Лекція 9. Обмін речовин та енергії

План лекції:

1. Сутність обміну речовин та енергії.

2. Обмін білків та його регуляція.

3. Обмін вуглеводів, його значення та регуляція.

4. Обмін жирів.

5. Водно-сольовий обмін.

6. Вітаміни.

Обміном речовин і енергії називається сукупність хімічних і фізичних перетворень, які відбуваються в живому організмі і забезпечують його життєдіяльність. Обмін речовин і енергії є головною ознакою життя. Енергія, що вивільняється в процесі обміну речовин, необхідна для виконання роботи, росту, розвитку і забезпечення структури і функцій усіх елементів клітини. Обмін речовин (метаболізм) забезпечує відновлення постійно витрачуваних організмом речовин (вода, мінеральні речовини), органічних речовин, що розпадаються, постачає організму енергію. Обмін речовин (метаболізм) складається з процесів асиміляції і дисиміляції. Процеси, при яких витрачається енергія, називаються асиміляцією, або пластичним обміном, або анаболізмом. Сукупність процесів розпаду сполук, які відбуваються з вивільненням енергії, називаються дисиміляцією, або катаболізмом. Єдиним джерелом енергії для людини є окислення органічних речовин, що надходять з їжею. При розщепленні харчових продуктів до кінцевих елементів – вуглекислоти і води, виділяється енергія хімічних зв’язків.

Обмін білків. Білки – складні високомолекулярні сполуки, побудовані з амінокислот. Білки поділяються на дві групи – протеїни і протеїди. Протеїни – прості білки, які при гідролізі розпадаються лише на амінокислоти. Протеїди – складні білки, які розпадаються на амінокислоти та сполуки небілкової природи (вуглеводи, нуклеїнові кислоти). В організмі поряд з процесами розпаду білків спостерігається їх синтез. Амінокислоти, що всмоктались у тонкій кишці, частково йдуть на утворення специфічних білків сироватки (альбуміни, глобуліни, фібриноген). Основна частина амінокислот проходить через печінку, надходить до тканин організму і використовується на синтез тканинних білків, що визначають ріст і розвиток організму. Новоутворення білка і розпад його в організмі відбуваються безперервно. Білки в організмі не відкладаються про запас, тому при тяжкій хворобі або голодуванні в організмі відбувається процес розпаду власних білків і тому більша їх частина витрачається з енергетичною метою. Білки належать до незамінних речовин, їх синтез можливий тільки з амінокислот, їх існує 20. Встановлено, що з 20 амінокислот 12 синтезуються в організмі (замінні), а 8 не синтезуються (лейцин, ізолейцин, лізин, метіонін, триптофан та ін.) – це незамінні амінокислоти. Без надходження незамінних амінокислот синтез білка різко порушується, розвивається негативний баланс азоту, зупиняється ріст, знижується маса тіла. Харчові білки тваринного і рослинного походження мають різний набір амінокислот, тому можливість їх використання для потреб організму неоднакова, у зв’язку з цим існує поняття біологічної цінності білків (їжі). Більшість білків рослинного походження не мають тих чи інших амінокислот і тому називаються біологічно неповноцінними. Біологічно повноцінні білки містять у своєму складі весь необхідний для організму набір амінокислот у таких співвідношеннях, які забезпечують усі процеси синтезу. Добова потреба білка становить 118–120 г. Про нормальний перебіг білкового обміну судять за кількістю азоту, введеного в організм з білком і виведеного з нього (з сечею та калом). Засвоєння азоту підраховують за різницею. У дорослої здорової людини спостерігається стан азотної рівноваги. Регуляція білкового метаболізму складна і вивчена недостатньо. Вважається, що всі залози внутрішньої секреції впливають на процеси синтезу й обміну білка.

Обмін вуглеводів. Вуглеводи є основним джерелом енергії в організмі, надходять вони головним чином у вигляді рослинного полісахариду – крохмалю і тваринного полісахариду – глікогену. Вуглеводи входять до складу складових клітини, забезпечують нормальну життєдіяльність ЦНС, підтримують гомеостаз. Вуглеводи у травному каналі розпадаються до глюкози, з тонкого кишечника глюкоза всмоктується в кров і надходить до клітин і тканин. Концентрація глюкози в крові у нормі коливається від 4,45 до 6,65 ммоль/л. Зниження рівня глюкози в крові нижче 4,45 ммоль/л називається гіпоглікемією, збільшення вище 6,65 – гіперглікемією. Надлишок глюкози в крові виводиться з сечею. У клітинах і тканинах вуглеводи (глюкоза) розщеплюються на воду та вуглекислий газ з вивільненням енергії, енергетична цінність 1 г вуглеводів становить 4,1 ккал (17,18 кДж). Глюкоза, яка надходить у печінку, перетворюється на глікоген (резервний вуглевод організму), і депонується в клітинах печінки (глікоген також може відкладатися в клітинах інших органів, зокрема у м’язах).

Процес утворення глікогену з глюкози називається глікогенезом, процес розпаду глікогену до глюкози під дією ферментів – глікогенолізом. При потребі відбувається розщеплення глікогену і утворена при цьому глюкоза надходить у кров і далі в клітини організму, де використовується. Більша частина глюкози, після перетворень у циклі Кребса, використовується при синтезі аденозинтрифосфату (АТФ) у процесі окислювального фосфорилювання. За відсутності кисню АТФ може утворюватись за рахунок енергії гліколізу, тобто анаеробного розщеплення вуглеводів. Добова потреба людини в засвоюваних вуглеводах при фізичній праці середнього ступеня важкості становить 350–440 г. При недостатньому надходженні вуглеводів з їжею вони можуть утворюватись із білків і жирів.

Регуляція вуглеводного обміну здійснюється насамперед гормонами: підшлункової залози (інсулін), гормоном глюкагон (підвищує вміст цукру в крові), гормоном мозкового шару наднирок (адреналін), важливий вплив на вуглеводний обмін здійснює ЦНС.

Обмін жирів. Жири (ліпіди) – це нерозчинні у воді органічні сполуки, які містяться у живих клітинах. Ліпіди є структурними компонентами клітинних мембран, являються структурами, у яких депонуються запаси «енергетичного палива» і водночас структурами, які транспортують це паливо, вони є основою деяких тканинних структур, можуть бути біологічно активними. Ліпіди поділяються на прості, складні та деривати. До простих належать нейтральні жири та воски, до складних – ліпоїди (фосфоліпіди, гліколіпіди, сульфоліпіди), до дериватів (продукти розщеплення складних або простих ліпідів) відносяться насичені та ненасичені жирні кислоти, моно і дигліцериди, стеарини та стероїди тощо. Основну масу простих ліпідів у організмі людини становлять нейтральні жири, які використовуються головним чином як енергетичний матеріал. Теплотворна здатність жирів більше ніж у 2 рази перевищує теплотворну здатність вуглеводів і білків – при окисленні 1 г жиру до води і вуглекислого газу виділяється 9,3 ккал (38,97 кДж).

Специфічні для організму жири синтезуються з гліцерину та жирних кислот і надходять у лімфу. Надлишок жиру відкладається у вигляді запасного в підшкірній клітковині, сальниках, навколо внутрішніх органів, і відіграє роль жирового депо організму. При голодуванні жирові запаси є джерелом утворення вуглеводів. Надлишки білків і вуглеводів, що надходять до організму, перетворюються на жири. Добова потреба дорослої людини в жирах становить 1,3–1,5 г на 1 кг маси тіла.

Водно-сольовий обмін. Вода є найважливішим структурним компонентом тіла, кількість її становить 60 % від маси тіла; вода є універсальним розчинником багатьох речовин. Без води людина гине через кілька діб. Надходження води регулюється потребою людини, ця потреба проявляється відчуттям спраги, яке виникає при збудженні питного центру у гіпоталамусі. Добова потреба людини у воді 2–2,5 л. Вода в організмі перебуває у вигляді сольових розчинів, основна маса її входить до складу цитоплазми клітин та плазми крові, позаклітинна вода входить до складу тканинної рідини та плазми крові. Регуляторний вплив на обмін води в організмі людини здійснюють антидіуретичний гормон вазопресин (задня доля гіпофіза), який зменшує виділення води, і гормон кори наднирок альдостерон, який збільшує виділення води. З неорганічних речовин найбільше фізіологічне значення мають іони натрію, калію, кальцію, магнію, заліза, міді, сірки, фосфору, йоду, цинку. Неорганічні речовини підтримують необхідний осмотичний тиск, беруть участь у ферментативних реакціях, в регуляції кислотно-лужної рівноваги. Калій міститься переважно в клітинах, він забезпечує осмотичний тиск внутрішньоклітинної рідини, стимулює утворення ацетилхоліну, бере участь в обмінних процесах. Натрій забезпечує постійність осмотичного тиску позаклітинної рідини, бере участь у регуляції кислотно-лужної рівноваги. Хлор входить до складу соляної кислоти шлункового соку. Залізо, марганець, кобальт і мідь потрібні для кровотворення. Кальцій і фосфор – для росту кісток. Йод входить до складу гормонів щитовидної залози, сірка та цинк – підшлункової залози, бром – гіпофіза. Мінеральні речовини людина одержує з їжею і водою. Виводяться вони з організму нирками, через шкіру і травний канал.

Вітаміни – група органічних сполук різноманітної хімічної природи, які необхідні для нормальної життєдіяльності організму людини: вони входять до складу ферментів, беруть безпосередню участь в обміні речовин, забезпечують засвоєння поживних речовин тканинами організму. Відсутність (авітаміноз) або недостатність (гіповітаміноз) в організмі якого-небудь вітаміну може призвести до розвитку патологічних змін, як і перебільшення кількості в організмі якого-небудь вітаміну (гіпервітаміноз). До організму людини вітаміни надходять з їжею, деякі вітаміни синтезуються мікрофлорою кишок. Вітаміни поділяються на дві групи: жиророзчинні і водорозчинні.

Вітамін А (ретинол) жиророзчинний, при його відсутності у дітей зупиняється ріст, знижується імунітет, порушується сутінковий зір. Вітамін міститься в жирі печінки морських тварин і риб, вершковому маслі, молоці, жовтку яєць. У моркві, листі петрушки, абрикосах міститься попередник вітаміну А – каротин, з якого в клітинах печінки і кишок утворюється ретинол.

Кальцифероли (вітаміни групи Д) – регулюють обмін фосфору та кальцію, сприяють їх усмоктуванню з кишок і відкладанню в кістках. Вітаміни містяться в риб’ячому жирі, ікрі, вершковому маслі, молоці, жовтку яєць.

Токофероли (вітаміни групи Е) – антиокислювачі. Токофероли беруть участь в обмінних процесах у м’язовій тканині, синтезі білків у печінці, входять до складу мембрани клітини, стимулюють роботу серцевого м’яза. Містяться в зелених листках рослин, особливо в салаті, плодах шипшини, обліпихи, у м’ясі, яйцях, рослинних маслах.

Філохінони(вітаміни групи К) – антигеморагічні; вони беруть участь у синтезі протромбіну та інших прокоагулянтів, є стимуляторами скорочувальної функції непосмугованої м’язової тканини кишок, матки, бронхів. Містяться в зеленій капусті, шпинаті, моркві, листках кропиви, печінці, і синтезуються мікрофлорою товстої кишки.

Вітамін В₁(тіамін) антиневротичний; бере участь в обміні вуглеводів, білків і жирів, у передачі збудження в нервовій системі та ін., впливає на синтез ацетилхоліну (медіатор), забезпечує нормальний ріст і роботу серця. Тіамін міститься в хлібі, пивних дріжджах, гречаній та інших крупах, печінці. При гіповітамінозі В₁спостерігається втома, подразливість, втрата апетиту, зниження уваги. При авітамінозі розвивається хвороба «бері-бері», основними проявами якої є поліневрит, недостатність серця, судин, різке виснаження організму.

Рибофлавін (вітамін В₂) впливає на ріст і розвиток плоду і дитини. Вітамін бере участь в окислювально-відновних реакціях організму, які особливо інтенсивно протікають у ЦНС, впливає на функцію зорового аналізатора, синтез гемоглобіну, підсилює кольорове та світлове відчуття. Міститься в хлібі, зернових і бобових культурах, яйцях, печінці тріски, м’ясі, нирках, серці, в пекарських і пивних дріжджах. При гіпо- та авітамінозі розвивається запалення слизової оболонки рота, язика, губ, щік, розвивається катаракта, випадіння волосся, уражується нервова система, розвиваються незагойні (трофічні) виразки.

Аскорбінова кислота (вітамін С) – антицинготний, бере участь в окислювально-відновних процесах, тканинному диханні, підвищує стійкість організму до інфекцій та інтоксикацій, зміцнює стінки судин. Міститься в цибулі, лимоні, чорній смородині та ін.