Объясните почему обмен веществ необходимое условие существования живой системы кратко

Обновлено: 05.07.2024

Вопрос 1. Почему обмен веществ считают основным свойством живой природы?
Обмен веществ — обязательное условие жизни любого организма. Обмен веществ обеспечивает взаимодействие живого организма с окружающей его средой, процессы жизнедеятельности, рост, развитие.

Вопрос 2. Что относят к подготовительной, основной и заключительной стадиям обмена?
К подготовительной стадии обмена веществ относят расщепление веществ, поступивших в организм в процессе пищеварения, и транспортировку их и кислорода к клеткам. К основной — процессы преобразования веществ внутри клеток (синтез необходимых организму веществ и биологическое окисление с целью получения энергии). К заключительной — вывод из клеток и организма продуктов биологического окисления веществ (углекислого газа, аммиака, воды, соединений фосфора, натрия, хлора).

Вопрос 3. Какие функции в организме выполняют белки?
Функции белков в организме очень разнообразны: пластическая (в составе клеток примерно 50 % белков), регуляторная (многие гормоны — белки), ферментативная (ферменты — это биологические катализаторы белковой природы, они значительно увеличивают скорость биохимических реакций), энергетическая (белки представляют собой энергетический резерв и организме, который используется при нехватке углеводов и жиров), транспортная (например, белок гемоглобин транспортирует кислород), сократительная (белки актин и миозин в мышечной ткани).

Вопрос 4. Какую роль играют жиры?
Значение жиров для организма заключается в том, что они являются одним из важнейших источников энергии (при распаде 1 г жира выделяется 9,3 ккал, или 38,9 кДж энергии). Кроме того, жиры выполняют в организме защитную, амортизационную, пластическую функции, являются источником воды, так как при окислении жира образуется много воды (конечные продукты распада жиров — СО2 и Н2О). Значительная часть энергетических потребностей печени, мышц, почек (но не мозга) покрывается за счет окисления жиров. Часть жиров откладывается в запас. Эти запасы используются при недостатке питания. Жиры — хорошие теплоизоляторы.

Вопрос 7. Какие функции выполняет в организме вода?
Внутренняя среда организма жидкая, содержит до 90% воды. Все биохимические процессы в организме происходят в водной среде. Транспорт питательных веществ и кислорода осуществляется в жидкой (водной) среде. Продукты распада тоже выносятся водой.

Вопрос 8. Почему концентрация солей во внутренней среде организма и клетках должна поддерживаться на определенном уровне?
Если концентрация солей в тканевой жидкости и крови будет меньше, чем в клетках, вода будет поступать в клетки. Они начнут разбухать, их нормальная работа будет нарушена. Если же концентрация солей в тканевой жидкости и крови будет больше, чем в клетках, вода будет выходить из клеток, и они могут погибнуть от обезвоживания.

Вопрос 9. Какие элементы относятся к макроэлементам, а какие — к микроэлементам?
К макроэлементам относят кальций, калий, натрий, фосфор, хлор.
К микроэлементам — железо, кобальт, цинк, фтор, иод и др.

Обязательным условием существования организма человека, как и всех живых организмов, является постоянный обмен веществ и энергии с внешней средой. В ходе обмена веществ питательные вещества, богатые энергией, подвергаются химическим превращениям с выделением энергии, используемой организмом для обеспечения жизнедеятельности, а конечные продукты обмена веществ с низким содержанием энергии удаляются из клетки.

Обмен веществ, или метаболизм, делится на две основные группы процессов: ассимиляцию и диссимиляцию.

Ассимиляция, или анаболизм, – это процессы усвоения веществ, поступающих в организм из внешней среды, образование более сложных органических соединений из простых с запасанием энергии в макроэргических связях молекул АТФ.

Диссимиляция, или катаболизм, – это распад сложных органических веществ, входящих в состав клеточных структур, до более простых веществ, сопровождающееся выделением энергии.

Метаболизм жиров и углеводов служит главным образом для обеспечения физиологических функций (функциональный метаболизм), а метаболизм белков – для поддержания и изменения структуры организма (структурный метаболизм)

Схема 4. Энергия и обмен веществ

Жиры Белки Углеводы Биологическое окисление

Н2О + СО2 + АТФ + первичная теплота

Функциональный метаболизм (мышечные сокращения, активный транспорт веществ и т.д.)

Структурный метаболизм (синтез структурных элементов клеток и тканей)

В т о р и ч н а я т е п л о т а

Активное деятельное состояние Основной обмен

Этапы высвобождения и запасания энергии в организме. Общая продукция энергии в организме включает выделенную энергию, израсходованную на внешнюю работу (мышечные сокращения, активный транспорт веществ, работа сердца и т.д.), тепло-

продукцию и запасенную энергию (в химических связях молекул, в первую очередь в связях молекул АТФ). Свободная энергия для организма поступает лишь с пищей. Она аккумулирована в сложных химических связях белков, жиров и углеводов. Чтобы освободить эту энергию (в ходе реакций катаболизма), питательные вещества вначале подвергаются гидролизу, а потом окислению в аэробных и анаэробных процессах.

I этап – гидролиз в желудочно-кишечном тракте: выделяется не более 0,5 % свободной энергии, в результате чего образуется небольшое количество тепла, использующееся организмом для поддержания температуры тела.

II этап – процесс анаэробного окисления глюкозы до пировиноградной кислоты, в котором до 5 % свободной энергии аккумулируется в виде АТФ.

III этап – основной – процесс аэробного окисления глюкозы до СО2 и воды в цикле трикарбоновых кислот или цикле Кребса. В нем происходит утилизация 94,5 % всей энергии. При этом 52 – 54 % энергии накапливается в АТФ, остальная часть выделяется в виде первичной теплоты. Образовавшаяся АТФ используется для совершения полезной работы, и ее энергия выделяется в виде вторичной теплоты.

Цикл Кребса связывает между собой катаболические и анаболические стадии метаболизма, т.к. промежуточные продукты цикла Кребса используются для синтеза мономеров в ходе реакций анаболизма. Из этих мономеров синтезируются клеточные полимеры – белки, жиры, углеводы – и используется энергия, запасенная в связях молекул АТФ.

Таким образом, часть аккумулированной в химических связях молекул жиров, белков и углеводов энергии в процессе биологического окисления используется для синтеза АТФ, а другая часть этой энергии сразу превращается в теплоту – так называемая первичная теплота. В результате же функционального и структурного метаболизма происходят расходование запасенной энергии и выделение ее в виде вторичной теплоты, то есть вся свободная энергия в конечном итоге превращается в тепловую энергию. Поэтому, измеряя количество тепловой энергии, выделяемой организмом, можно определить его энергозатраты.

6.2. Методы измерения энергетических затрат

Если измерить все количество тепла, образовавшегося в организме за час или сутки, то это будет мерой суммарной энергии химических связей питательных веществ, подвергшихся за это время биологическому окислению. Так как в процессе биологического окисления используется кислород, то по его потребленному количеству можно судить о величине энергозатрат организма. Количество выделенного тепла определяют с помощью прямой или непрямой калориметрии.

Прямая калориметрия заключается в прямом измерении количества тепла, непосредственно выделенного организмом в теплоизолированной камере. Однако из-за громоздкости и сложности используемого при этом оборудования данный метод применяется редко.

Непрямая калориметрия основана на измерении количества потребленного кислорода и выделенного СО2. Зная эти величины, вычисляют дыхательный коэффициент. Дыхательный коэффициент – это отношение объема выделенного СО2 к объему поглощенного О2. Величина дыхательного коэффициента зависит от того, какие органические вещества подвергаются окислению. При окислении углеводов дыхательный коэффициент равен 1, так как при полном окисления одной молекулы глюкозы используется одна молекула кислорода и выделяется одна молекула СО2. При окислении одной молекулы белков или одной молекулы жиров образуется меньше молекул СО2 в расчете на одну потребленную молекулу кислорода, поэтому дыхательный коэффициент белков составляет 0,8, а жиров – 0,7. Когда в организме одновременно окисляются белки, жиры и углеводы, то дыхательный коэффициент колеблется от 0,7 (окисление только жиров) до 1 (окисление одних углеводов), и составляет в среднем 0,85.

Потребление кислорода сопровождается выделением тепла. Калорический эквивалент кислорода – это количество тепла, образующегося в организме при потреблении им 1 л кислорода. Подсчитав дыхательный коэффициент на основе измерения количества потребленного кислорода и выделенного СО2, можно определить калорический эквивалент кислорода

Зависимость калорического эквивалента кислорода (ккал/л) от дыхательного коэффициента (Зинчук, 2005, см. 15) Затем величину калорического эквивалента кислорода умножают на количество потребленного кислорода и находят общее количество выделенного тепла или энергетические затраты организма в единицу времени. Так как при этом измеряют количество потребленного кислорода и выделенного СО2, то метод непрямой калориметрии носит также название метода полного газового анализа.

6.3. Основной обмен. Должный основной обмен.

Рабочая прибавка. Общие энергозатраты людей различных профессиональных групп

Основной обмен – это минимальный уровень энергозатрат, необходимый для поддержания жизнедеятельности организма в условиях физического и эмоционального покоя. Эта энергия затрачивается на осуществление функций нервной системы, синтез веществ, работу ионных насосов, поддержание температуры тела, работу дыхательной мускулатуры, сердца и почек. Основной обмен определяют утром в состоянии лежа, при максимальном расслаблении мышц, в состоянии бодрствования, при температуре 20 – 22 оС, натощак.

Величина основного обмена зависит от пола, возраста, роста, массы и площади поверхности тела, интенсивности метаболизма. Для взрослого человека основной обмен составляет примерно 1 ккал на 1 кг массы тела в час. У мужчин основной обмен в пересчете на единицу массы тела на 10 % больше, чем у женщин. Это связано с тем, что мужские половые гормоны оказывают стимулирующее действие на обменные процессы, а также с тем, что у мужчин относительно больше мышечной ткани и меньше жировой, чем у женщин. В среднем у мужчин основной обмен равен 1600 – 1700 ккал/сутки, у женщин – 1400 – 1500 ккал/сутки.

У детей процессы анаболизма преобладают над процесса

ми катаболизма, поэтому у них значения основного обмена больше, чем у взрослых (в среднем 1,8 ккал/кг/ч в 7 лет и 1,3 ккал/кг/ч в 12 лет).

Интенсивность основного обмена примерно на 50 % обусловлена расходами энергии на поддержание работы печени и покоящейся скелетной мускулатуры.

Должный основной обмен отражает норму основного обмена для конкретного индивидуума с учетом пола, возраста, роста и массы тела. Он определяется по специальным таблицам. Особенно сильно величина основного обмена зависит от площади поверхности тела. Закон Рубнера – закон поверхности тела: энергетические затраты теплокровного организма в покое прямо пропорциональны величине поверхности тела.

Реальная величина основного обмена может отличаться от должного основного обмена не более чем на 15 %. При гиперфункции щитовидной железы основной обмен может превышать норму на 20 % и более.

Общий обмен энергии включает в себя энергозатраты организма в условиях активной деятельности и состоит из основного обмена, рабочей прибавки и специфического динамического действия пищи.

Специфическое динамическое действие пищи включает в себя усиление интенсивности обмена веществ и увеличение энергозатрат под влиянием приема пищи. Проявляется в течение 1 – 3 часов после приема пищи.

Рабочая прибавка – это энергозатраты на выполнение любых видов работ, производимых организмом. Величина рабочей прибавки зависит от вида деятельности человека. Например, при тяжелой мышечной работе энергозатраты могут быть во много раз больше, чем в состоянии физического покоя, при легкой физической работе и умственном труде расходы энергии увеличиваются на 20 – 30 %.

Величина общего обмена энергии отражает степень физической активности человека. Если она низкая, то это свидетельствует о гипокинезии или гиподинамии: на этом фоне возрастает риск развития атеросклероза, ишемической болезни сердца, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки и т.д. По данным ВОЗ, для поддержания высокой работоспособности каждому человеку необходимо ежедневно не менее 20 мин заниматься какой-либо физически активной деятельностью.

По международной классификации, предельно допустимая по тяжести работа не должна превышать по энергозатратам уровень основного обмена больше, чем в 3 раза

Например, энергозатраты организма увеличиваются при умственной работе в сочетании с легкой мышечной деятельностью и психоэмоциональным напряжением на 15 – 19 % и более, исходя из чего у работников умственного труда средние суточные затраты энергии составляют 2400 – 2800 ккал/сутки. В то же время у студентов, учитывая более интенсивный метаболизм и высокий уровень психоэмоциональной нагрузки, среднесуточные затраты, как правило, превышают этот уровень (около 3000 ккал/сутки). Соответственно по энергозатратам выделяют следующие категории труда: легкий труд (2200 – 3300 ккал/сутки), средний (2350 – 3500), тяжелый (2500 – 3700) и очень тяжелый труд (более 3500 ккал/сутки). 6.4.

Должная, или идеальная, масса тела – это та, которая способствует поддержанию здоровья и максимальной продолжительности жизни.

Определение должной массы тела производят по специальным таблицам, или с помощью метода Брока, или на основе индекса Кетле.

По методу Брока массу рассчитывают, исходя из роста, однако при этом не учитываются пол, возраст и конституция:

Масса (кг) = рост – 100 (при росте до 165 см).

При росте 166 – 175 см: масса (кг) = рост – 105.

При росте больше 175 см: масса (кг) = рост – 110.

Индекс Кетле рассчитывают по формуле:

В норме индекс Кетле составляет 18,5 – 25.

2. Полное обеспечение потребностей организма в белках, жирах, углеводах, витаминах, минеральных элементах, воде и т.д.

Обязательно должны присутствовать достаточные количества незаменимых аминокислот и ненасыщенных жирных кислот. Согласно теории адекватного питания (А.М. Уголев):

1) питание поддерживает молекулярный состав и возмещает энергетические и пластические расходы организма на основной обмен, внешнюю работу и рост;

2) необходимыми компонентами пищи служат не только нутриенты, но и балластные вещества;

3) нормальное питание обеспечивается не только за счет потока питательных веществ из желудочно-кишечного тракта, но и наличием биологически активных веществ в организме, регулирующих метаболизм.

4) в процессах усвоения питательных веществ и образования некоторых биологически активных веществ важную роль играет микрофлора кишечника.

С точки зрения теории адекватного питания, идеальная пищаэто та пища, которая полезна данному человеку в данных условиях и адекватна состоянию человека.

3. Соблюдение регулярности и дробности питания. Наиболее оптимальным считается четырехразовое питание, однако в обычных условиях вполне приемлемо трехразовое питание: на завтрак 30 % калорийности, на обед 45 %, на ужин 25 %. Желательно, чтобы ужин был не позднее, чем за 2 – 3 часа до сна. Для того чтобы пищеварительная система работала наиболее эффективно, необходимо придерживаться режима питания, не спешить во время еды и тщательно пережевывать пищу. При склонности к излишней полноте рекомендуется питание небольшими порциями 5 – 6 раз в день

Обмен веществ и энергии считается основным свойством живой природы, потому что благодаря ему обеспечивается рост, развитие, процессы жизнедеятельности и взаимодействие живого организма с окружающей средой.

№ 2. Что происходит в процессе пластического и энергетического обмена?

В процессе пластического обмена происходит синтез из простых веществ более сложных (растрачивается энергия, а образуются вещества). Сопровождается поглощением энергии.

В процессе энергетического обмена происходит распад веществ на простые (вода, углекислый газ), выделение и запас энергии в виде АТФ.

№ 3. Какие функции в организме выполняют белки?

В организме белки выполняют несколько функций:

Двигательная (сокращение мышечных клеток);

Транспортная (переносят вещества через клеточную мембрану);

Сигнальная (передают информацию между тканями, органами и клетками);

Строительная (участвуют в образовании органоидов, клеток, межклеточного вещества);

Регуляторная (контролируют процессы метаболизма);

Ферментативная (катализаторы, которые ускоряют биохимические реакции);

Энергетическая (дополнительный источник энергии);

Запасающая (запасаются для питания клеток);

Защитная (предохраняют организм, уничтожая чужеродные частицы);

Рецепторная (удерживают регуляторы на поверхности или внутри клетки).

№ 4. Какую роль играют жиры?

Жиры – это органические соединения, которые состоят из жирных кислот и глицерина. Они являются важным источником энергии, компонентом структурных элементов клетки (ядра, цитоплазмы и мембраны), предохраняют органы от потери тепла, а от механических повреждений – внутренние органы.

№ 5. Каковы функции углеводов?

Углеводы входят в состав протоплазмы, клеточных и субклеточных структур, а потому выполняют опорную функцию, участвуют в пластических процессах метаболизма. Также углеводы являются непосредственным источником энергии для организма.

№ 6. Как в организме происходит обмен белков, жиров и углеводов?

Белковый обмен – это процесс использования и преобразования белков в организме человека. Белки продуктов, употребленных в пищу, в процессе пищеварения распадаются в ЖКТ до отдельных аминокислот. Потом они всасываются в кровяное русло и по нему разносятся к клеткам, в которых происходит синтез уже новых белков, свойственных организму человека.

Обмен жиров – это процесс преобразования и использования жиров. Под действием ферментов поджелудочной железы и тонкого кишечника жиры всасываются в лимфу в ворсинках тонкого кишечника. После этого с током лимфы они попадают в кровоток, а далее в клетки. Расщепляются жиры до воды и углекислого газа и выводятся через почки и легкие.

Углеводный обмен – это процесс преобразования и использования углеводов. Они поступают в организм человека в виде разных соединений, например, фруктоза, крахмал, сахароза или гликоген. Вещества распадаются в процессе пищеварения до простого вещества – сахара глюкозы, а потом с помощью ворсинок тонкого кишечника попадают в кровь. Основная часть сахара глюкозы окисляется до воды и углекислого газа, которые потом выводятся из организма через почки и легкие. Часть его преобразуется в полисахарид гликоген, а потом откладывается в мышцах и печени.

№ 7. Какие функции выполняет в организме вода?

Вода служит универсальным растворителем для питательных и минеральных веществ (витаминов, аминокислот). Она является необходимой для нормальной работы мышечной и пищеварительной системы. Вода считается идеальной средой для безопасного и быстрого выведения продуктов жизнедеятельности организма, включая токсины. Не менее важна и терморегуляторная функция воды, а также функция переноса электронов по всему организму.

№ 8. Почему концентрация солей во внутренней среде организма и клетках должна поддерживаться на определённом уровне?

Если в клетках концентрация солей будет выше, чем в тканевой жидкости, то вода начнёт поступать в клетки. Соответственно, из-за этого будет нарушена их работа, они начнут разбухать. Если в клетках концентрация солей будет ниже, чем в тканевой жидкости, то вода будет покидать клетки, что чревато их обезвоживанием.

№ 9. Какие элементы относятся к макроэлементам, а какие — к микроэлементам?

Макроэлементы: кальций, хлор, сера, калий, фосфор, магний, натрий, йод.

Микроэлементы: фтор, кобальт, молибден, цинк, хром, селен, марганец, железо.

Стр. 235

№ 1. Объясните, почему каждому человеку необходимо знать свой уровень сахара в крови.

Зная уровень сахара, можно контролировать показатели инсулина в крови, его налаженную выработку. Если сахар будет повышаться, значит, работа организма нарушена и это опасно развитием сахарного диабета.

Живые системы – это открытые системы, в них постоянно поступают веществ извне необходимы для жизни, и выходят ненужные вещества в окружающую среду. Это одно из свойств живых систем. За счет поступающих в организм веществ, строятся собственные вещества (белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты) организма. Без этого невозможно существование любого живого организма.

2. Из каких этапов состоит обмен веществ?

Для поддержания массы тела и роста любого организма необходимо поступление из внешней среды белков, жиров и углеводов, витаминов, минеральных солей, воды. Обмен веществ начинается с поступления питательных веществ и газов. Первым этапом обмена веществ являются процессы расщепления белков, жиров и углеводов до растворимых в воде аминокислот, моно- и дисахаридов, глицерина, жирных кислот и других соединений под действием ферментов в специальных органах или структурах (у одноклеточных организмов). Вторым этапом обмена является химические реакции синтеза ферментов, гормонов, составных частей цитоплазмы и выделение энергии. Третьим этапом является удаление конечных продуктов распада и выведение их из организма.

3. Чем различается обмен веществ в клетках автотрофов и гетеротрофов?

Автотрофы и гетеротрофы – это организмы, различающиеся по типу питания, то есть по типу использования углерода – как основного компонента клеток и их структур (белковых). Автотрофы используют для питания неорганический углерод углекислого газа воздуха, а гетеротрофы – используют органический углерод из белков, жиров и углеводов. К автотрофам относят растения, некоторые бактерии (цианеи), способные к фотосинтезу. Гетеротрофы – это животные, грибы, некоторые бактерии. Образование сложных макромолекул не может обойтись без энергии. Энергия необходима клетке и для осуществления всех процессов жизненно важных процессов. Существует два вида энергии, доступные для живых организмов на нашей планете – это световая энергия и химическая энергия. Автотрофы использую световую энергию, с помощью энергии солнца и хлорофилла клеток и углерода углекислого газа синтезирует в своих организмах собственные органические вещества. Гетеротрофы могут использовать только химическую энергию. При расщеплении высокомолекулярных веществ, поступающих в клетку выделяется энергия, которая идет на синтез собственных органических веществ нужных организму.

4. Какие реакции лежат в основе преобразования веществ в клетке?

Все преобразования веществ в клетке делятся на два обменных процесса – пластический и энергетический. Энергетический обмен – это совокупность реакций расщепления сложных органических соединений до более простых. Этот процесс поставляет в организм множество промежуточных продуктов для синтеза собственных веществ, и идет с освобождением энергии, заключенной в сложных веществах, и накоплением ее в соединениях, свойственных клетке АТФ. Пластический обмен – это совокупность реакций синтеза сложных веществ из более простых. Пример синтез белка из аминокислот, синтез углеводов из глюкозы, синтез жиров из жирных кислот. Все промежуточных соединения для синтеза сложных высокомолекулярных соединений располагаются в цитоплазме и других клеточных структурах.

5. Почему живая система способна существовать лишь при условиях непрерывной взаимосвязи пластического и энергетического обмена?

Энергия, высвобождающаяся в ходе реакций энергетического обмена, идет на реакции пластического обмена – на синтез веществ. И наоборот, энергетический обмен протекает при активном участии множества ферментов, синтезируемых клеткой в реакциях пластического обмена.

Читайте также: