Лекция Обмен веществ и энергии. Питание

ЛЕКЦИЯ

ОБМЕН  ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ.  ПИТАНИЕ

Вопросы:  1. Обмен веществ – основная функция жизни

  2. Обмен белков, углеводов и жиров

  3. Обмен воды и минеральных солей

  4. Обмен энергии и питание

1. Обмен веществ – основная функция жизни

В организме человека: в органах, тканях и клетках идет непрерывный процесс созидания, образования сложных веществ. Одновременно с этим происходит распад, разрушение сложных ор­ганических веществ, входящих в состав клеток организма.

Работа органов сопровождается непрерывным их обновлением: у взрослого человека в течение суток гибнет и заменяется 20% клеток кожного эпителия, половина всех клеток эпителия пищеварительного тракта, около 25 г крови.

Рост, обновление клеток организма возможны, если в организм непрерывно поступают кислород и пита­тельные вещества. Питательные вещества — тот строительный, пластический материал, из которого строится живое.

Для построения новых клеток организма, их непрерывного обновления, и для работы органов нужна энергия, которую ор­ганизм получает при распаде питательных веществ в клетке  в процессе обмена веществ. Таким образом, питательные вещества, поступающие в орга­низм, служат не только пластическим, строительным материалом, но и источником энергии необходимой для жизни.

Обмен веществ - это совокупность изменений, ко­торые претерпевают вещества от момента их поступления в пище­варительный тракт до образования конечных продуктов распада, выделяемых из организма. Обмен веществ представляет собой единство двух процессов: ассимиляции и диссимиляции.

Ассимиляция: простые продук­ты пищеварения, поступая в клетки, подвергаются химическим пре­вращениям с участием ферментов и уподобляются необходимым организму веществам.

Диссимиляция — распад сложных органических веществ, входящих в состав клеток организма при участии ферментов. Часть продук­тов распада вновь используется организмом, часть выводится из организма наружу.  Во время диссимиляции высвобождается энергия. Именно за счет этой энергии строятся новые клетки, обновляются старые, функ­ционирует органы человека, совершается умственная и физическая работа.

Процессы ассимиляции и диссимиляции неотделимы друг от друга. При усилении процесса ассимиляции, особенно при росте  молодого организма, усиливается и процесс диссимиляции.

Превращение веществ:

- химические превращения пищевых ве­ществ начинаются в пищеварительном тракте, где сложные органические соединения – полимеры (бел­ки, жиры и углеводы) расщепляются до более простых, способных всосаться через слизистую оболочку кишечника и стать строитель­ным материалом в процессе

2

ассимиляции. При этом в пищеварительном трак­те  высвобождается незначительное количество энергии.

- вещества, поступившие в результате всасывания в кровь и лимфу, приносятся в клетки, где происходят  основные процессы превращения веществ.. Ре­шающая роль во внутриклеточном обмене принадлежит многочис­ленным ферментам клетки. Благодаря их деятельности с вещества­ми клетки происходят сложные превращения, разрываются внутри­молекулярные химические связи в них, что приводит к высвобож­дению энергии. Особое значение здесь приобретают реакции окисления и восстановления. Конечные продукты процессов окис­ления в клетке — углекислый газ и вода. Освобождающаяся при этих реакциях энергия используется для построения новых веществ в клетке, для поддержания процес­сов жизнедеятельности организма. Основным аккумулятором и переносчиком энергии, используемой при многих синтетических про­цессах, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

АТФ исполь­зуется во всех реакциях обмена, требующих затраты энер-гии: при этом в молекуле АТФ  разрывается химическая связь с остатками фос-форной кислоты, освобождая запасенную энергию (отщепление одного остатка фосфорной кислоты приводит к освобождению около 42 000 дж на 1 грамм-мо-лекулу).

2. Обмен белков, углеводов и жиров

Белки в обмене веществ за­нимают особое место: они входят в состав цитоплазмы, гемоглобина, плазмы крови, многих гормонов, иммунных тел, поддерживают постоянство водно-солевой среды организма. Без белков нет роста. Ферменты, обяза­тельно участвующие во всех этапах обмена веществ, имеют белко­вую природу.

Белки обладают большой специфич­ностью. Белки животных разных видов, разных индивидуумов од­ного и того же вида, более того, разных органов и тканей одного и того же организма отличаются друг от друга. Такая специфич­ность белков делает невозможным введение в организм нерасщепленных чужеродных белков, поэтому белковые вещества пищи, проходя через пищеварительный тракт, расщепляются до аминокислот. Аминокислоты легко усваи­ваются организмом.

В зависимости от возраста, выполня­емой деятельности, пола и т. п. меняется норма белков в питании. Для взрослого человека в суточном рационе должно содержаться в среднем 100—110 г белков, при физической работе норма белков  увеличивается до 130—140 г. Растущий организм ребенка нуждается в дополнительном количестве белков, обеспечивающих рост и формирование тела, поэтому для взрослого человека нужно на 1 кг массы тела около 1,5 г белков в сутки, а для ребенка в пер­вые годы жизни 4,5 г, т. е. в три раза выше.

Биологическая ценность аминокислот, иду­щих на построение белков организма, неравноценны. Некоторые аминокислоты незаменимы для организма (лейцин, метионин, фенилаланин и др.). Если в пище отсутствует незаме­нимая

3

аминокислота, то синтез белков в организме резко нару­шается. Но есть аминокислоты, которые могут быть заменены другими или синтезированы в самом организме в процессе обмена веществ, — это заменимые аминокислоты.

Белки пищи, содержащие весь необходимый набор амино­кислот для нормального синтеза белка организма, называют пол­ноценными. К ним относят пре­имущественно животные и неко­торые растительные белки (например, белки бобовых рас­тений). Белки пищи, не содер­жащие всех необходимых для синтеза белка организма амино­кислот, называют неполноцен­ными (например, желатин, бе­лок кукурузы, белок пшеницы). Наиболее высокая биологичес­кая ценность у белков яиц, мяса, молока, рыбы.

Для того чтобы в организме мог произойти синтез необходи­мых ему белков, с пищей должны вводиться все незаменимые ами­нокислоты. При смешанном питании, когда в пище есть продукты животного и растительного происхождения, в организм обычно доставляется необходимый для синтеза белков набор аминокис­лот.

Особенно важно поступление всех незаменимых аминокислот для растущего организма. Отсутствие в пище аминокислоты лизина приводит к задержке роста ребенка, к истощению мышечной системы. Недостаток валина вызывает расстройство равновесия у детей..

Аминокислоты, которые не по­шли на синтез специфических белков, подвергаются превращениям, во время которых освобождаются азотистые вещества в виде аминогруппы, которая может переноситься на другую аминокислоту и тогда в организме строятся недостающие ему аминокислоты. Эти процессы идут преимущественно в печени, мышцах, почках. Безазотистый остаток аминокислоты подвергается дальнейшим превращениям с образованием углекислого газа и воды.

Аммиак, образовавшийся при распаде белков в организме, — вещество ядовитое, он обезвреживается в печени, где превращается в мочевину. Мочевина в составе мочи выводится из организма.

Конечные продукты распада белков в организме — не только мочевина, но и мочевая кислота и другие азотистые вещества. Они выводятся из организма с мочой и потом.

Углеводы — главный источник энергии, особенно при усилен­ной мышечной работе. Больше половины энергии организм взрос­лых людей получает за счет углеводов. Конечные продукты обмена углеводов — углекислый газ и вода.

Углеводы поступают в организм главным образом в виде крахмала. Расщепившись в пищеварительном тракте до глюкозы, углеводы всасываются в кровь и усваиваются клетками. Особен­но богата углеводами растительная пища: хлеб, крупы, овощи, фрукты. Продукты животного происхождения (за исключением молока) содержат мало углеводов.

В крови количество глюкозы поддерживается на относительно постоянном уровне (около 0,11%). В поддержании постоянного уровня сахара в крови большую роль играет печень. Повышение количества глюкозы вызывает ее отложение в печени в виде запас­ного животного крахмала — гликогена. Гликоген мобилизуется печенью при снижении содержания сахара в крови. Эти процессы контролируются гормонами инсулином и глюкагоном  эндокринной части поджелудочной железы. Запасы гликогена в печени достигают 150 г.

4

Гликоген обра­зуется не только в печени, но и в мышцах, где его может накапли­ваться до 1—2%.. При голодании и мышечной работе эти запасы сокращаются.

Углеводы имеют важное значение и в обмене веществ централь­ной нервной системы. При резком снижении количества сахара в крови отмечаются расстройства деятельности нервной системы, наступают изменения деятельности сердца.

Потребность в глюкозе различных органов неодинакова: мозг задерживает до 12% приносимой глюкозы, кишечник —9%, мыш­цы — 7%, почки — 5%. Селезенка и легкие почти совсем не потреб­ляют глюкозу.

Обмен жиров.

Общее количество жира в организме человека  составляет в среднем 10—12% массы тела, а в случаях ожирения может достигать 50% массы те­ла.

Поступивший с пищей жир в пищеварительном тракте расщеп­ляется на глицерин и жирные кислоты, которые всасываются в ос­новном в лимфу и лишь частично в кровь.

Жирные кислоты в процессе всасывания  вме­сте со щелочами и желчными кислотами образуют растворимые комплексы, проходящие через слизистую оболочку кишки. Даже в клетках кишечного эпителия может синтезироваться жир, свойственный данному организму.

Через лимфатическую систему жиры поступают главным образом в «депо жира»: подкожная клетчатка,  пече­нь и мышцы.

Жир используется организмом как богатый источник энергии. При распаде 1 г жира в организме освобождается энергии в два с лишним раза больше, чем при распаде такого же количества бел­ков или углеводов.

Жиры входят и в состав клеток (цитоплазма, ядро, клеточные мембраны), где их количество устойчиво и по­стоянно. Скопления жира могут выполнять и другие функции: подкожный жир препятствует усиленной отдаче тепла, околопочечный жир предохраняет почку от ушибов. Недостаток жиров в пище нарушает деятельность центральной нервной системы и органов размножения, снижает выносливость к различным заболеваниям.

Жиры синтезируются в организме не только из глицерина и жирных кислот, но и из продуктов обмена белков и углеводов.

Видовая специфичность жиров выражена слабее, чем видовая специфичность белков. Некоторые непредельные жирные кислоты, необходимые орга­низму (линолевая, линоленовая и арахидоновая), должны поступать в организм в готовом виде, так как не способны им синтези­роваться.

С жирами в организм поступают растворимые в них витамины (витамины А, V, Е и др.), имеющие для человека жизненно важное значение.

На 1 кг массы взрослого человека в сутки должно поступать с пищей 1,25 г жиров (60—80 г в сутки).

В клетках организма жиры под действием клеточных ферментов (липаз) разлагаются на глицерин и жирные кислоты. Превращения глицерина (при участии АТФ) заканчиваются образованием угле­кислого газа и воды.

5

3. Обмен воды и минеральных солей

Вода и минеральные соли создают в основном внутреннюю среду организма, являясь основной составной частью плазмы крови, лимфы и тканевой жидкости. Они участвуют в поддержании осмо­тического давления и реакции плазмы крови и тканевой жидкости. Некоторые соли, растворенные в жидкой части крови, участвуют в переносе газов кровью.

Вода и минеральные соли входят в состав пищеварительных соков, что во многом определяет их значение для процессов пище­варения.

Потеря организмом воды приводит к очень тяжелым нарушени­ям. Например, при расстройстве пищеварения у грудных детей самым опасным является обезвоживание организма, что влечет за собой судороги, потерю сознания и т. д.  Лишение воды на несколько дней смертельно для человека.

Обмен воды. Норматив взрослого человека  2—2,5 л воды в сутки при нормальном пищевом режиме и нормаль­ной температуре окружающей среды. Это количество воды посту­пает из следующих источников: а) воды, потребляемой при питье (около 1 л); б) воды, содержащейся в пище (около 1 л); в) воды, которая образуется в организме при обмене белков, жиров и угле­водов (300—350 мл).

Основные органы, удаляющие воду из организма, — почки, потовые железы, легкие и кишечник. Почки за сутки из организма удаляют 1,2—1,5 л воды в составе мочи. Потовые железы через кожу в виде пота удаляют 500—700 мл воды в сутки. При нормаль­ной температуре и влажности воздуха на 1 см2 кожного покрова каждые 10 мин выделяется около 1 мг воды. Легкие в виде водяных паров выводят 350 мл воды. Это количе­ство резко возрастает при углублении и учащении дыхания, и за сутки тогда может выделиться 700—800 мл воды. Через кишечник с калом выводится в сутки 100—150 мл воды.

Отношение количества потребленной воды к количеству выделен­ной составляет водный баланс. Если воды из организма выводится больше, чем поступает в него, то возникает чувство жажды.

Обмен солей. Минеральные вещества обеспечивают свойство возбудимости тканей — одного из основных свойств живого. Они определяют реакцию крови (рН), способствуют нормальной деятельности сердца и нервной системы, используются для образования гемоглобина (железо), соляной кислоты желудочного сока (хлор).

Минеральные соли создают столь необходимое для жизнедеятель­ности

клеток определенное осмотическое давление. Рост и развитие костей, нервных элементов, мышц зависят от со­держания минеральных веществ

При смешанном питании взрослый человек получает все необ­ходимые ему минеральные вещества в достаточном количестве.

Организм постоянно теряет некоторое количество минеральных солей в составе мочи, пота и кала. Поэтому минеральные соли, так же как и вода, должны постоянно поступать в организм.

Постоянство осмотического давления внутренней среды организма, определяемое содержанием воды и солей, регулируется организмом.

Рефлекс начинается нервным путем с осморецепторов, а затем включается гуморальный механизм—поступление в кровь специаль­ного гормона.

Центр регуляции водно-солевого обмена (промежуточный отдел головного

мозга) контролирует все пути транспорта воды в организме: выделение ее с мочой, потом и через легкие, перераспределение между органами тела, всасывание из пищеварительного тракта, секрецию, а также потребление воды. Высший центр находится в КБП.

4. Обмен энергии и питание

Обмен веществ и энергии по существу единый процесс. В итоге сложных превращений, со­вершающихся в организме, образуется тепло.

Количество энергии, выделяемой организмом за определенный промежуток времени, выражают в единицах тепла — джоулях. Определить количество освобождающейся в организме энергии можно методами прямой и непрямой калориметрии.

Прямую калориметрию производят с помощью специальных аппаратов — калориметрических камер. В камере стенки не проводят тепло. Животное на определен­ное время помещают в такую камеру. Тепло, выделяемое организ­мом, нагревает воду в системе трубок. Измеряют температуру по­ступающей и вытекающей из камеры воды; определяют разность температур и количество протекшей воды. Это дает возможность получить данные о количестве энергии, выделенной организмом в единицу времени.

Показатели, полученные методом прямой калориметрии, точ­ные. Но метод этот весьма сложен, громоздок, а главное — не дает возможности измерять энергетические затраты организма при раз­личных видах деятельности человека (езда на велосипеде, работа у доменной печи и др.).

Метод непрямой калориметрии – это расчеты расхода энергии, по количеству потребленного кислорода (или выделившегося углекислого газа) в единицу времени.

По количеству потребленного кислорода и выделенного угле­кислого газа определяют дыхательный коэффициент. Затем по таблицам устанавливают количество тепла, образующегося при поглощении 1 л кислорода (или при выделении 1 л углекислого газа) при данном дыхательном коэффициенте. Полученную вели­чину умножают на количество литров поглощенного кислорода. Таким образом, определяют количество энергии, отданной челове­ком за определенное время.

Минимальный для организма уровень обмена веществ и энер­гетических затрат называют основным обменом.

Основной обмен определяют у человека в состоянии мышеч­ного покоя лежа, натощак при температуре окружающей среды 18—20° С (температура «комфор­та»). У человека среднего возраста основной обмен составляет 4186 дж на 1 кг массы в 1 ч. В среднем это 7 140 000—7 560 000 дж в сутки.

Питание

Для пополнения энергетических запасов в организме, построения и восстановления тканей тела необходимо поступление в организм питательных веществ. Пи­тательные вещества: относят белки, жиры, углеводы, минераль­ные соли, витамины и вода.

Для энергетического баланса организма важно знать не только количество тепла, выделяемое организмом в процессе жизнедеятель­ности, но и энергию пищевых веществ.

Энергия пищевых веществ эквивалентна теплоте их сгорания. Определить ее можно с помощью калориметрической бомбы. Бом­ба представляет собой герметически закрывающийся стальной стакан, внутрь которого введена платиновая проволока. В стакан помещают 1 г жира, белка или углеводов, заполняют его кислоро­дом и опускают в сосуд с водой; через платиновую проволоку про­пускают электрический ток. Пищевое вещество сгорает. При этом освобождается тепло, которое нагревает воду, окружающую бомбу.

По изменению температуры воды в калориметре судят о количе­стве тепла, освобождающегося при сгорании 1 г вещества.

При сжигании в бомбе жиров и углеводов тепла образуется столько же, сколько при распаде этих веществ в организме.

Энергетическая ценность 1 г углеводов равна 17 220 дж, 1 г жира — 39 060 дж,

-  1 г яичного бел­ка  23 940 дж.

Зная энергетическую ценность принятых с пищей белков, жиров и углеводов, можно рассчитать калорийность пищевого рацио­на человека, что важно при организации полноценного  питания.

При составлении пищевого рациона обычно учитывают калорийность принимаемой пищи. Однако этого недо­статочно, для организма важно, чтобы в пище были все необходимые пищевые вещества (бел­ки, жиры, углеводы, минеральные соли и витамины). Важно и соотношение пищевых веществ в рационе.

Потребность в белках для взрослого человека в сутки состав­ляет 100—110 г. При тяжелом физическом труде норма белков в пищевом рационе должна составлять 150—160 г.

Суточное количество жиров  в пище взрослого человека  60 г. Суточное количество углеводов в пище человека должно со­ставлять 400—500 г.

Пищу следует принимать в одно и то же время. При этом обра­зуется условный рефлекс на время, в желудке выделяется аппетит­ный сок, способствующий лучшему пищеварению.