Обмен веществ и энергии 11 Обмен веществ



страница1/3
Дата15.11.2016
Размер0.58 Mb.
  1   2   3
201

ГЛАВА 11. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

11.1. Обмен веществ

Обмен веществ - это непременное условие жизнедеятельности. Он представляет собой совокупность химических и физических превращений, происходящих в живом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с внешней средой. Суть обмена веществ заключается в посту-плении в организм из внешней среды различных веществ, усвоении и исполь-зовании как источника энергии и материала для построения структур орга-низма и выделении образующихся продуктов обмена во внешнюю среду. Со-ответственно, основными функциями обмена веществ являются: 1) извлече-ние энергии из окружающей среды в форме химической энергии органиче-ских веществ, 2) превращение экзогенных веществ в «строительные блоки», 3) синтез собственных белков, нуклеиновых кислот, жиров и других клеточ-ных компонентов из этих «строительных блоков», 4) синтез и разрушение тех биомолекул, которые необходимы для выполнения различных специфи-ческих функций данной клетки, 5) нейтрализация и устранение продуктов различных обменных процессов. В итоге всего этого обмен веществ пласти-чески и энергетически обеспечивает жизнедеятельность клетки и организма в целом.



Шастическое обеспечение функции - это процесс постоянного обнов-ления функционирующих энергообразующих, транспортных и опорных структур клеток. Оно осуществляется посредством синтеза новых молекул белков, входящих в клеточные структуры, взамен устаревших клеточных элементов. Таким образом, пластическое обеспечение функции - важное ус-ловие устойчивости и надежности физиологичёских функций в условиях це-лостного организма. В пластическое обеспечение функций входит также снабжение активных клеток «строительными материалами» для синтеза бел-ков и нуклеиновых кислот.

Энергетическое обеспечение функцш заключается в снабжении лю-бых функциональных проявлений клеточных структур энергией. Это проис-ходит как за счет энергетического резерва клетки, так и за счет мобилизации и использования энергетического резерва всего организма.

Процессы обмена веществ делятся на две группы: ассимиляция и дис-симиляция (рис. 11.1).



Ассимиляцш - это совокупность процессов создания живой материи. Диссимиляция - это распад живой материи, который позволяет устранить тканевые элементы для замены их новыми, а также освободить энергию для выполнения актов жизнедеятельности. Обмен веществ и вместе с тем жизнь поддерживаются только тогда, когда процессы диссимиляции уравновешены процессами ассимиляции. Это равновесие динамически изменчиво. Напря-женные акты жизнедеятельности, например, выполнение мышечной работы.


202





требуют освобождения энергии в болыиих количествах, что связано с доми-нированием процессов диссимиляции. После окончания физической нагрузки необходимо восстановление затраченных ресурсов. С этим связано смещение обмена веществ в пользу процессов ассимиляции.



Обмен веществ






.......


А Н А Б О Л

и

3



м




к

А Т А Б 0

л и

3

м




......










••*•••*•






















МЕТАБОЛИЗМ


Ассимиляция

Приём из внешней среды необходимых для организма вешеств




Преврашение веществ в соединения, приемлемые для тканей организма

Синтез структурных единиц клеток, фер-ментов и замена устарелых

Синтез более сложных соединений из более простых

Отложение запасов






Диссимиляция








Устранение продуктов распада из организма




......




Расщепление энергобогатых соединений вместе с освобождением энергии






Распад устарелых тканевых элемснтов






Расщепление более сложных соединений на более простые






Мобилизация запасов


Рис. 11.1. Процессы ассимиляции и диссимиляции

203

Обмен веществ нередко обозначают термином метаболизм, процессы ассимиляции —. анаболизм, а процессы диссимиляции - катаболизм. Однако надо иметь в виду, что этими терминами уместно обозначать только те про-цессы обмена веществ, которые протекают внутри организма, а не процессы взаимодействия организма с внешней средой (см. рис. 11.1). Ту часть процес-сов анаболизма, которая заключается в синтезе нуклеиновых кислот и белков и образовании клеточных структур и ферментов, называют пластическими процессами. Процессы обмена, которые обеспечивают снабжение клеток энергией для выполнения актов жизнедеятельности, носят название энерге-тических процессов. В основном они относятся к процессам катаболизма, так как среди них важное значение имеет расщепление богатых энергией ве-ществ. Но в эту группу входят и процессы ресинтеза одних богатых энергией веществ за счет расщепления других.



11.1.1. Обмен белков

Роль белков. Белки.являются основной частью живой протоплазмы. В сухом остатке тканей, полученном после удаления воды, содержание бел-ков доходит до 60-80%. Это связано с тем, что все тканевые структуры по-строены из белков. Таким образом, тастическую роль в организме играют в первую очередь белки. Они способны выполнять в организме многие функ-ции:

1) обеспечивают подцержание обмена веществ воспроизведением структур, осуществляющих процессы обмена;

2) являются основным строительным материалом клеточных струк-

тур;


3) большая группа специфических белков - ферменты - являются в организме биокатализаторами биохимических реакций;

4) некоторые гормоны имеют белковую структуру;

5) белковые структуры участвуют в обеспечении возникновения и распространения возбуждент в тканях;

6) осуществляют сокращение мышц в результате взаимодействия бел-ков миозина и актина, а также тропонина и тропомиозина;

7) сложный белок гемоглобин выполняет в крови функцию транс-порта кислорода, в мышечной ткани находится аналогичный белок - миог-лобин;

8) в свертывании крови большое значение имеет белок плазмы крови фибриноген;

9) белки плазмы крови осуществляют транспорт гормонов, витами-тв и ряда других веществ, образуя с ними комплексные соединения;

10) белки плазмы крови обеспечивают онкотическое давление;

11) выступают как буферные системы;

12) группа специфических белков (антитела и другие иммуноактив-ные белки) выполняет защитные функции;

204

13) специфические белки, имеющиеся в тканях, являются рецептора-ми гормонов и других биологически активных веществ; молекулы гормонов образуют с этими рецепторами - белками комплексные соединения, что не-обходимо для того, чтобы гормон мог оказывать влияние на обменные про-цессы;



14) в передаче наследственности, иначе говоря, в генной экспрессии, важную роль играют белковые соединения (нуклеопротеиды);

15) белки имеют также определенное значение как источник энергии.



Кругооборот белков в организме. Белки, входящие в состав тела, непрерывно обновляются. Устаревшие элементы и структурные единицы расщепляются и заменяются новыми. Период жизни одних белков измеряется минутами, других - часами, третьих - сутками. У человека ежедневно обра-зуется 25 г белков печени, 20 г белков плазмы и 8 г гемоглобина. Естествен-но, для этого необходим постоянный приток белка в организм с пищей.

Белки, поступающие с пищей в пищеварительный тракт, расщепляют-ся в тонком кишечнике до аминокислот. Освобожденные аминокислоты вса-сываются в капиллярные сосуды в стенках кишечника и поступают с кровью в печень по воротной вене. Часть аминокислот используется в печени для синтеза собственных структурных белков и ферментов. В печени происходит также синтез белков плазмы. Другая часть аминокислот переносится из пече-ни в другие ткани для синтеза белков (и белков-ферментов) и для создания клеточного запаса аминокислот (рис. 11.2).

Синтез белка осуществляется путем использования аминокислот. Ка-ждый белок имеет собственный специфический состав и последовательность аминокислот. В зависимости от того, какие белки необходимо синтезировать, изменяется запрос в разных аминокислотах. Для удовлетворения конкретного запроса аминокислот происходит их переаминирование, т.е. превращение од-них аминокислот в другие. Некоторые аминокислоты синтезируются путем присоединения аминогруппы и соединений углеводного происхождения. Од-нако некоторые аминокислоты не образуются в организме. Их называют не-заменимыми аминокислотами, Прием их неизбежен. Ценность белкового ра-циона в пище, таким образом, определяется не только общим содержанием белка, но и количеством незаменимых аминокислот.

Процесс распада белков состоит из двух этапов. Первый из них за-ключается в расщеплении белков до аминокислот, второй - в удалении амин-ной группы из аминокислот (дезаминирование) и образовании .конечных про-дуктов белкового обмена. Безазотный остаток аминокислот может быть пре-вращен в углеводы или жиры, а также может окисляться до образования воды и углекислого газа. Конечными продуктами распада белков являются азотсо-держащие аммиак, мочевина, мочевая кислота и креатинин. Их содержание в крови определяется суммарно как остаточный азот. Его нормальная кон-центрация в плазме крови составляет 25,35 мг%. Конечные продукты распада белков выделяются из организма с мочой. Так как нормально в моче белок отсутствует, то общее содержание азота мочи характеризует выделение про-дуктов распада белков и тем самым интенсивность белкового обмена. Нор-

205




Белки


пищи




п


______ Печень


и


Пепсин












щ е в т

а Р Р а


1


Триг

<4-


1СИН




Синтез фер- Синтез бел-ментов и ков плазмы структурных крови белков печени А А


Белки ^ крови:


' 1 альбумин, Переаминирование глобулин,


и к

Т








аминокислот


фибрино-


т т е








•^- Аминокислоты печени .


ген


л


^


г




X




ь


Аминокислоты




Дезаминирование аминокислот




н










ы








/ ^








^/ Кетокислоты




и ^


г


/ / \

Аммиак, / 1 \

мочевина, ^ г *








мочевая Окис- Синтез Синтез




Аминокислоты





кислота ление глю- жирных








крови 1


1


^ козы клеток




Клетки разных


тканей \




V

Клеточный запас




аминокислот \ П о ч к и




А а


ч \

^ Остаточный Общий






Ферменты -^ — '


Дечйми- ^ ..^ азот






1* ааот ~ нирова- мочи






ние КР°ВИ






1








Структурные^ —


Окислг-




Ьелки ние ^ г


Рис. 11.2. Обмен белков


мально человек выделяет за сутки 10-18 г азота. Разница между количеством азота, принятым с пищей за сутки, и количеством азота, выделяемым из орга-низма за то же время, составляет азотистый баланс. Этот показатель харак-

206


теризует общее состояние белкового обмена в организме. При большем вы-делении из организма азота по сравнению с количеством азота, принятым с пищей, азотистый баланс отрицательный. Это указывает на перевес процес-сов катаболизма белков над их анаболизмом, обусловленный или высокой интенсивностью распада белков или недостаточным пищевым содержанием белков в рационе питания. Это наблюдается при голодании, истощающих бо-лезнях, а также при высокоинтенсивном режиме мышечной деятельности. Меньшее выделение из организма азота по сравнению с его поступлением с пищей (азотистый баланс положительный) указывает на перевес синтеза бел-ков над их распадом. Это свойственно развивающемуся организму, а также наблюдается на отдельных этапах восстановительного периода после трени-ровочных занятий.

11.1.2. Обмен углеводов

Значение углеводов как источника энергии. Содержание углеводов в животном организме - не более 2% от сухого остатка массы тела. Основная часть углеводов находится в мышцах и печени в виде гликогена.

Углеводы представляют собой важный источник энергии. Хотя непо-средственным донором энергии в процессах жизнедеятельности является АТФ, его ресинтез в значительной мере - результат расщепления углеводов. Использование углеводов особо предпочтительно в условиях высркого ки-слородного запроса при напряженной мышечной работе, так как окисление углеводов связано с меньшим расходом кислорода, чем окисление жиров. В отличие от жиров углеводы могут использоваться как источник энергии так-же при их анаэробном расщеплении. Использование углеводов в качестве источника энергии важно потому, что их депо (гликоген мышц и печени) бы-стро мобилизуются.



Кругооборот углеводов в организме (рис. 11.3). Углеводы в пище человека в основном растительного происхождения. Они расщепляются в пищеварительном тракте до глюкозы. Глюкоза, поступающая в кровь из ки-шечника, транспортируется в печень, где из нее синтезируется гликоген. Гли-коген составляет 5% всей массы печени. Это важное депо углеводов в орга-низме. В печени осуществляется синтез углеводов также из глицерина, лат-та, пирувата и безазотистого остатка аминокислот. Этот процесс называется глюконеогенезом. Мышцы имеют собственное депо углеводов. Содержание гликогена в скелетных мышцах доходит до 1,5-2% от общей массы этой тка-ни. Общая емкость депо углеводов ррганизма человека, имеющего массу 70 кг, составляет 400-700 г. При изобильном поступлении углеводов в организм они превращаются в жирные кислоты и депонируются в виде жира.

Многие ткани организма удовлетворяют свои запросы в энергетиче-ских веществах за счет поглощения глюкозы из крови. Нормальный уровень глюкозы в крови (75-100 мг%) поддерживается с помощью регуляторных воздействий на синтез или расщепление гликогена в печени. Снижение со-держания глюкозы в крови ниже 70 мг% (гипогликемт) нарушает снабжение


207



тканей глюкозой. При этом в первую очередь страдают нервные клетки. Превышение нормального уровня глюкозы в крови наблюдается после прие-ма пищи (алиментарная гипергликемия), во время интенсивной и кратковре-менной мышечной работы (миогенная, или рабочая, гипергликемия) и при эмоциональном возбуждении (эмоциональная гипергликемш). Если содержа-ние глюкозы в крови превышает 150-180 мг%, то глюкоза обнаруживается в моче (глюкозурия). Это представляет собой путь выведения из организма лишнего количества углеводов. Резко выраженная гипергликемия (до 400 мг% и выше), наблюдаемая при сахарном диабете, приводит к опасным на-рушениям обменных процессов.





п и щ

Е В А Р И Т Е Л

ь

н ы й


т р

А К Т


. Молочная Окисление \кислота

Аланин




Углеводы пиши








Пишевари-тельные ферменты


•-'•.


Глюкоза

"-^.





п

ПЕЧЕНЬ

икоген

Глюкоза,


Глицерин

Безазотный остаток аминокисдот

ЖИРОВАЯ ТКАНЬ

, Триглицериды




МЫШЦА В ПОКОЕ


СЕРДЦЕ


МОЗГ

РАБОТАЮЩАЯ МЫШЦА

Рис. 11.3. Обмен углеводов

208

Анаэробное расщепление гликогена или глюкозы заканчивается в це-пи процессов до образования пировинофадной кислоты, которая может пре-вращаться в молочную кислоту, лактат или окисляться. Обе кислоты, пиро-винофадная и молочная, легко превращаются в соли, в пируват и лактат со-ответственно. Лактат крови может быть использован в сердечной мышце и мышечных волокнах с высоким потенциалом окисления как непосредствен-ный субстрат окисления, а в покоящихся мышцах - для ресинтеза гликогена (см. рис. 11.3).

Продукты аэробного расщепления углеводов - вода и углекислый газ - выводятся из организма по своим каналам.

11.1.3. Обмен жиров

Роль жиров. Содержание жиров (липидов) в организме весьма зна-чительное и доходит до 10-30% от всей массы тела. Оно варьирует у людей в значительных пределах в зависимости от характера питания, двигательной активности, возраста, пола и конституционных особенностей.

Большая часть жиров в организме находится в жировой ткани (жиро-вое депо). Они образуют самый большой запас энергии. При расщеплении депонированного жира, т.е. при липолизе, образуются свободные жирные ки-слоты и глицерин. Свободные жирные кислоты используются в энергетиче-ских процессах как энергетический субстрат. Этот путь энергообеспечения становится основным при продолжительной мышечной работе, а также при недостаточном питании. Если вследствие голодания вес тела снижается у подопытных животных на 33%, то объем жировой ткани уменыиается на 98%. Глицерин, освобождаемый при липолизе, находит использование в пе-чени как субстрат глюконеогенеза. В свою очередь, глюкоза используется для синтеза триглицеридов в жировой ткани (рис. 11.4).

«Собственные» жиры (триглицериды) находятся в печени, мышцах и плазме крови. Мышечная работа приводит к использованию также триглице-ридов мышц и крови.

Кроме участия в энергетическом обеспечении жиры ифают также тастическую роль. Они входят в состав клеточных мембран как основная составная часть, представляющая собой структурный жир. Его количество постоянно и существенно не изменяется даже при голодании.

Жировая ткань принимает участие в фиксации внутренних органов и защищает их от механических и термических воздействий.

Кругооборот жиров в организме. Организм получает необходимые жиры в составе пищи и путем биосинтеза их из углеводов. Жиры пищи рас-щепляются в пищеварительном тракте до глицерина и жирных кислот. Из них в клетках кишечной стенки снова синтезируются жиры, специфичные для данного вида животного. Образовавшийся жир, а также жир, всосавшийся в эмульгированном виде без предварительного гидролиза, поступают главным образом в лимфатические сосуды и далее через фудной лимфатический про-ток - в циркуляцию. Около 30% жира поступает из клеток кишечной стенки


209





СКЕЛЕТНАЯ МЫШЦА







Свободные жирнуе кислоты


Свободные • жирные -^-кислоты




Глицерин


Глицерин



Рис. 11.4. Взаимодействие углеводного и жирового обмена: глюкоза,

освобождаемая при расщеплении гликогена печени, используется для синтеза

триглицеридов в жировых клетках. В свою очередь, освобождающийся при

липолизе глицерин используется в печени для глюконеогенеза

непосредственно в кровоток. В крови транспорт жиров осуществляется а- и р-глобулинами. Печень задерживает жиры крови и возвращает их в .кровоток лишь через несколько часов. С помощью крови свободные жирные кислоты переносятся к клеткам разных тканей, где используются для энергетических и пластических целей, а также в жировую ткань для обновления депонирован-ных жиров (рис. 11.5). В окислительных процессах свободные жирные кисло-ты расщепляются до образования воды и углекислого газа.

11.1.4. Обмен воды и минеральных веществ

Роль и кругооборот воды в организме. Количество воды в организ-ме составляет две трети общей массы тела. Она находится как составная часть во всех тканях и клетках. Подавляющее большинство биохимических реакций в организме протекает при непосредственном участии воды. Она де-лает возможным транспорт многих необходимых субстратов и продуктов



210

распада в организме. Вода, входящая в состав пота, позволяет удалять из ор-ганизма излишнее количество тепла.

Вода в организме распределяется между внутриклеточным и внекле-точным пространствами (рис. 11.6). Внутрикпеточное пространство состав-ляет объем воды, находящейся внутри всех клеток тела. Оно охватывает 70% от общего количества воды в организме. Внететочное пространство состо-ит из двух частей: внутрисосудистого и межкпеточного. Плазма крови,

211


наполняющая внутрисосудистое пространство, составляет 25% от всей вне-

КЛ6ТОЧНОЙ ЖИДКОСТИ. -•' ^иц ^щун^ , ^ 1,1



100 90-


Внутрисосудистое пространство


Межклеточное пространство




_ Плазма крови


Межклеточная жидкость (вода)


гточное >анство


80-70


Внеклеточная


жидкость 1 1


1|

п ь^



25% . 50% , 75% 100%




60-


.,'";","-•'» Г • * Т • ... ^,. • * "' \^-~ .-• " " '•"--; - '- ^ЦНЬ .' Ц'К


КЯН:,.


50-


1 . , , , , Внутриклеточная жидкость <


1


40-


1-- '--'•••" •-. •- • ^- ^^.'^Г''"


е-

о

§.




зо-


^:^:^^^^'-^


петочное г




••'- : = • •'<•"•'. .-.у •«•;.-Г^;-:к '-.>.%-Г •• МСЖЧ ' ,.'Яач. УЧ; : '. .


и

5


20-


• ? ^л-^/л^^^^1^1^-^^


1




--^Г *•••'•> •<'--хЛ!--'^-- Жп-^-й 1?'-,{;'!-!.Ж;|,


м


10-


• |. • {


Ч v. Га:'\<, -,к#!".:?8ь-^г-; .-к^дажшф '- ' "-' ' 1.1


угоь • :- >


•• г -,.:.• . • .[ . - « , '. _,••-.-••*'• , . | . - • • г V •., . '.--••• ^ ' "* •?•.-' -•>-!** ' А'" ?""•"•"' -:• •1">:''- ' ' У Я^- --*<".' -, "' • • ' '' ', ~'- ''4 "' ••' '"*"-' -" - -' • '•


-'.-•.• .:^-, - - и=. - --.,.^.,. .^-^ -,..,...... »..,. . ..-'


: • Рис. 11.6. Распределение воды в организме -


Недостаточное снабжение организма водой приводит к опасным на-
рушениям в обменных процессах. Потеря веса тела на 20% при лишении его
воды влечет за собой смерть. Необходимое количество воды поступает в ор-
ганизм в составе жидких продуктов пищи (в среднем 0,7-0,8 л в сутки), в со-
ставе других продуктов пищи (0,6-0,7 л), за счет выпитой воды (0,8-0,9 л) и
воды, образующейся в результате окислительных процессов (0,3-0,4 л). Орга-
низм теряет в сутки в среднем 1,6 л воды с мочой, 0,4-0,6 л с потом, 0,3-0,4 л
с выдыхаемым воздухом и 0,1-0,2 л с калом. Таким образом, баланс воды со-
ставляет 2,4-2,8 л в сутки. ..<,-^л^

' : '

212

>,».„" Общая схема перемещений воды в организме представлена на рис.


11.7. Вода, содержащаяся в пище, и выпитая вода всасываются в кровь глав-
ным образом в тонком кишечнике. В толстом кишечнике всасывается в кровь
дополнительно та порция воды (0,8 л), которая оказалась в кишечнике в со-
ставе пищеварительных соков. В печени возможно кратковременное депони-
рование небольшого количества воды. Распределение воды между внутрисо-
судистым и межклеточным пространствами определяется онкотическим дав-
лением, создаваемым белками плазмы крови. Если недостаточное питание
приводит к снижению количества белков плазмы крови, то усиливается пе-
ремещение воды в ткани, появляются отеки. . , г , ,

/^\


Вода продуетов •+• Желудок ! КИШЕЧНИК • -Ь. Кал


питания v


1 выпитания А


V


• • 1 *' ; ! ;.„.• з


А А


|




г \±у^,,^г

™ Пищеварительные железы ^^




••••


- -:;^-:


л


П 1 .»




Пары


е г


, ,,,_;^ . Г' '


>-• ———— ^


о ^Моча


воды


к и


4 Плазма крови


' 1' *"


ч к


. , ^


е


^>;, •?-.; г^


< ; •-.;


и ;


: - 1


? 1


1 А ' А


±


.-!««• -'"••р-


у Т


У Т




V






1

!


Печень


Межклеточная




Кожа —


^ Пот




1


1 А


•—'-••-— , ,


I




Внутриклеточная






1




*тчз-*«л «• жидкость .,11П-,|


••=..дЛ


ъ&ьл • • -


--•*3 г^ •-..,: <^4~;




•'5ТЗОДЭГГ


Рис. 11.7. Перемещения воды в организме

  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница