Текст книги "Биология. Человек. 8 класс"

Глава 9. Обмен веществ и энергии

Из этой главы вы узнаете

• об обмене веществ и энергии как основной функции организма;

• о превращении белков, жиров и углеводов в организме, о значении воды и минеральных солей;

• об энерготратах организма и энергетической ёмкости пищевых веществ;

• о правилах рационального питания и значении витаминов.

Вы научитесь

• составлять пищевые рационы в зависимости от энергетических трат;

• проводить функциональные пробы с задержкой дыхания до и после нагрузки, позволяющие определить особенности энергетического обмена при выполнении работы.

§ 36. Обмен веществ и энергии – основное свойство всех живых существ

1. Что такое обмен веществ?

2. Где происходит пластический и энергетический обмен?

3. Какова роль белков, жиров и углеводов в обмене веществ и энергии?

4. Почему для организма человека необходимы вода, макро– и микроэлементы?

Обмен веществ и энергии как основная функция организма. Во всех живых организмах, от самых примитивных до самых сложных, в том числе человека, главным условием жизни является обмен веществ и энергии с окружающей средой. Благодаря ему каждый организм не только поддерживает своё существование, но развивается и растёт. Обмен веществ определяет цикличность жизни: рождение, рост и развитие, старение и смерть.

В каждой клетке непрерывно происходят процессы, которые обеспечивают жизнедеятельность самой клетки и организма в целом. Синтезируются сложные соединения: из простых Сахаров образуются полисахариды, из аминокислот – белки, из нуклеотидов – нуклеиновые кислоты. Клетки растут, образуют новые органоиды и делятся, из клетки и в клетку транспортируются различные вещества. По нервным волокнам передаются электрические импульсы, сокращаются мышцы – на все процессы, протекающие в организме, требуется энергия. Эта энергия образуется при расщеплении органических веществ. Совокупность реакций расщепления высокомолекулярных соединений, которые сопровождаются выделением и запасанием энергии, называют энергетическим обменом или диссимиляцией. В основном энергия запасается в виде универсального энергоёмкого соединения – АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты), основной синтез которого происходит в митохондриях.

Совокупность всех процессов биосинтеза, протекающих в живых организмах, называют пластическим обменом или ассимиляцией. Пластический обмен всегда сопровождается поглощением энергии.

Запас органических веществ, которые организм расходует для получения энергии, должен постоянно пополняться. Кроме того, органические вещества необходимы в качестве расходного материала для построения новых органоидов, обновления клеток. В течение суток у взрослого человека заменяется около 5 % клеток кожи, почти половина всех клеток слизистого эпителия желудочно-кишечного тракта. Человек, как и все остальные животные, не может сам образовывать органические вещества из неорганических. Такой способностью обладают лишь зелёные растения и некоторые бактерии. Поэтому необходимые ему органические вещества человек получает из пищи.

Но чтобы эти соединения могли включиться в обмен, они должны быть расщеплены на элементарные части. Этот процесс осуществляется, как вы уже знаете, в системе органов пищеварения.

Не использованные в результате превращения веществ остатки, а также некоторые продукты метаболизма (углекислый газ, соединения фосфора, натрия, хлора и других элементов) выводятся из организма.

Реакции энергетического и пластического обмена находятся в неразрывной связи, образуя в совокупности единый процесс – обмен веществ и энергии, или метаболизм.

Обмен веществ – это совокупность всех химических процессов, происходящих в организме и обеспечивающих его развитие, жизнедеятельность, самовоспроизведение и связь с окружающей средой.

Все реакции обмена веществ регулируются эндокринной системой и вегетативной нервной системой человека, то есть обмен веществ находится под единой нейрогуморальной регуляцией.

Обмен белков. Пищевые белки в ходе подготовительной стадии обмена расщепляются сначала в желудке пепсином, а затем в двенадцатиперстной кишке ферментом поджелудочной железы трипсином до аминокислот. Аминокислоты через кровеносные капилляры ворсинок поступают в печень. Здесь избыточные аминокислоты теряют свой азот и превращаются в жиры и углеводы. В клетках из аминокислот строятся белки тела.

Белки входят в состав ядер, цитоплазмы и мембран клеток. Они являются ферментами, входят в состав антител. Белки принимают участие в свёртывании крови (фибриноген) и в транспортировке газов (гемоглобин), входят в состав межклеточного вещества соединительных тканей. При нехватке пищи в организме начинается распад белков до конечных продуктов. При этом выделяется энергия, которая может быть использована организмом. Таким образом, белки в организме выполняют структурно-пластическую, опорную, каталитическую, защитную, транспортную и энергетическую функции.

Обмен жиров. В органах пищеварения во время подготовительной стадии обмена жиры распадаются на глицерин и жирные кислоты. В эпителии кишечника синтезируется жир, характерный для организма, и через лимфатическую систему направляется в жировые депо и клетки, где он используется как запасное вещество и строительный материал.

Жиры в организме выполняют много функций. Они входят в состав клеточных мембран, в них растворяются некоторые витамины. Из жиров образуются некоторые гормоны и биологически активные вещества. Их производные участвуют в работе синапсов – особых образований, через которые передаются возбуждающие или тормозящие сигналы от одной нервной клетки к другой или от нервной клетки к исполнительному органу.

В организме человека жиры выполняют защитную роль, предохраняя внутренние органы от сотрясений. Жиры – хорошие теплоизоляторы. Выделяемые кожными сальными железами жиры делают кожу мягкой, эластичной и водонепроницаемой. Жиры являются богатым источником энергии. При окислении они выделяют больше энергии, чем белки и углеводы, вместе взятые. При распаде жиров не только выделяется много энергии, но и образуется много воды, что необходимо для поддержания водного обмена.

Итак, жиры выполняют структурно-пластическую, регуляторную, теплоизоляционную и энергетическую функции.

Обмен углеводов. Сложные углеводы начинают распадаться в ротовой полости под действием фермента слюны – амилазы. В двенадцатиперстной кишке под действием ферментов, выделяемых поджелудочной железой, они расщепляются до глюкозы и других простых углеводов. В тонкой кишке продукты распада всасываются кишечными ворсинками в кровь и направляются в печень. Здесь излишки Сахаров задерживаются и превращаются в гликоген и другие соединения, а оставшаяся часть глюкозы в необходимом количестве распределяется между клетками тела.

В организме глюкоза прежде всего является источником энергии. В частности, нервные клетки в качестве источника энергии могут использовать только глюкозу. Распадаясь на углекислый газ и воду, она освобождает энергию молекулярных связей, которая используется для синтеза энергетически ёмкого соединения – АТФ.

Углеводы рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот, которые участвуют в передаче наследственной информации. Межклеточное вещество ряда соединительных тканей содержит и углеводы. Большое значение они имеют и в защите организма от некоторых ядовитых веществ. Углеводы взаимодействуют в печени со многими токсичными соединениями, переводя их в безвредные и легко растворимые вещества. Итак, углеводы выполняют структурно-пластическую и защитную функции, а также используются в качестве источника энергии.

Обмен воды в организме. Вода – универсальный растворитель. Все жизненные процессы, все биохимические реакции происходят в водной среде. Внутренняя среда человека содержит до 90 % воды. Вода в организме либо химически связана с другими соединениями, либо содержит в себе растворённые минеральные соли и органические вещества.

Пищеварительные соки содержат воду. Транспорт питательных веществ и кислорода осуществляется в жидкой среде. Продукты распада тоже выносятся водой. Таким образом, в организме поддерживается определённый баланс между поступающей и выделяемой водой. В среднем человек потребляет и выделяет около 1,7–2,2 л воды ежедневно. Выделение воды происходит не только через почки, но также путём потоотделения и при дыхании.

Сохранение водно-солевого равновесия очень важно для организма. Если концентрация солей в крови и тканевой жидкости станет больше нормальной, вода будет выходить из клеток и они могут погибнуть от обезвоживания. Если концентрация солей в тканевой жидкости и крови будет меньше, чем в клетках, вода будет поступать в клетки. Они начнут разбухать, их нормальная работа будет нарушена.

Обмен минеральных солей. Ни вода, ни минеральные соли не являются источниками энергии, но они необходимы для осуществления важных функций организма. Минеральные соли содержатся в клеточных ядрах и цитоплазме, в жидкостях, образующих внутреннюю среду, в пищеварительных соках и других биологических жидкостях. Многие важные процессы жизнедеятельности, например возбуждение нервных клеток, сокращение мышечных волокон, осуществляются с участием определённых ионов.

В зависимости от величины потребностей организма в минеральных солях входящие в них элементы подразделяют на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы. К макроэлементам относят серу, железо, магний, кальций, калий, натрий, фосфор, хлор. На 100 г тканей приходятся десятки и сотни миллиграммов макроэлементов. Микроэлементов значительно меньше: в среднем в 100 г ткани могут быть обнаружены десятые, сотые, а то и тысячные доли миллиграммов этих веществ. К микроэлементам относятся кобальт, цинк, фтор, иод и другие элементы.

Ультрамикроэлементы содержатся в организме в следовых, то есть ничтожно малых, концентрациях. К ним относят золото, серебро и некоторые другие элементы. Значение этих компонентов в живых организмах пока окончательно не изучено.

Минеральные соли также необходимы для поддержания кислотно-щелочного равновесия в клетках тела и во внутренней среде организма.

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ: ПЛАСТИЧЕСКИЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН, ОБМЕН БЕЛКОВ, ОБМЕН ЖИРОВ, ОБМЕН УГЛЕВОДОВ, ОБМЕН ВОДЫ, ОБМЕН МИНЕРАЛЬНЫХ СОЛЕЙ, МАКРОЭЛЕМЕНТЫ, МИКРОЭЛЕМЕНТЫ, УЛЬТРАМИКРОЭЛЕМЕНТЫ.

Вопросы

1. Почему обмен веществ и энергии считают основным свойством живой природы?

2. Что происходит в процессе пластического и энергетического обмена?

3. Какие функции в организме выполняют белки?

4. Какую роль играют жиры?

5. Каковы функции углеводов?

6. Как в организме происходит обмен белков, жиров и углеводов?

7. Какие функции выполняет в организме вода?

8. Почему концентрация солей во внутренней среде организма и клетках должна поддерживаться на определённом уровне?

9. Какие элементы относятся к макроэлементам, а какие – к микроэлементам?

Задания

1. Объясните, почему каждому человеку необходимо знать свой уровень сахара в крови.

2. Изобразите схематично взаимосвязь пластического и энергетического обмена.

§ 37. Витамины

1. Почему витамины необходимы организму?

2. Какие витамины относят к водорастворимым, а какие – к жирорастворимым?

3. Как сохранить витамины при кулинарной обработке пищи?

Роль витаминов в обмене веществ. Витаминами называют биологически активные органические вещества относительно простого строения и разнообразной химической природы, которые необходимы для регуляции обмена веществ и нормального течения процессов жизнедеятельности (рис. 105). Витамины не являются для организма источником энергии или материалом для биосинтеза, однако без них жизнь человека невозможна. Входя в состав фермента или выполняя регуляторную функцию, витамины влияют на рост, развитие и обмен веществ организма.

Рис. 105. Содержание витаминов D, А, В, С в пищевых продуктах

За редким исключением, витамины не вырабатываются в организме человека, а синтезируются растениями и животными, которые служат ему пищей.

При недостатке того или иного витамина активность соответствующего фермента снижается. Соответственно реакции, которые он катализирует, замедляются или прекращаются полностью. Вследствие этого обмен веществ нарушается, и развивается определённое заболевание. Действие витаминов специфично, нельзя вместо недостающего витамина употреблять другой. Нарушения обмена веществ, возникающие при недостатке витаминов, называют гиповитаминозами, а при полном их отсутствии – авитаминозами. В некоторых случаях гиповитаминозы развиваются, если при достаточном содержании витаминов в пище органы пищеварения их плохо усваивают.

Для нормальной жизнедеятельности человеку нужно около 20 витаминов. Их обозначают буквами латинского алфавита: А, В, С, D и т. д. Некоторые из них образуют целые группы, например витамины группы В. Для того чтобы было понятно, о каком конкретно витамине идёт речь, внизу справа ставят цифру, например витамин В₁, В₁₂. Все витамины делят на две большие группы: водорастворимые и жирорастворимые.

Водорастворимые витамины. Наиболее известен из этой группы витамин С (аскорбиновая кислота). Многие его любят за приятный вкус, но не все знают, насколько он важен для здоровья.

Витамин С входит в состав многих ферментов, в частности тех, которые участвуют в синтезе белков соединительной ткани, а также антител. Он предохраняет от ненужного окисления клеточные мембраны и другие важные органоиды клетки.

При отсутствии витамина С в пище развивается тяжёлый авитаминоз – цинга. При этом человек слабеет, его устойчивость к инфекциям и неблагоприятным факторам окружающей среды снижается, дёсны кровоточат, зубы начинают шататься и выпадают. При длительном отсутствии витамина С человек погибает. Многие морские экспедиции в своё время оказались неудачными именно потому, что у моряков во время плавания не было в рационе свежих овощей и фруктов, в которых этот витамин содержится в большом количестве.

Витамина С особенно много в плодах шиповника и чёрной смородины, в лимонах, капусте (в том числе квашеной), сладком перце, яблоках, облепихе, петрушке, укропе и черемше. Ежедневно человеку необходимо получать с пищей 50–100 мг витамина С. Во время инфекционных заболеваний эту дозу следует увеличивать в 3–5 раз, так как витамин С участвует в работе ферментов, способствующих образованию антител.

Водорастворимыми являются и витамины группы В, которая насчитывает свыше 15 витаминов (номера им давали по порядку открытия). Витамин В₁ участвует в работе окислительных ферментов. Из-за недостатка витамина В₁ в нервной и мышечной тканях происходит накопление ядовитых соединений. Это ведёт к развитию болезни бери-бери, которая сопровождается параличами и судорогами. Возникает также сердечная недостаточность, мышечная слабость, отёки.

В₁ – первый из витаминов группы В, ставший известным науке. Он содержится в различных продуктах, но особенно много его в оболочках зёрен злаковых растений, в таких продуктах, как чёрный и белый хлеб из муки грубого помола, зелёный горошек, гречневая и овсяная крупы.

Ранними признаками В₁-гиповитаминоза являются повышенная возбудимость, раздражительность, нарушение сна, снижение памяти, внимания, работоспособности.

Витамин В₂ необходим для нормального зрения, роста и развития, он участвует в кроветворении и синтезе АТФ. При недостатке в пище витамина В₂ воспаляется слизистая оболочка ротовой полости, появляются трещинки в углах рта, нарушается зрение, воспаляются белки глаз и внутренняя поверхность век. Кроме того, появляется малокровие, поскольку витамин В₂ участвует в процессах кроветворения. Витамин В₂ содержится в молоке, сыре и других молочных продуктах, яйцах, печени, почках, гречневой крупе. Эти продукты лучше держать в темноте, так как ультрафиолетовые лучи разрушают витамин В₂.

Витамин В₁₂. До его открытия не было эффективных способов лечения малокровия – тяжёлой болезни, быстро приводившей к смерти. Выяснилось, что при дефиците витамина В₁₂ не образуются ферменты, ответственные за созревание клеток крови в костном мозге. Витамин В₁₂ содержится исключительно в продуктах животного происхождения – печени, яичных желтках, в кисломолочных продуктах. В состав витамина В₁₂ входит микроэлемент кобальт. Потребность в этом витамине не превышает 0,2 мг в день.

Жирорастворимые витамины. Среди жирорастворимых витаминов большое значение имеет витамин А. Он необходим для нормального роста эпителиальных тканей. Кроме того, этот витамин участвует в работе ферментов при образовании зрительного пигмента родопсина, благодаря которому возможно зрение в сумерках. При недостатке в пище витамина А снижается устойчивость эпителиальных тканей к раздражающим факторам, происходит изъязвление кожи и слизистых оболочек, возникает «куриная слепота» – нарушение сумеречного зрения, то есть неспособность видеть в слабоосвещённом помещении.

Содержится витамин А в продуктах животного происхождения: печени, сливочном масле, сырах. В растениях этого витамина нет, но есть вещество, из которого организм может его синтезировать. Это жёлтый пигмент каротин. Он содержится в моркови и красном перце, абрикосах, тыкве, в других овощах и фруктах оранжево-красного цвета.

Каротин лучше усваивается после варки овощей. Он превращается в витамин А в тонких кишках и в печени. Суточная потребность в витамине А около 1 мг. Следует учитывать, что без жиров каротин плохо всасывается. Поэтому овощи, содержащие каротин, лучше потреблять в виде салатов, сдобренных растительным маслом.

Витамин D необходим для нормального развития костей. При его недостатке развивается рахит: кости теряют прочность и искривляются, снижается тонус мышц, организм становится менее устойчивым к инфекционным заболеваниям. Особенно страдают от рахита грудные дети, но рахит может встречаться и в другие возрастные периоды. Эти нарушения обмена веществ происходят потому, что без витамина D не функционируют ферменты, способствующие всасыванию кальция из кишечника в кровь и поступлению его из крови в кости. При этом нарушается и обмен фосфора. В результате этого кости более подвержены искривлению, например, ноги под тяжестью тела становятся либо О-образными, либо Х-образными.

Большое количество витамина D содержится в рыбьем жире, печени, яичном желтке. Витамин D – один из немногих витаминов, способных синтезироваться в организме. Он образуется в коже под влиянием ультрафиолетовой части солнечного спектра, и потому недостаток солнечного света также способствует развитию рахита. Для предупреждения и лечения рахита детей облучают кварцевой лампой, а также в рацион включают продукты, богатые витамином D.

Витамин Е необходим для нормального функционирования органов размножения. Он также принимает участие в процессах роста и развития организма. Содержится он, как и витамины А и D, в яичном желтке, печени, рыбьем жире.

Рациональное использование витаминов. При тепловой обработке пищи часть содержащихся в ней витаминов разрушается, особенно витамины группы В и С. Их разрушает не только высокая температура, но и соприкосновение с металлом. Кроме того, витамин С легко окисляется кислородом воздуха. Потеря витаминов происходит и при длительном хранении заранее приготовленной пищи. В течение всего года следует по возможности разнообразить рацион за счёт свежей зелени – салата, укропа, петрушки. При использовании препаратов витаминов необходимо руководствоваться указанными суточными дозами, так как многие из витаминов при неумеренном потреблении вредны.

АВИТАМИНОЗ, ГИПОВИТАМИНОЗ, ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ: В₁, В₂, В₁₂, С, ЖИРОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ: A, D, Е.

Вопросы

1. Какое значение в организме имеют витамины?

2. Могут ли витамины синтезироваться в организме?

3. Можно ли заменить недостаток одного витамина избытком другого?

4. На какие две группы делят витамины в зависимости от их растворимости?

5. Поясните разницу в понятиях «гиповитаминоз» и «авитаминоз».

6. Как проявляется цинга? С чем она связана? Почему раньше ею часто болели мореплаватели?

7. В каких продуктах находятся витамины группы В? Каково их значение?

Задания

1. Объясните, почему нарушения сумеречного зрения называют «куриной слепотой».

2. Как уберечь детей от заболевания рахитом? Предложите список мер, которые позволят обеспечить нормальное развитие костной ткани.

3. Нарушения обмена веществ, возникающие при недостатке определённого витамина, называют гиповитаминозом. Предположите, как называют нарушения, развивающиеся при избыточном потреблении витамина.

4. Выберите основные критерии, характеризующие витамины. Составьте и заполните таблицу, обобщив в ней сведения об этой группе органических соединений.