Обмен веществ и энергии. Белковый, жировой, углеводный, минеральный и водный обмен веществ. Виды их нарушения и последствия для организма.

Обмен веществ – это совокупность процессов поступления питательных веществ в организм, использования их организмом для синтеза клеточных структур и выработки энергии, а также выделения конечных продуктов в окружающую среду. Обмен веществ проходит в три этапа: 1) поступление веществ в организм (обеспечивает пищеварительная система); 2) использование веществ клетками организма и 3) выделение продуктов распада в окружающую среду посредством систем дыхания и выделения.

Питание – это совокупность питательных веществ и их способ поступления в организм. Питательные вещества – это продукты гидролиза жиров, белков и углеводов (мономеры0 – пластический и энергетический материал, а также вода, минеральные соли и витамины, которые являются только пластическими материалами.

Ассимиляция – совокупность процессов, обеспечивающих поступление питательных веществ во внутреннюю среду организма, и использование их для синтеза клеточных структур и секретов клеток.

Пищеварение – первый этап ассимиляции (расщепление белков, жиров и углеводов пищи с помощью гидролиза). Конечными продуктами гидролиза белков являются аминокислоты, нуклеотиды; углеводов – моносахариды; жиров – жирные кислоты, моноглицериды.

Анаболизм – заключительная часть ассимиляции, совокупность внутриклеточных процессов, обеспечивающих синтез структур и секретов клеток организма. Исходными продуктами анаболизма являются: мономеры (аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты, моноглицериды, нуклеотиды), а также вода, минеральные соли и витамины; конечными – полимеры: специфические белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. Анаболизм обеспечивает восстановление распавшихся в процессе диссимиляции клеточных структур, восстановление энергетического потенциала, рост развивающегося организма.

Диссимиляция – процесс распада клеточных структур до мономеров и других соединений без высвобождения энергии. Исходными продуктами диссимиляции являются белки, жиры и углеводы клеток организма, конечными – аминокислоты, моносахара, жирные кислоты, нуклеотиды, содержащие энергию.

Катаболизм – процесс распада мономеров и других соединений, попадающих в клетку из крови, до конечных продуктов (воды, углекислого газа и аммиака) с высвобождением энергии.

У здорового взрослого человека наблюдается равновесие между процессами анаболизма и диссимиляции. В период роста, при беременности, при интенсивной физической нагрузке, в период выздоровления или выхода из состояния голодания анаболизм преобладает над диссимиляцией. В старости, при истощениях, при голодании, при стрессовых состояниях диссимиляция выше анаболизма.

Анаболизм и диссимиляция в целом обеспечивают самообновление клеточных структур организма в ходе взаимосвязанных биохимических превращений.

Обмен белков

Белки составляют 15-20% сырой массы тканей человека. Белки могут быть структурными, ферментативными, транспортными, сократительными, рецепторными и участвующими в передаче генетической информации.

1. Роль белков в организме. С синтезом белка в клетках связаны: 1) процессы роста и самообновления структурных компонентов организма; 2) процессы регенерации и восполнения специфических клеточных белков; 3) продукция ферментов, гормонов, иммуноглобулинов, гемоглобина, рецепторных белков; 4) в плазме крови белки обеспечивают онкотическое давление и тем самым влияют на обмен воды между кровью и тканями; 5) участвуют в важнейших защитных реакциях организма; 6) входят в состав буферных систем плазмы; 7) являются переносчиками гормонов, минеральных веществ, липидов, холестерина; 8) поддерживают суспензионные свойства и вязкость крови, необходимые для обеспечения оптимальных параметров гемодинамики; 9) белки могут использоваться в качестве источника энергии, особенно во время стрессовых ситуаций.

2. Биологическая ценность различных белков определяется соотношением содержащихся в них аминокислот. Основными структурными компонентами белков являются 20 аминокислот, их которых 10 считаются незаменимыми, то есть не синтезируются в организме и поступают с пищей. К ним относятся: аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин. Животные белки, которые содержат все выше перечисленные аминокислоты, называются полноценными. Они почти полностью способны превращаться в белковые структуры организма. Неполноценными называются белки, которые не содержат хотя бы одну незаменимую аминокислоту. Пищевой рацион должен включать до 55-60% белков животного происхождения.

3. Азотистый баланс оценивается по результатам сравнения количества принятого с пищей и выведенного из организма азота и позволяет судить о характере белкового обмена. В организме взрослого здорового человека эти параметры обычно равны между собой, то есть имеет место азотистое равновесие. Преобладание количества выведенного из организма азота – отрицательный баланс – может наблюдаться при недостатке в пище полноценных белков, при голодании, при травмах, ожогах, после хирургических операций, а также в результате старения. При белковом голодании источником свободных аминокислот становятся белки плазмы, печени, слизистой оболочки кишечника и мышечной ткани, что позволяет достаточно долго поддерживать обновление белков мозга и сердца. Положительный баланс азота, характеризующийся накоплением белка в организме, развивается обычно в условиях преобладания анаболических процессов над катаболическими.

4. Регуляция обмена белков осуществляется нервными, нервно-гуморальными и гуморальными механизмами. В ядрах гипоталамуса анализируется состояние внутренней среды организма. Управляющие сигналы посредством вегетативных путей и связей с гипофизом приспосабливают метаболические реакции к потребностям организма.

Гормональная регуляция белкового обмена чаще приводит к увеличению его анаболической направленности, но может способствовать и катаболическим эффектам.

Инсулин повышает поступление в клетки аминокислот. Гормон роста – соматотропин – повышает транспорт аминокислот в клетки и синтез белка. Тестостерон и эстрогены анаболически работают в мышечной ткани. Тироксин повышает скорость обменных реакций во всех клетках и способствует повышению синтеза белка. Глюкокортикоиды вызывают уменьшение концентрации белка в большинстве клеток, повышение концентрации аминокислот в плазме, увеличение синтеза белка в печени и его переход в углеводы (глюконеогенез).

Обмен липидов

Липиды представлены в организме в основном нейтральными жирами (триглицеридами), фосфолипидами, холестерином и жирными кислотами. Жирные кислоты являются компонентами триглицеридов и фосфолипидов и делятся на ненасыщенные (линолевая и линоленовая) и насыщенные (стеариновая и пальмитиновая) жирные кислоты.

Роль липидов:

1. Пластическая роль липидов реализуется фосфолипидами и холестерином. Эти вещества участвуют в синтезе тромбоплатина, миелина, стероидных гормонов, желчных кислот, простогландинов, витамина D4, в формировании биологических мембран, обеспечении их прочности и биофизических свойств.

2. Жиры являются источником энергии.

3. Жиры выполняют защитную функцию. Холестерин входит в состав компонентов кожи и тем самым ограничивает абсорбцию водорастворимых веществ и некоторых химически активных факторов. Холестерин уменьшает потери воды через кожу. Жиры обеспечивают механическую фиксацию и защиту внутренних органов от механических повреждений. Подкожная жировая клетчатка является теплоизолирующим слоем.

4. Жиры являются источником образования эндогенной воды и являются депо энергии и воды.

5. Жировая ткань обеспечивает женщине резерв энергии, необходимый для вынашивания плода и грудного вскармливания. У взрослой женщины доля жировой ткани в организме – в среднем 20-25% массы тела – почти вдвое больше, чем у мужчины (соответственно 12-14%).

Биологическая ценность различных жиров зависит от соотношения содержания жиров животного и растительного происхождения. В частности, линолевая и линоленовая ненасыщенные кислоты представляют собой незаменимые факторы питания, так как не могут синтезироваться в организме из других веществ. Вместе с арахидоновой кислтой, которая образуется в организме из линолевой кислоты и в небольших количествах поступает вместе с мясной пищей, ненасыщенные жирные кислоты получили название витамина F. Роль этих кислот состоит в синтезе важнейших липидных компонентов клеточных мембран, которые существенно определяют активность ферментов мембран и их проницаемость. Полиненасыщенные жирные кислоты также являются материалом для синтеза простогландинов – регуляторов проницаемости мембран, возбудимости, интенсивности метаболизма.

Транспорт липидов лимфой и кровью

В пищеварительном тракте жиры расщепляются до моноглицеридов и жирных кислот. Из кишечника весь жир всасывается в лимфу в виде мелких капель – хиломикронов, на поверхности которых имеется белковая «одежка». Через грудной лимфатический проток хиломикроны попадают в венозную кровь. Хиломикроны – это различные соединения жирных кислот. Соединения жирных кислот с альбуминами крови называют свободными жирными кислотами. Кроме этого особой формой транспорта липидов кровью являются липопротеины (ЛП). Липопротеины делят на две группы в зависимости от их плотности: липопротеины низкой плотности ( ЛПНП ) и липопротеины высокой плотности ( ЛПВП ). ЛПВП на 50% состоят из белка, в них относительно мало холестерина и фосфолипидов. Эти соединения способны адсорбировать холестерин и его эфиры из стенок артерий и переносить их в печень, где они преобразуются в желчные кислоты. В ЛПНП содержится относительно много триглицеридов и до 80% холестерина плазмы. При большом количестве в крови ЛПНП их захватывают макрофаги кровеносных сосудов. В результате в стенках кровеносных сосудов накапливаются низкоактивные формы холестерина, что является стимулом формирования атеросклеротических бляшек. По соотношению концентраций ЛПВП и ЛПНП можно судить о величине риска нарушений липидного обмена, приводящих к атеросклеротическим поражениям.

Факторы, влияющие на концентрацию холестерина в крови

Нормальная концентрация холестерина в плазме крови колеблется в пределах 1,2-3,5 г/л. Источником холестерина является пища и эндогенный холестерин, синтезирующийся в печени. К факторам, которые влияют на уровень холестерина в плазме крови, относят:

1. Количество и активность ферментов эндогенного синтеза холестерина.

2. Диета с высоконасыщенным жиром стимулирует отложение жира в печени и синтез коэнзима А, что приводит к повышению концентрации холестерина в плазме на 15-25%.

3. Снижение секреции инсулина и тиреоидных гормонов способствует повышению уровня холестерина в плазме.

4. Регулярные физические упражнения способствуют повышению содержания в плазме ЛПВП и снижению уровня холестерина.

5. Нарушения обмена холестерина могут развиваться у некоторых лиц за счет изменения активности рецепторов липопротеинов при нормальном количестве в плазме крови холестерина. Это связано с курением, увеличением ЛПНП, уменьшения концентрации гормонов щитовидной железы и инсулина.

Регуляция липидного обмена

Нервные влияния на жировой обмен осуществляются гипоталамусом. Симпатические центры тормозят синтез триглицеридов, а парасимпатические способствуют отложению жира. Гормональная регуляция обмена триглицеридов зависит от количества углеводов в крови. Тиреоидные гормоны, первично влияя на скорость энергетического обмена, приводят к снижению количества коэнзима А и других метаболитов липидного обмена, в результате способствуют быстрой мобилизации жира. При стрессах активируется симпатическая нервная система, повышается секреция катехоламинов, кортикотропина и глюкокортикоидов, что приводит к увеличению активности липазы клеток, в результате в крови повышается концентрация жирных кислот. При интенсивных и длительных стрессах это может привести к развитию нарушений липидного обмена и развитию атеросклероза. Гормон гипофиза соматотропин действует аналогично.

Обмен углеводов

Углеводы поступают в организм в основном в виде полисахаридов растительного (крахмал) и животного (гликоген) происхождений. Конечными продуктами их гидролиза в пищеварительном тракте являются: глюкоза (80% этих продуктов), также фруктоза и галактоза, которые всасываются в кровь и быстро превращаются в глюкозу. Глюкоза представляет собой общий конечный продукт транспорта углеводов кровью. Концентрация в плазме крови глюкозы – важный параметр гомеостазиса. Она колеблется в пределах 0,8-1,0 г/л (4,4-5,5 ммоль/л) через 3-4 часа после еды. Прием большого количества рафинированных углеводов до 1,4 г/л (7,7 ммоль/л) повышает концентрацию глюкозы у здорового человека.

Роль углеводов в организме и пути их преобразования:

1. Пластическая роль углеводов. Глюкоза, галактоза и другие сахара входят в состав гликопротеинов, гликолипидов, которые играют важную роль в рецептивной функции клеточных мембран. Пентозы входят в состав нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Глюкоза необходима для синтеза некоторых липидов и аминокислот.

2. Энергетическая роль углеводов. В клетках глюкоза используется как источник энергии путем фосфорилирования при участии фермента гексокиназы или глюкокиназы. Основная часть глюкозы, пройдя ряд преобразований и включаясь в цикл Кребса, расходуется на синтез АТФ в процессе окислительного фосфорилирования. Более 90% углеводов расходуется для выработки энергии. В отсутствие кислорода АТФ может еще образовываться в течение нескольких минут за счет энергии гликолиза – анаэробного расщепления глюкозы. Существует также дополнительный путь энергетического использования глюкозы – без образования АТФ. Этот путь получил название пентозофосфатного или фосфоглюконатного. В печени он составляет около 30% преобразования глюкозы, в жировых клетках – несколько больше. Эта энергия расходуется для образования НАДФ, который служит донором водорода и электронов, необходимых для синтетических процессов – образования нуклеиновых и желчных кислот, стероидных гормонов. Количество гликогена в организме человека (депо углеводов) составляет в среднем 400 г. Гликоген есть во всех клетках организма, но больше его в скелетной мускулатуре (1-2% массы клеток) и гепатоцитах (5-8% массы клеток). Превращение глюкозы в гликоген или жир происходит в клетках печени и жировой ткани. Когда запасы углеводов низки, например, при стрессе, развивается глюнеогенез – синтез глюкозы из аминокислот и глицерина.

Регуляция обмена углеводов

Существуют два состояния углеводного обмена: гипергликемия и гипогликемия.

◦ Гипергликемия. Раздражение таламуса, дна четвертого желудочка мозга и коры больших полушарий ведет к гипергликемии. Гипергликемия не опасна для жизни, но может приводить к увеличению осмотического давления плазмы крови. При гипергликемии происходит повышение секреции инсулина, который является гормоном анаболического действия на углеводный обмен. Он в 10 и более раз повышает проницаемость к глюкозе клеточных мембран и скорость мембранного транспорта глюкозы. Клетки мозга, однако, не испытывают такого влияния инсулина. В печени инсулин тормозит образование глюкозы из аминокислот и стимулирует синтез гликогена.

Повышение секреции инсулина при гипергликемии происходит: 1) в результате непосредственного воздействия глюкозы на β-клетки поджелудочной железы; 2) путем активирующего влияния глюкозы на глюкорецепторы гипоталамуса. Соматотропный и кортикотропный гормоны гипофиза повышают уровень глюкозы в крови.

◦ Гипогликемия. При снижении концентрации глюкозы в крови (гипогликемии) ускоряется гликогенез – превращение гликогена в глюкозу – под влиянием фосфорилазы, активируемой гормоном поджелудочной железы глюкагоном и гормоном мозгового вещества надпочечников адреналином. В условиях некомфортной внешней среды возникает возбуждение термо-, хемо- и проприорецепторов, что приводит к активации подкорковых центров мозга, возбуждению симпатической нервной системы и увеличению секреции катехоламинов в надпочечниках. Тироксин, трийодтиронин снижают уровень глюкозы в крови.

Минеральный обмен

Соли участвуют:

1) в регуляции кислотно-основного состояния; 2) регуляции осмотического давления; 3) в создании мембранного потенциала покоя и мембранного потенциала действия; 4) играют роль кофакторов в ферментативных реакциях; 5) в процессах свертывания крови. Наиболее важное значение для организма человека имеют натрий, калий, хлор, кальций, микроэлементы.

Натрий и калий определяют величину осмотического давления, рН, объём жидкостей тела, участвуют в формировании биоэлектрических потенциалов, в транспорте аминокислот, сахаров и ионов через мембрану клеток. Калий в основном – внутриклеточный катион, в плазме крови его концентрация равна 3,3-4,9 ммоль/л. Натрий составляет 93% всех катионов плазмы крови, его концентрация равна 135-145 ммоль/л.

Суточная потребность хлористого натрия составляет 5-8 г. Повышенное потребление хлористого натрия может привести к увеличению объемов жидкости, набуханию стенок кровеносных сосудов (сужению их просвета), увеличению нагрузки на ионные насосы, накоплению натрия в клетках мышц, деполяризации мембраны и повышению тонуса мышц, повышению артериального давления.

Суточная потребность организма человека в калии составляет 1 г на 1000 ккал пищевого рациона. При недостаточном поступлении калия в организм в состоянии гипертензии может развиться инсульт и дистрофия. Особенно ьогаты калием картофель, абрикосы, виноград, чернослив.

Содержание ионов калия и натрия в организме регулируется гормонами. При снижении концентрации натрия и увеличении калия под влиянием минералокортикоида коры надпочечников альдостерона повышается реабсорбция натрия и снижается реабсорбция калия, а также растет секреция калия в почечных канальцах. Увеличение концентрации натрия приводит к повышению секреции предсердного и мозгового натрийуретических пептидов и простогландинов.

Кальций содержится в виде фосфатов в костях и в тканях зубов. Ионизированный кальций в возбудимых тканях играет роль фактора электросекреторного и электромеханического сопряжения. Кальций участвует в функционировании клеточных мембран и реакциях гемостаза. Концентрация кальция в плазме крови составляет 2,4-2,6 ммоль/л, суточная потребность приближается к 1,5 г. Для беременных женщин и детей суточная потребность увеличивается до 12,5 г. В организм кальций поступает с молочыми продуктами. В пожилом возрасте у мужчин и в постменопаузе у женщин данная суточная потребность недостаточна - может развиться остеопороз, поэтому необходимо увеличить количество потребления кальцийсодержащих продуктов.

Тиреокальцитонин активирует остеобласты костной ткани и повышает переход кальция из крови в костную ткань. Паратгормон напротив, повышает активность остеокластов и тем самым стимулирует переход кальция из костной ткани в кровь.

Фосфор входит в состав фосфорно-кальциевых соединений костного вещества, а также анионов внутриклеточной жидкости, макроэргических соединений, коферментов тканевого дыхания и гликолиза. Соли фосфорной кислоты и ее эфиров являются компонентами буферных систем поддержания кислотно-щелочного равновесия. Фосфор поступает в организм в основном с зернобобовыми, молочными, мясными и рыбными продуктами. Концентрация фосфора в сыворотке крови равна 0,81-1,45 ммоль/л, суточная потребность в фосфоре – 1,2 г, у беременных и кормящих матерей – до 1,6-1,8 г.

Магний является катализатором многих внутриклеточных процессов, особенно связанных с углеводным обменом. Он снижает возбудимость нервной системы и сократительную активность скелетных мышц, способствует расширению кровеносных сосудов, уменьшению частоты сердечных сокращений и снижению артериального давления. Концентрация магния в плазме крови равна 0,65-1,1 ммоль/л, суточная потребность в нем – около 0,4 г. Содержится магний в продуктах растительного происхождения.

Микроэлементы – это химические элементы, содержащиеся в организме и пище в крайне малых количествах. Из них наиболее важное функциональное значение имеют железо, фтор, йод, цинк, кобальт, хром, медь, марганец. Большая часть микроэлементов входит в состав витаминов, ферментов, гормонов или катализаторов их действия на ферментативные процессы.

Железо входит в состав гемоглобина и цитохромов митохондрий, поэтому оно абсолютно необходимо для транспорта кислорода и для окислительных реакций. Концентрация его в крови в комплексе с транспортным белком трансферрином в норме равна 1,0-1,5 мг/л. Суточная потребность в железе для мужчин составляет 10 мг, для женщин детородного возраста – 18 мг. Для беременных и кормящих женщин – 33-38 мг. Железо содержится в гречневой и пшенной крупах, в мясе, печени, бобовых.

Йод – единственный микроэлемент, участвующий в построении молекул гормонов – до 90% циркулирующего в крови органического йода приходится на долю тироксина и трийодтиронина. Недостаточное поступление в организм йода может быть причиной нарушения функций щитовидной железы. Концентрация в плазме крови равна 10-15 мкг/л. Источниками йода являются мясо и молочные продукты, морские растения и морская рыба. Суточная потребность составляет 100-150 мкг, для беременных и кормящих женщин – 180-200 мкг.

Фтор защищает зубы от кариеса. Он стимулирует реакции иммунитета и кроветворение, предупреждает развитие старческого остеопороза. Суточная потребность во фторе равна 0,5-1,0 мг. Фтор поступает в организм с продуктами из овса, питьевой водой, рыбой, орехами, печенью, мясом.

Обмен воды

Вода составляет 55-60% массы тела человека. У лиц с пониженным содержанием в организме жира этот показатель достигает 70%. В организме взрослого человека с массой тела 65 кг содержится в среднем 40 литров воды: 25 литров входит в состав внутриклеточной жидкости и 15 литров – внеклеточной, в том числе крови. В связи с большим содержанием жира в тканях у женщин, объём воды в их организме значительно меньше, чем у мужчин. Роль воды в организме:

1. Конституциональная вода – компонент клеток и тканей организма;

2. Свободная вода – растворитель для многих биологически важных веществ, обеспечивает условия для образования дисперсных форм липидов и белков; является основной средой и участницей биохимических реакций;

3. Связанная вода – способствуя гидратации макромолекул, участвует в их активации;

4. Терморегуляторная функция воды заключается в высокой теплоте испарения;

5. Экскреторная функция воды заключается в растворении конечных продуктов обмена веществ.

Дегидратация организма может приводить к сгущению крови, ухудшению ее реологических свойств, нарушению кровотока. При снижении количества воды на 20% наступает смерть.

Избыток воды может вызывать водную интоксикацию, которая выражается в набухании клеток, снижении в них осмотического давления, что особенно опасно для нервной системы.

Биологическая ценность воды. Питьевая вода является источником кальция, магния и ряда микроэлементов. Поэтому кипяченая вода менее полезна, чем сырая. Кроме того, так называемая структурированная вода (талая), имеет большое адаптивное значение. Структурированная вода содержится также во фруктах и овощах.

Потребность в воде и ее выведение. Взрослый человек потребляет в сутки в среднем 2,5 литра воды, дополнительно в организме используется примерно 300 мл метаболической воды. Выведение воды происходит с мочой (в среднем в сутки 1,5 литра), с выдыхаемым воздухом, через кожу (0,9 литра), с калом (0,1 литра). В обычных условиях количество воды, участвующей в обмене веществ организма человека, в сутки не превышает 5% массы тела.

Объём жидкости. При изменениях соотношения объёмов вне- и внутриклеточной, вне- и внутрисосудистой жидкости развиваются перераспределительные реакции. Так, стабильность объёма внутрисосудистой жидкости часто обеспечивается за счет тканевой жидкости путем изменения в различных тканях скорости процессов фильтрации или реабсорбции через стенки сосудов микроциркуляции. Этот механизм не связан с содержанием в жидкостях натрия. Однако большая часть механизмов регуляции объёма жидкости связана с процессами обмена натрия. Натрий составляет более 90% катионов плазмы. При ограничении поступления воды в организм, обильном потоотделении, при ортостатических реакциях и кровопотере активизируется почечно-надпочечниковая система задержки натрия в организме, что приводит к увеличению концентрации натрия в плазме крови и может стать одним из факторов, способствующих формированию жажды и питьевому поведению.

Жажда представляет собой реакцию организма на повышение осмотического давления и снижение объёмов жидкостей. Утоление жажды возникает в процессе питья (сенсорное насыщение) – до всасывания воды. Это явление развивается благодаря растяжению стенок желудка и возбуждению его механорецепторов. Истинное водное насыщение формируется в результате всасывания принятой воды при восстановлении параметров водно-солевого гомеостазиса. Предполагается, что центр валюморегуляции находится в ядрах гипоталамуса и среднего мозга. Рецепторы объёма обнаружены в сосудах низкого давления (легочных венах) и в предсердиях. Рецепторы объёма есть и в артериях.

Витамины – это биологически активные вещества, поступающие с пищей и необходимые для регуляции биохимических процессов. Источником витаминов является пища, а некоторые витамины синтезируются в организме в небольших количествах. Витамины делятся на водо- и жирорастворимые. В продуктах питания витамины находятся либо в активной, либо в неактивной форме. Во втором случае они называются провитаминами. Носителями ряда витаминов являются свежие продукты. В организме могут создаваться значительные запасы жирорастворимого витамина D и водорастворимых витаминов B12 и фолиевой кислоты. Запасы остальных витаминов должны постоянно пополняться. В кишечнике при участии микрофлоры синтезируются витамины K, B и биотин.

Витамины участвуют в регуляции метаболизма и клеточного дыхания (витамины группы В и никотиновая кислота), в синтезе жирных кислот, гормонов стероидной природы (пантотеновая кислота) и нуклеиновых кислот (фолиевая кислота, цианокабаломин), в регуляции процессов фоторецепции и размножения (ретинол), обмена кальция и фосфата (кальциферол), во многих окислительно-восстановительных процессах (аскорбиновая кислота, токоферол), в гемопоэзе и синтезе факторов свертывания крови (филлохиноны), а также обеспечивают особенно необходимое при экстремальных нагрузках антиоксидантное действие на мембраны (витамины А, С, Е).

Антиоксидантное действие витаминов обусловлено их способностью инактивировать токсические продукты преобразования в организме кислорода или так называемые свободные радикалы, содержащие во внешней орбите один непарный электрон. Повышенный прием витаминов, в частности А, С, Е, рекомендуется для сохранения здоровья у лиц, предрасположенных к стрессам, а также к сердечно-сосудистым и онкологическим заболеваниям, в развитии которых свободные радикалы играют большую роль.

Общие закономерности обмена энергии в организме

Жизнедеятельность организма обеспечивается множеством активных процессов, протекающих с использованием химической энергии. Эту энергию клетки получают из белков, жиров и углеводов пищи путем перехода её в форму, доступную для использования в организме. Такая энергия образуется в сложной цепи метаболических реакций, в которых выделяют три стадии.

На первой стадии, которая реализуется главным образом в пищеварительном тракте, крупные молекулы белков, жиров и углеводов расщепляются ферментами на специфические структурные блоки – аминокислоты, жирные кислоты, глицерол, глюкозу и другие моносахариды.

На второй стадии из этих продуктов образуются еще более простые молекулы общие для обмена разных веществ. К ним относятся, в частности, пируват, ацетилкоэнзим А, L-кетоглутарат, оксалоацетат, фумарат, сукцинат.

Третья стадия - цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты, или цикл Кребса – приводит к окислению веществ до СО2 и Н2О. Вода с углекислым газом и освобождающиеся азотистые продукты обмена удаляются выделительными органами.

Вторая и третья стадии метаболизма развиваются внутриклеточно в различных органах. На этих стадиях из продуктов расщепления питательных веществ освобождается почти вся заключенная в них энергия, на первой стадии освобождается ишь 1% энергии в результате гидролиза в пищеварительном тракте.

Роль макроэргических соединений в обмене энергии. Химическая энергия пищи используется для образования АТФ или для синтеза крупномолекулярных веществ. АТФ является донором свободной энергии в клетках. Стабильность концентрации АТФ в клетках поддерживается рядом механизмов, одним из которых является образование креатинфосфата (КФ). Когда количество АТФ превышает определенный уровень, часть ее энергии используется для синтеза КФ. При повышении же распада АТФ КФ используется для ресинтеза АТФ.

Для синтеза АТФ из аденозинтрифосфорной кислоты (АДФ) и фосфорной кислоты (ФК) используется химическая энергия белков, жиров и углеводов – субстратов окисления. Преобразование энергии в организме можно представить упрощенно в виде двух сопряженных между собой процессов – окисления и фосфорилировния:

Окисление: АН2 + О = А + Н2О + (химическая энергия) + (первичное тепло), где А – субстрат окисления

Фосфорилирование: АДФ + ФК = АТФ

При использовании АТФ происходит ее распад до АДФ и ФК, при этом образуется «вторичное тепло». Существуют и анаэробные пути преобразования энергии, в которых могут быть использованы только углеводы (анаэробный гликолиз). Эти процессы могут обеспечить потребность в энергии ещё в течение двух минут после полного прекращения дыхания и расходования резервов кислорода.

При максимальном мышечном сокращении имеющихся в тканях запасов АТФ достаточно лишь на одну секунду. Энергия КФ может поддержать такое сокращение в течение еще нескольких секунд. При максимальном сокращении на протяжении нескольких секунд абсолютно необходим анаэробный гликолиз, в котором используются запасы гликогена. Ресинтез гликогена из образующейся при этом молочной кислоты идет лишь в аэробных условиях. Именно поэтому после прекращения физической нагрузки потребление кислорода остается высоким в течение восстановительного периода, длящегося от нескольких минут до часа.

Соотношение прихода и расхода энергии. Для адекватно питающегося взрослого человека с достаточной двигательной активностью характерно энергетическое равновесие: поступление в организм энергии соответствует ее расходу, то есть имеет место равенство процессов анаболизма и катаболизма. Существуют периодические (биоритмические) колебания скорости реакций энергетического обмена. Так, в утренние часы и в летнее время года анаболические реакции несколько менее акивны, чем в вечернее время суток и в зимние месяцы.

Преобразования энергии в организме

Конечной формой преобразования энергии является тепловая энергия. Часть энергии, заключенная в молекулах белков, жиров и углеводов, не используется для синтеза макроэргических соединений, а рассеивается в окружающую среду. Доля этой энергии – первичного тепла – соответствует примерно 35% всей химической энергии пищевых веществ. При распаде макроэргических соединений часть их энергии также переходит в тепло, названное вторичным. Оно также выделяется в окружающую среду. Для функций организма (внутренней работы) - транспорта, синтеза, секреции, сокращения гладких и скелетных мышц - используется 25% всей химической энергии пищи. Эта энергия в последующем также переходит в тепловую.

Интенсивность энергетического обмена принято оценивать в единицах тепловой энергии, поскольку тепловая энергия представляет собой единственный эквивалент преобразующейся в организме химической энергии. В Международной системе единиц (СИ) в качестве основной единицы энергии принят джоуль (Дж): 1 Дж = 1 ватт в 1 секунду = 2,39•104 кал; 1 ккал = 4,19 кДж.

Виды расхода энергии

Различают основной обмен, общий обмен и пластический обмен.

Основной обмен обеспечивает гомеостазис организма в стандартных условиях и процессы ресинтеза их структур после диссимиляции. Измеряется он утром натощак, в положении лежа. Энергия основного обмена расходуется на синтез клеточных структур, поддержание постоянной температуры тела, деятельности внутренних органов и поддержание тонуса скелетных мышц. Величина основного обмена зависит от пола, возраста, длины и массы тела. Наиболее высокий основной обмен, отнесенный к килограмму массы тела, характерен для детей в возрасте 6 месяцев, затем он постепенно падает и после пубертатного периода приближается к уровню взрослых. Половина всего энергорасхода основного обмена приходится на печень и скелетную мускулатуру. У женщин основной обмен меньше, чем у мужчин. Мужские половые гормоны повышают основной обмен на 10-15%. После 40 лет основной обмен начинает снижаться. При массе тела, равной 70 кг, основной обмен мужчины составляет в сутки 7100 кДж, или 1700 ккал. У женщин с такой же массой тела он ниже на 10%.

Пластический обмен – это расход энергии, обеспечивающий рост развивающегося организма и восстановление структурных элементов организма после тяжелой болезни или длительного голодания.

Общий обмен – это сочетание основного, пластического обмена и энергетических трат организма, обеспечивающих его жизнедеятельность в условиях терморегуляторной, эмоциональной, пищевой и рабочей нагрузок. Общий обмен превышает основной обмен за счет функций скелетных мышц. При их интенсивном сокращении расход энергии в мышце может повыситься в 100 раз, общий расход энергии за несколько секунд может повыситься в 50 раз при участии в такой реакции более трети скелетных мышц. У хорошо тренированных лиц такое сокращение может длиться несколько минут и приводит к 20-кратному повышению обмена энергии в организме. Однако у современного жителя промышленно развитых стран повседневная двигательная активность невелика, поэтому суточный расход энергии составляет величину порядка 8000-10500 кДж или 2000-2500 ккал. В положении сидя человек тратит энергии лишь на 20% больше, чем в положении лежа. Стоя, человек расходует на 40% энергии больше, чем в условиях основного обмена, при канцелярской работе – на 60% больше. Ходьба со скоростью не менее 5 км/час может повысить уровень расхода энергии в 3-4 раза. Ежедневная двухкилометровая прогулка (без изменения в питании) может способствовать устранению за месяц 1 кг жира.

При эмоциях увеличение расхода энергии у взрослого человека составляет 40-90% от уровня основного обмена и связано с вовлечением фазных и тонических мышечных реакций. У детей при крике затраты энергии могут повышаться втрое.

В условиях охлаждения человека расход энергии может возрастать в 3 раза.

Специфически динамическое действие пищи – это повышение расхода энергии, связанное с превращением пищевых веществ в организме после их всасывания из пищеварительного тракта. При потреблении смешанной пищи обмен повышается на 5-10%; углеводистая и жирная пища увеличивает его незначительно – примерно на 4%. Пища богатая белком, может повышать расход энергии на 30%, эффект длится 12-18 часов.

Для коррекции массы тела необходимо не только ограничение калорийности пищи, но и увеличение расхода энергии с помощью мышечных нагрузок или охлаждающих процедур.

Во время сна уровень метаболизма на 10-15% ниже, чем в условиях бодрствования.

Регуляция обмена энергии

В гипоталамусе имеются так называемые эрготропные и трофотропные зоны таламуса, в которых располагаются центры голода, жажды, пищевого и питьевого насыщения. Лимбическая кора способствует как вегетативному, так и метаболическому обеспечению эмоциональных реакций. Кроме этого новая кора может быть субстратом для выработки «метаболических» условных рефлексов.

Питание

Термин «питание» следует использовать в двух значениях: во-первых, питание – это комплекс питательных веществ, поступающих в организма; во-вторых, питание – это процесс потребления пищи. Опираясь на эти определения можно сделать вывод, что нарушение сбалансированного питания может стать основой развития патологии.

В настоящее время выделяют три основных принципа адекватного питания.

Принцип первый – общая энергоемкость рациона питательных веществ должна соответствовать потребностям организма. Одним из критериев соответствия питания человека первому принципу является сохранение у взрослого человека стабильной массы тела. Ориентировочно должную массу тела можно вычислить по методу Брока: из показателя длины тела вычесть 100. Поправки: 1) при длине тела равной 166-175 см, из ее величины вычитают 105, 2) если же длина тела больше 175 см, то вычитают 110. Кроме этого можно вычислить должную массу тела с помощью индекса Кетле: масса тела в кг: квадрат длины тела. Нормальный индекс соответствует 22.

Второй принцип: адекватного питания состоит в оптимальном соотношении количества различных питательных веществ (белков, жиров и углеводов). Общее количество белка в пище должно соответствовать 11-13% калорийности рациона или 0,8-1,0 г на килограмм веса. Оптимальное количество жира: 30% калорийности суточного рациона. Доля сахаров не должна превышать 10-12% углеводов суточного рациона, что соответствует 50-100 г. Рафинированных сахаров (сахарозы) не больше 30 г в сутки. Вообще углеводов не должно быть меньше 150 г в сутки.

Должная пропорция белков, жиров и углеводов для взрослого человека: 1:1,2:4,6.

Третий принцип – оптимальное разделение суточного рациона на три – пять приемов пищи с интервалами времени между ними по 4-5 часов. Четырехразовое питание: первый завтрак 25% суточной калорийности; второй завтрак – 15%; обед – 35%; ужин – 25%. Трехразовое питание: соответственно – 30, 45 и 25%.