Реферат на тему:
«Обмін речовин при діяльності організму»
ОБМІН РЕЧОВИН І ЕНЕРГІЇ - перетворення речовин і енергії, що відбуваються в живих організмах, що лежать в основі їх життєдіяльності. Обмін речовин, або метаболізм, вже Ф. Енгельсом був визначений в якості основного ознаки життя. Призначення обміну речовин і енергії полягає:
1) у відновленні постійно втрачаються організмом речовин (вода, мінеральні речовини) і розпадаються органічних речовин, що входять до складу тканин і тканинних рідин (пластичний обмін);
2) у забезпеченні організму енергією, необхідною для руху, секреції, екскреції, утворення ряду речовин, електричних явищ і інших проявів життя. В організмі безперервно йде розпад складових тіло тварини організму речовин (дисиміляція, катаболізм) і одночасно синтез їх (асиміляція, анаболізм). Анаболічні і катаболические реакції в своїй течії тісно переплітаються один з одним. Наприклад, перед стадією асиміляції чужорідні білки попередньо піддаються в травному тракті розщепленню до амінокислот. У ході розпаду глюкози першою реакцією є синтез більш складної речовини - глюкозо-6-фосфату. Оцтова кислота, перш ніж піддатися окислювання до вуглекислоти і води, попередньо входить до складу більш складної речовини - лимонної кислоти і т. д. Поєднання катаболічних і анаболічних реакцій призводить до постійного оновлення складу тіла.
Постійний хід процесів оновлення забезпечує високу здатність тварини тіла до пластичних процесів, тобто до перебудови його тканин і органів як в ході природного росту, розвитку трудової діяльності, так і при патологічних станах у зв'язку з процесами загоєння пошкоджень і переломів, відновлення постраждалих від різних впливів тканої і т. д. Хоча в результаті оновлення різні речовини, що входять до складу тіла, весь час замінюються новоствореними, загальний склад тіла у дорослих тварин і людини протягом коротких проміжків часу майже не змінюється. Таким чином, живий організм являє собою стаціонарну систему, притому відкриту, оскільки він перебуває у постійному обміні з навколишнім середовищем. Можуть мати місце різні рівні стаціонарного стану організму або клітин - у спокої, при тій чи іншій діяльності, при нестачі кисню і т. д.
Тісний взаємозв'язок анаболічних і катаболічних процесів обумовлюється енергетичними відносинами: кожного разу, коли відбувається синтез більш складних речовин, що вимагає витрати енергії, одночасно з ним повинні йти процеси, які постачають енергію, - процеси розпаду або окислення. У зв'язку з тим, що різні прояви життя вимагають витрати енергії, організм потребує в надходженні енергії ззовні. У зелених рослин енергія надходить в організм і вловлюється у вигляді квантів світла. Такі організми здатні створювати органічна речовина свого тіла з неорганічних речовин шляхом фотосинтезу; їх називають аутотрофнимі організмами. Інші організми (тварини і деякі мікроби) потребують органічних речовинах (гетеротрофи). Освіта речовин їх тіла відбувається шляхом хіміосінтеза, тобто синтезу, енергія для якого черпається за рахунок енергії хімічних сполук, як правило, мають органічну природу. Тільки серед мікробів зустрічаються такі, які отримують енергію, необхідну для синтезу, за рахунок окислення неорганічних сполук сірки чи азоту, або заліза. Ці мікроби здійснюють хіміосінтетіческій шлях обміну, будучи в той же час аутотрофнимі організмами.
Валовий обмін речовин і енергії у тварин і людини. Перші досліди балансового характеру на людині були проведені Санторіо в першій половині 16 ст. Він встановив, що людина в проміжках між прийомами їжі безперервно втрачає у вазі. Лавуазьє в кінці 18 ст. встановив безперервний хід згоряння в організмі вуглецю і водню з утворенням вуглекислого газу і води. У його ж дослідах з Лапласом було знайдено, що кількість що утворюється при цьому тепла близько до того, що утворюється при згоранні цих же речовин поза організмом. Закон збереження речовини, сформульований М.В. Ломоносовим (1748), а потім Лавуазьє (1789), послужив твердою основою для вивчення балансів валового обміну речовин. На початку 19 ст. були розроблені прийоми елементарного аналізу [Гей-Люссак, Дюма, Лібіх, застосування яких показало, що основну роль в обміні речовин тваринного організму відіграють білки, вуглеводи і жири, що весь азот їжі виводиться з сечею і калом [Буссенго, Лібіх, Вид-дер і Шмідт].
Відкриття Майєром і Гельмгольцем закону збереження енергії дозволило встановити нерозривний зв'язок між обміном речовин і обміном енергії. Протягом другої половини 19 ст. були розроблені методи дослідження газообміну, дослідження складу сечі, екскретів і т. д. [І.М. Сєченов, Петтенкоффер, Фойт, Цунц], методи калориметричних визначень обміну енергії [В. В. Пашутін, А. А. Лихачов, Реньо, Рейз, Рубнер и др.]. На початку 20 ст. ці дослідження були продовжені, з одного боку, на основі створення складних і досконалих установок для вивчення валового обміну речовин і енергії [Етвотер, Бенедикт], з іншого боку, шляхом розробки простих і точних методів дослідження газообміну [І.М. Сєченов, М. Н. Шатерник, Холдейн, Дуглас, Кестнер, Крог и др.]. Весь цей шлях досліджень привів до вирішення цілого ряду питань обміну речовин і енергії в здоровому організмі і при різних захворюваннях.
Кількість окисляються в організмі білків визначається за кількістю сечового азоту. Крім білків, джерелами сечового азоту можуть бути деякі липоиди (фосфоліпіди), деякі вуглеводи (аміноцукри) і ряд низькомолекулярних азотистих речовин (сечовина, пуринові тіла, креатин та ін), що входять до складу азотистих екстрактивних речовин м'яса та інших харчових продуктів. Однак кількість азоту, що надходить за рахунок цих речовин у звичайних умовах харчування, незначно. Наприклад, фосфоліпідного азоту в м'ясі приблизно в 250 разів менше, ніж білкового азоту. Зміст азотистих низькомолекулярних речовин в більшості харчових продуктів (за винятком м'яса) теж невелика. Тому азотом перерахованих речовин зазвичай нехтують.
З іншого боку, слід враховувати ту обставину, що деяка кількість азоту втрачається організмом іншими шляхами - з калом, потім, шляхом слущивания ороговілого епітелію з шкіри, шляхом відростання волосся і нігтів. Проте, за винятком калу, всі ці втрати азоту незначні.
Хоча піт і містить деякі азотисті речовини, зокрема сечовину, людина в спокої втрачає з потом за добу 0,071 г азоту (Бенедикт, 1906). Втрата азоту з відростають волоссям та нігтями, по Молешотта (т. Мо1езсЬоІ, 1878), складає 0,0297 м. Скала втрачається в середньому близько 1,7 г.
Середній вміст азоту в білках приймають рівним 16 г на 100 г білка, звідси 1 в азоту відповідає 6,25 г білка. Тому кількість окислених в організмі білків визначають шляхом множення кількості виділеного з сечею азоту на 6,25. Величини, що характеризують участь білків у газовому обміні й у звільненні енергії, були отримані.
Легко розрахувати, що 41,5 г С і 3,439 г Н вимагають для окислення 138,2 г 0 2 і утворюють 152,2 г С0 2, що відповідає 96,7 л Про г і 77,42 л С0 2. Звідси дихальний коефіцієнт (ДК = відношенню обсягу видихнути С0 2 до обсягу поглиненого кисню) дорівнює 77,42: 96,7 = 0,80. Кожен грам сечового азоту в цьому випадку відповідає 5,93 л 0 2 і 4,75 л СО а. Далі, використання 100 г білка призводить до утворення в тілі 0,961 + 7,69 + 3,439 x ^ = 39,6 г ВОДИ (за новішими даними, 41 г).
Калориметричної визначення показує, що при спалюванні 1 г білка в бомбі Бертло (див. Калориметрія) звільняється в залежності від природи білка 5,60 - 5,92 ккал тепла. Але в організмі теплотворна здатність білків менше (в середньому 4,2 ккал), бо, як видно з таблиці, значна кількість С і Н виводиться з сечею і фекаліями. На окислення 100 г білка м'яса йде 96,7 л 0 2. У середньому при споживанні 1 л 0 2 на окислення білків звільняється 4,82 ккал.
Таким чином, виходячи з елементарного аналізу харчових білків, сечі і калу, можна розрахувати кількість утворюються за рахунок окислених білків С0 2, Н 2 0, кількість споживаного 0 2, величину ДК, кількість звільняється при цьому тепла.
При дослідженні газового обміну організму в поглинанні 0 2 і виділенні С0 2 беруть участь поруч з перетвореннями білків процеси окислення вуглеводів і жирів. Віднімаючи з величин, що характеризують газообмін в цілому, ті, які обумовлені участю в обміні білків, отримують дані, що характеризують «безбілковий» обмін, тобто обмін 0 2 і С0 2, що залежить тільки від вуглеводів і жирів. Частку участі тих і інших в обміні легко встановити по величині «небілкового» ДК.
При окисленні вуглеводів, напр. цукру чи глікогену, кількісні відношення виразяться наступними рівняннями:
З 6 Н 12 0 6 + 601 = 6С02 + 6Н 2 0; (С Ню0 5) п-Н 2 0 + 6 п 0 2 = 6пС0 2 + 5п Н 2 0 + Н 2 0.
Відносини об'ємів газів дорівнюють відношенню числа їх граммолекул. Отже, в обох випадках ДК = 1.
Як приклад окислення жиру можна взяти тригліцериди, що містить по одному залишку стеаринової, пальмітинової і олеїнової кислот.
З 5 5Н 101 Про 6 + 78О 2 = 55СО 2 + 52Н 2 О ДК = 55/78 = 0,70.
Ті ж величини ДК були отримані і на основі елементарного аналізу природних жирів.
При одночасному окисленні вуглеводів і жирів 1> ДК> 0,7. Якщо спожито п літрів 0 2 і з них х літрів йде на окислення вуглеводів, а у літрів на окислення жирів, то х + у = п і ж + ° '7; / = дк. З цих г х + у двох рівнянь легко розрахувати величини я і у, а звідси і кількість окислених вуглеводів і жирів.
Енергетична цінність вуглеводів і жирів в організмі така ж, як і при спалюванні їх у калориметричної бомбу. Середню величину для вуглеводів приймають рівною 4,1 ккал / г і для жирів 9,3 ккал / м. Рубнером показано, що в значних межах вуглеводи і жири як джерела енергії можуть взаємно заміняти один одного в кількостях, що дають одне і те ж кількість енергії (закон ізодінаміі). Калоріческая цінність 1 л кисню при окисленні вуглеводів дорівнює 5,047 ккал, а при окисленні жирів - 4,686 ккал. При одночасному окисленні вуглеводів і жирів калоріческая цінність 1 л кисню має проміжне значення.
Наведений вище шлях розрахунків на практиці може бути значно спрощено у зв'язку з тим, що ДК для білків займає проміжне положення між 0,7 і 1 (0,82) і калоріческая цінність 1 л 0 2 для них складає 4,82 ккал, т. е. таку ж величину, як при небілкової обміні при окисленні суміші жирів і вуглеводів при такому ж ДК. При обчисленні кількості енерговитрат організму досить визначити загальний ДК та кількість поглиненого кисню. Потім користуються табл. 1 для розрахунку кількості звільнилася енергії.
Розібрані хімічні та енергетичні відносини дають обгрунтування для непрямої калориметрії, тобто для визначення обміну енергії організму на основі даних, отриманих при визначенні газообміну. Розроблено також метод, що дозволяє, крім газового обміну через легені, враховувати також кількість води, що втрачається через шкіру (Бенедикт), яке виявилося пропорційним валового обміну.
Обмін енергії може бути визначений і безпосередньо методом калориметрії. Пряма і непряма калориметрія дають збігаються результати. У 12 дослідах на собаках різниця між непрямої, прямої калориметрії в середньому становила 0,6% [Мерлін і Ласк, 1915]. Ще краще збіг (близько 0,1%) було досягнуто в дослідах Етвотер на людях.
Основний обмін. У залежності від стану організму (спокій, м'язова робота, прийом їжі, температура навколишнього середовища, психічні впливу, прийом лікарських або отруйних речовин) розміри загальних витрат енергії і, отже, інтенсивність обміну речовин можуть значно коливатися. Для бодрствующего стану вдається домогтися мінімуму енерговитрат в умовах «основного обміну», тобто коли тварина (або осіб) перебуває в умовах повного м'язового спокою (при положенні лежачи), натще (останній прийом їжі у людини за 16 годин до дослідження) та при температурі навколишнього середовища, що забезпечує тепловий комфорт. Крім того, не повинно бути недостатнього харчування в період, що передує визначенню основного обміну, і повинні бути виключені умовні подразники, пов'язані у цього організму з тим чи іншим діяльним станом; слід також мати на увазі, що «основний обмін» не є мінімальним обміном у організму, тому що обмін під час сну трохи нижче основного обміну.
Величина основного обміну залежить від розмірів організму: чим вони більші, тим більше і величина основного обміну. Однак ця залежність не прямолінійна.
Рубнером (1883) встановлена прямолінійна залежність між величиною основного обміну і поверхнею тіла. Ця залежність відома як «закон поверхні тіла». Ця закономірність, на думку Рубнера, відображає еволюційне пристосування організмів до тепловтрати, що залежить, в першу чергу, від величини поверхні тіла. Слід мати на увазі, що цей «закон» докладемо тільки до теплокровних (гомойотермним) тваринам - птахам і особливо ссавцям. У відношенні холоднокровних (пойкілотермних) вже дослідження самого Рубнера показали його незастосовність.
Проти абсолютизації «закону поверхні» перш за все говорить та обставина, що обмін внутрішніх органів (мозок, серце, печінка та ін) залежить певною мірою і від маси тіла. Далі, поверхня шкіри володіє неоднаковими властивостями, зокрема різної васкуляризацією або різним шерстним покривом. Гарним прикладом є основний обмін у летючих мишей у період гомойотермін. Поверхня тіла у них дуже велика, але літальні перетинки крил слабо васкуляризована і не можуть служити місцем значною тепловіддачі. Тому основний обмін у летючих мишей, розрахований на 1 м г, у 20-25 разів нижче, ніж у польової миші того ж ваги (А. Д. Слонім, 1945). Величина основного обміну може коливатися в залежності від часу доби і від сезону.
У здорової людини, крім величини поверхні тіла, на величину основного обміну впливають також стать і вік. За інших рівних умов основний обмін у чоловіків трохи вище, ніж у жінок; у молодому віці вище, ніж у літньому і тим більше старому.
Для розрахунку величини основного обміну користуються поруч формул. Найбільш поширеними є формули Гарріса і Бенедикта. Існують також побудовані на цих же формулах таблиці. Приймається, що якщо певна експериментально величина основного обміну відрізняється більше ніж на 10% від обчисленої за цим таблицям, то є вже порушення обміну. Вирішальний вплив на основний обмін надає секреторна функція щитовидної залози. При підвищенні продукції нею тироксину і трійодтіронпна основний обмін підвищений, при гіпофункції цієї залози він понижений.
Основний обмін знижений у осіб, виснажених в результаті тривалого голодування або інфекційних хвороб.
Обмін речовин і енергії при діяльності організму. Найбільш різкий вплив на обмін речовин організму надає м'язова робота. Розмір енерговитрат при цьому може зрости у кілька разів.
Лібіх вважав, що м'язова робота здійснюється за рахунок обміну білків. Однак в 1889 р. Фік (А. Позов) і Вислиценуса у спостереженнях над собою встановили, що підйом на пік Фаульгорн в Швейцарії висотою в 1956 м не підвищив виведення сечового азоту. Ряд інших досліджень підтвердив, що розмір виведення з сечею азоту при звичайній м'язової роботі не змінюється. Основним джерелом енергії при м'язовій роботі є вуглеводи. Однак у випадку дуже великих енерговитрат доцільно підвищити і кількість жирів у зв'язку з високою енергетичною цінністю їх.
Іншим чинником, що підвищує обмін речовин і енергії, є їжа. Цей вплив позначено Рубнером як специфічна динамічна дія (СДД). Первісне припущення про те, що специфічна динамічна дія їжі обумовлене підвищеною діяльністю травного тракту, було спростовано низку досліджень.
Це підвищення обміну речовин відбувається однаковим чином як у стані спокою, так і при м'язовій роботі. СДД білків є причиною того, що не можна підтримати азотистий баланс, даючи тварині то кількість білків, яке піддається розпаду в тілі і виводиться з сечею при білковому голодуванні.
Наступний істотний чинник полягає в температурі навколишнього середовища. При зниженні її нижче температурного комфорту обмін речовин підвищується і тим більше, чим нижче температура. З малюнка видно, що при 1 ° 30 ° спостерігається мінімальна величина основного обміну. При зниженні температури навколишнього середовища обмін підвищується і тим сильніше, чим нижче температура. Це є компенсаторним процесом, спрямованим на підтримку температури тіла (хімічна терморегуляція). Це явище мало виражена після прийому їжі, тому що СДД харчових речовин замінює підвищення обміну в результаті хімічної терморегуляції. У деяких тварин (зокрема, у гризунів) тепло-регуляція недосконала, і при дії холоду у них починає знижуватися температура тіла. У цьому випадку має місце зворотне явище - обмін речовин знижується.
При перегріванні обмін речовин підвищується, але не так різко. Підвищення обміну пов'язане з посиленою діяльністю дихальних м'язів, потових залоз і т. д.
Дослідженнями школи К.М. Бикова (А. Д. Слонім, Р. П. Ольнянская, І. С. Канфор та ін) показано вплив умовнорефлекторних агентів: всякий раніше індиферентний подразник, поєднаний в часі з тією або іншою діяльністю організму, може викликати зміни в обміні, аналогічні тим, які викликає ця діяльність. Все це пов'язано з регулюючим впливом кори великих півкуль. У зв'язку з роллю цього чинника у вільно живучих тварин можуть відбуватися зміни у відповідь на різноманітні впливи екологічного порядку (А. Д. Слонім, 1952).
Проміжні продукти вуглеводного обміну містяться в рідинах організму грудних дітей в тій же концентрації, що й у старших. У крові пуповини зміст піровиноградної кислоти становить в середньому 3 мг%, що, мабуть, пов'язано з внутрішньоутробним недоліком кисню. Середній вміст піровиноградної кислоти в крові-0, 75 мг%. Піровиноградна кислота займає центральне місце в обміні вуглеводів; вона бере участь як в аеробному, так і в анаеробному обміні глюкози. У більшості інтермедіарних процесів вона являє собою досить лябільний метаболіт, який може розглядатися як «сейсмограф» течії енергетичних процесів. Шлунково-кишкові розлади, підвищення температури у недоношених дітей і у дітей раннього віку ведуть до підвищення вмісту піровиноградної кислоти в крові. При нестачі вітаміну В, підвищується її вміст у крові та в сечі; навантаження глюкозою в умовах недостатності вітаміну В, викликає більше і більше тривале підвищення її в крові.