Обмен веществ в организме человека физиология. Физиология обмена веществ и энергии

Обмен веществ и энергии, или метаболизм ,— совокупность химических и физических превращений веществ и энергии, происходящих в живом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность. Обмен веществ и энергии составляет единое целое и подчиняется закону сохранения материи и энергии.

Обмен веществ складывается из процессов ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция (анаболизм) — процесс усвоения организмом веществ, при котором расходуется энергия. Диссимиляция (катаболизм) — процесс распада сложных органических соединений, протекающий с высвобождением энергии.

Единственным источником энергии для организма человека является окисление органических веществ, поступающих с пищей. При расщеплении пищевых продуктов до конечных элементов — углекислого газа и воды,— выделяется энергия, часть которой переходит в механическую работу, выполняемую мышцами, другая часть используется для синтеза более сложных соединений или накапливается в специальных макроэргических соединениях.

Макроэргическими соединениями называют вещества, расщепление которых сопровождается выделением большого количества энергии. В организме человека роль макроэргических соединений выполняют аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) и креатинфосфат (КФ).

ОБМЕН БЕЛКОВ .

Белками (протеинами) называют высокомолекулярные соединения, построенные из аминокислот. Функции:

Структурная, или пластическая, функция состоит в том, что белки являются главной составной частью всех клеток и межклеточных структур. Каталитическая, или ферментная, функция белков заключается в их способности ускорять биохимические реакции в организме.

Защитная функция белков проявляется в образовании иммунных тел (антител) при поступлении в организм чужеродного белка (например, бактерий). Кроме того, белки связывают токсины и яды, попадающие в организм, и обеспечивают свертывание крови и остановку кровотечения при ранениях.

Транспортная функция заключается в переносе многих веществ. Важнейшей функцией белков является передача наследственных свойств , в которой ведущую роль играют нуклеопротеиды. Различают два основных типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).

Регуляторная функция белков направлена на поддержание биологических констант в организме.

Энергетическая роль белков состоит в обеспечении энергией всех жизненных процессов в организме животных и человека. При окислении 1 г белка в среднем освобождается энергия, равная 16,7 кДж (4,0 ккал).

Потребность в белках. В организме постоянно происходит распад и синтез белков. Единственным источником синтеза нового белка являются белки пищи. В пищеварительном тракте белки расщепляются ферментами до аминокислот и в тонком кишечнике происходит их всасывание. Из аминокислот и простейших пептидов клетки синтезируют собственный белок, который характерен только для данного организма. Белки не могут быть заменены другими пищевыми веществами, так как их синтез в организме возможен только из аминокислот. Вместе с тем белок может замещать собой жиры и углеводы, т. е. использоваться для синтеза этих соединений.

Биологическая ценность белков. Некоторые аминокислоты не могут синтезироваться в организме человека и должны обязательно поступать с пищей в готовом виде. Эти аминокислоты принято называть незаменимыми , или жизненно-необходимыми. К ним относятся: валин, метионин, треонин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан и лизин, а у детей еще аргинин и гистидин. Недостаток незаменимых кислот в пище приводит к нарушениям белкового обмена в организме. Заменимые аминокислоты в основном синтезируются в организме.

Белки, содержащие весь необходимый набор аминокислот, называют биологически полноценными . Наиболее высока биологическая ценность белков молока, яиц, рыбы, мяса. Биологически неполноценными называют белки, в составе которых отсутствует хотя бы одна аминокислота, которая не может быть синтезирована в организме. Неполноценными белками являются белки кукурузы, пшеницы, ячменя.

Азотистый баланс. Азотистым балансом называют разность между количеством азота, содержащегося в пище человека, и его уровнем в выделениях.

Азотистое равновесие — состояние, при котором количество выведенного азота равно количеству поступившего в организм. Азотистое равновесие наблюдается у здорового взрослого человека.

Положительный азотистый баланс — состояние, при котором количество азота в выделениях организма значительно меньше, чем содержание его в пище, то есть наблюдается задержка азота в организме. Положительный азотистый баланс отмечается у детей в связи с усиленным ростом, у женщин во время беременности, при усиленной спортивной тренировке, приводящей к увеличению мышечной ткани, при заживлении массивных ран или выздоровлении после тяжелых заболеваний.

Азотистый дефицит (отрицательный азотистый баланс) отмечается тогда, когда количество выделяющегося азота больше содержания его в пище, поступающей в организм. Отрицательный азотистый баланс наблюдается при белковом голодании, лихорадочных состояниях, нарушениях нейроэндокринной регуляции белкового обмена.

Распад белка и синтез мочевины. Важнейшими азотистыми продуктами распада белков, которые выделяются с мочой и потом, являются мочевина, мочевая кислота и аммиак.

ОБМЕН ЖИРОВ .

Жиры делят на простые липиды (нейтральные жиры, воски), сложные липиды (фосфолипиды, гликолипиды, сульфолипиды) и стероиды (холестерин и др.). Основная масса липидов представлена в организме человека нейтральными жирами. Нейтральные жиры пищи человека являются важным источником энергии. При окислении 1 г жира выделяется 37,7 кДж (9,0 ккал) энергии.

Суточная потребность взрослого человека в нейтральном жире составляет 70—80 г, детей 3—10 лет — 26—30 г.

Нейтральные жиры в энергетическом отношении могут быть заменены углеводами. Однако есть ненасыщенные жирные кислоты — линолевая, линоленовая и арахидоновая, которые должны обязательно содержаться в пищевом рационе человека, их называют не заменимыми жирными кислотами .

Нейтральные жиры, входящие в состав пищи и тканей человека, представлены главным образом триглицеридами, содержащими жирные кислоты — пальмитиновую, стеариновую, олеиновую, линолевую и линоленовую.

В обмене жиров важная роль принадлежит печени. Печень — основной орган, в котором происходит образование кетоновых тел (бета-оксимасляная, ацетоуксусная кислоты, ацетон). Кетоновые тела используются как источник энергии.

Фосфо- и гликолипиды входят в состав всех клеток, но главным образом в состав нервных клеток. Печень является практически единственным органом, поддерживающим уровень фосфолипидов в крови. Холестерин и другие стероиды могут поступать с пищей или синтезироваться в организме. Основным местом синтеза холестерина является печень.

В жировой ткани нейтральный жир депонируется виде триглицеридов.

Образование жиров из углеводов. Избыточное употребление углеводов с пищей приводит к отложению жира в организме. В норме у человека 25—30% углеводов пищи превращается в жиры.

Образование жиров из белков. Белки являются пластическим материалом. Только при чрезвычайных обстоятельствах белки используются для энергетических целей. Превращение белка в жирные кислоты происходит, вероятнее всего, через образование углеводов.

ОБМЕН УГЛЕВОДОВ .

Биологическая роль углеводов для организма человека определяется прежде всего их энергетической функцией. Энергетическая ценность 1 г углеводов составляет 16,7 кДж (4,0 ккал). Углеводы являются непосредственным источником энергии для всех клеток организма, выполняют пластическую и опорную функции.

Суточная потребность взрослого человека в углеводах составляет около 0,5 кг . Основная часть их (около 70%) окисляется в тканях до воды и углекислого газа. Около 25—28% пищевой глюкозы превращается в жир и только 2—5% ее синтезируется в гликоген — резервный углевод организма.

Единственной формой углеводов, которая может всасываться, являются моносахара. Они всасываются главным образом в тонком кишечнике, током крови переносятся в печень и к тканям. В печени из глюкозы синтезируется гликоген. Этот процесс носит название гликогенеза . Гликоген может распадаться до глюкозы. Это явление называют гликогенолизом . В печени возможно новообразование углеводов из продуктов их распада (пировиноградной или молочной кислоты), а также из продуктов распада жиров и белков (кетокислот), что обозначается как гликонеогенез . Гликогенез, гликогенолиз и гликонеогенез — тесно взаимосвязанные и протекающие в печени процессы, обеспечивающие оптимальный уровень сахара крови.

В мышцах, так же как и в печени, синтезируется гликоген. Распад гликогена является одним из источников энергии мышечного сокращения. При распаде мышечного гликогена процесс идет до образования пировиноградной и молочной кислот. Этот процесс называют гликолизом . В фазе отдыха из молочной кислоты в мышечной ткани происходит ре-синтез гликогена.

Головной мозг содержит небольшие запасы углеводов и нуждается в постоянном поступлении глюкозы. Глюкоза в тканях мозга преимущественно окисляется, а небольшая часть ее превращается в молочную кислоту. Энергетические расходы мозга покрываются исключительно за счет углеводов. Снижение поступления в мозг глюкозы сопровождается изменением обменных процессов в нервной ткани и нарушением функций мозга.

Образование углеводов из белков и жиров (гликонеогенез). В результате превращения аминокислот образуется пировиноградная кислота, при окислении жирных кислот — ацетилкоэнзим А, который может превращаться в пировиноградную кислоту — предшественник глюкозы. Это наиболее важный общий путь биосинтеза углеводов.

Между двумя основными источниками энергии — углеводами и жирами — существует тесная физиологическая взаимосвязь. Повышение содержания глюкозы в крови увеличивает биосинтез триглицеридов и уменьшает распад жиров в жировой ткани. В кровь меньше поступает свободных жирных кислот. Если возникает гипогликемия, то процесс синтеза триглицеридов тормозится, ускоряется распад жиров и в кровь в большом количестве поступают свободные жирные кислоты.

ВОДНО-СОЛЕВОЙ ОБМЕН.

Все химические и физико-химические процессы, протекающие в организме, осуществляются в водной среде. Вода выполняет в организме следующие важнейшие функции : 1) служит растворителем продуктов питания и обмена; 2) переносит растворенные в ней вещества; 3) ослабляет трение между соприкасающимися поверхностями в теле человека; 4) участвует в регуляции температуры тела за счет большой теплопроводности, большой теплоты испарения.

Общее содержание воды в организме взрослого человека составляет 50 —60% от его массы, то есть достигает 40—45 л .

Принято делить воду на внутриклеточную, интрацеллюлярную (72%) и внеклеточную, экстрацеллюлярную (28%). Внеклеточная вода размещена внутри сосудистого русла (в составе крови, лимфы, цереброспинальной жидкости) и в межклеточном пространстве.

Вода поступает в организм через пищеварительный тракт в виде жидкости или воды, содержащейся в плотных пищевых продуктах. Некоторая часть воды образуется в самом организме в процессе обмена веществ.

При избытке в организме воды наблюдается общая гипергидратация (водное отравление), при недостатке воды нарушается метаболизм. Потеря 10% воды приводит к состоянию дегидратации (обезвоживание), при потере 20% воды наступает смерть.

Вместе с водой в организм поступают и минеральные вещества (соли). Около 4% сухой массы пищи должны составлять минеральные соединения.

Важной функцией электролитов является участие их в ферментативных реакциях.

Натрий обеспечивает постоянство осмотического давления внеклеточной жидкости, участвует в создании биоэлектрического мембранного потенциала, в регуляции кислотно-основного состояния.

Калий обеспечивает осмотическое давление внутриклеточной жидкости, стимулирует образование ацетилхолина. Недостаток ионов калия тормозит анаболические процессы в организме.

Хлор является также важнейшим анионом внеклеточной жидкости, обеспечивая постоянство осмотического давления.

Кальций и фосфор находятся в основном в костной ткани (свыше 90%). Содержание кальция в плазме и крови является одной из биологических констант, так как даже незначительные сдвиги в уровне этого иона могут приводить к тяжелейшим последствиям для организма. Снижение уровня кальция в крови вызывает непроизвольные сокращения мышц, судороги, и вследствие остановки дыхания наступает смерть. Повышение содержания кальция в крови сопровождается уменьшением возбудимости нервной и мышечной тканей, появлением парезов, параличей, образованием почечных камней. Кальций необходим для построения костей, поэтому он должен поступать в достаточном количестве в организм с пищей.

Фосфор участвует в обмене многих веществ, так как входит в состав макроэргических соединений (например, АТФ). Большое значение имеет отложение фосфора в костях.

Железо входит в состав гемоглобина, миоглобина, ответственных за тканевое дыхание, а также в состав ферментов, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях. Недостаточное поступление в организм железа нарушает синтез гемоглобина. Уменьшение синтеза гемоглобина ведет к анемии (малокровию). Суточная потребность в железе взрослого человека составляет 10—30 мкг .

Йод в организме содержится в небольшом количестве. Однако его значение велико. Это связано с тем, что йод входит в состав гормонов щитовидной железы, оказывающих выраженное влияние на все обменные процессы, рост и развитие организма.

Образование и расход энергии.

Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, накапливается в форме АТФ, количество которой в тканях организма поддерживается на высоком уровне. АТФ содержится в каждой клетке организма. Наибольшее количество ее обнаруживается в скелетных мышцах — 0,2—0,5%. Любая деятельность клетки всегда точно совпадает по времени с распадом АТФ.

Разрушившиеся молекулы АТФ должны восстановиться. Это происходит за счет энергии, которая освобождается при распаде углеводов и других веществ.

О количестве затраченной организмом энергии можно судить по количеству тепла, которое он отдает во внешнюю среду.

Методы измерения затрат энергии (прямая и непрямая калориметрия).

Дыхательный коэффициент.

Прямая калориметрия основана на непосредственном определении тепла, высвобождающегося в процессе жизнедеятельности организма. Человека помещают в специальную калориметрическую камеру, в которой учитывают все количество тепла, отдаваемого телом человека. Тепло, выделяемое организмом, поглощается водой, протекающей по системе труб, проложенных между стенками камеры. Метод очень громоздок, применение его возможно в специальных научных учреждениях. Вследствие этого в практической медицине широко используют метод непрямой калориметрии. Сущность этого метода заключается в том, что сначала определяют объем легочной вентиляции, а затем — количество поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа. Отношение объема выделенного углекислого газа к объему поглощенного кислорода носит название дыхательного коэффициента . По величине дыхательного коэффициента можно судить о характере окисляемых веществ в организме.

При окислении углеводов дыхательный коэффициент равен 1 так как для полного окисления 1 молекулы глюкозы до углекислого газа и воды потребуется 6 молекул кислорода, при этом выделяется 6 молекул углекислого газа:

С 6 Н12О 6 +60 2 =6С0 2 +6Н 2 0

Дыхательный коэффициент при окислении белка равен 0,8, при окислении жиров — 0,7.

Определение расхода энергии по газообмену. Количество тепла, высвобождающегося в организме при потреблении 1 л кислорода — калорический эквивалент кислорода — зависит от того, на окислении каких веществ используется кислород. Калорический эквивалент кислорода при окислении углеводов равен 21,13 кДж (5,05 ккал), белков — 20,1 кДж (4,8 ккал), жиров — 19,62 кДж (4,686 ккал).

Расход энергии у человека определяют следующим образом. Человек дышит в течение 5 мин, через мундштук (загубник), взятый в рот. Мундштук, соединенный с мешком из прорезиненной ткани, имеет клапаны. Они устроены так, что человек свободно вдыхает атмосферный воздух, а выдыхает воздух в мешок. С помощью газовых часов измеряют объем выдохнутого воздуха. По показателям газоанализатора определяют процентное содержание кислорода и углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом человеком воздухе. Затем рассчитывают количество поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа, а также дыхательный коэффициент. С помощью соответствующей таблицы по величине дыхательного коэффициента устанавливают калорический эквивалент кислорода и определяют расход энергии.

Основной обмен и его значение.

Основной обмен — минимальное количество энергии, необходимое для поддержания нормальной жизнедеятельности организма в состоянии полного покоя при исключении всех внутренних и внешних влияний, которые могли бы повысить уровень обменных процессов. Основной обмен веществ определяют утром натощак (через 12—14 ч после последнего приема пищи), в положении лежа на спине, при полном расслаблении мышц, в условиях температурного комфорта (18—20° С). Выражается основной обмен количеством энергии, выделенной организмом (кДж/сут).

В состоянии полного физического и психического покоя организм расходует энергию на: 1) постоянно совершающиеся химические процессы; 2) механическую работу, выполняемую отдельными органами (сердце, дыхательные мышцы, кровеносные сосуды, кишечник и др.); 3) постоянную деятельность железисто-секреторного аппарата.

Основной обмен веществ зависит от возраста, роста, массы тела, пола. Самый интенсивный основной обмен веществ в расчете на 1 кг массы тела отмечается у детей. С увеличением массы тела усиливается основной обмен веществ. Средняя величина основного обмена веществ у здорового человека равна приблизительно 4,2 кДж (1 ккал) в 1 ч на 1 кг массы тела .

По расходу энергии в состоянии покоя ткани организма неоднородны. Более активно расходуют энергию внутренние органы, менее активно — мышечная ткань.

Интенсивность основного обмена веществ в жировой ткани в 3 раза ниже, чем в остальной клеточной массе организма. Худые люди производят больше тепла на 1 кг массы тела, чем полные.

У женщин основной обмен веществ ниже, чем у мужчин. Это связано с тем, что у женщин меньше масса и поверхность тела. Согласно правилу Рубнера основной обмен веществ приблизительно пропорционален поверхности тела.

Отмечены сезонные колебания величины основного обмена веществ - повышение его весной и снижение зимой. Мышечная деятельность вызывает повышение обмена веществ пропорционально тяжести выполняемой работы.

К значительным изменениям основного обмена приводят нарушения функций органов и систем организма. При повышенной функции щитовидной железы, малярии, брюшном тифе, туберкулезе, сопровождающихся лихорадкой, основной обмен веществ усиливается.

Расход энергии при физической нагрузке.

При мышечной работе значительно увеличиваются энергетические затраты организма. Это увеличение энергетических затрат составляет рабочую прибавку, которая тем больше, чем интенсивнее работа.

По сравнению со сном при медленной ходьбе расход энергии увеличивается в 3 раза, а при беге на короткие дистанции во время соревнований — более чем в 40 раз.

При кратковременных нагрузках энергия расходуется за счет окисления углеводов. При длительных мышечных нагрузках в организме расщепляются преимущественно жиры (80% всей необходимой энергии). У тренированных спортсменов энергия мышечных сокращений обеспечивается исключительно за счет окисления жиров. У человека, занимающегося физическим трудом, энергетические затраты возрастают пропорционально интенсивности труда.

ПИТАНИЕ.

Восполнение энергетических затрат организма происходит за счет питательных веществ. В пище должны содержаться белки, углеводы, жиры, минеральные соли и витамины в небольших количествах и правильном соотношении. Усвояемость пищевых веществ зависит от индивидуальных особенностей и состояния организма, от количества и качества пищи, соотношения различных составных частей ее, способа приготовления. Растительные продукты усваиваются хуже, чем продукты животного происхождения, потому что в растительных продуктах содержится большее количество клетчатки.

Белковый режим питания способствует осуществлению процессов всасывания и усвояемости пищевых веществ. При преобладании в пище углеводов усвоение белков и жиров снижается. Замена растительных продуктов продуктами животного происхождения усиливает обменные процессы в организме. Если вместо растительных давать белки мясных или молочных продуктов, а вместо ржаного хлеба — пшеничный, то усвояемость продуктов питания значительно повышается.

Таким образом, чтобы обеспечить правильное питание человека, необходимо учитывать степень усвоения продуктов организмом. Кроме того, пища должна обязательно содержать все незаменимые (обязательные) питательные вещества: белки и незаменимые аминокислоты, витамины, высоконепредельные жирные кислоты, минеральные вещества и воду.

Основную массу пищи (75-80%) составляют углеводы и жиры.

Пищевой рацион - количество и состав продуктов питания, необходимых человеку в сутки. Он должен восполнять суточные энергетические затраты организма и включать в достаточном количестве все питательные вещества.

Для составления пищевых рационов необходимо знать содержание белков, жиров и углеводов в продуктах и их энергетическую ценность. Имея эти данные, можно составить научно обоснованных пищевой рацион для людей разного возраста, пола и рода занятий.

Режим питания и его физиологическое значение. Необходимо соблюдать определенный режим питания, правильно его организовать: постоянные часы приема пищи, соответствующие интервалы между ними, распределение суточного рациона в течение дня. Принимать пищу следует всегда в определенное время не реже 3 раз в сутки: завтрак, обед и ужин. Завтрак по энергетической ценности должен составлять около 30% от общего рациона, обед — 40—50%, а ужин — 20—25%. Рекомендуется ужинать за 3 ч до сна.

Правильное питание обеспечивает нормальное физическое развитие и психическую деятельность, повышает работоспособность, реактивность и устойчивость организма к влиянию окружающей среды.

Согласно учению И. П. Павлова об условных рефлексах, организм человека приспосабливается к определенному времени приема пищи: появляется аппетит и начинают выделяться пищеварительные соки. Правильные промежутки между приемами пищи обеспечивают чувство сытости в течение этого времени.

Трехкратный прием пищи в общем физиологичен. Однако предпочтительнее четырехразовое питание, при котором повышается усвоение пищевых веществ, в частности белков, не ощущается чувство голода в промежутках между отдельными приемами пищи и сохраняется хороший аппетит. В этом случае энергетическая ценность завтрака составляет 20%, обед — 35%, полдник—15%, ужин — 25%.

Рациональное питание. Питание считается рациональным, если полностью удовлетворяется потребность в пище в количественном и качественном отношении, возмещаются все энергетические затраты. Оно содействует правильному росту и развитию организма, увеличивает его сопротивляемость вредным воздействиям внешней среды, способствует развитию функциональных возможностей организма и повышает интенсивность труда. Рациональное питание предусматривает разработку пищевых рационов и режимов питания применительно к различным контингентам населения и условиям жизни.

Как уже указывалось, питание здорового человека строится на основании суточных пищевых рационов. Рацион и режим питания больного называются диетой. Каждая диета имеет определенные составные части пищевого рациона и характеризуется следующими признаками: 1) энергетической ценностью; 2) химическим составом; 3) физическими свойствами (объем, температура, консистенция); 4)режимом питания.

Регуляция обмена веществ и энергии.

Условнорефлекторные изменения обмена веществ и энергии наблюдаются у человека в предстартовых и предрабочих состояниях. У спортсменов до начала соревнования, а у рабочего перед работой отмечается повышение обмена веществ, температуры тела, увеличивается потребление кислорода и выделение углекислого газа. Можно вызвать условнорефлекторные изменения обмена веществ, энергетических и тепловых процессов у людей на словесный раздражитель.

Влияние нервной системы на обменные и энергетические процессы в организме осуществляется несколькими путями:

Непосредственное влияние нервной системы (через гипоталамус, эфферентные нервы) на ткани и органы;

Опосредованное влияние нервной системы через гипофиз (соматотропин) ;

Опосредованное влияние нервной системы через тропные гормоны гипофиза и периферические железы внутренней секреции;

Прямое влияниенервной системы (гипоталамус) на активность желез внутренней секреции и через них на обменные процессы в тканях и органах.

Основным отделом центральной нервной системы, который регулирует все виды обменных и энергетических процессов, является гипоталамус. Выраженное влияние на обменные процессы и теплообразование оказывают железы внутренней секреции. Гормоны коры надпочечников и щитовидной железы в больших количествах усиливают катаболизм, т. е. распад белков.

В организме ярко проявляется тесное взаимосвязанное влияние нервной и эндокринной систем на обменные и энергетические процессы. Так, возбуждение симпатической нервной системы не только оказывает прямое стимулирующее влияние на обменные процессы, но при этом увеличивается секреция гормонов щитовидной железы и надпочечников (тироксин и адреналин). За счет этого дополнительно усиливается обмен веществ и энергии. Кроме того, эти гормоны сами повышают тонус симпатического отдела нервной системы. Значительные изменения в метаболизме и теплообмене происходят при дефиците в организме гормонов желез внутренней секреции. Например, недостаток тироксина приводит к снижению основного обмена. Это связано с уменьшением потребления кислорода тканями и ослаблением теплообразования. В результате снижается температура тела.

Гормоны желез внутренней секреции участвуют в регуляции обмена веществ и энергии, изменяя проницаемость клеточных мембран (инсулин), активируя ферментные системы организма (адреналин, глюкагон и др.) и влияя на их биосинтез (глюкокортикоиды) .

Таким образом, регуляция обмена веществ и энергии осуществляется нервной и эндокринной системами, которые обеспечивают приспособление организма к меняющимся условиям его обитания.

ФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. РАЦИОНАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ.

План лекции.

1. Понятие об обмене веществ в организме животных и человека. Источники энергии в организме.

Организм человека представляет собой открытую термодина-мическую систему, которая характеризуется наличием обмена веществ и энергии.

Обмен веществ и энергии – это совокупность физических, биохимических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в организме человека и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Указанные процессы, протекающие в организме человека изучают многие науки: биофизика, биохимия, молекулярная биология, эндокринология и, конечно же, физиология.

Обмен веществ и обмен энергии тесно взаимосвязаны между собой, однако, с целью упрощения понятий, их рассматривают раздельно.

Обмен веществ (метаболизм) – совокупность химических и физических превращений, происходящих в организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с внешней средой.

В обмене веществ различают две направленности процессов по отношению к структурам организма: ассимиляцию или анаболизм и диссимиляцию или катаболизм.

Ассимиляция (анаболизм) – совокупность процессов создания жи-вой материи. Указанные процессы потребляют энергию.

Диссимиляция (катаболизм) – совокупность процессов распада жи-вой материи. В результате диссимиляции энергия воспроизводится.

Жизнь животных и человека представляет из себя единство процес-сов ассимиляции и диссимиляции. Факторами, сопрягающими данные процессы, являются две системы:

• АТФ – АДФ (АТФ - аденозин три фосфат, АДФ – аденозин ди фосфат;
• НАДФ (окисленный) – НАДФ (восстановленный), где НАДФ – никотин амид ди фосфат.

Посредничество указанных соединений между процессами ассимиляции и диссимиляции обеспечивается тем, что молекулы АТФ и НАДФ выступают в роли универсальных биологических аккумуляторов энергии, ее переносчика, своеобразной «энергетической валютой» организма. Вместе с тем, прежде чем энергия аккумулируется в молекулах АТФ и НАДФ, ее необходимо извлечь из питательных веществ, которые поступают с пищей в организм. Такими пищевыми веществами являются известные вам белки, жиры и углеводы. К этому же следует добавить, что питательные вещества выполняют не только функцию поставщиков энергии, но и функцию поставщиков строительного материала (пластическая функция) для клеток, тканей и органов. Роль различных питательных веществ в реализации пластических и энергетических потребностей организма неодинакова. Углеводы в первую очередь выполняют энергетическую функцию, пластическая функция углеводов незначительна. Жиры в равной степени выполняют и энергетические и пластические функции. Белки являются основным строительным материалом для организма, но при определенных условиях могут являться и источниками энергии.

Источники энергии в организме.

Как уже отмечалось выше, основными источниками энергии в организме являются пищевые вещества: углеводы, жиры и белки. Освобождение энергии, содержащейся в пищевых веществах, в организме человека протекает в три этапа:

1 этап. Белки расщепляются до аминокислот, углеводы - до гексоз, например, до глюкозы или фруктозы, жиры – до глицерина и жирных кислот. На данном этапе организм в основном тратит энергию на расщепление веществ.

2 этап. Аминокислоты, гексозы и жирные кислоты в ходе биохимических реакций превращаются в молочную и пировиноградную кислоты, а также в Ацетил коэнзим А. На данном этапе из пищевых веществ высвобождается до 30% потенциальной энергии.

3 этап. При полном окислении все вещества расщепляются до СО 2 и Н 2 О. На данном этапе, в метаболическом котле Кребса, высвобождается оставшаяся часть энергии, около 70%. При этом не вся высвобождающаяся энергия аккумулируется в химическую энергию АТФ. Часть энергии распыляется в окружающую среду. Эта теплота получила название первичной теплоты ( Q 1 ) . Энергия аккумулированная АТФ в дальнейшем расходуется на различные виды работы в организме: механическую, электрическую, химическую и активный транспорт. При этом часть энергии теряется в виде так называемой вторичной теплоты Q 2 . Смотри схему 1.

Н 2 О + СО 2 + Q 1 + АТФ

Схема 1. Источники энергии в организме, результаты полного окисления пищевых веществ и виды выделяемой теплоты в организме.

Следует добавить, что количество выделяемой при окислении пищевых веществ не зависит от количества промежуточных реакций, а зависит от начального и конечного состояния химической системы. Данное положение было впервые сформулировано Гессом (закон Гесса).

Более подробно данные процессы вы рассмотрите на лекциях и занятиях, которые будут проводить с вами преподаватели кафедры биохимии.

Энергетическая ценность пищевых веществ.

Энергетическая ценность пищевых веществ оценивается при помощи специальных устройств – оксикалориметрах. Установлено, что при полном окислении 1 г. углеводов выделяется 4,1 ккал (1 ккал=4187 Дж.), 1 г. жиров - 9.45 ккал., 1 г. белков – 5,65 ккал. Следует добавить, что часть пищевых веществ, поступающих в организм, не усваивается. Например, в среднем не усваивается около 2% углеводов, 5% жиров и до 8% белков. К тому же, не все пищевые вещества в организме расщепляются до конечных продуктов – углекислого газа (диоксида углерода) и воды. Например, часть продуктов неполного расщепления белков в виде мочевины выделяется с мочой.

С учетом вышеизложенного можно отметить, что реальная энерге-тическая ценность пищевых веществ несколько ниже, чем установлен-ная в экспериментальных условиях. Реальная энергетическая ценность 1 г. углеводов составляет 4,0 ккал, 1 г. жиров – 9,0 ккал, 1 г. белков – 4,0 ккал.

1. Основные понятия и определения физиологии обмена веществ и энергии.

Интегральной (общей) характеристикой энергетического обмена организма человека являются суммарные энергетические траты или валовый энергетические траты.

Валовые энергетические траты организма - совокупность энергетических трат организма в течение суток в условиях его обычного (естественного) существования. Валовые энергетические траты включают три компонента: основной обмен, специфическое динамическое действие пищи и рабочую прибавку. Валовые энергетические траты оценивают в кдж/кг/сутки или ккал/кг/сутки(1 кдж=0,239 ккал).

Основной обмен.

Начало учению об основном обмене положили работы ученых Тартусского университета Биддера и Шмидта ( Bidder and Schmidt, 1852).

Основной обмен – минимальный уровень энергетических трат, необходимый для поддержания жизнедеятельности организма.

Представление об основном обмене, как минимальном уровне энергетических трат организма предъявляет и ряд требований к условиям, в которых должен оцениваться данный показатель.

Условия, в которых должен оцениваться основной обмен:

1. состояние полного физического и психического покоя (желательно в положении лежа);
2. температура комфорта окружающей среды (18-20 градусов по Цельсию);
3. спустя 10 – 12 часов после последнего приема пищи, чтобы избежать увеличения энергетического обмена, связанного с приемом пищи.

Факторы, влияющие на основной обмен.

Основной обмен зависит от возраста, роста, массы тела и половой принадлежности.

Влияние возраста на основной обмен.

Самый высокий основной обмен в пересчете на 1 кг. Массы тела у новорожденных (50-54 ккал/кг/сутки), самый низкий у пожилых людей (после 70 лет основной обмен составляет в среднем 30 ккал/кг/сутки). На постоянный уровень основной обмен выходит к моменту полового созревания к 12 – 14 годам и остается стабильным до 30-35 лет (около 40 ккал/кг/сутки).

Влияние роста и массы тела на основной обмен.

Между массой тела и основным обменом существует практически линейная, прямая зависимость – чем больше масса тела, тем больше уровень основного обмена. Однако, эта зависимость не абсолютна. При повышении массы тела за счет мышечной ткани указанная зависимость практически линейна, однако, если увеличение массы тела связано с увеличением количества жировой ткани эта зависимость приобретает нелинейный характер.

Поскольку масса тела при прочих равных условиях зависит от роста (чем больше рост – тем больше масса тела), между ростом и основным обменом существует прямая зависимость – чем больше рост, тем больше основной обмен.

Учитывая тот факт, что рост и масса тела влияют на общую площадь тела, М. Рубнер ( M.Rubner) сформулировал закон, в соответствии с которым основной обмен зависит от площади тела: чем больше площадь тела, тем больше основной обмен. Однако, указанный закон практически перестает работать в условиях, когда температура окружающей среды равна температуре тела. Кроме того, неодинаковая волосистость кожи существенно изменяет теплообмен между организмом и окружающей средой и поэтому закон Рубнера в этих условиях также имеет ограничения.

Влияние половой принадлежности на уровень основного обмена.

У мужчин уровень основного обмена на 5-6% выше, чем у женщин. Это объясняется различным соотношением жировой и мышечной ткани на 1 кг массы тела, а также различным уровнем метаболизма в связи с различиями химической структуры половых гормонов и их физиологическими эффектами.

Специфическое динамическое действие пищи.

Термин специфическое динамическое действие пищи впервые ввел в научный обиход М.Рубнер в 1902 году.

Специфическое динамическое действие пищи – это повышение энергетического обмена организма человека, связанное с приемом пищи. Специфическое динамическое действие пищи – это энергетические траты организма на механизмы утилизации принимаемой пищи. Указанный эффект в изменении энергетического обмена отмечается с момента подготовки к приему пищи, во время приема пищи и продолжается 10-12 часов после приема пищи. Максимальное увеличение энергетического обмена после приема пищи отмечаеся через 3 – 3,5 часа. Специальные исследования показали, что на утилизацию пищи затрачивается от 6 до 10% ее энергетической ценности.

Рабочая прибавка.

Рабочая прибавка является третьим компонентом валовых энергетических трат организма. Рабочая прибавка является частью энергетических трат организма на мышечную деятельность в окружающей среде. При тяжелой физической работе энергетические траты организма могут повышаться в 2 раза по сравнению с уровнем основного обмена.

1. Методы изучения энергетического обмена у человека.

Для изучения энергетического обмена у человека разработан целый ряд методов объединенный общим названием – калориметрия.

МЕТОДЫ КАЛОРИМЕТРИИ

Прямые Непрямые

Прямые методы калориметрии – методы непосредственного измерения теплоты, производимой организмом в тех или иных условиях. Принцип метода основан на том, что чем выше энергетический обмен в организме, тем большее количество теплоты рассеивается в окружающей среде. В этой связи, если исследуемый биологический объект поместить в теплоизолирующее помещение, содержащее теплопоглащающее вещество, замерить начальную, а по истечении определенного отрезка времени и конечную температуру, а также зная удельную теплоемкость теплопоглащающего вещества и его массу, можно рассчитать количество рассеянной организмом теплоты ( Q) по известной формуле.

Q = c x m x  t , где

c – удельная теплоемкость теплопоглащающего вещества;

m – масса теплопоглащающего вещества;

 t – температурный сдвиг .

Недостатки метода заключаются в его сложности, относительно длительном времени реализации и невозможности использовать в естественных условиях, в т.ч. в условиях реального производства.

Методы непрямой калориметрии.

Методы непрямой калориметрии основаны на косвенной оценке энергетических трат организма. К методам непрямой калориметрии относят метод пищевых рационов, хронометражно-табличный метод, анализа газов вдыхаемого и выдыхаемого воздуха.

Метод пищевых рационов основан на положении о том, что энерге-тический обмен можно оценить, зная соотношение пищевых веществ в потребляемых продуктах питания и их энергетическую ценность. Дан-ный метод весьма неточен, поскольку не учитывает индивидуальную усвояемость питательных веществ, степень их расщепления в организме, а следовательно и их энергетический эффект.

Хронометражно-табличный метод основан на хронометрировании деятельности человека в течение заданного отрезка времени с целью выявления доли тех или иных действий, имеющих определенную энергетическую «цену». Энергетическая «цена» тех или иных действий оценивается по специальным таблицам, которые составлены на основе большого числа исследований энергетического обмена деятельности человека.

Методы анализа газов вдыхаемого и выдыхаемого воздуха .

Основная часть энергии в организме животных и человека воспро-изводится в ходе окисления питательных веществ с участием кислорода (О 2 ) до конечных продуктов – диоксида углерода (СО 2 ) и воды (Н 2 О). При этом при окислении тех или иных питательных веществ выделяется неодинаковое количество энергии, в связи с их неодинаковой энергетической ценностью. Таким образом, зная количество пот-ребленного кислорода и выделенного диоксида углерода, можно оценить энергетический обмен организма. Для оценки энергетического обмена методом анализа концентрации газов в выдыхаемом воздухе на первом этапе рассчитывают дыхательный коэффициент. Дыхательный коэффициент (ДК) – это отношение объема выделенного диоксида углерода к объему поглощенного за то же время кислорода.

ДК = V СО 2 / V О 2

Исследования показали, что ДК, как правило, колеблется в диапазоне от 0,7 до 1,0. Максимальное значение ДК приобретает при окислении углеводов:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 = 6СО 2 + 6Н 2 0 + Q

Поскольку объем грамм молекулы любого газа одинаков, ДК в этом случае равен:

ДК = 6СО 2 / 6О 2 = 1,0

ДК жиров составляет 0,7; ДК белков составляет около 0,8; ДК смешанной пищи составляет 0,85.

Определенному дыхательному коэффициенту соответствует опреде-ленный калорический эквивалент по кислороду (КЭО 2 ). КЭО 2 для соответствующего ДК находят по специальным таблицам.

Калорический эквивалент по кислороду – это количество энергии, которое выделяется при окислении питательных веществ в 1,0 литре кислорода. Зная КЭО2 и объем потребленного кислорода можно легко рассчитать общее количество выделенной энергии в данных условиях

А = КЭО 2 х V О 2 / 1000

Данный метод достаточно прост, надежен и, в связи с этим широко применяется в медицине для оценки энергетического обмена человека.

5. Понятие о рациональном питании. Правила составления пищевых рационов.

Термин рациональное питание буквально означает разумное питание. Поскольку фактор питания во многом определяет уровень индивидуального здоровья, на сегодняшней лекции затронем некоторые принципы рационального питания человека.

Первый принцип рационального питания – принцип энергетической адекватности.

В соответствии с данным принципом энергетическая ценность пищевых веществ, входящих в состав принимаемой пищи, должна соответство-вать валовым энергетическим тратам организма. При увеличении валовых энергетических трат организма в связи с производственной деятельностью (увеличение рабочей прибавки), должна в обязательном порядке возрастать энергетическая ценность получаемой пищи.

Второй принцип рационального питания – принцип оптимальной сбалансированности питательных веществ, входящих в состав принимаемой пищи. На сегодняшний день В Российской школе физиологии питания принято считать, что оптимальным соотношением между белками, жирами и углеводами, получаемыми с пищей, является отношение 1: 1: 4. Это соотношение говорит о том, что в количествен-ном отношении в рациональном пищевом рационе белки должны составлять 1 часть, жиры - 1–часть, а углеводы – 4 части.

Третий принцип рационального питания гласит о том, что потребляема пища в биологическом плане должна быть полноценной, т.е. с пищей в полном объеме должны поступать незаменимые аминокислоты, предельные и непредельные жирные кислоты, витамины, пищевые волокна, все необходимые минеральные соли. В практическом плане этот вопрос решается следующим образом: белки должны быть не только животного, но и растительного происхождения (55% должны составлять белки животного происхождения, 45% - белки растительного происхождения). Белки растительного происхождения содержатся в плодах бобовых растений. Необходимо, чтобы 60% жиров в пищевом рационе составляли жиры растительного происхождения (подсолнечное, оливковое и другие растительные масла), а 40% жиров – животного происхождения. Это требование связано с тем, что в жирах растительного происхождения содержатся непредельные жирные кислоты. Для обеспечения пищевого рациона витаминами и минеральными солями необходимо в него включать достаточное количество сырых фруктов и овощей.

Четвертый принцип рационального питания требует оптимальной кратности питания и оптимального распределения объема потребляемой пищи в течение дня. Наиболее оптимальным считается четырехкратный прием пищи, включающий завтрак, обед, полдник и ужин. При этом в течение завтрака должно потребляться 20-25% всего объема пищи, исходя из ее калорийности, 40-45% - в течение обеда, 5-10% - в течение полдника, 15-20% - в течение ужина.

Пятый принцип рационального питания требует учета националь-ных, культурных и религиозных традиций населения, для которых специалист в области рационального питания разрабатывает пищевой рацион.

Обменом веществ и энергии называют совокупность химических и физических превращений, происходящих в живом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с внешней средой.

Единственным источником энергии для организма является окисление органических веществ, поступивших с пищей. В процессе обмена веществ органические соединения превращаются в более простые с выделением энергии. По количеству тепла, выделенного организмом во внешнюю среду, можно точно определить энергетические затраты организма. А так как источником энергии и пластических веществ является пища, то для нормального функционирования всех процессов питание должно быть рациональным, т.е. точно соответствовать потребностям организма в пластических и энергетических веществах, в минеральных веществах, витаминах, воде. Пищевой рацион должен обеспечивать нормальную жизнедеятельность организма, его высокую работоспособность, хорошее самочувствие, высокую устойчивость к инфекционным заболеваниям, правильный рост и развитие детского организма. Указанные превращения пищевых веществ внутри организма составляют обмен веществ, который делится на обмен белков, жиров и углеводов.

Белки - это сложные органические соединения жизненно необходимые для организма. Они используются как пластический материал, из которого строятся различные клетки и ткани тела и как источник энергии. Белки входят в состав гемоглобина, ферментов и гормонов. Белок фибриноген необходим для свертывания крови, сложные белки - нуклеопротеиды - являются носителями наследственности.

В организме постоянно происходит распад белков. Разрушаются старые клетки, образуются новые. Поэтому организм нуждается в постоянном поступлении белка с пищей.

Белки расщепляются в пищеварительном тракте до аминокислот, которые всасываются в кровь. С током крови они поступают в печень, где часть из них подвергается дезаминированию и переаминированию. Эти процессы обеспечивают синтез некоторых аминокислот и белков. Из печени аминокислоты поступают в ткани тела, где используются для синтеза белка. Избыток белка, поступившего с пищей, превращается в углеводы. Конечные продукты распада белков - мочевина, аммиак, мочевая кислота, креатинин и другие - выводятся из организма с мочой и потом.

Об использовании белков в организме судят по азотистому балансу. Его можно рассчитать по количеству азота, выделенного с мочой, потом и калом.

Углеводы - основной источник энергии в организме. Они поступают с пищей, а также синтезируется в самом организме из белков и жиров. При окислении 1 г углеводов освобождается 4,1 ккал тепла. Для окисления углеводов требуется меньше кислорода, чем для окисления жиров. Это имеет значение при мышечной работе, когда возрастает потребность организма в кислороде.

Крахмал, содержащийся в пище, расщепляется в пищеварительном канале до глюкозы, которая всасывается в кровь. Часть глюкозы используется тканями, но большая часть - превращается в сложный углевод - гликоген, который откладывается в запас в мышцах и печени. При необходимости запасенный гликоген вновь распадается до глюкозы и используется тканями организма. Концентрация глюкозы в крови служит показателем всех этапов углеводного обмена.

Жиры пищи расщепляются в пищеварительном тракте на глицерин и жирные кислоты, которые всасываются в лимфу, а из лимфы попадают в кровь. Жиры являются пластическим материалом - для образования тканевых структур, а также являются источником энергии. При окислении 1 г жира освобождается 9,1 ккал тепла. Жиры в печени могут превращаться в гликоген, а также откладываются в жировых депо.

Вместе с пищей в организм поступают минеральные вещества, которые имеют большое физиологическое значение, так как входят в состав белков, ферментов, гормонов, медиаторов; поддерживают РН крови; участвуют в деятельности нервной системы, сокращении мышц, секреции, всасывании, выделительных процессах, кроветворении, дыхании и т.д. Минеральные вещества выводятся из организма с калом, мочой и потом. Поэтому их потеря должна восполняться поступлением с пищей.

Вода входит в состав всех тканей организма и составляет 70% массы тела. Количество воды в организме поддерживается на строго определенном уровне. Водный обмен обеспечивает тесную взаимосвязь всех обменных процессов в организме. Избыток воды выводится через почки.

Для нормального обмена веществ необходимы витамины - органические соединения, содержащиеся в растительных и животных продуктах. Роль витаминов многообразна: ускоряют биохимические реакции в организме, взаимодействуют с гормонами и ферментами, повышая их эффективность, участвуют в образовании пищеварительных ферментов.

Энергетический обмен выражают в килокалориях (ккал) на единицу времени или по системе СИ в джоулях (Дж). 1 Дж = 2,39 х 10 -4 ккал; 1 ккал = 4,19 кДж.

Различают основной и общий обмен. Основной обмен – минимальные энергетические затраты организма, необходимые для поддержания жизнедеятельности. Определяется основной обмен в стандартных условиях:

1) утром; 2) в покое (в лежачем положении); 3) натощак; 4) в условиях температурного и барометрического комфорта.

Нормальные показатели основного обмена, измеренные у различных здоровых испытуемых, будут варьировать. Эта вариабельность связана с возможными различиями в возрасте, поле, росте и массе тела.

Рабочий обмен составляют энергетические затраты организма во время активной деятельности. Он значительно больше, чем основной обмен, особенно при мышечной работе. Это увеличение энергетических затрат составляет рабочую прибавку.

В регуляции обмена веществ различают три уровня: автоматическую регуляцию на уровне клетки, нервную и гуморальную регуляцию. В основе автоматической регуляции (саморегуляции) обмена веществ лежит принцип обратной связи, т.е. концентрация веществ в клетке регулирует направленность химического процесса.

Нервная регуляция связана преимущественно с деятельностью вегетативной нервной системы.

Гуморальная регуляция связана с гормонами и биологически активными веществами, которые активируют или тормозят действие ферментов.

Интенсивность обменных процессов измеряют по количеству выделенного тепла – калориметрически. Различают методы прямой калориметрии, когда непосредственно определяется количество выделенного тепла, для чего в 19 веке В.В. Пашутиным была создана специальная калориметрическая камера для человека.

Непрямое измерение интенсивности обменных процессов основано на измерении количества поглощенного организмом кислорода. Количество тепла, освобождающегося при потреблении организмом 1 л кислорода, называется калорическим эквивалентом кислорода.

Дыхательный коэффициент (или соотношение легочного газообмена) характеризует тип использованных пищевых веществ (белков, жиров, углеводов). Этот показатель определяется соотношением объема выделенного углекислого газа, к объему поглощенного кислорода.

Дыхательный коэффициент (ДК) = -----------

При окислении смешанной пищи у человека ДК = 0,85 – 0,9; для углеводов ДК= 1,0; для белков ДК = 0,8; для жиров ДК =0,7.

Непрямой метод и закрытые системы измерения интенсивности обменных процессов являются наиболее распространенными.

Процессы обмена веществ связаны с выработкой тепла. Температура органов и тканей, как и организма в целом, зависит от интенсивности образования тепла и от величины теплопотерь.

Постоянство температуры тела у человека может сохраниться лишь при условии равновесия между теплообразованием и теплоотдачей всего организма. Организм человека И.П. Павлов условно разделил на оболочку и ядро.

Оболочка пойкилотермна, т.к. ее температура меняется в достаточно широком диапазоне в зависимости от температуры окружающей среды и зависит от индивидуальных особенностей. На оболочку возложены функции теплоизоляции и теплоотдачи.

Температура ядра в норме поддерживается на постоянном уровне.

Теплообразование или термогенез принято делить на сократительный и несократительный.

Сократительный термогенез есть теплопродукция при сокращении мышц. Различают: 1) терморегуляторный мышечный тонус – постоянное тоническое сокращение глубоко лежащих мышц (у ядра);

2) произвольная мышечная деятельность;

3) мышечная дрожь, она в 5 раз эффективнее произвольной мышечной деятельности.

Несократительный термогенез осуществляется за счет:

1) усиления окислительных процессов в тканях под влиянием симпатической нервной системы, адреналина, гормонов щитовидной железы, при увеличении притока крови к тканям, т.к. увеличивается приток кислорода;

2) разобщения окисления и фосфорилирования, когда большая часть энергии рассеивается (гормоны щитовидной железы, яды змей, бактериальные токсины).

Несократительный термогенез может быть базисным, как результат основного обмена, и регулируемым – изменение тепла под влиянием нервных и гуморальных факторов.

Теплоотдача осуществляется путем:

1) проведения;

2) конвекции естественной и форсированной;

3) радиации (инфракрасное излучение);

4) испарения (влажная теплоотдача), может быть неощутимой и ощутимой (сильное потоотделение).

Колебания температуры воспринимаются терморецепторами:

а) оболочки (холодовые и тепловые);

б) ядра, которые могут быть расположены в кровеносных сосудах, брыжейке, слизистой желудка, прямой кишке;

в) центральные терморецепторы – это нервные клетки межуточного мозга, которые воспринимают температуру крови.

От рецепторов информация поступает в центр терморегуляции по соматическим и вегетативным нервам. Центр терморегуляции расположен в гипоталамусе.

УЧЕБНЫЕ ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ.

Студент должен знать: назначение обмена веществ и энергии; виды обмена веществ; классификацию методов измерения обменных процессов; дыхательный коэффициент в норме для разных видов пищевых веществ; калорический эквивалент кислорода; уровни регуляции обмена веществ; значение постоянства температуры внутренней среды для организма; механизмы теплопродукции и теплоотдачи; механизмы терморегуляции.

Студент должен уметь: объяснить принципы определения энергозатрат; рассчитать должные величины основного обмена; уметь пользоваться таблицами для определения должных величин основного обмена; объяснить величину дыхательного коэффициента.

ТЕСТОВЫЙ КОНТРОЛЬ ИСХОДНОГО УРОВНЯ ЗНАНИЙ

1. Назовите основные составные части теплорегуляции организма.

2. Какое значение имеет мышечная система в терморегуляции?

3. Какое значение имеет сердечно-сосудистая система в терморегуляции?

4. Какое значение имеет дыхательная система в терморегуляции?

5. Что такое гипотермия?

6. Что такое гипертермия?

7. Что такое основной обмен?

8. Что такое общий обмен?

9. Что такое рабочая прибавка?

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕМЫ

1. Понятие об энергетическом балансе организма.

2. Основной обмен и факторы его определяющие.

3. Общий обмен.

4. Способы определения интенсивности обменных процессов. Характеристика методов прямой и непрямой калориметрии.

5. Механизм теплопродукции, ее регуляция.

6. Механизм теплоотдачи, ее регуляция.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ

Представлены в формате видеоматериалов, содержащих соответствующие эксперименты.

Основой живой материи является белок. Поэтому наше тело нуждается в непрерывном притоке белка из внешней среды взамен распадающегося в ходе диссимиляции. В отличие растений, мы, как уже говорилось, не только не можем создавать аминокислот, но не можем даже в достаточной степени превращать их друг в друга. Нам нужны готовые , из которых формирует , родственные белкам наших тканей. Основными видами пищи, содержащими белок, являются мясо, молоко, яйца. По характеру своих «кирпичиков», т. е. аминокислотному составу, эти белки сходны с нашими и отличаются лишь иным порядком соединения аминокислот.

Такими же белками, входящими в группу полноценных для нас, являются белки некоторых растений: картофеля, сои. В , крупах содержатся белки, в которых имеются не все необходимые нам аминокислоты. Однако если разнообразить питание, то несколько белков, входящих в группу неполноценных, дадут вместе полный набор нужных нам аминокислот.

Важнейшей особенностью белков является то, что они не могут откладываться в организме про запас. Каждый день мы должны получать столько белков, сколько необходимо для обмена веществ. Поступающий сверх этого белок все равно разрушается и этим только раздувает пламя метаболизма. В результате этого может ускориться организма. Взрослому человеку в сутки требуется около 100 г белка, при тяжелом физическом труде и спортивной тренировке - до 130- 140 г.

О витамине К мы уже говорили, когда разбирали механизм . Витамин РР родствен группе витамина В и нужен для правильной работы нервной системы, кожи, кишечника.

Поскольку центральной лабораторией нашего тела и тела животных является печень, в этом органе имеются наибольшие запасы всех витаминов. Употребление печени в пищу - средство от любого авитаминоза. Любопытно, что в древности у некоторых первобытных племен, еще не порвавших с каннибализмом, существовало мнение об особой ценности печени. Считалось, что съесть печень храброго и сильного человека из поверженных врагов - лучший способ стать сильным и храбрым.

Обменом веществ и энергии называется совокупность химических и физических превращений, происходящих в живом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность. Ф. Энгельс назвал обмен веществ, или метаболизм, основным признаком жизни. Энергия, освобождающаяся в процессе метаболизма, необходима для совершения работы, роста, развития и обеспечения структуры и функций всех клеточных элементов.

Обмен веществ и энергии составляют единое целое, и они подчиняются универсальному закону природы - закону сохранения материи и энергии .

Метаболизм обеспечивает восстановление постоянно теряемых организмом веществ (вода, минеральные соединения) и распадающихся органических соединений, входящих в состав тканей и тканевых жидкостей, снабжает организм энергией, необходимой для движения, секреции, экскреции, образования ряда веществ и других проявлений жизни.

Обмен веществ складывается из процессов ассимиляции и диссимиляции. Совокупность синтетических процессов, при которых расходуется энергия, носит название ассимиляции, пластического обмена или анаболизма.

Совокупность процессов распада соединений, протекающих с высвобождением энергии, получила название диссимиляции, энергетического процесса или катаболизма.

Единственным источником энергии для человека и животных является окисление органических веществ, поступающих с пищей. При расщеплении пищевых продуктов до конечных элементов - углекислоты и воды, выделяется энергия химических связей. Одна часть выделившейся энергии переходит в механическую работу, выполняемую мышцами, другая часть используется для синтеза более сложных соединений или запасается в специальных макроэргических соединениях.

Макроэргическими соединениями называют вещества, в которых накапливается много энергии. В организме человека и животных роль макроэргических соединений выполняют аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) и креатинфосфат (КФ).

Процессы ассимиляции (анаболизм) и диссимиляции (катаболизм) неразрывно связаны между собой. В разные периоды жизни организма наблюдаются различные соотношения между процессами ассимиляции и диссимиляции. В период роста преобладает ассимиляция; во взрослом организме устанавливается относительное равновесие между катаболизмом и анаболизмом; в старческом возрасте ассимиляция отстает от процессов диссимиляции. Нарушение нормальных соотношений между процессами катаболизма и анаболизма наблюдается при болезненных состояниях.

Обмен белков

Белками (протеинами) называют высокомолекулярные соединения, построенные из аминокислот. Белки выполняют многочисленные функции в организме.

Структурная , или пластическая, функция белков заключается в том, что протеины являются главной составной частью всех клеток и межклеточных структур. Белки также входят в состав основного вещества хрящей, костей и кожи. Биосинтез белков определяет рост и развитие организма.

Каталитическая , или ферментная, функция белков состоит в том, что протеины способны ускорять биохимические реакции в организме. Все известные в настоящее время ферменты являются белками. От активности белков-ферментов зависит осуществление всех видов обмена веществ в организме.

Защитная функция белков проявляется в образовании иммунных тел (антител) при поступлении в организм чужеродного белка (например, бактерий). Кроме того, белки связывают токсины и яды, попадающие в организм, и обеспечивают свертывание крови и остановку кровотечения при ранениях.

Транспортная функция белков заключается в том, что белки принимают участие в переносе многих веществ. Так, снабжение клеток кислородом и удаление углекислого газа из организма осуществляется сложным белком-гемоглобином, липопротеиды обеспечивают транспорт жиров и т. д.

Передача наследственных свойств , в которой ведущую роль играют нуклеопротеиды, является одной из важнейших функций белков. В состав нуклеопротеидов входят нуклеиновые кислоты. Различают два основных типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК), содержащие аденин, цитозин, урацил, рибозу и фосфорную кислоту, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), в состав которых входят дезоксирибоза вместо рибозы и тимин вместо урацила. Важнейшей биологической функцией нуклеиновых кислот является их участие в биосинтезе белков. Нуклеиновые кислоты не только необходимы для самого процесса биосинтеза белка, они обеспечивают также образование белков, специфичных для данного вида и органа.

Регуляторная функция белков направлена на поддержание биологических констант в организме, что обеспечивается регулирующими влияниями различных гормонов белковой природы.

Энергетическая роль белков состоит в обеспечении энергией всех жизненных процессов в организме животных и человека. Белки-ферменты определяют все стороны обмена веществ и образование энергии не только из самих протеинов, но и из углеводов и жиров. При окислении 1 г белка в среднем освобождается энергия, равная 16,7 кДж (4,0 ккал) * .

* (Джоуль (Дж) - работа, которую совершает постоянная сила, равная 1 Н (ньютон), на пути в 1 м, пройденном телом под действием этой силы по направлению, совпадающему с направлением силы; 1 кал.=4,1868 Дж. )

Индивидуальная специфичность белков . Белковые тела различных людей имеют индивидуальную специфичность. Это подтверждается, в частности, образованием иммунных тел в организме человека при пересадке органов, в результате чего может возникнуть реакция отторжения пересаженного органа.

Индивидуальные различия в составе белков передаются но наследству. Нарушение генетического кода в ряде случаев может явиться причиной тяжелых наследственных заболеваний.

Потребность в белках . В организме постоянно происходит распад и синтез белков. Единственным источником синтеза нового белка являются белки пищи. После расщепления белков ферментами до аминокислот в пищеварительном тракте в тонком кишечнике происходит их всасывание. Одновременно с аминокислотами могут частично всасываться и простейшие пептиды. Из аминокислот и простейших пептидов клетки синтезируют собственный белок, который характерен только для данного организма.

Белки не могут быть заменены другими пищевыми веществами, так как их синтез в организме возможен только из аминокислот. Вместе с тем белок может замещать собой жиры и углеводы, т. е. использоваться для синтеза этих соединений.

Человек получает белок с пищей. При введении чужеродных белковых веществ непосредственно в кровь, минуя пищеварительный тракт, они не только не могут быть использованы организмом, но и приводят к ряду серьезных осложнений (повышение температуры, судороги и другие явления). При повторном введении чужеродного белка в кровь через 15-20 дней может наступить смерть.

Биологическая ценность белков . В разных природных источниках белка (растительных и животных) насчитывается более 80 аминокислот. Однако в пищевых продуктах, которые использует человек, содержится только 20 аминокислот. Установлено, что не все аминокислоты, входящие в состав белков, являются равноценными для человека. Некоторые аминокислоты не могут синтезироваться в организме человека и должны обязательно поступать с пищей в готовом виде. Эти аминокислоты принято называть незаменимыми, или жизненно необходимыми . К ним относятся валин, метионин, треонин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан и лизин , а у детей еще аргинин и гистидин . Недостаток незаменимых кислот в пище приводит к нарушениям белкового обмена в организме.

Белки содержат различные аминокислоты и в разных соотношениях. В состав пищи животного происхождения входит больше незаменимых аминокислот, чем в состав растительной пищи. Белки, содержащие весь необходимый набор аминокислот, называют биологически полноценными . Наиболее высока биологическая ценность белков молока, яиц, рыбы, мяса.Биологически неполноценными называют белки, в составе которых отсутствует хотя бы одна аминокислота, которая не может быть синтезирована в организме. Неполноценными белками являются белки кукурузы, пшеницы, ячменя.

Два или три неполноценных белка, дополняя друг друга, могут обеспечить сбалансированное питание человека. Для нормальной жизнедеятельности организма необходимо, чтобы в пище содержались все необходимые аминокислоты.

При отсутствии полноценного белкового питания тормозится рост, нарушается формирование скелета. При белковом голодании вначале происходит усиленный распад протеинов скелетной мускулатуры, печени, крови, кишечника, кожи. Аминокислоты, которые при этом освобождаются, используются для синтеза белков центральной нервной системы, миокарда, гормонов. Однако такое перераспределение аминокислот не может восполнить недостаток пищевого белка, и наступает закономерное снижение активности ферментов, нарушаются функции печени, почек и т. д.

Азотистый баланс . По уровню выведенного из организма азота можно судить о количестве распадающегося в организме белка. Азот является обязательной составной частью белка и продуктов его расщепления - аминокислот. Азот поступает в организм только с белковой пищей, так как в других питательных веществах он не содержится и иными путями в организм не попадает.

Белки содержат в среднем 16% азота, поэтому по уровню азота в пище можно установить количество потребленного белка. Для этого необходимо количество азота умножить на 6,25 (эту цифру получают при делении 100 на 16). Азот пищи полностью организмом не усваивается. Для точного расчета усвоенного организмом азота нужно определить потери его с калом и полученную цифру вычесть из количества потребленного азота.

О распавшемся белке в организме судят по содержанию азота в моче, так как азот выводится из организма преимущественно с мочой. Определив содержание азота в моче и умножив полученное значение на 6,25, мы узнаем количество распавшегося белка в организме.

Азотистым балансом называют разность между количеством азота, содержащегося в пище человека или животного, и его уровнем в выделениях. Различают азотистое равновесие, положительный и отрицательный азотистый баланс.

Азотистое равновесие - это такое состояние, при котором количество выведенного азота равно количеству поступившего в организм. Азотистое равновесие наблюдается у здорового взрослого человека.

Положительный азотистый баланс - это состояние, при котором количество азота в выделениях организма значительно меньше, чем содержание его в пище, т. е. наблюдается задержка азота в организме. Положительный азотистый баланс отмечается у детей в связи с усиленным ростом, у женщин во время беременности, при усиленной спортивной тренировке, приводящей к увеличению мышечной ткани, при заживлении массивных ран или выздоровлении после тяжелых заболеваний.

Отрицательный азотистый баланс отмечается тогда, когда количество выделяющегося азота больше содержания его в пище, поступающей в организм. Отрицательный азотистый баланс наблюдается при белковом голодании, лихорадочных состояниях, нарушениях нейроэндокринной регуляции белкового обмена.

Распад белка и синтез мочевины . Важнейшими азотистыми продуктами распада белков, которые выделяются с мочой и потом, являются мочевина, мочевая кислота и аммиак.

Окисление аминокислот происходит путем отщепления от них азота в виде аммиака. Аммиак является очень токсичным веществом для центральной нервной системы и других тканей организма. Однако аммиак обезвреживается в тканях печени и мозга: в печени путем образования мочевины, в ткани мозга за счет превращения в глутамин.

Значение мочевинообразовательной функции печени в защите организма от отравления аммиаком было показано в 1895 г. И. П. Павловым, М. Ненцким и И. Залесским. Они установили, что в крови печеночной вены содержится втрое меньше аммиака, чем в воротной вене. Следовательно, в печени значительная часть аммиака превращается в мочевину. Удаление печени приводит к гибели собак от аммиачного отравления. Мочевина же представляет собой относительно безвредный продукт и выводится из организма с мочой.

Часть аммиака обезвреживается путем превращения в глутаминовую кислоту и глутамин. В крови здоровых людей циркулирует лишь незначительное количество аммиака.

При нарушении синтеза мочевины в печени увеличивается концентрация аммиака, аминокислот и полипептидов в крови, что вызывает возбуждение центральной нервной системы, появление судорог, спутанность сознания и даже коматозное состояние и смерть.

Обмен жиров

К жирам относят неоднородные в химическом отношении вещества, которые делят на простые липиды (нейтральные жиры, воски), сложные липиды (фосфолипиды, гликолипиды, сульфолипиды) и стероиды (холестерин и др.). Основная масса липидов представлена в организме человека нейтральными жирами. Нейтральные жиры пищи человека являются важным источником энергии. При окислении 1 г жира выделяется 38,3 кДж (9,3 ккал) энергии. За счет окисления нейтральных жиров образуется около 50% энергии взрослого человека и около 40% энергии грудного ребенка. Нейтральные жиры являются источником эндогенной воды (при окислении 100 г жира освобождается 107-Ю-3 л воды). Они способствуют нормальному обмену воды в организме. Нейтральный жир является обязательной составной частью протоплазмы, ядра и оболочки клетки, выполняя тем самым пластическую функцию. Жир может депонироваться в виде жировых капель, преимущественно в подкожной жировой клетчатке. В этом случае жир предохраняет организм от усиленной отдачи тепла. Если жир отложился в других местах, то он защищает органы от травматических повреждений.

Суточная потребность взрослого человека в нейтральном жире составляет 70-80 г, детей 3-10 лет- 26-30 г.

Нейтральные жиры в энергетическом отношении могут быть заменены углеводами. Однако есть ненасыщенные жирные кислоты - линолевая, линоленовая и арахидоновая , которые должны обязательно содержаться в пищевом рационе человека, их называют незаменимыми жирными кислотами . Длительное отсутствие незаменимых жирных кислот в пище приводит к замедлению роста у молодых животных и потере способности к размножению у взрослых. Суточная потребность в этих кислотах для человека составляет 10-12 г.

Линоленовая и линолевая кислоты в значительном количестве содержатся в растительных жирах, в меньших количествах - в животных жирах. Арахидоновую кислоту обнаруживают только в животных жирах.

Нейтральные жиры, входящие в состав пищи и тканей человека, представлены главным образом триглицеридами, содержащими жирные кислоты - пальмитиновую, стеариновую, олеиновую, линолевую и линоленовую.

В нормальных условиях количество жира в организме составляет 10-20% массы тела. При употреблении пищи, содержащей небольшие количества жира, в теле животных и человека откладывается жир, свойственный видовым особенностям данного организма. Если же в питании длительно используют большие количества какого-либо одного вида жира, состав жировых депо меняется.

В межуточном обмене жиров важная роль принадлежит печени. Печень - основной орган, в котором происходит образованиекетоновых тел (β-оксимасляная и ацетоуксусная кислоты, ацетон). Кетоновые тела используются как источник энергии.

Фосфо- и гликолипиды входят в состав всех клеток, но главным образом в состав клеток нервной системы. Фосфолипиды синтезируются в кишечной стенке и в печени. Однако только клетки печени способны выделять фосфолипиды в кровь, поэтому печень является практически единственным органом, поддерживающим уровень фосфолипидов в крови. Холестерин и другие стероиды могут поступать с пищей или синтезироваться в организме. Основным местом синтеза холестерина является печень. Неиспользованный холестерин подвергается расщеплению в печени, и продукты его распада превращаются в желчные кислоты. Они поступают в кишечник с желчью. Часть холестерина может проходить непосредственно из крови через стенку толстого кишечника в его полость.

В жировой ткани нейтральный жир депонируется в виде триглицеридов. По мере необходимости происходит мобилизация жира, т. е. распад триглицеридов с освобождением неэстерифицированных (свободных) жирных кислот .

Образование жиров из углеводов . Избыточное употребление в пищу углеводов приводит к отложению жира в организме. В норме у человека 25-30% углеводов пищи превращается в жиры.

Образование жиров из белков . Белки являются пластическим материалом. Организм сберегает эти ценные вещества. Только при чрезвычайных обстоятельствах белки используются для энергетических целей. Превращение белка в жирные кислоты происходит, вероятнее всего, через образование углеводов.

Обмен углеводов

Биологическая роль углеводов для организма человека определяется прежде всего их энергетической функцией. Энергетическая ценность 1 г углеводов составляет 15,7 кДж (3,75 ккал). Углеводы являются непосредственным источником энергии для всех клеток организма, играют важную пластическую роль, входя в состав протоплазмы и субклеточных образований, выполняют опорную функцию (кости, хрящи, соединительная ткань).

Суточная потребность взрослого человека в углеводах составляет около 0,5 кг. Основная часть их (около 70%) окисляется в тканях до воды и углекислого газа. Около 25-28% пищевой глюкозы превращается в жир и только 2-5% ее синтезируется в гликоген - резервный углевод организма.

Поступившие с пищей сложные углеводы не могут проникнуть через слизистую оболочку кишечника в кровь и лимфу. Единственной формой углеводов, которая может всасываться, являются моносахара.

Моносахара всасываются главным образом в тонком кишечнике, током крови переносятся в печень и к тканям. В печени из глюкозы синтезируется гликоген. Этот процесс носит название гликогенеза . Гликоген может распадаться до глюкозы. Это явление называют гликогенолизом . В печени возможно новообразование углеводов из продуктов их распада (пировиноградной или молочной кислоты), а также из продуктов распада жиров и белков (кетокислот) - глюконеогенез .

Гликогенез, гликогенолиз и глюконеогенез, тесно взаимосвязанные и интенсивно протекающие в печени, обеспечивают оптимальный уровень сахара в крови. Так, было показано, что кровь, притекающая к печени, содержащая незначительное количество сахара, способствует переходу гликогена в глюкозу и поступлению ее в сосудистое русло. Кровь с повышенным содержанием глюкозы вызывает в печени процесс гликогенеза, что приводит к уменьшению уровня сахара в крови, оттекающей от железы. Эта способность печени получила название гомеостатического механизма .

В углеводном обмене организма большое значение имеет мышечная ткань. Мышцы, особенно во время их повышенной деятельности, захватывают из крови большое количество глюкозы. В мышцах, так же как и в печени, синтезируется гликоген. Распад гликогена является одним из источников энергии мышечного сокращения. При распаде мышечного гликогена процесс идет до образования пировиноградной и молочной кислот. Этот процесс называют гликолизом . В фазе отдыха из значительной части молочной кислоты в мышечной ткани происходит ресинтез гликогена. Часть молочной кислоты поступает в кровь. Молочная кислота захватывается другими органами, в частности печенью. В печени из молочной кислоты синтезируется гликоген.

Таким образом, гликоген печени поставляет в кровь глюкозу, которая захватывается мышцами и используется для синтеза мышечного гликогена. Последний, распадаясь до молочной кислоты, предоставляет материал для синтеза гликогена в печени.

Головной мозг содержит очень небольшие запасы углеводов и нуждается в постоянном поступлении глюкозы. Мозг поглощает около 69% глюкозы, выделяемой печенью. Глюкоза в тканях мозга преимущественно окисляется, а небольшая часть ее превращается в молочную кислоту. Энергетические расходы мозга покрываются исключительно за счет углеводов. Снижение поступления в мозг глюкозы сопровождается изменением обменных процессов в нервной ткани и нарушением функций мозга.

Анаэробная и аэробная мобилизация содержащейся в углеводах энергии . В анаэробных (бескислородных) условиях глюкоза превращается в молочную кислоту. В процессе гликолиза одной молекулы глюкозы расходуются две и синтезируются четыре молекулы АТФ, т. е. имеется положительный баланс - две молекулы АТФ. Около 35% всей энергии аккумулируется в АТФ, остальная, большая, часть энергии рассеивается в виде тепла. Энергетически гликолиз не выгоден для организма.

Окисление глюкозы более эффективно. При аэробном (в присутствии кислорода) окислении из одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ. Эффект дыхания составляет 45-55%. Таким образом, гликолитический процесс сопровождается выделением большого количества тепла, а окисление глюкозы - накоплением энергии в макроэргических связях АТФ .

Образование углеводов из белков и жиров (глюконеогенез) . В результате превращения аминокислот образуется пировиноградная кислота, при окислении жирных кислот - ацетилкоэнзим А, который может превращаться в пировиноградную кислоту - предшественник глюкозы. Это наиболее важный общий путь биосинтеза углеводов.

Аминокислоты - предшественники углеводов называют глюкопластическими аминокислотами. К ним относят аланин, аргинин, аспарагиновую кислоту, аспарагин, цистеин, глутаминовую кислоту, глутамин, глицин, гистидин, метионин, пролин, серии, треонин, триптофан, валин.

Питание животных пищей, богатой белками, часто приводит к отложению гликогена в печени и в жировой ткани.

Между двумя основными источниками энергии - углеводами и жирами - существует тесная физиологическая взаимосвязь. Повышение содержания глюкозы в крови увеличивает биосинтез триглицеридов и уменьшает распад жиров в жировой ткани. В кровь меньше поступает свободных (неэстерифицированных) жирных кислот. Если возникает гипогликемия, то процесс синтеза триглицеридов тормозится, ускоряется распад жиров и в кровь в большем количестве поступают неэстерифицированные жирные кислоты.

Доказательством возможности такого превращения жиров в углеводы служат наблюдения над животными, которые находятся в зимней спячке. У этих животных в течение зимы полностью исчезают жировые запасы.

Похожая информация.