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

H

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.