Общая характеристика обмена веществ и энергии

Обмен веществ — это совокупность процессов химического превращения веществ от момента их поступления в организм до выделения конечных продуктов обмена. В клетках постоянно идет процесс синтеза сложных органических соединений с использованием энергии и одновременно с этим — их распад с выделением энергии и образованием низкомолекулярных веществ. Таким образом, обмен веществ складывается из двух противоположных процессов — синтеза и распада.

Совокупность реакций биосинтеза называется ассимиляцией, или пластическим обменом. Противоположный процесс — распад и окисление клеткой органических веществ — называется диссимиляцией, или энергетическим обменом. Для биосинтеза веществ необходима энергия, которая высвобождается при диссимиляции и аккумулируется в АТФ. Распад органических соединений возможен тогда, когда количество их в клетке постоянно пополняется. Источником энергии для организма являются органические вещества: углеводы, жиры, белки. Для нормального обмена необходимы также вода, минеральные соли и витамины.

Вода входит в состав клеток, межклеточного вещества, тканевой жидкости и лимфы. Она составляет 65-70 % массы тела человека, а кровь и лимфа содержат свыше 90 % воды. Значение воды состоит в том, что все химические превращения происходят только в водных растворах. Вода — растворитель органических и неорганических соединений. В клетках она связана с белками, углеводами и другими веществами, например, образует соль-ватные оболочки вокруг белковых молекул. Суточная потребность человека в воде 2,5-3 л, но она меняется в зависимости от условий внешней среды. Вода поступает при питье и с пищей и всасывается в кишечнике в неизмененном виде.

Минеральные соли необходимы для поддержания постоянного состава внутренней среды организма, для транспортировки кровью кислорода и углекислого газа (железо в составе гемоглобина), для нормального процесса свертывания крови (кальций), для процесса кроветворения (железо, медь), для построения тканей (кальций для костной ткани), для возникновения возбуждения в нервных и мышечных клетках (калий, натрий) и т. д. Общее количество минеральных веществ в теле человека — около 3,46%. В их состав входит около 60 элементов. Потребности организма в минеральных солях в основном удовлетворяются за счет продуктов питания. Исключение составляет только хлористый натрий, который добавляют к пище (5-6 г в сутки). В некоторых регионах в поваренную соль добавляют йод (в связи с недостатком его в воде и местных продуктах питания). Излишки воды и минеральные соли выводятся из организма с мочой, потом и калом.

Белки в организме входят в состав цитоплазмы, оболочки и ядра клеток, ферментов, плазмы крови, многих гормонов и гемоглобина. Их источником для человека служат преимущественно продукты животного (мясо, рыба, молоко, творог, яйца и др.) и частично растительного происхождения (особенно бобовые). Белки расщепляются в желудке и в кишечнике до аминокислот и всасываются в кровь. Особенно важны 10 аминокислот, которые не могут синтезироваться в организме и называются незаменимыми. Отсутствие в пище некоторых из них приводит к нарушению синтеза белков. По содержанию необходимых для организма аминокислот белки делятся на полноценные (белки молока, мяса, рыбы и др.) и неполноценные, которые не содержат хотя бы одной из незаменимых кислот. Суточная потребность в белках составляет 80-100 г. В клетках из аминокислот образуются белки, свойственные данному организму. При избытке белки преобразуются в углеводы и жиры. Часть аминокислот, не использованных в синтезе белка, расщепляется с высвобождением энергии (17,6 кДж на 1 г вещества) и образованием продуктов распада, таких как вода, диоксид углерода, аммиак, мочевина и др. Продукты распада выводятся из организма в составе мочи, пота и частично с выдыхаемым воздухом.

Углеводы в организме служат основным источником энергии. В сутки человек должен получать 400-500 г углеводов. Основным их источником являются продукты растительного происхождения (картофель, хлеб, фрукты и др.). В желудочно-кишечном тракте они расщепляются до глюкозы, которая всасывается в кровь. Уровень глюкозы в крови относительно постоянен и составляет 4,4- 7,0 ммоль/л. Избыток глюкозы превращается в печени в животный крахмал — гликоген. В клетках глюкоза расщепляется до конечных продуктов — углекислого газа и воды; при этом выделяется энергия (17,6 кДж на 1 г глюкозы). При избыточном углеводном питании они могут превращаться в жиры.

Жиры и жироподобные вещества входят в состав клеточных мембран, цитоплазмы, ядра. Они поступают в организм с растительной и животной пищей. Жиры всасываются в лимфу, затем поступают в кровь и разносятся по всем клеткам. Суточная потребность в них составляет 80-100 г. Часть жира, попавшего в клетки, является строительным материалом. Большая же его часть откладывается в подкожной клетчатке, в сальнике и других органах. Этот жир является резервным и используется организмом при недостаточном питании. Жиры также являются важным источником энергии: при расщеплении 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии. Конечными продуктами окисления жиров являются диоксид углерода и вода. В организме человека жиры могут синтезироваться из углеводов и белков.

Витамины — это низкомолекулярные вещества, обладающие большой биологической активностью. Действие их проявляется в малых количествах и выражается в регулировании процессов обмена веществ.

Витамины были открыты в конце прошлого столетия русским врачом Н. И. Луниным. Он показал их значение для жизнедеятельности организмов. Витамины входят в состав молекул многих ферментов и некоторых физиологически активных веществ, поэтому при их отсутствии — авитаминозе или недостатке — гиповитаминозе нарушаются синтез ферментов и обмен веществ, вследствие чего развиваются тяжелые заболевания. Витамины в основном непрочные соединения: они быстро разрушаются при нагревании пищевых продуктов. Натуральные витамины содержатся в продуктах растительного и животного происхождения и, за редким исключением (витамин О), не синтезируются в организме человека.

Открыто несколько десятков веществ, относящихся к витаминам.

Избыточное поступление витаминов в организм вызывает состояние, которое называется гипервитаминозом. Обычно это наблюдается при употреблении синтетических препаратов витаминов и сопровождается самыми разнообразными признаками отравления. Наиболее токсичными являются витамины А и D которые часто дают маленьким детям. Иногда гипервитаминоз А возникает при приеме в пищу продуктов, содержащих большое количество этого витамина (овощи, печень морских животных). Из водорастворимых витаминов наиболее токсичным является витамин B1, большие дозы которого могут приводить к сильным аллергическим реакциям. При длительном приеме витамина B6 может наблюдаться повышение свертываемости крови.

Способы сохранения витаминов в пищевых продуктах. Для сохранения витаминов в приготовляемой пище необходимо знать, что высокая температура разрушает витамин С и значительно снижает содержание витаминов группы В. Одним из лучших методов сохранения продуктов со сравнительно небольшими потерями витаминов является консервирование с помощью низкой температуры, т. е. путем охлаждения и замораживания.

Охлаждение предусматривает поддержание в толще продукта температуры в пределах 0…+4°С. Замораживание связано с образованием в цитоплазме клеток кристаллов льда. Особенно ценным является метод быстрого замораживания продуктов, так как при этом хорошо сохраняются витамины. В этом случае нужно также использовать быстрое размораживание.

Обычная естественная (солнечная) сушка продуктов сопровождается значительным разрушением витаминов. В наибольшей степени обеспечивает сохранность витаминов вакуумная сушка. Она проводится в условиях разрежения при температуре не выше 50 °С.

Одним из способов сохранения витаминов является квашение продуктов, когда в процессе молочнокислого брожения образуется молочная кислота, способствующая сохранению в заквашиваемых продуктах витамина С.