ФИЗИОЛОГИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА

Обмен веществ – это многоступенчатый процесс, включающий в себя поступление в организм разнообразных питательных веществ, их дальнейшее использование в процессах метаболизма, в результате чего происходит выделение энергии, обновление структур клетки, образование новых веществ, а также удаление метаболитов посредством органов выделения в окружающую среду.

Для возмещения энерготрат организма, поддержания массы тела и обеспечения роста необходимо постоянное восполнение количества расходуемых белков, жиров и углеводов, а также, воды, минеральных солей и витаминов. Поступление данных веществ в количественном и качественном соотношении должно соответствовать потребностям организма и условиям его пребывания в окружающей среде.

В организме постоянно наблюдается взаимодействие 2 противоположных процессов – анаболизма (ассимиляции) и катаболизма (диссимиляции).

Ассимиляция – это процесс поступления и последующего синтеза органических веществ, являющихся структурными компонентами клеток организма, происходящий с затратой энергии.

Процесс ассимиляции начинается в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ). Поступающие с пищей белки в результате переваривания подвергаются ферментному гидролизу, в результате чего образуются аминокислоты. Жиры расщепляются до моноглицеридов и жирных кислот, а углеводы - до моносахаров (глюкозы, фруктозы и т.д.). Таким образом, в желудочно-кишечном тракте образуются мономеры, не теряющие своей энергетической ценности, которая используется в дальнейшем в процессах анаболизма. Анаболические процессы являются конечным этапом ассимиляции.

Итак, анаболизм – это совокупность внутриклеточных процессов, благодаря которым обеспечивается обновление структурных компонентов клетки, восстановление энергетических запасов, рост и развитие организма.

Диссимиляция – это процесс деградации сложных молекул и разрушения компонентов клеток, исходными продуктами которого являются собственные белки, жиры и углеводы. Конечными продуктами диссимиляции являются мономеры, содержащие запасы энергии. С током крови данные вещества разносятся по организму, смешиваясь с мономерами, поступившими из кишечника, и формируют фонд питательных веществ, циркулирующих в крови, используемых для анаболизма.

Таким образом, диссимиляция – это процесс распада клеточных структур до мономеров без высвобождения энергии.

В отличие от диссимиляции катаболизм – это процесс распада (сгорания) мономеров и других соединений, попадающих в клетку из крови, до конечных продуктов – (воды, углекислого газа и аммиака) с высвобождением энергии.

Преобладание катаболических процессов приводит к постепенному разрушению компонентов клеток и тканей, снижению массы тела. Энергия, освобождаемая при их расщеплении, трансформируется в тепловую и механическую.

У здорового человека наблюдается равновесие между процессами анаболизма и катаболизма.

Изучение данной темы направлено на формирование у обучающихся следующих общих и профессиональных компетенций:

- ОК-1 — способность к абстрактному мышлению, анализу, синтезу;

- ОК-5 — готовность к саморазвитию, самореализации, самообразованию, использованию творческого потенциала;

- ОПК-9 — способность к оценке морфо-функциональных, физиологических состояний и патологических процессов в организме человека для решения профессиональных задач;

- ПК-1 — способность и готовность к осуществлению комплекса мероприятий, направленных на сохранение и укрепление здоровья и включающих в себя формирование здорового образа жизни, предупреждение возникновения и (или) распространения заболеваний, их раннюю диагностику, выявление причин и условий их возникновения и развития, а также направленных на устранение вредного влияния на здоровье человека факторов среды его обитания.

В связи с развивающимся реабилитационным направлением в медицине, знания, изложенные в пособии, необходимы врачам любого профиля.

Обмен белков.

На долю белков приходится более 50% сухой массы клетки. Они занимают ведущее место среди органических элементов, выполняя ряд важнейших биологических функций. Белки могут быть структурными, ферментными, транспортными, сократительными, рецепторными, принимающими участие в передаче генетической информации.

Множество процессов протекающих в организме, в том числе, обеспечение обмена веществ, дыхание, пищеварение, работа сердечно сосудистой системы и многое другое осуществляется за счет деятельности ферментов, являющихся белками. Сокращение скелетной мускулатуры возможно лишь при взаимодействии контрактильных белков - актина и миозина.

Белки, поступающие в организм, выполняют две основные функции: пластическую и энергетическую. Пластическая роль белка заключается в построении структурных компонентов клетки. Энергетическая роль заключается в восполнении энергии, образующейся при расщеплении белков.

Кроме синтеза, в тканях постоянно происходит распад белков, сопровождающийся выделением из организма конечных продуктов белкового обмена, а именно, воды, углекислого газа и остаточного азота (креатина, креатинина, аммиака др.). При этом происходит выделение энергии. При расщеплении 1г белка образуется 4,1 ккал или 17 кДж тепла.

Таким образом, в организме постоянно протекают процессы разрушения и обновления белков. Скорость синтеза белков различна. С наибольшей скоростью обновляются белки печени, слизистой оболочки кишечника, а также других внутренних органов и плазмы крови. Медленнее обновляются белки, входящие в состав мозга, сердца, половых желез и еще медленнее – белки мышц, кожи и особенно – опорных тканей (сухожилий, костей и хрящей).

Благодаря синтезу белков в организме осуществляются следующие процессы:

1) рост и самообновление компонентов клеток организма;

2) регенерация и восполнение специфических клеточных белков;

3) продукция ферментов, гормонов пептидной и белковой природы, иммуноглобулинов, гемоглобина, рецепторных белков;

4) поддержание онкотического давления за счет белков плазмы крови (альбуминов) и, как следствие, влияние на обмен воды между кровью и тканями;

5) реакции гемостаза, поддержание иммунитета;

6) белки являются переносчиками гормонов, минеральных веществ, липидов, холестерина;

7) поддержание вязкости крови;

8) белки входят в состав буферных систем плазмы;

9) белки могут использоваться в качестве источника энергии, особенно во время стресса.

Биологическая ценность белков определяется соотношением и составом входящих в них аминокислот. Существуют незаменимые аминокислоты, которые не синтезируются в организме человека, а поступают только с пищей. Их 10 и к ним относятся: аргинин, гистидин, валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин. Животные белки, содержащие полный набор этих кислот называются полноценными – они максимально способны превращаться в белковые структуры организма.

Без незаменимых аминокислот синтез белка резко угнетается, замедляется рост, снижается масса тела.

Белки, в составе которых отсутствует хотя бы одна незаменимая аминокислота, называются неполноценными. Чаще всего это растительные белки. Образование животных белков собственного организма из растительных не так эффективно, поэтому в пищевом рационе должны содержаться до 55-60% белков животного происхождения (таб. 1).

Таблица 1

Содержание продуктов с полноценным белком

в суточном рационе

Азотистый баланс – это соотношение между количеством азота, поступившего в организм и выделенного из него.

Поскольку белок – это основной источник азота в организме, то по азотистому балансу можно судить о соотношении количества доставленного и разложившегося в организме белка.

В организме здорового человека чаще всего отмечается азотистое равновесие – соответствие количества выделенного и поглощенного азота.

Усвоение азота определяют по разности между его содержанием в принятой пище и в экскрементах. Зная количество усвоенного азота, легко вычислить общее количество поглощенного организмом белка, т.к. в белке содержится в среднем 16% азота, т.е. 1г азота содержится в 6,25 г белка. Следовательно, умножив найденное количество азота на 6,25 можно определить количество белка.

Для вычисления количества распавшегося белка, нужно выяснить общее количество азота, выделенного из организма. Азотсодержащие продукты белкового обмена (мочевина, мочевая кислота, креатинин и др.) выводятся преимущественно с потом и мочой. В обычных условиях содержание азота в составе пота в расчёт не берут. Поэтому для определения количества распавшегося в организме белка определяют содержание азота в моче и умножают на 6,25.

Иногда поступление азота начинает преобладать над его выделением. В этом случае говорят о положительном азотистом балансе. При этом количество синтезированного белка будет преобладать над распавшимся. Положительный азотистый баланс встречается в период роста, при усиленных спортивных тренировках, сопровождающихся увеличением массы тела, при беременности.

Депо белков в организме отсутствует, т.е. белки не откладываются в запас. Поэтому при поступлении существенного количества белка только часть его расходуется на пластические цели, большая часть затрачивается на энергетические нужды.

Отрицательный азотистый баланс– это преобладание количества выделенного азота, над поступившим в организм азотом. Он наблюдается при белковом голодании, при недостатке в пище полноценных белков, при некоторых заболеваниях, ожогах, после хирургических вмешательств, а также в результате старения.

Источником свободных аминокислот при белковом голодании становятся белки плазмы крови, печени, слизистой оболочки кишечника, мышечной ткани, благодаря чему удается достаточно долго поддерживать обновление белков сердца и мозга.

Оптимальное функционирование организма достигается только при положительном азотистом балансе либо при азотистом равновесии. Данное условие выполняется в том случае, если в сутки в организм поступает около 100 г белка, если же организм испытывает существенные физические нагрузки, то в этом случае потребность в белках увеличивается до 120-150г. Нормы потребления белка: для дошкольников 53-69 г/сут, школьников – 77-89 г/сут, женщин – 58-87 г/сут, мужчин – 65-117 г/сут в зависимости от нагрузок. По данным ВОЗ (Всемирной Организации Здравоохранения) суточное употребление белка должно составлять не менее 0,75 г белка на 1 кг массы тела.

Обмен жиров.

Представителями липидов в организме являются нейтральные жиры (триглицериды), фосфолипиды, холестерин и жирные кислоты.

Основной процент жиров в организме откладывается в жировой ткани, которая преимущественно локализуется в подкожной клетчатке, вокруг некоторых органов, например, почек, а также в некоторых органах, например в печени и мышцах. Меньшая часть липидов входит в состав клеточных структур.

Содержание жира в организме варьирует в широком диапазоне и в среднем на его долю приходится 10-20% массы тела, а в случае патологического ожирения может увеличиваться до 50%.

Количество отложенного в запас жира зависит от характера питания, количества съеденной пищи, конституциональных особенностей, пола, возраста, а также от процента расхода энергии при физической активности и т.д.; количество же липидов, входящих в состав клеток является неизменной величиной.

Липиды обладают и специфическими функциями. Например, у женщин, благодаря жировым отложениям, обеспечивается запас энергии, необходимый для вынашивания плода и грудного вскармливания. Процент содержания жировой ткани в женском организме почти вдвое превышает его количество у мужчин, составляя 20-25% от массы тела.

Синтез и распад жиров в организме. Функции липидов.

Жир, всосавшийся из кишечника, поступает преимущественно в лимфу, а оттуда - в жировую ткань, а также в печень. В дальнейшем он переходит в кровь и, направляясь в ткани, подвергается там окислению, т.е. используется как энергетический материал. При окислении 1г жиров образуется 9,3 ккал или 37 кДж тепла.

При увеличении потребности организма в энергии, в условиях её дополнительного расхода, жиры становятся потенциальным источником энергии. Почти все клетки (в меньшей степени клетки мозга) могут использовать в качестве источника энергии не только глюкозу, но и жирные кислоты. Таким образом, важнейшей функцией жиров является энергетическая функция.

Поскольку содержание кислорода в молекуле жира относительно невелико, затраты на окисление жиров будут больше, чем на окисление углеводов. Преимущественное использование жира в качестве энергетического материала - это состояние покоя, а также мало энергоемкая физическая деятельность. При интенсивной работе мышц сначала расходуются запасы углеводов, а в дальнейшем, при исчерпании их запасов – до 80% всей энергии расходуется в результате окисления жиров.

Пластическая функция – еще одна важная роль жиров. Она осуществляется благодаря холестерину и фосфолипидам. Они принимают участие в миелинизации нервной ткани, в синтезе тромбопластина, стероидных гормонов, желчных кислот, простагландинов, и витамина Д. Кроме того, данные вещества входят в состав биологических мембран, обеспечивая их прочность и биофизические свойства.

Важную роль для организма играет соотношение жиров животного и растительного происхождения. В частности, линолевая и линоленовая ненасыщенные жирные кислоты являются незаменимыми факторами питания, поскольку не синтезируются в организме из других источников. Их значение заключается в образовании важнейших липидных компонентов мембран клеток. Полиненасыщенные жирные кислоты являются также источником для синтеза простагландинов – биологически активных веществ, принимающих участие во многих жизненно важных процессах в организме.

Кроме того, выделяют также и защитную функцию жиров. Благодаря присутствию холестерина в составе дермы (кожи) предотвращается проникновение водорастворимых веществ и целого ряда неблагоприятных факторов через кожу. Холестерин снижает потерю воды через кожу. Липиды принимают участие в фиксации и защите внутренних органов, а также и всего тела от механических воздействий.

Особенности обмена липидов у детей. Основной источник поступления липидов у грудных детей - это молоко, поскольку в нем содержатся высокоэмульгированые жиры, что позволяет быстро подвергнуть их перевариванию и усвоению организмом. В связи с высокой скоростью биосинтеза клеток, у маленьких детей резко повышается потребность в эссенциальныхомега-3- и омега-6-жирных кислотах. В целом, необходимость в липидах у детей по сравнению со взрослыми гораздо больше, поскольку основные энергозатраты организма покрываются именно жирами:

до 4 лет –3,5-4,0 г/кг массы тела

4-11 лет – 2,0-2,5 г/кг

взрослый – 1,0-1,5 г/кг

Бурая жировая ткань – особая ткань, в которой окисление жиров сопровождается высвобождением большого количества тепла. Особенно интенсивно метаболизм протекает в бурой жировой ткани у новорожденных. В этой ткани находится большое количество митохондрий, содержащих ферменты тканевого дыхания. Соответственно, благодаря обильному кровоснабжению, там происходит усиленное поглощение кислорода, интенсивное окисление глюкозы и жирных кислот. Основное количество высвобождаемой в ходе окисления энергии превращается в тепло. В митохондриях бурой жировой ткани присутствует белок термогенин, благодаря чему бурая жировая ткань выполняет терморегуляторную функцию. Процесс протекает особенно активно при угрозе нарушения теплового баланса.

Таким образом, липиды выполняют следующие функции в организме:

1) являются основным и резервным источниками энергии в клетке,

2) входят в состав структурных компонентов биологических мембран,

3) формируют биологически активные вещества (гормоны, витамины),

4) выполняют защитную функцию (механическая защита, теплоизоляция), а также

5) специфические функции (межклеточные контакты, передача сигнала в клетку).

Обмен углеводов

Углеводы – это вещества, благодаря которым обеспечивается более 55% всей потребляемой энергии. Источники углеводов могут быть как растительного происхождения (крахмал, клетчатка), так и животного (гликоген). В кишечнике они расщепляются до конечных продуктов: лактозы, глюкозы, фруктозы, галактозы. В плазме крови все эти вещества трансформируются в глюкозу, которая, перераспределяясь в организме, выполняет свои основные функции.

Содержание глюкозы в крови колеблется в небольших пределах, составляя 3,3-5,5 ммоль/л (0,8-1,0 г/л). Данный показатель считается жесткой константой, выход за границы которой, приводит к серьезным последствиям для организма.

Наиболее легкодоступным и главным источником энергии в организме является именно глюкоза. Высокая скорость ее окисления и быстрая мобилизация из депо, позволяет адекватно реагировать на растущие потребности в энергии при стрессовых ситуациях и физических нагрузках. Расщепление 1г глюкозы приводит к выделению 4,1 ккал или 17 кДж тепла.

Гликоген – это отложенный запас углеводов. Он быстро образуется из глюкозы, которая после всасывания в тонком кишечнике, доставляется в печень. Если с пищей поступает достаточное количество углеводов, то уровень глюкозы в крови быстро повышается. Развивается пищевая гипергликемия. Ее результатом является выделение глюкозы с мочой.

Снижение уровня глюкозы в крови приводит к расщеплению гликогена в печени и выходу глюкозы в плазму крови. Благодаря этому поддерживается постоянство уровня глюкозы в крови.

Гликоген откладывается также и в мышцах (1-2%). Его количество может увеличиваться при обильном питании, а при голодании - уменьшаться.

При работе мышц под влиянием фермента фосфорилазы происходит усиленное расщепление гликогена, являющегося источником энергии мышечного сокращения.

У человека и животных распад углеводов может происходить путем анаэробного гликолиза (без участия кислорода), а также за счет процессов окисления продуктов распада углеводов до СО₂ и воды.

При понижении уровня глюкозы в крови развивается гипогликемия, которая проявляется мышечной слабостью, падением температуры тела, а при усугублении состояния — судорогами и потерей сознания. При гипергликемии - увеличении уровня глюкозы в крови - ее избыток удаляется почками. Возникновение гипергликемии возможно при сильных эмоциях, после приема пищи, богатой углеводами, а также при заболеваниях поджелудочной железы. При снижении запасов гликогена ускоряется синтез ферментов, обеспечивающих реакцию глюконеогенеза, т. е. образования глюкозы из неуглеводных источников.

Физиологические нормыпотребления углеводов – 400-500 г/сут, что составляет по отношению к белкам и жирам1:1:4. В общем количестве углеводов на крахмал должно приходиться 350-400г, 50-100г - на моно- и дисахариды, 25г - на балластные вещества (целлюлозу и пектины).

Обмен воды.

В организме взрослого человека на долю воды приходится около 60% всей массы тела. Вода является средой, в которой протекают процессы метаболизма на клеточном уровне. Поэтому неотъемлемой составляющей нормальной жизнедеятельности организма является постоянное пополнение её запасов.

Наибольшее количество воды - около 70% - находится внутри клеток. В межклеточной или интерстициальной жидкости содержится 21% всей воды организма и около 8% приходится на воду в составе плазмы крови.

В организме человека в норме существует баланс между потребляемой и выделяемой жидкостью.

В процессе метаболизма одним из конечных продуктов обмена веществ является эндогенная вода (300 мл), образующаяся при окислении белков, жиров и углеводов.

Часть воды организма испаряется с поверхности тела и легких (около 800 мл), однако преимущественно удаление воды из организма осуществляется почками в составе мочи (ее количество очень вариабельно, в среднем около 1,5 л/сут).

Данные потери должны постоянно пополняться водой, поступающей в составе потребляемой пищи. В норме эта цифра колеблется в диапазоне 750 мл-1,5 л.

Необходимость поступления воды в организм контролируется центром жажды в гипоталамусе. Изменение осмолярности плазмы крови улавливается соответствующими рецепторами, и активация гипоталамического центра приводит к возникновению у человека чувства жажды.