Пластический и энергетический обмен - Учебное пособие по биологии для учеников 8 класса

Пластический и энергетический обмен

В организме человека, в каждой его клетке, происходят сложные химические превращения, образуются одни вещества, разрушаются другие. Для одних процессов необходима энергия, в ходе других она, наоборот, выделяется.

Проявлением жизненных процессов, протекающих в клетках, является обмен веществ между организмом и окружающей средой.  Из внешней среды организм получает кислород, органические вещества, минеральные соли, воду. Во внешнюю среду отдаёт конечные продукты обмена веществ: углекислый газ, излишек воды, минеральных солей, а также мочевину, соли мочевой кислоты и некоторые другие вещества.

В процессе этого обмена наш организм получает необходимую для жизни энергию, заключённую в органических веществах (продуктах животного и растительного происхождения). Часть образующейся энергии организм отдаёт в окружающее пространство: она рассеивается в виде тепла.

Обмен веществ между организмом и окружающей средой – необходимое условие существования живых организмов, это один из основных признаков живого.

Совокупность процессов, приводящих к усвоению веществ и накоплению энергии, называется пластическим обменом  (от греч. «пластика» – лепить). Это – точное название: ведь из питательных веществ, поступающих в клетки, строятся свойственные организму белки, жиры, углеводы, которые, в свою очередь, идут уже на создание новых клеток, их органоидов, межклеточного вещества.

Обмен веществ – одна из основных функций организма

За счёт пластического обмена происходит рост, развитие и деление каждой клетки. Учёные подсчитали, что в течение жизни почти все клетки нашего организма сменяются несколько раз. За год кровь полностью обновляется три раза, за сутки заменяется 450 млрд эритроцитов, до 30 млрд лейкоцитов, 1/75 всех костных клеток скелета, до 50 % эпителиальных клеток желудка и кишечника.

Вы знаете, что необходимая для организма энергия поступает в организм с пищей, содержащей сложные органические вещества. В результате целого ряда превращений эти вещества, но уже в более простом, доступном для организма виде попадают в клетки. Здесь они расщепляются. Например, глюкоза – до воды и углекислого газа. Освободившаяся при этом энергия используется клетками для поддержания своей жизнедеятельности или выполнения той или иной работы: сокращения мышц, проведения нервных импульсов, создания новых веществ.

Регуляция обмена веществ осуществляется нервным и гуморальным путём

Этот процесс, в ходе которого происходит распад части поступающих в клетки органических веществ с выделением энергии, называется энергетическим обменом.

Процессы пластического и энергетического обмена происходят одновременно, они тесно взаимосвязаны. Это две стороны единого процесса обмена веществ и энергии.

Оба вида обмена взаимосвязаны, но не всегда уравновешены. Здесь основное значение имеет возраст человека. В молодом возрасте преобладает пластический обмен: человек растёт, развивается. А вот у людей пожилого возраста, наоборот, начинает преобладать энергетический обмен.

Главная функция пищевых аминокислот – пластическая , т. е. из них строятся все белки  нашего организма. Гораздо реже белки используются как источник энергии: при распаде 1 г белков выделяется 17,6 кДж энергии.

Аминокислоты, входящие в состав белков нашего организма, делятся на заменимые и незаменимые. Заменимые аминокислоты  (например, глицин, серии и др.) могут синтезироваться в нашем организме из других аминокислот, поступающих с пищей. Однако 12 необходимых нам аминокислот не могут синтезироваться в организме человека и обязательно должны присутствовать в белках пищи. Эти аминокислоты называют незаменимыми  (например, лизин, триптофан, лейцин). Пищевые белки, содержащие все необходимые человеку аминокислоты, называют полноценными.  Это в основном белки животного происхождения. Пищевые белки, в которых отсутствуют какие‑либо незаменимые аминокислоты, называют неполноценными.  Неполноценными белками являются, например, белки кукурузы, ячменя, пшеницы. В сутки с пищей в организм должно поступать не менее 40 г белков, оптимальное количество – приблизительно 100–150 г. Распадаясь, аминокислоты образуют воду, углекислый газ и ядовитый аммиак. В клетках печени из аммиака быстро образуется мочевина. Вода и мочевина выводятся из организма через почки в составе мочи, а углекислый газ выдыхается через лёгкие.

Главным источником энергии в организме являются углеводы.  Глюкоза особенно необходима для нормальной работы мозга. Снижение содержания глюкозы в плазме крови с 0,1 до 0,05 % приводит к быстрой потере сознания, судорогам и гибели человека. Взрослому человеку с пищей необходимо получать не менее 150 г углеводов в сутки, оптимальной является величина 500 г в сутки. Помимо энергетической, углеводы выполняют также другие функции, например входят в состав нуклеиновых кислот. Продукты распада углеводов выводятся из организма через почки (вода) и лёгкие (углекислый газ).

Белки

Углеводы

Жиры  служат источником энергии для организма человека. Распад 1 г жиров приводит к высвобождению 38,9 кДж энергии. Значительная часть энергетических потребностей печени, мышц, почек (но не мозга!) покрывается за счёт окисления жиров. Потребность в жирах определяется энергетическими затратами организма в целом и составляет в среднем 80–100 г в сутки. Избыток жира откладывается в подкожной жировой клетчатке. Там могут образовываться жировые депо, покрывающие затраты жира в течение многих суток. Распадаются жиры до углекислого газа и воды. Углекислый газ выдыхается через лёгкие, а вода выводится с мочой.

Вода  – наиболее распространённое вещество в нашем организме. Взрослый человек состоит приблизительно на 65 % из воды, а человеческий эмбрион содержит около 90 % воды. В сутки организм человека теряет около 2,0–2,5 л воды. Столько же он должен получать в сумме с питьём (1 л) и пищей (1 л). Вода и растворённые в ней минеральные соли всасываются на протяжении всего желудочно‑кишечного тракта, но более всего – через ворсинки тонкого кишечника. Вода необходима организму в качестве среды, в которой протекают все химические реакции. Она является транспортным средством, перенося растворы веществ по всему организму (плазма крови, лимфа, межклеточная жидкость). Вода нужна для поддержания постоянной температуры тела.

Удаляется вода из организма через почки (около 1 л в сутки), кожу (0,8 л в сутки), с парами воздуха через лёгкие (0,5 л в сутки), с калом (0,15 л в сутки).

Из неорганических веществ помимо воды организм нуждается в постоянном поступлении минеральных солей.  И хотя они составляют не более 4 % от массы тела, набор их очень разнообразен. Ежедневно в организм человека с пищей и питьём должны поступать такие элементы, как натрий, хлор, калий, кальций, фосфор, железо. Эти вещества называют макроэлементами.  А микроэлементы  (медь, иод, цинк, фтор и многие другие) необходимы человеку в очень малых дозах – долях миллиграмма, но нормальная жизнедеятельность без них абсолютно невозможна.

Жиры

• Необходимое количество пищи зависит от образа жизни: сталевару нужно поглощать больше калорий, чем продавцу мороженого. Хотя существуют профессии, требующие на первый взгляд малых затрат энергии, но на самом деле являющиеся чрезвычайно «энергоёмкими». Например, дирижёр симфонического оркестра благодаря эмоциональному и физическому напряжению теряет за время концерта до 2 кг.

• Учёные‑диетологи подсчитали, что среднему взрослому человеку необходимо 14 кг пищи в неделю. Но на самом‑то деле нужно подсчитывать не вес съеденных продуктов, а число калорий, поступивших в организм с пищей.

• Минимально взрослому человеку необходимо для жизнедеятельности около 1700 ккал в сутки. При умственной и особенно при физической нагрузке энергетические затраты существенно возрастают. При умеренной физической нагрузке человеку необходимо 2300 ккал в сутки, при тяжёлой физической нагрузке это количество увеличивается вдвое. Школьники 13–15 лет расходуют около 2500 ккал в сутки, сталевары – 5000 ккал и более.

• Надо сказать, что рекорд принадлежит не сталеварам. Во время родов организм женщины тратит энергии столько, сколько потребляет организм альпиниста при подъёме на самую высокую вершину Западной Европы – Монблан. У человека, находящегося в спокойном состоянии, мышцы используют 26 % энергии, печень – 25, мозг – 18, сердце – 9, почки – 7 %. При физической нагрузке энергетические затраты мышц и сердца возрастают в 4–6 раз, а мозга и печени – не меняются.

• Все реакции обмена веществ регулируются нервной и эндокринной системами.

• Обезвоживание организма приводит к быстрой гибели человека. Без воды человек может прожить не более 5–6 дней, тогда как без пищи может обходиться более 50 дней.

• Большая часть кальция человеческого организма содержится в костной ткани, эмали и дентине зубов. Кроме этого, соли кальция обязательно входят в состав плазмы крови. Без кальция кровь теряет способность к свёртыванию. Кальций играет роль одного из важнейших регуляторных факторов в организме. Он уменьшает проницаемость стенок сосудов, необходим для нормального сокращения мышц, активирует множество ферментов клеток, стимулирует выработку многих гормонов, оказывает противовоспалительное действие. К сожалению, кальций усваивается организмом слабо, так как присутствует в пище в виде малорастворимых или даже совсем нерастворимых в воде соединений. Самый надёжный источник кальция – молочные продукты.

• В теле человека содержится всего около 4–5 г железа. Большая его часть (около 80 %) входит в состав гемоглобина. Кроме того, железо является необходимой составной частью многих ферментов. Если железа мало в пище или оно плохо усваивается организмом, то у человека возникает целый ряд расстройств, из которых самым известным является малокровие , или анемия . Железа много в печени, мясе, петрушке, укропе, гречке, яблоках. Имеются в продаже и минеральные воды, содержащие много железа.

• Более 100 лет тому назад было доказано, что иод накапливается в щитовидной железе. Затем установили, что иод является необходимым компонентом гормонов этой железы. О роли этих гормонов в организме вы уже знаете. Суточная потребность человека в иоде 100–150 мкг в сутки, а у беременных и кормящих женщин – в два раза выше. Иод поступает в наш организм с водой, морскими продуктами, молоком, некоторыми овощами.

• Надо сказать, что многие элементы, ранее считавшиеся ядовитыми, необходимы человеку для нормальной жизни, но в очень маленьких количествах. К ним относятся, например, медь, цинк, селен, хром, кобальт, алюминий.

• Отложения жира в подкожной клетчатке организм использует с трудом. Таким образом, получается, что это не столько запас «на чёрный день», сколько свалка лишнего жира. Для того чтобы потерять 1 кг жира, человек должен пройти около 120 км.

Проверьте свои знания

1. Какие вещества получает организм из внешней среды; выделяет во внешнюю среду?

2. Из каких противоположно направленных процессов состоит обмен веществ?

3. Объясните, на каком основании все аминокислоты, поступающие в наш организм, делят на заменимые и незаменимые. Приведите примеры тех и других аминокислот.

4. Что такое неполноценные белки?

5. Почему при утомлении человеку часто рекомендуют съесть что‑то сладкое?

6. Сравните энергетическую ценность белков, жиров и углеводов.

7. Каковы конечные продукты распада белков, жиров, углеводов при обмене веществ? Какова их дальнейшая судьба?

8. Известно, что человек тяжелее переносит нехватку воды, чем отсутствие пищи. Почему? Сколько воды необходимо человеку в сутки?

9. Почему пластический и энергетический обмен неразрывно связаны между собой и являются двумя сторонами единого процесса обмена веществ и энергии?

Обмен веществ и энергии – один из основных признаков живого. В процессе пластического обмена организм усваивает вещества и накапливает энергию. В процессе энергетического обмена органические вещества в организме распадаются с выделением энергии. Процессы пластического и энергетического обмена происходят одновременно и являются двумя сторонами единого процесса обмена веществ и энергии.