Обмен веществ
Для определения потребности человека в питательных веществах изучают его обмен веществ. Это имеет большое значение, так как часть населения (в армии, детских учреждениях, санаториях, домах отдыха, больницах) находится на государственном обеспечении и должна получать все необходимые продукты, чтобы быть здоровой, обладать высокой работоспособностью, высокой сопротивляемостью к инфекциям и изменяющимся условиям внешней среды.
Для изучения обмена веществ необходимо знать, сколько белков, жиров и углеводов поступило в организм и сколько им расходуется, т. е. надо подвести баланс прихода и расхода веществ. Приход питательных веществ определяют химическим анализом пищи. Если из общей массы (в граммах) принятых с пищей белков, жиров и углеводов вычесть массу неусвоенных веществ, выведенных с калом, то разница покажет истинный приход веществ. Расход веществ у человека или животных определяют в камере Шатерникова. Метод позволяет определить за сутки объем потребляемого О2, выделенных СО2 и N2 (с мочой). По этим данным можно рассчитать расход белков, жиров и углеводов.
Баланс может быть положительным, отрицательным или находиться в состоянии равновесия. В период роста баланс обмена веществ всегда бывает положительным, так как увеличивается масса тела. Отрицательный баланс наблюдается во время длительной болезни и голодания, иногда в старости. В это время организм расщепляет веществ больше, чем получает с пищей. У большинства взрослых людей достигается удивительное равновесие между потреблением и расходом веществ и энергии. Оно может сохраняться на протяжении многих лет, и масса тела остается постоянной.
Обмен белков. Белки - это сложные высокомолекулярные соединения, содержащие в отличие от жиров и углеводов азот. Они состоят из 20 различных аминокислот, не обладающих видовой специфичностью. Из всосавшихся в кишечнике аминокислот строятся специфические для каждого индивидуума белки.
Аминокислоты делятся на заменимые и незаменимые. Заменимые аминокислоты (гликокол, аланин, цистеин и др.) могут синтезироваться в организме. Десять незаменимых аминокислот (аргинин, лейцин, лизин, триптофан и др.) не синтезируются в организме и обязательно должны поступать с пищей. Наиболее полноценными по аминокислотному составу продуктами являются белки яйца, молока, мяса. Белки растительного происхождения биологически менее полноценны, так как в них либо мало некоторых незаменимых аминокислот, либо они отсутствуют. В распоряжении организма должны быть все аминокислоты в определенном соотношении и количестве, иначе белок не может быть синтезирован.
Белки являются основным пластическим материалом, т. е. основной частью клетки. Например, в скелетных мышцах содержится 20 % белка. Белки входят в состав ферментов, катализирующих (ускоряющих) все химические реакции в организме. Они принимают участие в обеспечении большинства функций организма. Так, гемоглобин переносит О2 и С02, фибриноген обусловливает свертывание крови, нуклеопротеиды обеспечивают передачу наследственных признаков. Велико значение белков в водном обмене. Ф. Энгельс определял жизнь как форму существования белковых тел, существеннейшей чертой которой является обмен веществ.
В цитоплазме клеток непрерывно происходят разрушение и замена белков. Всего за сутки у человека, не принимающего пищи, разрушается примерно 23 г белка и выделяется при этом 3,7 г азота (100 г белка содержат в среднем 16 г азота). У человека, получающего с пищей белок, выделяется азота значительно больше, причем чем больше вводится белка, тем больше его разрушается. Это объясняется тем, что в отличие от жиров и углеводов белок не может откладываться в запас. Для характеристики белкового обмена и расчета потребностей организма в белке обычно пользуются определением азотистого баланса, для чего необходимо знать количество поступившего белка и количество расщепленного в организме, т. е. установить и сопоставить приход и расход белка.
Белок поступает с пищей, а неусвоенная его часть выводится с калом. Следовательно, если из количества белка в пище вычесть белок, содержащийся в кале, то разность составит приход белка.
Количество белка, распавшегося в организме, определяют по содержанию азота в моче. Известно, что в 6,25 г белка содержится 1 г азота. Умножая количество азота в моче на 6,25, рассчитывают расход белка. Нормальным считается такое состояние белкового обмена, когда разница между количеством азота, принятым с пищей и выведенным с калом, равна содержанию азота в моче, т. е. когда количество усвоенного белка соответствует массе белка, распавшегося в организме. Такое состояние называется азотистым равновесием. Оно устанавливается в том случае, если в пище содержится не менее 60 - 70 г белка. Это минимальное количество белка, или азотистый минимум, однако оно не обеспечивает высокой работоспособности и полного здоровья. Для этого необходимо примерно 100 г белка в сутки - это белковый оптимум. Потребность в белках значительно больше у растущего организма, при беременности, а также после тяжелой болезни. Потребность в белках зависит также от профессии и климатических условий.
Для взрослого потребность в белке составляет 1,5 г на 1 кг массы тела, для ребенка грудного возраста - 3,0 - 3,5 г, для ребенка 10 лет - 2,5 г.
Центральная нервная система регулирует белковый обмен, влияя на образование и выделение в кровь гормонов. На белковый обмен оказывают влияние соматотропный гормон, секретируемый передней долей гипофиза, гормон щитовидной железы тироксин и глюкокортикоиды коркового вещества надпочечников.
Обмен углеводов. Углеводы делятся на простые и сложные. С пищей поступают главным образом сложные углеводы: полисахариды - крахмал, гликоген и дисахариды - молочный, свекловичный, тростниковый и другие сахара. При их расщеплении в пищеварительном тракте образуются простые моносахариды: глюкоза, фруктоза и галактоза, имеющие формулу С6Н1206, которые всасываются из кишечника в кровь.
В организм углеводы поступают главным образом с растительной пищей (хлеб, крупы, овощи, фрукты). При избыточном питании углеводы превращаются в жиры и откладываются в неограниченных количествах в жировых депо: подкожной клетчатке, сальнике и др.
В крови углеводы содержатся в виде глюкозы (4,44 - 6,66 ммоль/л, или 80 - 120 мг %); в печени и мышцах - в виде небольших запасов гликогена. Состояние, когда уровень сахара в крови становится ниже 4,44 ммоль/л, называют гипогликемией, выше 6,66 ммоль/л - гипергликемией. При гипогликемии нарушается функциональное состояние нервных клеток и появляются слабость, чувство голода, понижается работоспособность. Если гипогликемия продолжается длительное время, то человек теряет сознание и может наступить смерть. В случае, если человек примет одномоментно 150 - 200 г легкоусвояемых углеводов (сахар, конфеты), возникает так называемая алиментарная (пищевая) гипергликемия, которая сопровождается глюкозурией - появлением сахара в моче; избыток сахара выводится почками.
Всосавшиеся в кишечнике моносахариды с током крови через воротную вену попадают в печень. Здесь часть их превращается в гликоген и откладывается про запас. Кроме печени, гликоген откладывается в скелетных мышцах. Всего в запасе организма имеется около 350 г гликогена. Если в крови, например, во время работы или голодания понижается уровень сахара, в ответ происходит расщепление гликогена в печени и поступление его в кровь. Процесс образования и отложения гликогена регулируется гормоном поджелудочной железы инсулином. Процесс расщепления гликогена происходит под влиянием второго гормона поджелудочной железы - глюкагона. При заболевании поджелудочной железы образование гликогена уменьшается, сокращается и усвоение глюкозы клетками организма, в результате чего значительно повышается уровень сахара в крови и большое количество его выводится с мочой. Такое заболевание называется диабетом, его лечат введением инсулина.
Содержание сахара в крови, а также запасы гликогена регулируются центральной нервной системой. Впервые это было открыто французским ученым Клодом Бернаром. Он сделал кролику укол в дно IV желудочка (продолговатый мозг) и обнаружил после этого повышение уровня сахара в крови и появление его в моче. Таким образом впервые было показано наличие в продолговатом мозге нервных центров, регулирующих жизненно важную константу крови - уровень сахара. В настоящее время такого рода центры обнаружены также в подбугорной области (в промежуточном мозге). Высшие центры находятся в коре полушарий большого мозга.
Нервные влияния от центров углеводного обмена проводятся к органам по вегетативной нервной системе. В частности, импульсы, идущие от центров по симпатическим нервам, непосредственно усиливают расщепление гликогена в печени и мышцах, а также выделение гормона мозгового вещества надпочечников - адреналина. Адреналин способствует превращению гликогена в глюкозу и усиливает окислительные процессы в клетках. В регуляции углеводного обмена принимают участие также гормоны коры надпочечников, передней доли гипофиза, а также щитовидной железы.
Обмен жиров (липидов). Под липидами понимают сложные органические вещества, к которым относятся нейтральные жиры, состоящие из глицерина и жирных кислот, и близкие к ним по физико-химическим свойствам липоиды (лицетин, холестерин). В состав липоидов, кроме жирных кислот, входят многоатомные спирты, фосфаты и азотистые соединения.
Жир в организме играет пластическую и энергетическую роль. Как пластический материал он входит в состав оболочки и цитоплазмы клеток. Часть жиров накапливается в клетках жировой ткани как запасной жир, количество которого составляет 10 - 30 % от массы тела, а при нарушениях обмена веществ может достигать огромных величин.
Жир в организме используется и как энергетический материал. При окислении 1 г жира выделяется 9,3 ккал тепла, т. е. в 2,2 раза больше, чем при окислении 1 г углеводов или белка.
Обмен липидов тесно связан с обменом белков и углеводов. Например, при избыточном поступлении белков и углеводов в организм они могут превращаться в жиры. В условиях голодания из жиров образуются углеводы, которые используются как энергетический материал.
В регуляции жирового обмена существенную роль играют центральная нервная система, а также многие железы внутренней секреции (половые и щитовидная железы, гипофиз, надпочечники).
Водный и минеральный обмен. Тело человека на 2/з состоит из воды. Она является непременной составной частью каждой клетки, имеется в межклеточной жидкости, составляет жидкую основу крови и лимфы. В небольшом количестве вода образуется при окислении питательных веществ. Особенно много воды выделяется при окислении жиров - 118 г при окислении 100 г жира. Однако в основном она поступает извне в виде питья и в составе пищи. Из организма вода выделяется главным образом с мочой (1,5 л), отчасти с выдыхаемым воздухом (500 мл), а также испаряется с поверхности кожи (500 мл). Постоянное поступление воды в организм жизненно необходимо: она обновляет состав жидких сред организма. Если животное питается только сухой пищей и не получает воды, то оно через несколько суток погибает.
Длительное голодание возможно только при условии поступления в организм достаточного количества воды и минеральных солей. В организме поддерживается постоянный уровень воды, так как вода является растворителем многих веществ, находящихся в организме, и в ней протекают все физико-химические реакции. Вода играет важную роль в транспорте веществ.
Минеральные вещества поступают в организм с пищевыми продуктами и водой. Потребность организма в различных минеральных солях неодинакова. Например, в сутки требуется до 10 г поваренной соли (хлорид натрия), 1 г калия, 0,3 г магния, 1,5 г фосфора, 0,8 г кальция, 0,012 г железа, 0,001 г меди, 0,0003 г марганца и 0,00003 г йода. В различных тканях и органах соли распределены неодинаково. Солей натрия больше в плазме и межклеточной жидкости; солей калия в клетках содержится больше, чем в жидких средах организма. Большое количество кальция и фосфора имеется в костях; медь и железо - в гемоглобине, йод входит в состав гормона щитовидной железы. Минеральные вещества постоянно выводятся из организма с мочой и экскрементами, поэтому они должны ежесуточно поступать в организм в количестве, равном выведенному.
Если в пищевом рационе отсутствуют минеральные соли, то это приводит к смерти быстрее, чем полное голодание. Особенно большая потребность в поваренной соли обусловлена тем, что раствор ее играет главную роль в создании и поддержании осмотического давления. В крови и других жидкостях организма содержится около 1 % солей, среди которых примерно 0,9 % приходится на поваренную соль. Соли являются составными компонентами пищеварительных соков, которые, как известно, выделяются в больших количествах. Ионы натрия, кальция, калия, хлора играют роль в процессах возбуждения и торможения, мышечного сокращения, свертывания крови.
Организм экономно расходует соли. Так, почти все соли, выделяющиеся в составе соков в пищеварительный тракт, всасываются обратно в кровь. Большую роль в регуляции содержания поваренной соли играют почки. Суточная потребность в поваренной соли определяется ее расходом. При выполнении тяжелой физической работы, особенно при высокой температуре окружающей среды, например в горячих цехах, с потом теряется значительное количество солей. Для восполнения потерь рекомендуется пить подсоленную воду.
Те элементы, потребность в которых очень мала, называют микроэлементами. К ним относятся кобальт, входящий в состав витамина В12; цинк, содержащийся в ферменте карбоангидразе; фтор, предупреждающий разрушение зубов, и др.
Пищевой рацион. Рациональное питание должно полностью покрывать потребности человека в энергии и пластических веществах и способствовать сохранению здоровья, высокой трудоспособности, а детям обеспечивать правильные рост и развитие.
В суточный пищевой рацион человека, не занимающегося физическим трудом (студенты, врачи, служащие), должно входить 91 г белка, 103. г жира и 378 г углеводов. В сумме это составляет 2800 ккал. Кроме того, с пищей должны поступать минеральные соли, витамины и вода. При разнообразном смешанном питании, содержащем продукты животного (мясо, сливочное масло, молоко) и растительного (овощи, фрукты, подсолнечное масло) происхождения, не приходится специально заботиться о доставке витаминов и неорганических солей. Все они содержатся в пище в необходимых количествах. Исключение составляет поваренная соль, которой требуется добавлять около 5 г в сутки.
При физической работе возрастает потребность в энергии и пластических веществах, поэтому надо увеличивать содержание в диете не только жиров и углеводов, но и белков (табл. 3).
Таблица 3. Физиологические нормы питания в СССР (МЗ СССР,, 1982)
Для составления и расчета пищевых рационов пользуются специальными таблицами, в которых указаны состав пищевых продуктов и их энергетическая ценность (калорийность). Рекомендуется около 50% белков и жиров принимать в виде продуктов животного происхождения, при увеличении энергетической ценности пищи сохранять соотношение белков, жиров и углеводов 1:1:4. Это обеспечивает наилучшую усвояемость веществ. Однообразное питание, содержащее большое количество белков (более 200 г) или жиров (более 150 г), нецелесообразно, так как нарушает процессы пищеварения и обмена веществ. Если необходимо снизить массу тела, надо ограничить количество углеводов. При тяжелой мышечной работе разрушается много белков, поэтому требуется увеличивать их норму.