Системный подход. Что обеспечивает человека энергией и силой?

Что такое пластический и энергетический обмен

Совокупность химических превращений в организме называют метаболизмом. Различают пластический и энергетический обмен. Синтез сложных веществ из простых называют анаболизмом. Иначе— пластический обмен. Расщепление компонентов питания — это катаболизм. Другое название — энергетический обмен….

Пластический обмен

Пластический обмен именуют ассимиляцией. Из низкомолекулярных веществ — мономеров собираются необходимые для жизнедеятельности сложные соединения. Почему ассимиляция называется пластическим способом обмена? Потому что синтезированные соединения служат строительными материалами для формирования тканей.

Важно! Ассимиляция (пластический) выполняет функцию производства строительного материала для формирования тканей.

Ассимиляцией управляет генетический аппарат, поэтому каждая клетка синтезирует практически такие же соединения из которых состоит сама. Химические реакции проходят с потреблением энергии. Главными веществами, необходимыми для протекания реакций, являются протеины, углеводы, а также липиды.

У разных типов организмов обмен веществ и энергии происходит неодинаково. Зеленые растения осуществляют фотосинтез, при котором, на свету из H2O, а также оксида углерода получают моносахариды. Примитивные организмы, лишенные хлорофилла, способны синтезировать строительный материал во тьме. Такой процесс получил название «хемосинтез». Животные получают готовые питательные вещества, которые расщепляют для последующей переработки.

Важно!Процессы ассимиляции протекают при помощи фотосинтеза, хемосинтеза или биосинтеза.

Фотосинтез

Что характеризует энергетический обмен в растительной клетке? Присутствие хлорофилла с помощью которого осуществляется фотосинтез по следующей схеме:

При постоянном освещении фотосинтез невозможен. Фотоны активирует воду, удаляя из нее кислород, который препятствует процессу. Во тьме происходит реакция синтеза с участием энергоносителя — АТФ по следующей схеме:

Из простых сахаров, а также неорганических соединений азота синтезируются аминокислоты. Избыток низкомолекулярных углеводов аккумулируется тканями в форме крахмала и жиров.

Важно! Для осуществления фотосинтеза необходимо чередование светлого и темного периодов.

Хемосинтез

Бактерии приспособились добывать энергию, активируя ионы водорода посредством химических реакций с неорганическим веществами. Нитрифицирующие организмы делают азотоводород азотной кислотой:

Железобактерии переводят Fe2+ в Fe3+.

Сульфурбактерии синтезируют серную кислоту из сероводорода:

Дальнейшие превращения углекислоты в моносахариды происходит по схеме темной стадии фотосинтеза.

Синтез белков

Процесс характерен для животных и грибов, получающих готовую пищу, подвергающуюся катаболизму, о котором будет подробнее сказано ниже. Они расщепляют поступающие протеины до аминокислот. Попадая в клетку, мономеры соединяются так, как диктует генетический кодировка ДНК клеточного ядра. Эта сложная процедура — трансляция, протекает в рибосомах при участии РНК.

Важно! Синтез белков осуществляется клеточным ядром при участии ДНК и РНК.

Энергетический обмен в клетке

Катаболизм или диссимиляция — это процесс расщепления сложных соединений на простые с участием кислорода или без него. В обоих случаях высвобождается энергия, которая аккумулируется макроэргическими молекулами — АТФ, содержащими три фосфорнокислых остатка.

Где происходит энергетический способ обмена? Он протекает внутри клеток, а также вне их, проходя следующие этапы:

1. Предварительный,
2. Анаэробное брожение,
3. Клеточное дыхание.

Предварительный этап

Эта фаза протекает в алиментарном тракте. Посредством пищеварительных ферментов сложные вещества дробятся на простые, способные всосаться из кишечной трубки. Протеины распадаются до аминокислот. Углеводы становятся моносахаридами.

Главным источником энергии является глюкоза. Жиры расщепляются до карбоновых кислот, а также многоатомного спирта — глицерина. При распаде каждой разновидности питательных веществ образуется неодинаковое количество энергии. (таблица)

Транснациональная система мер определяет энергоемкость компонентов питания Джоулями. Одна Ккал равна 4,2 КДж. При окислении каких веществ освобождается больше энергии? Самыми калорийными компонентами пищи являются жиры, потому что состоят, преимущественно из высокомолекулярных карбоновых кислот. Так, Пальмитат (C16 H32 O2) содержит 12,5% кислорода, а глюкоза — 53,3. Материала для окисления у жирной кислоты больше, следовательно, энергоемкость выше. Поэтому калорийность липидов превышает питательность белков и углеводов в 2,25 раза.

Калорийность углеводов и протеина в 2,25 раза ниже, чем у жиров.

Анаэробное брожение

Невыгодная, с точки зрения извлечения энергии, процедура, которую именуют гликолизом. Альтернативное название — биологическое или неполное окисление. Оно протекает без использования O2. Выделяются богатые энергией водород, и метан, которые не окисляются. У разных организмов процессы протекают неодинаково. venus-escort

Дрожжевые грибки, некоторые бактерии, а также растения образуют спирты, ацетон, карбоновые кислоты. Это свойство используют при производстве алкоголя, сыров и заквашивании теста. Химическая реакция протекает, преимущественно, по следующему сценарию:

Молочнокислые микроорганизмы сбраживают углеводы до лактата. Это свойство бактерий применяют для изготовления кефира, йогурта, сыров, прочих изделий. Химическая реакция протекает по следующему сценарию:

У грибов, человека, других млекопитающих, энергетический обмен в клетке представляется сбраживанием углеводов до пировиноградной кислоты:

Все разновидности гликолиза, независимо от конечного продукта, сопровождаются выделением двух АТФ на молекулу глюкозы.

Клеточное дыхание

Что характеризует энергетический обмен в живой клетке? Под воздействием тканевых ферментов кислород высвобождается из эритроцита, проникает через мембрану, поступает в биологическую печь — митохондрию. Там он поддерживает низкотемпературное горение с образованием воды, а также окисла углерода. Последний ферменты удаляют из клетки, присоединяя к молекуле гемоглобина. Эритроциты доставляют отработанный шлак легким, где при помощи выдоха отработанный газ покидает организм.

Для осуществления биологического горения необходимы энзимы, которые вырабатываются лизосомами, а также АДФ — макроэнергические молекулы, содержащие не три, а два фосфорнокислых радикала.

Для извлечения энергии глюкоза и алкоголь предварительно превращаются в лактат. Дальнейшие преобразования представляются приведенным ниже уравнением:

Митохондрии умеют извлекать энергию из пирувата при менее эффективном выходе молекул АТФ.

Взаимосвязь анаболизма и катаболизма

Метаболизм представляется сочетанием процессов синтеза и расщепления. В организме такое преобразование происходит при температуре тела посредством биокатализаторов — ферментов. Функция пластического обмена заключается в синтезе необходимых организму соединений — протеинов, карбогидратов, липидов, АТФ, ферментов, прочих биологически деятельных веществ. Ассимиляция происходит с потреблением энергии, которая высвобождается органеллами.

Важно! Обмен веществ и энергии осуществляется при единовременном протекании процессов ассимиляции, а также диссимиляции.

Пластический и энергетический обмен. Биология 8 класс.

Метаболизм. Энергетический обмен. Для чего мы дышим?

Вывод

Метаболизм является сочетанием одномоментно происходящих процессов — это пластический и энергетический обмен. Практически все превращения происходят в цитоплазме или специальных органеллах клетки. Оба процесса взаимосвязаны, являются необходимыми для осуществления жизнедеятельности любого организма.

Системный подход. Что обеспечивает человека энергией и силой?

Помните , как хрупкая пришелица из фантастического фильма «Моя мачеха — инопланетянка» питалась батарейками? Трех батареек на ужин ей хватало для того , чтобы поднимать одной рукой тяжести и совершать другие невообразимые для человека чудеса. Чем не пример рационального подхода к приему пищи? Конечно , вряд ли есть смысл повторять подвиги героини Ким Бейсингер , однако не помешает разобраться с тем , что помогает нашей системе работать , а что , наоборот , ей вредит. Как-никак , во многом мы действительно то , что мы едим.

Откуда берутся калории?

Ежедневно человеку необходимо около 45 различных питательных веществ , для того чтобы покрыть главную потребность — в энергии. Вся еда состоит из органических ( белки , жиры , углеводы, витамины) и неорганических ( вода , минеральные и другие химические вещества) компонентов. Углеводы и жиры призваны обеспечивать организм энергией , белки служат строительным материалом , витамины и минералы регулируют все жизненно важные процессы в организме.

Энергия измеряется в «килокалориях».

1 грамм углеводов = 4 ккал
1 грамм белков = 4 ккал
1 грамм жиров = 9 ккал
1 грамм алкоголя = 7 ккал

Вся неизрасходованная энергия откладывается в виде жира со всеми очевидными последствиями.

Углеводы

— запасают белок , чтобы он мог участвовать в процессах построения , восстановления и поддержания тканей тела , а не расщеплялся бы на энергию;

— участвуют в процессе усваивания жиров;

— служат источником регуляции нервных тканей и являются единственным источником энергии для мозга;

— способствуют росту полезных бактерий в кишечнике , что благотворно влияет на пищеварение.

Процесс усвоения углеводов начинается уже во рту , где начинается расщепление. Завершение процесса усвоения углеводов происходит в тонкой кишке , где энзимы расщепляют большие молекулы углеводов и превращают их в глюкозу. Глюкоза всасывается в кровь и используется для различных задач: для сиюминутных потребностей клеток в энергии и запасов.

Белок

— участвует в процесс построения , восстановления и поддержания клеток тела , тканей ( кожи , например), мышц , органов , крови и костей;

— участвует в производстве ферментов и гормонов;

— защищает организм от болезнетворных бактерий и вирусов;

— помогает регулировать количество жидкости;

— контролирует кислотно-щелочной баланс.

Только белки могут выполнять все вышеперечисленные функции. И потому как главный приоритет нашего тела — энергия , если в организме будет недостаточно углеводов и жиров , в расход пойдут белки. Только белки содержат девять необходимых для строительства и реставрации клеток аминокислот. Их можно получить из следующих продуктов: мяса , рыбы , птицы , яиц , молока , сыра , йогурта и сои.

Растительные источники белка — бобовые , орехи , семена , зерновые и овощи — называются неполными белками.

— концентрированный источник энергии и жирных кислот — 9 ккал на 1 грамм жира;

— переносят по организму жирорастворимые витамины A , D , E и K;

— помогают телу более эффективно использовать белки и углеводы;

— входят в состав любой стенки клеток;

— запасы жира в организме служат для поддержания и амортизации жизненно важных органов;

— необходимы для теплоизоляции;

— главная форма хранения энергии в теле человека;

— переносит молекулы , которые придают пище запах и вкус.

Здоровое соотношение белков , жиров и углеводов выглядит так:

«Золотая середина» — 50−30−20%.

Сколько калорий нужно потреблять ежедневно?

Ежедневная потребность в калориях рассчитывается исходя из трех факторов:

1) основной уровень метаболизма ( ОУМ) — число калорий , необходимых для выполнения базовых повседневных функций ( циркуляция крови , переваривание пищи и дыхание).

На ОУМ влияет возраст , рост , беременность , строение тела , сон и климат.

для женщин = 9.99 x вес в кг + 6.25 x рост в см — 4.92 x возраст в годах — 161
для мужчин = 9.99 x вес в кг + 6.25 x рост в см — 4.92 x возраст в годах + 5;
2) физическая активность;

3) дополнительная пищевая энергия — число калорий , необходимых для управления процессами переваривания , всасывания и метаболизма пищи.

Правильный баланс между потреблением калорий и их сжиганием является безопасным и здоровым способом контроля веса вне зависимости от сроков.

Существует несколько формул расчета ежедневного калоража. Наиболее простой способ

посчитать , сколько калорий нужно потреблять ежедневно , чтобы сбросить вес: 25 х на 1 кг веса; чтобы поддерживать вес: 30 х на 1 кг веса; чтобы набрать вес: 35 х на 1 кг веса.

Что такое ИМТ?

Индекс массы тела ( ИМТ) — это быстрый и простой способ определить , соответствует ли вес человека его росту. Однако он позволяет определить уровень ожирения тела , так как для вычисления используются только показатели роста и веса , без разделения на мышечную и жировую массу.
Формула расчета:

вес в кг/рост в м. кв.

меньше 15 — острый дефицит веса; от 15 до 20 — дефицит веса; от 20 до 25 — нормальный вес; от 25 до 30 — избыточный вес; свыше 30 — ожирение.

Измерить средний процент жира в организме без специальных весов или приборов довольно непросто. Однако существует приблизительный метод для самостоятельного расчета.

Обхват талии в см / обхват бедер в см.

Полученное число не должно быть больше 0,8.

Что и в каком количестве необходимо организму?

Пищевая пирамида — один из первых наглядных наборов продуктов на каждый день — была разработана в 1992 году Министерством сельского хозяйства США. Специалисты НИИ питания РАМН одобряют американский проект с учетом национальных особенностей. Пирамида позволяет выбрать из огромного разнообразия продуктов те , что входят в понятие здоровой и рациональной диеты , подходящей именно вам.

Количество порций каждой группы продуктов зависит от того , сколько калорий вам необходимо.

Под порцией в данном случае понимается:

— 1 кусок хлеба; 30 г каши в пакетике; 90 г вареного риса , макаронных изделий или каши;

— 50 г зеленого салата; 60 г нарезанных вареных или сырых овощей; 175 мл овощного сока;

— 1 среднее яблоко , банан , апельсин , груша или персик; 125 г вареных , консервированных или замороженных фруктов; 40 г сухофруктов; 175 мл фруктового сока ( 100%-ного сока);

— 250 мл молока или йогурта; 45 г творога; 60 г сыра;

— 60−90 г приготовленного постного мяса без костей , рыбы или птицы ( кусок размером с игральную карту). К 30 г мяса можно приравнять следующие продукты: 90 г вареных бобов; 1 яйцо; 50 г орехов: 2 ст. ложки арахисового масла.

Здоровая тарелка

14 сентября 2011 года эксперты по питанию Гарвардской школы общественного здравоохранения совместно с коллегами из Harvard Health Publications представили новое наглядное руководство по здоровому питанию — «Тарелку здорового питания» ( ему , в свою очередь , предшествовал проект «Моя тарелка»). http://www.glavrecept.ru/statji/zdorovoe-pitanie/tarelka-zdorovogo-pitaniya/ Она основана на последних научных доказательствах , свидетельствующих , что диета , богатая овощами , цельными зернами , здоровыми жирами и здоровыми белками , снижает риски увеличения веса и развития хронических заболеваний.

Сколько весит ваша порция?

Для подсчета калорий необходимо знать вес съеденной порции. Как определить его на глаз?

Энергия в клетке. Использование и хранение

Всем привет! Эту статью я хотел посвятить клеточному ядру и ДНК. Но перед этим нужно затронуть то, как клетка хранит и использует энергию (спасибо spidgorny). Мы будем касаться вопросов связанных с энергией почти везде. Давайте заранее в них разберемся.

Из чего можно получать энергию? Да из всего! Растения используют световую энергию. Некоторые бактерии тоже. То есть органические вещества синтезируются из неорганических за счет световой энергии. + Есть хемотрофы. Они синтезируют органические вещества из неорганических за счет энергии окисления аммиака, сероводорода и др. веществ. А есть мы с вами. Мы — гетеротрофы. Кто это такие? Это те, кто не умеет синтезировать органические вещества из неорганических. То есть хемосинтез и фотосинтез, это не для нас. Мы берем готовую органику (съедаем). Разбираем ее на кусочки и либо используем, как строительный материал, либо разрушаем для получения энергии.
Что конкретно мы можем разбирать на энергию? Белки (сначала разбирая их на аминокислоты), жиры, углеводы и этиловый спирт (но это по желанию). То есть все эти вещества могут быть использованы, как источники энергии. Но для ее хранения мы используем жиры и углеводы. Обожаю углеводы! В нашем теле основным запасающим углеводом является гликоген.

Он состоит из остатков глюкозы. То есть это длинная, разветвленная цепочка, состоящая из одинаковых звеньев (глюкозы). При необходимости в энергии мы отщепляем по одному кусочку с конца цепи и окисляя его получаем энергию. Такой способ получения энергии характерен для всех клеток тела, но особенно много гликогена в клетках печени и мышечной ткани.

Теперь поговорим о жире. Он хранится в специальных клетках соединительной ткани. Имя им — адипоциты. По сути это клетки с огромной жировой каплей внутри.

При необходимости, организм достает жир из этих клеток, частично расщепляет и транспортирует. По месту доставки происходит окончательное расщепление с выделением и преобразованием энергии.

Довольно популярный вопрос: «Почему нельзя хранить всю энергию в виде жира, или гликогена?»
У этих источников энергии разное назначение. Из гликогена энергию можно получить довольно быстро. Его расщепление начинается почти сразу после начала мышечной работы, достигая пика к 1-2 минуте. Расщепление жиров протекает на несколько порядков медленней. То есть если вы спите, или медленно куда-то идете — у вас постоянный расход энергии, и его можно обеспечить расщепляя жиры. Но как только вы решите ускориться (упали сервера, побежали поднимать), резко потребуются много энергии и быстро ее получить расщепляя жиры не получится. Тут нам и нужен гликоген.

Есть еще одно важное различие. Гликоген связывает много воды. Примерно 3 г воды на 1 г гликогена. То есть, для 1 кг гликогена это уже 3 кг воды. Не оптимально… С жиром проще. Молекулы липидов (жиры=липиды), в которых запасается энергия не заряжены, в отличие от молекул воды и гликогена. Такие молекулы называется гидрофобными (дословно, боящимися воды). Молекулы воды же поляризованы. Примерно так это выглядит.

По сути, положительно заряженные атомы водорода взаимодействуют с отрицательно заряженными атомами кислорода. Получается стабильное и энергетически выгодное состояние.
Теперь представим молекулы липидов. Они не заряжены и не могут нормально взаимодействовать с поляризованными молекулами воды. Поэтому смесь липидов с водой энергетически невыгодна. Молекулы липидов не способны адсорбировать воду, как это делает гликоген. Они «кучкуются» в так называемые липидные капли, окружаются мембраной из фосфолипидов (одна их сторона заряжена и обращена к воде снаружи, вторая — не заряжена и смотрит на липиды капли). В итоге, у нас есть стабильная система, эффективно хранящая липиды и ничего лишнего.

Окей, мы разобрались с тем, в каких формах хранится энергия. А что с ней происходит дальше? Вот отщепили мы молекулу глюкозы от гликогена. Превратили ее в энергию. Что это значит?
Сделаем небольшое отступление.

В клетке происходит порядка 1.000.000.000 реакций каждую секунду. При протекании реакции одно вещество трансформируется в другое. Что при этом происходит с его внутренней энергией? Она может уменьшаться, увеличиваться или не меняться. Если она уменьшается -> происходит выделение энергии. Если увеличивается -> нужно взять энергию из вне. Организм обычно совмещает такие реакции. То есть энергия, выделившаяся при протекании одной реакции идет на проведение второй.

Так вот в организме есть специальные соединения, макроэрги, которые способны накапливать и передавать энергию в ходе реакции. В их составе есть одна, или несколько химических связей, в которых и накапливается эта энергия. Теперь можно вернуться к глюкозе. Энергия выделившаяся при ее распаде запасется в связях этих макроэргов.

Разберем на примере.

Самым распространенным макроэргом (энергетической валютой) клетки является АТФ (Аденозинтрифосфат).

Выглядит примерно так.

В его состав входит азотистое основание аденин (одно из 4, используемых для кодирования информации в ДНК), сахар рибоза и три остатка фосфорной кислоты (поэтому и АденозинТРИфосфат). Именно в связях между остатками фосфорной кислоты накапливается энергия. При отщеплении одного остатка фосфорной кислоты образуется АДФ (АденозинДИфосфат). АДФ может выделять энергию, отрывая еще один остаток и превращаясь в АМФ (АденозинМОНОфосфат). Но эффективность отщепленная второго остатка намного ниже. Поэтому, обычно, организм стремится из АДФ снова получить АТФ. Происходит это примерно так. При распаде глюкозы, выделяющаяся энергия тратится на образование связи между двумя остатками фосфорной кислоты и образование ATP. Процесс многостадийный и пока мы его опустим.

Получившийся АТФ является универсальным источником энергии. Он используется везде, начиная от синтеза белка (для соединения аминокислот нужна энергия), заканчивая мышечной работой. Моторные белки, осуществляющие мышечное сокращение используют энергию, запасенную в АТФ, для изменения своей конформации. Изменение конформации это переориентация одной части большой молекулы относительно другой. Выглядит примерно так.

То есть химическая энергия связи переходит в механическую энергию. Вот реальные примеры белков, использующих АТФ для осуществления работы.

Знакомьтесь, это миозин. Моторный белок. Он осуществляет перемещение крупных внутриклеточных образований и участвует в сокращении мышц. Обратите внимание, у него имеется две «ножки». Используя энергию запасенную в 1 молекуле АТФ он осуществляет одно конформационное изменение, по сути один шаг. Самый наглядный пример перехода химической энергии АТФ в механическую.

Второй пример — Na/K насос. На первом этапе он связывает три молекулы Na и одну АТФ. Используя энергию АТФ, он меняет конформацию, выбрасывая Na из клетки. Затем он связывает две молекулы калия и, возвращаясь к исходной конформации, переносит калий в клетку. Штука крайне важная, позволяет поддерживать уровень внутриклеточного Na в норме.

А если серьезно, то:

Пауза. Зачем нам АТФ? Почему мы не можем использовать запасенную в глюкозе энергию напрямую? Банально, если окислить глюкозу до CO2 за один раз, мгновенно выделится экстремально много энергии. И большая ее часть рассеется в виде тепла. Поэтому реакция разбивается на стадии. На каждой выделяется немного энергии, она запасается, и реакция продолжается пока вещество полностью не окислиться.

Подитожу. Запасается энергия в жирах и углеводах. Из углеводов ее можно извлечь быстрее, но в жирах можно запасти больше. Для проведения реакций клетка использует высокоэнергетические соединения, в которых запасается энергия распада жиров, углеводов и тд… АТФ — основное такое соединение в клетке. По сути, бери и используй. Однако не единственное. Но об этом позже.

P.S. Я попытался максимально упростить материал, поэтому появились некоторые неточности. Прошу ревностных биологов меня простить.

Источник https://tvercult.ru/nauka/chto-takoe-plasticheskiy-i-energeticheskiy-obmen

Источник https://altapress.ru/zdorovie/story/sistemniy-podhod-chto-obespechivaet-cheloveka-energiey-i-siloy-87038

Источник https://habr.com/ru/post/424275/