На чем работает организм человека? Соединения: органика и неорганика

И снова, здравствуйте! В эту пятницу нас ждет завершающая статья цикла "Подтяни матчасть". И тема к рассмотрению - на чем работает тело человека. По прочтении вы узнаете, каким образом и за счет чего поддерживается наша жизнедеятельность, откуда мы берем энергию для повседневной активности.

Итак, рассаживайтесь поудобней, будет интересно (но это не точно).

На чем работает организм человека, что выступает в роли "бензина"

Для тех, кто к нам только что присоединился, напомним, что ранее мы раскрыли большинство вопросов данного цикла. Мы узнали [что нужно человеку для жизни], [про гомеостаз],  [химический уровень нашей организации] и другие – всего 7 статей. Изучите их, чтобы лучше погрузиться в тему. Мы же идем далее и  закрываем последний вопрос цикла - на чем работает тело человека. Собственно, к сути.

Примечание:
Для лучшего усвоения материала все дальнейшее повествование будет разбито на подглавы

Неорганические соединения, необходимые для функционирования человека

Что у вас было в школе по химии? Даже если троечка, то про органические и неорганические соединения слышали точно. Напомним основное:

• Неорганические соединения - простые вещества, которые не содержат ни углерода, ни углеродсодержащих соединений. Очень многие неорганические соединения содержат атомы водорода (вода H2O, соляная кислота HCl). Другие неорганических соединения могут содержать атомы углерода. Двуокись углерода (CO2) является одним из немногих примеров;
• Органические соединения - простые вещества, которые содержат и углерод, и водород. Органические соединения синтезируются через ковалентные связи в живых организмах.

Далее последовательно рассмотрим три группы неорганических соединений, необходимых для жизни: вода, соли, кислоты и основания.

№1. Вода

70% массы тела взрослого человека составляет вода. Она является основным компонентом многих смазочных жидкостей организма. В синовиальной жидкости смазывает места соединения суставов, в плевральной помогает легким расширяться и восстанавливаться при дыхании. Водянистые жидкости помогают поддерживать пищеварительный тракт и обеспечивают свободное движение соседних органов брюшной полости. Вода также защищает клетки и органы от физических травм, например, смягчает воздействие на мозг извне, защищает нервную ткань глаз.

Вода действует как теплоотвод. В организме она поглощает тепло, вырабатываемое химическими реакциями, без значительного повышения температуры. Кроме того, когда температура окружающей среды повышается, вода внутри тела помогает сохранять его холодным.

Вода, безусловно, является наиболее распространенным растворителем в организме. Все химические реакции организма происходят в водных растворах. Поскольку молекулы воды являются полярными, с областями положительного и отрицательного электрического заряда, вода легко растворяет ионные соединения и полярные ковалентные соединения. Такие соединения называются гидрофильными, а неполярные молекулы, которые тяжело растворяются в воде, называются гидрофобными.

№2. Соли

Соли получаются, когда ионы образуют ионные связи. В этих реакциях один атом отдает один или несколько электронов, становясь положительно заряженным. Другой принимает один или несколько электронов и становится отрицательно заряженным. Таким образом, соль - это вещество, которое при растворении в воде диссоциирует на ионы, отличные от H + или OH–.

Типичная соль NaCl полностью диссоциирует в воде. Положительные и отрицательные области молекулы воды притягивают отрицательный хлорид и положительные ионы натрия, оттягивая их друг от друга. В то время как неполярные и полярные ковалентно связанные соединения распадаются на молекулы в растворе, соли диссоциируют на ионы. Эти ионы являются электролитами, они способны проводить электрический ток в растворе. Это свойство имеет решающее значение в передаче нервных импульсов и работе мышц. Соли  важны для организма. Например, соли желчи, вырабатываемые печенью, помогают расщеплять пищевые жиры, а соли фосфата кальция образуют минеральную часть зубов и костей.

№3. Кислоты и основания

Кислоты и основания, подобно солям, диссоциируют в воде и могут очень сильно изменить свойства растворов, в которых они растворены. Кислота - это вещество, которое выделяет в раствор ионы водорода (Н+). Сильные кислоты - это соединения, которые выделяют весь свой H+ в растворе, они полностью ионизируются. Соляная кислота (HCl), которая выделяется из клеток в слизистой оболочке желудка, является сильной кислотой, поскольку она выделяет весь свой H+ в водянистой среде желудка. Эта сильная кислота способствует пищеварению и убивает микробов. Слабые кислоты не полностью ионизируются, некоторые их гидрионы остаются связанными в соединении в растворе. Примером слабой кислоты является уксус или уксусная кислота.

Основание - это вещество, которое выделяет гидроксильные ионы (ОН–) в растворе или принимает Н+, уже присутствующее в растворе. Сильные основания высвобождают большинство или все  гидроксильные ионы. Слабые основания высвобождают только некоторые гидроксильные ионы или поглощают лишь несколько Н+. Пища, смешанная с соляной кислотой из желудка, сожгла бы тонкую кишку, если бы не выброс бикарбоната (HCO3–) - слабого основания, которое привлекает H +. Бикарбонат принимает некоторые протоны Н +, тем самым снижая кислотность раствора.

Здесь нельзя не сказать про pH - относительную кислотность или щелочность раствора. Раствор с рН7 считается нейтральным - ни кислым, ни основным. Чистая вода имеет рН7. Чем ниже число 7, тем больше концентрация Н+, тем более кислый раствор. Чем выше число 7, тем ниже концентрация Н+, тем более щелочной раствор.

Примечание:

Человеческая моча в 10 раз кислее чистой воды, а HCl в 10.000.000 раз кислее воды

рН человеческой крови обычно колеблется от 7,35 до 7,45 (в среднем 7,4). Гомеостатические механизмы обычно поддерживают pH крови в этом узком диапазоне. Это очень важно, потому что колебания - либо слишком кислые, либо слишком щелочные - могут привести к опасным для жизни расстройствам. Все клетки организма зависят от гомеостатической регуляции кислотно-щелочного баланса при рН примерно 7,4. Таким образом, организм имеет несколько механизмов для этого регулирования, включая дыхание, выведение химических веществ из мочи и внутренний выброс химических веществ, которые в совокупности называются буферами, в жидкости организма.

Чрезмерная кислотность крови и других жидкостей организма называется ацидоз. Например, при тяжелой диарее из организма выводится слишком много бикарбоната, это позволяет кислотам накапливаться в жидкостях организма. У людей с плохо управляемым диабетом (неэффективная регуляция уровня сахара в крови) кислоты, называемые кетонами, образуются в качестве топлива для организма. Они могут накапливаться в крови, вызывая серьезное состояние, называемое диабетическим кетоацидозом.

Алкалоз - состояние, при котором кровь и другие жидкости организма являются слишком щелочными. Заболевание легких, передозировка аспирина, шок и обычная тревожность могут вызвать респираторный алкалоз, который снижает нормальную концентрацию H+. Поэтому организму важно поддерживать рН в узком коридоре. Тяжелые веса, неправильное питание, высокий уровень гормона кортизол – все это негативно отражается на состоянии крови. По неорганике всё, переходим к…

Органические соединения, необходимые для жизнедеятельности человека

Органические соединения обычно состоят из групп атомов углерода, ковалентно связанных с водородом, кислородом, а часто и другими элементами. Они создаются живыми существами, встречаются в продуктах и каждой клетке человеческого тела. Наиболее важными для строения и функционирования человека являются углеводы, липиды, белки и нуклеотиды.

№1. Углеводы

Углевод - это молекула, состоящая из углерода, водорода и кислорода. В большинстве углеводов водород и кислород встречаются в тех же пропорциях, что и в воде. Фактически, химическая формула для «общей» молекулы углеводов - (CH2O) n.

Сахара и сахариды относятся к углеводам. Для человека важны три формы сахаридов: 1) моносахариды - являются мономерами углеводов; 2) дисахариды - состоят из двух мономеров; 3) полисахариды - являются полимерами и могут состоять из сотен или тысяч мономеров. Из моносахаридов для человека важны гексозные сахара (содержат шесть атомов углерода): глюкоза, фруктоза и галактоза. Остальные моносахариды представляют собой два пентозных сахара, каждый из которых содержит пять атомов углерода: рибоза и дезоксирибоза.

Дисахарид представляет собой пару моносахаридов. Они образуются в результате дегидратационного синтеза, а связывающая их связь называется гликозидной связью (глико = «сахар»). Для питания энергией человека принято говорить про следующие дисахариды: 1) сахароза, столовый сахар 2) лактоза, молочный сахар; 3) мальтоза, солодовый сахар.

Полисахариды могут содержать сотни и тысячи моносахаридов.

Наиболее важны для человека:

• крахмалы - это полимеры глюкозы. Они встречаются в длинных цепях, называемых амилозой, или разветвленных цепях, называемых амилопектином, которые хранятся в растительной пище и относительно легко усваиваются;
• гликоген. Является полимером глюкозы, хранится в тканях, мышцах и печени. Организм человека накапливает избыток глюкозы в виде гликогена и “складирует” его в депо;
• целлюлоза - полисахарид, который является основным компонентом клеточной стенки зеленых растений, является компонентом растительной пищи, называемой клетчаткой. В организме человека не усваивается.

№1.1 Функции углеводов

Организм получает углеводы из растительной пищи. Зерно, овощи, фрукты, бобовые, зелень обеспечивают большую часть углеводов в рационе человека. Лактоза содержится в молочных продуктах. Хотя большинство клеток организма могут расщеплять другие органические соединения в качестве топлива, все клетки организма могут использовать глюкозу. Кроме того, нейроны в головном и спинном мозге и через периферическую нервную систему, а также эритроциты могут использовать в качестве топлива только глюкозу.

При расщеплении глюкозы для получения энергии образуются молекулы аденозинтрифосфата. АТФ состоит из рибозного сахара, адениновой основы и трех фосфатных групп. АТФ высвобождает свободную энергию, когда его фосфатные связи разрываются, и поставляет готовую энергию в клетку. В присутствии кислорода вырабатывается больше АТФ, чем без него. Общая реакция на преобразование энергии в глюкозе в энергию, запасенную в АТФ, может быть записана: C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + ATP

Помимо того, что углеводы являются критически важным источником топлива, они присутствуют в очень небольших количествах в структуре клеток. Например, некоторые молекулы углеводов связываются с белками с образованием гликопротеинов. Другие соединяются с липидами, образуя гликолипиды, которые входят в состав клеточной оболочки.

№2. Липиды

Липиды - группа разнообразных соединений, состоящих в основном из углеводородов. Те немногие атомы кислорода, которые они содержат, часто находятся на периферии молекулы. Их неполярные углеводороды делают все липиды гидрофобными. В воде липиды не образуют истинного раствора, но они могут образовывать эмульсию - растворы, которые плохо смешиваются.

Триглицерид является одной из наиболее распространенных липидных групп, он наиболее часто встречается в тканях организма. Это соединение, которое обычно называют жиром, образуется в результате синтеза двух типов молекул:

1. глицериновый остов в ядре триглицеридов состоит из трех атомов углерода;
2. три жирные кислоты, длинные цепи углеводородов с карбоксильной и метильной группой на противоположных концах, простираются от каждого из атомов углерода глицерина.

Цепочки жирных кислот, которые не имеют двойных углеродных связей, содержат максимальное количество атомов водорода. Поэтому они называются насыщенными жирными кислотами. Сливочное масло и сало являются такими примерами.

Жирные кислоты с одной двойной углеродной связью - мононенасыщенные жирные кислоты. Полиненасыщенные жирные кислоты содержат две или более двойных углеродных связей. Растительные масла обычно содержат как моно-, так и полиненасыщенные жирные кислоты. Триглицериды являются основным источником топлива для организма. Когда вы отдыхаете или спите, большая часть энергии, используемой для поддержания жизни, поступает из триглицеридов, хранящихся в жировых тканях. Триглицериды также способствуют длительной физической активности и дают скромный процент энергии для активной физической деятельности.

Жирные кислоты также являются компонентами гликолипидов, которые являются сахарно-жировыми соединениями, содержащимися в клеточной мембране. Липопротеины представляют собой соединения, в которых гидрофобные триглицериды “упакованы” в белковые оболочки для транспорта в жидкостях организма.

№2.1. Стероиды

Стероидное соединение (называемое стеролом) имеет в своей основе набор из четырех углеводородных колец, связанных с множеством других атомов и молекул. И растения, и животные синтезируют стеролы. Но наиболее важным для человека является холестерин, который синтезируется в печени людей и животных, а также присутствует в большинстве пищевых продуктов животного происхождения.

Холестерин является важным компонентом желчных кислот, которые помогают эмульгировать пищевые жиры. Холестерин также является строительным блоком многих гормонов. Молекулы холестерина находятся в клеточной мембране, где их гидрофобные и гидрофильные участки помогают регулировать поток веществ внутрь и наружу клетки.

№2.2 Простагландины

Одной из причин, по которым омега-3 полезны, является то, что они стимулируют выработку простагландинов, которые помогают регулировать кровяное давление и воспаление, снижают риск сердечных заболеваний. Простагландины также повышают чувствительность нервов к боли. Класс обезболивающих лекарств, называемых нестероидными противовоспалительными препаратами, работает за счет снижения воздействия простагландинов.

№3. Белки

Белки - это полимеры, состоящие из азотсодержащих мономеров, называемых аминокислотами. Аминокислота - это молекула, состоящая из аминогруппы и карбоксильной группы вместе с вариабельной боковой цепью. Уникальная связь, удерживающая аминокислоты вместе, называется пептидной связью. Нити, содержащие менее 100 аминокислот, обычно называют полипептидами, а не белками.

Организм способен синтезировать большинство аминокислот из компонентов других молекул. Однако девять из них не могут быть синтезированы и должны поступать с пищей. Это так называемые незаменимые аминокислоты. Организм может использовать белки для получения энергии, когда потребление углеводов и жиров недостаточное, а запасы гликогена и жировой ткани истощаются. Так как кроме функциональных тканей белку в организме больше негде храниться, его использование для получения энергии вызывает разрушение тканей и приводит к истощению организма.

№4. Нуклеотиды

Нуклеотид является органическим соединением, состоящим из трех субъединиц:

• одна или несколько фосфатных групп;
• пентозный сахар: дезоксирибоза или рибоза;
• азотсодержащее основание: аденин, цитозин, гуанин, тимин или урацил

Нуклеотиды могут быть собраны в нуклеиновые кислоты (ДНК или РНК) или энергетическое соединение аденозинтрифосфат.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - это нуклеотид, который хранит генетическую информацию. Рибонуклеиновая кислота (РНК) представляет собой рибозосодержащий нуклеотид, который помогает проявить генетический код в виде белка:

Последовательность азотсодержащих оснований в цепи ДНК образует гены, которые действуют как молекулярный код, инструктирующий клетки при сборке аминокислот в белки. Почти 22 000 генов заключены в 46 хромосомах внутри ядра каждой клетки человека. Они несут генетический код для построения человеческого тела, делая каждого из нас уникальным.

Нуклеотид аденозинтрифосфат (АТФ) состоит из рибозного сахара, основания аденина и трех фосфатных групп. АТФ классифицируется как высокоэнергетическое соединение, потому что две ковалентные связи, связывающие три его фосфата, сохраняют значительное количество потенциальной энергии. В организме энергия, выделяемая этими высокоэнергетическими связями, помогает стимулировать деятельность организма: от сокращения мышц до переноса веществ и анаболических химических реакций.

Клетки также могут переносить фосфатную группу из АТФ в другое органическое соединение. Например, когда глюкоза впервые попадает в клетку, фосфатная группа переносится из АТФ, образуя фосфат глюкозы (C6H12O6-P) и АДФ (аденозин дифосфат). Как только глюкоза фосфорилируется таким образом, она может храниться в виде гликогена или метаболизироваться для быстрой энергии.

Общий вывод: тело человека устроено очень сложно. Если чего-то не знать или не дать своему организму в полной мере, то результаты встанут. Чтобы этого не было читайте Азбука Бодибилдинга :)

Послесловие

Построение тела – это не только “бери больше, кидай дальше”, вам также нужно разбираться, что брать и куда кидать :). Правильное питание - не только отварная куриная грудка и брокколи, это понимание того, откуда берется энергия, как она преобразуется и на что расходуется. Мышцы – это не только подтянутое отражение в зеркале, это сложные структуры со своим строением и законами функционирования. Поэтому осваивайте "на чем работает организм человека", материал поможет вам докопаться до сути.

На сим всё. До связи!

PS. как статей-ка, годится?