9. Обмен веществ и энергии

Обмен у человека заключается в поступлении из внешней среды различных веществ, в превращении и использовании их в процессах жизнедеятельности и в выделении образующихся продуктов в окружающую среду.

Согласно первому закону термодинамики энергия не исчезает и не возникает вновь, а лишь переходит из одной формы в другую. Второй закон термодинамики утверждает, что вся энергия, в конце концов, переходит в тепловую энергию и организация материи становится полностью неупорядоченной. Следовательно, живые существа должны получать энергию в доступной для них форме из окружающей среды и возвращать в нее такое же количество энергии в другой форме.

Главным источником энергии, а также необходимых для роста и обновления тканей веществ является пища. В ходе пищеварения ее компоненты всасываются в кровь, а затем используются клетками. В них осуществляются строго определенные последовательности реакций, называемые путями метаболизма. Метаболизм (обмен веществ и энергии) разделяют на анаболизм (ассимиляцию) и катаболизм (диссимиляцию). Анаболизм - это совокупность процессов синтеза. Он обеспечивает рост и обновление биологических структур. Катаболизм - это совокупность процессов расщепления молекул с использованием в дальнейшем части из них для биосинтеза и окисление другой части до конечных продуктов метаболизма. Это обеспечивает извлечение из органических молекул химической энергии, а анаболизм использует ее. Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание катаболических процессов ведет к разрушению тканевых структур. В детском возрасте должен преобладать анаболизм, а в старческом - катаболизм.

Превращение и использование энергии. Человек получает энергию из окружающей среды в виде энергии, заключенной в химических связях органических веществ. Получение энергии без участия кислорода называется анаэробным обменом, а с участием кислорода - аэробным обменом. Анаэробные процессы разрушают небольшую часть химических связей, а в присутствии кислорода разрушаются практически все связи. Поэтому аэробное окисление служит источником наибольших количеств энергии. Одна ее часть ее сразу же используется для выполнения определенных функций, другая выделяется в виде тепла, а третья накапливается в АТФ, которая является аккумулятором энергии и средством ее переноса к месту использования.

Энергетический обмен служит показателем общего состояния и физиологической активности организма. Единица измерения энергии, обычно применяемая в биологии - калория (кал). В Международной системе единиц (СИ) для этого используется джоуль (1 кал = 4,19 Дж). Запас энергии в пище можно определить в погруженной в воду, замкнутой камере. В ней сжигают взвешенную пробу, а по приросту температуры воды определяют количество выделившейся энергии. Окисление 1 г углеводов дает 17,17 кДж/г (4,1 ккал/г), 1 г жира дает 38,96 кДж (9,3 ккал). Только сжигание белка дает больше энергии (22,61 кДж/г), чем его окисление в организме. Разница приходится на энергию, которая расходуется на образование мочевины.

Теплопродукции является точным выражением величины обмена в организме человека. Для ее определения применяют прямые и непрямые методы. Прямая калориметрия заключается в непосредственном измерении теплопродукции. Для этого человек помещается в герметическую камеру, через которую по трубам протекает вода. По разности температур, поступающей и вытекающей жидкостей, вычисляют теплопродукцию. Непрямая калориметрия основана на том, что источником энергии в организме являются процессы, при которых потребляется кислород и выделяется углекислый газ. Наиболее распространен способ Дугласа - Холдейна, при котором собирают выдыхаемый человеком воздух в мешок из воздухонепроницаемой ткани. Затем определяют объем и газовый состав (содержание О₂ и СО₂) собранной смеси. По соотношению объемов выделенного углекислого газа и потребленного за то же время кислорода определяют дыхательный коэффициент (ДК), а по нему выбирают соответствующий калорический эквивалент кислорода (КЭК) - количество тепла, которое выделяется при окислении какого-либо вещества в литре поглощенного при этом кислорода. Умножая КЭК на объем потребленного кислорода получают величину теплопродукции.

Интенсивность энергетического обмена зависит от многих факторов. Поэтому для сравнения энергетических затрат у разных людей введено понятие основной обмен (ОО) - минимальные для бодрствующего организма затраты энергии в стандартных условиях: 1) при комфортной температуре (18-20⁰ С); 2) в положении лежа (обследуемый не должен спать); 3) в состоянии эмоционального покоя; 4) натощак. У мужчин ОО приблизительно на 10% больше чем у женщин.

Расход энергии у здорового человека складывается из основного обмена, рабочей прибавки (энергозатрат на выполнение той или иной работы) и специфического динамического действия пищи (затраты энергии на усвоение пищи). Чем интенсивнее выполняемая работа, тем выше суточные затраты энергии. Для людей, выполняющих легкую работу, нужно 2400-2600 ккал в сутки, а при выполнении тяжелой мышечной работы - 4000 ккал и выше.

Превращение разных веществ имеет свои особенности. Поэтому обмен каждой из групп химических соединений рассматривается отдельно.

Белки состоят из разных сочетаний 20 аминокислот. Десять из них (валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, триптофан, треонин, фенилаланин, аргинин и гистидин) не синтезируются в организме и называются незаменимыми, остальные 10 аминокислот относятся к заменимым. Поэтому полноценными белками в пище являются те, которые содержат необходимые количества незаменимых аминокислот.

Часть аминокислот окисляются и служат источником энергии. Образующийся при этом аммиак превращается в мочевину, которая выводится из организма.

Белки в организме человека непрерывно обновляются и не депонируются. Поэтому потребность в белке определяется тем его минимальным количеством, которое уравновешивает потери. Человеку рекомендуется принимать с пищей 85-90 г белка в сутки.

Липиды (преимущественно сложные эфиры глицерина и жирных кислот) играют энергетическую и пластическую роль. Их запасы у человека в среднем составляют 10-20% от массы тела (около половины в подкожной жировой клетчатке). В условиях покоя после приема пищи липиды накапливаются. В состоянии голода, при переохлаждении, физической или психоэмоциональной нагрузке происходит интенсивное расщепление запасенных жиров. Только незаменимые жирные кислоты (линолевая, линоленовая и арахидоновая) не синтезируются в организме. Их недостаток задерживает рост и нарушает многие функции. Поэтому биологическая ценность пищи определяется и по наличию в ней незаменимых жирных кислот.

Углеводы поступают в организм человека, главным образом, в виде крахмала и гликогена. В желудочно-кишечном тракте они расщепляются до моносахаридов, которые всасываются в кровь и используются для синтеза аминокислот и полисахаридов, а также в качестве источника энергии. При достаточном поступлении глюкоза превращается в резервную форму ее хранения - гликоген. После истощения запасов гликогена усиливается образование глюкозы из других веществ (гликонеогенез). Избыток углеводов стимулирует отложение жира. Поэтому желающим похудеть, рекомендуют диеты без сладкого.

Обмен воды и минеральных веществ. Человек на 70-75% состоит из воды. Водный баланс в организме поддерживается за счет равенства объемов потерь воды и ее поступления в организм. Суточная потребность в воде (в среднем 2400 мл) удовлетворяется за счет поступления воды при питье (1200 мл), с пищей (900 мл) и воды, образующейся в организме в ходе обменных процессов (300 мл). Такое же количество воды выводится в составе мочи (1400 мл), кала (100 мл), посредством испарения с поверхности кожи и дыхательных путей (900 мл). Недостаточное поступление в организм воды или ее избыточная потеря приводят к дегидратации. Недостаток в организме воды в объеме 20% от массы тела ведет к смерти. Избыточное поступление воды в организм или снижение ее выведения из организма, приводят к водной интоксикации. Обмен воды и минеральных ионов в организме тесно взаимосвязаны, что обусловлено поддержанием постоянного осмотического давления во внеклеточной среде и клетках. Осуществление ряда физиологических процессов (возбуждения, синаптической передачи, сокращения мышцы) невозможно без поддержания в тканях определенных концентраций Na⁺, K⁺, Са₂⁺ и других ионов. Все они должны поступать в организм с пищей.

Ценность пищи определяется содержанием белков, жиров, углеводов, витаминов, минеральных солей, органических кислот, воды, ароматических и вкусовых веществ. Необходимо учитывать также перевариваемость и усвояемость пищи.

Согласно теории сбалансированного питания (А.А. Покровский) - полноценное питание должно соответствовать физиологическим потребностям по количеству и соотношению всех компонентов в пище. Она должна восполнять все энергетические затраты человека. В рационе должны быть сбалансированы белки, жиры и углеводы. Для человека, среднее соотношение их энергетической ценности должно составлять - 15:30:55%. Должны быть сбалансированы белки с незаменимыми и заменимыми аминокислотами, жиры с разной насыщенностью жирных кислот, углеводы с разным числом мономеров и наличием балластных веществ (целлюлоза, пектин и др.).

Согласно теории адекватного питания (А.М. Уголев), важно соответствие набора пищевых веществ ферментам пищеварительной системы. В этой теории считается, что первичный поток питательных веществ формируется в результате переваривания и всасывания пищи, но кроме него есть вторичный поток, который образуется в результате деятельности микрофлоры кишечника. С ее участием образуются вещества, обладающие энергетической и пластической ценностью, а также влияющие на многие физиологические процессы (иммунные, защитные, поведенческие).

Принципы составления суточного рациона:

1. Калорийность питательных веществ должна соответствовать энергетическим затратам организма. Белки, жиры и углеводы, исходя из их энергетической ценности, взаимозаменяемы только на короткое время, так как они выполняют и пластическую функцию.

2. Соотношение количеств белков, жиров и углеводов должно быть 1:1,2:4.

3. Должны полностью удовлетворяться потребности в витаминах, минеральных солях, воде и незаменимых аминокислотах.

4. Не менее трети суточной нормы белков и жиров должно поступать в виде продуктов животного происхождения.