При участии воды и минеральных солей происходят важнейшие физико-химические процессы, совершающиеся в организме. Так, концентрацией минеральных солей, растворенных в воде, обусловлена величина осмотического давления крови и тканевой жидкости, сохранение которого на постоянном уровне является необходимым условием нормальной жизнедеятельности. Неорганические вещества имеют также значение в поддержании кислотно-щелочного равновесия и в сохранении относительного постоянства активной реакции крови и тканей. Далее, минеральные соли и вода участвуют в явлениях диффузии и осмоса, которые играют роль в процессах всасывания и выделения.
Минеральные соли и вода, кроме того, способствуют сохранению коллоидального состояния живой протоплазмы. Изменение количества воды в организме и сдвиги в солевом составе жидкостей тела и тканевых структур влекут за собой нарушение устойчивости коллоидов, следствием чего могут быть необратимые нарушения и гибель отдельных клеток или организма в целом.
Лишение организма воды и минеральных солей вызывает тяжелые нарушения и смерть. У человека лишение воды может привести к смерти уже через несколько дней. Этот факт следует сопоставить с тем, что при полном голодании и неограниченном поступлении воды возможно сохранение жизни человека даже в течение 40-45 дней. При полном голодании потеря веса может достигать 40%, между тем как при лишении воды потеря даже 10% веса тела сопровождается тяжелыми нарушениями, а потеря 20-22% веса тела влечет за собой смерть.
Важная роль минеральных солей установлена прямыми наблюдениями. Так, при
полном лишении животных минеральных солей, т. е. при минеральном голодании,
несмотря на достаточное поступление в организм всех остальных питательных
веществ и воды, наблюдались потеря аппетита, отказ от еды, исхудание и
гибель.
Необходимость постоянного ноступлепня минеральных солей и воды
объясняется тем, что организм постоянно теряет некоторые их количества с мочой,
потом и калом.
Физиологическая роль разных электролитов различна и многообразна. Так, ионы кальция и фосфора необходимы для построения костной ткани. Ионы кальция имеют значение для осуществления связи возбуждения с сокращением мышцы; ионы натрия и калия необходимы для возникновения биоэлектрических потенциалов. Ионы фосфора в виде остатка фосфорной кислоты входят в состав богатых энергией соединений (аденозинтрифосфорной, креатинфосфорной кислот и др.), а также в состав фосфатидов и фосфопротеинов, имеющих важное значение в функциях нервной ткани и в обмене веществ.
Некоторые химические элементы, входящие в состав организма в очень незначительных количествах (поэтому их называют микроэлементами), как, например, йод, цинк, железо, кобальт, участвуют в синтезе сложных органических соединений, имеющих большое функциональное значениe.
Йод (общее содержание его в организме взрослого человека равняется примерно 0,03 г) необходим дли синтеза гормона щитовидной железы - тироксина. Чрезвычайно важную роль играет железо, количество которого в организме не превышает 3-5 г. Железо участвует в окислительных процессах и транспорте кислорода кровью. Цинк входит в состав фермента и имеет значение образования гормона инсулина. Кобальт входит в состав витамина В12 необходимого для кроветворения.
Минеральные соли относятся к необходимым компонентам принимаемой пищи, а их отсутствие способно привести к гибели живого организма. Они очень активно участвуют в деятельности всех элементов организма, а также в нормализации функционирования его систем. Минеральные вещества необходимы для кроветворения, формирования различных тканей. Так, например, кальций и фосфор – основные структурные элементы костных тканей. Считается, что человеку необходимо не меньше двадцати различных минеральных солей. В наш организм они могут поступать с водой и продуктами питания.
Для некоторых видов продуктов характерна высокая концентрация определенных минеральных веществ, в том числе и редких. Злаки содержат много кремния, а морские растения – йода.
Для нашего организма нормальным является определенный кислотно-щелевой баланс. Его поддержание является основой эффективной жизнедеятельности. Такое равновесие должно быть постоянным, но при некоторых сдвигах в питании оно может колебаться в ту или иную сторону.
Для питания людей характерным считается сдвиг в сторону кислотного характера. Это чревато развитием различных заболеваний, в том числе и атеросклероза.
К кислым минеральным веществам относят хлор, фосфор и серу. Они содержатся в рыбе, мясе, хлебе, яйцах, крупах и т.п. Калий, натрий, магний и кальций – щелочные элементы.
На них богаты такие продукты как фрукты и овощи, ягоды, молоко и его производные.
Чем старше становится человек – тем больше щелочных продуктов должно присутствовать в его рационе.
Самыми необходимыми минеральными солями для нашего организма считаются калий, кальций, фосфор, магний и железо.
Калий относится к щелочным металлам. Он нужен нашему организму для построения мускулов, а также для селезенки и печени. Калий способствует нормализации процессов пищеварения, а в особенности активно стимулирует переработку крахмалов и жиров.
Именно этим объясняется польза этого элемента при запорах. Кроме того он незаменим при нарушениях в циркуляции крови, воспалительных процессах на коже, ослабленной работе сердца и приливах крови.
Быстро проявляется дряблостью мышечной массы, а также нарушениями умственной деятельности. Этот элемент содержится в кислых фруктах, сырых овощах, клюкве и барбарисе, а также в орехах, отрубях и миндале.
Кальций одинаково необходим в любом возрасте. Его соли входят в состав крови, а также межтканевой и клеточной жидкости. Считается, что они необходимы для укрепления защитных систем организма, а также для осуществления и поддержания нервно-мышечной возбудимости.
Роль солей кальция в их важности для сворачиваемости крови, а их недостаток быстро сказывается на деятельности сердечной мышцы. Этот минерал особо необходим для костей скелета.
Кальций присутствует во многих продуктах питания. Но при этом он достаточно тяжело усваивается организмом. Лучше всего его потреблять с молочными продуктами, так, например, в полулитре молока содержится его дневная норма.
При построении рациона питания следует учитывать то, что кальций активно теряется организмом при различных стрессовых ситуациях и во время болезней. Это очень быстро сказывается на состоянии всего организма. Поэтому при потерях кальция следует увеличить его поступления.
Фосфор необходим для стимуляции роста и деятельности организма. Он влияет на развитие костей, а также очень важен для мозга. Стабильное поступление этого элемента необходимо при активной умственной работе. Но следует учитывать, что постоянный избыток фосфора может приводить к образованию опухолей.
Это минеральное вещество содержится в таких продуктах, как печень рыбы, сыр, желток, отруби, огурцы, салат, редиска, миндаль, орехи, чечевица.
Магний необходим для твердости зубов и костей. Этот элемент присутствует и в мускулах, нервах, легких, мозгу, придавая им плотности и эластичности. Недостаток магния в рационе очень быстро сказывается нервным напряжением.
Именно соли магния способны защитить наш организм от негативных воздействий различных стрессов, с помощью поддержки работы клеточных мембран в нервной системе. Содержится в помидорах, шпинате, орехах, сельдерее, винных ягодах, отрубях.
Железо является основным элементом для окисления крови. Без него невозможно образование гемоглобина – красных шариков. При недостатке этого микроэлемента наблюдается малокровие, апатия, пониженная жизненность и бледная немочь. В организме железо откладывается в печени.
Содержится в салате, шпинате, спарже, землянике, тыкве, луке и арбузе.
Минеральные соли относятся к неорганическим элементам. Это значит, что человеческий организм не может синтезировать их самостоятельно. Задачей человека является грамотный подход к построению своего рациона питания.
При этом следует учитывать необходимость строгого баланса в соотношении минеральных солей. Их неправильное сочетание или переизбыток могут нанести вред и иметь негативные последствия.
Так, например, излишнее количество кальция в рационе может приводить к образованию кальцийсодержащих камней в почках. Также этот элемент должен грамотно сочетаться с фосфором и калием. При избытке поваренной соли могут появляться отеки и проблемы с сердечнососудистой системой. Это объясняется тем, что соль задерживает жидкость в организме.
Биологическая роль минеральных солей в организме велика. Для их сбалансированного поступления необходимо грамотно подходить к составлению рациона. При этом не лишним будет советоваться с диетологами.
Минеральные соли нужны нашему организму так же, как и белки, углеводы, жиры и вода. Почти вся периодическая система Менделеева представлена в клетках нашего организма, однако роль и значение некоторых элементов в обмене веществ до сих пор еще полностью не изучены. Что касается минеральных солей и воды, то известно, что они являются важными участниками процесса обмена веществ в клетке. Они входят в состав клетки, без них нарушается обмен веществ. И так как в нашем организме нет больших запасов солей, необходимо обеспечить их регулярное поступление. В этом нам и помогают пищевые продукты, содержащие большой набор минеральных веществ.
Минеральные соли – это необходимые компоненты здоровой жизни человека. Они активно участвуют не только в процессе обмена веществ, но и в электрохимических процессах нервной системы мышечной ткани. Также они необходимы при формировании таких структур, как скелет и . Некоторые минералы играют также роль катализатора во многих биохимических реакциях нашего организма.
Минералы подразделяются на две группы:
Те, которые необходимы организму в относительно больших количествах. Это макроэлементы ;
Те, которые необходимы в малых количествах. Это микроэлементы.
Все они не только действуют в качестве катализаторов, но и активизируют ферментов в ходе химических реакций. Поэтому микроэлементы, даже если они действуют в бесконечно малых количествах, необходимы организму так же, как и макроэлементы. В настоящее время ученые еще не пришли к единому мнению, в каких количествах микроэлементы должны поступать в организм, чтобы это считалось идеальным. Достаточно сказать, что отсутствие микроэлементов может привести к различным заболеваниям.
Больше других солей мы употребляем поваренную соль, которая состоит из натрия и хлора. Натрий участвует в регулировании количества воды в организме, а хлор, соединяясь с водородом, образует соляную кислоту желудочного сока, который очень важен в пищеварении. Недостаточное потребление поваренной соли приводит к усиленному выделению из организма и недостаточному образованию соляной кислоты желудочного сока. Излишек же поваренной соли ведет к задержке воды в организме, что способствует появлению . Вместе с калием натрий оказывает влияние на функции головного мозга и нервов.
Так как потребность в соли удовлетворяется тем количеством, которое содержится в готовых продуктах питания, старайтесь ограничить ее потребление. Суточная потребность организма в соли составляет 1-2 грамма. Для этого достаточно съесть 100 г черного хлеба и кусочек маринованной селедки. Больше всего соли содержится в копченых продуктах и мясных изделиях.
Калий – это один из важнейших элементов, содержащихся в клетке. Он необходим для поддержания возбудимости нервной и мышечной тканей. Без калия невозможно обеспечить снабжение головного мозга глюкозой. Дефицит калия отрицательно сказывается на готовности мозга к работе. У человека ослабевает способность к концентрации и даже могут появиться рвота и понос. Соли калия в достаточных количествах содержатся в картофеле, бобовых культурах, капусте и многих других овощах. Включая в рацион питания рыбу, мясо и птицу, вы получаете необходимое количество этого элемента. Потребность в калии составляет около 4 граммов в день, что можно восполнить, выпив стакан бананового молока, например, или съев порцию .
Соли кальция необходимы для стабилизации клеточных мембран клеток головного мозга и нервных клеток, а также для нормального развития костной ткани. Кальциевый обмен в организме регулируется витамином D и гормонами. Недостаток кальция в организме, так же, как и его избыток, может иметь весьма вредные последствия. Опасность появления кальцийсодержащих камней в почках можно предупредить, если пить в достаточном количестве минеральную воду. Кальций в высоких концентрациях и в хорошем соотношении с фосфором (примерно от 1:1 до 2:1) содержится в молоке и молочных продуктах, за исключением мороженого, творога, а также молодого, мягкого и плавленого сыра.
Если, предположим, вы едите или сардины, то получаете большие дозы кальция, но не в благоприятном соотношении с фосфором. А зеленая капуста, семена кунжута или подсолнечника дадут организму и кальций, и фосфор в необходимых пропорциях. Ежедневно нам требуется 1200 миллиграммов кальция, что с успехом может покрыть, например, литр молока.
Соотношение солей кальция и калия важно для нормальной деятельности сердечной . При их отсутствии или недостатке сердечная деятельность замедляется, а вскоре полностью прекращается.
Фосфор отвечает за производство энергии из питательных веществ. Взаимодействуя с витамином D и кальцием, он обеспечивает организм теплом и энергией для поддержания всех его функций, в том числе и функций головного мозга и нервов. Лидерами по содержанию фосфора являются молоко и молочные продукты. Суточная потребность в фосфоре составляет от 800 до 1000 миллиграммов. Недостаточное снабжение организма фосфором практически исключено. При составлении своего рациона питания постарайтесь, чтобы не возникало дефицита фосфора, но и не допускайте его излишка, который отрицательно сказывается на снабжении организма кальцием. Постарайтесь придерживаться благоприятного для организма соотношения фосфора и кальция от 1:1 до 2:1, и вам не придется следить за тем, чтобы употреблять продукты с низким содержанием фосфора.
Магний является одним из важных минеральных веществ для нашего организма. Поступление солей магния просто необходимо для всех клеток. Он играет решающую роль в белковом, жировом и углеводных обменах и отвечает за все важные функции организма. Этот элемент, благодаря которому осуществляется проводимость по волокнам нервной системы, регулирует просвет кровеносных сосудов, а также работу . Исследования последних лет показали, что магний защищает организм от негативных воздействий стресса, стабилизируя клеточные мембраны нервных клеток.
При недостатке магния возможны тяжелые расстройства во всех сферах организма, например, ослабление памяти и способности к концентрации внимания, а также сильная нервозность и раздражительность. Переизбытка магния в организме, как правило, не бывает, так как наш организм сам выделяет его через почки, кишечник и .
Отличными поставщиками магния являются бобовые культуры, горох, неочищенный рис, пшеничные отруби. Много магния содержится также в черном хлебе, соевой и овсяной муке и орехах. Суточная потребность в магнии составляет 300–400 миллиграммов. Ее могут с восполнить 100 г неочищенного риса, 100 г творожного сыра или обед из фасоли.
Железо входит в состав гемоглобина – вещества, которое переносит кислород из легких к клеткам и тканям. Поэтому можно смело сказать, что железо – едва ли не самый важный элемент для организма человека. При недостаточном обеспечении организма железом появляются различные недомогания, связанные с недостатком кислорода. Особенно страдает от этого головной мозг – главный потребитель кислорода, который мгновенно теряет трудоспособность. Правда, надо отметить, что наш организм очень бережно расходует запасы железа, и его содержание обычно резко снижается только из-за потери крови.
Суточная потребность в железе равна 10-15 миллиграммам. Особенно богаты железом яичный желток, мясо, птица, дичь, крупы, овощи и фрукты. Мясо содержит значительно больше железа, чем растительная пища, при этом железо при употреблении мясных продуктов усваивается лучше – около 25 процентов попадает в кровь. Из растительной пищи в кровь попадает только 4-9 процентов железа. Поэтому следует восполнять недостаточное поступление железа витамином С.
Фтор входит в состав зубной эмали, поэтому у людей, живущих в местностях, где питьевая вода бедна этим элементом, чаще портятся зубы. Сейчас на помощь в таких случаях приходят современные зубные пасты.
Йод также является жизненно необходимым элементом. Он участвует в синтезе гормонов щитовидной железы. При дефиците йода постепенно развиваются патологии щитовидной железы («зоб»). Большое количество йода содержится в морепродуктах как животного, так и растительного происхождения.
Медь и ее соли участвуют в процессах кроветворения. Медь «работает» в тесном сотрудничестве с железом и витамином С, снабжая организм кислородом и питая нервные оболочки. При дефиците этого элемента в организме железо плохо используется по своему прямому назначению, развивается малокровие. Недостаток меди может вызвать и психические расстройства.
В достаточно больших количествах медь содержится в говядине и говяжьей печени, в рыбе и яйцах, в , горохе и полноценных зернах. Поскольку нашему организму требуется 2,5 миллиграмма меди в сутки, это с успехом может быть обеспечено потреблением 0,2 кг говядины, 0,1 кг неочищенного риса, 0,2 кг свежих овощей.
Хром играет важную роль регулятора инсулина в его функции управления уровнем сахара в крови. Если хрома недостаточно, содержание сахара в крови повышается, что может привести к заболеванию диабетом. Хром стимулирует активность ферментов, которые участвуют в процессе обмена глюкозы и в синтезе жирных кислот и протеинов. Недостаток хрома может быть причиной повышения уровня холестерина в крови, что создает опасность инсульта.
Больше всего хрома содержится в сыре, хлебе, картофеле. Покрыть потребность в этом элементе можно, потребляя мясо, репчатый лук, натуральный рис, бобовые культуры, черный перец, красную смородину, бруснику и натуральный мед. Суточная потребность нашего организма в хроме составляет 50-200 микрограммов.
Составной частью более чем 150 ферментов и гормонов является цинк , обеспечивающий белковый и жировой обмен. Исследования последних лет позволяют предполагать, что цинк играет важную роль в процессах обучения, т.к. он управляет биохимическими связями между клетками головного мозга. Многие специалисты полагают, что недостаток цинка влияет на нервную систему, из-за этого наступают состояния страха, бессвязность мыслей, нарушается речь, а также возникают трудности при ходьбе и движении.
Поскольку цинк, как и медь, встречается во многих продуктах питания, опасность его дефицита очень мала. При правильном здоровом питании, предполагающем употребление мяса, рыбы, яиц, овощей и фруктов, организм получает достаточное количество этого элемента. Суточная потребность в цинке составляет 15 микрограммов.
Кобальт – еще один элемент, который отвечает за снабжение головного мозга кислородом. Кобальт придает витамину В12 особое качество: единственный из витаминов он имеет в своей молекуле атом металла – и как раз посередине. Вместе со своим витамином В12 кобальт участвует в производстве красных кровяных телец и тем самым снабжает мозг кислородом. И если организму не хватает витамина В12, значит, он испытывает дефицит кобальта, и наоборот.
Но некоторые специалисты считают, что и витаминонезависимый кобальт также имеет для организма большое значение. Поскольку кобальт содержится в основном в продуктах животного происхождения, то, съев 100 г телячьей или говяжьей печени, вы покроете дневную норму этого микроэлемента. И хотя специалисты не пришли еще к единому мнению, считается, что нашему организму достаточно 5-10 граммов кобальта.
Блюдо, которое я сегодня прелагаю вам, обеспечит организм не только кобальтом, но и всеми другими минеральными солями, углеводами, достаточным количеством протеина и жиров.
Печень телячья по–провансальски
Подготовьте 4 порции телячьей печени, 1 большую луковицу, несколько зубчиков чеснока, половину пучка зелени петрушки. Нам понадобятся также ½ чайной ложки ароматических молотых пряностей, щепотка сушеного тимьяна, 1 столовая ложка муки, 1 чайная ложка молотого сладкого красного перца, 1 столовая ложка растительного , 1 столовая ложка маргарина, соль и перец по вкусу.
Репчатый лук и чеснок очень мелко порубить, петрушку мелко нарезать и смешать с луком, чесноком, тимьяном и пряностями. Смешать муку и сладкий молотый перец и обвалять в этой смеси печень. Растительное масло вместе с маргарином разогреть на сковороде и на среднем огне около 3 минут обжаривать печень с обеих сторон. Куски печени должны быть толщиной 1 см. Затем печень посолить, поперчить и выложить на нагретое блюдо. В оставшийся на сковороде жир высыпать подготовленную ранее смесь. Потушить эту смесь в течение 1 минуты и посыпать ею печень.
Подавать к столу с запечеными помидорами, жареным картофелем или салатом.
Поскольку минеральные вещества выводятся из организма постоянно, они должны быть в равном количестве восполнены с приемом пищи. Отсутствие солей в пищевом рационе может привести к смерти быстрее, чем полное голодание.
Химический состав клеток растений и животных весьма сходен, что говорит о единстве их происхождения. В клетках обнаружено более 80 химических элементов, однако только в отношении 27 из них известна физиологическая роль.
Все элементы делят на три группы:
- макроэлементы, содержание которых в клетке составляет до 10 - 3%. Это кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, натрий и магний, составляющие вместе свыше 99% массы клеток;
- микроэлементы, содержание которых колеблется от 10 - 3% до 10 - 12%. Это марганец, медь, цинк, кобальт, никель, йод, бром, фтор; на их долю приходится менее 1,0 % массы клеток;
- мультрамикроэлементы, составляющие менее 10 - 12%. Это золото, серебро, уран, селен к др. - в сумме менее 0,01% массы клетки. Физиологическая роль большинства этих элементов не установлена.
Все перечисленные элементы входят в состав неорганических и органических веществ живых организмов или содержатся в виде ионов.
Неорганические соединения клеток представлены водой и минеральными солями.
Самое распространенное неорганическое соединение в клетках живых организмов - вода. Ее содержание в разных клетках колеблется от 10% в эмали зуба до 85% в нервных клетках и до 97 % в клетках развивающегося зародыша. Количество воды в клетках зависит от характера обменных процессов: чем они интенсивнее, тем выше содержание воды. В среднем в теле многоклеточных содержится около 80 % воды. Такое высокое содержание воды говорит о важной роли, обусловленной ее химической природой.
Дипольный характер молекулы воды позволяет ей формировать вокруг белков водную (сольватную) оболочку, препятствующую склеиванию их друг с другом. Это связанная вода, составляющая 4 - 5% от всего ее содержания. Остальную воду (около 95%) называют свободной. Свободная вода является универсальным растворителем для многих органических и неорганических соединений. Большинство химических реакций идет только в растворах. Проникновение веществ в клетку и выведение из нее продуктов диссимиляции в большинстве случаев возможно только в растворенном виде. Вода принимает и непосредственное участие в биохимических реакциях, протекающих в клетке (реакции гидролиза). С водой связана также регуляция теплового режима клеток, так как она обладает хорошей теплопроводностью и теплоемкостью.
Вода активно участвует в регуляции осмотического давления в клетках. Проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор вещества называется осмосом, а давление, с которым растворитель (вода) проникает через мембрану, - осмотическим. Величина осмотического давления возрастает с увеличением концентрации раствора. Осмотическое давление жидкостей организма человека и большинства млекопитающих равно давлению 0,85 % раствора хлорида натрия. Растворы с таким осмотическим давлением называются изотоническими, более концентрированные - гипертоническими, а менее концентрированные - гипотоническими. Явление осмоса лежит в основе напряжения стенок растительных клеток (тургор).
По отношению к воде все вещества делятся на гидрофильные (водорастворимые) - минеральные соли, кислоты, щелочи, моносахариды, белки и др. и гидрофобные (водонерастворимые) - жиры, полисахариды, некоторые соли и витамины и др. Кроме воды растворителями могут быть жиры и спирты.
Минеральные соли в определенных концентрациях необходимы для нормальной жизнедеятельности клеток. Так, азот и сера входят в состав белков, фосфор - в состав ДНК, РНК и АТФ, магний - в состав многих ферментов и хлорофилла, железо - в состав гемоглобина, цинк - в состав гормона поджелудочной железы, йод - в состав гормонов щитовидной железы и т. д. Нерастворимые соли кальция и фосфора обеспечивают прочность костной ткани, катионы натрия, калия и кальция - раздражимость клеток. Ионы кальция принимают участие в свертывании крови.
Анионы слабых кислот и слабые щелочи связывают ионы водорода (Н+) и гидроксила (ОН-), вследствие чего в клетках и межклеточной жидкости на постоянном уровне поддерживается слабощелочная реакция. Это явление называется буферностъю.
Органические соединения составляют около 20 - 30 % массы живых клеток. К ним относятся биологические полимеры - белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также жиры, гормоны, пигменты, АТФ и др.
Белки
Белки составляют 10 - 18 % от общей массы клетки (50 - 80 % от сухой массы). Молекулярная масса белков колеблется от десятков тысяч до многих миллионов единиц. Белки - это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Все белки живых организмов построены из 20 аминокислот. Несмотря на это, разнообразие белковых молекул огромно. Они различаются по величине, структуре и функциям, которые определяются количеством и порядком расположения аминокислот. Помимо простых белков (альбумины, глобулины, гистоны) имеются и сложные, представляющие собой соединения белков с углеводами (гликопротеиды), жирами (липопротеиды) и нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеиды).
Каждая аминокислота состоит из углеводородного радикала, соединенного с карбоксильной группой, имеющей кислотные свойства (-СООН), и аминогруппой (-NH2), обладающей основными свойствами. Аминокислоты отличаются одна от другой только радикалами. Аминокислоты являются амфотерными соединениями, обладающими одновременно свойствами и кислот, и оснований. Это явление обусловливает возможность соединения кислот в длинные цепочки. При этом устанавливаются прочные ковалентные (пептидные) связи между углеродом кислотной и азотом основной групп (-CO-NH-) с выделением молекулы воды. Соединения, состоящие из двух аминокислотных остатков, называются дипептидами, из трех - трипептидами, из многих - полипептидами.
Белки живых организмов состоят из сотен и тысяч аминокислот, т. е. представляют собой макромолекулы. Различные свойства и функции белковых молекул определяются последовательностью соединения аминокислот, которая закодирована в ДНК. Эту последовательность называют первичной структурой молекулы белка, от которой, в свою очередь, зависят последующие уровни пространственной организации и биологические свойства белков. Первичная структура белковой молекулы обусловлена пептидными связями.
Вторичная структура белковой молекулы достигается ее спирализацией благодаря установлению между атомами соседних витков спирали водородных связей. Они слабее ковалентных, но, многократно повторенные, создают довольно прочное соединение. Функционирование в виде закрученной спирали характерно для некоторых фибриллярных белков (коллаген, фибриноген, миозин, актин и др.).
Многие белковые молекулы становятся функционально активными только после приобретения глобулярной (третичной) структуры. Она формируется путем многократного сворачивания спирали в трехмерное образование - глобулу. Эта структура сшивается, как правило, еще более слабыми дисульфидными связями. Глобулярную структуру имеет большинство белков (альбумины, глобулины и др.).
Для выполнения некоторых функций требуется участие белков с более высоким уровнем организации, при котором возникает объединение нескольких глобулярных белковых молекул в единую систему - четвертичную структуру (химические связи могут быть разные). Например, молекула гемоглобина состоит из четырех различных глобул и геминовой группы, содержащей ион железа.
Утрата белковой молекулой своей структурной организации называется денатурацией. Причиной ее могут быть различные химические (кислоты, щелочи, спирт, соли тяжелых металлов и др.) и физические (высокие температура и давление, ионизирующие излучения и др.) факторы. Вначале разрушается очень слабая - четвертичная, затем третичная, вторичная, а при более жестких условиях и первичная структура. Если под действием денатурирующего фактора не затрагивается первичная структура, то при возвращении белковых молекул в нормальные условия среды их структура полностью восстанавливается, т. е. происходит ренатурация. Это свойство белковых молекул широко используется в медицине для приготовления вакцин и сывороток и в пищевой промышленности для получения пищевых концентратов. При необратимой денатурации (разрушении первичной структуры) белки теряют свои свойства.
Белки выполняют следующие функции: строительную, каталитическую, транспортную, двигательную, защитную, сигнальную, регуляторную и энергетическую.
Как строительный материал белки входят в состав всех клеточных мембран, гиалоплазмы, органоидов, ядерного сока, хромосом и ядрышек.
Каталитическую (ферментативную) функцию выполняют белки-ферменты, в десятки и сотни тысяч раз ускоряющие течение биохимических реакций в клетках при нормальном давлении и температуре около 37 °С. Каждый фермент может катализировать только одну реакцию, т. е. действие ферментов строго специфично. Специфичность ферментов обусловлена наличием одного или нескольких активных центров, в которых происходит тесный контакт между молекулами фермента и специфического вещества (субстрата). Некоторые ферменты применяются в медицинской практике и пищевой промышленности.
Транспортная функция белков заключается в переносе веществ, например кислорода (гемоглобин) и некоторых биологически активных веществ (гормонов).
Двигательная функция белков состоит в том, что все виды двигательных реакций клеток и организмов обеспечиваются специальными сократительными белками - актином и миозином. Они содержатся во всех мышцах, ресничках и жгутиках. Их нити способны сокращаться с использованием энергии АТФ.
Защитная функция белков связана с выработкой лейкоцитами особых белковых веществ - антител в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов. Антитела связывают, нейтрализуют и разрушают не свойственные организму соединения. Примером защитной функции белков может служить превращение фибриногена в фибрин при свертывании крови.
Сигнальная (рецепторная) функция осуществляется белками благодаря способности их молекул изменять свою структуру под влиянием многих химических и физических факторов, вследствие чего клетка или организм воспринимают эти изменения.
Регуляторная функция осуществляется гормонами, имеющими белковую природу (например, инсулин).
Энергетическая функция белков заключается в их способности быть источником энергии в клетке (как правило, при отсутствии других). При полном ферментативном расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.
Углеводы
Углеводы - обязательный компонент как животных, так и растительных клеток. В растительных клетках их содержание достигает 90 % сухой массы (в клубнях картофеля), а в животных - 5 % (в клетках печени). В состав молекул углеводов входят углерод, водород и кислород, причем количество атомов водорода в большинстве случаев вдвое превышает число атомов кислорода.
Все углеводы подразделяются на моно-, ди- и полисахариды. Моносахариды чаще содержат пять (пентозы) или шесть (гексозы) атомов углерода, столько же кислорода и вдвое больше водорода (например, C6H12OH - глюкоза). Пентозы (рибоза и дезоксирибоза) входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ. Гексозы (глюкоза и фруктоза) постоянно присутствуют в клетках плодов растений, придавая им сладкий вкус. Глюкоза содержится в крови и служит источником энергии для клеток и тканей животных. Дисахариды объединяют в одной молекуле два моносахарида. Пищевой сахар (сахароза) состоит из молекул глюкозы и фруктозы, молочный сахар (лактоза) включает глюкозу и галактозу. Все моно- и дисахариды хорошо растворимы в воде и имеют сладкий вкус. Молекулы полисахаридов образуются в результате полимеризации моносахаридов. Мономером полисахаридов - крахмала, гликогена, целлюлозы (клетчатки) является глюкоза. Полисахариды практически нерастворимы в воде и не обладают сладким вкусом. Основные полисахариды - крахмал (в растительных клетках) и гликоген (в клетках животных) откладываются в виде включений и служат запасными энергетическими веществами.
Углеводы образуются в зеленых растениях в процессе фотосинтеза и могут использоваться в дальнейшем для биосинтеза аминокислот, жирных кислот и других соединений.
Углеводы выполняют три основные функции: строительную (структурную), энергетическую и запасающую. Целлюлоза образует стенки растительных клеток; сложный полисахарид - хитин - наружный скелет членистоногих. Углеводы в соединении с белками (гликопротеиды) входят в состав костей, хрящей, сухожилий и связок. Углеводы выполняют роль основного источника энергии в клетке: при окислении 1 г углеводов высвобождается 17,6 кДж энергии. Гликоген откладывается в мышцах и клетках печени в качестве запасного питательного вещества.
Липиды
Липиды (жиры) и липоиды являются обязательными компонентами всех клеток. Жиры представляют собой сложные эфиры высокомолекулярных жирных кислот и трехатомного спирта глицерина, а липоиды - жирных кислот с другими спиртами. Эти соединения нерастворимы в воде (гидрофобны). Липиды могут образовывать сложные комплексы с белками (липопротеиды), углеводами (гликолипиды), остатками фосфорной кислоты (фосфолипиды) и др. Содержание жиров в клетке колеблется от 5 до 15 % массы сухого вещества, а в клетках подкожной жировой клетчатки - до 90 %.
Жиры выполняют строительную, энергетическую, запасающую и защитную функции. Бимолекулярный слой липидов (преимущественно фосфолипиды) образует основу всех биологических мембран клеток. Липиды входят в состав оболочек нервных волокон. Жиры являются источником энергии: при полном расщеплении 1 г жира высвобождается 38,9 кДж энергии. Они служат источником воды, выделяющейся при их окислении. Жиры являются запасным источником энергии, накапливаясь в жировой ткани животных и в плодах и семенах растений. Они защищают органы от механических повреждений (например, почки окутаны мягким жировым «футляром»). Накапливаясь в подкожной жировой клетчатке некоторых животных (киты, тюлени), жиры выполняют теплоизоляционную функцию.
Нуклеиновые кислоты Нуклеиновые кислоты имеют первостепенное биологическое значение и представляют собой сложные высокомолекулярные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Они впервые были обнаружены в ядрах клеток, откуда и их название.
Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). ДНК входит в основном в хроматин ядра, хотя небольшое ее количество содержится и в некоторых органоидах (митохондрии, пластиды). РНК содержится в ядрышках, рибосомах и в цитоплазме клетки.
Структура молекулы ДНК была впервые расшифрована Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г. Она представляет собой две полинуклеотидные цепи, соединенные друг с другом. Мономерами ДНК являются нуклеотиды, в состав которых входят: пятиуглеродный сахар - дезоксирибоза, остаток фосфорной кислоты и азотистое основание. Нуклеотиды отличаются один от другого только азотистыми основаниями. В состав нуклеотидов ДНК входят следующие азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Нуклеотиды соединяются в цепочку путем образования ковалентных связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты соседнего нуклеотида. Обе цепочки объединяются в одну молекулу водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями разных цепочек, причем в силу определенной пространственной конфигурации между аденином и тимином устанавливаются две связи, а между гуанином и цитозином - три. Вследствие этого нуклеотиды двух цепочек образуют пары: А-Т, Г-Ц. Строгое соответствие нуклеотидов друг другу в парных цепочках ДНК называется комплементарное. Это свойство лежит в основе репликации (самоудвоения) молекулы ДНК, т. е. образования новой молекулы на основе исходной.
Репликация
Репликация происходит следующим образом. Под действием специального фермента (ДНК-полимеразы) разрываются водородные связи между нуклеотидами двух цепочек, и к освободившимся связям по принципу комплементарности присоединяются соответствующие нуклеотиды ДНК (А-Т, Г-Ц). Следовательно, порядок нуклеотидов в «старой» цепочке ДНК определяет порядок нуклеотидов в «новой», т. е. «старая» цепочка ДНК является матрицей для синтеза «новой». Такие реакции называются реакциями матричного синтеза, они характерны только для живого. Молекулы ДНК могут содержать от 200 до 2 x 108 нуклеотидов. Огромное разнообразие молекул ДНК достигается разными их размерами и различной последовательностью нуклеотидов.
Роль ДНК в клетке заключается в хранении, воспроизведении и передаче генетической информации. Благодаря матричному синтезу наследственная информация дочерних клеток точно соответствует материнской.
РНК
РНК, как и ДНК, представляет собой полимер, построенный из мономеров - нуклеотидов. Структура нуклеотидов РНК сходна с таковой ДНК, но имеются следующие отличия: вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов РНК входит пятиуглеродный сахар - рибоза, а вместо азотистого основания тимина - урацил. Остальные три азотистых основания те же: аденин, гуанин и цитозин. По сравнению с ДНК в состав РНК входит меньше нуклеотидов и, следовательно, ее молекулярная масса меньше.
Известны двух- и одноцепочечные РНК. Двухцепочечные РНК содержатся в некоторых вирусах, выполняя (как и ДНК) роль хранителя и передатчика наследственной информации. В клетках других организмов встречаются одноцепочечные РНК, которые представляют собой копии соответствующих участков ДНК.
В клетках существуют три типа РНК: информационная, транспортная и рибосомальная.
Информационная РНК (и-РНК) состоит из 300 - 30 000 нуклеотидов и составляет примерно 5 % от всей РНК, содержащейся в клетке. Она представляет собой копию определенного участка ДНК (гена). Молекулы и-РНК выполняют роль переносчиков генетической информации от ДНК к месту синтеза белка (в рибосомы) и непосредственно участвуют в сборке его молекул.
Транспортная РНК (т-РНК) составляет до 10 % от всей РНК клетки и состоит из 75-85 нуклеотидов. Молекулы т-РНК транспортируют аминокислоты из цитоплазмы в рибосомы.
Основную часть РНК цитоплазмы (около 85 %) составляет рибосомальная РНК (р-РНК). Она входит в состав рибосом. Молекулы р-РНК включают 3 - 5 тыс. нуклеотидов. Считают, что р-РНК обеспечивает определенное пространственное взаиморасположение и-РНК и т-РНК.
Активная роль минеральных солей в обменных процессах организма и регуляции его функций не оставляет сомнений в их необходимости. Эндогенный синтез их невозможен, ввиду чего они стоят особняком относительно других веществ подобной функциональности, например, гормонов и даже витаминов.
Управление жизненно важными процессами организма человека осуществляется путем поддержания кислотно-щелочного баланса, определенной концентрации тех или иных минеральных солей, взаимного соотношения их количества. Эти показатели влияют на активность и выработку гормонов, ферментов, определяют течение биохимических реакций.
Человеческое тело получает и использует практически все известные таблице Менделеева элементы, однако значение и функции большинства из них пока неизвестны. Принято разделение микроэлементов на две группы в зависимости от уровня их востребованности:
- микроэлементы;
- макроэлементы.
Все минеральные соли постоянно выводятся из организма, в той же мере они должны восполняться с пищей, иначе проблемы со здоровьем неизбежны.
Поваренная соль
Наиболее известная из минеральных солей, играющая важную роль на каждом столе, без присутствия ее не обходится практически ни одно блюдо. Химически представляет собой хлорид натрия.
Хлор участвует в образовании соляной кислоты, необходимой для пищеварения, защиты от глистной инвазии и являющейся составной частью желудочного сока. Недостаток хлора крайне негативно влияет на процесс переваривания пищи, провоцирует развитие мочевого отравления крови.
Натрий – крайне важный элемент, осуществляет регуляцию количества воды в организме, влияет на функционирование нервной системы человека. Удерживает в клетках тканей и кровеносной системе магний и известь. Играет ключевую роль в регуляции обмена минеральных солей и воды в организме, являясь основным внеклеточным катионом.
Калий
Калий вместе с натрием определяет функцию головного мозга, способствует его питанию глюкозой, поддерживает возбудимость мышечной и нервной тканей. Без калия невозможно сосредоточиться, мозг оказывается неспособен приняться за работу.
Необходимо влияние солей калия на переваривание крахмала, липидов, они участвуют в формировании мышц, обеспечивая их силу и крепость. Также он оказывает влияние на обмен минеральных солей и воды в организме, будучи основным внутриклеточным катионом.
Магний
Значение магния для человека и всех видов обмена веществ крайне велико. Помимо этого, он обеспечивает проводимость волокон нервных клеток, осуществляет регуляцию ширины просвета сосудов кровеносной системы, участвует в работе кишечника. Является протектором для клеток, укрепляя их мембраны и минимизируя последствия стрессовых воздействий. Соли магния обеспечивают прочность скелета и зубов, стимулируют выделение желчи.
Недостаток солей магния приводит к повышенной раздражительности, нарушениям таких функций высшей нервной деятельности, как память, внимание, расстройствам работы всех органов и их систем. Излишки магния организм эффективно выводит посредством кожи, кишечника и почек.
Марганец
Соли марганца предохраняют печень человека от ожирения, способствуют снижению уровня холестерина, принимают активное участие в обмене углеводов и жиров. Известно также их положительное влияние на функции нервной системы, выносливость мышц, процесс кроветворения, развитие костей. Марганец повышает свертываемость крови, помогает усвоению витамина B1.
Кальций
В первую очередь кальций необходим для формирования и развития костной ткани. Благодаря этому элементу происходит стабилизация мембран нервных клеток, а правильное количество его по отношению к калию обеспечивает нормальную деятельность сердца. Способствует он также усвоению фосфора, протеинов, а соли кальция в составе крови оказывают влияние на ее свертываемость.
Железо
Общеизвестна роль железа для процессов клеточного дыхания, поскольку он является составной частью гемоглобина и миоглобина мышц. Недостаток железа служит причиной кислородного голодания, последствия которого ударяют по всему организму. Особенно уязвим к этому фактору оказывается мозг, мигом теряющий работоспособность. Усвоение солей железа повышается с помощью аскорбиновой, лимонной кислоты, падает вследствие болезней пищеварительного тракта.
Медь
Соли меди работают в тесной связке с железом и аскорбиновой кислотой, участвуя в процессах кроветворения, клеточного дыхания. Даже при достаточном количестве железа дефицит меди приводит к малокровию и кислородному голоданию. Качество протекания процессов кроветворения и психическое здоровье человека также зависят от этого элемента.
Недостаток фосфора при обеспечении сбалансированного питания практически исключается. Однако следует учитывать, что излишек его неблагоприятно сказывается на количестве солей кальция и снабжении ими организма. В его сфере ответственности находятся процессы производства энергии и тепла из питательных веществ.
Формирование костной и нервной систем без фосфора и его солей невозможно, он также необходим для поддержания адекватной функции почек, печени, сердца, синтеза гормонов.
Фтор
Фтор является частью зубной эмали и костей и способствует сохранению их здоровья. Достаточное количество его солей в рационе беременной женщины уменьшает риск развития кариеса зубов ее ребенка в будущем. Велика их роль в процессах регенерации кожи, заживления ран, они улучшают усвоение железа организмом, помогают работе щитовидной железы.
Йод
Основная роль йода – его участие в работе щитовидной железы и синтезе ее гормонов. Некоторая часть йода находится в крови, яичниках и мышцах. Он укрепляет иммунную систему человека, участвует в развитии организма, помогает регулировать температуру тела.
Построение ногтей, кожных покровов и волос, нервной и мышечной тканей невозможно без солей кремния. Он также имеет большое значение для развития костной ткани и формирования хрящей, поддержания эластичности сосудистых стенок. Недостаток его создает риск развития сахарного диабета и атеросклероза.
Хром
Хром выполняет функцию регулятора инсулина, контролирует активность ферментной системы, занятой в обмене глюкозы, синтезе белков и жирных кислот. Недостаточное его количество может легко привести к диабету, а также является фактором риска в отношении развития инсульта.
Кобальт
Участие кобальта в процессах обеспечения поступления в мозг кислорода обязывает сделать на нем особый акцент. В организме представлен в двух формах: связанная, в составе витамина B12, именно в этом виде он и исполняет свою роль в синтезе эритроцитов; витаминонезависимая.
Цинк
Цинк обеспечивает протекание липидного и белкового обмена, является частью около 150 биологически активных веществ, вырабатываемых организмом. Крайне важен он для благополучного развития детей, поскольку участвует в формировании связей между клетками мозга, обеспечивает благополучное функционирование нервной системы. Также соли цинка задействованы в эритропоэзе, нормализуют функции эндокринных желез.
Сера
Сера присутствует практически везде в организме, во всех его тканях и моче. Недостаток серы способствует развитию раздражительности, нарушению функциональности нервной системы, развитию опухолей, кожных заболеваний.
