Контрольная работа - Обмен веществ

Подождите немного. Документ загружается.

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:

 переработка пищевых веществ в органах пищеварения;

 внутриклеточный или промежуточный обмен;

 образование конечных продуктов реакции.

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 1

С. 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+Н

РО

Другой путь освобождения энергии фосфатной связи АТФ-пирофосфатное

расщепление:

АТФ→АМФ+Н

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 м

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.

→2C

ГЛЮКОЗА МОЛОЧНАЯ КИСЛОТА

Реакция катализируется 11 ферментами, образующих цепь, в которой продукт

реакции, ускоряемой предшествующим ферментом, является субстратом для

последующего.

+ 2H

+ 2АДФ→ 2C

+ 2АТФ + 2Н

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:

2С

+6О

+36Н

РО

→36АТФ+6СО

+6Н

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:

+ 6О

+ 38АДФ + 38Н

РО

→ 6СО

+ 44Н

О + 38АТФ

Условия, необходимые для протекания кислородных процессов .

 Наличие метохондриальных мембран, так как решающую роль играют

процессы, происходящие на них.

 Целостность метохондриальных мембран.

 Наличие ферментов, переносчиков НАДФ и ФАД.

 Наличие кислорода.

 Постепенное окисление: молочная кислота→ пировиноградная

кислота→ ацетил-КОА→ щавелево-янтарная кислота→ янтарная

кислота→ яблочная кислота→ щавелево-уксусная кислота→ лимонная

кислота и так далее.

Интенсивность энергетического обмена и размеры тела

(правило Рубнера).

Потребление кислорода организмом является достаточно надежным

критерием уровня энергетического обмена. Оказалось, что потребление О

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 м

поверхности

тела одинакова как у крупных, так и у мелких животных. Таким образом,

интенсивность энергетического обмена определяется размерами поверхности

тела (площадью теплопотери).