Баланс азота и азотистое равновесие
Основная масса азота в потребляемой пище приходится на долю белков. Результаты многочисленных анализов разных компонентов в продуктах питания на содержание в них азота показывают, что без какойлибо значительной ошибки основное количество этого важнейшего элемента вводится в организм в составе белка. При обмене белков, содержащийся в них азот выделяется из организма в виде азотистых веществ, главными из которых являются мочевина и аммиак.
Для оценки общего состояния обмена белков большое значение приобретает определение азотистого баланса, т.е. разницы между количеством азота, введенного в организм с продуктами питания, и количеством азота, выведенного из организма в виде конечных азотсодержащих продуктов обмена. Азотистый баланс может быть
положительным, равным нулю и отрицательным.
Если азота выводится меньше, чем его было введено, т.е. имеет место накопление данного элемента в организме, то в этом случае обмен белков характеризуется положительным азотистым балансом. В норме положительный азотистый баланс присущ растущему организму или отмечается у женщин во время беременности. Состояние положительного азотистого баланса можно представить в виде схемы, приведенной на рис. 2.1.
Рис. 2.1 Схема, иллюстрирующая состояние основных метаболических путей, характерных для положительного азотистого баланса в организме млекопитающих и человека (Textbook of Biochemistry with clinical correlations, Devlin T.M., (ed.), WILEY-LISS, 1993).
Азотистый баланс может быть равен нулю, если азота выводится из организма столько же, сколько его поступило с пищей. В данном случае принято говорить об азотистом равновесии. Взрослый человек находится в состоянии азотистого равновесия, если он получает достаточное количество белка в продуктах питания. При некотором увеличении количества белка в пище соответственно увеличивается и количество экскретируемого азота.
При небольшом уменьшении количества вводимого белка уменьшается и количество выведенного азота, но в обоих случаях баланс азота равен нулю.
Если азота выводится из организма больше, чем его было введено, то имеет место отрицательный азотистый баланс. Это означает, что в организме происходит процесс распада белков клеток, тканей и органов, который не компенсируется белками пищи (рис. 2.2). Отрицательный азотистый баланс наблюдается при различных заболеваниях, связанных с усиленным распадом тканевых белков (метаболический стресс), при нехватке в продуктах питания незаменимых аминокислот, а также при белковом голодании.
Рис. 2.2 Схема, иллюстрирующая состояние основных метаболических путей, характерных для отрицательного азотистого баланса в организме млекопитающих и человека (Textbook of Biochemistry with clinical correlations, Devlin T.M., (ed.), WILEY-LISS, 1993).
Совершенно естественно возникает вопрос о пределах возможного увеличения или уменьшения количества белка в пище. Если кормить подопытных животных таким образом, чтобы полностью покрыть энергетические потребности организма углеводами и жирами, но исключить из рациона белки, то азотистый баланс неизбежно становится отрицательным. Это происходит по той причине, что организм продолжает выделять с мочой азотистые вещества, являющиеся продуктами обмена белков. Поскольку животные не получают белка извне, выделение азотистых веществ указывает на то, что в организме происходит распад белка собственных органов и тканей. Необходимость распада собственных белков при белковом голодании связана с функциональной деятельностью различных органов, а именно: продукцией белок-содержащих секретов эндокринных и экзокринных желез (синтез пептидных гормонов, пищеварительных ферментов), отмиранием и удалением некоторых тканей и образований (рост волос, ногтей, слущивание эпидермиса), разрушением и новообразованием клеток крови, слизистой кишечника и т.д. Естественно, что азотистый баланс при таком рационе все время остается отрицательным, и если эксперимент длится достаточно долго, то это неизбежно приводит к гибели животных.
В медицинской научной литературе имеется описание подобных наблюдений и на людях-добровольцах, которые в течение достаточно продолжительного времени находились на безбелковой диете, включающей крахмал, сахар, жиры и необходимые минеральные добавки. На основании подсчета количества выделяемых при безбелковой диете азотистых веществ было установлено, что взрослый человек после 8-10 дней белкового голодания начинает выделять постоянное количество азота, близкое к 53 мг в сутки на 1 кг веса тела. Для человека со средней массой 70 кг это составляет 3,71 г азота или 23,2 г белка в сутки. Это минимальное количество белка (23,2 г), соответствующее экскреции 3,71 г азота, было названо немецким физиологом Максом Рубнером «коэффициентом изнашивания». Следует, однако, иметь в виду, что «коэффициент изнашивания» представляет собой лишь среднестатистическую величину, которая в действительности зависит от ряда конкретных факторов и может существенно отклоняться от приведенных выше значений.
Нормы белка в питании
Всвязи со сказанным выше должен возникать закономерный вопрос. Какое же количество белка должно присутствовать в продуктах питания, чтобы обеспечить сохранение здоровья и нормальную жизнедеятельность организма человека?
Исходя из того, что «коэффициент изнашивания» у взрослого человека составляет около 23 граммов белка, казалось бы достаточным введение в
организм именно этого количества протеина, что обеспечивало бы покрытие расхода белков, связанного с их распадом в органах и тканях. Однако, как было показано, азотистое равновесие устанавливается при гораздо бóльших количествах белка в пище, чем этого требует «коэффициент изнашивания».
Всреднем азотистое равновесие устанавливается у человека при употреблении не менее 30-45 г белка в сутки. Это минимальное содержание белка, необходимое для поддержания азотистого равновесия при условии полной компенсации энергетических потребностей организма получило название «физиологического минимума белка».
Возможность достижения азотистого равновесия у человека при потреблении 30-45 г белка в сутки послужила обоснованием для рекомендаций, высказываемых некоторыми учеными о допустимости пользования низкими нормами белка в питании. Однако, неполноценная диета может казаться безвредной лишь в определенные промежутки времени. Часто неполноценность той или иной диеты сказывается лишь на потомстве. Поэтому речь должна идти не о голодной норме белка в питании человека, а об оптимальном его содержании в рационе.
Вчастности, по данным Департамента продовольствия и питания Национальной академии наук США, пересмотренным в 1989 году,
рекомендованное количество белка в продуктах питания должно составлять 58-66 г/сутки для мужчин и 44-50 г/сутки для женщин.
Рекомендованное количество белка в диете, обоснованное российскими врачами-диетологами составляет около 100 г/сутки в умеренном климате и не менее 120 г/сутки в жарком климате. Указанные нормы белка рекомендованы людям, занимающимся в первую очередь умственным трудом или полностью механизированным физическим трудом.
Одним из проявлений неправильного, несбалансированного по белку и энергетическим потребностям питания является истощение или, как его еще называют, маразм. Истощение вызывается хроническим недостатком калорий в пище у детей. Это заболевание развивается у грудных детей после перехода от кормления их грудным молоком на искусственную пищу, приготовленную из злаковых и других растений, и содержащую, как правило, мало калорий и неполноценный растительный белок. Для состояния маразма характерна задержка роста, резко выраженная атрофия мышечной системы, общая слабость и анемия. Недостаточное поступление пищевых белков в раннем детстве, даже если оно впоследствии компенсируется нормальной диетой, приводит в любом случае к отставанию
вфизическом и умственном развитии. Данные проявления недоедания особенно характерны для развивающихся стран, где чаще всего от этого страдают дети и подростки. Смертность детей из-за неполноценного питания
встранах с нехваткой продовольствия очень велика – более половины детей не доживает до 5-летнего возраста. Маразм – это одно из проявлений большого числа заболеваний, главной причиной которых следует считать не столько общий недостаток продуктов питания, сколько их несбалансированность по полноценному белку.
Другим проявлением неправильного питания является квашиоркор (kwashiorkor), которое определяется как неадекватное употребление белковой пищи при нормальном энергетическом балансе. Название заболевания произошло от африканского слова, в переводе означающего «отнимание от груди». В слаборазвитых странах детей кормят грудным молоком сравнительно долго, однако, когда их отнимают от груди (причиной этого служит обычно появление следующего ребенка), дети начинают получать пищу с недостаточным количеством белка. Квашиоркор характеризуется обманчивым упитанным внешним видом, который обусловлен, в первую очередь, отеком. Их ткани из-за сниженного количества белков в плазме крови раздуваются и становятся отечными, вследствие чего нарушается нормальное распределение воды между кровью и тканями. Дегенеративные процессы развиваются также в печени, почках и
вподжелудочной железе. Другими проявлениями заболевания являются сухость и ломкость волос, диарея, различные формы дерматита, задержка роста и умственного развития.
Наиболее выраженным следствием нехватки белка в продуктах питания у детей, страдающих квашиоркором, является сильно сниженная способность организма противостоять инфекциям. Эти дети имеют резко сниженное количество Т-лимфоцитов, а также страдают от дефектов, связанных с генерацией фагоцитов и продукцией иммуноглобулинов, интерферона и других компонентов иммунной системы.
Говоря о необходимости поддерживать достаточное количество белков в рационе, не следует, однако, забывать и о том, что избыточное содержание белка в продуктах питания имеет свои отрицательные стороны.
Например, в США большинство населения употребляет белок в количествах гораздо бóльших, чем это необходимо для поддержания азотистого баланса. Средний американец потребляет 99 г белка, 68% которого приходится на долю продуктов животного происхождения. Многочисленные исследования показывают, что здоровый взрослый человек может употреблять такое количество белка без особого вреда для здоровья. Однако, исследования, проведенные в последнее время, показали, что высокое содержание белка в рационе может служить причиной нарушения обмена кальция (Ca+2) в организме. В некоторых работах приводятся данные, свидетельствующие о том, что повышенное содержание белка в пище вызывает увеличение потерь кальция, который выводится почками, что, в свою очередь, сильно ускоряет процесс деминерализации костей с возрастом.
С другой стороны, более серьезные клинические проблемы могут возникать при одновременно высоком содержании в пище, как белка, так и высоко калорийных компонентов. Наиболее часто встречающимся заболеванием, вызванным неправильным избыточным питанием является ожирение. Биохимические механизмы предрасположенности к ожирению все еще не до конца ясны, но большинство исследователей придерживается мнения, что такие нарушения метаболизма являются результатом расстройства термопродукции. Обычно избыточное употребление высококалорийной пищи приводит к тому, что часть калорий превращается в тепло, а не запасается в виде жира. Этот процесс называется
индуцированным диетой термогенезом. Существует предположение, что употребление высококалорийной пищи способствует гиперпродукции инсулина, который при участии симпатической нервной системы стимулирует метаболические процессы, обеспечивающие рассеивание энергии в виде тепла. У грызунов – крыс и мышей – за регуляцию теплопродукции отвечает специализированная адипозная ткань, называемая бурым жиром. У человека эта адипозная ткань дает незначительный вклад в теплопродукцию, а основным местом термогенеза является скелетная мускулатура. При склонности к ожирению, у отдельных людей наблюдается не теплопродукция, а эффективное превращение калорий в жир. Хотя, как упоминалось выше, биохимические механизмы теплопродукции в тканях-