7. Обмін речовин та перетворення енергії

До змісту

Поміркуйте й обговоріть ситуацію (сторінка 36)

У вас є три предмети: ідеальний термос, пляшки зі щільною кришкою та без неї. В усі ємності додано 100 мл води температурою 80 °С. Що може відбутися в кожному разі з показниками об’єму та температури води? Які спільні та відмінні ознаки в описаних вами явищах?

• Ідеальний термос: Об’єм води не зміниться, а ось температура буде падати ду-у-уже повільно.
• Пляшка зі щільною кришкою: Об’єм води також залишиться незмінним, адже кришка заважає випаровуванню. Однак температура знизиться помітно швидше, ніж у термосі, через теплообмін зі стінками.
• Пляшка без кришки: Тут усе відбуватиметься найшвидше. Температура впаде, а об’єм води зменшиться через випаровування.

Спільне: У всіх трьох випадках вода буде остигати, адже теплообмін з навколишнім світом неминучий.

Відмінне: Ключова різниця — у швидкості охолодження та зміні об’єму. Цікаво, що відкрита пляшка обмінюється і теплом, і речовиною (водою), тоді як закриті ємності — переважно лише теплом.

Відкритий мікрофон (сторінка 37)

Пригадаймо, як різні організми (рослини, тварини, гриби, бактерії) отримують органічні речовини. Як вони отримують енергію? Кого з них і чому називають автотрофами, гетеротрофами, фототрофами, хемотрофами? Навіщо потрібне живлення (харчування) людині?

Рослини — справжні самороби, вони самі створюють органічні речовини, тому їх називають автотрофами. Тварини, гриби, людина та більшість бактерій споживають готову органіку, тому вони — гетеротрофи. Енергію тварини та людина отримують з хімічних реакцій окиснення, тому їх називають хемотрофами. А ті, хто використовує сонячне світло, як-от рослини, є фототрофами. Людині ж харчування необхідне як будівельний матеріал для тіла і як пальне для життя.

Досліджуємо ферменти (сторінка 38)

У клітинах більшості організмів міститься фермент каталаза, який прискорює реакцію розкладу гідроген пероксиду: $2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2$.

Спостереження:

• У першій пробірці з перекисом водню нічого не відбувається.
• У другій, куди додали сире м’ясо, починається справжнє шоу — бурхлива реакція з піною та газом.
• У третій, із сирою картоплею, ефект той самий — активне виділення газу.
• Коли до першої пробірки додають, реакція теж починається, дуже схожа на те, що було з м’ясом і картоплею.

Порівняння та висновок: Розклад перекису водню прискорюється як у присутності живих тканин, так і неорганічного каталізатора. Це яскраво демонструє, що в живих клітинах існують особливі речовини — ферменти (у цьому випадку каталаза), які діють як біологічні каталізатори.

Навіщо рани обробляють перекисом водню?

Коли перекис потрапляє на рану, наш власний фермент каталаза з крові миттєво розкладає його з виділенням кисню. Цей процес має подвійну користь: кисень вбиває шкідливі мікроби, а піна, що утворюється, механічно очищує рану від бруду. Такий собі хімічний та фізичний спосіб дезінфекції.

Робота в групі (сторінка 39)

Як речовини надходять в організм?

Речовини потрапляють до нас двома основними шляхами: з їжею (білки, жири, вуглеводи, вітаміни, вода, солі) та під час дихання (кисень).

Завдяки чому з білків, вуглеводів і жирів утворюються малі молекули: амінокислоти, глюкоза, гліцерин та жирні кислоти?

Цю “магію” розщеплення великих молекул на маленькі цеглинки виконують ферменти — спеціальні білки, що діють як біологічні каталізатори.

Завдяки чому речовини транспортуються до / від кожної клітини організму?

За доставку поживних речовин до кожної клітини та виведення відходів відповідає наша внутрішня “транспортна мережа” — кровоносна система.

Як речовини та тепло виділяються з організму?

Організм позбувається непотрібного різними шляхами: вуглекислий газ видихається легенями, сечовина, солі й вода виходять із сечею та потом, а неперетравлені рештки — з калом. Тепло ж просто постійно виділяється тілом у простір.

Завдання (аналіз вмісту білка) (сторінка 39)

1) Відмінність за вмістом білка в продуктах тваринного й рослинного походження:

Продукти тваринного походження (м’ясо, риба, сир) є справжніми чемпіонами за вмістом білка, на відміну від рослинних продуктів, де його значно менше.

2) Відмінність за вмістом білка в рибних і м’ясних продуктах:

Судячи з наведених даних, м’ясні продукти (телятина, курка) містять дещо більше білка порівняно з рибними (тріска, кальмар).

3) Відсотковий вміст білків у 100 г продуктів харчування:

Завдання (енергетичний баланс) (сторінка 40)

Використовуючи мал. 7.5, поясніть, скільки треба споживати їжі (кілокалорій), щоб вага тіла людини залишалася постійною, збільшувалася чи зменшувалася. Як можна пришвидшити втрату ваги?

• Щоб вага була стабільною, потрібно дотримуватися золотого правила: скільки калорій спожив, стільки й витратив. Це і є енергетичний баланс.
• Щоб вага збільшувалася, потрібно їсти більше, ніж витрачаєш енергії.
• Щоб вага зменшувалася, потрібно їсти менше, ніж витрачаєш.
• Пришвидшити втрату ваги можна, збільшивши фізичну активність. Більше руху — більше спалених калорій!

Робота в групі (задача) (сторінка 40)

Людина здійснює відтискання, виконуючи роботу потужністю у 208 Вт упродовж 2 хвилини. ККД організму під час виконання цієї роботи складає 50%. Яку кількість калорій «спалить» людина, виконавши ці вправи?

Спочатку розрахуємо корисну роботу. Для цього потужність (208 Вт) помножимо на час (2 хвилини, тобто 120 секунд).

208 Вт × 120 с = 24960 Дж.

Врахуємо ККД організму. Це лише корисна робота. Наш організм не ідеальний, і його ККД — 50%. Це означає, що насправді енергії було витрачено вдвічі більше.

24960 Дж / 0.5 = 49920 Дж.

Переведемо в калорії. Тепер переведемо джоулі у звичні калорії, знаючи, що 1 калорія це приблизно 4.2 Дж.

49920 Дж / 4.2 Дж/кал ≈ 11895 калорій (або ~11.9 ккал).

Отже, людина «спалить» близько 11 895 калорій (або 11.9 ккал). Чесно кажучи, не так вже й багато за дві хвилини зусиль.

1. У чому особливості хімічного складу організму тварин і людини? Які біологічні функції виконує в організмі людини вода?

Тіло тварин і людини побудовано з клітин і міжклітинної речовини, що містять неорганічні й органічні речовини. Ці речовини утворені з атомів хімічних елементів, де найбільше за масою Оксигену (65%), Карбону (18,5%), Гідрогену (9,5%), Нітрогену (3,2%). Неорганічні речовини надходять у вигляді солей, як макросолі (NaCl, CaCl₂) і мікросолі (FeSO₄, KI). Органічні речовини включають білки, вуглеводи, жири, нуклеїнові кислоти, вітаміни, гормони. Вода становить найбільше за масою в організмі, постійно втрачається через випаровування чи виділення, тому її потрібно поповнювати питвом. Вода виконує функції розчинника, транспорту речовин, регуляції температури.

2. Як пов’язаний катаболізм з анаболізмом?

Катаболізм — це розщеплення й окиснення органічних речовин із вивільненням енергії в АТФ. Анаболізм — синтез необхідних речовин із поглинанням енергії. Вони пов’язані через метаболізм, де енергія від катаболізму використовується для анаболізму, забезпечуючи ріст і відновлення.

3. Які речовини є незамінними для організму людини? Чому?

Незамінні речовини — це ті, які організм не синтезує і повинен отримувати з їжею. До них належать амінокислоти (валін, лейцин, фенілаланін, лізин, метіонін), жирні кислоти (лінолева, ліноленова) і вітаміни (B₁, B₂, B₆, A). Вони незамінні, бо гетеротрофи втратили здатність їх синтезувати в еволюції.

4. Які особливості обміну речовин характерні для гетеротрофів?

Гетеротрофи, як тварини і людина, отримують органічні речовини з їжі. Вони перетворюють ці речовини для побудови тіла і окиснюють для енергії. Обмін включає основний обмін для самообслуговування і додаткові витрати на активність. Чим більше активності, тим швидше клітинне дихання і потреба в їжі.

5. Запропонуйте прості рекомендації щодо харчування людини, щоб задовольнити як енергетичні, так і поживні (незамінні речовини, вітаміни) потреби організму.

Споживай достатню кількість їжі, щоб енергія надходження дорівнювала витратам для збереження ваги. Включай продукти з білками тваринного походження (курка, сир, тріска, телятина) для незамінних амінокислот. Додай рослинні олії для есенціальних жирних кислот. Їж овочі та фрукти для вітамінів. Обмеж переїдання, щоб уникнути набору ваги, і поєднуй з фізичною активністю.