Модуль III Обмен веществ и энергии Гормональная регуляция

Модуль III. Обмен веществ и энергии. Гормональная регуляция функций организма Тема: Обмен веществ и энергии (4 часа) План: 1. Научные взгляды на сущность обмена веществ. 2. Понятие обмена веществ и энергии. 3. Обмен белков и его регуляция. 4. Обмен липидов и его регуляция. 5. Обмен углеводов и его регуляция. 6. Водно-солевой обмен. 7. Энергетический обмен.

1. Научные взгляды на сущность обмена веществ 1. «Жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей внешней средой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка…» Ф. Энгельс 2. А. С. Фаминцын дал определение обмена веществ как неотъемлемого свойства живого и высказал точку зрения об общности основных путей процессов обмена веществ у растений и животных.

3. И. М. Сеченов подчеркивал, что элементами, которые связывают все жизненные процессы в организме, являются поступающие в него из вне вещества: пища, вода и кислород. «Проследить судьбы внешнего вещества при его странствовании по телу, – значит описать всю историю жизни» . 4. И. П. Павлов в своих работах рассматривал обмен веществ как основу физиологических функций организма.

2. Понятие обмена веществ и энергии Обменом веществ и энергии называют всю совокупность химических и физических превращений, происходящих в живом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с внешней средой. Обмен веществ и энергии составляет единое целое, подчиняющееся универсальному закону сохранения материи и энергии.

Функции обмена веществ: 1. Извлечение энергии из окружающей среды. В процессе обмена из внешней среды в организм поступают различные, богатые потенциально-химической энергией вещества; в организме они, расщепляясь под действием пищеварительных соков, освобождают энергию. Эта энергия накапливается организмом и обеспечивает протекание физиологических процессов (рост и развитие) и выполнение внешней работы. 2. Переход экзогенных веществ в «строительные блоки» клеточных компонентов Поступившие в организм вещества используются для восстановления изнашиваемых и построения новых клеток и тканей, а также для образования гормонов и ферментов. 3. Синтез и распад биомолекул, необходимых для выполнения различных специфических функций данной клетки.

Обмен веществ представляет собой единство 2 -х противоположных процессов: ассимиляции или анаболизма и диссимиляции или катаболизма.

Катаболизм: Это ферментативное расщепление крупных пищевых молекул (углеводов, жиров, белков) с образованием более простых веществ, таких как молочная кислота, уксусная кислота, СО 2, аммиак или мочевина. Катаболизм сопровождается выделением свободной энергии и запасанием ее в форме энергии фосфатных связей аденозинтрифосфата (АТФ).

Катаболизм основных питательных веществ включает 3 главных стадии: 1. крупные пищевые молекулы расщепляются на составляющие их основные «строительные блоки» (в пищеварительном канале) полисахариды → до гексоз или пентоз липиды → до жирных кислот или глицерина белки → до аминокислот 2. дальнейшее расщепление до более простых молекул (в клетке) 3. продукты второй стадии окисляются, в конечном счете, до углекислого газа и воды(выделительная функция).

Анаболизм: Это ферментативный синтез крупных клеточных компонентов (т. е. специфических белков, жиров, полисахаридов, нуклеиновых кислот) из простых предшественников. Эти процессы связаны с потреблением свободной энергии, которая представляется в форме энергии фосфатных связей АТФ.

Процесс анаболизма также включает 3 стадии: 1. третья стадия катаболизма является первой, исходной стадией анаболизма; 2. на второй стадии происходит синтез промежуточных веществ, так для белка – синтез аминокислот из их предшественников; 3. объединение аминокислот в пептидные цепочки, т. е. синтез белка.

Общие представления об обмене веществ и энергии

Процессы катаболизма (диссимиляции) и анаболизма (ассимиляции) протекают в клетках одновременно. Они взаимно противоположны и вместе с тем неразрывно связаны между собой. Анаболизм сопровождается усилением катаболизма, а процессы катаболизма подготавливают почву для анаболизма.

Процессы анаболизма и катаболизма, однако не всегда взаимно уравновешены. Так в период роста организма увеличивается интенсивность обоих процессов, но с относительным преобладанием ассимиляции. Затем устанавливается относительное равновесие между ними, а в старости вновь нарушение равновесия с преобладанием процессов катаболизма.

Катаболические и анаболические пути отличаются по своей локализации в клетке. Например: окисление жирных кислот катализируется набором ферментов, локализованных в митохондриях, а синтез жирных кислот осуществляется с помощью другого набора ферментов, локализованных в цитоплазме. Именно по этому катаболизм и анаболизм могут протекать в клетке одновременно, независимо друг от друга. Превращение пищевых веществ с момента их поступления в клетку составляет сущность межуточного обмена. Он включает обмен белков, углеводов, жиров, минеральных веществ, воды.

В ходе межуточного обмена из продуктов расщепления, т. е. аминокислот, жирных кислот, глюкозы, галактозы, фруктозы – образуются ацетилкоэнзим-А, α-кетоглутаровая, щавелево-уксусная кислоты. Они подвергаются окислению в цикле лимонной кислоты, в результате окислительных процессов освобождается энергия, которая запасается в виде АТФ.

Цикл Кребса

Сопряжение окисления и запасания энергии (фосфорилирования) обусловлено особыми свойствами мембран и встроенных в них ферментов. Ферменты расположены так, что ионы водорода, образующиеся при окислении, накапливаются на одной стороне, а при фосфорилировании – на другой стороне мембраны. (Хемоосмотическая теория Д. Митчела)

3. Обмен белков и его регуляция Основу всех тканевых элементов организма составляют белки. Именно биосинтез белков определяет рост и развитие всех элементов в эмбриональном периоде, а также в детском и юношеском возрасте. Функции белка: ØКаталитическая или ферментативная. ØЗащитная (с белками связано образование иммунных тел и защита организма от патогенных микробов). ØПоддержание коллоидно-осмотического давления. ØОпорная. ØЭнергетическая.

В организме происходит постоянное обновление белковых молекул: распад одних и синтез других – новых. Единым источником синтеза новых белков являются белки пищи. Сложная белковая молекула в пищеварительном канале расщепляется до аминокислот. Всосавшись в кровь, они поступают к клеткам печени и периферическим тканям. Одна часть аминокислот используется для синтеза специфических белков, свойственных только этому организму, а другая подвергается превращениям, во время которых освобождаются азотсодержащие вещества и свободная энергия.

Схема обмена белков

Механизм синтеза белка: Первый этап – образование полипептидной цепи с определенной последовательностью аминокислот. Второй этап – создание связей между полипептидными цепями. Третий этап – специфическое пространственное расположение белков в молекуле.

Важная роль здесь принадлежит нуклеиновым кислотам. В клетке находится несколько видов РНК, каждая из которых выполняет в синтезе белка определенные функции. Вместе с тем только одна из них, информационная, построена по подобию ДНК. Всякие изменения в ДНК сказываются на строении и РНК, а это ведет к возникновению определенной последовательности расположения аминокислот в белковой цепи, это характеризует его специфичность.

Нарушение такого распределения ведет к возникновению неспецифической формы белка. И в конечном итоге к развитию патологического процесса. Например, если из 300 остатков аминокислот в молекуле гемоглобина – одна изменена, синтезируется патологический гемоглобин, ведущий к возникновению заболевания – серповидноклеточная анемия.

Баланс азота: Биологическая ценность белка определяется его аминокислотным составом. В белках содержится 14 – 19% азота, в среднем – 16%, т. е. 100 г белка содержит 16 г азота. Отсюда, по количеству азота, вводимого и выводимого из организма, можно определить количество белка в нем. Разница между потреблением и расходом белка составляет азотистый баланс.

Схема азотистого баланса

Виды азотистого баланса: Положительный азотистый баланс иначе ретенция или задержка азота в организме. Такое явление наблюдается у растущих организмов и обусловлено оно тем, что у них происходит увеличение массы тела. Усиленные занятия спортом сопровождающиеся увеличением массы мышечной ткани, также ведут к ретенции азота. При отрицательном азотистом балансе с мочой и потом выделяется азота больше, чем потребляется с пищей. Происходит прогрессирующее истощение, разрушение белковых структур клеток.

Наименьшее количество белка, которое необходимо, чтобы поддержать азотистое равновесие, составляет белковый минимум. Для взрослого человека он равен 100 -120 г. белка в сутки.

Регуляция обмена веществ: Простейшей формой регуляции является «клеточная автоматика» , т. е. внутриклеточная регуляция. В многоклеточном организме клеточная регуляция подчинена воздействиям со стороны нервной и эндокринной систем. Нервная Гуморальная Гипоталамус Эндокринные железы Регуляция обмена белков, жиров , углеводов, воды, солей, обмена тепла и потребление пищи. Гормоны участвуют в регуляции обмена веществ и энергии, влияя на проницаемость мембран, активируя ферментные системы организма.

Регуляция белкового обмена Ц – центры, координирующие белковый обмен, ТГ – «тропные» гормоны, Тк – тироксин, Кр кортикоиды

4. Обмен липидов и его регуляция К классу липидов относятся неоднородные в химическом отношении вещества. По химическому составу их делят на: простые липиды; сложные липиды и стероиды. Биологическую роль жиров можно характеризовать как пластическую и энергетическую.

Пластическая роль: 1. 2. 3. 4. Жиры входят в состав клетки (цитоплазма, ядро, мембрана клетки). Являются источником эндогенной воды; при окислении 100 г. жира освобождается 10 мл. воды, что способствует нормальному водообмену организма. Покрывая тело, слой жира служит биологической термоизолирующей системой, способствующей сохранению тепла в организме. Служит деятельным запасом питания в организме.

К жироподобным веществам относятся и сложные жиры: • фосфолипиды • гликолипиды • воски • стерины • холестерин В организме под действием липазы расщепляется лишь 30 – 40 % жира. Путь, по которому транспортируется пищевой жир в организме: кишечник → лимфа → кровь → ткани. Транспорт жира как источника энергии из его депо: депо → кровь → ткани.

Энергетическая роль: Важный источник энергии, т. к. при окислении 1 г жира выделяется 9, 3 ккал тепла. Некоторые жирные кислоты, необходимые организму (линолевая, линоленовая) должны поступать в организм в готовом виде, т. к. они не синтезируются в организме. На 1 кг массы тела в сутки должно поступать с пищей 1, 25 г жира, т. е. 80 – 100 г. Недостаток жира в пище нарушает деятельность центральной нервной системы и органов размножения, снижает выносливость к различным заболеваниям. Без жиров невозможна выработка общего и специфического иммунитета.

Схема жирового обмена

Регуляция обмена жиров В регуляции жирового обмена взаимодействуют многие нервные и гормональные факторы. При сохранении нормального гормонального баланса поддерживается соответствие между процессами мобилизации и отложения жира. При нарушении этого баланса возникают патологические изменения в виде ожирения или потери веса.

Процессы отложения жира и его мобилизации из депо с последующим использованием в тканях осуществляется по принципу саморегуляции. При избытке источников энергии происходит депонирование триглицеридов в жировой ткани, а при недостатке – расщепление их.

Регуляция жирового обмена Ц – центры, контролирующие жировой обмен, ТГ – «тропные» гормоны, Тк – тироксин, Кр – кортикоиды, Пг – половые гомоны, Лс – лимфатические сосуды

5. Обмен углеводов и его регуляция Углеводы обычно подразделяются на 2 группы: 1. Простые углеводы или моносахариды. 2. Сложные углеводы – полисахариды, сюда же относят олигосахариды (углеводы, состоящие из 2 -10 моносахаридных единиц).

Функции углеводов: 1. n n n Биологическая роль углеводов для организма человека и животных определяется их энергетической функцией: Калорийная ценность одного грамма углеводов – 4, 1 ккал. Углеводы значительно быстрее подвергаются распаду и окислению по сравнению с белками и жирами. Глюкоза обеспечивает энергетическую базу мозговой ткани, необходима для синтеза макроэргических соединений и медиаторов. Мышечная ткань функционирует за счет аэробного и анаэробного распада углеводов. Углеводы выполняют роль запасного энергетического вещества, легко мобилизируемого при потребностях организма.

2. Участвуя в образовании основного вещества костей, хрящей, соединительной ткани, углеводы выполняют опорную функцию. 3. Установлено, что гликопротеидам принадлежит важная пластическая функция, особенно в создании клеточных оболочек. 4. Углеводы входят в состав нуклеиновых кислот. 5. Участвуют в образовании химических веществ в печени и в иммунологической защите организма.

Схема углеводного обмена

Схема регуляции уровня сахара в крови

Количество глюкозы в крови всегда относительно постоянно и составляет около 0, 11 гр%. Это постоянство необходимо для нормальной жизнедеятельности организма. Повышение сахара связано с отложением его в виде запасного вещества – гликогена, но понижение глюкозы в крови свыше 0, 17 % связано с удалением ее из организма с мочой.

Процесс образования гликогена из глюкозы называется гликогенезом. Это сложный ферментативный процесс, развивающийся в организме фазно: 1. Фосфорилирование глюкозы: глюкоза + АТФ → глюкоза-6 фосфат 2. Обеспечение полимеризации глюкозы: глюкоза-6 фосфат ↔ УДФГ (уридиндифосфатглюкозы) 3. Синтез гликогена: УДФГ ↔ гликоген

Расщепление гликогена до глюкозы называется гликолизом. Распад углеводов в организме может происходить как в анаэробных так и в аэробных условиях. В присутствии О 2 глюкоза расщепляется до ПВК. В анаэробных условиях расщепление глюкозы заканчивается образованием молочной кислоты (С 6 Н 12 О 6 → 2 С 3 Н 6 О 3) HLa. Конечными продуктами распада является выделение СО 2 и Н 2 О.

Расщепление глюкозы и образование АТФ

n n Главным источником поступления углеводов в организм является растительная пища – крупы, овощи, фрукты. Суточная потребность в углеводах зависит от возраста, пола, энергетических затрат. В среднем потребность взрослого человека составляет около 500 г. Потребность в глюкозе различных организмов неодинакова. Мозг задерживает до 12 % приносимой глюкозы; кишечник – 9 %; мышцы – 7 %; почки – 5 %, а такие органы как селезенка и легкие не задерживают глюкозы.

Регуляция углеводного обмена Ц – центры, контролирующие углеводный обмен, ТГ – «тропные» гормоны, Тк – тироксин, Гк – глюкокортикоиды, Гкг - глюкагон

6. Водно-солевой обмен Все химические и обменные процессы в организме совершаются в водной среде. 1. Вода служит растворителем пищевых веществ. 2. Принимает участие в построении клеточных структур. 3. Выполняет механическую функцию, ослабляя трение между соприкасающимися поверхностями (суставами). 4. Участвует в процессе терморегуляции.

Количество воды в организме – 2/3 общей массы тела. В организм человека вода поступает из 2 -х источников: 1) извне с приемом пищи; 2) образуется в процессе окисления белков, жиров и углеводов в самом организме. Распределяется вода в организме в 3 -х областях: §в крови (плазма) – 25% от внеклеточной §в межклеточных пространствах – 75% от внеклеточной §внутри клеток – 70% от общего количества воды

Обмен воды в теле человека: обменные процессы в теле человека осуществляются между внутрисосудистой (плазма, лимфа); внутрисосудистой и внеклеточной жидкостями. n Из поступившей в организм воды, в клетках и тканевых щелях задерживается около 2%. Вся остальная вода удаляется через почки, кожу и легкие. У детей 1 -2 лет за сутки выделяется до 500 мл; у 10 -12 летних – до 650 мл. ; у взрослых – до 1200 мл воды. n

Минеральный обмен Минеральные вещества выполняют многообразные и очень важные функции. С ними связано развитие возбудимости, как основного свойства живого образования. Минеральные вещества используются для построения: n костного состава (Ca, Mg, P, Mn) n структуры клеток (Na, K) n при кроветворении (Со) n для гемоглобина (Fe) n желудочного сока (Cl)

Кальций содержится в организме преимущественно в неактивной форме в костях и в активной форме в крови и тканях. Cуточная потребность в кальции у взрослых 0, 6 – 0, 8 г, а у детей в 2 раза больше. Поддержание физиологического уровня ионизированного Са++ в крови имеет важное значение для нормальной возбудимости тканей, уменьшение его ведет к повышению возбудимости нервной и мышечной тканей (поведение в период полового созревания). Ионизированный Са++ имеет большое значение в процессе свертывания крови

Фосфор: принимает участие в межуточном обмене почти всех органических веществ. С возрастом потребность в фосфоре несколько повышается. У детей школьного возраста суточная потребность около 2 – 4 г, у взрослых – 5 г. Натрий: обеспечивает нормальное развитие костной и нервной тканей. В организм поступает преимущественно в виде поваренной соли около 4 – 5 г натрия.

Калий: участвует в регуляции роста; в поддержании щелочно-кислотного равновесия. Суточная потребность взрослого – 2 – 3 г. Обмен железа: особенно активен у детей. Большая часть железа входит в состав гемоглобина. Норма – 10 -30 мг. Усваивается в присутствии витамина С. Обмен хлора: преимущественно находится в жидкости и эритроцитах. Суточная потребность = 6 – 10 г.

7. Энергетический обмен В процессе обмена веществ происходит превращение высокомолекулярных соединений в низкомолекулярные. При этом выделяется энергия, которая используется для совершения различных видов работ. Часть энергии запасается в макроэргических химических связях, часть рассеивается в виде тепла.

Схема превращения веществ и энергии в организме

Функционирование организма животных подчиняется тем же законам термодинамики, что и остальной физический мир. Должно быть энергетически сбалансированное состояние, несбалансированность является предрасположением ко многим сосудистым и метаболическим заболеваниям.

Девять факторов, влияющих на энергетический баланс (по Дж. Теппермен, Х. Теппермен 1989 г. )

Энергетическая ценность 1 г углеводов = 4, 1 ккал 1 г жира = 9, 3 ккал 1 г белка = 4, 1 ккал Потенциальная химическая энергия, запасенная в белках, жирах и углеводах, переходит в кинетическую, в основном в тепловую. Обмен веществ, протекающий в обычных условиях существования организма – общий обмен. Уровень обмена в состоянии мышечного покоя, натощак, при нормальной температуре тела и 180 С среды – основной обмен.

Основной обмен : Характеризуется величиной энергетических трат в условиях полного мышечного покоя, в стандартных условиях (комфортная температура среды, положение лежа и т. д. ). Расход энергии в этих условиях составляет 4, 2 к. Дж в час на 1 кг массы тела. Величина основного обмена для каждого человека является относительно постоянной: n В 7 -8 лет ≈ 40 ккал n 9 -11 лет ≈ 38 ккал n 12 -14 лет ≈ 34 ккал n у взрослых ≈ 24 ккал

n n n Незначительное отклонение от этих условий приводит к изменению уровня обмена. Потребление белковой пищи повышает обмен на 2030%. Смешанная углеводно-жировая пища повышает обмен на 10 -15%. Повышение температуры тела на 1ºС – увеличение обмена в среднем на 5%.

Энерготраты при мышечной и умственной работе зависят от ее напряженности и продолжительности. При интенсивном беге энерготраты увеличиваются в 4 5 раз (энерготраты на пробег марафонской дистанции составляют 16000 -18000 к. Дж). При тяжелой физической работе величины энерготраты превышают уровень основного обмена в десятки раз.

Питанием называется процесс поступления в организм пищевых веществ, необходимых для пополнения энергетических затрат, построения и восстановления тканей тела. Режим питания: правильное питание определяется не только количеством и качеством принимаемой пищи, но и правильным режимом ее приема. В детском возрасте правильный режим питания укрепляет нервную систему ребенка, оберегает ее от нарушений, подготавливает деятельность пищеварительного тракта еще до приема пищи и этим содействует более полному ее использованию.

Литература: • Аршавский И. А. , Немец М. Г. О смене типов питания и пищеварения в онтогенезе // Успехи физи ол. наук. 1996. Т. 27. № 1. – С. 109 129. • Григорьев А. И. , Ларина И. М. Принципы обмена кальция //Успехи физиол. наук. 1992. Т. 23, № 3. – 24 52. • Лебедев Н. Н. Биоритмы пищеварительной системы. М. , 1987. • Мак Мюррей. Обмен веществ у человека. М. : Мир, 1980. • Марри Р. , Греннер Д. , Мейес П. , Родуэлл В. Биохимия человека. В 2 х томах М. : Мир, 1993. • Москалев Ю. И. Минеральный обмен. М. : Медицина, 1985. • Петровский К. С. Рациональное питание. М. : Медицина, 1996. • Петровский К. С. Гигиена питания. М. : Медицина, 1982. • Смоляр В. М. Рациональное питание. Киев: Наукова думка, 1991. • Теппермен Д. , Физиология обмена веществ и эндокринная система. М. : Мир, 1989. • Уголев А. М. Эволюция пищеварения и принципы эволюции функций: Элементы современного функционализма. – Л. : Наука, 1985. • Физиология питания / Л. Ф. Павлоцкая и др. М. : Высшая школа, 1989. • Хочачка Д. , Сомеро Дж. Биохимическая адаптация. М. : Мир, 1988. • Ольянская Р. П. Очерки по регуляции обмена веществ. – М. , Л. : Наука, 1964.