Основы жизнедеятельности

1. Обмен веществ и энергии.

а) Обмен веществ. Этапы.

б) Промежуточный обмен. Катаболизм. Анаболизм.

в) Минеральный обмен.

г) Обмен углеводов.

д) Обмен жиров.

е) Обмен белков. Коэффициент изнашивания Рубнера.

2. Термодинамика живых систем.

а) Принцип устойчивого неравновесия живых систем.

б) Законы термодинамики.

в) КПД живой клетки.

г) Первичная и вторичная теплота.

д) Основной обмен. Закон поверхности тела Рубнера.

е) Расход энергии при физической нагрузке.

 

Обмен веществ и энергии составляет основу жизнедеятельности и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи. В процессе обмена питательные вещества превращаются в собственные компоненты тканей и конечные продукты метаболизма. При этих превращениях поглощается и высвобождается энергия. Использование химической энергии в организме называют энергетическим обменом. Энергетический обмен измеряется количеством выделяющегося тепла. Например, при окислении 1 моль глюкозы (180 г) выделяется 686 ккал тепла.

Выделившиеся в результате химических реакций в организме энергия используется в дыхательном обмене клеток, преобразуется в другие биологические полезные формы — электрическую, осмотическую, механическую. Основная часть энергия выделяется в виде тепла.

Выделившиеся в результате химических реакций в организме энергия используется в дыхательном обмене клеток, преобразуется в другие биологически полезные формы — электрическую, осмотическую, механическую. Основная часть энергии выделяется в виде тепла.

Химическая работа обеспечивает обмен белков, жиров и углеводов, рост и размножение клеток, синтез и передачу наследственной информации. Осмотическая работа способствует трансмембранному переносу веществ (натрия, калия, хлора, кальция и др.); накоплению в клетке и выведению продуктов метаболизма; поддержанию постоянства состава клеточной и тканевой жидкости.

Электрическая работа поддерживает разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны, вследствие чего клетка реагирует на воздействия внешней и внутренней среды процессом возбуждения, одним из проявлений которого является трансмембранный электрический ток (потенциал действия).

Механическая работа определяет разные формы движения — от потоков цитоплазмы в клетке и трепетания ресничек эпителия в кишечнике, до согласованного сокращения различных групп мышц в сложных двигательных актах.

Питательные вещества для человека являются единственным источником энергии. Пластическая роль питательных веществ состоит в том, что из них после химических превращений образуются собственные структурные компоненты клеток и тканей.

Процесс обмена веществ подчиняется всеобщему закону сохранения материи: при всех явлениях природы видоизменяется только форма вещества, количество же его остается постоянным.

Условно в процессе обмена веществ можно выделить три этапа.

Первый этап — ферментативное расщепление питательных веществ и всасывание их в кровь, лимфу.

Второй этап — транспорт питательных веществ жидкими средами организма к тканям и клеточный метаболизм.

Третий этап — выведение конечных продуктов.

Промежуточный обмен — совокупность химических превращений переваренных питательных веществ с момента поступления их в кровь до начала выделения конечных продуктов из организма.

Промежуточный обмен состоит: из катаболизма и анаболизма.

Катаболизм — ферментативное расщепление в процессе окислительных реакций крупных органических молекул на более простые, в результате чего выделяется заключенная в них энергия. Часть этой энергии накапливается в виде АТФ и используется для выполнения биологически полезных форм работы (например, мышечного сокращения).

Анаболизм — ферментативный синтез из простых органических молекул крупномолекулярных клеточных компонентов — полисахаридов, нуклеиновых кислот, белков, липидов. Анаболические реакции протекают с использованием энергии и обеспечивают обновление, рост и регенерацию тканей.

Клеточный метаболизм

Все клетки организма имеют примерно одинаковый набор неорганических и органических веществ. Вода является той общей средой, в которой находятся все компоненты протекающих в клетке химических реакций. Молекулы кислорода и углекислого газа участвуют в реакциях биологического окисления, ионы натрия, калия, хлора определяют электрические свойства клеток, нерастворимые соли (кальций) придают структурам устойчивость и пластичность.

Минеральный обмен

Процессы всасывания, усвоения, распределения, превращения и выделения из организма неорганических соединений составляют в совокупности минеральный обмен.

Основными источниками минеральных веществ являются пищевые продукты — мясо, молоко, черный хлеб, бобовые, овощи. Соли должны составлять 4% сухой массы пищи. Основными физиологически активными являются ионы натрия, калия, кальция, магния. В состав жидких сред входят также ионы железа, марганца, цинка, кобальта, йода и др.

В организме здорового человека массой тела около 70 кг содержится 150—170 г натрия, 3200—3150 ммоль калия.

Физиологическая роль калия чрезвычайно высока:

1) участвует во всех видах обмена веществ, особенно белков и углеводов;

2) участвует в синтезе АТФ, и поэтому влияет на сократимость. Недостаток его вызывает атонию скелетных мышц; избыток — повышение тонуса, а очень высокое содержание парализует мышцу;

3) участвует в синтезе ацетилхолина и влияет на синаптическую передачу возбуждения;

4) вызывает расширение сосудов;

5) обеспечивает клетке способность к возбуждению.

Нормальное содержание кальция в плазме 2,1—2,6 ммоль/л. Кальций принимает активное участие в процессах возбуждения, синаптической передаче, мышечном сокращении, участвует в окислении жиров и углеводов, в свертывании крови, формирует структурную основу костного скелета.

Главная роль в регуляции равновесия между кальцием плазмы и кальцием костей принадлежит гормону околощитовидных желез (паратирин).

Суточная потребность в магнии 150—450 мг. При недостатке магния наблюдаются мышечная слабость, в том числе и сердечной мышцы, угнетение дыхания.

Общее содержание хлора в организме 2000 м/моль. Он является вторым после натрия внеклеточным анионом. Участвует в процессах возбуждения и торможения, в синаптической передаче, в образовании соляной кислоты желудочного сока.

Обмен углеводов

Биологическая роль углеводов для человека определяется, прежде всего, его энергетической ценностью. Процессы превращения углеводов обеспечивают 60% суммарного энергообмена.

При окислении 1 г углеводов выделяется 4 ккал тепла. Углеводы используются либо как прямой источник химической энергии (глюкозо-6-фосфат), либо как энергетический резерв (гликоген). Основные углеводы — сахара, крахмал, клетчатка — содержатся в растительной пище, суточная потребность в которой взрослого человека составляет около 500 г (минимальная потребность
100—150 г в сутки).

Мышечная ткань, особенно при активной работе, извлекает из крови значительное количество глюкозы. В мышцах из глюкозы синтезируется гликоген. Распад гликогена (гликолиз) является одним из источников энергии мышечного сокращения.

Мозг не имеет депо гликогена, поэтому он нуждается в постоянном поступлении глюкозы. Углеводы – единственный источник, за счёт которого в норме покрываются энергетические расходы мозга. Ткань мозга поглощает около 70% глюкозы, выделяемой печенью.

Около 70% углеводов пищи окисляется в тканях до воды и двуокиси углерода; 25% глюкозы крови превращается в жир; из
2—5% в печени и в мышцах путем гликогенеза синтезируется гликоген.

Уровень глюкозы в крови регулируется гормонами — инсулином, глюкагоном, адреналином, соматотропином и кортизолом.

Обмен жиров

Суммарное количество жиров в организме человека составляет 10—20% массы тела.

Суточная потребность 70—80 г. Жиры, поступившие в пищеварительный тракт, распадаются на глицерин и жирные кислоты, которые всасываются в лимфатические сосуды, а оттуда поступают в кровь. В процессе окисления жирные кислоты превращаются в ацетилкоэнзим А, при помощи которого осуществляется связь углеводного и жирового обменов. Уровень жирных кислот в организме регулируется как отложением их в жировой ткани, так и высвобождением из нее.

Жиры, весьма неоднородные в химическом отношении выполняют следующие функции. Нейтральные жиры пищи являются важнейшим источником энергии. При окислении 1 г вещества выделяется максимальное по сравнению с окислением белков и углеводов количество энергии — 9,0 ккал. За счет окисления нейтральных жиров образуется 50% всей энергии в организме. Жиры, депонированные в подкожной клетчатке, предохраняют организм от потерь тепла, а окружающие внутренние органы — от механических повреждений. Увеличение массы тела на 20—25% против нормы считается предельно допустимой физиологической границей.

Фосфо - и гликолипиды входят в состав всех клеток, особенно нервных. Фосфолипиды синтезируются в печени и в кишечной стенке.

Бурый жир представлен особой жировой тканью, располагающейся в области шеи и верхней части спины у новорожденных и грудных детей. В небольшом количестве бурый жир имеется и взрослого человека. Продукция тепла бурым жиром (на единицу массы его ткани) в 20 и более раз превышает таковую обычной жировой ткани. Несмотря на минимальное содержание бурого жира, в нем может генерироваться 1/3 всего образующегося в организме тепла. Бурому жиру принадлежит важная роль в адаптации организма к низким температурам. Следует отметить, что бурый жир является также источником эндогенной воды.

Высшие жирные кислоты являются основным продуктом гидролиза липидов в кишечнике. Суточная потребность в них составляет 10—12 г. Линолевая и линоленовая кислоты содержатся в растительных жирах, арахидоновая — только в животных. Они необходимы для построения и сохранения липопротеидных клеточных мембран, для синтеза простагландинов и половых гормонов.

Дефицит незаменимых жирных кислот в пище приводит к замедлению роста и развития организма, снижению репродуктивной функции и различным поражениям кожи.

Регуляция липолиза и липогенеза осуществляется гормонами надпочечников (адреналин) и поджелудочной железы (инсулин), усиливают липолиз, активируют фазу катаболизма. Хронический стресс, сопровождаемый напряжением симпатико-адреналовой системы, приводит к истощению жировых депо и потере массы тела. Напротив, дефицит инсулина, например, при сахарном диабете, сочетается с ожирением.

Незаменимые сложные жиры — фосфатиды и стерины. Ими поддерживается постоянство состава цитоплазмы нервных клеток, синтезируются половые гормоны и гормоны коркового вещества надпочечников, некоторые витамины (например, витамин Д).

Конечный продукт окисления жирных кислот в печени — ацетилкоэнзим А — является исходным продуктом для цикла трикарбоновых кислот. В этом цикле завершается его сгорание до воды и двуокиси углерода. Некоторая часть ацетилкоэнзима А используется для образования холестерола и кетоновых тел.

Кетоновые тела — специфический продукт метаболизма жирных кислот; участвуют в энергетическом обмене. При длительном голодании кетоновые тела используются в качестве дополнительного энергетического источника головным мозгом.

Обмен белков

Функции белков в организме многообразны. Пластическое или структурное значение белков состоит в том, что они входят в состав всех клеток и межтканевых структур, а также обеспечивают рост и развитие организма за счет процессов биосинтеза.

Каталитическая, или ферментативная, активность белков регулирует скорость биохимических реакций, определяет все стороны обмена веществ и образования энергии не только из самих протеинов, но и из углеводов и жиров.

Защитная функция заключается в образовании иммунных белков — антител. Белки способны связывать токсины и яды, обеспечивают свертываемость крови (гемостаз).

Транспортная функция — перенос кислорода и двуокиси углерода эритроцитным белком — гемоглобином; связывание и перенос некоторых ионов (железо, медь, водород), лекарственных веществ, токсинов.

Энергетическая роль белков определяется их способностью освобождать при окислении энергию: 1 г белка аккумулирует 4 ккал. По степени важности пластическая роль белков в метаболизме превосходит их собственную энергетическую, а также пластическую роль других питательных веществ. Особенно велика потребность в белке в периоды роста, беременности, выздоровления после тяжелых заболеваний.

Для поддержания азотистого равновесия в организме требуется как минимум 30—45 г животного белка в сутки — физиологический минимум белка.

Белки органов и тканей нуждаются в постоянном обновлении. Около 400 г белка из 6 кг, составляющих белковый «фонд» организма, ежедневно подвергается катаболизму и должно быть возмещено эквивалентным количеством вновь образованных белков в анаболической фазе белкового обмена. Минимальное количество белка, постоянно распадающегося в организме называется коэффициентом изнашивания Рубнера. Потеря белка у человека массой 70 кг равна 23 г/сут. Поступление в организме белка в меньшем количестве ведет к отрицательному азотистому балансу, не удовлетворяющему пластические и энергетические потребности организма.

Для полного удовлетворения потребности организма в белке в сутки человек должен получить 80—100 г белка, в том числе 30 г животного происхождения, а при физических нагрузках —
130—150 г. Эти количества в среднем соответствуют физиологическому оптимуму белка — 1 г на 1 кг массы тела.

Гормональная регуляция метаболизма белков обеспечивает динамическое равновесие их синтеза и распада. Анаболизм белков контролируется гормонами аденогипофиза (соматотропин), поджелудочной железы (инсулин), мужских половых желез (андроген). Усиление анаболической фазы метаболизма белков при избытке этих гормонов выражается в усиленном росте, увеличении массы тела. В ряде случаев, например, в период полового созревания, эти явления имеют физиологический характер. В других случаях (например, при опухоли гипофиза) могут развиться гигантизм и другие гиперпластические процессы. Недостаток анаболических гормонов (например, соматотропина) вызывает задержку роста у детей.

Катаболизм белков регулирует щитовидная железа (тироксин, трийодтиронин). Корковые (глюкокортикоиды) и мозговые (адреналин) структуры надпочечников также принимают участие в этом процессе. Избыток этих гормонов усиливает распад белков в тканях, что сопровождается истощением и отрицательным азотистым балансом. Недостаток гормонов, например, щитовидной железы сопровождается ожирением.

Большое значение для здоровой жизнедеятельности имеют витамины. Это органические низкомолекулярные соединения, поступающие с пищей или синтезируемые в самом организме. Витамины не являются пластическим материалом и не участвуют непосредственно в энергетическом обмене. Вместе с тем, функции их многообразны, а недостаток, или избыток приводит к серьезным нарушениям метаболизма.

Обмен энергии

В основе процессов обмена энергии лежат законы термодинамики — взаимных превращений различных видов энергии при переходах ее от одних тел к другим в форме теплоты или работы.

С точки зрения термодинамики живые организмы относятся к открытым стационарным неравновесным системам. Это означает, что:

1) они обмениваются с окружающей средой веществом и энергией;

2) способны в течение определенного времени удерживать свои основные параметры и под влиянием внешней среды переходить из одного стационарного состояния в другое в пределах колебаний жизненно важных констант, допустимых для сохранения жизни;

3) благодаря наличию в организме множества градиентов и потенциалов создаются условия для неравновесного распределения вещества и энергия между живыми системами и окружающей средой.

Принцип устойчивого неравновесия живых систем гласит: «Живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии».

Законы термодинамики

Первый закон термодинамики — закон сохранения и превращения энергии (Ломоносов М.В., 1748).

«Энергия не исчезает и не творится вновь, а только переходит из одной формы в другую: механическая работа, кинетическая энергия и теплота могут превращаться друг в друга».

Второй закон термодинамики (Больцман, 1880) гласит:

«Если любой вид энергии можно трансформировать в эквивалентное количество тепла, то в случае обратного превращения полная трансформация невозможна».

Свободная энергия способна к превращениям и к совершению полезной работы. Связанная энергия составляет ту «непроизводительную» часть, которая не переходит в другие формы и рассеивается в виде тепла, характеризуя меру термодинамической неупорядоченности системы, называемую эктропией.

Коэффициент полезного действия живой клетки определяется:

 

КПД =	Внешняя работа	х 100%
	Вырабатываемая энергия

Вследствие энтропии КПД живых организмов всегда очень низок. При мышечном сокращении, например, 80% энергии теряются в виде теплоты и только 20% превращаются в механическую работу.