Значение пищевых факторов в обеспечении процессов жизнедеятельности

Живые организмы постоянно взаимодействуют с внешней средой, получая питательные вещества, которые затем перерабатываются и выделяются из организма в виде продуктов обмена.

Все происходящие в организме процессы требуют энергозатратчт, которые восполняются за счет запасов питательных ш-шспм в клетках и поступающей в организм пищи. По подсчетам ученых, за 70 лет жизни человек в среднем потребляет 50 т воды, 10 т углеводов, 2,5 т белков, более 2 т жиров, 0,2—0,3 т поваренной соли. Таким образом, количество пищи во много раз превышает массу тела человека.

Питание — постоянно действующий фактор, способствующий не только нормальному росту и развитию организма, но и повышающий его защитные свойства. Современный человек, подвергаясь отрицательному влиянию стрессов, ускоренного темпа жизни, гиподинамии, загрязненности внешней среды и т. д., особенно нуждается в качественном питании. Между тем в пищу идут в основном рафинированные продукты, со всевозможными добавками и консервантами. Значительная часть населения сегодня и вовсе недоедает. Именно неправильное питание «повинно» в массовом распространении так называемых «болезней цивилизации»: ожирения, заболеваний сердечно-сосудистой системы, рака и др.

Академиком И. П. Павловым и его учениками было установлено, что организм тонко реагирует на малейшие изменения в характере питания, составе пищи, условиях ее приема. Обмен веществ начинается еще до поступления пищи в организм: под влиянием ее внешнего вида, запаха, обстановки, в которой происходит акт еды, времени приема пищи, при мысли или разговоре о ней.

В настоящее время известно более 60 пищевых веществ, которые как обязательные компоненты должны входить в рацион питания. Часть из них (белки, жиры, углеводы, витамины) люди и животные получают в виде сложных органических соединений, образующихся в растениях из более простых за счет поглощаемой ими солнечной энергии. Минеральные вещества поступают в основном в виде простых соединений; незаменимое пищевое вещество — вода.

Источниками энергии в организме являются жиры, белки и усвояемые углеводы. Наиболее энергонасыщен жир: при окислении 1 г образуется 9 ккал (37,8 кДж). Окисление 1 г белков, так же, как и 1 г углеводов, сопровождается выделением 4 ккал (16,8 кДж).

В природе нет таких продуктов, которые содержали бы все пищевые вещества в количественных соотношениях, необходимых для нормального обмена веществ в организме взрослого человека. Только путем сочетания разнообразных продуктов можно обеспечить организм всеми пищевыми веществами, в которых он нуждается.

К основным пищевым веществам (нутриентам) относятся |» к! и, жиры, углеводы, витамины и минеральные вещества.

Белки. Это незаменимые пищевые вещества, которые должны поступать с пищей при каждом основном ее приеме. Вся жизнедеятельность организма связана с различными белками, входящими в состав клеток, где эти вещества выполняют разнообразные функции.

Для определения норм белков в рационе существенно^ значение имеет тот факт, что они в запас не откладываются. При белковой недостаточности в первую очередь снижается устойчивость организма к повреждающим воздействиям, нарушается ряд основных процессов обмена, что приводит к заболеваниям, нередко со смертельным исходом, В то же время большое содержание белка в рационе оказывает раздражающее действие на нервную систему, приводит к перегрузке органов, непосредственно связанных с удалением продуктов распада белковых веществ. Избыток белка повышает активность свертывающей системы крови, а также чувствительность к аллергенам, т. е. усиливает реактивность организма по отношению к различным веществам, в том числе и к содержащимся в некоторых пищевых продуктах.

Не все пищевые белки равноценны. Часть из них (главным образом растительного происхождения) не может обеспечить нормальное функционирование организма, особенно растущего, так как они не имеют всего набора незаменимых аминокислот.

Биологически ценные белки содержатся в мясе и субпродуктах, рыбе и морепродуктах, молоке и кисломолочных продуктах, сыре, яйцах, сое.

Углеводы — это пищевые вещества, источниками которых являются растения, содержащие крахмал, сахара (свекловичный и молочный), глюкозу, фруктозу.

В организме человека энергия из углеводов легко высвобождается не только в условиях достаточного снабжения тканей кислородом, но и при его недостатке. Так, например, во время выполнения интенсивной физической работы кровь не успевает полностью обеспечить мышцы кислородом, и дополнительная энергия выделяется за счет окисления углеводов.

Некоторые углеводы входят в состав мозга, соединительной ткани, слизей. Велико их значение в защитных реакциях организма.

Липиды. Это сложная группа пищевых веществ, которые участвуют в построении структур клеточных оболочек (мембран), в образовании гормонов (коры надпочечников, половых желез, простагландинов) и других процессах. Часть ли-пидов в организме не образуется, поэтому они должны обязательно поступать с пищей. К таким веществам относятся некоторые ненасыщенные жирные кислоты, в частности незаменимая для организма линолевая кислота, содержащаяся в растительных маслах (подсолнечном, кукурузном, соевом, конопляном и др.).

В тканях жиры окисляются труднее, чем углеводы, поэтому следует соблюдать определенное соотношение данных пищевых веществ: в рационе на I г жиров должно приходиться не менее 4 г углеводов.

Существенно важным, с точки зрения рационального питания, является свойство жиров (особенно содержащих насыщенные жирные кислоты) накапливаться (при избыточном их потреблении) в тканях. Жиры «захватывают» все новые участки, откладываются в органах (например, в сердце) и мешают их нормальной деятельности. Заполняя клетку, жиры оттесняют цитоплазму и ядро к периферии и снижают в них интенсивность обмена веществ.

Витамины — низкомолекулярные органические вещества, необходимые для жизнедеятельности организма. Они участвуют в процессах обмена веществ, деятельности нервной системы, способствуют росту, размножению и т. д. Суточная потребность человека в витаминах выражается в минимальных дозах (мг, мкг). В связи с тем, что в организме они не синтезируются или образуются в недостаточном количестве, их относят к незаменимым факторам питания. Основными источниками витаминов для человека служат продукты питания растительного и животного происхождения.

Нарушения в обеспечении организма витаминами могут проявиться в виде авитаминоза (практического отсутствия витаминов), гиповитаминоза (недостатка витаминов) и гипер-витаминоза (избыточного накопления какого-либо витамина), каждый из которых имеет специфические симптомы.

Классификация витаминов основана на их способности растворяться в воде или жирах, в связи с чем выделяют водо- и жирорастворимые витамины. В группу водорастворимых входят витамины В_1, В₃, В₆, В₁₂, С, РР, фолиевая кислота и др. К жирорастворимым относятся витамины группы А, В, Е, К, Р.

Наиболее дефицитными витаминами являются А, В_1, В₂, С. Это обусловлено в основном тем, что они легко разрушаются при хранении и технологической обработке продуктов. "их. дефицит витаминов группы В связан с удалением периферической части зерна (где они содержатся) в процессе изготовлениябелой муки, данной крупы, очищенного риса и других продуктов.

Минеральные вещества — незаменимые факторы питания, поскольку они не синтезируются в организме. Эти вещества необходимы для деятельности любой клетки, они вхо-лят в состав ферментов, гормонов, участвуют в построении органоидов клеток, в мышечном сокращении, проводимости нервных импульсов, поддержании осмотического давления и постоянства рН внутренней среды организма и т. д.

Пищевые продукты содержат различные минеральные вещества: натрий, калий, кальций, магний, железо, медь, цинк, марганец, хром, хлор, серу, йод, фтор и др. Они входят в состав минеральных солей и сложных органических соединений. Обычно в пищевом рационе недостает кальция и железа з отличие от натрия и фосфора, которых часто бывает в из-сьггке. Источник усвояемого кальция — молоко, молочные гродукты; железа — желток яйца, печень и другие продукты животного происхождения.

Вода — важный компонент пищевого рациона. Обезвоживание приводит к опасным последствиям самоотравления организма вследствие задержки удаления продуктов рас-пада при накоплении в крови и тканях они становятся токсичными.

Избыток воды ведет к перегрузке сердечно-сосудистой и выделительных систем.

Вкусовые вещества. Своеобразный аромат и вкус придают многим продуктам содержащиеся в них сложные органические соединения (эфирные масла). Они возбуждают аппетит и усиливают выделение пищеварительных соков.

Некоторые из этих соединений проявляют фитонцидные свойства: задерживают или прекращают жизнедеятельность микроорганизмов. Фитонциды есть в горчице, хрене, редьке, луке, чесноке, петрушке, моркови и некоторых других растениях. Большинство фитонцидов нестойки и разрушаются при тепловой обработке, измельчении или хранении продуктов.

Благодаря наличию веществ, придающих продуктам своеобразный запах и вкус, такие продукты, как лавровый лист,

кардамон, гвоздика, корица, ванилин, тмин, каперсы, укроп, петрушка, мята, сельдерей возбуждают аппетит.

На вкусовые качества пищи влияет наличие органических кислот, входящих в состав ряда продуктов. Одни кислоты легко окисляются в организме, следовательно, являются пищевыми веществами, другие — не усваиваются. К пищевым кислотам относятся молочная, лимонная, винная, яблочная, уксусная. Они стимулируют выделение пищеварительных соков.

Непищевые вещества. Наряду с рассмотренными группами веществ в состав продуктов растительного и животного происхождения входит ряд химических соединений, не являющихся источниками энергии, пластического материала и пр. Их называют «непищевыми» (А. А. Покровский). К таким веществам относятся пищевые волокна (клетчатка, пектины), биологически активные, а также химические загрязнители, в частности, нитраты, пестициды, гербициды, попадающие в пищу из окружающей среды.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ:

I- Какие неорганические и органические вещества входят в состав организма?

2.Назовите основные структуры клетки и их функции.

3.Опишите строение цитоплазматической мембраны и перечислите ее функции.

4.Что такое обмен веществ?

5.Какие пищевые вещества обеспечивают пластические процессы в организме?

6.Какие пищевые вещества необходимы для образования энергии в организме?

ГЛАВА. Химия белков

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ БЕЛКОВ

Белки, или протеины (от греч. рrotos — первый) составляют основу живой материи и играют первостепенную роль в функционировании любого организма. Они являются азотсодержащими высокомолекулярными органическими соединениями (полимерами), состоящими из аминокислот (мономеров), которые последовательно соединены между собой пептидными связями.

Белки — важнейший компонент живых организмов не только по значению, но и по количественному составу в тканях и органах. Как правило, в растениях белка содержится меньше, чем в организме животных (табл. 1).

Каждый белок уникален по своей структуре и функциям. По выполняемой биологической роли белки можно разделить на несколько групп.

Каталитические белки. По биологической значимости центральное место среди белков принадлежит ферментам. Все химические превращения в живых организмах ускоряются и регулируются катализаторами — ферментами. Большинство изученных ферментов является простыми или сложными белками.

Структурные (опорные) белки. Эта группа самая многочисленная из белков живых организмов. Опорные белки участвуют в построении мембран всех клеток. У позвоночных животных и человека до 1/3 общего белка организма составляют коллаген соединительных и костных тканей, кератин волос, ногтей, кожи, копыт,

Сократительные (двигательные) белки. В живой природе любые формы движения (работа мышц, движение протоплазмы в клетке, движение ресничек и жгутиков у одноклеточных организмов) осуществляются белковыми комплексами. Например, в процессе мышечного сокращения и расслабления важную роль играют специфические белки мышечной ткани — актин и миозин. Молекулы этих белков способны плотно сжимать и расслаблять свою структуру, используя химическую энергию, накапливаемую в особых соединениях, богатых энергией.

Транспортные белки. Некоторые белки, например, содержащиеся в жидкой части крови, переносят многие вещества через клеточные мембраны. Так, гемоглобин — переносчик кислорода по крови от легких к тканям и органам, оксид углерода — от органов и тканей к легким, альбумины — переносчики липидов, витаминов, ионов металлов, гормонов.

Защитные белки. В процессе эволюции живые организмы выработали механизмы защиты против влияния неблагоприятных для жизнедеятельности факторов. Основную функцию защиты у человека выполняет иммунная система, которая обеспечивает синтез специфических белков — антител в ответ на поступление в организм бактерий, токсинов и других чужеродных веществ (антигенов). Антитела участвуют в обезвреживании антигенов путем образования комплексов «антиген — антитело». Свертывание крови, предотвращающее кровотечение, основано на превращениях белков крови — фибриногена и тромбина. Внутренние стенки пищевода и желудка выстланы защитным слоем слизистых белков — муцинов. Токсины многих видов организмов также являются белками (змеиные яды, бактериальные токсины).

Пищеварительные белки. Выделяемые в процессе желудочно-кишечной секреции ферменты являются белками (например, амилаза, пепсин, трипсин, липаза). Они катализируют расщепление пищевых веществ на менее сложные соединения.

Рецепторные белки. К ним относятся белки, способные избирательно «узнавать» и присоединять вещества. Белки-рецепторы клеточной мембраны после связывания отдельных соединений передают информацию внутрь клетки и другим клеткам. На таком механизме основана органолептика (восприятие различных раздражений органами чувств: обоняния, вкуса, осязания).

Регуляторные белки. Действие белков-регуляторов многообразно, поскольку они представлены различными биологически активными веществами: гормонами, образующимися в железах внутренней секреции, медиаторами, выделяющимися в области нервных окончаний, и др.

Гомеостатические белки. Благодаря наличию в составе белков аминных и карбоксильных групп, они обладают ам-фотерными свойствами. Являясь частью буферных систем крови, белки обеспечивают постоянство внутренней среды организма (гомеостаз).

Энергетические белки. При окислении 1 г белка образуется 4 ккал (16,8 кДж).

Установлена тесная взаимосвязь между структурой и функциями молекул белков, поэтому прежде чем приступать к рассмотрению их строения необходимо изучить биохимию аминокислот, которые представляют собой основные «строительные» единицы («кирпичики») белков.

АМИНОКИСЛОТЫ

Аминокислоты являются производными карбоно-вых кислот, у которых один из водородов углеродной цепи замещен на аминогруппу. В зависимости от положения —NН₂ группы бывают α, β, γ и т. п. аминокислоты. В природе встречается около 300 аминокислот, их можно условно разделить на две группы:

1) свободные аминокислоты (непротеиногенные), не участвующие в образовании белков;

2) протеиногенные, ковалентно связанные друг с другом в составе пептидов и белков.

Не протеи но генные аминокислоты более разнообразны по сравнению с протеиногенными. Установлено, что ряд небелковых аминокислот играют важную роль в обмене веществ. Например, β-аланин является составной частью коэнзима А, витамина В₃ (пантотеновая кислота), в свободном состоянии он оказывает тормозящий эффект на центральную нервную систему. Орнитин принимает участие в образовании мочевины, а также в синтезе алкалоидов и антибиотика грамицидина.

В состав белков входят 20 α-аминокислот, у которых аминогруппа — NН₂ и карбоксильная группа —СООН присоединены к одному и тому же углеродному атому. Общая структурная формула а-аминокислот может быть представлена в следующем виде:

NH2

R C COOH

Аминокислоты отличаются друг от друга структурой и составом группы К (боковая цепь), которая может представлять собой просто атом водорода, как в глицине, или более сложную группировку, как например, гуанидиновая группа в аргинине.

Аминокислоты классифицируются в соответствии с химическим строением на ациклические (алифатические), ароматические, гетероциклические; по количеству в молекуле аминных и карбоксильных групп — на моноаминомонокар-боновые, диаминомонокарбоновые, моноаминодикарбоновые, диаминодикарбоновые.

По современной рациональной классификации, основанной на полярности радикалов, выделяют 4 класса аминокислот: 1) неполярные, или гидрофобные; 2) полярные (гидрофобные) незаряженные; 3) отрицательно заряженные;

4) положительно заряженные при физиологических значениях рН (при рН 6,0-7,0).

В таблице 3 представлена классификация протеиноген-пых аминокислот, в ней указаны исторические и рациональные наименования, структурная формула и сокращенные обозначения аминокислот, принятые в отечественной и иностранной литературе.

Существуют и другие принципы классификации (табл. 4), например, разделение аминокислот в зависимости от природы боковой цепи на полярные и неполярные (в R-группе есть полярные связи С-О, С-N, О-Н). Часто классифицируют аминокислоты, основываясь на ионном характере группы R (кислые — R-группа несет отрицательный заряд, основные — R-группа несет положительный заряд, нейтральные — R-группа не заряжена).

По биологическому значению (пищевой ценности) аминокислоты делятся на заменимые и незаменимые. Незаменимые аминокислоты не могут синтезироваться организмом из других соединений. Человек получает их только с пищей. Таких аминокислот восемь: из алифатических незамещенных — ва-лип, лейцин, изолейцин; из алифатических замещенных — треонин, лизии, метионин; из ароматических — фенилаланин; из гетероциклических — триптофан. Две аминокислоты — арги-мим н пктидип незаменимы для детского организма, у взрослых же они частично синтезируются, но в недостаточном количестве.

Высшие растения могут содержать все необходимые для белкового синтеза аминокислоты. В организме человека синтезируется только 10 из 20 аминокислот, наиболее часто встречающихся в белках, поэтому они относятся к заменимым аминокислотам.

В белках есть и модифицированные аминокислоты. Химическая модификация обычно происходит уже после того, как исходная аминокислота включается в состав белка. Один из примеров важной модификации — окисление двух-ЗН-групп цистеиновых остатков с образованием аминокислоты цисти-на. содержащей дисульфидную связь.