Для обеспечения всех своих потребностей живой организм использует энергию какую
Обновлено: 02.07.2024
Для нормального функционирования, поддержания процессов жизнеобеспечения, выполнения определенных функций организму необходима энергия. Течение любого процесса: физического, химического или информационного, возможно только при эффективной работе систем энергообеспечения.
Как уже говорилось ранее в разделе 1.1.2, естественно протекающие в природе процессы сопровождаются увеличением энтропии, то есть беспорядка. Живая же система (клетка или организм в целом) служит примером области пространства, ограниченной ее мембраной, где в течение длительного периода жизни, в результате целенаправленной созидательной деятельности энтропия не повышается.
Попробуем ориентировочно оценить, сколько энергии заключено в клетке. Если допустить, что у человека с массой тела 80 кг клеточная масса достигает 80%, и его организм состоит из 10 14 клеток, то средняя масса 1 клетки составит:
(80 · 0,8) ÷ 10 14 = 64 · 10 -14 кг
Если теперь воспользоваться формулой Эйнштейна E0 = mC 2 для определения собственной энергии покоящегося тела, то можно подсчитать, что энергия клетки равна:
E0 =(64 · 10 -14 ) · (3 · 10 8 ) 2 = 5,76 · 10 4 Дж
Чтобы представить масштабы этой энергии, можно напомнить, что при сгорании 1 кг каменного угля выделяется 27·10 6 Дж. То есть в клетке заключена энергия, эквивалентная энергии, выделяемой при сгорании 2 г угля.
Описывая энергетические процессы, мы прежде всего должны коснуться химической энергии, заключенной во внутриклеточных соединениях. В каждом химическом соединении состоящем из определенного числа атомов, заключено некоторое количество энергии, определяемое его структурой. В химической реакции структура соединений изменяется, и при расщеплении связей высвобождается энергия, которая была в свое время затрачена на их образование. Совокупность окислительно-восстановительных реакций в клетке, протекающих с участием молекулярного кислорода и сопровождающихся запасанием энергии, называется клеточным дыханием. Клеточное дыхание является важнейшей частью обмена веществ и энергии в организме и отличается от других химических процессов, протекающих с поглощением кислорода (например окисление жиров), созданием запаса энергии в виде АТФ.
В живой клетке основными источниками энергии служат вещества, поступающие из окружающей среды, – углеводы (сахара), белки, жиры, расщепленные в процессе пищеварения до более простых соединений. Эти соединения вступают в реакцию с кислородом и окисляются до воды и углекислого газа. При этом высвобождается энергия. Типичное количество высвобождающейся энергии составляет 20 000 Дж на 1 г углеводов. Почти вдвое больше химической энергии на 1 г запасено в жире животных.
Клетка извлекает энергию из питательных веществ и запасает ее для своей жизнедеятельности, а также выполнения специальных функций.
Вот почему нам необходимо потреблять вещества, обладающие высоким качеством энергии. В процессе их расщепления, высвобождается энергия, необходимая клеткам для жизнедеятельности и выполнения специальных функций. На Земле высокое качество энергии в веществах, которые мы потребляем, первоначально обусловлено Солнцем, температура которого столь высока, что запасается энергия, характеризующаяся очень низкой энтропией. Природа устроила так, что эта энергия, проливающаяся в виде излучения, сначала поглощается растениями в процессе фотосинтеза, и затем процесс передачи и преобразования энергии продолжается в организмах животных.
Применительно к химической реакции можно сказать, что она будет протекать только тогда, когда энергия, заключенная в продуктах реакции меньше, чем в исходных вещества. Но это не означает, что если в ходе реакции энергия высвобождается, то она обязательно произойдет. Многие потенциально энергетически выгодные реакции в природе не происходят, на их пути стоит некий барьер. Иначе бы все вещества, способные вступать в реакции, сразу бы в них вступили. Например, превращение глюкозы в воду и углекислый газ (то есть горение) – энергетически очень выгодный процесс:
однако сахар на воздухе вполне устойчив. Что же это за барьер, не дающий исчезнуть в пламени всем горючим материалам на Земле?
Представьте, что по наклонной плоскости катится мяч. Даже не зная законов физики, можно утверждать, что он будет катиться, пока сохраняется наклон. Теперь допустим, что на его пути оказалась лунка, мяч закатился в нее и застрял там. Он готов катиться дальше, но, чтобы продолжить движение, ему надо сообщить дополнительную энергию, причем тем большую, чем глубже лунка. Так и в химических, в том числе протекающих в живых организмах (биохимических), реакциях. Исходное соединение – это, образно говоря, “мяч в лунке”, пока не сообщишь ему определенную энергию, в реакцию оно не вступит, даже если эта реакция энергетически выгодна. Энергия, которую надо дополнительно сообщить химической системе, чтобы “запустить” реакцию, называется энергией активации для данной реакции и служит своего рода энергетическим гребнем, который надо преодолеть. В некатализируемых реакциях источником энергии активации служат столкновения между молекулами. Если соударяемые молекулы должным образом сориентированы, и столкновение достаточно сильное, есть шанс, что они вступят в реакцию. Понятно, почему химики для ускорения реакций нагревают колбы: при повышении температуры скорость теплового движения и частота соударений возрастают. Но в условиях человеческого тела клетку не нагреешь, для нее это недопустимо. А реакции идут, при этом со скоростями, недостижимыми при проведении их в пробирке. Здесь работает еще одно изобретение природы – ферменты, о которых мы упоминали ранее.
Как уже говорилось, при химических превращениях самопроизвольно могут протекать те реакции, в которых энергия, заключенная в продуктах реакции меньше, чем в исходных веществах. Для остальных реакций необходим приток энергии извне. Самопроизвольную реакцию можно сравнить с падающим грузом. Первоначально покоящийся груз стремится падать вниз, понижая тем самым свою потенциальную энергию. Так и реакция, будучи инициирована, стремится протекать в сторону образования веществ с меньшим запасом энергии. Такой процесс, в ходе которого может совершаться работа, называют спонтанным. Но если определенным образом соединить два груза, то более тяжелый, падая, будет поднимать более легкий. И в химических, в особенности в биохимических, процессах реакция, протекающая с выделением энергии, может вызвать протекание связанной с ней реакции, требующей притока энергии извне. Такие реакции называют сопряженными. В живых организмах сопряженные реакции очень распространены, и именно их протекание обусловливает все тончайшие явления, сопутствующие жизни и сознанию. Падающий “тяжелый груз” вызывает поднятие другого, более легкого, но на меньшую величину. Питаясь, мы поглощаем вещества с высоким качеством энергии, обусловленным Солнцем, которые затем в организме распадаются и, в конечном счете, выделяются из него, но при этом успевают высвободить энергию в количестве, достаточном для обеспечения процесса, называемого жизнью.
В клетке основным энергетическим посредником, то есть “ведущим колесом” жизни, является аденозинтрифосфат (АТФ). Чем интересно это соединение? С биохимической точки зрения АТФ – молекула средних размеров, способная присоединять или “сбрасывать” концевые фосфатные группы, в которых атом фосфора окружен атомами кислорода. Образование АТФ происходит из аденозиндифосфата (АДФ) за счет энергии, высвобождающейся при биологическом окислении глюкозы. С другой стороны, разрыв фосфатной связи в АТФ приводит к высвобождению большого количества энергии. Такую связь называют высокоэнергетической или макроэргической. Молекула АТФ содержит две таких связи, при гидролизе которых высвобождается энергия, эквивалентная 12-14 ккал.
Неизвестно, почему природа в процессе эволюции “выбрала” АТФ энергетической валютой клетки, но можно предположить несколько причин. Термодинамически эта молекула достаточно нестабильна, о чем свидетельствует большое количество энергии, выделяющейся при ее гидролизе. Но в то же время скорость ферментативного гидролиза АТФ в нормальных условиях очень мала, то есть молекула АТФ обладает высокой химической стабильностью, обеспечивая эффективное запасание энергии. Малые размеры молекулы АТФ позволяют легко диффундировать в разные участки клетки, где необходим подвод энергии для выполнения какой-либо работы. И, наконец, АТФ занимает промежуточное положение в шкале высокоэнергетических соединений, что придает ему универсальность, позволяя переносить энергию от более высокоэнергетических соединений к низкоэнергетическим.
Таким образом АТФ – это основная универсальная форма сохранения клеточной энергии, топливо клетки, доступное для использования в любой момент. А основным поставщиком энергии в клетку, как мы уже упоминали, служит глюкоза, получаемая при расщеплении углеводов. “Сгорая” в организме, глюкоза образует двуокись углерода и воду, и этот процесс обеспечивает реакции клеточного дыхания и пищеварения. Слово “сгорает” в данном случае образ, пламени внутри организма не возникает, а энергия извлекается многоступенчато химическими способами.
На первом этапе, протекающем в цитоплазме без участия кислорода, молекула глюкозы распадается на два фрагмента (две молекулы пировиноградной кислоты), и эта стадия называется гликолизом. При этом высвобождается 50 ккал/моль энергии (то есть 7% энергии, заключенной в глюкозе), часть которой рассеивается в виде тепла, а другая расходуется на образование двух молекул АТФ.
Последующее извлечение энергии из глюкозы происходит главным образом в митохондриях – силовых станциях клетки, работу которых можно сравнить с гальваническими элементами. Здесь на каждой стадии отщепляется электрон и ион водорода, и в конечном счете глюкоза разлагается до двуокиси углерода и воды. В митохондрии электроны и ионы водорода вводятся в единую цепь окислительно-восстановительных ферментов (дыхательная цепь), передаваясь от посредника к посреднику, пока они не соединятся с кислородом. И на этом этапе для окисления используется не кислород воздуха, а кислород воды и уксусной кислоты. Кислород воздуха является последним акцептором водорода, завершая весь процесс клеточного дыхания, именно поэтому он так необходим для жизни. Как известно, взаимодействие газообразного кислорода и водорода сопровождается взрывом (мгновенным выделением большого количества энергии). В живых организмах этого не происходит, так как газообразного водорода не образуется, и к моменту связывания с кислородом воздуха запас свободной энергии уменьшается настолько, что реакция образования воды протекает совершенно спокойно (смотри рисунок 1.4.11).
Глюкоза является основным, но не единственным субстратом для выработки энергии в клетке. Вместе с углеводами в наш организм с пищей поступают жиры, белки и другие вещества, которые после расщепления также могут служить источниками энергии, превращаясь в вещества, включающиеся в биохимические реакции, протекающие в клетке.
Фундаментальные исследования в области теории информации привели к появлению понятия информационной энергии (или энергии информационного воздействия), как разности между определенностью и неопределенностью. Здесь же хотелось бы отметить, что клетка потребляет и тратит информационную энергию на ликвидацию неопределенности в каждый момент своего жизненного цикла. Это приводит к реализации жизненного цикла без увеличения энтропии.
Нарушение процессов энергетического обмена под влиянием различных воздействий приводит к сбоям на отдельных стадиях и вследствие этих сбоев к нарушению подсистемы жизнедеятельности клетки и всего организма в целом. Если количество и распространенность этих нарушений превышают компенсаторные возможности гомеостатических механизмов в организме, то система выходит из под управления, клетки перестают работать синхронно. На уровне организма это проявляется в виде различных патологических состояний.
Так, недостаток витамина B1, участвующего в работе некоторых ферментов, приводит к блокированию окисления пировиноградной кислоты, избыток гормонов щитовидной железы нарушает синтез АТФ и т.д. Смертельные исходы при инфаркте миокарда, отравлении угарным газом или цианистым калием также связаны с блокированием процесса клеточного дыхания путем ингибирования или разобщения последовательных реакций. Через подобные механизмы опосредованно и действие многих бактериальных токсинов.
Таким образом, функционирование клетки, ткани, органа, системы органов или организма как системы поддерживается саморегуляторными механизмами, оптимальное течение которых, в свою очередь, обеспечивается биофизическими, биохимическими, энергетическими и информационными процессами.
Каждый живой организм на планете, чтобы поддерживать основные функции жизнедеятельности нуждается в определенных потребностях. Количество, способ получения, форма или тип этих потребностей индивидуальны для каждого организма.
Например, вода является неотъемлемой частью выживания живых существ. Но, количество воды необходимое для поддержания жизни лягушки отличается от потребностей в воде у кактуса – растения пустыни.
Ниже перечислены пять основных потребностей живых организмов без которых не возможна жизнь на Земле:
Солнечный свет
Это, вероятно, самая важная потребность для всех живых существ, так как солнце является источником энергии, тепла и света. Количество солнечного света определяет возможность выживания того или иного организма.
Например, верхняя часть моря или океана получает много солнечного света, поэтому она теплее дна океана, которое имеет ограниченное количество света или он вовсе отсутствует. Таким образом, живые организмы, предпочитающие поверхность воды, сильно отличаются от обитателей дна океанов.
Значение для растений
Различные растения требуют разное количество солнечного света. Например, папоротникам нужно меньше света, а одуванчикам – много прямых солнечных лучей.
Все растения используют солнечный свет для фотосинтеза. Они сохраняют питательные вещества и энергию в своих листьях, которые поступают к животным, питающимся этими растениями. Когда листья опадают, редуценты (бактерии и грибы) превращают их в органические соединения.
Значение для животных
Солнечный свет имеет жизненно важное значение для всех животных, хотя различные виды нуждаются в разном количестве солнечного света. Например: многие млекопитающие и рептилии (такие как змеи, черепахи и ящерицы) выходят в течение дня, чтобы погреться на солнышке, увеличить температуру тела и стать более активными. В то же время, такие животные, как летучие мыши, избегают прямых лучей и прячутся в тени, чтобы спастись от жары.
Однако, многим ночным животным тоже нужен солнечный свет. Во время ночной активности, они питаются организмами, которые накопили энергию солнца днем.
Вот еще один пример: Животные океанов зависят от органических соединений (мертвых растений и организмов), которые оседают на дне. Такие органические вещества содержат энергию, полученную от Солнца.
Количество солнечного света, влияет на миграцию птиц, цветение и опыление растений, а также поддерживает баланс экосистем.
Вода – необходимое условие существования всех живых существ на планете. Для многих видов микроорганизмов, животных и растений, вода служит естественной средой обитания, поддерживающей их существование.
Значение для растений
Растения нуждаются в достаточной гидратации для осуществления фотосинтеза. Они получают необходимую воду, из почвы через корни. Вода распространяет питательные вещества во все части растения и позволяет сохранять вертикальное положение. Если доступа к воде прекратится, растение завянет, а затем погибнет.
Некоторые растения, такие как водоросли поглощают углекислый газ, растворенный в воде.
Значение для животных
Животные также нуждаются в воде для обеспечения жизнедеятельность. Они регулярно пьют воду, чтобы гидратироваться и переваривать пищу. Некоторым рыбам необходима соленая вода, а другим – пресная. Большинство видов рыб, получают кислород из воды.
Для одних животных, вода является естественной средой обитания. Другим – как лягушки и черепахи – вода необходима, чтобы откладывать яйца и размножаться. Анаконды, наряду со многими рептилиями обитают в воде. Свежая вода часто несет растворенные питательные вещества, от которых зависят многие живые организмы.
Воздух
Земля окружена воздухом, смесью чрезвычайно важных газов, таких как кислород, углекислый газ и азот. Эти газы позволяют животным дышать, а также обеспечивают зеленые растения диоксидом углерода, который участвует в фотосинтезе.
Значение для растений
Растения поглощают углекислый газ (вместе с солнечным светом и водой), вырабатывают энергию и выделяют кислород в качестве побочного продукта, через очень крошечные поры в листьях. Кислород является жизненно необходимым газом практически для всех животных.
Воздух также имеет важное значение для живых организмов почв, позволяя выживать и нормально функционировать под землей. Без аэрации почвы, растения не будут перерабатываться в органические вещества. Перемещение воздуха (ветер) помогает в опылении некоторых растений.
Значение для животных
Животным, включая человека, жизненно необходим кислород. Мы вдыхаем кислород и выдыхаем углекислый газ. Есть также воздушные карманы в почве и воде, которые помогают крошечным живым существам выжить под землей и в воде. Например, рыбы поглощают кислород из воды, используя жабры. Все животные адаптируются к поглощению кислорода с помощью специализированных органов или частей тела.
Пища (питательные вещества)
Нам нужна еда, чтобы расти, не так ли? Пища, которую мы едим, содержит питательные вещества, позволяющие оставаться здоровыми и сильными. Этот процесс схожий для каждого живого организма. Пища имеет много различных форм, а у растений и животных есть специальные органы или части тела, поглощают.
Значение для растений
Растения используют углеводы, жиры и белки, чтобы расти и поддерживать жизнедеятельность. Они производят их сами с помощью солнечного света, воды и углекислого газа. Полученные питательные вещества сохраняются в растениях, а затем передаются животным, которые ними питаются.
Когда растения погибают и начинают перегнивать, питательные вещества, содержащиеся в них, попадают в почву, а корни растений их поглощают. К таким веществам относятся: соли, калий, минералы, крахмал, фосфаты и азотные кислоты.
Значение для животных
Животные также нуждаются в пище или питательных веществах, чтобы выживать. Многие из них, получают питательные вещества из растений.
Более крупные животные едят более мелких. Водные представители (такие как рыбы), питаются мелкими насекомыми, червями и планктоном.
Некоторые организмы (как грибы), получают пищу в виде органических веществ (когда-то живых организмов). Все они содержат конкретные питательные вещества, так необходимые тому или иному виду животных.
Среда обитания (температура)
Каждый живой организм нуждается в доме, приюте или естественной среде обитания, обеспечивающей безопасность, идеальную температуру и основные потребности, необходимые для выживания.
Одной из важных функций дома (среды обитания или окружающей среды) каждого организма является обеспечение идеальной температуры, в которой организм может нормально существовать.
Изобретения помогают поддерживать людям нормальную температуру тела или помещения, если становится слишком холодно или жарко. Но, остальные живые организмы полностью зависят от условий окружающей среды. Если для растений становится слишком жарко или холодно, они могут погибнуть.
Это же касается и животных. Идеальная температура очень важна. Экстремальные изменения климата могут уничтожить целую экосистему. Температура окружающей среды зависит от воды, воздуха, почвы и солнечного света.
На всей планете, температура разная. В некоторых местах, таких, как северный и южный полюса очень холодно (до -88 ° C ). Другие регионы, особенно тропические, имеют высокую температуру (приблизительно до 50 ° C). Животные, которые приспособлены к низким температурам не могут выжить в жарких условиях.
Значение для растений
В некоторых местах слишком холодно для жизни растений. К ним относятся: высокие горные вершины и ледники.
Значение для животных
Животные, такие как белые медведи и пингвины приспособлены жить только в очень холодном климате. Они не выживут, если попадут в горячий, сухой, тропический климат.
Метаболическая и ферментативная активность животных требует правильной температуры окружающей среды, в противном случае, такие процессы замедляются и оказывают негативное влияние на живой организм.
Ручьевая форель – предпочитает температуру воды от 4 ° C до 20 ° C и откладывает яйца, когда температура воды ниже 13 ° C.
Некоторые рыбы живут только в мелководных теплых водах тропических морей, где подходящая температура поддерживается круглый год.
Каждая потребность является чрезвычайно важной для всех живых организмов планеты, и потеря или ухудшение одной из них, влечет за собой отрицательные последствия.
Метаболизм – обмен веществ и энергии - представляет собой по классическим определениям, с одной стороны, обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой, а, с другой стороны, совокупность процессов превращения веществ и трансформации энергии, происходящих непосредственно в самих живых организмах. Как известно, обмен веществ и энергии является основой жизнедеятельности организмов и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи. В обмене веществ, контролируемом многоуровневыми регуляторными системами, участвует множество ферментных каскадов, обеспечивающих совокупность химических реакций, упорядоченных во времени и пространстве. Данные биохимические реакции, детерминированные генетически, протекают последовательно в строго определенных участках клеток, что, в свою очередь обеспечивается принципом компартментации клетки. В конечном итоге в процессе обмена поступившие в организм вещества превращаются в собственные специфические вещества тканей и в конечные продукты, выводящиеся из организма. В процессе любых биохимических трансформаций освобождается и поглощается энергия.
Клеточный метаболизм выполняет четыре основные специфические функции, а именно: извлечение энергии из окружающей среды и преобразование ее в энергию макроэргических (высокоэнергетических) химических соединений в количестве, достаточном для обеспечения всех энергетических потребностей клетки; образование из экзогенных веществ промежуточных соединений, являющихся предшественниками высокомолекулярных компонентов клетки; синтез из этих предшественников белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и других клеточных компонентов; синтез и разрушение специальных биомолекул, образование и распад которых связаны с выполнением специфических функций данной клетки.
Поскольку первоначальные представления об обмене веществ возникли в связи с изучением процессов обмена между организмом и внешней средой и лишь впоследствии эти представления расширились до понимания путей трансформации веществ и энергии внутри организма, до настоящего времени принято выделять соответственно внешний, или общий, обмен веществ и внутренний или промежуточный, обмен веществ. В свою очередь как во внутреннем, так и во внешнем обмене веществ различают структурный (пластический) и энергетический обмен. Под структурным обменом понимают взаимные превращения различных высоко- и низкомолекулярных соединений в организме, а также их перенос (транспорт) внутри организма и между организмом и внешней средой. Под энергетическим обменом понимают высвобождение энергии химических связей молекул, образующейся в ходе реакций и ее превращение в тепло (большая часть), а также использование энергии на синтез новых молекул, активный транспорт, мышечную работу (меньшая часть). В процессе обмена веществ часть конечных продуктов химических реакций выводится во внешнюю среду, другая часть используется организмом. В этом случае конечные продукты органического обмена накапливаются или расходуются в зависимости от условий существования организма, называясь запасными или резервными веществами.
Как указывалось выше совокупность химических превращений веществ, которые происходят непосредственно в организме, начиная с момента их поступления в кровь и до момента выделения конечных продуктов обмена из организма, называют промежуточным обменом (промежуточным метаболизмом). Промежуточный обмен может быть разделен на два процесса: катаболизм (диссимиляция) и анаболизм (ассимиляция). Катаболизмом называют ферментативное расщепление крупных органических молекул, осуществляемое у всех высших организмов, как правило, окислительным путем. Катаболизм сопровождается освобождением энергии, заключенной в химических связях органических молекул, и резервированием ее в форме энергии фосфатных связей молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Анаболизм, напротив, представляет собой ферментативный синтез крупномолекулярных клеточных компонентов, таких, как полисахариды, нуклеиновые кислоты, белки, липиды, а также некоторых их биосинтетических предшественников из более простых соединений. Анаболические процессы происходят с потреблением энергии. Процессы катаболизма и анаболизма происходят в клетках одновременно, неразрывно связаны друг с другом и являются обязательными компонентами одного общего процесса — метаболизма, в котором превращения веществ теснейшим образом переплетены с превращениями энергии. Катаболические и анаболические реакции различаются, как правило, локализацией в клетке. Например, окисление жирных кислот до углекислого газа и воды осуществляется с помощью набора митохондриальных ферментов, тогда как синтез жирных кислот катализирует другая система ферментов, находящихся в цитозоле. Именно благодаря разной локализации катаболические и анаболические процессы в клетке могут протекать одновременно. При этом все превращения органических веществ, процессы синтеза и распада взаимосвязаны, координированы и регулируются нейрогормональными механизмами, придающими химическим процессам нужное направление. В организме человека не существует самостоятельного обмена белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Все превращения объединены в целостный процесс метаболизма, допускающий также взаимопревращения между отдельными классами органических веществ. Подобные взаимопревращения диктуются физиологическими потребностями организма, а также целесообразностью замены одних классов органических веществ другими в условиях блокирования какого-либо процесса при патологии.
Согласно современным представлениям расщепление основных пищевых веществ в клетке представляет собой ряд последовательных ферментативных реакций, составляющих три главные стадии катаболизма. На первой стадии полимерные органические молекулы распадаются на составляющие их специфические структурные блоки - мономеры. Так, полисахариды расщепляются до гексоз или пентоз, белки — до аминокислот, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов и нуклеозидов, липиды — до жирных кислот и глицерина. Эти реакции протекают в основном гидролитическим путем и количество энергии, освобождающейся на этой стадии, не превышает 1% от всей выделяемой в ходе катаболизма энергии, и почти целиком используется организмом в качестве тепла.
На второй стадии катаболизма продуктами химических реакций становятся еще более простые молекулы, унифицированные для углеводного, белкового и липидного обмена. по своему типу (гликолиз, катаболизм аминокислот, β-окисление жирных кислот соответственно). Принципиальным является то, что на второй стадии катаболизма образуются продукты, которые являются общими для обмена исходно разных групп веществ. Эти продукты представляют собой ключевые химические соединения, соединяющие разные пути метаболизма. К таким соединениям относятся, например, пируват (пировиноградная кислота), образующийся при распаде углеводов, липидов и многих аминокислот, ацетил-КоА, объединяющий катаболизм жирных кислот, углеводов и аминокислот, a-кетоглутаровая кислота, оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота), фумарат (фумаровая кислота) и сукцинат (янтарная кислота), образующиеся при трансформации аминокислот. Продукты, полученные на второй стадии катаболизма, вступают в третью стадию, которая известна как цикл трикарбоновых кислот (терминальное окисление, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса). На третьем этапе ацетил-КоА и некоторые другие метаболиты, например α-кетоглутарат, оксалоацетат, подвергаются окислению в цикле ди- и трикарбоновых кислот Кребса. Окисление сопровождается образованием восстановленных форм НАДН + Н+ и ФАДН2. Именно в ходе второй и третьей стадий катаболизма освобождается и аккумулируется в виде АТФ практически вся энергия химических связей подвергнутых диссимиляции веществ. При этом осуществляется перенос электронов от восстановленных нуклеотидов на кислород через дыхательную цепь, сопровождающийся образованием конечного продукта – молекулы воды. Транспорт электронов в дыхательной цепи сопряжен с синтезом АТФ в процессе окислительного фосфорилирования.
Главным катаболическим процессом в обмене веществ принято считать биологическое окисление - совокупность реакций окисления, протекающих во всех живых клетках, - а именно дыхание и окислительное фосфорилирование. Интегральной характеристикой биологического окисления служит так называемый дыхательный коэффициент (RQ), который представляет собой отношение объема выделенного организмом углекислого газа к объему одновременно поглощенного кислорода. При окислении углеводов объем расходуемого кислорода соответствует объему образующегося углекислого газа и поэтому дыхательный коэффициент в этих случаях равен единице. При окислении жиров и белков такое соответствие отсутствует, поскольку кроме окисления углерода до углекислого газа часть кислорода расходуется на окисление водорода с образованием воды. Вследствие этого величины дыхательного коэффициента в случае окисления жиров и белков составляют соответственно около 0, 7 и 0, 8. Подавляющая часть белкового азота при окислении белка в организме переходит в мочевину. Поэтому по дыхательному коэффициенту и данным о количестве выделяемой мочевины можно определять соотношение участвующих в биологическом окислении углеводов, жиров и белков.
В процессе обмена веществ постоянно происходит превращение энергии: потенциальная энергия сложных органических соединений, поступивших с пищей, превращается в тепловую, механическую и электрическую. Энергия расходуется не только на поддержание температуры тела и выполнение работы, но и на воссоздание структурных элементов клеток, обеспечение их жизнедеятельности, роста и развития организма. Тем не менее, только часть получаемой при окислении белков, жиров и углеводов энергии используется для синтеза АТФ, другая, значительно большая, превращается в теплоту. Так, при окислении углеводов 22, 7% энергии химических связей глюкозы в процессе окисления используется на синтез АТФ, а 77, 3% в виде тепла рассеивается в тканях. Аккумулированная в АТФ энергия используемая в дальнейшем для механической работы, химических, транспортных, электрических процессов в конечном счете тоже превращается в теплоту. Следовательно, количество тепла, образовавшегося в организме, становится мерой суммарной энергии химических связей, подвергшихся биологическому окислению. Поэтому вся энергия, образовавшаяся в организме, может быть выражена в единицах тепла — калориях или джоулях.
Общий баланс энергии организма определяют на основании калорийности вводимых пищевых веществ и количества выделенного тепла, которое может быть измерено или рассчитано. При этом надо учитывать, что величина калорийности, получаемая при лабораторной калориметрии, может отличаться от величины физиологической калорической ценности, поскольку некоторые вещества в организме не сгорают полностью, а образуют конечные продукты обмена, способные к дальнейшему окислению. В первую очередь это относится к белкам, азот которых выделяется из организма главным образом в виде мочевины, сохраняющей некоторый потенциальный запас калорий. Очевидно, что калорическая ценность, дыхательный коэффициент и величина теплообразования для разных веществ различны. Физиологическая калорическая ценность (в ккал/г) составляет для углеводов — 4, 1; липидов — 9, 3; белков — 4, 1; величина теплообразования (в ккал на 1 литр потребленного кислорода) для углеводов составляет 5, 05; липидов — 4, 69; белков — 4, 49.
Процесс анаболизма по аналогии с катаболическими процессами также проходит три стадии. При этом исходными веществами для анаболических процессов служат продукты второй стадии и промежуточные соединения третьей стадии катаболизма. Таким образом вторая и третья стадии катаболизма являются в то же время первой, исходной стадией анаболизма и химические реакции, протекающие в данном месте и в данное время, выполняют по сути двойную функцию. С одной стороны, они являются основой завершающего этапа катаболизма, а с другой — служат инициацией для анаболических процессов, поставляя вещества-предшественники для последующих стадий ассимиляции. Подобным образом, например, начинается синтез белка. Исходными реакциями этого процесса можно считать образование некоторых a-кетокислот. На следующей, второй стадии в ходе реакций аминирования или трансаминирования эти кетокислоты превращаются в аминокислоты, которые на третьей стадии анаболизма объединяются в полипептидные цепи. В результате ряда последовательных реакций происходит также синтез нуклеиновых кислот, липидов и полисахаридов. Тем не менее следует подчеркнуть, что пути анаболизма не являются простым обращением процессов катаболизма. Это связано прежде всего с энергетическими особенностями химических реакций. Некоторые реакции катаболизма практически необратимы, поскольку их протеканию в обратном направлении препятствуют непреодолимые энергетические барьеры. Поэтому в ходе эволюции были выработаны другие, специфические для анаболизма реакции, где синтез олиго- и полимерных соединений сопряжен с затратой энергии макроэргических соединений, прежде всего – АТФ.
Рациональное (от лат. ratio - разум) питание является важнейшим фактором здорового образа жизни и основано на балансе в энергетическом отношении и по содержанию питательных веществ в зависимости от пола, возраста и рода деятельности.
В настоящее время у большей части нашего населения питание не соответствует этому понятию не только из-за недостаточной материальной обеспеченности, но еще из-за отсутствия или недостатка знаний по данному вопросу. Прежде чем перейти к рекомендациям по питанию в повседневной жизни, остановимся на роли пищевых веществ в организме.
Питание является неотъемлемой частью жизни, так как поддерживает обменные процессы на относительно постоянном уровне. Роль питания в обеспечении жизнедеятельности организма общеизвестна: энергообеспечение, синтез ферментов, пластическая роль и т. д. Нарушение обмена веществ приводит к возникновению различных болезней. Неправильно организованное питание приводит к снижению трудоспособности, повышению восприимчивости к болезням и, в конечном счете, к снижению продолжительности жизни. Энергия в организме высвобождается в результате процессов окисления белков, жиров и углеводов.
Белки — жизненно необходимые вещества в организме. Они используются в качестве источника энергии (окисление 1 г белка в организме дает 4 ккал энергии), строительного материала для регенерации (восстановления) клеток, образования ферментов и гормонов. Потребность организма в белках зависит от пола, возраста и энергозатрат, составляя в сутки 80-100 г, в том числе животных белков 50 г. Белки должны обеспечивать примерно 15 % калорийности суточного рациона. В состав белков входят аминокислоты, которые подразделяются на заменимые и незаменимые. Чем больше белки содержат незаменимых аминокислот, тем они полноценнее. К незаменимым аминокислотам относятся: триптофан, лейцин, изолейцин, валин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин. Поэтому в рационе должны присутствовать блюда из говядины, печени, мяса птицы, рыбы, сыр, яйца.
Жиры являются основным источником энергии в организме (окисление 1 г жиров дает 9 ккал). Жиры содержат ценные для организма вещества: ненасыщенные жирные кислоты, фосфатиды, жирорастворимые витамины А, Е, К. Суточная потребность организма в жирах составляет в среднем 80-100 г, в том числе растительных жиров 20-25 г. Жиры должны обеспечивать примерно 35 % калорийности суточного рациона. Наибольшую ценность для организма представляют жиры, содержащие ненасыщенные жирные кислоты – оливковое масло, рыба, рыбий жир, подсолнечное масло, маслины, мясо птицы.
Углеводы являются одним из основных источников энергии (окисление 1 г углеводов дает 3,75 ккал). Суточная потребность организма в углеводах составляет от 400-500 г, в том числе крахмала 400-450 г, сахара 50-100 г, пектинов 25 г. Углеводы должны обеспечивать примерно 50 % калорийности суточного рациона. Если углеводов в организме избыток, то они переходят в жиры, то есть избыточное количество углеводов способствует ожирению, поэтому можно безболезненно употреблять овощи, фрукты, грибы, молоко, умеренно, рис, крупы, хлеб, макароны и воздержаться от употребления сахара, карамели, конфет, меда, сдобы.
Кроме белков, жиров и углеводов важнейшей составляющей рационального питания являются витамины — биологически активные органические соединения, необходимые для нормальной жизнедеятельности. Недостаток витаминов приводит к гиповитаминозу (недостаток витаминов в организме) и авитаминозу (отсутствие витаминов в организме). Витамины в организме не образуются, а поступают в него с продуктами. Различают водо- и жирорастворимые витамины. Больше всего витаминов содержится в молодых овощах и фруктах, чем в зрелых.
Кроме белков, жиров, углеводов и витаминов организму необходимы минеральные вещества, которые используются в качестве пластического материала и для синтеза ферментов. Различают макроэлементы (Са, Р, Mg, Na, К, Fe) и микроэлементы (Сu, Zn, Мn, Со, Сr, Ni, I, F, Si). Больше всего минеральных вещетв содержит чай, тыквенные семечки, соленые мясо и рыба, орехи, творог и сыр, рыба, мясо и печень, бобовые и крупы, а также овощи, фрукты, салаты и ягоды, сушеные грбы.
Немного практики
Есть еще несколько правил, которые могут помочь рационализировать питание:
Фрукты необходимо употреблять в пищу отдельно от других блюд, причем желательно за 20 минут до еды и через 1-2 часа после еды, можно сочетать с орехами.
Зерновые и бобовые между собой смешивать нельзя. Исключение составляют блюда, обильно приправленные зеленью и некрахмалистыми овощами.
Плохи для желудка блюда, в которых тесто совмещено с мясом – чебуреки, макароны по-флотски, пирожки, блины с мясом и пельмени.
Цельное молоко вообще не стоит совмещать с другой пищей, и помнить, что взрослый организм может и не воспринимать его.
Жидкости стоит употреблять перед едой. Также лучше начинать прием пищи с сырых овощей, это очистит желудок от лишних веществ.
Не стоит есть блюда с хлебом.
Читайте также: