Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• Глава І. Основные понятия обмена веществ в школьном курсе биологии, литературный обзор
• 1.1 Понятие «энергетический» и «пластический» обмен
• 1.2 Обмен белков и его нарушения
• 1.4 Обмен жиров и его нарушения
• 1.5 Обмен нуклеотидов и его нарушения
• Глава ІІ. Изучение уровня обмена веществ у учащейся молодежи (экспериментальное исследование)
• 2.1 Объект и методы исследования. Затрата энергии при различных видах работ
• 2.2 Результаты исследования и их обсуждение
• Выводы

Глава ІІІ. Методика проведения урока по теме «Обмен веществ» в ІХ классе общеобразовательной школы

• Анализ урока
• Выводы
• Список использованной литературы

Введение

Актуальность проблемы. Классическая методика преподавания биологии несет отпечаток того времени, когда была характерна довольно условная оценка "сложности" или "простоты" понятий для усвоения учащимися. Теоретические понятия считались сложными, и поэтому их следовало формировать по частям на основе синтеза представлений и эмпирических понятий. Этому соответствует представление о стандарте образования: фактические знания - базовые, научно - теоретические же составляют повышенный уровень. [16]

За последние годы возросла распространенность заболеваний обмена веществ: ожирения и язвенной болезни среди детей в 2 раза, анемии - почти на 40%, на 50% увеличилась распространенность язвенной болезни среди подростков, число страдающих ожирением среди взрослых составило 20 процентов.

Уровень осведомленности населения в вопросах здорового питания остается низким. Высока популярность продуктов, содержащих красители, ароматизаторы, консерванты, генетически модифицированные компоненты, различные добавки. Повышение спроса на продукты быстрого приготовления (особенно у школьников и студентов) обусловлено низкой пищевой культурой населения. Информирование населения о том, как следует сделать питание здоровым, рациональным, профилактическим, оздоровительным, - одна из самых актуальных задач нашего времени.

Основы здорового образа жизни, прививаются в семье, здесь, зарождаются пищевые пристрастия, формируется культура питания, воспитывается ответственное отношение к здоровью. Очень важно, чтобы родители владели достаточными знаниями в области здорового питания.

У детей и подростков в школьный период наблюдаются интенсивные процессы роста, сложная гормональная перестройка организма, деятельности нервной и сердечно-сосудистой системы, головного мозга. Значительное умственное и физическое напряжение, которое в последние годы значительно возросло в связи с увеличением потока информации, усложнением школьных программ, нередко в сочетании с дополнительными нагрузками, приводит к необходимости ответственного подхода к составлению режима питания современных детей.

Достаточная обеспеченность организма всеми пищевыми ингредиентами, витаминами, макро- и микроэлементами улучшает состояние иммунной системы, повышает сопротивляемость организма к отрицательным факторам окружающей среды. Питание влияет на развитие центральной нервной системы, интеллект, состояние работоспособности. Поэтому проблема школьного питания, полноценного, сбалансированного рациона также приобретает в наши дни особую актуальность.

Одним из условий формирования понятия "обмен веществ", на наш взгляд, является реализация межпредметных связей. В свою очередь проблема межпредметных связей разрабатывалась многими учеными. Об этом свидетельствуют многочисленные исследования, публикации, а также материалы всероссийских конференций, посвященные их различным аспектам [11-13, 20, 35].

Анализ психолого-педагогической и методической литературы, а также результаты педагогического эксперимента позволяют говорить о том, что хотя проблема усвоения понятия «обмена веществ» теоретически исследована, у учителей и школьников существуют трудности в изучении данной темы, особенно при формировании обобщающего системообразующего понятия "правильный обмен веществ". Проведенное нами исследование качества усвоения понятия "обмен веществ" у учащихся X-XI классов показало, что уровень усвоения понятия школьниками достаточно низкий. Грамотное формирование этого понятия при изучении общей биологии возможно только на основе согласованной и планомерной взаимосвязи между естественнонаучными предметами. Проведенный анализ проблемы позволяет выделить ряд противоречий: между необходимостью глубокого овладения школьниками общенаучными понятиями, в связи с высоким темпом развития естественных наук, усилением процесса их интеграции и взаимопроникновения, с одной стороны. И неудовлетворительным качеством усвоения учащимися фундаментальных естественнонаучных понятий, в частности понятия "обмен веществ", в рамках традиционной системы обучения с другой.

Не разработанность в теории и методике обучения биологии указанных выше противоречий определили актуальность темы исследования

Цель исследования: изучить обмен веществ и методику формирования понятия "обмен веществ" в школьном курсе общей биологии.

Задачи исследования:

1. Осуществить анализ литературы по проблеме исследования и выявить состояние формирования понятия "обмен веществ" в теории и практике обучения в школе.

2. Провести экспериментальное исследование по выявлению особенностей обмена веществ у учащихся:

а) выявить уровень реального обмена у юношей и девушек;

б) определить фактический уровень затрат;

в) определить структуру восполняемости энергозатрат;

г) определить связь между уровнем ЖЕЛ и интенсивности основного обмена.

3. Предложить методику поэтапного формирования, развития и функционирования понятия "обмен веществ" в курсе биологии

Методологической основой исследования формирование понятия обмен веществ, явилась теория содержания общего образования (В.В.Краевский, И.Я.Лернер, М.Н.Скаткин) [29, 34], аналитико-синтетическая концепция усвоения понятий (Д.Н.Богоявленский, Н.А.Менчинская, Е.Н.Кабанова-Меллер) [18, 33], теория содержательного обобщения (В.В.Давыдов) [14, 22], теория развития биологических понятий (Н.М.Верзилин, Б.В.Всесвятский, И.Д.Зверев, Б.Д.Комиссаров, А.Н.Мягкова) [22-24, 30-32,], теория интеграции и взаимодействия наук в процессе научного познания (А.В.Усова и другие) [13, 19, 24, 28, 33].

Объект и методы исследования: Исследование проведено на базе кафедры биологии и биологического образования естественно-географического факультета БГПУ им. М.Акмуллы. В эксперименте участвовали 22 студента (11 юношей и 11 девушек) 3 курса (возраст 20 лет). Для определения уровня основного обмена использовали традиционную методику Бенедикта Гаррисона.

В ходе исследования использовались теоретические и эмпирические методы. Анализ психологической, педагогической и методической литературы составил основу формулирования теоретических позиций исследования. Методы эмпирического исследования включали обобщение опыта в области биологического образования, педагогический эксперимент, личное преподавание в школе, наблюдение за учебно-воспитательным процессом.

Глава І. Основные понятия обмена веществ в школьном курсе биологии (литературный обзор)

1.1 Понятие «энергетический» и «пластический» обмен

Организм человека, как и все живые организмы, существует как открытая энергетическая система. Это значит, что организм постоянно теряет вещество в виде достаточно простых химических соединений. Одновременно с этим происходит выведение энергии из организма. Но организм - это устойчивая энергетическая система, поэтому потеря вещества и энергии восполняется постоянным их поглощением из окружающей среды. Таким образом, через организм человека постоянно идет поток вещества и заключенной в нем энергии. Этот непрерывный поток является одним из важнейших свойств живых организмов и называется «обмен веществ и энергии», или «метаболизм». Вещество, поступающее в организм, заключает в себе химическую энергию (в виде внутримолекулярных химических связей). Эта энергия преобразуется в организме в химическую энергию других соединений, а также в тепловую, механическую и электрическую. Электрической энергии в организме вырабатывается немного, но она важна для деятельности нервной и мышечной систем. [14]

Обмен веществ - это единый процесс, осуществляющийся на уровне целостного организма, он складывается из метаболических процессов, происходящих в каждой отдельной клетке. Сутью метаболизма является все многообразие превращений веществ в организме, которые происходят либо с затратой, либо с освобождением энергии. Поэтому общий процесс метаболизма имеет две стороны, неразрывно связанные между собой:

Анаболизм (ассимиляция, пластический обмен) - это совокупность реакций синтеза, протекающих в клетках. При этом из более простых веществ синтезируются более сложные вещества. Реакции анаболизма идут с затратой энергии. Основным источником энергии для реакций анаболизма является АТФ. Примером таких реакций является биосинтез белка, протекающий во всех клетках. Исходными веществами для анаболизма являются питательные вещества, поступающие в организм с пищей и образующиеся в результате процесса пищеварения. В результате анаболических реакций происходит постоянное самообновление, рост и развитие организма. Кроме этого, реакции анаболизма являются поставщиками органических соединений для процессов катаболизма.

Катаболизм (диссимиляция, энергетический обмен) - это совокупность реакций расщепления и распада более сложных органических веществ до более простых, вплоть до углекислого газа и воды. Эти реакции идут с освобождением энергии, примерно половина, которой превращается в тепловую и тратится на поддержание температуры тела, а вторая половина энергии запасается в виде макроэргических связей в молекулах АТФ, которая используется в реакциях синтеза. [3]

Основными органическими веществами, из которых состоит организм человека, являются белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты, при этом одни вещества могут превращаться в другие, например, углеводы - в жиры и наоборот, белки могут превращаться в жиры и углеводы. Неорганические вещества организма - это вода и минеральные соли. Полноценная, сбалансированная пища должна содержать органические вещества в достаточном количестве и качестве, а также в ее составе должны быть необходимые минеральные соли и вода и витамины. Насчитывается около 60 пищевых веществ, которые требуют сбалансированности. Однообразное питание, приводящее к исключению отдельных компонентов, вызывает нарушение обмена веществ. Принято выделять белковый, углеводный, жировой и водно-солевой обмен. Энергетическую ценность пищи измеряют в килокалориях (ккал). Суточная потребность человека в энергии составляет в среднем около 3 100 кДж. Эта величина зависит от пола, возраста, физической и эмоциональной активности. Особенно высоки затраты энергии в пересчете на массу тела у детей 1 - 5 лет в связи с высокой активностью обменных процессов.

Свободная энергия для организма может поступать лишь с пищей. Она аккумулирована в сложных химических связях белков, жиров и углеводов. Для того чтобы освободить эту энергию, питательные вещества вначале подвергаются гидролизу, а потом - окислению в анаэробных или аэробных условиях.

В процессе гидролиза, который осуществляется в желудочно-кишечном тракте, высвобождается незначительная часть свободной энергии (менее 0,5%). Она не может быть использована для нужд биоэнергетики, т.к. не аккумулируется макроэргами типа АТФ. Она превращается лишь в тепловую энергию (первичную теплоту), которая используется организмом для поддерживания температурного гомеостаза.

2-й этап высвобождения энергии - это процесс анаэробного окисления. В частности, таким способом высвобождается около 5% всей свободной энергии из глюкозы при окислении до молочной кислоты. Эта энергия, однако, аккумулируется макроэргом АТФ и используется на совершение полезной работы, например, для мышечного сокращения, для работы натрий-калиевого насоса, но, в конечном итоге, она тоже превращается в теплоту, которая называется вторичной теплотой.

3-й этап - основной этап высвобождения энергии до 94,5% всей энергии, которая способна высвободиться в условиях организма. Осуществляется этот процесс в цикле Кребса: в нем происходит окисление пировиноградной кислоты (продукт окисления глюкозы) и ацетилкоэнзима. А (продукт окисления аминокислот и жирных кислот). В процессе аэробного окисления свободная энергия высвобождается в результате отрыва водорода и переноса его электронов и протонов по цепи дыхательных ферментов на кислород. При этом освобождение энергии идет не одномоментно, а постепенно, поэтому большую часть этой свободной энергии (примерно 52-55%) удается аккумулировать в энергию макроэрга (АТФ). Остальная часть в результате «несовершенства» биологического окисления теряется в виде первичной теплоты. После использования свободной энергии, запасенной в АТФ, для совершения полезной работы она превращается во вторичную теплоту.

Совокупность реакции расщепления называют энергетическим обменом клетки или диссимиляцией. Диссимиляция прямо противоположна ассимиляции: в результате расщепления вещества утрачивают сходство с веществами клетки. [16]

Пластический и энергетический обмены (ассимиляция и диссимиляция) находятся между собой в неразрывной связи. С одной стороны, реакции биосинтеза нуждаются в затрате энергии, которая черпается из реакций расщепления. С другой стороны, для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный биосинтез, обслуживающих эти реакции ферментов, так как в процессе работы они изнашиваются и разрушаются.

Сложные системы реакций, составляющие процесс пластического и энергетического обменов, тесно связаны не только между собой, но и с внешней средой. Из внешней среды в клетку поступают пищевые вещества, которые служат материалом для реакций пластического обмена, а в реакциях расщепления из них освобождается энергия, необходимая для функционирования клетки. Во внешнюю среду выделяются вещества, которые клеткой больше не могут быть использованы.

Совокупность всех ферментативных реакций клетки, т. е. совокупность пластического и энергетического обменов (ассимиляции и диссимиляции), связанных между собой и с внешней средой, называют обменом веществ и энергии. Этот процесс является основным условием поддержания жизни клетки, источником ее роста, развития и функционирования [33].

1.2 Обмен белков и его нарушения

Белки пищи, поступая в организм, превращаются в пептоны, которые, подвергаясь действию протеолитических ферментов кишечника и поджелудочной железы, расщепляются до аминокислот. Аминокислоты всасываются из кишечника в кровь, поступают в печень, где часть их используется для синтеза белков, часть попадает с кровью в различные органы и ткани, где используется для синтеза специфических белков, гормонов, ферментов нуклеиновых кислот, белковой части гемоглобина, стромы кровяных клеток и, наконец, в качестве энергетического материала.

Распад и синтез белков протекают непрерывно при участии ферментов -- катепсинов, имеющихся во всех тканях. Во взрослом организме довольно быстро (5-7 дней) происходит обновление белков крови, печени, кишечника и др. Аминокислоты, не использованные для синтеза тканей, гормонов и других веществ, подвергаются распаду с образованием аммиака, мочевины, углекислоты и воды.

Биологическая ценность белка определяется наличием незаменимых аминокислот и степенью его усвоения. Чем ближе употребляемый белок по набору аминокислот подходит к составу белков данного организма, тем выше его биологическая ценность. Очень важное значение, имеет соотношение незаменимых и заменимых аминокислот в белках.

Обмен аминокислот связан с обменом витаминов и микроэлементов.

Так, преимущественное влияние на белковый обмен оказывают:

витамины В, А, Е, К.

Минералы: марганец, железо (в составе миоглобина), селен, кремний, хром, цинк, сера (входит в состав ряда аминокислот).

В организме постоянно протекают процессы распада белковых молекул и биосинтеза нового белка. Белки в живом организме находятся в динамичном состоянии и постоянно обновляются. Происходит непрерывный обмен аминокислот между тканями, между вновь поступившими с пищей аминокислотами и «старыми». Белки слизистой кишечника, печени, поджелудочной железы характеризуются наивысшей скоростью обновления. Белки мышц, коллаген кожи и костей обновляются очень медленно.

При различных заболеваниях происходит изменение белкового состава тканей. Эти изменения называются протеинопатиями. Различают наследственные и приобретенные протеинопатии.

Дефицит элементов, составляющих белок, возникает по разным причинам.

Первая, самая понятная, это отсутствие участника процесса в рационе питания. Как правило, -- это вынужденная или искусственная приверженность человека к однообразной пище, к жестким «придуманным» или принудительным диетам. В частности, строгие вегетарианцы, подверженные высоким нервным нагрузкам, могут испытывать нехватку веществ, питающих мозг.

Вторая -- нарушение процесса расщепления или транспортировки элементов питания в желудочно-кишечном тракте по причине уже возникших заболеваний:

- нарушение кислотности желудка;

- наличие воспалительного процесса в кишечнике;

- ослабление активности поджелудочной железы;

- проблемы поступления желчи;

- дисбактериоз.

Третья. Это проблема «переедания».

Избыток белка едва ли не более опасен для организма, чем его недостаток. Дорогой жизни называют желудочно-кишечный тракт биологи и медики. Здесь происходит превращение «чужого» белка в строительный материал нашего организма. Эта уникальная биохимическая лаборатория всегда работает в экстремальных условиях с тонко и надежно простроенной системой защиты и положительной обратной связью. Дело в том, что в результате расщепления «чужого» белка в желудочно-кишечном тракте появляются не только необходимые аминокислоты, но и аммиак -- соединение очень опасное для организма. Печень, по мере сил, справляется с ним, образуя мочевину, в свою очередь, давая дополнительную нагрузку на почки. При ослабленных печени и почках, так же при постоянной активной токсикации мы получаем дополнительную повреждающую нагрузку.

Четвертая -- более сложная проблема, обусловлена более глубокими нарушениями процессов, непосредственно связанных с токсикацией, радиацией и прочими воздействиями экологических факторов.

Пятая -- проблема генетических или мутагенных факторов. Иначе говоря, нарушение программы процессов, с большим трудом поддающихся коррекции,

В любом случае, эти причины приводят к недостаточности питания клеток, невозможности построения ткани, нарушению функционирования органа и, как следствие, сначала к общим симптомам усталости и истощения, а затем к изменению биологии организма -- болезни. [12]

1.3 Обмен углеводов и его нарушения

Углеводы составляют незначительную часть общего сухого веса тканей человеческого организма - не более 2%, в то время как на белки, например, приходится до 45% сухой массы тела. Тем не менее, углеводы выполняют в организме целый ряд жизненно важных функции, принимая участие в структурной и метаболической организации органов и тканей.

С химической точки зрения углеводы представляют собой многоатомные альдегидо- или кетоноспирты или их полимеры, причем мономерные единицы в полимерах соединены между собой гликозидными связями. Углеводы делятся на три больших группы: моносахариды и их производные, олигосахариды и полисахариды.

Функции углеводов в организме разнообразны и, естественно, различны для разных классов соединений. Моносахариды и их производные выполняют, во-первых, энергетическую функцию: окислительное расщепление этих соединений дает организму 55-60 % необходимой ему энергии. Во-вторых, промежуточные продукты распада моносахаридов и их производных используются в клетках для синтеза других необходимых клетке веществ, в том числе соединений других классов; так, из промежуточных продуктов метаболизма глюкозы в клетках могут синтезироваться липиды и заменимые аминокислоты, правда, в последнем случае необходим дополнительный источник атомов азота аминогрупп.

В-третьих, моносахариды и их производные выполняют структурную функцию, являясь мономерными единицами других, более сложных молекул, таких как полисахариды или нуклеотиды.

Главной функцией гетероолигосахаридов является структурная функция - они являются структурными компонентами гликопротеидов и гликолипидов. В этом качестве гетероолигосахариды участвуют в реализации гликопротеидами целого ряда функций: регуляторной [гормоны гипофиза тиротропин и гонадотропины - гликопротеиды], коммуникативной [рецепторы клеток - гликопротеины], защитной [антитела - гликопротеины]. Кроме того, гетероолигосахаридные блоки, входя в состав гликолипидов и гликопротеидов, участвуют в формировании клеточных мембран, образуя, например, такой важный элемент клеточной структуры как гликокалликс.

Гликоген - единственный гомополисахарид, имеющийся в организме животных - выполняет резервную функцию, причем он является резервом не только энергетическим, но также и резервом пластического материала. Гликоген в том или ином количестве присутствует практически во все клетках человеческого организма. Запасы гликогена в печени могут составлять до 3-5 % от сырой массы этого органа [порой до 10 %], а его содержание в мышцах - до 1% общей массы ткани. Учитывая массу этих органов, общее количество гликогена в печени может составлять 150 - 200 г, а запасы гликогена в мышцах - до 600 г.

Гетерополисахариды выполняют в организме структурную функцию - они входят в состав гликозаминопротеогликанов; последние, наряду с структурными белками типа коллагена или эластина, формируют межклеточное вещество различных органов и тканей. Гликозаминопротеогликановые агрегаты, имея сетчатую структуру, выполняют функцию молекулярных фильтров, препятствующих или сильно тормозящих движение макромолекул в межклеточной среде. Кроме того, молекулы гетерополисахаридов имеют в своей структуре множество полярных и несущих отрицательный заряд группировок, за счет которых они могут связывать большое количество воды и катионов, выполняя роль своеобразных депо для этих молекул.

Функции некоторых углеводов, имеющихся в организме, весьма специфичны. Так, гепарин является естественным антикоагулянтом, он препятствует свертыванию крови в сосудах, а лактоза, о чем уже упоминалось, является резервным углеводом женского молока.

Поскольку первой внутриклеточной реакцией, в которой участвует глюкоза, является ее фосфорилирование в глюкозо-6-фосфат гексокиназой и глюкокиназой, нарушение этого процесса также неблагоприятно сказывается на всасывании углеводов.

Поскольку на прием пищи человек расходует относительно мало времени, ясно, что уровень глюкозы в крови должен поддерживаться скорее за счет эндогенного топлива. Действительно, избыток пищевой глюкозы превращается в гликоген, жиры и белки для покрытия огромных энергетических потребностей организма. После приема пищи большая часть глюкозы, метаболизирующейся в печени, превращается в гликоген, который при первой необходимости служит готовым источником глюкозы. Однако общее содержание его в печени довольно ограничено (в среднем 70-100 г) и способно обеспечить потребности организма в глюкозе в течение не более 8-12 часов [9]

Реакция образования гликогена зависит от активности гликоген- синтетазы, которая, в свою очередь, находится в обратной в зависимости от внутриклеточного уровня цАМФ. До сих пор нет ясности в вопросе, опосредована ли активность гликогенсинтетазы главным образом гормонами. Снижение синтеза гликогена отмечается при миастении, гипоксии, тогда как повышенный распад наблюдается при охлаждении, перегревании, боли, судорогах, эмоциональном стрессе. Выделяют агликогеноз - наследственное заболевание, вызванное дефектом гликогенсинтетазы. В печени почти или полностью отсутствует гликоген, выражена гипогликемия. Характерный симптом - судороги, обычно по утрам

Следует сказать, что гликогенолиз контролируется ферментом фосфорилазой, которая, подобно гликогенсинтетазе, существует в неактивной форме и должна активироваться. Механизмы этой активации подобны ранее изложенным. Важно помнить, что гликогенолиз в печени и мышечной ткани приводит к образованию различных продуктов, а именно: в печени - к образованию свободной глюкозы, в мышцах - к высвобождению лактата и пирувата, поскольку глюкозо-6-фосфат не может превращаться в глюкозу, а вступает на гликолитический путь. [9]

1.4 Обмен жиров и его нарушения

Жиры - органические соединения, входящие в состав животных и растительных тканей и состоящие в основном из триглицеридов (сложных эфиров глицерина и различных жирных кислот). Кроме того, в состав жиров входят вещества, обладающие высокой биологической активностью: фосфатиды, стерины, некоторые витамины. Смесь различных триглицеридов составляет так наз. нейтральный жир. Жир и жироподобные вещества объединяют обычно под названием липиды.

У человека и животных наибольшее количество жиров находится в подкожной жировой клетчатке и жировой ткани, располагающейся в сальнике, брыжейке, забрюшинном пространстве и т. д. Жиры содержатся также в мышечной ткани, костном мозге, печени и других органах. В растениях жиры накапливаются в основном в плодовых телах и семенах.

Биологическая роль жиров заключается, прежде всего, в том, что они входят в состав клеточных структур всех видов тканей и органов и необходимы для построения новых структур (так наз. пластическая функция). Важнейшее значение имеют жиры для процессов жизнедеятельности, т. к. вместе с углеводами они участвуют в энергообеспечении всех жизненных функций организма. Кроме того, жиры, накапливаясь в жировой ткани, окружающей внутренние органы, и в подкожной жировой клетчатке, обеспечивают механическую защиту и теплоизоляцию организма. Наконец, жиры, входящие в состав жировой ткани, служат резервуаром питательных веществ и принимают участие в процессах обмена веществ и энергии.

Природные жиры содержат более 60 видов различных жирных кислот, обладающих различными химическими и физическими свойствами и определяющих тем самым различия в свойствах самих жиров. Молекулы жирных кислот представляют собой "цепочки" из атомов углерода, связанных между собой и окруженных атомами водорода. Длина цепи определяет многие свойства, как самих жирных кислот, так и жиров, образуемых этими кислотами. Длинноцепочечные жирные кислоты имеют твердую консистенцию, короткоцепочечные являются жидкими веществами. Чем выше молекулярный вес жирных кислот, тем выше температура их плавления, а соответственно и температура плавления жиров, в состав которых входят эти кислоты. Вместе с тем, чем выше температура плавления жиров, тем они хуже усваиваются. Все легкоплавкие жиры усваиваются одинаково хорошо. По усвояемости жиры можно разделить на три группы:

1. жир с температурой плавления ниже температуры тела человека, усвояемость 97-98% ;

2. жир с температурой плавления выше 37°, усвояемость около 90%;

3. жир с температурой плавления 50-60°, усвояемость около 70- 80%. [14]

По химическим свойствам жирные кислоты делятся на насыщенные (все связи между углеродными атомами, образующими "остов" молекулы, насыщены, или заполнены, атомами водорода) и ненасыщенные (не все связи между атомами углерода заполнены атомами водорода). Насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты отличаются не только по своим химическим и физическим свойствам, и по биологической активности и "ценности" для организма.

Насыщенные жирные кислоты по биологическим свойствам уступают ненасыщенным. Имеются данные об отрицательном влиянии первых на жировой обмен, функцию и состояние печени; предполагается развитие атеросклероза при их участии.

Ненасыщенные жирные кислоты содержатся во всех пищевых жирах, но особенно много их в растительных маслах.

Наиболее выраженными биологическими свойствами обладают так называемые полиненасыщенные жирные кислоты, т. е. кислоты с двумя, тремя и более двойными связями. Это линолевая, линолеповая и арахидоновая жирные кислоты. Они не синтезируются в организме человека и животных (иногда их называют витамином F) и образуют группу так называемых незаменимых жирных кислот, т. е. жизненно необходимых для человека. Эти кислоты отличаются от истинных витаминов тем, что не обладают способностью усиливать обменные процессы, однако потребность организма в них значительно выше, чем в истинных витаминах.

Само распределение полиненасыщенных жирных кислот в организме свидетельствует об их важной роли в его жизнедеятельности: больше всего их содержится в печени, мозге, сердце, половых железах. При недостаточном поступлении с пищей содержание их уменьшается, прежде всего в этих органах. Важная биологическая роль этих кислот подтверждается их высоким содержанием в эмбрионе человека и в организме новорожденных, а также в грудном молоке.

В тканях имеется значительный запас полиненасыщенных жирных кислот, позволяющий довольно долго осуществлять нормальные превращения в условиях недостаточного поступления жира с пищей.

Важнейшим биологическим свойством полиненасыщенных жирных кислот является их участие в качестве обязательного компонента в образовании структурных элементов (клеточных мембран, миелиновой оболочки нервного волокна, соединительной ткани). А также в таких высокоактивных в биологическом отношении комплексах, как фосфатиды, липопротеиды (белково-липидные комплексы)

Полиненасыщенные жирные кислоты обладают способностью повышать выведение холестерина из организма, переводя его в легкорастворимые соединения. Это свойство имеет большое значение в профилактике атеросклероза. Кроме того, полиненасыщенные жирные кислоты оказывают нормализующее действие на стенки кровеносных сосудов, повышая их эластичность и снижая проницаемость. Имеются данные, что недостаток этих кислот ведет к тромбозу коронарных сосудов, так как жиры, богатые насыщенными жирными кислотами, повышают свертываемость крови. Поэтому полиненасыщенные жирные кислоты могут рассматриваться как средства предупреждения ишемической болезни сердца.

Установлена связь полиненасыщенных жирных кислот с обменом витаминов группы: В, особенно В6 и B1. Имеются данные о стимулирующей роли этих кислот в отношении защитных сил организма, в частности в повышении устойчивости организма к инфекционным заболеваниям и ионизирующему излучению. [10]

По биологической ценности и содержанию полиненасыщенных жирных кислот жиры можно разделить на три группы.

К первой относят жиры, обладающие высокой биологической активностью, в которых содержание полиненасыщенных жирных кислот составляет 50-80%; 15- 20 г в сутки этих жиров могут удовлетворить потребность организма в таких кислотах. К этой группе принадлежат растительные масла (подсолнечное, соевое, кукурузное, конопляное, льняное, хлопковое). Во вторую группу входят жиры средней биологической активности, которые содержат менее 50% полиненасыщенных жирных кислот. Для удовлетворения потребности организма в этих кислотах требуется уже 50-60 г таких жиров в сутки. К ним относятся свиное сало, гусиный и куриный жир.

Третью группу составляют жиры, содержащие минимальное количество полиненасыщенных жирных кислот, которое практически не в состоянии удовлетворить потребность организма в них. Это бараний и говяжий жир, сливочное масло и другие виды молочного жира.

Биологическую ценность жиров, кроме различных жирных кислот, определяют и входящие в их состав жироподобные вещества - фосфатиды, стерины, витамины

Фосфатиды по своей структуре весьма близки к нейтральным жирам: чаще в пищевых продуктах содержится фосфатид лецитин, несколько реже - кефалин. Фосфатиды являются необходимой составной частью клеток и тканей, активно участвуя в их обмене, особенно в процессах, связанных с проницаемостью клеточных мембран. Особенно много фосфатидов в костном жире. Эти соединения, принимая участие в жировом обмене, влияют на интенсивность всасывания жира в кишечнике и использование их в тканях (липотропное действие фосфатидов). Фосфатиды синтезируются в организме, но непременным условием их образования являются полноценное питание и достаточное поступление белка с пищей. Источниками фосфатидов в питании человека являются многие продукты, особенно желток куриного яйца, печень, мозги, а также пищевые жиры, особенно нерафинированные растительные масла.

Стерины также обладают высокой биологической активностью и участвуют в нормализации жирового и холестеринового обмена. Фитостерины (растительные стерины) образуют с холестерином нерастворимые комплексы, которые не всасываются; тем самым предотвращается повышение содержания холестерина в крови. Особенно эффективны в этом отношении эргостерин, который под действием ультрафиолетовых лучей превращается в организме в витамин D, и стеостерин, способствующий нормализации содержания холестерина в крови. Источники стеринов - различные продукты животного происхождения (свиная и говяжья печень, яйца и т. д.). Растительные масла теряют большую часть стеринов при рафинировании.

Жиры относятся к основным пищевым веществам, поставляющим энергию для обеспечения процессов жизнедеятельности организма и "строительный материал" для построения тканевых структур.

Жиры обладают высокой калорийностью, она превосходит теплотворную способность белков и углеводов более чем в 2 раза. Потребность в жирах определяется возрастом человека, его конституцией, характером трудовой деятельности, состоянием здоровья, климатическими условиями и т. д. Физиологическая норма потребления жиров с пищей для людей среднего возраста составляет 100 г в сутки и зависит от интенсивности физической нагрузки. С возрастом рекомендуется сокращать количество жира, поступающего с пищей. Потребность в жирах может быть удовлетворена при употреблении различных жировых продуктов.

Оптимальным следует считать соотношение, когда животные жиры составляют 70% суточного потребления жиров, а растительные - 30% .

Среди жиров животного происхождения высокими пищевыми качествами и биологическими свойствами выделяется молочный жир, используемый преимущественно в виде сливочного масла. Этот вид жира содержит большое количество витаминов (A, D2, E) и фосфатидов. Высокая усвояемость (до 95%) и хорошие вкусовые качества делают сливочное масло продуктом, широко употребляемым людьми всех возрастов. К животным жирам относятся также свиное сало, говяжий, бараний, гусиный жир. Они содержат относительно немного холестерина, достаточное количество фосфатидов. Вместе с тем их усвояемость различна и зависит от температуры плавления. Тугоплавкие жиры с температурой плавления выше 37° (свиное сало, говяжий и бараний жир) усваиваются хуже, чем сливочное масло, гусиный и утиный жир, а также растительные масла (температура плавления ниже 37°). Жиры растительного происхождения богаты незаменимыми жирными кислотами, витамином Е, фосфатидами и легко усваиваются.

Биологическую ценность растительных жиров во многом определяют характер и степень их очистки (рафинации), которую проводят для удаления вредных примесей. В процессе очистки теряются стернны, фосфатиды в другие биологически активные вещества. К комбинированным (растительным и животным) жирам относятся различные виды маргаринов, кулинарные и др. Из комбинированных жиров наиболее распространены маргарины. Их усвояемость близка к усвояемости сливочного масла. Они содержат много витаминов A, D, фосфатидов и других биологически активных соединений, необходимых для нормальной жизнедеятельности.

Возникающие при хранении пищевых жиров изменения приводят к снижению их пищевой и вкусовой ценности. Поэтому при длительном хранении жиров их следует оберегать от действия света, кислорода воздуха, тепла и других факторов. [11]

Обмен жиров начинается с их расщепления, происходящего в желудочно-кишечном тракте под действием ферментов липаз. Предварительно жиры подвергаются эмульгированию, размельчению жировых частиц до мельчайших капелек, "плавающих" в водной фазе. В эмульгировании жиров огромную роль играют желчные кислоты и их соли.

В эпителии тонкой кишки протекают непрерывные процессы синтеза жиров из жирных кислот и глицерина, всосавшихся из кишечника. При колитах, дизентерии и других заболеваниях тонкой кишки всасывание жиров и жирорастворимых витаминов нарушается. Расстройства жирового обмена могут возникать в процессе переваривания и всасывания жиров. Особенно большое значение эти заболевания имеют в детском возрасте. Жиры не перевариваются при заболеваниях поджелудочной железы (например, при остром и хроническом панкреатите). Расстройства переваривания жиров могут быть связаны также с недостаточным поступлением желчи в кишечник, вызванным различными причинами. И, наконец, переваривание и всасывание жиров нарушаются при желудочно-кишечных заболеваниях, сопровождающихся ускоренным прохождением пищи по желудочно - кишечному тракту, а также при органическом и функциональном поражении слизистой оболочки кишок.

Существует еще одна группа заболеваний, причины которых неясны: целиакия у детей (отравление организма продуктами неполного переваривания некоторых белков), "самопроизвольный" жировой понос у взрослых и т. п. При этих заболеваниях также нарушаются переваривание и всасывание жиров. Для определения степени переваривания жиров исследуют кал на наличие жира.

Кровь человека содержит значительные количества нейтральных жиров, свободных жирных кислот, фосфатидов, стеринов. Количество их меняется вне зависимости от возраста, пищевой нагрузки, упитанности и физиологического состояния организма. В норме оно колеблется от 400 до 600 мг. Однако общее содержание липидов определяют редко, чаще измеряют количество отдельных фракций и соотношение между ними. Повышенное содержание нейтральных жиров служит признаком нарушения механизмов использования жиров, поступающих с пищей, для построения жиров организма; кроме того, оно может свидетельствовать о переводе части этих механизмов на повышенный синтез холестерина. Увеличенное содержание липидов в крови (гиперлипемия) наблюдают при голодании, сахарном диабете, нефрозах, острых гепатитах, экссудативном диатезе и некоторых других заболеваниях. В последнем случае надо помнить, что нагрузка жирами больных детей может привести к усилению кожных высыпаний.

Жировой обмен неразрывно связан с обменом углеводов. В норме в состав тела человека входит 15% жиров, но при некоторых состояниях их количество может достигать 50%. Наиболее распространено алиментарное (пищевое) ожирение, которое наступает в тех случаях, когда человек ест высококалорийную пищу при небольших энергетических затратах. При избытке углеводов в пище они легко усваиваются организмом, превращаясь в жиры. Одним из способов борьбы с алиментарным ожирением является физиологически полноценная диета с достаточным количеством белков, жиров, витаминов, органических кислот, но при ограничении углеводов. Патологическое ожирение наступает вследствие расстройства нейрогуморальных механизмов регуляции углеводно-жирового обмена: при пониженной функции передней доли гипофиза, щитовидной железы, надпочечников, половых желез и повышенной функции поджелудочной железы.

Нарушения обмена жиров на различных этапах их обмена служат причиной различных заболеваний. Серьезные осложнения наступают в организме при расстройстве тканевого межуточного углеводно-жирового обмена. Чрезмерное накопление различных липидов в тканях и клетках вызывает их разрушение, дистрофию со всеми ее последствиями.

Дальнейшее изучение нарушений активности ферментов, участвующих в обмене жиров, и обмена липидов на молекулярном и субклеточном уровнях позволит разработать новые научные подходы к лечению болезнен человека, связанных с нарушениями жирового обмена. [19]

1.5 Обмен нуклеотидов и его нарушения

Нуклеотидами называются соединения, состоящие из азотистого основания, углевода-пентозы и фосфорной кислоты. Примером может служить уридиловая кислота:

В типичном нуклеотиде связь между атомом "N" цикла и первым атомом углерода пентоза - b-N-гликозидная, а связь между остатков фосфорной кислоты и пятым атомом углерода пентозы - сложноэфирная.

Нуклеотиды могут быть разделены на классы по нескольким признакам:

а. По характеру входящего в них азотистого основания нуклеотиды могут быть пуринового, пиримидинового, изоаллоксазинового и т.д. рядов.

б. По характеру углевода-пентозы они могут быть рибонуклеотидами (содержат рибозу) или же дезоксирибонуклеотидами (содержат дезоксирибозу ). В некоторых синтетических нуклеотидах или нуклеозидах встречается также арабиноза.. По частоте встречаемости в составе нуклеиновых кислот нуклеотиды делятся на главные и минорные. К минорным нуклеотидам относятся те нуклеотиды, количество которых в составе ДНК не превышает 2-3 процентов от их общего числа; на долю минорных нуклеотидов в РНК может приходится до 15-17% от их общего количества. Минорные нуклеотиды образуются в клетках в результате химической модификации главных нуклеотидов; они отличаются от главных нуклеотидов, или особенностями структуры азотистых оснований (метилированные, гидроксиметилированные, ацетилированные и т.д. производные), или особенностями структуры углеводного компонента (как правило, это метилированные производные пентоз), или аномальной структурой связи между азотистым основанием и пентозой (так в псевдоуридиловой кислоты присутствует связь, которую можно назвать как b-С5-гликозидную связь). К настоящему времени идентифицировано до пяти десятков различных минорных нуклеотидов.

Нуклеотиды выполняют в клетках несколько функций:

Структурную функцию рибонуклеотиды пуринового или пиримидинового рядов (АМФ, ГМФ,УМФ и ЦМФ и их минорные производные) также как и их дезоксибонуклеотидные аналоги ( дАМФ, дГМФ, дТМФ и дЦМФ и их минорные производные ), являются мономерными единицами нуклеиновых кислот;

Дифосфатные производные мононуклеотидов участвуют во многих метаболических процессах в клетке в качестве активаторов переносчиков различных группировок (Примерами могут служить УДФ-глюкоза, ГДФ-манноза, ЦДФ-холин и др.);

АТФ и ГТФ выступают в клетке как аккумуляторы и переносчики энергии, высвобождающейся при биологическом окислении:

НАД+, НАДФ+, ФАД, ФМН являются переносчиками восстановительных эквивалентов в клетках (промежуточными переносчиками протонов и электронов );

Мононуклеотиды выступают в клетках в качестве биорегуляторов. Достаточно вспомнить роль АТФ как аллостерического ингибитора ключевых ферментов ряда метаболических путей (фосфофруктокиназы гликолитического метаболона или цитрансинтазы цикла Кребса):

Такие соединения как цАМФ или цГМФ выполняют роль мессенджеров или вторых вестников в реализации клеткой внеклеточного регуляторного сигнала (при действии глюкагона на гепатоциты в ускорении мобилизации гликогена играет существенную роль повышение концентрации цАМФ в этих клетках).

Скорость синтеза нуклеотидов должна соответствовать потребностям клетки, в связи, с чем она должна эффективным образом регулироваться. В работе механизмом регуляции синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов много общего: решающую роль в регуляции играет ретроингибирование - снижение скорости синтеза нуклеотидов при достижении их достаточной концентрации в клетках за счет аллостерического ингибирования ключевых ферментов соответствующих метаболических путей.

Основными регуляторными ферментами метаболического пути синтеза пиримидиновых нуклеотидов являются карбамоилфосфатсинтетаза ( Е1 ) и аспартаттранскарбамоилаза ( Е2 ). Активность первого фермента (Е1) ингибируется по аллостерическому механизму высокими концентрациями УТФ в клетке, а активность второго фермента (Е2) - высокими концентрациями ГТФ. Активность карбамоифосфатсинтетазы, кроме того, активируется высокими концентрациями ФРПФ. С другой стороны, синтез ФРПФ тормозится высокими концентрациями дТДФ за счет аллостерического ингибирования ФРПФ - синтетазы (Е3). [11]

Накопление избыточных количеств пуриновых нуклеотидов в клетке также приводит к торможению их синтеза.

Прежде всего, следует отметить, что накопление в клетке как адениловых, так и гуаниловых нуклеотидов по аллостерическому механизму тормозит активность ФРПФ-синтетазы (Е). Одновременно накопление АМФ и ГМФ также по аллостерическому механизму снижает активность ФРПФ-амидотрансферазы (Е), причем ингибирующий эффект высоких концентраций ГМФ более выражен, нежели у АМФ. Торможение пуриновыми нуклеотидами активности ФРПФ-синтетазы имеет для регуляции их синтеза большее значение, чем ингибирование ФРПФ-амидотрансферазы

Далее, избыточные концентрации АМФ ингибируют синтез АМФ из ИМФ, а высокие концентрации ГМФ тормозят образование этого нуклеотида из ИМФ. В обоих случаях работают механизмы аллостерического ингибирования ферментов, участвующих в этих превращениях.

Наконец, синтез АМФ из ИМФ стимулируется ГТФ, поскольку ГТФ является источником энергии для синтеза. В свою очередь, АТФ стимулирует синтез ГМФ из ИМФ по той же самой причиной. Наличие этого регуляторного механизма позволяет сбалансировать объемы синтеза адениловых и гуаниловых нуклеотидов в клетке.

Регуляция синтеза дезоксирибонуклеотидов обеспечивает скоординированный в количественном отношении синтез различных дезоксинуклеотидов, необходимых для последующей сборки дезоксиполинуклеотидных цепей ДНК. Важнейшую роль в этой регуляции играет фермент рибонуклеозиддифосфатредуктаза. Этот фермент имеет два типа аллостерических участков: один из них регулирует общую активность фермента, а другой - субстратную специфичность. Общая каталитическая активность снижается при связывании в первом центре дАТФ, последний, служит сигналом об избытке дезоксинуклеотидов в клетке. Связывание различных дНуДФ ил дНуТФ в аллостерических участках второго типа позволяет ферменту более или менее избирательно нарабатывать недостающие в данный момент в клетке те или иные дезоксирибонуклеозиддифосфаты

Пиримидиновые нуклеотиды не имеют специфических конечных продуктов обмена, видимо, поэтому при состояниях, характеризующихся избыточным синтезом пиримидинов, как правило, нет выраженных клинических признаков. При торможении синтеза дезокситимидиловой кислоты, обусловленном недостатком в организме фолиевой кислоты или кобаламина, идет одновременно и нарушение синтеза пуриновых нуклеотидов, что проявляется в виде нарушения синтеза нуклеиновых кислот с развитием той или иной формы анемии.

Наиболее известным вариантом нарушения синтеза пиримидинов является оротатацидурурия - повышенное выделение с мочой продукта неполного синтеза пиримидинов - оротовой кислоты. Оротатацидурия чаще всего является следствием генетически обусловленного нарушения синтеза двух ферментов: оротат-фосфорибозилтрансферазы и оротидилатдекарбоксилазы. Синтезируемая оротовая кислота не используется в клетках и накапливается в органах и тканях, она в повышенных количествах выделяется с мочой.

Для детей с этой патологией характерны отставание в развитии, мегалобластическая анемия и "оранжевая кристаллоурия", последняя обусловлена образованием в моче кристаллов оротовой кислоты, имеющих оранжевый цвет. Для лечения таких детей используется уридин который, достаточно хорошо усваиваивается организмом, однако уридин становится еще одним незаменимым компонентом пищи.

Наиболее известным заболеванием, тесно связанным с нарушением обмена пуриновых нуклеотидов, является подагра. У больных с этой патологией наблюдается повышенное содержание мочевой кислоты в крови и тканях, а также избыточное количество уратов в моче. В норме концентрация мочевой кислоты в крови и других биологических жидкостях достаточно близка к насыщающей. Поэтому повышение ее содержания в биологических жидкостях приводит к появлению в них кристаллов мочевой кислоты. Если кристаллы появляются в суставной жидкости, развивается подагрические артриты. Выпадение кристаллов мочевой кислоты непосредственно в ткани вызывает асептическое воспаление с последующим инкапсулированием образовавшихся кристаллов и формированием подагрических узелков. Наиболее тяжелым проявлением этого заболевания является подагрическая нефропатия с нарушением функции почек.

При снижении активности гипоксантин - гуанин фосфорибозилтрансферазы в клетках снижается уровень повторного использования образующихся в них гипоксантина и гуанина за счет торможения "синтеза сбережения".

Возникает нехватка пуриновых нуклеотидов, которая компенсируется активацией синтеза пуринов, что в конечном итоге ведет к повышенному образованию пуринов в организме и, соответственно, к повышения содержания мочевой кислоты в организме.

При полном отсутствии в клетках гипоксантин-гуанин-фосфорибозилтрансферазы развивается болезнь Леш-Нихана, для которой характерны высокий уровень гиперурикемии, камни в мочевыводящих путях, корковый паралич, судороги и крайне агрессивное поведение.

Гиперурикемия может также встречаться при воздействии на человека ионизирующей радиации. В этом случае гиперурикемия является отражением интенсификации распада нуклеиновых кислот в облученных органах и тканях. [14]

Таким образом, в школьном курсе биологии формируется понятие «Обмен веществ» - как единый процесс, осуществляющийся на уровне целостного организма, он складывается из метаболических процессов, происходящих в каждой отдельной клетке. Сутью метаболизма является все многообразие превращений веществ в организме, которые происходят либо с затратой, либо с освобождением энергии. Поэтому общий процесс метаболизма имеет две стороны, неразрывно связанные между собой:

Основные этапы обмена веществ у детей с момента рождения до формирования взрослого организма имеет ряд своих особенностей. При этом меняются количественные характеристики, происходит качественная перестройка обменных процессов. У детей, в отличие от взрослых, значительная часть энергии расходуется на рост и пластические процессы, которые наиболее велики у новорожденных и детей раннего возраста.

Анаболизм (ассимиляция, пластический обмен) - это совокупность реакций синтеза, протекающих в клетках. При этом из более простых веществ синтезируются более сложные вещества.

Катаболизм (диссимиляция, энергетический обмен) - это совокупность реакций расщепления и распада. Более сложных, органических веществ до более простых, вплоть до углекислого газа и воды.

Пластический и энергетический обмены (ассимиляция и диссимиляция) находятся между собой в неразрывной связи. В организме постоянно протекают процессы распада белковых молекул и биосинтеза нового белка. Белки в живом организме находятся в динамичном состоянии и постоянно обновляются. Происходит непрерывный обмен аминокислот между тканями, между вновь поступившими с пищей аминокислотами и «старыми». Белки слизистой кишечника, печени, поджелудочной железы характеризуются наивысшей скоростью обновления. Белки мышц, коллаген кожи и костей обновляются очень медленно.