Из Возрастная физиология: Учеб.-метод. пособие / Под редакцией д.м.н. Ю. М. Досина.- Мн.: БГПУ, 2006. – 266 с.

Глава 11. Обмен веществ и энергии

11.1. Возрастные особенности обмена веществ и энергии

Обмен веществ и энергии – это совокупность физических, химических и физиологических процессов усвоения богатых энергией питательных веществ в организме человека с высвобождением энергии. Обмен веществ и энергии является одной из важнейших особенностей живой природы и основной функцией организма. В процессе обмена веществ в организм поступают различные энергосодержащие питательные вещества, вода, минеральные соли и выделяются продукты распада – уже ненужные или вредные для жизнедеятельности организма вещества. Из вновь поступивших химических веществ организм строит новые клетки и их составные части. Это пластические процессы, или процессы ассимиляции. Одновременно с ними идут процессы диссимиляции, или распада. В результате этих процессов организм освобождается от «изношенных и негодных своих частей» и получает энергию, необходимую для его жизнедеятельности.

Энергию для всех процессов жизнедеятельности организм получает в результате анаэробного и аэробного катаболизма поступающих в организм белков, жиров и углеводов. За счет анаэробного гликолиза может удовлетворяться лишь незначительная часть энергетических потребностей клетки. В процессе аэробного обмена образуется наибольшее количество молей АТФ, которая в организме играет роль внутренней «энергетической валюты», является аккумулятором и переносчиком химической энергии.

Процессы анаболизма и катаболизма находятся в динамическом равновесии. Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание катаболических процессов ведет к частичному разрушению тканевых структур, выделению энергии. Установлено, что в  детском возрасте преобладает анаболизм, в старческом – катаболизм.

11.2. Особенности обмена веществ и энергии у детей.

Особенности обмена веществ и энергии у детей определяют следующие факторы: специфические потребности в пластическом материале, обусловленные приростом массы тела и развитием органов; изменение ряда метаболических путей и циклов на различных этапах роста, что определяется депрессией генов регуляторов, индукцией или подавлением синтеза белков-ферментов; развитие устойчивой нейроэндокринной регуляции обмена и возрастные изменения чувствительности тканей к действию гормонов; смена периодов роста и дифференцировки тканей, не совпадающая во времени в различных органах; изменение пропорций внутренних органов и мышечной ткани по отношению к массе тела; увеличение энергетических резервов организма в процессе роста (депо гликогена и жира); относительное уменьшение объема внутренней среды (внеклеточной жидкости) за счет увеличения клеточной массы.

Основной обмен – возрастные особенности.

Основной обмен – это минимальный уровень энергозатрат, необходимый для поддержания жизнедеятельности организма в условиях относительно полного физического и эмоционального покоя.

Определение основного обмена проводят в стандартных условиях.: утром, в положении лежа, при максимальном расслаблении мышц, в состоянии бодрствования, в условиях температурного комфорта (22⁰С), натощак (через 12–14 ч после приема пищи). Величина основного обмена зависит от возраста, пола и упитанности. Для взрослого человека среднее значение величины основного обмена равно 1 ккал/кг/ч. Отсюда для взрослого мужчины массой 70 кг величина энергозатрат в покое составляет 1700 ккал/сутки, для женщин –1500 ккал/сутки (табл. 16).

Для каждого человека величина основного обмена относительно постоянна.

Основной обмен у детей интенсивнее, чем у взрослых. Растущий организм характеризуется интенсивным поглощением О₂ и выделением СО₂, что свидетельствует о большой интенсивности протекающих у детей обменных процессов. У детей 8–9 лет основной обмен в 2–5 раз выше, чем у взрослых. Это связано с большими энергозатратами на рост. Энергетические затраты на рост тем больше, чем моложе ребенок. Так, расход энергии, связанный с ростом, в возрасте 3 месяцев составляет 36%, в возрасте 6 месяцев –26%, 10 месяцев –21 % общей энергетической ценности пищи.

В дошкольном и младшем школьном возрастах отмечается четкая закономерность, заключающаяся в соответствии интенсивности основного обмена и динамики ростовых процессов: чем больше скорость относительного роста, тем значительнее изменения обмена в покое.

Таблица 18

Возрастные изменения основного обмена (в кДж/м² в 1 ч)

Возраст (в годах)	Мужчины	Женщины
5	228	216
10	207	191
14–16	193	180
16–18	180	168
18–20	172	159
20–40	165	153
70–80	149	138

Установлены возрастные изменения обмена покоя у детей от 4,5 до 12 лет со средним физическим развитием. Оказалось, что динамика возрастных изменений покоя не сводится к простому понижению метаболизма. Как видно из рисунка 2 периоды, характеризующиеся быстрым снижением интенсивности обмена, сменяются возрастными интервалами, в которых величины обмена покоя стабилизируются.

ккал/кг-ч
1,9							2																		0,25
1,8
1,7			1																						0.20
1,6
1,5																									0,15
1,4
1,3																									0,1
1,2

5 6 7 8 9 10 11

в о з р а с т , л е т

Рис. 3. Изменение интенсивности обмена покоя и относительных ежегодных приростов массы тела у детей 5—11 лет. Обозначения: по оси ординат — теплопродукция в ккал/кг ч (слева); величина относительных приростов массы тела (справа); 1— изменение обмена покоя у девочек; 2 — изменение обмена покоя у мальчиков; черные столбики — ежегодные относительные приросты у девочек, белые столбики — у мальчиков.

На данном рисунке относительные годовые приросты массы тела вычислены по формуле И.И. Шмальгаузена: где Р – масса тела при данном измерении, P_n—1 – масса тела при предыдущем измерении, Y — величина относительной скорости роста, показывающая приросты на единицу массы тела.

Характерно, что чем больше скорость относительного роста, тем значительнее изменения обмена покоя. Величина основного обмена у девочек несколько ниже, чем у мальчиков. Это различие начинает проявляться уже во второй половине первого года.

По изменению темпов ростовых процессов и интенсивности обмена девочки опережают мальчиков примерно на год. Если принять общий обмен за 100%, а основной за 60% от общего обмена, то у ребенка 15% энергии расходуется на рост и отложение веществ, 0,5% – на специфически–динамическое действие пищи, 15% – на работу мышц и 5–10% на потерю с экскрементами. У взрослого нет расхода энергии на рост и отложение веществ, на специфически–динамическое действие пищи приходится 10%, на работу мышц –25%, на потерю с экскрементами –5%. Остальная часть обмена веществ у детей и взрослых приходится на внутренние органы.

Обмен белков. В период роста белок необходим для формирования новых клеток и тканей. Чем меньше возраст ребенка, тем большее количество белка требуется на каждый кг массы тела. На первом году жизни ребенка на каждый кг требуется 5—5,5 г белка, в возрасте от 1 года до 3 лет – 4–4,5 г, от 4 до 7 лет – 3,5–4 г, от 8 до 12 лет – 3 г, старше 12 лет – 2–2,5 г.

Таблица 19

Расчетная суточная потребность в белках (рекомендации ВОЗ)

Возраст (в годах)	Потребность (в г на 1 кг массы тела в сутки)
	средняя	ниже средней на 20%	выше средней на 20%
1–3	0,88	0,70	1,06
4–6	0,81	0,65	0,97
7–9	0,77	0,62	0,92
10–12	0,72	0,58	0,92
13–15	0,70	0,56	0,84
16–19	0,64	0,51	0,77
20 лет и старше	0,59	0,47	0,71

Потребность мальчиков в белках больше, чем у девочек. Синтез белка в развивающемся организме доминирует над распадом. Поэтому для детей характерен положительный азотистый баланс. Существуют оптимальные суточные дозы белков, при которых отмечается максимальная задержка, или ретенция, азота в организме. В возрасте от 1,5 до 3 лет максимальная ретенция отмечается при 4 г белка на 1 кг массы. Увеличение количества белка выше этой нормы не сопровождается ростом задержки азота в организме. Ретенция азота зависит также от количественного соотношения белков, жиров и углеводов в питании ребенка. Наилучшая ретенция отмечается в тех случаях, когда это соотношение равно 1:1:4.

Очень важно, чтобы дети получали с пищей достаточное количество незаменимых аминокислот. Лизина, который способствует кроветворению, требуется в сутки 3,2–4,8 г; суточное потребление триптофана, также необходимого для роста равно 1 г и т.д. У детей в возрасте от 1 до 3 лет 75% белка, получаемого с пищей, должно быть животного происхождения, 25% – растительного.

Белки не откладываются в организме про запас, поэтому если давать их с пищей больше, чем это требуется организму, то увеличение задержки азота и нарастание синтеза белка не произойдет. При этом у ребенка нарушается кислотно-щелочное равновесие, ухудшается аппетит, усиливается выведение азота с мочой и калом. Ребенку нужно давать оптимальное количество белка, с набором всех необходимых аминокислот.

С увеличением возраста содержание белков животного происхождения должно уменьшаться, и в 5 лет количество того и другого белка должно быть одинаковым. В пище детей старшего школьного возраста, как и у взрослых, животный белок должен составлять 30%, а растительный – 70%.

Чем меньше возраст детей, тем менее интенсивно идет распад аминокислот до конечных продуктов обмена. Соответственно, у детей первых месяцев жизни выводится наибольшее количество аминокислот. К концу первого года количество их в моче становится таким же, как и у взрослых.

Азотистый обмен детей характеризуется наличием в их моче креатина, в то время как моча взрослых его не содержит. Это связано с недостаточным развитием мышц, удерживающих во взрослом состоянии креатин. Только к 17–18  годам креатин исчезает из мочи.

Относительное количество мочевины в моче детей до 6 лет возрастает, а затем начинает уменьшаться. Количество мочевой кислоты, рассчитанной на кг массы тела с возрастом уменьшается.

Возрастные изменения ферментных систем ребенка обуславливают направленность метаболизма. С возрастом увеличивается активность ферментов фосфорилирующего и свободного окисления, особенно в печени. Активность многих ферментов повышается после рождения, достигая уровня активности взрослых в разное время в зависимости от органа, ткани. Например, активность протеаз крови, щелочной фосфатазы, трипсина у грудных детей наименьшая. Постепенно она увеличивается и достигает максимального значения в школьном возрасте. Напротив, активность лактатдегидрогеназы плазмы крови и эритроцитов максимальна на 2–4–й день жизни и постепенно снижается с возрастом. Аналогично этому активность АТФ-азы эритроцитов новорожденных в 2 раза выше, чем у детей старшего возраста или у взрослых.

Особенности обмена жиров. Поступившие с пищей растительные и животные жиры расщепляются в пищеварительном тракте на глицерин и жирные кислоты, которые всасываются, главным образом, в кровь и лимфу и лишь частично в кровь. Из этих веществ, а также из продуктов обмена углеводов и белков синтезируются липиды, которые используются организмом прежде всего как богатый источник энергии. При распаде жира выделяется в 2  раза больше энергии, чем при распаде равного количества белков и углеводов. Кроме того, липиды являются обязательной составной частью клеточных структур: цитоплазмы, ядра и клеточной мембраны, особенно нервных клеток. Не израсходованные в организме липиды откладываются в запас в виде жировых отложений.

Некоторые непредельные жирные кислоты, необходимые организму (линолевая, линоленовая, арахидоновая), должны поступать в организм в готовом виде, так как организм не способен их синтезировать — незаменимые жирные кислоты. Содержатся непредельные жирные кислоты в растительных маслах.

С жирами в организм поступают растворимые в них витамины: А, D, E, K, имеющие жизненно важное значение. На 1 кг массы взрослого человека в сутки должно поступать с пищей 1,25 г жиров (80–100 г в сутки).

Потребность организма детей в липидах тем выше, чем меньше возраст ребенка. В первое полугодие жизни потребность в энергии покрывается за счет жиров на 50%. Без жиров невозможна выработка общего и специфического иммунитета. В этом возрасте на каждый кг массы тела требуется 6–7 г жиров, в возрасте от 6 месяцев до 4 лет –3,5–4 г, в дошкольном и школьном возрасте – 2,0–2,5 г.

В возрасте от 6 месяцев до 4 лет суточная потребность в энергии удовлетворяется за счет жиров на 30–40%, а в дошкольном и школьном возрасте – на 25–30%. Суточное количество жира в пище детей от 1 года до 3 лет должно быть 32,7 г, от 4 до 7 лет –39,2, от 8 до 13 лет –38,4г, свыше 14 лет– 47 г.

При грудном вскармливании усваивается до 98% жиров молока, при искусственном – 85%.

Установлено, что обмен жиров у детей неустойчив, при недостатке в пище углеводов или при их усиленном расходе быстро истощается жировое депо.

Исследования показали, что во время развития организма количество фосфолипидов в нервной системе увеличивается, а в период старения – уменьшается.

Увеличивается количество холестерола плазмы крови. Максимум увеличения достигается у женщин в 40–50 лет, у мужчин – в 60– 69лет. После достижения максимума количество холестерола снижается.

Количество нейтральных жиров растет по мере увеличения возраста, что связывают с уменьшением активности соответствующих ферментов. Изменения содержания в организме различных липидов вызывают постепенные нарушения проницаемости и плотности клеточных мембран, что сопровождается ухудшением функции клеток. Предполагают, что это один из механизмов старения.

Особенности обмена углеводов. Углеводы являются основным источником энергии. Наибольшее количество содержится в злаках, картофеле, фруктах и овощах. Углеводы расщепляются в пищеварительном тракте до глюкозы, всасываются в кровь и усваиваиваются клетками организма. Неиспользуемая глюкоза депонируется в виде полисахарида гликогена в печени и мышцах, который является резервом углеводов в организме. Углеводы могут синтезироваться и при отсутствии их поступления в организм из продуктов распада белков и жиров. Особенно чувствительна к недостатку глюкозы в крови (гипогликемии) ЦНС. При незначительном снижении глюкозы в крови отмечается слабость, головокружение, а при значительном падении углеводов наступают различные вегетативные расстройства, судороги, потеря сознания. У детей наблюдается гипогликемия, которая связана, с одной стороны, с недостаточной эффективностью анаэробного пути окисления, требующего большого количества глюкозы для производства такого же количества энергии, с другой – с повышенной утилизацией глюкозы тканями детей.

Распад углеводов может проходить как в аэробных (цикл Кребса), или в анаэробных (гликолиз) условиях. Быстрота распада глюкозы и возможность быстрого извлечения и переработки ее резерва — гликогена создают условия для экстренной мобилизации энергетических ресурсов при резком эмоциональном возбуждении, интенсивных мышечных нагрузках. Однако, мобилизация углеводных ресурсов при выполнении физических упражнений у детей происходит хуже, чем у взрослых, из-за сниженной продукции адреналина, обусловленной недоразвитием мозгового слоя надпочечников. При этом в крови у детей в отличие от взрослых содержание глюкозы снижается. Как известно, углеводы входят в состав нуклеиновых кислот, цитоплазмы, играют важную пластическую роль при формировании клеточных оболочек.

Характерной особенностью углеводного обмена у детей является высокая усвояемость углеводов (до 99%), что в определенной степени объясняется высокой активностью лактазы кишечника по сравнению с таковой у взрослых. Необходимо учитывать, что на первом году жизни основным углеводом является лактаза. Организм ребенка испытывает большую потребность в углеводах, так как интенсивность гликолиза в нем очень высока, она на 35% выше, чем у взрослых. В то же время синтез углеводов из жиров и белков в растущем организме выражен слабо. Запасы углеводов в организме невелики, и они очень быстро истощаются.

Суточная потребность в углеводах составляет в грудном возрасте 10–12 г на 1 кг массы тела, в возрасте от 1 до 3 лет –193 г, от 4 до 7 лет –287,9 г, от 8 до 13 лет –370 г, от 14 до 17 лет – 470 г, взрослого – 500 г.

Толерантность к глюкозе у детей больше, чем у взрослых. У последних глюкоза появляется в моче в случае, если ее потребляет организм 2,5–3 г на 1 кг массы тела, у детей только после потребления 8–12 г глюкозы на 1 кг массы тела отмечается ее появление в моче. Это связано с тем, что у детей при избытке глюкозы интенсивно синтезируется гликоген, откладывающийся не только в печени, но и в других органах.

Возрастные особенности обмена минеральных веществ.  Минеральные соли не являются источниками энергии, но их поступление и выведение является условием его нормальной жизнедеятельности. Минеральные соли создают столь необходимое для жизнедеятельности клеток определенное осмотическое давление.

Количество солей, содержащихся в организме ребенка, с возрастом увеличивается. У новорожденного соли составляют 2,55% от массы тела, а у взрослого – 5%.

Особенно велика у детей потребность в Са и Р, которые необходимы для формирования костной ткани. Кальций влияет на возбудимость нервной системы, сократимость мышц, свертываемость крови, белковый и жировой обмен в организме. Наибольшая потребность в Са отмечается на первом году жизни и в период полового созревания. На первом году жизни Са требуется в 8 раз больше, чем на втором. В дошкольном и школьном возрасте суточная потребность в Са составляет 0,68— 3,36г. Характерно, что при уменьшении количества Са в организме у взрослых он начинает поступать в кровь из костной ткани, что поддерживает постоянное его содержание в ней. У детей в этом случае, наоборот, Са задерживается костной тканью, что ведет к понижению его количества в крови.

Для нормального процесса окостенения необходимо, чтобы в организм поступало достаточное количество фосфора. У детей дошкольного возраста отношение кальция  и фосфора  должно быть равным единице. В 8 –10 лет кальция требуется несколько меньше, чем фосфора: их количества должны относится как 1:1:5. В старшем школьном возрасте разница в количествах Са и Р  должна быть больше и их соотношение становится равным 1:2.

Фосфор нужен не только для роста костной ткани, но и для нормального функционирования нервной системы, большинства железистых и других органов.

Количество ионов Na⁺, K⁺ и Cl^— в пище детей должно быть меньшим, чем в пище взрослого. Натрия дети должны получать 25— 40мг в сутки, калия –12–30 мг, хлора –12–15 мг. Для взрослых потребление этих веществ, соответственно, равно: 60–80 мг, 60 мг и 100–120 мг. Железа ребенок должен получать с пищей больше, чем взрослый. Суточная потребность детей в нем составляет 1–1,2 мг на 1 кг массы тела, а у взрослых –0,9 мг.

Помимо перечисленных элементов, растущий организм нуждается и в микроэлементах, многие из них участвуют в процессах кроветворения (медь, кобальт, молибден). Для меди и кобальта характерен для детей положительный баланс, т.е. они накапливаются в организме. Йод необходим для образования гормонов щитовидной железы. Его отсутствие в пище приводит к развитию заболевания, называемого эндемическим зобом. Фтор необходим для правильного формирования ткани зубов, особенно зубной эмали. Его излишек вреден, он приводит к заболеванию — флюорозу (хрупкость зубной эмали), недостаток вызывает разрушение зубов (кариес), особенно у детей. В целом роль микроэлементов сводится к тому, что они являются тонкими регуляторами обменных процессов. Соединяясь с белками, многие микроэлементы служат материалом для построения ферментов, гормонов, витаминов.

Водно-солевой обмен. Рост и развитие ребенка зависят от достаточного количества воды в организме, которое обеспечивает интенсивный обмен веществ. Дело в том, что вода в организме человека является одновременно строительным материалом, катализатором всех обменных процессов и терморегулятором тела.

Общее количество воды в организме зависит от возраста, пола и упитанности. В среднем в организме мужчины содержится около 61% воды, в организме женщины – 51%. Суточное прибавление в весе грудного ребенка совершается за счет воды на 72%, белков – на 12%, жиров – на 12%, минеральных веществ – на 2–4 % и очень небольшого количества углеводов. У детей вода очень быстро перераспределяется между кровью и тканями. В кишечнике детей она всасывается быстрее, чем у взрослых. У детей ткани быстро теряют и накапливают воду. Каждая частица воды в раннем детстве переходит из кишечника в кровеносную систему 4–5 раз, а в младшем школьном возрасте –2–3 раза. Недостаток воды вызывает у детей резкие нарушения промежуточного обмена. Чем младше ребенок, тем больше воды он должен получить на кг веса. Потребность в воде ( в мл) на кг веса составляет: в первые недели жизни –150–200, 6 мес. –120–130, к концу 1 года –90–100, у детей 3–7 лет–60, старше –50. Относительная потребность в воде с возрастом уменьшается, а абсолютная –- увеличивается. У мальчиков потребность в воде больше, чем у девочек. Существуют индивидуальные колебания. Суточная потребность в воде (мл): у годовалых –800, 2–4 лет –950, 5–6 лет –1200, 7– 10 лет –1350, 11– 14 лет –1500, а старше –1500–2000.