Обменные процессы в клетке и в целостном организме

Внутриклеточный обмен веществ. Все функции целостного организма связаны с теми интимными процессами, которые совершаются в клетках, образующих его ткани. Каждая жи­вая клетка нашего тела выполняет определенные функции в зависимости от того, к какой ткани она принадлежит. Но наряду со специфическими функциями, которые определяют место клеток в жизнедеятельности целостного организма, для всех них характерны общие жизненные отправления. В самом деле, клетки могут выполнять свои функции только при условии, если они постоянно усваивают питательные вещест­ва, богатые энергией, которые входят в их состав. Одновременно с Этим органические соединения, входящие в состав клетки, непрерывно подвергаются окислительным процессам, вследствие которых освобождается энергия, используемая на специфическую деятельность клеток, например на сокращение мышечных клеток, на проведение нервных импульсов нейронами, на секреторные функции железистых клеток и т. д. В результате окислительных процессов образуются продукты жизнедеятельности клеток, которые выводятся из них.

Обмен веществ между организмом и окружающей средой. Процессы внутриклеточного обмена обусловлены постоянным взаимодействием организма с окружающей средой: из нее поступают вещества, которые после ряда изменений усваиваются клетками, в нее удаляются конечные продукты их жизнедеятельности. Таким образом, обмен веществ между организмом и окружающей средой есть внешнее проявление жизненных процессов, протекающих во всех клетках целостного организма.

Из внешней среды организм получает органические соеди­нения, минеральные соли, воду, кислород и отдает в нее углекислый газ, избыток постоянно образующейся в нем воды, а также излишек минеральных солей, мочевину, мочевую кислоту и некоторые другие вещества.

Ассимиляция и диссимиляция. Ассимиляция — это совокупность всех сложных созидательных процессов протекающих в клетках, а значит, и в целостном организме. При ассимиляции происходит накопление энергии. Лиссимиляиия — это совокупность окислительных процессов, при которых освобождается энергия. Именно эта энергия используется в дальнейшем для осуществления всех жизненных отправлений организма.

Таким образом, эти два противоположных процесса настолько взаимосвязаны друг с другом, что прекращение одно­го из них влечет за собой прекращение всего обмена веществ, а следовательно, и жизни. Несмотря на столь прочную взаимосвязь и взаимообусловленность, процессы ассимиляции и диссимиляции не всегда бывают взаимно уравновешенными. Основное значение здесь имеет возраст. Чем моложе организм человека, тем интенсивнее протекают в нем процессы ассимиляции. У людей пожилого возраста, наоборот, диссимиляция преобладает над ассимиляцией. Особенно интенсивный обмен веществ наблюдается у новорожденных детей и у подростков в период полового созревания.

Понятие об основном обмене веществ. Различают общий и основной обмен веществ. Основной обмен веществ — это количество энергии, затрачиваемое организмом при полном отсутствии умственной и мышечной деятельности, натощак (через 12—16 ч после принятия пищи), при нормальной температуре тела и температуре окружающей среды +18... +20° С.

Для каждого человека основной обмен является относи­тельно постоянной величиной и находится в прямой зависимости от возраста, пола, состояния нервной системы, деятель­ности желез внутренней секреции (например, при увеличении функции щитовидной железы основной обмен повышается), от климатических условий (в жарком климате основной обмен веществ на 10—20% ниже, чем в холодном). У детей величина основного обмена на 1 кг массы тела больше, чем у взрослых. Наивысшего уровня основной обмен достигает у детей 4—5 лет. В период полового созревания он несколько повышается, а затем постепенно уменьшается. Основной обмен измеряется в килоджоулях и равен примерно 4,2 кДж в 1 ч на 1 кг массы тела человека.

Зависимость обмена веществ от характера деятельности ребенка. Обмен веществ не является постоянной величиной и зависит от многих факторов, в том числе от состояния здоровья ребенка, характера его деятельности в данный момент, питания и других причин. Чем интенсивнее деятельность ребенка, тем выше у него общий обмен веществ, тем больше энергии расходуется организмом на совершаемую работу. Например, расход энергии на 1 кг массы тела во время сна составляет 3,8 кДж; при сидении в покое — 5,9 кДж; при чтении вслух — 6,3 кДж; во время одевания и раздевания —7,1 кДж; при мытье посуды — 8,4 кДж; в процессе подметания пола — 10,1 кДж; при ходьбе со скоростью 4 км/ч — 12,6 кДж; приезде на велосипеде — от 14,7 до 37,8 кДж; при подъеме в гору — 66,4 кДж. При умственной работе расход энергии увеличивается незначительно, всего на 2—3%, если она не сопровождается мышечной деятельностью.

.Как уже известно, энергия, необходимая для деятельности, освобождается при окислении питательных веществ (белков, жиров и углеводов).

Обмен белков. Белки являются основными веществами, образующими живые клетки и выполняющими в них ряд важнейших функций. Достаточно вспомнить, что все ферменты, под действием которых совершаются превращения веществ в организме и его клетках,— это белки. Не менее важны такие функции, как структурная, двигательная (сокраще­ние мышц, движение ресничек), транспортная (например, перенос кислорода гемоглобином). Белки выполняют и энергетическую функцию — при их окислении освобождается энергия.

В состав белков входят углерод, водород, кислород, азот. Кроме того, в белках почти всегда содержатся сера, фосфор, а также некоторые другие элементы.

Белки поступают в организм с пищей, но претерпевают в нем глубокие изменения. Они расщепляются на аминокислоты, которые затем в клетках тела соединяются между собой в иной последовательности, чем в белках пищи. Таким образом, в клетках образуются белки, свойственные организму человека и качественно отличные от тех, которые поступили в организм с пищей.

К числу конечных продуктов белкового обмена наряду с углекислым газом и водой принадлежит аммиак. Попадая с кровью в печень, он превращается в менее ядовитую для организма мочевину. По количеству поступившего и удаленного из организма азота судят об азотном балансе организма. У детей отмечается положительный баланс азота, т. е. количество потребленного организмом азота превышает количество выделенного.

Различают белки полноценные и неполноценные. К полноценным белкам относятся такие белки, которые содержат все аминокислоты, необходимые организму для синтеза белков, роста и развития организма. Такие белки содержатся в мясе, рыбе, молоке, яйцах и других продуктах, т. е. в пище животного происхождения. Из 22 аминокислот, входящих в состав белка, 10 являются незаменимыми. Отсутствие в пище хотя бы одной из них ведет к серьезным нарушениям в здоровье ребенка.

У детей младшего школьного возраста при некоторых за­болеваниях, длительном голодании, отсутствии в пище хотя бы одной из незаменимых аминокислот наблюдается уменьшение массы, нарастание истощения.

Белки растительного происхождения являются неполно­ценными, но в их составе может содержаться одна или несколько незаменимых аминокислот, поэтому один полноцен­ный белок может быть заменен двумя-тремя неполноценными, которые в сумме дают все необходимые аминокислоты. Бел­ки в запас не откладываются, но при длительном голодании, когда запасные органические вещества — жиры и углеводы — истощаются, организм начинает расходовать белки.

Центральный момент в белковом обмене — это биосинтез белков. Он совершается в каждой клетке. Информацию о структуре белков, присущих данному организму, несут нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК. ДНК содержатся только в ядре, а РНК — ив ядре, и в цитоплазме. Эти вещества играют важную роль в синтезе белков клетки.

Обмен жиров. Значение жиров для организма заключается не только в том, что они являются одним из важных источников энергии, но еще и в том, что они способствуют нормаль­ной жизнедеятельности организма, повышают его выносливость, активизируют деятельность мозга, выполняют защитную, амортизационную и опорную функции, откладываются про запас в различных органах, например в подкожной жиро­вой клетчатке, сальнике.

Жир поступает в организм с пищей и под действием липаз расщепляется до глицерина и высокомолекулярных органических кислот. При диссимиляции жиры окисляются. Конечные продукты этого процесса — СО₂ и Н₂О. В пищу человека входят жиры животного и растительного происхождения, причем они взаимозаменяемы. Однако не все жиры одинаково легко усваиваются организмом. Так, жиры молока и сливочного масла усваиваются легче, чем жиры бараньего сала; из рас­тительных жиров наиболее легко усваиваются подсолнечное и кукурузное масло.

Образовавшиеся в результате пищеварительных процессов глицерин и высокомолекулярные органические кислоты по­падают при всасывании в эпителиальные клетки ворсинок. Здесь осуществляется синтез жиров. Они поступают в виде мельчайших капелек в лимфатические сосуды, которые берут начало в ворсинках тонких кишок. Лимфа переносит жиры в кровь.

Поступившие в кровь излишки жира откладываются про запас, причем частично они превращаются в углеводы. Это превращение происходит в печени.

Чрезмерное потребление жиров приводит к ожирению. В норме общее количество жира у человека колеблется в пре­делах 10—20%, а при ожирении достигает 50% массы тела.

Жиры животного и растительного происхождения, посту­пающие в организм в незначительных количествах, после рас­щепления синтезируются в жир, специфичный для человека . Длительное и обильное употребление с пищей жира какого-то одного вида ведет к изменению состава жира, откладывающе­гося в организме человека.

Обмен углеводов. Значение углеводов заключается в том, что они являются основным источником энергии. Процессы окисления углеводов происходят легко и быстро. Это приобре­тает большое значение в тех случаях, когда организм должен в короткий промежуток времени мобилизоваться,— при опас­ности, гневе, страхе, напряженной умственной работе. Про­дукт расщепления углеводов — глюкоза — в тонкой кишке * всасывается в кровь, где концентрация ее держится в пределах от 0,08 до 0,12%. Если концентрация глюкозы в крови возрастает до 0,15%, то ее излишек выводится с мочой. Углеводов поступает в организм с пищей гораздо больше, чем дру­гих органических веществ. Избыток углеводов откладывается про запас в печени и мышцах в виде животного крахмала гликогена.

Недостаток глюкозы в организме ребенка, а следовательно, уменьшение ее концентрации в крови вызывают повышенную утомляемость, мышечную слабость, падение температуры тела, расстройство функционирования центральной нервной системы, сопровождающееся изменением деятельности сердечно-сосудистой системы и потерей сознания. Эти явления лик­видируются быстро, если своевременно ввести в организм раствор глюкозы или съесть кусочек сахара.

К углеводам относится и клетчатка, которая не переваривается в кишечнике, но полезна тем, что является механическим раздражителем стенок кишечника, стимулируя его перистальтические движения и опорожнение.

Потребность организма в белках, жирах и углеводах. Пол­ноценное питание необходимо каждому человеку, а ребенку, который растет и формируется, это особенно важно. Жиз­ненно необходимыми для растущего организма являются белки: ведь это основа цитоплазмы клеток, количество которых у растущего организма быстро увеличивается. Не менее существенна каталитическая функция белков, поскольку процессы роста и развития связаны с деятельностью ферментных систем. Для детей младшего школьного возраста количество белков, входящих в различные продукты питания, должно составлять 70—80 г, для детей в возрасте от 11 до 15 лет — 90—100 г в сутки. Для взрослого человека в РФ принята норма 1,5 г белка на 1 кг массы тела, что в сутки составляет 100—118 г. Потребность в белке увеличивается при тяжелом физическом труде до 2 г на 1 кг массы тела. Чем моложе организм ребенка, тем больше белка ему требуется на 1 кг массы тела. Например, для детей ясельного возраста эта норма увеличивается до 4 г на 1 кг массы тела.

Углеводы являются основным источником энергии в организме. Свыше половины всей энергии, необходимой для нор­мальной жизнедеятельности человеческого тела, освобождается при их окислении. Избыток углеводистой пищи (хлеб, сахар, кондитерские изделия) приводит к ожирению, так как эти вещества могут превращаться в организме в жиры. Подсчитано, что каждые лишние 25 г углеводов, поступающих в организм приводят к образованию 10 г жира. При ожирении расстраивается нормальный обмен веществ, ослабляется мышечная деятельность, в частности сердечная, поскольку мы­шечная ткань частично заменяется жировой соединительной тканью.

В сутки взрослый человек должен потреблять углеводов в 4—5 раз больше, чем белков, в среднем 400—500 г. При тя­желом физическом труде суточная норма углеводов повыша­ется до 600—650 г. Количество углеводов для детей младше­го школьного возраста составляет примерно 280—320 г, для детей 11 —15 лет — 360—400 г и для юношей 15—18 лет — 450 г в сутки.

Жиры, как и углеводы, служат источником энергии. Установлено, что пища, богатая жирами, но бедная углеводами, не приводит к накоплению жира в организме, в то время как пища, богатая углеводами, но бедная жирами, усиливает накопление жира. Количество жира в пищевом рационе не должно превышать количества белков. Избыток жира особенно вреден детскому организму.

Потребность в жирах неодинакова у людей разного возраста. Для младших школьников она составляет 70—80 г, для детей 11 —15 лет — 90—100 г и для юношей 15—18 лет — 95—100 г в сутки.

Суточные нормы белков, жиров и углеводов в пище детей и взрослых

(в граммах)

Возраст (в годах) Белки Жиры Углеводы

7—11 70—80 70—80 280—320

11—15 90—100 90—100 360—400

15—18 118 100 450

Обмен минеральных солей. Помимо органических соедине­ний в пище содержатся различные минеральные вещества, в состав которых входят кальций, фосфор, железо, иод и другие элементы. Эти вещества не являются энергетическим материалом, но необходимы человеку, без них он не может су ществовать, так как они входят в состав всех тканей организма и постоянно расходуются в процессе его жизнедеятельности. Сравнительно в больших количествах в организме содержатся такие элементы, как кальций, фосфор, калий, натрий, хлор, и в очень малых количествах обнаруживаются медь, цинк, бром, магний, иод, железо. Суточная потребность человека в солях почти полностью покрывается тем их количеством, которое содержится в пище, поэтому пополнение затрачиваемых организмом минеральных солей обычно не контролируется. В пищу добавляют только поваренную соль NaCl. Поваренная соль необходима человеку для поддержания постоянного состава внутренней среды организма, для образования соляной кислоты в желудочном соке.

Однако приходится уделять специальное внимание солевому составу пищи для детей, поскольку соли используются при росте различных органов, например костей, зубов, а также костного мозга, в котором образуются эритроциты.

Рассмотрим более подробно значение некоторых солей для организма.

Соли кальция принимают участие в образовании межкле­точного вещества костной ткани. Наряду с этим они имеют очень важное значение в свертывании крови. Одновременно эти соли выполняют в организме и другие важные функции.

Чем моложе ребенок, тем больше солей кальция требуется для осуществления его нормальной жизнедеятельности. Потребность в солях кальция повышается и у подростков в период полового созревания.

Соли фосфорной кислоты играют большую роль не только в образовании костной ткани, но и в энергетике клетки, в осуществлении нормальной деятельности нервной и мышечной систем, в процессах всасывания пищевых веществ в кишечнике. Отмечено, что потребность в фосфоре увеличивается при напряженном умственном труде. Чем моложе организм ребенка, тем большее количество фосфора ему требуется. Соли фосфорной кислоты содержатся в продуктах как растительного, так и животного происхождения (орехи, хлеб, крупы, печень, рыба, яйца, молоко, сыр, творог, какао).

Соли магния также принимают участие в образовании костной ткани, нормализуют работу сердечно-сосудистой системы. При составлении пищевых рационов для детей надо помнить, что употребление большого количества магния ведет к потере организмом значительного количества кальция, поэтому надо увеличивать в рационе содержание молока и мо­лочных продуктов. Много магния в морской рыбе, гречневой крупе, хлебе грубого помола.

Соли калия необходимы для нормальной деятельности сер­дечно-сосудистой системы. Они усиливают мочеотделение, по­вышают возбудимость нервной и мышечной тканей. Соли калия содержатся в тыкве, кабачках, арбузах, яблоках, кураге, изюме, капусте.

Соли меди и железа нужны организму в малых количествах, но тем не менее они играют важную роль в кроветворении, тканевом дыхании. В пищевой рацион детей, особенно страдающих малокровием, рекомендуется включать продукты, содержащие много солей железа, меди (печень, лиственную зелень, селезенку, хлеб, орехи, морковь, фрукты, фруктовые соки).

Иод играет большую роль в жизнедеятельности организма. При его недостатке развивается заболевание щитовидной железы. Если в детском возрасте щитовидная железа получает недостаточное количество иода, то у ребенка развивается кретинизм, характеризующийся малым ростом и умственной отсталостью. Много иода содержится в морской капусте, кальмарах, крабах, морской рыбе.

Кобальт нужен организму для нормализации процессов кроветворения. Он входит в состав витамина Bi2. При его недостатке может возникнуть малокровие. Много кобальта содержится в горохе, свекле, красной смородине, клубнике.

Бром необходим для нормализации деятельности нервной системы, для уравновешивания процессов возбуждения и торможения. Много брома содержится в мясной пище.

Фтор необходим для сохранения зубов. Отсутствие его в воде приводит к кариесу, к разрушению эмали зубов.

Обмен воды. Ни один процесс, происходящий в нашем организме, не может осуществляться без воды. Она представляет собой растворитель, в котором совершаются все биохимические процессы. Наряду с этим вода непосредственно участвует в ряде биохимических реакций, происходящих в клетках нашего тела. В связи с этим в человеческом организме находится много воды.

Процентное содержание воды в организме зависит от возраста человека. Чем моложе ребенок, тем больше воды содержится в его теле. Так, в клетках внутриутробного плода человека и животных содержание воды достигает 95%, в клетках новорожденных — 85%, в клетках взрослого человека — 65%. С потерей воды клетки становятся менее активными.

Все ткани содержат воду, но содержание ее на единицу массы данной ткани неодинаково. Например, костная ткань содержит около 22% воды, мышечная — 75%, сердце — 79%, почки — 83%, головной мозг — 85%, кровь — 92%.

В норме количество воды, получаемое организмом в течение суток, равно ее потере. Это нормальный водный баланс организма. Однако величина его может быть различна. Так, в сильную жару организм поглощает больше воды и выводит значительное ее количество с потом. Аналогичная картина наблюдается при инфекционных заболеваниях: человек потребляет много воды и выводит ее в больших количествах с мочой, а в период падения температуры — с потом.

На уровень баланса воды в организме влияют и другие факторы, например качество пищи (при употреблении соленых блюд потребность в воде резко возрастает), температура окружающего воздуха, а также состояние организма (при физической работе потребление воды возрастает).