-C-SKoA + АМФ +Н4Р2О7

ВЖК Ацил-КоА

Поскольку процесс активизирования ВЖК идет вне митохондрий, то далее необходим транспорт ацила через мембрану внутрь митохондрий. Транспорт приходит с участием находящегося на внешней стороне мембраны карнитина, на который передается ацил с ацила-КоА из цитоплазмы клетки. Затем ацилкарнитин диффундирует через мембрану митохондрий и передает свой ацил коэнзиму А, находящемуся в матриксе митохондрий. Процесс переноса ацила между КоА и карнитином является ферментативным, катализируемым ацил-КоА-карнитин-трансферазой. В матриксе митохондрии происходит процесс ?-окисления. Первой стадией ?-окисления ВЖК является окисление ацил-КоА путем отщепления двух атомов водорода от ?- и ?-углеродных атомов ацила коферментом соответствующей дегидрогеназы. Далее происходит присоединение молекулы воды таким образом, что ОН-группа присоединяется к ?-, а атом водорода-к ?-углеродному атому. На следующей стадии идет окисление ?-оксициала КоА, катализируемое дегидрогеназой, в результате действия которой образуется ?-кетоацил-КоА. На последней стадии ?-окисления происходит негидролитический распад ?-кетоацил-КоА и перенос ацила, укороченного на два углеродных атома по сравнению с первоначальным, на молекулу КоА. ?-окисление-это циклический процесс, так как ацил-КоА, образовавшийся на последнем этапе, вновь подвергается ?-окислению, проходя все описанные ранее стадии. Конечным продуктом ?-окисления является ацетил-КоА, дальнейший обмен которого зависит от состояния организма.

Образование кетоновых тел. Одним из процессов, в котором происходит регенерирование свободного КоА из ацильных производных, является образование ацетоуксусной кислоты. В этом процессе принимают участие три молекулы ацил-КоА. Сначала происходит конденсация двух молекул ацил-КоАс образованием ?-кетобутирил-КоА. На второй стадии происходит высвобождение КоА из ?-кетобутерил-КоА. Для этого процесса нужна еще одна молекула ацетил-КоА. Образовавшиеся ?-окси- ?-метилглутарил-КоА далее подвергается негидролитическому расщеплению, в результате образуется ацетоуксусная кислота. Ацетоуксусная кислота при восстановлении дает ?-оксимасляную кислоту. Ацетоуксусная и ?-оксимасляная кислоты синтезируются в печени и поступают в кровь к мышечной и другим тканям, которые утилизируют их в цикле Кребса. Ацетоуксусная кислота может превращаться в ацетон. Ацетоуксусная ?-масляная кислоты и ацетон получили название кетоновых тел.

Биосинтез липидов. Синтез высших жирных кислот локализован в эндоплазматической сети клетки. Непосредственным источником синтеза является малонил-КоА, образующийся из ацетил-КоА и оксида углерода (IV) при участии АТФ

O O

|| Ацетил-КоА- ||

CH3-C-SKoA + CO2+ AТФ—————?HOOC-CH2-C-SKoA + АДФ + Н3РО4

карбоксилаза

Ацетил-КоА Малонил-КоА

Начальным этапом синтеза ВЖК является конденсация малонил-КоА с ацетил-КоА. Образовавшийся ?-кетобутирил-КоА сначала восстанавливается до ?-оксибутерила-КоА, который далее с участием дегидротазы превращается в кротонил-КоА, содержащий двойную связь. Кротонил-КоА восстанавливается до бутирил-КоА. Биосинтез ВЖК носит циклический характер. Синтезированный бутирил-КоА вступает в новый цикл превращений, представленный выше.

Синтез триглицеридов происходит при депонировании липидов в жировой или других тканях организма. Локализован этот процесс на мембранах эндоплазматической сети. Первой стадией синтеза триглицеридов является трансацилирование ?-глицерофосфата с образованием фосфатидной кислоты.

Далее фосфотидная кислота подвергается действию фосфатидат-фосфатазы с образованием ?, ?-диацилглицерина. На последней стадии синтеза происходит ацилирование свободной ОН-группы ?, ?-диацилглицерина, катализируемое диацилглицерин-ацилтрансферазой. Ферменты, ускоряющие синтез триглицеридов, найдены в клетках печени, слизистой оболочки кишечника, жировой ткани и др. из тканей с интенсивным синтезом триглицеридов, они мигрируют в ткани, где нет активного синтеза. В регуляции липидного обмена значительную роль играют центральная нервная система, а также многие железы внутренней секреции (половые, щитовидной железы, гипофиз, надпочечники).

Взаимосвязь различных видов пищевых продуктов и энергии.

Жизнь всякого организма связана с непрерывным расходом веществ, входящих в его состав. Нормальная жизнедеятельность организма возможна только тогда, когда весь этот расход компенсируется веществами, поступающими с пищей. Если это условие не соблюдается, то организм человека начинает жить за счет веществ, имеющихся у него в запасе, а также входящих в состав клеток и органов. К настоящему времени сложилась концепция сбалансированного питания. Согласно этой концепции количество потребляемой пищи должно соответствовать энергетическим затратам человека. Зная энергетическую ценность принятых с пищей белков, жиров и углеводов, суточный расход энергии, можно рассчитывать калорийность рациона человека, что важно при организации полноценного питания. При составлении рациона обычно учитывают калорийность принимаемой пищи, суточный расход энергии, пол, возраст и другие особенности организма. Однако этого недостаточно для организации полноценного питания. Для организма важно, чтобы в принимаемой пище были все необходимые пищевые вещества. Учитывая особую роль белков для организма и то обстоятельство, что их нельзя заменить никакими другими питательными веществами, поступление в организм с пищей белка не только в достаточном количестве, но и полноценного по качеству, по его аминокислотному составу-необходимое условие нормального роста и развития организма человека. Белки животного происхождения считаются полноценными, так как входящие в них аминокислоты более близки к аминокислотам человека. Однако не следует удовлетворять потребность организма в белках только животного происхождения, ибо белки растительного происхождения также имеют существенное значение для организма человека. Белки большинства круп в комбинации с другими продуктами образуют смесь аминокислот, близким к белкам человека. Наличие жира в пище увеличивает ее калорийность. Благодаря этому оказывается возможным уменьшение объема необходимой пищи и значительное снижение затрат энергии на процессы пищеварения. Присутствие жира в пище делает ее более вкусной, создает ощущение сырости, ограничивает распад белка в организме. Некоторые жироподобные вещества, содержащие фосфор имеют большое значение для деятельности нервной системы. Чрезмерное употребление жиров, так же как и значительный недостаток их в пище, неблагоприятно влияет на рост, развитие и деятельность ребенка. Ожирение, возникающее при питании избыточно жирной пищи, приводит к уменьшению выносливости организма и глубоким нарушениям обмена веществ, падению функциональных возможностей сердечно-сосудистой системы, работоспособности и иммунной реактивности. Источником углеводов служат продукты преимущественно растительного происхождения: хлеб, крупы, картофель, овощи, фрукты, ягоды. Клетчатка растительных тканей-целлюлоза также относится к углеводам. Пищевое значение ее для человека невелико, так как она не переваривается в кишечнике. Однако она увеличивает объем пищи, способствует ощущению сырости, механически раздражая рецепторы кишечника, способствует передвижению пищевой кашицы. Минеральные соли входят в состав продуктов питания, поэтому при рационально организованном сбалансированном питании нет необходимости вводить их искусственно. Из числа минеральных солей только поваренную соль приходится вводить дополнительно с пищей. При длительном поступлении соли в организм в недостаточном или избыточном количестве может нарушаться работа сердца, изменится возбудимость нервной системы, появляются головокружение и обмороки, изменяется мочеобразование. Поваренная соль используется организмом для выработки соляной кислоты, которая является составной частью желудочного сока и играет существенную роль в переваривании пищи, а также защите организма от бактерий, попадая в кислый желудочный сок, быстро погибают. Соли кальция и фосфора являются главными составными частями костной ткани и имеют существенное значение для деятельности центральной нервной системы. При недостатке солей кальция, фосфора и витамина D костная ткань не может правильно развиваться, процессы роста и развития замедляются. У детей это проявляется в тяжелом заболевании-рахите. Кроме того, фосфор входит в состав белковых и жировых соединений клеток нервной ткани и других важных органов. Солями фосфора наиболее богаты яичный желток, мозги, мясо, орехи, горох, овсяная мука, цельная пшеница. Кальцием богаты молоко и молочные продукты. Железо используется организмом для построения красящего вещества крови-гемоглабина, без которого невозможно поглощение кислорода и снабжение им тканей. Железом богаты такие пищевые продукты, как яичный желток, картофель, мясо, капуста, чечевица, горох, салат и яблоки. Существенное значение в регуляции воды в тканях организма имеют соли калия, которые содержатся преимущественно в овощах (капуста, картофель). В результате обмена веществ в организме образуются некоторые ядовитые для него соединения. Для обезвреживания их необходима сера. Она содержится в упомянутых выше продуктах (чечевица, горох, бобы, овсяная мука, мясо).
  1   2


СОДЕРЖАНИЕВведение
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации