Итак, основной и единственный источник энергии в организме – это молекула АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Без нее невозможно ни сокращение, ни расслабление мышечных волокон. Очень часто АТФ по праву называют энергетической валютой организма !
Химическая реакция, объясняющая процесс высвобождения энергии из АТФ, выглядит следующим образом:
АТФ + вода –> АДФ + Ф + 10 ккал,
где АДФ – аденозиндифосфорная кислота, Ф – фосфорная кислота.
Под действием воды (гидролиз) от молекулы АТФ отщепляется молекула фосфорной кислоты, при этом образуется АДФ и выделяется энергия.
Однако запас АТФ в мышцах крайне незначителен. Его хватает максимум на 1-2 секунды. Как же в этом случае мы можем выполнять физическую нагрузку часами?
Это объясняет следующая реакция:
АДФ + Ф + энергия (креатинфосфат, гликоген, жирные кислоты, аминокислоты) –> АТФ
Благодаря последней реакции происходит ресинтез АТФ. Эта реакция может протекать только при наличии резерва в организме углеводов, жиров и белков . Они, по сути, и являются истинными источниками энергии и определяют длительность нагрузки!
Очень важно, что скорость первой и второй реакций разная. По мере увеличения интенсивности нагрузки скорость преобразования АТФ в энергию также возрастает. В то время как вторая реакция идет заведомо с меньшей скоростью. На каком-то уровне интенсивности вторая реакция уже не может компенсировать расход АТФ. В этом случае и наступает мышечный отказ. Чем тренированней спортсмен, тем выше уровень интенсивности, при котором происходит этот отказ.
Выделяют два типа физической нагрузки : аэробный и анаэробный. В первом случае процесс ресинтеза АТФ (вторая реакция, указанная выше) возможен лишь при наличии достаточного количества кислорода. Именно в этом режиме нагрузки, а это нагрузка умеренной мощности, по истечении всех запасов гликогена организм охотно будет использовать жир в качестве топлива для образования АТФ. Данный режим во многом определяет такой показатель, как МПК (максимальное потребление кислорода). Если в покое для всех здоровых людей МПК= 0,2-0,3 л/мин, то под нагрузкой этот показатель сильно увеличивается и составляет 3-7 л/мин. Чем тренированнее организм (в основном, это определяется дыхательной и сердечнососудистой системами), тем больший объем потребляемого кислорода может проходить через него в единицу времени (МПК высокий) и тем быстрее протекают реакции ресинтеза АТФ. А это, в свою очередь, напрямую связано с увеличением скорости окисления подкожного жира.
Вывод : В тренировках на снижение жировой прослойки особое внимание следует обратить на интенсивность нагрузки. Она должна быть умеренно мощной . Объем потребляемого кислорода не должен превышать 70% от МПК. Определение МПК – очень сложная процедура, поэтому можно ориентироваться на собственные ощущения: старайтесь просто не допускать дефицита поступаемого кислорода; при выполнении упражнения не должно возникать ощущения нехватки воздуха. Следует также обратить особое внимание на тренировку сердечнососудистой и дыхательной систем, которые в основном и определяют емкость потребляемого кислорода в единицу времени. Развивая тренированность этих двух систем, Вы увеличиваете тем самым скорость расщепления жиров.
Итак, мы рассмотрели аэробный путь ресинтеза АТФ. В следующем выпуске мы остановимся на двух других механизмах ресинтеза АТФ (анаэробных), которые протекают с использованием креатинфосфата и гликогена.
Обмен веществ и энергии - это взаимосвязанные процессы, разделение которых связано только с удобством изучения. Ни один из этих процессов в отдельности не существует. При окислении энергия химических связей, содержащаяся в питательных веществах, освобождается и употребляется организмом. За счет перехода одних видов энергии в другие и поддерживаются все жизненные функции организма. Наряду с этим общее число энергии не изменяется. Соотношение между числом энергии, поступающей с пищей, и величиной энергетических затрат называется энергетическим балансом.
Сказанное возможно проиллюстрировать на примере деятельности сердца. Сердце делает огромную работу. Любой час оно выбрасывает в аорту около 300 л крови. Эта работа совершается за счет сокращения сердечной мускулы, в которой наряду с этим протекают интенсивные окислительные процессы. Благодаря освобождающейся энергии обеспечивается механическое сокращение мышц, и в конечном итоге вся энергия переходит в тепловую, которая рассеивается в организме и отдается им в окружающее пространство. Аналогичные процессы идут в каждом органе человеческого тела. И в каждом случае в конечном счете химическая, электрическая, механическая и другие виды энергии трансформируются в тепловую и рассеиваются во окружающую среду. Количество энергии, расходуемое на исполнение физической работы, определяют как коэффициент нужного действия (кпд). Его средняя величина - 20-25%, у спортсменов КПД выше. Установлено, что 1 г белка при окислении выделяет 4,1 ккал, 1 г жира - 9,3, air углеводов - 4,1 ккал. Зная содержание белков, жиров и углеводов в пищевых продуктах (табл. 1), возможно установить их калорийность, либо энергетическую цена.
Мышечная деятельность, деятельный двигательный режим, физические упражнения и спорт связаны со большим расходом энергии. В некоторых случаях он может быть около 5 000 какое количество, а в дни интенсивных и объемных тренировок у спортсменов и того более. Такое повышение энергозатрат нужно учитывать при составлении пищевого рациона. В то время, когда в пище присутствует много белка, существенно удлиняется процесс ее переваривания (от двух до четырех часов). За один раз целесообразно принимать до 70 г белка, поскольку излишки его начинают преобразовываться в жир. А представители некоторых видов спорта (к примеру, гимнасты, бодибилдеры и др.) всячески избегают накопления лишнего жира и предпочитают энергию получать из растительной пищи (к примеру, фруктовая пища связана с образованием стремительных углеводов).
Питательные вещества возможно замещать, учитывая их калоричес-кую ценность. Вправду, с энергетической точки зрения 1 г углевода эквивалентен (изодинамичен) 1 г белка, поскольку у них однообразный калорический коэффициент (4,1 ккал), а 1 г белка либо углевода эквивалентен 0,44 г жира (калорический коэффициент жира 9,3 ккал). Из этого следует, что человек, дневный расход энергии которого 3 000 ккал, может всецело удовлетворить энергетические потребности организма, потребляя в день 732 г углеводов. Но для организма ответственна не только неспециализированная калорийность пищи. В случае если человек достаточно долго потребляет лишь жиры либо белки, либо углеводы, в его организме появляются глубокие трансформации в обмене веществ. Наряду с этим нарушаются пластические процессы в протоплазме клеток, отмечается сдвиг азотистого равновесия, образуются и накапливаются токсические продукты.
Таблица 1. Состав наиболее серьёзных пищевых продуктов (в % сырого вещества)
Говядина средняя жирная
Желток куриного яйца
Белок куриного яйца
Для обычной жизнедеятельности организм должен получать оптимальное количество полноценных белков, жиров, углеводов, минеральных солей и витаминов, каковые находятся в разных пищевых продуктах. Уровень качества пищевых продуктов определяется их физиологической ценностью. Наиболее полезными пищевыми продуктами являются молоко, масло, творог, яйца, мясо, рыба, зерновые, фрукты, овощи, сахар.
Люди различных профессий затрачивают при своей деятельности различное количество энергии. К примеру, занимающийся интеллектуальным трудом в сутки тратит менее 3000 громадных калорий. Человек, занимающийся тяжелым физическим трудом, за сутки затрачивает в 2 раза больше энергии (табл. 2).
Энергетический расход (ккал/сут) для лиц разных категорий труда
Тяжелый физический Механизированный Умственный
Бессчётные изучения продемонстрировали, что мужчине среднего возраста, занимающемуся и умственным, и физическим трудом в течение 8-10 ч, нужно потреблять в сутки 118 г белков, 56 г жиров, 500 г углеводов. В пересчете это образовывает около 3 000 ккал. Для детей, людей пожилого возраста, для лиц занимающихся тяжелым физическим трудом, требуются личные, научно обоснованные нормы питания. Пищевой рацион составляется с учетом пола, возраста человека и характера его деятельности. Громадное значение имеет режим питания. В зависимости от возраста, рода работы и других параметров устанавливается 3-6-разовое питание в день с определенным процентным содержанием пищи на любой прием.
Так, дабы сохранять энергетический баланс, поддерживать обычную массу тела, снабжать высокую работоспособность и профилактику разного рода патологических явлений в организме, нужно при полноценном питании расширить расход энергии за счет увеличения двигательной активности, что значительно стимулирует обменные процессы.
Наиболее значимая физиологическая константа организма - то предельное число энергии, которое человек расходует в состоянии полного спокойствия. Эта константа называется основным обменом. Нервная система, сердце, дыхательная мускулатура, почки, печень и другие органы непрерывно функционируют и потребляют определенное количество энергии. Сумма этих затрат энергии и образовывает величину основного обмена.
Основной обмен человека определяют при соблюдении следующих условий: при полном физическом и психическом покое; в положении лежа; в утренние часы; натощак, т.е. через 14ч по окончании последнего приема пищи; при температуре комфорта (20°С). Нарушение любого из этих условий ведет к отклонению обмена веществ в сторону увеличения. За 1 ч минимальные энергетические затраты организма взрослого человека составляют в среднем 1 ккал на 1 кг массы тела.
Основной обмен есть личной константой и зависит от пола, возраста, массы и роста человека. У здорового человека он может держаться на постоянном уровне в течение ряда лет. В детском возрасте величина основного обмена существенно выше, чем в пожилом. Деятельное состояние приводит к заметной интенсификации обмена веществ. Обмен веществ при этих условиях называется рабочим обменом. В случае если основной обмен взрослого человека равен 1700- 1800 ккал, то рабочий обмен в 2-3 раза выше. Так, основной обмен есть исходным фоновым уровнем потребления энергии. Резкое изменение основного обмена возможно серьёзным диагностическим показателем переутомления, перенапряжения и недовосстановления либо заболевания.
ФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. РАЦИОНАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ.
План лекции.
Понятие об обмене веществ в организме животных и человека. Источники энергии в организме.
Основные понятия и определения физиологии обмена веществ и энергии.
Методы изучения энергетического обмена у человека.
Понятие о рациональном питании. Правила составления пищевых рационов.
Понятие об обмене веществ в организме животных и человека. Источники энергии в организме.
Организм человека представляет собой открытую термодина-мическую систему, которая характеризуется наличием обмена веществ и энергии.
Обмен веществ и энергии – это совокупность физических, биохимических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в организме человека и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Указанные процессы, протекающие в организме человека изучают многие науки: биофизика, биохимия, молекулярная биология, эндокринология и, конечно же, физиология.
Обмен веществ и обмен энергии тесно взаимосвязаны между собой, однако, с целью упрощения понятий, их рассматривают раздельно.
Обмен веществ (метаболизм) – совокупность химических и физических превращений, происходящих в организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с внешней средой.
В обмене веществ различают две направленности процессов по отношению к структурам организма: ассимиляцию или анаболизм и диссимиляцию или катаболизм.
Ассимиляция (анаболизм) – совокупность процессов создания жи-вой материи. Указанные процессы потребляют энергию.
Диссимиляция (катаболизм) – совокупность процессов распада жи-вой материи. В результате диссимиляции энергия воспроизводится.
Жизнь животных и человека представляет из себя единство процес-сов ассимиляции и диссимиляции. Факторами, сопрягающими данные процессы, являются две системы:
АТФ – АДФ (АТФ - аденозин три фосфат, АДФ – аденозин ди фосфат;
НАДФ (окисленный) – НАДФ (восстановленный), где НАДФ – никотин амид ди фосфат.
Посредничество указанных соединений между процессами ассимиляции и диссимиляции обеспечивается тем, что молекулы АТФ и НАДФ выступают в роли универсальных биологических аккумуляторов энергии, ее переносчика, своеобразной «энергетической валютой» организма. Вместе с тем, прежде чем энергия аккумулируется в молекулах АТФ и НАДФ, ее необходимо извлечь из питательных веществ, которые поступают с пищей в организм. Такими пищевыми веществами являются известные вам белки, жиры и углеводы. К этому же следует добавить, что питательные вещества выполняют не только функцию поставщиков энергии, но и функцию поставщиков строительного материала (пластическая функция) для клеток, тканей и органов. Роль различных питательных веществ в реализации пластических и энергетических потребностей организма неодинакова. Углеводы в первую очередь выполняют энергетическую функцию, пластическая функция углеводов незначительна. Жиры в равной степени выполняют и энергетические и пластические функции. Белки являются основным строительным материалом для организма, но при определенных условиях могут являться и источниками энергии.
Источники энергии в организме.
Как уже отмечалось выше, основными источниками энергии в организме являются пищевые вещества: углеводы, жиры и белки. Освобождение энергии, содержащейся в пищевых веществах, в организме человека протекает в три этапа:
1 этап. Белки расщепляются до аминокислот, углеводы - до гексоз, например, до глюкозы или фруктозы, жиры – до глицерина и жирных кислот. На данном этапе организм в основном тратит энергию на расщепление веществ.
2 этап. Аминокислоты, гексозы и жирные кислоты в ходе биохимических реакций превращаются в молочную и пировиноградную кислоты, а также в Ацетил коэнзим А. На данном этапе из пищевых веществ высвобождается до 30% потенциальной энергии.
3 этап. При полном окислении все вещества расщепляются до СО 2 и Н 2 О. На данном этапе, в метаболическом котле Кребса, высвобождается оставшаяся часть энергии, около 70%. При этом не вся высвобождающаяся энергия аккумулируется в химическую энергию АТФ. Часть энергии распыляется в окружающую среду. Эта теплота получила название первичной теплоты (Q 1). Энергия аккумулированная АТФ в дальнейшем расходуется на различные виды работы в организме: механическую, электрическую, химическую и активный транспорт. При этом часть энергии теряется в виде так называемой вторичной теплоты Q 2 . Смотри схему 1.
Углеводы
Биологическое окисление
Н 2 О + СО 2 + Q 1 + АТФ
Механичес-кая работа
+ Q 2
Химическая работа
+ Q 2
Электричес-кая работа
+ Q 2
Активный транспорт
+ Q 2
Схема 1. Источники энергии в организме, результаты полного окисления пищевых веществ и виды выделяемой теплоты в организме.
Следует добавить, что количество выделяемой при окислении пищевых веществ не зависит от количества промежуточных реакций, а зависит от начального и конечного состояния химической системы. Данное положение было впервые сформулировано Гессом (закон Гесса).
Более подробно данные процессы вы рассмотрите на лекциях и занятиях, которые будут проводить с вами преподаватели кафедры биохимии.
Энергетическая ценность пищевых веществ.
Энергетическая ценность пищевых веществ оценивается при помощи специальных устройств – оксикалориметрах. Установлено, что при полном окислении 1 г. углеводов выделяется 4,1 ккал (1 ккал=4187 Дж.), 1 г. жиров - 9.45 ккал., 1 г. белков – 5,65 ккал. Следует добавить, что часть пищевых веществ, поступающих в организм, не усваивается. Например, в среднем не усваивается около 2% углеводов, 5% жиров и до 8% белков. К тому же, не все пищевые вещества в организме расщепляются до конечных продуктов – углекислого газа (диоксида углерода) и воды. Например, часть продуктов неполного расщепления белков в виде мочевины выделяется с мочой.
С учетом вышеизложенного можно отметить, что реальная энерге-тическая ценность пищевых веществ несколько ниже, чем установлен-ная в экспериментальных условиях. Реальная энергетическая ценность 1 г. углеводов составляет 4,0 ккал, 1 г. жиров – 9,0 ккал, 1 г. белков – 4,0 ккал.
Основные понятия и определения физиологии обмена веществ и энергии.
Интегральной (общей) характеристикой энергетического обмена организма человека являются суммарные энергетические траты или валовый энергетические траты.
Валовые энергетические траты организма - совокупность энергетических трат организма в течение суток в условиях его обычного (естественного) существования. Валовые энергетические траты включают три компонента: основной обмен, специфическое динамическое действие пищи и рабочую прибавку. Валовые энергетические траты оценивают в кдж/кг/сутки или ккал/кг/сутки(1 кдж=0,239 ккал).
Основной обмен.
Начало учению об основном обмене положили работы ученых Тартусского университета Биддера и Шмидта (Bidder and Schmidt, 1852).
Основной обмен – минимальный уровень энергетических трат, необходимый для поддержания жизнедеятельности организма.
Представление об основном обмене, как минимальном уровне энергетических трат организма предъявляет и ряд требований к условиям, в которых должен оцениваться данный показатель.
Условия, в которых должен оцениваться основной обмен:
состояние полного физического и психического покоя (желательно в положении лежа);
температура комфорта окружающей среды (18-20 градусов по Цельсию);
спустя 10 – 12 часов после последнего приема пищи, чтобы избежать увеличения энергетического обмена, связанного с приемом пищи.
Факторы, влияющие на основной обмен.
Основной обмен зависит от возраста, роста, массы тела и половой принадлежности.
Влияние возраста на основной обмен.
Самый высокий основной обмен в пересчете на 1 кг. Массы тела у новорожденных (50-54 ккал/кг/сутки), самый низкий у пожилых людей (после 70 лет основной обмен составляет в среднем 30 ккал/кг/сутки). На постоянный уровень основной обмен выходит к моменту полового созревания к 12 – 14 годам и остается стабильным до 30-35 лет (около 40 ккал/кг/сутки).
Влияние роста и массы тела на основной обмен.
Между массой тела и основным обменом существует практически линейная, прямая зависимость – чем больше масса тела, тем больше уровень основного обмена. Однако, эта зависимость не абсолютна. При повышении массы тела за счет мышечной ткани указанная зависимость практически линейна, однако, если увеличение массы тела связано с увеличением количества жировой ткани эта зависимость приобретает нелинейный характер.
Поскольку масса тела при прочих равных условиях зависит от роста (чем больше рост – тем больше масса тела), между ростом и основным обменом существует прямая зависимость – чем больше рост, тем больше основной обмен.
Учитывая тот факт, что рост и масса тела влияют на общую площадь тела, М. Рубнер (M.Rubner) сформулировал закон, в соответствии с которым основной обмен зависит от площади тела: чем больше площадь тела, тем больше основной обмен. Однако, указанный закон практически перестает работать в условиях, когда температура окружающей среды равна температуре тела. Кроме того, неодинаковая волосистость кожи существенно изменяет теплообмен между организмом и окружающей средой и поэтому закон Рубнера в этих условиях также имеет ограничения.
Влияние половой принадлежности на уровень основного обмена.
У мужчин уровень основного обмена на 5-6% выше, чем у женщин. Это объясняется различным соотношением жировой и мышечной ткани на 1 кг массы тела, а также различным уровнем метаболизма в связи с различиями химической структуры половых гормонов и их физиологическими эффектами.
Специфическое динамическое действие пищи.
Термин специфическое динамическое действие пищи впервые ввел в научный обиход М.Рубнер в 1902 году.
Специфическое динамическое действие пищи – это повышение энергетического обмена организма человека, связанное с приемом пищи. Специфическое динамическое действие пищи – это энергетические траты организма на механизмы утилизации принимаемой пищи. Указанный эффект в изменении энергетического обмена отмечается с момента подготовки к приему пищи, во время приема пищи и продолжается 10-12 часов после приема пищи. Максимальное увеличение энергетического обмена после приема пищи отмечаеся через 3 – 3,5 часа. Специальные исследования показали, что на утилизацию пищи затрачивается от 6 до 10% ее энергетической ценности.
Рабочая прибавка.
Рабочая прибавка является третьим компонентом валовых энергетических трат организма. Рабочая прибавка является частью энергетических трат организма на мышечную деятельность в окружающей среде. При тяжелой физической работе энергетические траты организма могут повышаться в 2 раза по сравнению с уровнем основного обмена.
Методы изучения энергетического обмена у человека.
Для изучения энергетического обмена у человека разработан целый ряд методов объединенный общим названием – калориметрия.
39. Что является главным источником энергии в организме?
Углеводы в организме главный источник энергии. Они всасываются в кровь в основном в виде глюкозы. Это вещество разносится по тканям и клеткам организма. В клетках глюкоза при участии ряда факторов окисляется до воды и углекислого газа. Одновременно освобождается энергия (4,1 ккал), которая используется организмом при реакциях синтеза или при мышечной работе
40. Когда преимущественно используются жиры как источник энергии при физической деятельности? Как энергетический материал жир используется при состоянии покоя и выполнении длительной малоинтенсивной физической работы.
41. Каково основное значение витаминов для организма?
Значение витаминов состоит в том, что, присутствуя в организме в ничтожных количествах, они регулируют реакции обмена веществ.
42. Сколько калорий необходимо потреблять в течение рабочего дня (8-10 ч) мужчине, занимающимся умственным и физическим трудом?
Мужчине среднего возраста, занимающемуся и умственным, и физическим трудом в течение 8-10ч, необходимо потреблять в день 118г белков, 56г жиров, 500г углеводов. В пересчете это составляет около 3000 ккал.
43. Какое количество энергии необходимо затрачивать ежедневно для нормальной жизнедеятельности? Люди разных профессий затрачивают при своей деятельности разное количество энергии. Например, занимающийся интеллектуальным трудом в день тратит менее 3000 больших калорий. Человек, занимающийся тяжелым физическим трудом, за день затрачивает в 2 раза больше энергии.
44. Какова причина "гравитационного шока"?
Г равитационного шока может наступить после резкого прекращения длительной, достаточно интенсивной циклической работы (спортивная ходьба, бег).
Прекращение ритмичной работы мышц нижних конечностей сразу лишает помощи систему кровообращения: кровь под действием гравитации остается в крупных венозных сосудах ног, движение ее замедляется, резко снижается возврат крови к сердцу, а от него в артериальное сосудистое русло, давление артериальной крови падает, мозг оказывается в условиях пониженного кровоснабжения и гипоксии.
45. Физические упражнения какого характера оказывают наиболее эффективное воздействие на сердечно-сосудистую систему?
Систематическая тренировка средствами физической культура и спорта не только стимулирует развитие сердечно-сосудистой и дыхательной системы, но и способствует значительному повышению уровня потребления кислорода организмом в целом. Наиболее эффективно совместную функцию взаимоотношения дыхания, крови, кровообращения развивают упражнения циклического характера, выполняемые на свежем воздухе
46. Какова причина так называемой "мертвой точки"?
Это обуславливается несоответствием интенсивной деятельности двигательного аппарата и функциональными возможностями вегетативных систем, призванных обеспечить эту деятельность.
47. Как можно ослабить проявление "мертвой точки"?
Одним из инструментов ослабления проявления "мертвой точки" является разминка, которая способствует более быстрому наступлению "второго дыхания".
48. Какие меры способствуют качественной готовности студентов к активной учебной
Синхронность ритмов во внешней среде и внутри организма, правильно составленный распорядок дня, распределение работы и отдыха таким образом, чтобы наивысшая нагрузка соответствовала наибольшим возможностям организма с учетом колебаний биологических ритмов, - все это служит залогом высокой производительности труда и сохранения здоровья.
49. Что понимают под здоровьем?
Здоровье - это нормальное психосоматическое состояние человека, отражающее его полное физическое, психическое и социальное благополучие и обеспечивающее адекватную окружающим условиям регуляцию поведения и деятельности личности.
Известно также определение, принятое Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), в соответствии с которым здоровье - это состояние полного физического, душевного и социального благополучия, а не только отсутствие болезни или физических дефектов.
50. Какие компоненты здоровья в настоящее время принято выделять?
Соматическое - текущее состояние органов и систем органов человеческого организма.
Физическое - уровень развития и функциональных возможностей органов и систем организма. Основа физического здоровья - это морфологические и функциональные резервы клеток, тканей, органов и систем органов, обеспечивающие приспособление организма к воздействию различных факторов.
Психическое - состояние психической сферы человека. Основу психического здоровья составляет состояние общего душевного комфорта, обеспечивающее адекватную регуляцию поведения.
Сексуальное - комплекс соматических, эмоциональных, интеллектуальных и социальных аспектов сексуального существования человека, позитивно обогащающих личность, повышающих коммуникабельность человека и его способность к любви.
Нравственное - комплекс характеристик мотивационной и потребностно-информационной основы жизнедеятельности человека. Основу нравственного компонента здоровья человека определяет система ценностей, установок и мотивов поведения индивида в социальной среде.
Основными источниками энергии для организма являются углеводы, белки, минеральные соли, жиры, витамины. Они обеспечивают его нормальную деятельность, позволяют организму функционировать без особых проблем. Питательные вещества - это источники энергии в организме человека. Кроме того, они выступают в качестве строительного материала, способствуют росту и воспроизводству новых клеток, появляющихся на месте отмирающих. В том виде, в котором они употребляются в пищу, их невозможно всосать и использовать организмом. Только вода, а также витамины и минеральные соли усваиваются и всасываются в том виде, в котором они поступают.
Основными источниками энергии для организма являются белки, углеводы, жиры. В пищеварительном тракте они подвергаются не только физическим воздействиям (перетираются и измельчаются), но и химическим превращениям, происходящим под воздействием ферментов, которые находятся в соке специальных пищеварительных желез.
Строение белков
В растениях и животных есть определенное вещество, являющееся основой жизни. Этим соединением является протеин. Обнаружены белковые тела были биохимиком Жераром Мюльдером в 1838 году. Именно им была сформулирована теория протеина. Слово «протеин» с греческого языка означает «занимающий первое место». Примерно половину сухого веса любого организма составляют именно белки. У вирусов такое содержание колеблется в диапазоне 45-95 процентов.
Рассуждая о том, что является главным источником энергии в организме, нельзя оставить без внимания белковые молекулы. Они занимают особое место по биологическим функциям и значению.
Функции и расположение в организме
Около 30 % белковых соединений располагается в мышцах, порядка 20 % обнаружено в сухожилиях и в костях, а 10 % содержится в коже. Максимально значимыми для организмов являются ферменты, управляющие обменными химическими процессами: перевариванием пищи, активностью желез внутренней секреции, работой мозга, мышечной деятельностью. Даже в небольших бактериях содержатся сотни ферментов.
Протеины - это обязательная часть живых клеток. В них содержится водород, углерод, азот, сера, кислород, а в некоторых есть и фосфор. Обязательным химическим элементом, содержащимся в белковых молекулах, является азот. Именно поэтому эти органические вещества называют азотсодержащими соединениями.
Свойства и превращение белков в организме
Попадая в пищеварительный тракт, они расщепляются на аминокислоты, которые всасываются в кровь и используются для синтеза специфичного для организма пептида, затем окисляются до воды и углекислого газа. При повышении температуры происходит свертывание белковой молекулы. Известны такие молекулы, которые способны растворяться в воде только при нагревании. К примеру, такими свойствами обладает желатин.
После поглощения пища сначала оказывается в ротовой полости, потом она движется по пищеводу, попадает в желудок. В нем находится кислая реакция среды, которая обеспечивается соляной кислотой. В желудочном соке есть который расщепляет белковые молекулы на альбумозы и пептоны. Это вещество активно только в кислой среде. Пища, которая поступила в желудок, способна задерживаться в нем 3-10 часов, в зависимости от ее агрегатного состояния и характера. Поджелудочный сок обладает щелочной реакцией, в нем есть ферменты, способные расщеплять жиры, углеводы, белки.
Среди его основных ферментов выделяют трипсин, который в соке поджелудочной железы располагается в виде трипсиногена. Он не способен расщеплять белки, но при соприкосновении с кишечным соком превращается в активное вещество - энтерокиназу. Трипсин расщепляет белковые соединения до аминокислот. Заканчивается переработка пищи в тонкой кишке. Если в двенадцатиперстное кишке и в желудке жиры, углеводы, белки почти полностью распадаются, то в тонкой кишке происходит полное расщепление питательных веществ, всасывание в кровь продуктов реакции. Осуществляется процесс через капилляры, каждый из которых подходит к ворсинкам, располагающимся на стенке тонкой кишки.
Обмен белков
После того как белок полностью распадется на аминокислоты в пищеварительном тракте, они всасываются в кровь. Также в нее попадает и незначительное количество полипептидов. Из аминокислотных остатков в организме живого существа синтезируется специфичный белок, в котором нуждается человек или животное. Процесс образования новых белковых молекул протекает в живом организме непрерывно, поскольку отмирающие клетки кожи, крови, кишечника, слизистой оболочки удаляются, а на их месте образуются молодые клетки.
Для того чтобы осуществлялся синтез белков, необходимо, чтобы они вместе с пищей поступали в пищеварительный тракт. Если полипептид вводится в кровь, минуя пищеварительный тракт, человеческий организм не имеет возможности его использовать. Подобный процесс может негативно отражаться на состоянии человеческого организма, вызывать многочисленные осложнения: повышение температуры, паралич дыхания, сбой сердечной деятельности, общие судороги.
Белки нельзя заменить иными пищевыми веществами, поскольку для их синтеза внутри организма необходимы аминокислоты. Недостаточное количество этих веществ приводит к задержке либо приостановлению роста.
Сахариды
Начнем с того, что углеводы - главный источник энергии организма. Они представляют собой одну из главных групп органических соединений, в которых нуждается наш организм. Этот источник энергии живых организмов является первичным продуктом фотосинтеза. Содержание в живой растительной клетке углеводов может колебаться в диапазоне 1-2 процентов, а в некоторых ситуациях этот показатель достигает 85-90 процентов.
Основными источниками энергии живых организмов являются моносахариды: глюкоза, фруктоза, рибоза.
В составе углеводов есть атомы кислорода, водорода, углерода. К примеру, глюкоза - источник энергии в организме, имеет формулу С6Н12О6. Существует подразделение всех углеводов (по строению) на простые и сложные соединения: моно- и полисахариды. По количеству углеродных атомов моносахариды делят на несколько групп:
- триозы;
- тетрозы;
- пентозы;
- гексозы;
- гептозы.
Моносахариды, которые имеют в составе пять и более углеродных атомов, при растворении в воде могут образовывать кольцевую структуру.
Основным источником энергии в организме является глюкоза. Дезоксирибоза и рибоза являются углеводами, имеющими особое значение для нуклеиновых кислот и АТФ.
Глюкоза - это главный источник энергии в организме. С процессами превращения моносахаридов напрямую связан биосинтез многих органических соединений, а также процесс выведения из него ядовитых соединений, которые попадают извне либо образуются в результате распада белковых молекул.
Отличительные особенности дисахаридов
Моносахарид и дисахарид - это основной источник энергии для организма. При объединении моносахаридов происходит отщепление, а продуктом взаимодействия выступает дисахарид.
Среди типичных представителей данной группы можно отметить сахарозу (тростниковый сахар), мальтозу (солодовый сахар), лактозу (молочный сахар).
Такой источник энергии для организма, как дисахариды, заслуживает детального изучения. Они отлично растворяются в воде, обладают сладким вкусом. Чрезмерное употребление сахарозы приводит к появлению серьезных сбоев в организме, поэтому так важно соблюдать нормы.
Полисахариды
Отличным источником энергии для организма служат такие вещества, как целлюлоза, гликоген, крахмал.
В первую очередь любой из них можно рассматривать как источник энергии для человеческого организма. В случае их ферментативного расщепления и распада происходит выделение большого количества энергии, используемой живой клеткой.
Этот источник энергии для организма выполняет и иные важные функции. Например, хитин, целлюлоза применяются в качестве строительного материала. Полисахариды отлично подходят организму в качестве запасных соединений, поскольку они не растворяются в воде, не оказывают химического и осмотического действия на клетку. Подобные свойства позволяют им сохраняться длительное время в живой клетке. В обезвоженном виде полисахариды способны увеличивать массу запасаемых продуктов благодаря экономии объема.
Такой источник энергии для организма способен противостоять болезнетворным бактериям, попадающим в организм вместе с пищей. В случае необходимости при гидролизе происходит превращение запасных полисахаридов в простые сахара.
Обмен углеводов
Как ведет себя главный источник энергии в организме? Углеводы поступают в большей степени в виде полисахаридов, к примеру, в виде крахмала. В результате гидролиза из него образуется глюкоза. Моносахарид всасывается в кровь, благодаря нескольким промежуточным реакциям он расщепляется на углекислый газ и воду. После окончательного окисления происходит высвобождение энергии, которую использует организм.
Процесс расщепления и крахмала протекает непосредственно в полости рта, в качестве катализатора реакции выступает фермент птиалин. В тонких кишках углеводы распадаются до моносахаридов. В кровь они всасываются в основном в виде глюкозы. Процесс протекает в верхних отделах кишечника, а вот в нижних углеводов почти нет. Вместе с кровью сахариды попадают в воротную вену, доходят до печени. В том случае, когда концентрация сахара в человеческой крови составляет 0,1 %, углеводы проходят через печень, оказываются в общем кровотоке.
Необходимо поддерживать постоянное количество сахара в крови около 0,1 %. При избыточном попадании в кровь сахаридов, излишки накапливаются в печени. Подобный процесс сопровождается резким падением сахара в крови.
Изменение уровня сахара в организме
Если в пище присутствует крахмал, это не приводит к масштабным изменениям сахара в крови, поскольку процесс гидролиза полисахарида протекает достаточно долго. Если доза сахара оставляет порядка 15-200 граммов, наблюдается резкое повышение его содержания в крови. Этот процесс называют алиментарной или пищевой гипергликемией. Избыточное количество сахара выводится почками, поэтому в моче содержится глюкоза.
Из организма почки начинают выводить сахар в том случае, если его уровень в крови достигает диапазона 0,15-0,18 %. Подобное явление возникает при единовременном употреблении существенного количества сахара, достаточно быстро проходит, не приводя к серьезным нарушениям обменных процессов в организме.
Если нарушается внутрисекреторная работа поджелудочной железы, возникает такое заболевание, как сахарный диабет. Оно сопровождается существенным увеличением количества сахара в крови, что приводит к потере печенью способности удерживать глюкозу, в итоге сахар выводится с мочой из организма.
Существенное количество гликогена может откладываться в мышцах, здесь он востребован при осуществлении химических реакций, происходящих в ходе сокращений мышц.
О важности глюкозы
Значение глюкозы для живого организма не ограничивается только энергетической функцией. Потребность в глюкозе возрастает при выполнении тяжелой физической работы. Удовлетворяется такая потребность путем расщепления в печени гликогена на глюкозу, которая поступает в кровь.
Данный моносахарид есть и в составе протоплазмы клеток, поэтому требуется для формирования новых клеток, особенно актуальна глюкоза в процессе роста. Особое значение имеет данный моносахарид для полноценной деятельности центральной нервной системы. Как только концентрация сахара в крови понижается до показателя 0,04 %, возникают судороги, человек теряет сознание. Это является прямым подтверждением того, что понижение сахара в крови вызывает мгновенное нарушение деятельности центральной нервной системы. Если пациенту вводят глюкозу в кровь либо предлагают сладкую пищу, все нарушения пропадают. При длительном понижении сахара в крови развивается гипогликемия. Она приводит к серьезным нарушениям деятельности организма, которые могу вызвать его смерть.
Коротко о жирах
В качестве еще одного источника энергии для живого организма можно рассматривать жиры. В их составе присутствуют углерод, кислород, водород. Жиры имеют сложное химическое строение, представляют собой соединения многоатомного спирта глицерина и жирных карбоновых кислот.
В ходе пищеварительных процессов происходит расщепление жира на составные части, из которых он был получен. Именно жиры являются составной частью протоплазмы, содержатся в тканях, органах, клетках живого организма. Они по праву считаются отличным источником энергии. Расщепление этих органических соединений начинается в желудке. В желудочном соке содержится липаза, которая превращает молекулы жира в глицерин и карбоновую кислоту.
Глицерин отлично всасывается, так как имеет хорошую растворимость в воде. Для растворения кислот используется желчь. Под ее влиянием эффективность воздействия на жир липазы возрастает до 15-20 раз. Из желудка пища движется в двенадцатиперстную кишку, где под действием сока происходит ее дальнейшее расщепление до продуктов, которые способны всасываться в лимфу и кровь.
Далее пищевая кашица движется по пищеварительному тракту, попадает в тонкий кишечник. Здесь происходит ее полное расщепление под влиянием кишечного сока, а также всасывание. В отличие от продуктов расщепления белков и углеводов, вещества, получаемые при гидролизе жиров, всасываются в лимфу. Глицерин и мыла после прохождения через клетки слизистой оболочки кишечника опять соединяются, формируют жир.
Подводя общий итог, отметим, что основными источниками энергии для организма человека и животных выступают белки, жиры, углеводы. Именно благодаря углеводному, белковому обмену, сопровождающемуся образованием дополнительной энергии, функционирует живой организм. Поэтому не стоит долго сидеть на диетах, ограничивая себя в каком-то конкретном микроэлементе или веществе, иначе это может отрицательно сказаться на здоровье и самочувствии.
