Физиологические основы обмена веществ и энергии. Теплообмен

Обмен белков

Обмен веществ и энергии (метаболизм) это совокупность физических, химических и физиологических процессов усвоения питательных веществ в организме с высвобождением энергии. В об­мене веществ выделяют два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса — анаболизм и катаболизм (рисунок 5.1).

Анабо­лизм — это совокупность процессов биосинтеза органических со­единений, компонентов клеток, органов и тканей из поглощенных питательных веществ.

Катаболизм — это процессы расщепления сложных компонентов до простых веществ, обеспечивающих энерге­тические и пластические потребности организма.

Жизнедеятельность организма обеспечивается энергией за счет анаэробного и аэробного катаболизма поступающих с пищей белков, жиров и углеводов.

Рисунок 5.1 – Схема обмена веществ и энергии у млекопитающих

Белки являются основным пластическим материалом, из кото­рого построены клетки и ткани организма. Они входят в состав мышц, ферментов, гормонов, гемоглобина, антител.

В состав белков входят различные аминокислоты, заменимые и незаменимые. Заменимые аминокислоты могут синтезировать­ся в организме, а незаменимые (валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, триптофан, треонин, фенилаланин, аргинин и гистидин) — поступают только с пищей.

Поступившие в организм белки расщепляются в кишечнике до аминокислот и в таком виде всасываются в кровь и транспортируют­ся в печень. Поступившие в печень аминокислоты подвергаются дезаминированию и переаминированию. Эти процессы обеспечивают син­тез видоспецифичных аминокислот. Из печени такие аминокислоты поступают в ткани и используются для синтеза тканеспецифичных белков.

При избыточном поступлении белков с пищей, после отщепления от них аминогрупп, они превращаются в организме в углеводы и жиры. Белковых депо в организме человека нет.

Наряду с основной, пластической, функцией белки могут выполнять энергетическую функцию. При окислении в организме 1 г белка выде­ляется 4,1 ккал энергии.

Конечными продуктами расщепления бел­ков в тканях являются мочевина, мочевая кислота, аммиак, креатин, креатинин и некоторые другие вещества. Они выводятся из организ­ма почками и частично потовыми железами.

О состоянии белкового обмена в организме судят по азотистому балансу, т. е. по соотношению количества азота, поступившего в организм, и его количества, выведенного из организма. Если это ко­личество одинаково, то состояние называется азотистым рав­новесием.

Состояние, при котором усвоение азота превышает его выведение, называется положительным азотистым балан­сом. Оно характерно для растущего организма, спортсменов в период их тренировки и лиц после перенесенных заболеваний.

При полном или частичном белковом голодании, а так же во время некоторых забо­леваний азота усваивается меньше, чем выделяется. Такое состояние называется отрицательным азотистым балансом. При голодании белки одних органов могут использоваться для поддержа­ния жизнедеятельности других, более важных. При этом расходуются в первую очередь белки печени и скелетных мышц; содержание бел­ков в миокарде и тканях мозга остается почти без изменений.

Нормальная жизнедеятельность организма возможна лишь при азотистом равновесии, или положительном азотистом балансе. Такие состояния достигаются, если организм получает около 100-105 г белка в сутки. При больших физических нагрузках потребность в белках воз­растает до 120-150 г. Всемирная Организация Здравоохранения реко­мендует употреблять не менее 0,75 г белка на 1 кг массы тела в сутки.

Обмен углеводов

Углеводы поступают в организм человека, главным образом, в виде крахмала и гликогена. В процессе пищеварения их них образуются глюкоза, фруктоза, лактоза и галактоза. Глюкоза всасывается в кровь и через воротную вену поступает в печень. Фруктоза и галак­тоза превращаются в глюкозу в гепатоцитах. Избыток глю­козы в печени фосфорилируется и переходит в гликоген. Его запасы в печени и мышцах у взрослого человека составляют 300-400 г. При углеводном голодании происходит распад гликогена и глюкоза по­ступает в кровь.

Углеводы служат в организме основным источником энергии. При окислении углеводов освобождается 4,1 ккал энергии. Для окисления углеводов требуется значительно меньше кислорода, чем при окислении жиров. Это заметно повышает роль углеводов в мышечной деятельности. При уменьшении концентрации глюкозы в крови рез­ко снижается физическая работоспособность. Большое значение угле­воды имеют для нормальной деятельности нервной системы.

Глюкоза выполняет в организме и некоторые пластические функ­ции. Например, промежуточные продукты ее обмена (пентозы) вхо­дят в состав нуклеотидов и нуклеиновых кислот, некоторых фермен­тов и аминокислот, а также служат структурными элементами кле­ток. Важным производным глюкозы является аскорбиновая кислота (витамин С), которая не синтезируется в организме человека.

При голодании запасы гликогена в печени и концентрация глю­козы в крови уменьшаются. То же происходит при длительной и на­пряженной физической работе без дополнительного приема углево­дов. Снижение содержания глюкозы в крови до 0,06-0,07 % (нор­мальная концентрация 0,08-0,12 %) вызывает гипо­гликемию, которая проявляется мышечной слабостью, падением температуры тела, а в дальнейшем — судорогами и потерей сознания. При гипергликемии, когда содержание сахара в крови достигает 0,15% и более, избыток глюкозы быстро выводится почками. Такое состояние может возникать при эмоциональном возбуждении, после приема пищи, богатой легкоусвояемыми углеводами, а также при за­болеваниях поджелудочной железы. При истощении запасов глико­гена возрастает синтез ферментов, которые обеспечивают реакцию глюконеогенеза, т.е. синтеза глюкозы из лактата или амино­кислот.

Обмен жиров

Физиологическая роль липидов (нейтральные жиры, фосфатиды и стеараты) в организме заключается в том, что они входят в состав клеточных структур (пластическое значение липидов) и явля­ются богатыми источниками энергии (энергетическое значение).

Нейтральные жиры расщепляются в кишечнике до глицерина и жирных кислот. Эти вещества, проходя через кишеч­ник, вновь превращаются в жир, который всасывается в лимфу и в небольшом количестве в кровь. Кровь транспортирует жиры в тка­ни, где они используются для пластического синтеза и в качестве энергетического материала.

Общее количество жира в организме человека колеблется в широ­ких пределах и составляет 10-20% массы тела. При ожирении оно мо­жет достигать 40-50%. Жировые депо в организме непрерывно об­новляются. При обильном углеводном питании и отсутствии жиров в пище синтез жира в организме может происходить из углеводов.

Нейтральные жиры, поступающие в ткани из кишечника и жировых депо,

окисляются и используются в качестве источника энергии. При окислении 1 г жира освобождается 9,3 ккал энергии. В связи с тем, что в молекуле жира содержится относительно малое количество кислорода, после­днего нужно для окисления жиров больше, чем при окислении углеводов. Как энергетический материал жиры используются глав­ным образом в состоянии покоя и при выполнении длительной мало­интенсивной физической работы. В начале более напряженной мы­шечной деятельности используются преимущественно углеводы, которые в дальнейшем замещают­ся жирами из-за уменьшения их запасов. При длительной работе до 80% всей энергии обеспечивается за счет окисления жиров.

Жировая ткань, покрывающая различные органы, предохраняет их от механических воздействий. Скопление жира в брюшной полости обеспечивает фиксацию внутренних органов, а подкожная жировая клетчатка защищает организм от излишних теплопотерь. Секрет сальных желез предохраняет кожу от высыхания и излишнего смачи­вания водой.

Пищевые продукты, богатые жирами, содержат некоторое коли­чество фосфатидов и стеринов. Они также синтезируются в стенке кишечника и в печени из нейтральных жиров, фосфорной кислоты и холина. Фосфатиды входят в состав клеточных мембран, ядра и протоплазмы; они имеют большое значение для функциональной активности нервной ткани и мышц.

Важная физиологическая роль принадлежит стеринам, в частности холестерину. Эти вещества являются источником образо­вания в организме желчных кислот, а также гормонов коры надпо­чечников и половых желез. При избытке холестерина в организме развивается атеросклероз. Некото­рые стерины пищи, например, витамин Д, также обладают большой физиологической активностью.

Обмен липидов тесно связан с обменом белков и углеводов. По­ступающие в организм в избытке белки и углеводы превращаются в жир. Наоборот, при голодании жиры расщепляются и служат источни­ком углеводов.