Обмен веществ и энергии. 
Теплообмен

Лекция: «Обмен веществ и энергии. Теплообмен»

метаболизм терморегуляция организм обмен

Обмен веществ и энергии или метаболизм — главное свойство организма.

Сущность его состоит в постоянном обмене веществ между организмом и внешней средой. Живые организмы нуждаются в постоянном притоке О2, питательных веществ (белков, жиров, углеводов), минеральных веществ, витаминов и воды. Поступившие в организм вещества в результате химических изменений превращаются в собственные вещества организма и продукты обмена, которые затем выводятся из него (СО2, Н2О, NН3 и аммиак). При этих химических превращений происходит освобождение энергии, которая необходима для совершения работы, роста и развития организма, а также для нормального функционирования клеток организма. Обмен веществ состоит из двух процессов, тесно связанных между собой: ассимиляции или анаболизма и диссимиляции или катаболизма.

Ассимиляция — это процесс усвоения организмом веществ, при этом расходуется энергия.

Диссимиляция — это процесс распада сложных органических соединений, при этом высвобождается энергия. В разные возрастные периоды соотношение между этими процессами различные: у детей преобладают процессы ассимиляции, у взрослых устанавливается равновесие между этими процессами, в старческом возрасте преобладают процессы диссимиляции. При болезнях нарушается это соотношение между анаболизмом и катаболизмом.

Расщепление продуктов идет двумя путями: аэробным и анаэробным.

Аэробный механизм расщепления происходит при участии аэробов, организмов использующих для своего существования О2. При этом происходит расщепление веществ до конечных продуктов — СО2 и Н2О и высвобождение энергии полностью.

Анаэробный путь расщепления происходит при участии анаэробов — организмов, развивающихся без О2. При этом процесс расщепления идет не до конца, и образуются промежуточные продукты обмена (спирты, кислоты).

У всех организмов есть аэробная и анаэробная фазы расщепления. Анаэробный распад характерен для эмбриональных тканей и клеток злокачественных опухолей.

Для жизнедеятельности организма необходима энергия, которая освобождается в результате диссимиляции белков, жиров и углеводов путем присоединения О2 — путем окисления. При окислении и образуется теплоэнергия, которая необходима для построения новых клеток и тканей, для сокращения мышц, проведения нервного импульса, синтеза ферментов, гормонов и для поддержания постоянной температуры тела. Энергетические затраты организма при его жизнедеятельности называются общим обменом. Он состоит из основного обмена и рабочей прибавки.

Основной обмен — это минимальный уровень расхода энергии для поддержания жизнедеятельности всех органов и систем организма и температуры тела, это показатель интенсивности окислительных процессов в организме.

Основной обмен определяют утром натощак (через 12 часов после приема пищи), в положении лежа, при температуре окружающей среды 18 — 22 градуса, т. е. в условиях комфорта. В состоянии покоя организм расходует энергию на химические процессы, работу сердца, сосудов, дыхания и т. д. и поддержание температуры тела. Величина основного обмена зависит от пола, возраста, массы тела и роста. У детей основной обмен выше. Расход энергии зависит от состояния организма и мышечной деятельности. При мышечной работе значительно увеличиваются энергетические затраты организма, это увеличение составляет рабочую прибавку, которая тем больше, чем интенсивнее работа. Восполнение энергетических затрат организма происходит за счет поступления в организм питательных веществ: белков, жиров, углеводов. Гармоничное взаимодействие питательных веществ — это основа физического и психического здоровья.

Обмен белков (протеинов). Белки — это сложные высокомолекулярные соединения, содержащие азот и построенные из аминокислот. В пищевых продуктах содержится около 20 аминокислот, они всасываются в кишечнике и идут на построение специфических для каждого организма белков. Все аминокислоты делятся на заменимые и незаменимые. Заменимые аминокислоты синтезируются в организме (аланин, цестоин). Незаменимые аминокислоты не синтезируются в организме и должны поступать с пищей. К ним относятся: валин, метионин, лейцин, фенилаланин, триптофан и лизин.

Белки, содержащие весь необходимый набор аминокислот, называются биологически полноценными (белки молока, яиц, рыбы, мяса). Биологически неполноценными называют белки, в составе которых отсутствует хотя бы одна незаменимая аминокислота (белки пшеницы, кукурузы, ячменя).

Функции белка:

1. Пластическая, структурная. Белки являются главной составной частью клетки и межклеточных структур, входят в состав основного вещества хрящей, костей, кожи. Биосинтез белков определяет рост и развитие всего организма.

2. Ферментативная — могут ускорять химические процессы в организме. Все ферменты являются белками.

3. Защитная — образование антител, связывание токсинов и ядов, участие в свертывании крови (фибриноген).

4. Транспортная — Нb переносит О2 и СО2, липопротеиды — жиры и т. д.

5. Передача наследственности при помощи нуклеопротеидов, содержащих нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК.

6. Регуляторнаяподдержание биологических констант в организме.

7. Энергетическая — обеспечение энергией всех жизненных процессов организма.

Суточная потребность в белке составляет 13−15% от суточного объема пищи, животный белок — 40−50%. Повышена потребность в белке у детей, беременных, спортсменов и у людей после тяжелой болезни. Продукты, содержащие белки животного происхождения — мясо, рыба, яйца, молоко. Растительного происхождения — грибы, фасоль, гречневая крупа, злаковые, орехи.

Белковый обмен регулирует:

1) Соматотропный гормон гипофиза.

2) Гормон щитовидной железы — тироксин.

3) Глюкокортикоиды коры надпочечников.

Азот — составная часть белка и аминокислот и поступает с пищей, причем, только с белковой. Азотистый баланс — разность между количеством азота в пище человека и уровнем его в выделениях. Различают азотистое равновесие, положительный и отрицательный азотистый баланс.

Азотистое равновесие — количество выделенного азота равняется количеству поступившего азота. Наблюдается у взрослого человека.

Положительный азотистый баланс — количество азота в выделениях меньше, чем количество азота в пище. Азот задерживается в организме. Наблюдается у женщин во время беременности, у детей, у спортсменов, при выздоровлении после тяжелых заболеваний.

Отрицательный азотистый баланс или азотистый дефицит — количество азота в выделениях больше, чем в пище (наблюдается при белковом голодании, лихорадке).

Неиспользованные аминокислоты распадаются в печени и почках с отщеплением аммиака и освобождением энергии. Аммиак в печени синтезируется в мочевину, которая выводится с мочой и потом. Аммиак является токсичным веществом для центральной нервной системы и тканей организма, а мочевина — вещество нетоксичное. Кроме мочевины, белки распадаются на мочевую кислоту, креатин, креатинин, гистамин.

Обмен жиров. Жир поступает в организм с пищей, а также образуется из углеводов и белков.

К жирам относятся:

1. Простые липиды — нейтральные жир является обязательной составной частью цитоплазмы, ядра, оболочки клетки, выполняет пластическую функцию. Это основная масса жира в организме.

2. Сложные липиды — фосфолипиды.

3. Стероиды — холестерин.

Функция жира:

· Жир может депонироваться в подкожной клетчатке — роль теплоизоляции, а откладываясь вокруг органов — защита от травм.

· Жир — источник энергии, участие в синтезе жирорастворимых витаминов А, Д, Е, К.

· Жир под действием липазы превращается в глицерин и жирные кислоты, а затем окисляется до СО2 и Н2О.

Суточная потребность в жирах составляет 30−35% от суточного объема пищи. Жиры содержат незаменимые жирные кислоты (ненасыщенные жирные кислоты) — линоленовая, линолевая, арахидоновая, которые есть в растительном масле, сливочном масле. При их отсутствии замедляется рост и способность к размножению, нарушается синтез витамина А, Е, Д, К.

В обмене жиров большая роль принадлежит печени, где синтезируются:

1. Фосфолипиды, которые входят в состав всех клеток, а особенно это имеет значение для нервных клеток. Печень поддерживает уровень фосфолипидов в крови.

2. Образование в печени кетоновых тел (в-оксимасляная кислота, ацетоуксусная кислота, ацетон), которые используются как источник энергии.

3. Синтез холестерина в основном происходит в печени. Из него образуются половые гормоны, гормоны коры надпочечников. Неиспользованный холестерин расщепляется в печени до желчных кислот, которые поступают с желчью в кишечник и способствуют эмульгированию жиров.

Жир может образовываться в организме из углеводов при избыточном их поступлении с пищей. 25−30% углеводов пищи превращаются в жиры.

Белки же являются строительным материалом и только при особых обстоятельствах могут использоваться для энергетических целей.

Обмен углеводов. Это тоже источник энергии, пластическая функция. В организм поступает с растительной пищей (хлеб, крупы, овощи, фрукты). Суточная потребность — 50−55% от суточного объема пищи.

Основная часть углеводов окисляется в тканях до СО2 и Н2О (70%).

Углеводы бывают: сложные и простые.

25% глюкозы превращается в жир, а оставшиеся 5% синтезируется в резервные углевод организма — гликоген в печени — гликогенез.

Гликоген может также синтезироваться и в мышцах, т.к. они во время своей работы захватывают много глюкозы из крови. Распад гликогена является одним из источников энергии мышечного сокращения. Мышечный гликоген распадается до молочной кислоты, которая способствует синтезу гликогена в печени, этому способствуют также продукты распада жиров и белков — кетокислоты. Этот процесс называется гликонеогенез. Процесс, при котором гликоген распадается до глюкозы называется гикогенолиз. Эти три процесса взаимосвязаны и регулируют уровень сахара в крови.

Головной мозг содержит небольшой запас углеводов и поэтому нуждается в постоянном поступлении глюкозы, потому что энергетические затраты покрываются только за счет углеводов.

Регуляция углеводного обмена.

Уровень глюкозы в крови 4,4 — 6,6 ммоль/л. Это важнейшая гомеостатическая константа организма.

Снижение уровня глюкозы в крови называется гипогликемия. К этому состоянию особенно чувствительна центральная нервная система.

Повышение уровня сахара в крови называется гипрегликемия, ее результатом является гликозурия — выделение глюкозы с мочой.

В регуляции углеводного обмена участвуют:

1. ЦНС — гипоталамус.

2. Поджелудочная железа, вырабатывающая гормон инсулин, который понижает уровень сахара в крови, т.к. он усиливает синтез гликогена в печени и мышцах и повышает потребление глюкозы тканями организма.

Увеличивает уровень сахара в крови гормон глюкагон.

3. Надпочечники: мозговой слой — адреналин, корковый слой — глюкокортикоиды.

4. Гипофиз — соматотропин.

5. Щитовидная железа — тироксин, трийодтиронин.

Водно-солевой обмен (организм состоит на 60% из Н2О).

Все процессы, протекающие в организме, осуществляются в водной среде.

Функции воды:

1. Растворитель продуктов питания.

2. Переносит растворенные в ней вещества к органам и тканям.

3. Уменьшает трение между поверхностями в теле человека.

4. Участие в регулировании азотом температуры тела.

5. Составная часть крови, лимфы, пищеварительных соков, слизистых, мышц.

Вода в организме находится внутри клетки и вне клетки. В основном вода поступает в организм в виде питья и в составе пищи. Потеря 10% воды приводит к обезвоживанию организма, а 20% - к смерти. Длительное голодание возможно лишь при поступлении в организм воды и минеральных солей. Из организма вода выделяется почками 1500 мл, легкими — 500 мл и кожей 500 мл, вместе с водой выделяются и минеральные соли, которые имеют для организма большое физиологическое значение, т.к. входят в состав белков, ферментов, гормонов, медиаторов.

Na — обеспечивает постоянство осмотического давления внеклеточной жидкости. Депо — костная ткань.

K — обеспечивает постоянство осмотического давления внутриклеточной жидкости, образование ацетилхолина; синтез и отложение гликогена в тканях происходит с поглощением ионов К (печеный картофель, курага, изюм, бананы).

Са и Р — находятся в основном в костной ткани (>90%). Содержание Са в крови — биологическая константа, небольшие сдвиги уровня этого минерала приводят к серьезным последствиям для организма. Фосфор входит в состав АТФ. (творог, рыба, желток).

Fe — входит в состав Нb (отвечает за тканевое дыхание) и в состав ферментов, участвующих в окислительно-востановительных процессах. Снижение Fe уменьшает синтез Hb, что приводит к анемии.

J — в организме содержится в небольшом количестве, но значение его велико. Йод входит в состав гормонов щитовидной железы, оказывает влияние на все обменные процессы, рост и развитие организма

(морепродукты).

Вывод: для нормального существование всех органов и систем организму человека необходимо сбалансированное питание.

Теплообмен.

В живом организме благодаря непрерывному обмену веществ постоянно образуется тепло. Теплообмен — это обмен тепловой энергией между организмом и окружающей средой. Нормальная температура человека 36,6є-37є, измеряется в подмышечной впадине. Внутренние органы имеют температуру выше (печень, почки температура равна 38−39є). В прямой кишке температура равна 37,0є-37,5є. Кроме образования тепла происходит постоянная отдача тепла в окружающую среду, т. е. температура тела человека зависит от двух процессов: теплообразование и теплоотдача.

Теплообразование.

Источник тепла в организме — все ткани. Кровь, протекая через ткани, нагревается. Печень, скелетные мышцы отдают крови больше тепла, чем другие органы. Повышение температуры окружающей среды вызывает рефлекторное снижение обмена веществ, поэтому в организме уменьшается теплообразование. Понижение температуры окружающей среды вызывает рефлекторное увеличение метаболизма и усиливается теплообразование. Теплообразование так же усиливается за счет мышечной активности. Непроизвольное сокращение мышц (дрожь) является основной формой повышения теплообразования.

Теплоотдача осуществляется несколькими путями:

1. Путем проведения — нагревается воздух, окружающие предметы, соприкасающиеся с теплом.

2. Путем излучения — нагретое тело излучает тепло (в виде инфракрасных лучей).

3. Путем испарения — с поверхности кожи испаряется вода и пот.

Регуляция постоянства температуры тела осуществляется нейрогуморальным путем.

Нервный механизм терморегуляции. Колебания температуры окружающей среды воспринимаются особыми рецепторами — терморецепторами. Их очень много в коже, слизистой полости рта, верхних дыхательных путей. Терморецепторы кожи очень чувствительны к колебаниям температуры окружающей среды; в них возникают нервные импульсы, которые по афферентным (центростремительным) нервным волокнам поступают в спинной мозг. По проводящим путям нервный импульс достигает таламус, гипоталамуса и коры головного мозга. Центр терморегуляции находится в гипоталамусе. Нейроны гипоталамуса возбуждаются под влиянием нервных импульсов, поступивших от терморецепторов. Из центра терморегуляции нервные импульсы по эфферентным (центробежным) нервным волокнам пойдут к мышцам, сосудам (суживая или расширяя сосуды кожи), к потовым железам.

Гуморальная регуляция (гормональная)

1. Гормоны щитовидной железы, надпочечников и поджелудочной железы усиливают окислительные процессы, т. е. повышает обмен веществ и температуру тела.

2. Гипофиз тормозит секрецию гормонов щитовидной железы, т. е. снижает обмен веществ и температуру тела.