Твёрдые элементы тела человека
включают три типа соединений – белки, углеводы и жиры. Все они являются
органическими соединениями, т. е. содержат атомы углерода, связанные между
собой в цепочки или кольца. В природе они находятся только в живых организмах.
Белки являются главными структурными компонентами клеток кожи и мышц. Углеводы
и жиры служат основными источниками энергии. Простые неорганические молекулы в
организме включают в себя такие известные соединения, как хлорид натрия
(обычная соль), фторид калия, входящий в состав зубной пасты, и хлористоводородную
(соляную) кислоту.
Человеческому организму для своей
жизнедеятельности необходима энергия. Всю энергию мы получаем с пищей. При
сгорании угля происходит быстрое соединение его с кислородом и интенсивное
выделение энергии в форме тепла. В организме топливо в виде пищи соединяется с
кислородом воздуха значительно медленнее, и количество выделяемой энергии не
достаточно для возгорания. Чтобы достигнуть клеток, пища должна быть расщеплена
на молекулы, которые способны проходить через стенки кишечника, циркулировать с
кровью и проникать через мембраны в клетки. В процессе пищеварения протекают
биохимические реакции, в результате белки расщепляются на аминокислоты,
углеводы на сахара, а жиры – на глицерин и так называемые жирные кислоты.
Кислород в клетки переносится из лёгких посредством красных кровяных телец при
помощи железосодержащего пигмента – гемоглобина.
Биохимические реакции,
расщепляющие сложные молекулы на простые, называются катаболическими. Реакции
синтеза сложных молекул, таких как жиры, называются анаболическими. Они
образуют метаболизм – совокупность химических процессов в организме.
С пищей мы получаем питательные
вещества, которые являются сырьём для метаболизма. В клетке питательные
вещества медленно соединяются с кислородом и постепенно высвобождают свою
энергию. Грамм белка или углевода в конечном итоге даёт 4,1 килокалории
энергии, жира – 9,2 килокалорий. В среднем подростку необходимо около 3300
килокалорий в день, из которых 3000 идут на выделение тепла, а оставшиеся 300 –
на другие процессы жизнедеятельности. Тепло, распространяющееся по организму с
кровью, затрачивается на поддержание постоянной температуры тела (около 37°С).
Все метаболические реакции
протекают с участием специальных белков – ферментов (энзимов). Существует более
1000 различных ферментов, каждый из которых катализирует (ускоряет) только
определённый тип реакций. Например, один фермент обеспечивает разложение
углевода сахарозы (обычный сахар) на глюкозу и фруктозу. Фермент не изменяется
в процессе реакции и может использоваться снова. В процессе пищеварения одна
молекула фермента обеспечивает протекание реакции с частотой 100 000 раз в
секунду. Ферменты работают только при определённых условиях, одно из которых –
температура около 37°С. Некоторые ферменты состоят не только из белков. Они
содержат другие соединения и называются коферментами. Часто витамины,
содержащиеся в пище, действуют как коферменты. Витамины необходимы для
нормального роста и для противодействия инфекциям, однако они не производятся
внутри организма, а поступают извне.
Большинство клеточных химических
реакций протекают в несколько стадий, образуя так называемый путь метаболизма.
Например, реакция глюкозы с кислородом протекает примерно в 30 этапов. В
результате выделяется энергия и образуются углекислый газ и вода. Если бы вся
энергия высвободилась сразу, то клетка перегрелась бы и погибла. Поэтому в
клетке энергия выделяется малыми порциями и сразу используется для образования
адренозин трифосфата (АТФ). Процесс получения энергии из питательных веществ
называется катаболизом. Синтез белков или других соединений с расходом клетки
АТФ называется анаболизмом.
Во внутриклеточных реакциях
расходуется больше АТФ, чем производится. Вот почему для пополнения запасов
энергии мы вынуждены питаться. Наиболее важные энергопотребляющие реакции
связаны с синтезом белков. Большинство белков необходимы для производства новых
клеток. Например, у клеток кожи и крови продолжительность жизни составляет
всего несколько недель или месяцев. Поэтому в клетке каждую минуту
синтезируется около 3500 белков.
ВИДЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И РАСХОД КАЛОРИЙ
мужчины
3300-4400
женщины
2400-2800
мужчины
2700-3200
женщины
2100-2400
мужчины
2500-2700
женщины
1700-2200
служащие,
водители,
врачи,
журналисты.
Активный род занятий:
Суточная потребность в килокалориях:
Умеренно-активный род занятий:
Суточная потребность в килокалориях:
Малоподвиж-ный род занятий:
Суточная потребность в килокалориях:
Многие из сложных
клеточных реакций, например, синтез больших молекул жиров или белков, присущи
только живым организмам. Несмотря на современное оборудование и высокий уровень
знаний, химики до сих пор не в состоянии синтезировать многие из этих
соединений в лабораторных условиях.
То, что клетка может обеспечить
проведение сложных синтетических реакций, тем удивительнее, что в ней, казалось
бы, для этого нет условий. Нет ни высоких температур и давлений, ни
сильнокислой или сильнощелочной среды. Почти всё, что нужно клетке – это
наличие катализаторов-ферментов и энергия АТФ.
Синтез молекул белков значительно
сложнее, чем синтез жиров или углеводов. Молекула каждого белка состоит из 22
типов аминокислот, которые соединены друг с другом в цепочки по типу
«голова-хвост» в разной последовательности. Из 22 аминокислот только 14
образуются в нашем организме. Остальные восемь он должен получить с
определённым типом пищи.
Молекула белка может состоять из
нескольких сотен молекул аминокислот. Так, молекула дыхательного белка крови
(гемоглобина) состоит из 574 аминокислот.
Для синтеза многих тысяч различных
белков с уникальной последовательностью аминокислот организму требуется ещё
один тип биохимических соединений – нуклеиновые кислоты. Двумя основными их
типами являются дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота
(РНК). Каждая из этих кислот состоит из длинной цепи молекул сахара с
присоединённым нуклеотидом (кольцом из атомов углерода и азота. ДНК существует
в виде двух перекрученных спиралей, соединённых между собой нуклеотидами.
Учёные называют эту структуру двойной спиралью ДНК.
Последовательность трёх
нуклеотидов в спирали ДНК образует специальный код, определяющий порядок, в
котором аминокислоты соединяются друг с другом при синтезе молекулы белка. Он
называется триплетным кодом. Некоторые аминокислоты кодируются более чем одним
триплетом. Код ДНК определяет внешний вид, рост и функции организма.
