§ 28. ОБМІН РЕЧОВИН В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ

Основні поняття й ключові терміни: Обмін білків. Обмін ліпідів. Обмін вуглеводів.

Пригадайте! Що таке метаболізм?

Вступна вправа

Розгляньте схему «Етапи обміну речовин і перетворення енергії» та визначте значення обміну речовин й енергії.

Які системи органів забезпечують обмін речовин в організмі людини?

Системний рівень організації утворений органами, поєднаними в системи виконанням спільної функції. В організмі людини виокремлюють травну, дихальну, кровоносну, видільну, опорно-рухову, нервову, ендокринну, покривну, сенсорні та інші системи. В обміні речовин, енергії та інформації беруть пряму або опосередковану участь усі системи органів, але найважливіша роль належить системам, що здійснюють надходження, поглинання, транспортування та видалення речовин й енергії (іл. 73).

Іл. 73. Обмін речовин й енергії у людини

Травна система забезпечує фізичне й хімічне розщеплення складних органічних речовин на прості з подальшим їхнім всмоктуванням у кров та лімфу й видалення неперетравлених решток. Ця фізіологічна система є наскрізною й складається з травного каналу й травних залоз. Дихальна система здійснює надходження кисню до клітин, газообмін та видалення з клітин вуглекислого газу як кінцевого продукту окиснення органічних речовин. Завдяки диханню вивільняється хімічна енергія поживних речовин. Кровоносна система транспортує по замкненій системі судин від травної системи й легень до клітин прості поживні речовини та кисень, а від клітин до органів виділення — продукти метаболізму. Транспортування речовин кровоносною системою відбувається за участі крові, що складається з плазми та формених елементів. Сечовидільна система є сукупністю органів, що здійснюють утворення та видалення сечі, в якій містяться сечовина, надлишок солей й води, сечова кислота, жовчні пігменти тощо. Шкіра в обміні речовин реалізує видільну й терморегуляторну функції. Потові залози видаляють надлишок води й солей, а через усю поверхню шкіри відбувається тепловіддача в зовнішнє середовище.

Отже, фізіологічні системи органів організму людини забезпечують зовнішній (загальний) обмін речовин й перетворення енергії у зв’язку з навколишнім середовищем.

Які особливості обміну білків, ліпідів та вуглеводів в організмі людини?

Динамічна біохімія — розділ біохімії, що вивчає обмін речовин в організмі від моменту надходження поживних речовин до утворення кінцевих продуктів обміну, механізми нейтралізації токсичних продуктів, виведення їх з організму і регулювання швидкості відповідних перетворень.

Для обміну білків в організмі людини характерні певні особливості: утворення сечовини як кінцевого продукту обміну, відсутність процесів депонування білків, однонапрямлене перетворення білків на жири й вуглеводи, необхідність для білкового синтезу незамінних і замінних амінокислот, синтез специфічних білків та ін. Особливості метаболізму білків пов’язані передусім з їх пластичною функцією в організмі. Їх участь у забезпеченні енергетичних витрат організму порівнянно з ліпідами й вуглеводами є набагато меншою. Вона не перевищує 15 % і складається з енергії, що виділяється під час розщеплення зношених білків. Розщеплення білків у травній системі відбувається у шлунку й тонкому кишечнику за участі ферментів-протеаз до амінокислот. Ці прості органічні молекули надходять у кров і транспортуються до клітин, де здійснюється внутрішньоклітинне перетворення амінокислот. У клітинах з амінокислот на рибосомах відбувається біосинтез білків, властивих лише даному виду організмів. Регуляція обміну білків відбувається за участі гіпоталамуса та гормонів тироксину, глюкокортикоїдів і соматотропіну.

Для обміну ліпідів характерні: утворення великої кількості енергії під час окиснення, наявність процесів депонування, можливість утворення з білків та перетворення на вуглеводи, необхідність для синтезу власних жирів незамінних та замінних жирних кислот та ін. Ці особливості пов’язані з тим, що жири виконують енергетичну й пластичну функції. Як джерело енергії жири у процесі окиснення виділяють удвічі більше енергії, ніж вуглеводи й білки. Розщеплення жирів відбувається переважно в тонкому кишечнику під дією травних ферментів-ліпаз. Необхідною умовою розщеплення жирів є їх подрібнення з утворенням емульсії, чому сприяють жовчні кислоти. У такому вигляді жири можуть розщеплюватися до жирних кислот й гліцеролу та безпосередньо всмоктуватися стінками кишок. Для відкладання про запас жири надходять до клітин підшкірної клітковини, сальника, бурої жирової тканини. Центр регуляції обміну жирів розміщується в гіпоталамусі, який впливає на перетворення жирів через гіпофіз, статеві, щитоподібну і підшлункову залози.

Для обміну вуглеводів характерні легке й швидке окиснення з утворенням значної кількості енергії, здатність постачати енергію в кисневих і безкисневих умовах, наявність процесів депонування в печінці та м’язах, можливість утворення з білків й жирів та ін. Особливості перетворень вуглеводів в організмі людини пов’язані передусім з їх основною енергетичною функцією. Розщеплення вуглеводів відбувається в ротовій порожнині, тонкому й товстому кишечниках. У травній системі дія ферментів-амілаз людини й мікроорганізмів мікрофлори сприяє утворенню моносахаридів. Ці малі молекули всмоктуються стінками кишечнику в кров і надходять до печінки, де утворюються глюкоза й глікоген. Частина глюкози перетворюється на жири й окиснюється в тканинах. Якщо в організмі спостерігається нестача вуглеводів, то вони синтезуються з білків і жирів. Центром регуляції вуглеводного обміну є гіпоталамус проміжного мозку. Інсулін — єдиний гормон, який знижує концентрацію глюкози в крові; гормони глюкагон та адреналін підвищують рівень глюкози в крові.

Отже, особливості метаболізму в організмі людини пов’язані з функціями поживних речовин у загальному обміні речовин і перетворенні енергії.

Яке значення всмоктування поживних речовин?

Всмоктування поживних речовин — активний фізіологічний процес транспортування поживних речовин крізь слизову оболонку травного тракту в рідини внутрішнього середовища. Цей процес відбувається після остаточного перетравлення складних поживних речовин до простих. Основною ділянкою травної системи, де відбувається всмоктування поживних речовин, є тонка кишка. Цьому сприяють її структурні особливості й велика площа загальної поверхні, що становить близько 200 м 2 . Основною структурно-функціональною одиницею всмоктування поживних речовин є ворсинка (іл. 74).

Іл. 74. Ворсинка тонкої кишки: 1 — ентероцити; 2 — мікроворсинки; 3 — артеріола; 4 — капіляри; 5 — лімфатична судина; 6 — нервові відростки; 7 — гладкі м’язи

Розрізняють пасивне всмоктування, що здійснюється завдяки дифузії, полегшеній дифузії й осмосу, та активне всмоктування за участі йонних насосів та ендоцитозу. Безпосередньо у кров через ентероцити шляхом активного транспортування або через проміжки між ними шляхом дифузії переходять розчинні у воді глюкоза, амінокислоти, нуклеотиди та нижчі жирні кислоти. Продукти розщеплення ліпідів надходять у кров або зазнають ресинтезу з утворенням жирів й фосфоліпідів, що відбувається в епітеліальних клітинах ворсинок (ентероцитах). Потім жири й фосфоліпіди поєднуються з білками й утворюють частинки (хіломікрони), які шляхом піноцитозу надходять у лімфу, а згодом потрапляють й у кров.

Велика роль у процесах всмоктування належить інтенсивності кровотоку. Якщо до приймання їжі крізь слизову оболонку тонкої кишки проходить близько 200 мл/хв крові, то під час всмоктування кровотік зростає до 500—600 мл/хв. Гладкі м’язи в стінці тонкої кишки забезпечують ритмічні скорочення ворсинок, що посилює відтік із кровоносних і лімфатичних капілярів.

Отже, всмоктування забезпечує надходження поживних речовин у рідини внутрішнього середовища і далі до клітин.

Практична робота 1

Складання схем обміну вуглеводів, ліпідів та білків в організмі людини

Мета: розвивати уміння застосовувати знання для пояснення процесів власного організму; формувати переконання про єдність та взаємозалежність процесів обміну речовин.

1. Розгляньте загальну схему обміну поживних речовин в організмі людини. Назвіть три етапи обміну речовин.

Схема. ОБМІН РЕЧОВИН В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ

2. За допомогою схеми та запропонованих запитань складіть окремі схеми обміну вуглеводів, ліпідів та білків в організмі людини.

Запитання для конкретизації змісту схеми

1. Які поживні речовини є у складі їжі?

2. Які травні ферменти розщеплюють складні поживні речовини їжі?

3. У якому вигляді всмоктуються поживні речовини?

4. Які види транспортування забезпечують надходження речовин у клітини?

5. Які процеси обміну забезпечують перетворення поживних речовин?

6. Які кінцеві продукти обміну видаляються з клітин у кров?

7. У якому вигляді транспортуються кінцеві продукти обміну?

8. Які органи беруть участь у видаленні продуктів обміну?

Підсумок роботи. У чому полягають єдність та взаємозалежність процесів обміну речовин в організмі людини?

Завдання «Метаболізм головного мозку»

Маса головного мозку у людини становить близько 2 % маси тіла. Проте потреби в речовинах та енергії надзвичайно великі. Так, потреби в кисні у дорослої людини в умовах спокою становлять 29—25 % від загальних потреб, а в дітей до 4 років — до 50 %. Які особливості метаболізму головного мозку в людини?

Завдання для самоконтролю

1. Які системи органів беруть участь у обміні речовин у людини? 2. Яке значення фізіологічних систем органів у забезпеченні обміну речовин? 3. Назвіть особливості обміну білків. 4. Назвіть особливості обміну жирів та вуглеводів. 5. Що таке всмоктування поживних речовин? 6. Чи залежить метаболізм клітин від всмоктування?

7. Які системи органів забезпечують обмін речовин в організмі людини? 8. Які особливості обміну білків, ліпідів і вуглеводів в організмі людини? 9. Яке значення всмоктування поживних речовин?

10. Чим зумовлені особливості обміну речовин і перетворення енергії у людини?

Обмін речовин та перетворення енергії в організмі людини

У кожного з вас щоденно є безліч різноманітних справ. Це навчання в школі, що потребує неабияких зусиль. І всіляка домашня робота, і заняття спортом, і прогулянки з друзями. Зусиль від вашого організму потребують навіть комп’ютерні ігри, якими захоплюються багато хто з вас. Звідкіля тільки у вашого організму беруться сили на те, щоб впоратися з таким навантаженням. А він у цей час ще й росте, і неабияк — ваш зріст і маса тіла збільшуються щорічно, додаючи по декілька сантиметрів і кілограмів.

За рахунок чого організм людини може активно діяти, рости, розвиватися, розмножуватися? Яка властивість організму забезпечує таку можливість? Які процеси, що відбуваються в організмі, реалізовують цю властивість?

Ви знайдете відповіді на ці запитання, вивчивши розділ «Обмін речовин та перетворення енергії в організмі людини». Ви також дізнаєтеся про те, як пов’язані між собою синтез речовин в організмі людини й забезпечення його енергією, про те, яку роль у цих процесах відіграє харчування, як склад їжі впливає на ефективність обміну речовин.

§ 5. Обмін речовин та перетворення енергії в організмі людини — основна властивість живого

Обмін речовин — основна властивість живих організмів. Обмін речовин і енергії між організмом і середовищем є властивістю будь-якого живого організму. Саме завдяки обміну забезпечується функціонування організмів, їхній ріст, розвиток, розмноження.

Рослини-автотрофи отримують ззовні неорганічні речовини, з яких вони синтезують органічні. З води й вуглекислого газу під дією світла в їхніх клітинах утворюється кисень і органічна речовина глюкоза. Саме в її хімічних зв’язках акумулюється енергія Сонця. У подальшому за участю глюкози в клітинах рослин розпочинаються численні реакції синтезу інших органічних речовин і їх розщеплення.

Назовні рослини виділяють неорганічні речовини (воду, кисень, вуглекислий газ). Усі ці процеси є обміном речовин у рослин, завдяки якому відбувається їхня життєдіяльність.

На відміну від рослин, тварини, і людина зокрема, є гетеротрофами. Вони отримують речовини, потрібні для життя — і органічні, і неорганічні,— ззовні. Проте всі інші перетворення відбуваються в організмах тварин за тим самим загальним планом, що й у рослин. З речовин, які надійшли з навколишнього середовища, утворюються власні речовини тваринного організму: його власні білки, жири, вуглеводи тощо.

Отже, у будь-якому організмі весь час відбуваються процеси перетворення речовин, отриманих ззовні, на ті, що характерні саме для цього організму. Цю сукупність хімічних перетворень і називають обміном речовин, або метаболізмом. Завдяки метаболізму утворюються структурні складові клітин і тканин, забезпечуються енергетичні потреби організму.

В організмі людини можна вирізнити три його стадії (мал. 5.1).

Підготовча стадія здійснюється у травному тракті, де їжа перетравлюється — її білки, жири й вуглеводи розпадаються на простіші (низькомолекулярні) складові. Білки — на амінокислоти, жири — на гліцерин і жирні кислоти, складні вуглеводи — на глюкозу й інші прості вуглеводи.

Мал. 5.1. Стадії обміну речовин і енергії

Низькомолекулярні речовини всмоктуються в кишечнику, надходять до кровоносних судин і транспортуються до всіх клітин організму. Так само переміщується з легенів і кисень. До крові з клітин потрапляють і речовини, які мають бути видалені з організму (кінцеві продукти розпаду речовин). Так починається кінцева стадія обміну речовин, яка завершується в органах видільної системи.

Основною стадією метаболізму є ті хімічні реакції, що відбуваються в клітинах організму. Саме в них синтезуються його власні білки, жири, вуглеводи й інші органічні речовини, відбуваються реакції, які забезпечують організм енергією.

Обмін речовин у клітинах організму. Метаболізм складається з тих хімічних перетворень, у яких органічні речовини синтезуються, і тих, де вони руйнуються. Перші називають анаболізмом, асиміляцією, або пластичним обміном, інші — катаболізмом, дисиміляцією, або енергетичним обміном (мал. 5.2).

Мал. 5.2. Процеси обміну речовин і енергії

Завданням процесів пластичного обміну є оновлення клітин, відтворення їхніх зруйнованих частин, утворення міжклітинної речовини і нових клітин, вироблення клітинами певних речовин. Назва цієї складової метаболізму не є випадковою: у перекладі з грецької мови слово «пластика» означає «ліплення».

Що є матеріалом для такого «ліплення»? Це низькомолекулярні речовини, прості молекули, що утворилися з речовин їжі на підготовчій стадії обміну речовин. З них відбудовуються молекули білків, жирів і вуглеводів, притаманні клітинам певної тканини, певного органа.

Завдяки процесам пластичного обміну відбувається ріст, поділ, розвиток клітин, їхнє функціонування відповідно до спеціалізації та, як наслідок, забезпечується життєдіяльність організму в цілому.

Енергетичний обмін — це сукупність процесів, що забезпечують клітини (а отже, і весь організм!) енергією.

Чим зумовлені енергетичні потреби клітини? Створення нових речовин, підтримка сталої температури тіла, функціонування спеціалізованих клітин (скорочення м’язових клітин, проведення нервових імпульсів тощо) — усі ці процеси супроводжуються витратами енергії.

На відміну від рослин, які «вміють» використовувати енергію Сонця для розв’язання завдань синтезу органічної речовини, у тварин, і людини зокрема, такої здатності немає. Джерелом енергії для них є органічні речовини, що містять у своїх молекулах значний запас потенціальної енергії хімічних зв’язків.

Так, частина вуглеводу глюкози, що надходить до організму людини у складі їжі, у його клітинах разом з Оксигеном бере участь у реакціях розщеплення (біологічного окиснення), які супроводжуються вивільненням енергії. Кінцевими продуктами таких хімічних перетворень є вода й вуглекислий газ. У реакціях розщеплення можуть брати участь не лише вуглеводи, а й жири та білки. Саме під час розщеплення речовин утворюються кінцеві продукти метаболізму, які видаляються з організму.

Частина енергії, що вивільнюється у процесах енергетичного обміну, акумулюється в молекулах АТФ. Вона використовується в реакціях пластичного обміну під час синтезу в клітинах необхідних їм білків, жирів і вуглеводів. Інша частина хімічної енергії вуглеводів, білків і жирів, що розщеплюється, перетворюється на теплову.

Усі реакції метаболізму здійснюються за допомогою ферментів — речовин, що прискорюють (каталізують) ці перетворення інших речовин у клітинах. Водночас у клітині можуть відбуватися сотні різних реакцій, у яких працюють тисячі різних ферментів. Без них реакції метаболізму тривали б дуже довго й відбувалися лише за особливих умов (наприклад, під дією високої температури або тиску).

Що більше зусиль потребує виконання певної роботи, то більше енергії витрачає людина, а отже, більше органічних речовин розпадається в її клітинах. Саме тому під час великих навантажень ми потребуємо більшої кількості їжі. І дихаємо інтенсивніше, оскільки в цей час у реакціях розщеплення витрачається більше Оксигену.

1. Розгляньте мал. 5.1. Знайдіть у тексті параграфа відомості про ті процеси, які відбуваються на кожній стадії обміну речовин. Доповніть ними таблицю.

Обмін речовин і енергії

Підготовча стадія

Основна стадія

Кінцева стадія

Розщеплення білків на складові.

Видалення кінцевих продуктів розпаду з клітин: .

2. З’ясуйте, звіряючись із текстом, які з тверджень є правильними. Обговоріть свою роботу з товаришем.

• Речовини їжі (білки, жири й вуглеводи) надходять до клітин організму.
• Речовини їжі (білки, жири й вуглеводи) розщеплюються на простіші складові, які надходять до клітин організму.
• З білків, жирів і вуглеводів їжі, що надійшли до клітин організму, утворюються органели й речовини, необхідні для його життєдіяльності.
• З простих молекул, що утворились унаслідок розщеплення речовин їжі, синтезуються власні білки, жири й вуглеводи організму. З них будуються органели й речовини, необхідні для його життєдіяльності.
• Головними в метаболізмі є реакції пластичного обміну, енергетичний обмін відіграє допоміжну роль.
• Пластичний та енергетичний обмін є рівноправними складовими метаболізму.

1. У чому полягає головна відмінність обміну речовин у рослин-автотрофів і тварин-гетеротрофів? 2. Доповніть речення: «На підготовчій стадії обміну речовини їжі. на основній стадії з речовин, що. на кінцевій стадії кінцеві продукти. ». 3. У чому полягає відмінність між пластичним і енергетичним обміном? Яким є зв’язок між ними? 4. У якій речовині акумулюється енергія, що вивільнюється у реакціях енергетичного обміну? 5. Яку роль відіграють ферменти в обміні речовин? 6*. «Перетворення» грецькою звучить як «метаболе». Поясніть товаришеві, як значення терміна «метаболізм» пов’язане з його походженням. 7*. Наведіть приклад органел клітини, де відбуваються реакції плазматичного обміну, енергетичного обміну.