Самый главный источник энергии для организма. Источник внутренней энергии для организма человека
Первоначальным источником энергии для живых организмов служит энергия солнечного света. Фототрофы - растения и фотосинтезирующие микроорганизмы - непосредственно используют световую энергию для синтеза сложных органических веществ (жиров, белков, углеводов и др.), являющихся вторичными источниками энергии. Гетеротрофы, к которым относятся животные, используют химическую энергию, выделяющуюся при окислении органических веществ, синтезированных растениями.
Биоэнергетические процессы можно разделить на процессы производства и аккумуляции энергии и процессы, в которых за счет запасенной энергии выполняется полезная работа (Рис.1.1). Фотосинтез - основной биоэнергетический процесс на Земле. Это сложная многоступенчатая система фотофизических, фотохимических и темновых биохимических процессов, в которых энергия солнечного света трансформируется в химическую или электрохимическую формы энергии. В первом случае это энергия, заключенная в сложных органических молекулах, а во втором - энергия градиента протонов на мембранах, которая также преобразуется в химическую форму. В фотосинтезирующих организмах кванты солнечного света поглощаются молекулами хлорофилла и переводят их электроны в возбужденное состояние с повышенной энергией. Именно за счет энергии возбужденных электронов в молекулах хлорофилла фотосинтетическая система фототрофов из простых молекул углекислого газа и воды синтезирует глюкозу и другие органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, нуклеотиды и т.д.), из которых впоследствии в организме строятся углеводы, белки, жиры и нуклеиновые кислоты. Продуктом этих реакций также является молекулярный кислород.
Суммарное уравнение основных реакций фотосинтеза:
6 CO 2 + 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 (глюкоза) + 6 O 2 ,
где hн - энергия фотонов.
Глобальная роль фотосинтеза исключительно велика. Мощность солнечного излучения порядка 10 26 Вт. Из нее до поверхности Земли доходит около 2 10 17 Вт, а из этой величины примерно 4 10 13 Вт используется фотосинтезирующими организмами для синтеза органических веществ (Самойлов, 2004). Эта энергия поддерживает жизнь на Земле. За счет нее синтезируется около 7,510 10 тонн биомассы в год (в расчете на углерод). При этом порядка 4 10 10 тонн углерода фиксируется фитопланктоном в океане и 3,510 10 тонн - растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами на суше.
Человечество потребляет продукты фотосинтеза в виде пищи, съедая органические вещества, первично произведенные растениями или вторично произведенные животными, поедающими растения, и в виде топлива, в качестве которого на 90 % используются ранее запасенные продукты фотосинтеза - нефть и уголь (остальную энергию дают атомные и гидроэлектростанции).
Извлечение энергии, накопленной фототрофными организмами, и ее последующее использование осуществляется в процессах питания и дыхания. При прохождении по пищеварительному тракту пища размельчается, клетки разрушаются и биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, жиры и углеводы) расщепляются на низкомолекулярные мономеры (аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты и сахара), которые в кишечнике всасываются в кровь и транспортируются по всему организму. Из них клетки извлекают атомы водорода, несущие высокоэнергетические электроны, энергию которых удается частично запасать в виде молекул аденозинтрифосфата (adenosine triphosphate, ATP). ATP - универсальный источник энергии, используемый как батарейка, там и тогда, где и когда необходимо выполнить полезную работу.
11 331
Каждый из нас, наверное, чувствовал прилив энергии при общении с приятными людьми, с природой и искусством, от занятий спортом и от положительных эмоций. Энергию также дают нам солнечный свет, воздух и тепло.
Но эта энергия не может быть использована организмом ни на сокращения сердца, ни на функционирование нервной системы, циркуляцию крови, дыхание, ни на физическую работу. Вышеуказанные виды энергии лишь обеспечивают мотивацию к действию, а при осуществлении этих действий используется ранее запасенная энергия.
Энергия может быть использована организмом только в том случае, если из неё может образовываться АТФ (Аденозинтрифосфат). А это значит, что реальная энергия поступает в организм только с питательными веществами — белками, углеводами и жирами.
Безусловно, организм использует и другие формы энергии. Но что при этом происходит? Возьмем, к примеру, тепловую энергию. Выпитая чашка горячего чая в холодную погоду повышает теплопродукцию организма, позволяя временно согреться. Но энергия при этом не запасается. Приём горячего лишь снижает расходование ранее запасенной АТФ.
Таким образом, вышеуказанные виды энергии не могут преобразовываться в АТФ и запасаться, а потому их действие краткосрочно и реальной энергии, которая может быть использована в последующем организмом, они не приносят.
И вот мы приходим к тому, что единственным источником энергии для человека является энергия, которую нам дают питательные вещества – белки, жиры и углеводы. Причем в основном – углеводы и жиры, т.к. белки организм использует для более важных нужд – построения собственных клеток и тканей.
В пище присутствуют и другие носители энергии (янтарная и уксусная кислота, этиловый спирт и др.), но существенного значения в энергообеспечении организма они не имеют.
Энергетическая ценность пищи .
Т.к. пища является единственным источником энергии для человека, возникает необходимость знать, а сколько же энергии она нам даёт.
Для этого используется показатель «Энергетическая ценность пищи
».
Энергетическая ценность пищи — это количество энер¬гии, которое образуется в организме при биологическом окис¬лении белков, жиров и углеводов, содержащихся в продуктах питания. Организм перерабатывает и сжигает эти вещества до воды, углекислого газа и других веществ с выделением при этом энергии. Выражается она количеством калорий.
Нужно отметить, что простое попадание пищи в ЖКТ ещё не означает, что энергия поступила. Ведь часть пищевых веществ может не усвоиться, транзитом пройти через ЖКТ, вывестись с калом и не участвовать в энергетическом обмене.
Только после усвоения питательных веществ и их поступления в кровь энергия считается полученной.
Как определяют, сколько энергии приносят нам белки, жиры и углеводы?
Как известно из физики, конечным результатом превращения энергии является тепло. Тепло также является мерой энергии в организме. Эта энергия освобождается в результате окисления (горения) веществ в процессе катаболизма. Затем освободившаяся энергия переходит в доступную для организма форму — энергию химических связей молекулы АТФ.
Таким образом, при горении веществ выделяется тепло. Разные вещества горят по — разному, выделяя различное количество тепла. А по количеству выделившегося тепла можно узнать — сколько было энергии в горящем веществе.
Вот и энергетическую ценность пищи принято определять по количеству теплоты, полученной при её сгорании в калориметре. Для этого в калориметрической камере сжигают по 1 грамму белков, жиров и углеводов и определяют количество выделенного ими тепла (в калориях). То же самое происходит в организме человека — белки, жиры и углеводы окисляются до углекислоты и воды с образованием такого же количества энергии, что и при сгорании их вне организма.
Итак, в калориметре при сгорании 1 г белка выделяется 5,65 ккал, при сгорании 1 г углеводов — 4,1 ккал, 1 г жиров – 9,45 ккал.
Но мы — то знаем, что калорийность углеводов и белков составляет по 4 ккал/г, а жиров — 9,0 ккал/г. Почему же в калориметре показатели калорийности этих веществ отличаются от тех, к которым мы привыкли? Особенно того, что касается белка.
А связано это с тем, что внутри камеры всё сгорает полностью без остатка. А в организме белок сгорает не полностью — часть его без сгорания выводится из организма в виде мочевины. Эта часть содержит в себе 1,3 ккал из 5,65. Т.о. калорийность белка для организма составляет 4,35 ккал (5,65-1,3).
Опять это не совсем те цифры, которые мы привыкли видеть. И вот почему.
В норме жиры, белки и углеводы усваиваются не полностью.
Так белки усваиваются на 92%, жиры - на 95%, углеводы - на 98%. Вот и получается:
калорийность усвоившихся белков составляет 4,35 х 92% = 4 ккал/г;
углеводов – 4,1 х 98% = 4 ккал/г;
жиров – 9,3 х 95% = 9 ккал/г.
Углеводы – главный источник энергии в организме человека.
Общая формула углеводов Сn(H2O)m
Углеводы - вещества состава С м Н 2п О п, имеющие первостепенное биохимическое значение, широко распространены в живой природе и играют большую роль в жизни человека. Углеводы входят в состав клеток и тканей всех растительных и животных организмов и по массе составляют основную часть органического вещества на Земле. На долю углеводов приходится около 80 % сухого вещества растений и около 20 % животных. Растения синтезируют углеводы из неорганических соединений - углекислого газа и воды (СО 2 и Н 2 О).
Запасы углеводов в виде гликогена в организме человека составляют примерно 500 г. Основная масса его (2/3) находится в мышцах, 1/3 – в печени. В промежутках между приемами пищи гликоген распадается на молекулы глюкозы, что смягчает колебания уровня сахара в крови. Запасы гликогена без поступления углеводов истощаются примерно за 12-18 часов. В этом случае включается механизм образования углеводов из промежуточных продуктов обмена белков. Это обусловлено тем, что углеводы жизненно необходимы для образования энергии в тканях, особенно мозга. Клетки мозга получают энергию преимущественно за счет окисления глюкозы.
Виды углеводов
Углеводы по своей химической структуре можно разделить на простые углеводы (моносахариды и дисахариды) и сложные углеводы (полисахариды).
Простые углеводы (сахара)
Глюкоза – наиболее важный из всех моносахаридов, так как она является структурной единицей большинства пищевых ди- и полисахаридов. В процессе обмена веществ они расщепляются на отдельные молекулы моносахаридов, которые в ходе многостадийных химических реакций превращаются в другие вещества и в конечном итоге окисляются до углекислого газа и воды – используются как "топливо" для клеток. Глюкоза – необходимый компонент обмена углеводов. При снижении ее уровня в крови или высокой концентрации и невозможности использования, как это происходит при диабете, наступает сонливость, может наступить потеря сознания (гипогликемическая кома).
Глюкоза "в чистом виде", как моносахарид, содержится в овощах и фруктах. Особенно богаты глюкозой виноград – 7,8%, черешня, вишня – 5,5%, малина – 3,9%, земляника – 2,7%, слива – 2,5%, арбуз – 2,4%. Из овощей больше всего глюкозы содержится в тыкве – 2,6%, в белокочанной капусте – 2,6%, в моркови – 2,5%.
Глюкоза обладает меньшей сладостью, чем самый известный дисахарид – сахароза. Если принять сладость сахарозы за 100 единиц, то сладость глюкозы составит 74 единицы.
Фруктоза является одним из самых распространенных углеводов фруктов. В отличие от глюкозы она может без участия инсулина проникать из крови в клетки тканей. По этой причине фруктоза рекомендуется в качестве наиболее безопасного источника углеводов для больных диабетом. Часть фруктозы попадает в клетки печени, которые превращают ее в более универсальное "топливо" - глюкозу, поэтому фруктоза тоже способна повышать сахара в крови, хотя и в значительно меньшей степени, чем другие простые сахара. Фруктоза легче, чем глюкоза, способна превращаться в жиры. Основным преимуществом фруктозы является то, что она в 2,5 раза слаще глюкозы и в 1,7 – сахарозы. Ее применение вместо сахара позволяет снизить общее потребление углеводов.
Основными источниками фруктозы в пище являются виноград – 7,7%, яблоки – 5,5%, груши – 5,2%, вишня, черешня – 4,5%, арбузы – 4,3%, черная смородина – 4,2%, малина – 3,9%, земляника – 2,4%, дыни – 2,0%. В овощах содержание фруктозы невелико – от 0,1% в свекле до 1,6% в белокочанной капусте. Фруктоза содержится в меде – около 3,7%. Достоверно доказано, что фруктоза, обладающая значительно более высокой сладостью, чем сахароза, не вызывает кариеса, которому способствует потребление сахара.
Галактоза в продуктах в свободном виде не встречается. Она образует дисахарид с глюкозой – лактозу (молочный сахар) – основной углевод молока и молочных продуктов.
Лактоза расщепляется в желудочно-кишечном тракте до глюкозы и галактозы под действием фермента лактазы. Дефицит этого фермента у некоторых людей приводит к непереносимости молока. Нерасщепленная лактоза служит хорошим питательным веществом для кишечной микрофлоры. При этом возможно обильное газообразование, живот "пучит". В кисломолочных продуктах большая часть лактозы сброжена до молочной кислоты, поэтому люди с лактазной недостаточностью могут переносить кисломолочные продукты без неприятных последствий. Кроме того, молочнокислые бактерии в кисломолочных продуктах подавляют деятельность кишечной микрофлоры и снижают неблагоприятные действия лактозы.
Галактоза, образующаяся при расщеплении лактозы, превращается в печени в глюкозу. При врожденном наследственном недостатке или отсутствии фермента, превращающего галактозу в глюкозу, развивается тяжелое заболевание - галактоземия, которая ведет к умственной отсталости.
Сахароза - это дисахарид, образованный молекулами глюкозы и фруктозы. Содержание сахарозы в сахаре 99,5%. То, что сахар – это "белая смерть", любители сладкого знают так же хорошо, как курильщики то, что капля никотина убивает лошадь. К сожалению, обе эти прописные истины чаще служат поводом для шуток, чем для серьезных размышлений и практических выводов.
Сахар быстро расщепляется в желудочно-кишечном тракте, глюкоза и фруктоза всасываются в кровь и служат источником энергии и наиболее важным предшественником гликогена и жиров. Его часто называют "носителем пустых калорий", так как сахар – это чистый углевод и не содержит других питательных веществ, таких, как, например, витамины, минеральные соли. Из растительных продуктов больше всего сахарозы содержится в свекле – 8,6%, персиках – 6,0%, дынях – 5,9%, сливах – 4,8%, мандаринах – 4,5%. В овощах, кроме свеклы, значительное содержание сахарозы отмечается в моркови – 3,5%. В остальных овощах содержание сахарозы колеблется от 0,4 до 0,7%. Кроме собственно сахара, основными источниками сахарозы в пище являются варенье, мед, кондитерские изделия, сладкие напитки, мороженое.
При соединении двух молекул глюкозы образуется мальтоза - солодовый сахар. Ее содержат мед, солод, пиво, патока и хлебобулочные и кондитерские изделия, изготовленные с добавлением патоки.
Сложные углеводы
Все полисахариды, представленные в пище человека, за редкими исключениями, являются полимерами глюкозы.
Крахмал – основной из перевариваемых полисахаридов. На его долю приходится до 80% потребляемых с пищей углеводов.
Источником крахмала служат растительные продукты, в основном злаковые: крупы, мука, хлеб, а также картофель. Больше всего крахмала содержат крупы: от 60% в гречневой крупе (ядрице) до 70% - в рисовой. Из злаков меньше всего крахмала содержится в овсяной крупе и продуктах ее переработки: толокне, овсяных хлопьях "Геркулес" - 49%. Макаронные изделия содержат от 62 до 68% крахмала, хлеб из ржаной муки в зависимости от сорта – от 33% до 49%, пшеничный хлеб и другие изделия из пшеничной муки – от 35 до 51% крахмала, мука – от 56 (ржаная) до 68% (пшеничная высшего сорта). Крахмала много и в бобовых продуктах – от 40% в чечевице до 44% в горохе. По этой причине сухие горох, фасоль, чечевицу, нут относят к зернобобовым. Особняком стоят соя, которая содержит только 3,5% крахмала, и соевая мука (10-15,5%). По причине высокого содержания крахмала в картофеле (15-18%) в диетологии его относят не к овощам, где основные углеводы представлены моносахариды и дисахаридами, а к крахмалистым продуктам наравне со злаковыми и зернобобовыми.
В топинамбуре и некоторых других растениях углеводы запасаются в виде полимера фруктозы - инулина. Пищевые продукты с добавкой инулина рекомендуют при диабете и особенно – для его профилактики (напомним, что фруктоза дает меньшую нагрузку на поджелудочную железу, чем другие сахара).
Гликоген - "животный крахмал" - состоит из сильно разветвленных цепочек молекул глюкозы. Он в небольших количествах содержится в животных продуктах (в печени 2-10%, в мышечной ткани – 0,3-1%).
Продукты с высоким содержанием углеводов
Наиболее распространенными углеводами являются глюкоза, фруктоза и сахароза, входящие в состав овощей, фруктов и меда. Лактоза входит в состав молока. Сахар-рафинад представляет собой соединение фруктозы и глюкозы.
Глюкоза играет центральную роль в процессе обмена веществ. Она является поставщиком энергии для таких органов, как головной мозг, почки, и способствует выработке красных кровяных телец.
Человеческий организм не в состоянии делать слишком большие запасы глюкозы и потому нуждается в ее регулярном пополнении. Но это не значит, что нужно есть глюкозу в чистом виде. Гораздо полезнее употреблять ее в составе более сложных углеводных соединений, например, крахмала, который содержится в овощах, фруктах, зерновых. Все эти продукты, кроме того, являются настоящим кладезем витаминов, клетчатки, микроэлементов и других полезных веществ, помогающих организму бороться со многими болезнями. Полисахариды должны составлять большую часть всех поступающих в наш организм углеводов.
Важнейшие источники углеводов
Главными источниками углеводов из пищи являются: хлеб, картофель, макароны, крупы, сладости. Чистым углеводом является сахар. Мёд, в зависимости от своего происхождения, содержит 70-80 % глюкозы и фруктозы.
Для обозначения количества углеводов в пище используется специальная хлебная единица.
К углеводной группе, кроме того, примыкают и плохо перевариваемые человеческим организмом клетчатка и пектины.
Углеводы применяют в качестве:
Лекарственных средств,
Для производства бездымного пороха (пироксилина),
Взрывчатых веществ,
Искусственных волокон (вискоза).
Огромное значение имеет целлюлоза как источник для получения этилового спирта
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.
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.
