Глава VI. Физиология обмена веществ и энергии. Питание

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.