15.2 Харчування та виробництво енергії

Мета навчання

Наприкінці цього розділу ви зможете:

Поясніть, чому раціон тварини повинен бути збалансованим і відповідати потребам організму
Визначте первинні компоненти їжі
Опишіть основні поживні речовини, необхідні для клітинної функції, які не можуть бути синтезовані організмом тварини
Поясніть, як енергія виробляється за допомогою дієти та травлення
Опишіть, як надлишки вуглеводів та енергії накопичуються в організмі

З огляду на різноманітність тваринного життя на нашій планеті, не дивно, що раціон тварин також буде суттєво відрізнятися. Харчування тварин є джерелом матеріалів, необхідних для побудови ДНК та інших складних молекул, необхідних для росту, підтримання та розмноження; в сукупності ці процеси називаються біосинтезом. Дієта також є джерелом матеріалів для виробництва АТФ у клітинах. Дієта повинна бути збалансованою, щоб забезпечити мінерали та вітаміни, необхідні для функціонування клітин.

Вимоги до їжі

Які основні вимоги до раціону тварин? Раціон тварин повинен бути добре збалансованим і забезпечувати поживні речовини, необхідні для функціонування організму, а також мінерали та вітаміни, необхідні для підтримки структури та регуляції, необхідних для міцного здоров'я та репродуктивної здатності. Ці вимоги до людини графічно проілюстровані на рисунку 15.14

Малюнок 15.14.
Для людини збалансоване харчування включає фрукти, овочі, зернові та білки. (кредит: USDA)

Концепція в дії

Першим кроком у забезпеченні задоволення харчових потреб вашого організму є обізнаність про групи продуктів харчування та поживні речовини, які вони забезпечують. Щоб дізнатись більше про кожну групу продуктів харчування та рекомендовані добові кількості, вивчіть цей інтерактивний сайт Міністерства сільського господарства США.

Органічні попередники

Органічні молекули, необхідні для побудови клітинного матеріалу та тканин, повинні надходити з їжею. Вуглеводи або цукру є основним джерелом органічних вуглеводів в організмі тварини. Під час травлення засвоювані вуглеводи в кінцевому підсумку розщеплюються на глюкозу і використовуються для забезпечення енергією через метаболічні шляхи. Складні вуглеводи, включаючи полісахариди, можуть розщеплюватися до глюкози шляхом біохімічної модифікації; однак люди не виробляють фермент целюлазу і не мають можливості отримувати глюкозу з полісахаридної целюлози. У людини ці молекули забезпечують клітковину, необхідну для переміщення відходів через товсту кишку та здорову товсту кишку. Кишкова флора в кишечнику людини здатна витягувати деяку кількість живлення з цих рослинних волокон. Надлишок цукру в організмі перетворюється на глікоген і зберігається в печінці та м’язах для подальшого використання. Запаси глікогену використовуються для підживлення тривалих навантажень, таких як біг на великі відстані, та для забезпечення енергією під час нестачі їжі. Надлишок глікогену може перетворюватися на жири, які зберігаються в нижньому шарі шкіри ссавців для ізоляції та накопичення енергії. Надлишки засвоюваних вуглеводів зберігаються ссавцями, щоб пережити голод і допомогти у рухливості.

Іншою важливою вимогою є азот. Білковий катаболізм забезпечує джерело органічного азоту. Амінокислоти - це будівельні блоки білків, і розпад білка забезпечує амінокислоти, які використовуються для клітинної функції. Похідні з них вуглець і азот стають будівельним матеріалом для нуклеотидів, нуклеїнових кислот, білків, клітин і тканин. Надлишок азоту повинен виводитися, оскільки він токсичний. Жири додають смаку їжі та сприяють відчуттю ситості або повноти. Жирна їжа також є важливим джерелом енергії, оскільки один грам жиру містить дев'ять калорій. У раціоні потрібні жири, які сприяють засвоєнню жиророзчинних вітамінів та виробленню жиророзчинних гормонів.

Основні поживні речовини

Хоча організм тварини може синтезувати багато молекул, необхідних для функціонування, з органічних попередників, є деякі поживні речовини, які потрібно вживати з їжею. Ці поживні речовини називаються необхідні поживні речовини, це означає, що їх потрібно їсти, і організм не може їх виробляти.

Омега-3 альфа-ліноленова кислота та омега-6 лінолева кислота є необхідними жирними кислотами, необхідними для створення деяких мембранних фосфоліпідів. Вітаміни є іншим класом необхідних органічних молекул, які необхідні в невеликих кількостях для функціонування багатьох ферментів, і з цієї причини вважаються спільними ферментами. Відсутність або низький рівень вітамінів може мати значний вплив на здоров'я, як зазначено в таблиці 15.1 та таблиці 15.2. І жиророзчинні, і водорозчинні вітаміни повинні отримуватися з їжею. Мінерали, перераховані в таблиці 15.3, - це неорганічні основні поживні речовини, які необхідно отримувати з їжею. Серед багатьох своїх функцій мінерали допомагають у структурі та регулюванні та вважаються супутніми факторами. Деякі амінокислоти також повинні отримуватися з їжі і не можуть бути синтезовані організмом. Ці амінокислоти є “незамінними” амінокислотами. Людський організм може синтезувати лише 11 із 20 необхідних амінокислот; решта повинна бути отримана з їжею. Незамінні амінокислоти наведені в таблиці 15.4.

Таблиця 15 .1. Водорозчинні основні вітаміни Дефіцит вітамінної функції може призвести до джерел

Вітамін B1 (тіамін)	Потрібний організму для переробки ліпідів, білків та вуглеводів. Кофермент виводить СО2 з органічних сполук	М'язова слабкість, авітаміноз: знижена робота серця, проблеми з ЦНС	Молоко, м’ясо, сушена квасоля, цільні зерна
Вітамін В2 (рибофлавін)	Бере активну роль у метаболізмі, сприяючи перетворенню їжі в енергію (FAD та FMN)	Тріщини або виразки на зовнішній поверхні губ (хеліоз); запалення і почервоніння мови; вологе, лускате запалення шкіри (себорейний дерматит)	М'ясо, яйця, збагачені зернові, овочі
Вітамін B3 (ніацин)	Використовується організмом для виділення енергії з вуглеводів та для переробки алкоголю; необхідний для синтезу статевих гормонів; компонент коферменту НАД + і НАДФ +	Пелагра, що може призвести до дерматиту, діареї, деменції та смерті	М'ясо, яйця, зерно, горіхи, картопля
Вітамін B5 (пантотенова кислота)	Допомагає виробляти енергію з продуктів харчування (зокрема, ліпідів); компонент коферменту А	Втома, погана координація, затримка росту, оніміння, поколювання рук і ніг	М'ясо, цільні зерна, молоко, фрукти, овочі
Вітамін В6 (піридоксин)	Основний вітамін для переробки амінокислот і ліпідів; також сприяє перетворенню поживних речовин в енергію	Дратівливість, депресія, сплутаність свідомості, виразки у роті або виразка, анемія, посмикування м’язів	М'ясо, молочні продукти, цільні зерна, апельсиновий сік
Вітамін B7 (біотин)	Використовується в енергетичному та амінокислотному обміні, синтезі жиру та розщепленні жирів; допомагає організму використовувати цукор у крові	Випадання волосся, дерматит, депресія, оніміння і поколювання в кінцівках; нервово-м’язові розлади	М'ясо, яйця, бобові та інші овочі
Вітамін B9 (фолієва кислота)	Сприяє нормальному розвитку клітин, особливо під час внутрішньоутробного розвитку; сприяє метаболізму нуклеїнових та амінокислот	Дефіцит під час вагітності пов'язаний з вродженими вадами, такими як дефекти нервової трубки та анемія	Листові зелені овочі, цільна пшениця, фрукти, горіхи, бобові
Вітамін B12 (кобаламін)	Підтримує здорову нервову систему та сприяє формуванню клітин крові; кофермент в обміні нуклеїнових кислот	Анемія, неврологічні розлади, оніміння, втрата рівноваги	М'ясо, яйця, продукти тваринного походження
Вітамін С (аскорбінова кислота)	Допомагає підтримувати сполучну тканину: кістки, хрящі та дентин; підвищує імунну систему	Цинга, що призводить до кровотеч, втрати волосся та зубів; біль і набряки в суглобах; затримка загоєння ран	Цитрусові, брокколі, помідори, червоний солодкий болгарський перець

Таблиця 15.2. Жиророзчинні основні вітаміни Дефіцит вітамінної функції може призвести до джерел

Вітамін А (ретинол)	Критично важливий для розвитку кісток, зубів та шкіри; допомагає підтримувати зір, покращує імунну систему, розвиток плода, експресію генів	Нічна сліпота, шкірні розлади, порушення імунітету	Темно-зелені листові овочі, жовто-оранжеві овочі фрукти, молоко, масло
Вітамін D	Критично важливий для засвоєння кальцію для розвитку та міцності кісток; підтримує стабільну нервову систему; підтримує нормальне і сильне серцебиття; допомагає у згортанні крові	Рахіт, остеомаляція, імунітет	Олія печінки тріски, молоко, жовток
Вітамін Е (токоферол)	Зменшує окисне пошкодження клітин та запобігає ураженню легенів забруднювачами; життєво важливий для імунної системи	Дефіцит рідкісний; анемія, дистрофія нервової системи	Олія зародків пшениці, нерафінована рослинна олія, горіхи, насіння, зерна
Вітамін К (Філохінон)	Необхідний для згортання крові	Кровотеча і легкі синці	Листові зелені овочі, чай

Таблиця 15.3. Мінерали та їх функція в організмі людини Дефіцит мінеральної функції може призвести до джерел

* Кальцій	Необхідний для роботи м’язів та нейронів; здоров’я серця; будує кістки та підтримує синтез та функцію клітин крові; функція нерва	Остеопороз, рахіт, м’язові спазми, порушення росту	Молоко, йогурт, риба, зелені листові овочі, бобові
* Хлор	Необхідний для вироблення соляної кислоти (HCl) у шлунку та нервових функціях; осмотичний баланс	Судоми в м’язах, порушення настрою, зниження апетиту	Кухонна сіль
Мідь (мікроелементи)	Необхідний компонент багатьох окисно-відновних ферментів, включаючи оксидазу цитохрому с; кофактор для синтезу гемоглобіну	Дефіцит міді зустрічається рідко	Печінка, устриці, какао, шоколад, кунжут, горіхи
Йод	Необхідний для синтезу гормонів щитовидної залози	Зоб	Морепродукти, йодована сіль, молочні продукти
Залізо	Потрібно для багатьох білків та ферментів, зокрема гемоглобіну, для запобігання анемії	Анемія, яка спричиняє погану концентрацію уваги, втому та погіршення імунної функції	Червоне м’ясо, листові зелені овочі, риба (тунець, лосось), яйця, сухофрукти, квасоля, цільні зерна
* Магній	Необхідний коефіцієнт для утворення АТФ; формування кісток; нормальні функції мембрани; функція м’язів	Порушення настрою, м’язові спазми	Цільнозернові, листові зелені овочі
Марганець (мікроелементи)	Кофактор у функціях ферментів; потрібні слідові кількості	Дефіцит марганцю зустрічається рідко	Поширений у більшості продуктів харчування
Молібден (мікроелементи)	Діє як кофактор для трьох основних ферментів у людини: сульфітоксидази, ксантиноксидази та альдегідоксидази	Дефіцит молібдену зустрічається рідко
* Фосфор	Компонент кісток і зубів; допомагає регулювати кислотно-лужний баланс; синтез нуклеотидів	Слабкість, аномалії кісткової тканини, втрата кальцію	Молоко, твердий сир, цільні зерна, м’ясо
* Калій	Життєво важливий для роботи м’язів, серця та нервів	Порушення серцевого ритму, м’язова слабкість	Бобові, шкірка картоплі, помідори, банани
Селен (мікроелементи)	Кофактор, необхідний для активності антиоксидантних ферментів, таких як глутатіонпероксидаза; потрібні слідові кількості	Дефіцит селену зустрічається рідко	Поширений у більшості продуктів харчування
* Натрій	Системний електроліт, необхідний для багатьох функцій; кислотно-лужний баланс; водний баланс; функція нерва	Судоми в м’язах, втома, зниження апетиту	Кухонна сіль
Цинк (мікроелементи)	Необхідно для кількох ферментів, таких як карбоксипептидаза, алкогольдегідрогеназа печінки та карбоангідраза	Анемія, погане загоєння ран, може призвести до низького зросту	Поширений у більшості продуктів харчування
* Потрібно більше 200 мг/день

Таблиця 15.4. Незамінні амінокислоти Амінокислоти, які необхідно вживати Амінокислоти, які анаболізуються організмом

ізолейцин	аланін
лейцин	селеноцистеїн
лізин	аспартат
метіонін	цистеїн
фенілаланін	глутамат
триптофан	гліцин
валін	пролін
гістидин *	серин
треонін	тирозин
аргінін *	аспарагін
* Людський організм може синтезувати гістидин та аргінін, але не в кількості, необхідній, особливо для дітей, що ростуть.

Харчова енергія та АТФ

Тваринам потрібна їжа для отримання енергії та підтримки гомеостазу. Гомеостаз - це здатність системи підтримувати стабільне внутрішнє середовище навіть в умовах зовнішніх змін середовища. Наприклад, нормальна температура тіла людини становить 37 ° C (98,6 ° F). Люди підтримують цю температуру навіть тоді, коли зовнішня температура гаряча або холодна. Для підтримки цієї температури тіла потрібна енергія, а тварини отримують цю енергію з їжею.

Основним джерелом енергії для тварин є вуглеводи, переважно глюкоза. Глюкозу називають паливом організму. Засвоювані в раціоні тварини вуглеводи перетворюються в молекули глюкози за допомогою ряду катаболічних хімічних реакцій.

Аденозинтрифосфат, або АТФ, є основною валютою енергії в клітинах; АТФ зберігає енергію в ефірах фосфатних зв’язків. АТФ виділяє енергію, коли фосфодіефірні зв’язки розриваються, а АТФ перетворюється на АДФ і фосфатну групу. АТФ виробляється в результаті окислювальних реакцій у цитоплазмі та мітохондрії клітини, де вуглеводи, білки та жири зазнають низку метаболічних реакцій, спільно званих клітинним диханням. Наприклад, гліколіз - це низка реакцій, в яких глюкоза перетворюється на піровиноградну кислоту, а частина її хімічної потенційної енергії передається НАДН та АТФ.

АТФ необхідний для всіх клітинних функцій. Він використовується для побудови органічних молекул, необхідних для клітин і тканин; він забезпечує енергію для скорочення м’язів і для передачі електричних сигналів в нервовій системі. Коли кількість АТФ перевищує потреби організму, печінка використовує надлишок АТФ і надлишок глюкози для виробництва молекул, званих глікогеном. Глікоген є полімерною формою глюкози і зберігається в клітинах печінки та скелетних м’язів. Коли рівень цукру в крові падає, печінка вивільняє глюкозу із запасів глікогену. Скелетні м’язи перетворюють глікоген в глюкозу під час інтенсивних фізичних навантажень. Процес перетворення глюкози та надлишку АТФ в глікоген та накопичення надлишкової енергії є важливим еволюційно кроком у допомозі тваринам справлятися з рухливістю, нестачею їжі та голодом.

Ожиріння

Ожиріння є основною проблемою охорони здоров'я в Сполучених Штатах, і все більше уваги приділяється зменшенню ожиріння та захворювань, до яких воно може призвести, таких як діабет типу 2, рак товстої кишки та молочної залози та серцево-судинні захворювання. Як споживана їжа сприяє ожирінню?

Жирна їжа є калорійною, це означає, що вони мають більше калорій на одиницю маси, ніж вуглеводи або білки. Один грам вуглеводів має чотири калорії, один грам білка має чотири калорії, а один грам жиру має дев’ять калорій. Тварини, як правило, шукають їжу, багату на ліпіди, для вищого вмісту енергії.

Сигнали голоду (“час їсти”) та ситості (“час перестати їсти”) контролюються в області гіпоталамуса мозку. Їжа, багата жирними кислотами, як правило, сприяє насиченню більше, ніж їжа, багата лише вуглеводами.

Надлишок вуглеводів і АТФ використовується печінкою для синтезу глікогену. Піруват, що утворюється під час гліколізу, використовується для синтезу жирних кислот. Коли в організмі більше глюкози, ніж потрібно, отриманий надлишок пірувату перетворюється на молекули, які в підсумку призводять до синтезу жирних кислот в організмі. Ці жирні кислоти зберігаються в жирових клітинах - жирових клітинах в організмі ссавців, основною роллю яких є накопичення жиру для подальшого використання.

Важливо зазначити, що деякі тварини отримують користь від ожиріння. Полярним ведмедям та тюленям потрібен жир для ізоляції та уникнення втрати тепла тіла під час арктичних зим. Коли їжі мало, накопичений жир в організмі забезпечує енергію для підтримки гомеостазу. Жири запобігають голоду у ссавців, дозволяючи їм отримувати енергію, коли їжа відсутня щодня; жири зберігаються при великому вбивстві або при наявності великої кількості їжі.

Резюме

Харчування тварин має бути збалансованим і відповідати потребам організму. Вуглеводи, білки та жири є основними компонентами їжі. Деякі необхідні поживні речовини необхідні для клітинної функції, але організм тварини не може виробляти їх. Сюди входять вітаміни, мінерали, деякі жирні кислоти та деякі амінокислоти. Вживання їжі в кількості, що перевищує необхідну, зберігається у вигляді глікогену в клітинах печінки та м’язів, а також у клітинах жиру. Надмірне жирове зберігання може призвести до ожиріння та серйозних проблем зі здоров’ям. АТФ є енергетичною валютою клітини і отримується з метаболічних шляхів. Надлишок вуглеводів та енергії зберігається у вигляді глікогену в організмі.