Параметры обмена веществ и энергии

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

Основные понятия

Обмен веществ и энергии — основной признак, присущий всем живым существам. В организм человека постоянно поступают вещества из внешней среды. В частности, через пищеварительную систему поступают питательные вещества (белки, жиры, углеводы), витамины, вода и минеральные соли. Кислород воздуха проникает в кровь через легкие, частично — через кожу. С током крови вещества переносятся к клеткам и тканям. В цитоплазме и органеллах клеток организма происходят различные биохимические процессы, в ходе которых поступившие вещества преобразуются, расходуются с определенными целями (например, для получения энергии). Из них могут образовываться как полезные, так и вредные для организма продукты. Последние должны быть выведены во внешнюю среду. Выведение отработанных продуктов осуществляют ночки, легкие, в меньшей степени кожа и органы желудочно-кишечного тракта.

Обмен веществ и энергии (метаболизм) — это совокупность физиологических процессов, направленных на обеспечение организма необходимыми дли его жизнедеятельности веществами, их превращение и использование для получения энергии и построения клеточных структур, и в конечном итоге на удаление во внешнюю среду ненужных продуктов происшедших реакций. В более узком смысле метаболизм — это пути превращений какого-либо вещества (или веществ) в организме (например, метаболизм глюкозы).

В организме постоянно происходят процессы синтеза и распада различных структур. В частности, в клетках образуются разнообразные вещества, используемые для построения клеточных мембран, органелл и их обновления. Синтез новых веществ протекает с затратой энергии и требует исходных материалов. Последние поступают в организм либо с пищей, либо образуются при распаде старых структур. Реакции, направленные на синтез новых молекул, называются анаболическими. Часть обмена веществ, которая включает все анаболические реакции, происходящие в организме, называется пластическим обменом (анаболизмом, ассимиляцией).

Для осуществления процессов пластического обмена необходима энергия. Она образуется в результате распада сложных органических веществ (белков, жиров, углеводов) на более простые компоненты, вплоть до воды и углекислого газа. Реакции распада, сопровождающиеся выделением энергии, называются катаболи-ческими. Все катаболические реакции составляют энергетический обмен (катаболизм, диссимиляцию). Все реакции пластического и энергетического обменов осуществляются с помощью биологических катализаторов — ферментов (энзимов).

Таким образом, метаболизм включает в себя два прямо противоположных процесса: анаболизм и катаболизм. Они взаимно переходят друг в друга, происходят в организме совместно в течение всей жизни. Преобладание одного из них приводит к соответствующим изменениям в обмене веществ. При повышенной ассимиляции организм растет, развивается. В случае преобладания реакций диссимиляции происходит активный распад структурных элементов клеток. Это ведет к истощению, старению человека. В детском возрасте преобладают реакции пластического обмена. По мере старения организма увеличивается роль катаболических процессов, постепенно угнетается синтез новых веществ.

Таким образом, функции обмена веществ заключаются:

• в превращении макромолекулярных частиц органических питательных веществ в микромолекулярные компоненты, способные всасываться в кровь и лимфу и усваиваться клетками;

• в получении при этом химической энергии питательных веществ;

• в синтезе белков и других структурных элементов клеток из микромолекулярных компонентов;

• в синтезе и разрушении молекул, необходимых для выполнения специфических клеточных функций.

Основные конечные продукты катаболизма:

• углекислый газ (230 мл/мин);

• окись углерода (0,007 мл/мин);

• вода (350 мл/сут);

• мочевина (30 г/сут);

• другие азотсодержащие вещества (6 г/сут).

Основные вещества, поступающие в организм, — это вода и растворенные в ней минеральные соли, белки, жиры, углеводы и витамины. Каждое из этих веществ имеет определенное назначение для организма, для каждого из них характерны свои пути метаболизма. Таким образом, различают следующие виды обмена веществ: обмен воды и минеральных солей, обмен белков, обмен жиров и обмен углеводов. Витамины играют преимущественно роль катализаторов биохимических процессов, так как большинство из них входят в состав ферментов.

Виды обмена веществ

Обмен воды.

В различных тканях вода составляет от 10 (в жировой) до 90% (кровь, лимфа). В среднем на ее долю приходится 65 — 70% массы тела.

В течение 1 сут в нормальных условиях человек потребляет обычно 1,5 — 2,5 л воды. Такое же количество выводится почками с мочой, через кожу — с потом, через легкие — в виде водяных паров. Однако объем выделяемой почками воды зависит от окружающей температуры и может возрастать или уменьшаться в несколько раз.

Вода не может служить источником энергии для организма, но она выполняет ряд других жизненно важных функций:

1) является универсальным растворителем — практически все вещества клеток и внеклеточных структур растворены в воде, поэтому именно в ней происходят основные метаболические процессы;

2)обеспечивает поступление в организм растворенных в ней минеральных веществ и водорастворимых витаминов;

3) препятствует переохлаждению организма, так как обладает высокой теплоемкостью;

4)обеспечивает защиту организма от перегревания за счет испарения с поверхности кожи и слизистых оболочек;

5) включается в важнейшие биохимические процессы, образуется в их ходе.

Физико-химические свойства воды (полярность её молекул и способность образовывать водородные связи) определяют её исключительно важную роль в процессах жизнедеятельности. Большинство внутриклеточных химических реакций осуществляется в водной среде. Общее количество водородных связей воды зависит от температуры: при 0 °С разрушается 15% связей, при 40 °С -- половина, при испарении — 100%. Этим объясняется высокая удельная теплоёмкость воды. Большое поглощение тепла при испарении воды делает этот механизм теплоотдачи высокоэффективным.

Вода уменьшает трение соприкасающихся поверхностей в организме человека.

В качестве растворителя вода участвует в осмотических процессах. Осмосом называют процесс диффузии растворителя из менее концентрированного раствора в более концентрированный. В нашем организме осмос — диффузия молекул воды через полупроницаемую клеточную мембрану. Проникновение воды в клетку обусловлено осмотическим давлением, таким образом вода поддерживает водно-солевой баланс. При увеличении концентрации раствора величина осмотического давления возрастает. Растворы с одинаковым осмотическим давлением называют изотоническими (изоосмотическими). Осмотическое давление жидкостей организма человека равно давлению 0,86% раствора хлорида натрия. Растворы большей концентрации — гипертонические, меньшей концентрации гипотонические. Направление диффузии воды (в клетку или из клетки) определяется величиной осмотического давления в межклеточной жидкости. Если какие-либо клетки (например, эритроциты) поместить в гипертонический раствор, они сморщиваются из-за потери воды. В гипотоническом растворе, наоборот, эритроциты разбухают, и их клеточные оболочки могут лопнуть, не выдерживая притока воды в клетки.

Различают воду внутриклеточную (72%) и внеклеточную (28%). Внеклеточная вода, например, находится в сосудистом русле, входит в состав межклеточной, цереброспинальной жидкости.

Вода поступает в организм с пищей, питьём, а также образуется в процессе обмена веществ (350 мл/сут в состоянии покоя). Суточная потребность в воде составляет 20-45 мл/кг массы тела. При избытке воды в организме возникает гипергидратация (водное отравление), при недостатке воды нарушается обмен веществ. Потеря 10% воды приводит к дегидратации (обезвоживанию), при потере 20% воды наступает смерть. При недостатке воды в организме жидкость перемещается из клеток в межклеточное пространство и сосуды. При этом изменяются осмотические свойства клеток.

Обмен минеральных солей.

Минеральные вещества поступают в организм вместе с водой; это необходимая составляющая внутренней среды организма. Необходимое количество минеральных веществ составляет примерно 4% сухой массы пищи. Большая их часть содержится в организме в виде солей, чаще —- в виде ионов. Микроэлементами называют пятнадцать элементов, необходимых организму и содержащихся в пище в чрезвычайно малых количествах (железо, йод, фтор и др.).

Минеральные вещества также не являются источниками энергии. Они выполняют разнообразные функции. Минеральные вещества участвуют в ферментативных реакциях. Так, ионы магния активируют ферменты, связанные с переносом и освобождением энергии. Электролиты принимают участие в регуляции кислотно-основного состояния в организме. Буферность— способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию цитоплазмы на постоянном уровне.

Из всех минеральных веществ наш организм наиболее богат натрием. Он содержится во внеклеточном пространстве и плазме крови в значительно больших количествах, чем в клетках. С ним связывают такой сложный процесс, как проведение импульсов в нервной системе. Натрий играет важную роль в процессах выделения. Он необходим для поддержания осмотического давления жидкостей организма. Избыточное гидростатическое давление на раствор, отделенный от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия через мембрану, называется осмотическим давлением.Депо натрия — костная ткань. При дефиците натрия развиваются различные нарушения (задержка роста; апатия; нарушения мышечных сокращений).

Ионы калия, в отличие от ионов натрия, содержатся преимущественно в цитоплазме клеток. Калий также необходим организму для проведения нервных импульсов, нормальной работы сердечной мышцы.Калийподдерживает осмотическое давление внутриклеточной жидкости, стимулирует образование ацетилхолина, синтез и отложение гликогена. Дефицит ионов калия тормозит анаболические процессы. Возникает слабость, сонливость, снижение рефлексов

Кальций и фосфор в больших количествах содержатся в костях; кальций, фосфор и фтор — в эмали зубов. Кости содержат более 90% этих элементов. Содержание кальция в крови — важная характеристика гомеостаза: даже небольшие сдвиги уровня этого иона приводят к тяжелым последствиям. Снижение уровня кальция в крови (гипокальциемия) вызывает судороги, возможна смерть вследствие остановки дыхания. Гиперкальциэмиясопровождается снижением возбудимости нервной и мышечной ткани, возникают парезы, параличи, в почках образуются камни. Фосфорактивно участвует в обмене веществ: он входит в состав макроэргических соединений (АТФ). Недостаток фосфора вызывает деминерализацию костей.

Кальций также необходим для мышечного сокращения, синаптической передачи нервного импульса. Он является одним из факторов свертывающей системы крови.

Железосодержится в организме в виде комплексных солей. Оно входит в состав дыхательных белков (гемоглобина, миоглобина) и ферментов, ответственных за окислительно-восстановительные процессы. Недостаточное поступление в организм железа нарушает синтез гемоглобина и приводит к железодефицитной анемии (малокровию). Суточная потребность взрослого человека в железе составляет 10-30 мкг.

Анионы йода играют важную роль в гуморальной регуляции функций организма, так как они входят в состав гормонов щитовидной железы. Хлор является основным анионом внутри- и внеклеточной жидкостей организма. Он играет роль в процессах передачи нервного импульса, в синаптической передаче, в образовании соляной кислоты желудочного сока. Цинк, медь, магний, кобальт, железо входят в состав многих ферментов.

При недостатке поступления какого-либо из этих химических элементов, возникают заболевания, сопровождающиеся тяжелыми нарушениями обмена веществ.

Обмен белков.

Белки составляют 10—12% общей массы клетки. Белки — высокомолекулярные полимеры-полипептиды, состоящие из десятков и сотен аминокислот

Белки состоят из аминокислот. В организме человека выделены 20 белокобразуюших аминокислот, 10 из них являются заменимыми, а 10 незаменимыми. Заменимые аминокислоты могут быть синтезированы клетками организма из других аминокислот, незаменимые не могут синтезироваться из других веществ и должны в обязательном порядке поступать с пищей. Белки пищи, содержащие полный набор аминокислот, называются полноценными. Как правило, полноценные белки имеют животное происхождение. В неполноценном белке отсутствует хотя бы одна из незаменимых аминокислот. Долговременное отсутствие в рационе даже одной аминокислоты приводит к тяжелым заболеваниям.

В ротовой полости, глотке, пищеводе белки не подвергаются воздействию специфических ферментов. Переваривание белков начинается в желудке под действием пепсина, который расщепляет их на молекулы меньшего размера (полипептиды).

В тонкой кишке на полипептиды воздействуют ферменты кишечного и панкреатического соков (трипсин, химотрипсин, карбоксипептидаза, аминопептидаза). Они расщепляют белки до аминокислот, которые и всасываются в кровь в тонкой кишке. С током крови они проходят через печень, где гепатоциты синтезируют из части поступивших аминокислот белки крови, в том числе белки свертывающей системы. Далее аминокислоты поступают в общий кровоток и переносятся ко всем органам и тканям. В клетках они необходимы в первую очередь для построения собственных белков, специфичных для организма. Процесс синтеза белка происходит на рибосомах (полисомах) под действием различных ферментов. Генетическая информация о структуре белка организма записана на «матрице» — молекуле ДНК. После завершения синтеза первичной структуры белковой молекулы происходит образование вторичной, третичной структуры в комплексе Гольджи.

Обязательным компонентом молекул аминокислот является азот, поэтому определив количество азота, поступившего с пищей и удаленного из организма, можно охарактеризовать белковый обмен. В среднем человеческому организму в сутки необходимо 100 — 110 г белка. Соотношение количества азота, поступившего в организм и удаленного из него, называют азотистым балансом. У взрослого человека в норме количество белка, поступившего в организм, равно количеству распавшегося. Это соотношение можно определить понятием азотистое равновесие. При азотистом равновесии количество азота, поступающего в организм с белками, соответствует количеству азота, выводимого из организма с мочевиной и другими веществами.

В детском возрасте в связи с процессами роста количество поступающего белка превышает его распад, следовательно, организм ребенка потребляет азота больше, чем выделяет. Такой уровень белкового обмена наблюдается у больных в стадии выздоровления и в ряде других ситуаций. Это называется положительным азотистым балансом. В старческом возрасте, при длительном голодании и у ослабленных больных процессы распада белка преобладают над его поступлением — азот из организма выделяется в больших количествах, чем поступает. В этом случае имеет место отрицательный азотистый баланс, или азотистый дефицит.

В целом белки выполняют в организме следующие основные функции:

Г) пластическую (они необходимы для построения клеточных мембран, органелл, внеклеточных структур);

2) ферментативную (все ферменты в природе — белки);

3) регуляторную (некоторые белки являются гормонами, например, инсулин; из определенных аминокислот в организме также могут быть синтезированы гормоны или медиаторы — адреналин, норадреналин, дофамин);

4) энергетическую — белки могут выступать в роли источников энергии: при растеплении1 г белка образуется 17.6 кДж энергии;

5) специфические функции (актин и миозин в мышечной ткани выполняют сократительную, фибриноген сыворотки крови — свертывающую, иммуноглобулины крови — защитную и т.д.).

Следует отметить, что белки не могут быть синтезированы из углеводов иди жиров. В то же время при недостатке в организме жиров или углеводов они могут использоваться для синтеза этих веществ. Запасы белков в организме невелики: всего около 45 г. Источниками аминокислот в этих случаях служат белки плазмы, печени, мышц, слизистой оболочки кишечника, ферменты, что позволяет длительное время поддерживать и обновлять белки мозга и сердца. В обычных условиях белки практически не служат источником обеспечения организма энергией, они участвуют преимущественно в пластическом обмене.

Продукты расщепления белка —вода, углекислый газ, а так же аммиак, мочевина, мочевая кислота, креатин икреатининвыделяются с мочой и потом. Ядовитый аммиак, в основном, превращается в печени в безвредную мочевину, которая выводится почками. Мочевая кислота — продукт расщепления ядерных белков в тканях.

На обмен белков влияют различные гуморальные факторы. Гормон роста (соматотроппн), гормоны щитовидной железы (тироксин, трийодтиронии) оказывают анаболическое действие на метаболизм белков. Глюкокортикоиды, глюкагон угнетают синтез белка в клетках, увеличивают скорость выведения азота из организма.

Нарушения белкового обмена (диспротеинозы) возникают при дефектах пищеварительного процесса, при заболеваниях кишечника с нарушением его секреторной, моторной и всасывающей функций.

Обмен углеводов.

Основным углеводом для организма человека является глюкоза. Углеводы подразделяют на моносахариды, дисахариды и полисахариды. Моносахариды-- простые сахара, они используются как источник энергии, а также для синтеза остальных сахаров; участвуют в синтезе аденозиндифосфата (АДФ) и АТФ; входят в состав нуклеиновых кислот. Дисахариды образуются при соединении двух моносахаридов; наиболее распространены мальтоза, лактоза, сахароза. Мальтоза состоит из двух молекул глюкозы, лактоза (молочный сахар) -- из глюкозы и галактозы; сахароза, или тростниковый сахар, из глюкозы и фруктозы, её обнаруживают в растениях. Полисахариды образуются при соединении множества молекул моносахаридов; к ним относят, например, гликоген (животный крахмал), крахмал (продукт растительного происхождения), целлюлозу (клетчатку).

Под действием амилазы, содержащейся в слюне, атакже кишечном и панкреатическом соках, из них углеводов образуются моносахариды, которые всасываются в кишечнике. По воротной вене глюкоза поступает в печень. Здесь большая ее часть идет па образование гликогена — высокомолекулярного вещества, являющегося полимером глюкозы. По мере увеличения потребности организма в глюкозе от гликогена отщепляются остатки этого моносахарида. Они и переходят в кровь для доставки к органам и тканям. Гликоген образуется также в мышечной ткани и в небольшом количестве в других внутренних органах, за исключением головного мозга.

Поступление глюкозы в клетки регулирует гормон инсулин. Он увеличивает ее количество в клетках и уменьшает в плазме крови. Под действием инсулина происходит активный синтез гликогена. Таким образом, он отвечает за утилизацию глюкозы. К гормонам, увеличивающим количество свободной глюкозы в плазме крови, относятся адреналин, глюкагон и др. Нормальная концентрация этого моносахарида в крови — 4,2 — 6,4 ммоль/л. Понижение уровня глюкозы ниже 4,2 ммоль/л называется гипогликемией. Она появляется, например, при опухолях гипоталамуса, гипофункции щитовидной железы, тяжелой мышечной работе. При резком снижении количества глюкозы в крови возникает гипогликемическая кома. Повышение ее уровня выше нормы называетсягипергликемией.Отмечается при избыточном выделении глюкагона, глюкокортикоидов, адреналина, тиреоидина, соматотропина. Глюкагон, выделяющийся при симпатической стимуляции клеток поджелудочной железы, усиливает расщепление гликогена в печени. Соматотропный гормон увеличивает выделение глюкагона, уменьшает потребление глюкозы тканями. Глюкокортикоиды стимулируют синтез ферментов, расщепляющих гликоген. При резком увеличении уровня глюкозы в крови возникает гипергликемическая кома. У здоровых людей глюкоза с мочой не выделяется. Однако при увеличении ее концентрации в крови до 10 ммоль/л она появляется в моче, что наблюдается при сахарном диабете.

В клетках организма большая часть глюкозы идет на обеспечение энергетических потребностей. При распаде 1 г глюкозы выделяется 17,6 кДж энергии. Конечные продукты выводятся через почки (Н₂0) и легкие (С0₂). Больше других органов в глюкозе нуждается головной мозг. Ее расщепление происходит путем гликолиза (анаэробное, бескислородное окисление) и в цикле лимонной кислоты (в цикле Кребса) — аэробном, кислородном окислении. При этом выделяется 2 и 36 молекул АТФ, соответственно (всею — 38 молекул АТФ). Помимо функции энергообразования углеводы могут быть использованы организмом и для синтеза, например для образования гликопротеинов. При недостатке в организме жиров часть углеводов может расходоваться на их синтез. Однако для образования аминокислот они использоваться не могут. Наоборот, при недостатке в организме углеводов они могут быть синтезированы из жиров и белков.

В сутки человек должен потреблять 400 — 500 г углеводов. Таким образом, они являются основным компонентом в питании человека (по массе).

Обмен жиров.

Липиды (жиры) — соединения высших жирных кислот с трёхатомным спиртом. Различают заменимые и незаменимые жирные кислоты. Заменимые (насыщенные) жирные кислоты синтезируются в организме и входят в состав преимущественно животных жиров. При чрезмерном потреблении этих жиров развивается гиперхолестеринемия (повышение содержания холестерина в крови). Гиперхолестеринемия- фактор риска многих заболеваний (например, атеросклероза). Незаменимые(ненасыщенные) жирные кислоты(в том числе важнейшая из них линолевая кислота) не синтезируются в организме, они содержатся, в основном, в растительных маслах. Ненасыщенные жирные кислоты используются для синтеза фосфолипидов— компонентов клеточных мембран. Длительное отсутствие в пищевом рационе незаменимых жирных кислот приводит к гематурии, кожным заболеваниям, повреждению митохондрий, замедлению роста молодых животных и потере способности к размножению у взрослых вследствие нарушения обмена веществ. Кроме того, незаменимые жирные кислоты важны для профилактики атеросклероза (две столовых ложки растительного масла содержат их суточную дозу).

Различают простые, сложные липиды и стероиды. Простые липиды — нейтральные жиры и воски. Сложные липиды содержат, кроме спирта и жирных кислот, другие вещества: углеводы, белки. Например, гликолипиды входят в состав миелиновых оболочек. Фосфолипиды содержатся в нервной ткани. К стероидам относят половые гормоны, гормоны коркового слоя надпочечников, холестерин, витамины группы D. Содержание жира в организме колеблется от 10— 20% (в норме) до 50% (при ожирении). Большая часть жира находится и составе жировой ткани; меньшая - в клеточных мембранах.

Функции жиров: энергетическая; пластическая; теплоизоляционная; гормональная (стероиды).

Гликолипиды миелиновых оболочек играют роль изоляторов при проведении нервных импульсов. При расщеплении одного грамма жиров выделяется вдвое больше энергии, чем при расщеплении белков и углеводов, поэтому жиры считают основным источником энергии: за счёт окисления нейтрального жира образуется около 50% энергии взрослого человека.

Липиды являются гидрофобными соединениями, т.е. плохо растворяются в воде. После обработки пиши в ротовой полости и желудке химус содержит их в виде крупных скоплений, капель. В таком состоянии они не могут быть подвержены действию ферментов пищеварительных соков. Желчные кислоты, содержащиеся в желчи, эмульгируют жиры, т.е. образуют из них более мелкие капли. После этого начинают действовать липазы кишечного и панкреатического соков. Они последовательно отщепляют от глицерина остатки жирных кислот. В результате образуются три молекулы высших карбоновых кислот и одна молекула глицерина. Они переносятся из просвета кишечника в эпителий ворсинок тонкой кишки. Там образуются молекулы липидов, свойственные данному организму. После синтеза собственных, специфичных для организма, жиров они переходят из клеток эпителия преимущественно в лимфатический (млечный) капилляр ворсинки тонкой кишки. С током лимфы, минуя печень, липиды попадают в кровь и далее направляются ко всем клеткам и тканям. Наибольшее количество липидов содержится в жировой ткани (до 90%). Основные запасы жира находятся в организме в подкожной жировой клетчатке и в клетчаточных пространствах брюшной полости.

1) являются компонентами клеточных структур (например, фосфолипиды мембран);

2) при их распаде до С0₂ и Н₂0 образуется большое количество энергии (1 г жиров дает 38,9 кДж энергии), при недостаточном питании жиры используются организмом как резерв энергии;

3) многие гормоны имеют липидную природу;

4) вместе с жирами в организм поступают некоторые витамины (A, D, Е, К);

5) жиры подкожной жировой клетчатки плохо проводят тепло и, следовательно, принимают участие в поддержании температурного гомеостаза организма.

Синтез липидов в организме стимулирует, например, инсулин. Распад жиров в клетках активируют гормоны мозгового вещества надпочечников (адреналин, норадреналин), гормоны щитовидной железы (тироксин и трийодтиронин).

Следует отметить, что при избыточном потреблении жиров (в норме около 100 г в сутки) они накапливаются в депо и возникает ожирение, сопровождающееся тяжелыми нарушениями обмена веществ. Жиры играют огромную роль в образовании атеросклеротических бляшек. При высоком содержании липидов в плазме крови (особенно холестерина) они оседают на стенках сосудов. Образовавшиеся бляшки закупоривают сосуды, препятствуя нормальному кровотоку.

Избыточное потребление углеводов также может привести к этому состоянию, так как углеводы могут превращаться в жиры путем сложных биохимических превращений.

Жиры могут синтезироваться из углеводов и белков. В общем виде направления превращений питательных веществ можно представить следующей схемой:

Для нормального функционирования человеческого организма важное значение имеет не только поступление необходимого количества питательных веществ, но и их процентное соотношение. Наиболее адекватным считается соотношение белков жиров и углеводов в пропорции 1:1:4.

Витамины

Значение витаминов. Витамины — биологически активные вещества, необходимые в малых количествах для процессов обмена веществ и поддержания нормальной жизнедеятельности организма. Термин «витамин» образуется от лат. vita — жизнь, амины — одна из групп химических веществ, имеющих в своем составе атом азота. Первые открытые витамины относились именно к этой химической группе. Однако впоследствии были обнаружены вещества, не относящиеся к аминам, но выполняющие в организме функцию витаминов.

Большинство витаминов необходимы для нормального протекания ферментативных процессов. Многие из них являются коферментами — веществами, которые соединяются с белковой молекулой фермента и делают ее способной к осуществлению своей функции. Для нормальной жизнедеятельности организму необходимы небольшие количества витаминов, измеряющиеся миллиграммами в сутки. Они поступают с пищей, некоторые их них вырабатываются бактериями в кишечнике, синтезируются в организме. Для того чтобы в пище сохранялось наибольшее количество витаминов, необходимо сокращать продолжительность ее термической обработки и обеспечивать надлежащее хранение. Необходимо отметить, что при контакте с металлами большинство витаминов инактивируется, что нужно учитывать при выборе посуды для хранения пищевых продуктов.

При поступлении в организм витаминов в количествах, не соответствующих потребностям человека, возникают заболевания, связанные с нарушениями обмена веществ. При их недостаточном поступлении возникают гиповитаминозы, что наблюдается достаточно часто в конце зимы и начале весны из-за уменьшения потребления свежих овощей и фруктов, которые богаты витаминами. Если в нище полностью отсутствуют необходимые витамины, то развиваются авитаминозы. Нарушения обмена веществ, связанные с избыточным поступлением витаминов, называются гипервитаминозами. Они встречаются очень редко. Для возникновения гипервитаминоза необходимо, чтобы количество какого-либо витамина превышало норму в тысячи раз. Такие состояния стали возможны благодаря развитию фармацевтической промышленности и связаны с неумеренным употреблением витаминов в виде различных препаратов.

Биосинтез многих витаминов в организме человека невозможен, поэтому человеку необходима пища, содержащая витамины. В организме, как правило, нет запаса витаминов, но некоторые из них— B_I₂, A, D — накапливаются в печени в значительных количествах. Микрофлора здорового кишечника синтезирует витамины группы В, РР, К и др. Некоторые витамины образуются в организме из аминокислот и предшественников (провитаминов). Роль провитаминов особенно значительна в образовании витаминов группы D; для них провитаминами служат некоторые стероиды.

При заболеваниях кишечника всасывание синтезированных витаминов резко снижается. При длительных инфекционно-токсических процессах развивается выраженный дефицит витаминов, особенно витамина С. Гиповитаминоз возникает при неправильном приготовлении и хранении пищевых продуктов. Важно соотношение компонентов пищи. Так, при преобладании в пище углеводов необходим дополнительный приём витаминов В , В₂, С. При белковом голодании нарушается усвоение организмом некоторых витаминов – В12 РР, С, — задерживается образование витамина А в печени. Сульфаниламидные препараты и антибиотики угнетают кишечную микрофлору, поэтому при лечении этими препаратами следует принимать витамины.

Всевитамины подразделяются на жирорастворимые и водорастворимые. Жирорастворимые витамины поступают в организм с жирами пищи, без которых невозможно их всасывание. К ним относятся витамины A, D, Е, К. Водорастворимые витамины — это витамины группы В, С.

Жирорастворимые витамины.

Витамин А — ретинол, является составной частью зрительного пигмента родопсина. Помимо этого он оказывает влияние на регенерацию эпителия кожи, роговицы. При недостатке витамина возникает заболевание, называемое куриной слепотой. Оно заключается в нарушении сумеречною зрения, т.е. в утрате способности видеть в условиях слабого освещения. Позднее поражается эпителий кожи и роговицы глаза.

Ретинол содержится в виде провитаминаА (каротина) в моркови, перце, шпинате и некоторых других растительных продуктах. В печени, яйцах, масле и молоке содержится собственно витамин А. Суточная потребность в витамине составляет 2,5 мг.

Витамин D — кальциферол, антирахитический витамин, участвует в регуляции обмена кальция и фосфора в организме, влияет на нормальное развитие костной ткани. Недостаток кальциферола вызывает заболевание рахит, которым страдают преимущественно дети. Заболевание сопровождается размягчением и искривлением костей, нарушениями в работе нервной системы.

Витамин D содержится в рыбьем жире, яйцах, масле, молоке. Активные его формы могут образовываться в коже под действием ультрафиолетовых лучей солнечною света. Поэтому для излечения легких форм гиповитаминоза можно принимать солнечные ванны. Суточная потребность в витамине D составляет 2,5 мкг.

Витамин Е — токоферол, антистерильный витамин. Недостаток его у животных вызывает бесплодие. У человека он также отвечает за половую функцию. Установлено, что витамин Е препятствует старению, снижает интенсивность процессов перекисного окисления липидов клеточных мембран (антиоксидантный эффект), уменьшает потребность клетокв кислороде, развивает у них устойчивость к повышенным концентрациям углекислого газа (антигипоксантный эффект). Витамин содержится в злаках, маслах, зеленых овощах. Суточная потребность в витамине Есоставляет 15мг.

Витамин К— этогруппа веществ, получивших общее название — филлохиноны. Они необходимы для синтеза многих факторов свертывания крови. Недостаток витамина К вызываем нарушения в процессе образования тромба. Следовательно, при авитаминозах и гиповитаминозах часто возникают неожиданные кровотечения. Он содержится в овощах (шпинате, капусте и др.), печени и может быть синтезирован микрофлорой кишечника. Суточная потребность в витамине К составляет 1 мг.

Водорастворимые витамины. Витамин С — аскорбиновая кислота, противоцинготный витамин, участвует в образовании основного белка соединительной ткани —- коллагена. Он необходим для укрепления стенок сосудов, формирования здоровой кожи, укрепляет мембраны клеток. Витамин С увеличивает устойчивость организма к инфекциям. При его недостатке возникает заболевание —цинга. У больных цингой поражаются кровеносные сосуды, стенка их значительно ослабевает, в результате часто возникают небольшие кровоизлияния, появляется кровоточивость десен; выпадают зубы. Снижается также сопротивляемость организма к инфекционным заболеваниям, плохо заживают раны. Витамин содержится в свежих фруктах, ягодах и овощах. Особенно им богаты шиповник, черная смородина, клюква, цитрусовые. Суточная потребность в витамине С составляет 50— 100 мг.

Витамин B1— тиамин, антиневритный витамин, необходим для нормального функционирования ферментных систем, отвечающих за обмен углеводов и жиров. При недостатке витамина возникает заболевание — бери-бери. Оно проявляется нарушением функционирования нервной системы, сердечно-сосудистой системы, органов желудочно-кишечного тракта. Витамин содержится в печени, яйцах, злаковых и бобовых культурах, в пивных дрожжах.

Витамин В2 — рибофлавин, входит в состав ферментов, принимающих участие в обеспечении тканевого дыхания. При недостатке витамина возникают нарушения зрения, остановка роста (у детей), выпадение полос, воспаление слизистых оболочек, мышечная слабость. Витамин В₂содержится в зерновых и бобовых культурах, печени, яйцах, молоке, пивных дрожжах.

Витамин В3 — пантотеновая кислота, является составной частью кофермента А, который играет важную роль практически во всех процессах обмена веществ. Гиповитаминоз встречается крайне редко. Витамин имеется практически во всех растительных и животных продуктах.

Витамин B5 — никотиновая кислота, антипеллагрический витамин, витамин РР необходим для синтеза ферментов, принимающих участие в тканевом дыхании, окислительно-восстановительных реакциях, в белковом, жировом и углеводном обменах. Авитаминоз витамина РР — пеллагра, сопровождается воспалением кожи, нарушением функций центральной нервной системы и органов ЖКТ. Витамин содержится в мясе, печени, яйцах, рыбе, пивных дрожжах, в некоторых зерновых и бобовых культурах.

Витамин В6 — пиридоксин — используется организмом как кофермент многих энзимов белкового обмена. Витамин необходим для нормального процесса кроветворения. При авитаминозе возникают анемия, поражения кожи, нарушение функций центральной нервной системы. Витамин содержится в большинстве животных и растительных продуктов.

Витамин B₈ — биотин, витамин Н — является коферментом многих энзимов, которые принимают участие в метаболизме углеводов и жирных кислот. Содержится в молоке, печени, синтезируется микрофлорой кишечника. Авитаминоз проявляется, в первую очередь, в виде поражений кожи.

Витамин В9 — фолиевая кислота, витамин В_с — участвует в синтезе пуриновых нуклеотидов и влияет на образование ДНК и РНК. При авитаминозе нарушается нормальное кроветворение, возникает анемия. Источниками витамина В₉ являются печень, зелень, он может синтезироваться микрофлорой кишечника.

Витамин В12 - цианкобаламин. Основная функция этого витамина — участие в кроветворении. Следует отмстить, что всасывание витамина В_!2 возможно только после его соединения с внутренним фактором Кастла. Последний вырабатывается железами желудка. Поэтому дефицит цианкобаламина возникает вследствие двух причин: при недостаточном поступлении витамина с пи-шей или при недостаточной выработке внутреннего фактора Кастла (в результате оперативного удаления желудка или хронического гастрита). Дефицит витамина В12 приводит к злокачественной (пернициозной) анемии. При этом в крови появляются гигантские эритроциты, которые плохо переносят кислород. Витамин содержится в большинстве животных продуктов, особенно в печени. Суточная потребность в витаминах группы В составляет 20 — 25 мг.

Распад и окисление органических веществ в клетках

Для жизнедеятельности организма постоянно требуется энергия. Она образуется при распаде органических соединений — в основном углеводов и жиров, в меньшей степени — белков. Белки нужны организму человека для обеспечения анаболических процессов. Энергия выделяется при разрушении химических связей между атомами этих молекул. Частично она рассеивается в виде тепла, а частично запасается в виде АТФ (аденозинтрифосфат). Соотношение между рассеянной энергией и запасенной примерно 1:1.

В молекуле АТФ между остатками фосфорной кислоты имеются макроэргические связи, при разрыве которых выделяется большое количество энергии. Разрыв связей при гидролизе молекул АТФ осуществляется последовательно до АДФ (аденозиндифосфата) и АМФ (аденозинмонофосфата). Энергия, запасенная в АТФ, может быть использована клетками организма по мере необходимости. Таким образом, АТФ — универсальный аккумулятор энергии в клетке.

Сущностью процесса образования АТФ является фосфорилированис — присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ. Однако для этого необходима-энергия, которая образуется в результате распада сложных органических молекул и тканевого дыхания. В качестве примера можно-рассмотреть образование АТФ при распаде одной молекулы глюкозы (С₆Н₁₂0₆). Полное расщепление глюкозы до углекислого газа и воды в клетке требует прохождения анаэробного (бескислородного) и аэробного (с участием кислорода) процессов се окисления.

Рис. Распад и окисление глюкозы н клетке

Гликолиз (анаэробное окисление). Происходит в цитоплазме клетки без участия кислорода. В последнее время установлено, что гликолиз может активно протекать с высокой скоростью и в аэробных условиях. При гликолизе происходят последовательно 10 биохимических реакций, каждая из которых катализируется своим ферментом. При достаточном количестве кислорода в клетке конечным продуктом анаэробного окисления является пировиноградная кислота (ПВК). При недостатке кислорода в клетке происходит еще одна, одиннадцатая, реакция гликолиза, в результате которой из ПВК образуется молочная кислота. В процессе 10 реакций гликолиза образуются две молекулы ПВК и две молекулы АТФ.

Дефицит кислорода наблюдается в клетках, например, в случае чрезмерной физической нагрузки. При этом в цитоплазме происходит активация гликолитических процессов и в большом количестве из глюкозыобразуется молочная кислота (лактат). Это вещество не может быть использовано клеткой в дальнейшем и удаляется из нее. При значительном накоплении лактата возникают болезненные ощущения, связанные с закислением внутренней среды организма.

Аэробное окисление. ПВК поступает из цитоплазмы клетки в митохондрии, где происходит ее декарбоксилирование до уксусной кислоты, которая «сгорает» в цикле Кребса до углекислоты с освобождением протонов водорода. В дыхательной цепи протоны водорода восстанавливают поступивший кислород до воды и происходит синтез 36 молекул АТФ. Суммарная реакция распада глюкозы выглядит следующим образом:

С₆Н₁₂0₆+ 60₂ -> 6С0₂ + 6Н₂0 + О (энергия)

Тканевое дыхание. Так называют обмен газов, происходящий в клетках при биологическом окислении питательных веществ. В ходе окислительных процессов клетки выделяют конечный продукт метаболизма — углекислый газ и одновременно поглощают из кровеносных капилляров кислород. При этом атомы водорода, образующиеся при окислении глюкозы, переносятся на ферменты внутренней мембраны митохондрий. Это так называемая дыхательная транспортная цепь. Водород взаимодействует с кислородом, образуя воду. Ток прогонов водорода характеризуется значительным выделением энергии, которая расходуется на синтез АТФ из АДФ и остатка фосфорной кислоты. В результате этих реакций при окислении 1 моля глюкозы образуется 38 молекул АТФ. При этом недостаток кислорода лимитирует окислительные реакции значительно сильнее, чем неадекватное удаление углекислого газа. Энергия, аккумулированная в АТФ, используется организмом для поддержания всех его функций, жизненных процессов:

синтеза новых органических веществ, свойственных организму (белков, жиров, углеводов, ДНК), образования новых клеточных структур и органелл;

осуществления основных жизненных процессов в клетке (митоза, транспорта веществ в клетку и др.);

поддержания температурного гомеостаза организма.

Параметры обмена веществ и энергии

В связи с разнообразием метаболических функций клеток выделяют три уровня метаболической активности:

• уровень активного обмена;

• уровень готовности, поддерживаемый каждой клеткой для сохранения способности к немедленному переходу из состояния покоя на уровень активности;

• уровень поддержания - минимальная интенсивность обмена веществ, необходимая и достаточная для сохранения клеточных структур; при неудовлетворении этой потребности клетка погибает.

Уровни метаболизма следует учитывать при оценке нарушений энергетического обмена отдельной клетки, органа и организма в целом. Причины нарушения метаболизма различны: отравление, уменьшение скорости тока крови, транспорта кислорода и др. Уровень обмена веществ организма в целом отличается от уровня метаболизма клетки или отдельного органа. Так, если метаболизм дыхательных мыши, сердца, почек, головного мозга со свойственного им в норме постоянною уровня активности снизится до уровня готовности, то эти жизненно важные органы потеряют активность, и организм погибнет.

Прекращение энергоснабжения, однако, не вызывает немедленного нарушения функций клеток вследствие наличия энергетического резерва, различного для разных органов. Гак, в результате полной ишемии (отсутствия артериального кровоснабжения) головного мозга уже через Юс наступает бессознательное состояние, а через 3—8 мин в нейронах возникают необратимые повреждения. Lcjiи же в такую ситуацию попадёт скелетная мышца, находящаяся в состоя нии покоя, обменные процессы в пей остаются на уровне поддержания в течение 1—2 ч.

Интенсивность процессов обмена веществ подвержена суточным колебаниям: она высока утром и снижается ночью. Интенсивность метаболизма повышается во время приёма пищи и её переваривания (специфическое динамическое действие пищи). Она возрастает, если температура окружающей среды отклоняется от комфортной, причём больше — при понижении температуры.

Интенсивность обмена веществ возрастает при физической нагрузке, поэтому многие виды работы можно классифицировать по затраченным усилиям, а нагрузки нормировать с помощью показателей энергетическою обмена. При кратковременных нагрузках используется энергия окисления углеводов. При длительных нагрузках расщепляются преимущественно жиры (80% энергии).

Интенсивность обменных процессов резко увеличивается после травм, ожогов, при высокой температуре тела, при гипертиреозс; понижается — при гипотиреозе.

Обмен энергии

Основной обмен. Это минимальный уровень энерготрат, который необходим для поддержания жизненных функций организма в условиях полного физического иэмоционального покоя. Таким образом, данный показатель характеризует количество энергии, необходимой только для функционирования внутренних органов (сердца, легких, почек, печени и др.) и поддержания необходимой температуры тела. Измеряется он в утренние часы с помощью специальных приборов — калориметров. Испытуемый должен находится в лежачем положении. Измерение проводят натощак, при максимальном расслаблении мышц, при этом внешняя температура поддерживается на уровне 22 °С. Приборы фиксируют выделяемое организмом тепло. Это так называемый метод прямой калориметрии. Было установлено, что величина основною обмена для взрослого мужчины составляет примерно 4,2 кДж на I кг массы тела в час, т.е. 7200 кДж в сутки (для человека массой 72 кг).

Факторы, влияющие на величину основного обмена:

• интенсивность окислительных процессов;

• условия внешней среды и климат (на севере он выше, на юге ■-ниже);

• возраст (у детей он выше, чем у взрослых);

• пол (у женщин он на 5—7% ниже, чем у мужчин);

• физическая нагрузка (у людей физического труда он выше, у людей умственного труда — ниже).

Интенсивность основного обмена примерно наполовину обусловлена метаболизмом печени и покоящихся скелетных мышц. При голодании она снижается из-за ослабления работы печени. При гиперфункции щитовидной железы она увеличивается на 150%, при гипофункции — снижается.

На практике чаще используют метод непрямой калориметрии. Определяют объем легочной вентиляции, а затем количество поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа. Отношение объема выделенною углекислого газа к объему поглощенного кислорода называют дыхательным коэффициентом. По величине последнего можно судить о характере окислительных процессов в организме.

Рассчитать основной обмен можно по таблицам. В этом случае определяют среднестатистический уровень основного обмена. Для вычисления необходимо знать рост, массу тела, возраст. Затем по формуле Рида вычисляют процент отклонения величиныосновного обмена от нормы. Для применения формулы необходимо знать артериальное давление и частоту пульса:

О = 0,75(Чп + 0,75Дп) - 72,

где О — отклонение, %; Чп — частота пульса; Д_п — пульсовое давление (разница между величиной систолического и диастолического АД).

Для упрощения расчетов по формуле Рида можно использовать специальную номограмму. Соединив линейкой значения частоты пульса и пульсового давления, в средней колонке находим величину процентного отклонения основного обмена от нормы. Затем, исходя из данных таблицы, проводят перерасчет уровня основного обмена на величину полученного процентного отклонения.

Интенсивность обменных процессов резко возрастает при физической нагрузке. При этом люди, занятые легким физическим трудом, тратят 9200 кДж в сутки, средней степени — 12 000 — 15 000 кДж в сутки, а тяжелым — 16 000—18 000 кДж в сутки. Следовательно, питание человека должно соответствовать энерготратам и полностью компенсировать их.

Рис. Номограмма Рида

Регуляция обмена веществ

Обмен веществ и энергии — свойство всех клеток и тканей организма. Следовательно, регуляция обмена веществ подразумевает регуляцию множества функций организма (дыхания, пищеварения, кровообращения, выделения и др.). Значительную роль в регуляции обмена веществ играет нервная система, в частности гипоталамус. Этот отдел головного мозга включает в себя ряд важных центров: голода и насыщения, жажды, терморегуляции. Эти центры реализуют свои функции через вегетативную нервную систему. Кроме того, гипоталамус и расположенный рядом с ним гипофиз координируют работу практически всех желез внутренней секреции.

Эндокринная система оказывает решающее влияние на регуляцию обмена веществ и энергии. Гормоны воздействуют на скорость биохимических превращений непосредственно в клетке. Совокупность их действия на отдельные клетки вызывает изменения в функционировании всего организма. Приведем лишь некоторые примеры влияния гормонов на обмен веществ. Соматотропный гормон гипофиза оказывает выраженное анаболическое действие, ускоряет синтез пластических веществ, следовательно, ускоряет рост. Катехоламины мозгового вещества надпочечника усиливают окислительные процессы, энергообразование. Тироксин и трийодтиронин (гормоны щитовидной железы) стимулируют синтез белка из аминокислот и, в то же время, активируют разрушение жиров и углеводов.

Симпатический отдел ВНС регулирует анаболические процессы с расходом энергии, парасимпатический отдел — катаболические процессы с сохранением энергии. Периферические отделы нервной системы также влияют на обмен веществ: при нарушении иннервации в ткани нарушается синтез белка, развивается атрофия.Нарушение нервных и гормональных механизмов регуляции функций органов и систем организма вызывает их атрофические и дистрофические изменения и может приводить к глубокому дисбалансу процессов анаболизма и катаболизма. Крайние формы нарушения обмена веществ и энергии — ожирение и кахексия.

Представление об обменных процессах в организме дают клинические и биохимические анализы крови. При нарушениях белкового, водно-солевого обмена информативны также анализы мочи.

Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 24; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!