5 Физиологические основы обмена веществ и энергии. Теплообмен

5.1 Обмен белков

Обмен веществ и энергии (метаболизм) это совокупность физических, химических и физиологических процессов усвоения питательных веществ в организме с высвобождением энергии. В об­мене веществ выделяют два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса — анаболизм и катаболизм (рисунок 5.1).

Анабо­лизм — это совокупность процессов биосинтеза органических со­единений, компонентов клеток, органов и тканей из поглощенных питательных веществ.

Катаболизм — это процессы расщепления сложных компонентов до простых веществ, обеспечивающих энерге­тические и пластические потребности организма.

Жизнедеятельность организма обеспечивается энергией за счет анаэробного и аэробного катаболизма поступающих с пищей белков, жиров и углеводов.

Рисунок 5.1 – Схема обмена веществ и энергии у млекопитающих

Белки являются основным пластическим материалом, из кото­рого построены клетки и ткани организма. Они входят в состав мышц, ферментов, гормонов, гемоглобина, антител.

В состав белков входят различные аминокислоты, заменимые и незаменимые. Заменимые аминокислоты могут синтезировать­ся в организме, а незаменимые (валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, триптофан, треонин, фенилаланин, аргинин и гистидин) — поступают только с пищей.

Поступившие в организм белки расщепляются в кишечнике до аминокислот и в таком виде всасываются в кровь и транспортируют­ся в печень. Поступившие в печень аминокислоты подвергаются дезаминированию и переаминированию. Эти процессы обеспечивают син­тез видоспецифичных аминокислот. Из печени такие аминокислоты поступают в ткани и используются для синтеза тканеспецифичных белков.

При избыточном поступлении белков с пищей, после отщепления от них аминогрупп, они превращаются в организме в углеводы и жиры. Белковых депо в организме человека нет.

Наряду с основной, пластической, функцией белки могут выполнять энергетическую функцию. При окислении в организме 1 г белка выде­ляется 4,1 ккал энергии.

Конечными продуктами расщепления бел­ков в тканях являются мочевина, мочевая кислота, аммиак, креатин, креатинин и некоторые другие вещества. Они выводятся из организ­ма почками и частично потовыми железами.

О состоянии белкового обмена в организме судят по азотистому балансу, т. е. по соотношению количества азота, поступившего в организм, и его количества, выведенного из организма. Если это ко­личество одинаково, то состояние называется азотистым рав­новесием.

Состояние, при котором усвоение азота превышает его выведение, называется положительным азотистым балан­сом. Оно характерно для растущего организма, спортсменов в период их тренировки и лиц после перенесенных заболеваний.

При полном или частичном белковом голодании, а так же во время некоторых забо­леваний азота усваивается меньше, чем выделяется. Такое состояние называется отрицательным азотистым балансом. При голодании белки одних органов могут использоваться для поддержа­ния жизнедеятельности других, более важных. При этом расходуются в первую очередь белки печени и скелетных мышц; содержание бел­ков в миокарде и тканях мозга остается почти без изменений.

Нормальная жизнедеятельность организма возможна лишь при азотистом равновесии, или положительном азотистом балансе. Такие состояния достигаются, если организм получает около 100-105 г белка в сутки. При больших физических нагрузках потребность в белках воз­растает до 120-150 г. Всемирная Организация Здравоохранения реко­мендует употреблять не менее 0,75 г белка на 1 кг массы тела в сутки.

5.2 Обмен углеводов

Углеводы поступают в организм человека, главным образом, в виде крахмала и гликогена. В процессе пищеварения их них образуются глюкоза, фруктоза, лактоза и галактоза. Глюкоза всасывается в кровь и через воротную вену поступает в печень. Фруктоза и галак­тоза превращаются в глюкозу в гепатоцитах. Избыток глю­козы в печени фосфорилируется и переходит в гликоген. Его запасы в печени и мышцах у взрослого человека составляют 300-400 г. При углеводном голодании происходит распад гликогена и глюкоза по­ступает в кровь.

Углеводы служат в организме основным источником энергии. При окислении углеводов освобождается 4,1 ккал энергии. Для окисления углеводов требуется значительно меньше кислорода, чем при окислении жиров. Это заметно повышает роль углеводов в мышечной деятельности. При уменьшении концентрации глюкозы в крови рез­ко снижается физическая работоспособность. Большое значение угле­воды имеют для нормальной деятельности нервной системы.

Глюкоза выполняет в организме и некоторые пластические функ­ции. Например, промежуточные продукты ее обмена (пентозы) вхо­дят в состав нуклеотидов и нуклеиновых кислот, некоторых фермен­тов и аминокислот, а также служат структурными элементами кле­ток. Важным производным глюкозы является аскорбиновая кислота (витамин С), которая не синтезируется в организме человека.

При голодании запасы гликогена в печени и концентрация глю­козы в крови уменьшаются. То же происходит при длительной и на­пряженной физической работе без дополнительного приема углево­дов. Снижение содержания глюкозы в крови до 0,06-0,07 % (нор­мальная концентрация 0,08-0,12 %) вызывает гипо­гликемию, которая проявляется мышечной слабостью, падением температуры тела, а в дальнейшем — судорогами и потерей сознания. При гипергликемии, когда содержание сахара в крови достигает 0,15% и более, избыток глюкозы быстро выводится почками. Такое состояние может возникать при эмоциональном возбуждении, после приема пищи, богатой легкоусвояемыми углеводами, а также при за­болеваниях поджелудочной железы. При истощении запасов глико­гена возрастает синтез ферментов, которые обеспечивают реакцию глюконеогенеза, т.е. синтеза глюкозы из лактата или амино­кислот.

5.3 Обмен жиров

Физиологическая роль липидов (нейтральные жиры, фосфатиды и стеараты) в организме заключается в том, что они входят в состав клеточных структур (пластическое значение липидов) и явля­ются богатыми источниками энергии (энергетическое значение).

Нейтральные жиры расщепляются в кишечнике до глицерина и жирных кислот. Эти вещества, проходя через кишеч­ник, вновь превращаются в жир, который всасывается в лимфу и в небольшом количестве в кровь. Кровь транспортирует жиры в тка­ни, где они используются для пластического синтеза и в качестве энергетического материала.

Общее количество жира в организме человека колеблется в широ­ких пределах и составляет 10-20% массы тела. При ожирении оно мо­жет достигать 40-50%. Жировые депо в организме непрерывно об­новляются. При обильном углеводном питании и отсутствии жиров в пище синтез жира в организме может происходить из углеводов.

Нейтральные жиры, поступающие в ткани из кишечника и жировых депо,

окисляются и используются в качестве источника энергии. При окислении 1 г жира освобождается 9,3 ккал энергии. В связи с тем, что в молекуле жира содержится относительно малое количество кислорода, после­днего нужно для окисления жиров больше, чем при окислении углеводов. Как энергетический материал жиры используются глав­ным образом в состоянии покоя и при выполнении длительной мало­интенсивной физической работы. В начале более напряженной мы­шечной деятельности используются преимущественно углеводы, которые в дальнейшем замещают­ся жирами из-за уменьшения их запасов. При длительной работе до 80% всей энергии обеспечивается за счет окисления жиров.

Жировая ткань, покрывающая различные органы, предохраняет их от механических воздействий. Скопление жира в брюшной полости обеспечивает фиксацию внутренних органов, а подкожная жировая клетчатка защищает организм от излишних теплопотерь. Секрет сальных желез предохраняет кожу от высыхания и излишнего смачи­вания водой.

5.4 Водно-солевой обмен

Вода это важная составная часть всех клеток и тканей. В орга­низме она находится в виде солевых растворов. Тело взрослого человека на 50-65% состоит из воды, у детей — на 80% и более. В разных орга­нах и тканях содержание воды на единицу массы неодинаково. Оно меньше всего в костях (20%) и жировой ткани (30%). В мышцах воды содержится 70%, во внутренних органах — 75-85% их массы. Наибо­лее велико и постоянно содержание воды в крови (92%).

Лишение организма воды и минеральных солей вызывает тяже­лые нарушения и смерть. Полное голодание, но при приеме воды, пе­реносится человеком в течение 40-45 суток, без воды — лишь 5-7 дней. При минеральном голодании, несмотря на достаточное по­ступление в организм других питательных веществ и воды, у жи­вотных наблюдались потеря аппетита, отказ от еды, исхудание и смерть.

При обычной температуре и влажности внешней среды суточный водный баланс взрослого человека составляет 2,2-2,8 л. Около 1,5 л жидкости поступает в организм в виде выпитой воды, 600-900 мл — в составе пищевых продуктов и 300-400 мл образуется в результате окисли­тельных реакций. Организм теряет в сутки примерно 1,5 л с мочой, 400-600 мл с потом, 350-400 мл с выдыхаемым воздухом и 100-150 мл с испражнениями.

Минеральные соли имеют большое значение для его жизнедеятельности организма. Они находятся во всех тканях, составляя примерно 0,9% общей массы тела человека. В состав клеток входят многие минеральные вещества: калий, кальций, натрий, фос­фор, магний, железо, йод, сера, хлор. Нормальное функци­онирование тканей обеспечивается не только наличием в них тех или иных солей, но и строго определенными их количественными соот­ношениями. При избыточном поступлении минеральных солей в организм они могут откладываться в виде запасов. Натрий и хлор депонируются в подкожной клетчатке, калий — в скелетных мыш­цах, кальций и фосфор — в костях.

Физиологическое значение минеральных солей многообразно. Они составляют основную массу костной ткани, определяют уровень ос­мотического давления, участвуют в образовании буферных систем и влияют на обмен веществ. Велика роль минеральных веществ в про­цессах возбуждения нервной и мышечной тканей, в возникновении электрических потенциалов в клетках, а также в свертывании крови и переносе ею кислорода.

Все необходимые для организма минеральные элементы поступа­ют с пищей и водой. Большинство минеральных солей легко всасы­ваются в кровь и выводятся из организма главным об­разом с мочой и потом. При напряженной мышечной деятельности потребность в некоторых минеральных веществах увеличивается.

Витамины не выполняют энергетическую или пластическую функцию. Они являются составными компонентами ферментных систем и играют роль катализаторов в обменных процессах. Они представляют собой вещества химичес­кой природы, необходимые для нормального обмена веществ, рос­та, развития организма, поддержания высокой работоспособности и здоровья.

Витамины делят на водорастворимые (группа В, С, Р и др.) и жи­рорастворимые (А, Д, Е, К). Достаточное поступление витаминов в организм зависит от правильного рациона питания и нормальной функции процессов пищеварения. Некоторые витамины (К, В) синтезируются бактериями в кишечнике. Недостаточное поступле­ние витаминов в организм (гиповитаминоз) или полное их отсутствие (авитаминоз) приводят к нарушению многих функций организма.

5.5 Обмен энергии

Для нормального функционирования организма в нем должен поддерживаться энергетический ба­ланс поступления и расхода энергии. Живые организмы получают энергию в виде ее потенциальных запасов, аккумулированных в хи­мических связях молекул углеводов, жиров и белков. В процессе биологического окисления эта энергия высвобождается и использу­ется, прежде всего, для синтеза АТФ. Запасы АТФ в клетках невелики, поэтому они должны постоянно восстанавливаться. Это происходит за счет окисления питательных веществ. Запас энергии в пище выражается ее калорий­ностью, т. е. способностью освобождать при окислении определенного количества пищи то или иное количество энергии. Расход энергии зависит от возраста и пола, ха­рактера и количества выполняемой работы, времени года, состояния здоровья и некоторых других факторов.

Интенсивность энергетического обмена в организме определяет­ся при помощи калориметрии. Определение энергообмена можно производить методами прямой и непрямой калориметрии.

Прямая калориметрия основана на измерении тепла, выделяемого организмом. Она проводится с помощью специальных ка­мер (калориметров). Большое распространение получили камеры Шатерникова. Тепло, выделяемое организмом, определяет величину израсходован­ной энергии. Для этого существуют специальные приборы и системы расчетов. Прямая калориметрия это наиболее точный метод, но он требует длительных наблюдений, громоздкого специального обору­дования и неприемлем во многих видах деятельности.

Значительно проще определять расходы энергии методами не­прямой калориметрии. Один из них (непрямая респираторная калориметрия) основан на изучении газообмена, т. е. на определении количества потребляемого организмом кислорода и выдыхаемого за это время углекислого газа. С этой целью используются различные газоанализаторы.

Для окисления различных питательных веществ требуется раз­ное количество кислорода. Количество энергии, освобождаемое при использовании 1 л кислорода, называется его калоричес­ким эквивалентом. При окислении углеводов калорический эквивалент равен 5,05 ккал, при окислении жиров — 4,7 ккал и белков — 4,85 ккал. В организме обычно окисляется смесь питатель­ных веществ, поэтому калорический эквивалент О₂ колеблется от 4,7 до 5,05 ккал. Чем больше в окисляемой смеси углеводов, тем выше ка­лорический эквивалент. С увеличением жиров калорический эквивалент сни­жается.

О величине калорического эквивалента кислорода узнают по уровню дыхательного коэффициента (ДК) — отношения объема выдыхаемой углекислоты к объему поглощаемого кислорода (CO₂/O₂). Величина ДК зависит от состава окисляемых веществ. При окислении углеводов он равен 1,0, при окислении жиров — 0,7 и бел­ков — 0,8. При окислении смеси питательных веществ величина его колеблется в пределах 0,8-0,9.

При непрямой калориметрии (алиментарная калориметрия) учитывают калорийность принимаемой пищи и ведут наблюдения за массой тела. Постоянство массы тела свиде­тельствует о балансе между поступлением энергетических ресур­сов в организм и их расходованием. Однако при использовании этого метода возможны существенные ошибки. Кроме того, он не дает возможности определить энерготраты за короткие промежутки вре­мени.

В зависимости от активности организма и воздействий на него факторов внешней среды различают три уровня энергетического об­мена: основной обмен, энерготраты в состоянии покоя и энерготра­ты при различных видах труда.

Основным обменом называется количество энергии, которое тра­тит организм при полном мышечном покое, через 12-14 часов после приема пищи и при окружающей температуре 20-22°С. У взрослого человека он в среднем составляет 1 ккал на 1 кг массы тела в 1 час. У людей при массе тела в 70 кг, находящихся в состоянии относительного покоя при температуре комфорта, основной обмен в среднем равен около 1700 ккал. Нормальные его колебания составляют 10%. У женщин ос­новной обмен несколько ниже, чем у мужчин; у детей он выше, чему взрослых.

Энерготраты в состоянии относительного покоя превышают ве­личину основного обмена. Это обусловлено влиянием на энергооб­мен процессов пищеварения, терморегуляцией вне зоны комфорта и тратами энергии на поддержание позы тела человека.

Пищевые продукты, богатые жирами, содержат некоторое коли­чество фосфатидов и стеринов. Они также синтезируются в стенке кишечника и в печени из нейтральных жиров, фосфорной кислоты и холина. Фосфатиды входят в состав клеточных мембран, ядра и протоплазмы; они имеют большое значение для функциональной активности нервной ткани и мышц.

Важная физиологическая роль принадлежит стеринам, в частности холестерину. Эти вещества являются источником образо­вания в организме желчных кислот, а также гормонов коры надпо­чечников и половых желез. При избытке холестерина в организме развивается атеросклероз. Некото­рые стерины пищи, например, витамин Д, также обладают большой физиологической активностью.

Обмен липидов тесно связан с обменом белков и углеводов. По­ступающие в организм в избытке белки и углеводы превращаются в жир. Наоборот, при голодании жиры расщепляются и служат источни­ком углеводов.