Біологічне значення обміну речовин та енергії

Обмін речовин і енергії — основа процесів життєдіяльності організму. У всіх організмів, від найпримітивніших до найсклад­нішого — людського організму, обмін речовин і енергії — основа життя.

В організмі людини, в його органах, тканинах, клітинах іде безперервний процес творення, утворення складних речовин із простіших. Одночасно з цим відбувається розпад, окислення складних органічних речовин, які входять до складу клітин організму.

Робота органів супроводжується безперервним оновленням їх: одні клітини гинуть, інші їх заміняють. У дорослої людини протягом доби гине і замінюється 1/20 клітин шкірного епітелію, половина всіх клітин епітелію травного каналу, близько 25 г крові і т. п.

Ріст, оновлення клітин організму можливі тільки в тому разі, якщо в організм безперервно надходять кисень і поживні речовини. Поживні речовини — той будівельний пластичний матеріал, із якого будується організм.

Для побудови нових клітин організму, безперервного оновлення їх, для роботи таких органів, як серце, травна система, дихальний апарат, нирки тощо, а також для здійснення людиною роботи потрібна енергія. Цю енергію людина дістає при розпаді і окисленні в процесі обміну речовин.

Таким чином, поживні речовини, які надходять в організм, є не тільки пластичним будівельним матеріалом, а й джерелом енергії, необхідної для життя.

Під обміном речовин розуміють сукупність змін, яких зазнають речовини від моменту їхнього надходження в травний канал до утворення кінцевих продуктів розпаду, що виділяються з організму.

Анаболізм і катаболізм. Процеси обміну речовин, або метаболізм, добре погоджені один з одним, відбуваються у певній послідовності. Сукупність реакцій біологічного синтезу, які потребують затрат енергії, називають анаболізмом. До анаболічних процесів належить біологічний синтез білків, жирів, ліпоїдів, нуклеїнових кислот. Внаслідок цих реакцій порівняно прості речовини, надходячи в клітини, за участю ферментів перетворюються в речовини самого організму. Анаболізм створює основу для безперервного оновлення структур, які зносилися.

Енергія для анаболічних процесів постачається реакціями катаболізму, при яких відбувається розщеплення молекул складних органічних речовин із вивільненням енергії. Кінцеві продукти катаболізму — вода, вуглекислий газ, аміак, сечовина, сечова кислота та ін.— не придатні для дальшого біологічного окислення в клітині і видаляються із організму.

Процеси анаболізму і катаболізму нерозривно зв'язані. Катаболічні процеси постачають для анаболізму енергію і вихідні речовини; анаболічні процеси приводять до побудови структур, які йдуть на відновлення відмираючих клітин, формування нових тканин у зв'язку з процесами росту організму, для синтезу гормонів, ферментів та інших сполук, необхідних для життєдіяльності клітини, а також постачають для реакцій катаболізму макромолекули, які підлягають розщепленню.

Всі процеси метаболізму каталізуються і регулюються ферментами — речовинами білкової природи. Ферменти — це ті біологічні каталізатори, які «запускають» реакції в клітинах організму.

Перетворення речовин. Хімічні перетворення харчових речовин починаються в травному каналі. Тут складні речовини їжі розщеплюються до простіших, які можуть всмоктуватися в кров і лімфу. Речовини, які надійшли в результаті всмоктування в кров або лімфу, приносяться до клітини, де і зазнають основних змін. Складні органічні речовини, які при цьому утворилися, входять до складу клітин і беруть участь у здійсненні їхніх функцій. Перетворення речовин, які відбуваються всередині клітин, становлять суть внутрішньоклітинного, або проміжного обміну. Вирішальна роль у внутрішньоклітинному обміні належить численним ферментам клітини. Завдяки їхній діяльності з речовинами клітини відбуваються складні перетворення, розриваються внутрішньомолекулярні хімічні зв'язки в них, що приводить до вивільнення енергії.

Особливого значення тут набувають реакції окислення і відновлення. З участю спеціальних ферментів здійснюються також інші типи хімічних реакцій у клітині, зокрема реакції перенесення залишка фосфорної кислоти (фосфорилювання), аміногрупи NH₂ (переаміпування), групи метилу СН₃ (трансметилювання) та ін. Енергія, яка вивільняється при цих реакціях, використовується для побудови нових речовин у клітині, на підтримання життєдіяльності організму.

Кінцеві продукти внутрішньоклітинного обміну частково йдуть на побудову нових речовин клітини, а речовини, які не використовуються клітиною, виводяться із організму в результаті діяльності органів виділення.

АТФ. Основним акумулятором і переносником енергії, що використовуються при синтетичних процесах, є аденозинтрифосфорна кислота (АТФ). У складі молекули АТФ є азотиста основа (аденін), цукор (рибоза) і фосфорна кислота (три залишки фосфорної кислоти).

Під впливом фермента АТФ-ази в молекулі АТФ розриваються зв'язки між фосфором і киснем і приєднується одна (а інколи дві) молекули води. Це супроводжується відщепленням одної (а інколи і двох) молекули фосфорної кислоти. Відщеплення кожної із двох кінцевих фосфатних груп у молекулі АТФ відбувається з виділенням великої кількості енергії. Внаслідок цього два кінцеві фосфатні зв'язки в молекулі АТФ дістали назву багатих на енергію зв'язків, або макроергічних. Завдяки макроергічним фосфатним зв'язкам жива клітина має зручну форму зберігання енергії; а у разі потреби ця енергія швидко вивільняється і використовується для життєдіяльності організму.

Обмін білків

Білки в обміні речовин займають особливе місце. Білки входять до складу цитоплазми, гемоглобіну, плазми крові, багатьох гормонів, імунних тіл, підтримують сталість водно-сольового середовища організму. Без білків немає росту. Ферменти, які обов'язково беруть участь у всіх етапах обміну речовин,— білки.

Біологічна цінність білків їжі. Амінокислоти, які йдуть на утворення білків організму, нерівноцінні. Деякі амінокислоти (лейцин, метіонін, фенілаланін тощо) незамінні для організму. Якщо в їжі відсутня незамінна амінокислота, то синтез білків в організмі різко порушується. Але є амінокислоти, які можуть бути замінені іншими або синтезовані в самому організмі в процесі обміну речовини. Це замінні амінокислоти.

Білки їжі, які містять весь необхідний набір амінокислот для нормального синтезу білка організму, називають повноцінними. До них належать переважно тваринні білки. Білки їжі, які не містять всіх необхідних для синтезу білка організму амінокислот, називають неповноцінними (наприклад, желатин, білок кукурудзи, білок пшениці). Найвища біологічна цінність — у білків яєць, м'яса, молока, риби.

При змішаному харчуванні, коли в їжі є продукти тваринного і рослинного походження, в організм звичайно надходить необхідний для синтезу білків набір амінокислот.

Особливо важливе надходження всіх незамінних амінокислот для організму, який росте. Відсутність в їжі амінокислоти лізину приводить до затримання росту дитини, до виснаження її м'язової системи. Нестача валіну спричиняє розлад рівноваги у дітей.

Тепер достатньо вивчено амінокислотний склад білків різних органів і тканин людини і харчових продуктів. Тому є можливість так комбінувати продукти харчування, щоб людина одержувала в харчовому раціоні всі життєво необхідні амінокислоти в потрібних кількостях і комбінаціях.

Із поживних речовин тільки до складу білків входить азот. Тому про кількісний бік білкового харчування можна судити за азотистим балансом. Азотистий баланс — співвідношення кількості азоту, який надійшов протягом доби з їжею, і азоту, виведеного за добу із організму з сечею, калом і потом в результаті розпаду білка.

В середньому в білку міститься 16% азоту, тобто 1 г азоту в 6,25 г білка. Помноживши величину засвоєного азоту на 6,25, можна визначити кількість введеного в організм білка.

У дорослої людини звичайно спостерігається азотиста рівновага — кількість введеного азоту з їжею і виведеного з продуктами виділення дорівнюють одне одному. Коли азоту з їжею надходить в організм більше, ніж його виводиться із організму, тоді говорять про позитивний азотистий баланс. Такий баланс спостерігається у дітей у зв'язку із збільшенням маси тіла при ростові, під час вагітності, при посиленому спортивному тренуванні. Негативний баланс характеризується тим, що кількість введеного азоту менша виведеного. Він може бути при білковому голодуванні, важких хворобах.

Розпад білків в організмі. Ті амінокислоти, які не пішли на синтез специфічних білків, зазнають перетворень, під час яких вивільняються азотисті речовини. Від амінокислоти при цих перетвореннях відщеплюється азот у вигляді аміаку (NН₃). Азот у вигляді аміногрупи NН₂, відщепившись від однієї амінокислоти, може переноситися на іншу, і тоді в організмі будуються ті амінокислоти, яких йому не вистачає. Ці процеси відбуваються переважно в печінці, м'язах, нирках. Безазотистий залишок амінокислоти зазнає дальших змін, в результаті утворюються вуглекислий газ і вода.

Аміак, який утворився при розпаді білків в організмі (речовина отруйна), знешкоджується в печінці, де перетворюється на сечовину; остання у складі сечі виводиться із організму.

Кінцеві продукти розпаду білків в організмі — не тільки сечовина, а й сечова кислота та інші азотисті речовини. Вони виводяться із організму з сечею та потом.

Особливості білкового обміну в дітей. В організмі дитини інтенсивно відбуваються процеси росту і формування нових клітин і тканин. Це вимагає надходження в дитячий організм відносно більшої кількості білка, ніж у Показником рівня обміну білків у організмі є співвідношення між кількістю азоту, який вводиться в організм із білковою їжею, і кількістю азоту, що виводиться із організму з сечею. Із всіх поживних речовин тільки білки мають у своєму складі азот і тільки з ними він надходить в організм. У дітей буває позитивний азотистий баланс, тоді кількість азоту, який надходить з білковою їжею, перевищує кількість азоту, що виводиться із сечею. Тільки тоді в організмі, що росте, задовольнятимуться потреби в білку.

Добова потреба в білку на 1 кг маси тіла у дитини на першому році життя становить 4...5 г, від 1 до 3 років — 4...4,5 г, від 6 до 10 років — 2,5...З г, старше 12 років — 2...2,5 г, у дорос­лих— 1,5...1,8 г. Отже, залежно від віку і маси діти від 1 до 4 років повинні одержувати на добу білка — ЗО...50 г, від 4 до 7 років — близько 70 г, з 7 років — 75...80 г. При цих показниках азот максимально затримується в організмі.

Білки не відкладаються в організмі про запас, тому, якщо давати їх з їжею більше, ніж це потрібно організмові, збільшення затримання азоту і, отже, наростання синтезу білка не відбудеться. При цьому у дитини погіршується апетит, порушується кислотно-лужна рівновага, посилюється виведення азоту із сечею і калом. Дитині треба давати оптимальну кількість білка, з набором всіх необхідних амінокислот; при цьому важливо, щоб співвідношення кількості білків, жирів і вуглеводів у їжі дитини було 1:1:3; за таких умов азот максимально затримується в організмі.

Ми уже говорили, що більша частина азоту, який надходить в організм із білковою їжею, виділяється з сечею. З віком вміст азоту в сечі змінюється. В перші дні після народження азот становить 6...7% добової кількості сечі. З віком відносний вміст його в сечі зменшується.

Обмін жирів

Жир, що надійшов з їжею, у травному каналі розщеплюється на гліцерин і жирні кислоти, які всмоктуються в основному в лімфу і лише частково в кров.

Через лімфатичну і кровоносну системи жири надходять головним чином у жирову тканину, яка має для організму значення депо жиру. Багато жиру в підшкірній клітковині, навколо деяких внутрішніх органів (наприклад, нирок), а також у печінці і м'язах. Жири входять до складу клітин (цитоплазма, ядро, клітинні мембрани), де їх кількість стала. Скупчення жиру можуть виконувати також інші функції. Наприклад, підшкірний жир перешкоджає посиленій віддачі тепла, принирковий жир охороняє нирку від ушибів і т. п.

Жир використовується організмом як багате джерело енергії. При розпаді 1 г жиру в організмі вивільняється енергії у два з лишком рази більше, ніж при розпаді такої ж кількості білків або вуглеводів.

Нестача жирів у їжі веде до порушення діяльності центральної нервової системи і органів розмноження, знижує стійкість до різних захворювань.

Жир синтезується в організмі не тільки із гліцерину жирних кислот, а й з продуктів обміну білків і вуглеводів.

Деякі неграничні жирні кислоти, необхідні організмові (лінолева, ліноленова, арахідонова), повинні надходити в організм у готовому вигляді, бо він не може їх синтезувати. Містяться неграничні жирні кислоти в оліях. Найбільше їх в лляній і конопляній олії, але багато лінолевої кислоти і в соняшниковій олії. Цим пояснюється висока поживна цінність маргарину, в якому міститься значна кількість рослинних жирів.

З жирами в організм надходять розчинні в них вітаміни (вітаміни А, В,Е тощо), які мають для людини життєво важливе значення.

На 1 кг маси дорослої людини на добу повинно надходити з їжею 1,25 г жирів (80... 100 г на добу).

Кінцеві продукти обміну жирів — вуглекислий газ і вода.

Особливості обміну жирів у дітей. В організмі дитини з першого півріччя життя за рахунок жирів забезпечується приблизно на 50% потреба в енергії. Без жирів неможливе вироблення загального і специфічного імунітету. Обмін жирів у дітей нестійкий, при нестачі в їжі вуглеводів або при посиленій витраті їх швидко вичерпується депо жиру.

Всмоктування жирів у дітей інтенсивне. При грудному вигодовуванні засвоюється до 90% жирів молока, при штучному— 85...90%; у старших дітей жири засвоюються на 95...97%.

Для кращого використання жиру в їжі дітей повинно бути досить також вуглеводів, бо при дефіциті вуглеводів у їжі відбувається неповне окислення жирів і у крові накопичуються кислі продукти обміну.

Потреба організму в жирах на 1 кг маси тіла тим вища, чим менший вік дитини.

З віком збільшується абсолютна кількість жиру, необхідного для нормального розвитку дітей. Від 1 до 3 років добова потреба в жирові 32,7 г, від 4 до 7 років — 39,2 г, від 8 до 13 ро­ків — 38,4 г.

Обмін вуглеводів

Протягом життя людина з'їдає близько 10 т вуглеводів. Вони надходять в організм головним чином у вигляді крохмалю. Розщепившись у травному каналі до глюкози, вуглеводи всмоктуються в кров і засвоюються клітинами. Особливо багата на вуглеводи рослинна їжа: хліб, крупи, овочі, фрукти. Продукти тваринного походження (за винятком молока) містять мало вуглеводів.

Вуглеводи — головне джерело енергії, особливо при посиленій м'язовій роботі. У дорослих людей більше половини енергії організм одержує за рахунок вуглеводів. Розпад вуглеводів із вивільненням енергії може відбуватися як у безкисневих умовах, так і в присутності кисню. Кінцеві продукти обміну вуглеводів — вуглекислий газ і вода. Вуглеводи мають здатність швидко розпадатися і окислятися.

При сильному втомленні, під час важких спортивних змагань споживання кількох шматочків цукру поліпшує стан організму.

В крові кількість глюкози підтримується на відносно сталому рівні (близько 110 мг%). Зменшення вмісту глюкози веде до зниження температури тіла, розладу діяльності нервової системи, втомлення. У підтриманні постійного рівня цукру в крові велику роль відіграє печінка. Підвищення кількості глюкози зумовлює відкладення її в печінці у вигляді запасного тваринного крохмалю — глікогену. Глікоген мобілізується печінкою при зниженні вмісту цукру у крові. Глікоген утворюється не тільки у печінці, а й у м'язах, де його може накопичуватися до 1—2%. Запаси глікогену в печінці досягають 150 г. При голодуванні і м'язовій роботі ці запаси скорочуються.

Якщо вміст глюкози в крові збільшується до 0,17%, то вона починає виводитися із організму з сечею. Звичайно це відбувається при вживанні з їжею великої кількості вуглеводів. Тим самим вміст цукру в крові вирівнюється.

Проте в крові може бути і стійке підвищення вмісту цукру. Це трапляється при порушенні функції залоз внутрішньої секреції (головним чином підшлункової), що приводить до розвитку цукрового діабету. При цьому захворюванні втрачається здатність тканин засвоювати цукор, а також перетворювати його в глікоген і відкладати в печінці. Тому рівень цукру в крові завжди підвищений, що спричинює посилене виділення його з сечею.

Значення глюкози для організму не вичерпується її роллю як джерела енергії. Вона входить до складу цитоплазми і, отже, необхідна для утворення нових клітин, особливо в період росту. Входять вуглеводи і до складу нуклеїнових кислот.

Вуглеводи мають важливе значення також для обміну речовин у центральній нервовій системі. При різкому зниженні кількості цукру в крові бувають різкі розлади діяльності нервової системи. Настають судоми, марення, втрата свідомості, зміна діяльності серця. Якщо такій людині ввести в кров глюкозу або дати з'їсти звичайний цукор, то через деякий час ці важкі симптоми минають.

Повністю цукор із крові не зникає навіть при відсутності його в їжі, бо в організмі вуглеводи можуть утворюватися із білків і жирів.

Потреба в глюкозі різних органів неоднакова. Мозок затримує до 12% глюкози, що надходить до організму, кишечник — 9, м'язи — 7, нирки — 5%. Селезінка і легені майже зовсім її не затримують.

Обмін вуглеводів у дітей. У дітей обмін вуглеводів здійснюється з великою інтенсивністю, що пояснюється високим рівнем обміну речовин взагалі в дитячому організмі. Вуглеводи в дитячому організмі виконують не тільки роль основних джерел енергії, а й важливу пластичну роль при формуванні клітинних оболонок, речовини сполучної тканини. Вуглеводи беруть участь в окисленні кислих продуктів білкового і жирового обміну, чим сприяють підтриманню кислотно-лужної рівноваги в організмі.

Інтенсивний ріст дитячого організму потребує значної кількості пластичного матеріалу — білків і жирів. Тому в дітей утворення вуглеводів із білків і жирів обмежене.

Добова потреба у вуглеводах у дітей висока і становить у грудному віці 10... 12 г на 1 кг маси тіла. В наступні роки потрібна кількість вуглеводів коливається від 8...9 до 12... 15 г на 1 кг маси.

Від 1 до 3 років на добу дитині треба давати з їжею в середньому 193 г вуглеводів, від 4 до 7 років — 287 г, від 9 до 13 років — 370 г, від 14 до 17 років — 470 г, дорослому — 500 г.

Засвоюються вуглеводи дитячим організмом краще, ніж дорослим (у немовлят на 98...99%). Проте, як говорилося вище, при надмірній кількості цукру, який надійшов у організм, він виводиться з сечею. Взагалі діти відрізняються відносно більшою витривалістю до підвищеного вмісту цукру в крові, ніж дорослі.

У дорослих глюкоза з'являється в сечі, якщо її надходить 2,5...З г на 1 кг маси тіла, тоді як у дітей лише при надходженні 8... 12 г глюкози на 1 кг маси. Вживання значної кількості вуглеводів з їжею може призвести до збільшення у дітей цукру в крові у два рази, але уже через годину вміст цукру в крові починає знижуватися, а через 2 год повертається до норми.