"Химия. Базовый уровень", Кузнецова Н.Е., Гара Н.Н.
Белки, жиры и углеводы выполняют разные, но взаимосвязанные задачи: дают материал для клеток, обеспечивают организм энергией и помогают создавать запасы питательных веществ. После пищеварения продукты их расщепления поступают в клетки и включаются в обмен веществ — процессы синтеза, распада и превращения энергии. Белки главным образом строят ткани и выполняют специальные функции, углеводы дают быстро доступную энергию, а жиры служат её концентрированным резервом.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Пластическая функция — использование веществ для построения и обновления клеток и тканей. Белки и жиры особенно важны как материал для клеточных структур, а продукты пищеварения дают организму исходные компоненты для их синтеза. Эта функция нужна для роста, восстановления повреждений и постоянной замены старых клеточных частей. Поэтому питание должно обеспечивать не только получение энергии, но и поступление строительного материала.
Энергетическая функция — высвобождение энергии при окислении органических веществ в клетках. При полном окислении 1 г белков или углеводов выделяется примерно 17,6 кДж, а 1 г жира — около 38,9 кДж. Эту энергию клетки используют для движения, синтеза веществ и поддержания жизненных процессов. Сравнение энергетической ценности показывает, почему равные по массе порции разных веществ дают организму неодинаковое количество энергии.
Запасная функция — накопление питательных веществ, которые организм сможет использовать позднее. Углеводы запасаются у человека в виде гликогена, а жиры образуют энергетический резерв в жировой ткани. Запасы расходуются, когда поступление пищи временно не покрывает потребности организма. Это помогает поддерживать работу клеток между приёмами пищи и при повышенных энергозатратах.
Обмен веществ — совокупность процессов превращения веществ и энергии в организме, от поступления питательных веществ до синтеза, распада и выведения продуктов обмена. В него входят и построение необходимых клеточных компонентов, и получение энергии из органических веществ. Обмен связывает пищеварение с работой клеток: пища расщепляется, её компоненты всасываются, а затем используются или выводятся. Это понятие помогает увидеть, почему функции белков, жиров и углеводов не существуют по отдельности.
Пищеварение расщепляет крупные молекулы пищи на более простые компоненты: белки — на аминокислоты, углеводы — преимущественно до простых сахаров, жиры — на жирные кислоты и глицерин. Такое расщепление необходимо, потому что многие крупные молекулы не могут пройти через стенку кишечника в неизменённом виде. После всасывания компоненты попадают во внутреннюю среду организма и доставляются к клеткам. Там они могут стать исходным материалом для синтеза собственных веществ или подвергнуться дальнейшему распаду.
Одни и те же питательные вещества могут участвовать в построении клеток и давать энергию, поскольку организм постоянно обновляет свои молекулы и одновременно расходует энергию на работу. Однако эти возможности не означают, что все три группы равноценны для каждой задачи. Белки содержат аминокислоты, необходимые для синтеза белков тканей и многих функциональных молекул; жиры дают компоненты для мембран. При окислении веществ энергия высвобождается, но преимущественная роль белков остаётся пластической, а углеводов и жиров — энергетической и запасной.
Углеводы удобны как быстро доступный источник энергии: глюкоза поступает в клетки и окисляется, обеспечивая их работу. Если глюкозы поступает больше, чем требуется немедленно, организм может преобразовать часть избытка в гликоген и сохранить его, главным образом, в печени и мышцах. Когда потребность в энергии возрастает или между приёмами пищи проходит время, гликоген расщепляется, а образовавшаяся глюкоза снова используется клетками. Значит, глюкоза — доступное топливо, а гликоген — его запасная форма.
Жиры дают много энергии на единицу массы, поэтому подходят для создания компактного резерва. Их молекулы гидрофобны, то есть плохо смешиваются с водой, и в жировой ткани они могут накапливаться в больших количествах без значительного количества связанной воды. Жиры также входят в состав клеточных мембран, где помогают формировать их структуру и свойства. Слой жировой ткани уменьшает потерю тепла, поэтому запасание жира одновременно связано с энергетической и теплоизоляционной функциями.
Белки прежде всего необходимы для роста, обновления тканей и выполнения специфических задач в организме. Из белков построены многие клеточные структуры, а некоторые белковые молекулы выполняют особые функции, например ускоряют химические реакции или участвуют в защите организма. При окислении белков тоже высвобождается энергия, и организм может использовать её при недостатке углеводов и жиров. Но тогда белковые компоненты расходуются не по своему главному назначению, а значит, могут страдать построение и обновление тканей.
| Критерий | Белки | Жиры | Углеводы |
|---|---|---|---|
| Основная роль в организме | Пластическая и специфическая | Энергетическая, запасная и структурная | Энергетическая и запасная |
| Участие в построении клеток и тканей | Основной строительный материал многих тканей и молекул | Входят в состав клеточных мембран | Участвуют в составе отдельных клеточных компонентов |
| Использование как источника энергии | Могут окисляться, но обычно не являются главным топливом | Окисляются и обеспечивают значительное количество энергии | Быстро используются клетками, в том числе в виде глюкозы |
| Запасание и форма запаса | Специального энергетического запаса белка нет | Запасаются в жировой ткани | Запасаются у человека в виде гликогена |
| Дополнительные функции | Многие белки выполняют специфические функции | Теплоизоляция и участие в формировании мембран | Поддержание доступного запаса глюкозы |
| Энергетическая ценность 1 г | Около 17,6 кДж | Около 38,9 кДж | Около 17,6 кДж |
Сравнивайте вещества по строкам: так видно, что общая способность давать энергию не отменяет различий в основных функциях. Числа энергетической ценности пригодятся для вычислений, а форма запаса помогает не путать глюкозу с гликогеном.
Задача 1. Распределите ситуации по функциям веществ: образование мембран, запасание гликогена, получение энергии при окислении глюкозы. Важно не пытаться назначить каждому веществу только одну роль: одна группа веществ может участвовать в нескольких процессах. Для каждой ситуации определите, какое вещество непосредственно связано с процессом, и назовите функцию.
Ответ: мембраны — жиры и пластическая функция; гликоген — углеводы и запасная функция; окисление глюкозы — углеводы и энергетическая функция. Один класс веществ действительно может выполнять несколько задач: например, углеводы участвуют и в запасании, и в получении энергии.
Задача 2. Сравните энергию, которая выделится при полном окислении 10 г углеводов и 10 г жира. Чтобы сравнение было честным, для каждого вещества используйте его энергетическую ценность на грамм и одинаковую массу. Данные: 1 г углеводов даёт около 17,6 кДж, а 1 г жира — около 38,9 кДж.
Ответ: при полном окислении 10 г углеводов выделится примерно 176 кДж, а 10 г жира — примерно 389 кДж. Жир даёт больше энергии при одинаковой массе, потому что его энергетическая ценность на грамм выше.
Задача 3. Объясните, почему при недостатке пищи организм расходует запасы жира и углеводов, но распад белков нежелателен. Здесь нужно различить вещества, предназначенные для резерва, и вещества, преимущественно необходимые для построения и работы организма. Учитывайте, что все три группы могут окисляться, но последствия их расходования для организма неодинаковы.
Ответ: организм расходует запасённые углеводы и жиры, чтобы получить энергию, а распад белков нежелателен, поскольку белки прежде всего необходимы для тканей и специальных функций. Это не означает, что белки никогда не служат топливом: такая возможность используется, когда других источников недостаточно.
Ошибка: считать, что каждому веществу соответствует только одна функция. Так думают, когда запоминают упрощённые схемы вроде «углеводы — энергия», не учитывая остальные процессы. Все три группы могут окисляться, а жиры и белки, например, участвуют и в построении клеточных структур. Проверьте себя: отдельно назовите основную роль вещества и другие процессы, в которых оно может участвовать.
Ошибка: называть белки главным запасным источником энергии. Поскольку белки способны окисляться, их иногда ошибочно приравнивают к запасам жира и гликогена. Но первостепенное значение белков связано с построением тканей и специфическими функциями, а специального энергетического запаса белка организм не создаёт. Проверка простая: спросите себя, что организму выгоднее расходовать для энергии — запасённый жир или материал, нужный для обновления тканей.
Ошибка: путать гликоген с глюкозой. Оба вещества относятся к углеводам, поэтому различие между ними может казаться несущественным. Однако глюкоза используется клетками, а гликоген является формой запаса углеводов у человека и животных. Чтобы проверить себя, подставьте к названию слова «топливо, доступное клетке» или «запас»: глюкоза — топливо, гликоген — запас.
Ошибка: считать, что жиры нужны только для получения энергии. Высокая энергетическая ценность легко заслоняет другие роли жиров. Но они также входят в состав мембран и помогают сохранять тепло, что связано со свойствами жиров и их накоплением в тканях. Проверьте ответ, перечислив не только энергетическую, но и структурную и теплоизоляционную функции.
Для понимания функций питательных веществ полезно знать, из каких молекул состоят белки, жиры и углеводы, что происходит при их окислении и как выражают энергетическую ценность пищи. Эти знания помогают объяснить, почему пищеварение должно расщеплять вещества до компонентов, которые организм способен всасывать и использовать. Тема связана с дальнейшим изучением пищеварения, обмена веществ и клеточного дыхания: в них прослеживается путь вещества от пищи до его превращения в клетке. Она также помогает разбираться в принципах рационального питания, сопоставляя потребность в энергии с необходимостью получать строительные компоненты.
Почему белки, жиры и углеводы называют связанными в обмене веществ?
После пищеварения они превращаются в более простые вещества, которые организм использует для синтеза собственных молекул или получения энергии. Продукты их обмена включаются в общие процессы превращения веществ в клетках. Поэтому назначение этих групп различается, но их превращения работают как части единой системы.
Могут ли белки использоваться организмом для получения энергии?
Да, при окислении белков высвобождается энергия. Однако белки прежде всего нужны для построения и обновления тканей, а также для выполнения специальных функций. Обычно организм использует их как топливо, когда других источников энергии недостаточно.
В какой форме организм запасает углеводы?
У человека и других животных углеводы запасаются в виде гликогена. Он накапливается главным образом в печени и мышцах. При необходимости гликоген расщепляется, и образовавшаяся глюкоза может использоваться клетками.
Почему жиры считают более концентрированным источником энергии?
При полном окислении одного грамма жира выделяется примерно 38,9 кДж энергии, тогда как у грамма углеводов или белков — около 17,6 кДж. Поэтому одинаковая масса жира содержит больше энергии. Жиры также запасаются почти без воды, что делает такой резерв компактным.
Какие вещества организм использует для построения клеточных структур?
Для построения клеток организму нужны прежде всего белки и жиры: белки входят в состав многих структур и выполняют специальные задачи, а жиры входят в состав мембран. Углеводы тоже могут участвовать в образовании отдельных клеточных компонентов. Материалом для синтеза служат вещества, полученные при пищеварении.
Единство биохимических функций белков, жиров и углеводов в живом организме (Дополнительный материал к главе 11)
