Конспект урока: Химический состав организма (белки, липиды, углеводы)

Неорганические вещества в клетке

Наш организм состоит только из тех компонентов, которые поступают в него с пищей животного и растительного происхождения. Поступившие питательные вещества — это источники энергии, которая высвобождается при их сгорании, а также пластический материал, столь необходимый для построения и обновления клеток и тканей.

Клетки всех живых организмов сходны по химическому составу. В них обнаружено около 80 химических элементов, которые по количественному содержанию в живом веществе делятся на три группы: макроэлементы, на долю которых приходится более 99 % содержимого организма; микроэлементы, доля которых составляет 0,1 %; ультрамикроэлементы — менее 0,01 %.

Рис. 1. Содержание некоторых химических элементов в клетке

Макроэлементы  делят на две группы. К первой относят кислород, углерод, водород, азот, на которые в сумме приходится около 98 % массы клетки. Из кислорода и водорода состоит вода; углерод, кислород и водород присутствуют во всех органических соединениях клетки, а азот входит в любую белковую молекулу. Вторую группу составляют кальций, фосфор, калий, натрий, хлор, сера, железо, магний, сумма которых составляет 1,9 %. Несмотря на небольшое количество, они играют важную роль в жизнедеятельности организма, и недостаток или отсутствие любого из них может привести к заболеваниям.

Основные  микроэлементы — это медь, цинк, йод, фтор, марганец, никель, кобальт. Они входят в состав биологически активных веществ — ферментов, витаминов и гормонов.

Роль большинства  ультрамикроэлементов  в организме до сих пор не выяснена. К ним относятся золото, серебро, бром, селен, мышьяк, бор и др.

Все химические соединения в клетке делят на неорганические и органические. К неорганическим относят воду и минеральные соли. 

Вода (Н₂0) — это самое распространённое в живых организмах неорганическое соединение. Её содержание колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов вода составляет по массе около 10 %, а в клетках развивающегося 

зародыша — более 90 %. Количество воды в клетке указывает на степень её физиологической активности. Это обусловлено, в первую очередь, тем, что все биохимические реакции в клетке осуществляются в водном растворе.

Благодаря полярности своих молекул вода является очень хорошим растворителем. Она легко растворяет ионные соединения (соли, кислоты, основания). Хорошо растворяются в воде и некоторые не ионные, но полярные соединения, т. е. соединения, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы, например сахара, простые спирты, аминокислоты. 

Вещества, хорошо растворимые в воде, называются  гидрофильными . Вещества, плохо или вовсе нерастворимые в воде, называются гидрофобными . К ним относятся жиры, нуклеиновые кислоты, некоторые белки. Такие вещества могут образовывать с водой поверхности раздела, на которых протекают многие химические реакции. Следовательно, тот факт, что вода не растворяет неполярные вещества, для живых организмов также очень важен.

Рис. 2. Основные группы органических веществ в клетке

Минеральные вещества  составляют около 1,5 % массы клетки, чаще они являются солями серной, фосфорной и соляной кислот. Химические элементы в виде ионов входят в состав самых разных веществ, участвуя в реакциях, происходящих в клетках и организме. Например, калий, натрий и хлор обеспечивают возбудимость клетки; фосфор входит в состав всех костей и зубов; железо — компонент гемоглобина, магний — хлорофилла; йод входит в состав гормонов щитовидной железы; сера — компонент некоторых аминокислот; марганец и железо необходимы для процессов фотосинтеза и т. д.

К органическим веществам относятся углеводы, липиды, белки, нуклеотиды, нуклеиновые кислоты, витамины. 

Белки. Строение и функции

Рис. 3. Схема строения мономера и полимера

В пищеварительном тракте белки расщепляются до аминокислот и простейших полипептидов, из которых в дальнейшем клетками различных тканей и органов, в частности печени, синтезируются специфические для них белки. Синтезированные белки используются для восстановления разрушенных и роста новых клеток, синтеза ферментов и гормонов.

В строении молекулы белка различают:

Рис. 4. Структуры белка

1. Первичную структуру — последовательность аминокислотных остатков;
2. Вторичную структуру — как правило, это спиральная структура, удерживаемая множеством водородных связей, возникающих между находящимися близко друг от друга С = О- и NH-группами;
3. Третичную структуру — это пространственная конфигурация, напоминающая компактную глобулу, которая поддерживается ионными, водородными и дисульфидными (S = S) связями;
4. Четвертичную структуру, образующуюся при взаимодействии нескольких глобул (например, молекула гемоглобина состоит из четырёх таких субъединиц).

Утрата белковой молекулой своей структуры называется  денатурацией ; она может быть вызвана высокой температурой, обезвоживанием, облучением и другими сильными воздействиями. Если при денатурации первичная структура не разрушилась, то при восстановлении нормальных условий свойственная белку конфигурация самостоятельно не восстанавливается, для этого необходима работа особых ферментов.

Функции белков:

1. Основной строительный материал в организме;
2. Являются переносчиками витаминов, гормонов, жирных кислот и др. веществ;
3. Обеспечивают нормальное функционировании иммунной системы;
4. Обеспечивают состояние «аппарата наследственности»;
5. Являются катализаторами всех биохимических метаболических реакций организма.

Вне зависимости от видоспецифичности все многообразные белковые структуры содержат в своём составе всего 20 аминокислот.

Различают  заменимые аминокислоты (синтезируются в организме) и  незаменимые аминокислоты (не могут синтезироваться в организме, а поэтому должны поступать в организм в пищей). К незаменимым аминокислотам относятся: валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин.

Недостаток незаменимых аминокислот в пище приводит к нарушениям белкового обмена.

Заменимые аминокислоты также необходимы для жизнедеятельности человека, но они могут синтезироваться и в самом организме из продуктов обмена углеводов и липидов. К ним относятся гликокол, аланин, цистеин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты, тирозин, пролин, серин, глицин; условно 

заменимые — аргинин и гистидин.

Белки, содержащие полный набор незаменимых аминокислот, называются полноценными и имеют максимальную биологическую ценность (мясо, рыба, яйца, икра, молоко, грибы, картофель).

Белки, в которых нет хотя бы одной незаменимой аминокислоты или если они содержатся в недостаточных количествах называются неполноценными (растительные белки). В связи с этим для удовлетворения потребности в аминокислотах наиболее рациональной является разнообразная пища с преобладанием белков животного происхождения.

Кроме основной функции белков — белки как пластический материал — они могут использоваться и как источник энергии при недостатке других веществ (углеводов и жиров). При окислении 1 г белка освобождается около 17,6 кДж.

Липиды. Строение и функции

Функции жиров в организме:

1. Являются важнейшим источником энергии. При окислении 1 г вещества выделяется максимальное по сравнению с окислением белков и углеводов количество энергии. За счёт окисления нейтральных жиров образуется 50 % всей энергии в организме;
2. Являются компонентом структурных элементов клетки — ядра, цитоплазмы, мембраны;
3. Депонированные в подкожной клетчатке, предохраняют организм от потерь тепла, а окружающие внутренние органы — от механических повреждений.

Жиры как энергетический материал используется главным образом при выполнении длительной физической работы умеренной и средней интенсивности (работа в режиме аэробной производительности организма). В начале мышечной деятельности используются преимущественно углеводы, но по мере уменьшения их запасов начинается окисление жиров.

Обмен липидов тесно связан с обменом белков и углеводов. Поступающие в избытке в организм углеводы и белки превращаются в жир. При голодании жиры, расщепляясь, служат источником углеводов.

Суточная потребность в жирах — 25–30 % от общего числа калорий. Суточная потребность незаменимых жирных кислот около 10 г.

Углеводы. Строение и функции

Функции углеводов в организме:

1. Являются непосредственным источником энергии для организма;
2. Участвуют в пластических процессах метаболизма;
3. Входят в состав протоплазмы, субклеточных и клеточных структур, выполняют опорную функцию для клеток.

Углеводы делят на 3 основных класса: моносахариды, дисахариды и полисахариды.

На углеводы должно приходиться до 50–60 % энергоценности пищевого рациона.

В пищеварительном тракте полисахариды (крахмал, гликоген; клетчатка и пектин в кишечнике не перевариваются) и дисахариды под влиянием ферментов подвергаются расщеплению до моносахаридов (глюкоза и фруктоза) которые в тонком кишечнике всасываются в кровь. Значительная часть моносахаридов поступает в печень и в мышцы и служат материалом для образования гликогена.

В печени и мышцах гликоген откладывается в резерв. По мере необходимости гликоген мобилизуется из депо и превращается в глюкозу, которая поступает к тканям и используется ими в процессе жизнедеятельности.