Тема 7. Обмен веществ и энергии

 

План:

1. Понятие обмена веществ. Основной и общий обмен
2. Обмен белков.
3. Обмен жиров.
4. Обмен углеводов.
5. Водно-солевой обмен.
6. Витамины и их значение для организма.
7. Энергетический обмен.
8. Тепловой обмен

 

Основные понятия: метаболизм, анаболизм, катаболизм, основной обмен, килокалории, белки, жиры, углеводы, водно-солевой обмен, витамины, энергетический обмен, тепловой обмен, теплопродукция, теплоотдача,

 

Понятие обмена веществ. Основной и общий обмен

 

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

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. Основной обмен поддерживает жизнь организма на самом низком уровне деятельности нервной системы, сердца, дыхательного аппарата, пищеварения, желез внутренней секреции, выделительных процессов, покоя скелетных мышц. Даже в условиях полного покоя в клетках и тканях не прекращается обмен веществ - основа жизни организма. Показателем основного обмена является теплопроизводство в ккал в 1 ч на 1 кг веса тела и равен 1 ккал.

Ведущая роль в обмене веществ принадлежит функциональному состоянию нервной системы, регулированию ею уровня обмена веществ в органах и тканях, поддерживающему относительное постоянство состава белков, химического состава крови, температуры и т. д. относительно независимо от изменений внешней среды, при разных условиях жизни. Существенно влияет на основной обмен также деятельность желез внутренней секреции. Например, основной обмен увеличивается при повышении функции щитовидной железы и, наоборот, уменьшается при понижении ее функций и гипофиза. При повышении температуры тела на 1 °С основной обмен в среднем увеличивается на 10 %. В холодном климате основной обмен возрастает, а в жарком снижается на 10-20 %. Во время сна в результате расслабления скелетных мышц он уменьшается до 13 %. При голодании основной обмен снижается. С 20 до 40 лет основной обмен поддерживается примерно на одинаковом уровне, а затем постепенно падает: у мужчин до 7 %, а у женщин до 17 %.

Общий обмен веществ - происходит в обычных условиях жизни. Он значительно выше основного обмена и зависит главным образом от деятельности скелетных мышц, а также увеличения деятельности внутренних органов. Килокалории, расходуемые при этом сверх основного обмена, называются моторными калориями. Чем интенсивнее мышечная деятельность, тем больше моторных калорий и тем выше общий обмен веществ. При умственном труде общий обмен веществ увеличивается незначительно - на 2-3 %, а если умственный труд сопровождается мышечной деятельностью - на 10-20 %.

Значительное увеличение обмена веществ происходит также при переваривании пищи, что обозначается как ее специфически-динами-ческое действие. Так как для переваривания белков требуется особенно большая затрата энергии, то специфически-динамическое действие белков особенно велико. В среднем, после употребления белковой пищи основной обмен увеличивается на 30-37 %, а после жиров и углеводов на 4-6 %.

 

Обмен белков

 

Белки являются основным пластическим материалом, из которого построены клетки и ткани организма. Они являются составной частью мышц, ферментов, гормонов, гемоглобина, антител и других жизненно важных образований. В состав белков входят различные аминокислоты, которые подразделяются на заменимые и незаменимые. Заменимые аминокислоты могут синтезироваться в организме, а незаменимые (валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, триптофан, 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.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 играть роль источников энергии. 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, перенесших заболевания. При полном или частичном белковом голодании, а также 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 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. Богаты белками мясо, рыба, печень, грибы, бобовые, соя и т. п.

 

Обмен жиров

 

Физиологическая роль липидов, к которым относят нейтральные жиры, фосфатиды и стерины, в организме заключается в том, что они входят в состав клеточных структур, выполняя пластическую функцию и являясь источниками энергии.

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 как источник энергии. При окислении 1 г жира освобождается 9,3 ккал энергии. В связи с тем, что в молекуле жира содержится относительно мало кислорода, последнего требуется 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 в связи с уменьшением их запасов замещаются жирами. При длительной работе до 80 % всей энергии расходуется в результатеокисления 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.

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 патологический процесс - 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, расщепляясь, служат источником углеводов. Конечные продукты обмена липидов - вода и углекислый газ. Суточная потребность в жирах составляет 70-100 г.

 

Обмен углеводов

 

Большое количество углеводов содержится в растительных продуктах: в ржаном хлебе 45 %, в пшеничном - 50 %, в гречневой крупе- 64 %, в рисе - 72 %, в картофеле - 20 %. Чистым углеводом является сахар. Углеводы поступают в организм человека, в основном, 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 печеночных клетках. 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 1 г углеводов освобождается 4,1 ккал энергии. Для окисления углеводов требуется значительно меньше кислорода, чем при окислении жиров. При уменьшении концентрации глюкозы в крови резко снижается физическая работоспособность. Большое значение углеводы имеют для нормальной деятельности нервной системы. 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 %) приводит к развитию гипогликемии,что проявляется мышечной слабостью, падением температуры тела, а в дальнейшем - судорогами и потерей сознания. При гипергликемии (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 усиливается синтез ферментов, обеспечивающих реакцию глюконеогенеза, т. е. синтеза глюкозы из лактата или аминокислот.

Конечными продуктами обмена углеводов являются вода, углекислый газ и АТФ. Суточная потребность в углеводах около 450 г.

 

Водно-солевой обмен

 

Вода является составной частью всех клеток и тканей и в организме находится в видесолевых 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 с приемом воды переносится человеком в течение 40-45 суток, без воды - лишь 5-7. 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 2,5-3 л. Около 1,5 л жидкости поступает 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.

Обмен минеральных солей в организме имеет большое значение для его жизнедеятельности. 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 и другие). 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.

Биологическое значение минеральных солеи 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. При напряженной мышечной деятельности потребность в некоторых минеральных веществах увеличивается. Минеральные вещества выводятся из организма с калом, мочой и потом. Поэтому их потеря должна восполняться поступлением с пищей. Избыток и недостаток минеральных веществ нарушают физиологические функции. Например, избыток поваренной соли вызывает у детей повышение температуры - солевую лихорадку.